2005/01/11

Karl Popper


See http://plato.stanford.edu/entries/popper)
Karl Popper is generally regarded as one of the greatest philosophers of science of the 20th century. He was also a social and political philosopher of considerable stature, a self-professed ‘critical-rationalist’, a dedicated opponent of all forms of scepticism, conventionalism, and relativism in science and in human affairs generally, a committed advocate and staunch defender of the ‘Open Society’, and an implacable critic of totalitarianism in all of its forms. One of the many remarkable features of Popper's thought is the scope of his intellectual influence. In the modern technological and highly-specialised world scientists are rarely aware of the work of philosophers; it is virtually unprecedented to find them queuing up, as they have done in Popper's case, to testify to the enormously practical beneficial impact which that philosophical work has had upon their own. But notwithstanding the fact that he wrote on even the most technical matters with consummate clarity, the scope of Popper's work is such that it is commonplace by now to find that commentators tend to deal with the epistemological, scientific and social elements of his thought as if they were quite disparate and unconnected, and thus the fundamental unity of his philosophical vision and method has to a large degree been dissipated. Here we will try to trace the threads which interconnect the various elements of his philosophy, and which give it its fundamental unity.

Life


Karl Raimund Popper was born on 28 July 1902 in Vienna, which at that time could make some claim to be the cultural epicentre of the western world. His parents, who were of Jewish origin, brought him up in an atmosphere which he was later to describe as ‘decidedly bookish’. His father was a lawyer by profession, but he also took a keen interest in the classics and in philosophy, and communicated to his son an interest in social and political issues which he was to never lose. His mother inculcated in him such a passion for music that for a time he seriously contemplated taking it up as a career, and indeed he initially chose the history of music as a second subject for his Ph.D examination. Subsequently, his love for music became one of the inspirational forces in the development of his thought, and manifested itself in his highly original interpretation of the relationship between dogmatic and critical thinking, in his account of the distinction between objectivity and subjectivity, and, most importantly, in the growth of his hostility towards all forms of historicism, including historicist ideas about the nature of the ‘progressive’ in music. The young Karl attended the local Realgymnasium, where he was unhappy with the standards of the teaching, and, after an illness which kept him at home for a number of months, he left to attend the University of Vienna in 1918. However, he did not formally enrol at the University by taking the matriculation examination for another four years. 1919 was in many respects the most important formative year of his intellectual life. In that year he became heavily involved in left-wing politics, joined the Association of Socialist School Students, and became for a time a Marxist. However, he was quickly disillusioned with the doctrinaire character of the latter, and soon abandoned it entirely. He also discovered the psychoanalytic theories of Freud and Adler (under whose aegis he engaged briefly in social work with deprived children), and listened entranced to a lecture which Einstein gave in Vienna on relativity theory. The dominance of the critical spirit in Einstein, and its total absence in Marx, Freud and Adler, struck Popper as being of fundamental importance: the latter, he came to think, couched their theories in terms which made them amenable only to confirmation, while Einstein's theory, crucially, had testable implications which, if false, would have falsified the theory itself.
Popper obtained a primary school teaching diploma in 1925, took a Ph.D. in philosophy in 1928, and qualified to teach mathematics and physics in secondary school in 1929. The dominant philosophical group in Vienna from its inception in 1928 was the Wiener Kreis, the circle of ‘scientifically-minded’ intellectuals who gathered around the figure of Moritz Schlick. This included Rudolf Carnap, Otto Neurath, Viktor Kraft, Hans Hahn, and Herbert Feigl. The principal objective of the members of the Circle was to unify the sciences, which carried with it, in their view, the need to eliminate metaphysics once and for all by showing that metaphysical propositions are meaningless. Thus was born the movement in philosophy known as logical positivism, and its chief tool became the verification principle. Although he was friendly with some of the Circle's members - especially Feigl, who encouraged him to write his first book - and shared their esteem for science, Popper was heavily critical of the main tenets of logical positivism, especially of what he considered to be its misplaced focus on the theory of meaning in philosophy and upon verification in scientific methodology. He articulated his own view of science, and his criticisms of the positivists, in his first work, published under the title Logik der Forschung in 1934. The book - which he was later to claim rang the death knell for logical positivism - attracted more attention than Popper had anticipated, and he was invited to lecture in England in 1935. He spent the next few years working productively on science and philosophy, but storm clouds were gathering - the growth of Nazism in Germany and Austria compelled him, like many other intellectuals who shared his Jewish origins, to leave his native country.

In 1937 Popper took up a position teaching philosophy at the University of Canterbury in New Zealand, where he was to remain for the duration of the Second World War. The annexation of Austria in 1938 became the catalyst which prompted him to refocus his writings on social and political philosophy. In 1946 he moved to England to teach at the London School of Economics, and became professor of logic and scientific method at the University of London in 1949. From this point on Popper's reputation and stature as a philosopher of science and social thinker grew enormously, and he continued to write prolifically - a number of his works, particularly The Logic of Scientific Discovery (1959), are now universally recognised as classics in the field. He was knighted in 1965, and retired from the University of London in 1969, though he remained active as a writer, broadcaster and lecturer until his death in 1994.

Backdrop to his Thought


A number of biographical features may be identified as having a particular influence upon Popper's thought. In the first place, his teenage flirtation with Marxism left him thoroughly familiar with the Marxist view of economics, class-war, and history. Secondly, he was appalled by the failure of the democratic parties to stem the rising tide of fascism in his native Austria in the 1920s and 1930s, and the effective welcome extended to it by the Marxists. The latter acted on the ideological grounds that it constituted what they believed to be a necessary dialectical step towards the implosion of capitalism and the ultimate revolutionary victory of communism. This was one factor which led to the much feared Anschluss, the annexation of Austria by the German Reich, the anticipation of which forced Popper into permanent exile from his native country. The Poverty of Historicism (1944) and The Open Society and Its Enemies (1945), his most impassioned and brilliant social works, are as a consequence a powerful defence of democratic liberalism as a social and political philosophy, and a devastating critique of the principal philosophical presuppositions underpinning all forms of totalitarianism. Thirdly, as we have seen, Popper was profoundly impressed by the differences between the allegedly ‘scientific’ theories of Freud and Adler and the revolution effected by Einstein's theory of relativity in physics in the first two decades of this century. The main difference between them, as Popper saw it, was that while Einstein's theory was highly ‘risky’, in the sense that it was possible to deduce consequences from it which were, in the light of the then dominant Newtonian physics, highly improbable (e.g. that light is deflected towards solid bodies - confirmed by Eddington's experiments in 1919), and which would, if they turned out to be false, falsify the whole theory, nothing could, even in principle, falsify psychoanalytic theories. These latter, Popper came to feel, have more in common with primitive myths than with genuine science. That is to say, he saw that what is apparently the chief source of strength of psychoanalysis, and the principal basis on which its claim to scientific status is grounded, viz. its capability to accommodate, and explain, every possible form of human behaviour, is in fact a critical weakness, for it entails that it is not, and could not be, genuinely predictive. Psychoanalytic theories by their nature are insufficiently precise to have negative implications, and so are immunised from experiential falsification.
The Marxist account of history too, Popper held, is not scientific, although it differs in certain crucial respects from psychoanalysis. For Marxism, Popper believed, had been initially scientific, in that Marx had postulated a theory which was genuinely predictive. However, when these predictions were not in fact borne out, the theory was saved from falsification by the addition of ad hoc hypotheses which made it compatible with the facts. By this means, Popper asserted, a theory which was initially genuinely scientific degenerated into pseudo-scientific dogma.

These factors combined to make Popper take falsifiability as his criterion for demarcating science from non-science: if a theory is incompatible with possible empirical observations it is scientific; conversely, a theory which is compatible with all such observations, either because, as in the case of Marxism, it has been modified solely to accommodate such observations, or because, as in the case of psychoanalytic theories, it is consistent with all possible observations, is unscientific. For Popper, however, to assert that a theory is unscientific, is not necessarily to hold that it is unenlightening, still less that it is meaningless, for it sometimes happens that a theory which is unscientific (because it is unfalsifiable) at a given time may become falsifiable, and thus scientific, with the development of technology, or with the further articulation and refinement of the theory. Further, even purely mythogenic explanations have performed a valuable function in the past in expediting our understanding of the nature of reality.

The Problem of Demarcation


As Popper represents it, the central problem in the philosophy of science is that of demarcation, i.e. of distinguishing between science and what he terms ‘non-science’, under which heading he ranks, amongst others, logic, metaphysics, psychoanalysis, and Adler's individual psychology. Popper is unusual amongst contemporary philosophers in that he accepts the validity of the Humean critique of induction, and indeed, goes beyond it in arguing that induction is never actually used by the scientist. However, he does not concede that this entails the scepticism which is associated with Hume, and argues that the Baconian/Newtonian insistence on the primacy of ‘pure’ observation, as the initial step in the formation of theories, is completely misguided: all observation is selective and theory-laden - there are no pure or theory-free observations. In this way he destabilises the traditional view that science can be distinguished from non-science on the basis of its inductive methodology; in contradistinction to this, Popper holds that there is no unique methodology specific to science. Science, like virtually every other human, and indeed organic, activity, Popper believes, consists largely of problem-solving.
Popper, then, repudiates induction, and rejects the view that it is the characteristic method of scientific investigation and inference, and substitutes falsifiability in its place. It is easy, he argues, to obtain evidence in favour of virtually any theory, and he consequently holds that such ‘corroboration’, as he terms it, should count scientifically only if it is the positive result of a genuinely ‘risky’ prediction, which might conceivably have been false. For Popper, a theory is scientific only if it is refutable by a conceivable event. Every genuine test of a scientific theory, then, is logically an attempt to refute or to falsify it, and one genuine counter-instance falsifies the whole theory. In a critical sense, Popper's theory of demarcation is based upon his perception of the logical asymmetry which holds between verification and falsification: it is logically impossible to conclusively verify a universal proposition by reference to experience (as Hume saw clearly), but a single counter-instance conclusively falsifies the corresponding universal law. In a word, an exception, far from ‘proving’ a rule, conclusively refutes it.

Every genuine scientific theory then, in Popper's view, is prohibitive, in the sense that it forbids, by implication, particular events or occurrences. As such it can be tested and falsified, but never logically verified. Thus Popper stresses that it should not be inferred from the fact that a theory has withstood the most rigorous testing, for however long a period of time, that it has been verified; rather we should recognise that such a theory has received a high measure of corroboration. and may be provisionally retained as the best available theory until it is finally falsified (if indeed it is ever falsified), and/or is superseded by a better theory.

Popper has always drawn a clear distinction between the logic of falsifiability and its applied methodology. The logic of his theory is utterly simple: if a single ferrous metal is unaffected by a magnetic field it cannot be the case that all ferrous metals are affected by magnetic fields. Logically speaking, a scientific law is conclusively falsifiable although it is not conclusively verifiable. Methodologically, however, the situation is much more complex: no observation is free from the possibility of error - consequently we may question whether our experimental result was what it appeared to be.

Thus, while advocating falsifiability as the criterion of demarcation for science, Popper explicitly allows for the fact that in practice a single conflicting or counter-instance is never sufficient methodologically to falsify a theory, and that scientific theories are often retained even though much of the available evidence conflicts with them, or is anomalous with respect to them. Scientific theories may, and do, arise genetically in many different ways, and the manner in which a particular scientist comes to formulate a particular theory may be of biographical interest, but it is of no consequence as far as the philosophy of science is concerned. Popper stresses in particular that there is no unique way, no single method such as induction, which functions as the route to scientific theory, a view which Einstein personally endorsed with his affirmation that ‘There is no logical path leading to [the highly universal laws of science]. They can only be reached by intuition, based upon something like an intellectual love of the objects of experience’. Science, in Popper's view, starts with problems rather than with observations - it is, indeed, precisely in the context of grappling with a problem that the scientist makes observations in the first instance: his observations are selectively designed to test the extent to which a given theory functions as a satisfactory solution to a given problem.

On this criterion of demarcation physics, chemistry, and (non-introspective) psychology, amongst others, are sciences, psychoanalysis is a pre-science (i.e. it undoubtedly contains useful and informative truths, but until such time as psychoanalytical theories can be formulated in such a manner as to be falsifiable, they will not attain the status of scientific theories), and astrology and phrenology are pseudo-sciences. Formally, then, Popper's theory of demarcation may be articulated as follows: where a ‘basic statement’ is to be understood as a particular observation-report, then we may say that a theory is scientific if and only if it divides the class of basic statements into the following two non-empty sub-classes: (a) the class of all those basic statements with which it is inconsistent, or which it prohibits - this is the class of its potential falsifiers (i.e. those statements which, if true, falsify the whole theory), and (b) the class of those basic statements with which it is consistent, or which it permits (i.e. those statements which, if true, corroborate it, or bear it out).

