Wojciech Sady
Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce
Kraków: Universitas 2020
SPIS TREŚCI
Wstęp
● 0.1. Rewolucje relatywistyczna i kwantowa w fizyce ● 0.2. Pierwsze reakcje filozofów nauki ● 0.3. Obraz rewolucji naukowych w podręcznikach i pracach popularnonaukowych ● 0.4. Kuhn o strukturze rewolucji naukowych ● 0.5. Zasadniczy błąd Kuhna ● 0.6. Lakatos o racjonalności rewolucji naukowych ● 0.7. Rzut oka na debaty po Kuhnie i Lakatosu ● 0.8. Moje inspiracje
Rozdział 1. Obraz świata mechaniki klasycznej
● 1.1. UWAGI WSTĘPNE: Wspólnoty naukowe ● 1.2. UWAGI WSTĘPNE: Wdrażanie w naukowe style myślowe ● 1.3. UWAGI WSTĘPNE: Fizyczne obrazy świata i związane z nimi programy badawcze ● 1.4. CENTRALNE PYTANIE TEJ KSIĄŻKI ● 1.5. Narodziny mechaniki klasycznej i jej obraz świata ● 1.6. Siły działające na odległość a siły działające przez kontakt ● 1.7. Prawa Coulomba dla sił między ładunkami elektrycznymi i biegunami magnesów ● 1.8. KOMENTARZ: o logice odkrywania
Rozdział 2. Mechaniczna falowa teoria światła i jej nierozwiązywalne (?) problemy
● 2.1. Pierwsze – mechaniczne – teorie światła ● 2.2. M-falowa teoria światła ● 2.3. „Anomalie” i „hipotezy ad hoc” ● 2.4. Daremne próby przeprowadzenia experimentum crucis między hipotezami ad hoc ● 2.5. Patowa sytuacja po dwóch eksperymentach Michelsona i Morleya ● 2.6. KOMENTARZ: o rzekomych anomaliach i o tym, że bywają one bezpłodne
Rozdział 3. Narodziny elektrodynamiki Maxwella i elektromagnetycznej teorii światła
● 3.1. Odkrycie magnetycznych własności prądów ● 3.2. KOMENTARZ: o wpływie poglądów nienaukowych na rozwój nauki ● 3.3. Narodziny elektrodynamiki ● 3.4. Odkrycie indukcji elektromagnetycznej ● 3.5. Inne odkrycia w dziedzinie elektryczności i magnetyzmu ● 3.6. KOMENTARZ: odkrycia „przegapione” ● 3.7. Siły elektryczne według Webera ● 3.8. Faraday o naturze linii sił ● 3.9. Zasada zachowania energii a zarzuty Maxwella wobec teorii Webera ● 3.10. KOMENTARZ: O dowolności wyboru programu badawczego ● 3.11. Maxwell o ruchu nieważkiej i nieściśliwej cieczy w ośrodku stawiającym opór ● 3.12. Oddziaływania elektromagnetyczne wyrażone matematycznie w języku pól ● 3.13. KOMENTARZ: Matematyka kontra wyobraźnia ● 3.14. Maxwella model wirów molekularnych a siły magnetyczne ● 3.15. Warstwy elektrycznych cząstek między wirami a indukowanie prądów ● 3.16. KOMENTARZ: Matematyka kontra wyobraźnia raz jeszcze ● 3.17. Model sprężystych wirów molekularnych a prąd przesunięcia ● 3.18. KOMENTARZ: Co nie może zdarzyć się w umyśle jednostki, może zdarzyć się na papierze ● 3.19. Układ równań Maxwella i elektromagnetyczna falowa teoria światła ● 3.20. KOMENTARZ: Narodziny nowego programu badawczego ● 3.21. Końcowe stanowisko Maxwella
Rozdział 4. Ku elektrodynamice ciał w ruchu
● 4.1. Pierwsze reakcje na teorię Maxwella ● 4.2. Hertz odkrywa fale radiowe ● 4.3. KOMENTARZ: o mechanizmie akceptacji nowego programu badawczego ● 4.4. Klasyczne transformacje czasowe i przestrzenne a transformacje Voigta ● 4.5. FitzGerald o kontrakcji ● 4.6. Czy eter porusza się wraz z ciałami? ● 4.7. Droga Lorentza do elektrodynamiki ciał w ruchu ● 4.8. Lorentz o kontrakcji ● 4.9. Czas lokalny a czas uniwersalny ● 4.10. Larmor o eterze i materii ● 4.11. Kolejne kroki Lorentza ● 4.12. KOMENTARZ: kolejne starcie matematyki z wyobraźnią ● 4.13. Badania nad wzrostem masy elektronów w ruchu ● 4.14. Czy wszystko jest zbudowane z eteru? ● 4.15. Poincaré o teorii Lorentza i czasie lokalnym ● 4.16. Skrajny empiryzm a fizyka bez eteru ● 4.17. Nowe badania eksperymentalne nad wpływem ruchu Ziemi na przebieg zjawisk elektromagnetycznych ● 4.18. Lorentz o zjawiskach elektromagnetycznych w układzie poruszającym się z dowolną prędkością mniejszą niż prędkość światła ● 4.19. Poincaré o dynamice elektronu ● 4.20. Einstein o elektrodynamice ciał w ruchu ● 4.21. Einstein o związku bezwładności ciała i zawartej w nim energii ● 4.22. KOMENTARZ: co przywiodło Einsteina do sformułowania szczególnej teorii względności? ● 4.23. Reakcja Lorentza, Poincarégo i innych na pracę Einsteina ● 4.24. KOMENTARZ: a co, gdyby Einsteina nie było?
Rozdział 5. Od zasad termodynamiki do pierwszych wzorów kwantowych
● 5.1. Badania nad ciepłem do połowy XIX w. ● 5.2. Pierwsza zasada termodynamiki ● 5.3. Widma gazów i funkcja Kirchhoffa ● 5.4. Druga zasada termodynamiki ● 5.5. Kinetyczna teoria gazów ● 5.6. KOMENTARZ: o niejasnych związkach między termodynamiką a mechaniką ● 5.7. Początki fizyki statystycznej ● 5.8. Boltzmanna statystyczna interpretacja drugiego prawa termodynamiki ● 5.9. Planck przeciw fizyce statystycznej i atomizmowi ● 5.10. Pierwsze badania nad promieniowaniem ciał czarnych i pierwsze spekulacje teoretyczne ● 5.11. Dalsze badania eksperymentalne nad promieniowaniem ciał czarnych i towarzyszące im dociekania teoretyczne ● 5.12. Zasada chaosu molekularnego ● 5.13. Planck o procesach nieodwracalnych ● 5.14. Pomiary widma ciał czarnych dla dużych λT ● 5.15. Planck modyfikuje prawo Wiena ● 5.16. Kwanty energii i kwantowy wzór na jej rozkład w widmie ciała czarnego ● 5.17. KOMENTARZ: Co nie może zdarzyć się w umyśle jednostki, może zdarzyć się na papierze – raz jeszcze
Rozdział 6. Odkrywanie elektronu i innych składników mikroświata
● 6.1. Pierwsze badania nad promieniami katodowymi ● 6.2. Ku korpuskularnej teorii promieni katodowych ● 6.3. Ku falowej teorii promieni katodowych ● 6.4. Spory o naturę promieni katodowych ● 6.5. Pierwsze prace J. J. Thomsona ● 6.6. Wzór Balmera dla widma wodoru ● 6.7. Efekt fotoelektryczny ● 6.8. Dalsze badania nad promieniami katodowymi ● 6.9. Röntgen zauważa to, co inni „widzieli, a nie zobaczyli” ● 6.10. Badania Röntgena nad promieniami X ● 6.11. KOMENTARZ: Czy Röntgen dokonał rewolucji naukowej? ● 6.12. Dalsze systematyczne badania eksperymentalne nad promieniami X i towarzyszące im dociekania teoretyczne ● 6.13. Odkrycie helu ● 6.14. Promieniotwórczość uranu ● 6.15. Odkrywanie elektronu ● 6.16. Badania J. J. Thomsona nad promieniami katodowymi w pierwszych miesiącach 1897 ● 6.17. J. J. Thomson lato 1897 ● 6.18. Dalsze badania nad promieniami X, α, β i γ ● 6.19. Odkrycie polonu i radu ● 6.20. Dalsze badania nad promieniami X, α, β i γ ● 6.21. Atomy, elektrony, promieniotwórczość itd. 1902-1905 ● 6.22. KOMENTARZ: klasyczne odkrywanie nieklasycznych składników mikroświata
Rozdział 7. Ku kwantowym modelom atomów
● 7.1. Pierwsze spekulacje na temat budowy atomów ● 7.2. Kwanty światła ● 7.3. Atomy, elektrony i promieniotwórczość 1905-1907 ● 7.4. Kwantowa teoria ciepła właściwego ● 7.5. Atomy, elektrony, promieniowanie 1908-1910 ● 7.6. Odkrycie jądra atomowego ● 7.7. Reakcje na kwantową teorię światła ● 7.8. Kwantowe i niekwantowe modele atomów ● 7.9. KOMENTARZ: o walce logiki z wyobraźnią ● 7.10. Pierwszy kongres o promieniowaniu i kwantach ● 7.11. Postępy badań nad mikroświatem ● 7.12. Pierwsze dociekania Bohra ● 7.13. Bohr o budowie atomu wodoru ● 7.14. Bohr o budowie atomów i cząsteczek ● 7.15. KOMENTARZ: Sytuacja odkryciogenna ● 7.16. Uzupełnienie: dalsza droga do mechaniki kwantowej
Rozdział 8. O mechanizmie relatywistycznej i kwantowej rewolucji w fizyce
● 8.1. Pierwsze refleksje ● 8.2. Badania normalne ● 8.3. Czy rozwój nauki jest zdeterminowany? ● 8.4. Niespójność systemu jako zarzewie rewolucji naukowej ● 8.5. Okres przejściowy, eklektyczny ● 8.6. Nowy obraz świata i nowy program badań ● 8.8. Mit geniuszu ● 8.7. Uwagi na zakończenie
Bibliografia
Wstęp
