Что отличает хорошую научную теорию от плохой?

23 August 2018

Когда мы наблюдаем какой-либо феномен в космосе и окружающей нас среде, то главная цель для ученых - докопаться до причины происходящего. Это логично. Люди хотят знать, почему вспыхнула сверхновая звезда, почему планеты вращаются вокруг Солнца, а рядом с Землей летают кометы и т.д. Ответы на загадки во Вселенной дают человеку какую-то степень свободы, уверенности и веры в силы собственного разума.

Но нашим пытливым умам слишком мало голых тезисов, мы хотим знать какие силы природы вовлечены в том или ином физическом явлении, какие измеримые, известные или неизвестные величины влияют на развитие наблюдаемого события и какие долгоиграющие выводы можно сделать, изучив все новое и необычное, что встретилось нам во Вселенной. Другими словами, идеальная научная теория элегантно объясняет суть вещей и дает инструментарий для предсказания поведения любой системы и объекта в будущем.

Современного человека трудно удивить новой гипотезой. Сейчас сотни философов, физиков, астрофизиков, космологов и просто энтузиастов стабильно в год выдают по десятку новых, "все объясняющих" идей о чем угодно: темной материи, рождении Вселенной, квантовой механике и движениях Галактик. Только почти все эти законы и теории очень плохи: двухэтажные формулы на доске заставляют напрягать мозги и усиленно думать, но не могут точно объяснить происходящее и тем более сделать достоверный прогноз.

Рассмотрим разницу между плохой и хорошей научной теорией на примере Солнечной системы. С Земли мы каждый день наблюдаем, как по небосклону движутся планеты по сложным траекториям, совсем непохожим на овальные эллипсы классических орбит, в которые предлагает нам поверить учебник астрономии. Странный характер и запутанность небесной механики не давали покоя и нашим предкам на протяжении нескольких сотен лет, пока не появились две знаковые фигуры - Коперник и Птолемей, решившие выдвинуть свои концептуальные модели - геоцентрическую и гелиоцентрическую.


Системы Птолемея и Коперника

Системы Птолемея и Коперника

Но описательная модель еще далеко не научная теория. Она лишь говорит, что при наборе точных параметров можно сделать вывод о приблизительном состоянии объекта. К примеру, Птолемею удалось убедить людей, что попятное движение планет по небосклону возможно, это нормальный ход небесных тел и зависит он от собственного вращения объекта, выраженного через выдуманные им величины - эпицикл и дифферент. Заблуждения древнего ученого и подходящее к ним матописание позволили геоцентрической системе надолго заглушить революционные идеи Коперника.

Описательная модель - важный шаг, но она все же не полноценная научная теория. Чтобы добраться до сути вещей, вам нужно правило, закон или система уравнений, способных сделать прогноз о состоянии и поведении объекта, причем в такой ситуации, когда мы не сможем измерить его физические параметры ни одним доступным на Земле способом.

Первым шагом на пути к строгой и хорошей научной теории стали законы Кеплера, где рассказывалось, что орбиты планет напоминают эллипс, в фокусе которого должно находиться Солнце. Стройная теория Кеплера прекрасно описывала путь планеты в космосе и могла выразить его в количественном отношении. Согласно второму и третьему закону Кеплера люди узнали о тесной математической связи между орбитальным периодом, скоростью, полуосью и дистанцией планеты относительно Солнца. Впервые ученые без ввода каких-то левых переменных все же смогли ясно и точно описать механику планетарных объектов, показать, где они точно появляются на небосклоне в то или иное время.


Законы Кеплера

Законы Кеплера

Закон Всемирного тяготения Ньютона пошел еще дальше и смог заменить одним изящным уравнением все выкладки Кеплера. Гравитационное уравнение показывало связь между расстоянием и массой взаимодействующих тел. Перед научным миром открылась новые безграничные возможности. Теперь достаточно было узнать массу космического объекта и его актуальную позицию, чтобы предсказать куда он полетит дальше и с кем будет взаимодействовать в межзвездном пространстве.

Благодаря уравнению Ньютона в науке произошел огромный скачок вперед. От вас не требовалось вникать в саму теорию, можно было вручить калькулятор школьнику, дать пару известных значений и он смог бы без труда посчитать, как поведет себя массивный объект во Вселенной. Проще говоря, теория гравитации являла собой пример хорошей научной теории.


Солнце своей массой искривляет пространство-время и влияет на движение планет

Солнце своей массой искривляет пространство-время и влияет на движение планет

Общая теория относительности Энштейна была еще на порядок лучше! Немецкий ученый обладал тем же объемом исходной информации как и Ньютон, но своим законом смог заново объяснить гравитацию и рассказать о причинах многих странных явлений в космосе. Вот, какие тайны она открывает:

  • Сдвиг орбиты Меркурия и других близких к Солнцу планет
  • Отклонения света и радиосигналов в гравитационном поле
  • Гравитационное красное смещение
  • Искажение формы далеких звезд из-за гравитационного влияния на пути света
  • Существование и свойства гравитационных волн

И это далеко еще не все результаты, которых удалось добиться с помощью уравнений Энштейна.

Ключевая особенность, сделавшая теорию относительности не просто успешной, а самой успешной по сравнению с предшественниками, заключается в том, что ее можно свести к простой формулировке:

Добавлением нескольких новых, независимых переменных в существующие модели можно точно предсказать огромное число необъяснимых феноменов и явлений.

Энштейн просто расширил теорию гравитации Ньютона предложив изучать силы притяжения через четырехмерное пространство с учетом еще одного измерения - времени.


В скоплении галактик разделение участков розового (излучение) и синего цвета (гравитация) доказывает существование Темной материи

Именно поэтому теория Энштейна велика и успешна, а похожие на нее теории оставляют след в истории науки и принимаются общественностью как значимые открытия. Вся мощь науки заключается в способности на основе минимума данных сделать количественные и качественные предсказания, которые могут быть опровергнуты или доказаны экспериментальным путем.

Вот почему идея о присутствии темной материи во Вселенной тоже представляет собой революционную и хорошую научную теорию. Физики просто добавили в существующую модель космоса еще один вид частиц - холодных и не взаимодействующих со светом и обычной материей - и сразу получили важные результаты о причинах вращения и столкновения галактик, происхождении реликтового излучения, взаимосвязи между звездными системами и многое другое.

Вот почему теории с множеством вводных независимых параметров или переменных проигрывают стройным, изящным, простым и сильным уравнениям Энштейна и Ньютона. Если только одна принятая константа в гипотезе о Темной материи объяснила столь много вещей, зачем нам использовать бесчисленное количество параметров, которые лишь запутают и не предскажут ничего достоверного о нашем мире?

На научных конференция часто звучат многообещающие и яркие идеи, но почему-то они требуют ввода кучи новых величин и переменных, а взамен дают лишь ничтожные прогнозы. В следующий раз, когда вы услышите об еще одной громкой научной теории, готовой перевернуть мир, просто задайтесь вопросом, сколько новых переменных X пытается привлечь туда ученый, чтобы заменить уже действующую гипотезу. А потом сравните количество к X с Y - числом физических явлений и феноменов, чей смысл и природу объяснил новый закон. Если количество Y гораздо больше, чем X, то похоже перед вами действительно блестящая и гениальная научная теория. А если наоборот, X больше, чем Y , то скорей всего перед вами неважная и слабая научная теория или вообще не относящаяся к науке идея, на которую не стоит тратить времени.

Величайшая мощь знаний в способности предсказать все явления в природе и Вселенной и выразить это простым и доступным языком формул.

Источник Фото 1, 2, 3, 4