Apie daugybinių darbinių hipotezių metodologiją

[Andrej S]

   T. Čamberlinas 1890 metais "Science" žurnale paskelbė mokslo metodologinį straipsnį, kuriame pateikė veikiausiai daugeliui mažai girdėtą (bet filosofų pripažįstamą kaip klasikinį) daugybinių darbinių hipotezių metodą, vėliau jį perspausdinęs šiek tiek pakeistoje formoje "The Journal of Geology" žurnale. Šį klasikinį mokslo filosofijos (jos metodologinės dalies) straipsnį iš naujo išspausdino "The Journal of Geology" žurnalas 1995 metais su žymaus paleobiologo Deivido Raupo (David Raup) įvadu (Chamberlin, 1987, Raup 1995). 
   Moksliniuose straipsniuose dažnai galima pamatyti skyrelius angliškai vadinamus "methodology" (metodologija). Tačiau, pažiūrėjus į tūrinį, absoliučioje daugumoje atveju pateikiama ne metodologija (t.y. tyrimų būdų filosofinis pagrindas) bet metodika ("methodics" arba "methods"). Veikiausiai tai išplaukia iš daugumos mokslininkų silpno filosofinio pasiruošimo, kurio pasekmėje yra tai, kad į vieną suplakamos skirtingos kategorijos (loginis mokslo darymo pobūdžio pagrindimas prieš mokslinio darbo atlikimo algoritmą).

   Absoliuti dauguma mokslinių tyrimų remiasi Karlo Poperio (Karl Popper) išsakytais mokslo metodologiniai principais, kurie sako, kad mes turime lyginti hipotezes prieš įrodymus tokiu būdu, kad iš principo, naudojantis įrodymais galima būtu paneigti nagrinėjama hipotezę (čia taip vadinamas "falsifikacijos principas"). Šis principas mūsų laikas laikomas visuotinu ir beveik neginčijamu. Tačiau, kažkada buvo ir kitų filosofinių idėjų kaip reikia daryti mokslą. Pvz. prieš Poperiui pasiūlius "falsifikacinę" teoriją, [kuri parodė, kad patvirtinti hipotezę mes negalime iš principo (nes visuomet gali atsirasti prieštaraujantys įrodymai neapibrėžtoje ateityje), bet ją galime tiktai paneigti] vyravusi nuomonė buvo, kad mokslas yra "verifikacinis" arba galintis patvirtinti iškeltą hipotezę. O dar prieš tai "mokslas" (arba teisingiau pasakius mokslo protėvis - pseudomokslas) apskritai galėjo nesiremti faktiniais įrodymais formuojant teorijas o galėjo tiktai interpretuoti senovinius antikos rašytojų, tokių kaip Aristotelis raštus, sutaikant juos su krikščionių teologija. Tai buvo scholastų laikai. Iš turimų idėjų, priimant, kad jos yra teisingos, buvo mėginama, vaizdžiai tariant, racionalizuoti realybę.

   Iš pateiktų pavyzdžių matome, kad mokslo loginis pagrindas keičiasi bėgant laikui. Tačiau, nereikia galvoti, kad dabartinis mokslas yra pasiekęs savo loginį triumfą. Problemos kylą dėl keleto priežasčių. Visų pirma, mokslas sprendžia atvirkštines problemas. Jis turi rezultatus (faktus gautus eksperimentų ar stebėjimų būdu) ir pagal juos bando nustatyti šių rezultatų priežastys. Kad įsivaizduoti kad yra atvirkštinė problema, galima pasitelkti paprastą matematiką. Tiesioginis uždavinys yra pvz. 1+1=a (turint dviejų vienetų sumą, visuomet gausime dvejetą). Tuo tarpu atvirkštinis yra pvz. 2=a+b (turint dvejetą, mes turime sužinoti kokie du skaičiai buvo sudėti, kad jį gauti). Matome, kad antras atvejis yra be galo sudėtingesnis nei pirmas (tiesiogine to žodžio prasme, nes egzistuoja ištisa realių skaičių sumų begalybė, kuri tenkintu pateiktą lygybę). Panašiai yra ir moksle, mes turime duomenys ir jiems paaiškinti egzistuoja begalybė įmanomų (ir dar daugiau neįmanomų) hipotezių. Mokslininko tikslas yra surasti hipotezę geriausiai aprašančią turimus faktus. Tačiau, kaip ir antrame uždavinyje, tuos pačius faktus vienodai gerai gali tenkinti daugiau nei viena hipotezė. Kaip tuomet tarp jų pasirinkti, kurią nors? Tam mokslininkų dažnai naudojamas Okamo skustuvo principas, kuris sako, kad tarp visų hipotezių aiškinančių faktus, pasirenkama paprasčiausia. Kitaip sakant - tai yra redukcionizmo argumentas. Tačiau, kodėl viskas turi būti paprasčiausia kaip tiktai įmanoma? Šis teiginys yra logiškai nepagrįstas, o tiesiog yra pragmatiškumo atspindys (dažnai paprasti paaiškinimas veikia ir jais naudojantis lengviau gyventi).

   Būtent tam, kad lengviau spręsti šias realybės pateiktas dilemas, mes galime panaudoti jau anksčiau paminėtą daugybinių hipotezių metodą.  Šio metodo esmė yra ta, kad nuo pat pradžių priimama, kad faktus gali aprašyti daugiau nei viena hipotezė (priimant mokslinių problemų atvirkštinį pobūdį). Vėliau, visos lygiagrečios hipotezės vystomos ir joms "patvirtinti" ieškoma įrodymų arba įrodymai kritiškai vertinami lyginant kelias hipotezes.  Kodėl to reikia, jei iš pat pradžių gali atrodyti, kad kažkokia hipotezė yra žymiai geresnė nei kitos? Kaip rašo Čamberlinas (1897), turint tiktai vieną hipotezę mintyje, atsiranda pavojus įklimpti į psichologines pinkles ir iracionaliai į ją "įsimylėti". Reikia pripažinti, kad visuomet egzistuoja ne tik objektyvus sudėtingumai susiję su problemų sudėtingumu bet ir asmenybės psichologiniai efektai, kurie teikia pirmenybę toms hipotezėms, kurioms vystyti autorius skyrė daugiau laiko, arba jas pradėjo nagrinėti pirmas, arba netgi jei jos yra estetiškos, vienokia ar kitokia prasme (pvz. kai kurie žymus fizikai (dabar neprisimenu konkrečios pavardės) rašydami apie unifikuojančias teorijas, minėjo, kad teisinga fizikinė teorija turi būti tuo pat metu ir matematiškai "graži", turint omeny veikiausiai, kad laipsniai virš kintamųjų turi būti sveikieji skaičiai ir pan.). T. Čamberlinas savo žymiajame straipsnyje rašo: "...There springs up also unwittingly a pressing of the theory to make it fit the facts and a pressing of the facts to make them fit the theory..." (daug maž skambėtu kaip "vidiniai norai spaudžia teorija, kad ji atitiktu faktus ir faktus, kad atitiktu teoriją"). Noras išlaikyti norimą hipotezę, gali įtakoti selektyvų faktų rinkimą bei interpretaciją. O visi faktai pradedami aiškinti, remiantis sukurta hipoteze. Taigi, didžiausias pavojus slypintys vienetinių hipotezių metodologijoje, lyginant ją su daugybinių hipotezių metodologija yra ankstyvas išvadų darymas ir užstrigimas aiškinimo procese jį toli gražu visapusiškai neįvertinus:"...Briefly summed up, the evolution is this: a premature explanation passes first into a tentative theory, then into an adopted theory, and lastly into a ruling theory..." (Chamberlin, 1897).

   Daugybinių hipotezių metodas, Čamberlino žodžiais tariant, padalija mūsų prieraišumą ir tokiu būdu neleidžia tuoj pat užstrigti ties suboptimaliais sprendiniais (hipotezėmis). Taip pat, vien pastangos racionalizuoti skirtingas hipotezes gali nuvesti į faktų ir naujų prieigų prie problemos sprendimo atradimą. Be to, keleto hipotezių lygiagretus vystymas, gali parodyti, kad nei viena iš jų nėra visiškai tikra, bet kai kurios buvusios dalinai teisingomis. Vėliau, jos gali būti panaudotos kaip kitų hipotezių populiacijų (pagal Čamberliną "šeimų") protėviai. Šis mokslo metodologijos požiūris, pagal savo logiką primena evoliucijos teoriją. Pradžioje egzistuoja konkuruojančių ir be išlygų vertinamų hipotezių grupė ir vėliau tiktai dalis jų išlieka atrankos proceso metu ir tarnauja medžiaga ateities hipotezėms - palikuonims atsirasti (palikuonis gali atsirasti kaip "nelytiškai" iš atskirų hipotezių, taip ir "lytiškai", kryžminant prieš tai buvusias nepriklausomas idėjas).

   Galiu pateikti vieną daugybinių darbinių hipotezių pavyzdį iš savo tyrimų, kuris padės iliustruoti metodologijos privalumą. Tyrinėdamas Lenkijoje Sudėtų kalnuose surastus skalūnus, kurie susidarė iš molio susiklosčiusio kelių kilometrų gylio Rėjos vandenyno dugne prieš ~ 430 mln. metų, ieškojau primityvių siluro periodo gyvūnų - konodontų fosfatinių "dantukų". Nepaisant didelių pastangų aš jų neradau. Tačiau žinoma, kad kitose vietovėse ir tame pačiame laike jie yra randami. Kaip tai galima paaiškinti? Iškart iškėliau keletą hipotezių:"jų neradau .... nes 1 ant gilaus vandenyno dugno dažniausiai yra labai mažai maistinių medžiagų, todėl konodontų populiacijos arba buvo labai mažos arba tiesiog ten negyveno (nes kiek žinoma jie buvo priedugniniai gyvūnai); 2 gal būt tuo metu kai susiklostė nuosėdos iš kurių susidarė uolienos kurias aš tyriau, vandenynas "pergyveno" globalią anoksinę būseną (kai vandenyje stipriai sumažėja deguonies koncentracija) dėl vandenyno konvekcijos sutrikimo, dėl įvykusių klimato ir tektoninių pokyčių, esant anoksinei būsenai, visa deguonimi kvėpuojanti priedugnio fauna išnyksta; 3 mano naudoti medžiagos preparavimo metodai sunaikino trapius konodontų elementus (iš silikatinių mineralų susidedantis skalūnai reikalauja drastiškų fosilijų išgavimo metodų, kaip pvz. mechaninis trupinimas persotintų druskų tirpale, kartojant atšildymo-atšaldymo ciklus arba pvz. skalūnų tirpdymo fluoro (HF) rūgštyje). Kol kas atsakymo į klausimą - kodėl nagrinėjamame pavyzdyje aš neradau konodontų liekanų (?) aš neturiu, tačiau turint daugybines darbines hipotezes, galima sudaryti tyrimo programą. Pirmo veiksnio įtaką galima išsiaiškinti, tiriant kitas analogiškomis sąlygomis susiklosčiusias uolienas. Jeigu jose irgi nebūtu konodontų, tuomet ši hipotezė turėtu didesnį svorį. Antro veiksnio įtaką galima išaiškinti, nagrinėjant tuometines paleogeografines ir paleokeanografines sąlygas. Jei iš tikrųjų tuo metu buvo anoksinis įvykis, tuomet ši hipotezė įgytu didesnį svorį. Jei norime nustatyti, kokią reikšmę turi trečias veiksnys, turime išbandyti nagrinėjamą metodą su uolienomis, kur yra žinoma, kad ten turi būti konodontų liekanų ir kur tai nustatyta su metodais nepriklausomais nuo tų kurie yra tikrinami.

   Veikiausiai neatsitiktinai daugybinių hipotezių metodą pirmasis pasiūlė geologas. Šioje mokslo srityje, jėgos ir jų galios sukuriančios rezultatus matomus geologiniame metraštyje yra dažniausiai nepamatuojamos. Dažniausiai apie jas sprendžia pagal jų rezultatus uolienose ir dažniausiai vienų metu veikia daug veiksnių. Tačiau, šis metodas gali būti (ir yra) naudojamas ir kitų mokslo sričių, kurios turi reikalų su ypač sudėtingomis sistemomis. Tai gali būti kaip eksperimentiniai taip ir stebėjimais paremti mokslai, kaip pvz. ekologija, psichologija arba makroekonomika bei daugelis kitų.

   Tikiuosi, ši apžvalga su pamąstymais padės aiškiau mastyti apie konkrečias tiriamas mokslines problemas, žmonėms kurie apie tai mažai ar nieko nėra girdėję.

Nuoroda:

   Chamberlin T. C. 1995. The Method of Multiple Working Hypotheses. The Journal of Geology, With foreword by David Raup, Vol. 103, No. 3 (May, 1995), pp. 349-354 - Straipsnis "The Journal of Geology" žurnale perspausdinantis originalų Čaberlino straipsnį iš "The Jopurnal of Geology" žurnalo, išleisto 1897 metais, su Deivido Raupo įvadu, apie daugybinių darbinių hipotezių mokslo tyrimų metodologiją. 

--
AS

[Šarūnas Ašmantas]

Gera apžvalga. Tema tikrai verta dėmesio.

Š.A.

