Калі пульсацыя ў прасторы, якая ўзнікае з далёкіх гравітацыйных хваль, праходзіць праз нашу Сонечную сістэму, уключаючы Зямлю, яны ўсё так лёгка сціскаюцца і пашыраюць прастору вакол іх. Альтэрнатывы могуць быць абмежаваныя неверагодна жорстка дзякуючы нашым вымярэнням у гэтым рэжыме. (ЕЎРАПЕЙСКАЯ ГРАВІТАЦЫЯНАЯ АБСЭРВАТАРЫЯ, LIONEL BRET / EUROLIOS)

Як зняць навуковую тэорыю ў тры простыя крокі

Адметнай рысай добрага навукоўца з'яўляецца перадуманне, калі ўзнікаюць новыя доказы. Вось як гэта выглядае.

Навука, як і многія рэчы ў жыцці, заўсёды з'яўляецца незавершаным. Хаця ў паспяховай навуковай тэорыі ёсць пытанні, на якія яна можа адказаць, прыродныя з'явы, якія яна можа дакладна апісаць, і надзейныя прагнозы, якія яна можа зрабіць, таксама прынцыпова абмежаваныя ў любы момант часу. Любая тэорыя, якой бы паспяховай была, мае абмежаваны дыяпазон дзеяння. Заставайцеся ў гэтым дыяпазоне, і ваша тэорыя вельмі добра апісвае рэальнасць; выходзіць за межы яго, і яго прадказанні ўжо не адпавядаюць назіранням і эксперыментам. Гэта дакладна для любой тэорыі, якую вы выбіраеце. Ньютанаўская механіка распадаецца на малых (квантавых) маштабах і высокіх (рэлятывісцкіх) хуткасцях; Агульная адноснасць Эйнштэйна распадаецца на незвычайнасць; Эвалюцыя Дарвіна руйнуецца ў самым пачатку жыцця.

Нават нашы лепшыя тэорыі сёння могуць быць заменены навукай заўтрашняга дня. Вось як гэта адбываецца.

Адной з вялікіх загадак 1500-х гадоў было тое, як планеты рухаліся знешне рэтраградна. Гэта можна растлумачыць альбо геацэнтрычнай мадэллю Пталямея (L), альбо геліацэнтрычнай Каперніка (R). Аднак атрымаць дэталі правільна да адвольнай дакладнасці ніхто не мог зрабіць. Як цікава абедзве гэтыя мадэлі, ні адна з іх не павінна сказаць шмат, калі б былі адкрыты яшчэ адна новая планета. (ETHAN SIEGEL / BEYON THE GALAXY)

Крок 0: прызнанне поспехаў і няўдач вядучай тэорыі. Паслабленне святога грааля навуковых тэорый - гэта тое, што называецца канчатковай тэорыяй усяго. Гэта была мара Эйнштэйна і застаецца марай многіх іншых навукоўцаў у самых розных сферах. Такая тэорыя можа прадказаць усе прыродныя з'явы ў Сусвеце з улікам любых першапачатковых умоў і ўмоў. Вы можаце разлічыць вынік любой эксперыментальнай ўстаноўкі загадзя; вы можаце прадказаць, як любая сістэма будзе развівацца адвольна далёка ў будучыні. Адзінае абмежаванне, з якім вы сутыкнуліся б, было б адсутнасць адвольнай колькасці вылічальнай магутнасці, а не якіх-небудзь тэарэтычных абмежаванняў.

Часціцы Стандартнай мадэлі і іх суперсіметрычныя аналагі. Крыху менш за 50% гэтых часціц былі выяўлены, і крыху больш за 50% ніколі не выяўлялі слядоў таго, што яны існуюць. Суперсіметрыя - гэта ідэя, якая спадзяецца палепшыць стандартную мадэль, але яна яшчэ не дасягнула

Але нас там яшчэ няма. У нас няма працоўнай тэорыі ўсяго; у нас ёсць мноства вельмі паспяховых тэорый, якія кардынальна абмежаваныя. У кожнай вобласці ў нас ёсць з'явы, якія мы можам назіраць, альбо эксперыменты, якія мы можам распрацаваць там, дзе прагнозы нашай лепшай тэорыі альбо супярэчаць дадзеным, альбо прыносяць глупства. Акрамя таго, часта ўзнікаюць праблемы ці загадкі, якія нельга растлумачыць тэорыямі, якія мы маем.

Чаму нейтрына маюць масу? Чаму Сусвет складаецца з вялікай колькасці рэчывы, а не антыматэрыі? Што адбываецца з гравітацыйным полем электрона, калі ён праходзіць праз двайную шчыліну? І чаму асноўныя канстанты маюць тыя значэнні, якія яны маюць? Невытлумачальная з'ява, якая назіраецца, але не мае тэорыі, каб яе прадбачыць, часта з'яўляецца штуршком да навуковай рэвалюцыі. Гэта наш зыходны пункт.

