Filozofia fizyki Einsteina

5/17/2018 Filozofia fizyki Einsteina - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/filozofia-fizyki-einsteina 1/12

1

LESZEK M. SOKOŁOWSKI

ALBERTA EINSTEINA FILOZOFIA FIZYKI1

1. Tło filozoficzne

“Jeżeli chcecie dowiedzieć się czegoś od fizyków teoretyków o stosowanych przez nich metodach, to radzę wam trzymać się ściśle jednej zasady: niesłuchajcie ich słów, patrzcie na to co robią" — tak rozpoczął Einstein wykłado metodzie fizyki teoretycznej, wygłoszony w 1933 roku w Oxfordzie 2 .Powód tego ostrzeżenia wyjaśnia następne zdanie: “Dla kogoś, kto jestodkrywcą w tej dziedzinie, wytwory jego wyobraźni jawią się tak koniecznymi i naturalnymi, że uważa je i pragnie, by były uważane przezinnych, nie za kreacje rozumu, lecz za rzeczywistość daną z zewnątrz".Einstein ostrzega tu przed powierzchownym, pozytywistycznyminterpretowaniem poznania naukowego, które od połowy XIX wieku zdobyłowielką popularność nie tylko wśród filozofów, ale i wielu poważnych fizyków.Einstein miał prawo to powiedzieć, był bowiem myślicielem, który jak nikt

przed nim i chyba nikt po nim, dogłębnie przemyślał istotę poznanianaukowego, czym jest fizyka i w jaki sposób powstaje. Swoje poglądyoparł na doświadczeniu zdobytym przy konstruowaniu trzech wielkichteorii fizyki — szczególnej i ogólnej teorii względności oraz mechanikikwantowej. Istnieje pogląd, że w filozofii najwartościowsza jest nie jej częśćspekulatywna, czyli tworzenie wielkich dogmatycznych systemów, lecz ta częśćzłożona z poglądów poszczególnych myślicieli, które są rozszerzeniem iuogólnieniem ich doświadczeń nabytych w innej dziedzinie, np. wtwórczości naukowej czy artystycznej. Najlepszym potwierdzeniem tego poglądu jest einsteinowska filozofia fizyki. Jeżeli bowiem spojrzeć na sporydotyczące podstaw fizyki, toczące się za życia Einsteina i po jego śmierci, tomożemy powiedzieć zwięźle: Einstein miał rację. Skomentuję to krótko podkoniec artykułu.

Jak zwykle w filozofii, omówienie poglądów danego myśliciela zacząćtrzeba od jego prekursorów. Einstein nawiązywał wielokrotnie do problemówpostawionych jeszcze w XVIII wieku przez Hume'a i Kanta.

Zasługą Hume'a było dostrzeżenie, że wiedza zwana empiryczną zawieraoprócz stwierdzonych faktów doświadczalnych również istotne elementynieempiryczne. Elementami takimi są relacje pomiędzy faktamiempirycznymi, za pomocą których ze stwierdzonych faktów wnioskujemycoś o faktach jeszcze nie stwierdzonych, tzn. o zdarzeniach, które zachodzą daleko od nas lub zajdą dopiero w przyszłości. Najważniejszym z nich jestzwiązek przyczynowy. Skąd wiemy, że w ogóle coś takiego jak związek przyczynowy istnieje? Skłonni jesteśmy uważać, że przyczyną zapalenialampy jest naciśnięcie odpowiedniego wyłącznika; ale każdemu zdarzyło się,że po naciśnięciu wyłącznika światło nie zabłysło. Czy dzisiejszy zachódsłońca jest przyczyną tego, że jutro ono wstanie? Całe doświadczenieludzkości od bardzo wielu tysiącleci sugeruje, że tak się stanie i naszawiara w to jest bardzo silna, jednak jest to tylko przekonanie, nie dowódkoniecznego związku pomiędzy kolejnymi wschodami i zachodami. Hume

1 Artykuł ukazał się w książce Filozofować w kontekście nauki, pod red. M.

Hellera, A. Michalik i J. Życińskiego, Wyd. Polskie Towarzystwo Teologiczne,Kraków 1987, str. 187– 201. Większość filozoficznych pism Einsteina pr zedruk owana zos tała w książce: A. Einsten, Ideas and Opinions, new

translations and revisions by Sonja Bargmann, Dell, New York 1954.

2 On the method of theoretical physics, przedrukowane w Ideas and

Opinions, str. 263 — 270.



2

stwierdził, że związek przyczynowy nie może być udowodniony a priori;

stąd też analiza pojęcia wschodu i zachodu słońca nie wykaże, że zdanie“dzisiejszy zachód słońca jest ostatni" jest logicz nie sprzeczne. Z koleibadania empiryczne wskazują nam tylko na zachodzenie stałego następstwa pewnych zdarzeń; wówczas zdarzenie wcześn iejsze jesteśmy skłonninazwać przyczyną, a późniejsze — skutkiem. Jednakże empirycznie nie

możemy stwierdzić niczego ponad to stałe następstwo zdarzeń, wszczególności żadne doświadczenie nie wykaże, że przyczyna musi pociągaćza sobą skutek. Niekiedy występują wręcz kontrprzykłady (zapalenielampy), a w tych sytuacjach, gdy w przeszłości następstwo zdarzeńzachodziło bez wyjątków (wschody i zachody), to nie maimy pewności, żetak będzie zawsze w przyszłości. Hume: związek przyczynowy jest aktemnaszej wiary i oczekiwania, wynikającym z empirycznie umotywowanegoprzyzwyczajenia i n iczym więcej, nie stanowi wiedzy udowodnionej.

