4. Механизмы науки. Обработка и интерпретация данных

После накопления большого объема эмпирических данных приходит пора их обрабатывать и систематизировать (упорядочивать). Здесь ученый старается обнаружить качественные или количественные корреляции (соответствия) между эмпирическими фактами. В современной науке накапливается такое большое количество данных, что на их обработку и перепроверку могут уходить годы. Например, за 15 лет работы один лишь орбитальный телескоп «Хаббл» получил 1 миллион 22 тысячи изображений различных небесных объектов (общий объем данных около 50 терабайт). Обработка данных на Большом адроном коллайдере заняла больше года прежде, чем было объявлено об открытии бозона Хиггса.

Не только обработка, но и сами эксперименты подчас могут длиться годами и даже десятилетиями. К примеру, одним из методов исследования в генетике, медицине и психологии является так называемый близнецовый метод. Его идея довольно проста: производится наблюдение за определенным физиологическим или психологическим признаком двух близнецов (желательно привлекать к таким исследованиям монозиготных близнецов^[9], имеющих одинаковый генотип) с целью выявления относительной роли наследственности и среды в формировании данного признака. Этот метод очень продуктивен при изучении генетики поведения, инфекционных и мультифакториальных (связанных с действием многих генов) заболеваний. Так же данный метод позволяет оценить эффективность различных психологических методик и тренингов (например, для тренировки памяти). Сгодится близнецовый метод, конечно же, и для проверки эффективности астрологических прогнозов. Для серьезных исследований привлекается одновременно множество пар близнецов. Конечно же, подобные эксперименты могут занимать очень длительное время.

Близнецы-астронавты смотрят друг на друга. Скотт Келли справа, Марк Келли слева, но это не точно.

Не так давно НАСА провело беспрецедентный космический близнецовый эксперимент «NASA Twins Study». Астронавт Скотт Келли пробыл на борту МКС 340 дней, в то время как его брат-близнец и тоже астронавт Марк Келли находился на Земле. Данная научная программа предполагает изучение влияния условий долговременного пребывания в космосе на организм человека. С момента начала эксперимента прошло ровно два года, и только теперь появились первые результаты исследования.

На уровне обобщения, систематизации и интерпретации результатов уже начинается теоретическое осмысление фактов. В изученных явлениях и проведенных опытах пытаются увидеть некую общность, определенные закономерности. Да, яблоки падают только вниз. Так же падают и другие тела: камни, листья. Обобщая и интерпретируя факты, ученые используют различные логические методы, например индукцию и экстраполяцию. Индукция (рассуждение от частного к общему) позволяет вывести общее описание для некоторого класса явлений. Экстраполяция позволяет распространять выводы об изученных объектах на другие, родственные объекты.

Производя интерпретации (объяснения) результатов наблюдений и экспериментов, ученый должен быть осторожен. Уж очень хрупок лед, под которым простирается глубокое озеро выдумок и домыслов. Поспешные выводы чаще всего ведут к ошибкам и курьезным ситуациям. К примеру, медицинские опыты над животными несут много важной информации, но экстраполяция выводов с животных на человека далеко не всегда возможна. Например, фармакокинетика (распространение лекарства в крови и выведение его) человека отличается даже от фармакокинетики шимпанзе. Если какое-то химическое вещество проявляет нужную активность при лечении рака у крыс, из этого вовсе не следует успешность применения данного вещества для человека. Другой пример – сомнительность многих выводов в классической психологии, когда теоретические обобщения разными авторами делались на основании описанных наблюдательных случаев отдельных пациентов.

Опасности экстраполяций иллюстрирует яркий пример из истории физики, связанный с открытием явления сверхпроводимости. К началу XX века считалось, что электрическое сопротивление металлов должно линейно уменьшаться с уменьшением температуры. Опытная проверка этой зависимости была затруднена техническими сложностями охлаждения веществ до сверхнизких температур, и физики просто экстраполировали известные знания, считая, что при охлаждении металлов до абсолютного нуля температур сопротивление тоже будет плавно уменьшаться до нуля (см. рис. ниже).

В 1908 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес сумел получить жидкий гелий и довести его до температуры 1 К^[10]. С помощью него он изучил электрические свойства металлов при низких температурах. В 1911 году он неожиданно обнаружил, что при температуре около 4 К сопротивление ртути резко спадает до нуля. Так было открыто явление сверхпроводимости. То есть теоретическая экстраполяция оказалась неверной. Впоследствии было открыто множество других сверхпроводящих веществ, в том числе проявляющих эти свойства при достаточно высоких температурах (60 К, 78 К и даже 166 К), что дает возможность использовать сверхпроводники в различных сферах человеческой деятельности.

