Псевдонаука

3. Сборка телескопа «Джеймс Узбб» в лаборатории Центра космических полетов Годдарда НАСА. В лаборатории поддерживается стерильная чистота.

Тайна девятой планеты. Астрономы продолжают поиски гипотетической массивной планеты за пределами орбиты Нептуна, о возможном существовании которой заявили в январе 2016 года астрономы Майкл Браун и Константин Батыгин. Новое компьютерное моделирование сузило область поиска.

Группа инженеров под руководством 94-летнего Джона Гуденафа (John Goodenough), одного из создателей литий-ионного аккумулятора, разработала полностью твердотельную батарею. Она не возгорается, быстро заряжается, выдерживает больше тысячи циклов зарядки и разрядки, отлично работает на морозе и недорого стоит. Для каждого из нас, имеющих смартфоны, ноутбуки, фотоаппараты и другие гаджеты, это открытие имеет первостепенную важность.

Мы сделали лишь выборочный беглый обзор. Подобные научные новости появляются постоянно. Можно ли утверждать, что наука «топчется на месте»? Кто-то критикует науку – ради бога. Но говорить, что в ней ничего не происходит, что «наука остановилась», – это абсурд.

2. Механизмы науки. С чего начинается наука?

Почему же именно наука приносит ощутимые плоды, а лженаука – нет? Незнание ответа на этот вопрос мешает отличить настоящую науку от заблуждений и шарлатанства, понять вроде бы простые вещи: почему не работают, например, различные магические практики и ритуалы.

Чем отличается научное познание? Можно ли назвать какие-либо принципы, которые отличают научное мышление от мышления другого рода? Наука – это во многом стихия чистого творчества, успех здесь часто сопряжен со случайностью, интуицией, иногда вообще не поддается логическому объяснению. Но, вероятно, почти каждый ученый, и в первую очередь экспериментатор (теоретики могут себе позволить пофантазировать), осознанно или неосознанно соглашается с двумя мировоззренческими установками, или аксиомами:

Принцип 1. Наш мир объективно существует. То есть не является плодом нашего воображения и не исчезает, когда мы, например, спим. Также мир не является компьютерной симуляцией.

Принцип 2. Миром управляют естественные законы. То есть завтра физические законы не изменятся. Не изменятся они и послезавтра. Потусторонние силы не вмешиваются в естественный ход природных процессов. Мелкие бесенята не заставляют яблоко, оторвавшееся с яблони, улетать в космос, вместо того чтобы падать на землю. На других планетах в других галактиках точно так же действуют закон тяготения и законы электромагнетизма, свойства атомов везде во Вселенной одинаковы.

Древние греки были язычниками. В их мифологии различные боги, полубоги, нимфы, сатиры постоянно ссорились друг с другом, строили козни, обманывали и плели интриги. Сверхъестественные сущности вмешивались в жизнь простых людей, влияя на все: от удачи полководца в великой битве до глиняного горшка, падающего со стола хозяйки. Ученому-экспериментатору было бы тяжело жить в ту эпоху[3 - Ни в коем случае я не преуменьшаю достижений Античности. Но все же, по ряду причин, люди, вроде великого изобретателя-практика Архимеда, были для той эпохи скорее исключением, нежели правилом.]. Невозможно предсказать результаты последующего опыта, если завтра Гера повздорит с Дионисом, и тот, в отместку, сорвет вам важный эксперимент.

Христианская традиция, назначая единого Бога создателем всего сущего, в то же время лишала окружающую нас природу божественного статуса. Средневековый алхимик уже создавал некое подобие эксперимента, а инженеры-конструкторы брались за разработку сложных и точных устройств. Бес, как говорится, все еще мог попутать, но природа уже в принципе становилась познаваемой.

Современная наука не рассматривает влияние сверхъестественных сил на протекание природных процессов. Физические, химические, биологические, а теперь уже и психологические, и социальные явления объясняются причинами естественного характера. И судя по тому, что наука успешно развивается, это влияние либо отсутствует, либо влияет так, что мы не можем его обнаружить. Оба названных нами принципа связаны друг с другом и сообща дают нам возможность познавать окружающий нас мир. Реальность объективна. Все сущее подчинено естественным законам природы. Так говорит наука.

