Edistys ja rappio
Luin filosofi Imre Lakatoksen kirjoituskokoelman The methodology of scientific research programmes. Vuonna 1974 kuollut Lakatos muistetaan erityisesti tieteen ja ei-tieteen eron selventämisestä.
Luonnontieteen kehityksen myötä muodostui haparoiden uudenlainen käsitys siitä, miten maailmasta voi saada tietoa havaintojen avulla. 1600-luvulla Francis Bacon esitti, että luonnonlait voi löytää vain merkitsemällä järjestelmällisesti muistiin kaikki oleelliset havainnot ja setvimällä miten ne liittyvät toisiinsa sen kummempia teoretisoimatta.
Oikeasti luonnonlakien löytäminen vaatii kaikenlaisia oletuksia. Tämä herättää kysymyksen siitä, mitkä oletukset kelpaavat ja mistä tietää luonnonlakien olevan oikeita. Eri oletukset eivät nimittäin johda vain erilaisiin vastauksiin, vaan myös eriäviin näkemyksiin siitä, mitkä ovat oleellisia kysymyksiä. Tähtitiede ei tarjoa vastauksia sellaisiin ihmiselämää koskeviin ongelmiin, mitä astrologia yrittää ratkoa. Voiko tästä päätellä, että tähtitiede on epäonnistunut?
1930-luvulla filosofi Karl Popper esitti, että vaikka havainnot (toisin kuin Bacon ajatteli) eivät riitä teorian rakentamiseen, ne riittävät sen tuhoamiseen. Popperin mukaan teoria on tieteellinen, jos se tekee ennusteita, joita voi testata, ja jos ennusteet eivät vastaa havaintoja, niin teoria pitää hylätä.
Nyt ongelmana ei ole se, että ei tiedettäisi mitkä lähtöoletukset kelpaavat: minkä tahansa teorian voi esittää, kunhan sitä koettaa havaintoja vasten. Mutta mitkä havainnot kelpaavat? On lähes aina havaintoja, jotka ovat ristiriidassa teorian kanssa. Fysiikassa onkin sellainen kansanviisaus, että jos teoria sopii kaikkiin havaintoihin, niin se on varmasti väärin, koska osa havainnoista on väärin.
Lakatos, joka kehitti ideoitaan Popperin vaikutuspiirissä, esitti kirjaan kootuissa teksteissään, että kysymyksen teorian tieteellisyydestä voi ratkaista vain tarkastelemalla sitä osana tutkimusohjelmaa. Lakatoksen mukaan tutkimusohjelmalla on ydin, jota ympäröi joukko apuoletuksia. Ydin on ohjelman perusta, jota ei voi muuttaa ilman että olisi kyse toisesta ohjelmasta. Mutta jos havainnot ovat ristiriidassa ennusteiden kanssa, apuoletuksia voi muuttaa ytimen suojaamiseksi.
Esimerkiksi Newtonin painovoimateorian ydin on se, että kaikki kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on verrannollinen niiden massaan ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyteen. Kun teoriaa sovelletaan liikkeisiin Aurinkokunnassa, mukana on sellaisia apuoletuksia kuin että Aurinkokunnan ulkopuoliset massat voi jättää huomiotta, että Aurinkokunnassa ei ole näkymättömiä massoja, ja niin edelleen.
Kun havainnot eivät vastaakaan teoriaa, ensimmäiseksi etsitään puutteita havainnoista ja laskuista, ja sitten muutetaan apuoletuksia.
Jos planeettojen radat eivät vastaa havaintoja, voi esittää, että on olemassa uusi planeetta, jonka gravitaatio selittää havaitut poikkeamat. Entä jos planeettaa ei löydy sieltä mistä pitäisi? Silloin voi taas muuttaa oletuksia, esimerkiksi pienentää planeettaa ja lisätä avuksi asteroideja. Jos niitäkään ei löydy, voi muuttaa oletuksia asteroidien kirkkaudesta, ja niin edelleen, kuten tehtiin 1800-luvulla Vulkanuksen pelastamiseksi ja Merkuriuksen radan poikkeavan kiertymisen selittämiseksi.
