Вероятно, вершиной научного достижения является тот факт, что на фундаментальном уровне, от субатомных масштабов до самых крупных космических масштабов, человечество поняло Вселенную более полно и всесторонне, чем когда-либо прежде. Стандартная модель физики элементарных частиц объясняет взаимодействия, присутствие и свойства обычного вещества и излучения во Вселенной, включая атомы, ионы, свет и нейтрино, в то время как общая теория относительности объясняет гравитацию. В космическом масштабе, Большой взрыв, а также такие компоненты, как инфляция, темная материя и темная энергия, объясняют эволюцию и структуру Вселенной, позволяя нам составить наиболее мощную объяснительную картину нашей вселенной, которая когда-либо была создана.
Но вы бы не догадались об этом, читая сегодняшние научные новости. Казалось бы, что темная материя, темная энергия и инфляция — это все лишь спонтанные решения, обреченные на ошибку, что астрономические открытия о далеких галактиках, космическом расширении и черных дырах показали, что наше видение Вселенной фундаментально ошибочно, и что новые научные открытия постоянно опровергают нашу согласованную картину. Отвечая на один из множества недавних подобных заявлений, я получил письмо от Гонсало Мартина, который хочет знать:
"Что насчет этого... нового исследования, где не было нарушено никаких космологических законов, чтобы заявить, что темная материя и темная энергия (если я правильно помню) не существуют? Теперь я сбит с толку и мне нужно утешение."
Исследование, как и многие другие подобные, утверждает, что темная материя была опровергнута, и что Вселенная в два раза старше, чем мы сейчас думаем. Вместо того чтобы сосредоточиться на конкретном заявлении здесь (хотя это всего лишь дальнейшее развитие той линии мысли, которую этот документ, который я тщательно анализировал в прошлом году, ранее выдвигал), полезнее показать вам, как работает теоретическая физика, и что на самом деле говорят статьи, делающие такие заявления.
Нулевая гипотеза
Первый факт, который должен понять каждый: мы не пришли к нашей современной, согласованной картине Вселенной легкомысленно. Существует множество независимых линий доказательств, которые все указывают на одну и ту же картину реальности, включая полный набор всех экспериментов, измерений и наблюдений, когда-либо собранных всем человечеством. Существует десятки независимых тестов общей теории относительности и тысячи измерений в ядерной и частицной физике, подтверждающих достоверность нашей картины четырех фундаментальных сил. Существуют невероятные ограничения на альтернативы: от лабораторий до Солнечной системы, галактик и далекой Вселенной.
Например, существует более десятка различных способов измерения расстояний до космических объектов, все они согласуются друг с другом в рамках своей применимости. Существует множество доказательств, на которые можно обратить внимание в космологии, чтобы проверить гравитацию, расширяющуюся Вселенную и Большой взрыв. Замечательно то, что в нашей консенсусной картине, где мы имеем Стандартную модель плюс общая теория относительности, управляющие Вселенной, которая: состоит из обычного вещества, излучения, нейтрино, темной материи и темной энергии, доминируется материей, а не антиматерией, началась, когда закончилась космическая инфляция и вызвала горячий Большой взрыв, то, что столько независимых линий доказательств согласуются с ней.
Альтернативы
Чтобы заменить текущую линию научного мышления или заменить ведущую теорию альтернативой, обычно необходимо преодолеть три препятствия:
Вы должны, с вашей новой теорией, воспроизвести все предыдущие успехи старой теории. Вы должны, как мотивация для вашей новой теории, успешно объяснить что-то, что доминирующая теория либо не может объяснить, либо агностична по этому поводу (то есть не имеет объяснения). И затем, как критический тест, ваша новая теория должна сделать новые предсказания о еще не измеренном явлении, которые отличаются от предсказаний доминирующей теории, и тогда вы должны провести эти критические измерения. Это высокая планка, и когда речь идет об альтернативах нашей консенсусной картине Вселенной — будь то с точки зрения физики частиц или космологии — это слишком ограничительно. Если бы мы требовали, чтобы альтернативная теория преодолела все три этих барьера, прежде чем принимать ее для публикации в научном журнале, мы бы не опубликовали ни одной новой теоретической статьи по физике частиц или космологии на протяжении нескольких десятилетий.
