Seperti apa sains yang baik?

Fisikawan Wina, Wolfgang Pauli, menderita karena hati nurani yang bersalah. Dia telah memecahkan salah satu teka-teki paling rumit dalam fisika nuklir, tetapi dengan ganjaran. ‘Aku telah melakukan hal yang mengerikan,’ dia mengaku pada seorang teman pada musim dingin tahun 1930. ‘Aku telah mempostulasikan sebuah partikel yang tidak dapat dideteksi.’

Meskipun pantomim keputusasaannya, surat Pauli mengungkapkan bahwa dia tidak benar-benar berpikir partikel sub-atomnya yang baru akan tetap tidak terlihat. Dia percaya bahwa peralatan eksperimental pada akhirnya akan sesuai dengan tugas untuk membuktikannya benar atau salah, dengan satu atau lain cara. Namun, dia khawatir dia terlalu dekat dengan pelanggaran. Hal-hal yang benar-benar tidak dapat diamati, Pauli percaya, adalah kutukan bagi fisika dan sains secara keseluruhan.

Pandangan Pauli bertahan di antara banyak ilmuwan saat ini. Ini adalah prinsip dasar dari praktik ilmiah bahwa teori baru seharusnya tidak meminta hal yang tidak terdeteksi. Sebaliknya, penjelasan yang baik harus dapat dipalsukan - yang berarti harus bergantung pada beberapa data hipotetis yang pada prinsipnya dapat membuktikan bahwa teori itu salah. Standar-standar yang saling berkaitan antara falsifiability dan observability memiliki silsilah yang membanggakan: falsifiability kembali ke filsuf pertengahan abad ke-20 dari sains Karl Popper, dan observability lebih jauh dari itu. Hari ini mereka dipatroli oleh wali yang ditunjuk sendiri, yang senang menolak beberapa gagasan yang lebih fantastis dalam fisika, kosmologi, dan mekanika kuantum karena begitu banyak kastil di langit. Biaya membiarkan ide-ide semacam itu ke dalam sains, kata para penjaga gawang, adalah untuk membersihkan jalan bagi segala bentuk omong kosong yang tidak ilmiah.

Tetapi bagi seorang fisikawan teoritis, mendesain langit-istana hanyalah bagian dari pekerjaan. Memutar ide-ide baru tentang bagaimana dunia bisa - atau dalam beberapa kasus, bagaimana dunia pasti tidak - merupakan pusat pekerjaan mereka. Beberapa struktur mungkin dibangun dengan sangat hati-hati selama bertahun-tahun, dan berakhir dengan nama-nama yang aneh seperti teori multiverse atau superstring inflasi. Yang lain direkayasa dan diberhentikan secara santai selama satu sore, ditemukan dan hilang lagi oleh seorang petualang sendirian di troposfer pikiran.

Itu tidak berarti itu hanya arsitektur langit-gaya freestyle di luar sana di perbatasan. Tujuan dari pembuatan teori ilmiah adalah untuk memahami sifat dunia dengan akurasi yang meningkat dari waktu ke waktu. Semua energi kreatif itu harus dikaitkan kembali dengan realitas pada titik tertentu. Namun, mengubah kecerdikan pada kenyataannya jauh lebih bernuansa daripada sekadar mengumumkan bahwa semua gagasan harus memenuhi standar falsifiabilitas dan observabilitas yang tidak fleksibel. Ini bukan ukuran kualitas teori ilmiah. Mereka mungkin merupakan panduan atau heuristik yang rapi, tetapi seperti biasanya dengan jawaban sederhana, mereka juga salah, atau setidaknya hanya setengah-kanan.

Falsifiabilitas tidak berfungsi sebagai pembatasan kosong dalam sains karena alasan sederhana bahwa tidak ada teori ilmiah yang benar-benar dapat difalsifikasi. Saya bisa memunculkan teori yang membuat prediksi yang kelihatannya dapat difalsifikasi, tetapi ketika data memberi tahu saya itu salah, saya bisa menyulap beberapa ide segar untuk mengisi lubang dan menyimpan teori.