The Growth of Human Knowledge


For Popper accordingly, the growth of human knowledge proceeds from our problems and from our attempts to solve them. These attempts involve the formulation of theories which, if they are to explain anomalies which exist with respect to earlier theories, must go beyond existing knowledge and therefore require a leap of the imagination. For this reason, Popper places special emphasis on the role played by the independent creative imagination in the formulation of theory. The centrality and priority of problems in Popper's account of science is paramount, and it is this which leads him to characterise scientists as ‘problem-solvers’. Further, since the scientist begins with problems rather than with observations or ‘bare facts’, Popper argues that the only logical technique which is an integral part of scientific method is that of the deductive testing of theories which are not themselves the product of any logical operation. In this deductive procedure conclusions are inferred from a tentative hypothesis. These conclusions are then compared with one another and with other relevant statements to determine whether they falsify or corroborate the hypothesis. Such conclusions are not directly compared with the facts, Popper stresses, simply because there are no ‘pure’ facts available; all observation-statements are theory-laden, and are as much a function of purely subjective factors (interests, expectations, wishes, etc.) as they are a function of what is objectively real.
How then does the deductive procedure work? Popper specifies four steps:
  1. The first is formal, a testing of the internal consistency of the theoretical system to see if it involves any contradictions.
  2. The second step is semi-formal, the axiomatising of the theory to distinguish between its empirical and its logical elements. In performing this step the scientist makes the logical form of the theory explicit. Failure to do this can lead to category-mistakes - the scientist ends up asking the wrong questions, and searches for empirical data where none are available. Most scientific theories contain analytic (i.e. a priori) and synthetic elements, and it is necessary to axiomatise them in order to distinguish the two clearly.
  3. The third step is the comparing of the new theory with existing ones to determine whether it constitutes an advance upon them. If it does not constitute such an advance, it will not be adopted. If, on the other hand, its explanatory success matches that of the existing theories, and additionally, it explains some hitherto anomalous phenomenon, or solves some hitherto unsolvable problems, it will be deemed to constitute an advance upon the existing theories, and will be adopted. Thus science involves theoretical progress. However, Popper stresses that we ascertain whether one theory is better than another by deductively testing both theories, rather than by induction. For this reason, he argues that a theory is deemed to be better than another if (while unfalsified) it has greater empirical content, and therefore greater predictive power than its rival. The classic illustration of this in physics was the replacement of Newton's theory of universal gravitation by Einstein's theory of relativity. This elucidates the nature of science as Popper sees it: at any given time there will be a number of conflicting theories or conjectures, some of which will explain more than others. The latter will consequently be provisionally adopted. In short, for Popper any theory X is better than a ‘rival’ theory Y if X has greater empirical content, and hence greater predictive power, than Y.
  4. The fourth and final step is the testing of a theory by the empirical application of the conclusions derived from it. If such conclusions are shown to be true, the theory is corroborated (but never verified). If the conclusion is shown to be false, then this is taken as a signal that the theory cannot be completely correct (logically the theory is falsified), and the scientist begins his quest for a better theory. He does not, however, abandon the present theory until such time as he has a better one to substitute for it. More precisely, the method of theory-testing is as follows: certain singular propositions are deduced from the new theory - these are predictions, and of special interest are those predictions which are ‘risky’ (in the sense of being intuitively implausible or of being startlingly novel) and experimentally testable. From amongst the latter the scientist next selects those which are not derivable from the current or existing theory - of particular importance are those which contradict the current or existing theory. He then seeks a decision as regards these and other derived statements by comparing them with the results of practical applications and experimentation. If the new predictions are borne out, then the new theory is corroborated (and the old one falsified), and is adopted as a working hypothesis. If the predictions are not borne out, then they falsify the theory from which they are derived. Thus Popper retains an element of empiricism: for him scientific method does involve making an appeal to experience. But unlike traditional empiricists, Popper holds that experience cannot determine theory (i.e. we do not argue or infer from observation to theory), it rather delimits it: it shows which theories are false, not which theories are true. Moreover, Popper also rejects the empiricist doctrine that empirical observations are, or can be, infallible, in view of the fact that they are themselves theory-laden.

The general picture of Popper's philosophy of science, then is this: Hume's philosophy demonstrates that there is a contradiction implicit in traditional empiricism, which holds both that all knowledge is derived from experience and that universal propositions (including scientific laws) are verifiable by reference to experience. The contradiction, which Hume himself saw clearly, derives from the attempt to show that, notwithstanding the open-ended nature of experience, scientific laws may be construed as empirical generalisations which are in some way finally confirmable by a ‘positive’ experience. Popper eliminates the contradiction by rejecting the first of these principles and removing the demand for empirical verification in favour of empirical falsification in the second. Scientific theories, for him, are not inductively inferred from experience, nor is scientific experimentation carried out with a view to verifying or finally establishing the truth of theories; rather, all knowledge is provisional, conjectural, hypothetical - we can never finally prove our scientific theories, we can merely (provisionally) confirm or (conclusively) refute them; hence at any given time we have to choose between the potentially infinite number of theories which will explain the set of phenomena under investigation. Faced with this choice, we can only eliminate those theories which are demonstrably false, and rationally choose between the remaining, unfalsified theories. Hence Popper's emphasis on the importance of the critical spirit to science - for him critical thinking is the very essence of rationality. For it is only by critical thought that we can eliminate false theories, and determine which of the remaining theories is the best available one, in the sense of possessing the highest level of explanatory force and predictive power. It is precisely this kind of critical thinking which is conspicuous by its absence in contemporary Marxism and in psychoanalysis.

Probability, Knowledge and Verisimilitude


In the view of many social scientists, the more probable a theory is, the better it is, and if we have to choose between two theories which are equally strong in terms of their explanatory power, and differ only in that one is probable and the other is improbable, then we should choose the former. Popper rejects this. Science, or to be precise, the working scientist, is interested, in Popper's view, in theories with a high informative content, because such theories possess a high predictive power and are consequently highly testable. But if this is true, Popper argues, then, paradoxical as it may sound, the more improbable a theory is the better it is scientifically, because the probability and informative content of a theory vary inversely - the higher the informative content of a theory the lower will be its probability, for the more information a statement contains, the greater will be the number of ways in which it may turn out to be false. Thus the statements which are of special interest to the scientist are those with a high informative content and (consequentially) a low probability, which nevertheless come close to the truth. Informative content, which is in inverse proportion to probability, is in direct proportion to testability. Consequently the severity of the test to which a theory can be subjected, and by means of which it is falsified or corroborated, is all-important.
For Popper, all scientific criticism must be piecemeal, i.e. he holds that it is not possible to question every aspect of a theory at once. More precisely, while attempting to resolve a particular problem a scientist of necessity accepts all kinds of things as unproblematic. These things constitute what Popper terms the ‘background knowledge’. However, he stresses that the background knowledge is not knowledge in the sense of being conclusively established; it may be challenged at any time, especially if it is suspected that its uncritical acceptance may be responsible for difficulties which are subsequently encountered. Nevertheless, it is clearly not possible to question both the theory and the background knowledge at the same time (e.g. in conducting an experiment the scientist of necessity assumes that the apparatus used is in working order).

How then can one be certain that one is questioning the right thing? The Popperian answer is that we cannot have absolute certainty here, but repeated tests usually show where the trouble lies. Even observation statements, Popper maintains, are fallible, and science in his view is not a quest for certain knowledge, but an evolutionary process in which hypotheses or conjectures are imaginatively proposed and tested in order to explain facts or to solve problems. Popper emphasises both the importance of questioning the background knowledge when the need arises, and the significance of the fact that observation-statements are theory-laden, and hence fallible. For while falsifiability is simple as a logical principle, in practice it is exceedingly complicated - no single observation can ever be taken to falsify a theory, for there is always the possibility (a) that the observation itself is mistaken, or (b) that the assumed background knowledge is faulty or defective.

Popper was initially uneasy with the concept of truth, and in his earliest writings he avoided asserting that a theory which is corroborated is true - for clearly if every theory is an open-ended hypothesis, as he maintains, then ipso facto it has to be at least potentially false. For this reason Popper restricted himself to the contention that a theory which is falsified is false and is known to be such, and that a theory which replaces a falsified theory (because it has a higher empirical content than the latter, and explains what has falsified it) is a ‘better theory’ than its predecessor. However, he came to accept Tarski's reformulation of the correspondence theory of truth, and in Conjectures and Refutations (1963) he integrated the concepts of truth and content to frame the metalogical concept of ‘truthlikeness’ or ‘verisimilitude’. A ‘good’ scientific theory, Popper thus argued, has a higher level of verisimilitude than its rivals, and he explicated this concept by reference to the logical consequences of theories. A theory's content is the totality of its logical consequences, which can be divided into two classes: there is the ‘truth-content’ of a theory, which is the class of true propositions which may be derived from it, on the one hand, and the ‘falsity-content’ of a theory, on the other hand, which is the class of the theory's false consequences (this latter class may of course be empty, and in the case of a theory which is true is necessarily empty).

Popper offered two methods of comparing theories in terms of verisimilitude, the qualitative and quantitative definitions. On the qualitative account, Popper asserted:

Assuming that the truth-content and the falsity-content of two theories t1 and t2 are comparable, we can say that t2 is more closely similar to the truth, or corresponds better to the facts, than t1, if and only if either:
(a) the truth-content but not the falsity-content of t2 exceeds that of t1, or

(b) the falsity-content of t1, but not its truth-content, exceeds that of t2. (Conjectures and Refutations, 233).

Here, verisimilitude is defined in terms of subclass relationships: t2 has a higher level of verisimilitude than t1 if and only if their truth- and falsity-contents are comparable through subclass relationships, and either (a) t2's truth-content includes t1's and t2's falsity-content, if it exists, is included in, or is the same as, t1's, or (b) t2's truth-content includes or is the same as t1's and t2's falsity-content, if it exists, is included in t1's.
On the quantitative account, verisimilitude is defined by assigning quantities to contents, where the index of the content of a given theory is its logical improbability (given again that content and probability vary inversely). Formally, then, Popper defines the quantitative verisimilitude which a statement ‘a’ possesses by means of a formula:

Vs(a)=CtT(a) - CtF(a),
where Vs(a) represents the verisimilitude of ‘a’, CtT(a) is a measure of the truth-content of ‘a’, and CtF(a) is a measure of its falsity-content.
The utilisation of either method of computing verisimilitude shows, Popper held, that even if a theory t2 with a higher content than a rival theory t1 is subsequently falsified, it can still legitimately be regarded as a better theory than t1, and ‘better’ is here now understood to mean t2 is closer to the truth than t1. Thus scientific progress involves, on this view, the abandonment of partially true, but falsified, theories, for theories with a higher level of verisimilitude, i.e., which approach more closely to the truth. In this way, verisimilitude allowed Popper to mitigate what many saw as the pessimism of an anti-inductivist philosophy of science which held that most, if not all scientific theories are false, and that a true theory, even if discovered, could not be known to be such. With the introduction of the new concept, Popper was able to represent this as an essentially optimistic position in terms of which we can legitimately be said to have reason to believe that science makes progress towards the truth through the falsification and corroboration of theories. Scientific progress, in other words, could now be represented as progress towards the truth, and experimental corroboration could be seen an indicator of verisimilitude.

However, in the 1970's a series of papers published by researchers such as Miller, Tichý, and Grünbaum in particular revealed fundamental defects in Popper's formal definitions of verisimilitude. The significance of this work was that verisimilitude is largely important in Popper's system because of its application to theories which are known to be false. In this connection, Popper had written:

Ultimately, the idea of verisimilitude is most important in cases where we know that we have to work with theories which are at best approximations—that is to say, theories of which we know that they cannot be true. (This is often the case in the social sciences). In these cases we can still speak of better or worse approximations to the truth (and we therefore do not need to interpret these cases in an instrumentalist sense). (Conjectures and Refutations, 235).
For these reasons, the deficiencies discovered by the critics in Popper's formal definitions were seen by many as devastating, precisely because the most significant of these related to the levels of verisimilitude of false theories. In 1974, Miller and Tichý, working independently of each other, demonstrated that the conditions specified by Popper in his accounts of both qualitative and quantitative verisimilitude for comparing the truth- and falsity-contents of theories can be satisfied only when the theories are true. In the crucially important case of false theories, however, Popper's definitions are formally defective. For while Popper had believed that verisimilitude intersected positively with his account of corroboration, in the sense that he viewed an improbable theory which had withstood critical testing as one the truth-content of which is great relative to rival theories, while its falsity-content (if it exists) would be relatively low, Miller and Tichý proved, on the contrary, that in the case of a false theory t2which has excess content over a rival theory false t1both the truth-content and the falsity-content of t2will exceed that of t1. With respect to theories which are false, therefore, Popper's conditions for comparing levels of verisimilitude, whether in quantitative and qualitative terms, can never be met.
Commentators on Popper, with few exceptions, had initially attached little importance to his theory of verisimilitude. However, after the failure of Popper's definitions in 1974, some critics came to see it as central to his philosophy of science, and consequentially held that the whole edifice of the latter had been subverted. For his part, Popper's response was two-fold. In the first place, while acknowledging the deficiencies in his own formal account ("my main mistake was my failure to see at once that … if the content of a false statement a exceeds that of a statement b, then the truth-content of a exceeds the truth-content of b, and the same holds of their falsity-contents", Objective Knowledge, 371), Popper argued that "I do think that we should not conclude from the failure of my attempts to solve the problem [of defining verisimilitude] that the problem cannot be solved" (Objective Knowledge, 372), a point of view which was to precipitate more than two decades of important technical research in this field. At another, more fundamental level, he moved the task of formally defining the concept from centre-stage in his philosophy of science, by protesting that he had never intended to imply "that degrees of verisimilitude ... can ever be numerically determined, except in certain limiting cases" (Objective Knowledge, 59), and arguing instead that the chief value of the concept is heuristic and intuitive, in which the absence of an adequate formal definition is not an insuperable impediment to its utilisation in the actual appraisal of theories relativised to problems in which we have an interest. The thrust of the latter strategy seems to many to genuinely reflect the significance of the concept of verisimilitude in Popper's system, but it has not satisfied all of his critics.

Social and Political Thought -- The Critique of Historicism and Holism


Given Popper's personal history and background, it is hardly surprising that he developed a deep and abiding interest in social and political philosophy. However, it is worth emphasising that his angle of approach to these fields is through a consideration of the nature of the social sciences which seek to describe and explicate them systematically, particularly history. It is in this context that he offers an account of the nature of scientific prediction, which in turn allows him a point of departure for his attack upon totalitarianism and all its intellectual supports, especially holism and historicism. In this context holism is to be understood as the view that human social groupings are greater than the sum of their members, that such groupings are ‘organic’ entities in their own right, that they act on their human members and shape their destinies, and that they are subject to their own independent laws of development. Historicism, which is closely associated with holism, is the belief that history develops inexorably and necessarily according to certain principles or rules towards a determinate end (as for example in the dialectic of Hegel, which was adopted and implemented by Marx). The link between holism and historicism is that the holist believes that individuals are essentially formed by the social groupings to which they belong, while the historicist - who is usually also a holist - holds that we can understand such a social grouping only in terms of the internal principles which determine its development.
These beliefs lead to what Popper calls ‘The Historicist Doctrine of the Social Sciences’, the views (a) that the principal task of the social sciences is to make predictions about the social and political development of man, and (b) that the task of politics, once the key predictions have been made, is, in Marx's words, to lessen the ‘birth pangs’ of future social and political developments. Popper thinks that this view of the social sciences is both theoretically misconceived (in the sense of being based upon a view of natural science and its methodology which is totally wrong), and socially dangerous, as it leads inevitably to totalitarianism and authoritarianism - to centralised governmental control of the individual and the attempted imposition of large-scale social planning. Against this Popper strongly advances the view that any human social grouping is no more (or less) than the sum of its individual members, that what happens in history is the (largely unplanned and unforeseeable) result of the actions of such individuals, and that large scale social planning to an antecedently conceived blueprint is inherently misconceived - and inevitably disastrous - precisely because human actions have consequences which cannot be foreseen. Popper, then, is an historical indeterminist, insofar as he holds that history does not evolve in accordance with intrinsic laws or principles, that in the absence of such laws and principles unconditional prediction in the social sciences is an impossibility, and that there is no such thing as historical necessity.

The link between Popper's theory of knowledge and his social philosophy is his fallibilism - just as we make theoretical progress in science by deliberately subjecting our theories to critical scrutiny, and abandoning those which have been falsified, so too, Popper holds, the critical spirit can and should be sustained at the social level. More specifically, the open society can be brought about only if it is possible for the individual citizen to evaluate critically the consequences of the implementation of government policies, which can then be abandoned or modified in the light of such critical scrutiny - in such a society, the rights of the individual to criticise administrative policies will be formally safeguarded and upheld, undesirable policies will be eliminated in a manner analogous to the elimination of falsified scientific theories, and differences between people on social policy will be resolved by critical discussion and argument rather than by force. The open society as thus conceived of by Popper may be defined as ‘an association of free individuals respecting each other's rights within the framework of mutual protection supplied by the state, and achieving, through the making of responsible, rational decisions, a growing measure of humane and enlightened life’ (Levinson, R.B. In Defense of Plato, 17). As such, Popper holds, it is not a utopian ideal, but an empirically realised form of social organisation which, he argues, is in every respect superior to its (real or potential) totalitarian rivals. But he does not engage in a moral defence of the ideology of liberalism; rather his strategy is the much deeper one of showing that totalitarianism is typically based upon historicist and holist presuppositions, and of demonstrating that these presuppositions are fundamentally incoherent.

Scientific Knowledge, History, and Prediction


At a very general level, Popper argues that historicism and holism have their origins in what he terms ‘one of the oldest dreams of mankind - the dream of prophecy, the idea that we can know what the future has in store for us, and that we can profit from such knowledge by adjusting our policy to it.’ (Conjectures and Refutations, 338). This dream was given further impetus, he speculates, by the emergence of a genuine predictive capability regarding such events as solar and lunar eclipses at an early stage in human civilisation, which has of course become increasingly refined with the development of the natural sciences and their concomitant technologies. The kind of reasoning which has made, and continues to make, historicism plausible may, on this account, be reconstructed as follows: if the application of the laws of the natural sciences can lead to the successful prediction of such future events as eclipses, then surely it is reasonable to infer that knowledge of the laws of history as yielded by a social science or sciences (assuming that such laws exist) would lead to the successful prediction of such future social phenomena as revolutions? Why should it be possible to predict an eclipse, but not a revolution? Why can we not conceive of a social science which could and would function as the theoretical natural sciences function, and yield precise unconditional predictions in the appropriate sphere of application? These are amongst the questions which Popper seeks to answer, and in doing so, to show that they are based upon a series of misconceptions about the nature of science, and about the relationship between scientific laws and scientific prediction.
His first argument may be summarised as follows: in relation to the critically important concept of prediction, Popper makes a distinction between what he terms ‘conditional scientific predictions’, which have the form ‘If X takes place, then Y will take place’, and ‘unconditional scientific prophecies’, which have the form ‘Y will take place’. Contrary to popular belief, it is the former rather than the latter which are typical of the natural sciences, which means that typically prediction in natural science is conditional and limited in scope - it takes the form of hypothetical assertions stating that certain specified changes will come about if particular specified events antecedently take place. This is not to deny that ‘unconditional scientific prophecies’, such as the prediction of eclipses, for example, do take place in science, and that the theoretical natural sciences make them possible. However, Popper argues that (a) these unconditional prophecies are not characteristic of the natural sciences, and (b) that the mechanism whereby they occur, in the very limited way in which they do, is not understood by the historicist.

What is the mechanism which makes unconditional scientific prophecies possible? The answer is that such prophecies can sometimes be derived from a combination of conditional predictions (themselves derived from scientific laws) and existential statements specifying that the conditions in relation to the system being investigated are fulfilled. Schematically, this can be represented as follows:

[C.P. + E.S.]=U.P.
where C.P.=Conditional Prediction; E.S.=Existential Statement; U.P.=Unconditional Prophecy. The most common examples of unconditional scientific prophecies in science relate to the prediction of such phenomena as lunar and solar eclipses and comets.
Given, then, that this is the mechanism which generates unconditional scientific prophecies, Popper makes two related claims about historicism: (a) That the historicist does not in fact derive his unconditional scientific prophecies in this manner from conditional predictions, and (b) the historicist cannot do so because long-term unconditional scientific prophecies can be derived from conditional predictions only if they apply to systems which are well-isolated, stationary, and recurrent (like our solar system). Such systems are quite rare in nature, and human society is most emphatically not one of them.

This, then, Popper argues, is the reason why it is a fundamental mistake for the historicist to take the unconditional scientific prophecies of eclipses as being typical and characteristic of the predictions of natural science - in fact such predictions are possible only because our solar system is a stationary and repetitive system which is isolated from other such systems by immense expanses of empty space. The solar system aside, there are very few such systems around for scientific investigation - most of the others are confined to the field of biology, where unconditional prophecies about the life-cycles of organisms are made possible by the existence of precisely the same factors. Thus one of the fallacies committed by the historicist is to take the (relatively rare) instances of unconditional prophecies in the natural science as constituting the essence of what scientific prediction is, to fail to see that such prophecies apply only to systems which are isolated, stationary, and repetitive, and to seek to apply the method of scientific prophecy to human society and human history. The latter, of course, is not an isolated system (in fact it's not a system at all), it is constantly changing, and it continually undergoes rapid, non-repetitive development. In the most fundamental sense possible, every event in human history is discrete, novel, quite unique, and ontologically distinct from every other historical event. For this reason, it is impossible in principle that unconditional scientific prophecies could be made in relation to human history - the idea that the successful unconditional prediction of eclipses provides us with reasonable grounds for the hope of successful unconditional prediction regarding the evolution of human history turns out to be based upon a gross misconception, and is quite false. As Popper himself concludes, "The fact that we predict eclipses does not, therefore, provide a valid reason for expecting that we can predict revolutions." (Conjectures and Refutations, 340).

Immutable Laws and Contingent Trends


This argument is one of the strongest that has ever been brought against historicism, cutting, as it does, right to the heart of one of its main theoretical presuppositions. However, it is not Popper's only argument against it. An additional mistake which he detects in historicism is the failure of the historicist to distinguish between scientific laws and trends, which is also frequently accompanied by a simple logical fallacy. The fallacy is that of inferring from the fact that our understanding of any (past) historical event - such as, for example, the French Revolution - is in direct proportion to our knowledge of the antecedent conditions which led to that event, that knowledge of all the antecedent conditions of some future event is possible, and that such knowledge would make that future event precisely predictable. For the truth is that the number of factors which predate and lead to the occurrence of any event, past, present, or future, is indefinitely large, and therefore knowledge of all of these factors is impossible, even in principle. What gives rise to the fallacy is the manner in which the historian (necessarily) selectively isolates a finite number of the antecedent conditions of some past event as being of particular importance, which are then somewhat misleadingly termed ‘the causes’ of that event, when in fact what this means is that they are the specific conditions which a particular historian or group of historians take to be more relevant than any other of the indefinitely large number of such conditions (for this reason, most historical debates range over the question as to whether the conditions thus specified are the right ones). While this kind of selectivity may be justifiable in relation to the treatment of any past event, it has no basis whatsoever in relation to the future - if we now select, as Marx did, the ‘relevant’ antecedent conditions for some future event, the likelihood is that we will select wrongly.
The historicist's failure to distinguish between scientific laws and trends is equally destructive of his cause. This failure makes him think it possible to explain change by discovering trends running through past history, and to anticipate and predict future occurrences on the basis of such observations. Here Popper points out that there is a critical difference between a trend and a scientific law, the failure to observe which is fatal. For a scientific law is universal in form, while a trend can be expressed only as a singular existential statement. This logical difference is crucial because unconditional predictions, as we have already seen, can be based only upon conditional ones, which themselves must be derived from scientific laws. Neither conditional nor unconditional predictions can be based upon trends, because these may change or be reversed with a change in the conditions which gave rise to them in the first instance. As Popper puts it, there can be no doubt that "the habit of confusing trends with laws, together with the intuitive observation of trends such as technical progress, inspired the central doctrines of ... historicism." (The Poverty of Historicism, 116). Popper does not, of course, dispute the existence of trends, nor does he deny that the observation of trends can be of practical utility value - but the essential point is that a trend is something which itself ultimately stands in need of scientific explanation, and it cannot therefore function as the frame of reference in terms of which anything else can be scientifically explained or predicted.

A point which connects with this has to do with the role which the evolution of human knowledge has played in the historical development of human society. It is incontestable that, as Marx himself observed, there has been a causal link between the two, in the sense that advances in scientific and technological knowledge have given rise to widespread global changes in patterns of human social organisation and social interaction, which in turn have led to social structures (e.g. educational systems) which further growth in human knowledge. In short, the evolution of human history has been strongly influenced by the growth of human knowledge, and it is extremely likely that this will continue to be the case - all the empirical evidence suggests that the link between the two is progressively consolidating. However, this gives rise to further problems for the historicist. In the first place, the statement that ‘if there is such a thing as growing human knowledge, then we cannot anticipate today what we shall know only tomorrow’ is, Popper holds, intuitively highly plausible. Moreover, he argues, it is logically demonstrable by a consideration of the implications of the fact that no scientific predictor, human or otherwise, can possibly predict, by scientific methods, its own future results. From this it follows, he holds, that ‘no society can predict, scientifically, its own future states of knowledge’. (The Poverty of Historicism, vii). Thus, while the future evolution of human history is extremely likely to be influenced by new developments in human knowledge, as it always has in the past, we cannot now scientifically determine what such knowledge will be. From this it follows that if the future holds any new discoveries or any new developments in the growth of our knowledge (and given the fallible nature of the latter, it is inconceivable that it does not), then it is impossible for us to predict them now, and it is therefore impossible for us to predict the future development of human history now, given that the latter will, at least in part, be determined by the future growth of our knowledge. Thus once again historicism collapses - the dream of a theoretical, predictive science of history is unrealisable, because it is an impossible dream.

Popper's arguments against holism, and in particular his arguments against the propriety of large-scale planning of social structures, are interconnected with his demonstration of the logical shortcomings of the presuppositions of historicism. Such planning (which actually took place, of course, in the USSR, in China, and in Cambodia, for example, under totalitarian regimes which accepted forms of historicism and holism), Popper points out, is necessarily structured in the light of the predictions which have been made about future history on the basis of the so-called ‘laws’ which historicists such as Marx and Mao claimed to have discovered in relation to human history. Accordingly, recognition that there are no such laws, and that unconditional predictions about future history are based, at best, upon nothing more substantial than the observation of contingent trends, shows that, from a purely theoretical as well as a practical point of view, large-scale social planning is indeed a recipe for disaster. In summary, unconditional large-scale planning for the future is theoretically as well as practically misguided, because, again, part of what we are planning for is our future knowledge, and our future knowledge is not something which we can in principle now possess - we cannot adequately plan for unexpected advances in our future knowledge, or for the effects which such advances will have upon society as a whole. The acceptance of historical indeterminism, then, as the only philosophy of history which is commensurate with a proper understanding of the nature of scientific knowledge, fatally undermines both historicism and holism.

