A kísérlet, amely „bizonyította” a relativitás elméletét A Gólem 2. előadás A kísérlet, amely „bizonyította” a relativitás elméletét Héder Mihály, Nádasi Eszter, Paksi Dániel A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Kérdések és fogalmak Kérdések: Fogalmak: Mi történik, ha egy elméletnek ellentmondó eredményre vezet egy kísérlet? Mikor igazol és mikor cáfol egy megfigyelés egy elméletet? Hogyan alakul ki konszenzus egy elmélet megítélése körül a tudományos közösségben? Fogalmak: Döntő kísérlet; Igazolás (verifikáció) és cáfolás (falszifikáció); A társas elfogadás viszonyai; A kísérletek elméletfüggése; Elméleti elköteleződések és várakozások; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Az elméletek igazolása Honnan tudjuk, hogy egy elmélet igaz? Megmérjük? Tudunk olyan kísérletről, ami igazolja a jóslatait? Minden kísérlet igazolja a jóslatait? Belátjuk, hogy szükségszerűen igaz? Mindenki elhiszi? „Ha van olyan mérés, amely igazolja az elméletünket, azaz az elmélet jóslatait megbízható adatokkal tudja alátámasztani, akkor az elméletünk helyes.” Ez logikailag nyilvánvalóan sántít, mégis sokszor ebben a formában szoktak hivatkozni kísérletekre… A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Logikai helyesség Egy bizonyítás akkor tekinthető logikailag helyesnek, ha: A bizonyítandó állítás egy logikailag helyes (más néven deduktív) következtetés konklúziója A logikai helyesség azt jelenti, hogy a premisszák igazsága minden kétséget kizárólag alátámasztja a konklúzió igazságát. Példa: P1) Minden ember halandó P2) Arisztotelész ember K) Arisztotelész halandó Ebben a példában amennyiben P1 és P2 premissza igaz, K konklúzió is minden kétséget kizárólag igaz A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A bizonyítás logikája Csakhogy a tudományos elméletek és a kísérlet viszonya nem írható fel így. Példa: Tegyük fel, hogy az elméletünk szerint minden hattyú fehér (J.S. Mill klasszikus példája). Szeretnénk ezt bizonyítani az által, hogy hattyúkat figyelünk meg. Megvizsgálunk 1,2,3, stb. hattyút… de azt sohasem tudjuk bebizonyítani, hogy minden hattyú fehér. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A bizonyítás logikája Hogy nézne ki ez következtetésként P1) Láttuk az első hattyút, fehér P2) Láttuk a második hattyút, fehér … Px) Láttuk az x-ik hattyút, fehér A probléma az, hogy ezen P1, P2..Px premisszák igazsága nem biztosítja, hogy K) minden hattyú fehér Ennek oka a minden szó használata – az állítás univerzális, és az összes hattyúra vonatkozik, akár a még meg nem születettekre is – márpedig ezeket nem tudjuk ellenőrizni. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A bizonyítás logikája Csakhogy a tudományos elméletek általában pont ilyenek: például a gravitációról szóló elméletek minden testre vonatkoznak… A múltban, jelenben és a jövőben… Azaz: UNIVERZÁLISAK Tehát véges sok kísérlettel sohasem ellenőrizhetők! A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A cáfolat logikája De mi a helyzet a cáfolattal? A cáfolat könnyebb, mint a bizonyítás, mert egyetlen ellenpélda is elég Ha a feltevésünk az, hogy minden hattyú fehér, és látunk egy fekete hattyút, az világos cáfolat Csakhogy általában a helyzet a tudományban nem ennyire elvágólagos… Mit csinálunk, ha a fehértől minimálisan eltérő színű hattyút látunk, pl. tört fehéret? Lehet, hogy az fehér, csak a fényviszonyok vagy a látásunk nem megfelelő? A mérési bizonytalanságok miatt általában nem egyértelmű a helyzet – lásd a következő esettanulmányt A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Miről