Глава 4
Что есть наука?
О теориях, экспериментах, выводах и сущности науки
Наука есть не что иное, как совершенствование повседневного мышления.
Альберт Эйнштейн
Мы непрерывно накапливаем знания о том, что происходит вокруг нас. Не представляя себе характер окружающего мира, мы бы растерялись – не понимали бы, как вести себя в той или иной ситуации. Поэтому мозг каждого человека напряженно работает, пытаясь как можно лучше разобраться в том, что происходит вокруг него. (В 2014 году Нобелевская премия по медицине была присуждена за открытие, объясняющее, как мозг отслеживает наше местоположение в комнате. Ученые, англичанин Джон О’Киф и норвежцы Мэй-Бритт и Эдвард Мозер, открыли новые типы клеток, которые позволяют человеку ориентироваться в пространстве, – так называемые нейроны места в области гиппокампа и нейроны координатной сетки в энторинальной области коры головного мозга.)
Чем лучше люди понимают, как устроен мир, тем больше их тяга к новому знанию. Разрастающийся как снежный ком процесс начинается в раннем детстве: только подумайте, сколько должен узнать малыш, чтобы уцелеть и не навредить себе. И любопытный ребенок, подобно пытливому ученому, который ставит тщательно продуманный эксперимент, приобретает знания, экспериментируя во время игры. Исследуя окружающий мир, ребенок идет путем проб и ошибок. Он все сует в рот, пробуя вещи на вкус, крутит и вертит, ставит одни предметы на другие, строит башни и наблюдает, как они падают, забирается на столы и скамьи, заползает под кровати, запрыгивает и спрыгивает с дивана – короче говоря, непрерывно все проверяет!
Конечно, дети набивают шишки, режутся ножом, у них бывают царапины и занозы, их бьет электрическим током, но мало-помалу благодаря бесконечному любопытству все эти болезненные эксперименты приводят ребенка к более обширному, более глубокому и полному пониманию того, как устроен мир и какие процессы происходят в нем. Оно включает также отношение к другим людям, к разнообразным животным, деревьям и растениям, к воде, к погоде и ветру, понимание того, что будет плавать, а что утонет, что хорошо на вкус, а что нет… Дети узнают о вагонах, трехколесных велосипедах, мотоциклах и автомобилях; они знают, что такое электричество, провода, вилки и розетки, тостеры, плиты, холодильники и микроволновые печи…
Только небольшую часть знаний о мире ребенку передают родители, когда описывают окружающие предметы и объясняют происходящее. Главным образом он познает мир благодаря тому, что всюду сует свой нос, все исследует, повторяет “испытания” и ошибки. Однако постепенно, по мере того как ребенок растет, приобретаемые знания все больше и больше зависят не от его личного опыта, а от других людей. Столь частые вначале прямые эксперименты становятся все более редкими, все чаще информация поступает благодаря чтению книг, журналов и газет, просмотру телевизионных передач, кинофильмов и видео, настойчивому поиску интересующих ребенка вещей в интернете, где случайно можно наткнуться и на что-то любопытное. Он бесконечно и неконтролируемо общается с приятелями, впитывая сообщенные ими чужие идеи; на просторной арене общественных дискуссий подросток сталкивается с невероятным числом противоречивых мнений, к которым он прислушивается и которые обдумывает…
Конечно, многие противоречащие друг другу заключения – это только мнения, не факты. И большинство из них практически никакой роли в нашей жизни не играют. Действительно, мы можем постоянно читать и обращать внимание на так называемые новости, но до тех пор, пока новость не касается нас непосредственно, нам не надо занимать определенную позицию, решая, истинна поступившая информация или ложна. (Хотя, конечно, из интереса или любопытства иногда может захотеться более детально проанализировать какую-то услышанную нами точку зрения.) Однако когда по тем или иным причинам утверждение или мнение становится важным лично для вас, когда возникает желание использовать его как руководство к действию, именно тогда снова следует вести себя как ребенок – вернуться к методу личных проб и ошибок.
И именно тогда нам необходим научный подход. На самом деле, наука – не что иное, как более систематизированный поиск знаний, где человек использует практически тот же метод, что и маленькие дети: ничего не принимает на веру. Непосредственно взаимодействуя с данной конкретной реальностью, он все проверяет сам: скручивает, поворачивает, касается, пробует на вкус, нюхает…
Суть науки
Наука – хорошо структурированный и систематизированный метод исследования всего на свете путем проб и ошибок. Уже за 2000 лет до нашей эры вавилоняне (а чуть позднее древнегреческие философы) разработали методы исследования и способы мышления, которые, можно сказать, заложили фундамент науки.
Многие считают исламского философа Ибн аль-Хайсама (965–1038) создателем научного метода. Он жил в Басре и Каире и написал “Kitab al-Manaz..ir” (“Книгу оптики”), где среди прочего дал научное описание оптических явлений и зрения. Ибн аль-Хайсаму принадлежит идея подтверждения или отклонения гипотез и теорий путем систематических, повторяющихся экспериментов. Объединив наблюдения, эксперименты и логические построения, он создал теорию зрения, согласно которой световые лучи отражаются от объектов и попадают в глаз, а не наоборот.
В науке различают факты, гипотезы и теории. Обычно факт – это конкретное наблюдение или результат эксперимента. Теория – достаточная большая система представлений, необходимая для предсказания или объяснения результатов экспериментов. Термин “теория” используется для описания набора взаимосвязанных идей, объясняющих конкретное событие или ряд явлений из определенной области. Поэтому теории сложнее отдельных суждений. Неочевидное утверждение, выдвинутое без достаточных доказательств, обычно называют гипотезой (от греческого слова, означающего “предположение”).
Когда человек занимается наукой, он, имея целью подтвердить какую-то теорию, предлагает доступные проверке гипотезы. Затем гипотезы проверяют на соответствие различным наблюдениям и экспериментам. В этом смысле гипотеза – первое грубое приближение, призванное объяснить узкий класс наблюдаемых явлений, тогда как теория – более масштабное и серьезное объяснение более широкого класса наблюдаемых явлений.
Научная теория должна быть не только совместима с уже установленными фактами, но и давать возможность предвидеть результаты, по крайней мере, некоторых экспериментов. Теория бессмысленна, если неспособна делать предсказания. Поэтому гипотезы и теории должны быть проверяемы. Это означает, что должен быть какой-то способ доказать, что теория сфальсифицирована (то есть возможность показать, что она неверна). Если теорию или гипотезу нельзя проверить, с точки зрения науки она бесполезна.
Вот эпизод из истории науки, который не только ясно демонстрирует разницу между теорией и гипотезой, но и показывает, как на самом деле “работает” наука. Речь пойдет об открытии планеты Нептун.
В начале XVII века немецкий математик Иоганн Кеплер (1571–1630) опубликовал три закона, описывающие движение планет по орбитам вокруг Солнца. Он, в частности, показал, что планеты движутся не по круговым орбитам и не с постоянной скоростью, выступив тем самым против представлений (или, можно сказать, догм), господствовавших в течение тысячелетий.
Прошло еще несколько десятилетий, и Исаак Ньютон (1642–1727) предложил теорию гравитации, которая сделала законы Кеплера более наглядными и уточнила их. Во многих отношениях теория Ньютона противоречила здравому смыслу. В конце концов, как может небесное тело, такое как Солнце, быть источником некой таинственной силы, которая заполняет все пространство и действует на объекты, находящиеся невероятно далеко от него? Однако это утверждение входило неотъемлемой частью в новую теорию. Многие критики считали ее чем-то сверхъестественным и даже мистическим. Но в начале XIX века теория гравитации Ньютона и законы Кеплера, описывающие движение планет, стали общепризнанными.
Французский астроном Урбен Леверье (1811–1877), профессор университета Сорбонна в Париже, занимался широкомасштабным исследованием движения планет. Его тщательно выполненные наблюдения указывали на некие странности движения по небосводу планеты Уран, которые не удавалось увязать с законами Ньютона и Кеплера. По этой причине Леверье выдвинул гипотезу, согласно которой отклонения траектории Урана обусловлены действием гравитационной силы неизвестной планеты, расположенной за орбитой Урана.
