Filosofie a metodologie vědy

Prezentace na téma: "Filosofie a metodologie vědy"— Transkript prezentace:

1 Filosofie a metodologie vědy
Záludnosti měření i statistiky, verifikace a falzifikace, důkaz platnosti přírodního zákona - nebo pravděpodobné vyvrácení toho, že naše aparatura neměří nic rozumného? Zdeněk Kratochvíl

2 Budeme studovat zvyšování teploty vody v závislosti na energii ohřevu.
Pokud bychom to dělali na příkladu rybníka v průběhu dne nebo roku, museli bychom projít srovnáváním skládaných sinusovek, tedy Fourierových rozvojů teplot vody a příkonu sluneční energie. Pro jednoduchost však teď dáme přednost lineární závislosti: Mohli bychom se soustředit na část pozdního dopoledne na rybníku – a pro závislost teploty na dodávce energie od Slunce bychom cosi podobného úsečce při stabilním počasí dostali. Ještě lineárněji se závislost teploty vody na čase bude chovat v důmyslném technickém zařízení, zkonstruovaném za účelem jejího ohřívaní; dokonce tak, že má konstantní příkon: Patrně znáte jev, že teplota vody ve varné konvici se po zapnutí zvyšuje.

3 Teplota vody ve varné konvici se po zapnutí zvyšuje.
Omluva milovníkům přesných forem: Teplota vody ve funkční varné konvici se po jejím (konvice, ne vody) zapnutí (ne třeba po zapnutí gramofonu, stojícího vedle) zvyšuje. „Zapnutím“ se rozumí připojení topné spirály ke zdroji napětí (elektrického). Proč tahle legrace: Musíme vždycky nějak odhadnout, co je v definici podmínek rozumné specifikovat, a co je v daném kontextu samozřejmé. Nedostatečná specifikace může být zdrojem nedorozumění nebo metodických chyb. Nadměrná specifikace je také špatně srozumitelná a navíc nudná nebo komická. Míra specifikace souvisí s očekávanou přesností: Teplota vody ve varné konvici se po zapnutí zvyšuje v určitém rozsahu času a teplot přibližně lineárně.

4 Teplota vody ve varné konvici se po zapnutí zvyšuje:
Vodorovně čas v sekundách, svisle teplota ve stupních Celsia. Našli jsme přímku, která prokládá spíš cosi jako logistickou funkci.

5 Teplota vody ve varné konvici
Zrušení dvou prvních a dvou posledních bodů ospravedlníme tím, že napřed se musela ohřát topná spirála a nakonec se blízko bodu varu uplatňuje limitace odparem.

6 Takže máme pěknou přímku, dokonce s dost malým rozptylem měření kolem ní.
Mohli bychom si vykreslit i rozsahy statistické významnosti, třeba na hladinách 0,95 a 0,99. Strmost křivky souvisí pozitivně s příkonem konvice a negativně s množstvím vody, s měrným teplem vody a s tepelnými ztrátami. Pokud předpokládáme, že všechny tyto hodnoty jsou konstantní (nezávislé na teplotě), a že známe příkon i množství vody, pak strmost přímky udává horní limit odhadu měrného tepla vody. Ostatně, vynecháním okrajových měření jsme odhad měrného tepla vody zlepšili. Víme, že kdybychom odečetli ztráty tepla, byla by přímka ještě strmější.

7 Podobně je tomu ovšem i s teploměrem a jeho kalibrací.
Optimistický závěr: Prokázali jsme platnost přírodního zákona a změřili jsme měrné teplo vody! I když víme, že skutečná hodnota bude asi o něco menší (zatím zahrnuje i ztráty tepla). Pesimistický závěr: Snad se pro jednou ukázalo, že popis „přírodním zákonem“ není nesmyslný, a že měrné teplo vody má natolik významnou konstantní složku, že se projeví i při změnách teploty. Radost nám kazí to, že ke zjištění tepelných ztrát bychom nejspíš museli použít takový postup, který by už předpokládal platnost řady dalších „přírodních zákonů“. Podobně je tomu ovšem i s teploměrem a jeho kalibrací. Krutá pravda: Bylo to celé vymyšlené! Znalost pár jednoduchých „přírodních zákonů“, program Matematika a zkušenost s varnou konvicí umožnily celkem věrojatnou imitaci experimentu. (Vždyť ani nemám takový teploměr, na který bych v konvici viděl.) Tohle by se dělat nemělo! Je to příklad varovný! Hrozí vyobcováním z komunity! Na to ale zatím na chvíli zapomeňme. (Proč tento podvod akademicky přežiju? Protože teď nejde o stanovení měrného tepla vody, ale o příklad, který chce ukázat na obecnější souvislosti.)

