söndag 29 juli 2012

Shut up and calculate?

I en bloggpost för snart ett halvår sedan rubricerad Köpenhamnstolkning vs mångs världar uttryckte jag intresse för ett ruskigt besvärligt område: tolkningar av kvantmekaniken. Jag inledde med att konstatera att...
    kvantmekaniken har varit spektakulärt framgångsrik i att ge matematiska förutsägelser som stämmer med observationer. Sämre är det ställt när det gäller sökandet efter en intuitivt tilltalande och begriplig tolkning av ekvationerna. Många tolkningar har föreslagits, inklusive den strikt instrumentalistiska position vilken dömer ut sökandet efter en djupare sanning bortom observationerna och ekvationerna såsom meningslös, men någon lösning som är så tillfredsställande att den förmår samla konsensus bland fysiker tycks inte föreligga
...varefter jag gick vidare med att referera vad ett (starkt personligt färgat) urval av kloka tänkare på området sagt om ett par av de populäraste tolkningarna, nämligen Köpenhamnstolkningen och många världar-tolkningen.

Diskussionen om de olika tolkningarna väckte visst intresse i bloggpostens kommentarsfält. Det var emellertid först i kommentarsfältet till den senare bloggposten Hårdförast bland bloggande matematiker som den tog riktig fart. Ett par av kommentatorerna - Emil Karlsson och Daniel L - tog tydligt ställning för den instrumentalistiska ståndpunkt som ibland lite vanvördigt sammanfattats med orden "Shut up and calculate!".1 Alltså för den position enligt vilken vi bör avstå från metafysiska spekulationer om den verklighet som ligger bakom och beskrivs av kvantmekanikens ekvationer, för att istället nöja oss med ekvationerna och konstatera att de ger förträffliga förutsägelser av våra observationer. Jag hoppas att dessa båda herrar alltjämt har rätt frekvens inrattad (och kanske rentav känner sig manade att på nytt kommentera), när jag nu skall säga några ord om varför jag finner även instrumentalismen en smula problematisk.

Liksom minst en gång tidigare vill jag här hänvisa till Jean Bricmonts och Alan Sokals läsvärda och välavvägda uppsats Defense of a Modest Scientific Realism. De diskuterar intrumentalism mer generellt än bara i frågan om kvantmekanikens tolkningar, och lyfter bland annat fram problemet med vad som menas med "observerbara" storheter. Om intrumentalismen nu bara tillåter oss att befatta oss med sådana, var skall vi då dra gränsen? Får en forskare med nedsatt syn använda glasögon och ändå tala om sådant han ser som reellt existerande objekt? Går det bra med förstoringsglas? Mikroskop? Radar? Radioteleskop? Och om jag klarar mig utan artificiella synhjälpmedel - kan jag då verkligen observera stolen framför mig? Jag har ju knappast någon direktkontakt med der Stuhl an sich, utan det är min hjärna som drar teoretiska slutsatser av förekomsten av en stol på basis bl.a. av den elektromagnetiska strålning som faller in mot mina näthinnor. Bricmont och Sokal går vidare från vardagsföremål till dinosaurier:
    The second, deeper problem with instrumentalism is that the meaning of the words used by scientists goes far beyond what is "observable". To take a simple example, should paleontologists be allowed to speak about dinosaurs? Presumably yes. But in what sense are dinosaurs "observable"? After all, everything we know about them is inferred from fossil data; only the fossils are "observed". These inferences are not, of course, arbitrary: they can be justfied by evidence from biology (that all bones were once part of organisms) and geology (concerning the processes that transform bones into fossils). The point is, simply, that fossil evidence is evidence for the existence of something other than itself: namely, the fossils of dinosaur bones are evidence for the existence (at some time in the past) of dinosaurs. And the meaning of the word "dinosaur" is not easily expressible in a language that would refer only to fossils. For example, assertions about dinosaurs’ eating habits would have to be rephrased as assertions concerning the spatial correlation of certain types of fossils with certain other types of fossils. This seems unhelpful, to put it mildly.
Men måhända säger inte pralallellen med dinosaurier allt om hur vi bör förhålla oss till materiens minsta beståndsdelar och till kvantmekaniska fenomen. Bricmont och Sokal fortsätter:
    Some instrumentalist philosophers of science are prepared to classify dinosaurs as "observable" on the grounds that, though we cannot observe them, they would have been observable to human beings had the the human species existed 100 million years ago. Now, anyone is free to define the word "observable" however he wishes; but there is no guarantee that the word, so defined, has any epistemological significance. In reality, neither dinosaurs nor electrons are ever observed directly; both are inferred from other observations, and the arguments supporting these two inferences are of comparable strength. It seems to us that, either one allows such inferences and accepts the probable reality (in some sense or other) of both dinosaurs and electrons, or else one rejects all such inferences and refuses to talk about either. To be sure, the meaning of "electron" is far murkier than that of "dinosaur": since we can form mental pictures of mid-size objects like dinosaurs, the meaning of the words referring to them is reasonably clear intuitively even if the objects are never directly observed, which is not necessarily the case for entities like electrons. That is why we are careful to assert only that electrons exist "in some sense or other", while admitting frankly our perplexity about what electrons really are.
En konsekvent tillämpad instrumentalistisk vatenskapssyn synes orimlig och ohållbar. Men kanske är den ändå motiverad, i fallet med kvantmekaniken, där alla föreslagna tolkningar framstår som så kontraintuitiva och besynnerliga - rentav som helt crazy? Kanske finns ingen "kvantmekanikens verkliga natur", eller åtminstone ingen sådan inom den mänskliga fattningsförmågan?

