Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

      WSTĘP

      1. Rewolucje relatywistyczna i kwantowa w fizyce

      Na przełomie XIX i XX w. w fizyce miały miejsce dwie rewolucje: mechanika klasyczna, od dwustu lat stanowiąca podstawę tej dyscypliny, została zastąpiona przez teorię względności z jednej, a mechanikę kwantową z drugiej strony. Wprawdzie mechanika klasyczna pozostała użyteczna jako narzędzie obliczeń np. dla inżynierów projektujących mosty, ale kiedy myślimy o tym, z czego i jak świat jest zbudowany, to obrazy relatywistyczne i kwantowe nie mają wiele wspólnego z tym, co o świecie myśleli fizycy pod koniec XIX w. Wymianie uległy m.in. twierdzenia dotyczące natury czasu, przestrzeni, materii i przyczynowości – a zatem te, które Immanuel Kant (1781) uważał za konieczne sądy syntetyczne a priori.

      Upadek mechaniki klasycznej zmienił raz na zawsze nasze pojmowanie natury wiedzy ludzkiej. Jeśli o filozofię chodzi, to klasyczny empiryzm, klasyczny racjonalizm, a także kantyzm odeszły do lamusa. Na znaczeniu, rzecz jasna, zyskał relatywizm. Sami naukowcy po takim doświadczeniu też zmienili swoje nastawienie: skoro raz się zdarzyło, że teoria fizyczna, która zdawała się (niemal) dowiedziona eksperymentalnie, upadła i trzeba było całą dyscyplinę zbudować na nowych fundamentach, to nie da się wykluczyć, że podobny los czeka w przyszłości teorie obecnie uważane za podstawowe.

      2. Pierwsze reakcje filozofów nauki

      Jeden z uczestników rewolucji relatywistycznej, Henri Poincaré, pod wpływem dokonujących się przemian stworzył epistemologię konwencjonalistyczną: zasady, leżące u podstaw fizycznego obrazu świata, są „definicjami w przebraniu”, akceptowanymi na mocy milczącej umowy między uczonymi z uwagi na swą prostotę i piękno. Radził przy tej okazji uczonym, by zachowali geometrię Euklidesa jako podstawę fizyki, a także by trwali przy mechanice klasycznej tak dalece, jak to będzie możliwe. Natomiast za „potępione” przez wyniki eksperymentów uznał prawo zachowania energii (Poincaré 1905a, rozdz. 9). Sprawy potoczyły się niezgodnie z tymi radami.

      Ludwik Fleck, mikrobiolog ze Lwowa, przyglądając się procesowi powstawania fizyki kwantowej, poczynił ważną uwagę:

      Mamy obecnie szczęście być świadkami spektaklu narodzin, stworzenia nowego stylu myślowego. […] Wcześniej czy później wiele rzeczy się zmieni: prawo przyczynowości, pojęcia obiektywności i subiektywności. Inne będą oczekiwania wobec naukowych rozwiązań, ważność uzyskają inne problemy. Wiele rzeczy udowodnionych okaże się nieudowodnionych, wiele z nieudowodnionych okaże się zbędnymi. […] Stworzy się nową, przystającą do współczesności rzeczywistość (Fleck 1929).

      Kilka lat później sformułował teorię kolektywów myślowych i stylów myślowych, kreśląc obraz natury i skutków tego rodzaju zmian (Fleck 1935a). Kolejne w historycznym rozwoju nauki style myślowe określił mianem niewspółmiernych. Przez następne pół wieku epistemologia Flecka pozostała niezauważona przez filozofów nauki i epistemologów.

      W latach 1930. filozoficzna refleksja nad nauką została zdominowana przez pozytywistów logicznych, skoncentrowanych na poszukiwaniu kryteriów empirycznej sensowności zdań. Przemiany, do jakich doszło w fizyce na początku XX w., nie stanowiły dla nich źródła poważnych problemów. W tym samym okresie powstała falsyfikacjonistyczna metodologia Karla R. Poppera (1934), która wyrosła m.in. z refleksji nad pojawieniem się teorii względności, a w której racjonalnej rekonstrukcji poddaje się raczej rozwój wiedzy niż jej stan w danym czasie. Jednak Popper nie prowadził badań ani nad historią nauki, ani nad bieżącą praktyką badawczą, a poniższe studium przeobrażeń wiedzy wykaże, jak naiwny jest kreślony przez niego obraz.

      Empirystów logicznych i Poppera łączyło przekonanie, że o treści teorii naukowych decydują logika i wyniki eksperymentów. Wspólnie uważali też, że proces wymyślania nowych hipotez i teorii – o czym dokładniej w § 1.5 – nie przebiega zgodnie z regułami logiki; logicznej/racjonalnej rekonstrukcji podlegają natomiast procedury empirycznego sprawdzania (weryfikacji, potwierdzania, falsyfikacji) twierdzeń kandydujących do miana wiedzy. Naukowa racjonalność polega na (tymczasowej) akceptacji twierdzeń dobrze potwierdzonych i na (definitywnym) odrzucaniu twierdzeń sfalsyfikowanych.

