Изучение научного подхода

Прежде чем вы сможете выяснить, является ли теория струн научной, вы должны спросить: "Что есть наука?" Наука это методические попытки понять и предсказать последствия явлений природы. Это делается с помощью двух различных, но тесно связанных методов: теория и эксперимент. Не все науки были созданы равными. Некоторые науки работают с диаграммами и математическими уравнениями. Другие - с дорогой аппаратурой для экспериментов. А другие формы науки, столь же дорогие, включают наблюдение далеких галактик, ища ключи к тайне мироздания.

Теория струн потратила больше 30 лет, в основном фокусируясь на теоретической стороне научного уравнения и, к сожалению, недостаточно на экспериментальной стороне, на что никогда не смущаются указывать критики. В идеале, разработанные теории, в конечном счете будут подтверждены экспериментальными данными.

Миф о научном методе

Когда-то в школе, меня учили, что наука следовала хорошим, простым правилам, названным научным методом. Эти правила классическая модель научного исследования основываются на принципах редукционизма и индуктивной логики. Другими словами, вы берете наблюдения, раскладываете их (часть редукционизма) и используете их, чтобы создать обобщенные законы (индуктивная логическая часть). История Теорий струн, конечно, не следует этой хорошей классической модели. В школе этапы научного метода на самом деле немного отличаются в зависимости от учебника, который я читал в этом году, хотя в них обычно излагались главным образом общие элементы.

Часто, они были очерчены как ряд пунктов пронумерованного списка:

• Наблюдайте явление: Взгляните на его природу

• Сформулируйте гипотезу: Задайте вопрос (или предложите ответ)

• Проверьте гипотезу: Проведите эксперимент

• Проанализируйте данные: Подтвердите или отклоните гипотезу

Раскладывая природу с Бэконом

Идеи научного метода часто прослеживают от книги Фрэнсиса Бэкона 1620 года Novum Organum (Новый органон). Он предложил, что редукционизм и индуктивное рассуждение могут использоваться для достижения фундаментальных истин о причинах природных явлений. В бэконовской модели ученый раскладывает природные явления на составные части, которые затем сравнивает с другими компонентами на основе общих тем.

Эти восстановленные категории затем анализировали с помощью принципов индуктивного мышления.

Индуктивное рассуждение это логическая система анализа, когда вы начинаете с определенных истинных заявлений и создаете обобщенные законы, которые могут относиться ко всем ситуациям, находя общности между наблюдаемыми истинами. В некотором смысле, это научный метод, является мифом. Я получил ученую степень по физике, диплом с отличием и ни разу в курсе физики не был задан вопрос о научном методе. (В действительности об этом шла речь в курсе научной философии)

Оказывается , что нет ни одного научного метода, которому следуют все ученые. Ученые не смотрят на список и не думают, “ну, я наблюдал свое явление в течение дня. Пора сформулировать свою гипотезу. Вместо этого наука это динамическая деятельность, которая включает непрерывный, активный анализ мира. Это взаимодействие между миром, который мы наблюдаем и миром, который мы осмысливаем. Наука представляет собой перевод между наблюдениями, экспериментальными данными, и гипотезами и теоретическими рамками, которые построены, чтобы объяснить и подробно разобраться в этих наблюдениях. Те не менее основные идеи научного метода, как правило, стабильны.

Это не жесткие правила, а скорее руководящие принципы, которые могут быть объединены различными способами в зависимости от того, что изучается. Потребность в экспериментальной фальсифицируемости Традиционно, идея состояла в том, что эксперимент может или подтвердить или опровергнуть теорию. Результат эксперимента приводит к положительным доказательствам, если он поддерживает теорию, в то время как результатом, который противоречит гипотезе, являются отрицательные доказательства. В 20-м веке возникла идея, что ключем теории является то, что делает его научной - может ли она каким-то образом быть ложной. Этот принцип фальсифицируемости может быть спорным применительно к теории струн, которая теоретически исследует энергетические уровни, которые не могут в настоящее время ( или, возможно, никогда) непосредственно изучены экспериментально.

Некоторые утверждают, что поскольку теория струн в настоящее время не проходит тест фальсифицируемости , это как-бы не "настоящая наука". Основное внимание этой фальсифицируемости восходит к книге 1934 года философа Карла Поппера Логика научного открытия.

