(streszczenie książki “Porządek i Przygodność”)
Dwie używane współcześnie teorie grawitacji to teoria Newtona i Ogólna Teoria Względności. Niech posłużą nam za przykład. Teoria Newtona opisuje wzajemne przyciąganie wszelkich ciał masywnych. Uczy się jej w szkole, ale uznaje się ją za nieaktualną. Obowiązującą teorią jest Ogólna teoria względności, w której grawitację interpretuje się na gruncie zakrzywionej czasoprzestrzeni.
Klasyczny newtonowski sposób rozumienia grawitacji został zastąpiony ponad 100 lat temu. Ale wyjaśnienia Ogólnej Teorii Względności też mogą być zastąpione. Fizycy liczą, że będzie kiedyś kolejna teoria, która opisze zarówno grawitację, jak i zjawiska kwantowe. Równocześnie opis newtonowski nadal zachowuje wielką przydatność w praktyce (w obliczeniach inżynierskich, albo astronomicznych).
Spróbujmy odpowiedzieć na pytanie: co jest w fizyce ustalone w sposób niezmienny? Mimo, że teorię Newtona niby obalono, to matematyczne zależności między mierzonymi wielkościami są nadal prawdziwe w takim zakresie w jakim je testowano. Są szczególnym przypadkiem Ogólnej Teorii Względności, dla niewielkich mas i energii. Podobnie dynamika Newtona może być wyprowadzona z mechaniki kwantowej.
W tym sensie fizyka odkrywa niezmienną wiedzę: ustalony uniwersalny porządek świata. W tym sensie fizyka robi ciągły postęp, gdyż cały wartościowy spadek przechodzi ze starej teorii do nowej teorii. To zaś, co ulega obaleniu, to wyjaśnienia i obrazy starej teorii. Oto rdzeń metody fizyki według Duhema: uniwersalny, niezmienny, matematyczny porządek świata. Przygodność wyjaśnień i obrazów, które są niepewne i wtórne wobec części opisowej teorii.
Przedmiotem tezy historycznej Duhema jest odpowiedź na pytanie: jak powstała ta najważniejsza część fizyki. Nie fizyka jako całość procesu, ale ta właśnie metoda. Oto wielka zagadka: bowiem o ile medycyna, nawigacja czy inżynieria budowlana rozwinęła się w wielu różnych kulturach, to nic podobnego nie można powiedzieć o fizyce.
Pierwszymi którzy zasłużyli się próbując pojąć regularność natury była wielka trójka filozofów: Sokrates, Platon i Arystoteles. Dwaj pierwsi wskazali, że wyjaśnić procesy natury, to odpowiedzieć: “dlaczego lepiej, że planety poruszają się tak, a tak?”, “dlaczego lepiej, że kamień spada w określony sposób?”. Regularność tłumaczyli istnieniem celowości w naturze, co stało się też fundamentem systemu Arystotelesa. Pojęcie celu dobrze się sprawdza w wyjaśnieniu świata organicznego: drzewo odwraca liście do słońca i produkuje żołędzie by wyrosły nowe drzewa. Kot łapie myszy, by zdobyć pokarm. Ludzie również działają w sposób celowy. Dość rozsądne było, że podobnie można zrozumieć świat fizyki.
Arystoteles dokonał paru kluczowych innowacji. Na pytanie: jak możemy poznać niezmienną wiedzę o świecie wobec faktu, że świat się zmienia odpowiedział następująco: zależności celowe są stałe i ustalone i możemy poznać je przez powtarzalne obserwacje. To pozwoliło mu trafnie określić część praw fizyki, jednak popełniając przy tym poważne błędy. Arystoteles twierdził, że to wewnętrzna natura musi sprawiać, że kamień spada, co nie jest zbyt trafnym opisem grawitacji. Zjawiska geofizyki i meteorologii tłumaczył on porównując Ziemię do wielkiego zwierzęcia, które ma wzdęcia i gazy, a niebiosa porównywał do ożywionych istot. Podobne opinie podzielali też stoicy, neoplatonicy i Ptolemeusz. Chcąc określić pojęcia naukowe Arystoteles bardzo dbał, by wszystko precyzyjnie zdefiniować przez konkretne obiekty i własności. Ruch postępowy według Arystotelesa to zmiana miejsca przez ciało. Czym jest miejsce? Miejsce to warstwa materii otaczająca ciało. Czym jest czas? Długością ruchu podobnie do długości linii. Widzimy, że system Arystotelesa ma błędną wizję uporządkowania świata: świat ten jest organiczny i ożywiony. Sposób opisu też jest niewłaściwy, opiera się na tym co widzialne, nie tym, co mierzalne.
