Olin viime viikon Pariisissa AstroParticule et Cosmologie -instituutin konferenssissa ( http://www.apc.univ-paris7.fr/Frontiers08/index.phtml ). Tuo säiekosmologian tapaaminen tarjosi oivia esimerkkejä edellisen merkinnän turhasta tutkimuksesta. Mutta vatvomisen sijaan kirjoitankin jostain muusta.

On laajalti hyväksytty ajatus, että ainoastaan teoriat, jotka on mahdollista osoittaa vääräksi, voivat olla tieteellisiä. Yleisen näkemyksen mukaan tiede etenee siten, että on teoria, joka tekee ennusteita, joita testataan kokeellisesti. Kun ennuste ei pidä paikkaansa, todetaan että teoria on väärä, ja se hylätään.

Ajatus on kaunis. Kirjassaan "Tieteellisten vallankumousten rakenne" Thomas S. Kuhn käy läpi useita esimerkkejä ja toteaa, että tieteen todellisessa historiassa yksikään edistysaskel ei noudata tätä kaavaa. Teorioita ei koskaan hylätä vain siksi, että ne ovat ristiriidassa havaintojen kanssa. Niistä luovutaan vasta sitten, kun on tarjolla jotain parempaa tilalle.

On helppo tarkastella menneisyyden tapauksia, kun tietää oikeat vastaukset. Katsottaessa historian sijaan avoimia ongelmia saa konkreettisemman käsityksen naiivin falsifioinnin ongelmista.

Esimerkkinä palvelkoon Pioneer-anomalia. Luotaimet Pioneer 10 ja Pioneer 11 ovat matkanneet 1970-luvun alusta asti Aurinkokunnan eri puolille, ja niiden liikkeitä on seurattu luotainten lähettämien radiosignaalien avulla.

Pioneer-luotainten radat eroavat yleisen suhteellisuusteorian ennusteista, ikään kuin niihin kohdistuisi tasainen ylimääräinen kiihtyvyys kohti Aurinkoa. Kiihtyvyys on arkiskaalalla erittäin pieni, noin 10^(-9) m/s^2. Luotainten ratoja on kuitenkin mitattu hyvin tarkasti, ja poikkeama on tilastollisesti erittäin merkittävä: todennäköisyys sille, että kyseessä olisi sattuma on pienempi kuin yksi miljardista.

Mahdollisia systemaattisia virheitä analyysissä on etsitty. Luotaimet voisivat vaikkapa tulla sähköisesti varatuiksi kosmisten säteiden iskiessä niihin ja joutua jollekin magneettikentälle alttiiksi, luotaimista voisi vuotaa kaasua joka työntää niitä, ja niin edespäin. Mitään poikkeaman selittävää seikkaa ei kuitenkaan ole löydetty.

Vaikuttaa myös siltä, ettei mikään näkymätön massakeskittymä voi olla syynä poikkeamaan, koska silloin ulkoplaneettojen radoissa olisi vastaava muutos, joka olisi havaittu.

Voidaanko sanoa, että yleinen suhteellisuusteoria on osoitettu vääräksi? En ole kuullut, että kukaan tiedeyhteisössä olisi tätä mieltä. Se, että systemaattisia virheitä ei ole löydetty, ei tarkoita sitä, että sellaista ei ole olemassa. Ei ole mitään puhtaan tieteellistä kriteeriä, jolla voitaisiin määrittää, että kaikki mahdollisuudet on tutkittu. Aina voi olla jotain, mitä kukaan ei ole tullut ajatelleeksi. On sosiaalinen tai psykologinen kysymys, milloin systemaattisen virheen olemassaoloa pitää niin epäluultavana, että sen sulkee pois. (En käytä ilmaisua "epätodennäköisenä", koska asiaa on mahdoton kvantifioida.)

Pioneer-anomaliasta ei olla kovin huolestuneita, koska kenelläkään ei ole vakuuttavaa yleisen suhteellisuusteorian korvaavaa teoriaa, joka selittäisi sen. Suhteellisuusteorian laajennuksia on toki kymmeniä, mutta vakuuttavat niistä eivät selitä Pioneer-anomaliaa, ja ne jotka selittävät anomalian eivät vakuuta muita kuin kehittäjiään.

Jos löydettäisiin poikkeaman selittävä mainio teoria, Pioneer-havaintoja pidettäisiin tieteen historiassa todisteena sen paikkansapitävyydestä, ja yleistä suhteellisuusteoriaa vastaan. Näinhän on käynyt Merkuriuksen perihelin siirtymän poikkeamalle Newtonin gravitaatioteoriasta, joka esitetään (aivan oikein) todisteena yleisen suhteellisuusteorian puolesta.

Naiivi falsifointiajatus tieteen etenemisestä on harhaanjohtava siksi, että havainnot eivät koskaan testaa vain yhtä ennustetta, vaan kokonaista kimppua oletuksia ennusteen taustalla. Esimerkiksi eräs Newtonian gravitaatioteorian suurista varhaisista menestyksistä oli planeettojen ratojen ennustaminen hyvällä tarkkuudella. Mutta laskuun sisältyi monia oletuksia, kuten se, että planeettojen vaikutukset toisiinsa voi jättää huomiotta. Kuu-Maa-systeemissä sama oletus ei enää toimikaan, ja ennuste menee pieleen.

Yhtä perustavanlaatuinen ongelma on se, että teoria on tieteessä välttämätön käyttöliittymä todellisuuteen. Jos pitäisi hylätä teoria siksi, että se on ristiriidassa havaintojen kanssa, ilman että on uutta tilalle, niin tiede loppuisi siihen pisteeseen. On totta, että teoria ei voi olla tieteellinen ellei sitä voi falsifioida, mutta toiminta ei ole tiedettä, jos siinä ei ole teoreettista ohjenuoraa.

Kommentit (7)

Lilliput

Kiitos mielenkiintoisesta näkökulmasta tähän Pioneer-asiaan. Kuultuani tuosta anomaliasta se vaikutti mielenkiintoiselta, tästä sai mukavaa lisätietoa.

MaKo71

Olipa hyvää asiaa tieteestä ja sen perusteista sekä tuosta Pioneerien anomaliasta! Kyllä, tämä on se toinen puoli asiasta; teorian ei tarvitse selittää kaikkea ollakseen valtateoria, jos se kuitenkin selittää niitä asioita, joita voidaan tutkia. Muistanko väärin, vai eikö pimeän materian teoria tullut aikanaan siitä, kun yritettiin selittää sitä, miksi galaksit pyörivät niinkuin pyörivät (eli ei samaan malliin differentiaalisesti kuin vaikkapa Aurinkokunta, vaan enemmän kiinteän kappaleen tavoin)?

Syksy

Tähtien pyoriminen galakseissa on tosiaan eräs keskeisin todiste pimeän aineen olemassaolon puolesta. Tähtien pyorimisnopeus galaksien reunamilla pysyy jokseenkin vakiona etäisyyden kasvaessa, eikä putoa näkyvän aineen tiheyden myotä.

Mutta ensimmäinen osoitus pimeästä aineesta ei ollut tähtien nopeudet galakseissa, vaan galaksien nopeudet galaksiryppäissä, 1930-luvulla.

Nopeusmittareita ja vaihdenupp...

[...] (Yleensäkin teorioita on vaikea osoittaa vääriksi ellei ole jotain mihin verrata, kuten Pioneer-anomalia [...]

Dosentti

"tiede etenee siten, että on teoria, joka tekee ennusteita, joita testataan kokeellisesti. Kun ennuste ei pidä paikkaansa, todetaan että teoria on väärä, ja se hylätään.
Jos pitäisi hylätä teoria siksi, että se on ristiriidassa havaintojen kanssa, ilman että on uutta tilalle, niin tiede loppuisi siihen pisteeseen."

Tässä on mielestäni jonkinlainen ristiriita.
Jos ei hylätä teoriaa, joka havaintojen mukaan on väärä, tiede ei lopu siihen pisteeseen, se ei ole edes alkanut..

Mallipioneerin opinkappaleita ...

[...] merkittävä yleisen suhteellisuusteorian kanssa vuosikymmeniä kahnannut havainto on Pioneer-anomalia: luotaimet Pioneer 10 ja Pioneer 11 etääntyvät Auringosta odotettua hitaammin. Aurinkokunnan [...]

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto