Često potcenjen naučni metod :: Nauka ~ Tehnika ~ Military

Veliki naučnici nas ponekad potpuno zbunjuju. U par rečenica, oni zamišljaju jednostavnu situaciju iz koje – nasuprot svemu što očekujemo i na šta smo navikli – izvlače dramatične zaključke koji dovode u sumnju i ruše stare teorije, sugerišu nove hipoteze i otvaraju neslućene puteve daljeg istraživanja. Objektivni posmatrač, posebno ako ne potiče iz naučnog miljea, mora biti zapanjen. Kako je to moguće? Odgovor glasi: zahvaljujući korišćenju moćne tehnike misaonog eksperimenta. Tehnike toliko moćne da su mnogobrojni primeri njenog korišćenja postali vlastite imenice poznate svakoj naučno pismenoj osobi: Meksvelov demon, Šredingerova mačka, Ajnštajnov lift, Serlova kineska soba, Tomsonova lampa, Vignerov prijatelj...

Misaoni eksperiment postao je slavan sa Albertom Ajnštajnom – otuda i obično navođenje istog kao Gedankenexperiment i van nemačkog govornog područja, kako je to genije iz Ulma uvek govorio. Istorijski razlozi za to su jasni, i obrazloženi lepo u klasičnim Ajnštajnovim biografijama, od Infelda, preko Paisa, do Jamera. Ovde ćemo se, u skladu sa osnovnom niti ove knjige, usresrediti na praktično-saznajne aspekte iste teme.

Ovo je, međutim, jedan od epistemoloških koncepata koji je više nego većina drugih povezan sa istorijom nauke, tako da ćemo se češće oslanjati na analizu istorijski značajnih primera. Takođe, Gedankenexperiment je po samoj svojoj prirodi jedna od najrazgranatijih i najheterogenijih naučnih metoda. Samim tim, u ovom ograničenom obimu nemoguće je adekvatno diskutovati sve boje i oblike ove kaleidoskopske teme, te ćemo se zadržati na nekoliko najzanimljivijih poenti.

U istorijskoj studiji iz 1996. godine, danski istoričar i filozof nauke Vit-Hansen je utvrdio da je pionir izučavanja magnetizma, Hans Kristijan Ersted bio prvi koji je u spisima koristio nemačko-latinsku kovanicu Gedankenexperiment oko 1812. godine. Čisto nemačka verzija je, inače, Gedankenversuch i takođe se pripisuje Erstedu. Glavne zasluge za popularnost samog termina, ali i misaonog eksperimenta kao legitimne metode imaju dvojica ljudi koji su bili aktivni krajem XIX i u prvoj polovini XX veka, dopisivali se i imali ogroman uticaj jedan na drugog. Stariji od njih je bečki filozof i fizičar Ernst Mah (1838-1916); mlađi se zvao Albert Ajnštajn.

Mah je koristio izraz Gedankenexperiment da označi zamišljeno izvođenje stvarnog eksperimenta koji bi se docnije i izveo u stvarnosti (najčešće od strane njegovih studenata!). Na taj način, Mah je insistirao na objašnjenju razlika između zamišljene i stvarne situacije, kao primera za ograničenje saznajnih moći teorijske nauke.

Za Maha, misaoni eksperiment bio je neophodna preteča svakog realnog eksperimenta. Ovo je bilo u skladu sa njegovom filozofijom nauke koja je, kao što je poznato, predstavljala temelj docnijeg logičkog pozitivizma slavnog “Bečkog kruga” i koja je insistirala na empirijskoj verifikaciji induktivno dobijenih teorijskih stavova. Ekstremno zagovaranje ovakvog stava odvelo je Maha na stranputicu – naročito u čuvenoj raspravi sa Ludvigom Bolcmanom u kojoj je odbijao da prihvati postojanje atoma, kao entiteta koji se ne mogu empirijski verifikovati.

