Το ζήτημα της ομοιότητας μεταξύ επιστημονικών μοντέλων και φυσικής πραγματικότητας στον επιστημολογικό στοχασμό της Susan G. Sterrett

Abstract

Although similarity and analogue models have been widely utilized in various scientific fields since the 18th century, the concept of similarity was somehow neglected in epistemological issues of philosophy of science until the late 20th century, despite that it is a core mechanism that enables experimentation. Although several approaches to scientific models have been provided by philosophers in recent decades, the wide use of the concept of similarity during the application of analogue models requires further discussion on the role of the concept itself during the representation of existing systems through analogue models, on the relationship between similarity and analogical reasoning and, on the criteria on which the verification of a specific similarity between an analogue model and a system under study should be based. On this basis, this dissertation aims to examine the relationship between similarity and representation through the scientific technique of analogue models, and, therefore, the relationship between similarity and analogue models, focusing on the innovative theory of Susan G. Sterrett, a modern philosopher of science, who identified physical similarity as the core method of analogue models. In this context, the research hypothesis we investigated was: The basic mechanism that enables experimentation through analogue models is the similarity between the model and the system under study (the target system), which should be defined and verified by strict scientific criteria to both ensure the effective utilization of the model and to validate its scientific nature. Thus, a historical and philosophical approach to the concept of similarity as a core mechanism that determines the representation through scientific models was carried out, but also the issue of the appropriate criteria to validate the similarity between two systems was discussed, focusing on highly important aspects of Sterrett’s theory. Through this research, it is argued that Sterrett’s theory is one of the important evolutionary milestones in the process of conceptualizing and defining the concepts of similarity and scientific model in modern philosophy of science. We accepted most aspects of Sterrett's theory and recognize her contribution to the clarification of these two concepts and the conceptualization of the concept of analogue models in the field of philosophy of science. However, as some omissions were traced in the philosopher's theory, we criticized specific aspects of it and re-examined some of the issues she discussed, explaining, clarifying, or complementing the philosopher's approach, or suggesting something new or even something different from her.Through the first chapter of this dissertation, we presented important definitions of the concepts of similarity and scientific models derived from different scientific fields. To further clarify the concept of the scientific model, a definition was formulated and proposed. The proposed definition describes the role of the model in the scientific methodology, the core operation mechanism, and the basic characteristics that compose the identity of this important scientific technique, without focusing on specific categories of models or, exclusively, on the representational operation of this technique. Moreover, the historical evolution of the conceptualization and utilization of the mechanism of similarity and scientific models as practical and experimental techniques, in different spatial and temporal contexts, was examined. According to this approach, the concept of similarity went through five distinct stages of evolution (Grigoriadou et al., 2021: 101-121). The first stage corresponds to Egyptian science from 3200 BC to 1200 BC and it could be characterized as the beginning of the utilization of similarity, which enabled ancient Egyptians to achieve various architectural, medicinal, and mathematical feats. During this period, ancient Egyptians used similarity in a generalized manner, as a technique to categorize knowledge and contribute to the description, explanation, and prediction of the world, primarily aimed at solving practical problems. The second stage corresponds to Classical antiquity, which is the era of the genesis of “episteme” and “natural philosophy” when the notion of similarity appeared in philosophy, mathematics, music, and geometry and was perceived to be of increased