Руководствуясь этой догадкой, он призвал на помощь своих надежных старых друзей – теории Ньютона и Кеплера – и рассчитал теоретически орбиту неизвестной планеты. Это позволило Леверье предсказать конкретно, когда не наблюдавшуюся до того планету массы m, двигающуюся по орбите o, можно будет наблюдать на небосводе в точке p в момент времени t. Его предсказание можно было проверить (конечно, все необходимые данные Леверье указал точно). Затем он отправил письмо в Берлинскую обсерваторию астроному Иоганну Галле, написав, где и когда будет видна эта гипотетическая планета. Галле получил письмо 23 сентября 1846 года и тем же вечером подтвердил вывод Леверье: он обнаружил новую планету именно там, где было предсказано.
Эта история очень наглядно демонстрирует связь между теориями, гипотезами, наблюдениями и возможностью проверки. Тем не менее многие люди думают, что теории менее надежны, чем факты. Они заявляют: “Но ведь это всего лишь теория!” На самом деле их слова означают только то, что они неправильно понимают значение слова “теория” в научном лексиконе.
В повседневном разговоре словом “теория” обычно обозначают выдвинутую кем-то идею, не слишком подкрепленную фактами. Мы часто слышим: “Ох, итак, это ваша теория, именно так драгоценности исчезли из запертого ящика письменного стола!” Или кто-то говорит: “Полиция выдвинула теорию, что в ограблении участвовал не один человек, а двое”. В таких случаях термин “теория” означает правдоподобную догадку, которую можно рассматривать, но пока она ничем серьезно не подтверждена.
Но в научных кругах слово “теория” имеет совсем другое значение. Оно описывает систему тесно переплетенных понятий и представлений, которые не только логически совместимы, но также позволяют объяснить большое количество разнообразных явлений и, более того, дают возможность предсказывать новые. Совокупность идей должна “заслужить” почетное звание “теория”, для чего ее следует подтвердить разными способами, а иначе это не теория, а случайная догадка.
Конечно, непроницаемой границы между обыденным и научным мышлением нет, и термин “теория” в какой-то мере двусмысленный. Иногда он обозначает идею, фактическое обоснование которой почти призрачно, тогда как в других случаях это система идей, тесно связанных друг с другом и поддержанных огромным количеством фактов. И все, что находится между этими двумя предельными случаями, тоже может называться теорией.
Для всякой научной теории принципиально важна возможность изменения и улучшения. Однако, чтобы называться “теорией”, надежность системы понятий и законов заранее должна быть многажды проверена: ее необходимо подтвердить многочисленными доказательствами. Одни доказательства могут быть чрезвычайно сильными, другие – относительно слабыми. Но научные теории всегда в какой-то мере доказаны и обоснованы.
Общая теория относительности Эйнштейна подтверждена очень хорошо: она с успехом выдержала более ста лет экспериментальной проверки. Теорию эволюции Дарвина тоже прекрасно подтверждают всевозможные наблюдения по всему миру. С другой стороны, есть все еще “недостроенные” теории. Например, теории, описывающие темную материю и темную энергию, объясняют одни явления, оставляя другие совсем непонятными.
Есть странное направление в теоретической физике, известное как теория струн. Она включает в себя множество прекрасно самосогласованных математических идей, но до сих пор никаких ее экспериментальных подтверждений нет. По этой причине использование термина “теория” в названии “теория струн” достаточно необычно. Но теория струн имеет право считаться теорией (по крайней мере, по мнению некоторых) благодаря тому, что составляющие ее понятия и уравнения очень тесно взаимосвязаны (для сравнения вспомним о внутренне непротиворечивой системе теорем неевклидовой геометрии), хотя экспериментально и не подтверждены (и даже если никогда не появится и намека на их экспериментальное подтверждение).
Короче, спектр того, что может называться научной теорией, простирается широко: от теорий, подтвержденных очень хорошо, до теорий, достаточно шатко обоснованных. Ученые привыкли к тому, что слово “теория” может подразумевать очень широкий диапазон степеней ее достоверности. Однако непрофессионалы часто используют расплывчатость этого термина, чтобы высмеивать не нравящиеся им и непривычные для них теории. Поэтому-то мы иногда и слышим такие раздраженные возгласы: “Но эволюция – это только теория!” Люди, говорящие такие вещи, не понимают, что теория эволюции – научная теория, подтвержденная большим количеством исследований, и как таковая она принимается в качестве истины, а не предположения.
Тогда что позволяет считать теорию научной? В научном мире есть четкое различие между естественными и социальными науками. Эти два направления исследований сильно отличаются друг от друга, даже если учесть, что люди, не занимающиеся наукой, эту разницу сильно преувеличивают. Основная цель естественных наук – выяснить общие законы природы. Физическая теория элементарных частиц не просто описывает, как вели себя частицы в Южной Дакоте в 1912 году или как вообще ведут себя частицы в Южной Дакоте. Она описывает, как при заданных условиях ведут себя все частицы данного типа в любой момент времени.
В социальных науках обычно большее внимание уделяют отдельным или конкретным событиям. Целью может быть описание тех или иных культурных обычаев и традиций или исследование точки зрения драматурга Августа Стриндберга на природу человека, выраженной в его пьесах. С другой стороны, в некоторых социальных науках, особенно в психологии, задачей является формулировка общих теоретических представлений – например, как влияет зрительное восприятие на работу мозга, или почему люди обычно говорят с иностранным акцентом, если начинают учить язык после определенного возраста, или что заставляет помнить одни вещи и забывать другие.
Одна из причин, по которой важно определить значение слова “наука”, связана с тем, что нам надо уметь отличать настоящую науку от псевдонауки – деятельности, перенимающей только внешние атрибуты, но не методику настоящей науки. Так, псевдоученые могут использовать наукообразную терминологию и выписывать длинные уравнения с большим количеством греческих букв и индексов, поскольку это похоже на то, что делают физики. А еще, имитируя точность и строгость истинной науки, можно нарисовать большое количество графиков и выглядящих сложными диаграмм с кружками и направленными в разные стороны стрелочками. Но за этим кроется несоблюдение главных и необходимых правил, делающих науку тем, чем она является, а именно: применение метода проб и ошибок, установление связи между теорией и экспериментом, подтверждение и опровержение выводов. Короче говоря, жесткая конкуренция разнообразных теорий, из которых “выживает” только наиболее удовлетворительная.
Естественные науки – не просто собрание утверждений, или открытий, или ответов на вопросы, они также включают в себя полную совокупность всех методов исследования мира. Их отличительная черта – надежная проверка всех возможных гипотез и безжалостный отказ от любого предположения, этой проверки не выдержавшего.
Можно сказать, что критерием, позволяющим отличить настоящую науку от лженауки, является постоянное использование такого подхода. Поэтому в естественных науках утверждения, не удовлетворяющие этому критерию, утверждения, которые проверить нельзя, не являются научными. Вот примеры подобных утверждений: “Когда меня никто не видит, я могу ходить по воде”. Или: “На темной стороне Луны есть миллиарды крошечных, невидимых слонов с отрицательной массой, которые живут в алых пещерах на поверхностях антипротонов”. Иногда утверждение, содержащее большое количество технических терминов, на первый взгляд выглядит вполне научным. Но, приглядевшись, убеждаешься, что строго проверить это утверждение нельзя, а это значит, что его следует отнести к категории псевдонаучных.
Иногда науку критикуют за излишние догматичность и уверенность в своей “истинности”. Однако подобная критика основывается на полном непонимании того, как функционирует наука. Суть в том, что безжалостная самокритика “встроена” в научный метод. Это означает, что ученые постоянно пытаются проверить, перепроверить и улучшить свои собственные результаты, как, несомненно, и результаты своих коллег.
