Què és, i què no és, una teoria científica

Si ens guiem per la prestigiosa Enciclopèdia de filosofia de Stanford (Stanford Encyclopedia of Philosophy, Library of Congress Catalog Data, 2019; ISSN 1095-5054), resulta que hi ha tres perspectives diferents sobre el que és una teoria científica: la perspectiva sintàctica, la semàntica i la pragmàtica. C.W. Savage (“Preface”, dins Scientific Theories, Minnesota Studies in the Philosophy of Science, Vol. 14, C.W. Savage, Ed., University of Minnesota Press, Minneapolis, 1990) distingeix aquestes perspectives filosòfiques així: la visió sintàctica que una teoria científica és una col·lecció axiomatitzada de frases o postulats ha estat qüestionada per la visió semàntica, segons la qual és de fet una col·lecció de models no lingüístics, i ambdues concepcions són encara desafiades per la perspectiva pragmàtica, que defensa que una teoria és una entitat amorfa que potser sí que consisteix en frases i models, però igual d'importants són els exemples, problemes, estàndards, habilitats, pràctiques i tendències.

T. Mormann (The Structure of Scientific Theories in Logical Empiricism, dins The Cambridge Companion to Logical Empiricism, A. Richardson i T. Uebel, Eds., Cambridge University Press, Cambridge, 2007; pp. 136-162) caracteritza les visions sintàctiques i semàntiques en termes similars, i va ser dels primers a utilitzar el terme visió pragmàtica per tal de capturar l’essència de la tercera perspectiva. Les tres aproximacions han estat batejades en funció d'una corresponent tricotomia de la lingüística que té les arrels en l'obra de Charles Morris, famós filòsof i semiòtic americà, i posteriorment en la de Charles S. Peirce, que és conegut a vegades com "el pare del pragmatisme".

Des d’un punt de vista ben diferent, cal sens dubte esmentar també obres molt crítiques amb l’evolució actual de les teories científiques, com ara les de Peter Woit (Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law, Basic Books; Reprint Edition, 4 set. 2007), el blog associat de John Horgan, i el llibre d’aquest darrer, curull també de crítiques (The End Of Science: Facing The Limits Of Knowledge In The Twilight Of The Scientific Age, Basic Books; New Edition, 14 abril 2015). Sense entrar en aquests debats (que podríem tractar en un altre post), em concentraré aquí només en els seus aspectes més positius, preguntant, per començar: com hem arribat a definicions tan profundes i elaborades? Faré primer una mica d’història i després resumiré l’essència del concepte, posant alguns exemples molt clars que ens serviran de guia per no perdre’ns en aquest camp. En els exemples hi podrem reconèixer ben clarament els diversos trets de les tres perspectives de la definició de teoria científica.

Una mica d’història

L'inici de la història del mètode científic va tenir lloc en el moment en què les dues grans cultures de les antigues Grècia i Pèrsia es trobaren. Això va ocórrer precisament mentre els seus respectius exèrcits s’enfrontaven en batalles que es recordaran sempre (Marató, Termòpiles, Salamina, Platea). És fàcil oblidar que aquestes dues cultures es tenien un profund respecte mutu i que sovint negociaven idees i coneixements. Cal assenyalar, en efecte, que el coneixement no té fronteres. Però mentre que els astrònoms babilònics, indis i egipcis, com també els seus metges i matemàtics, van formular idees empíriques, foren els grecs els primers a desenvolupar el que coneixem com a mètode científic.

Inicialment, els filòsofs de la Grècia antiga no creien en l'empirisme, i veien el fet de mesurar, incloent-hi fins i tot la geometria, com a domini dels artesans i artesanes. Els filòsofs, fins a Plató, creien que tot el coneixement es podia obtenir a través del raonament pur, i que no calia sortir a mesurar res. Això ens pot sonar ara molt estrany, però tenien bones raons per pensar així, que em portaria massa temps discutir en aquest moment (remeto el lector, altre cop, a l’Enciclopèdia de filosofia de Stanford).

La mesura i l'observació, els fonaments sobre els quals es construeix la ciència avui, van ser en aquella època l'aportació d'Aristòtil, considerat amb raó el pare de la ciència. Va ser el primer filòsof a adonar-se de la importància de la mesura empírica i establí que el coneixement només es podia obtenir a partir del que ja es coneix. Va proposar la idea d'inducció com a eina per obtenir coneixement, i va comprendre que el pensament i el raonament abstractes s'han de basar en troballes del món real. Aplicà els seus mètodes a gairebé tot, des de la poesia i la política fins a l'astronomia i la història natural. El seu “mètode protocientífic” consistia a fer observacions minucioses en cada cas. Així, per estudiar el món natural, va escrutar més de mig miler d'espècies i, en un tractat sobre política, va estudiar les constitucions de les prop de cent seixanta ciutats estat gregues, una empresa gegantina i en contrast directe amb Plató i la seva idea d'una república perfecta, que es basava únicament en una perfecció teòrica més que no pas en els sistemes reals ja existents.

