1 DVA215 INFORMATION - KUNSKAP - VETENSKAP GRUNDLÄGGANDE VETENSKAPSTEORI VETENSKAP: VERKLIGHET, OBSERVATIONER, BEGREPP, MODELLER, TESTER Gordana Dodig-Crnkovic Akademin för innovation, design och teknik, Mälardalens högskola

2 GRÄNSSNITT VÄRLDEN MÄNNISKAN VÄRLDEN SOM INFORMATIONSNÄTVERK FÖR MÄNNISKAN

3 LÄRANDE OCH KUNSKAP Hebbs teori: "celler som avfyras tillsammans, sammankopplas" (eng. "cells that fire toghether, wire togher"). Barnet föds med nervsystemet och hjärnan och förmågan att ta olika intryck från världen.

4 MÄNNISKAN ELEMENTÄRA PARTIKLAR ATOMER MOLEKYLER CELLER ORGANISMER SOCIALA GRUPPER EKOLOGIER PLANETSYSTEM GALAXER UNIVERSUM

5 REKURSIVA STRUKTURER Olika skalor bygger på varandra (elementära partiklar, atomer, molekyler, …universum)

6 FRAKTALER

7 Hur byggs upp kunskaper? VÄRLDEN SOM INFORMATION FÖR EN AGENT Bilden från:

8 VI KAN INTE OBSERVERA HELA VÄRLDEN SAMTIDIGT – VI HAR SELEKTIV UPPMÄRKSAMHET “An agent interprets all the flow of external information in the framework of the paradigm system that already pre-exists in the mind at the moment of perception/interaction. “

9 KUNSKAPER SKAPAS AV INDIVIDER OCH FÖRS VIDARE AV SAMHÄLLET Bilden från:

10 MÄNSKLIG KOGNITION ÄR ETT RESULTAT AV EVOLUTION. DJUR HAR OCKSÅ KOGNITION

11 Apornas kultur: Japanska snöapor tvättar potatis Intelligenta apor APOR HAR ÄVEN KULTUR

12 Thomas Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions, (De vetenskapliga revolutionernas struktur ), 1962 beskriver paradigmskiften inom vetenskapen - byte av vetenskapliga tankemönster och förebilder Det gamla vetenskapliga paradigmet var mekanistisk – värden som en mekanism, som ett mekaniskt urverk. Det nya paradigmet: världen som nätverk av nätverk, komplexa system, kaotiska system, icke-linjära fenomen, självorganisation (self-organization). ETT PARADIGMSKIFTE PÅ GÅNG

13 Fysik är naturvetenskapen som handlar om materia - dess strukturer och förändringar (dynamik) genom de fundamentala krafter som verkar mellan dess beståndsdelar. Fysik studerar problem på alla storleksskalor, från de minsta beståndsdelarna på subatomär nivå (partikelfysik och kärnfysik) till universums struktur på den allra största skalan (kosmologi). Däremellan finns en rad forskningsfält som atomfysik, molekylfysik och fasta tillståndets fysik, mekanik, strömningsmekanik, elektromagnetism, termodynamik och plasmafysik, till rymdfysik och astrofysik. Biofysik och geofysik är exempel på tvärvetenskapliga forskningsfält med koppling till fysik. FYSIKENS VÄRLD OCH DEN FYSISKA VÄRLDEN

14 Materia definieras som allting som ytterst består av några få mest fundamentala enheterna som kallas för elementärpariklar och dess växelverkan. Den materia vi är i kontakt med består av atomer (i form av kemiska föreningar, blandningar eller rena grundämnen). Atomer består i sin tur av mindre partiklar, elementarpartiklar. HUR MYCKET VET VI OM UNIVERSUM? A Measure of Everything (From Space to Atoms)

15 Elementarpartiklar är materiens minsta beståndsdelar. Till elementarpartiklarna räknar man också de partiklar som är bärare av de fyra fundamentala krafterna i naturen. Elementarpartiklar studeras inom partikelfysiken, där de partiklar man för närvarande känner till beskrivs av den så kallade Standardmodellen. HUR MYCKET VET VI OM UNIVERSUM?