Бесспорно, некоторые ученые слишком эмоционально относятся и к проверке, и к подтверждению, и к отстаиванию своих идей, в силу чего они предвзято, не замечая недостатков, относятся и к своим результатам. Но, конечно, другие ученые, не столь приверженные этим идеям, доделают работу за тех, кто необъективен и поражен слепотой. Мир науки суров: никакая ошибочная теория долго в нем не просуществует.
Эксперимент, опровержение и пересмотр – основа науки
С помощью научного метода, проверяя и модифицируя наши теории, мы накапливаем знания. Так постепенно мы достигаем все лучшего и лучшего описания реальности.
Конечно, случалось, что жизнь грубых научных ошибок длилась веками. Например, идеи о том, что отличительные черты характера человека можно определить по форме его черепа (эта концепция носит название “френология”). Ее автором был врач из Вены Франц Йозеф Галль (1758–1828), полагавший, что мозг состоит из нескольких областей, соответствующих различным ментальным функциям, возможностям и характерным особенностям, таким как цветное зрение, речь, способности к математике, музыкальные способности, половое влечение, застенчивость, общительность, уверенность в себе, честность, вспыльчивость, благородство, альтруизм, религиозность, надежность, преданность, жертвенность и так далее. Идеи френологии просуществовали достаточно долго, тем не менее это была псевдонаука.
Другой пример – так называемые N-лучи, об открытии которых в 1903 году объявил очень уважаемый французский физик Рене Проспер Блондло (1849–1930). Это произошло вскоре после открытия немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845–1923) X-лучей, которые впоследствии в некоторых странах стали называть рентгеновскими (так, конечно, принято говорить в Германии, но так же называют их и в Швеции). Блондло, проводивший эксперименты с X-лучами, был убежден, что открыл новую форму излучения. Он был профессором Университета Нанси, в честь которого и назвал свои лучи. Многие другие исследователи быстро повторили его эксперимент и с энтузиазмом подтвердили существование N-лучей. На следующий год Блондло и еще около сотни его коллег сообщили, что обнаружили N-лучи, испускаемые самыми разными веществами и телами, включая тело человека. Однако странным образом излучения, исходящего от свежей древесины и некоторых обработанных металлов, обнаружено не было. Некий исследователь по имени Гюстав Лебон так стремился к славе, что утверждал, что именно он, а не Блондло, первым открыл эти лучи. (Несомненно, Лебон рассчитывал получить за свою работу Нобелевскую премию по физике, что привело бы в восторг любителей палиндромов. С грустью замечу, что и Лебон, и любители палиндромов были разочарованы.) В конце концов, выяснилось, что, несмотря на многочисленные подтверждения, таких лучей вообще нет. Спустя некоторое время все эксперименты стали демонстрировать отрицательный результат, и вскоре все развеялось как дым. Как могло случиться, что все исследователи N-лучей совершали одну и ту же ошибку? Дело в том, что они просто обманывались, поскольку хотели что-то увидеть. Это одна из самых знаменитых историй о научном самообмане.
Наверное, сегодня одна из самых нашумевших историй подобного рода связана с “холодным ядерным синтезом”. Это процесс синтеза ядер двух атомов при температуре, равной или близкой к комнатной, сопровождающийся выделением колоссальной энергии (обычно называемой энергией связи). Если бы такое явление действительно имело место, это значило бы, что становится легко доступным неограниченное количество энергии, что есть настоящее благодеяние для всего человечества. При экстремально высоких температурах, как, например, внутри звезд, процесс ядерного синтеза действительно происходит, но предположение о том, что его можно запустить при обычных температурах, крайне спекулятивно. Тем не менее в 1989 году два уважаемых химика из Юты объявили об успешном завершении подобного эксперимента. И в течение целого года в научном мире шли горячие дебаты о том, действительно ли свершилось чудо и имел место холодный термоядерный синтез. В конечном счете это открытие перестали воспринимать всерьез, поскольку надежно воспроизвести результат эксперимента не удалось никому и нигде, и о холодном термоядерном синтезе сообщалось только в работах отдельных лабораторий, деятельность которых не финансировалась из надежных источников, а результаты не публиковались в основных физических журналах, поскольку не удовлетворяли их строгим критериям. Тем не менее и сейчас есть ученые (скорее ученые-маргиналы), которые хотят, чтобы холодный синтез действительно имел место, и все еще стараются его реализовать.
К счастью, подобных историй чрезвычайно мало, и, как и в тех случаях, о которых речь шла выше, каждый псевдонаучный мыльный пузырь раньше или позже лопается. (Хотя, как ни прискорбно, новые поколения псевдоученых раздувают новые мыльные пузыри.) В противоположность этому в науке обычно идут другим путем: первоначальные наблюдения подтверждают, уточняют, расширяют и развивают, и по мере появления новых открытий идеи становятся все глубже и глубже, все плодотворнее и плодотворнее.
Критики науки иногда утверждают: “Рассчитывать на науку нет смысла, ведь каждый день появляются новые факты, которые раньше считались ложными”. Часто как один из наиболее наглядных примеров приводят Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна. Аргументация такова: “В течение двух веков все свято верили в ньютоновскую картину мира, а затем появился Эйнштейн и показал, что великий Ньютон ошибался. И что же, Ньютона просто выбросили в мусорную корзину! Раз – и нет его! Рано или поздно то же самое случится и с Эйнштейном. И так будет продолжаться снова и снова. Поэтому ни на кого и ни на что в науке полагаться нельзя!”
Эта на первый взгляд правдоподобная интерпретация совершенно безосновательна, поскольку дает неверное представление об описанных событиях. Работа Ньютона относится к концу XVII – началу XVIII столетия. Он разработал теоретическую механику, основываясь на трех законах движения и законе всемирного тяготения, которые открыл. Это и была так называемая ньютоновская картина мира. В течение двухсот лет она позволяла с большой точностью описывать движение планет и земных механических систем. Кроме того, она прекрасно объясняла поведение газов (термодинамику), жидкостей (гидродинамику), машин, аэропланов и несказанного числа других механизмов.
Прошло двести лет, и в начале XX столетия Альберт Эйнштейн построил общую теорию относительности, описывающую пространство и время, которая в определенном смысле заменила модель Ньютона. Теория Эйнштейна несколько точнее теории Ньютона, но это не значит, что, согласно Эйнштейну, теория Ньютона далека от истины или бесполезна. Как он вообще мог прийти к такому выводу? В конце концов, теория Ньютона безотказно работала все эти годы!
На самом деле модель Ньютона вовсе не была опровергнута: она просто предстала в ином свете. Выяснилось, что его теория – предельный случай теории Эйнштейна. А именно: в теории Ньютона скорости не должны быть слишком большими, приближающимися к скорости света. Это условие выполняется для всех макроскопических объектов, таких как хоккейная шайба, человек, автомобиль “порше” или планеты. И силы гравитации тоже не должны быть слишком велики. Последнее условие выполняется как для всех земных, так и для всех солнечных гравитационных полей, где сила гравитации, существенно превышающая земную, делает возможным существование солнечной системы. Другими словами, теория Эйнштейна почти в точности совпадает с теорией Ньютона за исключением областей, где выполняются очень необычные для классической физики условия – фантастически велики скорости или невероятно велики гравитационные поля.
Будет правильно сказать, что общая теория относительности Эйнштейна лучше аппроксимирует реальность, чем теория Ньютона. Но также следует помнить, что до тех пор, пока мы остаемся в повседневном мире, предсказания теории Ньютона чрезвычайно точны, практически идеальны. Как мы уже говорили выше, сама теория Ньютона – строгое следствие теории Эйнштейна при “низких” скоростях (которые при этом гораздо больше самой быстрой из когда-либо созданных ракет) и “небольших” гравитационных полях (куда входят гравитационные поля обычных звезд и, конечно, гораздо более слабые поля планет). Теория Ньютона по-прежнему абсолютно надежна в том смысле, что ее всегда используют инженеры при строительстве мостов, ракет, спутников, кораблей и так далее. Только в тех случаях, когда речь идет о чрезвычайно точных измерениях, необходимых, например, в навигационных устройствах с использованием спутниковых систем, инженерам иногда приходится использовать теорию Эйнштейна, а также квантовую теорию, появившуюся несколько позднее.
