Наши предубеждения, предпочтения и представления о простоте и элегантности могут мешать. Вот научный способ избавиться от них всех.
Какие правила управляют реальностью? Если вы сможете определить, каковы настоящие законы природы, вы сможете успешно предсказать результат любого эксперимента. Вы могли бы создать любую физическую установку, о которой мечтали, и знали бы, как она будет вести себя по мере продвижения вперед во времени. Даже в пределах параметров квантовой механики вы сможете дать точное распределение вероятностей, с реальностью, соответствующей тому, что вы наблюдаете снова и снова.
Это мечта любого ученого, работающего с теорией: придумать что-то настолько успешное, чтобы его прогностическая и пост-прогностическая сила каждый раз оказывалась правильной. В 2018 году мы как никогда близки к тому, чтобы сделать все правильно. Но есть правила успешного теоретизирования, и если вы их нарушите, ваша теория не просто окажется ошибочной; это будет плохая наука.
Всякий раз, когда мы наблюдаем явление, происходящее во Вселенной, наше любопытство заставляет нас попытаться понять, что его вызвало. Недостаточно описать его поэтической картиной или аналогией; мы требуем количественного описания того, что происходит, когда и в каком количестве. Мы стремимся понять, какие процессы вызывают это явление и как эти процессы создают наблюдаемый эффект точной наблюдаемой величины.
И мы хотим иметь возможность применять наши правила к системам, которые мы еще не наблюдали и не измеряли, чтобы предсказать новое поведение, которое не возникло бы в других формулировках. Идей пруд пруди, но хороших идей крайне мало. Простая причина, почему? Большинство идей слишком много предполагают и слишком мало предсказывают. Существует наука о том, как все это работает.
Возьмем, к примеру, расширяющуюся Вселенную. Когда мы смотрим на галактики за пределами Млечного Пути, мы можем измерять отдельные звезды внутри них. Поскольку мы также измеряем звезды в нашей собственной галактике и верим (с большой степенью точности), что понимаем, как работают звезды, когда мы измеряем те же типы звезд в других местах, мы можем использовать эту информацию, чтобы определить, как далеко они находятся.. Получите достаточно этих измерений для нужных типов звезд, и вы сможете определить, насколько далеко находятся эти галактики.
Добавьте к этому тот факт, что свет от этих галактик кажется смещенным в красную сторону, и мы можем сделать один из двух выводов:
- либо далекие галактики удаляются от нас, и их свет кажется более красным из-за их движения относительно нас,
- или пространство между этими галактиками и нами расширяется, в результате чего длина волны этого света удлиняется и становится краснее на своем пути.
Любое из них согласуется с известными законами физики, что делает их оба отличными объяснениями-кандидатами. Когда мы смотрим на соотношение расстояние-красное смещение для ближайших галактик, мы видим, что оно не различает эти две возможности.
Это разумный способ начать теоретизировать! Увидьте явление и придумайте правдоподобное объяснение (или несколько правдоподобных объяснений) тому, что вы наблюдали. Однако обе эти идеи будут иметь последствия для Вселенной. Если бы далекие галактики удалялись от нас, вы бы достигли точки, в которой вы были бы ограничены скоростью света: пределом скорости Вселенной.
Но если бы пространство между галактиками расширялось, не было бы предела красному смещению, которое мы могли бы наблюдать. На очень больших расстояниях мы увидели бы разницу между этими двумя объяснениями. Если оставить в стороне все предубеждения, если вы можете сделать физический прогноз, основанный на вашей уникальной и мощной теории, то ее проверка будет решающим фактором.
Тот факт, что мы можем использовать теорию, чтобы сделать уникальное и мощное предсказание, является одним из признаков того, что отличает хорошую научную теорию от плохой. Если ваша теория не делает предсказаний, она совершенно бесполезна с точки зрения физики. Это обвинение часто правильно выдвигается против теории струн, предсказания которой почти невозможно проверить на практике.
Но когда обвинение направлено против космической инфляции, это совершенно несправедливо. Инфляция сделала не менее шести уникальных предсказаний, которые не были проверены, когда она была предложена, и четыре из них уже подтвердились, а два других ждут лучших экспериментов для их проверки. Ваша теория, чтобы иметь хоть какое-то качество, должна быть проверяема в сравнении с альтернативами.
Это также не должно быть излишне сложным. Сегодня во Вселенной много загадок, от крошечных явлений, таких как, почему нейтрино имеют массу, до темной материи и темной энергии в самых больших масштабах. Существует множество моделей, объясняющих эти (и другие) головоломки, но большинство теоретических идей довольно плохи.
Почему?
Потому что большинство из них обращаются к целому набору новой физики, чтобы объяснить всего лишь одно необъяснимое наблюдение.
Возьмем, к примеру, темную энергию. В настоящее время это вполне объяснимо, если добавить всего один новый параметр - космологическую постоянную - в нашу самую известную теорию гравитации, общую теорию относительности. Но есть и альтернативные объяснения, которые тоже могут подойти.
- Темная энергия может быть новым полем с непостоянным уравнением состояния и/или величиной, изменяющейся со временем.
- Это может быть связано с инфляцией через квинтэссенцию поля.
- Или Общая теория относительности может быть заменена любой альтернативой, которую мы могли бы придумать, которая еще не исключена существующими данными.
Все эти объяснения важно иметь в виду как возможные, но они также являются примерами спекулятивной научной теории, в которую никто не должен верить.
Почему нет? Потому что эти альтернативные объяснения не делают ничего значительно лучше стандартного, «ванильного» объяснения космологической постоянной. Полный набор имеющихся у нас данных о поведении темной энергии - , включая сверхновые звезды, гамма-всплески, барионные акустические колебания, космический микроволновый фон и крупномасштабные данные кластеризации - , не показывают никаких доказательств ни одного из них.
Нет нерешенных загадок или проблем с наблюдениями, возникающих при стандартном взгляде на темную энергию. Другими словами, нет никакой мотивации излишне усложнять ситуацию. Как и в случае с чайником Рассела, только потому, что что-то не исключено, не означает, что это стоит рассматривать.
Бремя доказательства лежит на любом теоретике, который должен продемонстрировать убедительную мотивацию своей новой модели. Исторически эта мотивация проявлялась в форме необъяснимых данных, которые требуют объяснения и не могут быть объяснены без какой-либо новой физики. Если это можно объяснить без новой физики, вы должны пойти по этому пути. История показала, что этот путь почти всегда правильный.
Если вы можете объяснить то, что не объясняет ваша стандартная теория, с помощью одного нового поля, одной новой частицы или одного нового взаимодействия, это следующий путь, который вы должны попробовать. В идеале вы объясните множество наблюдений с помощью этого нового параметра вашей теории, и это приведет к новым предсказаниям, которые вы сможете проверить.
Но добавление все новых и новых модификаций в вашу теорию - объективное усложнение вашей модели - , конечно, может предложить вам лучшее соответствие данным. В общем, количество новых бесплатных параметров, которые вводит ваша идея, должно быть намного меньше, чем количество новых вещей, которые она призвана объяснить. Великая сила науки в ее способности предсказывать и объяснять то, что мы видим во Вселенной. Ключ в том, чтобы сделать это как можно проще, но не упрощая еще больше.
Плохих научных теорий предостаточно, изобилуют ненужными усложнениями, дополнительными наборами параметров и ничем не ограниченными, плохо мотивированными спекуляциями. Если не будет реальной проверки в виде экспериментальных данных или данных наблюдений, не стоит тратить на это время.