Проблема фальсифікацій у фізиці

Що визначає "науковість" ідеї? Як ми розуміємо, наукова теорія чи ні? Не повірите, але це питання обговорювали філософи та історики науки, вчені і навіть юристи загальної юрисдикції.

Виявляється, ми маємо справу з правовою, соціальною та економічною термінологією. Зокрема, науковий статус тієї чи іншої концепції визначає формат шкільної та університетської освіти, рівень підтримки спонсорства, обсяг державного фінансування і таке інше, пише Альтернативна наука.

Найпростіша відповідь: незважаючи на численні теорії змови, Земля не плоска. Усі наявні докази - на користь кулеподібної Землі, що обертається навколо своєї вісі. Тому твердження, засновані на гіпотезі плоскої Землі, не є науковими.

Однак, якщо говорити серйозно, то досі незрозуміло, де і як має бути проведена демаркаційна лінія.

Один із таких критеріїв був запропонований філософом Карлом Поппером, який стверджував, що наукові ідеї мають піддаватися "фальсифікації". Поппер писав у своїй класичній книжці "Логіка наукового відкриття", що теорія, яку не можна довести хибною гіпотезою, тобто теорія, достатньо гнучка, щоб охопити всі можливі експериментальні результати, з наукового погляду є марною.

На його думку, будь-яка ідея містить ключ до її падіння: вона повинна робити прогнози, які перевіряються. І, якщо ці прогнози виявляться хибними, дана теорія відкидається.

Поппер найменше думав про фізику. Свої висновки він ґрунтував на особистісному відчутті фрейдистської психології та сталінської історії.

Він стверджував, що факти не були фальсифікованими, тому що розпливчаті й досить гнучкі, щоб включати всі наявні докази, а отже, несприйнятливі до тестування.

Виникає резонне запитання: які вимоги фальсифікованості в галузі, скажімо, теоретичної фізики?

Теорія струн, що не перевіряється в принципі, апелює до фізики надзвичайно мікроскопічних ефектів, недоступних стандартним експериментам. Попросту кажучи, у нас немає технологій, щоб її перевірити, а якщо б такі й були, то не факт, що ми змогли б зібрати достатній обсяг даних для її підтвердження або спростування.

Теорія космічної інфляції, яка пояснює властивості спостережуваного всесвіту, сама по собі неперевірювана методами прямого спостереження.

Деякі критики вважають ці теорії неспроможними і сумнівними з наукового погляду.

Але у них знову-таки немає точних вимірювань, що підтверджують або спростовують їхню точку зору. Та й, чесно кажучи, ми не зовсім точно уявляємо, які це дані.

Водночас багато фізиків погоджуються з висновком, що фальсифікація найкорисніша під час виявлення кричущої лженауки (знов-таки, гіпотеза плоскої Землі), але не важлива для оцінювання теорій, що випливають з усталених парадигм. І тут виникає ще одна проблема: хто визначає, що істинно, а що ні? За якими критеріями? Який вигляд мають парадигмальні "окуляри"?

Хто їх одягає і хто знімає? "Я думаю, що ми повинні турбуватися про зарозумілість, - каже Чанда Прескод-Вайнштейн з Університету Нью-Гемпшир. - Фальсифікованість важлива, але також слід пам'ятати, що природа робить те, що хоче".

Прескод-Вайнштейн є одночасно космологом і дослідником мікрочастинок. Тому вона зацікавлена в чіткій розстановці пріоритетів.

"Будь-яке покоління, яке вирішує, що воно розробило все, що може бути вироблено, здається мені пихатим", - каже вона.

Трейсі Слатьєр з Массачусетського технологічного інституту погоджується з такою позицією та уточнює, що суворе дотримання принципу фальсифікації може перешкоджати виробництву науки та водночас пригнічуючує творчий потенціал.

Існує також проблема підвищення кваліфікації. Наука - це довготривалий проєкт, який потребує постійних інвестицій. Зокрема в нові знання.

Завдання вченого - продукувати нові знання, а не бездумно слідувати усталеним парадигмальним догмам.

"У теоретичній фізиці переважна більшість ідей, над якими ви працюєте, помилкові, - каже вона. - Це можуть бути цікаві ідеї, це можуть бути прекрасні ідеї, це можуть бути чудові структури, які просто не реалізовані в нашому всесвіті".

Частинки і практична філософія

Взяти, наприклад, теорію суперсиметрії. По суті, вона є більш розширеним трактуванням Стандартної моделі, де кожна відома частинка пов'язана з суперсиметричним партнером.

Теорія є природним наслідком математичної симетрії простору-часу, схожої на Стандартну модель. Це добре видно в рамках фізики елементарних частинок, хоча суперсиметричні частинки, якщо вони існують, можуть бути поза експериментальною досяжністю вчених.

Теорія суперсиметрії потенційно може вирішити деякі головні загадки сучасної фізики. По-перше, всі ці суперсиметричні частинки можуть бути причиною того, що маса бозона Хіггса менша, ніж вважає квантова механіка.

"Квантова механіка каже, що маса [бозона Гіггса] має бути визначена до максимально можливого масштабу", - каже Говард Баєр з Університету Оклахома.

Усе тому, що маси в квантовій теорії є результатом внеску багатьох різних частинок, що беруть участь у взаємодіях, і поле Хіггса, яке дає масу іншим частинкам, накопичує багато з цих взаємодій.

Але маса Хіггса не велика, що і потребує пояснення. "Щось ще має бути налаштоване на величезне негативне [значення], щоб скасувати [величезне позитивне значення цих взаємодій] і дати вам спостережуване значення", - упевнений Баєр.

Рівень збігів, відомий як "проблема тонкого налаштування", викликає у фізиків методологічну сверблячку.

"Все одно що намагатися грати в лотерею. Можливо, ви виграєте, але насправді ви майже напевно програєте".

Якщо суперсиметричні частинки опиняться в певному діапазоні мас, їхній внесок у масу Хіггса "природно" вирішує цю проблему, що є аргументом на користь теорії суперсиметрії.

Поки що Великий адронний колайдер не виявив жодних подібних частинок - у діапазоні "природності".

Принагідно зауважимо, що йдеться не про частинки як такі, а про ефекти, пов'язані з динамікою провокованих потоків. Інакше кажучи, йдеться про певну стандартну модель інтерпретації зафіксованих ефектів у межах доступної дослідникам математики. Проте, широка структура суперсиметрії вміщує навіть більш масивні частинки, які шукаються за допомогою колайдера.

Але якщо відмовитися від природності, суперсиметрія взагалі не дає очевидного масштабу маси, а це означає, що частинки можуть бути поза діапазоном виявлення. Такий момент викликав у деяких критиків нудоту: якщо немає очевидного масштабу, за якого колайдери можуть виявитися корисними, чи є ця теорія фальсифікуючою?

Дослідники так званої "темної матерії" теж стикаються із суміжною проблемою: попри непрямі дані про велику кількість маси, невидимої для всіх форм світла, частинок необхідних "параметрів" не зафіксовано. Просто їх неможливо виявити безпосередньо. А може, їх немає і в принципі, як і самої "темної матерії".

А тому нам потрібно розглянути альтернативні теорії гравітації. Слатьєр, чиї дослідження пов'язані з пошуком "темної матерії", розглядає критику на свою адресу як проблему мови.

"Коли ви говорите "темна матерія", [вам потрібно] відрізняти темну матерію від конкретних сценаріїв того, що може бути темною матерією, - каже вона. - Наукова спільнота не завжди робить це коректно".

Іншими словами, конкретні моделі можуть йти і приходити, але сама парадигма загалом витримала всі випробування. Але, як вказує Слатьєр, жодна альтернативна теорія гравітації не здатна пояснити всі явища, від поведінки галактик до структури космічного мікрохвильового фону.

Прескод-Вайнштейн стверджує, що ми далекі від виключення всіх можливостей темної матерії.

"Як ми доведемо, що темна матерія, якщо вона існує, остаточно не взаємодіє зі Стандартною моделлю?"

"Астрофізика завжди є чимось на зразок детективної гри. Без лабораторного [виявлення] темної матерії важко зробити однозначні заяви про її властивості. Але ми можемо скласти ймовірні сценарії на основі того, що ми знаємо про її поведінку".

Зі свого боку, Баєр думає, що ми ще не вичерпали всі можливості теорії суперсиметрії.

"Люди кажуть: "Ви обіцяли суперсиметрію протягом 20 або 30 років", але вона була заснована на надмірно оптимістичних розрахунках природності. Я думаю, що якщо правильно оцінити природність, то ви виявите, що суперсиметрія все ще доступна для дослідження. Але вам знадобиться або додаткове енергетичне оновлення колайдера, або Міжнародний лінійний колайдер, щоб виявити її".