methodological importance (Grigoriadou et al., 2021: 101-121). The third stage was during the Dark Ages, a period that proved unfavorable for the exploitation and development of experimental scientific techniques and mechanisms, such as the mechanism of similarity. During the next evolutionary stage, after Renaissance, the concept of similarity gained renewed importance, this time as the methodological idea of similar systems. This was the period of defining and consciously utilizing similarity as an experimental tool of the natural sciences (late 16th century to early 19th century) (Grigoriadou et al., 2021: 101-121). Finally, the fifth stage corresponds to the period from the 19th century to the 21st century and constitutes the stage of the theoretical documentation and systematic application of the mechanism of similarity in the natural sciences as well as the extension of its application in many scientific fields. Accordingly, in the same chapter, the history of the concept of the scientific model was examined. The study of the historical evolution of similarity and scientific models clarifies that the transition from the “technocratic” exploitation of similarity to its theoretical documentation as well as to its conscious and systematic application as a tool of scientific methodology was not completed in a single evolutionary stage (Grigoriadou et al., 2021: 101-121). On the contrary, it took many centuries for the concept to evolve in parallel with the evolution of scientific thought and to reach its modern significance and application within the scientific methodology of the various scientific fields. The transition from the “technocratic” utilization of similarity to its conscious utilization can be detected in the classical era stage. The transition to its systematic use as a significant experimental tool is traced after Renaissance. Finally, the theoretical documentation of the concept of similarity and efforts to expand its application to more scientific fields, are traced after the 19th century (Grigoriadou et al., 2021: 101-121). Although all stages contributed to the development of the concept of similarity, the period after the scientific revolution is considered crucial for the conceptualization and utilization of the mechanism of similarity, as the changes that occurred in science after the Scientific Revolution and the Enlightenment played a decisive role in the evolution of the concept of similarity. In other words, the Scientific Revolution and the Enlightenment helped shape a new way of thinking that changed the way scientists research the natural world. The incorporation of systematic experimentation into scientific methodology resulted in the need to develop new scientific practices, including measuring instruments and the systematic exploitation of mechanisms and scientific models capable of contributing to the explanation and prediction of phenomena (Grigoriadou et al., 2021: 101-121). These conditions contributed to the immediate adoption of the mechanism of similarity and to its systematic application in scientific models, which was greatly expanded from the 18th century onwards. The historical review provided by this dissertation has presented the evolution of the concept of similarity from Newton’s concept of geometrical similarity to Buckingham’s concept of physical similarity, and finally, to the concept of physical similarity in the light of a specific research hypothesis in Sterrett’s approach. The historical approach enabled the adoption of a multifaceted approach, a deeper understanding, and a more sufficient definition of the concept of similarity and the scientific model and their evolution (Grigoriadou et al., 2021: 101-121). In this chapter, it was also supported that the first scientific models that have been discovered are the stone circle, the sculpture cowstone, and the bedrock sculpture of Nabta Playa, which were discovered in 1974 at Nubia dessert and systematically researched after 1998 by Thomas Brophy, an American astrophysicist. Furthermore, throughout the first chapter, the role of the philosophy of science and natural sciences in understanding these concepts and utilizing the corresponding techniques were discussed. According to this issue, we concluded that both natural sciences and philosophy of science contribute to a comprehensive perception and an efficient application of the technique of the scientific model in modern scientific methodology. The knowledge for models, which is derived from the field of philosophy of science, is important for their more efficient use as a core experimental technique of natural sciences, while at the same time the natural sciences shape the field of applications of this tool and enhance it with further scientific value (Γρηγοριάδου, 2021:159-160). Thus, the development of a continuous interdisciplinary dialogue between philosophers and natural scientists concerning these two concepts is considered crucial as it can lead to a more sufficient understanding of the concept of the scientific model, but also the theoretical documentation, the effective utilization, and further development of this technique. The second chapter provides a critical approach to the basic issues of similarity between scientific models and reality in the epistemology of Sterrett. Specifically, Sterrett’s historical review and definition of the concept of similarity were presented and analyzed. Moreover, the innovative categorization of scientific models introduced by the philosopher was presented and discussed, but also a different and more extensive categorization was proposed, which is considered to overcome some limitations traced through Sterrett's categorization. Specifically, we, firstly, approached Sterrett’s categorization of scientific models into two wide categories, based on the nature of the system under study and the operation of the representation mechanism. Sterrett proposed the categories "realm of thought" and "using one piece of the world to tell about another". Although Sterrett’s approach was innovative and important, if we consider the variety of scientific models used in modern science, her models’ categorization into only two basic categories is considered somehow restricted. At this point the need for a more comprehensive and detailed categorization, capable of overcoming the limitations of Sterrett’s categorization, and contributing to the understanding of the concept of the model in general, became apparent. Thus, we proposed that the most appropriate criterion for scientific models’ categorization is the nature of the model itself. In other words, we distinguished five models’ categories responding to the question: what kind of things are used as models? This criterion can be easily used during models’ classification into general categories and can lead to a sufficient categorization of scientific models as it contributes to encompassing all kinds of models in the proposed categories and each kind in one single category. The chosen criterion is a fundamental criterion that indicates the classification of the models in specific categories and, therefore, can reduce the effect of the human factor during the categorization of scientific models. In this context, the proposed classes of scientific models are theoretical models, physical set-ups (analogue models), fiction or imaginary models, mathematical models, and models of informatics. Through the proposed categorization, details considering the core features of each model subcategory are estimated and clearly presented, while differences between models’ subcategories are pointed out. Thus, the scheme of the five general categories of models we proposed is comprehensive and distinguishable. Classifying models in such a manner has the potential to highly impact the process of understanding and defining the notion of the scientific model in general. In addition, in the second chapter, other highly important issues addressed by Sterrett were critically approached. Sterrett clarified the role of similarity in the experimental utilization of scale models through the distinction and description of five specific stages of selection or construction and operation of scale models’ technique. Moreover, Sterrett discussed how the fundamental laws are involved in the construction of and drawing inferences from the experimental scale models and focused on the significant role of fundamental laws during scale modeling, she supported that the scale model is a scientific technique. Another significant aspect of Sterrett’s theory is her observation that the kind of similarity that is involved in scale modeling is not the absolute structural similarity of a system -e.g. the construction of a replica of the system- but a kind of partial similarity focusing on specific characteristics or relations, in the light of a specific scientific hypothesis. Finally, we approached Sterrett’s view on the kind of criteria considered appropriate to verify the existence of a specific similarity between a model and the system under