Les primeres etapes de l’islam constituïren una edat d'or per a l’extensió del coneixement, i la història del mètode científic ha de tenir gran respecte per alguns dels brillants filòsofs musulmans de Bagdad i Al-Andalus. Per una banda, van preservar el saber dels filòsofs grecs, començant per Aristòtil; però també van afegir-hi molt de la seva part i esdevingueren els catalitzadors de la formulació d'un mètode científic reconegut després pels científics i filòsofs moderns.

Roger Bacon (1214-94) va ser un dels primers estudiosos europeus a perfeccionar els mètodes científics. Va desenvolupar la idea de fer observacions, de formular una hipòtesi i després experimentar per tal de demostrar-la. A més, va documentar meticulosament els seus experiments perquè altres científics poguessin repetir-los i verificar-ne així els seus resultats. Més de tres segles després, Francis Bacon (1561-1626) va ser un dels màxims motors del desenvolupament del mètode científic. Va reiterar la importància de la inducció com a part del mètode científic, afirmant que tot descobriment científic hauria de procedir a través d'un procés d'observació, experimentació, anàlisi i raonament inductiu, per després aplicar les troballes a l'univers en general. També va afirmar que es podien utilitzar proves experimentals per tal d’eliminar teories conflictives i apropar-se a la veritat. El gran filòsof i matemàtic René Descartes (1596-1650), per contra, defensà fermament que l'univers era com una màquina gegant. En conseqüència, si algú fos capaç d’entendre les lleis bàsiques de l'univers, podria després deduir com aquest es comportaria en qualsevol circumstància concreta.

I així arribem a Galileu (1564-1642), que és recordat sobretot pel seu experiment de la torre de Pisa. Va contribuir decisivament al mètode científic i és un fet que grans físics, com ara Einstein i Hawking, el van proclamar com a “pare de la ciència moderna”. No hi ha cap dubte que la seva metodologia va configurar la física i altres camps de la ciència basant-se en els teoremes matemàtics. Els seus mètodes, que foren els orígens de la divisió entre ciència i religió (que fins aleshores havien restat una mateixa cosa, també al món islàmic) van incloure una estandardització de mesures que permetessin verificar els resultats experimentals en qualsevol lloc: el conegut com a principi d’invariància galileana que, convenientment estès, esdevingué crucial en la formulació de les teories de la relativitat d’Einstein.

Galileu va utilitzar un mètode científic fortament inductiu perquè va comprendre que cap evidència empírica podria coincidir perfectament amb les prediccions teòriques. Creia (amb raó) que era impossible que un experimentador pogués tenir en compte totes les variables: cap experiment mai no podria mesurar de manera perfecta, a causa de la resistència de l'aire, la fricció, i les inexactituds amb els dispositius i mètodes temporals emprats. No obstant això, la repetició d’un experiment per part d'investigadors independents podria generar un conjunt d'evidències que permetessin realitzar una correcta extrapolació de la teoria general, de la llei fonamental de la natura. Aquest període, que abasta els segles XVI i XVII, es coneix sovint com el de la revolució científica. Va arribar al seu zenit amb Isaac Newton, que fou el primer a entendre que el mètode científic necessitava tant la deducció com la inducció i que ambdues s’enriquien l'una a l’altra.

Un esdeveniment important va ser la creació, el 1660, de la Royal Society, amb la finalitat de proporcionar un grup d'experts que assessorés i guiés, alhora que també supervisés, la divulgació d'informació, i que va establir un diari per ajudar en el desenvolupament del procés. Aquest organisme va dictaminar que les proves experimentals sempre substitueixen l'evidència teòrica, un dels fonaments de la ciència moderna. Naturalment, la creació d'un grup d'experts i la fundació de revistes també van conduir a una veritable revisió per parells, un procés adaptat de les pràctiques musulmanes.