Sejarah sains penuh dengan contoh-contoh rekayasa intelektual ex post facto ini. Pada 1781, William dan Caroline Herschel menemukan planet Uranus. Fisikawan pada waktu itu segera bersiap untuk memprediksi orbitnya menggunakan hukum gravitasi universal Sir Isaac Newton. Namun, dalam dekade-dekade berikutnya, ketika para astronom mengikuti gerak Uranus dalam orbit 84 tahun yang lambat di sekitar Matahari, mereka melihat ada sesuatu yang salah. Uranus tidak bergerak sebagaimana mestinya. Bingung, mereka menyempurnakan pengukuran mereka, melakukan pengamatan yang lebih banyak dan lebih hati-hati, tetapi anomali itu tidak hilang begitu saja. Fisika Newton tidak memprediksi lokasi Uranus dari waktu ke waktu.

Namun para astronom pada hari itu tidak mengklaim bahwa data tak terduga itu memalsukan gravitasi Newton. Sebaliknya, mereka mengusulkan penjelasan lain untuk gerakan aneh Uranus: sesuatu yang besar dan tak terlihat menarik planet ini. Perhitungan menunjukkan bahwa planet itu haruslah planet lain, sebesar Uranus dan bahkan lebih jauh dari Matahari. Pada tahun 1846, astrofisikawan Prancis Urbain Le Verrier meramalkan lokasi planet hipotetis ini. Tidak bisa mendapatkan observatorium Perancis yang tertarik dalam perburuan, ia mengirim rincian prediksi ke rekan-rekannya di Jerman. Malam itu, mereka mengarahkan teleskop mereka di mana Le Verrier menyuruh mereka untuk melihat, dan dalam waktu setengah jam mereka melihat planet Neptunus. Fisika Newton, bukannya dipalsukan, telah dibuktikan dengan luar biasa - telah berhasil memprediksi lokasi pasti dari seluruh planet yang tak terlihat.

Selama bertahun-tahun, misteri Merkurius tidak terpecahkan, tanpa ada pendapat bahwa Newton salah

Bilas dengan sukses, Le Verrier pergi setelah teka-teki planet lain. Beberapa tahun setelah penemuan Neptunus, menjadi jelas baginya dan para astronom lainnya bahwa Merkurius tidak bergerak sebagaimana seharusnya. Titik di orbitnya di mana ia membuat pendekatan terdekat ke Matahari, yang dikenal sebagai perihelion, bergeser sedikit lebih dari gravitasi Newton mengatakan itu harus setiap tahun Mercurial, menambahkan hingga 43 arcseconds ekstra (unit pengukuran sudut) selama kursus satu abad. Ini adalah jumlah yang sangat kecil - kurang dari 1/30 dari orbit penuh di sekitar Matahari - tetapi sama seperti Uranus sebelumnya, anomali tersebut tidak hilang dengan pengamatan yang terus-menerus. Dengan keras kepala tetap, menentang hantu Newton.

Sekali lagi, gravitasi Newton tidak dibuang sebagai dipalsukan - setidaknya, tidak segera. Sebaliknya, Le Verrier mencoba trik yang sama lagi: menjepit anomali di planet yang tak terlihat, sebuah batu kecil yang begitu dekat dengan Matahari yang telah dilewatkan oleh semua astronom lain sepanjang sejarah manusia. Dia menyebut planet Vulcan, setelah dewa Romawi bentukan itu. Le Verrier dan yang lain mencari Vulcan selama bertahun-tahun, menyeret teleskop kuat ke gerhana matahari dalam upaya untuk menangkap sekilas planet yang tak terlihat di menit-menit singkat totalitas sementara Matahari diblokir oleh bulan Bumi.

Le Verrier tidak pernah menemukan Vulcan. Setelah kematiannya pada tahun 1877, komunitas astronomi menghentikan pencarian, menyimpulkan bahwa Vulcan tidak ada di sana. Namun demikian, gravitasi Newton tidak dibuang. Sebaliknya, para astronom pada waktu itu secara kolektif mengangkat bahu dan melanjutkan perjalanan. Selama bertahun-tahun, misteri perihelion Mercury tidak terpecahkan, tanpa ada saran serius bahwa Newton salah. Pemalsuan itu tidak ada di menu.