1. Зависимость сопротивления ртути Я от температуры TV теоретическая ожидаемая зависимость

2. Магнит левитирует над высокотемпературным сверхпроводником, помещенным в жидкий азот. Благодаря так называемому эффекту Мейспера физики научились осуществлять левитацию объектов

3. Зависимость сопротивления ртути R от температуры Т, фактическая зависимость.

Обработав весь массив накопленной информации, мы получим некоторое эмпирическое обобщение или эмпирический закон. Здесь мы можем не углубляться во внутреннюю сущность явления, но «в результате многочисленных наблюдений и экспериментов» знаем, что оно устроено именно так. Примеры эмпирических законов: законы Кеплера о движении планет, закон Ома для участка электрической цепи, законы Менделя в генетике и классический закон сохранения энергии.

Французская академия наук с 1775 года перестала принимать к публикации работы о вечных двигателях. В чем, казалось бы, причина, ведь на тот момент не было никаких глубоких теоретических исследований, доказывающих принципиальную невозможность их построения? Все дело в том, что накопился обширный и разносторонний отрицательный опыт. И научное сообщество Франции решило, что тратить свое время на подобные вещи и подобных «изобретателей» не нужно. Сейчас мы можем показать и на фундаментальном уровне, почему вечный двигатель невозможен (статистическая физика и понимание феномена энтропии не дадут соврать). Но тогда было достаточно и эмпирических обобщений. По той же самой причине научное сообщество весьма скептически относится и к заявлениям об экстрасенсорных способностях. «Наизучались уже, хватит», – говорят ученые. Факты, предъявляемые самоназванными экстрасенсами, должны быть поистине нокаутирующими, чтобы наука начала с ними работать^[11].

Правильная интерпретация эмпирических данных здесь играет первостепенную роль: все ли факторы, повлиявшие на проведение эксперимента, учтены; насколько верно оценена погрешность измерений; является ли корреляция между данными действительным следствием причинно-следственной связи между явлениями. Процесс обработки полученных данных, выявление ошибок и неточностей, определение погрешностей могут занимать достаточно большое время. Выдающийся советский физик Петр Капица вспоминал о своем опыте работы с Эрнестом Резерфордом, автором планетарной модели атома:

«Резерфорд хорошо знал, какая опасность таится в необъективности интерпретации экспериментальных данных, имеющих статистический характер, когда ученому хочется получить желаемый результат. Обработку статистических данных он проводил очень осторожно; интересен метод, который он применял. Счет световых вспышек проводили обычно студенты, которые не знали, в чем заключается опыт. Кривые по полученным точкам проводили люди, которые не знали, что должно было получиться. Насколько мне помнится, Резерфорд и его ученики не сделали ни одного ошибочного открытия, в то время как их было немало в других лабораториях».

Становится понятно, почему физику называют точной наукой.

5. Механизмы науки. От гипотезы к теории

В науках, называемых эмпирическими или описательными, например в геологии, эмпирические обобщения завершают исследование. В теоретических и экспериментальных науках это только начало. Дальше следует выдвижение гипотезы. Научная гипотеза – это некоторое предположение, объясняющее причины явления или совокупности явлений.

«Эмпирическое обобщение опирается на факты, индуктивным путем собранные, не выходя за их пределы и не заботясь о согласии или несогласии полученного вывода с другими существующими представлениями о природе… При гипотезе принимается во внимание какой-нибудь один или несколько важных признаков явления и на основании только их строится представление о явлении, без внимания к другим его сторонам. Научная гипотеза всегда выходит за пределы фактов, послуживших основой для ее построения».

В. И. Вернадский.

При выдвижении научной гипотезы одних накопленных опытных данных уже недостаточно. Яблоки и камни падают на землю. Но не все тела ведут себя так же. Например, Луна на Землю не падает. Гений Ньютона заключался в том, что он увидел общее за, казалось бы, разнородными явлениями: падением тел на землю и вращением Луны вокруг Земли. Выдвижение гипотез в науке – это качественный скачок вперед. Это момент чистого творчества.