Ironija je da je upravo Mahova tehnika Gedankenexperimenta (odgovarajuće uopštena), više nego išta drugo doprinela, posebno primenjena na domen kvantne mehanike tokom 1930-tih i 40-tih godina, slomu logičkog pozitivizma, jedne od velikih zabluda XX veka. (To da mnoge pozitivističke teze nisu još napuštene, posebno na “nižim nivoima” nauke, poput udžbenika i popularnih knjiga, jeste zanimljiv fenomen, ali pre svega sa psihološkog i sociološkog stanovišta, a bez prave veze sa aktuelnom naukom ili epistemologijom.)

Jedan od poslednjih kritičara misaonog eksperimenta kao legitimne metode bio je veliki francuski fizičar, filozof i istoričar nauke Pjer Dijem (1861-1916) u svojoj slavnoj knjizi Cilj i struktura fizičke teorije; Dijemovi argumenti su danas tek istorijski kuriozitet – možemo se samo osmehnuti Dijemovom strahu da bi lakomisleni fizičari mogli zameniti stvarne eksperimente misaonim – što je naročito ironično u svetlu činjenice da se njegova knjiga pojavila upravo 1905. godine!

Karakterističnu težinu su misaoni eksperimenti dobili sa Ajnštajnom, a naročito njegovim radom na dve teorije relativnosti, specijalnoj (1905) i opštoj (1915-16). Kao što gotovo svi biografi najvećeg naučnika našeg doba ističu, dva su konkretna misaona eksperimenta igrala ključnu ulogu u razvitku ovih teorija. Najpre se Ajnštajn upitao “šta vidi posmatrač koji juri za svetlosnim zrakom?” – iz čega je izrasla specijalna teorija relativnosti, čija je stogodišnjica nedavno svečano proslavljena u čitavom svetu, ta prva revolucija u našem poimanju prostora i vremena.

Ajnštajn je zaključio da bi zamišljeni posmatrač koji bi se kretao tačno brzinom svetlosti u vakuumu c morao videti “zamrznute” elektromagnetske talase, što mu se činilo besmislenim (i narušavalo klasični, Galilejev princip relativnosti koji sugeriše da posmatrač koji se kreće ravnomerno, bez obzira na brzinu, mora iskusiti iste prirodne zakone i fenomene kao i onaj koji “miruje”). Jedini izlaz iz te situacije bio je, činilo mu se, da negira samu polaznu pretpostavku misaonog eksperimenta: da se ma koji posmatrač uopšte može kretati brzinom svetlosti u vakuumu! (Ovo je dobra ilustracija tipičnog spoja misaonog eksperimenta i drevnog matematičkog metoda svođenja na apsurd, reductio ad absurdum.)

Drugi ključni Gedankenexperiment bio je lift koji pada (“Ajnštajnov lift”). U potrazi za inercijalnim sistemom (= onim referentnim sistemom u kome bi važili Njutnovi zakoni klasične mehanike), Ajnštajn je naišao na sliku lifta čiji se kabl prekinuo i koji se nalazi u stanju slobodnog pada u gravitacionom polju naše planete. Takav sistem je, kako sugeriše Infeld, “skoro inercijalan” u smislu da u njemu lokalno vladaju Njutnovi zakoni barem dok lift nije suviše veliki (prostorno ograničenje) i dok se ne sudari sa dnom okna (vremensko ograničenje). Propagacija svetlosti od lampe na jednom zidu lifta do fotoelektrične ćelije u istoj visini na suprotnom zidu mora se odvijati tako da izgleda isto za posmatrača u liftu i onog koji stoji na površini Zemlje van njega.

Pošto posmatrač u liftu neće primetiti ništa neobično (za njega efektivno vlada bestežinsko stanje), a posmatrač na Zemlji (za koga postoji normalna sila teže) primećuje da se za konačno vreme putovanja od jednog zida do drugog lift malkice spustio – i da je stoga fotoelektrična ćelija za njega sada na manjoj visini od lampe – jedini logički konzistentan zaključak jeste da je svetlosni zrak skrenuo u gravitacionom polju! I ne samo to: pošto svetlosni zrak prati samu strukturu prostorvremena, iz toga sledi da je u gravitacionom polju prostorvreme zakrivljeno! Koliko je samo bogata “pećina sa blagom” koja je ovime otvorena: crne rupe, gravitacioni talasi, supernove, neutronske zvezde, gravitaciona sočiva, Veliki prasak, crvotočine, prostorvremenska pena – sve to potiče iz nje, a kraj se još uvek ne nazire!