Научные теории – это хорошая, постоянно улучшающаяся аппроксимация реальности. Теория относительности Эйнштейна и последовавшая за ней квантовая механика – лучшее приближение к реальности, чем теория Ньютона, но, вполне вероятно, что в будущем их “вытеснит” еще более точная теория. Однако даже если это и случится, прежние теории наверняка не будут “вышвырнуты в мусорную корзину”, как туда не была отправлена и теория Ньютона сто лет назад. Это просто заблуждение.
Приведем еще один пример. В XIX веке ни у кого не вызывало сомнения, что свет представляет собой электромагнитную волну. Это было прямым следствием выведенных шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом поразительных уравнений: красивая система из четырех уравнений объединяла считавшиеся ранее независимыми теории электричества и магнетизма. Как следствие этого поразительного единения появились радио, телевизор, телефон, электрические двигатели, кинофильмы, микроволновки и несчетное количество других технологических достижений XX века.
Но в 1905 году Альберт Эйнштейн, для того чтобы объяснить закономерности фотоэффекта, предположил, что, возможно, все-таки свет не является электромагнитным излучением, а состоит из частиц (корпускул)! Многие годы никто из физиков не обращал внимания на эту гипотезу. По отношению к этому вопросу Эйнштейн оставался отступником, нонконформистом, одиночкой. Но восемнадцать лет спустя, в 1920-х годах появились экспериментальные данные (главным было открытие эффекта Комптона), которые никак нельзя было объяснить, основываясь на уравнениях Максвелла. И тогда физики задумались: может, в 1905 году Эйнштейн все же был прав? Однако отсюда не следует, что Максвелл ошибался, описывая свет как электромагнитную волну. Это просто означает, что под внешним слоем картины, описывающей распространение света, скрывается еще один, более глубокий слой и что в некоторых очень необычных условиях свет демонстрирует поведение, которое можно объяснить, только приняв его корпускулярную природу. Но во всех ситуациях, где теория света Максвелла работала раньше, она продолжает и будет продолжать работать. А это значит, что эта теория применима практически во всех ситуациях, с которыми мы обычно сталкиваемся.
Еще раз: мы видим, что значения таких слов, как “истинно” и “ложно”, не столь однозначны, как нам представлялось. Теория может быть, строго говоря, неправильной, но совершенно верной для всех практических приложений! Это справедливо как для ньютоновской картины мира, о чем шла речь выше, так и для максвелловской теории световых волн. В какой-то момент каждая из них считалась универсальной, идеальной, окончательной. Но теперь мы понимаем, что данные теории имеют границы применимости. Это, однако, не означает, что они непригодны в обычных ситуациях. Действительно, старые теории лучше всего подходят, когда надо понять, что происходит в обычных ситуациях, и именно поэтому главным образом их изучают во всех курсах физики в старших классах и в университетах, и по-прежнему все инженеры используют именно их.
В настоящее время считается, что свет ведет себя двояко: иногда это волны, а иногда – частицы. Это равновесие шаткое, поскольку в реальной жизни люди не сталкиваются ни с чем, ведущим себя столь неоднозначно. Но приходится примириться с этим, поскольку таково наилучшее описание этого мистического явления. Даже Эйнштейн, создатель современного представления о свете, до конца жизни чувствовал себя обескураженно, глядя на свое создание – квант света или, как мы сейчас говорим, фотон. В 1951 году, всего за четыре года до смерти, он жаловался в письме своему старинному другу Мишелю Бессо:
Пятьдесят лет серьезных раздумий не приблизили меня к ответу на вопрос: “Что же такое квант света?” Конечно, сегодня каждый жулик думает, что знает ответ, но он себе льстит.
Возможно, когда-нибудь в будущем нам удастся прийти к более глубокому и более удовлетворительному пониманию природы света, но это лишь туманная надежда.
Кажется ли нам современное представление о свете удовлетворительным или нет, с точки зрения применений оно удивительно точно и невероятно полезно. Например, даже если точка в этом вопросе не поставлена, наших современных знаний о свете и об атоме достаточно для создания удивительных устройств, которые позволяют получить детальную картину происходящего внутри нашего тела. В частности, стало рутиной использование компьютерных томографов, основанных на методе построения послойных изображений с помощью (ядерного) магнитного резонанса. В больницах таким образом диагностируют опухоли, а в лабораториях изучают различные процессы внутри организма.
Работа компьютерных томографов основана на использовании свойств ядер атомов водорода в постоянном сильном магнитном поле и внешнем поле радиоволн. Тело человека примерно на три четверти состоит из воды; молекула воды (H2O) содержит два атома водорода и один атом кислорода. Ядро атома водорода, состоящее из одного протона, можно представить себе как совсем крошечный магнитик, ориентированный в зависимости от магнитного поля, в которое он погружен, по-разному. (Магнитное поле можно представить себе как состоящее из силовых линий, вдоль которых “хочет” расположиться протон.) Помещенные в сильное магнитное поле компьютерного томографа мириады крошечных магнитиков-протонов быстро выстраиваются вдоль него. В этот момент на образец начинают подаваться радиоволны, и магнитики-протоны, поглощая энергию радиоволн, меняют свою ориентацию. В момент, когда поле радиоволн выключается, протоны возвращаются к своей исходной ориентации, испуская при этом только что поглощенную энергию в виде исходящих радиоволн. Но теперь эти радиоволны содержат полезную информацию о положении атомов водорода. Пришедшие обратно радиоволны обрабатывают с помощью очень быстрых компьютеров и таким образом удается получить точную картину внутренности тела.
Предположим, Мари страдает от сильной хронической головной боли. Она идет к врачу, который направляет ее на компьютерную томографию. Результат показывает, что в определенном месте в мозге Мари есть что-то, напоминающее небольшое новообразование. Вскоре делают операцию, и когда хирург открывает череп, он видит опухоль именно в том месте, где ожидалось, и она имеет точно те форму и размер, которые следовало ожидать, исходя из изображения, полученного при компьютерной томографии. Хирург вырезает опухоль, Мари вскоре выздоравливает, и теперь головных болей у нее нет. Это значит, что изображение, которое хирург видел перед операцией, было правильным. Какой вывод можно сделать из этой истории?
При создании магнитно-резонансного томографа были использованы теория электромагнитного излучения (магнитных полей), теория элементарных частиц, из которых состоят ядра атомов (в данном случае протонов), и представление о силах, описывающих их взаимодействие. Хирург обнаружил опухоль именно там, где ей и положено было быть. Означает ли этот потрясающий успех (наряду с миллионами других успешных применений этих теорий), что указанные теории идеальны? Конечно, нет.
Предположим на мгновение, что однажды будет доказано посредством различных экспериментов и космологических наблюдений, что теория струн дает гораздо более глубокое понимание природы элементарных частиц, чем у нас когда-либо было. (Теория струн, уже упомянутая нами вскользь, представляет собой очень абстрактную математическую попытку описать мельчайшие строительные блоки материи, но пока еще и не имеет эмпирического подтверждения. Тем не менее многие исследователи считают эту теорию очень многообещающей. Хотя только время покажет, насколько она справедлива.) В частности, предположим, мы узнаем, что протоны и другие элементарные частицы лучше всего рассматривать как бесконечно тонкие “струны”, “вибрирующие” в десяти или одиннадцати измерениях. Если такое произойдет – хотя это и было бы необыкновенным триумфом теории струн, – это ни в коем случае не будет обозначать, что опухоль Мари, обнаруженная при помощи компьютерной томографии (которая базируется на более ранних теориях, а не на теории струн), была иллюзией!
Из этой короткой истории следует важный вывод. У многих современных физических и химических теорий есть технологические приложения: на них основаны измерительные приборы, компьютеры и так далее. И все подобные приборы работают точно так, как задумывали их изобретатели (например, показывают внутренность тела). Никогда ни одна из таких “старых” теорий не будет в каком-либо существенном вопросе противоречить более точным или более “истинным” теориям, которые могут появиться позже, скажем, через пятьдесят или сто лет. (Если бы такое произошло, это значило бы, что устройства, выполненные на основе старых теорий, были не более чем хитроумным обманом или, хуже того, вообще не могли быть изобретены или не работали.) Теории, которые еще появятся в будущем, могут оказаться и более всеобъемлющими, и более глубокими, а значит, более “истинными”, чем сегодняшние теории, но даже если это произойдет, они не обесценят их. Никогда не обнаружится, что используемые сегодня теории неверны, будет только показано, что они – менее точное приближение новых теорий.
Все это доказывает нам, что может быть хорошее, лучшее и еще лучшее научное описание реальности. Все эти “конкурирующие” описания могут обладать разными уровнями точности и качества, но все они в той или иной степени полезны и имеют область применимости. Значит, они скорее “друзья”, чем “конкуренты”: одна из них “подставляет плечо” другой тогда, когда другая оказывается менее точной. И это то, как структурируется наука.
Как работает научный метод? Чтобы объяснить это, я должен рассказать о двух способах рассуждения, позволяющих сделать вывод из имеющихся фактов: дедукции и индукции.
Дедуктивный метод вывода
Для занятий наукой требуются правила логических рассуждений, показывающие, как из посылок (предположений) прийти к обоснованному заключению. Эти правила имеют название: правила вывода. Их цель – сохранить истинность. Это значит, что, применяя какое-то правило вывода к одной или нескольким посылкам (или “входным данным”), которые истинны, можно быть уверенным, что “выходные данные” (то есть заключение) тоже будут истинны. Главное свойство любого правила вывода таково: следующий из него вывод должен быть правильным, если правильны посылки.
Правил вывода огромное количество, но я приведу только несколько примеров. Первое правило называется modus ponens, и работает оно так:
Посылка 1. Если конфорка на плите включена, то через какое-то время вода в чайнике, стоящем на этой конфорке, закипит.
Посылка 2. Правая передняя конфорка на моей плите включена.
Заключение. Вода в чайнике, стоящем на правой передней конфорке моей плиты, через какое-то время закипит.
Это логическое заключение из двух посылок, и оно должно быть верным, поскольку истинны обе посылки.
Второе правило вывода, о котором я расскажу, называется modus tollens, и вот как оно работает:
Посылка 1. Если конфорка на плите включена, то через какое-то время вода в чайнике, стоящем на этой конфорке, начнет кипеть.
Посылка 2. Вода в чайнике, стоящем на правой передней конфорке моей плиты, не закипит никогда.
Заключение. Правая передняя конфорка на моей плите не включена.
Точно так же, как и раньше, этот вывод – логическое следствие двух посылок, и, следовательно, он должен быть верен, если посылки истинны.
Первое правило используется, чтобы нечто подтвердить: Если A влечет за собой B и мы знаем A, то мы знаем и B. Второе правило вывода используется, чтобы нечто опровергнуть: Если A влечет за собой B и мы знаем, что B не имеет места, можно сделать вывод, что и A не имеет места.
Третье правило вывода, о котором пойдет речь, называется методом подтверждения. Схематически его можно продемонстрировать так:
Посылка 1. Все X обладают свойством P.
Посылка 2. A – одно из X.
Заключение. A обладает свойством P.
Предположим, что красный цвет – свойство всех спелых ягод земляники (то есть всех X). Пусть нам известно, что некий объект A – спелая ягода земляники. Тогда с полной уверенностью можно утверждать, что объект A красный.
Ниже мы увидим, как эти правила вывода применяются в науке. Важно помнить, что заключение, полученное при использовании одного из правил вывода, не обязано быть в согласии с реальностью. Ведь, в конце концов, реальности могут не соответствовать сами посылки. Вот пример:
Посылка 1. У всех собак восемь ног.
Посылка 2. Фидо – собака.
Заключение. У Фидо восемь ног.
Правило modus ponens мы использовали корректно, однако вывод, логически следующий из посылок, оказался неправилен. Дело в том, что неверна была первая посылка. Но логику “не заботит” истинность посылок; она отвечает только за корректное использование правил вывода, а здесь правило modus ponens было использовано корректно. Мы можем быть уверены, что если обе посылки правильны, то заключение, следующее из правила modus ponens, тоже должно быть правильно.
Еще одно классическое правило вывода известно как tertium non datur (иногда его еще называют “закон исключенного третьего”). Оно констатирует очевидный факт: утверждение и его отрицание не могут быть оба истинны. Например, при игре в шахматы нельзя королю и объявить, и не объявить шах. Это не имеет смысла! Земля не может одновременно быть круглой и некруглой (то есть плоской). Это бессмысленно! Точно так же лох-несское чудовище не может и существовать, и не существовать! Какой в этом смысл? Не слишком много!
Как мы увидим, это правило вывода играет существенную роль как тогда, когда речь заходит о доказательстве существования бога, так и при обсуждении большого числа других гипотез, относящихся к природе реальности.
Индуктивный метод вывода
Выше речь шла о правилах вывода, наиболее важных, когда заключение достигается методом дедукции. Наряду с этим к обоснованному заключению можно прийти и индуктивным путем, то есть, отталкиваясь от утверждений относительно одного или нескольких частных случаев, перейти к более широким обобщениям. Вот пример:
Посылка. Каждый раз, когда я выпускаю из руки камень, он падает на землю.
Это я узнал, разжимая держащую камень руку. Используя индукцию, я прихожу к более общему заключению:
Заключение. Если отпустить камень, он упадет на землю.
В отличие от дедуктивных правил, индуктивные правила вывода не гарантируют, что из правильной посылки следует верное заключение. Посылка может быть правильной, но вывод может оказаться все же ложным. Ниже пример, который с легкой руки Бертрана Рассела стал классическим.
Представьте себе индюшку в птичнике, которую каждый день в полдень кормят. Сначала это кажется ей пугающим и подозрительным. Но так происходит достаточно долго, и индюшка привыкает к этой идее. Она примечает, что каждый день, когда звонят церковные колокола (а это бывает раз в день ровно в полдень), ее кормят. Отсюда посылка: “Вплоть до этого момента всякий раз, когда звонили церковные колокола, меня кормили”. Индуктивное заключение представляет собой переход к более общему случаю: “Всякий раз, когда звонят церковные колокола, я буду получать пищу”. Через какое-то время индюшка уже сама подходит к хозяину всякий раз, когда начинает звонить колокол. Однако накануне Дня благодарения события развиваются не так, как ожидает индюшка: когда ровно в полдень звонят колокола, ее ловят и несут на кухню. Так индюшка узнала (правда, на очень непродолжительное время), что выводы, сделанные с помощью индукции, не всегда надежны. Хотя, как и в случае с камнем, часто сами выводы очень правдоподобны.
Важно не забывать, что в принципе научные выводы всегда являются предварительными. Даже если посылки для индуктивного вывода верны, заключение, как в рассказанной только что истории с индейкой, может оказаться ложным. При появлении новых фактов выводы необходимо корректировать. Строго говоря, мы никогда не сможем показать, что каждый камень, если его отпустить, упадет, но мы можем считать, что этот вывод очень правдоподобен. У нас уже накоплен большой опыт, поэтому без особого беспокойства можно предполагать, что события всегда будут развиваться согласно сценарию: камень падает на землю. Тот факт, что это заключение нельзя считать неопровержимым, полученным путем неоспоримых логических рассуждений, не означает, что относиться к нему надо скептически.
Научные исследования часто основываются на системе теоретически сформулированных проверяемых гипотез, которые можно протестировать, а затем для доказательства справедливости каких-то из них используют как индуктивные, так и дедуктивные правила. Иногда это называют “гипотетико-дедуктивный метод”.
