Der Patient Physik: Ο ασθενής Φυσική (3)

Συνέχεια απο Πέμπτη, 10 Ιανουαρίου 2013

Der Patient Physik: Ο ασθενής Φυσική

Υποκεφάλαιο:
Ernste Symptome: Der aktuelle Wissenschaftsbetrieb
Σοβαρά συμπτώματα: πως δουλεύει σήμερα η επιστήμη
Περιλαμβάνεται στο βιβλίο: Auf dem Holzweg durchs Universum
Του Alexander Unzicker, Εκδόσεις Hanser, 2012

 Θεραπεύοντας με την βία: πως δια της θεραπείας προκύπτουν αρρώστιες 1

Το ίδρυμα έρευνας βαρέων ιόντων στην πόλη Darmstadt, μπορεί να είναι περήφανο που ανακάλυψε τα 6 από 118 γνωστά χημικά στοιχεία. Αυτές οι μεγάλες επιτυχίες πραγματοποιήθηκαν με την βοήθεια ενός επιταχυντή σωματιδίων, μέσα στον οποίο βαρέα άτομα βομβαρδίζονταν με σωματίδια του πυρήνα (πρωτόνια, νετρόνια). Μετά την σύντηξη προκύπτουν νέοι πυρήνες. Έλπιζαν επίσης πως θα ήταν δυνατόν να ανακύψουν και νέα σωματίδια. Και ακριβώς αυτό φάνηκε πως επετεύχθη το 1983: υπήρχαν ενδείξεις ότι παρατήρησαν βραχύβια ποζιτρόνια, αντισωματίδια του ηλεκτρονίου με αντίθετο φορτίο. Βασιζόμενοι στην τροχιά που θα πρέπει να διαγράφουν τα ποζιτρόνια (τα ζευγάρια ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων προκύπτουν κατά την μετατροπή της ενέργειας σε ύλη, βάσει του τύπου του Einstein Ε=mc²), προσπάθησαν να επιβεβαιώσουν την ένδειξη. Με επιτυχία. Είχαν παρατηρήσει τις κατάλληλες τροχιές, με 99,9999% πιθανότητα ότι η παρατήρηση δεν είναι τυχαία. Οι θεωρητικοί είχαν ηλεκτριστεί. Η ανακάλυψη των τροχιών των ποζιτρονίων ήταν κάτι το εντυπωσιακό, και πιθανόν υποψήφια για Nobel. Ο διευθυντής της ερευνητικής ομάδας, συγγραφέας τόσων διδακτικών βιβλίων Φυσικής, ώστε πιάνουν ένα μέτρο στο ράφι, ήδη ονειρευόταν την βράβευση. Το πείραμα όμως είχε τα νάζια του. Σε κάποιες συγκρούσεις δεν παρατηρούσαν κανένα σήμα, πράγμα που δικαιολογούσαν χαρακτηρίζοντας τον στόχο ως ακατάλληλο (δηλαδή τον πυρήνας ενός ατόμου, που δεν ήθελε να αντιδράσει στην σύγκρουση). Τέτοιες ερμηνείες είχαν μαζευτεί. Ο νέος διευθυντής έδωσε στην ομάδα έξη μήνες για να ξεκαθαρίσουν το πράγμα. Αλλά με ένα βελτιωμένο σχεδιασμό του πειράματος, ξαφνικά δεν παρατηρούσαν πια τίποτα. Η φούσκα είχε σκάσει, δέκα χρόνια έρευνας ήταν κτισμένα πάνω στην άμμο. Επαγγελματικό ρίσκο της επιστήμης θα μπορούσε να πει κανείς. Αλλά πως έγινε ένα τόσο χονδρό λάθος στην ερμηνεία του σφάλματος; Μέσω περιορισμού του οπτικού πεδίου. Οι πρώτες ενδείξεις προκάλεσαν ευφορία στους ερευνητές, ώστε ερευνούσαν όλο και μικρότερα τμήματα των δεδομένων τους. Αυτά δηλαδή που είχαν χαρακτηρίσει ως ενδιαφέροντα, γιατί εκεί παρατηρούσαν το νέο φαινόμενο. Το νέο φαινόμενο βέβαια οφειλόταν είτε σε κάποιο άγνωστο υπόστρωμα, ήταν δηλαδή θόρυβος, είτε ήταν τυχαία διακύμανση, όπως παρατηρεί με πίκρα μια αναφορά του ιδρύματος από το 1999. Μέσω κοσκινίσματος είχαν διαλέξει τα υποτιθέμενα ενδιαφέροντα δεδομένα. Αυτή είναι μια διαδεδομένη τεχνική, και λέγεται trigger. Με τον τρόπο αυτό το σήμα αυτοενισχύεται. Sorry.

