Teorioiden alimääräytyneisyys: Kun data jättää tilaa vaihtoehdoille tieteen sydämessä

 

Tieteenfilosofiassa yksi kiehtovimmista ja samalla haastavimmista käsitteistä on teorioiden alimääräytyneisyys. Tämä periaate korostaa, että empiirinen data – havainnot, kokeet ja mittaukset – ei yksin riitä määrittämään, mikä tieteellinen teoria on ainoa oikea tai paras selitys ilmiöille. Sen sijaan useat kilpailevat teoriat voivat sopia täydellisesti samaan saatavilla olevaan dataan, mutta ne voivat erota toisistaan esimerkiksi taustaoletuksissa, metafyysisissä sitoumuksissa tai tulevissa ennusteissa. Tämä ei tee tieteestä mielivaltaista, mutta se paljastaa sen rajat: tiede ei ole pelkkää objektiivista datan keruuta, vaan siihen kietoutuvat myös ei-empiiriset tekijät, kuten yksinkertaisuus, johdonmukaisuus ja jopa tutkijoiden arvot.

Tässä artikkelissa sukellan syvälle teorioiden alimääräytyneisyyden ytimeen. Aloitan määrittelemällä käsitteen ja erottamalla sen muodot, sitten pureudun sen historiallisiin juuriin (Duhem-Quine-teesi) ja esittelen konkreettisia esimerkkejä tieteen historiasta. Lopuksi pohdin implikaatioita tieteenfilosofialle, mukaan lukien yhteydet realismiin, instrumentalismiin ja tieteen edistymiseen. Matkan varrella viittaan aiempiin blogikirjoituksiini, joissa olen käsitellyt aiheeseen liittyviä teemoja, kuten Occamin partaveitsi ja Popperin falsifikationismi ja Kuhnin paradigmat. Mennäänpä asiaan. 😎

Alimääräytyneisyyden perusluonne: Miksi pelkkä data ei riitä?

Kuvittele tilanne, jossa sinulla on joukko havaintoja: esimerkiksi planeettojen liikkeitä taivaalla. Nämä havainnot voidaan selittää useilla teorioilla – vaikkapa Ptolemaioksen geosentrisellä mallilla, jossa Maa on keskellä ja planeetat kiertävät sitä epäsäännöllisissä radoissa, tai Kopernikuksen heliosentrisellä mallilla, jossa Aurinko on keskellä ja planeetat kiertävät sitä ellipseillä. Molemmat teoriat voivat sopia täydellisesti olemassa olevaan dataan tietyillä matemaattisilla mukautuksilla, mutta ne eroavat perustavasti maailmankuvassaan. Tässä piilee alimääräytyneisyyden ydin: data "alimääräyttää" teorian, eli se ei pakota meitä valitsemaan yhtä ainoaa vaihtoehtoa.

Tieteenfilosofit erottavat kaksi päämuotoa alimääräytyneisyydestä:

1. Heikko alimääräytyneisyys: Tämä on yleisin muoto, jossa teoriat sopivat nykyiseen dataan, mutta voivat erota tulevissa ennusteissa. Uudet kokeet tai havainnot voivat lopulta erottaa teoriat toisistaan. Esimerkiksi 1800-luvulla Uranuksen radan poikkeamat voitiin selittää joko muokkaamalla Newtonin gravitaatiolakia tai olettamalla tuntematon planeetta (joka osoittautui Neptunukseksi). Aluksi molemmat vaihtoehdot sopivat dataan, mutta lisätutkimukset kallistivat vaakaa jälkimmäisen puolelle. Heikko alimääräytyneisyys korostaa tieteen dynaamisuutta: se on prosessi, jossa teorioita hiotaan uusien todisteiden valossa.

