Experience and Theory: A Defense of the Kantian A priori and Kepler’s Philosophy of Science in Light of Modern Space-Time Physics

Abstract

This thesis is intended as a contribution to the debate over the relation between everyday thinking and contemporary science. My main aim is to contribute to a more general debate concerning epistemology and scientific reasoning. In order to maintain focus and enter the scientific details, I have limited my discussion here to issues relating to special relativity. Other case studies such as debates over quantum mechanics (see Andersen & Arenhart: 2016) and risk assessment of biotechnology (see Rocca & Andersen: 2017) have therefore been left out.

A common debate in contemporary philosophy of science is whether we should accept scientific theory at face value, or whether we should take direct and everyday experience as our main source to knowledge of the world. The existence of this debate implies that there exist a somewhat hard separation between these two types of knowledge, or at least, that there is a sizeable tension between them. A primary example of the separation between everyday thinking and scientific theory is the debate over space and time. Since the introduction of special relativity in 1905, physics have adopted notions of space and time that are radically different from the ones we use in our everyday language and experience. What should we do in such a situation? Should we reject our everyday experience at the benefit of scientific data, or should we reject scientific data at the benefit of our everyday experience? Philosophers have argued both positions for the last century and the received view appears to be that we should adopt the scientific theory and think of our own experience as somewhat flawed. The downsides of this solution is that we have become strangers in our own world, and that only a society of experts know the truth. There is however, a third option available, which is to find alternative ways to evaluate the relevant data and thus construct other possible theories. In relation to special relativity, there is already an alternative theory in place. This theory is known as the Lorentz ether theory. At the end of this thesis, I argue that the Lorentzian theory is preferable to special relativity for a series of philosophical reasons. The main reason being that the Lorentzian theory allows a common ground between everyday thinking and scientific theory. We are therefore no longer strangers in our world. I take Keplerian philosophy of science in combination with contemporary semirealism as my vantage point in part one and argue that a scientific theory par excellence is a theory, which can be coherently stated in a single argument where measuring results as well as measuring apparatus and everyday experience are included. Following Kepler, I argue that such a theory must build from a metaphysical basis.

In part two, I establish a Kantian metaphysical basis for everyday experience as well as theoretical and experimental physics. In so doing, I establish a priori elements of phenomenology, mechanics, dynamics and phoronomy. The existence of a priori elements to any modern physical theory is an unpopular notion in contemporary philosophy of science. Typically, the idea is that non-empirical elements of a particular theory must be conventional in some sense, or they ultimately turn out to be empirical after all. The main reasons for the rejection of a priori elements is that arguably, “non-Euclidean geometries” and their application in special and general relativity prove that there are no a priori elements. What we used to think were a priori elements have turned out to be wrong. The last two parts of the present thesis are counterarguments to this common opinion.

In part three, I argue there are two distinct versions of “non-Euclidean geometries”. The “non-Euclidean” geometries are geometrical models on what turn out to be Euclidean surfaces. They are therefore more expansions of, than alternatives to Euclidean geometry. These geometries are fully in line with the notion of an a priori given structure of space. The non-Euclidean “geometries” however, are attempts at constructing higher dimensional models of the structure of space, and are in direct conflict with the a priori three-dimensional structure of our everyday experience. I argue in part three that these “geometries” are actually arithmetical structures that can only be modelled geometrically as long as we accept a series of philosophically problematic tenets.

In part four, I present the Lorentzian ether theory, special relativity, and the problems they intend to solve. I argue that both theories are able to save the phenomena and thus cover the data, but that the Lorentzian theory is explanatorily superior. Furthermore, I argue that the main differences between the theories can be expressed in a series of postulates posited by Einstein. Among these postulates are the concepts of physically real “practically rigid bodies” and methodological demand that we conflate velocity addition and translation or transformation. In conclusion, I argue that special relativity implies a set of dualisms that are unresolved in both Einstein’s original theory and the contemporary versions of it. I conclude that the root of the problem lies in Einstein’s adherence to a Humean epistemology that selectively neglects dynamical aspects of physical entities.

If my arguments are granted, we can make a step toward finding an overall framework for everyday thinking and scientific theory. We can then also apply the scientific theory in our everyday thinking and expand our laymen’s knowledge of who, what and where we are.

Formålet med denne avhandlingen er å gi et bidrag til debatten rundt forholdet mellom hverdagslig erfaring og moderne vitenskap. I hovedsak er det mitt mål å bidra i en mer generell debatt rundt epistemologi og vitenskapelig tenking. For å kunne holde et visst fokus og ta for meg detaljene i de relevante teorier, har jeg avgrenset diskusjonen til forhold som direkte angår spesiell relativitetsteori. Jeg har dermed utelatt andre case-studier om debatter som angår kvante-mekanikken (se Andersen & Arenhart: 2016) og risikoanalyser av bioteknologi (se Rocca & Andersen: 2017).

I den moderne vitenskapsfilosofiske diskurs debatteres det hvorvidt vi burde akseptere vitenskapelig teori slik den fremstår, eller om vi heller burde anta vår direkte og hverdagslige erfaring som vår overordnede kunnskapskilde. Implisitt ligger det altså en forestilling om at disse formene for kunnskap er i konflikt, eller i det minste at de ikke med enkelhet lar seg sammenfatte i en helhet.

