Jos tiede nähdään jonkinlaisena lopullisena totuutena maailmamme tilasta, on ehkä vaikeaa käsittää, että tieteelliset käsitykset itse asiassa jatkuvasti muuttuvat ja kehittyvät. Tieteellinen "totuus" on aina aikaansa sidottu. Kunakin aikana se kuitenkin antaa parhaiten todistettavan tai perusteltavan käsityksen meitä ympäröivästä maailmasta. Miten siis tiede työskentelee? Miten tieteelliset käsitykset muovautuvat? Mikä on tieteellisen luotettavuuden salaisuus?
Kunkin ajankohdan vallitseva tieteellinen käsitys eli niin sanottu tieteellinen paradigma on itse asiassa laajempi oppirakennelma kuin pelkästään tieteellisten teorioiden summa. Siihen vaikuttavat yhteiskunnan yleinen kehitystila ja empiirisesti hyväksi havaitut menettelytavat. Amerikkalainen tieteentutkija Thomas S. Kuhn kirjoitti 1962 kirjan, joka mullisti senaikaiset käsitykset tieteellisestä kehityksestä. Kirjassaan The Structure of Scientific Revolutions hän toteaa, että tiede etenee vallankumousten kautta.
Vallitseva tieteellinen käsitys on hyväksytty niin kauan kuin havainnot sitä tukevat. Kun tehdään tieteellisesti päteviä havaintoja, jotka eivät sovi kyseiseen selitysmalliin, siihen syntyy säröjä. Useimmiten näille pyritään ensin etsimään ratkaisu, joka sopeuttaa ne voimassa olevaan selitysmalliin. Kun poikkeavia havaintoja tehdään lisää, syntyy kuitenkin tarve muuttaa yleistä käsitystä.
Periaatteessa on tällöin aina kyse vallankumouksesta. Vanha käsitys on hylättävä, ja uuden käsityksen puolestapuhujat joutuvat kaatamaan vanhoja auktoriteetteja. Kuhn puhuu paradigman muutoksesta. Selitysmalli on usein etsittävä täysin muualta. Maailmankuvamme muuttuu.
Tieteellinen tutkimustyö tuottaa usein ensin niin sanotun hypoteesin, joka on alustava selitysmalli. Kun saadaan lisää hypoteesia tukevia havaintoja, se muuttuu teoriaksi ja lopulta ehkä luonnonlaiksi. On kuitenkin huomattava, että luonnonlakikin on voimassa vain niin kauan kuin kaikki tieteellisesti pätevät havainnot sitä tukevat.
Paradigman muutos: maailmankuva muuttuu
Tieteenhistorian klassinen esimerkki paradigman muutoksesta olkoon niin sanotun flogiston-teorian hylkääminen 1700-luvun lopulla ja sen korvaaminen nykyisellä käsityksellä palamisreaktion luonteesta. Tuolloin uskottiin, että kaikkeen aineeseen sisältyy komponentti nimeltä flogiston ja että palamisen yhteydessä flogiston vapautuu palavasta esineestä.
Palamisilmiön kimpussa työskentelivät 1700-luvun lopussa ruotsalainen apteekkari ja luonnontutkija Wilhelm Scheele, englantilainen pappi ja luonnontutkija Joseph Priestley sekä ranskalainen luonnontutkija Antoine Lavoisier.
Scheele tuotti ensimmäisenä puhdasta happea, joskin Priestley sai siitä tunnustuksen ehdittyään ensimmäisenä julkaisemaan asian. Molemmat kuitenkin uskoivat flogiston-teoriaan. Kuitenkin vain Lavoisier ymmärsi havaintojen merkityksen oikein eli että palamisessa aine yhtyy ilmakehässä olevaan happeen.
Tiede sidottu menetelmään
Tieteellinen edistys on aina sidottu menetelmään eli ensin on löydettävä tieteellinen tapa tutkia uutta ilmiötä. Esimerkkitapauksessamme Scheele kehitti metodin tuottaa happea, vaikkakaan hän ei täysin ymmärtänyt tekemäänsä. Paradigman muutokseen myötävaikuttaa usein useampi henkilö, joista tosin useimmiten vain yksi jää historian kirjoihin. Tämä saattaa puolestaan synnyttää vääriä käsityksiä yksittäisen tutkijan roolista.
Perinteinen käsitys ennen Kuhnia oli, että tekninen edistys seurasi tieteellistä edistystä. Kuhn osoitti, että tekninen edistys päinvastoin edelsi tieteellistä edistystä: ensin oli oltava menetelmä tai laite, jolla uutta ilmiötä saattoi tutkia. Klassinen esimerkki tästä on Galileo Galilei ja hänen tähtitieteelliset havaintonsa, jotka eivät olisi olleet mahdollisia ilman teleskooppia.
Tosin myös perinteinen käsitys tieteen ja tekniikan suhteista pitää paikkansa. Uusi tieteellinen havainto saattaa tuottaa uusia, jopa vallankumouksellisia teknisiä sovelluksia.
Sinällään on ymmärrettävää, että uusi tiede edellyttää uusia menetelmiä ja laitteistoja. Muutenhan ilmiöt olisivat olleet tutkittavissa jo aiemmin. Luonnontieteiden Nobel-palkintojen joukossa onkin silmiinpistävää uusien tutkimuslaitteiden tai analyysimenetelmien osuus.