Wyprzedzając omówienie poglądów Einsteina powiedzmy od razu,że analiza Hume'a jest poprawna. Opierając się wyłącznie na mate rialeempirycznym, analizując tylko fakty doświadczalne, możemy odtworzyćzwiązki przyczynowe tylko tak, jak je widział Hume, tzn. jako aktywiary, irracjonalne w tym sensie, w jakim irracjonalna jest wiara, że

każde naciśnięcie wyłącznika zapali lampę. Dzisiejsza, naukowaodpowiedź na pytanie Hume'a brzmi: wschód słońca nie jest przyczyną jego zachodu (i vice versa) i dzisiejszy zachód mógłby być ostatnim.Rzeczywiście, w ciągu nocy Ziemia mogłaby wskutek jakiegoś katakl izmuzostać wyhamowana w obrotach wokół swej osi i na stałe zwrócić się wstronę Słońca tylko jedną półkulą, podobnie jak Księżyc pokazuje namtylko jedną stronę. Po drugie, jakaś gwiazda mogłaby zbliżyć się dostatecznie, by wyrwać Ziemię z okołosłonecznej orbity i rzucić ją w przestrzeń międzygwiezdną. Po trzecie wresz cie, mogłyby ustać reakcjetermojądrowe we wnętrzu Słońca. Żadna z tych możliwości nie pojawi się przy empirycznym badaniu samych zjawisk wschodu i zachodu słońca; badanie takie jest więc daleko niewystarczające. Badając tylko ciąg stale po sobie zachodzących zjawisk nie dowiemy się, zajście jakich zdarzeń

rozerwie tę rzekomą więź przyczynową a z kolei badanie empirycznewszystkich zjawisk pod kątem ich ewentualnego wpływu na dany ciągzjawisk jest i niemożliwe i przypomina słynną anegdotę o gruchnięciu pchełwskutek obcięcia nóg.

Widzimy zatem, że chociaż jedynym celem i uzasadnieniem związkuprzyczynowego jest powiązanie ze sobą pewnych faktów empirycznych, tozwiązek ten wykracza poza te fakty i w ogóle poza zbiór wszystkichmożliwych faktów empirycznych, jest bowiem pojęciem należącym do systemu pojęciowego, którego celem jest uporządkowanie z bioru tych faktów — tzn. doteorii fizykalnej. Związek przyczynowy ma sens i wartość wyłącznie wramach pewnej teorii fizykalnej i wówczas oznacza on tylko to, że jeżeli

spełnione są założenia twierdzeń tej teorii, to prawdziwe są sametwierdzenia; poza teorią redukuje się on do postaci szczątkowej, jaką

jest według Hume'a wiara oparta na przyzwyczajeniu. Związek przyczynowy jest bezpośrednią konsekwencją matematycznego chara kteru przyrody iwyraża istotne cechy tego charakteru sformułowane w języku fi zyki; danyzwiązek przyczynowy ma sens tylko w ramach konkretnej teorii, bowiem nieistnieją, twierdzenia matematyczne “izolowane" — każde należy do pewnegodziału matematyki (przeważnie do kilku).

Kant poszedł znacznie dalej od Hume'a i postawił ogólne pytan ie: jak możliwe jest matematyczne przyrodoznawstwo? Nie próbując przypominać tucałej, dość zawiłej, transcendentalnej teorii poznania, skoncentrujemy się na jej istotnych z punktu widzenia fizyki twierdzeniach. Po pierwsze, do naszego

umysłu wcale nie dociera surowy materiał wrażeniowy, będący skutkiemoddziaływania naszych zmysłów z rzeczami (obiektami) zewnętrznymi, jak tosobie później wyobrażali pozytywiści. Przeciwnie, nasze zmysły mają wmontowane aprioryczne składniki, jakimi są formy zmysłowości — przestrzeń i czas. Składniki te nakładają się, bez wiedzy i kontroli umysłu, nadocierające do zmysłów wrażenia, porządkują je (lokalizują wrażenia wczasie i przestrzeni) i dopiero tak spreparowany materiał jest przekazywany do



3

świadomego umysłu. Oznacza to, że Kant dostrzega element aprioryczny wwiedzy empirycznej znacznie głębiej niż Hume — nie tylko na poziomierelacji pomiędzy faktami empirycznymi, ale w samych faktach. Odczucieczasu i przestrzeni nie jest więc odczuciem faktycznych cech światazewnętrznego, lecz odczuciem konstytutywnej cechy nas samych (wspólnejwszystkim ludziom). Krótko: czas i przestrzeń są w nas, a nie poza nami. Do

opisu tych apriorycznych form zmysłowości służy matematyka, więcmatematyczne przyrodoznawstwo jest możliwe, bowiem to my lokalizujemywszystkie wrażenia w czasoprzestrzeni, umożliwiając tym samym ich opismatematyczny.

Usunięcie czasoprzestrzeni ze świata zewnętrznego i przeniesienie jej downętrza człowieka jako elementu niezbywalnego i niekontrolowalnego (zwrażeń zlokalizowanych w czasie i przestrzeni nie jesteśmy w stanieodtworzyć pierwotnych wrażeń nie jest jedyną deformacją, jakiej wedługKanta doznaje przedmiot badany w procesie poznania. Uformowanyczasoprzestrzennie przez zmysły materiał wrażeniowy dociera do umysłu i tuzostaje poddany dalszemu przetwarzaniu przez rozsądek, czyli władzę poznawczą, która zajmuje się światem empirycznym. Aktywna ingerencjarozsądku jest konieczna, by można było z wrażeń zmysłowych sformułować

najprostsze zdanie spostrzeżeniowe typu “słońce świeci". Działanie rozsądku

ma charakter głównie scalający — integruje poszczególne wrażenia w pewnekompleksy, przypisując im pochodzenie od jednego przedmiotu zewnętrznego.Dodajmy od razu, że tę koncepcję przedmiotu (a ściślej ciała materialnego) jako interpretację pewnego kompleksu wrażeń, przejął od Kanta Einstein.Według Kanta rozsądek scala i porządkuje wrażenia zmysłowe za pomocą apriorycznych fundamentalnych niezmiennych pojęć ogólnych (kategoriirozsądku), z których najważniejsze to kategoria substancji (materii) i przyczynowości.