2. Vahva alimääräytyneisyys: Tässä muodossa teoriat ovat empiirisesti ekvivalentteja, eli ne tuottavat täysin samat havaittavat ennusteet kaikissa mahdollisissa tilanteissa. Eroja voi olla metafyysisissä tulkinnoissa tai taustaoletuksissa, mutta data ei voi erottaa niitä. Klassinen esimerkki löytyy kvanttifysiikan rintamalta: Kööpenhaminan tulkinta näkee kvanttimaailman todennäköisyyksinä ja havainnon romahduttavan aaltofunktion, kun taas monimaailmatulkinta ehdottaa, että jokainen kvanttitapahtuma ”haarauttaa” universumin useiksi rinnakkaisiksi todellisuuksiksi. Molemmat sopivat samaan kvanttimekaniikan dataan, mutta ne maalavat tyystin erilaisen kuvan todellisuudesta. Vahva alimääräytyneisyys haastaa ajatuksen, että tiede lähestyy ainutlaatuista totuutta.

Alimääräytyneisyys ei tarkoita relativismia, jossa kaikki teoriat olisivat yhtä hyviä. Sen sijaan se pakottaa meidät pohtimaan, miten valitsemme teorioiden välillä. Aiemmassa kirjoituksessani Occamin partaveitsestä korostin säästäväisyyden periaatetta: jos kaksi teoriaa selittää saman datan, valitsemme sen, joka vaatii vähemmän turhia olettamuksia. Tämä periaate toimii eräänlaisena tiebreakerina alimääräytyneisyyden tilanteissa, vaikka se ei olekaan empiirinen vaan filosofinen työkalu.

Historialliset juuret: Duhem-Quine-teesi ja holismi

Käsitteen syvällisempi ymmärtäminen vaatii paluuta sen filosofisiin synnytyssaleihin. Ranskalainen fyysikko ja filosofi Pierre Duhem (1861–1916) esitti 1900-luvun alussa, että teorioita ei voi testata eristyksissä. Sen sijaan jokainen testi sisältää koko verkoston apuhypoteeseja, instrumentteja ja taustaoletuksia. Jos testi epäonnistuu, emme tiedä, mikä osa verkostosta on vialla – ehkä teorian ydin, ehkä jokin apuhypoteesi. Tämä ns. Duhemin ongelma korostaa tieteen holismia: teoriat ovat osa laajempaa kokonaisuutta.

Amerikkalainen filosofi Willard Van Orman Quine (1908–2000) laajensi tätä Duhem-Quine-teesiin, joka väittää, että koko tieteellinen tietämys on verkko, jossa yksittäisiä väitteitä ei voi irrottaa muista. Quine käytti metaforaa "kokemuksen verkosta", jossa havainnot ovat verkon reunalla ja teoriat sisällä. Jos data on ristiriidassa teorian kanssa, voimme mukauttaa mitä tahansa osaa verkosta – jopa logiikkaa tai matematiikkaa – säilyttääksemme johdonmukaisuuden. Tämä radikaali holismi tarkoittaa, että alimääräytyneisyys on väistämätön: aina on useita tapoja sovittaa teoria dataan muuttamalla taustaoletuksia.

Duhem-Quine-teesi haastaa perinteisen falsifikationismin, jota käsittelin aiemmassa artikkelissani Karl Popperin väärinymmärryksestä. Popper korosti, että teorioita voidaan kumota deduktiivisesti, mutta Duhem-Quine-teesi osoittaa, että kumoaminen ei ole yksinkertaista: epäonnistunut testi voidaan aina pelastaa muuttamalla apuhypoteeseja. Esimerkiksi jos havainto ei sovi teoriaan, voimme kyseenalaistaa mittalaitteen tarkkuuden tai jopa fysiikan peruslakeja. Tämä ei tee Popperin ajatusta hyödyttömäksi, mutta se muistuttaa, että falsifiointi on osa laajempaa, holistista prosessia.

Konkreettisia esimerkkejä tieteen historiasta

Teorioiden alimääräytyneisyys ei ole abstrakti filosofinen pulma – se näkyy konkreettisesti tieteen kehityksessä. Otetaan muutama esimerkki:

- Gravitaatio ja relativiteetti: Newtonin gravitaatioteoria sopi erinomaisesti 1700- ja 1800-lukujen dataan, mutta Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria tarjosi vaihtoehdon, joka myös selitti saman datan mutta erilaisilla oletuksilla (painovoima avaruusajan kaareutumisena). Aluksi molemmat olivat alimääräytyneitä suhteessa dataan, kunnes Einsteinin teoria ennusti uusia ilmiöitä, kuten valon taipumisen Auringon lähellä. Tämä kuvaa heikkoa alimääräytyneisyyttä, jossa uudet havainnot ratkaisevat kiistan.