study. Through the first and second chapters, and specifically through the historical review and the presentation and analysis of the basic aspects of Sterrett’s theory concerning the concepts of similarity and scientific model, the first part of the research hypothesis according to which similarity is the core mechanism that allows experimentation through analogue models was validated. In the third chapter, a new perception of the concept of similarity as the core mechanism that allows the transfer of knowledge between different scales of the same phenomenon (internal similarity) or among different phenomena or systems of the same scale (external similarity) was presented (Kanavouras et al., 2021: 210-213). The distinction between the internal and external similarity succeeds in further clarification of the concept of similarity, specifically by describing the internal similarity that Sterrett didn’t have pointed out. On this basis, a definition of the concept of similarity including both internal and external similarity was proposed. Finally, we highlighted that the validity of the scientific model’s technique can be ensured if the verification of similarity between two or more systems, is based on strict, scientific, and objective criteria, capable of reducing the effect of the human factor on determining similarity and the possibility of choosing incorrect criteria which may lead to inefficient utilization of the model or unreliable results. The arguments developed in the third chapter were supported by the presentation and description of specific methodologies and tools with the main purpose of further clarifying the concepts of similarity and scientific model in the field of philosophy of science. Through the historical review of the experimental utilization of scientific models, especially after the 17th century, but also through the argumentation developed in the third chapter, the second part of the research hypothesis according to which the similarity between the model and target system should be defined based on strict scientific criteria, was validated.

Στην παρούσα διατριβή διερευνάται ιστορικά και φιλοσοφικά η έννοια της ομοιότητας ως βασικού μηχανισμού που προσδιορίζει την αναπαραστατική λειτουργία των επιστημονικών μοντέλων αναλογίας, με επίκεντρο την καινοτόμο θεώρηση της σύγχρονης φιλοσόφου της επιστήμης Susan G. Sterrett. Η διατριβή διεξήχθη υπό το πρίσμα της ερευνητικής υπόθεσης, κατά την οποία «ο βασικός μηχανισμός λειτουργίας του επιστημονικού μοντέλου αναλογίας είναι η ομοιότητα μεταξύ του μοντέλου και του υπό διερεύνηση συστήματος, η οποία θα πρέπει να ορίζεται βάσει αυστηρών επιστημονικών κριτήριων προκειμένου να εξασφαλίζεται η αποτελεσματική αξιοποίηση του μοντέλου και να επικυρώνεται η επιστημονική του φύση». Η εκπόνηση της διατριβής πραγματοποιήθηκε σε τρία στάδια έρευνας που αντιστοιχούν στα τρία κεφάλαια που την απαρτίζουν. Στο θεωρητικό μέρος της διατριβής (κεφάλαιο 1), παρουσιάστηκαν σημαντικοί ορισμοί των εννοιών της ομοιότητας και του επιστημονικού μοντέλου και διατυπώθηκε ένας νέος ορισμός της έννοιας του μοντέλου. Ο ορισμός αυτός προέκυψε από την απάντηση στα ερωτήματα: τι είναι μοντέλο, τι δεν είναι μοντέλο και ποιες οι βασικές κατηγορίες των επιστημονικών μοντέλων στη σύγχρονη επιστήμη; Ο προτεινόμενος ορισμός περιγράφει τον ρόλο του μοντέλου στην επιστημονική μεθοδολογία, την ομοιότητα ως βασικό μηχανισμό λειτουργίας του και τα χαρακτηριστικά που συνθέτουν την ταυτότητα της σημαντικής αυτής επιστημονικής τεχνικής, χωρίς να εστιάζει σε συγκεκριμένες κατηγορίες μοντέλων ή να επικεντρώνεται αποκλειστικά στην αναπαραστατική λειτουργία των μοντέλων. Επίσης, διερευνήθηκε η ιστορική εξέλιξη της εννοιοδότησης και της πειραματικής αξιοποίησης του μηχανισμού της ομοιότητας και της τεχνικής του επιστημονικού μοντέλου σε διάφορα στάδια εξέλιξης της επιστημονικής δραστηριότητας από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα και προτάθηκε η διάκριση πέντε συγκεκριμένων σταδίων στη μακρά ιστορική εξέλιξη της έννοιας της ομοιότητας. Επιπλέον, εξετάστηκε ο ρόλος της φιλοσοφίας της επιστήμης και των φυσικών επιστημών στην κατανόηση των εννοιών αυτών και στην αξιοποίηση των αντίστοιχων τεχνικών. Το δεύτερο μέρος της διατριβής (κεφάλαια 2 και 3) αποτέλεσε μια προσπάθεια κριτικής προσέγγισης των βασικών ζητημάτων που ανέδειξε και εξέτασε η Sterrett αναφορικά με τις έννοιες της ομοιότητας και του επιστημονικού μοντέλου. Συγκεκριμένα, στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάστηκε η ιστορική προσέγγιση της έννοιας της ομοιότητας, η