Zdaniem Kanta wiec, nasza wiedza empiryczna przedstawia światzewnętrzny w silnym zniekształceniu: widzimy nie to, co jest naprawdę, aleto, co “chcemy" zobaczyć. Wszystkie bodźce ze świata zewnętrznego wtłaczamyw ramy tego, co jest w nas — przypisujemy lokalizację czasoprzestrzenną i

systematyzujemy za pomocą niezmiennych kategorii. Uformowany w tensposób obraz świata jest niewątpliwie bogaty i różnorodny, ale oczywiste jest, że różni się radykalnie od świata prawdziwego. “Fałszowanie" to jestdoskonałe, bowiem niemożliwe jest porównanie świata prawdziwego zempirycznie uformowanym jego obrazem; rzecz sama w sobie jest

niepoznawalna.Polemika z koncepcją poznania Kanta jest trudna. Filozofowie i

filozofujący fizycy XIX wieku niewiele w tym zakresie osiągnęli. Licznedyskusje były dość powierzchowne i sprowadzały się do od rzucenia poglądów Kanta i Hume'a w sposób arbitralny, bez dania racji. Dopieroewolucja fizyki w naszym stuleciu i jej głębokie zrozumienie przez Einsteinaumożliwiły wysuniecie poważnych argumentów, podważających wizję Kanta.Zauważmy bowiem, że z epistemologii transcendentalnej wypływa ważny

wniosek: nie możemy doznać wrażenia zmysłowego, które bezpośrednio lub poprzez wnioski z niego wynikające, przeczyłoby formom zmysłowości czykategoriom rozsądku.

Einstein odnosił się bardzo krytycznie do wszelkich znanych dok trynfilozoficznych. Świat przyrody jest dużo bogatszy i bardziej złożony niżktórykolwiek ze światów wykreowanych w systemach filozoficznych, toteż byuniknąć złudzeń i fałszu naukowiec nie może związać się sztywno z żadną pojedynczą doktryną, przeciwnie, powinien z każdej czerpać to, co uważa zawartościowe. “Dla epistemologa, broniącego myślenia systemowego,naukowiec musi się jawić jako bezwzględny oportunista: jest realistą, bowiem poszukuje opisu świata niezależnego od aktów percepcji; idealistą, bowiem uważa pojęcia i teorie za swobodne pomysły ducha ludzkiego(niewyprowadzalne logicznie z faktów empirycznych); pozytywistą, bowiem

uważa swe pojęcia i teorie za uzasadnione tylko w takim stopniu, w jakimopisują związki logiczne pomiędzy wrażeniami zmysłowymi. Jest nawet platonikiem lub pitagorejczykiem, bowiem uważa logiczną prostotę za



4

niezbędne i skuteczne narzędzie badań"3. Wypowiedź ta chyba najtrafniejujmuje rzeczywistą postawę fizyka wobec filozoficznych wizji przyrody, toteżmodne wśród niektórych współczesnych fizyków platonizujące koncepcjeświata są raczej mylące i traktowane zbyt poważnie stanowią kr ok wsteczwobec myśli Einsteina.

2. Struktura teorii naukowej

Nauka, powiada Einstein, to próba odwzorowania chaotycznego zbiorowiskanaszych wrażeń zmysłowych na jednolity system myślowy. W systemie tym poszczególne doświadczenia są przyporządkowywane elementom strukturyteoretycznej tak, by wynikające stąd odwzorowanie jednego zbioru na drugi było jednoznaczne i przekonywujące 4

.Celem nauki jest więc zwiększanie (przede wszystkim jakościowe) zbioru

znanych nam faktów empirycznych i jednocześnie porządkowanie (a tymsamym i “wyjaśnianie") go za pomocą teorii. Istnienie teorii odróżnia naukę od przednaukowej wiedzy, będącej zbiorem faktów i empirycznych regułdziałania.

Teoria fizykalna jest teorią matematyczną. Jeżeli odrzucić kan towskiewytłumaczenie związku matematyki ze światem empirii, to problem dlaczegoprzyroda jest matematyczna, staje przed nami z ca łą wyrazistością. Jest to problem trudny i zdaniem Einsteina w ogóle nierozwiązywalny. Pominiemy gow naszych rozważaniach, bowiem wystarczy ograniczyć się do stwierdzenia,że matematyczność przyrody jest bardzo ważną właściwością naszego świata ito cechą niekonieczną, a więc taką, której mógłby on nie mieć. Mimo tejmożliwości, jest faktem empirycznym, że świat tę właściwość posiada.

Teoria fizykalna (terminu “nauka" używam, podobnie jak Einstein,wymiennie z “fizyką") jest matematyczna w sensie logiki matematycznej. Jestto struktura formalna, dysponująca własnymi swoistymi pojęciamipierwotnymi (tzn. niedefiniowalnymi) i aksjomatami, wyrażającymi własnościtych pojęć. Druga część aksjomatyki to zbiór aksjomatów czysto

matematycznych, są to aksjomaty tych gałęzi matematyki, z których danateoria korzysta. Po dołączeniu do aksjomatyki reguł wnioskowanialogicznego, możemy konstruować i dowodzić twierdzenia. Za pomocą pojęćpierwotnych i aksjomatów definiujemy pojęcia pochodne, z nich formułujemytwierdzenia i roz budowujemy teorię, ciągnąc dowolnie długie łańcuchy kolejnodowodzonych twierdzeń.

Na razie teoria taka jest teorią naukową tylko z nazwy. Faktycznie jest toformalna struktura logiczna, pozbawiona jakiejkolwiek treści, tzn. nie mającażadnego odniesienia do czegokolwiek poza nią. Struktura ta nabierze treści istanie się teorią naukową, gdy wskażemy zespół odwzorowań tej strukturyna określane kompleksy wrażeń zmysłowych, czyli mówiąc ogólnie, gdy powiążemy ją ze światem empirycznym, nadając interpretację pojęciom itwierdzeniom. Używam tu terminu “odwzorowanie", bowiem relacja teorii

do zbioru faktów empirycznych ma charakter odwzorowania jednegozbioru w drugi; musimy jednak pamiętać o całkowicie odmiennym charak -terze każdego zbioru.

Jak dotąd poglądy Einsteina nie są oryginalne. Z takim rozumieniemteorii zgadzają się zwolennicy szeregu różnych doktryn, np. neopozytywizmu

3 Remarks concerning the essays brought together in this

cooperative volume (Reply to criticism) w: Albert Einstein:

Philosopher — Scientist, ed. by P. A. Schilpp, The Library of Living

Philosophers, New York 1949, str. 665 — 688 i 684.

4 Jest to swobodny przekład z Considerations concerning the

fundaments of theoretical physics, Science, 91, 487 (1940);

przedrukowane w Ideas and Opinions, str. 315 – 326.



5

logicznego. Zasadnicza odmienność poglądów Einsteina ukazuje się wmomencie, gdy pytamy o charakter związku teorii z doświadczeniem i osposób konstruowania nowych teorii.

