32
И вот как это делается

Понимание нашего мира – вот что является главной мотивацией для научного изыскания. Мы все это делаем, и ученые, и не ученые, и не потому, что знание лучше невежества, а потому, что приятнее оказаться правым, чем получить неприятный сюрприз.

Нобелевский лауреат Ричард Фейнман, один из героев Шелдона в области физики и игры на бонго, был очарован человеческой необходимостью понимания того, как работает мир. «Любопытство требует, чтобы мы задавали вопросы», как он говорит в своих классических «Лекциях Фейнмана по физике», и мы ищем связи между «вещами, которые на первый взгляд выглядят совершенно разными, в надежде, что мы сможем уменьшить число разных вещей…» . Если бы каждая новая ситуация была для нас совершенно непохожей на то, что мы когда-нибудь видели, наша жизнь была бы невыносима. Представьте, что вы не в состоянии определить или узнать знакомые детали, когда встречаетесь с незнакомцем, сидите за рулем машины друга или заходите в кофейню (как в фильме «Помни»). Просто просыпаться по утрам было бы странно и невыносимо. Вот почему наша жизнь представляет собой баланс новых событий с синтезированием опыта.

Несмотря на слова Шелдона, научный метод включает больше, чем просто «проведение эксперимента». Эксперимент без наблюдения и анализа – просто баловство. Более того, наблюдение и анализ как раз и предлагают эксперимент, а наблюдение за ним и анализ результатов предлагают новые эксперименты, и так по кругу снова и снова.

Эксперименты стоят денег и занимают много времени, а ни у кого нет неограниченного количества ни одного, ни второго. Вот пример того, как индуктивное мышление управляет научным методом.

По словам Говарда, все женщины в его семье очень маленького роста . Давайте представим, что это заставит его предположить, что все женщины, которые когда-либо появятся в его семье, тоже окажутся мелкими.

«Я уверена, что он прав», – скажет Пенни.

«Я уверена, он неправ», – скажет Эми.

(Бернадетт ничего не говорит и выходит из комнаты.)

В следующий раз, когда вся семья и друзья Воловицев соберутся вместе, Говард окажется в окружении женщин. Он подходит к женщине невысокого роста и обнаруживает, что она не находится с ним в родстве; более того, оказывается, ни одна из высоких женщин не носит фамилию Воловиц. Его тетушка появляется со своей подругой: тетя маленького роста, подруга возвышается над всеми. Пока словам Воловица о том, что «все настоящие и будущие женщины семьи Воловиц маленького роста», можно доверять.

А сейчас кто-то говорит, что еще четыре женщины поднимаются наверх, но о них известно только, что Бобби маленького роста, Кэрол высокая, Теда точно не Воловиц, зато Алисон носит эту фамилию.

Как Говард может использовать этих вновь прибывших, чтобы или доказать, или опровергнуть свою теорию? Нужно ли ему посмотреть на их рост? Нужно ли спросить, какая у них фамилия? Испугаются ли они и покинут ли помещение сразу после вопросов? Или попросят его уйти? Неужели он обречен замечать рост всех женщин и спрашивать, какая у них фамилия? Слишком тяжелый и, возможно, неприятный труд. Для Говарда в том числе.

Ответ совсем рядом.

Эксперимент – это больше чем одноразовое проходящее наблюдение. Ключ лежит в возможности повторения и изменяемости. Если повторение экперимента точно таким же способом дает каждый раз те же результаты, а изменение параметров меняет результат, то это похоже на причинно-следственную связь. Но какие эффекты связаны с какими причинами? Поэтому научный метод полагается на контролируемые эксперименты, в которых меняется каждый раз только одно условие.

Но как каждая попытка может иметь только одно изменение? Как минимум в комнате могут поменяться воздушные потоки; Земля может продвинуться немного больше по орбите; суперпозиция может прийти к другому коллапсу. Цель в том, чтобы выделить все отличия, которые могут иметь отношение к эксперименту, и ограничить их – ну или по крайней мере измерить их.

Эти три термина часто используются для отметки пути от «метода научного тыка» до «абсолютной правды». Гипотеза представляет разумное предположение о том, как устроен мир, повторяющийся эксперимент поднимает ее статус до теории, а когда она будет доказана и принята, она становится законом. Но в каком-то смысле многое лишь догадка; ничто не может быть представлено как Абсолютная Правда.

Гипотеза: Атомная гипотеза (утверждение о том, что все сделано из атомов) оспаривалась еще не так давно, а теперь ее воспринимают как должное.

Теория: Никто больше не думает о теории относительности как о теории, но некоторые ее до сих пор оспаривают, а теория струн до сих пор остается собранием по большому счету недоказанных (и, возможно, недоказуемых) предположений.

