Tieteellinen laki

Tieteelliset lait ovat joukko empiirisesti havaittuja ja matemaattisesti tai sanallisesti esitettyjä säännönmukaisuuksia, jotka ilmaisevat, että jokin tietty ilmiö ilmenee aina, kun tietyt ehdot täyttyvät.^[1] Lait ovat tieteen vallitsevia hypoteeseja siitä, mitä luonnonlait ovat. Ne tieteelliset lait, jotka ovat tosia, ovat luonnonlakeja.^[2]

Tieteelliset lait ovat tyypillisesti johtopäätöksiä, jotka perustuvat toistettuihin tieteellisiin kokeisiin ja havaintoihin,^[3][4] ja jotka ovat tulleet yleisesti hyväksytyiksi tiedeyhteisössä.^[2][1] Kaikkeuden toimintaa kuvaavien lakien muotoilu on eräs tieteen päämääristä.^[3]

Lakien keskeinen ominaisuus on niiden vaillinaisuus, toisin sanoen ne ovat yleensä vain totuuden likiarvoja, joiden sovellusalue on rajallinen.^[5] Lait voidaan korvata uusilla ja tarkemmilla; toisaalta selvästi vanhentuneet lait, kuten fysiikassa klassisen mekaniikan lait, toimivat monessa tilanteessa riittävän tarkasti. Toinen oleellinen lakien ominaisuus on niiden ennustuskyky,^[6] eli niillä voidaan ennustaa tulevaisuuden tapahtumia jossain määrin, kun nykyinen tilanne tunnetaan. Kolmanneksi lait ovat usein, vaikkakaan eivät aina, matemaattisia,^[7][8] toisin sanoen niillä kuvataan määrällisesti ilmaistavissa olevien asioiden välisiä säännönmukaisuuksia.

Tieteenfilosofiassa eräs keskeinen ongelma on, mikä erottaa lait pelkistä satunnaisista yleistyksistä.^[9] Tieteelliset lait ovat luonteeltaan erilaisia kuin lait oikeudenkäytössä; ne eivät määrää, miten asioiden tulisi olla, vaan ainoastaan pyrkivät kuvaamaan, miten ne ovat.

Lakien ominaisuuksiksi on ehdotettu muun muassa seuraavia:

• Poikkeuksettomuus, ainakin niiden sovellusalueella. Lait ovat empiirisiä yleistyksiä havaintoaineistosta, eikä ainakaan toistaiseksi ole tehty sellaista toistettavissa olevaa havaintoa, joka olisi ristiriidassa lain kanssa.^[1]
• Yleispätevyys. Lait vaikuttavat pätevän koko kaikkeudessa.^[7]
• Yksinkertaisuus. Lait ilmaistaan tyypillisesti yksittäisinä matemaattisina yhtälöinä^[7] tai tiiviissä sanallisessa muodossa.^[1]
• Ehdottomuus. Mikään kaikkeudessa ei näytä vaikuttavan lakien pätevyyteen.^[7]
• Kaikkivoipuus. Kaiken kaikkeudessa tulee olla yhtäsopivaa lakien kanssa.^[10]
• Lait ovat yleisesti tiettyjen säilymislakien mukaisia.^[11]
• Lait ovat usein olemassa olevien aika-avaruudellisten yhdenmukaisuuksien (symmetrioiden) ilmentymiä.^[11]
• Lait ovat tyypillisesti periaatteessa käännettävissä ajan suhteen, vaikkakaan ajan suuntaa itseään ei voida kääntää.^[11]

Laeilla ja tieteellisillä teorioilla on paljon yhtäläisyyksiä. Kummatkin perustuvat testattuihin hypoteeseihin; kumpiakin tukee suuri määrä empiiristä aineistoa; ja kummatkin voidaan osoittaa vääriksi havaintoaineiston avulla.^[1]

Lait eroavat teorioista siinä, että ne ovat lähinnä empiirisiä yleistyksiä ja yhteenvetoja tehdyistä havainnoista, kun taas teoriat ovat malleja, jotka pyrkivät selittämään havaintoja tai havaintosarjoja. Yksinkertaistettuna, siinä missä laki kuvaa että jokin tapahtuu tietyissä olosuhteissa, teoria selittää miksi ja kuinka jokin tapahtuu. Teoriat siis pyrkivät selittämään, kuinka luonto toimii. Teoriat voivat esittää väittämiä siitä, mitkä säännönmukaisuudet ovat lakeja.^[1]

Siinä missä lait määritellään usein matemaattisesti, teoriat ovat useimmiten ei-matemaattisia. Tämä selittää sen, miksi esimerkiksi fysiikassa ja kemiassa on paljon lakeja, kun taas biologiassa on vain vähän lakeja ja enemmän teorioita; biologiassa elämän monimutkaisuutta on hankala kuvata yksinkertaisin matemaattisin laein.^[1]

