Fizyka jest jedną z najbardziej skutecznych dziedzin ludzkiego poznania. Jej równania pozwalają przewidywać ruch planet, budować urządzenia elektroniczne, opisywać własności materii, badać strukturę atomu i rekonstruować historię Wszechświata. Sukces ten nie rozstrzyga jednak podstawowego pytania:
Czy fizyka opisuje rzeczywistość, czy jedynie porządkuje ludzkie doświadczenie?
Można bowiem przyjąć, że teoria fizyczna jest wyłącznie narzędziem pozwalającym przewidywać wyniki eksperymentów. Można też uznać, że jej celem jest odkrywanie realnych obiektów, struktur i mechanizmów istniejących niezależnie od człowieka. Pomiędzy tymi stanowiskami rozciąga się całe spektrum poglądów: od radykalnego instrumentalizmu i operacjonizmu po realizm naukowy.
Dyskusja między stanowiskami Maria Bungego, Karla Poppera, Thomasa Kuhna i P. J. E. Peeblesa nie jest prostą chronologią, w której jedna koncepcja zastępuje drugą. Popper i Kuhn sformułowali swoje najważniejsze poglądy wcześniej, niż Bunge opublikował Philosophy of Physics. Peebles natomiast podejmuje ten sam problem z perspektywy praktyki fizyków XXI wieku.
Są to cztery różne odpowiedzi na pytania, które nadal pozostają aktualne:
- Skąd biorą się teorie?
- Jaką rolę pełnią obserwacje?
- W jaki sposób doświadczenie kontroluje teorię?
- Czy pojęcia teoretyczne odnoszą się do realnych obiektów?
- Na czym polega postęp naukowy?
- Czy kolejne teorie przybliżają nas do prawdy?
Do jego podstawowych tez miały należeć przekonania, że:
- obserwacja jest źródłem wiedzy fizycznej;
- realne jest tylko to, co może stać się częścią ludzkiego doświadczenia;
- teoria jest skondensowanym doświadczeniem;
- prawa fizyki można odkryć w tabelach wyników;
- celem teorii jest wyłącznie porządkowanie i przewidywanie doświadczeń;
- pojęcia takie jak elektron czy pole są jedynie matematycznymi pomostami między obserwacjami;
- teorii nie należy oceniać jako prawdziwej lub fałszywej;
- znaczenie pojęcia fizycznego jest wyznaczane przez operacje pomiarowe.
Bunge nie przedstawiał własnego stanowiska, lecz rekonstruował poglądy, które zamierzał poddać krytyce. Jego zdaniem teoria fizyczna nie jest biernym streszczeniem doświadczenia. Zawiera pojęcia i założenia, których nie można uzyskać za pomocą samej indukcji.
Z danych dotyczących ruchu ciał nie wynika automatycznie zasada bezwładności. Z laboratoryjnych pomiarów nie można bez dodatkowych założeń odczytać pojęcia pola, funkcji falowej ani zakrzywionej czasoprzestrzeni. Równania Einsteina nie były ukryte w tabelach astronomicznych i nie zostały z nich mechanicznie wydobyte. Ich sformułowanie wymagało nowych zasad, pojęć geometrycznych, eksperymentów myślowych oraz twórczej konstrukcji matematycznej. :
gdzie tensor Einsteina jest zdefiniowany przez:
Równania Einsteina nie są indukcyjnym streszczeniem obserwacji. Ich konstrukcja wymagała zasady równoważności, geometrii różniczkowej, pojęcia tensora metrycznego oraz założeń dotyczących związku między materią a krzywizną.
Bunge bronił realizmu naukowego. Według niego pojęcia takie jak elektron, pole czy czasoprzestrzeń mają odnosić się do realnych składników świata, nawet jeżeli nie są dostępne bezpośredniej obserwacji. Teoria ma nie tylko przewidywać, lecz również wyjaśniać. W realistycznym ujęciu Bungego wyjaśnienie odsyła od zjawiska dostępnego obserwacji do mechanizmu, który nie musi być obserwowalny bezpośrednio::
Strzałka wskazuje kierunek oddziaływania lub wyjaśniania. Nie oznacza to, że każdy element formalizmu matematycznego musi być realnym obiektem. Wymaga natomiast określenia, które elementy teorii pełnią funkcję reprezentacyjną, które są narzędziami rachunkowymi, a które wynikają jedynie z wyboru opisu. Wyjaśnienie fizyczne nie kończy się na uporządkowaniu obserwacji. W realistycznym ujęciu Bungego teoria wskazuje realny mechanizm, który wytwarza lub warunkuje obserwowane zjawisko.