εννοιοδότηση και ο ορισμός της τεχνικής αυτής από τη φιλόσοφο. Επίσης, παρουσιάστηκε η κατηγοριοποίηση των επιστημονικών μοντέλων της φιλοσόφου σε δύο ευρείες κατηγορίες και προτάθηκε μια διαφορετική, πιο εκτεταμένη κατηγοριοποίηση που ξεπερνά ορισμένους περιορισμούς που προκύπτουν από την κατηγοριοποίηση της Sterrett. Επιπλέον, προσεγγίστηκαν κριτικά ορισμένα σημαντικά ζητήματα που ανέδειξε και εξέτασε η Sterrett, τοποθετώντας μέσω της θεώρησής της τη διερεύνηση των δύο αυτών εννοιών και της σχέσης μεταξύ τους σε νέες βάσεις στο πεδίο της φιλοσοφίας της επιστήμης. Ένα σημαντικό ζήτημα που διερευνήθηκε από τη φιλόσοφο είναι εάν τα μοντέλα κλίμακας είναι αμιγώς επιστημονικές τεχνικές. Η επιστημονικότητα της ευρείας αυτής κατηγορίας μοντέλων είχε αμφισβητηθεί στο πεδίο της φιλοσοφίας της επιστήμης μέχρι τα τέλη του 20ου αιώνα. Η Sterrett διατύπωσε ένα ισχυρό επιχείρημα υπέρ της επιστημονικότητας των μοντέλων φυσικών διατάξεων εστιάζοντας στον καθοριστικό ρόλο των νόμων, των αρχών και των εξισώσεων κατά την κατασκευή και την πειραματική αξιοποίησή τους. Άλλη σημαντική συμβολή της Sterrett είναι η αναγνώριση της μεθόδου φυσικής ομοιότητας ως βασικής μεθόδου λειτουργίας των μοντέλων αναλογίας. Η συγκεκριμένη άποψη της φιλοσόφου στηρίχθηκε στην εξέταση πολλών παραδειγμάτων πειραματικής αξιοποίησης μοντέλων φυσικών διατάξεων και στην επιχειρηματολογία που η ίδια ανέπτυξε, και υπήρξε σημαντική για τον έλεγχο της ερευνητικής υπόθεσης υπό το πρίσμα της οποίας διεξήχθη η συγκεκριμένη έρευνα. Ένα άλλο ζήτημα που διερεύνησε η φιλόσοφος είναι εάν η αντιγραφή ενός συστήματος συνιστά την ομοιότητα που εμπλέκεται στη μοντελοποίηση κλίμακας. Επιπροσθέτως, παρουσιάστηκε η θεώρηση της Sterrett σχετικά με τα κριτήρια στα οποία πρέπει να στηρίζεται η επιβεβαίωση της ύπαρξης συγκεκριμένης ομοιότητας μεταξύ ενός μοντέλου και του συστήματος που αυτό αναπαριστά, και προσεγγίστηκε κριτικά η άποψή της κατά την οποία συχνά ο εμπειρικός προσδιορισμός της ομοιότητας αρκεί για την επιβεβαίωση της ύπαρξης ομοιότητας μεταξύ μοντέλου και υπό διερεύνησης συστήματος. Μέσω των δύο πρώτων κεφαλαίων και συγκεκριμένα μέσω της ιστορικής ανασκόπησης των δυο υπό εξέταση εννοιών και της κριτικής προσέγγισης συγκεκριμένων πτυχών της θεωρίας της Sterrett, επικυρώθηκε το πρώτο σκέλος της ερευνητικής υπόθεσης, σύμφωνα με το οποίο η ομοιότητα αποτελεί βασικό μηχανισμό λειτουργίας των μοντέλων αναλογίας, τον μηχανισμό κλίμακας από το μοντέλο στο υπό διερεύνηση σύστημα. Στο τρίτο κεφάλαιο ασκήθηκε κριτική σε συγκεκριμένα σημεία της θεώρησης της Sterrett, στα οποία εντοπίστηκαν παραλείψεις ή διαμορφώθηκε διαφορετική άποψη από εκείνη της φιλοσόφου. Συγκεκριμένα, ενώ η Sterrett προσέγγισε, εξέτασε και όρισε την ομοιότητα μεταξύ δυο διαφορετικών συστημάτων ή φαινομένων, δεν αναφέρθηκε στην ομοιότητα μεταξύ διαφορετικών κλιμάκων του ίδιου φαινομένου ή συστήματος. Στο πλαίσιο αυτό, παρουσιάστηκε η πρόταση διάκρισης της ομοιότητας στους δύο αυτούς επιμέρους τύπους, την εξωτερική και εσωτερική ομοιότητα, των Καναβούρα, Θεολόγου και Κουτελιέρη (Καναβούρας και συν, 2021: 210-213), βάσει της οποίας προέκυψε ορισμός της έννοιας της ομοιότητας που συνυπολογίζει τη συγκεκριμένη διάκριση και αποσαφηνίζει περισσότερο την έννοια. Επίσης, διατυπώθηκε επιχειρηματολογία αναφορικά με τη σημασία επιλογής αυστηρών κριτηρίων επικύρωσης της ομοιότητας μεταξύ μοντέλου και υπό εξέτασης συστήματος, όταν αυτό είναι εφικτό, βάσει της ισχυρής πεποίθησης κατά την οποία τα αυστηρά κριτήρια συμβάλλουν στον περιορισμό της ασάφειας κατά τον προσδιορισμό της ομοιότητας και κατ’ επέκταση στον περιορισμό της πιθανότητας επιλογής εσφαλμένων κριτηρίων που μπορεί να οδηγήσει σε μη αποτελεσματική αξιοποίηση του μοντέλου ή σε επισφαλή αποτελέσματα. Η επιχειρηματολογία που αναπτύχθηκε στο τρίτο κεφάλαιο υποστηρίχθηκε από την παρουσίαση και περιγραφή συγκεκριμένων μεθοδολογιών και εργαλείων με απώτερο σκοπό την περαιτέρω αποσαφήνιση των δυο υπό εξέταση εννοιών στο πεδίο της φιλοσοφίας της επιστήμης. Μέσω της ιστορικής ανασκόπησης της πειραματικής αξιοποίησης του επιστημονικού μοντέλου στις φυσικές επιστήμες και στα πεδία της μηχανικής μετά τον 17ο αιώνα, που παρατηρείται η τάση προσδιορισμού της ομοιότητας μεταξύ μοντέλου και συστήματος στόχου βάσει μαθηματικών κριτηρίων, αλλά και μέσω της επιχειρηματολογίας που αναπτύχθηκε στο τρίτο κεφάλαιο της διατριβής, επικυρώθηκε το δεύτερο σκέλος της ερευνητικής υπόθεσης, κατά το οποίο η ύπαρξη συγκεκριμένης ομοιότητας μεταξύ μοντέλου και υπό διερεύνησης συστήματος πρέπει να επιβεβαιώνεται βάσει αυστηρών, μαθηματικών κριτηρίων.