Tämä blogikirjoitus tarkastelee, voivatko tieteelliset teoriat ylittää pelkän selityksen ja tulla todellisuuden kuvauksiksi, keskittyen Stephen Hawkingin mustan aukon teoriaan tieteellisen realismin keskustelun kontekstissa.
Zhuangzin perhoskertomuksessa, joka tunnetaan nimellä Perhosuni, Zhuangzi ei perhoseksi muuttuneena pystynyt erottamaan, näkikö hän unta vai oliko hän todella olemassa todellisuudessa. Tämä on kiehtova ajatuskoe klassisesta kirjallisuudesta. Christopher Nolanin elokuva ”Inception” käsittelee samalla tavalla ”unia unien sisällä” -teemaa ja saavutti valtavan suosion Koreassa vetäen mukaansa noin 5.9 miljoonaa katsojaa. Kysymys siitä, ovatko näkemämme ja kokemamme kokemukset todella todellisia, onkin pitkään ollut filosofisen keskustelun ydinaihe, jota kutsutaan filosofiseksi realismiksi. Tieteen alalla on käyty samanlaista keskustelua tieteellisestä realismista, ja siinä on keskitytty tieteellisten teorioiden luonteen ja aseman perusteelliseen tarkasteluun.
Nykyään pitkälle kehittyneet tieteet, kuten fysiikka, biologia ja kemia, tutkivat aiheita, jotka ovat paljon ihmisen aistihavaintojen ulkopuolella – maailmankaikkeuden syntymästä atomien sisällä vaikuttaviin voimiin. Ovatko siis todella olemassa objekteja, joita emme voi havaita suoraan, kuten elektroneja, DNA:ta ja mustia aukkoja? Keskeinen huomioitava seikka on, että tieteellinen realismi, toisin kuin filosofiassa yleisesti käsiteltävä universaalirealismi, edellyttää jo itsestäänselvyytenä, että havaittu kohde ja havaittu olemassaolo ovat olemassa.
Äskettäin käännetyssä ja julkaistussa omaelämäkerrassaan ”Lyhyt historiani” teoreettinen fyysikko Stephen Hawking itse mainitsi, että hänen tutkimuksensa tuskin tuo hänelle Nobel-palkintoa hänen elinaikanaan. Tämä johtuu siitä, että hänen fyysinen vammansa esti häntä osallistumasta suoraan kokeelliseen fysiikkaan, ja hänen ensisijaisilla tutkimuskohteillaan – mustilla aukoilla ja kvanttigravitaatioteorialla – on luonne, joka tekee kokeellisen todentamisen lähitulevaisuudessa vaikeaksi. Fysiikan Nobel-palkinto myönnetään periaatteessa vain saavutuksista, jotka voidaan todentaa tai havaita kokeilujen avulla. Tämä kriittiseen näkökulmaan perustuva artikkeli pyrkii tarkastelemaan, ovatko tieteelliset teoriat vain hyvin rakennettuja työkaluja ilmiöiden selittämiseen vai voidaanko ne ymmärtää todellisuuden kuvauksina, keskittyen Hawkingin teorioihin. Ovatko tiedemiehet, kuten Zhuangzi, joka unelmoi olevansa perhonen, vain lentäviä unessa, vai ottavatko he todella askelia kohti totuutta?
Tieteellinen realismi väittää, että tieteen tutkimat kohteet todella ovat olemassa. Tämän näkemyksen mukaan tieteelliset teoriat mahdollistavat totuuden erottamisen valheesta, ja näiden tulosten syy on ihmismielen ulkopuolisessa todellisessa maailmassa. Toisin sanoen tieteen tarkoituksena on tarjota kirjaimellisesti totuudenmukainen kuvaus siitä, millainen maailma on. Yksi realistien usein esittämistä keskeisistä argumenteista on "ihmeargumentti". Ihmeargumentti noudattaa tätä loogista rakennetta: Ensinnäkin tieteellisten teorioiden kehitys on mahdollistanut lukuisia ennusteita, jotka olivat aiemmin mahdottomia. Toiseksi, tätä tieteen menestystä ei voida saavuttaa pelkästään selittämällä havaittuja tuloksia jälkikäteen. Kolmanneksi, jos tieteelliset teoriat olisivat vain selittäviä työkaluja, tällaisten toistuvien tarkkojen ennusteiden ilmiötä olisi pidettävä ihmeellisenä. Oletus, että ihmeitä tapahtuu jatkuvasti kaikilla aloilla, on kuitenkin kohtuuton. Neljänneksi, tieteellisiä teorioita ei pidä ymmärtää pelkästään selittävinä työkaluina, vaan todellisuuden kuvauksina. Esimerkkejä on runsaasti, kuten elektroniteoriaan perustuvien erittäin integroitujen puolijohteiden valmistus ja uusien lääkkeiden kehittäminen DNA:n ja soluprosessien teorioiden perusteella.
