Природа науки

Природа науки

Законы природи — скелет Всесвіту. Вони є їй опорою, надають форму, пов’язують воєдино. Разом вони втілюють у собі шалену і величну картину нашого світу. Проте найважливіше, напевно, те, що закони природи роблять наш Всесвіт пізнаваної, підвладній силі людського розуму. У епоху, ми перестаємо вірити на свій здатність керувати оточуючими нас речами, він нагадує, навіть найбільш складні системи коряться простим законам, зрозумілим для звичайної людини. Але спочатку, ніж розпочати огляду законів природи, подумаємо, звідки береться і яку роль грають у підприємстві, іменованому наукой.

О науке

Большинство людей майже все своє життя прожило в XX столітті. Задумайтеся над простим питанням: що це сильно відрізняє цей століття, хіба що залишений нами позаду, від України всього, було перед ним? Звісно, він був століттям руйнації старих політичних укладів і приходу нових, але це ж можна сказати майже про будь-яке століття з часів появи перших писемних джерел. Він був століттям великих письменників і митців, а й у цьому немає нічого нового. Він тільки дав світу нові види мистецтва (на думку спадають джаз і дивитися кіно). Можливо, згодом займуть своє місце поруч із класичної оперою і симфонічної музикою. Я цьому сумніваюся, але, хіба що не пішли, не перший і останній випадок народження нових видів искусства.

Мне здається, саме розвиток науку й технології наклав печатку унікальності на XX століття. Якщо скласти список важливих досягнень століття, до нього міг би ввійти: антибіотики, висадка астронавтів на Місяці, комп’ютери, Інтернет, операції у від-критому серці, реактивні літаки, морожені продукти, небоскребы.

Невероятный зростання населення Криму і світової економіки протягом останніх 100 років — прямий наслідок неймовірного зростання обсягу накопичених нами знання Вселенной.

В певному сенсі, у цьому нічого нового. Усі по-справжньому глибокі зміни у житті людства відбувалися завдяки нових знань. Наприклад, близько 20 000 років як розв’язано комусь — мабуть, жінці, жила на Близькому Сході — спало на думку, що натомість, щоб харчуватися зібраними дикими рослинами, їх можна вирощувати і культивувати. Так з’явилося сільське господарство — нововведення (незалежно відтворене у багатьох частинах світу), без якого неможливе сучасна цивілізація. Кілька століть тому шотландський інженер під назвою Джеймс Уатт створив придатний для використання паровий двигун, став невід'ємним елементом промислової революції. Можливо, коли-небудь вчені поставлять поряд з нею винайдений в 1947 року транзистор і UMC нещодавно завершений проект «Геном людини» як найважливіші віхи історії человечества.

Конечно, в такому погляді на науку нас цікавить передусім принесена їй практична користь, поліпшення здоров’я людей і зростання життєвого комфорту. Але є в науку й інший вимір. Поліпшуючи якість нашому житті, вона у те час відкриває до нашого інтелекту чудове вікно у Всесвіт. Вона показує нам, що все навколишній світ існує у загальними правилами і принципам, й інші правил і принципи можна знайти з допомогою наукових методів. Правила, випробувані і перевірені найретельнішим чином, споруджені ранг «законів природи», хоча, як побачимо, вчені України і філософи далекі від згоди щодо використання цього терміна. З законів природи складається інтелектуальна структура, яка має місце нічого для будь-якого явища у Вселенной.

Люди завжди відчували цікавість стосовно навколишнього їх світу — над останню чергу тому, що виживання людини часто чого залежало від його здібності прогнозувати розвиток тій чи іншій ситуації. Фермери давним-давно виробили систему знання погоді і кліматі, дозволяла їм отримувати хороші врожаї, мисливці вивчили повадки своєї видобутку, а моряки навчилися знаходити у своєму морі та на небі ознаки подальших штормів. Але особливі прийоми і методик, сукупність що їх називаємо наукою, з’явилися лише кілька сотень років тому. Чому так сталося саме тоді і у Європі, а чи не деінде — ці запитання нехай відповідають історики. А нам важливо усвідомити, що таке наука і яким чином вона підводить нас до того що, що ми називаємо законами природы.

Прежде чому ми почнемо, хочу вас попередити одну речі. Вам часто доведеться зіштовхуватися, особливо у підручниках, з послідовністю дій, званої «науковим методом». Зазвичай пояснюють, що «спочатку учений виконує крок X, потім Y, і потім Z тощо. Можна подумати, ніби займатися наукою він — однаково що випікати печиво за бабусиним рецептом. Проблема з цим підходом в тому, що він цілком хибний — вчені справді часто виконують кроки X, Y і Z. Біда в тому, що він не передбачено місце до творення, винахідливості і простої людської упертості — споконвічних і невід'ємних складових наукової праці. Визначати науковому процесі як «метод» — те, що, описуючи картину Рембрандта чи Ван-Гога, говорити лише у тому, де які фарби завдані на полотно. Наука — не книжка для розфарбовування, де кожному кольору відповідає номер.

Поэтому, коли мова про тому, як влаштована наука як і вчені відкривають закони природи, визнаю за краще використовувати аналогію з допомогою юридичної практикою. Я маю в виду, що описані нижче елементи слід розглядати не як частину жорстко заданої послідовності кроків, бо як щаблі процесу, здійснюваного вченими. Інакше кажучи, думаючи про науку, треба пам’ятати всі ці складові, у своїй щоразу вирішуючи, наскільки важлива кожна складова в цьому контексті (і взагалі усе вони присутні). Інакше висловлюючись, немає фіксованою, жорсткої послідовності дій, що дозволяє дійти висновку, чи є щось наукою чи нет.

В цілому, більшість учених використовують більш-менш те ж послідовність кроків (її описуємо нижче), й у підручниках, зазвичай, фігурує саме він. Та інколи трапляються інтуїтивні прозріння і прориви, які у вашому поданні, то, можливо, не асоціюються з чином розважливих вчених у білих халатах. Це, бо більше всього мені хочеться, щоб винесли із цієї книжки уявлення у тому, що галузеву науку, як і мистецтво, — одна з головних шляхів реалізації тяги людини творчості, І що вчені поділяють з усіма нами людські нахили і слабкості. Пам’ятаючи про цю обмовку, розглянемо тепер складові наукового процесса.