lesz szó? Egy kísérletről, amely az értő közvélemény szemében „bizonyította” a relativitás elméletét: Eddington 1919-es expedícióját az általános relativitáselmélet melletti döntő bizonyítékként szokták említeni; Kik? Elsősorban a fizika tankönyvek és a tudományos népszerűsítő irodalom; NEM az adott részterülettel foglalkozó tudósok és tudománytörténészek! Nekik általában alapos tudásuk van ezekről az esetekről, ők a szakértői ennek  bár az eltérő nézőpontnak köszönhetően nem feltétlenül jutnak ugyanazokra a konklúzióra, mint a tudománytörténészek; Viszont szinte mindenki más laikus ezzel kapcsolatban: nemcsak a tudomány iránt érdeklődők általában, hanem a más területen dolgozó kutatók is! A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Egy új gondolat elsöprő sikere „Albert Einstein nevéhez fűződik a tudományos élet egyik legnagyobb felfedezése, a relativitáselmélet megalkotása. A híres német tudóst barátság fűzte kortársához, az angol tudományos élet kiemelkedő képviselőjéhez, Sir Arthur Eddingtonhoz. Az angol fizikus volt ugyanis az első, aki megértette Einstein elméletét. A két lángelme felvette egymással a kapcsolatot, levelezésük során megosztották egymással észrevételeiket és gondolataikat.” (port.hu: Einstein és Eddington c. film ismertetője) A relativitáselmélet sok mindennek vált a szimbólumává: az emberi géniusz csúcsteljesítménye; az érthetetlenség netovábbja; a bátor tudományos állítások és kísérleti igazolásuk iskolapéldája… A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

„Elmászó csillagok” Einstein forradalmi elmélete bátor jóslatot tesz a newtoni világképhez képest: Mindkét elméletben elhajlik a fény erős gravitáció esetén, de az általános relativitáselmélet szerint nagyobb mértékben. Kérdés: kinek van igaza? Eddington csillagászati mérései Einstein elméletét igazolták! Egy csapásra tudományos hősök lesznek- akik felülemelkednek a nemzetek közötti konfliktusokon- együttműködésükből világraszóló eredmény születik; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A relativitáselmélet „általánosítása” Einstein egy évtizedig küzd a gravitáció problémájával; 1916-ban eljut az általános relativitáselmélet megfogalmazáshoz: Míg a speciális relativitáselmélet csak egyenletesen mozgó megfigyelők viszonyaival foglalkozik, az Á.R. egy teljesen új fizikát állít a newtoni fizika helyébe: a gravitáció új magyarázatát is beleértve ebbe; Ebben az elméletben a gravitáció nem egy erő többé (amilyen Newton gravitációelméletében volt): hanem a tér-idő görbületének következménye; Az Á.R. egy geometriai elmélet, mely szerint a tömeg és az energia „meggörbíti” a tér-időt, és a görbület hatással van a szabad részecskék mozgására, sőt még a fényére is; Az elmélet felhasználható a Világegyetem fejlődésével kapcsolatos modellek felállítására  a kozmológia alapvető eszköze, segít a Világegyetem tulajdonságainak megértésében (azokéban is, amiket csak Einstein halála után fedeztek fel!); A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A fényelhajlás jóslata Einstein elgondolásai fokozatosan alakultak ki: 1911-ben egy még félig klasszikus gondolatmenet alapján arra jut, hogy közvetlenül a Nap mellett elhaladó fénysugár 0,87’’ (szögmásodperc) elhajlást szenved; 1916-ban, a teljes elmélet birtokában egy második levezetést is ad, amely pontosan egy kettes szorzóban tér el a korábbitól: 1,74”; Eddington 1918-as összefoglalójában az első számot nevezte az elhajlás „newtoni” értékének: Pedig Einstein ezt is már az ekvivalencia-elv alapján vezette le, viszont