Metogologia fizyki

Pierwotne pojęcie terminu prawo odnosiło się do zachowań społecznych. W XVI wieku Bodin analizował ekonomię, suwerenność i mocarstwowość państwa, na którego czele stoi władca - prawodawca. Stąd zapewne zrodziła się u Kartezjusza idea Boga jako prawodawcy świata. Ten to filozof wprowadził do nauki koncepcję, że przyroda jest rządzona prawami analogicznie do społeczeństw ludzkich. Oczywiście regularność zjawisk w przyrodzie fascynowała już Talesa, który umiał przewidzieć zaćmienie Słońca 28.05.585 r. przed Chrystusem. Arystoteles wiedząc, że doświadczenie dostarcza nam jedynie faktów jednostkowych, chciał, aby nauka dochodziła do twierdzeń ogólnych i nieobalalnych. Metodę indukcyjną arystotelicy uzasadniali metafizycznie według hylemorfizmu. Inną wizję miał Kartezjusz: prawa przyrody są konieczne, gdyż zostały nadane przez Boga, a Jego wszechwiedzy nic nie może się wymknąć. Przyroda jest absolutnie deterministyczna, gdyż jej Konstruktor nic nie pozostawia nieokreślonym. Inspirowało to do matematycznych badań świata, gdyż księga przyrody jest napisana w języku matematycznym, jak mawiał Galileusz. Za jednego z pierwszych metodologów fizyki wypada uznać Rogera Bacona, który uważał, że doświadczenie zmysłowe powinno używać przyrządów i być przeprowadzane matematycznie (tym różni się doświadczenie naukowe od pospolitego). Zaś już św. Tomasz uznał teorie naukowe za zmienne. Minimalistyczna koncepcja rozumienia mechaniki kwantowej (nie należy przejmować się niezrozumiałością tego, czego nie da się zmierzyć) w prostej linii pochodzi od brzytwy Ockhama (bytów nie należy mnożyć bez potrzeby). Według Isaaca Newtona fizyka powinna zająć się opisywaniem świata, zostawiając sprawę jego wyjaśniania filozofii. David Hume przesunął metodologię w stronę empiryzmu, według niego nie da się zjednoczyć pewności twierdzeń nauk formalnych (np. matematyki badającej stosunki między ideami) z empirycznym charakterem fizyki (badającej związki między faktami). Karl Popper podważył indukcyjny charakter nauk, promując model hipotetyczno-dedukcyjny. Jednakże indukcjoniści wykazują, że indukcja jest istotnym składnikiem nowej metody. Arthur Eddington uważa, że prawa Przyrody różnią się od praw przyrody odkrywanych przez nauki. Te pierwsze wynikają z zasady bytu, której przysługuje cecha transcendencji w stosunku do poznania. Metodę hipotetyczno-dedukcyjną uznawał Einstein pisząc, że najważniejszym zadaniem fizyki jest odnajdowanie ogólnych i prostych praw, z których można wydedukować obraz świata, do praw tych nie dochodzi się drogą logiczną, lecz tylko intuicją wczuwającą się w doświadczenie. Byłoby błędem sądzić, że Galileusz i Newton wykonywali tysiące doświadczeń (Galileusz prawdopodobnie nie wykonał ani jednego, a rzekome wyniki naciągnął do teorii), prawa dynamiki były przebłyskiem intuicji, gdyż nikt nie widział ciała poruszającego zgodnie z I zasadą dynamiki. Duhem sądzi, że prawo fizyczne jest konstrukcją umysłową odnoszącą się do pewnych określonych warunków fizycznych, które w rzeczywistości nigdy nie zachodzą. Widać to dobrze w tzw. kontrfaktycznych okresach warunkowych (KOW). Są to zdania typu gdyby - to by, w których poprzednik i następnik implikacji są fałszywe. Typowym przykładem KOW jest I zasada dynamiki (zasada bezwładności): gdyby na ciało nie działały żadne siły, to ciało spoczywałoby lub poruszało się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Jest rzeczą oczywistą, że nie można podać przykładu ciała doskonale izolowanego od sił zewnętrznych. Prawa sformułowane w formie KOW mogą być tylko częściowo potwierdzone przez doświadczenia przybliżone. Prawa naukowe według konwencjonalistów (Poincare, Duhem, Ajdukiewicz) są tylko wygodnymi umowami uczonych. Ajdukiewicz twierdzi, że obraz świata nie jest zdeterminowany przez obiekty doświadczenia, gdyż zmienia się on, gdy zastosujemy do starych doświadczeń nowy aparat pojęciowy, co zależy tylko od naszej decyzji. Może zatem istnieć wiele obrazów rzeczywistości. Konwencjonaliści umiarkowani zwracają uwagę, że najogólniejsze zdania fizykalne nie są weryfikowalne empirycznie, są one zdaniami analitycznymi. Henri Poincare uważa zasadę bezwładności za postulat, a II zasadę dynamiki za definicję siły (F=ma): jeżeli bowiem zmierzymy przyśpieszenie a (mierząc czas i długość, co możemy zrobić bezpośrednio), to sprawa pomiaru siły F i masy m rozbija się już o II zasadę dynamiki. Tak więc dynamika relatywistyczna nie obaliła dynamiki Newtona, ale inaczej zdefiniowała pojęcia masa i siła. Trudno jednak zgodzić się z konwencjonalizmem skrajnym, bowiem zgodnie z nim niełatwo zrozumieć prognostyczną funkcję praw. Minimalistą jest Hawking uważający, że teoria fizyczna istnieje tylko w naszym umyśle i nie można jej przypisywać innej realności. Dobra teoria musi tylko poprawnie opisywać rozległą klasę zagadnień, zawierać mało elementów przyjętych dowolnie i przewidywać wyniki pomiarów. Ten znany fizyk przychyla się do tezy, że teoria fizyczna pozostaje zawsze hipotezą, empirycznie nie można jej udowodnić, za to łatwo ją obalić (przeprowadzając tylko jedno doświadczenie).
Wiele z założeń matematycznych fizyki jest niesprawdzalnych. Tak np. sądzimy, że zjawiska fizyki klasycznej można opisać funkcjami ciągłymi (których wykresy można narysować bez odrywania ołówka od kartki). Bez tego założenia nie można sformułować praw deterministycznych w postaci równań różniczkowych. Do założeń metodologicznych i ontologicznych należy zasada przyczynowości (1. nic nie dzieje się bez przyczyny, 2. takim samym przyczynom towarzyszą takie same skutki).
W badaniach fizykalnych zawsze znajdują się elementy empiryczne i aprioryczne. Teorie fizyczne powstają w wyniku dialogu umysłu i faktów. Pomiary dostarczają bowiem tylko punktów, aby te punkty połączyć krzywą ciągłą, trzeba przyjąć aksjomat ciągłości. O ile interpolacja (prowadzenie krzywej między punktami) zwykle jest usprawiedliwiona, to ekstrapolacja (po znalezieniu przybliżonego równania krzywej przedłużenie jej poza obszar badany np. w kierunku nieskończoności) przynosi wnioski niepewne.
Różne były stanowiska w stosunku do hipotez naukowych. Skrajni empiryści (Franciszek Bacon, Ernest Mach) i neopozytywiści usiłowali je eliminować z fizyki. Jan Kepler żądał, aby nie konstruować hipotez opartych na dowolnych spekulacjach, lecz wychodzić od obserwacji. Poglądów tych nie da się utrzymać dzisiaj, gdyż:
1. wiele teorii usiłuje opisywać całość zagadnień, również te, które doświadczeniu (przynajmniej dzisiaj) się wymykają;
2. bez dalekich (a więc wątpliwych) ekstrapolacji nie można stworzyć teorii kosmologicznych (nigdy nie będziemy obserwowali całego Wszechświata);
3. samo założenie stałości praw przyrody jest hipotezą, bo obserwujemy Kosmos w niewielkim wycinku czasu (Wszechświat istnieje około 15 mld lat);
4. wiele spekulacji pozornie całkowicie abstrakcyjnych okazało się fizykalnie zadowalającymi (hipoteza kwarków). Burza mózgów jest najlepszą metodą dyskusji naukowej, choć wygłasza się podczas niej wiele bzdurnych zdań; ponadto nawet fałszywe teorie wyzwalają wielki potencjał myśli i wskazują zakryte dotychczas drogi rozwiązań.
Obserwujemy w metodologii przesunięcie w stronę działalności twórczej w fizyce. Immanuel Kant (wyraźnie nielubiany przez fizyków) odcisnął tu swoje piętno (to, że poznanie jest twórcze, jest jego tezą). Doświadczenie pełni rolę ochrony przed błędem i zmusza do szukania nowych dróg, ale ani ono nie dyktuje żadnych praw pewnych, ani teoria nie może gwarantować swym tezom nieobalalności (K. Popper).
Posługując się fizyką należy za wszelką cenę unikać równoczesnego stosowania filozofii. Ogólnie rzecz biorąc, fizyk, podobnie jak każdy inny naukowiec, ma za zadanie odpowiedzieć na te empiryczne pytania, na które aktualnie jest w stanie odpowiedzieć. Nie wolno mu stawiać pytań za trudnych. W tym sensie nie stawianie zasadniczych problemów stanowi warunek możliwości fizyki i w ogóle warunek możliwości wszystkich nauk przyrodniczych. Fizyk nie może pytać: co to jest przyroda? co to jest materia? co to jest czas lub przestrzeń? Biolog nie może pytać: co to jest życie? Psycholog nie może pytać: co to jest umysł? Gdyby to robili nie możliwą stałaby się ich praca oraz doświadczenia, ponieważ dotykaliby oni wówczas problemów, które ich przerastają i które przy ich obecnym stanie wiedzy byłyby niemożliwe do rozwiązania. Wszyscy oni stawiają szczegółowe pytania, na które da się odpowiedzieć przy pomocy stosowanych przez nich metod. W tym sensie unikanie filozofii jest warunkiem możliwości nauk.
Paradoksalnie innym warunkiem istnienia fizyki i w ogóle nauk ścisłych jest ich bliskie powiązanie z filozofią. Najprościej można to wyjaśnić w następujący sposób. Gdyby w pewnym momencie historii ludzkości człowiek nie zaczął się zastanawiać nad naturą otaczającego go świata, wówczas fizyka nie mogłaby zaistnieć i zacząć się rozwijać.
Innym sposobem na wyjaśnienie tego paradoksu jest teoria z zakresu historii nauk wysunięta przez Thomasa Kuhna. Według niego nauka rozwija się wzdłuż łańcucha składającego się z dwóch typów ogniw. Ogniwa jednego typu to tzw. normalne okresy rozwoju, kiedy to naukowcy stawiają i rozwiązują zagadnienia wewnątrz określonego paradygmatu, posługując się dobrze ustalonymi metodami. Normalne okresy są oddzielone od siebie przez fazy drastycznych zmian, zwane rewolucjami naukowymi; polegają one na przejściu od jednego paradygmatu do drugiego. Podczas takich przejść, kiedy to rodzą się fundamentalnie nowe pojęcia, naukowiec musi filozofować, musi stawiać przynajmniej niektóre z tych pytań, których w okresach normalnych należy unikać. Ponadto uważa się, że teorie bądź prawa, które powstaną podczas rewolucji naukowej stają się kanonami nauki. Kanonów takich nie da się obalić wykonując proste doświadczenie. Jest to możliwe jedynie podczas następnej rewolucji naukowej.
Obalić, jest to słowo niefortunnie użyte. Przecież rzadko zdarza się, że stare teorie uznaje się za kompletnie sprzeczne z rzeczywistością bądź absolutnie nieprawdziwe. Odkrycia dokonane podczas rewolucji naukowych dzieli się na dwa typy:

* dotykają zupełnie nowych dziedzin, które do tej pory nie zostały jeszcze odkryte bądź nikt nie zajmował się nimi z powodu braku odpowiedniego sprzętu

* uzupełniają istniejące już teorie bądź prawa, lub wyjaśniają, dlaczego stosowanie dotychczas znanych teorii w nowo odkrytych warunkach jest niewłaściwe i nie prowadzi do uzyskania wniosków, które byłyby prawdziwe.

Za przykład drugiego typu odkryć może posłużyć mechanika Newtona. Na podstawie obserwacji ruchu wielu ciał Newton wyprowadził związek między siłą działającą na ciało i jego przyspieszenie, znany pod nazwą drugiej zasady dynamiki. Przez dwieście następnych lat nikt nie weryfikował tej teorii i przyjęto ją za prawdę absolutną. Jednak dzisiaj wiemy, że teoria ta jest słuszna jedynie w określonych warunkach. Przy szybkościach zbliżonych do szybkości światła mechanika Newtona zawodzi. Tak więc teoria Newtona została uzupełniona o nowe założenia.
Newton formułował zasady dynamiki posługując się tokiem rozumowania określanym przez filozofię mianem indukcji. Indukcja polega na wykonywaniu wielu doświadczeń , zbieraniu wyników swoich i cudzych obserwacji, szukał w nich regularności, a następnie uogólniał je, tym samym formułując prawa.
Czytając definicję metody indukcji można dojść do pewnego wniosku. Nie możemy być absolutnie pewni słuszności jakiegokolwiek prawa fizyki. Ponieważ nie uda się zbadać zachowania wszystkich możliwych obiektów dla danego zjawiska bądź prawa, którego słuszności dany naukowiec stara się dowieść. Jest tak dlatego, ponieważ hipotetycznych obiektów jest nieskończenie wiele i nikt nie byłby w stanie przeprowadzić doświadczeń i obserwacji dla nich wszystkich. Dlatego właśnie bada się tylko część z nich, często także korzystając z dorobku poprzedników, jeżeli ktoś wcześniej prowadził podobne badania.
Dzięki metodzie indukcji, oczywiście jedynie w pewnym stopniu, możliwe są także nowe odkrycia. Ponieważ metoda ta zostawia pewne odkryte pole, które zostało wypełnione poprzez wyniki badań nad ,nieco lub zupełnie, innymi obiektami. To puste pole, które jest błędnie wypełnione lub wręcz niedostrzeżone często jest odkrywane i wypełniane w sposób właściwy (tak jak stało się to w przypadku szybkości bliskich szybkościom światła i mechaniki Newtona).
Determinizm poprzez rozwiązywanie równań pozwala na jednoznaczny opis przebiegu zjawiska, a w szczególności na obliczenie wielkości fizycznych opisujących stan ciała lub układu ciał po zajściu zjawiska. Jednak po poznaniu zasady działania indukcji, na której zbudowane są wszystkie prawa fizyki, na których z kolei oparte są wszystkie wzory i obliczenia z nimi związane nasuwa się pytanie czy stan rozpatrywanego ciała jest naprawdę ściśle określony (zdeterminowany).