Когда у обычного человека есть «теория», он просто догадывается. Но для учёного теория — это вершина наших достижений.
Когда кто-то говорит вам, что у него «есть теория», вы, скорее всего, относитесь к этому с любопытством и скептицизмом, и на то есть веские причины. Чаще всего вы услышите дикую историю, состоящую из правдивых и сомнительных фактов, возможных, но подозрительных связей между ними, предположений, варьирующихся от обоснованных гипотез до экстравагантных спекуляций, и важной оговорки в конце: у них нет доказательств, поскольку это «всего лишь теория». В обычном, неформальном употреблении слово «теория» употребляется так же небрежно, как и такие слова, как:
гипотеза,
предположение,
догадка,
идея,
или интуиция,
среди прочих. Другими словами, если кто-то поделится с вами своей любимой теорией на этот счёт, вы можете отнестись к ней с юмором, но будете вполне в состоянии отмахнуться от их «теории», не придавая ей слишком большого значения.
Но некоторые люди берут это неформальное определение теории — как гипотезы, предположения или идеи — и применяют его к научным вопросам. Они утверждают, что дарвиновская эволюция, Большой взрыв, гравитация и квантовая механика — это тоже всего лишь «теории», и поэтому их нельзя принимать за факты. Некоторые даже будут ссылаться на ныне дискредитированные научные идеи, такие как теория флогистона или ламаркианская теория эволюции, или на очень спекулятивные идеи, в названии которых есть слово «теория», например Великая объединённая теория или теория струн, чтобы доказать, что многие из наших лучших, принятых в настоящее время теорий в конечном итоге окажутся неверными.
Но это в корне нечестный аргумент, как быстро поймёт любой учёный. Вот что каждый должен знать о том, что на самом деле означает слово «теория»: в науке, математике и не только.
В разговорном языке «теория» — это просто «идея».
В повседневной жизни слово «теория», которое мы слышим, — это просто то же самое, что и слово «идея». Мы не делаем различий между тем,
хорошая она или плохая,
обоснованная она или необоснованная,
научная она или ненаучная,
среди других возможных классификаций этого понятия. В повседневной жизни у каждого из нас есть друг, сосед или родственник, у которого есть довольно странные идеи — что-то вроде «Луна — это голограмма» или «тайная раса людей-ящериц контролирует Землю» — и, скорее всего, он называет свою идею теорией, так же как учёные называют «теорией» теорию относительности Эйнштейна.
Но в данном случае мы говорим только об идее: начальном зародыше гипотезы. Гипотезы ещё могут вырасти в полноценные научные теории, и действительно, все научные теории начинаются как гипотезы или идеи, но просто наличие идеи ещё не означает, что у вас есть хорошая идея, обоснованная идея или даже научная идея, не говоря уже о научной теории. Для того чтобы перейти от идеи к научной теории, необходимо тщательно проанализировать первую.
Правдоподобна ли эта идея? Исходя из того, что мы уже знаем, если эта идея окажется верной, будет ли она подрывать или противоречить наблюдениям, измерениям и данным, которыми мы уже располагаем? Если да, то идея — по крайней мере, в её нынешнем виде — неправдоподобна.
Обладает ли идея объяснительной силой? Исходя из рассматриваемой вами идеи, существуют ли явления, измерения или наблюдения, которые в настоящее время не объясняются тем, что мы знаем, и которые могут быть объяснены этой новой идеей? Если нет, то у этой идеи нет надежды стать научной теорией, поскольку «предсказательная сила» — это, пожалуй, ключевая причина, по которой научные теории формулируются в первую очередь.
Можно ли проверить идею? Во многих отношениях это самый важный вопрос: существует ли какой-то определённый тест, который можно провести для проверки этой новой идеи? Есть ли способ сравнить эту идею с преобладающей в настоящее время научной теорией, которую она стремится вытеснить или заменить, где мы можем поставить эти предсказания рядом, где они будут отличаться друг от друга, и где сама природа будет арбитром? Если нет — если эта идея не поддаётся научной проверке, — значит, она никогда не имела никакого научного смысла.
Есть и другие аспекты этой идеи, которые могут показаться приятными на первый взгляд — элегантность, естественность, простота и т. д., — но на самом деле только эти три пункта: правдоподобность, объяснительная сила и проверяемость — делают идею научной или нет. Если вы не можете проверить и оценить эту идею на основе доказательств, которые вы можете собрать, измерений, экспериментов и наблюдений, которые вы можете провести, она не является научной.
Все научные теории существуют в определённых рамках, подходящих для исследования
Существует огромное количество идей, которые никогда не доходят до состояния «принятой, обоснованной научной теории», но, тем не менее, к ним прикрепляется слово «теория». Это происходит потому, что задолго до того, как мы проверим идею достаточно хорошо, чтобы понять, действительна она или нет, мы должны сделать из неё какие-либо выводы, чтобы знать, что мы будем искать для её оценки. Наука, в конце концов, это как совокупность фактов, включающая полный набор всех релевантных данных, которые когда-либо были собраны по определённой теме, так и процесс исследования, в ходе которого мы идём по экспериментальным и наблюдательным путям, направление которых не определено, и где у природы есть множество возможностей проверить и подтвердить ваши идеи, или опровергнуть их, или вообще сбить вас с толку.
Вот почему так важно создавать структуры, в которых эти различные идеи могут быть проверены друг на друге, напрямую. Известные примеры, когда мы можем это сделать, включают:
теория о том, что Земля плоская, против теории о том, что Земля круглая,
теория о том, что наша Солнечная система геоцентрична, против теории о том, что она гелиоцентрична,
теория о том, что эволюция основана на использовании и неиспользовании признаков (ламаркианская) или на сочетании мутаций/вариаций и естественного отбора (дарвиновская),
или теория о том, что Вселенная существует в стабильном, неизменном состоянии, в противовес теории о том, что Вселенная началась с горячего Большого взрыва и с тех пор расширяется, охлаждается и эволюционирует.
Для того чтобы проработать последствия вашей первоначальной идеи или гипотезы, необходимо создать основу для проверки этой идеи/гипотезы в сравнении с альтернативными вариантами. Это должно быть основано на наблюдениях, измерениях и/или экспериментах; это не может быть чисто интеллектуальным упражнением, которое происходит только в нашем воображении, и именно этот перевод — из песочницы нашего разума в жёсткую реальность экспериментов и наблюдений — является причиной того, почему так важна проверяемость набора идей.
Сегодня ключевых наблюдений, подтверждающих сфероидальность Земли, гелиоцентричность Солнечной системы, дарвиновский взгляд на эволюцию и космологический горячий Большой взрыв, набрано более, чем достаточно, и именно поэтому эти теории выдержали испытание временем и остаются принятыми сегодня, в то время как альтернативные предложения канули в лету, улетев в мусорную корзину истории науки.
Однако важно помнить, что в научной литературе постоянно появляются новые теории — а в некоторых случаях модифицированные и возрождённые варианты старых теорий. Теория о существовании массивной «Девятой планеты» за Нептуном, отличной от более типичных, ничтожных тел в поясе Койпера или облаке Оорта, по-прежнему вызывает активный интерес, но до тех пор, пока не появятся ключевые доказательства её существования (а их пока нет), она будет оставаться скорее умозрительной гипотезой, чем признанной научной теорией.
Только проверенные модели, которые точно описывают реальность лучше, чем альтернативные варианты, становятся полноценными, подтверждёнными научными теориями.
Именно это происходит с абсолютными «лучшими из лучших» идеями в науке: они становятся признанными научными теориями. Одним из таких примеров является общая теория относительности Эйнштейна, а также квантовая теория частиц и полей в Стандартной модели. Это произошло в биологии с теорией дарвиновской эволюции, в медицине с микробной теорией болезней, в химии с теорией атомов и во многих других областях: когда одна идея сделала успешные предсказания, которые были подтверждены наблюдениями и экспериментами — огромным набором надёжных научных данных — в то время как их альтернативы потерпели неудачу по одному или нескольким параметрам.
Это происходит только тогда, когда у вас есть первоначальная идея, которая правдоподобна, обладает объяснительной и предсказательной силой и имеет уникальные особенности, отличающие её от других, альтернативных, конкурирующих идей. Кроме того, это происходит только тогда, когда идея была сформулирована в рамках, позволяющих вывести из неё наблюдаемые, измеряемые, количественные следствия, и когда эти следствия и предсказания были затем подвергнуты критическому испытанию всеми возможными способами и прошли эти испытания каждый раз и во всех отношениях. Когда мы говорим о принятых на сегодняшний день научных теориях, все они живут именно здесь.
Есть много людей — и среди них учёные — которые стремятся оспорить эти общепринятые теории, также известные как «консенсусная позиция» в науке. Есть даже множество учёных, которые очень, очень твёрдо верят, что консенсус не продержится долго и что появится новая, более совершённая теория, которая опрокинет принятую теорию. Некоторые из них даже считают, что именно их любимые идеи или гипотезы сделают это.
Но существует трёхступенчатая формула, которой следовали все успешные научные революции, и которой должна следовать и та научная революция, которую вы пытаетесь спровоцировать. Эта формула такова:
Ваша новая теория должна воспроизвести все успехи ведущей теории. Всё, что успешно предсказывает, описывает и объясняет общепринятая теория, ваша новая теория должна также успешно предсказать, описать и объяснить.
Ваша новая теория должна преуспеть там, где предыдущая теория не преуспела. У каждой теории есть «диапазон достоверности», в пределах которого её предсказания согласуются с реальностью, а за пределами этого диапазона предсказания либо недействительны, либо непроверяемы, либо совершенно не согласуются с тем, что мы наблюдаем. Помимо того, что ваша попытка создать революционную теорию должна быть успешной везде, где предыдущая теория была успешной, она должна быть успешной и здесь.
Ваша новая теория должна делать новые, проверяемые предсказания, которые отличаются от предсказаний оригинальной теории. Вы должны не только объяснить всё, что могла старая теория, плюс те аспекты реальности, которые старая теория объяснить не могла, но и показать, в чём новые, ещё не измеренные предсказания вашей новой теории и старой отличаются друг от друга, а затем пойти и измерить критически важные явления.
Общая теория относительности Эйнштейна вытеснила ньютоновскую гравитацию только потому, что воспроизвела все успехи Ньютона, объяснила продвижение орбиты Меркурия так, как не могла теория Ньютона, а затем пошла дальше: предсказала отклонение звёздного света вблизи Солнца во время полного солнечного затмения, что было подтверждено лишь годы спустя. Дарвиновская эволюция путём естественного отбора объясняет многое из того, что мы наблюдаем, но механизм наследования — генетика, которая сама по себе была основополагающим строительным блоком, приведшим к открытию ДНК и РНК, — выходит далеко за рамки того, что мог предвидеть Дарвин.
Почти все новые идеи, о которых вы слышите в новостях науки, никогда не дойдут даже до «шага 1» этой трёхступенчатой формулы; вот насколько прочны и устоялись наши современные научные идеи в большинстве областей.
Когда кто-то скажет: «Это всего лишь теория» в отношении одной из устоявшихся научных теорий, которые относятся к этой категории, — а в эту категорию входит наука об антропогенном изменении климата и глобальном потеплении, — напомните ему о важном различии между необоснованной идеей, предположением или гипотезой и надёжной научной теорией. Хотя почти все наши теории почти наверняка не являются окончательным, окончательным ответом, они являются лучшим, наиболее успешным способом осмысления Вселенной, в которой мы живём. Приравнивать эти успехи к чьим-то необразованным догадкам — оскорбление для самого предприятия человеческой цивилизации.
Но как насчёт «Теории струн» и других подобных «теорий»?
Иногда люди приводят примеры теорий, которые изучают учёные, но которые всё ещё являются лишь умозрительными с точки зрения доказательств, в попытке подорвать успехи устоявшейся научной теории. Как насчёт:
теории струн,
теорий великого объединения,
теории дополнительных измерений,
или других идеи или гипотезы, в названии которых есть слово «теория», но которые не соответствуют тем же стандартам доказательств, что и наши устоявшиеся научные теории?
Однако для такого названия есть веские причины, и они берутся из математики. В математике теория возникает, когда вы начинаете с набора аксиом — математических правил для вашей системы — и эти аксиомы дают вам основу для выведения свойств любого элемента в этой системе. Математические теории часто становятся отправной точкой для создания физических теорий, а песочница идей, в которую чаще всего играют физики-теоретики, обычно основана на математических расширениях наших известных и принятых физических теорий.
Это важное различие объясняет, почему, хотя и теория струн, и квантовая теория поля имеют в своём названии слово «теория», только квантовая теория поля является признанной, подтверждённой наукой.
Если ваша теория не обладает предсказательной, объяснительной силой, которая раз за разом доказывает свою успешность на самых разных физических испытаниях, есть очень большой шанс, что «теория», о которой вы говорите, не является добросовестной, принятой, действительно научной теорией. Теория струн — это теория в математическом смысле, но пока её предсказания не станут проверяемыми и не будут подтверждены этими проверками, её нельзя принимать за окончательное описание реальности. То же самое касается великих единых теорий, теорий дополнительных измерений, теории суперсимметрии и многих других. Возможно, они ещё окажутся правдой, но наука требует, чтобы доказательства подтверждали их достоверность, прежде чем мы сможем принять любую из них.
Так что да, теорию вашего дяди Рэнди о людях-ящерицах, теорию вашего шурина Фреда о Лохнесском чудовище и общую теорию относительности Альберта Эйнштейна можно назвать теориями в нашем повседневном языке, но только одна из них является признанной теорией в научном смысле. Теории Рэнди и Фреда — это всего лишь спекулятивные и необоснованные идеи, в то время как теория Альберта представляет собой вершину современного научного знания. В следующий раз, когда кто-то скажет вам, что его идея — это «всего лишь теория», вы сможете оценить, насколько мощным и важным является статус научной теории!
