W tym wpisie na blogu autorzy analizują, czy teorie naukowe mogą wyjść poza ramy zwykłych wyjaśnień i stać się opisami rzeczywistości. Skupiają się na teorii czarnych dziur Stephena Hawkinga w kontekście debaty na temat realizmu naukowego.
W opowieści Zhuangziego o motylu, znanej jako „Sen motyla”, Zhuangzi, przemieniwszy się w motyla, nie potrafił odróżnić, czy śni, czy naprawdę istnieje w rzeczywistości. To fascynujący eksperyment myślowy z literatury klasycznej. Film Christophera Nolana „Incepcja” podobnie rozwija się wokół tematu „snów w snach”, zyskując ogromną popularność w Korei, gromadząc około 5.9 miliona widzów. Zatem pytanie o to, czy doświadczenia, które widzimy i których doświadczamy, są rzeczywiście rzeczywiste, od dawna stanowi główny przedmiot debaty filozoficznej, zwanej realizmem filozoficznym. W dziedzinie nauki toczy się podobna debata na temat realizmu naukowego, koncentrująca się na dogłębnej analizie natury i statusu teorii naukowych.
Współczesne, wysoko rozwinięte nauki, takie jak fizyka, biologia i chemia, badają zagadnienia wykraczające daleko poza zakres bezpośrednio postrzegalny ludzkimi zmysłami – od narodzin wszechświata po siły działające wewnątrz atomów. Czy zatem obiekty, których nie możemy bezpośrednio obserwować, takie jak elektrony, DNA i czarne dziury, naprawdę istnieją? Kluczową kwestią, na którą należy zwrócić uwagę, jest to, że realizm naukowy, w przeciwieństwie do realizmu uniwersalnego, o którym mówi się w filozofii, zakłada z góry, że obserwowany obiekt i postrzegane istnienie istnieją.
W swojej niedawno przetłumaczonej i opublikowanej autobiografii „My Brief History” (Moja krótka historia), sam fizyk teoretyczny Stephen Hawking stwierdził, że jego badania raczej nie przyniosą mu Nagrody Nobla za życia. Wynika to z faktu, że jego niepełnosprawność fizyczna uniemożliwiła mu bezpośredni udział w fizyce eksperymentalnej, a jego główne tematy badawcze – czarne dziury i teoria grawitacji kwantowej – mają naturę, która utrudnia weryfikację eksperymentalną w najbliższej przyszłości. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki jest zasadniczo przyznawana wyłącznie za osiągnięcia, które można zweryfikować lub zaobserwować eksperymentalnie. Niniejszy artykuł, oparty na tej krytycznej perspektywie, ma na celu zbadanie, czy teorie naukowe są jedynie dobrze skonstruowanymi narzędziami do wyjaśniania zjawisk, czy też można je rozumieć jako opisy rzeczywistości, koncentrując się na teoriach Hawkinga. Czy naukowcy, tacy jak Zhuangzi, który śnił, że jest motylem, po prostu latają we śnie, czy też faktycznie podejmują kroki w kierunku prawdy?
Realizm naukowy głosi, że obiekty badane przez naukę rzeczywiście istnieją. Zgodnie z tym stanowiskiem teorie naukowe pozwalają nam odróżnić prawdę od fałszu, a przyczyna wywołująca takie rezultaty leży w realnym świecie, zewnętrznym wobec ludzkiego umysłu. Innymi słowy, celem nauki jest dostarczenie dosłownie prawdziwego opisu tego, jaki jest świat. Kluczowym argumentem często przedstawianym przez realistów jest „argument cudu”. Argument cudu opiera się na następującej strukturze logicznej: po pierwsze, rozwój teorii naukowych umożliwił liczne przewidywania, które w przeszłości były niemożliwe do spełnienia. po drugie, tego sukcesu nauki nie można osiągnąć jedynie poprzez wyjaśnianie zaobserwowanych wyników po fakcie. po trzecie, gdyby teorie naukowe były jedynie narzędziami wyjaśniającymi, zjawisko takich powtarzających się, trafnych przewidywań należałoby uznać za cud. Jednakże założenie, że cuda zdarzają się nieustannie w każdej dziedzinie, jest nieracjonalne. Po czwarte zatem, teorie naukowe należy rozumieć nie jako zwykłe narzędzia wyjaśniające, lecz jako opisy rzeczywistości. Przykładów jest wiele, jak choćby produkcja wysoce zintegrowanych półprzewodników w oparciu o teorię elektronów czy opracowywanie nowych leków w oparciu o teorie DNA i procesów komórkowych.
W przeciwieństwie do tego, naukowy nierealizm postrzega teorie naukowe jako jedynie empirycznie adekwatne. Nierealiści przedstawiają własną krytykę argumentu o cudzie i twierdzą, że liczne historyczne przykłady potwierdzają ich stanowisko. Doskonałym przykładem jest teoria flogistonu. W przeszłości proces spalania rozumiano jako emisję cząstek zwanych flogistonem. Gdy obiekt przeznaczony do spalenia był umieszczany na wadze i podpalany, obserwowano spadek jego ciężaru po spaleniu. Teoria flogistonu powstała, aby wyjaśnić to zjawisko. Jednak dziś teoria flogistonu jest ewidentnie nieaktualna. Zatem, zdaniem nierealistów, pojęcie „flogistonu” nie istnieje, a teorie naukowe pełnią jedynie funkcję narzędzi do wyjaśniania zjawisk. Podobnie, teoria, że światło rozchodzi się w ośrodku eterowym, niegdyś zajmowała dominującą pozycję, dostarczając użytecznych wyjaśnień i intuicji w debacie na temat dualizmu korpuskularno-falowego. Jednak obecnie jest naukowo udowodnionym faktem, że między Słońcem a Ziemią nie istnieje eter. Zatem „eter” również nie istnieje. Zatem fundamentalnym stanowiskiem antyrealistów jest przekonanie, że wysoka moc wyjaśniająca teorii nie gwarantuje jej prawdziwości. Antyrealiści wskazują również, że argument z cudu popełnia błąd polegający na stwierdzeniu następnika. Oznacza to, że jeśli zdanie „Jeśli p, to q” jest prawdziwe, niekoniecznie wynika z tego, że zdanie „Jeśli q, to p” jest również prawdziwe. Rozumowanie indukcyjne jest podatne na ten błąd, gdy wyprowadza się twierdzenia ogólne z zaobserwowanych przypadków. Niektórzy antyrealiści uważają również, że twierdzenia naukowe można jedynie falsyfikować, a nie ostatecznie potwierdzić ich prawdziwość.
W odpowiedzi na tę krytykę, realizmu naukowego można bronić bardziej rygorystycznie, opierając się na teorii Leplina. Leplin zaproponował „teorię nowych przewidywań”. Oczywiste jest, że sam fakt możliwości przedstawienia wyjaśnienia post hoc nie może w pełni uzasadnić realizmu. Jednakże, gdy formułowane są „nowe” przewidywania wykraczające poza zwykły poziom, omawianą teorię naukową należy uznać za częściowo lub w przybliżeniu prawdziwą. Doskonałym przykładem jest zjawisko ugięcia światła przez grawitację, przewidziane przez ogólną teorię względności Einsteina. Mechanika Newtona, oparta na cząsteczkowej naturze światła, nie potrafiła wyjaśnić tego zjawiska w oparciu o zasadę stałości prędkości światła. Natomiast ogólna teoria względności Einsteina wprowadziła nową koncepcję czasoprzestrzeni, umożliwiając teoretyczne przewidywanie tego zjawiska. Przewidywanie to zostało później zweryfikowane poprzez eksperymenty mierzące kąt odchylenia światła gwiazd obserwowanego wokół Słońca podczas całkowitego zaćmienia Słońca. Innym przykładem nowego przewidywania jest eksperyment dyfrakcyjny Fresnela. Podczas ożywionej debaty na temat dualizmu korpuskularno-falowego światła, Fresnel zaprojektował eksperyment, w którym światło przechodziło przez podwójną szczelinę do ciemnego pojemnika. W rezultacie w centrum światłoczułej błony pojawiła się jasna plama, a także wzory dyfrakcyjne. Zjawiska tego nie dało się wyjaśnić za pomocą istniejących teorii optycznych, a jedynie teoria Fresnela mogła je precyzyjnie przewidzieć z wyprzedzeniem. Przynajmniej gdy teoria naukowa przedstawia nowe przewidywania wykraczające poza powszechnie przyjęte wyjaśnienia, uzasadnione jest traktowanie tej teorii jako odnoszącej się do rzeczywistych bytów.
Co więcej, konieczne jest ustanowienie bardziej uniwersalnego standardu „nowości”. Według Choi Seong-ho (2006) kryteria silnej nowości są następujące. Po pierwsze, istnieje warunek niezależności: obserwacja musi być wyprowadzalna wyłącznie przy użyciu tej konkretnej teorii naukowej. Po drugie, warunek jednoznaczności wymaga, aby w danym momencie tylko ta teoria naukowa mogła stanowić przekonującą podstawę dla przewidywania. Refrakcja światła Einsteina i wspomniany wcześniej eksperyment Fresnela z ciemną skrzynką spełniają oba warunki. Einstein mógł wydedukować refrakcję światła przez grawitację Słońca za pomocą swojej teorii względności, czego ówczesna mechanika Newtona nie potrafiła wyjaśnić. Fresnel również mógł wydedukować wzory pojawiające się na błonie światłoczułej w oparciu o dwoistą naturę światła, czego nie potrafiły wyjaśnić istniejące teorie – postrzegające światło jako posiadające tylko jedną właściwość, falową lub cząsteczkową. Chociaż przypadki spełniające zarówno warunek niezależności, jak i jednoznaczności są rzadkie, istnieją one w historii nauki. Dlatego też „nowe przewidywania” — przypadki spełniające zarówno warunki niezależności, jak i jednoznaczności — mogą służyć za wystarczające warunki do uznania, że teoria naukowa opisuje rzeczywistość.
Moje stanowisko w sprawie naukowego nierealizmu jest następujące. Realizm naukowy i nierealizm można postrzegać jako koncentrowanie się na różnych aspektach teorii naukowych. Realizm podkreśla predykcyjną moc nauki, podczas gdy nierealizm podkreśla eksplanacyjną moc teorii naukowych, argumentując, że taka eksplanacyjna moc niekoniecznie odpowiada bezpośrednio rzeczywistości. Jednakże teorie naukowe dostarczają doskonałych wyjaśnień, jednocześnie umożliwiając przewidywanie. Teorie naukowe nie są jedynie zbiorem zdań opisowych lub twierdzeń matematycznych; posiadają one zarówno moc wyjaśniającą dotyczącą świata bytu, jak i moc predykcyjną dotyczącą przyszłych zjawisk. Gdyby terminy teorii naukowej pełniły jedynie funkcje metaforyczne lub gdyby oferowane przez nią wyjaśnienia były jedynie modelami strukturalnymi, wówczas powód, by nazywać ją nauką empiryczną, również by zniknął. Jak widać w nowatorskiej teorii predykcyjnej omówionej wcześniej, warunki niezależności i jednoznaczności mogą służyć jako kryteria oceny natury teorii naukowej. W przeciwieństwie do debat na temat ogólnego realizmu, debata na temat realizmu naukowego zakłada, że obie strony zgadzają się co do istnienia samego obiektu; Spór dotyczy natury wyjaśnienia. Jeśli wyjaśnienie posiada moc unikalnej, nowatorskiej prognozy, oznacza to, że odnosi się do rzeczywistości.
Możliwe są również kontrargumenty przeciwko nierealistom, którzy powołują się na wielokrotne obalanie istniejących teorii w historii nauki jako dowód. Nierealiści argumentują, że stwierdzenia dotyczące rzeczywistości powinny być nieodwracalne, ale fakt, że nauka przeszła wiele rewolucyjnych zmian, nie uzasadnia tego twierdzenia. Nawet jeśli zmieni się struktura wyjaśniająca, fakt, że teorie naukowe odwołują się do samej rzeczywistości, pozostaje nienaruszony. Na przykład teoria flogistonu nie jest już akceptowana jako wyjaśnienie spalania. Jednak zjawisko utraty masy podczas spalania, które flogiston próbował wyjaśnić, jest obecnie tłumaczone poprzez parowanie pary wodnej i jej chemiczne połączenie z tlenem. Współczesna teoria chemiczna wyklucza stare, błędne wyjaśnienie, jednocześnie precyzyjniej obejmując rzeczywistość, na którą wskazywało to zjawisko. Podobnie, klasyczna mechanika Newtona przestaje być dokładna, gdy prędkość obiektu zbliża się do prędkości światła. Jednak w codziennych warunkach większość obiektów porusza się bardzo wolno w porównaniu z prędkością światła (v≪c), a w tych warunkach mechanika Newtona jest traktowana jako szczególny przypadek teorii względności poprzez transformację Lorentza. Świat opisany przez mechanikę Newtona można rozumieć nie jako zwykłą abstrakcję, lecz jako część rzeczywistości lub trójwymiarowe przybliżenie czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Oznacza to, że teorie naukowe dostarczają częściowo prawdziwych intuicji dotyczących rzeczywistości, a dzięki postępowi naukowemu stopniowo zbliżamy się do rzeczywistości.
Drugie twierdzenie nierealistów – ograniczenia ludzkiego doświadczenia i niekompletność zdolności poznawczych – również spotyka się z krytyką. Skrajny relatywizm lub sceptycyzm nie mogą zastąpić nauki. Nawet skrajni relatywiści opierają się na racjonalności i rozumie w życiu codziennym. Twierdzenie, że wszystkie systemy wierzeń są względne lub nieporównywalne, graniczy z unikaniem weryfikacji i trudno uznać je za uczciwy argument. Już na samym początku debaty o realizmie naukowym zakłada się istnienie obserwowanego obiektu, możliwość wyjaśnienia i możliwość przewidywania. Oczywiście, dominujące teorie naukowe lub stan psychiczny obserwatora mogą wpływać na projekt eksperymentu i gromadzenie danych. Niemniej jednak sama próba zbliżenia się do rzeczywistości poprzez obserwację i eksperymentowanie jest nieodłączną cechą nauki. Teorie naukowe przechodzą globalne procesy weryfikacji w celu ustalenia ich rygoru. Nawet jeśli brakuje im czysto dedukcyjnych systemów matematyki czy logiki, stopniowo zbliżają się do prawdy i rzeczywistości poprzez doświadczenie.
Na podstawie tej dyskusji możemy przeanalizować teorię czarnych dziur Hawkinga jako przypadek, który spotkał się z krytyką ze strony naukowych nierealistów, jako jedynie skonstruowaną teorię. Według nierealistów teoria czarnych dziur Hawkinga i teoria grawitacji kwantowej nie zajmują się rzeczywistością; są jedynie matematycznymi mechanizmami wprowadzonymi w celu wyjaśnienia ruchu wszechświata. Jednakże kosmiczną teorię Hawkinga można postrzegać jako odnoszącą się do rzeczywistych obiektów, gdy ocenia się ją w oparciu o nowatorskie kryterium przewidywania zaproponowane przez Replena. Dokładniej, czarne dziury tworzą niezwykle silne pole grawitacyjne, pochłaniając masę, tworząc obszar, z którego nawet światło nie może uciec. Ta granica nazywana jest krawędzią czarnej dziury lub horyzontem zdarzeń. Zgodnie z teorią Hawkinga, efekty kwantowe w pobliżu horyzontu zdarzeń powodują słabą emisję energii, znaną jako promieniowanie Hawkinga. Promieniowanie to jest niezwykle słabe i występuje na dużych odległościach, co sprawia, że jego obserwacja przy użyciu obecnej technologii jest niezwykle trudna. Jednakże, jeśli fizyka eksperymentalna, w tym technologia detekcji radiowej, poczyni wystarczające postępy lub jeśli w przestrzeni kosmicznej poza Ziemią powstanie sprzęt zdolny do wykrywania promieniowania Hawkinga, teoria czarnych dziur Hawkinga mogłaby zostać empirycznie zweryfikowana. Co więcej, teoria Hawkinga może teoretycznie wydedukować formę i rozkład tego promieniowania, spełniając warunek niezależności. Co więcej, oczekuje się, że promieniowanie Hawkinga zawiera informacje dotyczące formowania się gwiazdy przed jego absorpcją przez czarną dziurę. Nie istnieje żadna inna teoria poza teorią Hawkinga, która mogłaby zinterpretować te informacje. Spełnia to warunek jednoznaczności. Zatem teorię czarnych dziur Hawkinga można postrzegać jako przedstawiającą nowe przewidywania, które spełniają zarówno warunek niezależności, jak i jednoznaczności. Chociaż fakt, że sprzęt eksperymentalny do bezpośredniej weryfikacji tych przewidywań nie pojawił się za życia Hawkinga, jest osobną kwestią, nie można zaprzeczyć, że teoria ta umożliwia nowe przewidywania. Dlatego teorię czarnych dziur Hawkinga można uznać za teorię dotyczącą rzeczywistości. Nawet jeśli nie jest to kompletna teoria czarnych dziur, istnienie bytu emitującego energię w kosmosie jest co najmniej niezaprzeczalne.
Podsumowując, dzięki głównemu osiągnięciu badawczemu Hawkinga – teorii czarnych dziur – możemy zasadnie wnioskować, że byty związane z grawitacją kwantową istnieją we wszechświecie. Postęp naukowy będzie stopniowo ujawniał tę rzeczywistość, prowadząc ludzkie zrozumienie na głębsze i bardziej złożone poziomy. Naukowcy nie mogą być postrzegani jako istoty błądzące w snach, lecz jako ci, którzy zbliżają się do rzeczywistości poprzez niedoskonałą, ale wciąż gromadzoną wiedzę.