- Ilmastonmuutosmallit: Modernissa ilmastotieteessä useat mallit sopivat historialliseen lämpötiladataan, mutta eroavat tulevien skenaarioiden ennusteissa. Taustaoletukset, kuten pilvien palautemekanismit tai aerosolien vaikutus, vaihtelevat. Data alimääräyttää mallit, ja valinta riippuu ei-empiirisistä kriteereistä, kuten mallin yksinkertaisuudesta tai johdonmukaisuudesta muiden tieteenalojen kanssa.

- Biologia ja evoluutio: Darwinin luonnonvalintateoria selittää lajien kehittymisen, mutta vaihtoehtoiset teoriat, kuten lamarckismi (hankittujen ominaisuuksien periytyvyys), sopivat aluksi samaan fossiilidataan. Vasta genetiikan kehitys (Mendelin lait) erotti ne. Kuitenkin jopa nykyään evoluution mekanismeista on kilpailevia tulkintoja, kuten neutraali evoluutio vs. valinta, jotka voivat olla vahvasti alimääräytyneitä.

Nämä esimerkit osoittavat, miten alimääräytyneisyys vaikuttaa tieteen edistymiseen. Aiemmassa kirjoituksessani Kuhnin paradigmoista kuvasin, miten tieteelliset vallankumoukset syntyvät anomaliakriiseistä. Alimääräytyneisyys vahvistaa tätä: kriisissä vanha paradigma ei sovi dataan, mutta uusi paradigma valitaan osittain ei-empiirisin perustein, koska data ei yksin määrää siirtymää.

Implikaatiot tieteenfilosofialle: Realismista instrumentalismiin

Teorioiden alimääräytyneisyys haastaa tieteellisen realismin, joka väittää, että onnistuneet teoriat kuvaavat todellisuutta suoraan. Jos useat teoriat sopivat dataan, miten voimme tietää, mikä niistä on "todellinen"? Tämä johtaa instrumentalismiin, jossa teorioita pidetään vain hyödyllisinä työkaluina ennusteisiin, ei totuuden kuvaajina. Esimerkiksi kvanttifysiikan tulkinnat voivat olla instrumentaalisesti yhtä hyviä, vaikka ovatkin metafyysisesti hyvin erilaisia.

Lisäksi alimääräytyneisyys korostaa tieteen sosiaalista ulottuvuutta: tutkijoiden yhteisöt valitsevat teorioita paradigmojen puitteissa, kuten Kuhn kuvaa. Tämä ei tee tieteestä subjektiivista, mutta se muistuttaa, että arvoilla ja perinteillä on suuri vaikutus. Luonnontieteissä empiirinen paine rajoittaa vaihtoehtoja, kun taas humanistisissa tieteissä alimääräytyneisyys on voimakkaampaa ideologioiden vuoksi.

Alimääräytyneisyys opettaa nöyryyttä: tiede ei tarjoa lopullisia vastauksia, vaan parhaita mahdollisia selityksiä tällä hetkellä. Se kannustaa kriittiseen ajatteluun ja uusien vaihtoehtojen etsintään, mikä on tieteen elinvoiman salaisuus.

Anssi H. Manninen (aka ”Kant II”)

PS. Duhemin ajatus alimääräytyneisyydestä on esitetty kattavimmin teoksessa La Théorie Physique: Son Objet et Sa Structure (1906/1914), joka on saatavilla ilmaiseksi PDF-muodossa esim. Internet Archivesta. Quinen radikaali laajennus löytyy klassikkoartikkelista ”Two Dogmas of Empiricism” (1951), joka on luettavissa ilmaiseksi useista lähteistä, esim. täältä. Nämä kaksi tekstiä muodostavat Duhem-Quine-teesin perustan.