Έκτη αίσθηση το όργανο μέτρησης

Απερίσκεπτο κοσκίνισμα και στοχευμένη φιλοδοξία είναι τα συστατικά αυτής της ντροπιαστικής ιστορίας. Και όμως δεν πρέπει να περιφρονήσουμε τους συμμετέχοντες, γιατί το πρόβλημα είναι θεμελιώδες. Σε πολύπλοκα πειράματα εμφανίζονται αναπόφευκτα σήματα,τα οποία εσφαλμένως ερμηνεύονται ως μη τυχαία. Και αν αυτά τα σήματα αντιστοιχούν σε επιθυμητά αποτελέσματα, τότε έχουν καταστροφικές συνέπειες. Η επιλογή των μεθόδων που στοχεύουν στα επιθυμητά αποτελέσματα έχει μερικές φορές νόημα. Υπάρχει όμως ο κίνδυνος, οι θεωρητικοί και πειραματιστές ενισχύουν αμοιβαίως τις προσμονές τους. Η ανακάλυψη συμφέρει και τους δυο. Ακόμα και προσεκτικοί  επιστήμονες υποτιμούν τον μηχανισμό αυτόν.

Σε αυτά προστίθεται και το γεγονός ότι όλο και πιο εκλεπτυσμένα μηχανήματα αντικαθιστούν την δική μας άμεση πρόσληψη. Σε ποιο βαθμό όμως μπορούμε να εμπιστευθούμε αυτά τα ενισχυμένα αισθητήρια μας; Αυτή η ερώτηση σχεδόν δεν τίθεται σήμερα, αν και την έθεσαν ήδη οι αρχαίοι φιλόσοφοι, πράγμα που μας το θυμίζει ο Erwin Schrödinger στο θαυμάσιο βιβλίο του «Η φύση και οι Έλληνες». Στην εποχή όμως του Large Hadron Collider (LHC), η ερώτηση αυτή είναι επίκαιρη όσο ποτέ. Και η ερώτηση αυτή δεν ασχολείται με κοινότοπους βαρετούς στοχασμούς, αν δηλαδή ο κόσμος είναι «πραγματικός» ή απλά μας «εμφανίζεται».

Η πολυπλοκότητα όμως των σημερινών πειραμάτων μας αναγκάζει να σκεφτούμε καλά, τι είναι αυτό που εξισώνουμε με τις προσλήψεις των αισθητηρίων, όταν λέμε ότι «είδαμε» ένα σωματίδιο. Η αναφορά της στατιστικής σημαντικότητας με μεγάλη πιθανότητα ακούγεται εντυπωσιακή, αλλά μας ξεγελά. Μας αποκρύπτει πόσα συστηματικά (αναγκαία, λόγω κατασκευής) σφάλματα βρίσκονται στην επιλογή των δεδομένων, στην βαθμονόμηση των μηχανημάτων, στα ηλεκτρονικά κυκλώματα αξιολόγησης των αποτελεσμάτων, ή στις προσομοιώσεις στον υπολογιστή, που χρησιμοποιούνται για να απορριφθούν δεδομένα, που βάση της προσομοίωσης θεωρούνται θόρυβος. Το ρίσκο είναι μεγάλο. Μόνο όταν όλοι αυτοί οι βοηθοί των αισθητηρίων μας συνεργάζονται ορθώς, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την διάνοια μας για να φτιάξουμε θεωρίες-θεωρητικά. Στην πράξη πολλές φορές, η διάνοια προηγείται.

