Tieteellisestä käsitteen- ja teorianmuodostuksesta

1. Tieteellisestä käsitteen- ja teorianmuodostuksesta Oulun yliopisto syksy 2011 Jarmo Pulkkinen

2. Tieteellinen käsitteenmuodostus • Prosessi, jossa muodostetaan, kehitetään tai täsmennetään tieteellisiä käsitteitä(Niiniluoto) • Käsite-empirismi: käsitteet syntyvät abstaktion ja assosiaation tuloksena aistihavainnon pohjalta. • Rationalismi: ihmisellä on synnynnäisiä apriorisia käsitteitä. • Nykykäsitys: käsitteet välineitä todellisuutta koskevan tiedon saavuttamiseksi (”käsiteverkko”). • Tieteellisten käsitteiden neljä tavoitetta: yksinkertaisuus, selvyys, yleisyys ja totuus. • Useimpiin tieteellisiin edistysaskeliin liittyy uusien käsitteiden käyttöönotto.

3. Metaforat tutkimuksen apuna • 1960-luvulta lähtien tieteenfilosofian huomio siihen miten teoriat syntyvät -> metaforat, analogiat ja mallit. • Metafora on ”vertaukseen perustuva havainnollistava kielellinen ilmaus” (Nykysuomen sanakirja). • Metafora = kreik. metaphereinelisiirtää (meta = yli, pherein = kantaa). • ”Metafora on kielellinen ilmaus, jossa ainakin osa ilmauksesta siirretään yhdestä käyttöyhteydestä (lähdealue), jossa se on tavallinen, toiseen käyttöyhteyteen (kohdealue), jossa se on epätavallinen. (Bailer-Jones 2002)

4. Metaforien lajit • (1) Rakenteelliset metaforat: ”atomi on aurinkokunta”. • (2) Ominaisuusmetaforat: ”Pekka on kirahvi”. • (3) Kompleksit metaforat: ”silmiesi ääni on syvempi kuin kaikki maailman ruusut”. • (1) tyypillinen tieteelle, (2) & (3) runolliselle ja kaunokirjalliselle ilmaisulle. (Gentner 1988).

5. Metaforat ja tieteellinen tutkimus • Tieteelliset metaforat eroavat pedagogisista ja populaareista metaforista -> ilmaistaan jotain mitä ei vielä kyetä ilmaisemaan ”ei-metaforisessa” muodossa. • Uutta käsitteistöä ilmiöiden kuvaukseen & uusia tutkimushypoteeseja. • Esim. behavioralismista kognitiopsykologiaan: ”ihmisaivot ovat tietokone”. -> ”ajattelu on informaationprosessointia (tietokoneohjelma)” -> ”ajattelu on loogista päättelyä muistuttavaa symbolien manipulointia” etc. • George Miller: "The Magical Number Seven, Plus or Minus Two: Some Limits on Our Capacity for Processing Information" (1956)

6. Informaatiometafora biologiassa • Vuonna 1952 James Watson ja Francis Crick selvittivät DNA-molekyylin rakenteen sisällä piilevän "geneettisen koodin". • DNA-molekyyli säilyttää geneettistä informaatiota, ts. geenit tuottavat ohjeet miten aminohappoketjuja valmistetaan. • ”Geneettisen ohjelman” metafora: Geenit välittävät periytyvän informaation (”geneettisen ohjelman”), jonka fysiologinen koneisto yksilökehityksen aikana ”toteuttaa”. • Human Genome Project selvitti ihmisen perimän, 3,12 miljardia emäsparia, vuonna 2003.

7. Määritelmistä • Aristoteles: genus + differentia (esim. ”ihminen on rationaalinen eläin”. • Reaalimääritelmä pyrkii tavoittamaan määritelmän kohteen perimmäisen luonteen. • Nominaalimääritelmät ovat sopimuksia käyttää ilmausta tietyllä tavalla. • Wittgensteinin kritiikki essentialistista määritelmien teoriaa kohtaan: esim. erilaisten taideteosten välillä vallitsee ”perheyhtäläisyys”, eikä ole mitään taideteoksen ”olemusta”.

8. Moderni määritelmien teoria • Deskriptiiviset määritelmät: pyritään kuvailemaan jo vakiintunutta merkitystä. • Analyyttisen väitteen totuus seuraa sen sisältämien väitteiden totuudesta (”jokainen poikamies on naimaton”). • Synteettiset väitteet (”Pekka on poikamies”) lisäävät tietoa ja ovat yleensä kokemusperäisiä. • Ekstensio on niiden yksilöiden joukko, jota käsite kuvaa. • Intensio on niiden ominaisuuksien joukko, joka yksilöllä on oltava, jotta käsitettä voitaisiin käyttää sen kuvaamiseen. • ”Ihminen ja ”höyhenetön kaksijalkainen”, sama ekstensio, mutta eri intensio. • Stipulatiiviset määritelmät: sopimus koskien uuden ilmauksen merkitystä tai annetaan ”vanhalle” termille uusi täsmällinen merkitys.

9. Määritelmien ehdot • A) Määritelmän tulee olla tiivis ja looginen. • B) Määritelmä ei saa olla kehämääritelmä. • C) Määritelmääeisaalausuanegatiivisintermein, jos se voidaanilmaistapositiivisintermein. • D) Määritelmääeisaailmaistaepäselvällä tai kuvaannollisellakielellä.

10. Käsitteenmäärityksen ongelmia • Kaikkia käsitteitä ei kyetä määrittelemään (kehämääritelmän kielto), osa jää väistämättä ns. primitiivisiksi termeiksi. • Liiallinen vaikeaselkoisuus. • Tutkijan valitsemien käsitteiden osittainen sopimuksenvaraisuus. • Käsitteiden merkityksen muuttuminen tutkimuksen kuluessa (antiikin ”atomi” -> moderni ”atomi”).

11. Yhteismitattomuus • Thomas Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions (1962). • Tieteellisen ”paradigman” vaihtuessa otetaan käyttöön uusia käsitteitä ja vanhojen käsitteiden merkitykset muuttuvat. • planeetan käsite Ptolemaioksella (planeetat + kuu + aurinko) ja Kopernikuksella (planeetat). • massan käsite Newtonin mekaniikassa ja Einsteinin suhteellisuusteoriassa. • Kuhnin mukaan paradigmojen yhteismitattomuudesta ei seuraa niiden samanveroisuutta. • Vaikka paradigman teorioiden ja käsitteiden täydellinen kääntäminen toisen paradigman ”kielelle” on mahdotonta, paradigmojen ”kieliä” voidaan oppia kuten voimme oppia uusia kieliä.

12. Käsitteet ihmistieteissä • Tutkimuskohteiden erot: luonto (”ei väitä vastaan”) vs. ihminen (”väittää vastaan”). • Tutkijan vs. toimijan käsitteet. • Onko tutkimuskohteena olevien ihmisten omat käsitykset otettava huomioon? • Empiristinen luonnontieteellinen lähestymistapa: tutkijan käsitteet ja menetelmät (esim. kyselykaavakkeet). • Fenomenologinen tai hermeneuttinen lähestymistapa: tutkittavien henkilöiden merkitysmaailma ensisijainen (avoin haastattelu). • Historiantutkimus: Frans I (1487-1547) ja moraalinen koherenssi.

13. Kvalitatiiviset käsitteet • Looginen luokitus (”nainen” - ”ei-nainen”) on analyyttinen. • Faktuaalinen luokitus (”nainen” – ”mies”) tarjoaa uutta tietoa. • Luokittelujen muodostamisella ja kehittämisellä ollut suuri merkitys tieteellisen tiedon kasvussa. • Carl von Linné (1707-1778): Systema naturae (1735). • Keinotekoinen luokittelu.

14. Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä • D. I. Mendelejev (1834-1907). • ”Luonnollinen” luokittelu. • Ennusti kolmen uuden alkuaineen ominaisuudet (gallium, skandium ja germanium).

15. Kvantitatiiviset käsitteet • ”Metrittäminen”: siirtyminen kvalitatiivisesta tai komparatiivisesta käsitteestä kvantitatiiviseen käsitteeseen. • ”Operationalisointi”: teoreettisen käsitteen yhdistäminen havaittavaan todellisuuteen, tutkimuskohteen mitattaviin ominaisuuksiin. • Alfred Binet (1857-1911) operationalisoi älykkyystestin avulla inhimillisen ”älykkyyden” (älykkyysosamäärä). • Kvalitatiivinen vs. kvantitatiivinen tutkimus: sopiiko jälkimmäinen myös ihmistieteisiin?

16. Tieteelliset teoriat • Kreik. ”theoria” (katsominen, tarkasteleminen). • Tieteen ihanteena Aristoteleesta lähtien on ollut teoria, jossa muutamasta peruslauseesta voidaan johtaa tieteenalan kaikki väitteet (esim. Eukleideen geometria). • (1) Yhtenäinen tietojärjestelmä tieteenalan sisällä; (2) kokonainen tutkimusala; (3) hypoteesi, otaksuma. • Yleensä koostuvat empiiristen tai teoreettisten lakien kokoelmasta ja niihin liittyvistä eksistenssioletuksista (teoreettiset entiteetit, esim. geeni, superego, sosiaalinen paine jne.). • Teoreettiset entiteetit voidaan nähdä: (1) palautuvan täysin havaintoon; (2) havainnon ylittävinä ajatuskonstruktiona; (3) todellisuuden osina.