Как все понимают, это было бы плохо для науки, так же как и очень плохо для ученых, которые построили свои карьеры на попытках двигаться за пределы нашего текущего способа мышления, именно так мы не ведем дела в науке. На самом деле, мы редко накладываем даже первое препятствие в качестве предварительного условия для принятия статьи по теоретической физике. Мы предоставляем широкий спектр возможностей по хорошим причинам.
Необходимо поощрять исследования
Вместо этого мы позволяем исследователям рассматривать альтернативную идею, изучать ее, разрабатывать и рассматривать как возможность, даже если она прямо противоречит уже существующим данным. Мы позволяем им говорить: "мы знаем, что это не отражает реальность, но в интересах изучения того, что может когда-то привести нас по плодотворному пути или предоставить новый путь по пути, который ранее считался полностью закрытым, мы теперь рассматриваем его заново". Практически все теоретические работы, которые не являются: дальнейшим развитием уже господствующей теории, или рассмотрением расширений или дополнений, новых или старых, к уже господствующей теории, попадают в эту категорию.
Многие ученые, кстати, ненавидят это. Ричард Фейнман был одним из них, написав письмо своей жене (которое частично сохранилось) о том, как он был несчастен, посещая конференцию по гравитации, особенно возмущаясь теми, кто делает:
"заявление, основанное на глупости автора, что некоторый очевидный и правильный факт, принятый и проверенный на протяжении многих лет, на самом деле является ложным (это худшие: никакие аргументы не убедят идиота)."
В наши дни это включает утверждения о том, что темная материя существует, Вселенная расширяется, квазары на самом деле являются сверхмассивными черными дырами на больших расстояниях, наблюдаемый красный сдвиг далеких галактик и квазаров имеет космологическую природу, что теория относительности описывает нашу Вселенную и т.д.
Зачем это делать?
Первостепенная цель ученого, хотя мы обычно не думаем о науке таким образом, — попытаться абсолютно разрушить любую идею о том, как работает Вселенная, бросив на нее каждое возможное испытание. Достаточно одного необратимого провала, и теория рухнет: развалится на части. Только самые сильные, наиболее устойчивые теории, которые могут выдержать каждый тест, который мы можем придумать, выдерживают испытание временем.
Ньютоновская гравитация предсказывала все, что мы могли наблюдать, пока у нас не было веков точных данных, показывающих, что орбита Меркурия отклоняется от предсказаний Ньютона всего на 43 угловые секунды в столетие.
Общая теория относительности Эйнштейна продолжает успешно предсказывать поведение каждого объекта в пространстве-времени: наша самая долговечная фундаментальная теория на данный момент.
Стандартная модель, завершенная в 1960-х или 1970-х годах (в зависимости от того, считаете ли вы теорию электрослабых взаимодействий или квантовую хромодинамику моментом "завершения"), была проверена более тщательно, чем любая другая теория, и ни один эксперимент никогда не противоречил ее предсказаниям.
Но теоретические журналы полны статей, говорящих об альтернативах, модификациях или расширениях общей теории относительности и/или Стандартной модели. Это может показаться непонятным постороннему; если наука — это наша лучшая модель реальности, почему мы тратим время (или, по мнению многих, тратим время впустую), изучая идеи, которые явно неверны и которые явно даже не могут воспроизвести успехи, которые, как мы уже знаем, могут успешно объяснить текущие теории?