Κοσκίνισμα μέχρι να απαλειφθεί το σφάλμα

Η βαθμονόμηση των οργάνων μέτρησης είναι αποφασιστικής σημασίας σε όλα σχεδόν τα σύγχρονα μεγάλα πειράματα. Αυτό που φυσικά πρέπει να είναι γνωστό πριν ξεκινήσει η μέτρηση ενός σήματος, είναι το πως συμπεριφέρεται το όργανο χωρίς την παρουσία του σήματος. Οι ανιχνευτές για παράδειγμα, που βρίσκονται στα θωρακισμένα υπόγεια εργαστήρια, που σκοπό έχουν την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, πρέπει να βαθμονομούνται με μεγάλη προσοχή. Κάθε ανιχνευτής είναι εκτεθειμένος σε μια αναπόφευκτη «μόλυνση»,  από τα νετρόνια για παράδειγμα που απελευθερώνονται λόγω κοσμικής ακτινοβολίας. Όταν αυτός ο θόρυβος είναι πιο ισχυρός από το σήμα, η μέτρηση είναι ουσιαστικά αδύνατη. Για να γίνει όμως έστω κάποια μέτρηση, γίνεται προσπάθεια προσομοίωσης των παρασίτων. Αν τα παράσιτα, ο θόρυβος είναι γνωστά, δεν υπάρχει πρόβλημα. Στην περίπτωση όμως των νετρονίων, όπως θα δούμε, αυτό γίνεται πολύ επιφανειακά. Είναι περίεργο πως η κοινότητα των ειδικών στα πειράματα με τους ανιχνευτές, αγνοεί τις ανακαλύψεις της πυρηνικής φυσικής που αφορούν τις αντιδράσεις που προκαλούν τα αργά νετρόνια. Και σε άλλες περιπτώσεις, οι γνώσεις που αποκτήθηκαν από άλλο, ξένο τομέα της φυσικής, θεωρούνται ενοχλητικές. Αυτό όμως που βρίσκεται στην βάση αυτής της συμπεριφοράς είναι το εξής: η επιθυμούμενη ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης είναι πιο συναρπαστική από την αναζήτηση των σφαλμάτων. Η εξέταση, η αναζήτηση, ο έλεγχος των αποτελεσμάτων, η παραδοχή της δυνατότητας λάθους, υπονοεί αμφιβολία των ικανοτήτων του ερευνητού, πράγμα δυσάρεστο, ενώ η αναμονή του ρηξικέλευθου, η σκέψη πως μπορεί να είμαι ο πρώτος, είναι πολύ διεγερτική. Κανένας δεν μπορεί να ισχυρισθεί ότι η διανοητική ικανότητα των ανθρώπων μένει ανεπηρέαστη από αυτή την κατάσταση.

Το πείραμα με τις ξερές τεχνικές λεπτομέρειες είναι πολύ λιγότερο λαμπερό από τους στοχασμούς περί του σχεδίου της Δημιουργίας, στους οποίους αφιερώνονται οι θεωρητικοί φυσικοί. Και έτσι η κοσμολογία διαποτίζεται από την ευφορία για την μέτρηση της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων, η οποία δίνει την δυνατότητα να δουν τι έγινε λίγο μετά την μεγάλη έκρηξη. Το δημόσιο ενδιαφέρον όμως, για την λειτουργία του οργάνου, το οποίο μετρά με έμμεσο τρόπο αυτό το σήμα, είναι σχεδόν μηδενικό. Είναι κοινό πρόβλημα της αστροφυσικής και της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων είναι το όλο και πιο έντονο κοσκίνισμα ανεπιθύμητων σημάτων. Οι παρατηρήσεις λοιπόν που απομένουν είναι αναπόφευκτα πιο επιρρεπείς σε συστηματικά λάθη-όπως στα κοτόπουλα, που εκτρέφονται ώστε να έχουν πολύ κρέας, σπάνε τα πόδια κάτω από το μεγάλο τους βάρος. Ο κίνδυνος, τα αποτυχημένα κοσκινίσματα να αντικατοπτρίζουν την πραγματικότητα, και το ανεπιθύμητο να γίνει επιθυμητό, γίνεται όλο και μεγαλύτερος.