Он был против редукционистских и индуктивных методов, которые Фрэнсис Бэкон популяризировал три столетия раньше. В то время, которое характеризовалось подъемом современной физики, казалось, что старые правила больше не применимы. Поппер считал, что принципы физики, возникли не простым осмотром небольших кусков информации, а путем создания теорий, которые были неоднократно проверены и не оказались ложными. Он утверждал, что одни наблюдения не могут привести к этим знанием, поскольку они никогда не вместятся в положения, которые будут доказаны ложными.

В крайней форме, этот акцент на фальсифицируемость утверждает, что научные теории не говорят вам ничего определенного о мире, а лишь о лучших догадках о будущем, основанных на прошлом опыте. Например, если я предсказываю, что солнце будет подниматься каждое утро, я могу проверить это наблюдением в свое окно каждое утро в течение 50 дней. Если солнце встает каждый день, я не доказал, что солнце поднимется на 51-й день. После того, как увижу восход на 51-й день, я буду знать, что мое предсказание вновь сбылось, но я ничего не доказал о 52-м дне, 53-м, и так далее. Независимо от того, насколько хорошо научное предвидение, если вы можете запустить тест, который показывает, что оно ложно, вы должны отбросить идею (или, по крайней мере, изменить вашу теорию, чтобы объяснить новые данные).

Это вынудило биолога 19-го века Томаса Генри Хаксли определить большой трагедией науки - “убийство красивой гипотезы уродливым фактом”. Для Поппера, это было далеко не трагично, а наоборот блеском науки. Определяющей составляющей научной теории, которая отделяет ее от простого предположения, является то, что она допускает проверку на фальсифицированность. Требования Поппера иногда спорны, особенно когда их использует ученый (или философ), чтобы дискредитировать всю область науки. Многие все еще полагают, что сокращение и индуктивное рассуждение могут, фактически, привести к созданию значащих теоретических основ, которые представляют реальность как она есть, даже если нет не предъявлено требование к фальсифицируемости.

Основатель Теории струн Леонард Сасскинд просто приводит этот аргумент. Он верит не в фальсифицируемость, а скорее в подтверждение — у вас могут быть прямые положительные доказательства теории, а не просто отсутствие отрицательных доказательств против него. Эта точка зрения проистекает из онлайн дебатов между Сасскиндом и физиком Ли Смолиным (См. www.edge.org/3rd_culture/smolin_susskind04/smolin_susskind.html). Дебатируя Сасскинд перечисляет несколько примеров теорий, которые были заклеймены как нефальсифицируемые: бихевиоризм в психологии наряду с моделями кварка и инфляционной теорией в физике. В примеры он приводит случаи, когда ученые считают, что некоторые характеристики не могли быть исследованы, но в дальнейшем были развиты методы, что позволило им быть провереными.

Однако есть различие между неспособностью сфальсифицировать теорию на практике и неспособностью сфальсифицировать ее в принципе. Может показаться будто эти дебаты подтверждения и фальсифицируемости являются академическими. Это, вероятно, верно, но некоторые физики рассматривают теорию струн как сражение за сам смысл физики. Многие критики теории струн полагают, что она по сути нефальцифицирируема, в то время как струнные теоретики считают, что механизм проверки (и фальсифицируемости) предсказаного теорией струн будет найден.

Основой теории является математика. В физике строятся сложные математические модели, которые представляют основные физические законы, которым следует природа. Эти математические модели - реальные физические теории. На их основе физики могут касаться значимых событий реального мира через эксперимент и другие средства. Наука требует как эксперимента так и теории для построения объяснения того, что происходит в мире.

Перефразируя Эйнштейна, наука без теории хромает, а наука без эксперимента слепа. Если физика построена на фундаменте экспериментального наблюдения, то теоретическая физика является проектом, который объясняет, как эти наблюдения согласуются друг с другом. Выводы теории должно выйти за детали определенных наблюдений и соединить их по-новому. В идеале, эти соединения выведут на другие предсказания, проверяемые экспериментально. Теория струн еще не сделала это значительный шаг от теории к эксперименту. Значительная часть работ в теоретической физике разрабатывает математические модели, часто включая упрощения, которые не обязательно реалистичны, которые могут использоваться, чтобы предсказать результаты будущих экспериментов.

Когда физики “наблюдают” частицу, они в действительности смотрят на данные, содержащие ряд чисел, которые они интерпретировали как наличие определенных особенностей. Когда они смотрят в небо, они получают показания энергии, которые соответствуют определенным параметрам и объяснениям. Для физиков это не “просто” числа; они - ключи к разгадке понимания вселенной. Физика высоких энергий (которая включает в себя теорию струн и другую физику в высоких энергий) существует интенсивное взаимодействие между теоретическим пониманием и экспериментальными наблюдениями.

Научно-исследовательских работы в этой области попадают в одну из четырех категорий:

• Эксперимент

• Каркас (компьютерное моделирование)

• Феноменология

• Теория

Феноменология - исследование явлений (никто никогда не говорил, что физики были творческими людьми когда дело доходит до наименований), и их связь в рамках существующей теории. Другими словами, ученые сосредотачиваются на существующей теории и ее применении к существующим фактам или строят модели, описывающие ожидаемые факты, которые могут быть вскоре обнаружены. Затем они делают предсказания о том, какие экспериментальные наблюдения должны быть получены. Конечно, феноменология гораздо глубже, но это основы того, что вам нужно знать, чтобы ее понять по отношению к теории струн.) Это интригующая дисциплина, которая, в последние годы, начала сосредотачиваться на суперсимметрии и теории струн.

Когда я расскажу, как можно проверить теорию струн в Главе 12, это в значительной степени работа феноменологов, которые говорят ученым, что они ищут. Хотя научное исследование может быть проведено различными методами, конечно существуют наложения. Феноменологи могут работать над чистой теорией и также конечно могут провести компьютерное моделирование. Кроме того, до некоторой степени, компьютерное моделирование может быть рассмотрено как процесс, который является и экспериментальным и теоретическим. Но что общего у всех этих подходах так это то, что научные результаты выражаются на языке науки: математики.

Правило простоты

В науке, одной из целей является создание наименьшего количество "сущностей" или правил, необходимых для объяснения, как что-то работает. Во многих отношениях, история науки рассматривается как прогрессия упрощения сложного набора законов природы во все меньшее количество фундаментальных законов. Возьмите Бритву Оккама, которая является принципом, разработанным в 14-м веке францисканским монахом и логиком Уильямом Оккама. Его “закон экономии доводов” в переводе с латыни - "Не следует привлекать новые сущности без крайней на то необходимости». (иными словами, будьте проще.) Альберт Эйнштейн лихо заявил аналогичное правило - "Сделать все как можно более простым, но не проще."

Хотя сам закон и не научный, Бритве Оккама, как правило, следуют ученые формулирующие свои теории. В некотором смысле, теория струн, кажется, нарушает Бритву Оккама. Например, чтобы теория струн была рабочей требуется добавление многих странных компонентов (дополнительных измерений, новых частиц и других особенностей, упомянутых в Главах 10 и 11), чего ученые еще фактически не наблюдали. Однако, если эти компоненты действительно необходимы, то теория струн соответствует Бритве Оккама.

Роль объективности в науке

Некоторые люди полагают, что наука совершенно объективна. И, конечно, наука объективна в том смысле, что принципы науки могут быть применены кем угодно с полученим тех же результатов. Однако идея, что ученые самостоятельно неотъемлемо объективны, хороша, но это почти столь же верно как понятие чистой объективности в журналистике. Споры по теории струн демонстрируют, что обсуждение не всегда совершенно объективны. По своей сути, споры оканчиваются различиями во мнениях о том, как рассматривать науку.

По правде говоря, ученые делают выбор постоянно, что носят субъективный характер, подобно тому, как сформулировать вопрос. Например, когда основатель теории струн Леонард Сасскинд встретился с лауреатом Нобелевской премии Мюрреем Гелл-Манном, Гелл-Манн смеялся над самой идеей вибрирующих струн. Два года спустя, Гелл-Манн захотел услышать об этом побольше. Другими словами, физики люди.

Они изучили трудную дисциплину, но это не делает их безошибочными или неуязвимыми от гордости, страсти или любой другой человеческой слабости. Мотивация их решений может быть финансовой, эстетичной, личной, или любой другой, влияющей на человеческое решение. Степень, в которой ученый опирается на теории по сравнению с экспериментом руководствуясь в своей деятельности еще один субъективный выбор. Эйнштейн, например, говорил о том, каким образом «свободные изобретения человеческого разума" (чистые физические принципы, зачатые в уме и с помощью точного применения математики) могут быть использованы для восприятия глубоких истин природы, которые чистый эксперимент никогда не достигнет.

Конечно, никогда эксперименты не подтверждали свои "свободные изобретения," маловероятно, что я или кто-либо другой будет ссылаться на него столетие спустя.

Отрывок из книги "Теория струн для «чайников»"