Адам Беккер - писатель и астрофизик. В настоящее время является приглашенным ученым из Управления истории науки и техники Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публикуются в New Scientist и на BBC. Является автором книги «Что такое реальность? Неоконченный поиск значения квантовой физики» (2018). Живет в Окленде, Калифорния.
Венский физик Вольфганг Паули страдал от угрызений совести. Он решил одну из самых запутанных головоломок в ядерной физике, но какой ценой? – «Я совершил ужасную вещь», - признался он другу зимой 1930 года. «Я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить.»
Несмотря на его пантомиму отчаяния, письма Паули показывают, что он действительно не думал, что его новая субатомная частица останется невидимой. Он верил, что экспериментальное оборудование в конечном итоге сможет доказать его правоту или неправоту, так или иначе.
Взгляды Паули сегодня сохраняются среди многих ученых. Это основной принцип научной практики, что новая теория не должна ссылаться на не обнаруживаемое. Скорее, хорошее объяснение должно быть фальсифицированным – что означает, что оно должно опираться на некоторые гипотетические данные, которые в принципе могут доказать, что теория ошибочна.
Цель научной теории - построение понимания природы мира с возрастающей со временем точностью. Вся эта творческая энергия должна в какой-то момент вернуться к реальности. Но превращение изобретательности в реальность гораздо более тонко, чем просто объявление о том, что все идеи должны соответствовать негибким стандартам фальсифицированности и наблюдаемости. Это не показатели качества научной теории. Они могут быть аккуратными руководящими принципами или эвристикой, но и они также ошибаются или, по крайней мере, только наполовину правы.
Фальсифицируемость (принципиальная опровержимость утверждения, опровергаемость, критерий Поппера) — критерий научности эмпирической теории как совокупности теоретических разработок, применимых к поддающимся эмпирической верификации объектам, в этом смысле сформулированный К. Р. Поппером в 1935 году.
Фальсифицируемость не работает как основное ограничение в науке по той простой причине, что нет действительно фальсифицированных научных теорий. Я могу придумать теорию, которая делает прогноз, выглядящий фальсифицированным, но, когда данные подтвердят мне, что он неправильный, я снова смогу использовать новые идеи, чтобы заткнуть дыру и сохранить теорию.
История науки полна примеров
В 1781 году Уильям и Каролина Гершель открыли планету Уран. Физики того времени быстро приступили к прогнозированию его орбиты, используя закон всемирного тяготения сэра Исаака Ньютона. Но в последующие десятилетия, когда астрономы следовали за движением Урана по его медленной 84-летней орбите вокруг Солнца, они заметили, что что-то не так. Уран двигался не совсем так, как надо. Озадаченные, они уточняли свои измерения, проводили все более тщательные наблюдения, но аномалия никуда не делась. Физика Ньютона просто не предсказывала местоположение Урана с течением времени.
Но астрономы того времени не утверждали, что неожиданные данные фальсифицировали ньютоновскую гравитацию. Вместо этого они предложили другое объяснение странного движения Урана: что-то большое и невидимое притягивало планету. Расчеты показали, что это должна быть другая планета, как Уран и еще дальше от Солнца. В 1846 г. французский астрофизик Урбен Леверье предсказал положение этой гипотетической планеты. Не сумев заинтересовать французские обсерватории, он отправил детали своего предсказания коллегам в Германию. В ту ночь они направили свои телескопы туда, куда Леверье велел им смотреть, и в течение получаса заметили планету Нептун. Ньютоновская физика, вместо того, чтобы быть фальсифицированной, была волшебным образом подтверждена - она успешно предсказала точное местоположение целой невидимой планеты.
Вдохновленный успехом, Леверье увлекся другой планетарной головоломкой. Через несколько лет после его открытия Нептуна ему и другим астрономам стало ясно, что Меркурий не двигается так, как предполагалось. Точка на ее орбите, где она ближе всего подходила к Солнцу, известная как перигелий, сдвинулась немногим больше, чем указывал закон гравитации Ньютона, где она должна каждый Меркуриальный год, добавлять до 43 дополнительных арксекунд (единица углового измерения) в течение столетия. Это крошечное количество – менее 30 000-й полной орбиты вокруг Солнца – но также, как и с Ураном ранее, аномалия не исчезла с постоянным наблюдением. Она упрямо игнорировала учение Ньютона.