Tieteellinen epärealismi sitä vastoin pitää tieteellisiä teorioita pelkästään empiirisesti riittävinä. Epärealistit esittävät omia kritiikkiään ihmeargumenttia kohtaan ja väittävät lukuisten historiallisten esimerkkien tukevan kantaansa. Hyvä esimerkki on flogistoniteoria. Aikaisemmin palamisprosessi ymmärrettiin flogistoniksi kutsuttujen hiukkasten vapautumisena. Kun poltettava esine asetettiin vaa'alle ja sytytettiin, esineen painon havaittiin laskevan palamisen jälkeen. Flogistoniteoria syntyi selittämään tätä ilmiötä. Nykyään flogistoniteoria on kuitenkin selvästi pätemätön. Siksi 'flogistoni'-käsitettä ei ole olemassa, ja tieteelliset teoriat toimivat vain työkaluina ilmiöiden selittämiseen, epärealistien mukaan. Samoin teoria, jonka mukaan valo etenee eetteriväliaineen läpi, oli aikoinaan hallitsevassa asemassa, tarjoten hyödyllisiä selityksiä ja intuitiota aalto-hiukkasdualiteettikeskustelussa. Nykyään on kuitenkin tieteellisesti todistettu tosiasia, että Auringon ja Maan välillä ei ole eetteriä. Siksi 'eetteriä' ei myöskään ole olemassa. Antirealistien ydinasema on siis, että teorian korkea selitysvoima ei takaa sen totuutta. Antirealistit huomauttavat myös, että ihmeestä perustuva argumentti tekee virhepäätelmän, jossa se vahvistaa seurauksen. Toisin sanoen, jos väite ”Jos p, niin q” on tosi, siitä ei välttämättä seuraa, että väite ”Jos q, niin p” on myös tosi. Induktiivinen päättely on altis tälle virhepäätelmälle, kun se johtaa yleisiä väitteitä havaituista tapauksista. Jotkut antirealistit ovat myös sitä mieltä, että tieteellisiä väitteitä voidaan vain kumota, mutta ei lopulta vahvistaa tosiksi.
Vastauksena näihin kritiikkiin tieteellistä realismia voidaan puolustaa tiukemmin Leplinin teorian perusteella. Leplin esitti "uusien ennusteiden teorian". On selvää, että pelkkä kyky tarjota jälkikäteen tehty selitys ei voi täysin oikeuttaa realismia. Kuitenkin, kun tehdään "uusia" ennusteita, jotka ylittävät tavanomaisen tason, kyseistä tieteellistä teoriaa tulisi pitää osittain tai suunnilleen tosi. Hyvä esimerkki on Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustama painovoiman aiheuttama valon taittuminen. Newtonin mekaniikka, joka perustui valon hiukkasluonteeseen, ei voinut selittää tätä ilmiötä valonnopeuden vakioisuuden periaatteella. Sitä vastoin Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria esitteli uuden aika-avaruuden käsitteen, joka mahdollisti tämän ilmiön teoreettisen ennustamisen. Tämä ennuste varmistettiin myöhemmin kokeilla, joissa mitattiin tähtien valon taipumiskulmaa Auringon ympäri täydellisen auringonpimennyksen aikana. Toinen esimerkki uudesta ennusteesta on Fresnelin diffraktiokoe. Valon aalto-hiukkasdualismia koskevan kiivaan keskustelun aikana Fresnel suunnitteli kokeen, jossa valo kulki kaksoisraon läpi pimeään laatikkoon. Tuloksena oli kirkas täplä valoherkän filmin keskellä sekä diffraktiokuvioita. Tätä ilmiötä ei voitu selittää olemassa olevilla optisilla teorioilla, ja se voitiin ennustaa tarkasti etukäteen vain Fresnelin teorian avulla. Ainakin silloin, kun tieteellinen teoria esittää uusia ennusteita, jotka menevät yleisten selitysten ulkopuolelle, on järkevää katsoa, että kyseinen teoria käsittelee todellisia olioita.