Pelkkä laitteiston olemassaolo voi saada jonkin ilmiön tutkimuksen liikkeelle. Muistan oman tutkimusalueeni piiristä yhden esimerkin. Tutkin 1980-luvulla maa- ja mutamaisen hajuilmiön syntymekanismia juomavedessä. Hajun kemiallinen syy on yhdiste nimeltä geosmiini, jonka eristi ensimmäisenä professori Nancy Gerber New Jerseyn valtionyliopistossa vuonna 1965. Hän kertoi minulle alan konferenssissa Suomessa vuonna 1982, miten työ oli saanut alkunsa.
Hänen miehensä oli saanut naapurilaboratorioon uuden kaasukromatografin ja Nancy halusi myös sellaisen. Se hankittiin, ja seuraavaksi piti etsiä järkevä tutkimusaihe. Koska oltiin kuuluisan mikrobiologin, sädesienitutkijan ja nobelistin S.A. Waksmanin kampuksella, maalta haisevia sädesienikantoja oli ympärillä yllin kyllin ja tuntui luonnolliselta ottaa yksi niistä tutkittavaksi. Samalla ratkaistiin käytännön vesitaloudelle merkittävä tieto.
Uuden tiedon löytää yleensä useampi
Paradigman muutosta edeltää joskus pitkäkin jakso, jonka aikana useat tutkijat huomaavat jonkun osan vallitsevasta käsityksestä olevan väärässä. Tämän vuoksi on varsin ymmärrettävää, että suuria läpimurtoja saavutetaan samanaikaisesti. Kuitenkin vain ensimmäinen keksijä jää historiaan uuden käsityksen luojana. Muiden havainnot ovat silti vähintään yhtä tärkeitä, koska ilman havaintojen toistettavuutta tulokset eivät ole päteviä.
Kuuluisa esimerkki kahden tutkijan lähes samanaikaisesta löydöksestä on evoluutioteoria. Charles Darwin oli jo Beagle-purjehduksensa jälkeen 1830-luvulla ruvennut kehittelemään uutta teoriaa lajien synnystä muttei ollut julkaissut sitä.
Sysäyksen kirjan julkaisemiseksi antoi englantilainen biologi Alfred Russell Wallace, joka jo vuonna 1855 oli kirjoittanut aiheesta esseen. Vuonna 1858 hän lähetti Darwinille kirjeen ja kirjoituksen lajien kehittymisestä. Darwin näytti kirjeen oppi-isälleen ja tukijalleen Charles Lyellille, joka järjesti Lontoon Linnean Societyn seuraavassa kokouksessa 1.7.1858 Darwinin ja Wallacen tiedonantojen esittelyn. Wallace ei ollut läsnä eikä edes tietoinen kokouksen ohjelmasta.
Käsittelyn perusteella todettiin Darwinin olleen ensimmäisen asialla, ja Darwin kiiruhti kirjoittamaan kirjansa Lajien synnystä. Kirja julkaistiin 24.11. 1859 ja koko 1 250 kappaleen painos myytiin loppuun ilmestymispäivänä.
Tieteellinen tieto on aina sidoksissa toistettavissa oleviin havaintoihin ja siten luotettavaan tutkimusmenetelmään. Tämä myös rajoittaa tieteen ulottuvuutta. Ellei ole metodia, asiaa ei voida tutkia. Tällöin ilmiö jää tieteen ulkopuolelle. Tiede ei pysty nykyisellään vastaamaan kaikkiin kysymyksiin. Sen sijaan ne kysymykset, joihin tieteellä on vastaus, ovat varsin luotettavalla pohjalla.
Huuhaa-tiedosta tiede erottuu nimenomaan luotettavan metodin, havaintojen toistettavuuden sekä tieteellisen eli avoimen ja kriittisen keskustelun kautta.
Onko totuus saavutettavissa?
Uusi tieto synnyttää aina myös uusia kysymyksiä, useimmiten sellaisia, joita ei osattu tehdä ennen tuon tiedon saamista. Mitä enemmän tietää, sitä enemmän myös tajuaa tietämättömyytensä. Tiedekeskus Heurekassa on meneillään näyttely tieteen avoimista kysymyksistä, jossa ilmiötä on havainnollistettu hyvin konkreettisesti "tiedon valtamerenä". Jos tietämyksen määrää kuvataan saarena valtameressä, pientä saarta ympäröi pieni määrä kysymysmerkkejä mutta suurta saarta aina suurempi suhteessa rantaviivan pituuteen.
Jos lisääntyvää tiedon määrää seuraa lisääntyvä tietämättömyys, onko totuus koskaan saavutettavissa? Kysymys on tieteenfilosofian kannalta varsin keskeinen. Eräs näkemys on, että totuutta lähestytään asymptoottisesti. Sitä ei voida koskaan saavuttaa, vaikkakin voidaan päästä aivan sen äärelle.
Käsitys totuudesta muuttuu uuden tiedon myötä. Käytännössä erolla ei aina ole merkitystä. Hyvä esimerkki lienee Newtonin mekaniikka, jonka Einsteinin suhteellisuusteoria todisti tietyllä tavalla virheelliseksi. Suhteellisuusteorian tuomat korjauskertoimet ovat arkielämän mittakaavassa kuitenkin niin vähäpätöiset, ettei niillä ole käytännön merkitystä, ja siten mattimeikäläinen voi jokapäiväisessä elämässään edelleen soveltaa Newtonin oppeja ilman suurempia hankaluuksia.