Наблюдение чи эксперимент?

Чтобы дізнатися, чим є світ, подивіться, і ви побачите, який він. Це твердження здається цілком очевидно, і це, можливо, здивувалися з того що я потрудився провести його тут, але річ у тому, що його є наріжний камінь науки. І все-таки воно по сьогодні не забезпечило загального визнання, і напевно заперечувалося усіма протягом истории.

На протязі більшу частину документованої історії люди, зіштовхуючись із протиріччям між наглядом реального світу і тлумаченням релігійної доктрини, послідовно виходили із ключових положень доктрини, а чи не результатів спостережень. Наприклад, через неправильного тлумачення Біблії ієрархи Католицькій церкві XVII столітті змусили Галілея зректися уявлення, що земля обертається навколо Сонця. Щось схоже можна спостерігати сьогодні у США, де шкільні комітети часто ігнорують дуже багато даних, підтверджують теорії еволюції і «великого вибуху», воліючи дотримуватися тлумачення Книги Буття, з яким незгодні більшість християнських і іудейських исследователей.

Но як релігійні люди відмовляються оцінювати дані чи не погоджуватися з тим, що в світі часто є складнощам і неоднозначностям. Наприклад, є безліч доказів те, що природних канцерогенів, вироблюваних рослинами, значно більше, ніж канцерогенів в штучних пестициди. Багато захисники довкілля просто ігнорують ці докази, повторюючи засвоєне замолоду заклинання, що «природне добре, штучне погано». Обидва прикладу показують, що зручніше замкнутися у системі переконань, ніж спробувати сприймати світ таким, який він есть.

И все-таки спостереження світу — перший крок науці, і зроблено цей крок вже дуже довго. З появою землеробства фермери стали зберігати насіння від найбільш великих, самих плідних рослин, зрозумівши, що це дозволить їм поліпшити урожай буде на наступний рік. Ремісники помітили і зберегли для нащадків (можливо, в усній традиції) дані про те, як поводяться різні сплави металів, якщо їх обробляють і нагрівають належним чином. Предтечі нинішніх медиків помітили, що витяжки з певних рослин допомагають при деяких хворобах, і вже цим заклали основу сучасної фармацевтичної промисловості. В усіх цих прикладах пам’ять спостереженнях і дослідах збереглася, оскільки вони допомагали людям задовольнити свої потреби. Інакше кажучи, вони давали результат. До цієї ідеї ми повернемося, коли говоритимемо про інші шляхи познания.

По існуючому у народі думці, учений повинен підходитимемо світу цілком неупереджено — без заздалегідь сформованого уявлення, яким буде підсумок експерименту чи спостереження. Ідею цю висловив давним-давно англійський чернець, філософ і видатний учений Роджер Бекон (прибл. 1220−92), але, як і середньовічному Данському королівстві, «звичай цей похвальнее порушити, ніж берегти». За все своє кар'єру я зустрічав навіть однієї людини, соблюдавшего Україні цього принципу, — польового геолога, любив ходити «послухати, що скажуть каміння». Решта, з ким я мав справа, бралися до збагачення з досить ясним уявленням про те, що їх вийде. Але справа у цьому, що, якщо виходили не ті результати, яких вони очікували, вони могли залишити свої колишні ідеї, й слідувати за даними. Отже, говорячи про неупередженості наукових співтовариств, мені випала в виду це відмовитися від сформованих уявлень, і слідувати за даними, куди вони вели навіть від того, куди, як здається, вони мають привести.

Существует багато прикладів, як окремі вчені України та навіть цілі наукові співтовариства пішли цим шляхом. Наприклад, в 1964 року Арно Пензіас і Роберт Уїлсон (див. Великий вибух) — дослідники Лабораторій Bell в Нью-Джерсі — займалися виміром космічного мікрохвильового випромінювання. Якось на зорі супутниковому зв’язку такі виміру були звичайною справою — адже у тому, щоб ловити сигнал від супутників на орбіті, хоча б знати, що потрапляє у приймач, крім власне сигналу зі супутника. Обстежуючи небесну сферу своїм приймачем, Пензіас і Уїлсон реєстрували перешкоди з багатьох відомих джерел. Водночас зіштовхнулися із цілком несподіваним явищем: куди вони направили свої прилади, приймачі незмінно ловили слабкий вхідний мікрохвильовий сигнал (він проявлявся як тихе шипіння у навушниках). Позбутися нього не було вдавалося, як вони намагалися. Довелося навіть виселити пару голубів, осілих в апараті і які покрили частини приймача, як тактовно говорили вчені, «білим диэлектрическим речовиною». Зрештою Пензиасу і Уілсона довелося просто прийняти цілком несподіваний факт, що Всесвіт буквально пронизана мікрохвильовим випромінюванням. Нині ми вважаємо це зване реліктове електромагнітне випромінювання важливим підтвердженням теорії великого вибуху — кращої сьогоднішній день теорії про походження Всесвіту. Про те, що вони повірили отриманим даним, попри її повну несподіванка, Пензіас і Уїлсон отримали Нобелівську премію з фізиці за 1978 год.

Объяснив, чому вважаю, що спостереження й другий експеримент мають науці центральне значення, маю сказати, що ці дві поняття, будучи схожі за змістом, розуміють кілька різні способи роботи. Астроном неспроможна побудувати зірку і почекати, поки зостариться, щоб вивчити її поведінка. Еволюційний біолог неспроможна створити нове хребетний і почекати кілька мільйонів років, щоб подивитися, у що його розвинеться. Геолог неспроможна прискорити рух тектонічних плит лежить на поверхні Землі, щоб подивитися, як зміниться конкретна формація. В усіх цих випадках ученим доводиться задовольнятися спостереженнями над природою, оскільки предмет дослідження їм неподвластен.