Закон: закон Ньютона о всемирном тяготении (см. главу 13) не применяется в определенных условиях, а закон Мура о плотности упаковки интегральных схем (см. главу 11) не может оставаться верным вечно, да он на это и не претендует.

И если бы «Теория Большого взрыва» была законом… просто представьте совместный проект Дэвида Э. Келли и Чака Лора.

Таким образом, что если большинство наших испробованных временем предположений неверны? Что если, скажем, сила притяжения немного изменилась со временем, или она отличается в различных областях Вселенной, или вдруг она резко изменится во вторник? (Этого точно не происходило, не произошло и не произойдет, но не могли же мы не спросить.) Шотландский философ Дэвид Юм заметил, что все наши объяснения базируются на совершенно необоснованном утверждении, что законы природы универсальны и неизменны. Более того, точка зрения, что вообще есть какие-то правила, это только предположение. Эта ошибочно приписанная поговорка, определяющая безумие как повторение одного и того же и ожидание другого результата (которая пришла к нам не от Франклина, Эйнштейна, Вольтера или доктора Фила), по крайней мере широко распространенный предрассудок. (Ее придумал даже не Юм.)

Бо́льшая часть научных исследований включает в себя проверку предположений или хотя бы их допущение, поэтому все научные работы и лабораторные доклады настолько детальны и методичны. Они как бы говорят: «Вот что я сделал, а вот что я увидел, когда я сделал то, что сделал». Все равно, является ли исследователь экспериментатором, как Леонард («Я направил лазер на камень, и он сделал бум»), или теоретиком, как Шелдон («Я предсказал, что атомы внутри камня сделают бум под влиянием лазерного луча»). Доклад бесполезен, если он не предлагает достаточно информации для других, чтобы повторить тот же эксперимент (или вычисления) и либо воссоздать те же результаты (что будет подтверждением) или получить совершенно другие (что создаст интригу).

Полный доклад также скажет: «Вот что, я думаю, заставило меня увидеть то, что я увидел, когда я сделал то, что сделал». Это возможность исследователя попробовать угадать, что находится за постоянной завесой тайны природы. Но это всего лишь догадка, а поскольку она держится на индуктивном умозаключении, кто-то может доказать, что она ошибочна, но никто – что она верна. В наиболее драматичных ситуациях кто-то другой доказывает, что она неверна.

Переживания Шелдона по поводу его периодических ошибок вполне понятны, но его высокомерие играет с ним злую шутку, когда он дерзко утверждает, что его гипотеза «не требует подтверждения» . Ну да, конечно. Как профессиональный ученый и человек, он должен принять, что одно из его предположений может быть признано ошибочным (см. главу 19). Все, что он может сделать, это написать детальный доклад, чтобы, когда другие начнут делать свои предположения на ощупь в темноте, его предположения не оказались темнее других.

Даже самые точные эксперименты не поддержат небрежный анализ. Если ваше отражение будет смотреть прямо на вас каждый раз, когда вы смотритесь в зеркало, можно ли из этого утверждать, что оно всегда смотрит на вас независимо от того, куда смотрите вы? Если блоха, которую вы научите прыгать по команде, перестанет прыгать, когда вы вырвете ей все ноги, докажет ли это, что уши блохи находятся на ее ногах?

Дополнительные сведения никогда не доказывают индукцию; они могут ее или опровергнуть, или поддержать. По этой причине важно мыслить широко. Головоломки, задачи с нестандартным решением и мнение других людей заставляют нас переоценивать и даже отказываться от дорогих сердцу идей, и так и должно быть. Будьте подростком. Бросайте всему вызов.

За годы до того, как он сыграл Ричарда Фейнмана в «практически пьесе одного актера» Q.E.D., актер Алан Алда сказал выпускному классу: «Ваши предположения – это ваши окна в мир. Протирайте их время от времени, или через них перестанет поступать свет» .

И помните, что у ученых нет всех ответов. Это бы сделало их жизнь невероятно скучной.

У них просто есть отличные вопросы.

Мы знаем, что Говард предположил, будто каждая женщина в его семье, включая тех, что еще не родились, будут невысокого роста. Ограниченная информация, которую он собрал до настоящего момента, поддерживает его утверждение, но ему хотелось бы ее доказать (чтобы произвести впечатление на Пенни) или опровергнуть (чтобы произвести впечатление на Эми).

Прости, Пенни, но он никогда не сможет ее доказать. Как он это сделает? Он не может встретиться с каждой женщиной, которая родится в его семье. Но он может ее опровергнуть. Все, что ему нужно, это найти одну высокую женщину с фамилией Воловиц. Просто ее существование уже сможет доказать, что его предположение неверно .

Он не может остановить поиски, пока он не найдет одну из этих гипотетических каланчей; так что, если таковая имеется, ему лучше найти ее как можно быстрее. Но как?

К счастью, ему не нужно опрашивать каждую женщину на вечеринке, включая тех, кто собирается к ней присоединиться. Давайте рассмотрим четырех женщин, которые собираются войти в комнату: коротышку Бобби, каланчу Кэрол, совсем-не-Воловиц Теду и Алисон, которая точно из их семьи.

Если Бобби (коротышка) из семьи Воловиц, то она подкрепит теорию Говарда, но если она таковой не является, то она не поддержит, не опровергнет ее, поскольку та относится только к Воловицам и не упоминает не-Воловицев. Поэтому осмотр коротышки ни к чему не приведет.

Как же быть с каланчой Кэрол? Она высокая, но, если она не-Воловиц, это снова не поддерживает, не опровергает его теорию. Тем не менее, если бы она оказалась Воловиц, то утверждение было бы опровергнуто, и Говард получил бы свой ответ. Поэтому ему нужно узнать, не Воловиц ли ее фамилия.

Следующая на очереди Теда. Хоть нам и сказали, что она не-Воловиц, нам неизвестно, какого она роста. Но нам не важен ее рост, это не подтвердит и не опровергнет нашу теорию, исследование не-Воловиц нам не поможет.

Что касается Алисон Воловиц, если она окажется высокой, то она опровергнет утверждение Говарда, а если коротышка (как он того ожидает) – то поддержит. Значит, ему нужно посмотреть, высокая ли она.

Подведем итоги: поскольку единственное, что может изменить теорию Говарда, это нахождение высокой дамы по фамилии Воловиц, единственные женщины, на которых ему нужно потратить свое время, те, которые могут быть высокими по фамилии Воловиц. Это значит, что ему нужно проверить Кэрол (чтобы узнать, не Воловиц ли она) и Алисон Воловиц (чтобы узнать ее рост). Ему нет дела до коротышки Бобби и не-Воловиц Теды. (Им-то явно нет дела до него.)

Если Кэрол или Алисон окажутся обе высокие и обе Воловиц, то тогда его утверждение опровергнуто, и он может прекратить изучение роста женщин. Но если высокая Кэрол не Воловиц, а Алисон Воловиц не высока, то его утверждение не опровергнуто (но и не доказано – просто подвешено), и он будет настаивать на продолжении. Возможно, навсегда.

Ради всеобщего спокойствия, давайте надеяться, что высокая Воловиц скоро появится.

Калтеховский геохимик Клэр Паттерсон был экспертом по свинцу. Он боролся за его экологическое регулирование и победил – его убрали из бензина. Но он более известен за определение возраста Земли.

Это он сделал в 1956 году, используя новую технологию обнаружения изотопов свинца, некоторые из них образуются путем радиоактивного распада. Паттерсон проанализировал содержание свинца в нескольких метеоритах и океанских впадинах и обнаружил, что они все охладились и приняли твердую форму в одно и то же время: чуть более четырех с половиной миллиардов лет назад.

Как все добросовестные ученые, он приложил усилия в своем докладе, чтобы обосновать его главные предположения; в конце концов, нет никого старше четырех с половиной миллиардов лет, кто мог бы подтвердить его слова . Хоть он и признавал, что только что затвердевшая материя могла сразу не соединиться, чтобы сформировать Землю, он утверждал, что это произошло довольно быстро, иначе в результате химические изменения (см. главу 7) отразились бы на изотопах, которые он обнаружил. «Данные могут быть объяснены либо поддерживающими, либо противоречащими предположениями, – доклад допускает, но при этом продолжает. – Многие из них можно исключить, как невероятные» . Это бритва Оккама в действии: избегание сложных объяснений, когда есть подходящее элегантное (см. главу 13).

Его доклад также обращается к самым правдоподобным аргументам против его изысканий. Процедуры забора проб, которые он использовал, могли нарушить полученные данные, но, как он отмечает, только на один или два процента. Его анализ посыпан словами вроде «маловероятно» или «сомнительно», и дважды он использует выражение «кажется разумным считать» – и это все, на что может рассчитывать любой ученый (см. главу 28).

Метод Паттерсона был так аналитически безупречен, а его предположения были настолько доказаны, что следующие за ним ученые смогли за все эти декады лишь немного уточнить его результат. И вот как горячий свинец отличился в науке.

Он не нуждается в представлении.

Вопрос: Вы не могли бы предложить высказывание для небольшой книги о науке в сериале «Теория Большого взрыва»?

Стивен Хокинг [в электронном письме]: Наконец-то есть шоу, которое делает науку крутой.