16 VäxelverkanTeoriKraftbärareRelativ styrka Stark växelverkan Kvantkromodynamik Kvantkromodynamik (QCD) gluon10 38 Elektromagnetisk Kvantelektrodynamik Kvantelektrodynamik (QED) foton10 36 Svag växelverkanElektrosvag teoriW-bosonW-boson och Z-bosonZ-boson10 25 Gravitation Allmänna relativitetsteorin Allmänna relativitetsteorin (inte en kvantteori) graviton1 FUNDAMENTAL VÄXELVERKAN - DE FYRA FUNDAMENTALA NATURKRAFTERNA

17 ELEMENTÄRA PARTIKLAR OCH FUNDAMENTAL VÄXELVERKAN

18 Materia har massa. Albert Einstein visade att massa och energi är ekvivalenta genom sin berömda formel E=mc², där E står för energi, m för massa, och c² för ljusets hastighet i kvadrat. Massa har en inbyggd attraherande fundamental kraft, gravitationen. HUR MYCKET VET VI OM UNIVERSUM?

19

20 STRÄNGTEORI Strängteori är en modell inom fysiken som beskriver materiens allra minsta byggstenar. De fundamentala byggstenarna inom strängteorin är endimensionella vibrerande strängar, vilket innebär att de har en rumslig utsträckning till skillnad från tidigare fysikaliska modeller som baserades på punktlika (noll-dimensionella) partiklar. Genom att använda denna modell kan fysiker undvika vissa problem som annars uppkommer. Strängteori har ännu inte fått experimentell bekräftelse – inga förutsägelser som direkt kan testas experimentellt har kunnat göras hittills. A SENSE OF SCALE

21 PROBLEM MED STRÄNGTEORI Lee Smolin: The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science and What Comes Next Se också: String Theory and General Methodology Lars-Göran Johansson & Keizo Matsubara

22 Universums sammansättning enligt en analys av data från WMAP VAD BESTÅR UNIVERSUM AV?

23 Garrett Lisi: A beautiful new theory of everything HUR MÅNGA ELEMENTÄRPARTIKLAR? An Exceptionally Simple Theory of Everything is a preprint proposing a basis for a unified field theory, which attempts to describe all known fundamental interactions in physics, and to stand as a possible theory of everything. The preprint was posted to the physics arXiv by Antony Garrett Lisi in 2007, and was not submitted to a peer-reviewed scientific journal. ´ The title is a pun on the algebra used, the Lie algebra of the largest "simple," "exceptional" Lie group, E 8. E 8

24 OLÖSTA PROBLEM INOM FYSIK Fysikens teoretiska modeller av verkligheten har avlöst varandra genom tiderna. I dag pågår sökandet av en modell som kan sammanfatta alla fenomen i universum - "teorin om allt". Som en del av detta sökande kommer man vid Large Hadron Collider (LHC) som är världens största partikelaccelerator, söka efter Higgspartikeln, för att visa att Higgsmekanismen är det sätt genom vilket olika elementarpartiklar får olika massa. (wiki)

25 De teoretiska försök som pågått i över ett halvt århundrade i syfte att förena kvantmekanik och generell relativitetsteori har ännu inte lyckats. De befintliga förslagen är M-teori, supersträngteori och loop-kvantgravitation. Många astronomiska och kosmologiska fenomen är ännu oförklarade, som till exempel det faktum att universum består av mycket mer materia än antimateria samt att den består till övervägande del av okänd mörk energi och mörk materia. OLÖSTA PROBLEM INOM FYSIK

26 A strongly recommended book: Order out of chaos: Man's new dialogue with nature Ilja Prigogine & Isabelle Stengers OLÖSTA PROBLEM INOM FYSIK Även inom den klassiska fysiken kvarstår teoretiska problem med fenomen som turbulens och kaos och andra icke-linjära fenomen. Biologiska strukturer och processer är fortfarande en utmaning (nätverkstrukturer och icke-linjära processer är typiska där).

27 P. W. Anderson, More Is Different Science, New Series, Vol. 177, No (Aug. 4, 1972), pp BYGGSTENAR, PROCESSER & COMPLEXITET: MORE IS DIFFERENT!