Выдвинув гипотезу, ученый возвращается на эмпирический уровень для ее проверки. Лучшим доказательством правильности гипотезы будет подтверждение следствий из нее, о которых не было известно до ее выдвижения. Причем крайне желательно проводить новые опыты так, чтобы в первую очередь выяснить границы применимости гипотезы или даже опровергнуть ее в каких-то случаях. Желающий найти подтверждение своим доводам всегда их найдет. Для ученого же важна истина. Проверочные опыты для гипотезы – это как закалка для огнестрельного оружия на заводе-изготовителе. Нужны экстремальные условия, в которых, вероятно, техника никогда применяться не будет: огонь, вода, мороз, пыль. Потому что оружие не должно подвести в самый ответственный момент. Научная гипотеза точно так же должна быть надежной. И должна испытываться на прочность. Жаль, что многие исследователи паранормальных явлений, нетрадиционных методов лечения, астрологии, свидетели НЛО крайне несерьезно относятся к любым заявлениям о паранаучных и псевдонаучных феноменах. Никаких испытаний на прочность ими не проводится, заявления о сверхъестественном сразу же принимаются на веру.

Часто при выдвижении гипотез мы не имеем возможности сразу проверить наши предположения, допустим, если уровень развития техники на текущий момент не позволяет произвести точное наблюдение или эксперимент. Также гипотезы могут выдвигаться для объяснения событий, происходящих на протяжении длительного времени, в том числе произошедших в далеком прошлом, например, это могут быть проблемы, связанные с возникновением жизни на Земле. Прямая опытная проверка здесь вообще невозможна^[12]. Обычно эти трудности обходят, выдвигая перекрестные гипотезы из различных областей науки в поисках взаимного согласия. Возраст Земли, оцениваемый в четыре с половиной миллиарда лет (плюс-минус один процент погрешности), подтверждается астрономическими вычислениями содержания гелия в недрах Солнца, геологическими измерениями тектоники плит и биологическими наблюдениями за ростом коралловых отложений.

В отсутствие эмпирической проверки для объяснения какого-то явления или события могут выдвигаться самые разнообразные гипотезы. В этом случае в рассуждениях часто пользуются методологическим принципом, называемым «бритвой Оккама» или «принципом научной бережливости». Профессор логики Уильям Гамильтон в своих трудах в 1852 году впервые назвал бритвой Оккама известную латинскую фразу «Entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem» («Не следует множить сущности без необходимости»). Сам Уильям Оккам, английский монах-францисканец (ок. 1285–1349), писал, «что может быть сделано на основе меньшего числа [предположений], не следует делать, исходя из большего». Суть данного принципа заключается в следующем: если некое явление или событие может быть описано несколькими способами, то из всех возможных объяснений лучше выбрать самое простое, то есть привлекающее наименьшее количество сущностей/факторов. Поясним на примерах из истории науки.

В 1964 году в созвездии Лебедя был открыт сильный источник рентгеновского излучения, названный Лебедь Х-1 (Cygnus X-1). В этой точке на расстоянии примерно в 6070 световых лет^[13] находится звезда-сверхгигант HDE 226868, но рентгеновское излучение исходит из точки, находящейся рядом с этой звездой. Видимого источника излучения не наблюдалось. Для объяснения этого явления были выдвинуты две гипотезы. Согласно первой, вокруг сверхгиганта вращается маленькое по размеру, но массивное тело (масса порядка 10 масс Солнца). Звездный ветер (различные частицы) сверхгиганта притягивается малым объектом и собирается во вращающийся диск вокруг него (астрономы называют такие диски аккреционными дисками^[14]). Внутренние области диска разогреваются до миллионов градусов и генерируют рентгеновское излучение.

Другая гипотеза требовала наличия вокруг сверхгиганта уже двух невидимых объектов: блеклую обычную звезду и вращающуюся нейтронную звезду (пульсар). Эти три тела, расположенные определенным образом, также могли быть источниками зарегистрированного излучения. Удаленность Лебедя Х-1 не позволяла сделать наблюдательную проверку. Хотя обе соперничающие гипотезы приводят нас к одному результату, бритва Оккама делает более привлекательной первую гипотезу, именно из-за ее простоты. В итоге Лебедь Х-1 стал первым зарегистрированным рентгеновским источником – кандидатом в черные дыры и на сегодняшний день является одним из самых хорошо изученных подобных объектов.

В 1974 году Лебедь Х-1 стал предметом шутливого спора двух известнейших физиков-теоретиков – Стивена Хокинга и Кипа Торна. Хокинг ставил на то, что Лебедь Х-1 не является черной дырой и признал свое поражение в 1990 году, после появления новых наблюдательных данных об этой звездной системе. Кип Торн признал наличие черной дыры лишь в 2011 году, после того, как в трех опубликованных статьях завершилось описание Лебедя Х-1.

Другой пример, снова из астрономии, связан с изучением звезды KIC 8462852, находящейся тоже в созвездии Лебедь, на расстоянии 1480 световых лет от Земли. Звезда пока не получила официального названия, но вполне возможно, его получит. Сейчас ее неофициально называют «Звезда Табби» по имени Табеты Бояджян, автора статьи, впервые описавшей ее. В сентябре 2015 года астрономы опубликовали результаты исследований изменений светимости KIC 8462852. Оказалось, что эта звезда за разные периоды времени меняет свою светимость необычным образом, с падением яркости на 22 %. Ранее подобных объектов не наблюдалось. Для объяснения этого эффекта привлекалось множество гипотез: неисправности орбитального телескопа «Кеплер», наблюдавшего звезду, помехи при передаче информации; кометные потоки, периодически заслоняющие KIC 8462852 от нас. На текущий момент все имеющиеся стандартные гипотезы не являются исчерпывающими, так как не могут полностью объяснить все особенности наблюдательных данных. В итоге некоторые из авторов исследования предположили еще один сценарий, нестандартный. По их мнению, аномальное изменение светимости звезды может быть связано со строительством на орбите звезды громадного искусственного объекта. О существовании подобных гипотетических астроинженерных конструкций, создаваемых высокоразвитой цивилизацией, впервые заговорил физик Фримен Дайсон еще в 1960-х годах. Поиск гипотетических «сфер Дайсона» является одной из самых известных идей по поиску высокоразвитых внеземных цивилизаций. Заявления астрономов инициировали более серьезное изучение данной проблемы. Планируется наблюдение звезды с помощью других телескопов, в разных диапазонах принимаемого излучения. По самым последним данным (на 19 мая 2017 года) звезда «Табби» снова начала тускнеть.

Как заметил Джейсон Райт, астроном Университета штата Пенсильвания, «инопланетяне всегда должны быть самой последней гипотезой, которую стоит рассматривать, но это выглядит как то, что вы ожидаете от внеземной цивилизации». Ученые ждут новых наблюдательных данных. Журналисты, как обычно, ничего не ждут и тиражируют заголовки в стиле «Физики: Звезда KIC 8462852 является источником энергии для инопланетян». Ученым нужно быть не только аккуратными в своих гипотезах, но и осторожными в пресс-релизах.

Принцип Оккама не отрицает возможные сложные объяснения явлений. Он скорее предписывает исследователю в своей работе рассматривать гипотезы по порядку, от самых простых и вероятных до самых сложных и невероятных. Бритва Оккама хорошо работает применительно к теориям заговора. Не отрицая саму возможность различных конспирологических версий, с помощью этого принципа можно указать на их сложность, предложив в качестве альтернативы более простые объяснения. Можно, например, заметить, что, утверждение «спецслужбы США подготовили теракты 11 сентября в Нью-Йорке, совершили их так, как будто это были арабские террористы, и скрыли все это ото всех» является более сложной гипотезой, чем «теракты 11 сентября в Нью-Йорке подготовила террористическая организация».

Подтвержденная гипотеза приобретает статус закона природы. В случае «ньютоновских» яблок наша гипотеза окончательно формулируется в виде закона всемирного тяготения: «Между любой парой тел во Вселенной действуют силы взаимного притяжения, пропорциональные произведению масс этих тел и обратно пропорциональные квадрату расстояния между ними». В современном виде этот закон записывается так:

F = G (m₁ × m₂) / r²

Здесь m₁ и m₂ – массы обоих тел, r – расстояние между их центрами, G – некая постоянная величина, коэффициент пропорциональности. Ньютон не знал величину гравитационной постоянной G в своем законе, он лишь постулировал зависимость силы от масс тел и расстояния между ними. Константу G удалось оценить только через сто лет, в основном трудами Генри Кавендиша. Но закон тяготения обладал научной строгостью – из него можно было вывести законы движения планет и делать проверяемые астрономические предсказания.

С помощью законов Ньютона английский астроном Эдмонд Галлей совершил переворот в представлениях о кометах, считавшихся до этого случайными странниками, пролетающими сквозь Солнечную систему, и показал, что одна из таких комет наблюдается на небосводе каждые 75–76 лет. Предсказание Галлея сбылось в 1758 году, когда комета снова вернулась (она была названа впоследствии кометой Галлея), что стало первым триумфальным подтверждением справедливости теории тяготения Ньютона. И уже во всю свою мощь физическая теория Ньютона раскрылась при открытии Нептуна – первой в истории планеты, открытой не путем наблюдений, а благодаря точным математическим расчетам. Согласно ставшей крылатой фразе французского физика Франсуа Араго, Нептун стал «планетой, открытой на кончике пера».

Совокупность нескольких законов, относящихся к одной области явлений, а также весь накопленный массив эмпирической информации, рабочие гипотезы, методы и принципы, дополняемые соответствующей терминологией, образуют научную теорию^[15]