Hur kan vi vara säkra på att våra mätinstrument mäter det vi vill?
Halloj!
Jag har en ganska naiv fråga jag har funderat på ett tag.
Vi har ju teoretiska, abstrakta modeller om hur saker och ting fungerar. Vi har exempelvis en teori om elektricitet där vi flitigt använder begrepp som ström, spänning och laddning. Dessa storheter kan vi sedan mäta med instrument vi har konstruerat, exempelvis kan vi mäta ström med något vi kallar för en galvanometer.
En primitiv galvanometer fungerar ju genom att strömmen i en spole inducerar ett magnetfält som vrider en nål. Detta utslag kan vi sedan avläsa enligt en skala vi har definierat och vi kan uttala oss om strömmen genom spolen. Men för att kunna konstruera en sådan apparat måste vi väl redan ha en teori om elektromagnetism, och alltså redan veta vad vi menar med ström, spänning, etc. Annars skulle vi ju inte ens veta vad apparaten mäter!
Vi använder alltså en teori som bygger på storheterna ström, spänning, potential etc. samt hur dessa förhåller sig till varandra, för att bygga instrument som mäter dessa storheter. Men hur kunde vi veta hur dessa storheter hänger ihop med varandra om vi inte redan hade instrument för att mäta dem?
När man kommer på teorier så kan det betraktas som en kvalificerad gissning på hur världen fungerar. Sedan använder man experimenten för att se om denna gissning gäller. Man kan aldrig vara helt säker på att ett mätinstrument mäter det man tror, men om det man uppfyller alla teorier och modeller man ställt upp spelar inte det någon roll egentligen.
Ett exempel på detta är att man aldrig mätt ljusets hastighet. Man har bara kunnat mäta hur ljusets hastighet är en sträcka fram och tillbaka till något. Sedan delar man denna hastighet med två för c antas konstant i alla riktningar. Detta antagande går egentligen inte att visa. Det finns inget som säger att ljuset egentligen inte rör sig jättefort i en riktning men långsamt i en annan, vilket i snitt alltid resulterar i c. Men det spelar egentligen ingen roll. Så länge våra matematiska och fysikaliska modeller fungerar.
Ett annat exempel är att vi inte vet exakt hur flygplan fungerar. Våra matematiska modeller fungerar, uppenbarligen, men exakt konceptuellt fysikaliskt vet man inte hur det går till.
För närvarande kanske det inte finns någon professur i elektrisk mätteknik men till exempel de två rätt kända professorerna Stig Ekelöf och Robert (Bob) Magnusson var professorer i ämnet och har troligen lämnat efter sig en massa dokumentation. Chalmers bibliotek borde ha en hel del.
Många begrepp har också försvunnit över tid, t.ex. eter som man trodde var ett medium som genomsyrade hela universum. Innan man upptäckte syre trodde man att det fanns något som kallades flogiston, ett ämne som frigavs vid förbränning. Dessa idéer kan verka tokiga idag, men de var fullt rimliga då och var i linje med experimentella observationer - tills de inte var det, eller tills något annat förklarade observationerna bättre. Gravitation är ett annat begrepp som har ömsat skinn ett par gånger och fortfarande inte kan förklara alla observationer vi gör, det lär alltså ömsa skinn igen. Kvantmekanik likaså.
Spännande tråd! Jag har inget bra direkt svar på rak arm, men en annan storhet som jag kommer att tänka på och som kanske är lite mer vardagsnära är temperatur. Beroende på hur man räknar kan detta nog räknas som en av de äldsta fenomenen som människor har försökt kvantifiera (efter tid, massa och i viss mån kanske tryck/kraft och säkert ytterligare fenomen som jag förbiser nu). När det gäller temperatur tycker jag det är väldigt tydligt att vår förståelse för det underliggande fenomenet, definitionen av själva storheten, och mätinstrumenten har utvecklats hand i hand.
Det är också värt att notera att vi kunde bygga noggranna termometrar, ställa upp sofistikerade matematiska modeller och bygga upp en hel teori om termodynamik, samt göra extremt värdefulla praktiska förutsägelser utan att en vara i närheten av att ha vår moderna tolkning av temperatur i form av molekylrörelse.
Ur mitt perspektiv blir detta ett skäl att tänka instrumentalistiskt på naturvetenskap, där man inte tar storheter och andra teoretiska entiteter på alltför stort allvar, utan mer ser dem som mänskliga konstruktioner som hjälper oss bygga upp teorier och modeller för att göra världen begriplig och förutsägbar, och som vi i framtiden kan justera eller byta ut i ljuset av nya observationer och insikter. (Se även diskussionen som Hondel förde i din tråd om definitionen av energi som tangerar detta.)
Det finns ju ett berömt citat av Einstein att "tid, det är vad klockor mäter".
Det är också värt att notera att vi kunde bygga noggranna termometrar, ställa upp sofistikerade matematiska modeller och bygga upp en hel teori om termodynamik, samt göra extremt värdefulla praktiska förutsägelser utan att en vara i närheten av att ha vår moderna tolkning av temperatur i form av molekylrörelse.
Just temperatur är ett intressant exempel. Man brukar definera den termodynamiska temperaturen genom sambandet
Den postulatbaserade termodynamiken kräver rent formellt några saker om temperatur:
- Den termodynamiska temperaturen kan aldrig vara mindre än noll
- Värme flödar från hög temperatur till låg temperatur
- Temperatur är en intensiv systemegenskap
- Två system i termisk jämvikt har samma temperatur
- Nolltemperaturen är entydigt bestämd
- Den temperatur med värde 1 kan väljas godtyckligt
Finns det något sätt att, utifrån dessa kriterier, entydigt deducera att det är temperatur i den termodynamiska bemärkelsen som t.ex. en kvicksilvertermometer mäter? Det skulle vara trevligt om det vore möjligt att få strukturen [postulat => teori => mätinstrument] snarare än någon slags sluten cirkel. Även om jag håller med om att naturvetenskapen i grunden är instrumentalistisk, så att cirkularitet inte är något problem egentligen, är det väldigt trevligt att kunna "axiomatisera" saker som i matematiken.