В очередной раз ньютоновская гравитация не была отвергнута как фальсификация – по крайней мере, не сразу. Вместо этого Леверье снова попробовал тот же трюк: связал аномалию с невидимой крошечной планетой, расположенной так близко к Солнцу, что ее пропустили все другие астрономы на протяжении всей истории человечества. Он назвал планету Вулкан, в честь Римского Бога кузницы. Леверье и другие искали Вулкан в течение многих лет, каждое солнечное затмение, в попытке поймать проблеск невидимой планеты в краткие минуты тотальности, в то время как солнце было заблокировано луной Земли.
Леверье так и не нашел планету Вулкан. После его смерти в 1877 году астрономическое сообщество отказалось от поисков, заключив, что планеты просто не существует. Но даже в этом случае гравитация Ньютона не была опровергнута.
Наконец, в 1915 году Альберт Эйнштейн использовал свою совершенно новую теорию общей теории относительности, показав, что он может преуспеть там, где Леверье потерпел неудачу. Общая теория относительности была новым описанием работы гравитации, вытесняя ньютоновскую физику – и она прекрасно предсказала сдвиг в перигелии Меркурия. Эйнштейн говорил, что был вне себя от радости, когда понял, что его теория может решить эту давнюю загадку. Четыре года спустя британский астроном Артур Эддингтон и его команда направили свои мощные телескопы в затмение, чтобы подтвердить, что звездный свет изогнулся вокруг Солнца, как предсказывала теория Эйнштейна. Они обнаружили, что общая относительность была верна (хотя более поздние исследования показали, что их результаты были омрачены ошибками, несмотря на достижение правильного вывода); Эйнштейн был мгновенно поднят до славы как человек, опровергший теорию Ньютона.
Таким образом, ньютоновская гравитация была в конечном итоге отвергнута, но не только перед лицом новых данных, угрожавших ей. Этого было недостаточно.
Только когда появилась жизнеспособная альтернативная теория в форме общей теории относительности Эйнштейна, научное сообщество приняло идею о том, что Ньютон, возможно смухлевал.
Но что, если бы Эйнштейна не существовало? Могли ли астрономы найти другой способ объяснить аномалию в движении Меркурия? Конечно! Они могли бы сказать, что все из-за планеты Вулкан, которая просто невидима для телескопов.
Это может показаться несколько надуманным, но опять же, история науки показывает, что такие вещи на самом деле происходят, и иногда срабатывают, как об этом узнал Паули в 1930 году. В то время новые эксперименты угрожали одному из основных принципов физики, известному как сохранение энергии. Данные показали, что при определенном виде радиоактивного распада электроны могли вылетать из атомного ядра с диапазоном скоростей (и сопутствующих энергий) - хотя общее количество энергии в реакции должно было быть одинаковым каждый раз. Это означало, что энергия иногда пропадала из этих реакций, и было неясно, что с ней происходит.
Датский физик Нильс Бор был готов отказаться от энергосбережения. Но Паули не был готов признать, что идея мертва. Вместо этого он придумал свою диковинную частицу. «Я нашел отчаянный способ, спасти ... энергетическую теорему» - писал он. Новая частица могла объяснить потерю энергии, несмотря на отсутствие массы и электрического заряда. Но детекторы частиц в то время не могли увидеть заряженную частицу, поэтому предложенное Паули решение было невидимым.
Тем не менее, вместо того, чтобы согласиться с выводами Бора, физическое сообщество приняло гипотетическую частицу Паули: то, что стало известно, как "нейтрино" (маленький нейтральный), конечно не без помощи итальянского физика Энрико Ферми, усовершенствовавшего теорию несколько лет спустя. Счастливым эпилогом было то, что нейтрино, наконец, был обнаружен в 1956 году, с технологией, которая была совершенно непредвиденной четверть века назад: новый вид детектора частиц, используемый в сочетании с ядерным реактором.