      3. Obraz rewolucji naukowych w podręcznikach i pracach popularnonaukowych

      Z grubsza Popperowski obraz rozwoju wiedzy naukowej można znaleźć w wielu podręcznikach i tekstach popularnonaukowych. Poprzestanę na jednym, ale typowym przykładzie. W jednym z najlepszych popularnych wprowadzeń do fizyki, jakie znam, Leon N. Cooper (1968) – laureat Nagrody Nobla – wspomina o paśmie sukcesów fizyki klasycznej, by wreszcie dotrzeć do eksperymentu Michelsona-Morleya z 1887 (§ 29). Jego wynik wykazał, jak twierdzi, że leżące u podstaw mechaniki newtonowskiej – wzbogaconej o hipotezę eteru światłonośnego – założenia o naturze czasu i przestrzeni były fałszywe. W tej sytuacji Lorentz wprowadzał hipotezy ad hoc, takie jak hipoteza kontrakcji, by ratować klasyczną fizykę. Natomiast Einstein dokonał „uderzającej zmiany punktu widzenia” i sformułował nową teorię czasu i przestrzeni, a także określił nowe związki między masą, energią i pędem. Owszem, Cooper przyznaje, eksperyment Michelsona-Morleya był tylko jednym z wielu spokrewnionych, nie omawia ich jednak i błędnie charakteryzuje ich cele. Przyznaje, że Einstein, pracując nad podstawami szczególnej teorii względności, zapewne eksperymentu Michelsona-Morleya nie znał (§ 30). A jednak przedstawia rozwój fizyki zgodnie z takim oto schematem: teoria T₁ → dedukcja przewidywań → eksperymenty → falsyfikacja → nieudane próby ratowania T₁ za pomocą hipotez ad hoc → wyobraźnia twórcza → teoria T₂ → dedukcja przewidywań itd. Analogicznie – choć opowieść jest tym razem bardziej zawiła – Cooper przedstawia historię rewolucji kwantowej (§§ 34–37). Twierdzi tam m.in., że klasyczna zasada ekwipartycji energii – która prowadziłaby w pewnych przypadkach do tzw. katastrofy w nadfiolecie – została sfalsyfikowana przez wyniki pomiarów rozkładu energii w widmie ciała czarnego. Ujawnili to Lord Rayleigh i James Jeans, na co Max Planck miał zareagować, wymyślając hipotezę, że energia jest absorbowana i emitowana porcjami równymi iloczynowi pewnej stałej i częstości światła. Cooper przemilcza to, że artykuł Jeansa, w którym po raz pierwszy wskazano na groźbę katastrofy w nadfiolecie, ukazał się kilka miesięcy po pracy Plancka, a także to, że Planck, ogłaszając pierwsze wzory kwantowe, milczy o problemach z zasadą ekwipartycji energii. Cooper nie jest wyjątkiem, jeśli chodzi o wymyślanie historii nauki wstecz, tak aby pasowała do naiwnego, a rozpowszechnionego wśród naukowców, obrazu mechanizmów rozwoju wiedzy.

      4. Kuhn o strukturze rewolucji naukowych

      W latach 1940. młody fizyk Thomas S. Kuhn uzmysłowił sobie – czytając Arystotelesa, a także prace Alexandra Koyrégo i innych historyków nauki – że obraz dziejów fizyki i chemii, jaki przekazują podręczniki i prace popularnonaukowe, prowadzi do błędnych wyobrażeń na temat tego, czym jest nauka i jak się rozwija.

      Częściowo dokonując selekcji, a częściowo wypaczeń, przedstawia się uczonych epok minionych tak, jakby mierzyli się z tym samym zespołem ustalonych problemów i opierali się na tym samym zbiorze niezmiennych kanonów, które zostały uznane za naukowe w wyniku ostatniej rewolucji w sferze teorii i metod (Kuhn 1962, rozdz. XI).

      Badania historyczne uzmysłowiły mu przede wszystkim, że rozwój naukowych poglądów na świat nie zawsze jest ciągły. Jest ciągły w okresach badań normalnych, gdy wspólnota naukowa wzoruje się na paradygmacie, pewnym osiągnięciu poznawczym, które uznaje za godne naśladowania. Paradygmat dostarcza normalnym naukowcom problemów, narzędzi potrzebnych do ich rozwiązania, a wreszcie kryteriów akceptacji rozwiązań. Normalni naukowcy nie szukają czegoś zasadniczo nowego, ani eksperymentalnie, ani teoretycznie.