8 Optimistický závěr pozitivisty:
Verifikovali jsme hypotézu, že teplota vody a její tepelná energie jsou v přímé úměře, jejich vztah popisuje veličina „měrné teplo“, kterou jsme pro vodu také změřili. Víme ovšem, že verifikace je pouze částečná a přibližná. Můžeme se však dovolat četných opakování pokusu jinde a jindy i masivní zkušenosti s podobnými jevy. Pesimistický závěr pozitivisty: To, co tvrdí optimisté, jsme sice verifikovali vysokou pravděpodobností (i když ne definitivně), ale máme potíže. Například kvantifikaci ztrát tepla, ale i zajímavější: Proč by měrné teplo vody mělo být přesně konstantní? Neukázal by přesnější experiment spíše na možnost verifikace hypotézy, že se měrné teplo vody mírně mění s její teplotou?

9 Obecná upozornění: Testovaná hypotéza byla verifikována jen s určitou pravděpodobností, a to jen na jedné sérii dat z jediného experimentu. Předpokládáme už provedenou verifikaci zákona zachování energie a verifikaci zákonů, o které opíráme funkci teploměru (tepelná roztažnost kapalin, teplotní závislost elektrického odporu, teplotní závislost napětí na rozhraní dvou kovů termočlánku). To předpokládá striktně kumulativní pojetí poznání. S konečnou pravděpodobností to lze lokálně držet, jenže striktně vzato je každá verifikace vždy statistická nebo jinak nedokončená, je jaksi ve vývoji, směřujeme k ní. Do popisu aparatury jsme nezahrnuli okolí , např. celou kuchyň nebo laboratoř, počasí; zvláště pak ne experimentátora. Mělo by to na nich být nezávislé, nebo bychom pro ně měli definovat podmínky.

10 Dobré otázky oponenta:
Zkoušeli jste to s různým množstvím vody, v různých konvicích, dokonce různých výrobců? (Jenže občas jsme závislí na metodice určité firmy, viz „laboratorní kity“.) Zkoušeli jste to s jinými kapalinami? Někdy případné otázky oponenta: A co v různých nadmořských výškách? (Vlastně jsme měli definovat ještě i atmosférický tlak.) Divné otázky oponenta: Jak to závisí na fázi Měsíce? (Ale třeba šíření radiových vln nějak ano.) Chová se to tak i v druhé půlce noci? Jak to závisí na pohlavním dimorfismu experimentátorů? Takové otázky by mohly být případné při jiném zaměření výzkumu než pro zjištění měrného tepla vody.

11 Ve skutečnosti ovšem považujeme zákon zachování buď za dostatečně verifikovaný širokou dlouhodobou aplikací – nebo dokonce za princip, který platí a priori, který je logické nebo matematické povahy. Podobně považujeme za prakticky verifikovanou i úměrnost mezi tepelnou energií a teplotou. Předmětem vědy je spíše zpřesňování údajů o odchylkách od přesně přímé úměrnosti a především výklad, proč tomu tak je.

12 Popperovský popis: Falsifikovali jsme hypotézu, že teplota vody je nezávislá na její tepelné energii. Samozřejmě jen statisticky, ale s velikou pravděpodobností. Spokojíme se s malým počtem falsifikací, protože tuto hypotézu nikdo reálně nezastával a její falsifikace neohrozí naše jiné hypotézy, ani ve vědě používané praktické aplikace. Falsifikovali jsme „nulovou hypotézu“, že měrné teplo vody není v daném rozsahu teplot konstantní. Opět jenom statisticky, ale se slušnou pravděpodobností. Jde nám vlastně spíš o platnost komplementární (opačné) hypotézy, ale formálně postupujeme takto, podobně jako už samy statistické testy, které říkají vždy pouze to, s jakou pravděpodobností můžeme vyloučit „nulovou hypotézu“. Rozumně tvrdíme, že v daném rozsahu teplot je teplota vody úměrná její tepelné energii, konstantou úměrnosti je měrné teplo vody. Tato hypotéza je falsifikovatelná (vědecká), neboť by mohla neobstát vůči jiné, která by například předpokládala měrné teplo vody nějak závislé na teplotě.

13 Popperovský popis částečně ospravedlňuje i můj didaktický podvod s vymyšlenými daty:
Ten pouze ilustruje běžně přijímané falsifikace a také jednoduchou falsifikovatelnou hypotézu, která je součástí široce přijímaných výkladů i mnoha aplikací. Netvrdí nic nového, ani nepopírá nic přijímaného a důležitého! Pro Nature by to prostě nebylo. Kdyby vymyšlená (nebo jinak vykouzlená) data sloužila k falsifikaci nějaké obecně přijímané vědecké hypotézy (teorie), šlo by o něco významného. Podezření na podvod nebo omyl by mohlo napadnout už recenzenty v Nature. Pokud ne, zavařila by to autorovi vědecká obec o málo později. I kdyby data byla pravá, čelil by autor těžké palbě. Musel by opakovaně prokázat, že stávající falsifikovatelnou hypotézu skutečně falsifikoval. Patrně by taky musel navrhnout nějakou jinou, opět falsifikovatelnou a zatím ne falsifikovanou. Musel by také nějak vyložit, proč stará hypotéza umožňovala dostatečně dobrý popis a aplikace, třeba jako otázku přesnosti nebo kontextů.

14 Problémy s kontexty – věcnými i metodickými:
Nedefinovali jsme metodu měření teploty, princip a kalibraci teploměru. Zapomněli jsme na pravidla pro jednání experimentátora. Zčásti je to omluvitelné tím, že jsou obvyklá (svědomitý, střízlivý), ale stačí to? Při našem uspořádání jsme spíše ukázali, s jakou přesností a v jakém teplotním rozsahu může naše aparatura nahradit nějakou slušnější. Přísně vzato: Ukázali jsme, v jakých mezích a s jakou pravděpodobností není naše aparatura odlišitelná od teoreticky ideálního zařízení, které ovšem konstruujeme díky řadě falsifikovatelných hypotéz. Tím jsme ovšem ukázali, že aplikační pole našich hypotéz je spojité! Také jsme ukázali, že příroda umožňuje konstrukci aparatury, která s určitou pravděpodobností není odlišitelná od ideální (teoretické)! Naštěstí nedokážeme falsifikovat hypotézy, že příroda se chová rozumně, že poznatky jsou alespoň částečně přenositelné do jiného kontextu. Jsou to tedy hypotézy ne-vědecké? Jsou to předpoklady poznávání!

15 Modifikace instrumentalistického přístupu:
Pro poznávání používáme nástroje, teoretické i fyzické. Část jich už máme (násobilka, pravítko), část si musíme dodělat, předělat nebo nově vymyslet a vyrobit (teorie relativity, urychlovač). Teoretické nástroje jsou vlastně produkty poznání v jiných vědách. Fyzické nástroje jsou produkty řemesel, sériové výroby, zručnosti experimentátora. Část nově vyvinutých nástrojů se použije i leckde jinde, což zakládá kontinuitu vědy. Část teoretických nástrojů se použije v jiných vědách a ve školství (násobilka). Část fyzických nástrojů se použije v jiných vědách a v průmyslové výrobě pro trh (počítač). Rozvoj poznání a rozvoj instrumentality je společný. Jeho součástí jsou i nároky na způsobilost experimentátora nebo pozorovatele, Jeho součástí jsou i možnosti celé society, konkrétněji pak určitých komunit (vědeckých).

16 Instrumentalistický přístup do jisté míry ospravedlňuje školsko-vědo-technicko-obchodní cyklus:
Od školy chceme přípravu pro schopnosti obvyklé v dané societě, zčásti pro vědu. Od vědy chceme praktické aplikace. Od techniky chceme výrobky, se kterými lze na trhu úspěšně obchodovat. Celek má zvyšovat fitness society. Naštěstí se část toho vrací do poznávání, do možností vědy: Placením výzkumu, ale mnohem masivněji díky dostupnosti technologií. Problémy: Má být škola pouhou přípravkou pro něco, co pak přijde (praxe, věda)? Je cílem vědeckého poznání především (dokonce jenom) technická praxe? Je cílem techniky pouze výroba pro trh? Nemá fitness society i jiné součásti? Nestojí to vše spíše na hravosti a zvědavosti, jejíž část se pak těmito cykly vrací také ve prospěch nových možností hravosti a zvědavosti?

17 Naposledy k čajové konvici:
Tento roztomilý aparát povstal díky vědě a průmyslu. Díky reklamě, která jej učinila sociálně obvyklým, se velice rozšířil, stal se běžně dostupným. Usnadňuje řadu praktických činností. (Při troše šikovnosti může zastoupit i část vědecké aparatury.) Problémy: Nadužívání tohoto aparátu vede k úpadku kvality kafe, protože se nevaří tak, jak patří (v džezvě). Dokonce svádí k používání náhražek za kafe (rozpouštědla). Díky reklamě je náhražkové kafe z náhražkových surovin mnohem dostupnější než skutečné. „Všichni to chtějí.“ (Já ne, ale to není sociálně ani vědecky relevantní.) Kdo by to chtěl svádět jenom na zlé kapitalisty, tomu nutno připomenout, že už první dělnický prezident tohoto státu s oblibou říkával: „Rychle žijeme!“