Экспериментатор ж намагається управляти досліджуваної системою, найчастіше змінюючи за одним параметру, щоб подивитися, до чого призведе його зміна. Ось класичний приклад використання експериментального методу. Еколог Дэйвид Тилман з університету Міннесоти розділив велику ділянку прерії на Середньому Заході США гратами, що з квадратів зі в кілька метрів. У одному із своїх експериментів він підтримував всі умови переважають у всіх квадратах однаковими, за винятком кількості який додається азотного добрива. Це дозволило б відокремити дію одного елемента — азоту — від інших чинників, які впливають зростання рослин. Інші експериментатори надходять аналогічно. Ядерний фізик, сталкивающий субатомные частки на величезних швидкостях, забезпечує незмінність умов всіх сутичок, крім величини енергії налетающей частки; хімік підтримує однаковим співвідношення всіх що у реакції речовин, крім однієї; дослідник раку під час лікування пухлини у експериментальних тварин змінює лише з одному елементу тощо. У цих і багатьох інших експериментах вчені роблять складність системи мінімальної, щоб докладно вивчити одне із елементів, відмежувавши його від остальных.

Разница між наглядом і експериментом, будучи важлива, навряд чи ділить науки на два різних табору. Наприклад, астрономи можуть лише спостерігати зірки, а й використовувати експерименти з ядерними реакціями, аби зрозуміти, звідки ж береться їх енергія. Еволюційним біологам експериментальні даних про мутаціях фруктових мушок, які живуть недовго, допомагають отримати ставлення до тривалий процес еволюції, а геологи майже незмінно користуються даними лабораторних експериментів одержання мінеральних сполук щодо порід, складових ландшафт. Експеримент виключає спостережень, і навпаки. У будь-якій науці використовується розумне поєднання цього й другого.

Источник багатьох, а то й більшості нових ідей у науці — несподівані результати експериментів чи спостережень, і можна вважати відправною точкою наукового методу. Але в цієї загальне правило є договір винятку. Початок теорії відносності, створеної перші десятиліття ХХ століття, було покладено міркуваннями Альберта Ейнштейна про існування на той час фундаментальних наукових теоріях. Як я зрозумів вже сказав, наука абсолютно не завжди йде магістральний дорогий, відомої наперед.

Закономерности

Следующий елемент наукового процесу входить у гру по тому, як проведена серія експериментів чи спостережень і науковці отримали першу виставу про певному аспекті устрою природи. Цей новий розуміння зазвичай приймає форму тієї чи тієї інше закономірності, властивою природі. Наприклад, прориви в загаданих вище екологічних експериментах з вивчення впливу азоту Тилман виявив, що в міру додавання азоту кількість рослинного матеріалу (біомаса) на ділянці збільшується, тоді і кількість видів (біологічне розмаїтість) зменшується. Власне, три «види, скориставшись більшої доступністю азоту, витісняють над тими видами, якою це не удалось.

Иногда нововідкриті закономірності можна описати простими словами, як ми це зробили вище, але частіше вдаються до математичним термінам («зі збільшенням кількості азоту на x% біомаса виростає на y%») чи формулам. Як викладач наукових дисциплін, я звик боятися моменту, що мені доведеться відмовитися від зручності англійської, написавши на дошці рівняння. Можна без перебільшення, що, вдаючись до математики, вчені починають розмовляти будь-якою іншою мовою. Можливо, якщо ви пам’ятати, що рівняння — лише спосіб коротко висловити те щоб звичайному мові можна описати лише складно чи громіздко, це вам змиритися із необхідністю користуватися математичним аппаратом.

Приведем важливий історичний приклад, який ілюструє роль закономірностей. У XVII столітті однією з центральних питань, займали учених, було місце Землі в світобудові. Чи є вона центром, як вчили давньогрецькі вчені, чи рухається орбітою навколо Сонця (див. Принцип Коперника), як припустив Микола Коперник в 1543 року? Це має глибоке релігійне і філософське значення, у яких на горі переконався Галілей (див. Рівняння равноускоренного руху). Але з наукової погляду, одержати відповідь нею можна тільки єдиним чином. Вченому слід оцінити небо і побачити, якого з двох випадків краще відповідає рух небесних тіл — коли планета, з якою ведеться спостереження, стационарна чи коли він рухається по орбите.

Человеком, потратившим все життя створення інструментів, і здійснення необхідних вимірів, був датський астроном Тихо Бразі (1546−1601). Наприкінці життя він становив величезний список положень планет на небі, визначених у результаті точних вимірів. Список цей, до речі, мав величезну комерційну цінність, оскільки його було використовуватиме розрахунку гороскопів. Після смерті Бразі його помічник, німецький математик Йоганн Кеплер, блискуче застосувавши математичну дедукцію, використовував результати цих вимірів, щоб показати, що дані можна пояснити з допомогою трьох простих правил. Ці правила руху планет, звані тепер законами Кеплера, свідчать, что:

— все планети звертаються навколо Сонця по эллиптическим орбитам,.

— перебуваючи ближчі один до Сонцю, планети рухаються швидше, ніж коли вони знаходяться далі від цього, и.

— чим сильніший віддалений від Сонця орбіта планети, то повільніша планета рухається і тим довші її «год».

У цих законів є договір математична формулювання, і коли ви знаєте, наприклад, на якій відстані дана планета перебуває від поверхні Сонця, третій закон дозволить вам обчислити тривалість її року. Закони Кеплера, до речі, — хороший приклад, який ілюструє зроблене вище зауваження: отриману з спостережень інформацію можна узагальнити з допомогою кількох простих правил, умещающихся звороті конверта, замість пробиватися крізь томи данных.