Akhirnya, pada tahun 1915, Albert Einstein menggunakan teori relativitas umum barunya untuk menunjukkan bahwa ia dapat berhasil di mana Le Verrier telah gagal. Relativitas umum adalah kisah baru tentang bagaimana gravitasi bekerja, menggantikan fisika Newton - dan itu dengan sempurna meramalkan pergeseran perihelion Merkurius. Einstein mengatakan dia ‘di samping dirinya sendiri dengan sukacita’ ketika dia menyadari bahwa teorinya dapat menyelesaikan teka-teki lama ini dengan benar. Empat tahun kemudian, astronom Inggris Arthur Eddington dan timnya membawa teleskop kuat mereka ke gerhana, bukan untuk berburu Vulcan, tetapi untuk memastikan bahwa cahaya bintang membengkokkan Matahari seperti yang diprediksi oleh teori Einstein. Mereka menemukan bahwa relativitas umum adalah benar (meskipun penyelidikan kemudian menyarankan bahwa hasil mereka dirusak oleh kesalahan, meskipun mencapai kesimpulan yang benar); Einstein langsung meroket menjadi terkenal sebagai orang yang menunjukkan Newton salah.

Jadi gravitasi Newton akhirnya dibuang, tetapi tidak hanya dalam menghadapi data yang mengancamnya. Itu tidak cukup. Tidak sampai sebuah teori alternatif yang layak tiba, dalam bentuk relativitas umum Einstein, bahwa komunitas ilmiah menghibur gagasan bahwa Newton mungkin telah melewatkan trik. Tetapi bagaimana jika Einstein tidak pernah muncul, atau tidak benar? Dapatkah para astronom menemukan cara lain untuk memperhitungkan anomali dalam gerak Merkurius? Tentu saja - mereka dapat mengatakan bahwa Vulcan ada di sana setelah semua, dan hanya tidak terlihat oleh teleskop dalam beberapa cara.

Ini mungkin terdengar agak tidak masuk akal, tetapi sekali lagi, sejarah ilmu pengetahuan menunjukkan bahwa hal semacam ini benar-benar terjadi, dan kadang-kadang berhasil - seperti yang ditemukan Pauli pada tahun 1930. Pada saat itu, eksperimen baru mengancam salah satu prinsip inti fisika. , yang dikenal sebagai konservasi energi. Data menunjukkan bahwa dalam jenis peluruhan radioaktif tertentu, elektron dapat terbang keluar dari inti atom dengan berbagai kecepatan (dan energi petugas) - meskipun jumlah total energi dalam reaksi seharusnya sama setiap kali. Itu berarti energi terkadang hilang dari reaksi ini, dan tidak jelas apa yang terjadi padanya.

Fisikawan Denmark Niels Bohr bersedia menghentikan konservasi energi. Tetapi Pauli tidak siap untuk mengakui bahwa gagasan itu sudah mati. Sebaliknya, ia muncul dengan partikel anehnya. “Saya telah menemukan obat yang putus asa untuk menyelamatkan ... teorema energi,” tulisnya. Partikel baru dapat menyebabkan hilangnya energi, meskipun hampir tidak memiliki massa dan tidak ada muatan listrik. Tetapi detektor partikel pada saat itu tidak memiliki cara untuk melihat partikel tanpa muatan, sehingga solusi yang diusulkan Pauli tidak terlihat.

Meskipun demikian, daripada setuju dengan Bohr bahwa konservasi energi telah dipalsukan, komunitas fisika memeluk partikel hipotesis Pauli: apa yang kemudian dikenal sebagai ‘neutrino’ (yang sedikit netral), setelah fisikawan Italia Enrico Fermi menyempurnakan teori beberapa bertahun-tahun kemudian. Epilog bahagia adalah bahwa neutrino akhirnya diamati pada tahun 1956, dengan teknologi yang telah benar-benar tak terduga seperempat abad sebelumnya: jenis detektor partikel baru yang digunakan bersamaan dengan reaktor nuklir. Partikel hantu Pauli nyata; nyatanya, karya selanjutnya mengungkapkan bahwa triliunan neutrino dari Matahari menembus tubuh kita setiap detik, benar-benar tidak diperhatikan dan tidak teramati.