Tieteellisen selittämisen peittävän lain mallissa eli deduktiivis-nomologisessa mallissa laki on keskeinen osa selitystä. Selitettävä tapahtuma pyritään johtamaan jostakin laista.^[12]

Eräs lakeihin ja selittämiseen liittyvä ongelma on, miksi lait tarkkaan ottaen selittävät jotain? Lakien voidaan katsoa selittävän esimerkiksi siksi, että ilmaisevat jonkinlaista syysuhteellista riippuvuutta asioiden välillä niin, että syysuhde koostuu lakien määräämästä sarjasta tapahtumia, tai siksi, että ne ilmaisevat jonkinlaista luonnossa esiintyvää välttämättömyyttä.^[2]

Voidaan kysyä, miten lait (esimerkiksi ”vesi kiehuu sadassa asteessa”) tarkkaan ottaen eroavat pelkästä sattumanvaraisesta yleistyksestä (esimerkiksi ”aina kun käyn Lontoossa, sataa vettä”). Eräs lakien ominaisuus pelkkiin sattumanvaraisiin yleistyksiin verrattuna on se, että lait tukevat kontrafaktuaalisia ehtolauseita. Esimerkiksi jos ensimmäinen esimerkki esitetäänkin muodossa ”jos vesi lämmitettäisiin sataan asteeseen, se alkaisi kiehua”, sen voidaan havaita pitävän paikkansa; mutta jos jälkimmäinen esimerkki esitetään muodossa ”jos kävisin Lontoossa, sataisi vettä”, se ei ilmeisestikään pidä paikkaansa lainomaisella tavalla – Lontoossa ei sataisi vettä siksi, että menen sinne. Kontrafaktuaalisten ehtolauseiden tukeminen on kuitenkin vain eräs lakien ominaisuus, mutta tämä ei vastaa varsinaiseen kysymykseen.^[6]

Ratkaisua on etsitty kahdelta taholta. Jotkut filosofit, kuten J. L. Mackie, F. P. Ramsey ja Dawid Lewis, ovat yhtyneet David Humen näkemykseen siitä, että lait vain ilmaisevat kahden asian tapahtuvan säännönmukaisesti yhdessä, toisin sanoen syysuhdelaissa ei ole kyse mistään asiat yhteen sitovasta ”voimasta”. Eräs tämän lähestymistavan mukainen ratkaisu olisi katsoa lakien vaativan todellista yleisyyttä – tämän vuoksi yksittäiselle henkilölle sattuvat tapahtumat yhdessä kaupungissa eivät siis muodosta lakia. Kuitenkin esimerkiksi Keplerin laki planeettojen ellipsinmuotoisista radoista pätee vain aurinkokunnassa.^[6]

Toinen humelaisen lähestymistavan mukainen ratkaisu olisi katsoa, etteivät sattumanvaraiset yleistykset auta ennusteiden tekemisessä. Lait saavat induktiivista tukea ne toteuttavilta yksittäisiltä ilmentymiltä, mutta sattumanvaraisten tapausten totuusarvo tiedetään vasta sitten, kun kaikki yksittäistapaukset on tarkastettu. Kolmas humelaisen lähestymistavan mukainen ratkaisu on katsoa lakien olevan sellaisia tosia yleistyksiä, jotka voidaan sovittaa ihanteelliseen tiedon järjestelmälliseen kokonaisuuteen, ja sattumanvaraisten yleistysten olevan sellaisia tosia yleistyksiä, joita ei voida selittää tällaisen ideaaliteorian puitteissa.^[6]

Toiset filosofit, kuten D. M. Armstrong, Fred Dretske ja Michael Tooley, ovat hylänneet humelaisen lähestymistavan, ja katsoneet, että laeilla tulee olla jotain sellaista sisältöä jossa on kyse jostain enemmästä kuin pelkästä asioiden säännönmukaisista esiintymistä. Eräs ehdotus on, että lait ilmaisevat ominaisuuksien välisiä välttämättömyyksiä. Tällaisia välttämättömyyksiä ei kuitenkaan voida tuntea kokemuksesta riippumatta vaan havaintojen ja kokemuksen kautta.^[6]

• Davies, Paul: The Mind of God. The Scientific Basis for a Rational World. New York: Simon & Schuster, 1991. ISBN 0-671-79718-2 (englanniksi)
• Feynman, Richard: The Character of Physical Law. Cambridge, Massachusetts: M.I.T. Press, 1965. (englanniksi) Suomeksi: Fysiikan lain luonne. (Suomentanut Kimmo Pietiläinen) Helsinki: Ursa, 1999. ISBN 952-5329-02-X

• Carroll, John W.: Laws of Nature The Stanford Encyclopedia of Philosophy. The Metaphysics Research Lab. Stanford University. (englanniksi)
• Swartz, Norman: Laws of Nature The Internet Encyclopedia of Philosophy. (englanniksi)