17. Tieteelliset lait • Todellisuuden ilmiöitä koskevia säännönmukaisuuksia. Voidaan kuvata yleisinä implikaatiolauseina (jos ilmiö A esiintyy, esiintyy myös ilmiö B). • (1) Yhteenliittymis- vs. seurantalait. • (2) Yleiset vs. todennäköiset lait. • (3) Empiiriset vs. teoreettiset lait. • (4) Kvalitatiiviset vs. kvantitatiiviset lait. • Samassa laissa voi esiintyä useita ominaisuuksia. • Erona teoriaan malli on idealisaatio, joka on tarkkaan ottaen epätosi.

18. Esittävät mallit • Kohde esitetään mekaanisen fysikaalisen systeemin avulla. • Esim. rakennusten, autojen, lentokoneiden, ja laivojen pienoismallit suunnittelun apuna. • Analogiamallit: kohde kuvataan laadullisesti erilaisten mutta käyttäytymislaeiltaan samanlaisten elementtien avulla. • Kartat. • Pedagogiset analogiamallit.

19. Tunguskan räjähdys • 30. päivä kesäkuuta 1908 räjähdys kaatoi n. 60 miljoonaa puuta 25 kilometrin säteellä. • Vuonna 1927 L. Kulikin johtama retkikunta paikalle. • 1960-luvun puolivälissä I. Zotkin simuloi räjähdyksen pienoismallin avulla (tulitikkumetsä ym.). • Räjähdyksen syystä ei edelleenkään täyttä yksimielisyyttä. Ehdotettuja syitö: meteoriitti, metaaniräjähdys , ufo, sähkömagneettinen myrsky, antimateria, kvanttipoikkeama.

20. Teoreettiset mallit • Kokoelma oletuksia ja hypoteeseja jonkin objektin tai systeemin rakenteesta (”käsiteverkosto). • Esim. ”ihmisaivot ovat tietokone”. -> ”ajattelu on informaationprosessointia (tietokoneohjelma)” -> ”ajattelu on loogista päättelyä muistuttavaa symbolien manipulointia” etc. • Alkuvaiheissa ”valistuneita arvauksia”, metaforan aloittamalle tutkimukselle on ominaista ”avoimuus”. • Metaforan pohjalta rakennetut teoreettiset mallit ”kuluvat” käytössä (esim. kognitiotieteen komputationaalinen paradoksi).

21. Matemaattinen malli • Yksi teoreettisten mallien muoto. • Matemaattisilla malleilla ja tietokonesimulaatiolla on nykyisin hyvin tärkeä rooli tieteellisessä tutkimuksessa. • Nykyhetken (marraskuu 2011) nopein supertietokone: Fujitsu K Computer. • (1) Tunnetaan luonnonlait, mutta ilmiöt erittäin monimutkaisia (ilmastomallinnus, sään ennustaminen). • (2) Tunnetaan osittain luonnonlait (geneettisen aineiston analysointi, uusien lääkeaineiden etsintä). • (3) Perusongelmat (kosmologia).

22. Tieteellisten teorioiden rakenne • Aksioomajärjestelmä: peruslauseet (aksioomat), joista johdetaan muut väitteet (teoreemat). • Aristoteles, Analytica Posteriora. • Eukleideen geometria. • Aristoteleelle aksioomat sekä yleisiä että välttämättömiä. • Hypoteettis-deduktiivinen järjestelmä: peruslauseille epäsuoraa tukea tutkimalla testattavia seurauksia niistä. • Keskeinen ongelma: teoreettisten käsitteiden suhde havaintoihin ja todellisuuteen.

23. Deskriptivismi • Comten positivismi (1800-l), Ernst Mach ja looginen empirismi (1900-l). • Teoriat kuvaavat havaittuja ilmiötä mahdollisimman ”taloudellisilla” ja ”yksinkertaisilla” tavalla. • Ernst Machin (1838-1916) mukaan kokemus saavuttaa vain ”elementtien” tai ”aistimusten” maailman, eikä tieto niistä tuo mukanaan minkään muun olemassaoloa. • Esim. ”atomi” lyhennys kompleksille joukolle havaittavia ilmiöitä ja piirteitä.