még hagyományos téridő-képben; Newton természetesen nem mondott ilyesmit! A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Kísérleti ellenőrzés? Einstein már az 1911-es cikkében felvetette, hogy teljes napfogyatkozáskor lehetne ellenőrizni a jóslatát: Elméletileg a kor technológiája alapján kimérhető a jósolt eltérés; Gyakorlatban azonban – mint azt látni fogjuk – jóval nehezebb a feladat… Az öt legközelebbi teljes napfogyatkozás: 1912. október 10.: Erwin Freundlich Brazíliába utazott – ahol a fogyatkozás idején végig esett; 1914. augusztus 21.: három kutatócsoport is egy kitörő háborúban találja magát Oroszországban; 1916: mindenki háborúskodik; 1918. június 8.: egy amerikai csoport (W. Campbell és H. D. Curtis) felvételeket készít, de az eredményeket a kiértékelés nehézsége és bizonytalansága miatt soha nem publikálták; 1919. május 29.: pont igen jó a csillagok állása – erről szól a mi történetünk… A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A megfigyelés nehézségei I. Cél: összehasonlítani a csillagok pozícióit normál körülmények között, valamint akkor, amikor a Nap közelében vannak; Feladat: meg kell tudni különböztetni a berendezés torzító hatásait a kimérni kívánt effektustól (fényelhajlás vs. Skálázási hiba); Nehézségek: A Nap mellett a csillagok csak teljes napfogyatkozás idején látszanak, amik csak ritkán és tipikusan nem az obszervatóriumok felett történnek; Olyan kicsi az eltérés, hogy csak akkor lehet kimutatni, ha ugyanazt az égboltterületet fotózzák le Nappal és Nap nélkül; Több hónapos várakozás… Hőtágulás: Kiszámítható torzulás így könnyű eliminálni. Statisztikai hibahatáron belül van. Ez is elméleti elköteleződés – miért lenne ez a statisztika megbízható? A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A megfigyelés nehézségei II. A megfigyelések ezért más-más évszakra tevődnek, ami eltérő környezeti hőmérsékletet, és így a távcsövek nehezen kontrollálható deformációját okozhatja, ami módosítja a fókusztávolságot is; A távoli, eldugott helyen esedékes napfogyatkozásokhoz csak kisebb távcsöveket lehet használni, amelyeknek hosszabb záridőre van szükségük az éles képhez; ez újabb problémához vezet; A távcsövet vagy egy tükröt mozgatni kell, hogy kövesse a Föld forgását; Ráadásul az időjárás minden előkészületet meghiúsíthat…

Helyszín, eszközök és problémák Príncipe szigete (Afrika) – Eddington & Cottingham egy nagyobb, asztrográfiai teleszkóp Sobral (Brazília) – Commelin & Davidson egy nagyobb, asztrográfiai teleszkóp + egy kisebb távcső, probléma esetére Probléma lett is: Príncipén felhős volt az ég; Sobralban a felhők éppen eltűntek a fogyatkozás körül, viszont a nagyobb távcső alatt mozgatandó tükörrel akadtak gondok; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A Sobral-csoport eszközei Príncipe szigete (Afrika) – Eddington & Cottingham egy nagyobb, asztrográfiai teleszkóp Sobral (Brazília) – Commelin & Davidson 19 fotó egy nagyobb és 8 egy kisebb távcsővel (ebből 1 felhős) A jobboldali, négyszögletű eszköz a kisebbik, 4 hüvelykes póttávcső. A másik a nagyobb asztrográfiai távcső (3,5 méteres fókusztávolságú). A teleszkópok elejénél láthatóak a Föld fordását korrigáló tükrök – a baloldali, nagyobb tükörrel volt probléma. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A mérések eredménye Príncipe (Eddingtonék): a felhőzet nem volt nagyon vastag, ezért készítettek felvételeket, hátha valami látszik majd; 16 fotólemez készült, DE otthon kiderült, hogy ezek közül csak 2 használható, és azokon is csak öt csillag látszik; Sobral (Commelin & Davidson): 19 fotó a nagyobb teleszkóppal: a tükör problémája miatt elmosódott képek (nagyon nehéz és bizonytalan a kiértékelésük) 8 a kisebb távcsővel: szép éles képek, csak egy felhős viszont kisebb területet mutatnak (kevesebb az adat a torzítási korrekciók kiszámítására) A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A mérések kiértékelése I. A fotólemezek kiértékelése hónapokig tart; A különféle hibák miatt többféle módszertant is alkalmaznak; 1. eredmény (Sobral): A kisebb távcső adatai: a Nap melletti csillag-elmozdulás (fényhajlás) mértéke: 1,86 és 2,1 szögmásodperc között van:  Einsteinnek van igaza (?); A nagyobb teleszkóp adatai szerint: csak 0,86 szögmásodperc a fényelhajlás  Newtonnak van igaza(?); 2. eredmény (Príncipe): A két rossz minőségű fotó alapján számított szögelhajlás 1,31–1,91 szögmásodperc:  mégis inkább Einsteinnek van igaza (?); A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

A mérések kiértékelése II. Várható eredmények: 0” 0,87” 1,74” Principe: Kis távcső, 2 kép: 1,61” Sobral Nagy távcső, 19 kép: 0,86” Kis távcső, 8 kép: 1,93

Az eredmények értelmezése 1919. november 6.: Frank Watson Dyson, a királyi főcsillagász bejelenti, hogy a megfigyelések Einstein elméletét igazolták: A kisebb sobrali távcső adatait tekintették döntő bizonyítéknak; Támogató adatként kezelték a két rossz minőségű Príncipe-i fotót; A 18 db, nagyobb távcsővel készült képet figyelmen kívül hagyták! A publikált anyagból a sobrali nagy távcsővel készített képek már kimaradtak így a mérések közzétett eredményei inkább Einsteint igazolták; A 2.0 körüli érték viszont Einsteint sem igazolja egyértelműen… Nem bizonyítható egyértelműen, de valószínű, hogy Dyson és Eddington az adatok kiértékelése során valamennyire szem előtt tartották a tesztelendő elméleteket is… Így az elmélet és a kísérlet „idő előtt” kapcsolatba került egymással pedig a kísérletektől azt szokás elvárni, hogy függetlenek legyenek az elmélettől! Nagy szerepet játszott a retorika (Sir Joseph Thompson a társaság elnöke azzal zárta az eredmények bemutatását, hogy „a közönség számára nyilván nehéz értékelni az adatokat de Eddington gondosan tanulmányozta a problémát és remek professzor.) A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Az eredmények értelmezése Később természetesen sok további mérés igazolta ezt az értéket, az 1919-es adatok kiértékelése azonban korántsem volt egyértelmű; Mi volt a siker titka? Szerencse? Helyes tudományos megérzés? Valamennyire mindkettő, de az bizonyos, hogy az utókor megítélésében nagy szerepet játszott a retorika; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Tanulságok Van olyan eset, hogy egy-egy mérés eredménye alátámaszt egy elméletet, azonban nem igazolja azt sosem; Ha egy mérés egy elmélet igazolásának látszik, akkor is még számos emberi tényezőt kell számításba vennünk, és semmiképpen nem érdemes véglegesnek tekintenünk az eredményeket; Fel kell adnunk a „döntő kísérlet” mítoszát, hiszen jól látszik, hogy az ilyen kísérletek nem mindig igazolják a kérdéses elméletet, és „döntővé” nyilvánításuk és népszerűségük pedig számos (tudomány)szociológiai tényezőtől is függ: A döntő kísérlet szinte sohasem egyetlen kísérlet, hanem mérések gondosan (sőt: egyre gondosabban) kivitelezett sorozata; A kísérletek különböző kritikákat vonnak maguk után, a következő mérések ezekre próbálnak meg válaszolni; Az utókor ezek közül egyet emel ki és jegyez meg (általában időben az elsőt), ami eléggé hamis tudományképhez vezet; A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék