Как опровергнуть научную теорию за три простых шага


Возмущения пространства от пришедших издалека гравитационных волн, проходя сквозь Солнечную систему, и в том числе Землю, немного сжимают и растягивают окружающее пространство. Благодаря нашим измерениям, физических альтернатив этого явления очень может быть совсем немного.

Наука, как множество других вещей в жизни, это всегда рабочий процесс. У успешной научной теории есть вопросы, на которые она даёт ответ, природные явления, которые она способна точно описать, и надёжные предсказания, которые она может сделать – но также у неё есть фундаментальные ограничения в любой момент времени. У любой теории, какой бы успешной она ни была, диапазон достоверности всегда ограничен. Оставаясь внутри этого диапазона, теория хорошо предсказывает реальность; а при выходе за его пределы её предсказания уже не будут соответствовать наблюдениям или экспериментам. Это так для какой хотите теории. Ньютоновская механика отказывает на малых (квантовых) масштабах и больших (релятивистских) скоростях. Эйнштейновская Общая теория относительности (ОТО) отказывает вблизи сингулярности. Дарвиновская эволюция отказывает в моменте происхождения жизни.

Даже лучшие из наших сегодняшних теорий, возможно, будут заменены завтрашней наукой. И вот, как это происходит.


Одной из величайших загадок XV века был вопрос того, почему планеты иногда движутся в попятном направлении. Это можно было объяснить при помощи геоцентрической модели Птолемея (слева) или гелиоцентрической модели Коперника (справа). Однако ни у одной из теорий не получилось учесть все детали с идеальной точностью. Обе модели были интересными, но, ни у одной не было бы никаких аргументов, если бы была открыта новая планета.

Шаг 0: распознать успехи и неудачи ведущей теории. Святой Грааль научных теорий – так называемая “теория всего“. Она была главной мечтой Эйнштейна, и остаётся мечтой множества других учёных из разных областей. Такая теория предсказывала бы все природные явления Вселенной, исходя из начальных данных и условий. Можно было бы заранее подсчитать итог любого эксперимента, можно было бы предсказывать поведение любой системы в произвольно далёком будущем. Единственное ограничение, с которым вы бы столкнулись, было бы отсутствие произвольно большой вычислительной мощности, а не теоретические пределы.


Частицы Стандартной модели и их суперсимметричные партнёры. Открыто чуть меньше половины этих частиц, а оставшиеся ни разу не выдавали следов своего присутствия. Суперсимметрия – это идея, надеющаяся улучшить Стандартную модель, но ей ещё только предстоит дойти до третьего шага в попытке занять место преобладающей теории.

Но мы пока не дошли до этого. У нас нет рабочей теории всего, у нас есть охапка очень успешных теорий, диапазон действия которых фундаментально ограничен. В каждой области существуют явления, которые мы можем наблюдать, или эксперименты, которые мы можем разработать, в которых предсказания лучшей из имеющихся теорий либо противоречат данным, либо выдают ерунду. Кроме того, часто встречаются проблемы или загадки, которые не могут объяснить имеющиеся у нас теории.

Откуда у нейтрино масса? Почему Вселенная состоит из огромных объёмов материи, но не антиматерии? Что происходит с гравитационным полем электрона, проходящего через двойную щель? Почему у фундаментальных постоянных именно такие значения? Необъяснимое явление, обнаруженное учёными, но не имеющее теории, которое бы его предсказывала, часто служит толчком к научной революции. Это наша отправная точка.


В Ньютоновской теории гравитации орбиты имеют форму идеального эллипса, когда тело вращается вокруг одной крупной массы. Однако в ОТО есть эффект дополнительной прецессии, происходящий из-за кривизны пространства-времени, из-за чего орбита со временем сдвигается – так, что это иногда можно измерить. Прецессия Меркурия составляет 43″ (1″ – это угловая секунда, 1/3600 градуса) в сто лет. Меньшая из двух чёрных дыр в OJ 287 [двойной системе чёрных дыр в созвездии Рака / прим. перев.] испытывает прецессию в 39 градусов за один оборот 12-летней орбиты.

Шаг 1: воспроизвести все успехи ведущей теории. Говорите, у вас есть новая теория, которая, как вы надеетесь, заместит текущую лидирующую? Отлично. Первое, что вам нужно сделать – продемонстрировать, что новая теория не отказывает там, где работает старая. Чем успешнее преобладающая теория, тем сложнее достичь этой цели. К примеру:

Желаете заместить ОТО? Вам нужно объяснить гравитационное линзирование, прецессию орбиты Меркурия, эффект Лензе — Тирринга, гравитационное красное смещение, гравитационное замедление времени (эффект Шапиро), и, из недавнего – гравитационные волны, испускаемые сливающимися чёрными дырами и нейтронными звёздами.


Любой объект или форма, физическая или не физическая, будет искажена проходящими сквозь него гравитационными волнами. Когда крупная масса с ускорением движется в участке искривлённого пространства-времени, излучение гравитационных волн становится неизбежным последствием этого, если верить ОТО.

Хотите расширить эволюцию Дарвина? Вам нужно объяснить появление биологического разнообразия, реакцию на давление отбора и наследственность – среди прочего.

Хотите улучшить модель атома Бора? Вам нужно, как минимум, воспроизвести успехи в объяснении различных уровней энергии атома и эксперименты Резерфорда и других учёных по рассеиванию с атомных ядер.

Это также означает, что ваша новая теория не может делать новых предсказаний, противоречащих уже сделанным в экспериментах наблюдениям. И недостаточно воспроизвести какую-то выборку из этих наблюдений; необходимо повторить абсолютно все успехи предыдущей теории. Если вы не можете сравняться с тем, что хотите изменить, вы это не обгоните.


Световые часы, сформированные фотоном, отражающимся между двумя зеркалами, будут определять время наблюдателя. Даже СТО, со всеми её экспериментальными свидетельствами, нельзя доказать окончательно, но можно проверить, и подтвердить или опровергнуть. Эти правила работают только для двух наблюдателей одного события в пространстве и времени.

Шаг 2: достичь успеха там, где не смогла этого сделать предыдущая теория. Мы задумались о лучшей теории только потому, что к этому нас подвигла какая-то мотивация или стимул (помните о шаге 0!). Со старой теорией что-то было не так; было что-то, что она объяснить не могла. Ньютоновская физика не могла объяснить механику быстро движущихся частиц; оптическая теория не могла объяснить картинки интерференции; универсальный закон гравитации не мог объяснить орбиту Меркурия.


Орбиты планет внутренней солнечной системы не круговые, но довольно близки к этому. Наибольшие отклонения от круга, наибольшая эллиптичность наблюдается у Марса и Меркурия. В середине XIX века учёные начали замечать в движении Меркурия отклонения от предсказаний ньютоновской гравитации.

Оплатите подписку, и реклама отключится

Все эти загадки привели ко множеству новых идей, которые должны были объяснить эти явления, но не каждой идее удавалось воспроизвести предыдущие успехи. К примеру, гипотетическую планету Вулкан, внутреннюю для Меркурия, Урбен Жан Жозеф Леверье предложил для объяснения её аномальной орбиты. Другие учёные предположили, что дело в массивности солнечной короны. Ещё одна команда, Саймон Ньюком и Асаф Холл, установили, что если заменить закон обратных квадратов Ньютона, утверждающий, что гравитация убывает обратно пропорционально расстоянию в степени 2, на закон, утверждающий, что гравитация убывает обратно пропорционально расстоянию в степени 2,0000001612, то движение Меркурия можно объяснить. Наконец, Эйнштейн полностью отказался от Ньютона, заменив его гравитационное “дальнодействие” искривлённым пространством-временем.

Все эти идеи всерьёз рассматривались по многу лет; и все, кроме одной, отпали, столкнувшись с чрезвычайно важным третьим шагом.


Кандидат на орбиту гипотетической планеты Вулкан. Планету, которая могла бы объяснить аномальное движение Меркурия в контексте ньютоновской гравитации, искали очень тщательно, но такой планеты не существует, что опровергает предсказание существования внутренней планеты в нашей Солнечной системе.

Шаг 3: необходимо сделать новые, проверяемые предсказания, отличающиеся от предсказаний изначальной теории. Если бы внутри орбиты Меркурия была новая планета, её можно было бы найти при помощи телескопа. Если бы корона была массивной, мы должны были бы обнаружить большую плотность частиц материи, чем наблюдаемая. Если бы теория гравитации Ньюкома и Холла была верной, это повлияло бы на наблюдаемые планеты Луны, Венеры и Земли так, как это не согласуется с наблюдениями. А если Эйнштейн прав, это означает, что при искажении пространства массой, свет фона должен идти по искривлённому, а не прямому, пути. И он будет загибаться настолько, как предсказывает ОТО, а не на нулевую величину, и не на величину, предсказываемую ньютоновской гравитацией, если назначит фотону массу через его энергию (посредством E = mc2). В 1919 году во время полного солнечного затмения эти предсказания подвергли критической проверке.


Заголовок New York Times (слева) и иллюстрация из Illustrated London News (справа) показывают не только разницу в качестве и глубине репортажа, но и в уровне возбуждения, выраженного журналистами из двух разных стран по поводу этого невероятного научного прорыва. Оказалось, что свет действительно искажается вблизи массы, и на величину, предсказанную Эйнштейном.

И, поглядите-ка, свет изгибается согласно предсказаниям Эйнштейна! В результате невероятной революции у нас появилась новая теория гравитации, которую за последние 99 лет проверяли множество раз, и которая успешно проходила все испытания – когда они были достаточно хорошего качества. Сходные теоретические работы и экспериментальные подтверждения потребовались нам для того, чтобы прийти к нашим ведущим научным теориям, от генетики и ДНК до Большого взрыва, космологической инфляции и тёмной материи. Эти теории являются величайшими не из-за красоты математики, и не из-за соответствия нашей интуиции, а из-за того, что они так успешно описывают природные явления нашей Вселенной.


Самые крупномасштабные наблюдения за Вселенной, от реликтового излучения до космической сети, от скоплений галактик до отдельных галактик – все они требуют наличия тёмной материи для объяснения наших наблюдений. Но даже у теории тёмной материи есть свои проблемы, и она в один прекрасный день будет наверняка исправлена, или даже замещена другой.

Чем больше наука становится развитым предприятием, богатым на доказательства, тем большим подвигом, достойным Геркулеса, кажется создание единой теории, объясняющей весь набор данных. Однако именно это и выполняют наиболее успешные теории. Неважно, насколько успешной была идея в прошлом, требуется всего лишь одно не соответствующее ей наблюдение, чтобы бросить на неё тень сомнения. Величайшие научные теории современности наверняка откажут в будущем при сборе новых свидетельств, превосходящих нынешние.

Массивные нейтрино намекают на существование физики за пределами Стандартной модели; парадокс исчезновения информации в чёрных дырах намекает на гравитацию за пределами ОТО; факт наличия полового воспроизведения никто не отрицает, но никому не известно, как оно появилось. Эти загадки, как и многие другие, могут служить предшественниками монументальных научных прорывов. А до тех пор мы можем лишь теоретизировать, находясь на рубежах науки, пытаясь сделать три этих массивных шага по направлению к лучшему пониманию Вселенной.

Источник

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

663 просмотров всего, 2 просмотров сегодня

Ещё записи на эту тему

Свидетельства, по нескольку десятилетий обманывавшие учёных... В науке можно найти удивительно мало доказанных фактов. Вместо этого учёные часто рассуждают о том, сколько свидетельств существует в пользу их теорий. Чем больше свидетельств, тем сильнее теория ...