Уиггинс А., Уинн Ч. The five biggest unsolved problems in science

Артур Уиггинс, Чарльз Уинн

в той степени, в какой это допускает природа предмета. Одинаково [нелепым] кажется и довольствоваться пространными рассуждениями математика, и требовать от ритора строгих доказательств.

Аристотель

Наука ≠ техника

Разве наука и техника не одно и то же? Нет, они различны.

Хотя техника, определяющая современную культуру, развивается благодаря постижению наукой Вселенной, техника и наука руководствуются разными побуждениями. Рассмотрим основные различия между наукой и техникой. Если занятия наукой вызваны желанием человека познать и понять Вселенную, то технические новшества — стремлением людей изменить условия своего существования, чтобы добыть себе пропитание, помочь другим, а нередко и совершить насилие ради личной выгоды.

Люди зачастую одновременно занимаются «чистой» и прикладной наукой, но в науке можно вести фундаментальные исследования без оглядки на конечный результат. Британский премьер-министр Уильям Гладстон заметил как-то Майклу Фарадею по поводу его основополагающих открытий, связавших воедино электричество и магнетизм: «Все это весьма занятно, но каков в этом прок?» Фарадей ответил: «Сэр, я не знаю, но однажды вы от этого выгадаете». Почти половину нынешнего богатства развитым странам принесла связь электричества с магнетизмом.

Прежде чем научные достижения станут достоянием техники, требуется принять во внимание дополнительные соображения: разработка какого устройства возможна, что допустимо построить (вопрос, по сути, относящийся к области этики). Этика же принадлежит к совершенно иной области умственной деятельности человека: гуманитарным наукам.

Основное различие между естествознанием и гуманитарными науками состоит в объективности. Естествознание стремится изучать поведение Вселенной по возможности объективно, тогда как перед гуманитарными науками такой цели или требования нет. Перефразируя слова ирландской писательницы XIX века Маргарет Волф Хангерфорд, можно сказать: «Красота [и истина, и справедливость, и благородство, и...] видится всеми по-разному».

Наука далеко не монолитна. Естественные науки заняты изучением как окружающей среды, так и самих людей, поскольку они функционально подобны иным формам жизни. А гуманитарные науки исследуют рациональное (эмоциональное) поведение людей и их установки, которые необходимы им для социального, политического и экономического взаимодействия. На рис. 1.1 графически представлены эти взаимосвязи.

Как бы ни способствовало такое стройное изложение пониманию существующих связей, действительность всегда оказывается значительно сложнее. Этика помогает определить, что исследовать, какие исследовательские методы, приемы использовать и какие эксперименты недопустимы ввиду таящейся в них угрозы благополучию людей. Политэкономия и политология также играют огромную роль, поскольку наука может изучать лишь то, что культура склонна поощрять как орудия производства, рабочую силу или что-то, политически приемлемое.

Механизм работы науки

Успех науки в изучении Вселенной складывается из наблюдений и выдвижения идей. Такого рода взаимообмен именуют научным методом (рис. 1.2).

В ходе наблюдения то или иное явление воспринимается органами чувств при помощи приборов или без них. Если в естествознании наблюдения ведутся за множеством подобных предметов (например, атомов углерода), то науки о человеке имеют дело с меньшим числом различных субъектов (например, людей, пусть даже однояйцевых близнецов).

После сбора данных наш ум, стремясь их упорядочить, начинает строить образы или объяснения. В этом и заключается работа человеческой мысли. Данный этап именуют этапом выдвижения гипотезы. Построение общей гипотезы на основе полученных наблюдений ведется посредством индуктивного умозаключения, которое содержит обобщение и поэтому считается самым ненадежным видом умозаключения. И как бы ни пытались искусственно строить выводы, в рамках научного метода подобного рода деятельность ограничена, поскольку на последующих этапах гипотеза сталкивается с действительностью.

Зачастую гипотеза целиком или отчасти формулируется на языке, отличающемся от обиходной речи, языке математики. Для приобретения математических навыков требуется приложить большие усилия, иначе несведущим в математике людям при объяснении научных гипотез понадобится перевод математических понятий на повседневный язык. К сожалению, при этом смысл гипотезы может существенно пострадать.