Poglądem równie częstym co błędnym, przed którym Einstein ostrzegałnie tylko słuchaczy w Oxfordzie, jest przekonanie, że zwią zek teoriinaukowej z danymi eksperymentalnymi jest “oczywisty", że pojęcia i

twierdzenia teorii w sposób “naturalny" i nie budzący wątpliwościodwzorowują się na pewne zespoły postrzeżeń zmysłowych. Iluzja ta była podstawą poglądów neopozytywistów, którzy chcieli budować teorię wychodząc od czystych faktów empirycznych, nieskalanych żadnymikoncepcjami abstrakcyjnymi, żadną “metafizyką"; tym samym związek gotowej teorii z empirią nie mógł wywoływać zastrzeżeń. Einsteinstanowczo odrzucał to złudzenie. Jedyne, co z punktu widzenia logikimażemy powiedzieć o związku teorii z doświadczeniem to to, że jest toodwzorowanie jednego zbioru w drugi. I nic ponadto, bowiem odwzorowańtakich może być nieskończenie wiele i żadne z nich nie jest a priori lepszeod innych. Nie istnieje żadna metateoria, której jednym elementem byłabyrozważana teoria, a drugim — zbiór faktów doświadczalnych, w ramach którejmoglibyśmy szukać logicznego związku między nimi. Identyfikacja pewnych

pojęć teoretycznych z określonymi faktami empirycznymi ma zazwyczaj

uzasadnienie w przyzwyczajeniu wynikającym z długiej tradycji, przyjmujemy ją wtedy jako “naturalną".

Brak jednoznacznego, wiarogodnego przyporządkowania faktówempirycznych pojęciom i twierdzeniom teorii powoduje, zdaniemEinsteina, że długo utrzymują się i nieźle funkcjonują fałszywe teorie ifałszywe rozumowania. Przez długi czas obserwacje wskazywały, żeSłońce krąży wokół Ziemi i potwierdzały teorię Ptolemeusza, jeszcze większesukcesy odnosiła mechanika newtonowska, zakładająca pojęcie absolutnegoczasu i przestrzeni, zaś światło zachowywało się zgodnie z teorią falową — jak gdyby nie było rojem fotonów. Dorzućmy tu jeszcze przykład aktualny:trwające nadal spory o interpretację mechaniki kwantowej, przecież tak wspaniale potwierdzonej eksperymentalnie, wskazują, że związek pewnych

pojęć z faktami empirycznymi jest niezwykle subtelny. “Nie jesteśmyświadomi przepaści — logicznie nieprzekraczalnej — oddzielającej światwrażeń zmysłowych od świata pojęć i twierdzeń"5

.Skoro nie możemy logicznie, dedukcyjnie, skonstruować odwzorowania

teorii w świat empiryczny, to pozostaje nam tylko intuicja. Tylko ona pozwala nam zinterpretować fizycznie pustą formalnie strukturę logiczną,napełnić ją treścią i nadać sens. Intuicja fizyka, jak każdego innegoczłowieka, może być dobra lub zła, toteż posługując się nią nie mamy żadnejgwarancji, że sugerowane przez nią odwzorowanie jest jedyne i poprawne.Ta sama teoria zinterpretowana na dwa różne sposoby może raz okazać się dobra, a raz zła. Zdarzyło się to u narodzin mechaniki kwantowej: funkcjafalowa zinterpretowana zgodnie z pomysłem de Broglie'a jako fal a materii,okazała się niezgodna z doświadczeniem, zinterpretowana jako fala

prawdopodobieństwa przyniosła oszałamiający sukces. Logiczną niezależność pojęć od postrzeżeń zmysłowych Einstein ilustrował obrazowym porównaniem: relacja pierwszych do drugich nie jest relacją rosołu dowołowiny, lecz raczej relacja numerka z szatni do płaszcza6

.

3. Swobodna gra pojęć

Ogromna swoboda w poszukiwaniu fizycznej interpretacji gotowej jużteorii (tzn. struktury formalnej) wskazuje, że problem będzie jeszcze

5 Remarks on Bertrand Russell' s theory of knowledge, przedrukowane

w Ideas nd Opinions, str. 29 — 35.

6 Physics and reality, Journ. Franklin Institute, 221, 313 (1936),

przedrukowane w Ideas and Opinions, str. 283 — 315.



6

ostrzejszy, gdy przystąpimy do konstrukcji nowej teorii. Na czym się tu'bowiem oprzeć? Uformowana w XVIII wieku i podbudowana w następnymstuleciu przez pozytywizm wiara, że teoria powstaje drogą indukcji zdostatecznie bogatego materiału doświadczalnego, jest niewątpliwie błędna.Jeszcze Newton wierzył, że podstawowe pojęcia mechaniki — siła, masa — oraz prawa dynamiki dają się wprost wyprowadzić z eksperymentu. Dopiero w

XIX w. uświadomiono sobie w pełni jak wielką rolę odgrywa intelekt wokreślaniu podstawowych aksjomatów; proces ten uległ rozwojowi w naszymstuleciu, w miarę jak dostrzegano, że w nowo powstałych t eoriachłańcuch rozumowań od aksjomatów do empirycznie weryfikowalnych twierdzeństale się wydłuża i że właściwie łańcuch ten jest nieodwracalny. Można zresztą odwołać się do rozumowania Hume'a: skoro niewykonalne jest skromniejszezadanie wykrycia zwią zku przyczynowego, to tym bardziej faktyempiryczne nie mogą implikować teorii. “W błędzie są teoretycy wierzący,że teoria wynika indukcyjnie z doświadczenia"7

, konkluduje Einstein.Dokonana przez Hume'a i Kanta krytyka poznania naukowego wzbudziła

lęk przed “metafizyką", rozdęty następnie do absurdalnych rozmiarów przez pozyt ywizm. Tymczasem “meta fizyki" zawar tej w teorii naukowej nieda się uniknąć, bowiem, jak z naciskiem stwierdza Einstein, “całe nasze

myślenie ma charakter swobodnej gry pojęć"8

. Koncepcja swobodnej gry

pojęć jest kluczowa dla poglądów Einsteina; jest konsekwencją faktu, że nieistnieje wyróżnione (“prawidłowe") odwzorowanie świata empirii na światnaszych myśli i wszelkie pojęcia odnoszące się do świata zewnętrznegotworzymy swoistą metodą prób i błędów, dostosowując je do wrażeńzmysłowych. Również sam świat zewnętrzny jest pewną relacją pomiędzytym, co jest w nas i poza nami. “Rzeczywistość nie jest nam dana, leczzadana w postaci zagadki" 9 . Pogląd, że rzeczy “istnieją tak jak są postrzegane naszymi zmysłami", Einstein nazywa plebejską iluzją naiwnegorealizmu

10.