[Petras Jokubauskas]

Super apzvalga, Andrej,
sita dalyka turetu isklausyti ir suprasti visi studentai (ir galbut ir  kaikurie destytojai), nes be sio supratimo, sitiek klaidu padaroma.

Petras

2011/4/20 Šarūnas Ašmantas <s.asm...@gmail.com>

Gera apžvalga. Tema tikrai verta dėmesio.

Š.A.

--
G-mokslų konferencijos taisyklės:
http://docs.google.com/Doc?id=dgrhjhmq_114c9m79m
SGMD biblioteka:
http://www.sgmd.gf.vu.lt/index.php?option=com_content&view=article&id=15&Itemid=33
Video paskaitos:
http://video.google.com/videosearch?q=Student%C5%B3+Gamtinink%C5%B3+Mokslin%C4%97+Draugija

[Giedrius Markevičius]

O jei teorijų labai daug kyla? Vistiek nori nenori, Okamo skustuvas
dalyvauja, tik šiuo atveju "apipjausto" mažiau. Juk galim pradėti
fantazuoti apie beleką. Pvz net iki absurdiškų pavyzdžių: neradai
konodontų "dantukų", nes įsikišo nežemiška gyvybė, kuri iš to regiono
kruopščiai išrinko visus dantukus ir išskrido nepalikusi pėdsakų. Kad ir
kaip absurdiškai tai skambėtų, bet paneigti viso to negalim... Telieka
senas geras Okamo skustuvas, kuris nupjauna tokias teorijas, ir pasiliekam
pačias realiausias.

[Andrej S]

  Pateiktas pavyzdys atrodo intuityvus ir sudaro Okamo skustuvo principo pagrįstumo įvaizdį. Tačiau, galime panagrinėti ir kitokį, problemą geriau išryškinantį atvejį. Tarkime, turime tam tikrą priklausomybę y nuo x ir ji yra ganėtinai sudėtinga - 1p.jpg. Šiai priklausomybei aprašyti mes galime panaudoti  tiesės lygtį, x=a*y. Štai rezultatas (r^2=0.882, p<0.0001) - 2p.jpg. Determinacijos koeficientas yra aukštas (0,882) bei tikimybė, kad ši priklausomybė atsirado per atsitiktinumą yra labai maža (p<0,0001). Galime sakyti, kad paprasčiausias modelis gan gerai aprašo priklausomybę. Be taip pat šią priklausomybę galime aprašyti ir dar aukštesnio lygio polinomine lygtimi, kaip pvz. x=a*y+b*(y^2). Rezultatas būtu toks (r^2=0.887, p<8,88*e^(-9)) - 3p.jpg. Ir ką gi mes matome? O gi tai, kad antros eilės polinominė lygtis aprašė dėsningumą dar geriau (sprendžiant iš r^2 ir p reikšmių). Tačiau, kitaip nei pirma lygtis, ji turi ne vieną bet du parametrus (a ir b). Ir jei mes toliau aproksimuosime dar aukštesnio lygio polinominėmis lygtimis, jos dar geriau aprašys dėsningumą, kol galų gale visiškai neatspindės kreivės formos. Iškyla klausimas - ką pasirinkti? Ar paprastą bet netikslų modelį ar tikslų bet sudėtingą? Būtent tokiose situacijose Okamo skustuvas nieko padėti negali. Mes patys ne logikos bet intuicijos ar pragmatinių poreikių dėka, turime nuspręsti kur sustoti vystant modelio sudėtingumą arba atvirkščiai tariant, kokią priklausomybės dispersijos dalį mes turime palikti nepaaiškinta modelio?

   Kalbant apie nežemiškos gyvybės įtaką konodontų paplitimui, mes turime pasverti kiek yra tos nežemiškos gyvybės įrodymų žemėje silūro periode. Kiek yra žinoma, jokių nežemiškos gyvybės įrodymų tame laikotarpyje (kaip visuose kituose) nėra. Taigi, pats veiksnys yra ypač mažai tikėtinas ir jis toli gražu neekvivalentiškas su prieš tai pateiktais paaiškinimas pagal jų tikėtinumą. Tuo tarpu lyginant tikėtinus variantus su mažai besiskiriančiais paaiškinimo laipsniais, nebūtinai pats paprasčiausias (kad ir koks jis bebūtu) yra teisingas. Taigi, tarp dviejų sudėtingumo ir tikėtinumo spektrų galų - ateivių (arba dievų ar kitų agentų-x) bei paprasčiausio paaiškinimo, vis tiek egzistuoja neapibrėžtumas modelio (hipotezės) pasirinkime, ir Okamo skustuvas čia nepadeda :)

--
AS