Zapazimo da Ajnštajnovi Gedankenexperimenti lepo ilustruju različite primene ove metode: dok je prvi (potera za svetlosnim zrakom) destruktivan, u smislu da osporava vladajuću paradigmu, drugi (lift koji pada) je izrazito konstruktivan, pošto predviđa nove fenomene i ukazuje na pravce duž kojih valja razvijati teoriju. Sem toga, oni se očigledno razlikuju i po “realističnosti”: dok je potera za svetlosnim zrakom suštinski neostvariva kao realni eksperiment, dotle je lift koji pada principijelno ostvariv, mada nepraktičan, skup i verovatno neprihvatljiv iz etičkih razloga! Nijedan od njih ne bi se svideo Mahu! (Naravno, Ajnštajn nije samo u te dve prilike koristio metod misaonog eksperimenta; još jedan poznat slučaj je izvođenje relacije promene inercijalne mase i energije sistema , koji ima i tu prednost da daje relativistički zakon održanja energije-impulsa; lep prikaz ovoga dao je beogradski fizičar Dragan Redžić u jednom članku iz 2005. godine.)

Zenonov paradoks

U najširem smislu, dakle, misaoni eksperiment je proces (i) zamišljanja imaginarne situacije, te (ii) korišćenja tako zamišljene situacije za poboljšanje našeg razumevanja pojmova ili zakonitosti od značaja za stvarni svet. U slučaju Ajnštajnovih ikoničkih misaonih eksperimenata, zamišljamo imaginarnog posmatrača koji juri svetlosni zrak ili imaginarne posmatrače koji se žrtvuju vršeći eksperimente u liftu koji pada u Zemljinom gravitacionom polju. Tako zamišljenu situaciju koristimo za poboljšanje našeg razumevanja, u prvom slučaju mehaničke teorije prostiranja svetlosti kao talasa u etru, a u drugom slučaju prostiranja svetlosti kroz gravitaciono polje.

Razumevanje proističe pre svega iz refleksije nad zamišljenom situacijom. Misaoni eksperimenti su tako pre svega teorijski, tj. a priori, a ne empirijski procesi saznanja (jedna od boljih novijih knjiga na tu temu, kanadskog filozofa nauke Džejmsa Brauna iz 1993. godine nosi naslov “Laboratorija uma”), premda je ta distinkcija sa pojavom “trećeg carstva”, odnosno numeričkih eksperimenata postala umnogome zamućena. Karl Hempel, jedan od pionira savremene epistemologije, nazivao je ovu metodu “teorijskim eksperimentima-u-mašti”, naglašavajući razliku između potencijalno ostvarivih i onih vrsta misaonog eksperimenta čija se postavka nikada ne može ostvariti u praksi.

Misaoni eksperimenti su, dakle, dobro-strukturirana, dobro definisana hipotetička pitanja koja koriste pogodbeno rasuđivanje: “Šta bi se moglo desiti ako...” Sam modus postavljanja hipotetičkih pitanja po modelu “Šta bi se moglo desiti ako...” je u filozofiji korišćen od antičke Grčke. Legendarne Zenonove aporije poput “Ahila” (kome se obično dodaje neistorijska, ali nadasve simpatična, kornjača) ili “Stadiona” formulisane su u terminima misaonih eksperimenata.

Pozni pitagorejac Arhita iz Tarenta (IV vek pre n.e.) tako je, po tradiciji tvrdio da se mora prihvatiti prostorna beskonačnost svemira, pošto bi suprotna hipoteza – ona o konačnosti svemira – značila da bi se, u misaonom eksperimentu, moglo doći do tačke gde se svemir završava, odnosno odakle se, recimo, ne bi mogla pružiti ruka ili štap nimalo dalje. Pošto mu se ovo činilo očigledno besmislenim, Arhita je smatrao da je stara pitagorejska ideja o prostornoj beskonačnosti potvrđena – podjednako dobar primer misaonog eksperimenta kao i bilo koji od docnijih primera! Kasnije su u antici ovaj isti misaoni eksperiment upotrebili atomisti, pa se on pojavljuje i u Lukrecijevom slavnom filozofskom spevu O prirodi stvari.

Danas je misaoni eksperiment već klasična i nesporna metoda, najviše korišćena i dalje u teorijskoj fizici i analitičkoj filozofiji (i inače po mnogo čemu dve bliske discipline), ali značajna i u kontekstima nauka kakve su evoluciona biologija, astronomija, geonauke (naročito klimatologija), neuronauke (uključujući kognitivnu psihologiju i veštačku inteligenciju), medicinske nauke (posebno epidemiologija), a u poslednje vreme i društvene nauke poput ekonomije, sistemske analize ili analize rizika. U pravnim naukama, naročito u anglosaksonskom pravosuđu, često se koriste termini poput “hipotetičke situacije” da označe suštinski isti pristup.

Jedna specifična vrsta misaonog eksperimenta jeste onaj u istorijskim naukama, odnosno kontekst “alternativne istorije”. Klasične primere ovoga u političkoj istoriografiji čitalac može naći u dve neobično zabavne antologije koje je uredio savremeni vojni istoričar Robert Kauli Šta bi bilo? i Šta bi još bilo? Naravno, najviše su se ovom vrstom Gedankenexperimenta bavili autori umetničke proze, tako da se on konstituisao i kao zaseban književni žanr; među najpoznatija i najvrednija ostvarenja ovog tipa spadaju Čovek u visokom dvorcu Filipa K. Dika (u kome se opisuje alternativni svet u kome su sile Osovine trijumfovale u II svetskom ratu), Pavane Kifa Robertsa (protestantska Reformacija osujećena uspehom španske Armade) ili Gvozdeni san Normana Spinrada (do II svetskog rata ne dolazi zbog Hitlerove emigracije u Ameriku).

Ironija je da je upravo veliki misaoni eksperimentator Albert Ajnštajn pokazao neispravnost Arhitinog zaključka u najopštijem slučaju zakrivljenog prostora. Ajnštajnov prvi kosmološki model iz 1917. godine predstavlja upravo takav svet: konačan, ali neograničen, u istom onom smislu u kome se za površinu naše planete može reći da je konačna (jer ima samo konačan broj kvadratnih kilometara i konačan broj toponima koje možemo posetiti), ali neograničena (jer nigde ne postoji tačka ili linija za koju možemo tvrditi da tu površina Zemlje prestaje). Ovo je utoliko zanimljivije što su još pitagorejci, Arhita među njima, bili među prvima koji su tvrdili da je Zemlja okrugla. Jednostavno, u Ajnštajnovom modelu kosmosa – pionirskom, mada kao što danas znamo potpuno pogrešnom! – svemirski putnik koji bi se kretao u pravoj liniji ne bi nikada naišao na Arhitin “zid”, već bi se jednostavno, poput kosmičke verzije Magelanovog putovanja, vratio nakon mnogo milijardi parseka na početno mesto (više o ovom istorijski važnom modelu i drugim ključnim epohama razvoja savremene kosmologije može se pročitati u izvrsnoj monografiji Helgea Kraga Kosmologija i kontroverza, uzbudljivoj poput najboljeg krimi-romana). Naravno, sam koncept zakrivljenog prostora jedan je od najrevolucionarnijih pojmova savremene nauke i bilo bi izrazito naivno i smešno zamerati Arhiti što ove mogućnosti nije bio svestan.

Vredi samo pomenuti da se ova vrsta misaonih eksperimenata pojavljuje i u drugim istorijskim disciplinama; u kontekstu paleontologije i evolucione biologije možda je najpoznatiji misaoni ogled sa “premotavanjem trake” do vremena Kambrijske eksplozije u briljantnoj knjizi Stivena Dž. Gulda Čudesni život. I, naravno, Šerlok Holms, Sem Spejd i njihovi realni ekvivalenti u svetskim policijama i detektivskim službama spadaju među najstrastvenije poznate misaone eksperimentatore.

Izvor: B92