Συναγερμός για τον λόξιγκα λόγω πολλών δεδομένων

Μεταξύ επιστημονικής αλήθειας και ψευδαίσθησης βρίσκεται μια λεπτή γραμμή. Αυτό αποκαλύπτει μια ιστορία που κράτησε την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων για οκτώ χρόνια σε αγωνία. Το 1985 Βρετανός ερευνητής βρήκε ενδείξεις για την ύπαρξη ενός νέου στοιχειώδους σωματιδίου, ενός νετρίνο με εκπληκτικά μεγάλη ενέργεια ηρεμίας (είναι ένας συνηθισμένος χαρακτηρισμός της ενέργειας, όταν περιγράφεται η μάζα-ηρεμίας-με την εξίσωση του Einstein), 17keV(χιλιάδες ηλεκτρονιοβολτ). Τα δεδομένα δεν ήταν και τόσο βέβαια, αλλά έξη ανεξάρτητα πειράματα είχαν επίσης ενδείξεις για το σωματίδιο, και υπήρχαν και κάποιες θεωρίες που προέβλεπαν την ύπαρξη του.

Και εδώ φαίνεται πως η κοινωνική παρουσία υποστηρίζει το πείραμα που επιβεβαιώνει την θεωρία-γεγονός που δεν ενδιαφέρει κανένα. Όπως και στην περίπτωση της τροχιάς των ποζιτρονίων, αποδείχθηκε πως τα αποτελέσματα ήταν εσφαλμένα, γιατί οι επιστήμονες είχαν διαλέξει το «σωστό» κομμάτι των αποτελεσμάτων τους. Και έτσι έβαλαν μόνοι τους την τρικλοποδιά. Από αυτόν τον πειρασμό δεν ήταν ούτε οι μεγάλοι του παρελθόντος απρόσβλητοι: ο Robert Andrews Millikan, πήρε το βραβείο Nobel το 1923, ήταν ο πρώτος που μέτρησε το στοιχειώδες φορτίο. Η μέτρηση του ήταν εσφαλμένη γιατί είχε αφήσει απ’ έξω τις «κακές τιμές». Η μέτρηση είχε διορθωθεί αργότερα. Οι αποκλίσεις ήταν μικρές και η μετάβαση στις αληθείς τιμές ήταν ομαλή. Περιπτώσεις όπως το 17keV νετρίνο παρουσιάζονται μερικές φορές ως επιτυχίες της επιστημονικής μεθόδου, γιατί η κατάληξη ήταν καλή και το σφάλμα το είχαν βρει. Στην πραγματικότητα αποκαλύπτουν ανησυχητικές ελλείψεις  στην διαδικασία γένεσης της γνώσης, γιατί όλα τα μοντέρνα μεγάλα πειράματα είναι πολύ πιο δύσκολο να ελεγχθούν, σε σύγκριση με αυτή την φάρσα. Εξυπνότεροι είμαστε πάντα εκ των υστέρων. Ακόμα και τα σωματίδια που υποτίθεται ήταν πιο γρήγορα από το φως, από το πείραμα OPERA στο Gran Sasso, κράτησαν για μήνες τον επιστημονικό κόσμο σε αγωνία. Αφιερωμένοι θεωρητικοί είχαν ήδη βάλει την θεωρία της σχετικότητας στα αρχεία. Και όταν είχε γίνει γνωστό ότι για το αποτέλεσμα οφείλεται ένα απλό σφάλμα, είχε παραιτηθεί ο εκπρόσωπος τύπου. Γιατί;

Το πείραμα: περισσότερο δικηγόρος παρά δικαστής

Είναι ενδιαφέρον επίσης να δούμε ποια σφάλματα επιτρέπονται στους φυσικούς: συστηματικά σφάλματα, ακόμα και για άγνωστους λόγους, καταστρέφουν κατευθείαν το επιστημονικό κύρος. Θεωρούνται δυσφημιστικά, ακόμα και αν είναι αναπόφευκτα, όσο και να προσέξει κανείς. Αντίθετα, κανένας δεν θα κοιτάξει στραβά έναν θεωρητικό που πρότεινε κάτι που απέτυχε, ακόμα και αν στηρίχτηκε σε απίθανες υποθέσεις-αυτό είναι ελάσσον πταίσμα. Εδώ βρίσκεται ένα σφάλμα σκέψη, που οι θεωρητικοί της επιστήμης ονομάζουν αφελή ρεαλισμό. Το πείραμα παρουσιάζεται ως δίκαιος κριτής, που αποφαίνεται αν μια θεωρία είναι «ορθή» ή «εσφαλμένη». Αλλά στα πολύπλοκα πειράματα, οι τεχνικές λεπτομέρειες είναι τόσο συμπλεγμένες με τις θεωρητικές υποθέσεις, ώστε τα αποτελέσματα χρήζουν εκτεταμένης ερμηνείας, που δεν αποφέρει πάντα ένα μοναδικό αποτέλεσμα-λέει για παράδειγμα ο φιλόσοφος της επιστήμης Ian Hacking. Και όσο μεγαλύτερη η αλυσίδα των έμμεσων συμπερασμάτων, τόσο πιο λεπτά σφάλματα μπορούν να παρεισφρήσουν. Το αποτέλεσμα δυστυχώς δεν ανταποκρίνεται πάντα στην πραγματικότητα, αν και ως επιστήμονες ευχόμαστε πως ανταποκρίνεται.