Это потому, что в долгосрочной перспективе мы хотим, чтобы наше теоретическое понимание Вселенной продвигалось за пределы наших текущих моделей и рамок. Космологическая инфляция — один из моих любимых примеров — началась как идея, которая, да, могла объяснить несколько важных загадок, которые Большой взрыв без инфляции не мог, но она даже не могла воспроизвести Вселенную, которая была однородной и изотропной: одинаковой на больших масштабах во всех направлениях и местах. Мы знали, что наша Вселенная была однородной и изотропной на протяжении десятилетий до того, как была впервые предложена идея инфляции, и первая модель, теперь известная как старая инфляция, потерпела крах в этом отношении.
Но инфляция была блестящей идеей с большим потенциалом, и для того, чтобы она могла преодолеть все три необходимых препятствия для того, чтобы стать серьезной, полноценной теорией, потребовались годы разработки теории многими из самых одаренных и образованных умов в области на тот момент. Большинство теоретиков, которые сегодня работают над "альтернативными космологиями" или "альтернативными идеями физики", работают в относительной изоляции и незаметности, и мы хорошо осознаем, что наша текущая картина Вселенной вряд ли является окончательным, конечным ответом, учитывая, сколько вещей мы все еще не понимаем полностью. Мы хотим, чтобы эти идеи были предложены и разработаны, и поэтому даже лучшие журналы содержат значительное количество статей, посвященных идеям, которые мы знаем, что не описывают Вселенную, в которой мы живем.
Но это не то, что говорят авторы
Конечно, авторы не говорят именно это. Люди, работающие в науке, должны быть очень увлечены своими идеями, и это означает, что они должны на каком-то уровне глубоко верить, что работа, которую они выполняют, и путь, который они исследуют, имеют какую-то внутреннюю ценность. Никто не хочет говорить: «Я работаю над тем, что уже знаю, что неверно», и честно говоря, никому не хочется работать над тем, во что они не верят. Поэтому они уже должны думать, что их текущее направление исследований в конечном итоге приведет куда-то важному. Если они видят, что какой-то аспект идеи, над которой они работают, выглядит многообещающим, они очень взволнованы и выбирают не только работать над этим более усердно, но и стараются заинтересовать других.
Ричард Фейнман, снова предостерег нас от того, насколько легко можно слишком увлечься чем-то, что кажется многообещающим:
«...эта долгая история учения тому, как не обманывать себя — иметь абсолютную научную честность — это, к сожалению, то, что мы специально не включили ни в один конкретный курс, о котором я знаю. Мы просто надеемся, что вы уловили это через осмос. Первый принцип заключается в том, что вы не должны обманывать себя — и вы самый легкий объект для обмана. Поэтому нужно быть очень осторожным в этом отношении. После того, как вы не обманули себя, легко не обмануть других ученых. После этого достаточно быть честным обычным способом».
Если вы подвергнете большинство ученых, работающих над альтернативными идеями к текущему консенсусу, как я сделал в интервью с Ли Смолином в 2021 году, они признают [как он признал, к его чести], что «это фикция», но с оговоркой, что это рабочая фикция, потому что они пытаются сделать то, что раньше никогда не делалось, и заинтересовать вас этим.
Почему я читаю заголовки, что темной материи не существует, Большой взрыв никогда не происходил, Вселенная не расширяется или Вселенная в два раза старше, чем мы думаем?
Потому что три фактора сошлись, сделав такие заголовки возможными, широко распространенными и вирусными.
Ученый где-то, в каком-то журнале, успешно опубликовал статью, обычно (но не всегда) в рецензируемом журнале, где он изучал какой-то аспект альтернативной теории. Затем человек, отвечающий за публичные или медийные отношения, обычно кто-то, связанный с университетом, колледжем или институтом, в котором работает ученый, пишет пресс-релиз (для текущего примера смотрите здесь), который старается максимально продвинуть это исследование к как можно более широкой аудитории. И затем, как последний шаг, большое количество сайтов (например, scitechdaily, eurekalert, phys.org и др.) просто перепечатывают этот пресс-релиз как новость, после чего другие издания перенимают его и пишут свои собственные версии, редко проверяя факты с другими учеными или находя подходящий контекст для нового исследования, а просто повторяя или даже усиливая сенсационные утверждения, сделанные в статье и преувеличенные в пресс-релизе.