После построения гипотезу можно использовать для предсказания некоторых событий, которые должны произойти, если гипотеза верна. Такое предсказание выводится из гипотезы посредством дедуктивного умозаключения. Например, второй закон Ньютона гласит, что F = та. Если т равно 3 единицам массы, а а — 5 единицам ускорения, то F должна равняться 15 единицам силы. Выполнение математических расчетов на данном этапе могут взять на себя вычислительные машины, работающие на основе дедуктивного метода.

Следующий этап — проведение опыта, чтобы выяснить, подтверждается ли предсказание, сделанное на предыдущем этапе. Некоторые опыты провести довольно просто, но чаще — крайне затруднительно. Даже изготовив сложное и дорогостоящее научное оборудование для получения весьма ценных данных, нередко бывает нелегко найти деньги, а затем запастись терпением, необходимым для обработки и осмысления огромного массива этих данных. Естествознание обладает преимуществом: здесь можно обособить изучаемый предмет, тогда как наукам о человеке и обществе приходится иметь дело с многочисленными переменными, зависящими от различных взглядов (пристрастий) многих людей.

После завершения опытов их результаты сверяются с предсказанием. Поскольку гипотеза носит общий, а экспериментальные данные — частный характер, то результат, когда опыт согласуется с предсказанием, не доказывает гипотезу, а лишь подтверждает ее. Однако если исход опыта не согласуется с предсказанием, определенная сторона гипотезы оказывается ложной. Эта черта научного метода, именуемая фальсифицируемостью (опровергаемостью), накладывает на гипотезы определенное жесткое требование. Как выразился Альберт Эйнштейн, «никаким количеством экспериментов нельзя доказать теорию; но достаточно одного эксперимента, чтобы ее опровергнуть».

Оказавшуюся ложной гипотезу необходимо каким-то образом пересмотреть, т. е. слегка изменить, основательно переработать или же вовсе отбросить. Крайне трудно бывает решить, какие изменения здесь уместны. Пересмотренным гипотезам предстоит снова проделать тот же путь, и либо они устоят, либо от них откажутся в ходе дальнейших сопоставлений предсказания с опытом.

Другая сторона научного метода, не позволяющая сбиться с пути, — воспроизведение. Любой наблюдатель с соответствующей выучкой и подобающим оснащением должен суметь повторить опыты или предсказания и получить сравнимые результаты. Иначе говоря, науке свойственны постоянные перепроверки. Например, коллектив ученых из Национальной лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли² пытался получить новый химический элемент, обстреливая свинцовую мишень мощным лучом ионов криптона и затем изучая полученные вещества. В 1999 году ученые объявили о синтезе элемента с порядковым номером 118.

Синтез нового элемента — это всегда важное событие. В данном случае его синтез мог подтвердить бытовавшие представления о стабильности тяжелых элементов. Однако ученые других лабораторий Общества по изучению тяжелых ионов (Дармштадт, Германия), Большого государственного ускорителя тяжелых ионов Кайенского университета (Франция) и Лаборатория атомной физики Физико-химического института Рикэн (Япония) — не смогли повторить синтез элемента 118. Расширенный коллектив лаборатории в Беркли повторил опыт, но ему также не удалось воспроизвести полученные ранее результаты. В Беркли перепроверили исходные экспериментальные данные посредством программы с видоизмененным кодом и не сумели подтвердить наличия элемента 118. Пришлось отзывать свою заявку. Данный случай свидетельствует, что научный поиск бесконечен.

Порой наряду с опытами перепроверяются и гипотезы. В феврале 2001 года Брукхэйвенская национальная лаборатория в Нью-Йорке сообщила об опыте, в котором магнитный момент мюона (подобно электрону отрицательно заряженной частицы, но значительно более тяжелой) слегка превышает величину, предопределенную стандартной моделью физики элементарных частиц (подробнее об этой модели см. гл. 2). А поскольку предположения стандартной модели о многих иных свойствах частиц очень хорошо согласовывались с опытными данными, такое расхождение по поводу величины магнитного момента мюона разрушало основу стандартной модели.