У тэорыі гравітацыі Ньютана арбіты складаюць дасканалыя эліпсы, калі яны ўзнікаюць вакол адзінкавых вялікіх мас. Аднак у Агульнай адноснасці ёсць дадатковы эфект прэцэсіі з-за скрыўлення прасторы і часу, і гэта прымушае арбіту змяняцца з цягам часу такім чынам, што часам вымяраецца. Ртутныя працэсы з хуткасцю 43

Крок 1. Прайграванне ўсіх поспехаў вядучай тэорыі. Такім чынам, у вас ёсць новая тэорыя, якая, надзея, выцесніць вядучую ў цяперашні час? Цудоўна! Першы ваш бізнес - прадэманстраваць, што ваша новая тэорыя не падвядзе, дзе атрымалася старая. Чым больш паспяховая тэорыя, якая склалася, тым вышэй парадак для дасягнення гэтай мэты. Напрыклад:

  • Хочаце адмяніць агульную адноснасць? Вы павінны растлумачыць гравітацыйнае лінзаванне, прэцэсію арбіты Меркурыя, эфект узрушэння сілы напружання, гравітацыйную чырвоную змену, затрымку Шапіра і - зусім нядаўна - гравітацыйныя хвалі ад зліцця чорных дзюр і нейтронных зорак.
Любы прадмет альбо форма, фізічная ці нефізічная, будзе скажона, калі гравітацыйныя хвалі праходзяць праз яе. Кожны раз, калі адна вялікая маса паскараецца праз вобласць выгнутага прасторы і часу, гравітацыйная эмісія хваль - гэта непазбежнае наступства, паведамляе Агульная адноснасць. (НАСА / АМЕС-ДОСЛЕДНЫ ЦЭНТР / С. Гензэ)
  • Хочаце выйсці за рамкі эвалюцыі Дарвіна? Вам усё яшчэ трэба растлумачыць узнікненне біялагічнай разнастайнасці, рэакцыю на ціск выбару і тое, як працуе спадчына сярод іншых.
  • Хочаце ўдасканаліць атаму Бора? Вам прыйдзецца, як мінімум, прайграць поспехі тлумачэння розных узроўняў энергіі ў атаме і эксперыментаў па рассейванні Рэзерфорда і іншых па-за атамнага ядра.

Гэта таксама азначае, што ваша новая тэорыя не можа рабіць новых прагнозаў, якія супярэчаць назіранням, якія ўжо былі зроблены, альбо эксперыментаў, якія ўжо выконваліся. Недастаткова, каб правільна выбраць прагнозы; вы павінны ўзнавіць кожны поспех папярэдняй тэорыі. Калі вы не можаце зраўняць тое, што спрабуеце замяніць, вы не пераўзыдзеце яго.

Гадзіннік, утвораны фатонам, які адскоквае паміж двума люстэркамі, будзе вызначаць час для назіральніка. Нават тэорыя спецыяльнай адноснасці, якая мае ўсе эксперыментальныя доказы, ніколі не можа быць даказана, але можа быць праверана і праверка, альбо фальсіфікацыя. Гэтыя правілы працуюць толькі для двух назіральнікаў за адной і той жа «падзеяй» у прасторы і часе. (Джон Джон Норттон)

Крок 2: поспех там, дзе папярэдняй тэорыі не было. Мы толькі задумалі лепшую тэорыю, бо нейкая матывацыя альбо штуршок прымусілі нас яе стварыць. (Памятаеце, у нас тут быў "крок 0"! Штосьці не было ў парадку са старой тэорыяй; штосьці не змагло растлумачыць. Ньютанаўская фізіка не магла растлумачыць механіку хутка рухаюцца часціц; прамянёвая тэорыя святла не магла растлумачыць заканамернасці перашкод; універсальны закон гравітацыі не мог улічваць арбіту Меркурыя.

Арбіты планет ва ўнутранай Сонечнай сістэме не зусім круглыя, але яны вельмі блізкія, а Меркурый і Марс маюць самыя вялікія адхіленні і найвялікшую эліптычнасць. У сярэдзіне 19 стагоддзя навукоўцы пачалі заўважаць адступленні ў руху Меркурыя ад прадказанняў гравітацыі Ньютана. (НАСА / JPL)

Усе гэтыя галаваломкі прывялі да шматлікіх новых ідэй, якія б растлумачылі гэтыя з'явы, але не кожная ідэя можа таксама прайграць ранейшыя поспехі. Напрыклад, урбан Ле Вер'е прапанаваў Урбан Ле Вер'е, каб растлумачыць яго анамальную арбіту, гіпатэтычны інтэр'ер планеты для Меркурыя - які атрымаў назву Вулкан. Іншыя навукоўцы выказалі здагадку, што карона Сонца была масіўнай. Іншая каманда, Сайман Ньюкомб і Асаф Хол, вызначылі, што калі вы заменіце зваротны квадратны закон Ньютана, які абвяшчае, што гравітацыя адвальваецца як адна на адлегласць да сілы 2, з законам, які кажа, што гравітацыя адвальваецца як адна на адлегласць да магутнасцю 2.0000001612, вы маглі б растлумачыць рух Меркурыя. Нарэшце, Эйнштэйн скончыўся з Ньютанам, замяніўшы яго гравітацыйным "дзеяннем на адлегласці" крывым прасторай часу.

