Природа науки

Закони природи - скелет Всесвіту. Вони служать їй опорою, надають форму, пов'язують воєдино. Всі разом вони втілюють у собі запаморочливу і величну картину нашого світу. Однак найважливіше, мабуть, те, що закони природи роблять наш Всесвіт пізнаваною, підвладної силі людського розуму. У епоху, коли ми перестаємо вірити у свою здатність керувати довкола нас речами, вони нагадують, що навіть самі складні системи коряться простим законами, зрозумілою звичайній людині. Але перш, ніж приступити до огляду законів природи, подумаємо, звідки вони беруться і яку роль відіграють в підприємстві, іменованому наукою.

Про науку

Більшість з нас майже все своє життя прожила в XX столітті. Задумайтесь над простим питанням: що так сильно відрізняє це століття, тільки що надісланий нами позаду, від усього, що було до нього? Звичайно, він був століттям руйнування старих політичних укладів і приходу нових, але те саме можна сказати майже про будь-яке сторіччя з часів появи перших письмових джерел. Він був століттям великих письменників і художників, але і в цьому немає нічого нового. Він дав світові нові види мистецтва (на думку спадають джаз і кіно). Можливо, з часом вони займуть своє місце поряд з класичною оперою і симфонічної музикою. Я в цьому сумніваюся, але, як би там не було, це не перший і не останній випадок народження нових видів мистецтва.

Мені здається, саме розвиток науки і технології наклало печатку унікальності на XX століття. Якщо скласти список важливих досягнень століття, у нього могли б увійти: антибіотики, висадка астронавтів на Місяці, комп'ютери, Інтернет, операції на відкритому серці, реактивні літаки, морожені продукти, хмарочоси.

Неймовірний зростання населення та світової економіки за останні сто років - прямий наслідок неймовірного зростання обсягу накопичених нами знань про Всесвіт.

В певному сенсі, в цьому немає нічого особливо нового. Все по-справжньому глибокі зміни в житті людства відбувалися завдяки новим знанням. Наприклад, близько 10 000 років тому комусь - ймовірно, жінці, що жила на Близькому Сході - спало на думку, що замість того, щоб харчуватися зібраними дикими рослинами, їх можна вирощувати і культивувати. Так з'явилося сільське господарство - нововведення (незалежно відтворене в багатьох частинах світу), без якого неможлива сучасна цивілізація. Кілька століть тому шотландський інженер по імені Джеймс Ватт створив придатний до використання парової двигун, що став невід'ємним елементом промислової революції. Можливо, коли-небудь вчені поставлять в один ряд з ним винайдений в 1947 році транзистор і нещодавно завершений проект «Геном людини» як найважливіші віхи історії людства.

Звичайно, при такому погляді на науку нас цікавить насамперед принесена їй практична користь, поліпшення здоров'я людей і зростання життєвого комфорту. Але є у науки і інший вимір. Покращуючи якість нашого життя, вона в той же час відкриває для нашого інтелекту чудове вікно у Всесвіт. Вона показує нам, що весь навколишній світ існує за загальними правилами і принципам, і ці правила і принципи можна виявити за допомогою наукових методів. Правила, випробувані і перевірені самим ретельним чином, зведено в ранг «Законів природи», хоча, як ми побачимо, вчені та філософи далекі від згоди щодо використання цього терміну. З законів природи складається інтелектуальна структура, в якій є місце для будь-якого явища в Всесвіту.

Люди завжди відчували цікавість по відношенню до оточуючого їх світу - не в останню чергу тому, що виживання людини часто залежало від його здібності прогнозувати розвиток тієї чи іншої ситуації. Фермери давним-давно виробили систему знань про погоду і клімат, що дозволяла їм отримувати хороші врожаї, мисливці вивчили звички своєї здобичі, а моряки навчилися знаходити в морі і на небі ознаки насуваються штормів. Але особливі прийоми і методики, сукупність яких ми називаємо наукою, з'явилися лише кілька сотень років тому. Чому це сталося саме тоді і саме в Європі, а не де-то ще -- на ці питання хай відповідають історики. Нам же важливо зрозуміти, що таке наука і яким чином вона підводить нас до того, що ми називаємо законами природи.

Перш як ми почнемо, хочу вас попередити про одну річ. Вам часто доводиться зіштовхуватися, особливо в підручниках, з послідовністю дій, що називається «Науковим методом». Зазвичай пояснюють, що «спочатку учений виконує крок X, потім Y, а потім Z і так далі. Можна подумати, що займатися наукою - все одно що випікати печиво за рецептом. Проблема з цим підходом не в тому, що він абсолютно невірний - вчені дійсно часто виконують кроки X, Y і Z. Біда в те, що в ньому не передбачено місце для творчості, винахідливості і простого людського впертості - споконвічних і невід'ємних складових наукової праці. Визначати науковий процес як «метод» - те ж, що, описуючи картину Рембрандта чи Ван Гога, говорити лише про те, де які фарби нанесені на полотно. Наука - не книжка для розфарбовування, де кожному кольору відповідає номер.

Тому, коли мова заходить про те, як влаштована наука і як вчені відкривають закони природи, я вважаю за краще використовувати аналогію з юридичною практикою. Я маю на увазі, що описані нижче елементи треба розглядати не як частина жорстко заданої послідовності кроків, а як ступені процесу, здійснюваного вченими. Іншими словами, думаючи про науку, треба мати на увазі всі ці складові, при цьому кожен раз вирішуючи, наскільки важлива кожна складова в даному контексті (і взагалі чи то всі вони присутні). Інакше кажучи, немає фіксованої, жорсткої послідовності дій, що дозволяє прийти до висновку, чи є щось наукою чи ні.

В Загалом, більшість учених використовують більш-менш одну й ту ж послідовність кроків (ми її описуємо нижче), і в підручниках, як правило, фігурує саме вона. Але іноді трапляються інтуїтивні прозріння і прориви, які у вашому поданні, може бути, не асоціюються з образом розсудливих вчених у білих халатах. Це добре, тому що більше за все мені хочеться, щоб ви винесли з цієї книги уявлення про те, що наука, як і мистецтво, - один з головних шляхів реалізації тяги людини до творчості, і що вчені поділяють з усіма нами людські схильності і слабкості. Пам'ятаючи про це застереження, розглянемо тепер складові наукового процесу.

Спостереження або експеримент?

Щоб дізнатися, що являє собою світ, подивіться, і ви побачите, яка вона є. Це твердження здається абсолютно очевидним, і ви, можливо, здивувалися тому, що я потрудився привести його тут, але справа в тому, що воно являє собою наріжний камінь науки. І все ж воно досі не здобуло загального визнання, і вже точно не визнавалося всіма протягом історії.

На Протягом більшої частини документованої історії люди, стикаючись з протиріччям між спостереженням реального світу і тлумаченням релігійної доктрини, послідовно виходили з положень доктрини, а не результатів спостережень. Наприклад, з-за невірного тлумачення Біблії ієрархи Католицької церкви в XVII столітті змусили Галілея відректися від уявлення про те, що Земля обертається навколо Сонця. Щось схоже можна спостерігати сьогодні в США, де шкільні комітети часто ігнорують величезну кількість даних, що підтверджують теорії еволюції і «Великого вибуху» вважаючи за краще дотримуватися тлумачення Книги Буття, з яким не згодні більшість християнських та іудейських дослідників.

Але не лише релігійні люди відмовляються дивитися на дані або погоджуватися з тим, що в нашому світі часто є місце складності і неоднозначності. Наприклад, існує маса доказів того, що природних канцерогенів, що виробляються рослинами, куди більше, ніж канцерогенів у штучних пестициди. Багато захисники навколишнього середовища просто ігнорують ці докази, повторюючи засвоєне в молодості заклинання, що "природний добре, штучне погано ». Обидва приклади показують, що зручніше замкнутися у власній системі переконань, ніж спробувати сприймати світ таким, яким він є.

І все ж спостереження світу - перший крок до науки, і зроблений цей крок вже дуже давно. З появою землеробства фермери стали зберігати насіння від самих великих, самих плідних рослин, зрозумівши, що це дозволить їм поліпшити урожай на наступний рік. Ремісники помітили і зберегли для нащадків (можливо, в усній традиції) відомості про те, як ведуть себе різні сплави металів, коли їх обробляють і нагрівають певним чином. Предтечі нинішніх медиків помітили, що витяжки з певних рослин допомагають при деяких хворобах, і цим заклали основу сучасної фармацевтичної промисловості. У всіх цих прикладах пам'ять про спостереження і дослідах збереглася, тому що вони допомагали людям задовольнити свої потреби. Коротше кажучи, вони давали результат. До цієї ідеї ми повернемося, коли будемо говорити про інші шляхи пізнання.

За існуючій в народі думку, вчений повинен підходити до світу зовсім неупереджено - без заздалегідь сформованого уявлення про те, яким буде підсумок експерименту чи спостереження. Ідею цю висловив давним-давно англійська чернець, філософ і вчений Роджер Бекон (бл. 1220-92), але, як в середньовічному Данському королівстві, «звичай цей похвальні порушити, ніж дотримуватися». За всю свою кар'єру я зустрічав лише одну людину, дотримуватись цього принципу, - польового геолога, любив ходити «послухати, що скажуть камені». Всі інші, з ким я мав справа, приступали до експериментів з досить ясним уявленням про те, що з них вийде. Але вся справа в тому, що, якщо виходили не ті результати, яких вони чекали, вони були здатні залишити свої колишні ідеї і слідувати за даними. Таким чином, говорячи про неупередженість наукової спільноти, я маю на увазі цю здатність відмовитися від власних усталених уявлень і слідувати за даними, куди б вони не вели і незалежно від того, куди, як нам здається, вони повинні привести.

Існує багато прикладів того, як окремі вчені і навіть цілі наукові співтовариства пішли цим шляхом. Наприклад, в 1964 році Арно Пензіас і Роберт Вілсон (див. Великий вибух) - дослідники Лабораторії Bell в Нью-Джерсі - займалися виміром космічного мікрохвильового випромінювання. На зорі супутникового зв'язку такі вимірювання були звичайною справою - адже для того, щоб ловити сигнал від супутників на орбіті, добре було б знати, що потрапляє в приймач, крім власне сигналу із супутника. Обстежуючи небесну сферу своїм наступником, Пензіас і Уілсон реєстрували перешкоди з численних відомих джерел. При цьому вони зіткнулися з абсолютно несподіваним явищем: куди б вони не направили свої прилади, приймачі незмінно ловили слабкий вхідний сигнал мікрохвильовий (він проявлявся як тихе шипіння в навушниках). Позбутися його не вдавалося, як вони не намагалися. Довелося навіть виселити пару голубів, які влаштувалися в апараті і покрили частини приймача, як тактовно говорили вчені, «білим діелектричним речовиною ». Зрештою Пензіас і Вілсона довелося просто прийняти абсолютно несподіваний факт, що Всесвіт буквально пронизана мікрохвильовим випромінюванням. Тепер ми вважаємо це так зване реліктове електромагнітне випромінювання важливим підтвердженням теорії великого вибуху - кращою на сьогоднішній день теорії про походження Всесвіту. За те, що вони повірили отриманим даними, незважаючи на їх повну несподіванка, Пензіас та Вілсон отримали Нобелівську премію з фізики за 1978 рік.

Пояснивши, чому я вважаю, що спостереження і експеримент мають для науки центральне значення, я повинен сказати, що ці два поняття, будучи схожі за змістом, мають на увазі дещо різні способи роботи. Астроном не може побудувати зірку і почекати, поки вона постаріється, щоб вивчити її поведінку. Еволюційний біолог не може створити нове хребетна і почекати кілька мільйонів років, щоб подивитися, у що воно розвинеться. Геолог не може прискорити рух тектонічних плит на поверхні Землі, щоб подивитися, як зміниться конкретна формація. У всіх цих випадках вченим доводиться задовольнятися спостереженнями над природою, оскільки предмет дослідження їм непідвладний.

Експериментатор ж намагається керувати вивчається системою, часто змінюючи по одному параметру, щоб подивитися, до чого призведе його зміна. Ось класичний приклад використання експериментального методу. Еколог Дейвід Тілман з Університету Міннесоти розділив велику ділянку прерії на Середньому Заході США гратами, що складається з квадратів зі стороною в кілька метрів. В одному зі своїх експериментів він підтримував всі умови у всіх квадратах однаковими, за винятком кількості додається азотного добрива. Це дозволило відокремити дію одного елемента - азоту - від усіх інших факторів, що впливають на зростання рослин. Інші експериментатори поступають аналогічним чином. Ядерний фізик, що стикається субатомні частки на величезних швидкостях, забезпечує незмінність умов всіх зіткнень, за винятком величини енергії налітають частинки; хімік підтримує однаковим співвідношення всіх що беруть участь у реакції речовин, крім одного, дослідник раку при лікуванні пухлини у експериментальних тварин змінює лише по одному елементу і так далі. У цих і багатьох інших експериментах вчені роблять складність системи мінімального, щоб докладно вивчити один з елементів, відокремивши його від інших.

Різниця між спостереженням та експериментом, будучи важлива, все ж таки не ділить науки на два різні табори. Наприклад, астрономи можуть не лише спостерігати зірки, а й використовувати експерименти з ядерними реакціями, щоб зрозуміти, звідки береться їх енергія. Еволюційний біолог експериментальні дані про мутації фруктових мушок, які живуть зовсім недовго, допомагають отримати уявлення про тривалому процесі еволюції, а геологи майже незмінно користуються даними лабораторних експериментів з отримання мінеральних сполук при вивченні порід, що складають ландшафт. Експеримент не виключає спостережень, і навпаки. У будь-якій науці використовується розумне поєднання того й іншого.

Джерело багатьох, якщо не більшості нових ідей в науці - несподівані результати експериментів чи спостережень, і це можна вважати відправною точкою наукового методу. Але у цього загального правила є винятки. Початок теорії відносності, створеної в перші десятиліття XX століття, було покладено роздумами Альберта Ейнштейна про що існували в ті часи фундаментальних наукових теоріях. Як я вже говорив, наука не завжди йде стовпової дорогою, яка відома наперед.

Закономірності

Наступний елемент наукового процесу вступає в гру після того, як проведена серія експериментів чи спостережень і вчені отримали перше уявлення про певному аспекті пристрою природи. Це нове розуміння зазвичай бере форму тієї чи інше закономірності, притаманної природі. Наприклад, у згаданих вище екологічних експериментах з вивчення впливу азоту Тілман виявив, що у міру додавання азоту кількість рослинного матеріалу (біомаса) на ділянці збільшується, у той час як кількість видів (біологічне різноманіття) зменшується. По суті, кілька видів, скориставшись більшою доступністю азоту, витісняють ті види, яким це не вдалося.

Іноді знову відкриті закономірності можна описати простими словами, як ми це зробили вище, але частіше вдаються до математичних термінів ( «при збільшенні кількості азоту на x% біомаса виростає на y% ») або формулами. Як викладач наукових дисциплін, я звик боятися моменту, коли мені доведеться відмовитися від зручності англійської мови, написав на дошці рівняння. Можна без перебільшення сказати, що, вдаючись до математики, вчені починають говорити на іншою мовою. Може бути, якщо ви будете пам'ятати, що рівняння - лише спосіб коротко висловити те, що на звичайній мові можна описати лише складно або громіздким, це допоможе вам змиритися з необхідністю користуватися математичним апаратом.

Наведемо важливий історичний приклад, який ілюструє роль закономірностей. У XVII столітті одним з центральних питань, які займали учених, було місце Землі в світобудову. Чи є вона центром, як вчили давньо?? грецькі вчені, або рухається по орбіті навколо Сонця (див. Принцип Коперника), як припустив Микола Коперник в 1543 році? Це питання має глибоке релігійне і філософське значення, у чому на своє горе переконався Галілей (див. Рівняння рівноприскореного руху). Але з наукової точки зору, отримати відповідь на нього можна тільки одним способом. Вченому слід подивитися на небо і визначити, якому з двох випадків краще відповідає рух небесних тіл - коли планета, з якою ведеться спостереження, стаціонарне або коли вона рухається по орбіті.

Людиною, витратили все життя на створення інструментів та проведення необхідних вимірювань, був датський астроном Тихо Браге (1546-1601). До кінця життя він склав величезний список положень планет на небі, визначених в результаті точних вимірювань. Список цей, до речі, мав величезну комерційну цінність, тому що його можна було використовувати для розрахунку гороскопів. Після смерті Бразі його помічник, німецький математик Іоганн Кеплер, блискуче застосувавши математичну дедукцію, використовував результати цих вимірів, щоб показати, що всі дані можна пояснити за допомогою трьох простих правил. Ці правила руху планет, що називаються тепер законами Кеплера, свідчать, що:

-- всі планети обертаються навколо Сонця по еліптичних орбітах,

-- знаходячись ближче до Сонця, планети рухаються швидше, ніж коли вони знаходяться далі від нього, і

-- чим сильніше віддалена від Сонця орбіта планети, тим повільніше планета рухається і тим довший її «рік».

У цих законів є і математична формулювання, і якщо ви знаєте, наприклад, на якій відстані ця планета знаходиться від Сонця, третій закон дозволить вам обчислити тривалість її року. Закони Кеплера, до речі, - добрий приклад, ілюструє зроблене вище зауваження: отриману з спостережень інформацію можна узагальнити за допомогою кількох простих правил, вміщується на звороті конверта, замість того щоб пробиватися крізь томи даних.

Тут треба зазначити ще ось що: вчені дуже недбало звертаються зі словом «закон». У книзі, присвяченій роз'ясненню законів природи, цю проблему не можна упускати з уваги. Було б дуже зручно, якщо б існувала просте правило, визначає використання в науці таких слів, як «теорія», «принцип», «Ефект» і «закон». Наприклад, можна було б перевірене тисячу разів називати «Ефектом», перевірене мільйон разів іменувати «принципом», а те, що перевірили 10 мільйонів разів, - «законом». Але так просто не надходять. Використання цих термінів засноване на історичних прецеденти і не має відношення до того, наскільки вчені переконані у вірності кожного конкретного затвердження.

Наприклад, закон всесвітнього тяжіння Ньютона - одне з найбільш ретельно перевірених наукових тверджень. Він, однак, входить до складу теорії відносності Ейнштейна. Кожне підтвердження закону Ньютона - це одночасно і підтвердження теорії Ейнштейна. Але існують і підтвердження загальної теорії відносності, що виходять за рамки закону всесвітнього тяжіння. Таким чином, ми маємо справу з «теорією», що має більше підтверджень, ніж «закон». І це далеко не поодинокий приклад. Деякі аспекти поведінки ідеального газу описуються законом Шарля і законом Бойля-Маріотта, але ці закони можна вивести з (відповідно, більш загальної) теорії - молекулярно-кінетичної теорії газів. Одна з найбільш перевірених наукових ідей, на якій грунтуються всі біологічні науки, описує розвиток життя на нашій планеті. Незважаючи на всі підтвердження, учені все ж говорять про теорію еволюції.

Таким чином, слово «теорія» може відноситися до нової концепції, яку ще має бути як слід перевірити, а може позначати ідею, що була колись нової, але з тих пір настільки ретельно перевірену, що її можна вважати однією з найбільш достовірних істин про Всесвіт. Вчені просто не особливо цікавляться тим, як ідеї називаються і якими словами їх позначають. Важлива лише суть ідей і те, наскільки вони вірні. У результаті такої неуваги до термінологічним умовностей ви зіштовхнетеся в цій книзі з самими різними заголовками. Йдеться про коктейль з «ефектів», «теорій», «законів» і «принципів», складеному без оглядаючись на висоту положення. Це, так само як і той факт, що закони часто називають іменами тих, хто їх не відкривав, можна вважати свідченням відносини вчених до своєї справи.

Гіпотеза

Коли експерименти проведені і нові закономірності природи відкрито, це значить, що вченим пора зупинитися і підвести підсумок. Кажуть чи щось знову відкриті закономірності про те, як влаштована природа? Узгоджуються чи вони з уже відомими закономірностями, які розширюють уявлення про якусь галузі науки? Поставивши собі подібними питаннями, вчені приступають до формулювання гіпотез -- здогадок чи припущень про структуру Всесвіту. Ось тут і заводяться величні ідеї про правлячих Всесвіту силах.

Саме на цьому етапі мова математики вступає у свої права. Коли закономірності сформульовані у вигляді рівнянь, їх можна перетворювати за стандартними правилами математики, що грає, якщо хочете, роль граматики мови. Часто такі перетворення призводять до вражаючим відкриттям. Наприклад, Ісаак Ньютон поєднав закон всесвітнього тяжіння Ньютона і закони механіки Ньютона, отримавши при цьому зовсім нову модель Сонячної системи, в якій планети обертаються навколо Сонця, а сила тяжіння Сонця не дозволяє їм полетіти в космічний простір. Як ми побачимо далі, ця подія мала великий вплив на уми. З одного боку, закони Кеплера, раніше вважалися узагальненням даних спостережень, самі стали наслідками - твердженнями, виведеними логічним шляхом з більш глибокої теорії Ньютона. З іншого, стало можливо раціонально міркувати про рух комет, до цього вважався непередбачуваним, і це обставина дозволила Едмунд Галлей (1656-1742) відкрити у 1705 році орбіту комети, що носить тепер його ім'я.

На даному етапі наукового процесу ми стикаємося з ще однією варіацією на нашу лінгвістичну тему - ще одним відтінком значення слова «теорія». У фізичних науках це слово часто позначає математичний опис ідей про пристрій Всесвіту. Воно може означати як пояснення абсолютно незначного феномену - виноски на сторінці Всесвіту, - так і величну і масштабну конструкцію, що пояснює цілий ряд відомих результатів. Знову ж таки, це слово може описувати (і описує) ідеї, визнані настільки, наскільки це тільки можливо. Теорія квантової хромодинаміки, наприклад, - одна з найбільш скрупульозно підтверджених експериментом фізичних теорій. Деякі з передбачених нею явищ перевірені експериментаторами з точністю до 16 знаків після коми. Відомо, що вона може бути застосовна до найширшого діапазону структур, від одиночних електронів до скупчень галактик. Чудово, що вчені використовують одне й те саме слово, говорячи і про настільки серйозно перевіреної концепції, і про нову непідтвердженою гіпотезі якого-небудь аспіранта.

Передбачення

Наскільки б складною або елегантною не була теорія, її якість визначається що лежать в її основі даними, отриманими в результаті експериментів і спостережень. Але хороша теорія не просто об'єднує вже відомі факти - вона пророкує явища, які до цих пір не спостерігалися. Іншими словами, хороша теорія «Ручається за себе головою», даючи ясні, які піддаються перевірці прогнози. Таким чином, замикаючи коло, що становить науковий метод, ми можемо, повернувшись до експерименту та спостереженнями, з'ясувати, чи мають місце передбачені теорією факти. Якщо так, ми шукаємо нові факти, що виводяться з теорії і підтверджують її вірність. Якщо ні, повертаємося до кресленнями, міняємо теорію і пробуємо знову. У будь-якому випадку, якість теорії визначається успішністю її прогнозів.

Іноді теорії дуже точно пророкують факти. Приміром, Галлей, розрахувавши з допомогою теорії Ньютона орбіти комет, піддав ці теорії суворої перевірки, передбачивши, що в 1758-м або 1759 комета знову з'явиться на небі. Тут не могло бути ніяких відмовок або виправдань - якби комета не з'явилася, теорія звалилася б. Тепер-то ми знаємо, що повернення комети Галлея в ніч на Різдво 1758 є одним з найбільших підтверджень ньютонівського подання про Всесвіт, але важливо пам'ятати, що все могло бути інакше. У наші дні, звичайно, повернення періодичних комет можна передбачити куди точніше.

Теорії можуть передбачати і загальні закономірності. Наприклад, історія еволюції вперше була відновлена по викопних органічних залишків. Це дало вченим уявлення про те, як різні організми пов'язані між собою, як давно у них були спільні предки і так далі. Не так давно був знайдений новий спосіб виявлення зв'язків між живими організмами - молекулярні годинник. Ця методика заснована на аналізі ДНК: чим більша різниця між ДНК двох організмів, тим раніше повинні були розійтися їх еволюційні шляхи. Теорія еволюції передбачає наявність єдиного генеалогічного древа для всіх живих організмів, тому ДНК і викопні рештки повинні розповідати одну і ту ж історію. Це одне з недвозначних передбачень теорії, яке, однак, не привернуло до себе великої уваги. Збіг двох історій минулого - одна з отриманих в результаті спостережень фактів, що підтверджують теорію еволюції.

Ця опора на перевірку досвідом, як мені здається, і є те, що відрізняє науку від інших видів інтелектуальної діяльності. Сформулюємо різницю самим прямим і неоригінальним чином: в науці є вірні відповіді. Не має значення, наскільки елегантна теорія і наскільки високе становище займають її творці. Якщо теорія не працює, треба від неї відмовитися або змінити її. І тільки так. Ця опора на перевірку досвідом служить демаркаційної лінією, що розділяє природні та гуманітарні науки. У таких дисциплінах, як філософія або літературна критика, немає зовнішнього об'єктивного арбітра, який грає роль природи. Наприклад, тлумачення твори мистецтва так порівнювати неможливо. Відповідно, представникам гуманітарних і природничих наук буває важко зрозуміти образ думок один одного. До цього питання ми скоро повернемося.

З опорою на експериментальну перевірку ідей в науковому співтоваристві пов'язаний цікавий соціологічний феномен. Часто трапляється, що, коли теорія виявляється неспроможною, невелика група, іноді навіть одна людина, ще довго намагається її оживити. З мого досвіду, ні один вчений не випробовує такого самотності, як ті, хто намагається оживити теорії, що не витримали перевірку експериментом. Покинуті колегами, вони не відступають, часто протягом всього життя безуспішно намагаючись оскаржити винесений вирок природою. Наука буває суворим вихователем, тому що вона невблаганно вимагає піддавати ідеї сумніву, змушує судити їх трибуналом спостереження перш, ніж прийняти.

У цього факту є важлива слідство. Якщо ідею неможливо перевірити експериментально, зіштовхнути її віч-на-віч з природою, то це просто не наука. Використовуючи термін, популяризували філософом Карлом Поппером (1902-94), наукові ідеї повинні бути фальсифікації (тобто опровержіми) - з них повинні виводитися піддаються перевірці затвердження. Іншими словами, має бути можливо уявити собі результат експерименту або спостереження, що демонструє невірність теорії (наприклад, закону всесвітнього тяжіння), навіть якщо на практиці такі результати і не будуть отримані. Комета Галлея могла не з'явитися знову. Той факт, що вона з'явилася, звичайно, підтвердив теорію Галлея, але те, що це могло не статися, показує, що теорія була фальсифікації. Таким же чином, могло виявитися, що ДНК риб ближче до людської ДНК, ніж ДНК шимпанзе. Це спростувало б теорію еволюції. Результат, звичайно, був іншим - ДНК шимпанзе і людей співпадають на 98%, - але в принципі він міг бути і таким. Це показує, що теорія еволюції спростовуваності.

Для порівняння розглянемо теорію, популярну останнім часом серед креаціоністів, -- доктрину створеної давнину. Згідно з цією теорією, Земля сотворена кілька тисяч років тому, і в ній вже тоді були закладені свідоцтва значно більшого віку. Наприклад, гірські породи створені разом з розташованими в них копалинами залишками, дерева створені з річними кільцями, світло від зірок, що знаходяться на відстані тисяч світлових років, створений на шляху до Землі, і так далі. Перша (і вельми елегантна) ілюстрація цього принципу дана в книзі «Омфалос», написаній незабаром після виходу роботи Дарвіна. По-грецькому «Омфалос» означає пупок, і головна ідея книги полягає в тому, що Адам був створений з пупком, хоча він не був в утробі і, відповідно, не потребував пуповині.

Головне в цій теорії те, що неможливо уявити собі що спростовує її експеримент або спостереження. Від будь-якого свідоцтва її невірності можна відмахнутися, сказав, що такий був створений Земля. Ця теорія не спростовуваності (не опровержіма), тому скільки б вона не була приваблива, вона просто не наукова. Чимала частина того, що прийнято називати альтернативної наукою, страждає на це недолік - вона не проходить тест на опровержімость. У телесеріалі «Секретні матеріали» (гарячим прихильником якого я, до речі, є) мова йде про масштабну змову, єдина мета якого -- знищити свідчення присутності на Землі інопланетян. Відсутність доказів завжди пояснюється одним і тим же: «Вони не хочуть, щоб ти це побачив ». Це хороший серіал, але погана наука.

Перш, ніж піти далі, я хотів би згадати, що звинувачення в неможливості фальсифікації іноді доводиться чути в суперечках про ефективність класичної фрейдистської психотерапії. Деякі критики стверджують, що фрейдистське теорія може пояснити результат лікування незалежно від його результату. Якщо це так (у чому я не впевнений), то ця теорія також виходить за рамки науки.

Великий цикл

Отже, наукове дослідження утворює цикл: експерименти, потім виявлення закономірностей, створення теорій, прогноз на їх основі нових фактів і, нарешті, повернення до експерименту для перевірки вірності передбаченого. Більшість вчених значну частину життя водять свою область знань з цього колі. Це те, що філософи називають «нормальною наукою». Іноді, як ми бачили, що відбувається, не вкладається в цю зручну схему, але нічого іншого і не можна очікувати від справи, якою займаються люди. Таким чином, на будь-якому етапі свого розвитку кожна наукова область намагається перейти від одного етапу до іншому. Один зі способів порівняти різні науки - з'ясувати, на якому етапі циклу вони знаходяться в даний момент. Іншими словами, яким чином представники даної області намагаються просунути її вперед?

Я починав свою кар'єру у фізиці елементарних частинок - розділі науки, присвяченому вивчення фундаментальних складових матерії. У даний момент цей розділ знаходиться на етапі між прогнозом фактів і їх перевіркою. У наявності кілька правдоподібних теорій, і багато з них передбачають поведінку частинок дуже високих енергій при зіткненні. На жаль, ми не можемо перевірити вірність передбаченого, тому що у нас немає машин, здатних прискорити частинки до досить високих енергій. У 1993 році Конгрес США з притаманною йому мудрістю прийняв рішення про припинення будівництва машини, названої «надпровідний суперколлайдер », забезпечивши таким чином неможливість послідовного розвитку теорії та експерименту в цій області. Машина трохи менше під назвою «Великий адронний коллайдер» має вступити в дію в Європейському центрі ядерних досліджень (CERN) у Женеві (Швейцарія) до 2005 року, і, може бути, фізика елементарних частинок знову зможе розвиватися.

В той час як деякі галузі науки зголодніли за даними, інші, навпаки, страждають від пересичення. Наприклад, у багатьох областях молекулярної біології нова інформація поступає таким потоком, що його неможливо переварити. Живі організми - найскладніші структури у Всесвіті, і тільки тепер у нас з'явилася можливість дослідження такого рівня складності. Багато напрямів в науках про життя затрималися на етапі переходу від експерименту до виявлення закономірностей, і дослідники докладають багато зусиль, намагаючись знайти молекулярний аналог законів Кеплера.

Хороший приклад цього - так звана проблемаукладання білка. Серед іншого, білки -- це робочі конячки, що керують хімічними процесами в живих організмах. Це великі молекули, які мають складну просторову форму. Саме ця форма дозволяє білку виступати на молекулярному рівні в ролі своєрідного посередника - сприяти протікання хімічних реакцій, не беручи участь у них (див. Каталізатори та ферменти). Білок будується з менших за розміром молекул, званих амінокислотами. Побудова білка нагадує процес нанизування намистин на нитку. Після того як амінокислоти з'єднані в ланцюжок, під дією складних електростатичних взаємодій між атомами в сусідніх амінокислотах, а також між цими атомами і навколишнього їх водою білок укладається в складну тривимірну форму, що дозволяє йому виконувати свою функцію.

Проблему укладання білка можна сформулювати так: чи можна передбачити форму молекули і, відповідно, виконувану їй хімічну функцію, знаючи послідовність амінокислот у складовій білок «ланцюжку»? На даний момент відповідь на це питання - «ні», тому що ця проблема надто складна, щоб вирішити її з допомогою навіть самого швидкого комп'ютера. Мабуть, є правила -- молекулярний аналог законів Кеплера, - які допоможуть нам зрозуміти, як влаштований процес укладання, але через складність проблеми нам поки не вдалося їх знайти. Це класичний приклад нездатності побачити ліс за деревами.

Складність проблем гальмує просування і в інших наукових областях. Наприклад, джерелом більшої частини ведуться зараз суперечок про парниковий ефект і глобальне потеплінні служить нездатність кліматологів чітко передбачити наслідки надходження в атмосферу таких речовин, як вуглекислий газ. Головна причина цієї невизначеності не в тому, що неясні основні фізико-хімічні процеси, визначають поведінку атмосфери. Справа в тому, що реальна атмосфера настільки складна, що ми не можемо ввести всю необхідну інформацію в комп'ютерну програму. Наприклад, на даний момент два важливих кліматичних фактора - хмари й океанські течії - погано піддаються аналізу за допомогою таких програм. Можна сказати, що, з точки зору нашого розуміння наукового методу, ця область знаходиться між етапами теорії та прогнози.

Завершуючи обговорення прикладів, поговоримо про еволюційної теорії. Дані в цій галузі накопичуються протягом сотень років, і багато закономірностей відомі. Увага деяких послідовників еволюційної теорії тепер спрямоване на ширшу проблему визначення загальних принципів, яким підкоряється вся історія життя. Наприклад, одна справа знати, як протягом конкретного періоду часу змінювався конкретний вид плоских хробаків або птахів, і зовсім інше - зрозуміти, як цілі екосистеми реагують на зміни, вміти передбачити долю кожної виду. У контексті нашої розмови можна сказати, що еволюційні біологи намагаються перейти в своїй області від закономірностей до теорії.

Як ми побачили, вчені постійно працюють над просуванні