Предсказание магнитного момента у мюона стало следствием сложных и долгих расчетов, независимо проведенных учеными в Японии и Нью-Йорке в 1995 году. В ноябре 2001 года эти расчеты повторили французские физики, которые обнаружили ошибочный отрицательный знак у одного из членов уравнения и разместили свои результаты в Интернете. В итоге Брукхэйвенская группа перепроверила собственные вычисления, признала ошибку и опубликовала исправленные результаты. В итоге удалось сократить расхождение между предсказанием и опытными данными. Стандартной модели вновь предстоит выдержать испытания, которые ей готовит непрекращающийся научный поиск.

Научный метод в действии

Рассмотрим шаг за шагом классический пример работы научного метода.

Наблюдение. Дж. Дж. Томсон, руководитель Кавендишской лаборатории (1884—1919) в Англии, изучал поведение светового луча в электронно-лучевой трубке (прообразе современной приемной телевизионной ЭЛТ). Поскольку луч: 1) отклонялся в сторону положительно заряженных электрических пластин и 2) при ударе о них вызывал вспышки света, выходило, что он состоял из отрицательно заряженных частиц — электронов, как назвал их ирландский физик XIX века Джордж Фицджеральд в своих замечаниях по поводу опыта Томсона. (Название электрон в качестве единицы электрического заряда предложил другой ирландский физик, Джордж Стони.)

Гипотеза. Поскольку атомы не обладают зарядом (нейтральны), а Томсон открыл внутри них отрицательно заряженные частицы, он заключил, что атом должен иметь и положительный заряд. В 1903 году Томсон создал теорию, согласно которой положительный заряд «размазан» по всему атому, а отрицательно заряженные электроны в виде вкраплений находятся посреди положительно заряженного вещества. Такая картина напоминала традиционное британское блюдо, поэтому получила название «томсоновская модель атома в виде пудинга с изюмом».

Предсказание. Эрнст Резерфорд был специалистом по положительно заряженным частицам, именуемым α- частицами. В начале XX века он предсказал, что обстрел этими частицами атомов, состоящих из редкого и «размазанного» положительного заряда, согласно томсоновской модели «пудинга с изюмом» будет напоминать броски бильярдными шарами в туман. Большая часть шаров пройдет напрямую, и лишь их толика отклонится на крайне малую величину.

Опыт. В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден стали обстреливать α-частицами тонкую золотую фольгу. Результаты оказались совершенно отличными от ожидаемых. Некоторые ос-частицы отклонялись на большие величины, а отдельные даже отскакивали обратно. Резерфорд заметил, что это «столь же неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил вас самих».

Повтор. На смену томсоновской модели атома пришла резерфордовская модель по образцу Солнечной системы, где положительный заряд был сосредоточен в сравнительно крошечном ядре посредине атома, а электроны (подобно планетам) обращались по круговым орбитам вокруг ядра (подобного Солнцу). В XX веке, после очередных предсказаний и опытов резерфордовскую модель атома в виде Солнечной системы сменили иные модели. Когда опытные данные не согласовывались с предсказаниями существовавшей гипотезы, приходилось пересматривать гипотезу.

Так толкование открытых Исааком Ньютоном законов механики и классических гипотез Джеймса Клерка Максвелла о природе электричества и магнетизма привело к заманчивому предположению об абсолютном характере пространства и времени. Теория относительности Эйнштейна заменила эти удобные абсолютные величины противоречащими интуиции и философски неблагонадежными относительными величинами. Основная причина, вынудившая признать существование относительности, заключалась в соответствии предсказаний данной теории опытным данным.

Несмотря на распространенность того или иного представления, известность сторонников какой-либо теории, непривлекательность новой теории, политические взгляды авторов идей или трудность их понимания, незыблемым остается одно: верховенство данных опыта.

