PTT: Miłosz Marczak, Ryszard Marczak, Prawda w badaniach naukowych

Prawda w badaniach naukowych

Miłosz Marczak
Wavicon Technics Polska Sp. Z.o.o
milosz.marczak1@wp.pl
Ryszard Marczak
ryszard.marczak@gmail.com
Emerytowany Profesor

Słowa kluczowe: prawda, fałsz, metoda naukowa, weryfikacja, falsyfikacja

Streszczenie

W artykule przedstawiono podstawowe pojęcia stosowane w procedurze badań naukowych, klasyczny model tworzenia (pozyskiwania) rzetelnej wiedzy naukowej opartej z jednej strony o weryfikację czyli potwierdzanie prawdziwości hipotez naukowych a z drugiej o falsyfikację prowadząca do odrzucania fałszywych hipotez naukowych. Omówiono także kilka przykładów dotyczących krytyki publikacji własnych jednego z autorów tej pracy przez oponentów zewnętrznych i na odwrót - naszej krytyki prac opublikowanych przez innych. Procedura powyższa jest bowiem istotnym elementem w metodzie pozyskiwania rzetelnej wiedzy naukowej.

1. Wprowadzenie

Genezą niniejszej pracy był artykuł J. Sadowskiego [1] zawierający propozycję wprowadzenia "nowych miar zużycia, zużywania i odporności na zużywanie tribologiczne", których potrzeba wynikała - zdaniem Autora "ze zbyt dużej gęstości energii tarcia i pracy właściwej zużycia"; Wielkości te "jako energetyczne mierniki odporności na zużywanie tribologiczne mogą osiągać wartości przekraczające o kilka rzędów wartości ciepła topnienia i ciepła parowania badanego materiału". Propozycja została podtrzymana w artykule [2] i wygłoszonym referacie na obradach X JKEUT (Stare Jabłonki, wrzesień 2005r.)

brakiem odpowiednika w literaturze tematu,
wykrytym w bilansie energii brakiem ciepła utleniania metalu (choć w procesie zużywania utleniającego powinno być),
posiłkowaniem się w obliczeniach wielkościami pozornymi,
błędami metodologicznymi - np. z 11 wniosków aż 8 stanowiło dość dokładne powtórzenie założeń, z których autor sprokurował model.

Podstawowego błędu J. Sadowskiego wtedy nie wykryto, gdyż go nie szukano.
Złożony w jakiś czas potem w redakcji Tribologii artykuł pt "Istota przyczyny uzyskiwania "zbyt dużej wartości gęstości energii tarcia i pracy właściwej zużycia w pomiarach kalorymetrycznych procesu tribologicznego” [4] został przesłany aż do 3 recenzentów, którzy swoimi uwagami wpłynęli na jego ostateczny kształt.
Wykazano w nim, że tarcie, szczególnie tarcie suche, jest destrukcyjnym procesem przetwarzania energii i materii. Doprowadzana z zewnątrz do pary trącej (swoistego układu termochemicznego) energia mechaniczna „w” ulega w części przemianie na ciepło, w części jest zużywana na wytwarzanie produktów zużycia i wzrost energii wewnętrznej elementów pary trącej oraz poszczególnych ziaren ścieru. Nie wnikając bliżej w naturę zachodzących tam procesów fizykochemicznych należy stwierdzić, że bezwzględna wartość energii mechanicznej „w” przetwarzanej w procesie tarcia suchego ciał rzeczywistych (np. metali) jest większa od bezwzględnej wartości wydzielanej przez ten układ energii cieplnej „qw”, zatem:

|w| > |q_w|

Wykrycie błędu nastąpiło przy współudziale drugiego współautora i polegało, ogólnie biorąc, na złej interpretacji przez J. Sadowskiego znaczenia pojęcia "pracy właściwej zużycia". Szczegółowe wyjaśnienie zawarte jest w artykule [4]. Wielkość ta nie charakteryzuje warunków pojawiających się w obszarze tarcia. Może być wykonana w jednym testerze w odpowiednio dłuższym czasie lub w krótszym za pomocą odpowiednio licznych testerów;
Jej wielkość zależy od rodzaju testera i warunków wymuszeń. Nie jest to stała materiałowa.
Praca właściwa zużycia¹ nie charakteryzuje zatem indywidualnego materiału, lecz układ materiałów tartych w danym testerze.
W budowie maszyn jest wykorzystywana jako miara trwałości danego węzła tarciowego. Modeluje się geometrię styku, materiały i wymuszenia występujące w danym skojarzeniu tarciowym, i bada jego trwałość. Metoda ta jest to do dzisiaj najlepszym sposobem poprawy najsłabszego ogniwa maszyny.
W Świecie buduje się rocznie około 400 takich tribometrów.

Dla scharakteryzowania warunków termicznych obszarów tarcia przydatna jest natomiast "moc emitowanej na sposób ciepła pracy tarcia".

W konkluzji podtrzymano wniosek o odrzucenie propozycji wprowadzenia "nowych miar zużycia, zużywania i odporności na zużywanie tribologiczne" wysnutej z błędnych przesłanek. Zaproponowano natomiast uzupełnienie bilansu cieplnego w modelu J. Sadowskiego o wartość ciepła utleniania danego metalu.

Wykrycie istoty błędu J. Sadowskiego na drodze weryfikacji było trudne, natomiast okazało się stosunkowo proste przy zastosowaniu falsyfikacji [5, 6]. Ideę tej metody autorzy przedstawili na seminarium w dniu 8.04.2006r [7].
Duże zainteresowanie wykazane po seminarium skłoniło autorów do opublikowania jego treści.

¹Praca właściwa zużycia - termin ten wprowadzony przez J. Sadowskiego kojarzy się błędnie z e stałą materiałową.

2. Podstawowe pojęcia

Prawda - definicja klasyczna (wg Arystotelesa) - zgodność, adekwatność treści z rzeczywistym stanem rzeczy, inaczej obiektywna rzeczywistość.
Prawda - podstawowa (obok fałszu) logiczna wartość sądów w logice dwuwartościowej.
Weryfikacja - metodologiczna procedura prowadząca do potwierdzenia prawdziwości danego zdania (twierdzenia, hipotezy) w procesie jego sprawdzania.
Falsyfikacja - metodologiczna procedura stwierdzenia fałszywości twierdzeń (błędności hipotez) w procesie ich sprawdzania, prowadząca do ich odrzucenia; jest przeciwieństwem weryfikacji.
Hipoteza - przypuszczenie wymagające weryfikacji lub falsyfikacji.
Teoria - ogólna koncepcja oparta na poznaniu i zrozumieniu istotnych czynników kształtujących pewną sferę rzeczywistości np. w zakresie praw przyrody.
Teoria prawdy - pojęcie filozoficzne - ściśle związane z teorią poznania rozważania nad istotą prawdy, jej kryteriami oraz metodami stwierdzania, uzasadniania i weryfikacji prawd.
Błąd formalny - błąd we wnioskowaniu popełniany wówczas, gdy z przesłanek (nawet prawdziwych) nie wynika logicznie wniosek.
Błąd materialny - błąd we wnioskowaniu popełniany wówczas, gdy przynajmniej jedna z przesłanek jest fałszywa (co może być powodem fałszywości wniosku).

3. Metoda naukowa

Klasyczny model metody eksperymentalnej
Metoda naukowa to określona procedura, która powinna być stosowana w procesie pozyskiwania lub tworzenia rzetelnej wiedzy naukowej. Metoda naukowa jest też zbiorem zasad, na podstawie których przyjmuje się lub odrzuca analizowane teorie lub opisy zjawisk. Przykładanie miary tych zasad do określonych teorii czy opisów decyduje o tym, czy zostaną one uznane za rzetelną wiedzę naukową