Здесь слід зазначити ще що: вчені дуже недбало звертаються щодо слова «закон». У вашій книзі, присвяченій роз’яснення законів природи, цієї проблеми не можна упускати не врахували. Було дуже зручно, коли існувало просте правило, що б використання у науці таких слів, як «теорія», «принцип», «ефект» і «закон». Наприклад, можна було б перевірене тисячу разів називати «ефектом», перевірене мільйон раз іменувати «принципом», бо, що перевірили 10 мільйонів раз, — «законом». Та просто більше не надходять. Використання цих термінів грунтується на історичних прецеденти і немає ставлення до того, наскільки вчені переконані у вірності кожної конкретної утверждения.

Например, закон всесвітнього тяжіння Ньютона — одне з найбільш старанно перевірених наукових тверджень. Він, проте, входить до складу теорії відносності Ейнштейна. Кожне підтвердження закону Ньютона — це й підтвердження теорії Ейнштейна. Але є і підтвердження загальної теорії відносності, котрі виступають поза закону всесвітнього тяжіння. Отже, ми маємо справу з «теорією», має більше підтверджень, ніж «закон». І це поширений приклад. Деякі аспекти поведінки ідеального газу описуються законом Шарля і Законом України Бойля-Мариотта, але це закони можна вивести з (відповідно, більш загальній) теорії — молекулярно-кінетичної теорії газів. Одною з найбільш перевірених наукових ідей, де грунтується біологічні науки, описує розвиток життя на планеті. Попри все підтвердження, вчені все-таки говорять про теорії эволюции.

Таким чином, слово «теорія» може ставитися до нової концепції, яку ще доведеться як слід перевірити, і може позначати ідею, колишню колись нової, але відтоді настільки старанно перевірену, що яку можна вважати однієї із достовірних істин Всесвіт. Вчені просто більше не особливо цікавляться тим, як ідеї називаються і яким словами їх позначають. Важлива лише суть ідей то, наскільки вони вірні. Таке неуваги до термінологічним умовностям ви зіштовхнетеся у книзі з різними заголовками. Йдеться про коктейлі з «ефектів», «теорій», «законів» і «принципів», складеному без огляду на висоту становища. Це, як і те що, що часто називають іменами тих, хто їх відкривав, вважатимуться свідченням відносини учених звернулися до своєму делу.

Гипотеза

Когда експерименти проведено і призначає нові закономірності природи відкриті, це що означає, що ученим час зупинитися і підбити підсумки. Чи означають щось нововідкриті закономірності у тому, як влаштована природа? Узгоджуються вони з роботи вже відомими закономірностями, расширяющими ставлення до якійсь галузі науки? Взявши такими запитаннями, вчені розпочинають формулювання гіпотез — здогадок чи припущень про побудову Всесвіту. Ось і заводяться величні ідеї про правлячих Всесвіту силах.

Именно цьому етапі мову математики входить у своїх прав. Коли закономірності сформульовані як рівнянь, їх можна перетворювати за стандартними правилам математики, граючим, якщо хочете, роль граматики мови. Часто такі перетворення призводять до приголомшливим відкриттям. Наприклад, Ісаак Ньютон поєднав закон всесвітнього тяжіння Ньютона і закони механіки Ньютона, отримавши зовсім нову модель Сонячної системи, у якій планети обертаються навколо Сонця, а сила тяжіння Сонця Демшевського не дозволяє їм полетіти в космічне простір. Як побачимо далі, всі ці події справила великий вплив на уми. З одного боку, закони Кеплера, які колись вважалися узагальненням даних спостережень, самі стали наслідками — твердженнями, виведеними логічним шляхом з глибшої теорії Ньютона. З іншого, з’явилася можливість раціонально говорити про русі комет, доти вважався непередбачуваним, і це обставина дозволило Едмунду Галлею (1656−1742) відкрити в 1705 року орбіту комети, носить тепер його имя.

На цьому етапі наукового процесу ми зіштовхуємось із із ще однією варіацією на форумі нашу лінгвістичну тему — ще однією відтінком значення слова «теорія». У фізичних науках це слово часто позначає математичне опис ідей про побудову Всесвіту. Це може означати як пояснення цілком незначного феномена — зноски сторінка Всесвіту, — і величну і масштабну конструкцію, яка пояснює низку відомих результатів. Знову-таки, це слово може описувати (і описує) ідеї, визнані настільки, наскільки це тільки можливо. Теорія квантової хромодинамики, наприклад, — одне з найбільш скрупульозно підтверджених експериментом фізичних теорій. Деякі з передбачених нею явищ перевірені експериментаторами з точністю до 16 знаків після коми. Відомо, що вона застосовна до найширшому діапазону структур, від одиночних електронів до скупчень галактик. Чудово, що одержують учені використовують один і той ж слово, кажучи і настільки серйозно перевіреної концепції, і нової непідтвердженою гіпотезі якогось аспиранта.

Предсказание

Сколь б складної чи елегантної була теорія, підвищення якості визначається лежать в її основі даними, одержаними у результаті експериментів і спостережень. Але хороша теорія непросто об'єднує вже відомі факти — вона пророкує явища, які досі не спостерігалися. Інакше кажучи, хороша теорія «ручається за себе головою», даючи ясні, піддаються перевірці передбачення. Отже, замикаючи коло, що становить науковий метод, ми можемо, повернувшись експерименту і спостереженням, з’ясувати, існують передбачені теорією факти. Якщо можна, саме нові історичні факти, виведені з теорії та що підтверджують її вірність. Якщо ні, повертаємося до креслень, змінюємо теорію і пробуємо знову. У будь-якому разі, якість теорії визначається успішністю її предсказаний.

Иногда теорії якраз прогнозують факти. Приміром, Галлей, розрахувавши з допомогою теорії Ньютона орбіти комет, піддав ці теорії суворої перевірці, передбачив, що у 1758-м чи 1759 року комета знову вийде в небі. Не може бути ніяких відмовок чи виправдань — якби комета немає, теорія впала б. Тепер знаємо, що повернення комети Галлея вночі на Різдво 1758 року є одним з найбільших підтверджень ньютоновского уявлення Всесвіт, але важливо пам’ятати, що це може бути інакше. Нині, звісно, повернення періодичних комет можна передбачити куди точнее.

