Metodologia fizyki, jest tak samo potrzebna fizykom, jak ornitolgia ptakom – miał wykrzyknąć R.Feynman w trakcie jakiejś dyskusji fizyków, metodologów i filozofów. Możliwe ,że miał rację przy założeniu ,że fizycy nie będą zabierać głosu na temat tego, czym fizyka jest.Tymczasem to czynią i to wcale nierzadko, argumentując :”kto lepiej zna fizykę od nas ,którzy ją uprawiają?”. Taka to prawda, jak ta, ogłaszana przez niektórych powieściopisarzy ,że krytyk literacki nie może się znać na powieści, gdyż nigdy ich nie pisze.Metodologia fizyki to język, w którym mówimy o fizyce, w którym staramy się rozumieć fizykę, za pomocą którego innym pomagamy ją zrozumieć(nauczanie fizyki !).Teoria fizyczna, to podstawowe pojęcie metodologii nauk. A jaka przy tym wieloznaczność sensów i znaczenia tego terminu! Od jednozdaniowych ,metaforycznych określeń w rodzaju : światło jest falą elektromagnetyczną teoria magnetyzmu po bardzo rozbudowane układy zdań z terminami specjalistycznymi (żargon zawodowy):Teoria stref L.Brillouin-a w modelu pasmowym półprzewodników lubTeoria asymptotycznej swobody w kwantowej chromodynamice. Pierwszym który wprowadził jasność i porządek logiczny do tematu “teoria fizyczna’ był oczywiście Henri Poincare (piszę “oczywiście”, gdyż chcę zasygnalizować ,że historia nauki nonszalancko traktuje dokonania tego geniusza matematyki i fizyki),który napisał ,żeteoria fizyki , to system formalny, opisujący pewien fragment rzeczywistości.[1] Prawie równolegle z nim ,francuski filozof nauki Pierre Duhem [2] bardziej jednoznacznie określił teorie w fizyce, jakoukład równań i założeń oraz reguł korespondencji z danymi empirycznymi [2] Podobnie, fizyk i filozof Jean Destouches kontynuując tezą o matematycznej strukturze teorii fizycznej wprowadzi i rozwinie postulat aksjomatyzacji fizycznych teorii[3],co stanie się przedmiotem poważnych badań w Polsce podjętych przez logika i metodologa nauk Zygmunta Zawirskiego[4] oraz Jakuba Metallmana [5].Natomiast znacznie później, niemiecki fizyk, twórca macierzowej wersji mechaniki kwantowej Werner Heisenberg, w szkockich wykładach z filozofii fizyki [6], główny akcent położy na kategorii “system pojęć”, gdy pisze:szereg definicji i aksjomatów tak wzajemnie ze sobą powiązanych że tworzą one to, co można nazwać systemem zamkniętym. Każdemu pojęciu można tu przyporządkować symbol matematyczny. Związki pomiędzy poszczególnymi pojęciami są przedstawione w postaci równań matematycznych, które wiążą te symbole.[s.84.wyd.pol.] W pracy, z której zaczerpnąłem cytat, Heisenberg przedstawia klasyfikację bardzo ogólnych (chyba najbardziej ogólnych)teorii występujących w fizyce, oraz bada relacje między nimi. Według niego są cztery teorie:system pojęć mechaniki klasycznej Newtona system pojęć teorii zjawisk cieplnych(termodynamika fenomenologiczna i statystyczna system pojęć elektrodynamiki klasycznej Maxwella system pojęć mechaniki kwantowej Heisenberg czyni wzmiankę o powstającym systemie pojęć piątym ,to jest o ogólnej teorii względności[s.92].Pomijając pewien stopień dezaktualizacji koncepcji Heisenberga, to pragnę podkreślić ,że położenie przez niego akcentu na pojęcia i relacje między nimi, jako na podstawowy element każdej teorii fizyki zostało powszechnie uznane za cenne teoriopoznawczo. Poza tym, to on pierwszy podniósł problem relacji między różnymi teoriami fizyki i wzajemnego przechodzenia jednej w drugą i wprowadził pojęcie współczynnika przejścia.Na przykład system mechaniki kwantowej –według Heisenberga- przechodzi w system mechaniki klasycznej dla bardzo dużych liczb kwantowych lub gdy h-stała Plancka zmierza do zera.Po uwzględnieniu prac Bridgmana, Bunge, Auffray mogę roboczo przyjąć ,że każda, w pełni uformowana teoria fizyki to :sformalizowany, hipotetyczno-dedukcyjny system (struktura)pojęć z pewną liczbą założeń(aksjomatów),oraz reguł określających związki podstawowych pojęć z danymi doświadczalnymi. Słowo “sformalizowany” oznacza, że każde podstawowe pojęcie wchodzi w związek funkcyjny z innymi tworząc tzw. prawo fizyki. Struktura praw (formuł matematycznych) w teorii jest siecią jednorodną, dopiero konwencja powoduje wyodrębnienie w niej fragmentów o charakterze drzew logicznych z pojęciami(i formułami) podstawowymi oraz pochodnymi.Przykład (na poziomie elementarnym)Elektronowa teoria przewodnictwa elektrycznego metaliZałożenia:1.Prząd elektryczny jako uporządkowany ruch nośników(elektronów) pod wpływem różnicy potencjałów w dwóch różnych punktach przewodnika.2.Krystaliczno-molekularna budowa wewnętrzna metalu.3. Zasada zachowanie ładunku el.Pojęcia:Potencjał el., napięcie, natężenie prądu, gęstość prądu, opór el .przewodnika, opór właściwy, praca prądu, moc prądu, obwód el.Struktury pojęciowe(formuły-prawa)I prawo Ohma (dla odcinka obwodu)II prawo Ohma (dla odcinka obwodu)Prawo Ohma dla całego obwoduI prawo KirchhoffaII prawo KirchhoffaPraca prądu w obwodzie el.Moc prądu elektrycznego wydzielona na oporzeI zasada termodynamiki dla obwodów el.Każda teoria naukowa rodzi się ,rozwija i umiera. Teoria fizyki rodzi się, gdy pojawia się coraz więcej zjawisk i fenomenów tego samego rodzaju, których nie można wyjaśnić znanym dotychczas systemem pojęć.Bardzo często nowa teoria fizyki rodzi się w obrębie starej. Kiedy odkryto różnice w zależności oporów właściwych od temperatury dla różnych substancji, to okazało się ,że elektronowa teoria przewodnictwa metali nie jest zdolna do wyjaśnienia tych zależności. Pojawiła się kwantowa teoria przewodnictwa elektrycznego.Co nie oznacza jednak ,że nie istnieje obszar doświadczeń, w którym elektronowa (klasyczna) teoria przewodnictwa może być stosowana.Zupełnie naturalnym jest pytanie :Do czego w fizyce są potrzebne teorie?Lub:Jakie funkcje spełniają w fizyce jej teorie?Metodolodzy są zgodni w tym, że teorie fizyki:wyjaśniają zjawiska i procesy przyrody wyjaśniają prawa fizyki i pozwalają na formalne ich dowodzenie, uzasadnianie umożliwiają formułowanie hipotez o nowych zjawiskach i prawach umożliwiają rozumienie przyrody w ramach pewnego racjonalnego systemu poglądów Powyższe K.Popper zamknął kiedyś w jednym zdaniu: teorie naukowe to doskonałe operatory poznania.Potoczna opinia utrzymuje ,że istnieją teorie fizyki prawdziwe i fałszywe. Takie przekonanie zrodziło się (i rodzi)wówczas gdy stosujemy jednozdaniowe metafory w rodzaju : światło jest falą. Wystarczy odkryć jedno przynajmniej doświadczenie zaprzeczające temu zdaniu-teorii by ktoś orzekł, że światło nie jest falą. W ten sposób, w dawnych czasach, wprowadzono pojęcie “experimentum crucis” – doświadczenia krzyżowego, które definitywnie miało przesądzać o prawdziwości lub fałszywości danej teorii. Przez pewien czas ,doświadczenie Michelsona-Morleya uważano za doświadczenie rozstrzygające o prawdziwości szczegółowej teorii względności a fałszywości dynamiki Newtona.Jeżeli jednak teorię fizyki rozumiemy jako pewien układ (strukturę) pojęciową i formalną to pojęcie prawdziwości musi bazować na innych kryteriach. Głównym kryterium jest niesprzeczność logiczna tego układu oraz szerokość jego związków korespondencji z bazą danych empirycznych.Pozornie niepoważnym, było kryterium N.Bohra który często mówił: ta teoria nie może być prawdziwa, gdyż jest za mało wariacka. Napisałem "“pozornie", gdyż taki pogląd u tego wybitnego fizyka wynikał z jego głębokiego zaangażowania w filozofię egzystencjalizmu Kierkegaarda, w ramach której wątpienie w wartości rozumu i racjonalnego poznania było programowe.Nie wolno również bagatelizować stosowania ,jako kryterium wartości teorii fizycznej, kategorii estetycznych (“piękno teorii”- Chandrasekhar),jako że piękno i prawda w filozofii platońskiej są co najmniej stowarzyszone.Innymi słowy: pojęcie prawdziwości teorii fizyki jest relatywne. Prawdziwymi lub fałszywymi mogą być natomiast przewidywania, co do istnienia zjawisk lub praw- wyprowadzone z teorii. W