Pierwszym krokiem w poznaniu świata zewnętrznego jest utwo rzenie pojęcia różnych ciał materialnych. Z całego zbioru postrzeżeń zmysłowychwybieramy swobodnym aktem umysłu pewne kompleksy wrażeń i

przypisujemy im pojęcie ciał materialnych. Jakkolwiek oczywiste i nieodpartewydawałoby się nam stowarzyszenie pojęcia ciała z danym kompleksemwrażeń, to związku tego nie możemy uzasadnić, możemy tylko stwierdzić,że inni ludzie są tego samego zdania. Pojęcie ciała nie jest tu tylko nazwą dladanego kompleksu wrażeń — nie zachodzi tu utożsamienie; pojęcie to od początku wykracza poza określający je kompleks wrażeń. Podkreślamy tu,że pojęcie ciała materialnego jest swobodnym wytworem ludzkiego umysłu, nie jest konieczne; równie silnie należy stwierdzić, że pojęcie to ma sens iuzasadnienie wyłącznie w przypisanym mu kompleksie wrażeń i wzdolności uporządkowania go.

W następnym kroku ciałom materialnym przypisujemy “realne istnienie".Ten nowy sens ciała materialnego jest w dużym stopniu niezależny odkompleksu wrażeń, z którego zrodziło się pojęcie tegoż ciała. Gdy raz

przypiszemy ciałom realne istnienie, niezależne od tego czy je postrzegamy,ciała te i związki między nimi wydają się nam trwalsze, pewniejsze i

7J. w.

8 Autobiographical notes w: Albert Einstein: Philosopher – Scientist ,

ed. P. A. Schilpp, N. Y. 1949, str. 7.

9 Jest to myśl Kanta, cytowana przez Einsteina w Remarks concer-

ning the essays brought together in this cooperative yolume

(Reply to

criticisms) w: Albert Einstein: Philosopher – Scientist..., str. 680.

10 Remaks on Bertrand Russell's theory of knowledge, przedrukowane w

Ideas and Opinions, str. 29 — 35.



7

realniejsze od poszczególnych postrzeżeń zmysłowych, które zawsze mogą byćfałszywe wskutek iluzji czy halucynacji. Tym niemniej założenie o realnymistnieniu ciał materialnych jest celowe i uzasadnione tylko w takimstopniu, w jakim są one powiązane z postrzeżeniami zmysłowym i iwprowadzają ład w ich zbiorze.

Swobodną grę pojęć uprawiamy nie tylko w nauce, ale i w codziennym

myśleniu, które nie różni się jakościowo od myślenia naukowego; jedynie“oczywistość", wynikająca z przyzwyczajenia, przesłania nam faktyczną dowolność w kreowaniu pojęć. W codziennym myśleniu swobodna gra pojęćpodlega ograniczeniom wskutek trzymania się tradycyjnych schematówmyślowych. W myśleniu naukowym takie ograniczenia są z regułyszkodliwe. Należy odważnie i oryginalnie konstruować nowe pojęcia, bymóc budować nowe teorie.

Podkreślmy raz jeszcze: pojęcia pierwotne i aksjomaty tworzonej teorii są swobodnym wytworem umysłu. Wyboru ich z nieskończonego obiorumożliwości badacz dokonuje kierując się intuicją. Następny etap pracy jestczysto dedukcyjny — z aksjomatyki konstruuje się pełną strukturę formalną.Ostatni etap polega na przekształceniu struktury formalnej w teorię naukową poprzez odwzorowanie jej w zbiór faktów empirycznych. Jest to

znowu operacja pozalogiczna, zasadniczo intuicyjna; jak widzieliśmy, czyhają

tu liczne pułapki. Powyższy schemat konstruowania teorii jest najprostszym możli wym,

zakłada bowiem uporządkowanie logiczne — wychodzimy od aksjomatów i znich wyprowadzamy wszystkie twierdzenia. W historii fizyki nie jest to

proces częsty, przeważnie teorie powstawały w postaci zbioru słabo zesobą powiązanych twierdzeń, które porównywano z doświadczeniem, aaksjomaty formułowano na końcu. Niezmiernie skomplikowane dzieje

termodynamiki i mechaniki kwantowej są najlepszym tego przykładem. Co, zdaniem Einsteina, usprawiedliwia swobodną grę pojęć? Jedno jest

uzasadnienie: po wykonaniu żmudnej pracy otrzymamy formalną strukturę logiczną, która, odpowiednio odwzorowana w świat doświadczeńzmysłowych, wprowadzi w nim w szerokim zakresie znaczący porządek,

pozwalający przewidywać nowe zjawiska i wiążący ze sobą zjawiska, któreinaczej wydawałyby się odrębne i niezależne. Bez teorii ugrzęźlibyśmy beznadziejnie w labiryncie wrażeń zmysłowych. Świat empiryczny jest celemi sensem teorii, jednak teoria nie rodzi się z samego doświadczenia.

Koncepcja budowy teorii w oparciu o swobodną grę pojęć zbliża Einsteinanieco do Kanta. Einstein posuwa się dalej od Kanta, twierdząc, że nie tylko pewne pojęcia (kategorie), lecz wszystkie pojęcia są kreacją umysłu. Dzieliich zarazem zasadnicza różnica — w kantowskiej koncepcji wyeksponowany jest element niezmienności pojęć, u Einsteina pojęcia są wynikiemswobodnej kreacji i doboru. Co właściwie przemawia na rzeczeinsteinowskiej swobody kreacyjnej po jęć, a przeciw sztywnymkategoriom Kanta? Argumentem tym jest powstanie fizyki współczesnej.Formułując szczególną teorię względności Einstein musiał zniszczyć