28 Black Holes, Neutron Stars, White Dwars, Space and Time Black Hole Montage - NASA Galaxy Big Bang - PHJ Welcome to the Hubble Universe: Nebula & Galaxies: A Cosmic Journey Quarks: Inside the AtomQuarks: Inside the Atom FYSIKENS VÄRLD SOM VI SER DEN IDAG LHC LARGE HADRON COLLIDERLHC LARGE HADRON COLLIDER Journey to the Edge of the UniverseJourney to the Edge of the Universe

29 &p=D62809AD452EDB98http:// &p=D62809AD452EDB98 'A Universe From Nothing' by Lawrence Krauss, AAI 2009 Rekommenderas! FYSIKENS VÄRLD SOM VI SER DEN IDAG

30 MÄNNISKAN I CENTRUM ”Människan är alltings mått: måttet för det varande, att det är, och för det icke varande, att det icke är.” (Protagoras)

31 Vilayanur Ramachandran: A journey to the center of your mind, TEDhttp:// MÄNNISKAN I CENTRUM Vetenskapens gränser är nära relaterade till människans gränser – våra fysiska begränsningar som vi kringgår med hjälp av instrument (mikroskop, teleskop, accelleratorer och liknande) och våra kognitiva begränsningar som vi först måste inse och förstå (forskningen pågår just nu inom kognitiv vetenskap, neurovetenskap osv.) och sedan få fram datorer och programvara, robotar och liknande intelligenta system som kommer att hjälpa oss vidga och fördjupa vår förståelse av världen.

32 GRUNDLÄGGANDE VETENSKAPSMETODIK Vetenskapsmetodologi – idéen om hur ideal vetenskap bör bedrivas.

33 KUNSKAP OCH OKUNSKAP 1.Vissa saker vi vet inte och vi förstår att vi inte vet. 2.En del saker vi tror at vi vet, fast det vi “vet” är fel. 3.Och en del saker vi anar inte ens att vi inte vet för att de är helt utanför vår världsbild. (Exempelvis visste inte gamla Grekerna att de inte visste att det fanns antimateria.) Svåraste okunskaper är de under (2), för de kräver en aktivt och medveten process av revidering av existerande uppfattningar (“unlearning”) vilket är svårt!

34 TILLÄMPNING AV VETENSKAPLIG KUNSKAP Forskningens övergripande mål är att vinna ny kunskap för att vi skall förstå den värld vi lever i och för att om möjligt förändra den till det bättre.

35 Forskningens teoretiska resultat ger: generell och ofta formell förståelse av fenomen deskriptiv / prediktiv förståelse och modeller problemspecifik information målsättningar, (normativa) värderingar TILLÄMPNING AV VETENSKAPLIG KUNSKAP

36 TILLÄMPNING AV VETENSKAPLIG KUNSKAP Praktiska forskningsresultat Forskningens praktiska resultat kan ger: nya processer och metoder för produktframtagning nya processer och material för produkttillverkning nya produkter (läkemedel, instrument, material, osv.)

37 Kan ge svar på frågan om hur ofta och hur mycket. Nomotetisk (många observationer) - Objektivitet Syfte: Generalisera, testa teorier Metod: Standardiserad strukturerad intervju, enkätformulär, frekvensmätning. KVANTITATIVA METODER

38 Resultat: Beskrivande frekvenstabeller, hypoteser och/eller förklaringar av statistiska samband. Bedömning: Validitet – Har man undersökt rätt sak? Reliabilitet – Har man gjort undersökningen (mätningen) på rätt sätt? Kan den göras om av någon annan? KVANTITATIVA METODER

39 ANVÄNDNING AV KVANTITATIVA METODER Man söker kunskap som gäller för hela populationen, och populationen är för stor för att kunna observeras i sin helhet. Man vill kunna ställa upp en modell för beräkningar. Man vill kunna avgöra om eventuella samband man observerar bara är slumpmässiga.