Jadi memohon yang tidak terlihat untuk menyelamatkan teori dari pemalsuan terkadang merupakan langkah ilmiah yang tepat. Namun Pauli tentu tidak percaya bahwa partikelnya tidak pernah bisa diamati. Dia berharap itu bisa dilihat akhirnya, dan dia benar. Demikian pula, relativitas umum Einstein dibuktikan melalui observasi. Pemalsuan tidak bisa menjadi jawaban, atau setidaknya tidak seluruh jawaban, untuk pertanyaan tentang apa yang membuat teori yang baik. Bagaimana dengan observabilitas?

Memang benar bahwa pengamatan memainkan peran penting dalam sains. Tetapi ini tidak berarti bahwa teori-teori ilmiah harus berurusan secara eksklusif dalam hal-hal yang dapat diamati. Untuk satu, garis antara yang dapat diamati dan tidak teramati adalah buram - apa yang dulunya ‘tidak dapat diamati’ dapat menjadi ‘dapat diamati’, seperti yang ditunjukkan oleh neutrino. Kadang-kadang, sebuah teori yang mendalilkan yang tak terlihat telah terbukti sebagai teori yang benar, dan diterima sebagai benar jauh sebelum ada yang merencanakan cara untuk melihat hal-hal itu.

Ambillah perdebatan dalam fisika pada paruh kedua tahun 1800-an tentang atom. Beberapa ilmuwan percaya bahwa mereka ada, tetapi yang lain sangat skeptis. Fisikawan seperti Ludwig Boltzmann di Austria, James Clerk Maxwell di Inggris dan Rudolf Clausius di Jerman diyakinkan oleh bukti kimia dan fisik bahwa teori atom benar. Yang lain, seperti fisikawan Austria Ernst Mach, tidak terkesan.

Atom tidak dapat diamati. Dengan demikian Mach mengutuk mereka sebagai tidak nyata dan tidak perlu

Bagi Mach, atom adalah hipotesis yang sepenuhnya tidak perlu. Setelah semua, apa pun yang tidak dapat diamati tidak dapat dianggap sebagai bagian dari teori ilmiah yang baik - pada kenyataannya, hal-hal seperti itu bahkan tidak dapat dianggap nyata. Baginya, arketipe untuk teori ilmiah yang sempurna adalah termodinamika, studi tentang panas. Ini adalah seperangkat hukum empiris yang berhubungan dengan kuantitas yang dapat diamati secara langsung seperti suhu, tekanan dan volume gas. Teori itu lengkap dan sempurna seperti sebelumnya, dan tidak mengacu pada sesuatu yang tidak dapat diamati sama sekali.

Tetapi Boltzmann, Maxwell, dan Clausius telah bekerja keras untuk menunjukkan bahwa termodinamika termasyhur Mach jauh dari lengkap. Selama sisa abad ke-19, mereka dan yang lain, seperti ilmuwan Amerika, Josiah Willard Gibbs, membuktikan bahwa keseluruhan termodinamika - dan kemudian beberapa - dapat diturunkan kembali dari asumsi sederhana bahwa atom adalah nyata, dan bahwa semua benda dalam kehidupan sehari-hari terdiri dari jumlah yang fenomenal dari mereka. Sementara itu tidak mungkin dalam praktek untuk memprediksi perilaku setiap atom individu, dalam agregat perilaku mereka mematuhi pola-pola biasa - dan karena ada begitu banyak atom dalam benda-benda sehari-hari (cara lebih dari 100 miliar miliar dari mereka dalam aliran udara), mereka pola tidak pernah terlihat rusak, meskipun mereka hanya hasil dari kecenderungan statistik, bukan hukum ketat.

Gagasan untuk mendeminir hukum termodinamika ke pola belaka sangat menjijikkan bagi Mach; meminta hal-hal yang terlalu kecil untuk dilihat bahkan lebih buruk. “Saya tidak percaya bahwa atom ada!” Dia berseru saat berbicara dengan Boltzmann di Wina. Atom terlalu kecil untuk dilihat bahkan dengan mikroskop paling kuat yang mungkin bisa dibangun pada saat itu. Memang, menurut perhitungan yang dilakukan oleh Maxwell dan ilmuwan Austria Josef Loschmidt, atom-atom itu ratusan kali lebih kecil dari panjang gelombang cahaya tampak - dan karenanya akan selamanya tersembunyi dari pandangan mikroskop apa pun yang bergantung pada gelombang cahaya. Atom tidak dapat diamati. Dengan demikian Mach mengutuk mereka sebagai hal yang tidak nyata dan tidak perlu, yang asing bagi praktik sains.

Pandangan-pandangan Mach sangat berpengaruh di Austria asalnya dan di tempat lain di Eropa tengah. Ide-idenya memimpin rekan senegaranya Boltzmann putus asa meyakinkan seluruh komunitas fisika bahwa atom adalah nyata; ini mungkin telah berkontribusi pada bunuh diri Boltzmann pada tahun 1906. Namun fisikawan yang memang menganut ide-ide Mach sering menemukan diri mereka terhambat dalam pekerjaan mereka. Walter Kaufmann, seorang fisikawan eksperimental Jerman yang berbakat, menemukan pada tahun 1897 bahwa sinar katoda (jenis sinar yang digunakan di dalam TV lama dan monitor komputer) memiliki rasio muatan konstan terhadap massa. Tapi daripada menerima sinar katoda yang mungkin terdiri dari partikel-partikel kecil dengan muatan tetap dan massa, ia mengindahkan peringatan Mach untuk tidak mendalilkan sesuatu yang tidak dapat diamati, dan tetap diam pada subjek. Berbulan-bulan kemudian, fisikawan Inggris JJ Thomson menemukan fakta aneh yang sama tentang sinar katoda. Namun pandangan Mach kurang populer di Inggris, dan Thomson merasa nyaman menyarankan keberadaan partikel kecil yang terdiri dari sinar katoda. Dia menyebutnya elektron, dan memenangkan Hadiah Nobel untuk penemuannya pada tahun 1906 (serta tempat abadi di semua buku teks fisika dan kimia pengantar). Ide-ide Mach tentu saja tidak semuanya buruk; tulisannya mengilhami Einstein muda dalam karya awalnya tentang relativitas. Pengaruh Mach juga diperluas ke anak baptisnya, Pauli, anak dari dua rekan intelektual di Wina.

Ide-ide Mach tentu saja tidak semuanya buruk; tulisannya mengilhami Einstein muda dalam karya awalnya tentang relativitas. Pengaruh Mach juga diperluas ke anak baptisnya, Pauli, anak dari dua rekan intelektual di Wina. Ide-ide Mach memainkan peran utama dalam perkembangan intelektual awal Pauli, dan kata-kata ayah baptisnya mungkin terngiang di telinga Pauli ketika dia pertama kali menyarankan ide neutrino.

Tidak seperti Pauli, Einstein tidak takut menyarankan hal-hal yang tidak dapat diamati. Pada tahun 1905, pada tahun yang sama ia menerbitkan teorinya tentang relativitas khusus, ia mengusulkan keberadaan foton, partikel cahaya, ke dunia yang tidak percaya. (Dia tidak terbukti benar tentang foton selama hampir 20 tahun.) Ide-ide Mach juga mengilhami gerakan vital dalam filsafat satu generasi kemudian, yang dikenal sebagai positivisme logis - secara umum, gagasan bahwa satu-satunya pernyataan yang bermakna tentang dunia adalah yang bisa langsung diverifikasi melalui observasi. Positivisme berasal dari Wina dan tempat lain di tahun 1920-an, dan ide-ide brilian dari positivis memainkan peran utama dalam membentuk filsafat sejak saat itu hingga saat ini.

Tetapi apa yang membuat sesuatu ‘dapat diamati’? Apakah hal-hal yang dapat dilihat hanya dengan alat khusus yang dapat diamati? Beberapa positivis mengatakan jawabannya tidak, hanya data indra perasa yang tidak cukup akan mencukupi - sehingga hal-hal yang terlihat dalam mikroskop tidak benar-benar nyata. Tetapi dalam kasus itu, ‘kita tidak bisa mengamati benda-benda fisik melalui kacamata opera, atau bahkan melalui kacamata biasa, dan kita mulai bertanya-tanya tentang status apa yang kita lihat melalui kaca jendela biasa,’ kata filsuf Grover Maxwell pada tahun 1962.