Призрачные частицы Паули были реальны; на самом деле, более поздние работы показали, что триллионы нейтрино от Солнца проходят через наше тело каждую секунду, совершенно незаметно.
Поэтому обращение к невидимому, чтобы спасти теорию от неудачи, иногда является правильным научным шагом.
Как насчет наблюдаемости?
Безусловно, наблюдение играет решающую роль в науке. Но это не означает, что научные теории должны иметь дело исключительно с наблюдаемыми вещами. Во-первых, линия между наблюдаемым и не наблюдаемым размыта – то, что когда-то было "невидимым", может стать "видимым", как показывает нейтрино. Иногда теория, которая постулирует ненаблюдаемым, оказывается правильной теорией и становиться такой задолго до того, как кто-то придумает способ увидеть эти элементы.
Взять к примеру дискуссию в физике во второй половине 1800-х годов об атомах. Некоторые ученые считали, что они существуют, но другие были настроены глубоко скептически. Физики, такие как Людвиг Больцманн в Австрии, Джеймс Клерк Максвелл в Соединенном Королевстве и Рудольф Клаузиус в Германии, были убеждены химическими и физическими доказательствами того, что атомная теория верна. Другие, такие как австрийский физик Эрнст Мах, были противоположного мнения.
Для Маха атомы были совершенно ненужной гипотезой. В конце концов, все, что не было наблюдаемым, не могло считаться частью хорошей научной теории – на самом деле, такие вещи не могли даже считаться реальными. Для него архетипом совершенной научной теории была термодинамика, изучение тепла. Это был набор эмпирических законов, касающихся непосредственно наблюдаемых величин, таких как температура, давление и объем газа. Теория была полной и совершенной, и не упоминала ничего не наблюдаемого.
Но Больцманн, Максвелл и Клаузиус упорно работали, чтобы показать, что любимая термодинамика Маха далека от завершения. В течение остальной части 19-го века они и другие, как американский ученый Джосайя Уиллард Гиббс, доказали, что вся термодинамика – может быть основана из простого предположения о том, что атомы реальны и что все объекты в повседневной жизни состоят из феноменального их числа. В то время как на практике было невозможно предсказать поведение каждого отдельного атома, в совокупности их поведение подчинялось регулярным шаблонам – и потому, что в повседневных объектах есть так много атомов (более 100 миллиардов из них в наперстке воздуха), эти шаблоны никогда не были заметно изменены, хотя они были результатом только статистических тенденций, а не законов.
Идея изменить законы термодинамики до простых моделей была отвратительной для Маха; - «Я не верю, что атомы существуют!» Выпалил он во время выступления Больцмана в Вене. Атомы были слишком малы, чтобы увидеть их даже через самый мощный микроскоп, который мог быть создан в то время. Действительно, согласно расчетам, проведенным Максвеллом и австрийским ученым Йозефом Лошмидтом, атомы были в сотни раз меньше длины волны видимого света – и таким образом были бы навсегда скрыты от зрения любого микроскопа, полагающегося на световые волны. Атом не наблюдаем. Таким образом, Мах осудил их теорию как нереальную и ненужную, постороннею для научной практики.
Взгляды Маха были чрезвычайно влиятельны в его родной Австрии и других странах Центральной Европы. Его непреклонное неприятие привело соотечественника Больцмана к отчаянию, убедившего остальную часть физического сообщества в том, что атомы реальны; это, возможно, способствовало самоубийству Больцмана в 1906 году. Тем не менее, физики, которые поддерживали Маха, часто оказывались в тупике в своих работах. Вальтер Кауфман, талантливый немецкий физик-экспериментатор, обнаружил в 1897 году, что катодные лучи (вид лучей, используемых внутри старых телевизоров и компьютерных мониторов) имели постоянное отношение заряда к массе. Но вместо того, чтобы признать, что катодные лучи могут состоять из мелких частиц с фиксированным зарядом и массой, он прислушался к предостережению Маха не постулировать ничего не наблюдаемого и молчал по этому вопросу. Несколько месяцев спустя английский физик Джозеф Джон Томсон обнаружил тот же любопытный факт о катодных лучах. Но взгляды Маха были менее популярны в Англии, и Томсон выдвинул теорию о существовании крошечной частицы, которая состоит из катодных лучей. Он назвал ее электроном и получил Нобелевскую премию за это открытие в 1906 году (а также вечное место во всех учебниках физики и химии).