0.1. Rewolucje relatywistyczna i kwantowa w fizyce. Na przełomie XIX i XX w. w fizyce miały miejsce dwie rewolucje: mechanika klasyczna, od dwustu lat stanowiąca podstawę tej dyscypliny, została zastąpiona przez teorię względności z jednej, a mechanikę kwantową z drugiej strony. Wprawdzie mechanika klasyczna pozostała użyteczna jako narzędzie obliczeń np. dla inżynierów projektujących mosty, ale kiedy myślimy o tym, z czego i jak świat jest zbudowany, to obrazy relatywistyczne i kwantowe nie mają wiele wspólnego z tym, co o świecie myśleli fizycy pod koniec XIX w. Wymianie uległy m.in. twierdzenia dotyczące natury czasu, przestrzeni, materii i przyczynowości – a zatem te, które Immanuel Kant (1781) uważał za konieczne sądy syntetyczne a priori.
Upadek mechaniki klasycznej zmienił raz na zawsze nasze pojmowanie natury wiedzy ludzkiej. Jeśli o filozofię chodzi, to klasyczny empiryzm, klasyczny racjonalizm, a także kantyzm odeszły do lamusa. Na znaczeniu, rzecz jasna, zyskał relatywizm. Sami naukowcy po takim doświadczeniu też zmienili swoje nastawienie: skoro raz się zdarzyło, że teoria fizyczna, która zdawała się (niemal) dowiedziona eksperymentalnie, upadła i trzeba było całą dyscyplinę zbudować na nowych fundamentach, to nie da się wykluczyć, że podobny los czeka w przyszłości teorie obecnie uważane za podstawowe.
0.2. Pierwsze reakcje filozofów nauki. Jeden z uczestników rewolucji relatywistycznej, Henri Poincaré, pod wpływem dokonujących się przemian stworzył epistemologię konwencjonalistyczną: zasady, leżące u podstaw fizycznego obrazu świata, są „definicjami w przebraniu”, akceptowanymi na mocy milczącej umowy między uczonymi z uwagi na swą prostotę i piękno. Radził przy tej okazji uczonym, by zachowali geometrię Euklidesa jako podstawę fizyki, a także by trwali przy mechanice klasycznej tak dalece, jak to będzie możliwe. Natomiast za „potępione” przez wyniki eksperymentów uznał prawo zachowania energii (Poincaré 1905a, rozdz. 9). Sprawy potoczyły się niezgodnie z tymi radami.
Ludwik Fleck, mikrobiolog ze Lwowa, przyglądając się procesowi powstawania fizyki kwantowej poczynił ważną uwagę:
Mamy obecnie szczęście być świadkami spektaklu narodzin, stworzenia nowego stylu myślowego. [...] Wcześniej czy później wiele rzeczy się zmieni: prawo przyczynowości, pojęcia obiektywności i subiektywności. Inne będą oczekiwania wobec naukowych rozwiązań, ważność uzyskają inne problemy. Wiele rzeczy udowodnionych okaże się nieudowodnionych, wiele z nieudowodnionych okaże się zbędnymi. […] Stworzy się nową, przystającą do współczesności rzeczywistość (Fleck 1929).
Kilka lat później sformułował teorię kolektywów myślowych i stylów myślowych, kreśląc obraz natury i skutków tego rodzaju zmian (Fleck 1935a). Kolejne w historycznym rozwoju nauki style myślowe określił mianem niewspółmiernych. Przez następne pół wieku epistemologia Flecka pozostała niezauważona przez filozofów nauki i epistemologów.
W latach 1930-ch filozoficzna refleksja nad nauką została zdominowana przez pozytywistów logicznych, skoncentrowanych na poszukiwaniu kryteriów empirycznej sensowności zdań. Przemiany, do jakich doszło w fizyce na początku XX w., nie stanowiły dla nich źródła poważnych problemów. W tym samym okresie powstała falsyfikacjonistyczna metodologia Karla R. Poppera (1934), która wyrosła m.in. z refleksji nad pojawieniem się teorii względności, a w której racjonalnej rekonstrukcji poddaje się raczej rozwój wiedzy niż jej stan w danym czasie. Jednak Popper nie prowadził badań ani nad historią nauki, ani nad bieżącą praktyką badawczą, a poniższe studium przeobrażeń wiedzy wykaże, jak naiwny jest kreślony przez niego obraz.
Empirystów logicznych i Poppera łączyło przekonanie, że o treści teorii naukowych decydują logika i wyniki eksperymentów. Wspólnie uważali też, że proces wymyślania nowych hipotez i teorii – o czym dokładniej w § 1.5 – nie przebiega zgodnie z regułami logiki; logicznej/racjonalnej rekonstrukcji podlegają natomiast procedury empirycznego sprawdzania (weryfikacji, potwierdzania, falsyfikacji) twierdzeń kandydujących do miana wiedzy. Naukowa racjonalność polega na (tymczasowej) akceptacji twierdzeń dobrze potwierdzonych i na (definitywnym) odrzucaniu twierdzeń sfalsyfikowanych.
0.3. Obraz rewolucji naukowych w podręcznikach i pracach popularnonaukowych. Z grubsza Popperowski obraz rozwoju wiedzy naukowej można znaleźć w wielu podręcznikach i tekstach popularnonaukowych. Poprzestanę na jednym, ale typowym przykładzie. W jednym z najlepszych popularnych wprowadzeń do fizyki, jakie znam, Leon N. Cooper (1968) – laureat nagrody Nobla – wspomina o paśmie sukcesów fizyki klasycznej, by wreszcie dotrzeć do eksperymentu Michelsona–Morleya z 1887 (§ 29). Jego wynik wykazał, jak twierdzi, że leżące u podstaw mechaniki newtonowskiej – wzbogaconej o hipotezę eteru światłonośnego – założenia o naturze czasu i przestrzeni były fałszywe. W tej sytuacji Lorentz wprowadzał hipotezy ad hoc, takie jak hipoteza kontrakcji, by ratować klasyczną fizykę. Natomiast Einstein dokonał „uderzającej zmiany punktu widzenia” i sformułował nową teorię czasu i przestrzeni, a także określił nowe związki między masą, energią i pędem. Owszem, Cooper przyznaje, eksperyment Michelsona–Morleya był tylko jednym z wielu spokrewnionych, nie omawia ich jednak i błędnie charakteryzuje ich cele. Przyznaje, że Einstein pracując nad podstawami szczególnej teorii względności zapewne eksperymentu Michelsona-Morleya nie znał (§ 30). A jednak przedstawia rozwój fizyki zgodnie z takim oto schematem: teoria T1 → dedukcja przewidywań → eksperymenty → falsyfikacja → nieudane próby ratowania T1 za pomocą hipotez ad hoc → wyobraźnia twórcza → teoria T2 → dedukcja przewidywań itd. Analogicznie – choć opowieść jest tym razem bardziej zawiła – Cooper przedstawia historię rewolucji kwantowej (§§ 34-37). Twierdzi tam m.in., że klasyczna zasada ekwipartycji energii – która prowadziłaby w pewnych przypadkach do tzw. katastrofy w nadfiolecie – została sfalsyfikowana przez wyniki pomiarów rozkładu energii w widmie ciała czarnego. Ujawnili to Lord Rayleigh i James Jeans, na co Max Planck miał zareagować wymyślając hipotezę, iż energia jest absorbowana i emitowana porcjami równymi iloczynowi pewnej stałej i częstości światła. Cooper przemilcza to, że artykuł Jeansa, w którym po raz pierwszy wskazano na groźbę katastrofy w nadfiolecie, ukazał się kilka miesięcy po pracy Plancka, a także to, że Planck, ogłaszając pierwsze wzory kwantowe, milczy o problemach z zasadą ekwipartycji energii. Cooper nie jest wyjątkiem jeśli chodzi o wymyślanie historii nauki wstecz, tak aby pasowała do naiwnego, a rozpowszechnionego wśród naukowców, obrazu mechanizmów rozwoju wiedzy.
0.4. Kuhn o strukturze rewolucji naukowych. W latach 1940-ch młody fizyk Thomas S. Kuhn uzmysłowił sobie – czytając Arystotelesa, a także prace Alexandra Koyrégo i innych historyków nauki – że obraz dziejów fizyki i chemii, jaki przekazują podręczniki i prace popularnonaukowe, prowadzi do błędnych wyobrażeń na temat tego, czym jest nauka i jak się rozwija.
Częściowo dokonując selekcji, a częściowo wypaczeń, przedstawia się uczonych epok minionych tak, jakby mierzyli się z tym samym zespołem ustalonych problemów i opierali się na tym samym zbiorze niezmiennych kanonów, które zostały uznane za naukowe w wyniku ostatniej rewolucji w sferze teorii i metod (Kuhn 1962, rozdz. XI).