Сложности

Представленный здесь научный метод — рациональная реконструкция функционирования науки в действительности. Подобная идеализация, естественно, отличается от происходящего на самом деле, например, при большом числе участников, когда этапы разделяются длительными промежутками времени. И все же у нас есть возможность многое увидеть.

Здесь необходимо учитывать ряд сложностей. Прежде всего, наука выдвигает несколько философских предположений, с которыми не согласны некоторые философы. Наука допускает существование объективной реальности, не зависящей от наблюдателя. Иначе без такой объективности одни и те же наблюдения и опыты, повторенные в различных лабораториях, могли бы разниться, и тогда исследователям невозможно было бы прийти к согласию. Далее, наука полагает, что Вселенной управляют некие незыблемые законы, и человек в состоянии постичь эти законы. Если управляющие Вселенной законы лишены определенности или мы не в состоянии постичь их, все усилия науки по выдвижению любых гипотез окажутся тщетными. Но поскольку наше понимание этих законов, похоже, углубляется, а основанные на них предсказания находят подтверждения в опытах, такие предположения выглядят вполне разумными.

Научные гипотезы строятся в связи с событиями, происходящими на протяжении длительного промежутка времени, в том числе с минувшими, которые нельзя проверить опытом. Обычно такую трудность обходят, выдвигая перекрестные гипотезы из различных отраслей знаний в поисках взаимного согласия. Например, оцениваемый в более чем 4 млрд. лет возраст Земли подтверждается астрономическими вычислениями содержания гелия в недрах Солнца, геологическими измерениями тектоники плит и биологическими наблюдениями за ростом коралловых отложений.

При объяснении определенного события — особенно при отсутствии опытных данных для некоторых явлений (например, о далеком прошлом, у которого не было летописцев, или о недоступных уголках Вселенной) — может выдвигаться сразу несколько гипотез. Щекотливое положение, когда много гипотез невозможно экспериментально подтвердить, разрешается на основе принципа научной бережливости [лат. Principium parsimoniae], именуемого бритвой Оккама. Английский философ Уильям из Оккама [местечка в английском графстве Сэррей] (1285—1349) был францисканским монахом и часто в своих философских сочинениях пользовался средневековым правилом: «Сущностей не следует умножать без необходимости»³.

Военные дали этому правилу более простое и непосредственное выражение — KISS: Keep It Simple, Stupid («He усложняй, болван»), или Keep It Short and Sweet («Будь краток и мил»). В любом случае оно служит руководством при отсутствии опытных данных. Если есть несколько гипотез и невозможно провести опыты, которые бы позволили выбрать между ними, останавливаются на самой простой.

Опыт доказывает правильность такого подхода. Например, в 1971 году космический зонд Uhuru по измерению рентгеновского излучения неожиданно выявил мощный поток рентгеновских лучей со стороны созвездия Лебедя, обозначенный Лебедь Х-1. Видимого источника этого излучения, которое исходило как бы из пустоты близ звезды-сверхгиганта HDE 226868, удаленной от Земли на 8 тыс. световых лет, не наблюдалось. (Разъяснение обозначения HDE см.: Список идей, 14. Составление звездных каталогов.) Согласно одной гипотезе, всему виной был невидимый спутник звезды HDE 226868. Этот призрак притягивал массу, которую исторгала из себя HDE 226868. При втягивании этого вещества невидимым спутником его температура повышалась до такой степени, что спутник начинал излучать радиоволны. Другая гипотеза требовала по меньшей мере двух невидимых тел, взаимодействующих с HDE 226868, — невидимую из-за своей блеклости обычную звезду и вращающуюся нейтронную звезду (ядро звезды, которая после завершения отпущенного ей срока сжимается в состоящий из нейтронов шар), именуемую пульсаром. Эти три тела, расположенные определенным образом, и могли быть источниками наблюдавшегося радиоизлучения.

Удаленность Лебедя Х-1 не позволяет проводить непосредственную проверку, тем более что само это излучение происходило 8 тыс. лет назад. Тогда какая же из соперничающих гипотез справедлива? Согласно экспериментальным данным — обе. Но, пользуясь бритвой Оккама, мы видим, что лучше всего здесь подходит более простое объяснение, ограничивающееся одним небесным телом. Таким образом, Лебедь Х-1 стал первым зарегистрированным примером невидимого спутника, известного как черная дыра. Впоследствии при схожих обстоятельствах удалось обнаружить более 30 таких объектов.

