Co to hipoteza? Czym jest teoria naukowa? Co je łączy?

“Ale to tylko teoria”! Jeśli zdarzyło Ci się kiedyś, gałganie niesforny, wypowiedzieć te nieprzemyślane słowa – najwyższy czas abyś udał się teraz ze mną na wyprawę w metodologiczne ostępy nauki i odkrył poprawne znaczenie kilku fundamentalnych terminów.

Nauka formalna a empiryczna

Zdawałoby się, że temat został już przewałkowany na tyle sposobów, że nie ma już na świecie ani jednej błądzącej duszy. Nic z tych rzeczy. Jak widać, przepisanie ze słownika bądź jakichś podręczników definicji hipotezy i teorii – jak czyni to wielu autorów – nie zdaje egzaminu. Wciąż pod co drugą dyskusją dotyczącą wielkiego wybuchu czy ewolucji znajdzie się choć jeden delikwent twierdzący, że przecież mamy do czynienia “zaledwie” z teorią naukową. Spróbujmy więc ugryźć temat od innej strony. Sięgnijmy jeszcze głębiej i zadajmy sobie pytanie: jak w ogóle przebiega sprawdzanie wiedzy naukowej?

Odpowiedź brzmi: to zależy. Zależy chociażby od dyscypliny, w której próbujemy się poruszać. W najogólniejszym zarysie mądrzy ludzie rozbili całą praktykę naukową na dwie grupy. Nie, nie chodzi tu o upośledzony podział na humanistykę i nauki ścisłe, ale o rozróżnienie oparte o kryterium dowodzenia. Tak się bowiem składa, że pod pewnymi względami chemia czy biologia są znacznie bliższe socjologii lub historii, niż matematyce. Ta ostatnia wraz z logiką (i ich pochodnymi) należą do unikatowej, choć małej rodzinki tzw. nauk formalnych. Dla nas istotne jest to, iż jedynie na gruncie logiki i matematyki możemy stawiać twierdzenia pewne. W każdym razie, znacznie pewniejsze niż ma to miejsce w innych dziedzinach.

To trochę ironiczne. Wykonując działania na liczbach tak naprawdę zajmujemy się bytami abstrakcyjnymi, niedostępnymi zmysłom, niemalże platońskimi ideami – ale jednak mamy do tych niefizycznych tworów bezpośredni, intelektualny dostęp. Dwa to dwa i koniec. Dwa plus dwa daje cztery i tak musi być. To sądy proste, precyzyjne i ostre niczym skalpel. Muszą takie być, bo bez nich zawaliłby się cały sposób naszego rozumowania. To fundament, a fundament powinien pozostawać twardy i niewzruszony.

Jaki jest koń nikt nie wie

Cała reszta nauk, od filologii przez ekonomię aż po astronomię, należy do rozległej rodziny nauk empirycznych. Przedmioty ich zainteresowania realnie istnieją, a naszym zadaniem jest dokonanie aktu obserwacji i (o ile to możliwe) eksperymentu. Możemy wyobrazić sobie sytuację, w której genialny logik i matematyk rozgryza cały logiczno-matematyczny kod wszechświata nie wychodząc z domu, przy użyciu li tylko kartki, ołówka i własnego mózgu. Przedstawiciele innych dyscyplin nie mają tego komfortu. Potrzebują bezpośredniego lub pośredniego kontaktu z badaną strukturą. I tu pojawia się szereg kłopotów, nie zajmujących głowy przeciętnego zjadacza chleba.

Rozpatrzmy takie oto stwierdzenie: Słońce jest jasne i ma żółtawą barwę. Czyż nie jest ono prawdziwe i oczywiste? Niewątpliwie pod takim zdaniem obserwacyjnym podpisałaby się większość mieszkańców Ziemi. Dobrze, ale w takim razie jak wytłumaczyć takie zdjęcia:

Człowiek XXI wieku rzecz jasna rozumie, że istnieją różne długości fali świetlnej i każdy obiekt inaczej będzie wyglądał w ultrafiolecie, inaczej w podczerwieni, a jeszcze inaczej w świetle widzialnym. Nasze oko zbiera jedynie niewielki fragment rzeczywistego widma jakie do nas nieustannie dociera. Nie zmienia to faktu, iż wyrażone wcześniej spostrzeżenie okazuje się nieprecyzyjne, żeby nie powiedzieć błędne.