Badania historyczne uzmysłowiły mu przede wszystkim, iż rozwój naukowych poglądów na świat nie zawsze jest ciągły. Jest ciągły w okresach badań normalnych, gdy wspólnota naukowa wzoruje się na paradygmacie, pewnym osiągnięciu poznawczym, które uznaje za godne naśladowania. Paradygmat dostarcza normalnym naukowcom problemów, narzędzi potrzebnych do ich rozwiązania, a wreszcie kryteriów akceptacji rozwiązań. Normalni naukowcy nie szukają czegoś zasadniczo nowego, ani eksperymentalnie, ani teoretycznie. Ale stałe poszerzanie zakresu badań oraz zwiększanie ich dokładności prowadzi do odkrywania anomalii, które zdają się przeczyć paradygmatowi. Anomalie są zwykle ignorowane lub odkładane na później, a czasem próbuje się je wyjaśniać za pomocą rozmaitych hipotez ad hoc. Jednak gdy zaczynają się mnożyć i zyskiwać na znaczeniu, grupa badaczy, zwykle młodych, popada w stan psychologicznego kryzysu. To z kolei pobudza ich do badań nadzwyczajnych, prowadzonych – w przeciwieństwie do normalnych – niemal po omacku. Wreszcie ktoś wpada na nowy, rewolucyjny pomysł.
Na czym polega istota tego ostatniego stadium – w jaki sposób jednostka wymyśla (lub stwierdza, że wymyśliła) nowy sposób uporządkowania zebranych danych – to pytanie, które tu musimy pozostawić bez odpowiedzi i być może nigdy się to nie zmieni (Kuhn 1962, ch. VIII).
Jeśli pomysł ów zyska zwolenników, rodzi się nowy paradygmat. Ale nie jest to tylko nowy teoretyczny obraz pewnych zjawisk. Wraz z nim powstaje nowa lista problemów uznanych za ważne, a nawet za sensowne, nowy zestaw narzędzi do ich rozwiązywania i nowy zbiór kryteriów akceptacji rozwiązań. Zmienia się język, za pomocą którego opisuje się zjawiska, a gdy jakieś terminy zostają przejęte ze starego paradygmatu, to zyskują one nowe znaczenia – gdyż zmienia się postulowana przez paradygmat ontologia. A wreszcie zmiana paradygmatu powoduje zmianę sposobu, na jaki badacze postrzegają rzeczywistość: patrząc z tego samego miejsca w tym samym kierunku zwolennicy różnych paradygmatów czasem widzą coś innego. Kuhn podsumowuje to mówiąc, tak jak niegdyś Fleck, że konkurencyjne paradygmaty są niewspółmierne, a „W sensie, którego nie jestem w stanie bliżej wyjaśnić, zwolennicy rywalizujących paradygmatów uprawiają swoje zawody w różnych światach” (Kuhn 1962, ch. XII).
Ćwierć wieku później Kuhn dodał ważne uzupełnienie. Ponieważ rewolucyjne zmiany są holistyczne, to „Nie mogą zostać dokonane po kawałku, krok po kroku i pod tym względem są przeciwieństwem zmian normalnych czy kumulatywnych, takich jak na przykład odkrycie prawa Boyle’a” (Kuhn 1987).
Skoro brak wspólnej listy problemów badawczych i kryteriów akceptacji, wspólnego języka i wspólnych „faktów”, to sporów między zwolennikami różnych paradygmatów nie da się rozstrzygnąć odwołując się do praw logiki i wyników doświadczeń. „Każdy paradygmat lepiej lub gorzej spełnia kryteria, jakie sam sobie stawia, i nie może sprostać tym, które narzuca mu stanowisko konkurencyjne”. W rezultacie „Jedynym historycznym procesem, który faktycznie doprowadza do zarzucenia poprzednio akceptowanej teorii i do przyjęcia nowej, jest współzawodnictwo między odłamami wspólnoty naukowej” (1962, rozdz. I). Jeśli chcemy wyjaśnić przebieg rewolucji naukowej, czyli procesu, w wyniku którego stary paradygmat (macierz dyscyplinarna) zostaje zastąpiony przez nowy, to:
[…] wyjaśnienie musi mieć w ostatecznym rachunku charakter psychologiczny lub socjologiczny. Znaczy to, że musi ono być opisem systemu wartości, ideologii, a zarazem analizą instytucji, za których pośrednictwem system ten jest przekazywany i narzucany. Możemy mieć nadzieję, iż wiedząc, co cenią uczeni, zrozumiemy, jakie będą podejmować problemy i jakich wyborów będą dokonywać w danej sytuacji konfliktowej (Kuhn 1970, § IV).
0.5. Zasadniczy błąd Kuhna. Książkę Kuhna przeczytałem w 1976, gdy kończyłem studia z fizyki. Wywarła na mnie wielkie wrażenie i pobudziła do lektur z zakresu historii nauki, te zaś szybko uzmysłowiły mi, że schemat rewolucji naukowych, nakreślony na kartach Struktury, jest nie do utrzymania. Szczególną w tym rolę odegrała znakomita Istoria fiziki Borisa I. Spasskiego (1977), a później inne prace historyków nauki. Uzmysłowiły mi one, że Kuhn ilustrując w (1962) swoje rozważania przykładami, popełnia charakterystyczny błąd: porównuje tylko stany wiedzy odległe w czasie, a ignoruje pośrednie stadia rozwoju teoretycznego.