Принцип «Бритва Оккама» вступает в действие лишь при отсутствии опытного подтверждения. Его задача — помочь выбрать простейшую гипотезу, согласующуюся с наблюдениями. Однако она не может исключить прочие гипотезы, подтверждаемые даже более сложными данными. Ведь она не способна заменить получаемое в опыте подтверждение. Естественно, бритва Оккама уступает обстоятельным опытным данным, но порой это единственное, что у нас есть.

Нерешенные проблемы

Теперь, уяснив, как наука вписывается в умственную деятельность человека и как она функционирует, можно видеть, что ее открытость позволяет различными путями идти к более полному постижению Вселенной. Возникают новые явления, по поводу которых гипотезы хранят молчание, и, чтобы нарушить его, выдвигаются новые гипотезы, полные свежих идей. На их основе уточняются предсказания. Создается новое экспериментальное оборудование. Вся эта деятельность приводит к появлению гипотез, более точно отражающих поведение Вселенной. И все это ради одной цели — понять Вселенную во всем ее многообразии.

Научные гипотезы можно рассматривать как ответы на вопросы об устройстве Вселенной. Наша же задача состоит в исследовании пяти крупнейших проблем, не решенных до настоящего времени. Под словом «крупнейшие» подразумеваются проблемы, имеющие далеко идущие последствия, самые важные для нашего дальнейшего понимания, или обладающие наиболее весомым прикладным значением. Мы ограничимся одной крупнейшей нерешенной проблемой, взятой из каждой пяти отраслей естествознания, и попытаемся описать, каким образом можно ускорить их решение. Конечно, науки о человеке и обществе, гуманитарные и прикладные, имеют свои нерешенные проблемы (например, природа сознания), но данный вопрос выходит за рамки этой книги.

Вот отобранные нами в каждой из пяти отраслей естествознания крупнейшие нерешенные проблемы и то, чем мы руководствовались в своем выборе.

Физика. Связанные с движением свойства массы тела (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей многим, но не всем элементарным частицам Вселенной, нам не понятна. Крупнейшая нерешенная задача физики такова: почему одни частицы обладают массой [покоя], а другие — нет?

Химия. Изучение химических реакций живых и неживых тел ведется широко и весьма успешно. Крупнейшая нерешенная задача химии такова: какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?

Биология. Недавно удалось получить геном, или молекулярный чертеж, многих живых организмов. Геномы несут информацию об общих белках, или протеоме, живых организмов. Крупнейшая нерешенная задача биологии такова: каково строение и предназначение протеома?

Геология. Модель тектоники плит удовлетворительно описывает последствия взаимодействия верхних оболочек Земли. Но атмосферные явления, особенно тип погоды, похоже, не поддаются попыткам создать модели, ведущие к получению надежных прогнозов. Крупнейшая нерешенная задача геологии такова: возможен ли точный долговременный прогноз погоды?

Астрономия. Хотя многие стороны общего устройства Вселенной хорошо известны, в ее развитии еще много неясного. Недавнее открытие, что скорость расширения Вселенной возрастает, приводит к мысли, что она будет расширяться бесконечно. Крупнейшая нерешенная задача астрономии такова: почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?

Многие иные занимательные вопросы, связанные с этими задачами, будут возникать попутно, и некоторые из них сами могут в будущем стать крупнейшими. Об этом идет речь в заключительном разделе книги: «Список идей».

Уильям Гарвей, английский врач XVII века, определивший природу кровообращения, сказал: «Все, что мы знаем, бесконечно мало по сравнению с тем, что нам пока неведомо» [«Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных», 1628]. И это верно, поскольку вопросы множатся быстрее, чем на них успевают ответить. По мере расширения освещаемого наукой пространства увеличивается и обступающий его мрак.

Глава вторая