40 FÖRDELAR MED KVANTITATIVA METODER Välutvecklad arsenal av metoder finns att tillgå (t.ex. statistik). Generaliserbarheten lättare att avgöra. Man kan kvantifiera, räkna, förutsäga/predicera, testa och förkasta. Man kan säga något om i vilken mån man kan lita på resultaten, så länge som man håller sig inom samma population.

41 NACKDELAR MED KVANTITATIVA METODER Alla variabler kan inte kvantifieras Grundantaganden kan vara ganska restriktiva. Kan vara kostsamma, i möda och pengar - man behöver ibland ett mycket stort antal observationer.

42 KVALITATIVA METODER Kan ge svar på frågan om hur och varför. Ideografiska (många aspekter) – Subjektiva. Syfte: förstå/tolka, förklara det enskilda fallet. Metod: observation, intervju, tolkande textanalys, fallstudier. Resultat: Identifikation av teman, strukturer och dold mening. Bedömning: Öppenhet beträffande värderingar och utgångspunkter.

43 ANVÄNDNING AV KVALITATIVA METODER Man är ute efter att generera hypoteser snarare än för att testa dem. Man är ute efter att observera svårkvantifierbara fenomen och följaktligen inte att bygga numeriska modeller.

44 FÖRDELAR MED KVALITATIVA METODER Man får annan typ information än med kvantitativa, och kan tackla andra slags frågor. Ger möjlighet till "subjektiv förståelse”. Kan, ibland, vara mindre resurskrävande. Man behöver inte låta sig styras av de grundantaganden som måste göras för att statistisk generalisering skall vara giltig.

45 NACKDELAR MED KVALITATIVA METODER Alltid problematiskt i vilken mån resultaten från t ex en fallstudie kan generaliseras. Objektiviteten kan lättare bli ifrågasatt. Man är, metodologiskt, på "svagare is”. Kan vara resurskrävande på sitt sätt.

46 VETENSKAP, FAKTA OCH METOD (1) Vetenskap är ett resultat av en mängd aktiviteter som pågår inom olika forskarsamhällen. Vetenskap förutsätter ett specifikt (”vetenskapligt”) förhållningssätt för att etablera sanna uppfattningar och accepterad metodologi. Innefattar ett sökande efter mönster och samband.

47 VETENSKAP, FAKTA OCH METOD (2) Vetenskapliga/forskningsresultat måste kunna reproduceras/repeteras. Vetenskapliga resultat är temporära och måste kunna omprövas. Motsatsen är dogmatism (orubblig tro).

48 PROBLEMFORMULERING Avgränsning Hypotesformulering Frågehypoteser Nollhypoteser Riktningshypoteser Datainhämtning/Databildning

49 DATATYPER - KÄLLOR Experimentella data Egna iakttagelser Sekundära iakttagelser Forskningsresultat Officiell statistik Allmän litteratur Intervjuer Simuleringar

50 BEDÖMNING AV BASFAKTA Vilken är källan? Vad är fakta och vad är värderingar? Vilka fakta är underbyggda? Hur? Granska alla påståenden! Vad har utelämnats? Vilka är de tänkbara orsakerna till utelämnandet? Fakta talar aldrig för sig själva. De måste tolkas!

51 VANLIGA MISSTAG Oklar problemformulering Bristfällig planering Svaga, ensidiga data Fel metod Otillgänglig forskningsrapport Ostrukturerade resonemang Ologisk klassificering Rapporten full med onödiga detaljer (signalen drunknar i bruset)

52 EN GRUNDLÄGGANDE PRINCIP: OCKHAMS RAKKNIV [LESS IS MORE!] Skär bort allt onödigt. Av två teorier som förklarar samma fenomen så är den enklare att föredra. En karta i skala 1:1 ?!

53 ORDLISTA (1) Ontologi – studerar hur verkligheten är beskaffad - allt som finns och kan finnas Epistemologi – kunskapsteori Determinism/Voluntarism – påverkas/påverkar Rationalitet – Ändamålstänkande/handlande mht ett visst syfte eller givet mål

54 ORDLISTA (2) Deskriptiv – beskriver hur det är eller blir. Normativ – säger hur det borde vara. Paradigm – en uppsättning teoretiska grundantaganden som man håller för riktiga och inte ifrågasätter hela tiden (Kuhn).