Karl Popper atakuje empiryzm indukcyjny od strony logiki. Żadna skończona liczba obserwacji jednostkowych nie pozwala logicznie wyprowadzić prawa ogólnego. Z dowolnej skończonej liczby obserwacji jednostkowych
nie wynika logicznie zdanie uniwersalne
Dlatego
Popper odrzuca więc schemat:
Proponuje inny:
Teoria jest twórczym przypuszczeniem. Z teorii (T), warunków początkowych (W) i założeń pomocniczych (A) wyprowadzamy przewidywanie (P):
Następnie konfrontujemy przewidywanie z wynikiem eksperymentu. Jeżeli zachodzi (nie P), cały układ założeń znalazł się w konflikcie z doświadczeniem:
Nie oznacza to jednak, że każdy niezgodny pomiar natychmiast i jednoznacznie falsyfikuje konkretną teorię. Błąd może znajdować się w warunkach początkowych, aparaturze, modelu pomiaru albo założeniach pomocniczych. Popperowski obraz nauki jest zatem bardziej subtelny niż popularne hasło: „jeden eksperyment obala teorię”. Najważniejsza zmiana dotyczy funkcji doświadczenia:
Doświadczenie nie produkuje teorii. Doświadczenie kontroluje cały układ: teorię, warunki początkowe, model aparatury i założenia pomocnicze. Dlatego pojedyncza anomalia nie wskazuje jeszcze jednoznacznie elementu odpowiedzialnego za niezgodność.
Naukowość nie zależy od sposobu, w jaki uczony wpadł na hipotezę. Może ona pochodzić z obserwacji, intuicji, analogii, rozważań metafizycznych, matematycznej symetrii, a nawet przypadku. O jej naukowym statusie decyduje możliwość poddania jej racjonalnej i empirycznej kontroli.
Thomas Kuhn przenosi dyskusję z logicznej rekonstrukcji nauki na jej rzeczywistą historię. Zauważa, że rozwój fizyki nie przypomina ciągłego zbierania neutralnych faktów i dodawania do nich kolejnych praw.
Badania odbywają się wewnątrz określonego paradygmatu lub — w późniejszej terminologii Kuhna — macierzy dyscyplinarnej. Obejmuje ona:
- podstawowe prawa i równania;
- wzorcowe rozwiązania problemów;
- standardy poprawnego wyjaśniania;
- uznane metody eksperymentalne;
- przyjęte sposoby interpretowania wyników;
- wartości poznawcze wspólnoty naukowej;
- język, w którym formułowane są problemy.
Paradygmat nie jest tylko pojedynczą teorią. Jest całym sposobem uprawiania nauki. Wyznacza, jakie pytania uważa się za sensowne, jakie dane za istotne oraz co w ogóle zostanie rozpoznane jako zjawisko wymagające wyjaśnienia.
Dlatego obserwacja nie jest całkowicie neutralna. Obserwację naukową można przedstawić symbolicznie jako:
gdzie:
R – reakcja rzeczywistego układu;
I – aparatura i sposób jej działania;
J – język opisu;
A – przyjęte założenia;
K – wiedza zastana i aparat pojęciowy.
W skrócie:
Ślad w komorze pęcherzykowej nie jest sam przez się „torem cząstki”. Staje się nim dopiero w świetle teorii budowy aparatury, oddziaływań cząstek i sposobu interpretacji śladu. Wskazanie przyrządu nie jest jeszcze pomiarem określonej wielkości fizycznej. Aby stało się wynikiem pomiaru, potrzebujemy teorii przyrządu i relacji łączącej jego zachowanie z badaną wielkością.
Kuhn nie musi być rozumiany jako głosiciel dowolności. Świat stawia teoriom opór: pojawiają się anomalie, nieudane przewidywania i problemy, których nie daje się rozwiązać w ramach dotychczasowego paradygmatu. Jednak same dane nie wskazują jednoznacznie, jaki nowy paradygmat należy przyjąć.
Paradygmat współokreśla, które wyniki uznajemy za istotne i w jaki sposób nadajemy
im znaczenie fizyczne.
W czasie rewolucji naukowej zmieniają się nie tylko równania, lecz również pojęcia, kryteria oceny i sposób widzenia problemów. Przejście od fizyki Arystotelesa do mechaniki Newtona albo od mechaniki klasycznej do teorii względności nie polegało wyłącznie na dodaniu nowych faktów. Zmieniło się rozumienie ruchu, przestrzeni, czasu, masy i przyczynowości.
P. J. E. Peebles podejmuje próbę sformułowania filozofii, którą współcześni fizycy zazwyczaj posługują się w praktyce, nawet jeżeli jej wyraźnie nie deklarują. W pracy The Physicists’ Philosophy of Physics przedstawia cztery podstawowe założenia.
Po pierwsze, świat działa zgodnie z prawidłowościami, które można odkrywać w kolejnych przybliżeniach.
Po drugie, dobra teoria dostarcza przewidywań, które można porównywać z rzetelnymi obserwacjami i pomiarami, uwzględniając niepewności zarówno teorii, jak i eksperymentu. Porównanie przewidywania teorii z pomiarem powinno uwzględniać niepewności: 
Jeżeli niepewności są niezależne, można zdefiniować
oraz unormowaną różnicę
rozbieżność względem przyjętego modelu niepewności.
Teoria jest kontrolowana przez ilościowe porównanie jej przewidywań z niezależnymi
pomiarami. Ocena musi obejmować błędy eksperymentalne, niepewności modelu i
zakres stosowalności teorii.