Усе гэтыя ідэі сур'ёзна разглядаліся шмат гадоў; усе, апроч аднаго, выпалі на другі план, калі яны сутыкнуліся з усім важным трэцім крокам.

Дыяпазон кандыдатаў на гіпатэтычную планету Вулкан. Былі праведзены вычарпальныя пошукі планеты, якая магла б быць звязана з анамальнымі рухамі Меркурыя ў кантэксце гравітацыі Ньютона, але такой планеты не існуе, што б пацвердзіла прадказанне ўнутранай планеты нашай Сонечнай сістэмы. (WIKIMEDIA COMMONS USER REYK)

Крок 3. Вы павінны зрабіць новыя, праверкі прагнозаў, якія адрозніваюцца ад арыгінальных тэорыі. Калі б у Меркурыі з'явіўся новы інтэр'ер планеты, яго трэба было б выявіць з дапамогай тэлескопа. Калі б карона была масіўнай, мы павінны выявіць вялікую шчыльнасць часціц / рэчываў, чым тое, што мы назіраем. Калі б тэорыя гравітацыі Ньюкомба і Хола была правільнай, гэта паўплывала б на назіраныя арбіты Месяца, Венеры і Зямлі спосабамі, якія не супадаюць з назіраннямі. І калі б Эйнштэйн меў рацыю, гэта азначала б, што, калі прастора выгінаецца масай, фонавы крыніца святла павінен ісці па крывой, а не па прамой. Ён будзе крывым у залежнасці ад прагназуемай агульнай адноснасці, а не па нулявой колькасці і па колькасці, якое вы атрымаеце ў гравітацыі Ньютана, прысвоіўшы фату масу, зададзеную яго энергіяй (праз E = mc²). У 1919 годзе, падчас поўнага зацьмення Сонца, гэта прадказанне Эйнштэйна было пастаўлена на крытычную праверку.

Загалоўкі з New York Times (L) і Illustrated London News (R) паказваюць не толькі розніцу ў якасці і глыбіні справаздачнасці, але і ў узроўні хвалявання, выказанага журналістамі ў дзвюх розных краінах ад гэтай неверагоднай навуковай працы прарыў. Святло, сапраўды, было выгнута ў непасрэднай масе на колькасць, прадказаную Эйнштэйнам. (Нью-йоркскія часы, 10 лістапада 1919 (L); Ілюстраваныя навіны Лондана, 22 лістапада 1919 (R))

Вось, вось, святло нахіліўся ў адпаведнасці з прагнозамі Эйнштэйна! У выніку велізарнай рэвалюцыі ў нас была новая тэорыя гравітацыі, выпрабаваная шмат разоў за апошнія 99 гадоў, і праходзілі гэтую праверку ўсюды, дзе назірання або эксперыменты былі дастаткова якаснымі. Спатрэбіліся аналагічныя тэарэтычныя распрацоўкі і эксперыментальнае / назіранне, каб пацвердзіць усе нашы вядучыя навуковыя тэорыі: ад генетыкі і ДНК да Вялікага выбуху, касмалагічнай інфляцыі і цёмнай матэрыі. Гэта не нашы найвялікшыя тэорыі, таму што матэматыка такая прыгожая, альбо яны так добра адпавядаюць нашай інтуіцыі, а таму, што яны так паспяхова апісваюць прыродныя з'явы ў гэтым Сусвеце.

Самыя маштабныя назіранні ў Сусвеце: ад касмічнага мікрахвалевага фону да касмічнага палатна да кластараў галактык да асобных галактык, для тлумачэння таго, што мы назіраем, патрабуецца цёмная матэрыя. Але нават тэорыя цёмнай матэрыі мае свае праблемы і, верагодна, калі-небудзь будуць дапоўненыя і, магчыма, нават замененыя. (CHRIS BLAKE AND SAM MOORFIELD)

Па меры таго, як навука становіцца больш развітым, багатым на доказы прадпрыемствам, становіцца больш геркулесавай задачай стварыць адзіную тэорыю, якая тлумачыць поўны набор дадзеных. Але менавіта гэтым займаюцца найбольш паспяховыя тэорыі. Незалежна ад таго, наколькі паспяховай была ідэя ў мінулым, усё, што трэба, - гэта адно супярэчлівае назіранне, каб усю справу кінуць пад сумнеў. Нашы найвялікшыя навуковыя тэорыі сёння, хутчэй за ўсё, будуць падаць у будучыні, калі будуць сабраны новыя і найлепшыя доказы.

Масіўныя нейтрына - намёк на фізіку за рамкі стандартнай мадэлі; Інфармацыйны парадокс чорнай дзіркі - намёк на цяжар за межамі Агульнай адноснасці; той факт, што палавое размнажэнне існуе, бясспрэчна, але як яно ўзнікла, пакуль невядома. Гэтыя галаваломкі і многія іншыя могуць служыць прадвеснікамі манументальнага навуковага прасоўвання. Да гэтага часу мы можам толькі разважаць на межах навукі, спрабуючы зрабіць гэтыя тры масіўныя крокі да лепшага разумення Сусвету.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".