kantowskie formy zmysłowości — absolutną aprioryczną przestrzeń iabsolutny czas. Einstein podk reślał, że opracowanie zarówno tej teorii jak iogólnej teorii względności wymagało olbrzymiego wysiłku intelektualnego ipsychicznego, by uwolnić się od wielu utrwalonych wyobrażeń, takich jak absolutność równoczesności, płaskość przestrzeni czy fizyczny senswspółrzędnych. Nie mniejszego chyba wysiłku wymagało od niegowymyślenie najdziwniejszej z cząstek elementarnych — fotonu. Wiele lattrwający opór najwybitniejszych fizyków przeciwko tej cząstce, mającejwedług niego być zarazem korpuskułą i falą, św iadczy jak rewolucyjny był to pomysł i jak bardzo przeczył utrwalonym kategoriom myślenia. Niezależnie odtego, czy dobór kategorii przez Kanta był trafny (raczej nie), gdyby w ogólecoś takiego jak aprioryczne kategorie rozsądku istniało, to teoria względności imechanika kwantowa nie powstałyby. U samego źródła tych teorii leżałozdziwienie pewnymi faktami (eksperymentalnymi — w przypadku mecha-niki kwantowej, trudnościami konceptualnymi — w przypadku teoriiwzględności), które były niezgodne z dotychczasowymi schematami pojęciowymi. Sama możność dziwienia się, aczkolwiek dostępna tylko tym,



8

którzy wyrwali się z niewoli utrwalonych pojęć, świadczy o tym, żenasz umysł nie fałszuje do końca wrażeń zmysłowych, że możemy otrzymaćze świata zewnętrznego informację jakościowo nową.

Czy swobodna gra pojęć jest rzeczywiście nieograniczenie swobodna? Tegonie wiemy i raczej można w to wątpić. Jeżeli nawet istnieją granice tej gry, to przebiegają znacznie dalej niż umieszczał je Kant. Istnienie współczesnej fizyki,

dającej radykalnie nowy obraz świata, sfalsyfikowało epistemologię transcendentalną.

4. Teoria a doświadczenie

Powróćmy do odwzorowania teorii w zbiór faktów empirycznych. Jaka powinna być dziedzina tego odwzorowania? Niewątpliwie obszar zjawisk, na jakie teoria jest odwzorowywana, czyli innymi słowy obszar zjawisk przeznią opisywanych winien być jak największy; jest to jedno z kryteriów“prawdziwości" i użyteczności teorii. W stronę przeciwną rzecz jest mniejoczywista. Ortodoksyjny pozytywizm wymagał, by wszystkie elementy teorii — pojęcia i twierdzenia — miały bezpośrednią interpretację eksperymentalną, by wykluczyć to, czego nie można zmierzyć. WedługEinsteina jest to niemożliwe i niepotrzebne. Wystarczy powiązać zdoświadczeniem część teorii.

W tym celu wyróżniamy pojęcia “wyjściowe" (Einstein nazywał je“pierwotnymi") — są to te pojęcia, które są bezpośrednio i intuicyj niezwiązane z postrzeżeniami zmysłowymi (przyspieszenie, ciśnienie, ciepło,temperatura). Twierdzenia teorii wyrażające związki pomiędzy tymi pojęciami są “prawami przyrody", bowiem formułują związki pomiędzyróżnymi faktami empirycznymi. (Obecnie istnieje tendencja nazywania prawami przyrody wsz ystkich twierdzeń teorii uważan ej za prawdziwą,niezależnie od tego, jak dalekie mogą być od doświadczenia). Sprawdzanieteorii odbywa się na poziomie tych właśnie twierdzeń — w jakim zakresiei jak skutecznie porządkują one materiał empiryczny. Zazwyczaj

twierdzenia te są ostatnim ogniwem łańcucha wnioskowań logicznych,zaczynającego się od aksjomatów. Twierdzenia pośrednie są związane zfaktami empirycznymi słabiej niż prawa przyrody, a pojęcia, z których są formułowane, nie mają charakteru intuicyjnego. W miarę zbliżania się doaksjomatów powiązanie to słabnie; same aksjomaty i pojęcia pierwotnemogą wyrażać treści, którym nie odpowiada wynik żadnegoeksperymentu (np. elektron opisany jest w pełni przez funkcję falową, będącą wektorem w przestrzeni Hilberta). Pojęcia różne od wyjściowych iformułowane z nich twierdzenia mają sens tylko dzięki związkom zprawami przyrody. Te ostatnie są bardzo liczne (stanowią treść podręczników fizyki doświadczalnej) i traktowane oddzielnie od reszty teoriisą słabo ze sobą powiązane. Celem całej nadbudowy teoretycznej jestskonstruowanie sieci relacji logicznych wiążących je, wynikającej z

aksjomatów. “Twierdzenie jest poprawne jeżeli można je wydedukować z aksjomatówteorii. Teoria nabiera sensu empirycznego i prawdziwości odpowiednio dowiarogodności i zupełności przyporządkowania jej ogółowi faktówempirycznych. Poprawne twierdzenie zapożycza prawdziwość od prawdziwości teorii, do której należy"11. W konsekwencji “rzeczywiste" wfizyce jest to, co wchodzi w skład teorii uważanej za prawdziwą.Jednakże prawdziwość teorii nie jest ustalona raz na zawsze, w przypadkuzarzucenia jednej teorii na rzecz innej zmienia się także zakres tego, cofizycy uważają za rzeczywiste (wraz z powstaniem nowoczesnej fizykiutracił realność eter, a natychmiastowe oddziaływanie na odległośćustąpiło miejsca fizycznemu polu).

11 Autobiographicol notes w: Albert Einstein: Philosopher – Scientist , str.

13.



9

5. Konkurencyjność teorii

Dotychczas mówiliśmy o jednej teorii naukowej. Zasadniczym problemem jest jak porównywać konkurencyjne teorie, na jakiej podstawiespośród kilku teorii wybrać tę prawdziwą. Pierwsze kryterium tozewnętrzne potwierdzenie teorii, tzn. zgodność jej w maksymalnie szerokimzakresie zjawisk i to bez wprowadzania do niej sztucznych założeńdodatkowych.