Skoleeksempelet på skillet mellom hverdagslige tankesett og vitenskapelig teori finner vi i debatten over hva rom og tid er for noe. Siden den spesielle relativitetsteori ble introdusert i 1905 har fysikken operert med begreper om rom og tid som er radikalt forskjellige fra de forestillinger vi opererer med i vår hverdagslige erfaring og omtaler i vårt vanlige språk. Burde vi forkaste vår hverdagserfaring til fordel for vitenskapelige data eller burde vi forkaste disse dataene til fordel for vår hverdagslige erfaring? I de siste hundre år har filosofer argumentert for begge disse løsningene og det som etter hvert har blitt standardsynet er at vi burde akseptere de vitenskapelige data og leve med at vår egen erfaring til en viss grad er feilaktig. Ulempen med en slik løsning er at vi da blir fremmede i vår egen verden og at kun et utvalg av eksperter kjenner den sanne virkelighet. Det finnes dog et tredje alternativ. Det går an å tenke seg andre måter å forstå dataene på og dermed konstruere alternative teorier. Når det gjelder den spesielle relativitetsteori finnes det allerede et etablert alternativ i Lorentz eterteori. Jeg argumenterer avslutningsvis med at denne teorien er å foretrekke fremfor den spesielle relativitetsteori av en rekke filosofiske grunner. Hovedgrunnen ligger i at eterteorien åpner for et felles grunnlag for å forstå hverdagserfaring og vitenskapelig teori. Vi er dermed ikke lenger fremmede i vår egen verden. I del én tar jeg utgangspunkt i Keplers vitenskapsfilosofi og den moderne semirealismen. Her argumenterer jeg for at en vitenskapelig teori, par excellence, er en teori som kan beskrive sine måleinstrumenter, sine måleresultater og vår hverdagslige erfaring i ett sammenhengende argument. Jeg argumenter også med Kepler for at en slik teori må fundamenteres i en metafysikk.

I del to etablerer jeg en felles, Kantiansk, metafysisk basis for hverdagslig erfaring samt teoretisk og eksperimentell fysikk. I denne sammenheng etablerer jeg også a priori elementer innen fenomenologi, mekanikk, dynamikk og foronomi. Forestillingen om at det finnes a priori elementer i fysisk teori er for tiden en mindre populær forestilling. Standardforestillingen er at elementer som ikke kan avledes fra empirien enten må være konvensjoner i en eller annen form, eller at disse elementene allikevel lar seg avlede fra empiri. Hovedgrunnene til at man antar at det ikke finnes a priori elementer er at man tenker seg at de «ikke-Euklidske geometrier» og deres anvendelse i generell og spesiell relativitetsteori beviser at det ikke finnes slike a priori elementer. Det viser seg snarere at det vi trodde var a priori elementer er feilaktigheter. De siste to delene av min avhandling består av motargumenter til denne, nå vanlige antakelse.

I del tre argumenterer jeg for at det finnes to former for «ikke-Euklidske geometrier». De «ikke-Euklidske» geometriene er geometriske modeller av det som viser seg å være Euklidske overflater. I så måte er disse geometriene å anse for utbedringer snarere enn alternativer til den Euklidske geometri og fullt ut forenlige med en a priori forestilling om rommets struktur. De ikke-Euklidske «geometriene» derimot er forsøk på konstruksjoner av høyere-dimensjonale modeller av rommet. De er dermed i direkte konflikt med den tredimensjonale struktur vi kjenner fra Euklid og vår hverdagslige erfaring. Jeg argumenterer i del tre for at disse «geometriene» i virkeligheten er aritmetiske strukturer som kun kan modelleres geometrisk dersom vi aksepterer en rekke filosofisk problematiske teser.

I del fire presenterer jeg Lorentz sin eter-teori, den spesielle relativitetsteori og de problemer det var meningen at disse teoriene skulle løse. Jeg argumenterer for at begge teoriene dekker de relevante data og at Lorentz sin eter-teori er å foretrekke fordi den forklarer bedre. I tillegg argumenterer jeg for at den beste måten å forstå forskjellen mellom teoriene på er å ta for oss en rekke postulater som Einstein fremsetter. Blant disse er forestillingen om at det finnes fysisk virkelige «practically rigid objects», eller «fullstendig stive objekter». I tillegg postulerer Einstein at vi metodologisk burde behandle hastighetssammensetting som transformasjon eller translasjon. Jeg konkluderer med at disse og andre postulater leder til en rekke dualismer som hverken er løst i Einsteins opprinnelige teori eller de moderne versjoner av den. Til slutt konkluderer jeg med at hovedproblemet i Einsteins tilnærming er at han antar en Humeansk epistemologi som innebærer at man selektivt unnlater å ta høyde for fysiske objekters dynamiske egenskaper.

Dersom mitt argument aksepteres innebærer det et første steg mot dannelsen av et felles rammeverk for hverdagslig tanke og vitenskapelig teori. Da kan vi også benytte den vitenskapelige teori i vår hverdagslige tanke og utvide vår forståelse av hvem, hva og hvor vi er.