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], 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, Марх 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]. 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].
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».
Становится понятно, почему физику называют точной наукой.