Теории можуть пророкувати і спільні закономірності. Наприклад, історія еволюції вперше було відновлено по копалинам органічним залишкам. Це забезпечило ученим уявлення у тому, як різні організми пов’язані між собою, як вони були загальні предки тощо. Не недавно знайшли новий спосіб виявлення перетинів поміж живими організмами — молекулярні годинник. Цю методику полягає в аналізі ДНК: чим більша різниця між ДНК двох організмів, то раніше повинні були розійтися їх еволюційні шляху. Теорія еволюції пророкує наявність єдиного генеалогічного дерева всім живих організмів, тому ДНК і копалини залишки повинні розповідати те ж історію. Це з недвозначних пророцтв теорії, яке, проте, не притягло до собі великої уваги. Збіг двох історій минулого — одне із отримані результаті спостережень фактів, підтверджують теорію эволюции.

Эта опора на перевірку досвідом, на мою думку, і те, що відрізняє науку від інших напрямів інтелектуальної діяльності. Сформулюємо різницю самим прямим і неоригінальним чином: у науці є вірні відповіді. Дарма, наскільки елегантна теорія і яким високе положення займають її творці. Якщо теорія спрацьовує, треба відмовитися від неї або змінити її. І тільки отак. Ця опора на перевірку досвідом служить демаркаційною межею, що розділює природні і гуманітарні науки. У цих дисциплінах, як філософія чи літературна критика, немає зовнішнього об'єктивного арбітра, що грає роль природи. Наприклад, тлумачення витвори мистецтва так порівнювати неможливо. Відповідно, представникам гуманітарних природничих наук буває важко зрозуміти образ думок одне одного. До цього питання незабаром вернемся.

С опорою на експериментальну перевірку ідей у науковому співтоваристві пов’язаний цікавий соціологічний феномен. Часто може бути, що, коли теорія виявляється непрацездатною, невеличка група, іноді навіть одна людина, ще довго намагається її оживити. За моїм досвідом, жоден учений не відчуває такої самотності, як, хто намагається оживити теорії, не які витримали перевірку експериментом. Покинуті колегами, де вони відступають, часто протягом усього життя безуспішно намагаючись оспорити винесений природою вирок. Наука буває суворим вихователем, вона невблаганно вимагає піддавати ідеї сумніву, змушує судити їх трибуналом спостереження колись, ніж принять.

У цього факту є важливе слідство. Якщо ідею неможливо перевірити експериментально, зіштовхнути її обличчям до обличчя із дикою природою, це просто більше не наука. Використовуючи термін, популяризованный філософом Карлом Поппером (1902−94), наукові ідеї повинні прагнути бути фальсифицируемы (т. е. опровержимы) — мали б виводитися піддаються перевірці затвердження. Інакше кажучи, має бути можливо уявити результат експерименту чи спостереження, демонструє невірність теорії (наприклад, закону всесвітнього тяжіння), навіть якби практиці такі і отримані. Комету Галлея могла не з’явитися знову. Факт, що що з’явилася, звісно, підтвердив теорію Галлея, але це, що то міг би не статися, показує, що теорія була фальсифицируема. Таким самим чином, могла виявитися, що ДНК риб ближчі один до людської ДНК, ніж ДНК шимпанзе. Це спростувало б теорію еволюції. Результат, звісно, був інший — ДНК шимпанзе і збігаються на 98%, — проте у принципі міг бути корисними і таким. Це показує, що теорія еволюції фальсифицируема.

Для порівняння розглянемо теорію, популярну останнім часом серед креационистов, — доктрину створеною давнини. Відповідно до цієї теорії, Земля створена кілька років тому, у ній вже були закладено свідоцтва значно більшого віку. Наприклад, гірські породи створено разом із які у них копалинами залишками, дерева створені з річними кільцями, світ зірок, що є з відривом тисяч світлових років, створений з шляху до Землі, й дуже далі. Перша (і дуже елегантна) ілюстрація цього принципу дана у книзі «Омфалос», написаної невдовзі після виходу роботи Дарвіна. По-грецьки «Омфалос» означає пупок, і головну ідею книжки у тому, що Адам був створений з пупком, але він ні в утробі і, не потребував пуповине.

Главное у цій теорії те, що неможливо уявити опровергающий її експеримент чи спостереження. Від будь-якого свідоцтва її невірності можна відмахнутися, сказавши, що така була створена Земля. Ця теорія не фальсифицируема (не опровержима), тому хоч яким вона була приваблива, він не наукова. Чимала частина, що прийнято називати альтернативної наукою, страждає цим недоліком — вона проходить тест на опровержимость. У телесеріалі «Секретні матеріали» (гарячим шанувальником якого, до речі, є) йдеться про масштабному змові, єдина мета якого — знищити свідоцтва присутності Землі інопланетян. Відсутність доказів завжди пояснюється у тому ж: «Вони хочуть, щоб ти це побачив». Це хороша серіал, але погана наука.

Прежде, ніж піти далі, хотів би згадати, що звинувачення про неможливість фальсифікації інколи доводиться чути в суперечках про ефективність класичної фрейдистской психотерапії. Деякі критики стверджують, що фрейдистська теорія може пояснити результат лікування незалежно з його результату. Якщо це (у яких не впевнений), ця теорія також за межі науки.

Большой цикл

Итак, наукове дослідження утворює цикл: експерименти, потім виявлення закономірностей, створення теорій, пророцтво з їхньої основі фактів і, нарешті, повернення до експерименту для перевірки вірності пророкованого. Переважна частина вчених значну частину життя водять свою галузь у цій колу. Це те, що філософи називають «нормальної наукою». Іноді, як ми бачили, те що не входить у цю зручну схему, нічого іншого й бути чекати не можна від справи, яким займаються люди. Отже, будь-якою етапі свого розвитку кожна наукова область намагається вийти з одного етапи до іншому. Одне з способів порівняти різні науки — з’ясувати, якою етапі циклу вони у цей час. Інакше кажучи, як представники цій галузі намагаються просунути її вперед?