Oletuksia voi lisätä ja muutella periaatteessa loputtomiin, ja käytännössä niin tehdään, kunnes joku saa paremman idean (ja jotkut vielä sen jälkeenkin, kuten eetterin tapaus osoittaa). Mutta milloin touhu lakkaa olemasta tiedettä?
Lakatos jakoi tutkimusohjelmat edistyviin ja degeneroituviin. Tutkimusohjelma on edistyvä, jos uudet oletukset johtavat uusiin ennusteisiin, jotka havainnot varmentavat. Muutoin tutkimusohjelma on degeneroituva.
Edistyvää tutkimusohjelmaa voi pitää tieteellisempänä kuin degeneroituvaa tutkimusohjelmaa. Mutta ei ole yksiselitteistä rajaa sille, milloin degeneroituvan tutkimusohjelman jatkaminen ei ole enää tieteellistä. Voi olla kuiva kausi, jonka jälkeen tutkimusohjelma puhkeaa taas kukkaan. Esimerkiksi yleisen suhteellisuusteorian saralla ei juuri tehty oleellisia uusia havaintoja 1930- ja 50-lukujen välissä.
Tieteenhistoriassa –etenkin populaarissa– kiinnitetään usein huomiota keskeisiin kokeisiin, jotka määräävät tutkimusohjelmien kohtalon. Lakatos korosti sitä, että usein kokeet kuitenkin tunnistetaan ratkaiseviksi vasta sen jälkeen, kun uusi tutkimusohjelma on korvannut edeltäjänsä. Kuten vain havainnot voivat lopulta kertoa onko teoriasta mihinkään, vain teoria voi selvittää, mitkä havainnot ovat tärkeitä.
Esimerkiksi vuodesta 1859 asti tiedettiin, että havaittu Merkuriuksen radan kiertymä ei vastaa Newtonin teorian ennustetta, mutta tästä tuli historiallinen virstanpylväs vasta 1915, kun yleinen suhteellisuusteoria selitti kiertymän ja korvasi Newtonin teorian. Toisin kävi Pioneer-anomalialle: vuosikymmenten ajan havainnot luotainten Pioneer 10 ja 11 radoista poikkesivat yleisen suhteellisuusteorian ennusteista, kunnes ongelma ratkesi korjaamalla oletuksia luotainten lämpösäteilyn vaikutuksesta niiden liikkeeseen.
Monet fyysikot ovat sitä mieltä, että filosofiasta ei ole hyötyä tutkimuksen tekemisessä. Siitä voi kuitenkin olla apua sen päättämisessä, mitä fysiikan teorioita kannattaa tutkia. Esimerkiksi fyysikot ovat käyneet kiivaita väittelyitä säieteoriasta ja multiversumi-ideasta. Molempien hahmottaminen tutkimusohjelmina, ja niistä kumpuavien ideoiden tarkasteleminen tutkimusohjelman kehityksen kautta, voi auttaa niiden sijoittamisessa tieteen kentälle.
Ainakin se parantaisi suuren yleisön ymmärrystä tieteen tekemisestä ja sisällöstä. Valitettavasti tällainen tutkimusohjelmaan pohjaava kehystys on kiisteltyjen tiedeaiheiden kohdalla tiedotusvälineissä harvinaisempi kuin viitekehyksestä irrotetut yksittäisen artikkelin, idean tai kokeen sensaatiohakuiset esittelyt.
Blogin luettuani minulle tuli mieleen takavuosina kuulemani tarina neuvostoliittolaisen osto-organisaation edustajien osallistumisesta suomalaisen metsäkoneen työnäytökseen. Katseltuaan millintarkkaa toimintaa ja nopeasti kasvavaa määrämittaisten tukkien pinoa vieraat alottivat keskenään viittoilun ja pulinan. Aikansa keskusteltuaan delegaation johtaja esitti isännille kysymyksen: ”Vaikuttava esitys, mutta toimiiko kone myös teoriassa?”
Neuvostoliiton punakone toimi ainakin jääkiekkokaukalossa hienosti, koska peliteoria oli heillä hyvin suunniteltu.
Osallistuin kerran filosofian seminaarille, jossa käsiteltiin ihmisen havaintomaailmaa ja pyöriteltiin sellaisia hienoja termejä, kuten ontologia, epistemologia ja modaalisuus. Luennon jälkeisessä keskustelussa en malttanut olla siteeraamatta Feynmania: ”Filosofia on yhtä hyödyllistä fysiikalle kuin ornitologia linnuille.” Paikalla olleilla filosofeilla meni vähän nokka solmuun, mutta pian taas palattiin kiertoradalle pohdiskelemaan inhimillisen tietämyksen metafysiikkaa.
Miten muuten Karl Popper – tai Lakatos – suhtautui termodynamiikan toiseen lakiin? Kyseessähän ei ole mikään sellainen luonnonlaki, joka on absoluuttinen, vaan sellainen joka pätee melkein aina riittävän suurissa systeemeissä. Siinäpä hieno anomalia ja kauneusvirhe jäykkämielisten tieteenfilosofien ajatusrakennelmiin. Miksi muuten säieteoria olisi jokin tutkimusohjelma, jos se kerran on jo teoria? Lakatos varmaankin kysyisi, että mikä mahtaa olla säieteorian kova ydin.
Kun katsoo sukupuuttoon kuolleiden lintujen luetteloa, niin ehkäpä ornitologiasta olisi ollut hyötyä jonkun lajin pelastamiseksi. Fyysikoilla on aika yleisesti ylimielinen asenne muihin tieteisiin, vaikka fyysikot eivät osaa selittää pimeää ainetta eikä energiaa eivätkä sovittaa yhteen kvantti- ja suhteelisuusteoriaa. Fyysikoiden olisi ehkä syytä joskus tarkastella omia ortodoksisia paradigmojaan filosofiselta kannalta.
Pimeälle aineelle ja pimeälle energialle on olemassa satoja malleja. Ensiksi mainittujen joukossa on paljon sellaisia, joissa ei ole mitään kummallista. Se, että pimeän aineen hiukkasta ei ole vielä löytynyt, eli ei tiedetä, mikä malli on oikea, on eri asia kuin se, että asiaa ei osattaisi selittää. Pimeä energia onkin tosiaan outo asia.
Kvanttifysiikka ja suppea suhteellisuusteoria on yhdistetty kvanttikenttäteoriassa. Kvanttifysiikan yhdistäminen yleiseen suhteellisuusteoriaan on onnistunut paljon rajatummin, toistaiseksi vain inflaatiossa on tehty kvanttigravitaatioennustuksia joita on onnistuneesti testattu havainnoilla.
Minusta näyttää vahvasti siltä, etteivät tutkijat pysty koskaan löytämään vastausta pimeän aineen ja energian arvoitukselle. Mutta niin kauan asia työllistää tuhansia fyysikoita, kunnes joku ”kerettiläinen” osoittaa, ettei kumpaakaan tarvita selittämään galaksien rakenteita eikä maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista.
Tässä onkin taas hyvä tilaisuus esittää vanha mielipiteeni uudestaan: Sen sijaan, että fyysikoiden fiksuutta käytetään heidän itsensä uteliaisuutta kiihottavien, mutta vähemmän kiireellisten ikuisuusasioiden tutkimiseen, minä ohjaisin suuren osan heidän älyllisitsä ja taloudellisista resursseistaan maapallon ilmaston ja luonnon pelastamiseen. Se on sekä hyödyllistä että kiireellistä toimintaa.