Drugim, równie istotnym kryterium, jest wewnętrzna “perfekcja" teorii: jej zbiór aksjomatów i pojęć pierwotnych musi być “naturalny" i odznaczaćsię “logiczną prostotą". “Logiczna prostota" była jednym z ulubionychwyrażeń Einsteina. Nie jest to wca le termin logiczny i logicy złościli się naniego za uporczywe trzymanie się go. Dla niego oznaczał on skojarzenieintuicji naukowej z poczuciem estetyki i harmonii. Był to jakby słuchmuzyczny w dziedzinie nauki. Pomysły naukowe oceniał w słowach: “To jest tak piękne, że Pan Bóg nie mógł przejść obok tego obojętnie", lubprzeciwnie — “To jest grzech przeciwko Duchowi Świętemu" 12

. Ze swejistoty kryterium prostoty logicznej nie daje się precyzyjnie sformułować, ale,

co Einstein uważał za rzecz godną uwagi, eksperci na ogół są zgodni wocenach, gdy się nim posługują. Najczęściej jako przykład teorii spełniającejto kryterium wymienia się ogólną teorię względności i termodynamikę.

Einstein wymienia dwa dalsze sposoby oceniania teorii “od wewnątrz".Pierwszym jest konkretność przewidywań — z dwu teorii o równielogicznie prostych systemach aksjomatów i pojęć pierwotnych lepszą, tzn. prawdziwszą jest ta, która daje precyzyjniejsze i liczniejsze przewidywanianowych faktów. Fizycy są niecierpliwi i jak najszybciej pragną daną teorię przetestować. Popularny aforyzm głosi, że teoria jest tym lepsza im łatwiej jest ją obalić w doświadczeniu. Za życia Einsteina cierpiała przez toogólna teoria względności — wyrażano zachwyt nad jej pięknem iharmonią i głośno ubolewano, że tak niewiele faktów eksperymentalnych ją potwierdza.

Drugi sposób opiera się na ocenie złożoności matematycznej teorii. Z dwuteorii w równym stopniu potwierdzonych doświadczalnie, prawdziwsza jestta, która jest matematycznie prostsza. Kryterium to jest związane zkryterium logicznej prostoty i nie da się ich ściśle oddzielić. Historia naukiukazuje, że przyroda jest realizacją najprostszych koncepcji matematycznych. Itak, jeśli przyjąć, że pole elektromagnetyczne jest opisane potencjałemwektorowym, pole grawitacyjne — metryką czasoprzestrzeni, a elektron — relatywistyczną funkcją falową o spinie połówkowym, to najprostsze możliwerównania, jakie te pola mogą spełniać są rzeczywiście realizowane wprzyrodzie; są to odpowiednio równania Maxwella, Einsteina i Diraca.Einstein był tym tak zafascynowany, że oparł na tym swoje credo:“Eksperyment pozostaje, oczywiście, jedynym kryterium użytecznościmatematycznej konstrukcji w fizyce. Ale twórcza zasada tkwi w

matematyce. Toteż w pewnym sensie uważam za prawdę, że czysta myśl może pojąć rzeczywistość, jak marzyli starożytni"13.

W tym ostatnim Einstein nie był zbyt konsekwentny. Matematyczną prostotę rozumiał w sensie elementarności aparatu matematycz nego i prostoty samych równań. Nie uwzględniał w ogóle “logicznej prostoty"samej matematyki, tzn. elegancji bardziej zaawansowanych jej działów. Nowoczesna matematyka, ulubione narzędzie dzisiejszych fizykówteoretyków, nie interesowała go; wygląda na to, iż nie wierzył, by czysta

12E.G. Straus, Memoir w: Einstein. A Centenary Volume, edited

by A. P. French, Heinemann, London 1979, str. 31.

13 On the method of theoretical physics, przedrukowane w Ideas

and Opinions, str. 263 — 270.



10

matematyka mogła być źródłem inspiracji dla fizyka (i chyba miał rację).

6. Unifikacja fizyki

Zakres fizyki jest bardzo obszerny. Rozwija się ona w postaciszeregu dziedzin, z których każda ma zespół własnych pojęć, najle piej

dopasowanych do doświadczenia. W procesie rozwoju fizyki zachodziwzrost specjalizacji jej gałęzi i wyrastają nowe. Zarazem od samego początku jej istnienia występuje silna tendencja przeciwna — dążenie dounifikacji wszystkich działów fizyki, do sprowadzenia ich do jednolitejstruktury i oparcia na jednym wspólnym fundamencie. Fundamentem tym byłby system minimalnej liczby pojęć pierwotnych i aksjomatów, zktórego dedukcyjnie wynikałaby teoria fundamentalna; z tej teorii powinnodać się, przynajmniej w zasadzie, wyprowadzić wszystkie twierdzenia poszczególnych działów fizyki. Wiara w możliwość takiej unifikacji jestwiarą w jednolitą strukturę przyrody. Stanowi ona jedną zkonstytutywnych cech fizyki jako takiej, dzięki której uważamy fizykę zanajbardziej podstawową ze wszystkich nauk przyrodniczych. Ideaunifikacji pojawiła się już w czasach Newtona i jest siłą napędową fizykiteoretycznej w obecnej epoce.

We współczesnym świecie, przyzwyczajonym do wszelkiego rodzajuwstrząsów, rozpowszechnił się pogląd, że wszystko jest zmienne i że żadnaprawda naukowa nie jest ostateczna. Tak nie jest, bowiem większośćdziałów fizyki (przeważnie doświadczalnej) zawiera stwierdzenia, których prawdziwość została sprawdzona ponad wszelką wątpl iwość; zarzutzmienności i nieostateczności można stosować jedynie do teoriipretendujących do miana fundamentalnych. Różnicę pomiędzy teorią fundamentalną, na której opierają się poszczególne działy fizyki, afundamentami domu ujmował Einstein poglądowym porównaniem: dommoże ulec zniszczeniu wskutek sztormu czy pożaru, a fundamenty przetrwają nienaruszone14. W fizyce jest dokładnie na odwrót — wstrząsy(nowe odkrycia) burzą przede wszystkim fundamenty, a poszczególne

gałęzie fizyki cierpią niewiele i raczej wzbogacają się. Termodynamika,optyka, akustyka nic nie straciły wskutek powstania teorii względności imechaniki kwantowej, natomiast mechanika newtonowska utraciła pozycję teorii fundamentalnej. Nowe fakty doświadczalne lub nowekoncepcje teoretyczne są groźne przede wszystkim dla teorii fundamentalnej, bowiem ze względu na jej uniwersalny charakter łatwo mogą wejść z nią wsprzeczność. Fundamenty fizyki są zatem jej częścią najbardziej podatną nazmianę, co wcale nie znaczy, że łatwo je zmienić, bowiem wymaganiastawiane teorii fundamentalnej są bardzo wysokie.