Я розпочинав своє кар'єру фізиці елементарних частинок — розділі науки, присвяченому вивченню фундаментальних складових матерії. Зараз цей розділ перебуває в етапі між віщуванням фактів та його перевіркою. В наявності кілька правдоподібних теорій, і з них прогнозують поводження часток дуже високих енергій у зіткненні. На жаль, ми можемо перевірити вірність пророкованого, тому що в нас машин, здатних прискорити частки до досить високих енергій. У 1993 року Конгрес США досить із властивою йому мудрістю прийняв припинення будівництва машини, названої «Надпровідний суперколлайдер», забезпечивши в такий спосіб неможливість послідовного розвитку теорії та експерименту у цій галузі. Машина менше під назвою «Великий адронный коллайдер» повинна стати до ладу у Європейському центрі ядерних досліджень (CERN) у Женеві (Швейцарія) до 2005 року, і, то, можливо, фізика елементарних частинок знову зможе развиваться.

В нас саме деякі галузі науки зголодніли за даним, інші, навпаки, страждають від пересичення. Наприклад, у багатьох областях молекулярної біології нова інформація надходить таким потоком, що його неможливо перетравити. Живі організми — найскладніші структури у Всесвіті, і тільки тепер ми з’явилася можливість дослідження цього рівня складності. Багато напрями в науках про життя затрималися на етапі переходу від експерименту до виявлення закономірностей, й радянські дослідники докладають великих зусиль, намагаючись знайти молекулярний аналог законів Кеплера.

Хороший приклад цього — так звана проблема укладання білка. Серед іншого, білки — це робочі конячки, управляючі хімічними процесами живими організмах. Це великі молекули, мають складну просторову форму. Саме цій формі дозволяє білку виступати на молекулярному рівні у ролі своєрідного посередника — сприяти перебігові хімічних реакцій, не беручи участь у них (див. Каталізатори і ферменти). Білок будується з менших за величиною молекул, званих амінокислотами. Побудова білка нагадує процес нанизування намистин на нитку. Коли амінокислоти з'єднані в ланцюжок, під впливом складних електростатичних взаємодій між атомами у сусідніх амінокислотах, і навіть між тими атомами й навколишнього їх водою білок входить у складну тривимірну форму, яка йому виконувати свою функцию.

Проблему укладання білка можна сформулювати так: чи можна передбачити форму молекули і, відповідно, виконувану їй хімічну функцію, знаючи послідовність амінокислот в складової білок «ланцюжку»? На цей час у відповідь цей питання — «немає», оскільки цю проблему надто складна, щоб розв’язати цю проблему з допомогою найбільш швидкого комп’ютера. Мабуть, існують правила — молекулярний аналог законів Кеплера, — які допоможуть нам зрозуміти, як влаштований процес укладання, а й через складності проблеми нам поки що не це знайти. Це класичний приклад нездатності побачити ліс за деревьями.

Сложность проблем гальмує просування та інших наукових областях. Приміром, джерелом більшу частину які зараз суперечок парниковий ефект і глобальному потеплінні служить нездатність кліматологів чітко передбачити наслідки надходження у атмосферу таких речовин, як вуглекислий газ. Головна причина цієї невизначеності в тому, що незрозумілі основні фізико-хімічні процеси, що визначають поведінка атмосфери. Річ у тім, що таке реальна атмосфера настільки складна, що ми можемо запровадити всю необхідну інформацію в комп’ютерну програму. Наприклад, нині дві важливі кліматичних чинника — хмари і океанські течії — погано піддаються аналізу з допомогою таких програм. Можна сказати, що, з погляду нашого розуміння наукового методу, ця галузь перебуває між етапами теорії та предсказания.

Завершая обговорення прикладів, поговоримо про еволюційної теорії. Дані у цій галузі накопичуються протягом сотень років, і з закономірності відомі. Увага деяких послідовників еволюційної теорії тепер спрямоване на ширшу проблему визначення загальних принципів, яким підпорядковується всю історію життя. Наприклад, одна річ знати, як протягом конкретного періоду часу змінювався конкретний вид пласких хробаків чи птахів, інша — зрозуміти, як цілі екосистеми реагують зміни, вміти передбачити долю кожного виду. У нашої розмови можна сказати, що еволюційні біологи намагаються перейти у сфері від закономірностей до теории.

Как ми побачили, вчені постійно працюють над просуванням своїй сфері науки від етапи до етапу циклу — від експерименту для пошуку закономірностей, далі до теорії, завбачення нових фактів і знову до експерименту. Програма діяльності варіюється від однієї дисципліни в іншу залежно від предмета вивчення і ступеня зрілості дисципліни. На в кожному новому витку циклу теорії стають все точніше й докладніше, а наше уявлення про природу — повніше. І хоча філософи може погодитися (і погоджуються) зі мною, вважаю, що з кожним витком ми стаємо усе ближче істини про нашу Вселенной.

Следует зробити кілька зауважень щодо намальованої мною упорядкованим картини наукового прогресу. Одне вже зроблено вище: іноді у разі нових даних чи теорій всю систему зазнає докорінні зміни. Мені здається, що філософи надають цьому дуже велике значення (такі «революції» можна порахувати на пальцях однієї руки), але такі речі трапляються, і про них треба знати. Друге зауваження: ми маємо справу із нескінченним процесом. Не можна дістатися кінця кола, як можна отримати в природи остаточні своїх ідей. Це означає, що у науці завжди є нових ідей та сприяє розширенню горизонтів знання з нові напрями. Через п’ятдесят чи років в новинах напевне буде стільки ж звісток про новинки науки, як і він. Нарешті, у циклу немає фіксованих тимчасових рамок. Розвиток науки підкоряється власної логіці й залежить від появи нових інструментів, і ідей, отже не можна передбачити, коли розв’язати ті чи інші проблеми, чи отримати відповіді ті чи інші запитання. Іноді прогрес рухається семимильними кроками, інколи ж він раптом застопоривается. Іноді відкриття області глибоко впливають інші, даючи і їм нові інструменти — за приклад можна привести лазер. У кінцевому підсумку, прогрес важко передбачуваний, і це позбавляє сну керівників дослідницьких проектів і введення державних деятелей.