Toinen näkökulma on se, että yrittäisimme saada selville luonnon periaatteista mahdollisimman paljon ennen sukupuuttoamme. 🙂
Samalla tavalla tarvitaan valtava määrä pappeja, piispoja, imaameja, rabbeja, guruja jne. vakuutamaan ihmisille jumalan olevan olemassa. Ja koska tätä ei voida aukottomasti osoittaa vääräksi, niin uskontojen tuputtaminen jatkuu, Samalla ravalla minä ohjaisin suuren osan heidän älyllisistä ja taloudellisista resursseistaan maapallon ilmaston ja luonnon pelastamiseen, jotta yrittäisimme saada selville luonnon periaatteista mahdollisimman paljon ennen sukupuuttoamme!
Lienee paikallaan olla nöyrä, mutta nyt akuutit ongelmat eivät ole niitä, joista muutaman sadan vuoden päästä mietimme. Jokainen sukupolvi kokee, että nyt on eletään historian merkittävintä aikaa, paitsi ehkä fyysikot 1900-luvun käänteessä, kun kuviteltiin, että kaikki keksimisen arvoinen olisi jo keksitty.
Episteemistä syytä olla vielä kehittämättä mallia, joka vielä selittää nykyistä paremmin pimeää ainetta ja energiaa, ei ole olemassa. Jos vaikka matematiikassa ja jossakin filosofiassa on asioita, joita ei voida koskaan mallintaa nuts and bolts -tasolla.
Tästä huolimatta, että osa fysiikasta onkin mennyt matematiikan puolelle. Näistäkin on vielä hyötyä. (Ainakin matematiikassa.)
Kiitos kiinnostavasta kirjoituksesta. Jäsentää kauniisti tieteen isossa kuvassa hyödyllistä käsitteistöä.
Kommentoin kohtaa, jossa kirjoitat että ”monet fyysikot ovat sitä mieltä, että filosofiasta ei ole hyötyä tutkimuksen tekemisessä.” En oleta olevani eri mieltä kanssasi, mutta korjaa toki jos olen väärässä.
Filosofian hyöty riippuu siitä, mitä filosofialla tarkoitetaan. Puhutaan metafilosofiasta.
Omassa kielipelissäni filosofia = kieli. Minun näkökulmasta matematiikkakin on kieli eli filosofiaa, eikä yksikään fyysikko varmaan kiellä matematiikan hyötyä tutkimuksen tekemisessä. Voidaan tietysti yrittää sopia, että suljetaan matematiikka filosofian ulkopuolelle eli puhutaan vain ns. luonnollisen kielen filosofiasta. Mutta rajanveto on ongelmallista, koska teoreettisen filosofian ammattilaisten kieli ja käsitteistö ei välttämättä tunnu muiden mielestä sen ”luonnollisemmalta” kuin matematiikka. Ja matematiikan tuloksiakin voidaan ilmaista luonnollisen kielen avulla – muuttuuko matematiikka filosofiaksi vasta siinä vaiheessa, kun symbolein kirjoitettu kaava luetaan sanallisesti?
Kaikki tutkimukseen liittyvät ongelmat eivät ratkea pelkästään nyrkkien ja matematiikan avulla. Osa ongelmista ratkeaa puhumalla. Eli filosofian avulla.
Ajattelen, että fyysikot tutkivat luontoa ja filosofit kieltä. Koska kieli on osa luontoa, filosofitkin voivat periaatteessa tutkia luontoa vähintään epäsuorasti. Mitä kukin käytännössä tutkii, on toki oma, tärkeä kysymyksensä.
Minä olen siis ainakin esimerkki fyysikosta, jonka mielestä filosofiasta on hyötyä tutkimuksen tekemisessä. Varmasti yliopistossa tehdään paljon filosofian tutkimusta, josta ei ole fysiikan tutkimuksen kannalta hyötyä, mutta uskon että monimutkaisten käsitteiden mahdollisimman taloudellinen jäsentäminen hyödyttää suuren yleisön ymmärryksen lisääntymisen lisäksi myös tutkijoiden työtä ja keskinäistä kommunikaatiota.