związku z tym wprowadza się pojęcie skuteczności teorii fizycznej.Teoria fizyki, w obrębie której nie można wydedukować żadnej hipotezy o istnieniu nieznanych dotychczas zjawisk, jest teorią poznawczo jałową( nie skuteczną).Również teorią jałową jest taka, dla której nie można znaleźć faktu niezgodnego z nią, zaprzeczającego jej. Wiąże się to z hipotezą Poppera o falsyfikalności teorii naukowych.Aktualnie obserwuje się swoisty anarchizm metodologiczny(termin P.Feyerabenda [7]) polegający na tym ,że równolegle mogą być w użyciu dwie(lub więcej) teorie o różnych zakresach wyjaśniania zjawisk, czasami nawet wykluczające się lub sprzeczne ze sobą, gdyż ci, którzy je stosują, patrzą jedynie na moc eksplanacyjną(wyjaśniającą) i przydatność praktyczną tych teorii. Ciekawym, ale i kontrowersyjnym zagadnieniem jest stosunek dwóch różnych teorii fizyki ,o tym samym obszarze eksperymentalnego odniesienia. Na przykład, mechanika Galileusza-Newtona(G-N) oraz mechanika Einsteina-Lorentza (E–L).Mówi się błędnie ,że ta druga staje się pierwszą, gdy prędkość poruszających się ciał jest silnie mniejsza od prędkości światła w próżni. Niestety, jest to błąd polegający na tym ,że tylko formuły matematyczne(prawa w zapisie matematycznym) mechaniki Einsteina-Lorentza stają się formułami mechaniki Galileusza-Newtona, a przecież teoria fizyki nie jest tylko układem(zbiorem) formuł.Niesłychanie istotne w każdej teorii fizyki są założenia(aksjomaty) oraz semantyka (znaczenie) pojęć występujących w teorii. Założeniem mechaniki E-L (bez grawitacji)jest ,że jej formuły działają w czasoprzestrzeni Minkowskiego , która jest płaska(bez krzywizny) i z metryką pseudo-euklidesową, natomiast założeniem mechaniki G-N (bez grawitacji)jest, że działa ona w czasoprzestrzeni płaskiej bez metryki, z pojęciem absolutnej równoczesności(czyli absolutnego czasu) oraz absolutnego przyspieszenia.Ostatecznie więc ,przyjmuje się ograniczenia w stosowaniu tzw. współczynników przejść między dwiema teoriami ( dotyczy to również mechaniki kwantowej i klasycznej), wykorzystując te współczynniki jedynie do struktur formalnych teorii(układów równań).Innym zagadnieniem badawczym jest relacja teorii fizycznej z bazą danych empirycznych. Hipoteza metodologiczna brzmi:teoria fizyki odnosi się do rzeczywistości fizycznej pośrednio, poprzez modele fizyki. Teoria fizyczna działa w świecie modeli, a nie w świecie rzeczywistości fizycznej pozaumysłowej. Język danych empirycznych zawiera się w języku modeli(i modelowania) i dopiero przez niego, jest wprowadzony do systemu pojęciowego teorii. W związku z tym ,teorie fizyki są mniej czułe od modeli ,na zmianę (wzbogacenie) bazy danych .Nowe fakty zazwyczaj zmieniają modele fizyczne, a nie teorie.Często bezwładność teorii fizycznej, pochodzi od faktu bycia przez nią elementem jakiegoś paradygmatu nauki, czyli jej funkcjonowanie w fizyce jest uwarunkowane socjologicznie, np. przydatnością dydaktyczną.Nikt lepiej, nie ujął istoty teorii fizyki, niż to uczynił Ludwik Boltzmann mówiąc:Najbardziej praktyczną rzeczą w fizyce, jest teoria. I nic dziwnego ,że podobno Trocki zwykł mawiać (a za nim Goebels powtarzał) ; gdy słyszę słowa “teoretycznie’, ”teoria mówi nam”, to chwytam za nagan. Literatura [1] H.Poincare, Nauka i hipoteza, Warszawa,1908[2] P.Duhem, La théorie physique son objet et sa structure ,Paris , 1912[3] J.Destouches , Essai sur la forme générale des théories physiques. ( Paris, 1938 )[4] Zygmunt Zawirski: His Life and Work: with Selected Writings on Time, Logic & the Methodology of Science (Boston Studies in the Philosophy of Science)
[5] J.Metallman,Filozofia przyrody,Kraków, 1939[6] W.Heisenberg,Physics and philosophy : the revolution in modern science, London,1956 (istnieje polskie wydanie,Warszawa,1965)[7] P.Feyerabend, Against Method: Outline of an Anarchistic Theory of Knowledge, 3 rd,London, 1993.
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Kultura