Błąd ten jest szczególnie wyraźny w jego debiutanckiej książce, Rewolucji kopernikańskiej (Kuhn 1957). Znaleźć tam można popularne omówienie i porównanie założeń leżących u podstaw pitagorejskich modeli astronomicznych, zarówno geocentrycznych, jak i heliocentrycznego. Ale pomięte zostało to, co działo się pomiędzy Ptolemeuszem a Kopernikiem. Z całej plejady astronomów świata islamu wspomniany jest jedynie al-Fargani. Brak informacji o tłumaczeniach Almagestu i innych starożytnych dzieł astronomicznych oraz matematycznych na arabski, a potem na łacinę, o okolicznościach powstania Tablic toledańskich, a później Tablic alfonsyńskich i ich roli. Bezpośredni poprzednicy Kopernika, Peurbach i Regiomontanus, są ledwie wspomniani, bez analizy ich poglądów i ewentualnego wpływu na narodziny heliocentryzmu. O Wojciechu z Brudzewa, od którego Kopernik uczył się w Krakowie astronomii, a który krytycznie podchodził do modeli heliocentrycznych, Kuhn nawet nie wspomina. Astronom i astrolog Domenico Maria Novara doczekał się jednej lakonicznej wzmianki, ani słowa zaś nie ma o dokonanych przez Novarę i Kopernika pomiarach zaćmienia Aldebarana przez Księżyc w 1497. W sumie Kuhn ogranicza się do porównania systemów astronomicznych odległych w czasie o czternaście wieków – by na tej podstawie kilka lat później stwierdzić, że były one niewspółmierne.
0.6. Lakatos o racjonalności rewolucji naukowych. Imre Lakatos (1970) zaakceptował znaczną część zawartych w Strukturze rewolucji naukowych ustaleń historycznych, ale twierdził, że za wyborami naukowych programów badawczych dokonywanymi przez (dobrych) naukowców kryją się uniwersalne reguły racjonalności. Program badawczy składa się z twardego rdzenia i pasa ochronnego. Gdy naukowcy natrafiają na doświadczalną anomalię, to modyfikują pas ochronny tak, aby system jako całość z nią uzgodnić, ale twardy rdzeń pozostawiają nietknięty. Jeśli kolejne modyfikacje pasa ochronnego prowadzą do nowych przewidywań, a przynajmniej część z nich zostaje doświadczalnie potwierdzona, to program jest teoretycznie i empirycznie postępowy. Jeśli nowych przewidywań nie ma i/lub (prawie) żadne nie zostają potwierdzone, to program ulega teoretycznej i/lub empirycznej degeneracji. Naukowcy, twierdzi Lakatos, zazwyczaj są racjonalni, a polega to na tym, że „Jeśli mamy dwa konkurencyjne programy badawcze i jeden z nich jest postępowy, a drugi ulega degeneracji, naukowcy wykazują skłonność do przechodzenia na stronę programu postępowego” (Lakatos 1974). Choć przyznaje, że w praktyce nie jest to takie proste, to w świetle jego metodologii wybór między konkurencyjnymi programami dokonuje się pod presją kryteriów racjonalności wspólnych dla spierających się stron i niezmiennych w całej historii nauki. Rewolucje naukowe definiuje Lakatos prosto: „[…] rewolucje naukowe polegają na tym, że jeden program badawczy wypiera inny (będąc bardziej od niego postępowy)” (Lakatos 1971, § 1d). Zwycięski program ma odmienny twardy rdzeń i odmienną heurystykę od swego pokonanego poprzednika.
Pisząc: „„Filozofia nauki bez historii nauki jest pusta, historia nauki bez filozofii nauki jest ślepa”, Lakatos (1971, Wstęp) wyrażał nadzieję, że jego metodologia naukowych programów badawczych stanie się podstawą badań historyków nauki. Tak się nie stało i z punktu widzenia rozważań prowadzonych poniżej będzie ona niemal bezużyteczna.