Wielkości fizyczne używane współcześnie nie są podobne do pojęć Arystotelesa i sprzeciwiają się jego regułom: są bowiem abstrakcyjnymi interpretacjami teoretycznymi. Rozważmy prosty przykład temperatury. Rozpatrujemy zbiór (klasę równoważności) ciał tak samo ciepłych i przypisujemy im liczbę. Poza tą klasą istnieją ciała cieplejsze lub chłodniejsze: je także łączymy w klasy i nadajemy im liczby, w ten sposób, że każda klasa cieplejsza ma większą liczbę, niż klasa chłodniejsza. Następnie należy wprowadzić hipotezę roboczą, że jeśli cieplejsze i chłodniejsze ciała pozostaje w kontakcie, to chłodne ciało się ociepla, a zimne ochładza, proporcjonalnie do swojej masy. I jeszcze jedną hipotezę: że niektóre ciała rozszerzają się w ustalony sposób pod wpływem ciepła. To pozwala mierzyć temperaturę przy użyciu słupa cieczy, który wchodzi w kontakt z danym ciałem. Tak właśnie działa termometr. W książce pisałem, że podobne analizy możemy znaleźć u scholastyków. Aktywny do połowy czternastego wieku John Bassols OFM był tym, który przez konstrukcję podobną do powyższej wykazał, że ciepło jest ilością (a nie podobieństwem do idealnej formy ciepła, jak chciał Arystoteles). Miejsce u późnych scholastyków nie jest warstwą otaczającej materii, a relacją równoważności kolejnych, następujących po sobie warstw: pozwala to opracować pojęcie ruchu względnego. Odrzuciwszy arystotelesową teorię czasu w analogii do długości linii, scholastycy mogą zdefiniować prędkość w chwili czasu i podobnie też szybkość zmian innych wielkości. Oresme opracowuje prymitywny, graficzny rachunek całkowy i stosuje go do kinematyki. Buridan, odrzucając “natury” ciał nieożywionych, opracowuje teorię impetu, która leży u podstaw pojęć pędu i energii kinetycznej. Oresme toruje drogę Kopernikowi i Mikołajowi z Kuzy przez nowatorski opis grawitacji, ruchu dziennego Ziemi i wielości światów.
Zadziwiające, że u podstaw tych odkryć leżały poglądy filozoficzne bardzo zbliżone do metody fizyki, wypracowane w XIII w. przez teologów i filozofów. Po pierwsze proponowano uniwersalny zrozumiały porządek świata, w którym Bóg wszystko uczynił według “miary, liczby i wagi”. Po drugie, franciszkańscy teologowie opracowali tezę o przygodności: jeśli można coś pomyśleć, to Bóg mógłby to uczynić, więc jest to możliwe. Wszystkie twierdzenia arystotelików o logicznej konieczności zostały więc odrzucone, co prędko pozwoliło dokonać opisanej już rewizji fizyki. Oto dwa fundamenty metody fizyki po dziś dzień: opis mierzalnego porządku świata i przygodność wyjaśnień i obrazów. Tak oto scholastycy, pod wpływem teologii i Objawienia, po mistrzowsku nakreślili plan tej wspaniałej budowli jaką jest współczesna fizyka. To jest historyczna teza Duhema: koniecznym warunkiem powstania fizyki był wpływ katolickiej teologii średniowiecza.