Eksperymenty myślowe, czyli wyobraźnia jako narzędzie

Istnieje pewien rodzaj eksperymentów, które może przeprowadzać każdy z nas. Nie trzeba do tego ani specjalnego wykształcenia, ani dostępu do drogiego sprzętu. Wystarczy odrobina wyobraźni. Mowa oczywiście o eksperymentach myślowych. Pojęcie to ukute zostało przez Hansa Christiana Oersteda, duńskiego fizyka i chemika w 1811 r., jednak eksperymenty myślowe wykorzystywane były już o wiele wcześniej, bo w starożytności. Słynny eksperyment Lukrecjusza, dotyczący natury przestrzeni, to jeden z najdawniejszych, jakie znamy. Wyobraźmy sobie, że docieramy do granicy wszechświata – możemy ją zobrazować jako ścianę. Trzeba przyznać, że takie wyobrażenie granicy wszechświata aż razi naiwnością, ale przyjmijmy je na potrzeby tego eksperymentu. Skoro już „widzimy” oczami wyobraźni tę ścianę, spróbujmy w nią czymś rzucić. Niech to będzie kamień, który akurat mamy w kieszeni. Jeżeli kamień nie zatrzyma się na „ścianie”, oznaczać to będzie, że nie była to żadna granica. Granicy w takim przypadku po prostu nie ma, a więc przestrzeń jest nieskończona. A co jeśli rzucony kamyk odbije się od ściany i wyląduje nam obok nogi? Będzie to oznaczało, że mamy granicę, ale przecież za ścianą też musi się coś znajdować – sama ściana jest umieszczona w przestrzeni. Jeśli to, co widzimy, jest rzeczywiście ścianą, to i tak nie stanowi właściwej granicy wszechświata. Przestrzeń musi być zatem nieskończona.

Można rzecz jasna dyskutować zarówno z samą konstrukcją tego eksperymentu, jak i z wnioskami, do jakich prowadził on Lukrecjusza. Z punktu widzenia współczesnej nauki są one dość wątpliwe. Zostawmy jednak tę dyskusję, a spróbujmy zastanowić się, co ten przykład mówi nam o eksperymentach myślowych.

Po pierwsze, eksperymenty myślowe nieco przypominają eksperymenty rzeczywiste w tym sensie, że w obu przypadkach celem jest przebadanie jakiegoś zjawiska czy przeanalizowanie problemu. Oba typy eksperymentów służą lepszemu zrozumieniu świata. Oba mogą też prowadzić do zdobycia nowej wiedzy. Nawiasem mówiąc, w przypadku eksperymentów myślowych jest to szczególnie frapujące. Możemy bowiem zdobyć nową wiedzę na temat świata bez odniesienia do badań rzeczywistych – a priori. To zagadnienie szczególnie interesuje filozofów, ponieważ dyskusja nad statusem sądów na temat świata była w historii filozofii szczególnie żywa.

Eksperymenty myślowe, w przeciwieństwie do rzeczywistych, odbywają się nie w laboratorium, a w ludzkich głowach. Rolę narzędzi badawczych spełnia w nich wyobraźnia – to dzięki niej możemy testować rozmaite hipotezy i lepiej zrozumieć otaczający nas świat. Eksperymenty te mają także walor dydaktyczny – pozwalają na wyjaśnienie złożonych zagadnień w prosty sposób.

W domenie abstrakcji

Fizyka i filozofia znacznie się od siebie różnią. Choć ta pierwsza wyrasta z drugiej, to uwagi na silną matematyzację stanowi dziedzinę, której analizy odbiegają od tych, jakie znamy z filozofii. Nie zmienia to jednak tego, że właśnie fizycy i filozofowie w największym stopniu korzystają z eksperymentów myślowych. W mniejszym – ale również istotnym zakresie – robią to biolodzy, ekonomiści czy prawnicy. Spróbujmy się przyjrzeć kilku przykładom i zastanowić się, dlaczego to w fizyce i filozofii korzystanie z wyobraźni okazuje się szczególnie istotne.
Z pierwszym przykładem eksperymentu filozoficznego – ale dotyczącego problemu naukowego z dziedziny fizyki – zetknęliśmy się już przed chwilą. Biorąc go pod uwagę można opisać następujące kroki tworzenia eksperymentu myślowego:
(1) wyobrażenie pewnej sytuacji, często kontrfaktyczne (oznacza to, że wyobrażamy sobie coś, co jest mniej lub bardziej „dziwaczne” – np. ścianę jako granicę wszechświata; to, że jesteśmy mózgami zamkniętymi w naczyniach; to, że w pudełku znajduje się kot, który może umrzeć w dowolnej chwili, jeśli rozpadowi ulegnie pierwiastek promieniotwórczy);
(2) wyobrażenie sobie jakiegoś działania czy zmiany (rzucenie w ścianę kamieniem, działalność szalonego eksperymentatora; rozpad (lub jego brak) pierwiastka promieniotwórczego);
(3) wyciągnięcie wniosków w odniesieniu do problemu, który badamy (nie ma granicy wszechświata, więc przestrzeń jest nieskończona; znaczenie nie znajduje się w głowach; kot jest żywy i martwy jednocześnie, dopóki nie otworzymy pudełka).

Taki schemat był stosowany wielokrotnie przez różnych fizyków, którzy dzięki eksperymentom myślowym byli w stanie dokonać nowych odkryć naukowych albo lepiej zrozumieć nowe, kontrintuicyjne teorie naukowe. Na przykład, wyobrażenie sobie spadającej, a następnie wznoszącej się w górę windy pomogło Einsteinowi zrozumieć relację między grawitacją a przyspieszeniem. Jeśli wyobrazimy sobie, że znajdujemy się w takiej windzie, zauważymy, że podczas bardzo szybkiego ruchu w górę działanie grawitacji i przyspieszenie staną się nieodróżnialne – innymi słowy, nasze stopy będą silnie przytwierdzone do podłogi windy. Zupełnie inaczej niż wtedy, gdy winda spada – wtedy znajdziemy się w stanie, w którym nie będą na nas działały siły grawitacji.

W tym przypadku wyobrażamy sobie sytuację, która nie jest silnie kotrfaktyczna – windą przecież porusza się wiele osób. Ale element kontrfaktyczności jest obecny w bardzo dużej prędkości windy. Bardziej „dziwaczny” jest eksperyment, jaki zaproponował Erwin Schroedinger, jeden z twórców mechaniki kwantowej. To słynny „kot Schroedingera”. Wyobraźmy sobie, że w pudełku zamknięty jest kot. Jako że koty znane są ze swojego upodobania do pudełek, wyobrażenie sobie takiej sytuacji jest proste. Ale dodajmy do tego, że w pudełku znajduje się też promieniotwórczy pierwiastek, licznik Geigera, młotek i flakonik z trucizną, która – jeśli ten flakonik opuści – zabije kota. Pierwiastek może, ale nie musi, ulec rozpadowi. Jeśli do tego jednak dojdzie, licznik Geigera spowoduje ruch młotka, ten rozbije flakonik i niestety kot umrze. Istotne jest to, że dopóki nie otworzymy pudełka, nie będziemy wiedzieć, co się stało z kotem (zakładamy, że w inny sposób nie możemy sprawdzić, czy kot żyje – na przykład, przez pudełko nie przechodzą żadne dźwięki). Kot jest wtedy jednocześnie żywy i martwy. Eksperyment ten ilustruje zjawisko znane w mechanice kwantowej: dopóki nie zostanie dokonana obserwacja, cząstka znajduje się jednocześnie w różnych stanach (czyli w superpozycji). Nie tylko ułatwia on samym naukowcom zrozumienie zjawiska silnie niezgodnego z potocznym postrzeganiem świata, ale ma też walor dydaktyczny.

Analizując eksperymenty myślowe w fizyce możemy pójść jeszcze dalej i „okiem umysłu” dostrzec coś bardzo kontrfaktycznego. Jeżeli wyobrazimy sobie, że możemy zmienić czas, w którym się znajdujemy – czyli odbyć podróż w czasie, to zobaczymy rzeczywistość, która według naszej wiedzy nie może zaistnieć. Takie – mocno dziwaczne – wyobrażenie pozwala na sformułowanie argumentu przeciwko możliwości podróży w czasie. To pewien słynny paradoks, którego występowanie można stwierdzić nie ruszając się z fotela.

Jest rok 2021, ale wyobraźmy sobie, że w wyniku pewnych okoliczności znajdujemy się w roku 1946 i stoimy przed domem naszego dziadka, który wówczas ma 15 lat. Właśnie wychodzi on z domu i udaje się do pracy w polu. Co się stanie, jeśli w jakikolwiek sposób zaingerujemy w jego życie? Możemy doprowadzić do tego, że nigdy nie spotka on naszej babci, w związku z tym my nie zaistniejemy. W najbardziej radykalnej wersji eksperymentu zabijamy dziadka jako nastolatka. W związku z tym sami sprawiamy, że nie możemy zaistnieć. A skoro nie możemy zaistnieć, to nie możemy się też cofnąć w czasie, żeby zabić dziadka. To ciekawy paradoks – i może on zostać wykorzystany jako argument przeciw możliwości podróży w przeszłość w takim sensie, w jakim przedstawiają ją twórcy science fiction.

Eksperyment na torach

Ten eksperyment można zresztą uznać za eksperyment filozoficzny, ponieważ podróże w czasie to temat, który interesuje zarówno fizyków, jak i filozofów. Ci ostatni przedstawili wiele bardziej i mniej udanych eksperymentów myślowych. Niektóre z nich są cały czas przywoływane i wykorzystywane w badaniach naukowych. Na przykład, eksperyment zaproponowany przez Philippę Foot, nazwany później „dylematem wagonika”, jest używany nie tylko przez etyków, ale i przez neurobiologów badających mózgowe podłoże decyzji moralnej. Powstało wiele wersji tego eksperymentu, przeanalizujmy jedną z nich.

Wyobraźmy sobie, że wybraliśmy się na długi spacer i po drodze natknęliśmy się na stare tory kolejowe. Obok nas znajduje się zwrotnica. Nagle zauważamy, że z oddali nadjeżdża pusty, rozpędzony do wysokiej prędkości wagonik, a jego ruchu nikt nie kontroluje. Spoglądamy w drugą stronę i widzimy, że daleko od nas na torach znajduje się łącznie 6 osób: 5 na jednym torze i 1 na drugim. W tej chwili wagonik, mijając zwrotnicę, pojedzie w kierunku 5 osób, które w żaden sposób nie mogą się dowiedzieć, że ich życie jest zagrożone. Również osoba stojąca samotnie na drugim torze zginie, jeśli wagonik pojedzie w jej kierunku. Wydaje się nam zapewne, że śmierć jednej osoby stanowi mniejsze zło niż śmierć pięciu osób. Aby jednak ocalić życie piątki, trzeba poświęcić samotnika stojącego na torach. W tym momencie pojawia się dylemat moralny: czy powinniśmy przestawić zwrotnicę? Jeśli to zrobimy, w wyniku naszego działania umrze jedna osoba; jeśli zachowamy się biernie, zginie 5 osób w wyniku naszego zaniechania. Co powinniśmy zrobić?

Ten eksperyment zawiera kilka elementów kontrfaktycznych (np. założenie, że osoby nie dowiedzą się o zagrożeniu wcześniej i nie mogą zejść z torów). Elementem kluczowym jest możliwość podjęcia działania w postaci użycia zwrotnicy. Przeprowadzając w głowie rozumowanie na temat decyzji moralnej dostrzegamy jej problematyczność. Nie ma tutaj jednego, dobrego rozwiązania.

Eksperyment ten stał się źródłem wielu dyskusji w obrębie etyki i innych dyscyplin. Jednak jego znaczenie wykracza poza debaty filozoficzne. Został on wykorzystany przez neurobiologów badających mózgowe podłoże decyzji moralnych. Okazało się, że osoby, u których wystąpiły lezje, czyli uszkodzenia fragmentów mózgu, podejmowały inne decyzje niż osoby, których mózgi nie były uszkodzone. Wiąże się to prawdopodobnie ze zmianami w sferze afektywnej i pokazuje, że kluczową rolę w podejmowaniu trudnych decyzji odgrywają emocje.

Oczywiście filozofowie przedstawili wiele innych eksperymentów myślowych. Dość wspomnieć o słynnym eksperymencie Hilarego Putnama (mózgi w naczyniach) czy o eksperymencie Franka Johnsona, który dotyczył relacji między mózgiem a umysłem (czego nie wiedziała Mary?). Aby uprawiać filozofię nie wystarczy umiejętność myślenia analitycznego – potrzebna jest też dobrze funkcjonująca wyobraźnia.

Marek Jakubiec

Dofinansowano z programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu „Otwarta Nauka w Centrum Kopernika”.