Lebih lanjut, Maxwell menunjukkan bahwa definisi tentang apa yang ‘tidak dapat diamati secara prinsip’ bergantung pada teori-teori ilmiah terbaik kita dan pemahaman penuh tentang dunia, dan dengan demikian bergerak seiring waktu. Sebelum penemuan teleskop, misalnya, gagasan instrumen yang bisa membuat objek jauh tampak lebih dekat tampak mustahil; akibatnya, sebuah planet yang terlalu redup untuk dilihat dengan mata telanjang, seperti Neptunus, akan dianggap ‘tidak dapat diamati secara prinsip’. Namun Neptunus tidak diragukan lagi ada di sana - dan kami tidak hanya melihatnya, kami mengirim Voyager 2 di sana pada tahun 1989. Demikian pula, apa yang kami anggap tidak dapat diobservasi pada prinsipnya saat ini mungkin menjadi dapat diamati di masa depan dengan munculnya teori fisik baru dan teknologi observasional. “Ini adalah teori, dan dengan demikian sains itu sendiri, yang memberitahu kita apa yang atau tidak ... dapat diamati,” tulis Maxwell. “Tidak ada kriteria apriori atau filosofi untuk memisahkan yang dapat diamati dari yang tidak dapat diamati.”

Kami menggunakan semua itu, yang bisa diamati dan tidak teramati, ketika kami melakukan sains

Bahkan di mana teori mengusulkan hasil yang dapat diamati identik, beberapa sementara diterima sementara yang lain ditolak mentah-mentah. Katakanlah saya menerbitkan sebuah teori yang menyatakan bahwa ada unicorn mikroskopis tak terlihat dengan rambut mengalir, tanduk spiral dan rasa untuk persamaan diferensial parsial; unicorn ini bertanggung jawab atas keacakan dunia quantum, mendorong dan menarik partikel subatom untuk memastikan bahwa mereka mematuhi persamaan Schrödinger, hanya karena mereka menyukai persamaan itu lebih dari yang lain. Teori ini, berdasarkan sifatnya, benar-benar mirip dengan mekanika kuantum. Tapi itu adalah teori yang sangat konyol, dan akan (saya harap) ditolak oleh semua fisikawan adalah seseorang untuk mempublikasikannya.

Dengan mengesampingkan contoh ini, pilihan yang kita buat antara teori-teori yang identik secara observasi memiliki dampak besar pada praktik sains. Fisikawan Amerika Richard Feynman menunjukkan bahwa dua teori yang sangat berbeda yang memiliki konsekuensi pengamatan yang sama masih bisa memberi Anda perspektif yang berbeda tentang masalah, dan menuntun Anda ke jawaban yang berbeda dan eksperimen berbeda untuk dilakukan guna menemukan teori berikutnya. Jadi bukan hanya konten yang dapat diamati dari teori ilmiah kami yang penting. Kami menggunakan semua itu, yang bisa diamati dan tidak teramati, ketika kami melakukan sains. Tentu saja, kami lebih waspada tentang keyakinan kami terhadap keberadaan entitas tak terlihat, tetapi kami tidak menyangkal bahwa hal-hal yang tidak dapat diamati ada, atau setidaknya keberadaan mereka masuk akal.

Beberapa karya ilmiah yang paling menarik dilakukan ketika para ilmuwan mengembangkan teori aneh dalam menghadapi sesuatu yang baru atau tidak dapat dijelaskan. Ide-ide gila harus menemukan cara untuk berhubungan dengan dunia - tetapi menuntut pemalsuan atau observasi, tanpa sedikit pun, akan menahan sains kembali. Tidak mungkin mengembangkan teori baru yang sukses di bawah batasan yang kaku seperti itu. Seperti yang Pauli katakan ketika dia pertama kali datang dengan neutrino, meskipun dia merasa waswas: ‘Hanya mereka yang bertaruh bisa menang.’ 

--------------------------------------

Adam Becker adalah seorang penulis dan astrofisikawan. Dia saat ini adalah seorang sarjana tamu di Kantor Sejarah Sains dan Teknologi di Universitas California, Berkeley. Tulisannya telah muncul di New Scientist dan di BBC, antara lain. Dia adalah penulis What is Real? Pencarian yang Belum Selesai untuk Makna Fisika Kuantum (2018). Dia tinggal di Oakland di California.

https://aeon.co/essays/a-fetish-for-falsification-and-observation-holds-back-science