Эйнштейн так же не боялся предлагать не наблюдаемые вещи. В 1905 году (в том же году он опубликовал свою теорию относительности), он предложил существование фотона, частицы света.
Что делает объект "наблюдаемым"?
Видны ли объекты, которые можно увидеть только через специализированные приспособления? Некоторые из философов позитивистов высказались, что ответа нет, так как увиденное в микроскопах, не может быть действительно реальным.
Но в этом случае «мы не можем наблюдать физические вещи через оперные очки или даже через обычные очки, и начинаешь задаваться вопросом о статусе того, что мы видим через обычное оконное стекло», - писал философ Гровер Максуелл в 1962 году.
Кроме того, Максуелл отметил, что определение того, что было "не наблюдаемым", зависит от наших научных теорий и понимания мира, поэтому движется со временем. До изобретения телескопа, например, идея инструмента, который мог бы приблизить отдаленные объекты, казалась невозможной; следовательно, планета, слишком незаметная, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом, такая как Нептун, считалась бы "не наблюдаемой в принципе". Тем не менее, Нептун, несомненно, там – и мы не только видели его, мы отправили Voyager 2 туда в 1989 году. Точно так же то, что мы считаем не наблюдаемым в принципе сегодня, может стать наблюдаемым в будущем с появлением новых физических теорий и технологий наблюдений.
«Нет априорных или философских критериев для отделения, наблюдаемого от не наблюдаемого.» - писал Максуелл.
Даже в тех случаях, когда теории предлагают идентичные наблюдаемые результаты, некоторые из них принимаются в предварительном порядке, а другие категорически отвергаются. Скажем, я публикую теорию о том, что есть невидимые микроскопические единороги с текущими волосами, спиральными рогами и вкусом к уравнениям с частными производными; эти единороги отвечают за случайность квантового мира, подталкивая и вытягивая субатомные частицы, чтобы гарантировать, что они подчиняются уравнению Шредингера, просто потому, что им нравится это уравнение больше, чем любое другое. Эта теория по своей природе полностью идентична квантовой механике. Но это глубоко глупая теория, и я надеюсь, что она будет отвергнута всеми физиками, если кто-то опубликует ее.
Если оставить в стороне этот яркий пример, выбор, который мы делаем между наблюдательно идентичными теориями, оказывает большое влияние на практику науки. Американский физик Ричард Фейнман отметил, что две совершенно разные теории, которые имеют одинаковые наблюдательные последствия, все еще могут дать вам разные точки зрения на проблемы и привести вас к различным ответам и экспериментам, чтобы привести к следующей теории. Так что не только наблюдаемое содержание наших научных теорий имеет значение. Мы используем все это, наблюдаемое и не наблюдаемое, когда занимаемся наукой. Конечно, мы более настороженно относимся к нашей вере в существование невидимых сущностей, но мы не отрицаем, что существуют не наблюдаемые вещи или, по крайней мере, что их существование правдоподобно.
Некоторые из самых интересных научных работ выполняются, когда ученые разрабатывают причудливые теории перед лицом чего-то нового или необъяснимого. Но критерии фальсифицируемости или наблюдаемости, без какого-либо подхода, будут сдерживать науку. Невозможно разработать успешные новые теории при таких жестких ограничениях. Как сказал Паули, когда впервые придумал нейтрино, несмотря на его собственные опасения: «Только те, кто делает ставки, могут выиграть. »
Не забывайте поставить палец вверх и подписаться на наш канал! Оперативно получайте все наши новые материалы!
