2. Механизмы науки. С чего начинается наука?

Почему же именно наука приносит ощутимые плоды, а лженаука – нет? Незнание ответа на этот вопрос мешает отличить настоящую науку от заблуждений и шарлатанства, понять вроде бы простые вещи: почему не работают, например, различные магические практики и ритуалы.

Чем отличается научное познание? Можно ли назвать какие-либо принципы, которые отличают научное мышление от мышления другого рода? Наука – это во многом стихия чистого творчества, успех здесь часто сопряжен со случайностью, интуицией, иногда вообще не поддается логическому объяснению. Но, вероятно, почти каждый ученый, и в первую очередь экспериментатор (теоретики могут себе позволить пофантазировать), осознанно или неосознанно соглашается с двумя мировоззренческими установками, или аксиомами:

Принцип 1. Наш мир объективно существует. То есть не является плодом нашего воображения и не исчезает, когда мы, например, спим. Также мир не является компьютерной симуляцией.

Принцип 2. Миром управляют естественные законы. То есть завтра физические законы не изменятся. Не изменятся они и послезавтра. Потусторонние силы не вмешиваются в естественный ход природных процессов. Мелкие бесенята не заставляют яблоко, оторвавшееся с яблони, улетать в космос, вместо того чтобы падать на землю. На других планетах в других галактиках точно так же действуют закон тяготения и законы электромагнетизма, свойства атомов везде во Вселенной одинаковы.

Древние греки были язычниками. В их мифологии различные боги, полубоги, нимфы, сатиры постоянно ссорились друг с другом, строили козни, обманывали и плели интриги. Сверхъестественные сущности вмешивались в жизнь простых людей, влияя на все: от удачи полководца в великой битве до глиняного горшка, падающего со стола хозяйки. Ученому-экспериментатору было бы тяжело жить в ту эпоху^[3]. Невозможно предсказать результаты последующего опыта, если завтра Гера повздорит с Дионисом, и тот, в отместку, сорвет вам важный эксперимент.

Христианская традиция, назначая единого Бога создателем всего сущего, в то же время лишала окружающую нас природу божественного статуса. Средневековый алхимик уже создавал некое подобие эксперимента, а инженеры-конструкторы брались за разработку сложных и точных устройств. Бес, как говорится, все еще мог попутать, но природа уже в принципе становилась познаваемой.

Современная наука не рассматривает влияние сверхъестественных сил на протекание природных процессов. Физические, химические, биологические, а теперь уже и психологические, и социальные явления объясняются причинами естественного характера. И судя по тому, что наука успешно развивается, это влияние либо отсутствует, либо влияет так, что мы не можем его обнаружить. Оба названных нами принципа связаны друг с другом и сообща дают нам возможность познавать окружающий нас мир. Реальность объективна. Все сущее подчинено естественным законам природы. Так говорит наука.

В науке ты никогда не знаешь наверняка, каким окажется окончательный результат. Каждое научное открытие, возникновение новой научной теории – это уникальный процесс и уникальный случай. Но есть общая схема научного исследования, различные фрагменты которой ученые так или иначе постоянно используют. С чего же эта самая наука начинается? Зачем и почему? Айзек Азимов говорил, что все начинается с любопытства:

«Любопытство, непреодолимая тяга к познанию не присущи мертвой материи, но присущи нам, людям. Ученый, берущийся разобраться с тем или иным явлением природы, вероятно, очень любопытный малый! Могучая (и часто разрушительная) сила человеческого любопытства отражена в мифах и легендах.»

Способность ученых добывать достоверные знания об устройстве мира, позволяющие развивать высокие технологии, появилась не за один день. Научная методология, как и сама наука, формировалась постепенно на протяжении многих веков: древнегреческие мыслители, средневековая философия, Декарт, Галилей, Ньютон, Лейбниц, Лаплас, Пирсон и Фишер, Поппер, Кокрейн и многие другие. Методы науки продолжают совершенствоваться и сегодня – это необходимое условие ее развития. Ведь современные научные проблемы гораздо сложнее и тоньше, чем проблемы науки XVII века.

3. Механизмы науки. От факта к гипотезе

Вооружившись любопытством, вечным спутником человечества, мы начинаем научное исследование, и отправной точкой для нас является первичный сбор данных. Мы производим акт наблюдения, фиксируем эмпирический^[4] факт. По легенде, именно эмпирический факт – упавшее на голову Ньютона яблоко – подтолкнуло его к открытию закона всемирного тяготения. Это, по всей видимости, всего лишь легенда, но что-то из чувственного опыта всегда наводит нас на дальнейшие размышления.

Итак, эмпирический факт зафиксирован – нам на голову упало яблоко, и мы решили изучить это явление подробнее. Что делать дальше? Выдающийся математик Анри Пуанкаре писал: «Наиболее интересными являются те факты, которые могут служить свою службу многократно, которые могут повторяться». Когда ученый выводит некоторые общие законы или закономерности, формулирует некие универсальные положения для определенного класса явлений, он должен изучить множество однотипных или похожих случаев. На этом этапе исследования происходит накопление эмпирических данных. Здесь мы уже имеем дело с методом исследования – наблюдением. Фиксация эмпирических фактов уже происходит не случайно, а целенаправленно. Физик наблюдает многократно падающие яблоки и другие тела. Астроном наблюдает множество различных звезд в телескоп, фиксируя различные особенности их свечения. Микробиолог наблюдает, как размножаются бактерии в чашке Петри. В некоторых областях науки наблюдение – единственный и главный эмпирический метод исследования. К примеру, в астрономии мы можем наблюдать только естественный ход событий (солнечную активность, движение планет, светимость звезд и галактик), никак в них не вмешиваясь.

Наглядная иллюстрация эволюции инструментов научного поиска в астрономии.

1. Фотографии звездного неба, по которым в 1930 американским астрономом Клайдом Томбо был открыт Плутон. Положение Плутона показано белой стрелкой. (Обсерватория Лоуэлла, 23 и 29 января 1930).

2. Изображение Плутона, полученное орбитальным телескопом «Хаббл» в 1994 году. На тот момент снимок являлся самой информативной и качественной фотографией карликовой планеты. Расстояние до нее от Земли 4,8 миллиарда километров.

3. Мозаика из высококачественных изображений Плутона, полученных космическим аппаратом «Новые горизонты» с расстояния в 450 тысяч километров 14 июля 2015 года.

В случае с падением яблок можно потрясти яблоню самому и вызвать «яблокопад». Воспроизведение изучаемого явления в контролируемых условиях называется экспериментом. Полный контроль над проведением эксперимента, учет возможных внешних факторов, оценка погрешностей, подробное описание методики проведения – обязательные требования к любому ученому-экспериментатору. Корректно поставленный научный эксперимент должен быть воспроизводимым в любой аналогичной лаборатории. Если другие исследователи не смогут повторить наш эксперимент, – это, скорее всего, говорит либо о наших ошибках и неучтенных факторах, либо о намеренной фальсификации (такое в мире науки, к сожалению, тоже случается).

Один из самых известных снимков, полученных телескопом «Хаббла» – «Столпы творения». Область звездообразования, находящаяся в туманности Орел на расстоянии 7000 световых лет

При любой возможности ученые стараются делать количественные замеры каких-либо параметров. В естественных науках с этим проблем нет – и физика, и химия, и во многих своих областях биология – количественные науки. В физике измерение вообще является основой любого эксперимента.

События, происходившие когда-то в далеком прошлом или происходящие непредсказуемым образом, равно как и события, невоспроизводимые в опыте, сильно затрудняют ученым работу. Многие вопросы, связанные с подобными явлениями, до сих пор остаются открытыми. Например, именно с этим связаны трудности в изучении феномена шаровых молний^[5], хотя даже их устройство наука постепенно постигает.

Великолепная триада – наблюдение, эксперимент и измерение – это основа эмпирических методов познания.

Представляя образ ученого-экспериментатора, мы, конечно, сразу представляем и различные научные приборы. На заре развития науки единственными «приборами наблюдения» ученых были их органы чувств: глаза, уши, обоняние и осязание. Спустя многие века человечество ушло в своем познании окружающего мира столь далеко, что теперь с помощью одних глаз и ушей мало что узнаешь: требуется постоянное изобретение новых и совершенствование имеющихся научных приборов.

Суперкомпьютер – специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров. Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объем сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров. Области применения: криптография; процессы внутри атомного ядра; разработка ядерного оружия и энергетики; прогноз погоды; расшифровка ДНК и фолдинг белка; аэродинамические процессы для создания совершенных форм крыла, фюзеляжей самолетов, ракет.

Научная аппаратура применяется для расширения и уточнения сенсорного восприятия человека (телескопы, микроскопы), для расширения моторных операций с окружающими предметами (микроманипуляторы, дистилляторы или инкубаторы), усиливает интеллектуальные способности в задачах обработки данных (персональные компьютеры). Современные батискафы нужны, чтобы погружаться вглубь океанов и изучать подводную фауну^[6], современные суперкомпьютеры – для сложнейших и длительных вычислений, огромные и дорогие аэродинамические трубы – для прикладных расчетов аэродинамических свойств летательных аппаратов. Масштабное и быстрое развитие компьютерной техники, начавшееся со второй половины XX века, породило особый метод исследования – модельный эксперимент. Компьютерное моделирование применяется во многих областях науки, обычно для очень сложных явлений: моделирование климатических явлений, моделирование работы центральной нервной системы, тренажеры в авиации, конструирование транспортных средств и пр.

Современная научная аппаратура очень сложна в производстве. Познание в некоторых областях науки ушло так далеко вперед, что для строительства новых лабораторий требуются финансовые вложения нескольких стран (ускорители частиц, нейтринные детекторы, детекторы гравитационных волн, сверхмощные телескопы и суперкомпьютеры, МКС и марсоходы). Экспериментальная наука сегодня – ужасно дорогая штука.

Галилей, делая свои великие открытия, пользовался оптическим телескопом собственного изготовления. До начала XX века альтернативы оптическим телескопам не было. Современные астрономы «разглядывают» космические бездны во всех известных диапазонах электромагнитного излучения: радиоволновом, инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-^[7]. Мы научились изучать объекты, находящиеся от нас на расстояниях в миллионы и миллиарды световых лет. Мы открываем экзопланеты. Совсем скоро телескопы настолько повысят свою чувствительность, что мы сможем узнать состав атмосферы некоторых экзопланет. По-моему, это настоящие чудеса. Вы со мной согласны?

Сканирующий микроскоп позволяет разглядеть структуру вещества вплоть до отдельных атомов. Сверхчувствительный радиотелескоп, дополненный мощными компьютерами и сложным программным обеспечением, умеет вычленить из окружающего радиошума очень слабый радиосигнал, прибывший от далеких звезд или даже, возможно, от инопланетных цивилизаций. В специальной лаборатории по взятым образцам ДНК можно определить генетическое родство двух людей. Ни один эзотерик, мистик, астролог или экстрасенс ничего подобного сделать не сможет. Астрологи гордятся древностью своего учения, каждый раз подтверждая, что их учение за тысячелетия никак не изменилось. В науке же с развитием техники постоянно совершенствуются и средства измерения. Каждое новое поколение измерительных приборов продвигает нас все дальше и дальше в познании природы^[8].

Чью сторону выбрать: адептов древних учений, отрицающих науку и считающих, что в их архаичных книгах написана непререкаемая истина, или же сомневающихся во всем ученых и инженеров, постоянно совершенствующих способы познания мира?