Popper's critique of both historicism and holism is balanced, on the positive side, by his strong defence of the open society, the view, again, that a society is equivalent to the sum of its members, that the actions of the members of society serve to fashion and to shape it, not conversely, and that the social consequences of intentional actions are very often, and very largely, unintentional. This is why Popper himself advocates what he (rather unfortunately) terms ‘piecemeal social engineering’ as the central mechanism for social planning - for in utilising this mechanism intentional actions are directed to the achievement of one specific goal at a time, which makes it possible to monitor the situation to determine whether adverse unintended effects of intentional actions occur, in order to correct and readjust when this proves necessary. This, of course, parallels precisely the critical testing of theories in scientific investigation. This approach to social planning (which is explicitly based upon the premise that we do not, because we cannot, know what the future will be like) encourages attempts to put right what is problematic in society - generally-acknowledged social ills - rather than attempts to impose some preconceived idea of the ‘good’ upon society as a whole. For this reason, in a genuinely open society piecemeal social engineering goes hand-in-hand for Popper with negative utilitarianism (the attempt to minimise the amount of misery, rather than, as with positive utilitarianism, the attempt to maximise the amount of happiness). The state, he holds, should concern itself with the task of progressively formulating and implementing policies designed to deal with the social problems which actually confront it, with the goal of eliminating human misery and suffering to the highest possible degree. The positive task of increasing social and personal happiness, by contrast, can and should be should be left to individual citizens (who may, of course, act collectively to this end), who, unlike the state, have at least a chance of achieving this goal, but who in a free society are rarely in a position to systematically subvert the rights of others in the pursuit of idealised objectives. Thus in the final analysis for Popper the activity of problem-solving is as definitive of our humanity at the level of social and political organisation as it is at the level of science, and it is this key insight which unifies and integrates the broad spectrum of his thought.

Critical Evaluation


While it cannot be said that Popper was a modest man, he took criticism of his theories very seriously, and spent much of his time in his later years endeavouring to show that such criticisms were either based upon misunderstandings, or that his theories could, without loss of integrity, be made compatible with new and important insights (such as Kuhn's distinction between normal and revolutionary science). The following is a summary of some of the main criticisms which he has had to address.
1. Popper professes to be anti-conventionalist, and his commitment to the correspondence theory of truth places him firmly within the realist's camp. Yet, following Kant, he strongly repudiates the positivist/empiricist view that basic statements (i.e. present-tense observation statements about sense-data) are infallible, and argues convincingly that such basic statements are not mere ‘reports’ of passively registered sensations. Rather they are descriptions of what is observed as interpreted by the observer with reference to a determinate theoretical framework. This is why Popper repeatedly emphasises that basic statements are not infallible, and it indicates what he means when he says that they are ‘theory laden’ - perception itself is an active process, in which the mind assimilates data by reference to an assumed theoretical backdrop. He accordingly asserts that basic statements themselves are open-ended hypotheses: they have a certain causal relationship with experience, but they are not determined by experience, and they cannot be verified or confirmed by experience. However, this poses a difficulty regarding the consistency of Popper's theory: if a theory X is to be genuinely testable (and so scientific) it must be possible to determine whether or not the basic propositions which would, if true, falsify it, are actually true or false (i.e. whether its potential falsifiers are actual falsifiers). But how can this be known, if such basic statements cannot be verified by experience? Popper's answer is that ‘basic statements are not justifiable by our immediate experiences, but are .... accepted by an act, a free decision’. (Logic of Scientific Discovery, 109). However, and notwithstanding Popper's claims to the contrary, this itself seems to be a refined form of conventionalism - it implies that it is almost entirely an arbitrary matter whether it is accepted that a potential falsifier is an actual one, and consequently that the falsification of a theory is itself the function of a ‘free’ and arbitrary act. It also seems very difficult to reconcile this with Popper's view that science progressively moves closer to the truth, conceived of in terms of the correspondence theory, for this kind of conventionalism is inimical to this (classical) conception of truth.

2. As Lakatos has pointed out, Popper's theory of demarcation hinges quite fundamentally on the assumption that there are such things as critical tests, which either conclusively falsify a theory, or give it a strong measure of corroboration. Popper himself is fond of citing, as an example of such a critical test, the resolution, by Adams and Leverrier, of the problem which the anomalous orbit of Uranus posed for nineteenth century astronomers. Both men independently came to the conclusion that, assuming Newtonian mechanics to be precisely correct, the observed divergence in the elliptical orbit of Uranus could be explained if the existence of a seventh, as yet unobserved outer planet was posited. Further, they were able, again within the framework of Newtonian mechanics, to calculate the precise position of the ‘new’ planet. Thus when subsequent research by Galle at the Berlin observatory revealed that such a planet (Neptune) did in fact exist, and was situated precisely where Adams and Leverrier had calculated, this was hailed as by all and sundry as a magnificent triumph for Newtonian physics: in Popperian terms, Newton's theory had been subjected to a critical test, and had passed with flying colours. Popper himself refers to this strong corroboration of Newtonian physics as ‘the most startling and convincing success of any human intellectual achievement’. Yet Lakatos flatly denies that there are critical tests, in the Popperian sense, in science, and argues the point convincingly by turning the above example of an alleged critical test on its head. What, he asks, would have happened if Galle had not found the planet Neptune? Would Newtonian physics have been abandoned, or would Newton's theory have been falsified? The answer is clearly not, for Galle's failure could have been attributed to any number of causes other than the falsity of Newtonian physics (e.g. the interference of the earth's atmosphere with the telescope, the existence of an asteroid belt which hides the new planet from the earth, etc). The point here is that the ‘falsification/corroboration’ disjunction offered by Popper is far too logically neat: non-corroboration is not necessarily falsification, and falsification of a high-level scientific theory is never brought about by an isolated observation or set of observations. Such theories are, it is now generally accepted, highly resistant to falsification. They are falsified, if at all, Lakatos argues, not by Popperian critical tests, but rather within the elaborate context of the research programmes associated with them gradually grinding to a halt, with the result that an ever-widening gap opens up between the facts to be explained, and the research programmes themselves. (Lakatos, I. The Methodology of Scientific Research Programmes, passim). Popper's distinction between the logic of falsifiability and its applied methodology does not in the end do full justice to the fact that all high-level theories grow and live despite the existence of anomalies (i.e. events/phenomena which are incompatible with the theories). The existence of such anomalies is not usually taken by the working scientist as an indication that the theory in question is false; on the contrary, he will usually, and necessarily, assume that the auxiliary hypotheses which are associated with the theory can be modified to incorporate, and explain, existing anomalies.

3. Scientific laws are expressed by universal statements (i.e. they take the logical form ‘All A's are X’, or some equivalent) which are therefore concealed conditionals - they have to be understood as hypothetical statements asserting what would be the case under certain ideal conditions. In themselves they are not existential in nature. Thus ‘All A's are X’ means ‘If anything is an A, then it is X’. Since scientific laws are non-existential in nature, they logically cannot imply any basic statements, since the latter are explicitly existential. The question arises, then, as to how any basic statement can falsify a scientific law, given that basic statements are not deducible from scientific laws in themselves? Popper answers that scientific laws are always taken in conjunction with statements outlining the ‘initial conditions’ of the system under investigation; these latter, which are singular existential statements, do, when combined with the scientific law, yield hard and fast implications. Thus, the law ‘All A's are X’, together with the initial condition statement ‘There is an A at Y’, yields the implication ‘The A at Y is X’, which, if false, falsifies the original law.

This reply is adequate only if it is true, as Popper assumes, that singular existential statements will always do the work of bridging the gap between a universal theory and a prediction. Hilary Putnam in particular has argued that this assumption is false, in that in some cases at least the statements required to bridge this gap (which he calls ‘auxiliary hypotheses’) are general rather than particular, and consequently that when the prediction turns out to be false we have no way of knowing whether this is due to the falsity of the scientific law or the falsity of the auxiliary hypotheses. The working scientist, Putnam argues, always initially assumes that it is the latter, which shows not only that scientific laws are, contra Popper, highly resistant to falsification, but also why they are so highly resistant to falsification.

Popper's final position is that he acknowledges that it is impossible to discriminate science from non-science on the basis of the falsifiability of the scientific statements alone; he recognizes that scientific theories are predictive, and consequently prohibitive, only when taken in conjunction with auxiliary hypotheses, and he also recognizes that readjustment or modification of the latter is an integral part of scientific practice. Hence his final concern is to outline conditions which indicate when such modification is genuinely scientific, and when it is merely ad hoc. This is itself clearly a major alteration in his position, and arguably represents a substantial retraction on his part: Marxism can no longer be dismissed as ‘unscientific’ simply because its advocates preserved the theory from falsification by modifying it (for in general terms, such a procedure, it now transpires, is perfectly respectable scientific practice). It is now condemned as unscientific by Popper because the only rationale for the modifications which were made to the original theory was to ensure that it evaded falsification, and so such modifications were ad hoc, rather than scientific. This contention - though not at all implausible - has, to hostile eyes, a somewhat contrived air about it, and is unlikely to worry the convinced Marxist. On the other hand, the shift in Popper's own basic position is taken by some critics as an indicator that falsificationism, for all its apparent merits, fares no better in the final analysis than verificationism.

Works By Popper

  • Logik der Forschung. Julius Springer Verlag, Vienna, 1935.
  • The Open Society and Its Enemies. (2 Vols). Routledge, London, 1945.
    The Logic of Scientific Discovery. (translation of Logik der Forschung). Hutchinson, London, 1959.
  • Conjectures and Refutations: The Growth of Scientific Knowledge. Routledge, London, 1963.
  • The Poverty of Historicism (2nd. ed). Routledge, London, 1961.
  • Objective Knowledge: An Evolutionary Approach. Clarendon Press, Oxford, 1972.
  • Unended Quest; An Intellectual Autobiography. Fontana, London, 1976.
  • ‘A Note on Verisimilitude’, The British Journal for the Philosophy of Science 27, 1976, 147-159.
  • The Self and Its Brain: An Argument for Interactionism (with J.C. Eccles). Springer International, London, 1977.
  • The Open Universe: An Argument for Indeterminism. (ed. W.W. Bartley 111). Hutchinson, London, 1982.
  • Realism and the Aim of Science, Hutchinson, London, 1982.
  • The Myth of the Framework: In Defence of Science and Rationality. Routledge, London, 1994.
  • Knowledge and the Mind-Body Problem: In Defence of Interactionism. (ed. M.A. Notturno). Routledge, London, 1994.

2005/01/07

Mùa đông Lincoln



Sau kỳ Noel, thời tiết bắt đầu lạnh ghê gớm, nhiệt độ xuống đến -10F, cộng với wind chill thi nhiệt độ còn thấp hơn nữa -20F. Trời mưa tuyết vào thứ tư 01/05/05 làm cho trường phải đóng cửa. Đây là vài bức hình chụp ở trường vào ngày 01/06/05.

2004/12/31

Lý thuyết sáng tạo TRIZ

Dạ Trạch

Rất nhiều người trong chúng ta cho rằng sáng tạo mang tính bẩm sinh, trời phú. Nhưng đối với những người theo thuyết sáng tạo (TRIZ) thì cái điều mà tưởng chừng rất thần bí và có vẻ phụ thuộc vào năng khiếu rất nhiều như vậy cũng có thể HỌC HỎI được và học hỏi một cách rất có qui tắc.
Sau đây là bản dịch 40 nguyên tắc sáng tạo TRIZ và hy vọng rằng các bạn có thể áp dụng một cách thành công trong công việc và đời sống.

Theo TRIZ của Genrich S. Altshuller có 5 mức sáng tạo:
1. Vấn đề được giả quyết bằng các phương pháp trong chuyên ngành. Không cần sáng tạo. Khoảng 32% giải pháp thuộc loại này
2. Cải tiến chút ít hệ thống đã có bằng cách phương pháp đã biết trong ngành công nghiệp và thường có một vài thỏa hiệp. Khoảng 45% giải pháp thuộc loại này
3. Cải tiến cơ bản hệ thống đã có bằng phương pháp đã biết ngoài ngành công nghiệp. Khoảng 18% giải pháp thuộc loại này
4. Một thế hệ mới sử dụng một nguyên lí mới để thực hiện những chức năng cơ bản của hệ. Giải pháp tìm thấy mang tính khoa học nhiều hơn công nghệ. Khoảng 4% giải pháp thuộc loại này
5. Một phát hiện khoa học hiếm hoi hay một phát minh tiên phong về một hệ hoàn toàn mới. Khoảng 1% giải pháp thuộc loại này

Các cấp bậc sáng tạo

Mức Độ sáng tạo% giải phápNguồn kiến thứcSố giải pháp được nghiên cứu
1Giải pháp đã có32Kiến thức cá nhân100
2Cải tiến chút ít45Kiến thức công ti102
3Cải tiến nhiều18Kiến thức trong ngành công nghiệp103
4Khái niệm mới4Kiến thức ngoài ngành công nghiệp105
5Phát minh1Tất cả kiến thức của loài người106


40 nguyên tắc sáng tạo

1. Phân chia
a. Chia vật thể thành những phần độc lập
b. Tạo một vật thể lắp ghép
c. Tăng mức độ phân chia của vật thể
VD : đồ gỗ lắp ghép, mô đun máy tính, thước gấp

2. Trích đoạn
a. Trích (bỏ hoặc tách) phần hoặc tính chất « nhiễu loạn » ra khỏi vật thể hoặc,
b. Trích phần hoặc tính chất cần thiết
VD : Để đuổi chim khỏi các sân bay, sử dụng băng ghi âm tiếng các con chim đang sợ hãi (âm thanh được tách ra khỏi các con chim)