Rys.1 Klasyczny model metody eksperymentalnej

Zweryfikowana hipoteza staje się teorią i zwiększa stan wiedzy; nie zweryfikowana zostaje odrzucona.
Wyniki badań naukowych zwykle poddawane są krytyce innych naukowców. Nauka jest bowiem w swej istocie procesem społecznym, w którym jedni naukowcy sceptycznie przyglądają się wynikom pracy innych naukowców i akceptują je lub odrzucają w oparciu o obiektywne kryteria. Proces ten odbywa się zazwyczaj poprzez publikowanie wyników prac w czasopismach naukowych. Przyjmuje się, że przyjęcie publikacji do druku następuje po zrecenzowaniu jej (często anonimowo) przez co najmniej dwie osoby zajmujące się tą samą dziedziną badań; warunkiem koniecznym jej ukazania się są pozytywne opinie recenzentów. Publikacja może być później komentowana, krytykowana i oceniana przez innych badaczy, którzy jeśli uznają, że zawarte w niej informacje nie są wiarygodne, mogą publikować wyniki swoich badań stojących w opozycji do kontrowersyjnej pracy.
Duży wpływ na kierunek prac naukowych mają też konferencje, na których toczą się oficjalne i nieoficjalne dyskusje między naukowcami.

Falsyfikowalny model metody eksperymentalnej
Pojęcie falsyfikowalności zostało wprowadzone przez austriackiego logika i filozofa (1902-1994) Karla Poppera w pracy " Logika odkrycia naukowego" [5] ; ma ono kluczowe znaczenie dla rozróżnienia, czy dana hipoteza jest naukową, czy nie.

musi zostać ogłoszona publicznie, aby szeroka społeczność mogła się zapoznać z jej treścią;
powinna umożliwiać precyzyjne przewidywanie wyników doświadczeń lub konsekwencji zdarzeń;
przewidywania wg niej muszą być zgodne z uznanymi za obowiązujące teoriami i wiedzą z tej dziedziny.

Jeżeli hipoteza posiada wymienione cechy (a, b, c), to aby być uznaną za naukową musi być falsyfikowalna, to znaczy musi w jej ramach istnieć przewidywany wynik eksperymentu, wyjaśnienie zjawiska lub konsekwencji zdarzenia, które umożliwią stwierdzenie, że teoria jest błędna. Sfalsyfikowana hipoteza jest błędną teorią naukową.

Rys. 2 Falsyfikowalny model metody eksperymentalnej

^*) Jeżeli hipotezę mamy na „tak” to falsyfikujemy ją na „nie”, natomiast jeśli hipoteza jest na „nie” to falsyfikujemy ją na "tak".

Według Imre Lakatosa (1922 - 1974), węgierskiego filozofa nauki [6], jeżeli nawet uda się komuś w naukach ścisłych wykonać eksperyment falsyfikujący, to reszta naukowców wcale tak szybko ze starej teorii nie rezygnuje. Zauważył też, że właściwie każdą teorię da się tak zmodyfikować, aby pozornie falsyfikujący eksperyment jakoś z nią pogodzić.
Przykładowo, gdy okazało się, że promieniotwórczy rozpad jąder atomów nie spełnia zasady zachowania energii, wymyślono " ad hoc" nową cząstkę elementarną o nazwie neutrino tylko po to, aby uratować tę zasadę, choć ze względu na wynik falsyfikacji należało ją w tym momencie odrzucić (odkryte w jakiś czas potem neutrino tylko umocniło tę zasadę).
Lakatos wymyślił nowe pojęcie tzw. programu badawczego , którym jest zbiór teorii podstawowych zwanych paradygmatem. Na ich bazie buduje się teorie szczegółowe. Paradygmat jest jednak zwykle "święty" i nienaruszalny.
Według modelu Lakatosa - nauka to poprawnie skonstruowany paradygmat oraz potwierdzone eksperymentalnie teorie szczegółowe.