Po trzecie, fizyka rozwija się przez zwiększanie liczby, różnorodności i dokładności niezależnych testów oraz przez unifikacje, w których wcześniejsze teorie stają się przybliżeniami teorii o szerszym zakresie.
Mechanika klasyczna nie została po prostu usunięta przez teorię względności. Została rozpoznana jako jej przybliżenie w odpowiedniej dziedzinie:
Podobnie klasyczna elektrodynamika pozostaje skuteczna jako graniczny opis zjawisk, mimo że szerszy formalizm zapewnia elektrodynamika kwantowa.
Po czwarte, Peebles zakłada, że badania fizyczne zmierzają ku opisowi zunifikowanej rzeczywistości niezależnej od ludzkiego umysłu, chociaż rzeczywistość ta może nigdy nie zostać poznana całkowicie.
Stanowisko to można określić jako realizm aproksymacyjny:
Teorie nie są ani dokładnymi kopiami rzeczywistości, ani wyłącznie narzędziami rachunkowymi. Są empirycznie kontrolowanymi i stopniowo ulepszanymi przybliżeniami rzeczywistości.
Jest to stanowisko realistyczne, ale pozbawione przekonania, że aktualne teorie są ostateczne. Każda teoria posiada zakres stosowalności, poza którym może wymagać uogólnienia albo zastąpienia przez opis głębszy.
Nie istnieje jedno oficjalne credo współczesnej fizyki. Badanie przeprowadzone przez Céline Henne, Hannah Tomczyk i Christopha Sperbera wskazuje, że fizycy przeciętnie skłaniają się ku realizmowi naukowemu. Nie oznacza to jednak, że są realistami wobec wszystkich elementów każdej teorii.
Fizyk może uznawać realność elektronów, ale zachowywać ostrożność wobec ontologicznego statusu funkcji falowej. Może traktować pole elektromagnetyczne jako realne, a wybór cechowania jako element opisu. Może uznawać istnienie fononów w ograniczonym sensie właściwym fizyce ciała stałego, nie przypisując im statusu fundamentalnych składników świata.
Badanie przeprowadzone przez Nature w 2025 roku wśród ponad 1100 badaczy pokazało, że nie istnieje zgoda co do znaczenia mechaniki kwantowej. Respondenci różnili się między innymi w ocenie, czy funkcja falowa reprezentuje coś realnego, jest jedynie użytecznym narzędziem, czy opisuje wiedzę albo przekonania obserwatora.
Współczesna fizyka łączy zatem:
- realizm wobec świata niezależnego od człowieka;
- ostrożność wobec dosłownej interpretacji każdego elementu formalizmu;
- przekonanie o konieczności empirycznego testowania;
- świadomość przybliżonego i zakresowego charakteru teorii;
- pluralizm dotyczący interpretacji fundamentalnych teorii.
Nie rozstrzyga jednak samodzielnie:
- dlaczego istnieje rzeczywistość;
- dlaczego istnieją prawa przyrody;
- dlaczego świat jest matematycznie poznawalny;
- czy prawa mają ostateczne Źródło;
- czy rzeczywistość posiada cel;
- czy poziom fizyczny wyczerpuje całość bytu.
Pytania te nie muszą być pozbawione sensu. Wykraczają jednak poza standardowe narzędzia nauk empirycznych. Dlatego spór o sens fizyki prowadzi ostatecznie do pytania o jej miejsce w szerszym systemie poznania.
Fizyka nie jest tylko zbiorem obserwacji ani samym rachunkiem. Jest próbą matematycznego uchwycenia prawidłowości świata. To, czy jej teorie przedstawiają rzeczywistość samą w sobie, jej struktury, jedynie obserwowalne relacje czy tylko skuteczne narzędzia przewidywania, pozostaje jednym z najgłębszych sporów filozofii nauki.
Bibliografia
Bunge, M. (1970). The physicist and philosophy. Physics Today, 23(9), 36–42.
Bunge, M. (1973). Philosophy of Physics. Dordrecht–Boston: D. Reidel Publishing Company. Springer
Gibney, E. (2025). Physicists disagree wildly on what quantum mechanics says about reality, Nature survey shows. Nature, 643, 1175–1179. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02342-y
Henne, C., Tomczyk, H., & Sperber, C. (2024). Physicists’ views on scientific realism. European Journal for Philosophy of Science, 14, artykuł 10. https://doi.org/10.1007/s13194-024-00570-z
Kuhn, T. S. (1962). The Structure of Scientific Revolutions. Chicago: University of Chicago Press.
Peebles, P. J. E. (2024). The physicists’ philosophy of physics. arXiv:2401.16506v2. https://doi.org/10.48550/arXiv.2401.16506
Popper, K. R. (1959). The Logic of Scientific Discovery. London: Hutchinson.
Popper, K. R. (1963). Conjectures and Refutations: The Growth of Scientific Knowledge. London: Routledge and Kegan Paul.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz