Меню

Проблема фальсификаций в физике

Что определяет "научность" идеи? Как мы понимаем, является ли данная теория научной или нет? Не поверите, но этот вопрос обсуждался философами и историками науки, работающими учеными и юристами в судах общей юрисдикции. Оказывется, мы имеем дело с правовой, социальной и экономической терминологией. В частности, научный статус той или иной концепции определяет формат школьного и университетского образования, уровень поддержки спонсорства, объем государственного финансирования.

Самый простой ответ: несмотря на многочисленные теории заговора, Земля не плоская. Все имеющиеся доказательства - в пользу круглой и вращающейся Земли, поэтому утверждения, основанные на гипотезе плоской Земли, не являются научными. Однако, если говорить серьезно, то до сих пор непонятно, где и как должна быть проведена демаркационная линия.

Один из таких критериев был предложен философом Карлом Поппером, который утверждал, что научные идеи должны подвергаться «фальсификации». Поппер писал в своей классической книге «Логика научного открытия», что теория, которая не может быть доказана ложной гипотезой, то есть теория, достаточно гибкая, чтобы охватить все возможные экспериментальные результаты, с научной точки зрения бесполезна. По его мнению, любаая идея должна содержать ключ к ее падению: она должна делать прогнозы, которые можно проверить, и, если эти прогнозы окажутся ложными, данная теория должна быть отброшена. Поппер меньше всего думал о физике. Свои выводы он основал на личностном ощущении фрейдистской психологии и сталинской истории.

Он утверждал, что они не были фальсифицируемыми, потому что расплывчаты и достаточно гибки, чтобы включать все имеющиеся доказательства, а, следовательно, невосприимчивы к тестированию. Возникает резонный вопрос: каковы требования фальсифицируемости в области, скажем, теоретической физики? Непроверяемая в принципе теория струн аппелирует к физике чрезвычайно микроскопических эффектов, недоступных стандартным экспериментам. Попросту говоря, у нас нет технологий, чтобы ее проверить, а если б таковы и были, то не факт, что мы смогли бы собрать достаточный объем данных для ее подтверждения или опровержения. Теория космической инфляции, которая поясняет свойства наблюдаемой вселенной, сама по себе непроверяема методами прямого наблюдения. Некоторые критики считают эти теории несостоятельными и сомнительными с научной точки зрения.

Но у них опять-таки нет точных измерений, подтверждающих или опровергающих их точку зрения. Да и, честно говоря, мы не совсем точно представляем, какие это данные. В то же время многие физики согласны с выводом, что фальсификация наиболее полезна при выявлении вопиющей лженауки (опять-таки, гипотеза плоской Земли), но не важна для оценки теорий, вытекающих из устоявшихся парадигм в науке. И тут возникает еще одна проблема: кто определяет, что истинно, а что нет? По каким критериям? Как выглядят парадигмальные “очки”?

Кто их надевает и кто снимает? «Я думаю, что мы должны беспокоиться о высокомерии», - говорит Чанда Прескод-Вайнштейн из Университета Нью-Гемпшир. «Фальсифицируемость важна, но также следует помнить, что природа делает то, что хочет». Прескод-Вайнштейн является одновременно космологом и исследователем микрочастиц. Поэтому она заинтересована в четкой расстановке приоритетов. «Любое поколение, решающее, что оно разработало все, что может быть выработано, кажется мне надменным», - говорит она.

Как проверить физические теории?

Трейси Слатьер из Массачусетского технологического института соглашается с такой позициейи уточняет, что строгое следование принципу фальсификации может препятствовать возникновению но подавляя творческий потенциал. И здесь вступает в действие такой фактор, как повышение квалификации: задача ученого — производить новые знания, а не бездумно следовать устоявшимся парадигмальным догмам. «В теоретической физике подавляющее большинство идей, над которыми вы работаете, ошибочны», - говорит она. «Это могут быть интересные идеи, это могут быть прекрасные идеи, это могут быть великолепные структуры, которые просто не реализованы в нашей вселенной».

Частицы и практическая философия

Взять, к примеру, теорию суперсимметрии. По сути, она является более расширенной трактовкой Стандартной модели, где каждая известная частица связана с суперсимметричным партнером. Теория является естественным следствием математической симметрии пространства-времени, похожей на саму Стандартную модель. Это хорошо видно в рамках физике элементарных частиц, хотя суперсимметричные частицы, если они существуют, могут быть вне экспериментальной досягаемости ученых.

Теория суперсимметрии потенциально может разрешить некоторые главные загадки современной физики. Во-первых, все эти суперсимметричные частицы могут быть причиной того, что масса бозона Хиггса меньше, чем полагает квантовая механика. «Квантовая механика говорит, что масса [бозона Хиггса] должна определена до максимально возможного масштаба», - говорит Говард Баер из Университета Оклахома. Все потому, что массы в квантовой теории являются результатом вклада многих различных частиц, участвующих во взаимодействиях, и поле Хиггса, которое дает массу другим частицам, накапливает многие из этих взаимодействий. Но масса Хиггса не велика, что и требует объяснения. «Что-то еще должно быть настроено на огромное отрицательное [значение], чтобы отменить [огромное положительное значение этих взаимодействий] и дать вам наблюдаемое значение», - уверен Баер.

Уровень совпадений, известный как «проблема тонкой настройки», вызывает у физиков методологический зуд. «Все равно что пытаться играть в лотерею. Возможно, вы выиграете, но на самом деле вы почти наверняка проиграете». Если суперсимметричные частицы окажутся в определенном диапазоне масс, их вклад в массу Хиггса «естественно» решает эту проблему, что является аргументом в пользу теории суперсимметрии. Пока что Большой адронный коллайдер не обнаружил никаких подобных частиц - в диапазоне «естественности». Попутно заметим, что речь идет не о частицах как таковых, а об эффектах, сопряженных с динамикой провоцируемых потоков. Иначе говоря, речь идет об определенной стандартной модели интерпретации зафиксированных эффектов в пределах доступной исследователям математики. Тем не менее, широкая структура суперсимметрии может вместить даже более массивные частицы, которые ищутся при помощи колайдера.

Но если отказаться от естественности, суперсимметрия вообще не дает очевидного масштаба массы, а это означает, что частицы могут быть вне диапазона обнаружения. Такой момент вызвал у некоторых критиков тошноту: если нет очевидного масштаба, при котором коллайдеры могут оказаться полезными, является ли эта теория фальсифицируемой? Исследователи так называемой “темной материи” также сталкиваются со смежной проблемой: несмотря на косвенные данные о большом количестве массы, невидимой для всех форм света, частиц необходимых “параметров” не зафиксировано. Возможно, их просто невозможно обнаружить напрямую. А может, их нет и в принципе, как и самой “темной материи”.

А потому нам нам нужно рассмотреть альтернативные теории гравитации. Слатьер, чьи исследования связаны с поиском “темной материи”, рассматривает критику в свой адрес как проблему языка. «Когда вы говорите«темная материя», [вам нужно] отличать темную материю от конкретных сценариев того, что может быть темной материей, - говорит она. «Научное сообщество не всегда делает это корректно». Другими словами, конкретные модели могут уходить и приходить, но сама парадигма в целом выдержала все испытания. Но, как указывает Слатьер, никакая альтернативная теория гравитации не способна пояснить все явления, от поведения галактик до структуры космического микроволнового фона.

Прескод-Вайнштейн утверждает, что мы далеки от исключения всех возможностей темной материи. «Как мы докажем, что темная материя, если она существует, окончательно не взаимодействует со Стандартной моделью?» «Астрофизика всегда является чем-то вроде детективной игры. Без лабораторного [обнаружения] темной материи трудно сделать однозначные заявления о ее свойствах. Но мы можем составить вероятные сценарии на основе того, что мы знаем о ее поведении». В свою очередь, Баер думает, что мы еще не исчерпали все возможности теории суперсимметрии. “Люди говорят:« Вы обещали суперсимметрию в течение 20 или 30 лет», но она была основана на чрезмерно оптимистичных расчетах естественности. Я думаю, что если правильно оценить естественность, то вы обнаружите, что суперсимметрия все еще доступна для исследования. Но вам понадобится либо дополнительное энергетическое обновление коллайдера, либо Международный линейный коллайдер, чтобы обнаружить ее».

Помимо фальсифицируемости темной материи или суперсимметрии, физики мотивированы более приземленными проблемами. «Даже если эти отдельные сценарии в принципе фальсифицируются, сколько денег и времени это займет?», - говорит Слатьер. Другими словами, вместо того, чтобы пытаться продемонстрировать или исключить суперсимметрию в целом, физики сосредотачиваются на экспериментах с частицами, которые выполняются в течение определенного количества бюджетных циклов. Это не романтично, но, тем не менее, это правда. Кто решает, что такое наука? Так исторически сложилось, что иногда теориям, которые кажутся непроверенными, просто нужно больше времени.

Например, физик 19-го века Людвиг Больцман и его коллеги доказывали, что многие эффекты, наблюдаемые в термодинамике, поясняются наличием «атомов» - тем, что мы сегодня называем частицами, и молекулами, управляемыми ньютоновской физикой. Так как атомы были вне экспериментальной досягаемости, на то время “атомная” гипотеза в принципе не поддалась проверке и, следовательно, была ненаучной. Тем не менее, атомщики в конечном итоге выиграли битву: Дж. Дж. Томпсон продемонстрировал существование электронов, а Альберт Эйнштейн показал, что молекулы воды могут заставлять зерна пыльцы “танцевать” на поверхности пруда.

Атомы - пример того, как фальсифицируемость оказалась неправильным критерием. Однако другие аналогичные случаи намного сложнее. Сегодня общая теория относительности Эйнштейна является одной из самых проверенных в науке.

В то же время она допускает существование физически иных «вселенных», таких, как «вращающийся» космос, где время относительно в ньютоновской геометрии, что вроде бы как противоречит всем наблюдениям реальности, в которой мы живем. Кроме того, ОТО предсказывает вещи, которые непроверяемы по определению, например, движение частиц внутри горизонта событий “черной дыры”.

Никакая информация об этих траекториях не может быть определена экспериментально. Однако ни один физик не станет утверждать, что ОТО вненаучна. Успех теории обусловлен достаточным количеством проверенных и подтвержденных предсказаний. Другой тип теории может быть непроверяемым, но иметь важные последствия. Одной из таких теорий является гипотеза космической инфляции, которая (среди прочего) объясняет, почему мы не наблюдаем изолированных магнитных монополей и почему видимая Вселенная имеет практически одинаковую температуру. Ключевое свойство инфляции - чрезвычайно быстрое расширение пространства-времени в течение крошечной доли секунды после Большого взрыва - не может быть проверено напрямую. Космологи ищут косвенные доказательства инфляции, однако уже понятно, что невозможно провести различие между инфляционными моделями просто потому, что нет прпктических данных. Значит ли это, что инфляционная теория не научна?

«Многие люди испытывают личные чувства к инфляции и эстетике физических теорий», - говорит Прескод-Вайнштейн. Она готова принять альтернативные идеи, но инфляция — пока еще идея, причем математически недоработанная. «Это тот случай, когда большая часть сообщества космологов продолжает воспринимать инфляцию всерьез в качестве модели, поэтому я должна немного пожать плечами, когда кто-то говорит, что это не наука». Космолог из Калифорнийского технологического института Шон Кэрролл утверждает, что многие очень полезные теории имеют как ошибочные, так и неверные предсказания.

Некоторые аспекты проверены в принципе, но не с помощью какого-либо эксперимента или наблюдения, которые мы можем выполнить с существующей технологией. Под данную категорию попадают физические модели частиц, что не мешает исследователям находить их полезными.Теория суперсимметрии как концепция не может быть фальсифицируема, но она поясняет некоторые процессы, фиксируемые наблюдениями. Все доказательства существования темной материи - косвенны, и они не исчезнут, даже если лабораторные эксперименты никогда не обнаружат частиц темной материи. Физики принимают ту или иную концепцию, потому что она работает.

«Вопросы, которые меня интересуют больше всего, - это не просто вопросы, которые в принципе являются фальсифицируемыми, но вопросы, которые могут быть проверены с помощью данных в масштабе времени», - говорит Слатьер. - Не только проблемы, которые проверяются данными на временной шкале — и это хорошие научные вопросы!» Прескод-Вайнштейн соглашается и выступает за непредвзятость. «Мы многое не знаем о вселенной, в том числе о том, что о ней известно. Мы любопытный вид, и я думаю, что мы должны оставаться любопытными».

Добавил:Всеволод Гордиенко Дата:2019-04-29 Раздел:Физика