3. Đặc tính định xứ
a. Chuyển cấu trúc (của vật thể hoặc môi trường/tác động bên ngoài) từ đồng nhất sang không đồng nhất
b. Những bộ phận khác nhau thực hiện những chức năng khác nhau
c. Đặt mỗi bộ phận của vật thể dưới các điều kiện hoạt động tối ưu
VD : - Để tránh bụi từ các mỏ than một cái màn mau bằng nước có dạng hình nón được dùng cho các bộ phận của máy khoan và máy ủi. Màn càng mau thì càng tránh bụi tốt nhưng lại làm cản trở việc quan sát. Giải pháp là dùng một lớp màn thưa xung quanh nón màn mau.
- Bút chì và tẩy trên cùng một cái bút

4. Bất đối xứng
a. Thay một hình đối xứng thành một hình không đối xứng
b. Nếu vật thể đã bất đối xứng rồi thì tăng độ bất đối xứng
VD : - làm một mặt của lốp xe khỏe hơn mặt kia để chịu được tác động của lề đường
- khi tháo cát ướt bằng một cái phễu đối xứng, cát tạo ra một cái vòm ở lỗ, gây ra dòng chảy bất thường. Một cái phễu bất đối xứng sẽ loại trừ hiệu ứng tạo vòm này

5. Kết hợp
a. Kết hợp về không gian những vật thể đồng nhất hoặc những vật thể dành cho những thao tác kề nhau
b. Kết hợp về thời gian những thao tác đồng nhất hoặc kề nhau
VD : yếu tố hoạt động của một máy xúc quay có những cái vòi hơi đặc biệt để làm tan và làm mềm đất đông cứng

6. Tổng hợp
Vật thể hoạt động đa chức năng loại bỏ một số vật thể khác
VD : - ghế sofa có chức năng của một cái giường
- ghế của xe tải nhỏ có thể điều chỉnh thành chỗ ngồi, chỗ ngủ hoặc để hàng hóa

7. Xếp lồng
a. Để một vật thể trong lòng một vật thể khác, vật thể khác này lại để trong lòng một vật thể thứ ba
b. Chuyển một vật thể thông qua một khoảng trống của một vật thể khác
VD : - ăng ten có thể thu ngắn lại được
- ghế có thể chất chồng lên nhau để cất đi
- Bút chì với những mẩu chì dự trữ để bên trong

8. Đối trọng
a. Bù trừ trọng lượng của vật thể bằng cách nối với một vật thể khác mà có một lực đẩy
b. Bù trừ trọng lượng của vật thể bằng tương tác với môi trường cung cấp khí hoặc thủy động lực
VD : - thiết bị nâng thân tàu
- cánh sau của xe ô tô đua có thể tăng áp suất từ ô tô lên mặt đất

9. Phản hoạt động trước tiên
a. Thực hiện phản hoạt động trước tiên
b. Nếu vật thể chịu áp lực thì cung cấp cung cấp một phản áp lực trước đó
VD : - gia cố cột hoặc nền móng
- gia cố trục tạo thành từ vài ống trước tiên được vặn theo một số góc đặc biệt

10. Hoạt động trước tiên
a. Trước tiên thực hiện tất cả hoặc một phần hoạt động
b. Sắp xếp các vật thể sao cho chúng có thể đi vào hoạt động trong một khoảng thời gian hợp lí và từ một vị trí thích hợp
VD : - lưỡi dao tiện ích tạo với đường rãnh cho phép phần cùn của lưỡi dao có thể được bẻ đi, để lại phần sắc
- Xi măng cao su hình chai rất khó có thể xếp chặt và đồng nhất. Thay vào đó nó được đổ thành hình băng.

11. Đề phòng
Bù trừ cho tính không tin cậy của vật thể bằng biện pháp trả đũa trước tiên
VD : hàng hóa được bố trí để ngăn cản việc ăn cắp đồ

12. Đẳng thế
Thay đổi điều kiện làm việc sao cho không phải nâng lên hoặc hạ xuống
VD : dầu động cơ ô tô được công nhân thay trong các hố gầm để tránh sử dụng những dụng cụ nâng bốc đắt tiền

13. Đảo ngược
a. Thay cho một hành động điều khiển bởi các chi tiết kĩ thuật của bài toán, áp dụng một hành động ngược lại
b. Làm cho phần chuyển động của vật thể hoặt môi trường bên ngoài của vật thể trở nên bất động và những phần bất động trở thành chuyển động
c. Lật úp vật thể
VD : khi mài vật thể thì di chuyển vật mài chứ không di chuyển bàn chải như thế bàn chải sẽ đỡ bị mòn hơn

14. Làm tròn
a. Thay những vật thể thẳng hoặc bề mặt bằng phẳng thành những mặt cong ; thay thể hình lập phương thành hình cầu
b. Sử dụng con lăn, vật hình xoắn ốc
c. Thay thế chuyển động thẳng bằng chuyển động quay ; tận dụng lực li tâm
VD : máy tính sử dụng con chuột có cấu trúc tròn thành chuyển động hai chiều trên màn hình

15. Năng động
a. Tạo một vật thể hoặc môi trường của nó tự động điều chỉnh tới chế độ tối ưu tại mỗi trạng thái hoạt động
b. Chia vật thể thành những phần nhỏ mà có thể thay đổi vị trí tương đối với nhau
c. Nếu vật thể bất động thì làm cho nó chuyển động và có thể trao đổi được
VD : - đèn chớp với cái cổ ngỗng linh động giữa thân và bóng đèn
- mạch máu trong cơ thể người có hình ống. Để giảm cặn hoặc mạch máu không quá tải, chỉ một nửa mạch máu có dạng ống có thể mở ra.

16. Hành động một phần hoặc quá mức
Nếu khó có thể đạt 100% hiệu quả mong muốn thì cố đạt đến cái đơn giản nhất
VD : - một ống xi lanh được sơn bằng cách bơm sơn, nhưng bơm quá nhiều sơn. Lượng sơn thừa được lấy ra bằng cách quay nhanh ống xi lanh
- để có thể lấy hết bột kim loại ra khỏi cái thùng, người đóng đai có một cai phễu đặc biệt có thể bơm để cung cấp áp suất cố định bên trong thùng

17. Chuyển động tới một chiều mới
a. Loại bỏ các bài toán bằng cách dịch chuyển một vật thể trong một chuyển động hai chiều (tức là dọc theo mặt phẳng)
b. Dùng tổ hợp chồng chập đa lớp thay cho đơn lớp
c. Làm nghiêng vật thể hoặc quay nó lên cạnh của nó
VD : một nhà kính có một gương cầu lõm ở phía bắc của ngôi nhà để cải thiện ánh sáng ở phía đó thông qua phản xạ ánh sáng ban ngày

18. Rung động cơ học
a. Đặt vật thể vào thế rung động
b. Nếu đã rung động rồi thì tăng tần số, thậm chí đến tận tần số sóng siêu âm
c. Sử dụng tần số cộng hưởng
d. Thay áp rung cho rung cơ học
e. Dùng rung động siêu âm với từ trường
VD : - bỏ khuôn đúc ra khỏi vật thể mà không hại đến bề mặt vật thể, cưa tay thông thường được thay bằng dao rung động
- rung khuôn đúc trong khi đổ vật liệu vào để giúp dòng chảy của vật liệu và các tính chất cấu trúc

19. Hành động tuần hoàn
a. Thay một hành động liên tục thành một hành động tuần hoàn (xung)
b. Nếu một hành động đã tuần hoàn rồi thì thay đổi tần số
c. Sử dụng xung giữa các xung lực để cung cấp hành động bổ xung
VD : - tác động mở ốc nên dùng xung lực hơn là một lực liên tục
- đèn báo nháy sáng có tác dụng thu hút chú ý hơn đèn phát sáng liên tục

20. Liên tục hóa hành động hiểu quả
a. Thực hiện một hành động liên tục (không nghỉ) trong đó tất cả các phần của vật thể hoạt động hết công suất
b. Loại bỏ các hành động không hiệu quả và trung gian
VD : một cái khoan có cạnh để cắt cho phép cắt theo chiều tới và lui

21. Dồn đột ngột
Thực hành các thao tác có hại hoặc mạo hiểm với tốc độ thật nhanh
VD : máy cắt ống kim loại mỏng có thể tránh cho ống không bị biến dạng trong quá trình cắt khi cắt với tốc độ nhanh

22. Chuyển thiệt thành lợi
a. Sử dụng những yếu tố có hại hoặc các tác động môi trường để thu những hiệu quả tích cực
b. Loại bỏ những yếu tố có hại bằng việc kết hợp nó với một yếu tố có hại khác
c. Tăng tác động có hại đến khi nó tự triệt tiêu tính có hại của nó
VD : - cát sỏi đông cứng khi vận chuyển qua thời tiết lạnh. Nếu quá lạnh (dùng ni tơ lỏng) làm cho nước đá trở nên giòn, cho phép rót được
- khi nung nóng chảy kim loại bằng lò cao tần, chỉ có phần ngoài trở nên nóng. Hiệu ứng này được dùng để nung nóng bề mặt.

23. Thông tin phản hồi
a. Mở đầu thông tin phản hồi
b. Nếu đã có thông tin phản hồi thì đảo ngược nó
VD : - áp suất nước từ một cái giếng được duy trì bằng việc đo áp suất ra và bật bơm nếu áp suất quá thấp
- Nước đá và nước được đo một cách tách biệt nhưng cần kết hợp để tính tổng khối lượng riêng. Vì nước đá rất khó có thể pha chế một cách chính xác, do đó nó được đo trước. Khối lượng đó được đổ vào một dụng cụ điều khiển nước, để có thể pha chế với liều lượng cần thiết.

24. Môi giới
a. Dùng một vật thể trung gian để truyền hay thực hiện một hành động
b. Tạm thời nối một vật thể với một vật thể khác mà nó dễ dàng được tháo bỏ đi
VD : để làm giảm năng lượng mất mát khi đặt một dòng điện vào một kim loại nóng chảy, người ta dùng các điện cực được làm nguội và các kim loại nóng chảy trung gian có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn

25. Tự phục vụ
a. Làm cho vật thể tự phục vụ và thực hiện những thao tác bổ sung và sửa chữa
b. Tận dụng vật liệu và năng lượng bỏ đi
VD : - để tránh cho đường ống phân bố các vật liệu mài mòn, bề mặt của ống được phủ một loại vật liệu trống ăn mòn
- trong một cái súng hàn điện, thanh tròn được đưa lên bằng một dụng cụ đặc biệt. Để đơn giản hệ thống thanh được đưa lên bằng một cuộn dây có dòng điện cấp cho mũi hành chạy qua

26. Sao chụp
a. Dùng một bản sao đơn giản và rẻ tiền thay cho một vật thể phức tạp, đắt tiền, dễ vỡ hay bất tiện b. Thay thế một vật thể bằng bản sao hoặc hình ảnh của nó, có thể dùng thước để tăng hoặc giảm kích thước
c. Nếu các bản sao quang học đã được dùng, thay chúng bằng những bản sao hồng ngoại hoặc tử ngoại
VD : chiều cao hoặc chiều dài của vật thể có thể được xác định bằng cách đo bóng của chúng

27. Vật thể rẻ tiền, tuổi thọ ngắn thay cho vật thể đắt tiền, tuổi thọ dài
Thay một vật thể đắt tiền bằng nhiều những vật thể rẻ tiền có ít ưu điểm hơn (ví dụ tuổi thọ kém đi)
VD : giấy vệ sinh dùng một lần

28. Thay thế hệ cơ học
a. Thay thế hệ cơ học bằng hệ quang, âm hoặc khứu giác (mùi)
b. Dùng điện, từ, điện từ trường để tương tác với vật thể
c. Thay thế các trường
1. Trường tĩnh bằng các trường động
2. Trường cố định bằng trường thay đổi theo thời gian
3. Trường ngẫu nhiên bằng trường cấu trúc
4. Dùng một trường kết hợp với các hạt sắt từ
VD : để tăng liên kết của lớp sơn kim loại và vật liệu dẻo nóng, quá trình được thực hiện bên trong một trường điện từ, trường này tạo lực tác động lên kim loại

29. Xây dựng khí, thủy lực học
Thay thế các phần cứng rắn của vật thể bằng khí hoặc chất lỏng. Các phần này có thể dùng không khí hoặc nước để phồng lên, hoặc dùng đệm hơi hay đệm thủy tĩnh
VD : - để tăng cặn của hóa công nghiệp, một cái ống hình xoáy ốc với các vòi được dùng. Khi những luồng không khí đi qua các vòi, cái ống đó sẽ tạo ra một bức tường kiểu khí, làm giảm vật cản
- để vận chuyển những đồ dễ vỡ người ta dùng phong bì bọt khí hoặc vật liệu bọt

30. Màng linh động hoặc màng mỏng
a. Thay cấu trúc truyền thống bằng cấu trúc làm từ màng linh động hoặc màng mỏng
b. Cô lập vật thể ra khỏi môi trường xung quanh bằng cách sử dụng màng linh động hoặc màng mỏng
VD : để tránh hơi nước bốc bay ra khỏi lá cây, người ta tưới một lớp nhựa tổng hợp. Sau một thời gian lớp nhựa đó cứng lại và cây phát triển tốt hơn vì màng nhựa cho phép ô xi lưu thông qua tôt hơn hơi nước

31. Dùng vật liệu xốp
a. Dùng vật thể xốp hoặc các yếu tố xốp (chèn, phủ, …)
b. Nếu một vật thể đã xốp thì làm đầy các lỗ chân lông trước bằng một vài chất liệu
VD : để tránh bơm chất lỏng làm nguội vào máy một số bộ phận của máy được nhét đầy các vật liệu xốp thấm hết các chất lỏng đó. Hơi làm nguội khi máy làm việc làm cho máy nguội đồng nhất trong thời hạn ngắn