Den inställningen kan man ha, och möjligen skulle den rentav kunna vara rätt. Men skall vi verkligen på detta vis ge upp jakten på en djupare förståelse? Med en Popperiansk vetenskapssyn handlar vetenskapen inte bara om empiri - om att observera världen. Ett lika viktigt moment är att formulera de hypoteser och teorier som sedan kan utsättas för empirisk prövning. Innebär inte det instrumentalistiska synsättet att vi ger upp det Popperianska hypotes- och teoribyggandet, och därmed möjligheterna till fortsatta framsteg?

Med åberopandet av Popper följer kravet på hypotesers falsifierbarhet. Om inte vi på empirisk väg kan testa de olika tolkningarna av kvantmekaniken är det för Popperianen inte mycket bevänt med vetenskapligheten i dessa. Men experiment där Köpenhamnstolkningen och många världar-tolkningen ger olika förutsägelser har faktiskt föreslagits. Och även utan sådana förslag på experiment tycker jag att de olika tolkningarna kan ha ett existensberättigande, såsom teorier att bygga vidare på och så småningom komma fram till något mer förfinat som kanske hamnar inom falsifierbarhetens gränser. Jag tror hur som helst att det är på tok för tidigt att ge upp jakten på en djupare förståelse för kvantmekanikens sanna natur.

Fotnot

1) Viss förvirring råder om ursprunget till detta citat. Det har ibland tillskrivits Richard Feynman eller Paul Dirac, men det verkliga upphovsmannen är troligen David Mermin. Googling ger en mängd motstridiga besked.

8 kommentarer:

  1. Jag håller med dig, Olle. Popper uttalar till och med någonstans uppfattningen att man måste tillåta varje väg att generera hypoteser, hur tokig den än kan tänkas vara. Religiösa, matematiska, intuitiva vägar, alla är de dugliga för att generera hypoteser, alla ger de för det mesta felaktiga resultat, men empiriska test visar vilka som är mest användbara.

    Även om man alltså bör ägna sig såväl åt att räkna från observationer som att spekulera i bakomliggande orsaker så tycker jag att fysikerna har en viss överdriven tro på sina spekulationer. Denna överdrivna tro har drivit dem till en något desperat debatt om vilken av ynka två spekulationer som är den "rätta" avseende kvantmekanikens förklaring. För mig är det självklart att ingen av dem är den rätta, men att man bör undersöka vilken som är den bästa avseende överensstämmelse med förutsägelser.

    SvaraRadera
  2. Arne Söderqvist29 juli 2012 10:38

    Jag tror att Heisenbergs osäkerhetsprincip utgör ett fundamentalt hinder för fullständig förståelse av kvantmekaniken.

    SvaraRadera
  3. Thomas, det är betydligt fler än två tolkningar av kvantmekaniken som man har studerat genom åren. Det är inget problem att samla ihop en handfull rätt välstuderade tolkningar, utöver de två nämnda så är Bohms pilotvågsteori en som ofta dyker upp i diskussionen, och betydligt fler än så om man räknar in de mer spekulativa.
    http://en.wikipedia.org/wiki/Interpretations_of_quantum_mechanics

    SvaraRadera
  4. Som en liten kul kommentar angående "shut up and calculate"

    http://xkcd.com/895/

    SvaraRadera
  5. Angående "Shut up and calculate!" -- Mermin har i alla fall skrivit så, i en artikel i Physics Today, April 1989 ("What's wrong with this pillow?"): "If I were forced to sum up in one sentence what the Copenhagen interpretation says to me, it would be 'Shut up an calculate!'". Artikeln finns återgiven i "Boojums all the way through -- communicating science in a prosaic age" (http://www.amazon.com/Boojums-All-Way-through-Communicating/dp/0521388805). Eftersom sagda bok innehåller inte mindre än tre försök att illustrera EPR-paradoxen han man nog anta att han funderat en del över frågan, men enligt egen utsago var han fortfarande lika "uncomfortable" med frågan om vad kvantteorin "egentligen" innebär.