0.7. Rzut oka na debaty po Kuhnie i Lakatosu. Od lat 1960-ch powstała niemożliwa wręcz do ogarnięcia liczba komentarzy do Kuhna i Lakatosa, a filozofowie nauki rozpadli się na tych, którzy sądzą, że rewolucyjne zmiany naukowe są racjonalne, a zatem można je wyjaśnić przez odwołanie się do wyników eksperymentów i praw logiki, oraz na tych, którzy zmiany takie uważają za irracjonalne, wymagające wyjaśnień psychologicznych bądź socjologicznych. W koncepcjach obu filozofów ujawniono liczne wady i dziś jest oczywiste, że w wersjach oryginalnych są one nie do utrzymania. A jednak w ciągu pół wieku nie zaproponowano w ich miejsce żadnego modelu rewolucji naukowych, który zyskałby rangę paradygmatycznego: takiego, który skupiłby na sobie uwagę kolejnych dyskutantów, a przede wszystkim wiódłby do dalszych badań logicznych, historycznych, socjologicznych i innych. Nie będę po kolei odnosił się do rozmaitych propozycji w tym zakresie, bo to by wymagało napisania całej książki. Obszerny i wciąż aktualizowany obraz znaleźć można w (Nickles 2017) – zainteresowanym łatwo więc zyskać podstawową wiedzę w tym zakresie, zwłaszcza jeśli zajrzą do prac, jakie Thomas Nickles wymienia w bibliografii. Moim celem jest pokazanie, jak doszło do dwóch wielkich rewolucji w fizyce, a przede wszystkim ujawnienie schematów zmian teorii wspólnych dla nich obu. Czy podobne schematy da się znaleźć w historii innych dyscyplin naukowych, nie wiem (choć mam nadzieję, że tak).
0.8. Moje inspiracje. Jeśli o źródła wykorzystanych w tej książce idei, to znów zacznę od Kuhna. Wkrótce po ogłoszeniu Struktury podjął on badania nad wczesnymi stadiami rewolucji kwantowej w fizyce (Heilbron & Kuhn 1969; Kuhn 1978). Czytelnika tych jego tekstów uderza, że w narracji historycznej o ogóle nie pojawiają się słowa-klucze z kart Struktury: paradygmat, wspólnota naukowa, badania normalne, anomalie, kryzys, badania nadzwyczajne, niewspółmierność itd. Wbrew sugestiom z Posłowia do drugiego wydania Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity 1894-1912 (1987), jego model rewolucji naukowych nie leży też implicite u podstaw zawartych tam relacji. Zarazem te teksty są wolne od wspomnianego przed chwilą błędu: omawia się w nich rozwój wczesnych idei kwantowych krok po kroku, szczegółowo analizuje się złożone interakcje między badaniami eksperymentatorów a dociekaniami teoretyków itd. Chyba na zawsze zagadką pozostanie, dlaczego Kuhn nawet nie próbował na podstawie tych prac sformułować nowej teorii rewolucji naukowych. Gdy wracał do problemów filozofii nauki, zawsze punktem wyjścia były twierdzenia z kart Struktury, z których jedne łagodził, inne modyfikował – by do śmierci niczego istotnego nie osiągnąć. Poniżej jego prace nad genezą idei kwantowych – a nie obraz rozwoju nauki z kart Struktury – stanowić będą ważne źródło inspiracji.
Co innego studia nad historią fizyki, a co innego próba stworzenia teorii przemian, jakim fizyka podlega. Dla realizacji tego zadania narracje historyków nie wystarczą – tak jak nie da się teorii naukowych sformułować na podstawie „czystych” wyników eksperymentów. Niezbędne są wyjściowe założenia dotyczące natury ludzkiego poznania, które pozwolą w materiale historycznym dostrzec to, co – z danego punktu widzenia – istotne, odpowiednio zestawić poszczególne epizody, niejednego się domyślić itd. Znalazłem szereg takich założeń w pismach późnego Ludwiga Wittgensteina, zwłaszcza w uwagach O pewności (1969). Choć Kuhn w Przedmowie do Struktury jako źródło własnych inspiracji wymienił książkę Ludwika Flecka Entstehung und Entwicklung einer wissenschaftlichen Tatsache : Einführung in die Lehre vom Denkstil und Denkkollektiv (1935), to początkowo nie zwróciłem na to uwagi. Nie byłem w tym odosobniony: wśród setek komentarzy i polemik, jakie w latach 1960-ch i 1970-ch powstały w związku z poglądami Kuhna, nikt choćby słowem nie odniósł się do epistemologii Flecka! Dopiero Wilhelm Baldamus (1977) i jego student Thomas Schnelle (1982) wprowadzili teorię kolektywów myślowych i stylów myślowych na rynek idei. W tym okresie ukazał się też angielski przekład książki Flecka (1979). Lektura Flecka, a także prac Imre Lakatosa o naukowych programach badawczych, „przyjaciół odkryć” z lat 1980-ch (zob. Nickles ed. 1980), Jona Dorlinga o dedukcyjnym charakterze wielkich odkryć teoretycznych (1971; 1995), Andrzeja Wiśniewskiego o logice pytań (1995), Davida Olsona o świecie na papierze (1994), a wreszcie referat Paula Hoyningen-Huene'go o systematyczności jako kryterium naukowości, którego wysłuchałem w Krakowie w 1999 (zob. Hoyningen-Huene 2008, 2013), pozwoliły mi nagromadzić teoretyczne narzędzia niezbędne do ukierunkowanej lektury opracowań z historii fizyki i artykułów fizyków budujących podstawy szczególnej teorii względności oraz wczesnej mechaniki kwantowej. Przedstawię teraz część z tego, czego nauczyłem się od wspomnianych myślicieli – i zapewne nie tylko od ich. Uczynię to wybiórczo, dodając tu i ówdzie myśli własne.
