Лобовая атака на научный метод
Спекулятивные теории не требуют экспериментальной проверки, чтобы считаться научными, по мнению некоторых исследователей. Такой подход подрывает науку, критикуют Джорджа Эллиса и Джо Силка.
За последний год дебаты в физике приняли тревожный оборот: не все фундаментальные теории могут быть проверены наблюдениями, и некоторые ученые призывают к корректировке подхода к теоретической физике. Если теория достаточно элегантна и осмысленна, - призывает она, - ее не нужно проверять экспериментально - это противоречит многовековой философской традиции, согласно которой научное знание должно быть сначала подтверждено эмпирическими данными. Мы резко критикуем новый подход, потому что, как уже сказал философ науки Карл Поппер: «Каждая научная теория должна быть фальсифицируемой».
Сторонниками принципа «достаточно элегантности» являются в основном струнные теоретики. Потому что теория струн считается единственным способом объединить четыре основных физических взаимодействия, и поэтому она должна содержать по крайней мере крупицу истины, даже если она основана на дополнительных измерениях, которые мы никогда не сможем понять. Некоторые космологи также хотели бы воздержаться от экспериментальной проверки эстетических гипотез, если они происходят в непостижимых рамках, таких как калейдоскопическая мультивселенная (состоящая из бесчисленных вселенных), «многомировая интерпретация» квантовой механики (в которой измерения вызывают параллельные ветви реальности) и концепции до Большого Взрыва.
Эти непроверяемые гипотезы коренным образом отличаются от тех, которые относятся непосредственно к реальному миру и могут быть проверены посредством наблюдений - таких как Стандартная модель физики элементарных частиц или существование темной материи и темной энергии. С нашей точки зрения, теоретическая физика рискует выродиться в нейтральную полосу между математикой, физикой и философией, не отвечая на самом деле ни одному из требований каждой из них.
Проверяемость теорий была проблемой в течение десятилетия, хотя и довольно подсознательной. В книгах и статьях авторы критиковали теорию струн и идею мультивселенной, в том числе Джордж Эллис. В марте 2014 года теоретик Пол Стейнхардт написал в журнале Nature, что космологическая теория инфляционной Вселенной больше не должна называться научной. Потому что она настолько адаптируема, что ее можно согласовать с любым экспериментальным результатом. Теоретик и философ Ричард Дэвид и космолог Шон Кэрролл противопоставляют этой критике философские аргументы, чтобы ослабить требования проверяемости фундаментальной физики.
Давид, Кэрролл и другие физики выдвинули эту тему на первый план, и мы приветствуем это. Но радикальный шаг, за который они ратуют, требует тщательного обсуждения. В конце концов, это противоречие в сердце и душе физики начинается в то время, когда научные открытия - от исследований климата до теории эволюции - ставятся под сомнение некоторыми политиками и религиозными фундаменталистами. Сейчас речь идет о том, чтобы свести к минимуму возможный ущерб общественному доверию к науке и природе фундаментальной физики посредством углубленного диалога между учеными и философами.
Теория струн
Согласно теории струн, весь мир состоит из крошечных пространственно одномерных объектов, называемых струнами, а также многомерных объектов, называемых бранами, которые существуют в многомерных пространствах. Дополнительные измерения плотно закручены и, следовательно, слишком малы, чтобы их можно было обнаружить при энергиях столкновения, которых может достичь будущий практический ускоритель частиц.
В принципе, некоторые аспекты теории струн можно даже проверить экспериментально. В соответствии с симметрией между фермионами и бозонами, которая является центральной в теории струн, но все же гипотетической - известной как суперсимметрия - каждая частица, например, должна иметь пока еще неизвестного партнера. Такие частицы-партнеры пока не обнаружены и на Большом адронном коллайдере в исследовательском центре CERN недалеко от Женевы. В результате диапазон энергий, в котором может проявиться суперсимметрия, становится все более и более суженным. Если суперсимметричные частицы продолжат ускользать от обнаружения, мы никогда не узнаем, существуют ли они на самом деле. Потому что сторонники этой идеи всегда могут утверждать, что массы частиц выше изученных до сих пор энергий.
По словам Давида, правильность теории струн может определяться философскими и вероятностными соображениями исследовательского процесса. Он опирается на байесовский подход - этот статистический метод можно использовать для указания вероятности того, что утверждение правильно описывает определенную ситуацию, - и приравнивает подтверждение к увеличению вероятности того, что теория верна или правдоподобна. Однако это увеличение вероятности может быть чисто теоретическим. Поскольку «никто не нашел хорошей альтернативы» и «теории без альтернатив часто доказывали свою эффективность в прошлом», утверждает Дэвид, теорию струн следует считать обоснованной.
И это произвольно снижает планку, как мы думаем. В то время как доверие к научной теории обычно растет, когда эмпирические данные подтверждают эту идею, Дэвид предполагает, что только теоретические данные подтверждают эту уверенность. Но не все выводы, которые можно логически сделать из математики, применимы и к реальному миру. В экспериментах оказалось ошибочным множество красивых и простых теорий - от равновесной или стационарной теории космологии до SU(5)-теории физики элементарных частиц, в которой могут сочетаться электрослабые и сильные взаимодействия. Представление о том, что фундаментальные истины о мире могут быть выведены за пределы проверенных фактов (индуктивизм), было отвергнуто Карлом Поппером и другими философами 20-го века.
Мы не можем знать наверняка, что альтернативных теорий не существует. Может быть, мы просто еще не нашли его. Предпосылка также может быть неправильной. Потому что может не быть необходимости во всеобъемлющей теории четырех фундаментальных взаимодействий, если гравитация, приписываемая искривлению пространства-времени, отличается от сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами. Кроме того, теория струн с ее многочисленными вариантами даже не имеет четкого определения. На наш взгляд, такая единая теория подобна фальшивому чеку.
Много мультивселенных
Идея мультивселенной основана на загадке: почему значения природных констант, таких как постоянная тонкой структуры, которая описывает силу электромагнитного взаимодействия, или космологическая постоянная, которая связано с ускоренным расширением Вселенной, просто внутри нее очень узкий диапазон, в котором может развиваться жизнь? Согласно теории мультивселенной, существуют миллиарды ненаблюдаемых параллельных вселенных, в которых встречаются все возможные значения этих констант. Так что вселенная, подобная нашей, должна где-то существовать, как бы маловероятно это ни было.
Ряд физиков считают, что Мультивселенная непобедима в объяснении многих других удивительных совпадений. Например, трудно понять низкое значение космологической постоянной, которое на 120 порядков меньше значения, предсказываемого квантовой теорией поля.
В прошлом году Кэрролл, как представитель гипотезы мультивселенной и многих миров, отклонил критерий фальсифицируемости Поппера как "неуклюжий инструмент". Вместо этого он называет два других условия: Научная теория должна быть «ясной» и «эмпирической». Под «ясным» Кэрролл подразумевает, что теория «делает точные и недвусмысленные утверждения о природе реальности». Со вторым требованием - эмпирическим - он соглашается с общепринятым определением, согласно которому об успехе или неудаче теории можно судить по тому, согласуется ли она с предыдущими данными.
Недоступные области могут иметь «драматический эффект» на нашем космическом заднем дворе, сказал Кэрролл, и это объясняет, почему космологическая постоянная настолько мала в областях пространства, которые мы можем наблюдать. Однако в рамках теории мультивселенной такое объяснение всегда может быть предложено, независимо от того, что измеряют астрономы. Поскольку не только каждая мыслимая комбинация космологических параметров должна где-то встречаться, теория также содержит множество переменных, которые можно регулировать. Другие теории, такие как унимодулярная гравитация - модифицированная форма общей теории относительности - также могут объяснить, почему космологическая постоянная мала.
Но физики также разработали поддающиеся проверке варианты теории мультивселенной: например, версию Леонарда Сасскинда можно было бы опровергнуть, если бы удалось доказать отрицательную кривизну пространства Вселенной. Однако это открытие ничего не говорит о многих других вариантах. В конечном итоге идея мультивселенной основана на теории струн, которая пока не подтверждена, и на спекулятивных механизмах, допускающих разную физику в разных параллельных вселенных. Поэтому, на наш взгляд, эта гипотеза не является устойчивой, не говоря уже о проверке.
В многомировой интерпретации квантовой механики, предложенной физиком Хью Эвереттом, квантово-механические вероятности также влияют на макроскопический мир. Согласно Эверетту, каждый из знаменитых котов Шредингера будет реализован в своей собственной вселенной: мертвый и живой, то есть независимо от того, были ли они отравлены в своем запертом ящике, в зависимости от того, произошел ли радиоактивный распад. Даже если мы примем решение - даже если мы просто сейчас идем налево, а не направо - альтернативная вселенная выскакивает из квантового вакуума каждый раз, когда мы выбираем другой вариант, например, идем направо.
Таким образом, миллиарды вселенных - и галактик и копий каждого из нас - накапливаются без связи между ними или проверки их существования. Но должны ли на самом деле быть копии нас в каждом мире этой мультивселенной, а если их было бесконечное множество, то какое «я» мы воспринимаем в данный момент? Каждая ли ваша копия предпочтительнее любой другой? И как я могу знать, какова «истинная» природа реальности, когда одно «я» говорит за мультивселенную, а другое нет?
Мы считаем, что космологам следует прислушаться к предостережению математика Дэвида Гильберта: хотя для завершения математики требуется бесконечность, ее нет нигде в материальной вселенной.
Пройти тест
Мы можем только согласиться с физиком-теоретиком Сабиной Хоссенфельдер: постэмпирическая наука - это оксюморон (см., например, здесь и здесь). Такие теории, как квантовая механика и теория относительности, выдержали испытание временем, потому что их предсказания прошли множество проверок. Тем не менее, многочисленные исторические примеры показывают, как элегантные и убедительные идеи вводили исследователей в заблуждение в отсутствие адекватных данных - от геоцентрического мировоззрения Птолемея до вихревой модели атома лорда Кельвина и вечно стабильного состояния Вселенной Фреда Хойла..
Переоценка важности тех или иных теорий может иметь серьезные последствия - на карту поставлен научный метод. Утверждение, что теория настолько хороша, что само ее существование может заменить все данные и проверки, сопряжено, с нашей точки зрения, с большим риском: это создает у студентов и общественности неправильное представление о том, как следует заниматься наукой. Кроме того, это может открыть шлюзы для псевдоученых, которые будут притворяться, что их идеи соответствуют аналогичным требованиям.
Что делать? Физики, философы и другие ученые должны изменить научный метод, чтобы он мог работать с современной физикой. С нашей точки зрения, проблема может быть сведена к выяснению одного вопроса: какие возможные доказательства можно было бы найти из наблюдений или экспериментов и убедить в том, что теория ошибочна и от нее нужно отказаться? Если нет, то это не научная теория.
Эта дискуссия должна проводиться в формальных философских рамках. Конференция должна быть проведена в этом году, чтобы сделать первые шаги. Среди гостей будут сторонники из обоих лагерей дебатов о проверяемости.
До тех пор редакторы журналов и издатели могли классифицировать спекулятивные исследовательские работы по другим категориям - скажем, математической космологии, а не физической космологии, в зависимости от потенциальной возможности проверки. Можно было бы также пересмотреть преобладание такой деятельности на некоторых физических факультетах и институтах. Теория может носить титул «научная» только в том случае, если ее можно проверить. Только так мы можем защитить науку от нападок.