4. Przykłady

Przykład 1
W latach 1972-1976 sprecyzowano koncepcję mechanizmu oddziaływania aktywnych związków zawartych w środkach smarowych z powierzchnią metali [8, 9].
W rozprawie habilitacyjnej [9] przedstawiono ją następująco: "do wywołania uplastycznienia nie jest ważna faza (gaz, ciecz, ciało stałe), z której cząsteczki chemiczne wiążą się chemisorpcyjnie z zewnętrznymi atomami metalu, lecz fakt zajścia tego wiązania. Zmniejszenie energii w powierzchniowej warstwie atomów metalu musi odbić się na stanie naprężeń w przyległych warstwach atomów, sięgając w głąb warstwy wierzchniej na odległość setek A. Mechanizm działania cząsteczek znanych smarów stałych (np. typu MoS2) będzie w tym przypadku podobny do mechanizmu działania cząsteczek aktywnych związków chemicznych wchodzących w skład smarów płynnych"

Powyższa koncepcja była w opozycji do istniejących w tym czasie poglądów specjalistów z zakresu środków smarowych jak i stopów łożyskowych.

Na jej podstawie wysnuto wniosek, że SMARNOŚĆ (cecha przypisywana środkom smarnym) jest tożsama ze ŚLIZGOWOŚCIĄ (cechą przypisywaną stopom łożyskowym).

Oponentem powyższego poglądu był m.in. prof. Andrzej Wachal, który dopiero w 1979 roku podczas Jesiennej Szkoły Tribologicznej w Lubiatowie przyznał, że smarność jest właściwością zespołową.

Koncepcja wytrzymała próbę czasu. Posłużyła do sformułowania i weryfikacji tez w kilku rozprawach doktorskich; Pozwoliła także wyjaśnić brak różnic w pomiarach wielkości pracy tarcia układów pierścień-kulka smarowanych płynnymi i stałymi aktywnymi środkami smarnymi (zjawiska Rebindera).

Przykład 2

indywidualną cechą danego materiału,
przejawia się w zespole z innym materiałem,
występuje dopiero w zespole materiałów generowana procesami tarcia
własnością lub cechą użytkową.

Rys. 3 Strona tytułowa [9] oraz naniesiony na nią schemat

Do grupy własności tribologicznych (ocenianych w zależności od rodzajów tarcia i jego parametrów oraz temperatury), zalicza się:
- wartość i zmiany wartości współczynnika tarcia;
- intensywność zużycia i jej zmiany.
Na pierwszym Kolokwium Tribologicznym odbytym w Janowie Lubelskim w 1978 roku przedstawiony podział został skrytykowany przez prof. Andrzeja Wachala;
Stwierdził On, że te cechy, które zaliczyłem do właściwości użytkowych, a mianowicie: funkcjonalność, zdolność do dotarcia, trwałość w danych warunkach wymuszeń, odporność na błędy wykonawcze, odporność na błędy eksploatacyjne są atrybutami właściwości użytkowych.
Zgodzono się z tym poglądem i w artykule opublikowanym w "Wybranych problemach tribologii" zależność ta została poprawiona rys.4.

Rys. 4 Schemat związków pomiędzy fizykochemicznymi właściwościami materiałów [10]

Właściwości użytkowe stanowią zatem oddzielną grupę właściwości. Podlegają one ocenie użytkownika. Oceny te mieszczą się w przedziale dobry - zły. Dzisiaj do najważniejszych cech należy zaliczyć koszty zarówno wytworzenia jak i eksploatacji.

Przykład 3
Wykrycie błędu w pracy J. Sadowskiego nie było łatwe z tego powodu, że wszyscy jesteśmy przyzwyczajeni do weryfikacji hipotez naukowych. Inaczej mówiąc nie jesteśmy nastawieni na poszukiwanie błędu. W większości rozpraw doktorskich zaraz po tezie rozprawy występuje zapis: "Prawdziwość tezy będę uważał za udowodnioną jeżeli … np. przeprowadzany eksperyment przyniesie przewidywany wynik lub wyjaśni zjawisko".
Zdaniem Miłosza Marczaka artykuł "Nowe miary ..." jest łatwo falsyfikowalny. Według niego falsyfikować należy naukową hipotezę głoszącą, że "artykuł nie zawiera błędu w bilansie energii". Należało więc go szukać! Błąd został wykryty, co oznacza, że wynik falsyfikacji jest na "tak"; zatem sfalsyfikowana hipoteza jest błędną teorią naukową. Równie łatwo można znaleźć rodzaj popełnionego błędu. Wielkość uzyskanej w eksperymencie pracy tarcia i tzw. "pracy właściwej zużycia" jest prawdziwa. Przypisanie jej cechy "absurdalnie dużej" jest fałszywe. Wynika stąd wniosek, że popełniony został błąd formalny.