Alguns exemples importants

Acabada aquesta segona part, històrica, començo ara la tercera i última en què il·lustraré el concepte amb alguns exemples actuals que considero molt apropiats. Rescatem, però, abans, el nucli del concepte de teoria científica, allò que hi ha de comú i absolutament essencial en totes les formulacions que hem esmentat, en particular a partir de Galileu: en tota teoria científica hi distingim dues parts (o dues potes, sobre les quals aquesta se sustenta), que són igualment importants, indispensables. D’una banda, els resultats del laboratori o de l'observació de la natura; de l’altra, el model teòric o llei fonamental que obeeixen aquestes observacions. Per molt elegant que sigui un model o una teoria, si no es correspon amb observacions de la natura o resultats de laboratori aquesta llei o model no tindran el més mínim valor com a teoria científica. D’altra banda, una col·lecció de resultats experimentals o observacions, per més precisos, acurats i exhaustius que siguin, tampoc tindran cap valor com a teoria científica si no som capaços de determinar la llei o model, d’abast més o menys gran, que obeeixen.

En posaré dos exemples. Ara com ara, diverses missions astronòmiques han recollit ja una fabulosa quantitat de dades sobre l’existència, distribució i evolució de la matèria fosca que hi ha a l’univers. La quantitat i qualitat d’aquestes dades s’acumula dia a dia des de fa unes quantes dècades. Però encara ningú no ha estat capaç de trobar un model teòric que pugui explicar de manera irrefutable (això és, amb precisió de 5 sigmes o més) totes aquestes dades. Per això no tenim encara una teoria científica sobre la matèria fosca; ens manca una de les dues potes sobre les quals s’hauria de sostenir: el model teòric o llei fonamental. En l’altre extrem, tenim també des de fa diverses dècades una teoria espectacular, la de la supersimetria, que com a model teòric no pot ser més brillant, atraient i ben pensat. Som molts els qui opinem que aquesta teoria ha de ser necessàriament correcta, que no pot ser falsa, de cap manera. Però heus aquí que avui en dia encara no hi ha cap resultat experimental que la confirmi, per molt que s’ha estat intentant de trobar-los amb experiments al LHC del CERN (a Suïssa) i a altres laboratoris d’altes energies d’arreu del món. I així la supersimetria no és en l’actualitat una teoria científica, li manca l’altra pota: l'observacional.

La teoria de Higgs de generació de la massa de les partícules elementals per ruptura espontània d’una simetria, i que predeia l’existència del bosó de Higgs descobert fa ben pocs anys, el 2012, al LHC, és un altre bell exemple d’una preciosa teoria que no ha esdevingut científica fins que ha aparegut l’evidència experimental, després de prop de cinquanta anys des de que Peter Higgs i altres la varen formular el 1964. Altres exemples igualment magnífics són els de Paul Dirac i Wolfgang Pauli, que van predir, respectivament, la necessària existència dels positrons (i amb aquests de l’antimatèria) i dels neutrins (que ara sabem que són omnipresents a l’univers), a partir de corresponents models teòrics que aquests dos grans científics consideraren en el seu dia que no podien sinó ser reals, que descrivien el món en què vivim.

Una teoria científica: l’expansió de l’univers

Un altre exemple, també molt important, el constitueix el descobriment de l’expansió de l’univers, com a teoria científica avui ben contrastada. Hi ha una confusió molt gran (i a cops del tot incomprensible!) a la literatura sobre aquest tema. La immensa majoria dels llibres, enciclopèdies, articles i conferenciants a dojo afirmen sense cap rubor que va ser Edwin Hubble qui va descobrir que l’univers s’expandeix. Però això no és cert, ni de bon tros. La realitat incontestable descoberta pels historiadors de la ciència en investigacions recents és que Hubble mai no va creure en l’expansió de l’univers, encara que de fet va contribuir de manera molt important a aquesta descoberta. I em direu, com és possible? En què quedem?

És ben fàcil d’entendre. Tornem a la definició esquematitzada:

teoria científica = observació + model teòric

Hubble només va contribuir a la primera pota: l’observació. Va construir una taula de distàncies a les nebuloses espirals i comparant-la amb la taula de velocitats radials d’allunyament d’aquestes nebuloses, obra de Vesto Slipher, va trobar la seva famosa llei que indicava que les nebuloses s’allunyaven de nosaltres a una velocitat proporcional a la seva distància: com més lluny són, més ràpidament se’n van. Això volia dir, sense cap dubte, que la grandària de l’univers visible augmentava de manera inexorable: l’univers es fa més i més gran. Aquesta conclusió és claríssima, tothom la va assimilar ràpidament i ningú no la va discutir mai. Hubble esdevingué famós, de cop i volta. Però és que això no té res a veure amb dir que l’univers s’expandeix, que el teixit de l’espaitemps s’estira.