24. 1920-30-lukujen Wienin piiri • Rudoph Carnap, Moritz Schlick, Otto Neurath jne. • Jokainen ”puhdas” teoreettinen käsite voidaan kääntää havaintokielelle ns. vastaavuussääntöjen avulla (”käännettävyysteesi”). • ”Fenomenalistinen” tieteenkieli: Havaintoväitteet (”nyt näen punaisen läikän”) ovat tieteen perusta. • ”Fysikalistinen” tieteenkieli: Ominaisuuksia tai suhteita ilmaisevat raportit (”tämä kappale on punainen”) tieteen perustana. • Ongelmana erityisesti dispositio- eli taipumusta kuvaavat käsitteet (särkyvä, joustava, magneettinen, itsesuojeluvaisto jne.) • Myöh. tieteen kielen kaksitasoteoria: ainakin joillakin teoreettisilla käsitteillä yhteys havaintotermeihin (”korrespondenssisäännöt”).

25. Havainnon teoriasidonnaisuus • Ongelmana jyrkkä erottelu havainto- ja teoreettisten termien välillä. • Mitä on havaittavissa riippuu tilanteista & olosuhteista, käytössä olevista instrumenteista, käsitejärjestelmästä ja taustatiedoista. • Tieteelliset instrumentit tekevät havainnoinnista vieläkin ”teoreettisempaa”. • Havainnon teoriapidonnaisuutta puolustaneet Karl Popper, Thomas Kuhn ja Paul Feyerabend.

26. Illuusiot & havaintovirheet • Perspektiivikuvien ”näkeminen” on opittu taito. • Colin Turnbull: BaMbutien visuaalinen maailma: • ”As we turned to get back in the car, Kenge looked over the plains and down to where a herd of about a hundred buffalo were grazing some miles away. He asked me what kind of insects they were, and I told him they were buffalo, twice as big as the forest buffalo known to him. He laughed loudly and told me not to tell such stupid stories, and asked me again what kind of insects they were. He then talked to himself, for want of more intelligent company, and tried to liken the buffalo to the various beetles and ants with which he was familiar.”

27. Instrumentalismi • Keskeistä teoreettisten termien ”toimiminen” eli niiden kyky selittää ja ennustaa ilmiöitä. • Jätetään avoimeksi kysymys teoreettisten termien tulkinnasta. • Antiikin ”ilmiöiden pelastamisen periaate”. Ympyrä on täydellinen liike, joten taivaankappaleiden liike on ”pelastettava” tasaisiksi ympyräliikkeiksi. • Geminus (1. vuosisata eaa): fysikaalisesti tosi tai epätosi hypoteesi (fysiikka) vs. ilmiöiden pelastamiseksi tehty hypoteesi (tähtitiede).

28. Kvanttimekaniikka • Kööpenhaminan tulkinta (Niels Bohr & Werner Heisenberg). • ”Kahden raon koe”: yksittäinen fotoni vaikuttaa kulkevan molemmista raoista yhtaikaa. • Bohr: ”Its wrong to think that the task of physics is to find out how nature is. Physics concerns what we can say about nature“. • ”Superpositio”-tulkinta. (Schrödingerin kissa). • ”Monimaailma”-tulkinta.

29. Realismi • Teoriat ovat yrityksiä saavuttaa todellisuutta koskevaa tietoa, sellaisina ne ovat joko tosia tai epätosia. • Teoriat (mukaan lukien teoreettiset termit) puhuvat meistä riippumattomasta todellisuudesta. • Tieteellisten teorioiden antama kuva todellisuudesta on ensisijaisempi kuin arkikokemuksen antama. • Kriittinen realismi. • ”Menestysargumentti” tärkein argumentti realismin puolesta.

30. Konstruktivismi • Kantin mukaan tietomme kohteena oleva maailma on ymmärryksen kategorioiden jäsentämä ja muokkaama, emme pysty saamaan tietoa havaittavien ilmiöiden takana olevasta maailmasta (Ding an sich). • Konstruktio prosessina vs. konstruktio lopputuloksena. • Tieteellinen tieto sosiaalisen prosessin tuloksena vs. tieteen kuvaama todellisuus ja oliot konstruktioina. • Jyrkkä konstruktivismi yhdistyy relativismiin: ei ole mitään kielestä, kulttuurista tai käsitejärjestelmästä riippumatonta todellisuutta; tiedetty maailma on (osittain tai kokonaan) käsitteiden konstruoima & käsitteet eroavat (kielellisestä, sosiaalisesta, tieteellisestä jne.) ryhmästä toiseen.