W takim razie może nałóżmy na siebie fotografie wykonane w każdym możliwym spektrum, bądź wyraźmy tę informację językiem matematyki! Ale czy to daje nam podstawy do stawiania absolutnie niezbitego sądu? Skąd pewność, iż nasza wiedza na temat fizyki światła nie jest obarczona jakąś maleńką nieścisłością? A co jeśli na przestrzeni 150 milionów kilometrów wiązka fotonów, w nieznany nam sposób, zmienia swoje właściwości? A może nasze przyrządy nie są w stanie wyłapać wszystkich właściwości fali świetlnej? Nie zapominajmy również o fakcie, że oglądamy obraz Słońca sprzed ośmiu minut, a zatem przestarzały.

To nie jest wcale rozumowanie wyssane z palca! Podobnego ostrza chwytali się przeciwnicy wielkiego wybuchu, próbujące wytłumaczyć efekt przesunięcia ku czerwieni odległych galaktyk (dowodu na ekspansję wszechświata) inną niż przypuszczamy naturą światła. Fala świetlna miałaby ulegać “zmęczeniu” co tworzyłoby iluzję ucieczki kosmicznych obiektów i stałego rozrostu przestrzeni.

W ten sposób banalne zdanie obserwacyjne, co do którego wszyscy mogliby się zgodzić, okazuje się niezmiernie problematyczne. Nasza naoczna obserwacja kompletnie zmienia znaczenie. Nie myślcie też, że z naukami humanistycznymi rzecz ma się choćby odrobinę klarowniej. Jeżeli bierzecie do rąk Kroniki Jana Długosza to nie zapoznajecie się z przebiegiem bitwy pod Grunwaldem lecz jedynie z niedoskonałą narracją Jana Długosza. Mówimy czasem dzieciom w szkole, że historyk zajmuje się badaniem przeszłości. To bujda. W rzeczywistości nie ma fizycznej możliwości zbadania przeszłości, bo przecież przeszłość bezpowrotnie minęła. Prawdziwy przedmiot zainteresowania naukowca zawsze znajduje się za swego rodzaju woalem, pozostając dostępny dla naszego aparatu poznawczego w mniejszym lub większym, ale nigdy nie pełnym zakresie.

Bo tego nie da się weryfikować ani falsyfikować

Podsumowując, w naukach empirycznych z zasady nie jesteśmy w stanie odsłonić niczego co zasługuje na miano prawdy klasycznej czy “prawdy ostatecznej”. A nawet jeśli takowa pozostaje w naszym zasięgu to nie istnieje sposób na bezdyskusyjne potwierdzenie tego faktu. To przygnębiające, ale uczeni już dawno przestali płakać i nauczyli się korzystać z tego na co natura nam pozwala. A pozwala na dokonanie konfirmacji i dyskonfirmacji.

Powyższe terminy mogą brzmieć dla was obco, ale leżą całkiem blisko innych, prawdopodobnie bardziej znanych: weryfikacji i falsyfikacji. Nie wprowadzam jednak nowych słówek po to aby znużyć wasze szanowne głowy. Owszem, konfirmacja podobnie do weryfikacji odnosi się do sprawdzania pozytywnego (to zdanie jest prawdziwe!), a dyskonfirmacja i falsyfikacja oznaczają sprawdzanie negatywne (to zdanie jest błędne!). Istnieją jednak między nimi istotne różnice. Osoba precyzyjna metodologicznie użyje terminu weryfikacji wyłącznie w przypadku sądu bezsprzecznego i absolutnie potwierdzonego, a falsyfikacji tylko przy sądzie bezsprzecznie i niezbicie obalonym. Rzecz w tym, że jak ustaliliśmy w poprzednich akapitach, przedstawiciele nauk empirycznych nigdy nie posiadają stuprocentowej pewności co do swoich odkryć, ergo ich eksperymenty niczego nie weryfikują ani nie falsyfikują. Metodolog powie, iż wyciągając teleskop i oceniając cechy poszczególnych ciał niebieskich, co najwyżej konfirmujemy lub dyskonfirmujemy nasze teorie z zakresu astronomii.

Weryfikacji z prawdziwego zdarzenia dokonuje matematyk, wyprowadzając niepodważalny logiczny dowód na poprawność, dajmy na to, twierdzenia Pitagorasa.

Oczywiście w życiu codziennym, ba, nawet w tekstach naukowych i popularnonaukowych, mało kto zwraca na uwagę na terminologiczną hiperpoprawność. I wcale nie zachęcam was do uprawiania metodologicznego nazizmu. (Sam również w Metodologicznym dekalogu gęsto uciekałem się do weryfikacji i falsyfikacji, mając tak naprawdę na myśli konfirmacje i dyskonfirmacje). Sądzę jednak, że owe rozróżnienie może co poniektórym skutecznie rozjaśnić omawiane problemy od nowej strony.

Konfirmujmy zdania ogólne

No dobra, od czasu do czasu empiryści również ukuwają sądy tak trudne do zakwestionowania, że aż graniczące z pełną weryfikacją. Ten koń ma cztery nogi. Jowisz to planeta gazowa. Ziemia posiada atmosferę. To tzw. zdania jednostkowe, na tyle proste i łatwe do skontrolowania, aby móc z pewnością w głosie mówić o ich pełnej prawdziwości lub fałszywości.

Na naszą zgubę w nauce często odczuwamy potrzebę żonglowania zdaniami ogólnymi. Gwiazda o masie 1,5 razy większej od Słońca eksploduje jako supernowa typu Ia. Prędkość światła w próżni c jest zawsze jednakowa i wynosi 299 tys. km/s. Wszystkie lądy Ziemi tworzyły 300 milionów lat temu superkontynent. Uczeni traktują te zdania jako pewniki. Słusznie, bo przeszły one wiele testów i nikt nie znalazł przesłanek aby wątpić w ich zgodność z rzeczywistością. Jednakże, musimy pamiętać, iż żaden astronom nie obserwował wszystkich wybuchów supernowych, żaden fizyk nie mierzył prędkości światła poza Układem Słonecznym, zaś żaden geolog nie cofnął się w czasie do karbonu aby obejrzeć kształtowanie kontynentów naszej planety.

Jednak wszelkie doświadczenia są trudne i długo trwają, uczonych jest niewielu, a liczba faktów, których przewidzenie jest potrzebne jest ogromna. Wobec tej masy liczba bezpośrednich prób, które możemy przeprowadzić, zawsze będzie znikoma.
Henri Poincaré

Z dużą dozą prawdopodobieństwa możemy założyć, że wymienione zdania ogólne nigdy się nie zdezaktualizują, ale jednocześnie nikt nie znajdzie sposobu na przetestowanie ich w sposób totalny, stuprocentowy, bez cienia szansy na przyszłe zmiany. Godzimy się więc z konfirmacją. W końcu, jaki mamy wybór?

Od hipotezy do teorii naukowej

Dopiero teraz, na sam koniec, możemy pochylić się nad tytułowym problemem hipotezy i teorii. Chyba należy się z tym pogodzić, że w nienaukowej dyskusji oba pojęcia zwielokrotniają swoją pojemność na tyle, aż zaczynają się ze sobą zlewać. W słowniku nauki hipoteza badawcza i teoria naukowa oznaczają jednak dwie różne instytucje. Zapamiętaj więc gamoniu patentowany, że gdy zabierasz głos w sprawie kosmologii, biologii, chemii czy farmakokinetyki – stosując te terminy zamiennie, stawiasz tamę na drodze do sensownej rozmowy i uzyskaniu jakichkolwiek wartościowych wniosków! Przy okazji dajesz wyraz swojej ignorancji, bo nie trzeba być koneserem filozofii nauki aby zauważyć rozziew między jednym a drugim.