Крім фальсифікованості темної матерії або суперсиметрії, фізики мотивовані більш приземленими проблемами.

"Навіть якщо ці окремі сценарії в принципі фальсифікуються, скільки грошей і часу це займе?", - каже Слатьєр.

Замість того, щоб намагатися продемонструвати або виключити суперсиметрію загалом, фізики зосереджуються на експериментах із частинками, які виконуються протягом певної кількості бюджетних циклів. Це не романтично, але, тим не менш, це правда.

Хто вирішує, що таке наука? Так історично склалося, що іноді теоріям, які здаються неперевіреними, просто потрібно більше часу.

Наприклад, фізик 19-го століття Людвіг Больцман і його колеги доводили, що багато ефектів, спостережуваних у термодинаміці, пояснюються наявністю "атомів" - тим, що ми сьогодні називаємо частинками, і молекулами, керованими ньютонівською фізикою.

Оскільки атоми були поза експериментальною досяжністю, на той час "атомна" гіпотеза в принципі не піддалася перевірці і, отже, була ненауковою. Проте атомники в кінцевому підсумку виграли битву: Дж. Дж. Томпсон продемонстрував існування електронів, а Альберт Ейнштейн показав, що молекули води можуть змушувати зерна пилку "танцювати" на поверхні ставка.

Атоми - приклад того, як фальсифікація виявилася неправильним критерієм. Однак інші аналогічні випадки набагато складніші. Сьогодні загальна теорія відносності Ейнштейна є однією з найбільш перевірених у науці.

Водночас вона припускає існування фізично інших "всесвітів", таких, як космос, що "обертається", де час відносний у ньютонівській геометрії, що начебто суперечить усім спостереженням реальності, в якій ми живемо. Крім того, ЗТВ пророкує речі, які неперевірені за визначенням, наприклад, рух частинок усередині горизонту подій "чорної діри".

Жодна інформація про ці траєкторії не може бути визначена експериментально. Однак жоден фізик не стане стверджувати, що ЗТВ позанаукова.

Успіх теорії зумовлений достатньою кількістю перевірених і підтверджених передбачень. Інший тип теорії може бути неперевіреним, але має важливі наслідки. Однією з таких теорій є гіпотеза космічної інфляції, яка (серед іншого) пояснює, чому ми не спостерігаємо ізольованих магнітних монополів і чому видимий Всесвіт має практично однакову температуру.

Ключова властивість інфляції - надзвичайно швидке розширення простору-часу протягом крихітної секунди після Великого вибуху - не може бути перевірена безпосередньо. Космологи шукають непрямі докази інфляції, проте вже зрозуміло, що неможливо провести відмінність між інфляційними моделями просто тому, що немає практичних даних. Чи означає це, що інфляційна теорія не наукова?

"Багато людей відчувають особисті почуття до інфляції та естетики фізичних теорій", - каже Прескод-Вайнштейн. Вона готова прийняти альтернативні ідеї, але інфляція - поки що ідея, причому вона математично недопрацьована.

"Це той випадок, коли більша частина спільноти космологів продовжує сприймати інфляцію всерйоз як модель, тому я маю трохи знизати плечима, коли хтось каже, що це не наука".

Космолог із Каліфорнійського технологічного інституту Шон Керролл стверджує, що багато дуже корисних теорій мають як хибні, так і невірні передбачення.

Деякі аспекти перевірені в принципі, але не за допомогою будь-якого експерименту або спостереження, які ми можемо виконати з наявною технологією. Під цю категорію потрапляють фізичні моделі частинок, що не заважає дослідникам вважати їх корисними.

Теорія суперсиметрії як концепція не може бути фальсифікована, але вона пояснює деякі процеси, які фіксуються спостереженнями. Усі докази існування темної матерії - непрямі, і вони не зникнуть, навіть якщо лабораторні експерименти ніколи не виявлять частинок ТМ. Фізики приймають ту чи іншу концепцію, тому що вона працює.

"Питання, які мене цікавлять найбільше, - не просто питання, які в принципі є фальсифікованими, але питання, які можуть бути перевірені за допомогою даних у масштабі часу, - каже Слатьєр. - Не тільки проблеми, які перевіряються даними на часовій шкалі - і це хороші наукові питання!"

Прескод-Вайнштейн погоджується і виступає за неупередженість. "Ми багато чого не знаємо про всесвіт, зокрема про те, що про нього відомо. Ми цікавий вид, і я думаю, що ми повинні залишатися цікавими".