32. Đổi màu
a. Đổi màu của vật thể hoặc những thứ quanh nó
b. Đổi độ trong suốt của vật thể hoặc quá trình mà khó có quan sát
c. Dùng bổ sung màu để quan sát các vật thể hoặc quá trình khó quan sát
d. Nếu đã dùng bổ sung màu thì dùng các yếu tố khác để theo dõi
VD : - một miếng gạc trong suốt có thể cho phép theo dõi vết thương mà không cần tháo ra
- màn chắn nước để bảo vệ công nhân máy cán thép khỏi bị bỏng nhưng màn đó cung không cản trở việc quan sát thép nóng chảy. Người ta làm cho nước có màu để tạo một hiệu ứng lọc (để giảm bớp cường độ ánh sáng) trong khi vẫn giữ tính trong suốt của nước

33. Tính đồng nhất
Làm các vật thể tương tác với vật thể đầu tiên bằng cùng loại vật liệu hoặc vật liệu rất gần với vật thể đầu tiên đó
VD : bề mặt của máng chuyển vật thể cứng được làm cùng loại vật liệu với vật thể chạy trên đó cho phép phục hồi liên tục bề mặt của máng

34. Những phần loại bỏ và tái sinh
a. Một yếu tố của vật thể sau khi hoàn thành chức năng hoặc trở nên vô dụng thì hãy loại bỏ hoặc thay đổi nó (vứt bỏ, phân hủy, làm bay hơi, …)
b. Loại bỏ ngay lập tức những phần của vật thể không còn tác dụng
VD : - ca tút của viên đạn được lấy ra ngay sau khi súng bắn
- Phần thân của tên lửa tách ra sau khi làm hết chức năng của nó

35. Chuyển pha lí hóa của vật thể
Thay đổi trạng thái kết tập, phân bố mật độ, độ linh động, nhiệt độ của vật thể
VD : trong một hệ có những vật liệu dễ vỡ, bề mặt của cái vẵn xoáy trôn ốc được tạo thành từ vật liệu dẻo với hai lò xo xoáy ốc. Để điều khiển quá trình, bước của đinh ốc có thể thay đổi từ xa

36. Chuyển pha
Ứng dụng các hiệu ứng trong quá trình chuyển pha của vật liệu. Ví dụ trong khi thay đổi thể tích, bậc tự do hay hấp thụ nhiệt
VD : ứng dụng trong tủ lạnh để hạ nhiệt độ xuống thấp

37. Giãn nở nhiệt
a. Dùng vậtt liệu có thể co giãn theo nhiệt độ
b. Sử dụng các vật liệu khác nhau với các hệ số giãn nở nhiệt khác nhau
VD : để điều khiển đóng mở cửa sổ trong nhà kính, một tấm gồm hai kim loại được nối với cửa sổ. Khi nhiệt độ thay đổi thì sẽ làm cho tấm cong lên hoặc cong xuống làm cho cửa sổ đóng mở

38. Sử dụng chất ô xi hóa mạnh
a. Thay không khí thường bằng môi trường nhiều không khí
b. Thay môi trường giàu không khí bằng ô xi
c. Xử lí vật thể trong môi trường giàu không khí hoặc ô xi bằng phóng xạ ion hóa
d. Sử dụng ô xi ion hóa
VD : để thu nhiều nhiệt hơn từ ngọn lửa, ô xi được cung cấp thay cho không khí thường

39. Môi trường khí trơ
a. Thay môi trường thường bằng môi trường khí trơ
b. Thực hiện quá trình trong chân không
VD : để tránh bông khỏi bắt lửa trong kho hàng, người ta dùng khí trơ khi vận chuyển tới khu tập kết

40. Vật liệu composite
Thay vật liệu đồng nhất bằng vật liệu composite
VD : cánh của máy bay làm bằng vật liệu composite cho khỏe và nhẹ hơn

Dispersing Powders in Liquids


-- 4: Particle Structure --


When you pour a powder out of a container onto a flat surface, you often find that it is agglomerated into clumps. Some clumps fall apart under their own weight as they tumble, while others may not break unless they are hit with a hammer. The term {\sl particle} means an assemblage of solid matter which translates and rotates as a rigid unit, with no translational or rotational motion of the constituent parts with respect to the whole.
Before attempting to disperse a powder in a liquid, you should determine the structure of the starting powder and get a clear description of what sort of particle size and structure is required in the end-use application. Many discussions between marketing representatives, plant supervisors, technical support people, particle size analysts, and academic researchers suffer from great confusion because of differences in nomenclature or conceptualization of the structure of the solid particles.
The term "particle" is used very loosely, and it may be used to refer to either a single crystal or a loosely bound clump of smaller units. It does not imply that anything is either nonporous or agglomerated or dispersed to the maximum extent. Many other terms in slurry technology are also used loosely, so you must be quite careful to establish at the beginning of a discussion just what others mean for each term. Drawings can be very helpful for describing the structures found for the starting powder, intermediate states, and the final dispersion.


Levels of Particle Structure

There are often several levels of structure in a clump. Small primary particles are often cemented together by rather strong forces to form medium-size aggregates which are bound by moderate forces to form large agglomerates. These may be collected by weak forces into large and tenuous flocs. As we go from lower to higher level structures, the strength of bonding decreases, the void (nonsolid) fraction within the clump boundaries increases, and the degree of structural complexity increases.

People who are not familiar with slurry technology often do not realize how complex a clump of particles can be. They may believe that a single pass through a low energy process such as screening breaks the feed material down to fundamental particles. This is rarely the case. More experienced workers know that while loosely bound clumps may be broken up by a low energy process to moderate size particles, these are usually agglomerates of still smaller particles. The specialist will always insist upon examining the powder with a microscope (or electron microscope) so as to determine the structure in detail. The purpose of this section is to discuss the most common particle structures and to describe how they are formed in industrial processes.

The terminology for describing the structure of particles often seems somewhat confused because there are a wide variety of different structures that can be formed from the wide variety of chemical compositions in this world. The terms listed below describe structures typical of different regions in the continuum of bond energies and contact areas that may be formed. There are no sharply defined dividing lines between the regions. Many specialists use variants of the terminology presented, since what one specialist considers to be a relatively weak bond may be considered by others to be a relatively strong bond.



Fundamental Particles

Fundamental particles are the lowest level of structure -- having the highest degree of crystal lattice or structural homogeneity, the highest density, and the lowest void fraction For crystalline materials the fundamental particles are single crystal domains. It is important to note that even a particle that looks like a single, nonporous, unagglomerated crystal may in fact be made up of several single crystal domains; for example, magnetic particles are generally made up of microdomains with different orientations. The boundaries and orientations of these domains change in response to exposure to an external magnetic field.

For noncrystalline solids we can define the fundamental structural elements to be those regions that are homogeneously solid (with no voids down to the atomic packing level) and cut from the solid continuum into relatively convex shapes by imaginary cut-planes of minimum area. Thus, the regions on each side of a pore would be separate fundamental units and a porous or sintered clump would be a high-level structure made up of many fundamental units.


Fig. 2.1a -- Varieties of Single Particle Structure



Twins and Mosaics

Twinned crystals are made up of two (relatively perfect) crystal domains that are joined at a plane which forms a symmetry element. Thus there is a large angle between the major axes of the two crystal domains. Twins are usually formed during the the initial precipitation of a solid. The exterior of a primary particle usually grows by addition of solution material at kinks or shelves or screw dislocations in the surface, so the exterior atomic plane is not flat. Rapid growth about a dislocation can produce a twinned crystal. Polarized light microscopy can usually distinguish twinned crystals from single crystals.

Mosaics are made up of multiple crystal domains which have only small differences in angle between their major axes so that the crystal planes meet at the grain boundary (also called a domain boundary) with only a small mismatch in lattice parameters. In those cases where these domains have dimensions comparable to the wavelength of x-rays (0.001 to 10 nm), then the broadening of lines in an x-ray powder diffraction pattern can be used to characterize the size of the grains that make up the mosaic.

Semicrystalline polymeric materials have regions of crystallinity adjacent to regions of amorphous (glassy) structure. These may be considered to be mosaics. A polymer chain that is part of the crystalline region may also be part of the amorphous region, so the regions may be bound together very strongly along the plane separating the two regions, with little or no void fraction.



Aggregates and Porous Particles

An aggregate is a clump of fundamental particles that are strongly bonded through a region that is not planar or involves some voids, so there is significantly imperfect contact between the particles. See Chapter 1 for a discussion of differences between European and American terminology. Aggregates may be crystals joined across rough faces, porous materials, clumps of particles held together by extensive precipitation bridges or heavily sintered structures for which the cross sectional area of the regions joining the fundamental particles is larger than the surface area which is exposed to void space.

A precipitation bridge forms when precipitation occurs at the point where two particles make contact in a floc or a packed bed of material. A heteroprecipitation bridge or gel bond forms when a solid different from the core particle precipitates at the contact points. This may occur when a coating agent is applied to an incompletely dispersed slurry or when a soluble salt precipitates out during the drying of a filtercake.

The contact points between primary particles can deform under pressure to increase the area of contact between particles in a packed bed. Sintering occurs when surface material migrates to broaden the contact area and fuse the structures of two originally distinct particles. This is called thermal sintering or pressure sintering according to which variable was used to produce the effect. Sintering is most commonly applied to amorphous materials such as glasses or metals. The surface migration rate increases exponentially with temperature, and sintering can occur within reasonable contact times at (absolute) temperatures as low as 70% of the solid's melting point.


Fig. 2.1b -- Varieties of Clump Structure



Agglomerates or Strong Flocs

A strong floc is a clump of particles with large areas in close proximity but not in intimate contact. Direct contact may be prevented by surface roughness, a scale of reaction products, or an adsorbed coating of surfactant or vehicle molecules. Even though the interparticle bonding here is weaker than for direct lattice bonds, it can hold such flocs together up to quite high shear. Since these tight flocs are held together over large contact areas, they have a small void fraction.

Weak Flocs

Aggregates and agglomerates have rough surfaces, so when they collide, the area available for direct contact is limited. The bonding energy that can be attained per unit mass is low. Bonding will also be weak if the particles have thick coatings that prevent the particles from getting close enough to attract strongly or if the interparticle forces are inherently weak (as for nonpolar polymer particles dispersed in an organic liquid). Weak flocs usually have rather open structures with high void fractions. Light stirring can redisperse weak flocs, and the weight of sediment in a settling mass can break the bonds between the particles, allowing them to collapse into a more compact configuration.

Tangles

Long fibers have extended, flexible structures that can twist about to become entangled to hold the particles together mechanically. The void fraction of such tangles is generally high. Although the attraction between the fibers may be weak, an essentially infinite time would be required for the random motion in a stirred slurry to bring them into configurations that would enable them to disengage from the tangle. This complex configuration dependence for deagglomeration means that the particles are entropically agglomerated rather than enthalpically agglomerated.

Adsorbed-Vapor Agglomeration

The flow and clumping of hygroscopic powders are critically dependent on the relative humidity. Clumping is dependent on the partial pressure of any vapor that could be adsorbed, but water vapor is most common cause of agglomeration by adsorption. A hygroscopic (water-adsorbing) solid adsorbs water, often as a surface film that increases the bonding between particles. The strength of agglomeration depends on the relative humidity of air and its diffusion into the powder. Since a vapor is best adsorbed or condensed at contact points, fine powders with many contact points per unit mass are more sensitive to humidity than coarse particles are. At high humidities so much moisture is adsorbed that liquid bridges form.

The adsorbed water may dissolve the surface or any residual salts deposited on the surface. If this solution later evaporates, the dissolved material will reprecipitate to form precipitation bonds. Several options that may reduce the sensitivity to humidity are to

  • Chemically treat the surface to make it less hygroscopic.

  • Coat the powder with a small amount of hydrophobic liquid. First check to see that this liquid does not by itself cause unacceptable clumping.

  • Disperse over the core powder a small amount of a hydrophobic shield powder that is at least ten times smaller in diameter than the first. The shields act as an anticaking agent by preventing contact between the surfaces of the core particles. The shield particles are chosen so that they will not condense or sinter.


Liquid-Bridge Agglomerates

Particles may be held together in agglomerates by a liquid that wets the contact points. Some examples are
1) liquid in a filtercake
2) water wetting the particle contacts in a damp storage bin
3) oil drops added to agglomerate coal particles in a coal-water slurry.


Fig. 2.2 -- Shoreline on a Liquid Bridge

When a liquid drop wets the contact point between two spheres of equal diameter dp [m] as in Fig. 3, the shoreline length [m] (one for each sphere) of the solid-liquid-gas contact is

lshore = p dp sin jshore

where jshore [rad] is the angle defined by a line drawn from the particle-particle contact point to one particle's center and then to a point on the shoreline for that particle. The total agglomerative force due to liquid bridging Fagglom [N] depends on jshore, the contact angle q [rad] (the angle between the surface tangent and the liquid tangent at the shoreline), and the surface tension of the liquid gl [N/m]. Rigorous analysis produces two terms that sum to approximately

Fagglom = Fcoh + Fsurf ~ p dp gl cos q

Fcoh is the cohesive (negative) force based on the curvature of the liquid-vapor meniscus. It is a complicated function, but for small values of g, the term

Fcoh ~ Fagglom (1 - sin ji) / cos j

dominates the sum (Hunter 1987 [see reference list] pages 287-290). Fsurf is the component of gl (along the shoreline of both particles) in the direction of the line of particle centers. Fsurf = Fagglom sin2 j and is small until j is rather large. Fagglom depends strongly on the particle diameter and only weakly on the amount of liquid in the meniscus (related to j).