Lisäksi on tarpeen luoda yleismaailmallisempi standardi 'uutuudelle'. Choi Seong-hon (2006) mukaan vahvan uutuuden kriteerit ovat seuraavat. Ensinnäkin on riippumattomuusehto: havainnon on oltava johdettavissa käyttämällä vain kyseistä tieteellistä teoriaa. Toiseksi ainutlaatuisuusehto edellyttää, että kyseisellä hetkellä vain kyseinen tieteellinen teoria voisi tarjota vakuuttavan perustan ennusteelle. Einsteinin valon taittuminen ja aiemmin mainittu Fresnelin pimeälaatikkokoe täyttävät molemmat ehdot. Einstein pystyi päättelemään valon taittumisen auringon painovoiman vaikutuksesta suhteellisuusteoriansa avulla, mitä Newtonin mekaniikka ei tuolloin pystynyt selittämään. Myös Fresnel pystyi päättelemään valoherkälle filmille ilmestyvät kuviot valon kaksijakoisen luonteen perusteella, mitä olemassa olevat teoriat – jotka näkivät valolla olevan vain yksi ominaisuus, joko aalto tai hiukkanen – eivät kyenneet selittämään. Vaikka sekä riippumattomuus- että ainutlaatuisuusehdot täyttävät tapaukset ovat harvinaisia, niitä on tieteen historiassa. Siksi "uudet ennusteet" – tapaukset, jotka täyttävät sekä riippumattomuus- että ainutlaatuisuusehdot – voivat toimia riittävinä edellytyksinä sen arvioimiseksi, että tieteellinen teoria kuvaa todellisuutta.
Kantani tieteelliseen epärealismiin on seuraava. Tieteellinen realismi ja epärealismi voidaan nähdä keskittyvän tieteellisten teorioiden eri näkökohtiin. Realismi korostaa tieteen ennustusvoimaa, kun taas epärealismi korostaa tieteellisten teorioiden selitysvoimaa ja väittää, että tällainen selitysvoima ei välttämättä vastaa suoraan todellisuutta. Tieteelliset teoriat tarjoavat kuitenkin erinomaisia selityksiä ja mahdollistavat samalla ennustamisen. Tieteelliset teoriat eivät ole pelkkiä kuvailevien lauseiden tai matemaattisten väittämien kokoelmia; niillä on sekä selitysvoimaa olemassaolon maailmasta että ennustusvoimaa tulevista ilmiöistä. Jos tieteellisen teorian termeillä olisi vain metaforisia toimintoja tai jos sen tarjoamat selitykset olisivat vain rakenteellisia malleja, syy kutsua sitä empiiriseksi tieteeksi katoaisi. Kuten aiemmin tarkastellussa uudessa ennustavassa teoriassa nähtiin, riippumattomuuden ja ainutlaatuisuuden ehdot voivat toimia kriteereinä tieteellisen teorian luonteen arvioimiseksi. Toisin kuin yleisissä realismikeskusteluissa, tieteellisen realismin keskustelussa molemmat osapuolet ovat yhtä mieltä itse kohteen olemassaolosta; kiistanaihe on selityksen luonteessa. Jos selityksellä on ainutlaatuisen, uudenlaisen ennustamisen voima, se tarkoittaa, että se käsittelee todellisuutta.
Vastaväitteitä voidaan esittää myös epärealisteille, jotka mainitsevat tieteen historian toistuvia olemassa olevien teorioiden kumoamisia todisteena. Epärealistit väittävät, että todellisuutta koskevien väitteiden tulisi olla peruuttamattomia, mutta se, että tiede on kokenut useita vallankumouksellisia muutoksia, ei oikeuta tätä väitettä. Vaikka selityskehys muuttuisi, se tosiasia, että tieteelliset teoriat viittaavat itse todellisuuteen, pysyy ennallaan. Esimerkiksi flogistoniteoriaa ei enää hyväksytä palamisen selitykseksi. Flogistoni pyrki selittämään palamisen aikana tapahtuvan massahäviön ilmiö selitetään kuitenkin nyt vesihöyryn haihtumisen ja sen kemiallisen yhtymisen hapen kanssa kautta. Nykyaikainen kemiallinen teoria sulkee pois vanhan, virheellisen selityksen, mutta kattaa tarkemmin sen todellisuuden, johon ilmiö osoitti. Samoin Newtonin klassinen mekaniikka ei ole enää tarkka, kun kappaleen nopeus lähestyy valonnopeutta. Silti arkipäivän olosuhteissa useimmat kappaleet liikkuvat hyvin hitaasti valonnopeuteen verrattuna (v≪c), ja näissä olosuhteissa Newtonin mekaniikka luokitellaan suhteellisuusteorian erityistapaukseksi Lorentzin muunnoksen kautta. Newtonin mekaniikan kuvaamaa maailmaa ei voida ymmärtää pelkkänä abstraktiona, vaan osana todellisuutta tai neliulotteisen aika-avaruuden kolmiulotteisena approksimaationa. Toisin sanoen tieteelliset teoriat tarjoavat osittain todellisia intuitiivisia näkemyksiä todellisuudesta, ja tieteen edistymisen myötä lähestymme todellisuutta vähitellen.