Próby unifikacji powodują, że fizyka na każdym etapie rozwoju mastrukturę warstwową. Pierwszą warstwę tworzą teorie operujące niemalwyłącznie pojęciami wyjściowymi, mające bezpośredni kontakt zdoświadczeniem. Te teorie (optyka, akustyka) są najbardziej pewne, najbardziejodporne na zmianę, lecz wskutek tego są logicznie słabo uporządkowane inieekonomiczne, tzn. nadmiarowe — operują dużą liczbą wzajemnie od siebiezależnych pojęć; ponadto zakres ich stosowalności jest wąski. Zmierzając kuunifikacji fizycy konstruują teorie drugiej warstwy, bardziej abstrakcyjne, bardziej uporządkowane logicznie, o szerszej dziedzinie; teorie pierwszejwarstwy mają z nich wynikać logicznie. Teorie drugiej warstwy nie spełniają oczywiście wymogów, stawianych teorii fundamentalnej, toteż fizycy tworzą teorie trzeciej warstwy, itd. Zbieżność tego procesu, czyli istnienie teoriiostatecznej, maksymalnie prostej logicznie i uniwersalnej, tzn. opisującejcałość zbioru danych empirycznych, jest aktem wiary. Aktualny rozwój fizykiwskazuje, że nie jest to wiara bezpodstawna.

Poszczególne warstwy fizyki nie są ściśle rozdzielone, granica między

14 Considerations concerning the fundaments of theoretical

physics", Science 91(1940) str. 487.



11

nimi przebiega dość konwencjonalnie. Gdy ostateczny cel zostanieosiągnięty i powstanie teoria fundamentalna, warstwy pośrednie utracą znaczenie poznawcze i służyć będą tylko jako ogniwo w łańcuchudedukcyjnym pomiędzy nią i warstwą pierwszą. W 1940 r., gdy Einsteinwypowiadał ten pogląd, cel był bardzo odległy: podstawy fizyki składały się zdwu części, niezależnych od siebie i słabo powiązanych. Jedną była teoria pola,

zawierająca dwa oddzielne pola: elek tromagnetyczne i grawitacyjne; drugą — mechanika kwantowa, teoria nierelatywistyczna i probabilistyczna.

7. Fizycy wobec filozofii Einsteina

Na zakończenie wyjaśnić należy dlaczego Einstein miał rację. Poglądyukształtowane w wyniku wielu lat pracy naukowej Einstein spisywał wlatach trzydziestych i czterdziestych XX wieku, w szczytowym okresierozwoju neopozytywizmu logicznego. I filozofowie i fizycy przyjęli jenienajlepiej. Opinia o Einsteinie wśród ogółu fizyków znacznie się pogorszyła wskutek jego wątpliwości co do zupełności mechaniki kwantowej.Problem ten daleko wykracza poza zakres tego artykułu, nie można teżwypowiedzieć na ten temat stanowczego sądu, bowiem spory nadal trwają, awątpliwości przebywa. Mniej więcej od połowy lat trzydziestych powszechnie uważano, że w tej kwestii Einstein się myli. Sytuację pogarszało jego zainteresowanie jednolitą klasyczną teorią pola, której pozostał wierny do śmierci; uporczywe, samotne wysiłki zunifikowaniagrawitacji z elektromagnetyzmem zgodnie uznano za uganianie się zamajakiem. Wtedy też utrwalił się pogląd, że Einstein był wielkim uczonym domniej więcej 1925 roku, poczym utraciwszy wyczucie i zrozumienie fizyki, przez następne trzydzieści lat hamował jej rozwój. Nieufnie i z podejrzliwością słuchano jego poglądów. Mechanikę kwantową w pełniakceptowano, lecz niezbyt wielu rozumiało ją dogłębnie, toteż szerzyły się poglądy operacjonistyczne. Einsteinowska koncepcja swobodnej gry pojęćnie mogła zatem uzyskać uznania. Od momentu przyjazdu do Princeton

Einsteina traktowano jak pomnik niedawnej przeszłości, godnej szacunku,lecz minionej bezpowrotnie.

Nowe cząstki elementarne, odkrywane lawinowo od końca latczterdziestych, zafascynowały fizyków — widziano w nich drogę donajgłębszych tajemnic przyrody. Einstein nie przejawił większegozainteresowania nimi (i tu się pomylił). Jeszcze gorzej było w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych: panujące wówczas w fizyce cząstek elementarnych modele fenomenologiczne sprawiły, że wszelką myśl ounifikacji traktowano jak chimerę, sprzeczną z rzeczywistością; filozofiaEinsteina osiągnęła wtedy najniższe notowania.

Przełom nastąpił przed kilkunastu laty. Powstające jedna po drugiejwielkie teorie: teoria oddziaływań elektrosłabych, elektrodynamika kwantowa,teorie wielkiej unifikacji, supersymetria i supergrawitacja, były swoistym

triumfem koncepcji Einsteina. Prawda, że są to teorie kwantowe i wszystkiezastrzeżenia Einsteina w tej kwestii pozostały niezmienione; zapewne byłbyniezadowolony, że teoria .kwantów nie okazała się przejściową koncepcją, awręcz przeciwnie, utrwala się jak o element teorii fundamentalnej. Za toucieszyłby się, że pozostałe jego koncepcje heurystyczne w pełni sprawdzają się — że teorie te narodziły się w wyniku swobodnej gry pojęć, jako wytworyintelektu, szukającego śmiałych rozwiązań, że obecnie zaakceptowano jego poglądy o roli mat ematycznej elegancji i logiczn ej prostoty w ocenieteorii. I wreszcie sukces szczególnie spektakularny: einsteinowska koncepcjaposzukiwania jednolitej teorii wszystkich oddziaływań — idea unifikacji — jest obecnie, jak wspominaliśmy, głównym motorem napędowym fizykiteoretycznej.

Einsteinowska koncepcja nauki, po latach niezrozumienia i lekceważenia,

jest coraz bardziej doceniana. Są powody, by sądzić, że nie jest to chwilowamoda intelektualna.



12

Filozofia fizyki Einsteina

Documents

Transcript of Filozofia fizyki Einsteina