Podsumowanie

W nauce chyba nic nie jest na pewno. Tak było np. w przypadku postaci Karla R. Poppera.W starszej encyklopedii znaleziono - Karl Popper, angielski filozof; w nowszej - Karl R. Popper, austriacki logik i filozof, od 1945 r. w W. Brytanii. W jego książce pod fotografią, a przed nazwiskiem jest angielski tytuł szlachecki - sir. Zgadzają się tylko daty urodzenia i śmierci (1902 - 1994). W swoim długim życiu stworzył dzieło olbrzymie - świat hipotez falsyfikowalnych.

Można przypuszczać, że w naukach doświadczalnych, w najbliższej przyszłości, falsyfikowalność hipotez naukowych znajdzie szerokie zastosowanie "twierdzenia falsyfikowalne można sprawdzić drogą systematycznych prób falsyfikacji nie zakładającej żadnych wniosków indukcyjnych, a wyłącznie tautologiczne przekształcania logiki dedukcyjnej, których zasadność nie bywa kwestionowana".

Myślimy, że warto zainteresować się tą problematyką w naukach technicznych.

Wracając do tematu informujemy o nowych poglądach na przekształcanie energii w procesie deformacji, zawartych w publikacjach: dr Jerzego Koryckiego (Tribologia 2/2005) oraz J. Koryckiego i Czesława Kajdasa (Tribologia 5/2005).

Szczególnie zaś polecamy artykuł J.Koryckiego (Tribologia 6/2005) p.t. "Analityczny opis procesów zużycia w modelowych węzłach tarcia - niezmienniki w procesach zużycia".

Opracowany w badaniach model matematyczny stwarza podstawy porównywania wyników pomiarów uzyskiwanych za pomocą różnych maszyn tarciowych i zużycia występującego w węzłach tarcia maszyn.

Bibliografia

[1] Sadowski J.: Nowe miary zużycia, zużywania i odporności na zużywanie tribologiczne. Tribologia 1/2005 (199) s. 7.
[2] Sadowski J.: Ocena objętości zużytego materiału w systemie tribologicznym. Materiały X Jubileuszowego Kongresu Eksploatacji Urządzeń Technicznych. Stare Jabłonki 06-09.09.2005, s. 471.
[3] Marczak, R.: Pozorny czy prawdziwy przyrost objętości w procesie tribologicznego zużywania. Referat wygłoszony w dniu 08.09.2005r. na X Jubileuszowym Kongresie Eksploatacji Urządzeń Technicznych. Stare Jabłonki 06-09.09.2005.
[4] Marczak, R.: Istota przyczyny uzyskiwania "zbyt dużej" wartości gęstości energii tarcia i pracy właściwej zużycia w pomiarach kalorymetrycznych procesu tribologicznego. Tribologia 1/2006 (205) s. 47.
[5] Popper K .R.: Logika odkrycia naukowego. PWN, Warszawa 2002.
[6] Lakatos I.:"http://pl.wikipedia.org/wiki/Imre_Lakatos"
[7] Marczak R. Marczak M.: Prawda w badaniach naukowych. Referat wygłoszony w dniu 8.04.2006r. w Instytucie Eksploatacji Pojazdów i Maszyn wydziału mechanicznego PR.
[8] Marczak R. Ziemba S.: Trybologia jako nauka - kierunki i perspektywy jej rozwoju. Materiały III Sympozjum Trybologicznego "Szkoła Jesienna" Złoty Potok, 9.1973. s 5-28.
[9] Marczak, R.: Praca habilitacyjna. Trybologiczne własności materiałów łożyskowych. Informator WITPIS 21/77, 1977.
[10] Marczak, R.: Badania materiałów tribologicznych. W zbiorze Wybrane Problemy Tribologii PWN Warszawa 1990.