Jeszcze uwaga o historycznych partiach tekstu, stanowiących większą część niniejszej książki. Nie jestem historykiem nauki, wiele natomiast na ten temat przeczytałem. Zaczęło się wszystko od wykładów z historii fizyki, jakie w 1975/76 wygłosił Andrzej Kajetan Wróblewski na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego; po latach przyjęły one formę książki (Wróblewski 2006). Niedługo potem przeczytałem Historię fizyki Spasskiego (1977) i tłumaczenia klasycznych tekstów zawartych w opasłych tomach Dziejów rozwoju fizyki w zarysach (1931). Nie potrafię po tylu latach należycie docenić wkładu rozmaitych historyków nauki na moje myślenie. W pracy nad ostateczną wersją rozdziału 3 pomocne były (Tricker 1965, 1966), a zwłaszcza (Darrigol 2000). Użytecznym źródłem wiedzy o powstaniu szczególnej teorii względności był (Darrigol 2005), a o wczesnych pracach Einsteina (Pais 1982). Proces odkrywania pierwszych wzorów kwantowych przedstawiam głównie za (Kuhn 1978) i (Szymborski 1980). Dzieje badań nad promieniami katodowymi omawiam za (Dahl 1997), ale też za (Anderson 1964) i (Davis & Falconer 1997). Przebieg konstruowania kwantowych modeli atomów i cząsteczek Bohra pomogli mi zrozumieć John Heilbron i Kuhn (1969). Zapewne nie spłaciłem licznych długów, jakie zaciągnąłem u innych autorów. W tekście brak odsyłaczy do prac wymienionych przed chwilą, gdyż zbytnio zagracałoby to prowadzone wywody.
Pierwotnie część historyczna miała dwukrotnie większą objętość, była też zaopatrzona w rysunki pomagające zrozumieć sens omawianych badań i teorii. Narrację skróciłem jak tylko mogłem, aby nie nadużywać cierpliwości czytelniczek/ków: ostatecznie zostawiałem tylko te epizody, które są niezbędne dla zrozumienia przebiegu rewolucyjnych przeobrażeń obrazów świata. Usunąłem też rysunki, gdyż te bez trudu można znaleźć w internecie, wpisując w wyszukiwarkę (najlepiej po angielsku) odpowiednie hasło czy nazwisko. Osoby nie znające w dostatecznym stopniu fizyki łatwo znajdą potrzebne im objaśnienia w bardzo licznych pracach popularnych. Gdybym ja wprowadził je do tekstu, zmieniłoby to zupełnie charakter tej książki.
Przy okazji wyjaśnienie. Swą krótką książkę Cognitive Structure of Scientific Revolutions Andersen, Barker i Chen (2006) ilustrują przykładami rewolucji kopernikańskiej, a także zmian systemów klasyfikacji ptaków i poglądów na temat rozszczepienia jądra atomowego. Ujmują je w ramy psychologii poznawczej Lawrence’a Barsalou, co pozwala im sformułować szereg interesujących tez na temat m.in. niewspółmierności pojęć. Nie prowadzą badań podobnych do przedstawionych poniżej: mnie interesuje sam proces powstawania nowych pojęć i systemów twierdzeń, a nie porównywanie pojęć i ujętych w ich ramy poglądów już gotowych. Powstaje natomiast pytanie, czy sam nie powinienem wykorzystać np. dokonań teoretyków umysłu rozszerzonego z lat ostatnich, zamiast poprzestawać na stosowaniu epistemologicznych tez Flecka czy Wittgensteina? Odpowiem na to, że wykorzystuję te tezy na bardzo elementarnym poziomie, a one, jak mi się zdaje, całkiem wystarczają. Jeśli krytycy przekonają mnie – na konkretnych przykładach – że wiele w rezultacie moje analizy tracą, postaram się naprawić błędy i coś jeszcze na te tematy napisać.
Po raz pierwszy próbowałem zrekonstruować schemat, według którego przebiegają rewolucje naukowe, w (Sady 1981), a potem w (1990) i kilku innych tekstach. Te prace wielokrotnie przerywałem, pochłonięty innymi zagadnieniami. O sytuacjach odkryciogennych pisałem w (2003), o systematyczności badań jako kryterium ich naukowości m.in. w (2009). Proces odkrywania elektronu przedstawiłem i skomentowałem w (2011). O tym, że rewolucyjne odkrycia teoretyczne pojawiają się raczej na papierze niż w głowach uczonych, pisałem w (2013).