Αν θέλετε να μελετήσετε σοβαρά τις γνώσεις της μοντέρνας φυσικής, πρέπει να λάβετε υπ’ όψιν αυτές τις ιστορικές, μεθοδολογικές και κοινωνιολογικές συνθήκες, κάτω από τις οποίες παράγεται η υποτιθέμενη καθαρή γνώση των πραγμάτων. Το βιβλίο Constructing Quarks Andrew Pickering, ήταν για μένα ιδιαίτερα βοηθητικό, γιατί παρουσιάζει αυτά τα μεθοδολογικά θέματα, έχοντας και την γνώση της φυσικής. Ο Pickering είχε κάνει διδακτορικό στην φυσική υψηλών ενεργειών, και είχε για χρόνια δουλέψει σε μεγάλους επιταχυντές, πριν γνωρίσει τα προβλήματα με τα οποία ασχολείται η κοινωνιολογία της επιστήμης. Ένα τυπικό δίλημμα της Φυσικής το περιγράφει ως ως εξής:

«Ας υποθέσουμε ένα φαινόμενο, η ύπαρξη του οποίου θεωρείται από τους ειδικούς βέβαιη. Μια ομάδα πειραματιστών όμως δεν το παρατηρεί. Ξαφνικά βρίσκονται αντιμέτωποι με την πιθανότητα ενός συστηματικού σφάλματος. Το πείραμα επαναλαμβάνεται , αλλά καμιά ανάλυση, όσο λεπτομερής και να είναι δεν βοηθά. Τότε μπαίνει στην σκηνή ένας θεωρητικός. Αυτός δεν βρίσκει τα αποτελέσματα καθόλου απρόσμενα. Αποτελούν μάλιστα κεντρικό στοιχείο της νέας του θεωρίας.» 

Ας μεταφερθούμε για μια στιγμή στην θέση αυτή. Ο καθένας θα αισθανόταν ξαλαφρωμένος. Και εδώ πρόκειται για μια κατάσταση που συμβαίνει συχνά. Ο Pickering αναλύει:

«Αυτό δημιουργεί νέες εναλλακτικές: οι πειραματιστές μπορούν να ερμηνεύσουν τα αποτελέσματα ως εκδήλωση της νέας θεωρίας, αντί να τα θεωρήσουν δυσάρεστα συστηματικά σφάλματα, και κάνουν περεταίρω πειράματα προς την κατεύθυνση αυτή. Οι θεωρητικοί έχουν επίσης την δυνατότητα να συνεχίσουν την επεξεργασία της υπόθεσης τους, καθώς έχουν ενδείξεις από πειράματα για την ισχύ των υποθέσεων.»

Επειδή ο Pickering είχε βρει πολλά τέτοια τρωτά σημεία, το βιβλίο του δεν έγινε αποδεκτό με ενθουσιασμό από την κοινότητα των φυσικών στοιχειωδών σωματιδίων. Χαρακτηριστικό για την υπεροψία είναι το σχόλιο ενός κριτικού του βιβλίου: «Το περιεχόμενο είναι καλά θεμελιωμένο, αλλά αποδεικνύει πόσο άχρηστα είναι τα επιχειρήματα της κοινωνιολογίας για την φυσική». Μερικοί προτιμούν να χώνουν το κεφάλι τους βαθιά στην άμμο.

         «Ένα βιβλίο είναι καθρέφτης, στον οποίο είναι αδύνατο να δεις έναν απόστολο, εάν αυτό που κοιτάζεται είναι πίθηκος»-Georg Christoph Lichtenberg.

Συνεχίζεται

Αμέθυστος