    SvaraRadera
  6. Min kommentar bör inte primärt ses som ett försvar av stringent instrumentalism, utan en betoning på att det räcker med att peka på kvantmekanikens empiriska framgång för att försvara fältet mot de, som t. ex. Claes Johnson, som verkar mena att fysikaliska tolkningsproblematik kan räknas som evidens mot mainstream kvantmekanik (eller hur han nu resonerar). Trovärdigheten i vetenskapliga förklaringar är baserade på hur bra de stöds av empiri, inte huruvida vi finner de fysikaliska tolkningarna psykologiskt acceptabla eller ej.

    Jag ser i allmänhet inget större problem med metafysiska spekulationer så länge de är informerade av evidens eller på annat sätt förutsätts ha en trovärdighetsnivå som är proportionellt mot evidensen.
    ----

    Med det sagt kan man ju alltid diskutera vad som sagts i detta blogginlägg lite närmare. Vad jag kan se läggs två argument fram mot instrumentalism: (1) instrumentalism har ett oöverkomligt gränsdragningsproblematik, (2) instrumentalism ger upp jakten på djupare förståelse och det påpekades även att det kan vara möjligt att empiriskt differentiera mellan kvantmekaniska tolkningar.

    Gällande gränsdragningsproblematik så är det t. ex. svårt att veta skillnaden mellan blå och grön i ett färgspektra, men det betyder inte att vi inte kan skilja blå från grön. Ytterligheter existerar även om gränsdragningen är diffus. På så sätt kan vi betrakta elektroner och dinosaurier på olika ställen på skalan mellan saker som vi kan säga rimligen existerar och är ingredienser i våra vetenskapliga modeller (stolar, dinosaurier, elektroner) och saker som åtminstone är ingredienser i våra vetenskapliga modeller (t. ex. kvantfält). Så det handlar inte nödvändigtvis om en ontologi dikotomi (existerar det eller ej?) utan ett epistemologiskt spektrum (hur säkra är vi på att det här existerar?).

    Antagligen så skiftar den diffusa gränsdragningen allteftersom vetenskapen går framåt. Det som tidigare ansågs vara metafysik, som arters uppkomst, anses idag ligger helt inom empirisk vetenskap. Det verkar också gå utomordentligt bra att formulera teorier och hypoteser i t. ex. kvantmekanik utan att bekymra sig med fysikaliska tolkningar (enbart baserat på den empiriska fruktbarheten i kvantmekanik jämfört med fysikaliska tolkningar av kvantmekanik). Detta verkar mildra makten hos det andra argumentet.

    Det verkar bra att det funderas på tester som empiriskt skulle kunna skilja olika tolkningar åt, men det finns som bekant en skillnad mellan "skulle kunna" och "har" och när det väl har kommit så långt att det kan betraktas som "har" snarare än "skulle kunna", kan det införlivas i det epistemologiska spektrumet någonstans i området över saker som är ingredienser i våra modeller och förmodligen existerar.

    (jag hade problem med OpenID när jag skrev min senaste kommentar därav annorlunda namn)

    SvaraRadera
    Svar
    1. Det du kallar gränsdragningsproblematik, Emil, tycker jag är lite mer än så. Vad jag försöker hävda i bloggposten är att den principiella instrumentalistiska hållningen "vi skall inte hålla på och gissa och postulera existensen av ickeobserverade objekt" får konsekvenser som ingen rimligtvis kan eller vill försvara i praktiken, och att instrumentalisten därför behöver luckra upp den och ersätta den med den mindre principfasta och därför i teoridiskussioner mer svårförsvarade "vi skall inte hålla på och gissa och postulera existensen av ickeobserverade objekt försåvida vi inte känner oss jättejätteövertygade om att de faktiskt finns".

      Radera
  7. Bricmont och Sokal skriver att man på 1850-talet kunde ange planeternas rörelser exakt (inom felmarginalen) men ett problem som redan då dykt upp (på 1820-talet tror jag) var Merkurius precession som man ej kunde förklara och då bl a Le Verrier försökte hitta en dittills oupptäckt planet som skulle förklara anomalin.

    För övrigt tror jag "Physics envy" är en mycket viktig faktor för att förklara både humanioras och samhällsvetenskapernas post-modernism och relativism. Om man kan intala sig själv att det man är så avundsjuk på "egentligen" inte finns är problemet borta. En annan strategi är att försöka matematisera sin egen vetenskap - något som man t ex inom nationalekonomi och delar av samhällsvetenskap smittats av.

    SvaraRadera