Solid-Bridge Agglomerates

Particles of one material may become cemented together by the solids that precipitate as liquid evaporates during tray drying of wet filtercake or spray drying of a slurry. Because the surface tension causes the last remaining solution to be held as liquid bridges rather than as droplets on particle surfaces, the solids precipitate in the places best suited to cause cementation of the particles into a clump. Many medicinal and agricultural powders use water-soluble binders to provide solid bridges in tablets and granules.

2004/12/30

Exchange-String Magnets

Bất cứ ai làm về từ đều nghe đến nam châm lò xo-trao đổi (Exchange-Spring magnets-ESM). Đối với người mới bắt đầu nghiên cứu thì có thể muốn hiểu nó là gì, đối với một số người khác thì cần những tài liệu tham khảo, như tôi hồi ở VN muốn tìm mấy cái tài liệu gốc được trích dẫn trong bất cứ bài nào về ESM mà không có, sau đây tôi tóm tắt về ESM và gửi ba bài báo được trích dẫn nhiều nhất (most cited) để những ai làm về ESM có thể có những tài liệu cần thiết nhất.

Vật liệu từ dạng khối có thể tạm phân chia thành hai loại, vật liệu từ cứng như SmCo, NdFeB (nam châm đất hiếm),… và vật liệu từ mềm như FeCo, FeNi,… Đặc điểm chung của chúng là, vật liệu từ cứng có lực kháng từ (Hc) cao nhưng từ độ bão hòa nhỏ (Ms) và ngược lại, vật liệu từ mềm có lực kháng từ nhỏ và từ độ bão hòa lớn. Một vật liệu từ cứng tốt phải thỏa mãn cả hai thông số Hc và Ms đều cao và do đó có thể đưa đến tích năng lượng cực đại BHmax là lớn nhất. Nếu ta chỉ thuần túy trộn hai loại bột tạo thành từ vật liệu từ cứng và từ mềm thì trên đường cong từ trễ sẽ có dạng nhảy bậc và do đó tích năng lượng cực đại sẽ thấp, đó là điều ta không mong muốn. Chính vì thế mà nam châm đàn hồi-trao đổi ra đời.

ESM được tạo thành từ hai vật liệu, một loại là vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm nhưng các vật liệu đó lại ở các dạng hạt nhỏ có kích thước nanomet (10-9 m). Do kích thước nhỏ như vậy nên giữa các hạt có tồn tại một tương tác gọi là tương tác trao đổi (exchange coupling - EC). Nhờ có tương tác này mà các hạt từ mềm không bị xoay một cách dễ dàng trong trường ngoài mà bị liên kết với các hạt từ cứng. Chính nhờ đó mà nam châm tạo thành từ hai vật liệu trên có được những ưu điểm của vật liệu từ cứng và từ mềm. Ngoài khía cạnh từ tính, các khía cạnh khác của ESC cũng nổi trội hơn, như độ ổn định trong môi trường có ô xy cũng tốt hơn, và đặc biệt là chúng có giá thành rẻ hơn nam châm đất hiếm.

Về thực nghiệm, ESM đầu tiên được một nhóm tác giả ở Hà Lan công bố vào năm 1988, họ tạo ESM bằng phương pháp nguội nhanh (melt-spun) một hợp kim gồm Nd, Fe, B và bằng phương pháp xử lí nhiệt, họ tạo được vật liệu tạo thành từ các hạt nano từ cứng NdFeB và từ mềm Fe3B [1].

Về mặt lí thuyết, có hai bài được trích dẫn nhiều nhất, bài đầu tiên [2] giải thích cơ chế của EC và ước tính độ lớn cực đại của các hạt nano từ. Các tác giả cho thấy độ lớn của các hạt từ mềm cỡ khoảng độ dày vách đô men là tốt nhất. Bài thứ hai [3] ước tính giá trị của tích năng lượng cực đại của ESM có thể đạt đến 1 MJ/m3 (tức là khoảng 120 MGOe), tuy vậy giá trị này cho đến nay, người ta vẫn chưa đạt được bằng thực nghiệm.

[1] R. Coehoorn, D. B. de Mooij, J. P. W. B. Duchateau, and K. H. J. Buschow, Novel Permanent Magnetic Materials Made by Rapid Quenching, J. de Phys., vol. 49, pp. C8 669, 1988.
[2] E. F. Kneller and R. Hawig, The exchange-spring magnet: a new material principle for permanent magnets, IEEE Trans. Magn., vol. 27, pp. 3588, 1991.
[3] R. Skomski and J. M. D. Coey, Giant energy product in nanostructured two-phase magnets, Phys. Rev. B, vol. 48, pp. 15812, 1993.

2004/12/26

Hawking bóp chết nghịch lý của ông

Lược dịch: Dạ Trạch
Theo C. Seife, Science, 305 (2004) 586, và 934


Trong một buổi xuất hiện trước báo chí tại Dublin, Hawking đã thu hút được sự chú í của công chúng khi ông tuyên bố rằng ông đã giải quyết được một trong các vấn đề quan trọng nhất của vật lí đó là các hố đen có phá hủy thông tin mà nó nuốt hay không. Phát biểu trong một buổi họi thảo chật ních các nhà vật lí và nhà báo, giáo sư đại học Cambridge này đã đảo ngược quan điểm mà ông theo đuổi bấy lâu nay và cho rằng thông tin vẫn tồn tại. Và ông thừa nhận đã thua vụ cá cược vật lí và phải mất một cuốn từ điển bách khoa cho người thắng cuộc.

Hawking nói trong một bài phát biểu: “thật tuyệt vời khi tôi giải quyết được vấn đề đã làm tôi đau đầu trong gần ba mươi năm”. Tuy nhiên, các nhà vật lí khác vẫn nghi ngờ việc ông đã giải quyết được bài toán bí ẩn đó.

Câu hỏi điều gì sẽ xảy ra khi thông tin rơi vào hố đen là tâm điểm của ‎các tư tưởng vật lí hiện đại. Các nhà khoa học thế kỷ 19 đã chỉ ra rằng năng lượng không thể tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi và các nhà khoa học thế kỷ 20 kết luận rằng thông tin vẫn được bảo toàn. Nếu đúng thế thì bảo toàn thông tin là nguyên lí quan trọng nhất của khoa học, có khi còn quan trọng hơn cả định luật bảo toàn năng lượng và khối lượng. Tuy nhiên, vẫn có một trở ngại lớn: đó là các hố đen.

Hố đen là một ngôi sao bị suy sập, một con quái vật khổng lồ, nó hút và bẫy tất cả các vật thể quanh nó bằng lực hấp dẫn của nó. Trái đất cũng hút chúng ta, nhưng chúng ta có thể thoát khỏi lưc hút của trái đất bằng một tên lửa với vận tốc lớn hơn vận tốc thoát của trái đất vào khoảng 11 km/giây. Với các hố đen thì vận tốc thoát còn lớn hơn vận tốc ánh sáng, mà theo thuyết tương đối thì không có gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng nên tất cả mọi vật, kể cả ánh sáng cũng không thể thoát được khỏi hố đen nếu chúng bay gần hố đen. Có một gianh giới mà nếu bạn vượt qua nó thì bạn không thể nào thoát ra được, đó là chân trời sự kiện.

Khi một vật thể rơi vào hố đen, năng lượng và khối lượng của nó để lại dấu tích có thể quan sát được đó là khối lượng của hố đen tăng lên. Tuy vậy, theo thuyết tương đối, các thông tin mà vật thể có sẽ bị mất đi không thể vãn hồi: người quan sát bên ngoài hố đen không thể biết là hố đen đã nuốt một tấn chì, một tấn da thú hay một tấn xe hơi. Nếu các hố đen phá hủy các thông tin này thì định luật bảo toàn thông tin không phải là một định luật phổ quát.

Việc tranh luận diễn ra ác liệt về việc có phải các hố đen là những trường hợp ngoại lệ cá biệt hay không, người thắng cuộc sẽ được một cuốn từ điển bách khoa toàn thư như í.

Tại hội thảo ở Dublin, Hawking đã thừa nhận thua cuộc. Sử dụng một công cụ toán học được biết với cái tên là phương pháp tích phân đường Euclide (Euclidean path integral Method), Hawking tự chứng minh rằng thông tin không bị phá hủy khi rơi vào hố đen. Ông nói: “nếu bạn nhảy vào hố đen thì khối lượng và năng lượng của bạn sẽ trở về với vũ trụ. Nhưng các thông tin về bạn như thế rất khó được nhận ra vì chúng bị biến dạng nhiều. Điều đó có nghĩa là các hố đen không phải là một cánh cửa để bước sang một vũ trụ khác, một khả dĩ khác. Tôi rất lấy làm tiếc cho những người hâm mộ chuyện khoa học viễn tưởng”.

Một người thắng cuộc là Preskill nhận cuốn từ điển về bóng chày còn người kia là Thorne thì từ chối thắng cuộc, ông nói “tôi từ chối là vì tôi cần phải xem kĩ hơn, nhưng tôi nghĩ rằng Stephen dường như đúng”.

Những người khác thì lưỡng lự hơn. Một trong số đó là Friedman, ông nghi ngờ phương pháp toán học của Hawking. Các nhà lí thuyết trường lượng tử rất thích dùng phương pháp tích phân đường Euclide để giải các bài toán gồm hạt và trường nhưng phần lớn các nhà lí thuyết hấp dẫn không dùng phương pháp đó vì nó sẽ dẫn đến các phương trình với những điểm vô hạn khó có thể xử lí được. Các nhà lí thuyết hấp dẫn thích phương pháp Lorentz dễ hiểu hơn. Chưa ai chứng minh được hai phương pháp này luôn cho các kết quả giống nhau. Tôi vẫn chưa chắc là phương pháp tích phân đường Euclide có thể biểu diễn cho tiến hóa của không thời gian khi mà không thời gian lại có tính Lorentz. Điểm đáng ngờ thứ hai đó là Hawking lấy tổng theo tất cả các vị trí của hố đen lí tưởng khả dĩ và tất cả các nhà quan sát trong vũ trụ, nhưng hình như kết quả không áp dụng được đối với một hố đen và một người quan sát cụ thể.

Vì dùng phương pháp Euclide nên Hawking không thể thấy được các thông tin được lưu trữ bên trong hố đen và được giải thoát như thế nào – các thông tin bị dồn nén rồi được giải thoát cùng một lúc hay thông tin được phát ra liên quan đến các bức xạ phát ra từ hố đen. Friedman còn nói rằng ông muốn các luận cứ của Hawking có í nghĩa vật lí hơn và được trình bày bằng những thuật ngữ toán học thông thường hơn. Ông nói thêm: “nếu người ta có thể rút ra những lí giải từ các tính toán trên và được lặp lại bằng cách tính toán Lorentz thuần túy thì điều đó sẽ giúp ích rất nhiều”.

Bốn bài học vàng

STEVEN WEINBERG
Giáo sư ĐH Texas tại Austin
Nature, Vol. 426 (27 Nov. 2003), p. 389
Người dịch: Dạ Trạch

Khi tôi tốt nghiệp ĐH - khoảng một trăm năm trước đây – đối với tôi, vật lý có vẻ như rộng lớn, giống như một đại dương chưa được khám phá, tôi cần phải nghiên cứu tất cả trước khi đi sâu vào một lĩnh vực nào đó của vật lý. Làm thế nào có thể biết hết tất cả mọi thứ đã được nghiên cứu? May mắn thay, năm đầu cao học, tôi được làm việc cùng với các nhà vật lý đàn anh. Họ đã cố thuyết phục rằng tôi cần phải tiến hành nghiên cứu và sẽ tìm hiểu những thứ cần thiết trong quá trình nghiên cứu. Đúng là nhất sống nhì chết. Thật đáng ngạc nhiên, tôi thấy cách làm việc đó thật hiệu quả. Tôi cố gắng nhanh chóng lấy bằng tiến sỹ, mặc dù khi tôi nhận bằng, tôi hầu như không biết nhiều về vật lý. Nhưng tôi học được một điều rất quan trọng: không ai biết tất cả và bạn cũng không cần phải biết tất cả.

Một bài học nữa mà tôi học được, tiếp tục dùng phép ẩn dụ hải dương học mà tôi nói trước đây, là khi bạn đang bơi trên đại dương và không bị chìm thì bạn nên hướng đến nơi có con nước lớn. Khi tôi dạy tại viện công nghệ Massachusetts (MIT) vào cuối những năm 1960, một sinh viên nói với tôi rằng anh ta thích nghiên cứu về thuyết tương đối rộng hơn là nghiên cứu về vật lý hạt cơ bản – lĩnh vực tôi đang nghiên cứu, vì đối với anh ta, các nguyên lý của thuyết tương đối đã được nghiên cứu rất kĩ trong khi vật lý hạt lúc bấy giờ thật là một mớ hỗn độn. Điều này làm cho tôi tỉnh ra rằng, anh ta đã đưa ra một lý do tuyệt vời nhưng hoàn toàn ngược. Vật lý hạt là lĩnh vực mà các công trình sáng tạo có thể được thực hiện. Vào những năm 1960, nó là một mớ hỗn độn, nhưng kể từ lúc đó các công trình của rất nhiều nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm đã xắp xếp lại nó, và đặt tất cả (gần như tất cả) cùng nhau trong một lý thuyết tuyệt vời được biết đến với cái tên mô hình chuẩn. Lời khuyên của tôi là hãy tiến vào những nơi chưa biết – đó là nơi để hành động.