Epärealistin toinen väite – ihmisen kokemuksen rajallisuus ja kognitiivisten kykyjen epätäydellisyys – kohtaa myös kritiikkiä. Äärimmäinen relativismi tai skeptisyys ei voi korvata tiedettä. Jopa äärimmäiset relativistit luottavat rationaalisuuteen ja järkeen jokapäiväisessä elämässä. Väite, että kaikki uskomusjärjestelmät ovat suhteellisia tai vertaansa vailla, on lähes todentamisen välttymisen rajoissa, eikä se ole juurikaan oikeudenmukainen argumentti. Tieteellisen realismin keskustelun lähtökohdassa havaitun kohteen olemassaolo, selityksen mahdollisuus ja ennustamisen mahdollisuus ovat jo oletettuja. Vallitsevat tieteelliset teoriat tai havainnoijan psykologinen tila voivat tietenkin vaikuttaa kokeelliseen suunnitteluun ja tiedonkeruuseen. Siitä huolimatta jo itse pyrkimys lähestyä todellisuutta havainnoinnin ja kokeilun kautta on tieteen luontainen ominaisuus. Tieteelliset teoriat käyvät läpi globaaleja todentamisprosesseja niiden tarkkuuden osoittamiseksi. Vaikka niiltä puuttuisi matematiikan tai logiikan puhtaasti deduktiiviset järjestelmät, ne lähestyvät totuutta ja todellisuutta asteittain kokemuksen kautta.
Tämän keskustelun perusteella voimme tarkastella Hawkingin mustan aukon teoriaa tapauksena, jota tieteelliset epärealistit ovat kritisoineet pelkästään konstruoituna teoriana. Epärealistien mukaan Hawkingin mustan aukon teoria ja kvanttigravitaatioteoria eivät käsittele todellisuutta; ne ovat vain matemaattisia menetelmiä, jotka on otettu käyttöön selittämään maailmankaikkeuden liikettä. Hawkingin kosmisen teorian voidaan kuitenkin nähdä käsittelevän todellisia kohteita, kun sitä arvioidaan Replenin ehdottamaa uutta ennustuskriteeriä vasten. Tarkemmin sanottuna mustat aukot muodostavat erittäin voimakkaan gravitaatiokentän absorboimalla massaa, mikä luo alueen, josta edes valo ei pääse pakenemaan. Tätä rajaa kutsutaan mustan aukon reunaksi eli tapahtumahorisontiksi. Hawkingin teorian mukaan kvanttiefektit tapahtumahorisontin lähellä aiheuttavat himmeän energian säteilyn, joka tunnetaan Hawkingin säteilynä. Tämä säteily on erittäin heikkoa ja esiintyy suurilla etäisyyksillä, minkä vuoksi sitä on erittäin vaikea havaita nykyteknologialla. Jos kokeellinen fysiikka, mukaan lukien radioilmaisutekniikka, kehittyy riittävästi tai jos Maan ulkopuoliseen avaruuteen perustetaan laitteita, jotka kykenevät havaitsemaan Hawkingin säteilyä, Hawkingin mustan aukon teoria voitaisiin empiirisesti todentaa. Lisäksi Hawkingin teoria voi teoriassa päätellä tämän säteilyn muodon ja jakauman, mikä täyttää riippumattomuusehdon. Hawkingin säteilyn odotetaan sisältävän tietoa tähden muodostumisesta ennen sen absorbointia mustaan aukkoon. Hawkingin teorian lisäksi ei ole olemassa toista teoriaa, joka pystyisi tulkitsemaan tätä tietoa. Tämä täyttää ainutlaatuisuusehdon. Siksi Hawkingin mustan aukon teorian voidaan katsoa esittävän uusia ennusteita, jotka täyttävät sekä riippumattomuus- että ainutlaatuisuusehdot. Vaikka se, että kokeellisia laitteita näiden ennusteiden suoraan vahvistamiseksi ei syntynyt Hawkingin elinaikana, on erillinen asia, sitä tosiasiaa, että tämä teoria mahdollistaa uusia ennusteita, ei voida kiistää. Siksi Hawkingin mustan aukon teoriaa voidaan arvioida todellisuutta käsittelevänä teoriana. Vaikka se ei olekaan täydellinen mustien aukkojen teoria, avaruudessa energiaa lähettävän olion olemassaolo on ainakin kiistaton.
Yhteenvetona voidaan todeta, että Hawkingin merkittävän tutkimussaavutuksen – mustan aukon teorian – kautta voimme kohtuudella päätellä, että maailmankaikkeudessa on kvanttigravitaatioon liittyviä olioita. Tieteellinen kehitys paljastaa tämän todellisuuden vähitellen, johtaen ihmisen ymmärryksen syvemmälle ja hienostuneemmalle tasolle. Tiedemiehiä ei voida pitää unissa vaeltavina olentoina, vaan ihmisinä, jotka lähestyvät todellisuutta epätäydellisen mutta kertyvän tiedon kautta.