Hipoteza to naukowe przypuszczenie. Wymaga weryfi… konfirmacji, a na razie działa tylko na papierze i w głowie stawiającego ją uczonego. Czy zatem hipotezą można nazwać bez ogródek każdy pomysł jaki nam przyjdzie do głowy? Czy jakiś niestworzony wymysł rzucony przez znudzonego internautę to już hipoteza badawcza? Raczej nie. Hipoteza od początku powinna współgrać z zastanym korpusem nauki a poza tym, przewidywać sposób na swoje przetestowanie. Doprawdy rewelacyjni w wypełnianiu tego postulatu są fizycy cząstek elementarnych. Taki Peter Higgs potrafił z pięćdziesięcioletnim wyprzedzeniem określić dokładne parametry bozonu, faktycznie uchwyconego we wzniesionym znacznie później Wielkim Zderzaczu Hadronów. Z drugiej jednak strony, współczesna nauka traktuje ten warunek z coraz większym przymrużeniem oka. Powstają hipotezy nierealnie trudne do sprawdzenia, albo takie, które będą czekać na eksperyment przez następne stulecia. To problem metodologii naszych czasów.

(Macie prawo zapytać, co z teorią strun, teorią supersymetrii czy tzw. teorią wszystkiego? Przecież nie są one potwierdzone, a niektórzy fizycy poddają pod wątpliwość samą możliwość ich przetestowania. Tutaj akurat autorzy popełnili mały wybieg stosując termin teorii w innym, mniej ścisłym znaczeniu – jako pewien rozległy zbiór twierdzeń i pomniejszych koncepcji. Sądzę jednak, że nawet Michael Green czy Leonard Susskind nie obrażą się jeśli nazwę rzeczy po imieniu. W rzeczywistości to naukowe hipotezy).

Dopiero gdy zdanie bądź zbiór zdań tworzących hipotezę doczekają się odpowiedniego testu i przejdą go pomyślnie, zachodzi przekształcenie w teorię naukową. Tytuł teorii dumnie dzierżą m.in. teoria heliocentryczna, teoria gier, szczególna teoria względności, ogólna teoria względności, teoria wielkiego wybuchu, teoria ewolucji, mechanika kwantowa… W zasadzie niemal cała znana nam nauka korzysta z teorii, nawet jeśli poszczególne koncepty nie noszą takiej nazwy. Tak proszę państwa: teoria naukowa, wbrew potocznemu znaczeniu, to już sprawdzone i potwierdzone – zgodnie z obecnym stanem wiedzy i myśli technicznej – wyjaśnienie danego zjawiska. Najlepsze spośród wszystkich dostępnych i jak na razie działające.

Problematyczne może być wskazanie konkretnej granicy, po przekroczeniu której hipoteza badawcza uzyskuje status teorii. Jeden dobry eksperyment może, lecz wcale nie musi o niczym przesądzać. Co więcej, nawet obowiązująca teoria naukowa nigdy nie przestaje być testowana. Sprawdziany trwają bez końca, stale ją hartując albo doprowadzając do jej upadku. Oznacza to jednocześnie, że nie należy traktować żadnej teorii jak dogmatu. Skoro posługujemy się zdaniami ogólnymi podlegającymi wyłącznie niedoskonałej konfirmacji, zawsze będzie istniał cień szansy na jej podkopanie i obalenie bądź zreformowanie. Nawet po stu latach funkcjonowania, stara teoria może zostać zmieciona z horyzontu nauki i zastąpiona lepszą, jeśli taka się pojawi.

To bolączka nauki i zarazem jej największa siła. Niemniej, przetestowana i zahartowana idea nigdy nie jest “tylko teorią”, lecz “aż teorią”.