В науке ты никогда не знаешь наверняка, каким окажется окончательный результат. Каждое научное открытие, возникновение новой научной теории – это уникальный процесс и уникальный случай. Но есть общая схема научного исследования, различные фрагменты которой ученые так или иначе постоянно используют. С чего же эта самая наука начинается? Зачем и почему? Айзек Азимов говорил, что все начинается с любопытства:

«Любопытство, непреодолимая тяга к познанию не присущи мертвой материи, но присущи нам, людям. Ученый, берущийся разобраться с тем или иным явлением природы, вероятно, очень любопытный малый! Могучая (и часто разрушительная) сила человеческого любопытства отражена в мифах и легендах.»

Способность ученых добывать достоверные знания об устройстве мира, позволяющие развивать высокие технологии, появилась не за один день. Научная методология, как и сама наука, формировалась постепенно на протяжении многих веков: древнегреческие мыслители, средневековая философия, Декарт, Галилей, Ньютон, Лейбниц, Лаплас, Пирсон и Фишер, Поппер, Кокрейн и многие другие. Методы науки продолжают совершенствоваться и сегодня – это необходимое условие ее развития. Ведь современные научные проблемы гораздо сложнее и тоньше, чем проблемы науки XVII века.

3. Механизмы науки. От факта к гипотезе

Вооружившись любопытством, вечным спутником человечества, мы начинаем научное исследование, и отправной точкой для нас является первичный сбор данных. Мы производим акт наблюдения, фиксируем эмпирический[4 - Эмпирический факт – опытный факт, факт нашего чувственного опыта, результат наблюдения. Эмпирические науки – это науки наблюдательные, экспериментальные, иногда противопоставляются наукам теоретическим. Хотя, конечно же, они неразрывно связаны друг с другом.] факт. По легенде, именно эмпирический факт – упавшее на голову Ньютона яблоко – подтолкнуло его к открытию закона всемирного тяготения. Это, по всей видимости, всего лишь легенда, но что-то из чувственного опыта всегда наводит нас на дальнейшие размышления.

Итак, эмпирический факт зафиксирован – нам на голову упало яблоко, и мы решили изучить это явление подробнее. Что делать дальше? Выдающийся математик Анри Пуанкаре писал: «Наиболее интересными являются те факты, которые могут служить свою службу многократно, которые могут повторяться». Когда ученый выводит некоторые общие законы или закономерности, формулирует некие универсальные положения для определенного класса явлений, он должен изучить множество однотипных или похожих случаев. На этом этапе исследования происходит накопление эмпирических данных. Здесь мы уже имеем дело с методом исследования – наблюдением. Фиксация эмпирических фактов уже происходит не случайно, а целенаправленно. Физик наблюдает многократно падающие яблоки и другие тела. Астроном наблюдает множество различных звезд в телескоп, фиксируя различные особенности их свечения. Микробиолог наблюдает, как размножаются бактерии в чашке Петри. В некоторых областях науки наблюдение – единственный и главный эмпирический метод исследования. К примеру, в астрономии мы можем наблюдать только естественный ход событий (солнечную активность, движение планет, светимость звезд и галактик), никак в них не вмешиваясь.

Наглядная иллюстрация эволюции инструментов научного поиска в астрономии.

1. Фотографии звездного неба, по которым в 1930 американским астрономом Клайдом Томбо был открыт Плутон. Положение Плутона показано белой стрелкой. (Обсерватория Лоуэлла, 23 и 29 января 1930).

2. Изображение Плутона, полученное орбитальным телескопом «Хаббл» в 1994 году. На тот момент снимок являлся самой информативной и качественной фотографией карликовой планеты. Расстояние до нее от Земли 4,8 миллиарда километров.

3. Мозаика из высококачественных изображений Плутона, полученных космическим аппаратом «Новые горизонты» с расстояния в 450 тысяч километров 14 июля 2015 года.

В случае с падением яблок можно потрясти яблоню самому и вызвать «яблокопад». Воспроизведение изучаемого явления в контролируемых условиях называется экспериментом. Полный контроль над проведением эксперимента, учет возможных внешних факторов, оценка погрешностей, подробное описание методики проведения – обязательные требования к любому ученому-экспериментатору. Корректно поставленный научный эксперимент должен быть воспроизводимым в любой аналогичной лаборатории. Если другие исследователи не смогут повторить наш эксперимент, – это, скорее всего, говорит либо о наших ошибках и неучтенных факторах, либо о намеренной фальсификации (такое в мире науки, к сожалению, тоже случается).

Один из самых известных снимков, полученных телескопом «Хаббла» – «Столпы творения». Область звездообразования, находящаяся в туманности Орел на расстоянии 7000 световых лет

При любой возможности ученые стараются делать количественные замеры каких-либо параметров. В естественных науках с этим проблем нет – и физика, и химия, и во многих своих областях биология – количественные науки. В физике измерение вообще является основой любого эксперимента.

События, происходившие когда-то в далеком прошлом или происходящие непредсказуемым образом, равно как и события, невоспроизводимые в опыте, сильно затрудняют ученым работу. Многие вопросы, связанные с подобными явлениями, до сих пор остаются открытыми. Например, именно с этим связаны трудности в изучении феномена шаровых молний[5 - Интересную гипотезу о происхождении шаровых молний высказали в 2010 году австрийцы Дж. Пир и А. Кендл: возможно, свидетельства о шаровых молниях следует воспринимать, как проявление фосфенов – зрительных ощущений (галлюцинаций) без воздействий на глаз света, например, вследствие действия на зрительную кору мозга магнитных полей. После получения в 2014 году спектров шаровых молний эта гипотеза оказалась явно не исчерпывающей. Изучение феномена продолжается. Url: http://elementy.ru/news/432175 – подробный разбор.], хотя даже их устройство наука постепенно постигает.

Великолепная триада – наблюдение, эксперимент и измерение – это основа эмпирических методов познания.

Представляя образ ученого-экспериментатора, мы, конечно, сразу представляем и различные научные приборы. На заре развития науки единственными «приборами наблюдения» ученых были их органы чувств: глаза, уши, обоняние и осязание. Спустя многие века человечество ушло в своем познании окружающего мира столь далеко, что теперь с помощью одних глаз и ушей мало что узнаешь: требуется постоянное изобретение новых и совершенствование имеющихся научных приборов.

Суперкомпьютер – специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров. Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объем сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров. Области применения: криптография; процессы внутри атомного ядра; разработка ядерного оружия и энергетики; прогноз погоды; расшифровка ДНК и фолдинг белка; аэродинамические процессы для создания совершенных форм крыла, фюзеляжей самолетов, ракет.

Научная аппаратура применяется для расширения и уточнения сенсорного восприятия человека (телескопы, микроскопы), для расширения моторных операций с окружающими предметами (микроманипуляторы, дистилляторы или инкубаторы), усиливает интеллектуальные способности в задачах обработки данных (персональные компьютеры). Современные батискафы нужны, чтобы погружаться вглубь океанов и изучать подводную фауну[6 - Ни один, даже самый знаменитый, медиум, экстрасенс, телепат, гуру медитаций не предложат вам (почему-то) свои услуги по изучению дна Мирового океана. Хотя, казалось бы, открой силой мысли хоть один неизвестный науке вид рыб, и позволь океанологам проверить твое открытие – и ты навечно станешь авторитетом у всех ученых мира. Молчат экстрасенсы…], современные суперкомпьютеры – для сложнейших и длительных вычислений, огромные и дорогие аэродинамические трубы – для прикладных расчетов аэродинамических свойств летательных аппаратов. Масштабное и быстрое развитие компьютерной техники, начавшееся со второй половины XX века, породило особый метод исследования – модельный эксперимент. Компьютерное моделирование применяется во многих областях науки, обычно для очень сложных явлений: моделирование климатических явлений, моделирование работы центральной нервной системы, тренажеры в авиации, конструирование транспортных средств и пр.

Современная научная аппаратура очень сложна в производстве. Познание в некоторых областях науки ушло так далеко вперед, что для строительства новых лабораторий требуются финансовые вложения нескольких стран (ускорители частиц, нейтринные детекторы, детекторы гравитационных волн, сверхмощные телескопы и суперкомпьютеры, МКС и марсоходы). Экспериментальная наука сегодня – ужасно дорогая штука.

Галилей, делая свои великие открытия, пользовался оптическим телескопом собственного изготовления. До начала XX века альтернативы оптическим телескопам не было. Современные астрономы «разглядывают» космические бездны во всех известных диапазонах электромагнитного излучения: радиоволновом, инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-[7 - Ученые-астрономы, вооруженные дорогими и мощными приборами, не видят никаких инопланетян. Зато некоторые уфологии, сидя у себя дома, видят все.]. Мы научились изучать объекты, находящиеся от нас на расстояниях в миллионы и миллиарды световых лет. Мы открываем экзопланеты. Совсем скоро телескопы настолько повысят свою чувствительность, что мы сможем узнать состав атмосферы некоторых экзопланет. По-моему, это настоящие чудеса. Вы со мной согласны?

Сканирующий микроскоп позволяет разглядеть структуру вещества вплоть до отдельных атомов. Сверхчувствительный радиотелескоп, дополненный мощными компьютерами и сложным программным обеспечением, умеет вычленить из окружающего радиошума очень слабый радиосигнал, прибывший от далеких звезд или даже, возможно, от инопланетных цивилизаций. В специальной лаборатории по взятым образцам ДНК можно определить генетическое родство двух людей. Ни один эзотерик, мистик, астролог или экстрасенс ничего подобного сделать не сможет. Астрологи гордятся древностью своего учения, каждый раз подтверждая, что их учение за тысячелетия никак не изменилось. В науке же с развитием техники постоянно совершенствуются и средства измерения. Каждое новое поколение измерительных приборов продвигает нас все дальше и дальше в познании природы[8 - Одно из поражающих воображение творений человечества – детектор гравитационных волн. Масштабность и дерзновенность инженерной мысли можно оценить в этом видео: https://www.youtube.com/watch?v=6wYxIk8tIzk].

Чью сторону выбрать: адептов древних учений, отрицающих науку и считающих, что в их архаичных книгах написана непререкаемая истина, или же сомневающихся во всем ученых и инженеров, постоянно совершенствующих способы познания мира?

4. Механизмы науки. Обработка и интерпретация данных

После накопления большого объема эмпирических данных приходит пора их обрабатывать и систематизировать (упорядочивать). Здесь ученый старается обнаружить качественные или количественные корреляции (соответствия) между эмпирическими фактами. В современной науке накапливается такое большое количество данных, что на их обработку и перепроверку могут уходить годы. Например, за 15 лет работы один лишь орбитальный телескоп «Хаббл» получил 1 миллион 22 тысячи изображений различных небесных объектов (общий объем данных около 50 терабайт). Обработка данных на Большом адроном коллайдере заняла больше года прежде, чем было объявлено об открытии бозона Хиггса.

Не только обработка, но и сами эксперименты подчас могут длиться годами и даже десятилетиями. К примеру, одним из методов исследования в генетике, медицине и психологии является так называемый близнецовый метод. Его идея довольно проста: производится наблюдение за определенным физиологическим или психологическим признаком двух близнецов (желательно привлекать к таким исследованиям монозиготных близнецов[9 - Монозиготные, или однояйцовые, близнецы – близнецы, образовавшиеся из одной оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) при ее развитии. При таком развитии беременности матери близнецы получают идентичный генотип.], имеющих одинаковый генотип) с целью выявления относительной роли наследственности и среды в формировании данного признака. Этот метод очень продуктивен при изучении генетики поведения, инфекционных и мультифакториальных (связанных с действием многих генов) заболеваний. Так же данный метод позволяет оценить эффективность различных психологических методик и тренингов (например, для тренировки памяти). Сгодится близнецовый метод, конечно же, и для проверки эффективности астрологических прогнозов. Для серьезных исследований привлекается одновременно множество пар близнецов. Конечно же, подобные эксперименты могут занимать очень длительное время.

Близнецы-астронавты смотрят друг на друга. Скотт Келли справа, Марк Келли слева, но это не точно.

Не так давно НАСА провело беспрецедентный космический близнецовый эксперимент «NASA Twins Study». Астронавт Скотт Келли пробыл на борту МКС 340 дней, в то время как его брат-близнец и тоже астронавт Марк Келли находился на Земле. Данная научная программа предполагает изучение влияния условий долговременного пребывания в космосе на организм человека. С момента начала эксперимента прошло ровно два года, и только теперь появились первые результаты исследования.

На уровне обобщения, систематизации и интерпретации результатов уже начинается теоретическое осмысление фактов. В изученных явлениях и проведенных опытах пытаются увидеть некую общность, определенные закономерности. Да, яблоки падают только вниз. Так же падают и другие тела: камни, листья. Обобщая и интерпретируя факты, ученые используют различные логические методы, например индукцию и экстраполяцию. Индукция (рассуждение от частного к общему) позволяет вывести общее описание для некоторого класса явлений. Экстраполяция позволяет распространять выводы об изученных объектах на другие, родственные объекты.

Производя интерпретации (объяснения) результатов наблюдений и экспериментов, ученый должен быть осторожен. Уж очень хрупок лед, под которым простирается глубокое озеро выдумок и домыслов. Поспешные выводы чаще всего ведут к ошибкам и курьезным ситуациям. К примеру, медицинские опыты над животными несут много важной информации, но экстраполяция выводов с животных на человека далеко не всегда возможна. Например, фармакокинетика (распространение лекарства в крови и выведение его) человека отличается даже от фармакокинетики шимпанзе. Если какое-то химическое вещество проявляет нужную активность при лечении рака у крыс, из этого вовсе не следует успешность применения данного вещества для человека. Другой пример – сомнительность многих выводов в классической психологии, когда теоретические обобщения разными авторами делались на основании описанных наблюдательных случаев отдельных пациентов.

Опасности экстраполяций иллюстрирует яркий пример из истории физики, связанный с открытием явления сверхпроводимости. К началу XX века считалось, что электрическое сопротивление металлов должно линейно уменьшаться с уменьшением температуры. Опытная проверка этой зависимости была затруднена техническими сложностями охлаждения веществ до сверхнизких температур, и физики просто экстраполировали известные знания, считая, что при охлаждении металлов до абсолютного нуля температур сопротивление тоже будет плавно уменьшаться до нуля (см. рис. ниже).

В 1908 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес сумел получить жидкий гелий и довести его до температуры 1 К[10 - К или Кельвин, – единица измерения температуры в физике. Температура в 1 К соответствует значению минус 272 °C.]. С помощью него он изучил электрические свойства металлов при низких температурах. В 1911 году он неожиданно обнаружил, что при температуре около 4 К сопротивление ртути резко спадает до нуля. Так было открыто явление сверхпроводимости. То есть теоретическая экстраполяция оказалась неверной. Впоследствии было открыто множество других сверхпроводящих веществ, в том числе проявляющих эти свойства при достаточно высоких температурах (60 К, 78 К и даже 166 К), что дает возможность использовать сверхпроводники в различных сферах человеческой деятельности.

1. Зависимость сопротивления ртути Я от температуры TV теоретическая ожидаемая зависимость

2. Магнит левитирует над высокотемпературным сверхпроводником, помещенным в жидкий азот. Благодаря так называемому эффекту Мейспера физики научились осуществлять левитацию объектов

3. Зависимость сопротивления ртути R от температуры Т, фактическая зависимость.

Обработав весь массив накопленной информации, мы получим некоторое эмпирическое обобщение или эмпирический закон. Здесь мы можем не углубляться во внутреннюю сущность явления, но «в результате многочисленных наблюдений и экспериментов» знаем, что оно устроено именно так. Примеры эмпирических законов: законы Кеплера о движении планет, закон Ома для участка электрической цепи, законы Менделя в генетике и классический закон сохранения энергии.

Французская академия наук с 1775 года перестала принимать к публикации работы о вечных двигателях. В чем, казалось бы, причина, ведь на тот момент не было никаких глубоких теоретических исследований, доказывающих принципиальную невозможность их построения? Все дело в том, что накопился обширный и разносторонний отрицательный опыт. И научное сообщество Франции решило, что тратить свое время на подобные вещи и подобных «изобретателей» не нужно. Сейчас мы можем показать и на фундаментальном уровне, почему вечный двигатель невозможен (статистическая физика и понимание феномена энтропии не дадут соврать). Но тогда было достаточно и эмпирических обобщений. По той же самой причине научное сообщество весьма скептически относится и к заявлениям об экстрасенсорных способностях. «Наизучались уже, хватит», – говорят ученые. Факты, предъявляемые самоназванными экстрасенсами, должны быть поистине нокаутирующими, чтобы наука начала с ними работать[11 - Совсем недавно ЦРУ опубликовало секретные материалы за 50 лет своей работы. Массив насчитывает 775 тысяч документов, в том числе содержит и файлы об изучении феномена НЛО и изучении паранормальных способностей. Url: https://ruposters.ru/news/07-02-2017/ssha-opasalis-diplomatov-ekstrasensov].

Правильная интерпретация эмпирических данных здесь играет первостепенную роль: все ли факторы, повлиявшие на проведение эксперимента, учтены; насколько верно оценена погрешность измерений; является ли корреляция между данными действительным следствием причинно-следственной связи между явлениями. Процесс обработки полученных данных, выявление ошибок и неточностей, определение погрешностей могут занимать достаточно большое время. Выдающийся советский физик Петр Капица вспоминал о своем опыте работы с Эрнестом Резерфордом, автором планетарной модели атома:

«Резерфорд хорошо знал, какая опасность таится в необъективности интерпретации экспериментальных данных, имеющих статистический характер, когда ученому хочется получить желаемый результат. Обработку статистических данных он проводил очень осторожно; интересен метод, который он применял. Счет световых вспышек проводили обычно студенты, которые не знали, в чем заключается опыт. Кривые по полученным точкам проводили люди, которые не знали, что должно было получиться. Насколько мне помнится, Резерфорд и его ученики не сделали ни одного ошибочного открытия, в то время как их было немало в других лабораториях».