Это, к лучшему или к худшему, стандартная модель того, как работает научная журналистика в нашем мире сегодня, создавая огромную нагрузку на потребителя научных новостей, на что он плохо подготовлен. В 2023 году, например, когда я собрал топ-10 переоцененных утверждений из физики и астрономии, о которых я сам написал длинные, подробные, информативные статьи, развенчивающие их, я понял, что у меня было около 17 статей, из которых можно было выбирать, и что на каждую статью, о которой я решил написать, было много других утверждений, которые я просто не имел ресурсов исправить.
Итак, что на самом деле правда?
Правда в том, что если вы ограничите себя одним конкретным аспектом Вселенной, таким как «что происходит, если я построю график зависимости расстояния объекта от красного смещения» или «что я вижу, если посмотрю на кривые вращения галактик» или «какие выводы я могу сделать, если посмотрю на флуктуации температуры в реликтовом микроволновом фоне» или другую связь, в изоляции, вы можете найти множество правдоподобных интерпретаций этого одного аспекта данных. Существует множество различных космологий — не только консенсусная космологическая картина, но и дикие альтернативы — которые могут воспроизводить любое из этих наблюдений или иногда даже два или три таких наблюдения одновременно.
Но они обычно терпят неудачу по какой-то другой впечатляющей причине. Например, вы можете модифицировать гравитацию, чтобы воспроизвести вращающиеся галактики, но вы не сможете объяснить крупномасштабную структуру Вселенной и флуктуации в реликтовом микроволновом фоне без дополнительной модификации, имитирующей темную материю, или добавления некоторого типа темной материи. Вы можете объяснить флуктуации в реликтовом микроволновом фоне с большим количеством пространственной кривизны с совершенно другими соотношениями темной материи и темной энергии по сравнению с консенсусной моделью, но только если вы включите нереалистичное значение текущей скорости расширения Вселенной. И вы можете воспроизвести диаграмму красного смещения-расстояния с гораздо более старой Вселенной, где все фундаментальные константы изменяются вместе, но только если вы игнорируете целый ряд наблюдений, сделанных в лабораториях здесь, на Земле.
Ключ к успешной научной теории — это найти теорию, которая может объяснить то, что мы называем полным набором соответствующих наблюдений, а не только несколько выбранных примеров. Если даже один набор наблюдений или экспериментов противоречит тому, что предсказывает теория, теория ложна. Вот почему, когда Эйнштейна информировали о публикации книги 1931 года «100 авторов против Эйнштейна», утверждавших, что они опровергли общую теорию относительности, Эйнштейн просто ответил на сборник антирелятивистских эссе простой шуткой:
«Чтобы победить теорию относительности, не нужно слово 100 ученых, достаточно одного факта».
Другими словами, одного примера того, как теория терпит неудачу по сравнению с реальностью, достаточно, чтобы показать, что теория, фактически, не адекватно описывает реальность. Консенсусные модели, которые у нас есть — Стандартная модель физики частиц и Стандартная модель космологии среди них — процветают как консенсусные модели из-за того, насколько они совместимы с объяснением полного набора наблюдений. Альтернативы, которые вы видите, практически каждая из них, являются лишь примером того, как теоретик (или группа теоретиков) играет в пословичной песочнице, работая с игрушечной моделью реальности, чтобы попытаться разработать теорию на ее заре. Мы делаем это, потому что признаем важность открытости и исследования всего, что мы можем, но мы всегда должны возвращаться к реальности и ее холодным, жестким ограничениям. Когда мы перестаем это делать, мы отказываемся от науки в пользу собственных мечтаний: тупик в каждом из его проявлений.