Дедуктивные заключения всегда правильны, если верны посылки и дедуктивные шаги выполнены корректно. Но, пытаясь глубже понять окружающий нас мир, мы часто прибегаем к индуктивным правилам вывода. Поскольку правильность результатов индукции гарантировать нельзя, мы не можем быть уверены, что наши выводы всегда соответствуют реальности, даже если они получены гипотетико-дедуктивным методом.
Описать научный процесс достаточно просто: у нас появляется идея о том, как связаны некие объекты или как они функционируют. Мы предлагаем теорию, объясняющую их поведение, а затем выдвигаем систему проверяемых гипотез. (Гипотеза, имеющая объяснительную ценность, должна быть так или иначе проверяемой.) После этого начинается исследование происходящего в реальности. Согласуются ли результаты экспериментов с тем, что мы ожидали? Наши гипотезы либо подтверждаются, либо отклоняются.
Часто это итеративный, или повторяющийся, процесс. Приходится возвращаться, проверять свои идеи еще раз, улучшать их, а затем проверять снова. Резюмируя, можно сказать, что гипотетико-дедуктивный метод состоит в следующем:
1. Исходим из имеющейся теории или формулируем новую.
2. Предлагаем одну или несколько проверяемых гипотез.
3. Проверяем эти гипотезы путем наблюдений или экспериментов.
4. Результаты проверки либо укрепляют, либо ослабляют достоверность теории.
Какова в этом роль индукции? Обычно индукцию используют на первом шаге при формулировке теории. Например, если все вороны, которых мы до сих пор видели, были черными, основываясь на этом можно предположить, что все вороны в мире черные.
Случай из практики: Луи Пастер и самозарождение
Классический пример использования гипотетико-дедуктивного метода – эксперимент великого французского химика и биолога Луи Пастера (1822–1895), выполненный в середине XIX столетия. Он поставил этот эксперимент для проверки популярной в то время гипотезы о “самозарождении”.
Загадка происхождения жизни всегда ставила людей в тупик. Как на Земле появилась жизнь? Как неживая материя могла стать живой? Многие века господствовала теория “самозарождения” Аристотеля, согласно которой жизнь возникает спонтанно, сама по себе. Плодовые мушки в компостной куче и черви, размножающиеся в гниющем мясе, считались свидетельством самозарождения маленьких живых существ при благоприятных условиях. По крайней мере так полагали некоторые мыслители.
Пастер в этом был не уверен. Он взял два куска мяса. Один кусок он убрал в закрытый ящик стола, а другой оставил лежать на столе не закрытым, так что тот подвергался воздействию окружающей среды. Для проверки теории самозарождения Пастер выдвинул гипотезу: если самозарождение имеет место, черви вскоре появятся в обоих кусках. Произошло следующее: через несколько дней черви появились в куске, лежавшем на открытом воздухе, а в куске, находившемся в закрытом ящике, их не было. Пастер пришел к выводу, что его эксперимент показал ошибочность теории самозарождения. Он использовал правило вывода modus tollens:
Посылка 1. Если теория самозарождения верна, черви должны появиться в обоих кусках мяса.
Посылка 2. Черви не появились в одном из кусков мяса.
Заключение. Теория самозарождения неверна.
Серьезному ученому для окончательного вывода недостаточно одного эксперимента. Поэтому Пастер выдвинул ряд новых предположений и для их проверки поставил новые эксперименты. Со временем эксперименты с кусками мяса заставили Пастера признать теорию самозарождения Аристотеля несостоятельной.
Позднее Пастер сформулировал собственную теорию, согласно которой гниение вызывают бактерии, которые есть в воздухе. Это был первый шаг в направлении современных представлений о бактериях и инфекциях. И эта теория имела очень значимые практические приложения: благодаря ей мы сегодня знаем, как обращаться с продуктами и как избежать инфицирования ран. Последующие научные работы Пастера тоже имели очень существенное значение: например, он создал вакцину против бешенства, спасшую маленького мальчика, который стал первым человеком, выжившим после укуса бешенной собаки. В истории медицины такого еще не случалось.
Этот пример демонстрирует самую суть научного метода поиска знания. Наука старается предоставить нам точное описание реальности. Теории, не подтвердившиеся при проверке, отбрасываются. Теории, которым удалось выдержать проверку, живут дольше, но их следует тестировать и дальше. По крайней мере, именно так в идеале должна функционировать наука.
Когда же разумно принять решение, что теория достаточно адекватно описывает реальность? Ответ таков: когда теория лучше объясняет одно или большее число явлений, чем теории, которые были до того, и когда повторные проверки раз за разом дают одинаковые результаты. Теория постепенно принимается научным сообществом после того, как приходят к выводу, что исчерпаны все возможности поставить ее под сомнение. Если эту теорию к тому же реально использовать для изготовления новых экспериментальных установок и конструирования новых технических устройств, можно сказать, что она продемонстрировала свою целесообразность.
Конечно, есть определенное сопротивление признанию новых научных теорий. Чем более новаторская и удивительная теория, тем больше необходимо свидетельств, чтобы научный мир с ней согласился. В частности, именно поэтому в 1905 году столь недоверчиво была воспринята радикальная идея Альберта Эйнштейна считать свет состоящим из частиц – она была слишком кардинальна и недостаточно подтверждена экспериментально. В истории идей это был досадный эпизод, но, к счастью, такое происходит достаточно редко. На деле же нас очень выручает то, что, как правило, ученые не сразу и не слишком легко принимают любую появившуюся новую идею. Наука была бы просто невообразимой мешаниной истинных и ложных доктрин, если бы те, кто ею занимается, слишком легко, без серьезной проверки соглашались со старыми, “отправленными в отставку”, но вернувшимися как новые идеями.
Опыт и эксперименты занимают центральное место в научной деятельности. Но всегда ли мы можем полагаться на эксперименты? Ведь мог экспериментатор не учесть что-то важное, или, возможно, желание получить определенный результат повлияло на его объективность? Очень разумно с сомнением отнестись к единичному результату, особенно в том случае, когда он сильно отличается от результатов, полученных ранее.
Именно поэтому так важно, чтобы в основе тестов и экспериментов была их повторяемость. Исследователи в разных странах должны быть в состоянии повторить данный эксперимент в своих лабораториях и, конечно, получить тот же самый результат. Если теория обоснована, она должна работать, независимо от того, кто ее проверяет. А если теория общепризнана, это означает, что никому (до сих пор) не удалось обнаружить в ней прорехи. По этой причине разумно считать, что теория представляет собой хорошее описание реальности, и ее можно всячески использовать, по крайней мере до тех пор, пока не удастся описать реальность лучше.
Фальсифицируемость
В XX веке одним из наиболее известных философов науки был австриец Карл Поппер (1902–1994). Поппер ввел термин “фальсифицируемость” и утверждал, что на самом деле это понятие – основа научного прогресса.
Чтобы теория была фальсифицируемой (или принципиально опровержимой), должна существовать возможность разработать эксперимент или создать ситуацию, которая в принципе могла бы показать, что данная теория неправильна. Иными словами, должен существовать способ с достоверностью доказать ошибочность теории. Если это невозможно, теория лишена научного содержания и не имеет научной ценности.
В этом смысле опровержение – пример дедуктивного правила вывода modus tollens. У нас есть теория A, в рамках которой можно поставить эксперимент, показывающий, что если эта теория верна, то должен получиться результат B. Мы выполняем эксперимент, и оказывается, что вместо B он дает результат не-B. Тогда с помощью дедукции мы приходим к заключению, что должно быть не-A: мы фальсифицировали (опровергли) теорию A.
Согласно Попперу, в этом суть науки. Ни одна научная теория не может считаться истиной в последней инстанции; в лучшем случае она верна условно до тех пор, пока не наступит тот день, когда она будет фальсифицирована. Сам Поппер говорил об этом так:
Научный прогресс состоит в движении по направлению к теориям, которые говорят нам все больше и больше, – теориям с более богатым содержанием. Однако чем более теория говорит, тем больше она исключает или запрещает и тем больше возможности ее фальсификации. Поэтому теория с более богатым содержанием – это теория, которая может быть подвергнута более суровой проверке.
Известная игра в двадцать вопросов позволяет проиллюстрировать понятие “фальсифицируемость”. Игрок должен угадать, какой предмет (или животное, или человека) задумал напарник. Он может задать не больше двадцати вопросов, ответами на которые должны быть “да” или “нет”. Конечно, игрок старается выбрать те вопросы, ответы на которые будут наиболее информативны. Таким образом, в идеале каждый вопрос делит все возможные предметы (или животных, или людей) на две примерно равные группы, из которых одна соответствует ответу “да”, а другая – ответу “нет”. Это наиболее выигрышный путь угадать правильный ответ. (Никто не задаст вопрос, ответ на который почти наверняка известен, поскольку так он просто попусту истратит один из разрешенных двадцати вопросов.)
Направленный на проверку научной теории эксперимент – своего рода вопрос о природе реальности. Если нельзя придумать вопрос, ответом на который может быть “нет”, то это не научная теория.
Когда теория, независимо от того, какие экспериментальные вопросы поставлены, отвечает только “да”, она не является фальсифицируемой и, следовательно, не говорит нам ничего об окружающем мире. Цель науки – рассказывать об окружающем нас мире, и “да”-теории – это просто не научные, а псевдонаучные теории.
Таким образом, фальсифицируемость – способ отличить науку от псевдонауки. В автобиографии Поппер описывает свои мысли о природе науки еще до того, как он стал просветителем:
В начале этого периода я продолжил развивать свои идеи о демаркации между научными теориями (как теория Эйнштейна) и псевдонаучными теориями (как теории Маркса, Фрейда и Адлера). Мне стало ясно, что то, что делает теорию или утверждение научным, состоит в их способности отвергать или исключать возможность некоторых событий – запрещать или не допускать существование таких событий. Таким образом, чем больше теория запрещает, тем больше она нам говорит.
Выдвигая научную теорию, следует указать, при какого рода условиях вы допускаете, что эта теория окажется несостоятельной. Это знаменитый “критерий демаркации” Поппера, позволяющий отличить науку от псевдонауки. (В более общем виде “проблема демаркации” в философии науки относится к тому, как и где следует провести границу, отделяющую то, что можно считать истиной наукой. Такие разделительные линии можно провести между наукой и псевдонаукой, между наукой и религией, между наукой и суеверием.)
Математика и абсолютная истина
Существуют ли абсолютно истинные результаты, иначе говоря, факты, которые никогда не будут опровергнуты, если появятся новые данные? Да, но только в одной области науки – в математике (и в связанных с ней разделах науки, таких как логика). Математика поистине априорная наука. (Априорное знание – от латинского a priori, что значит “из предыдущего” – знание, достоверность которого не зависит от чувственного восприятия или от взаимодействия с внешним миром.)
К априорному выводу можно прийти, даже не покидая уютного кресла: не надо на ощупь выискивать что-то в окружающем мире, проводить какие-то наблюдения. Математическое знание не зависит ни от каких внешних по отношению к нему исследований. В математике все результаты выводятся логически. (Или, в крайнем случае, исходя из опубликованных математических доказательств на интересующую тему. Хотя в реальной жизни математики практически всегда сначала приходят к результату интуитивно, используя аналогии и опуская логические рассуждения. Математики, как и все остальные, часто действуют по наитию, но затем, ловко скрывая даже намек на это, пишут статьи, где отсутствует какое-либо упоминание о первоначальных догадках, все столь логически обосновано, как будто автор – робот, а не живой человек.) Это означает, что любая один раз строго доказанная математическая теорема не может быть опровергнута никакими внешними наблюдениями, измерениями или опытами. (Как уже говорилось выше, математические теоремы – утверждения, полученные из аксиом путем последовательных чисто логических рассуждений. Набор формальных символов плюс набор аксиом плюс набор правил, позволяющих вывести одну формулу из другой, составляют формальную, или аксиоматическую, систему. Теорема, выведенная в рамках такой системы, всегда в этой системе истинна.)
Конечно, даже математики должны быть в какой-то мере самокритичны. Как и всякие другие живые существа, они могут ошибаться. Несмотря на то что никакой эксперимент не может опровергнуть математический результат, доказывая ранее неизвестную теорему, можно совершить логическую ошибку. В мире науки у математики особый статус. Если в доказательстве теоремы нет ни одной ошибки, она хранится вечно в, скажем так, Музее теорем. (Внимание: теорема попадет только в Музей, относящийся к формальной системе, в рамках которой она была доказана. Для других формальных систем могут быть другие Музеи, вход в которые этой теореме воспрещен. Так, в 1931 году молодой австрийский логик Курт Гедель показал, что в любой достаточно сложной аксиоматической системе есть утверждения, которые хотелось бы назвать теоремами, поскольку они истинны, но доказать их в данной системе аксиом невозможно. Другими словами, в данной аксиоматической системе имеется достаточно существенное различие между тем, что истинно, и тем, что доказуемо. Гедель показал, что в достаточно богатой системе аксиом есть бесконечно много истинных, но недоказуемых утверждений. Потребовались десятилетия, чтобы математическое сообщество осознало этот удивительный результат, который называют “теоремой Геделя о неполноте”.)
Слепой тест и плацебо
Как избежать ошибок, исследуя мир научным методом? Конечно, нет волшебного рецепта, гарантирующего отсутствие ошибок. На протяжении веков небрежность, склонность выдавать желаемое за действительное, стремление к блеску и славе сбивали с пути многих исследователей. Но, несмотря на несовершенство человеческой природы, наука как коллективное действие обладает определенным инструментарием, помогающим не расслабляться и не сбиваться с пути истинного. (Конечно, предполагается, что ученый – человек честный.) Здесь особо важную роль, в частности для такой науки, как медицина, играют методы, известные как слепой и дважды слепой тест.
Цель таких тестов – исключить бессознательную необъективность или самообман со стороны исследователя и, когда речь идет об экспериментах с участием людей, со стороны части участников эксперимента. Сегодня мы понимаем, что в ситуациях с тестированием новых лекарств желания и установки человека могут оказать как положительное, так и отрицательное влияние на результат.
Страдающий бессонницей пациент решает обратиться за снотворным к врачу. Он может получить таблетки у врача, но тот, ничего не говоря пациенту, дает ему сахарные пилюли вместо настоящего снотворного. Пациент их принимает, и теперь у него нет никаких проблем со сном. Это называется эффектом плацебо (от латинского placebo – “буду угоден, понравлюсь [вам]”). Дело в том, что психологическое ожидание человека иногда может приводить к тем же медицинским последствиям, что и настоящее лекарство.
Эффект, противоположный эффекту плацебо, называют эффектом ноцебо (от латинского nocebo – “я поврежу”). В этом случае положительные ожидания приводят к отрицательному результату. Наглядный пример дают некоторые африканские религии, в основе которых лежит поклонение явлениям природы. Однажды из хижины в крошечной нигерийской деревушке пропал газовый генератор: кто-то его украл. Деревенский шаман созвал всех жителей деревни и заявил, что наложил проклятие на человека, укравшего генератор, и его действие уже началось: сначала у похитителя появятся проблемы с едой, потом будет сильно болеть живот и постепенно это приведет к серьезной болезни. Через несколько дней генератор неожиданно оказался на месте. Подросток почувствовал себя больным, а потом услыхал о заклинании. Он не мог нормально ни есть, ни пить и в конце концов вернул генератор. Это очень яркий пример эффекта ноцебо. Симптомы вызывает вера в магическую силу заклинания. Эффект плацебо, как и эффект ноцебо, был тщательно исследован и задокументирован.
Если мы хотим выяснить, как действует новое лекарство, необходимо избежать эффекта плацебо, для чего используют так называемый слепой тест. Это значит, что одна группа участников исследования получает настоящее лекарство, тогда как другая – нечто, выглядящее точно так же, как настоящее лекарство, но на самом деле просто пилюлю, в которой лекарства вообще нет. Никто не знает, что он получил – настоящее лекарство или “пустышку”. Другими словами, участники исследования “слепы” в отношении этой информации. Только при таком контроле тест может показать, действительно ли лекарство эффективно, а не просто сработал эффект плацебо или какое-то благоприятное стечение обстоятельств.
При испытании некоторых лекарств часто оказывается, что группа, члены которой получили “пустышки”, демонстрирует хороший положительный результат. В этом случае ясно: это эффект плацебо. При этом есть надежда, что в группе принимавших настоящее лекарство положительный эффект будет сильнее. Различие между двумя положительными результатами показывает, насколько настоящее лекарство эффективно. Если разницы между положительными результатами двух групп нет, лекарство ценности не представляет.
А что, если исследователь предубежден или принимает желаемое за действительное? Не может ли это повлиять на результаты слепого тестирования? Конечно! Именно по этой причине был разработан двойной слепой тест. В этом случае ни экспериментаторы, ни испытуемые заранее не знают, в какой группе лекарство было настоящим, а в какой раздали “пустышки”. Только после статистической обработки результатов эксперимента станет известно, кто что получил.
Слепые и двойные слепые тесты необходимы в научных исследованиях, которые предполагают воздействие на людей. Эти методы особенно важны, когда речь идет о множестве широко распространенных сегодня (особенно среди ньюэйджеров и сторонников альтернативной медицины) разнообразных псевдонаучных методов лечения и лекарств. К сожалению, подобные практики и суррогатные лекарства вводят в заблуждение и привлекают многих людей. Их жертвы не только тратят деньги зря, но и не достигают желаемого результата. Методы лечения и лекарства, обычно ассоциирующиеся с медициной ньюэйджеров и другими вариантами альтернативной медицины, практически никогда не выдерживают тщательного и серьезного тестирования слепым и дважды слепым методом.
Итак, что следует назвать альтернативной медициной, которая действительно помогает? Выходит, что настоящую медицину.
Темная сторона науки
Иногда мы сталкиваемся с представителями науки, ведущими себя по отношению к нам достаточно высокомерно. Возможно, чаще всего так бывает, когда мы имеем дело с врачами. У всех есть опыт похода к врачу, после которого остается ощущение, что вас выслушали недостаточно внимательно. Что бы там ни мелькнуло у врача в голове, все кажется ему существенно более важным, чем то, что мы, людишки, пытаемся ему сказать.
Если вас огорчает, что доктор относится к вам свысока, помните: это вина не науки, а только определенного ее представителя, заранее все решившего и потому не чувствующего необходимости выслушать вас.
Если человек занимается наукой, это еще не гарантия того, что он не мошенник. Очевидно, что как в научной, так и в любой другой культурной среде много людей со своими эмоциональными особенностями и психологическими установками. А значит, есть и исследователи, публикующие сфабрикованные результаты в погоне за успехом и славой.
А еще есть ученые, упорно не желающие признавать новые факты и результаты, поскольку, согласившись с ними, они будут вынуждены отказаться от взглядов, которых придерживались издавна и на которых строилась их карьера. За этим могут скрываться и финансовые интересы, заставляющие людей делать все возможное, чтобы посеять недоверие к новым результатам, поскольку если с ними согласиться, упадут продажи традиционных лекарственных препаратов.
Наглядный пример – исследования язвы желудка. В 2005 году Нобелевскую премию по медицине получили Барри Маршалл и Роберт Уоррен за открытие бактерии, получившей название Helicobacter pylori. (Эта бактерия была впервые обнаружена в 1982 году в слизистой оболочке желудка пациентов, страдающих хроническим гастритом.) Многие годы язва желудка считалась следствием стресса и плохого питания. Но у Маршалла и Уоррена была другая гипотеза. Они полагали, что язву вызывает какая-то бактерия. Через некоторое время Маршаллу удалось это доказать: он решился сам выпить раствор бактерий Helicobacter, и вскоре после этого у него развился тяжелый гастрит. Причинная связь была подтверждена, а затем Маршалл и Уоррен показали, что, принимая антибиотики, язву можно вылечить навсегда. До того, как подтвердилась связь между язвой и бактериальной инфекцией, болезнь обычно принимала хронический характер, и пациенты часто страдали от рецидивов.
Сначала открытие Маршалла и Уоррена было воспринято с большим скепсисом. Уж очень серьезные деньги были поставлены на карту. Поскольку фармацевтическая промышленность получала огромную прибыль от продаж всяческих лекарств от язвы, у ее представителей не было никакого интереса ставить под сомнение господствующую теорию возникновения этой болезни. Не стоит забывать, что для фармацевтической промышленности предпочтительнее, чтобы у пациентов были частые рецидивы, а не болезнь, которую можно вылечить раз и навсегда. Публикацию результатов Маршалла и Уоррена придерживали в какой-то мере и из-за того, что, если бы к их открытию отнеслись серьезно, на кону оказались бы финансовые интересы больших компаний.
Как правило, в конечном счете оказывается, что самая выгодная стратегия – поиск научных знаний. Однако на это может потребоваться гораздо больше времени, чем хотелось бы. Обычно, когда тщеславие, деньги или упрямство пытаются затормозить прогресс, к долгосрочному успеху это не приводит. Иногда ученых обвиняют в том, что они, дружески похлопывая друг друга по плечу, прикрывают чужие ошибки. Но, честно говоря, навряд ли научный мир можно обвинить в протекционизме неудачных теорий. Любой исследователь, которому удастся разнести в пух и прах общепринятую теорию, вероятно, станет и богат, и знаменит, а может, даже получит Нобелевскую премию. Это достаточно сильная мотивация попытаться опровергнуть теории!
Совместимы ли наука и религия?
Вопрос о том, совместимы ли наука и религия, обсуждается снова и снова. Этот вопрос часто оборачивается поводом для долгих и якобы глубоких размышлений.
Но на самом деле ответить на него не так уж трудно: религия и наука совместимы до тех пор, пока данная конкретная религия не выступает против научных знаний. Можно сказать проще: противоречия нет до тех пор, пока религия не высказывается об окружающем нас мире. Возьмем, например, вопрос о вере в создателя, сотворившего Вселенную из ничего и больше не игравшего никакой роли в ее жизни. На деле вера в такого бога беспредметна. Она не объясняет нам, почему мы здесь, куда движемся, как должны жить, не сообщает ничего о природе реальности.
С другой стороны, ситуация более запутанна, если человек верит в бога взыскательного, обладающего большой властью. Бог, выслушивающий молитвы и творящий чудеса, определенно не совместим с наукой. Как несовместимы и представления о том, что тело умирает, а душа бессмертна, и идея о переселении душ, и вера в другие сверхъестественные явления. И дело не в том, что такого рода идеи заведомо неверны, просто научные данные недвусмысленно указывают на то, что они ошибочны.
Еще один часто задаваемый вопрос: может ли в наши дни теология привнести что-то в науку и, наоборот, может ли наука внести вклад в теологию? На первую часть вопроса я не могу ответить иначе, чем “нет”. Правильны или нет утверждения теологии, никакие теологические вопросы не относятся к области науки (за исключением тех, что прямо противоречат ей). Однако наука может помочь теологии отказаться от некоторых предвзятых суждений, таких как утверждение о том, что люди стоят особняком и не являются результатом естественной эволюции.
Сделала ли религия что-нибудь полезное для науки? На самом деле, “да”; если посмотреть на историю науки, следует сказать, что сделала. Представление о том, что мир познаваем, исторически связано с идеей существования разумного создателя. Нет смысла посвящать себя науке, если не веришь в познаваемость мира. В этом отношении религия проложила дорогу научному прогрессу. Но, хотя идея познаваемости мира и помогла науке сделать первые шаги, гипотеза о существовании бога или какого-то разумного создателя из-за этого не становится более правдоподобной.