Lời khuyên thứ ba của tôi có lẽ khó thực hiện nhất. Nó tha thứ cho bạn vì đã lãng phí thời gian. Các giáo sư chỉ yêu cầu các sinh viên giải các bài toán, với các bài toán này, các giáo sư đã có lời giải. Hơn nữa, các bài toán có ý nghĩa khoa học hay không cũng không thành vấn đề - các bài toán cần được giải để qua kì thi. Nhưng trong thế giới thực, rất khó có thể biết bài toán nào là quan trọng và bạn cũng bao giờ biết được tại một thời điểm nào đó trong lịch sử một bài toán có giải được hay không. Vào đầu thế kỉ 20, một số các nhà vật lý hàng đầu, trong đó có cả Lorentz và Abraham đã cố tìm ra lý thuyết cho các điện tử. Điều đó một phần là để hiểu tại sao tất cả các cố gắng để thu nhận hiệu ứng chuyển động của trái đất trong ê-te đều thất bại. Chúng ta biết rằng họ đã làm việc với một bài toán sai. Vào lúc đó, chưa một ai có thể phát triển lý thuyết cho các điện tử vì cơ học lượng tử chưa được đưa ra. Điều này làm cho thiên tài Albert Einstein, vào năm 1905, nhận thấy rằng bài toán đúng cần phải giải đó là hiệu ứng chuyển động về đo đạc không gian và thời gian. Điều này dẫn ông đến thuyết tương đối hẹp. Vì bạn không bao giờ chắc chắn bài toán đúng cần phải giải, nên phần lớn thời gian mà bạn dùng trong phòng thí nghiệm hoặc trên bàn làm việc sẽ bị lãng phí. Nếu bạn muốn trở nên sáng tạo, bạn sẽ phải làm quen với việc dùng hầu hết thời gian của bạn không sáng tạo vào việc nghiên cứu các phần của đại dương kiến thức khoa học.

Cuối cùng, là học về lịch sử khoa học, hoặc chí ít cũng phải học về lịch sử phân ngành khoa học của bạn. Lí do kém quan trọng nhất của lời khuyên này là lịch sử có thể có ích đối với công việc nghiên cứu của bạn. Ví dụ, các nhà khoa học bị cản trở vì tin vào một trong những mô hình khoa học quá đơn giản đã được các nhà triết học từ Francis Bacon tới Thomas Kuhn và Karl Popper đưa ra. Thuốc giải độc cho triết học của khoa học đó là một kiến thức lịch sử khoa học.

Quan trọng hơn, lịch sử khoa học có thể làm cho công việc của bạn có vẻ đáng giá hơn đối với bạn. Là một nhà khoa học, có thể bạn không giàu. Bạn bè và họ hàng của bạn sẽ không hiểu bạn đang làm gì. Và nếu bạn làm trong lĩnh vực vật lí hạt cơ bản, thậm chí bạn sẽ không thỏa mãn khi làm việc với một cái gì đấy có hiệu quả ngay lập tức. Nhưng bạn sẽ rất thỏa mãn khi nhận thấy rằng, công việc nghiên cứu khoa học của bạn là một phần của lịch sử.

Hãy nhìn lại một trăm năm trước đây, năm 1903. Đối với bạn bây giờ thì ngài thủ tướng Anh hoặc tổng thống Hoa Kì năm 1903 có quan trọng không? Điều gì nổi bật bằng việc ngài Ernest Rutherford ở ĐH McGill tìm ra bản chất của chất phóng xạ. Tất nhiên, điều này có các ứng dụng thực tế, nhưng điều quan trọng hơn nhiều đó là nó mang ý nghĩa văn hóa. Hiểu được tính phóng xạ cho phép các nhà vật lý giải thích tại sao mặt trời và lõi trái đất có thể nóng hàng triệu năm. Theo cách này, nó bác bỏ các chống đối khoa học cuối cùng mà nhiều nhà địa chất và cổ sinh vật đã từng nghĩ về tuổi của trái đất và mặt trời. Sau đó, những người theo đạo cơ đốc và do thái phải từ bỏ niềm tin vào tính xác thực của kinh thánh hoặc phải tin theo những điều không hợp lý của trí tuệ. Đây chỉ là một bước trong một chuỗi các bước tiến từ Galileo tới Newton và từ Darwin tới nay, không biết bao lần khoa học thức tỉnh chủ nghĩa giáo điều tôn giáo. Đọc bất kì từ báo nào hôm nay cũng đủ để cho bạn thấy rằng khoa học chưa hoàn thiện. Nhưng đó là các công trình khai sáng mà các nhà khoa học có thể cảm thấy tự hào.


2004/12/24

Phổ Mossbauer

Dạ Trạch

Phổ Mossbauer là một công cụ rất quan trọng dùng để nghiên cứu tính chất hóa học, vật lí, và sự phục thuộc vào thời gian của các tính chất của các vật liệu. Kỹ thuật này dựa trên một hiệu ứng do Mossbauer tìm ra vào năm 1957 và ông được giải Nobel về khám phá này năm 1961.

Hạt nhân của nguyên tử có thể ở các trạng thái với mức năng lượng khác nhau. Bằng việc hấp thụ hay phát xạ tia gamma (sóng điện từ có năng lượng rất cao) hạt nhân có thể thay đổi các trạng thái năng lượng đó. Vì hạt nhân trong vật liệu có các tương tác điện từ với môi trường xung quanh nên sự dịch chuyển các mức năng lượng liên quan chặt chẽ đến tương tác với môi trường. Do đó, nếu ta đo được dịch chuyển năng lượng, ta có thể biết thông tin hóa, lí của vật liệu. Tuy nhiên có hai khó khăn trong việc xác định các thông tin đó là tương tác siêu tinh tế (hyperfine) giữa hạt nhân với môi trường xung quanh rất nhỏ và sự giật lùi của hạt nhân khi hấp thụ hoặc phát xạ tia gamma.

Hãy xem xét một hạt nhân tự do, khi hấp thụ hoặc phát xạ tia gamma, hạt nhân này sẽ bị giật lùi để bảo toàn mô men động lượng, điều này giống như khi ta bắn một viên đạn, khẩu súng sẽ bị giật về phía sau, khẩu súng càng lớn thì sự giật lùi càng nhỏ và ngược lại. Mossbauer đã khám phá ra rằng, nếu hạt nhân ở trong chất rắn thì khối lượng hiệu dụng của nó rất lớn. Nếu năng lượng tia gamma đủ nhỏ thì sự giật lùi của hạt nhân sẽ thấp bằng năng lượng để tạo ra các dao động mạng trong chất rắn (phonon), và do đó, toàn bộ hệ sẽ bị giật lùi, điều này làm cho năng lượng giật gần như bằng không. Và hạt nhân trong chất rắn sẽ hấp thụ và phát xạ tia gamma có năng lượng bằng nhau, ta có cộng hưởng. Trong hiệu ứng Mossbauer, nguồn phát tia gamma là một nguồn phóng xạ, thường dùng là đồng vị 57Fe hoặc 57Co. Nguồn này chuyển động tương đối với mẫu nghiên cứu, và do đó, năng lượng của tia gamma sẽ bị thay đổi chút ít khi tốc độ nguồn thay đổi nhờ vào hiệu ứng Doppler.


Sơ đồ tách mức năng lượng hạt nhân do các tương tác siêu tinh tế khác nhau và phổ Mossbauer tương ứng

Nếu hạt nhân phát xạ tia gamma ở nguồn phát và hạt nhân hấp thụ tia gamma ở mẫu là đồng nhất (ví dụ cùng là Fe chẳng hạn) thì dịch chuyển năng lượng là đồng nhất và ta được một phổ hấp thụ như đồ thị thứ nhất trong hình với đỉnh cực đại tại vận tốc nguồn bằng 0. Câu hỏi là hiệu ứng này có thể đo được tương tác cực kỳ nhỏ bé giữa hạt nhân nguyên tử với môi trường hay không? Độ phân giải của hiệu ứng phụ thuộc vào sự mở rộng do việc hạt nhân hấp thụ tia gamma nhảy lên trạng thái kích thích rồi ở đó một khoảng thời gian (gọi là khoảng thời gian sống trung bình) trước khi trở về trạng thái ban đầu kèm với việc phát xạ tia gamma. Đối với 57Fe, độ rộng vạch là 5 10-9 eV so với 14.4 keV của chùm tia gamma tương ứng với chiều dày một tờ giấy so với khoảng cách từ trái đất đến mặt trời. Chính vì độ nhạy rất cao như thế mà hiệu ứng có thể thu được tương tác siêu tinh tế trong vật liệu.

Khi nghiên cứu một vật liệu nào đó ta cần phải điều chỉnh năng lượng của chùm tia gamma đến sao cho có cộng hưởng xảy ra, người ta điều chỉnh năng lượng bằng cách cho nguồn phát tia gamma chuyển động lại gần và ra xa mẫu nghiên cứu với tốc độ vài mm/s. Năng lượng của chuyển động của nguồn phát ~ mm/s là rất nhỏ so với vận tốc chuyển động của tia gamma ~ 3*1011mm/s (vận tốc ánh sáng) chính là độ biến đổi cần thiết để thu được tương tác siêu tinh tế rất trong mẫu nghiên cứu. Khi hạt nhân của mẫu hấp thụ tia gamma thì trạng thái năng lượng của nó bị thay đổi và sự thay đổi đó xảy ra theo ba cách khác nhau: dịch chuyển dịch chuyển Isomer, tách mức tứ cực, và tách mức từ.

Dịch chuyển Isomer (còn gọi là dịch chuyển hóa học) xuất hiện do hạt nhân có một thể tích khác không, do đó, hàm sóng của điện tử khác không tại vị trí của hạt nhân làm xuất hiện một tương tác Coulomb giữa điện tử và hạt nhân làm thay đổi trạng thái hạt nhân. Đối với Fe chẳng hạn, nếu có nhiều điện tử d (lớp điện tử nằm bên trong hạt nhân) sẽ chắn hạt nhân với điện tử s (lớp điện tử nằm bên ngoài) làm cho tương tác hạt nhân – điện tử s bị yếu đi và các điện tử s sẽ trải rộng ra khỏi hạt nhân và hệ quả là mật độ điện tích của điện tử s bị giảm đi. Nếu môi trường điện tử s của hạt nhân phát xạ và hạt nhân hấp thụ khác nhau thì sẽ gây ra một sai khác về mức năng lượng cộng hưởng. Và ta sẽ thấy toàn bộ phổ bị dịch về phía trái hoặc phải so với điểm 0 (cột thứ hai trong hình). Dịch chuyển Isomer dùng để xác định các trạng thái hóa trị, các trạng thái liên kết, sự chắn của điện tử và độ âm điện. Ví dụ cấu hình điện tử của Fe+2 và Fe+3 tương ứng là (3d)6 và (3d)5 thì mật độ điện tử s của Fe+2 sẽ nhỏ hơn mật độ điện tử s của Fe+3 và do đó dịch chuyển Isomer của Fe+2 sẽ lớn hơn của Fe+3.

Tách mức tứ cực xuất hiện do phân bố điện tích xung quanh hạt nhân (có mô men góc > 1/2) không phải là hình cầu. Sự phân bố điện tích không đối xứng đó tạo ra một điện trường không đối xứng (gradient điện trường) làm tách mức năng lượng của hạt nhân. Với đồng vị 57Fe, trạng thái kích thích bị tách thành hai trạng thái +-1/2 và +-3/2 là xuất hiện hai vạch trong phổ Mossbauer (cột thứ ba).

Tách mức từ xuất hiện do hạt nhân có một mô men từ spin. Khi có mặt của từ trường sẽ xuất hiện một tương tác Zeeman giữa mô men từ hạt nhân với từ trường. Các điện tử có mô men từ do chuyển động của chúng trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân gọi là môt men từ quỹ đạo, và chuyển động xung quanh mình chúng gọi là mô men từ spin. Nếu các lớp điện tử không bị lấp đầy hoàn toàn thì các mô men từ quỹ đạo, mô men từ spin và sự phân cực của mật độ spin tạo ra các từ trường nội tác dụng lên hạt nhân. Nếu tác dụng một từ trường ngoài thì đó là từ trường ngoại tác dụng lên hạt nhân. Tất cả các từ trường đó hợp lại làm xuất hiện sáu vạch phổ (cột cuối cùng trong hình). Vị trí của các vạch có liên quan đến độ lớn của các mức năng lượng nhưng cường độ của các vạch thì liên quan đến góc giữa tia gamma và mô men spin hạt nhân. Giá trị tương đối của các vạch ngoài cùng – giữa – trong cùng là 3 – (4sin2q)/(1+cos2q) – 1. Tức là tỷ lệ giữa vạch trong cùng và ngoài cùng luôn bằng 1/3, nhưng vạch giữa có thể có các giá trị từ 0 đến 4 phụ thuộc vào q là góc giữa mô men spin của hạt nhân và chùm tia gamma. Đối với mẫu đa tinh thể vạch giữa có cường độ trung bình bằng 2 nhưng đối với mẫu đơn tinh thể hoặc dưới tác dụng của từ trường ngoài thì cường độ của các vạch này có thể cho các thông tin về hướng và độ trật tự từ.

Các tương tác Isomer, từ cực, từ và tổ hợp của chúng là các thông tin quan trọng của phổ Mossbauer.