Repeteixo, ningú no va rebatre mai la llei de Hubble, era irrefutable com a llei empírica (encara que, tot s’ha de dir, les seves dades astronòmiques s’ha demostrat després que tenien un error del 800% en alguns casos). Però durant més de cinquanta anys van perviure dos models teòrics que explicaven perfectament aquesta llei empírica: (a) la teoria de l’estat estacionari (Steady State Theory, SST), del 1948, deguda a Hermann Bondi, Thomas Gold i Fred Hoyle, i (b) la teoria del big-bang (BB), deguda a Georges Lemaître però batejada el 28 de març de 1949 amb aquest nom per Fred Hoyle (amb la perversa intenció de caricaturitzar-la). Eren dues teories molt contraposades. La SST aconseguia que l’univers seguís sent estacionari, encara que augmentés de grandària constantment: la densitat de matèria/energia es mantenia constant a partir de la creació continuada d'aquesta, que tenia lloc de manera suau, però en la proporció adequada, al bell mig de les galàxies. A la teoria del BB, ben al contrari, l’allunyament a grans velocitats de les galàxies llunyanes no era real, les galàxies no tenen velocitats extraordinàries sinó que pràcticament no es mouen i és el teixit de l’univers (això és, l’espaitemps) el que s’expandeix. Aquest és un concepte molt i molt i molt difícil de pair. Només cal recordar que al gran Albert Einstein li va costar deu anys sencers d’entendre’l, per molt que Friedmann (l'any 1922) i Lemaître (el 1927) el van intentar convèncer i, ja posteriorment Eddington, Tolman i De Sitter, que ho havien ja entès en començar els anys trenta, una mica abans que ell mateix ho fes, finalment, el 1932. Repeteixo que Hubble no ho va entendre mai, i així ho va confessar en diverses ocasions. Finalment, la llei (empírica) de Hubble, juntament amb la solució de Friedmann de les equacions d’Einstein com a model teòric són les dues potes que van sustentar l’extraordinària teoria científica de l’expansió de l’univers. Sense cap dubte, un dels descobriments més importants en tota la Història de la Humanitat.

Qui va ser, doncs, el primer a descobrir que l’univers, això és, el teixit de l’espaitemps, s’expandeix? La resposta no és immediata, no es pot resumir en un sol nom, ni tan sols en un únic paràgraf. Vegem-ho cronològicament:

1. Vesto Slipher va ser el primer a adonar-se clarament, el 1914, que era molt difícil que l’univers fos estàtic, ja que descobrí que les nebuloses espirals s’allunyaven de nosaltres a velocitats extraordinàries.
2. Albert Einstein va establir el marc teòric, formulant el 1915 la teoria de la relativitat general i aplicant les seves equacions el 1917, per primera vegada, a descriure l’univers.
3. Willem de Sitter va ser el primer a trobar, el mateix any 1917, una solució d’aquestes equacions que descriu un univers en expansió. Això sí, aquest univers es va considerar irreal, ja que no contenia cap matèria ni energia ordinàries.
4. Alexandr Friedmann va ser el primer, el 1922, a dir que el nostre univers podia estar en expansió, ja que havia trobat una solució de les equacions d’Einstein que podia interpretar-se com a corresponent a un univers amb les característiques del nostre i que s’expandeix.
5. Georges Lemaître va ser, de fet, el primer a formular, el 1927, una teoria científica com cal per a l’univers. Fou el primer a lligar les dades astronòmiques, això és, les taules de velocitats (redshifts de Vesto Slipher) i distàncies (d’Edwin Hubble), que conduïen a una llei empírica de proporcionalitat (que Hubble no va formular fins dos anys més tard, el 1929), amb la solució de Friedmann de les equacions d’Einstein, que el mateix Lemaître havia redescobert el 1925. Quan va presentar les seves conclusions a Albert Einstein, en un recés de la tan famosa Conferència Solvay del 1927, aquest li va respondre que, encara que no trobava cap error en els seus càlculs, la seva intuïció física (dir que l’univers s’expandeix) era “abominable”.

Tots aquests científics van intervenir, doncs, en el descobriment de la important teoria científica de l’expansió de l’univers. I encara molts més, que aquí no he esmentat per manca d’espai.

Per a més informació:

1. E. Elizalde, Reasons in favor of a Hubble-Lemaître-Slipher's (HLS) law, Symmetry 2019, 11(1), 35; arXiv:1810.12416

2. E. Elizalde, “All That Matter ... in One Big Bang ...,” & Other Cosmological Singularities, Galaxies 2018, 6, 25; arXiv:1801.09550