Из-за такий специфіки наукового процесу наукові праці та державна діяльність часто погано узгоджуються між собою. Припустимо, наприклад, що у наступний вівторок має відбутися важливе голосування якомусь питанню оцінки і що народним представникам у тому, щоб вирішити, як голосувати, потрібна певна наукова інформація. Однак немає жодної гарантії, що внутрішня логіка відповідних наук дозволить отримати цю інформацію вчасно. Для вченого це не предмет занепокоєння. Якщо ж згодом відповідь буде знайдено, немає особливих причин переживати у тому, коли це буде. Для політиків ж інформація, отримана після майбутнього вівторка, непросто некорисна, а навіть шкідлива. Вона не тільки допоможе їм вирішити, як голосувати, а може їх в незручне становище, показавши, що вони неправильно.

Еще один приклад. Функція судів у тому, аби з’ясувати, існують певні факти, й винести рішення щодо проблемам, який став предметом протиріч. Якщо, наприклад, компанія постала перед судом, оскільки позивач стверджує, що її продукція викликає рак, то вирішити, чи існує цього факту, слід негайно. Вчені що неспроможні просити суд почекати десятиліття, коли вони розберуться переважають у всіх фактах і проведуть відповідні дослідження. Рішення має бути прийняте ході судового процесу, і інформацію необхідно явити у цей час. Якщо ж пізніше з’явиться новий інформація, вона навряд чи принесе сторонам користь, оскільки такі справи надзвичайно складно возобновить.

Таким чином, науковий метод — справді прекрасний інструмент отримання відповідей стосовно питань про фізичному побудову Всесвіту. Ідеї не приймаються, поки вони пройдуть ретельної досвідченої перевірки, і це зробила їх надзвичайно надійними. Але у науці те що, щоб дійти консенсусу, потрібно чимало часу, і це що означає, що не можливо одержувати інформацію, необхідну прийняття політичних прийняття рішень та залагоджування судових споров.

Роль законів природы

Круг об'єктів і явищ у Всесвіті неймовірно широкий — від зірок, в тридцять разів переважаючих масою Сонце, до мікроорганізмів, які можна розглянути неозброєним оком. Ці об'єкти та його взаємодії становлять те, що ми називаємо матеріальним світом. У принципі так, кожен об'єкт міг би існувати по свого власного набору законів, цілком незалежному від законів, управляючих всіма іншими об'єктами. Така Всесвіт було б хаотичною і важкою розуміння, але з погляду логіки-це можливо. Те, що ми живемо над такий хаотичною Всесвіту, стало великою мірою наслідком існування законів природы.

Роль законів природи у тому, щоб упорядкувати і вибудовувати об'єкти, пов’язувати те, що здається між собою не пов’язаним, створювати простий каркас, який би з'єднав Всесвіт воєдино. У цьому до душі використовувати аналогію із павутинням. На периферії павутиння знаходяться практично всі явища у Всесвіті — травинки, гори, комети тощо. Якщо потрапити до павутиння у будь-якій точці край, обравши на дослідження єдине явище, можна розпочати ставити про нього питання. Рухаючись у цьому напрямі, ви знайдете, що це далі і далі поглиблюєтеся в павутиння, знаходячи дедалі більше глибокі пояснення досліджуваного явища. Поступово виявляються загальні закономірності, що стосуються як до досліджуваному явища, але пов’язані коїться з іншими, хоча ці зв’язку й невеликі з першого погляду. Ці глибинні пояснення ми бачимо називаємо законами природы.

Если продовжити дослідження, можна знайти, що це процеси йдуть ще. Виявляється, що чимало закони природи самі пов’язані коїться з іншими, ще більше глибокими законами, У цих глибших законів є свої, глибші зв’язку й таке інше. Зрештою, у центрі павутиння можна знайти щодо мало законів, що пов’язують всю конструкцію воєдино. По яка склалася науці звичці не надавати термінології особливого значення, їх іноді називають «законами природи». Але, щоб уникнути плутанини, я буду називати їхні «основними принципами», відрізняючи їх цим від інших законів, принципів, і ефектів, ми будемо говорить.

Перефразируя відому фразу з «Скотного двору» Оруелла, «всі закони природи рівні, але деякі рівніше за інших». Звісно, як і очікувалося, серед учених немає спільної думки про те, що став саме є основні принципи нашого ремесла, але вам довелося б потрудитися, щоб знайти вченого, незгодного з фактом існування. Підозрюю також, що практично ніхто не сперечається з включенням у цю елітну групу деяких принципів, наприклад першого початку термодинаміки. На периферії ж можливі здорові розбіжності в думках. Згадую, як дещо років тому у журналі «Science» була опубліковано докладну статтю по цій проблемі, у ній читачам пропонувалося надсилати свої списки кандидатів до «кращу двадцятку». Отримавши більше 800 відповідей, редакція виявила, що скласти список на десяток «найбільших ідей» неважко, але в наступні 10 місць претендентів дуже багато. Нижче я, у тому числі, просто опишу область дії кожного законом і надам вам вирішувати, чи належить вона до основним принципам.

Хочу проілюструвати павутиння взаємозалежних законів і принципів з допомогою вже згаданого нами коротенько предмета, саме комет. Про комети можна поставити багато різних питань. Один дуже старе питання: чого вони є небі безладно — звідки береться і куди зникають? Насправді, мова йде про орбіти комет чи, більш загально, про впливом геть їх орбіти Сонця і планет. Щоб осягнути, як рухається комета, треба знати, які сили її у діють які закони управляють цим впливом. Згодом Осип, що розумінням і ще, й ми зобов’язані Ісааку Ньютону. Його закон всесвітнього тяжіння каже нам, з яким силою Сонце діє комету, а закони механіки пояснюють, як сила впливає рух комети. Разом цих законів показують, як переміщатиметься кожна комета, рухаючись навколо Солнца.

Они ж є першу з що об'єднує ідей, ми говорили раніше (Ньютон доти зміг так само пояснити рух планет). Іншими словами, виходить, що, управляючі рухом комет, — з точністю ті самі, що управляють рухом планет. Сила тяжіння Сонця діє і ті й інші, а відмінність між орбітами планет і комет пов’язана з способом освіти цих двох класів об'єктів (див. Гіпотеза газопилового хмари). Комети потрапляють всередину Сонячної системи з областей, що є далеко за межами орбіт найвіддаленіших планет, тому вони наближаються до Сонцю по дотичній. Їх можна порівняти з дітьми, які у знайому гру, у якій треба якомога швидше підбігти до стовпа, вхопитися для неї і обежать його. Планети ж сформувалися більш-менш там-таки, де є зараз, і, рухаються навколо Сонця по розміреним, майже круглим траекториям.

Вывод у тому, що рухом планет і комет управляють одні й самі закони, виявився революційним і немає несподіваним. Зрештою, може бути більше несхоже на розмірене, регулярне та передбачуване просування планети по небосхилу, ніж безладне і непередбачувана поява комет? Але ці, начебто, абсолютно різні небесні явища підпорядковуються у тому ж законам і пов’язані з притяганням Сонця однаковим образом.

Именно це дозволило астрономам у середині ХХ століття зрозуміти, звідки беруться комети. Вивчивши траєкторію комет з появи в сонячної системі, астрономи зуміли з допомогою законів Ньютона розрахувати, де почався їхній шлях. Було виявлено, що комети надійшли з двох резервуарів на холодних теренах космосу — плоского диска з зовнішнього боку орбіти Плутона, званого Поясом Койпера, і сіл величезної сфери, простирающейся з відривом приблизно півтора світлових років від поверхні Сонця, званої Хмарою Оорта. Виходить, що також, як закони Ньютона дозволили Едмунду Галлею розрахувати орбіту комети, захопленої Сонцем, вони дозволили продовжувачам своєї справи з’ясувати, звідки беруться комети. Це одна з несподіваних зв’язків, ми говорили ранее.

Если запитати не звідки з’явилася комета, що вона являє собою, опинишся в зовсім інший частини павутиння. Просте запитання з цієї категорії може звучати так: «З яких хімічних елементів і сполук складаються комети?» Оскільки по більшу частину дослідження комет ведеться від велику відстань, астрономи, що задають такий питання, вивчають, як комета випромінює і поглинає світло, намагаючись в такий спосіб визначити її хімічний склад. Як і інші матеріальні об'єкти, комети складаються з атомів, а атоми певним чином взаємодіють зі світлом. Атоми кожного хімічного елемента і з'єднання випромінюють у характерному тільки йому наборі довжин хвиль, що можна розглядати, як своєрідний оптичний дактилограма (див. Спектроскопія). Що стосується видимого світла ми сприймаємо ці оптичні відбитки пальців як різні кольору. Яскраво-синій світло, видимий, коли шматочок міді падає у багаття, і насичений ж жовтий колір вуличного натриевого ліхтаря — приклади цього явища. Атоми комети випускають світло, він проходить величезні космічні відстані до телескопа, і астрономи визначають хімічний склад комети, як і раніше, що що неспроможні отримати її фрагменти для лабораторного исследования.

Конечно ж, до застосування цього непотрібно, щоб світло проходив величезні відстані. Він дає такий гарний результат, коли світло проходить всього кілька метрів і навіть міліметрів. У хімічної промисловості часто використовують це властивість атомів — те що кожен вид атомів випускає світло характерного саме з нього набору квітів, — контролю якості виробничих процесів. Так відчувають найрізноманітнішу продукцію — ліки, фарби, напої й багато іншого. Те, що інженер, перевіряючий якість партії бензину, і астроном, вивчав далеку комету, використав свою роботу одні й самі закони поведінки атомів — іще одна приклад цих несподіваних связей.

Я можу і далі приводити приклади, а, гадаю, що вам зрозуміло, що йдеться. Коли бачиш світ знає як єдине ціле, керовану законами природи, ніж як велика кількість розрізнених явищ, уявлення Всесвіт стає більш зв’язковим. Починаєш бачити зв’язок між, начебто, незв’язаними речами, упорядкованість в усьому величезному розмаїтті природних явищ. Мені здається, що це — головний дар науки нашому інтелекту, одне з найбільших досягнень людської мысли.

Наука в XX веке

Картина, хіба що намальована мною вас, що називається «науковим поглядом поширювати на світ», несе у собі чітку печатку ньютоновских уявлень. Є поширена оману, що XX століття зіграв із Ісааком Ньютоном злий жарт розгнівавшись і що одержують учені вже не вважають Всесвіт упорядкованим місцем, керованим законами природи. Філософи, які дотримуються подібних поглядів, найчастіше стверджують, що завдяки теорії відносності, принципу невизначеності Гейзенберга і детерминистическому хаосу колишній науковий погляд поширювати на світ застарів. Ніщо неспроможна бути далі від истины!

Для початку поговоримо про відносності. Як побачимо, Ейнштейн дійшов своєї теорії у спробі врятувати принцип верховенства законів природи у науці. У частковості, його цікавив одна річ ньютоновских законів механіки — той факт, що незалежно від точки спостереження та навіть за переміщенні спостерігачів друг щодо друга будь-який спостерігач побачить дію у Всесвіті одним і тієї ж законів. І на цій простий посилці він побудував складну теоретичну структуру, й не так вытеснившую закони Ньютона, скільки расширившую їх застосування налаштувалася на нові області. Наприклад, одна з наслідків з теорії Ейнштейна у тому, що котрі переміщалися годинник йдуть повільніше, ніж, які перебувають в спокої. Для руху від звичайними швидкостями (наприклад, в машині чи літаку) це уповільнення настільки небагато, що ні піддається виміру, отож у повсякденні можна ігнорувати відносність. Для об'єктів, рухомих зі швидкостями, меншими швидкості світла, але порівнянні з ній, різниця то, можливо значної, і слід учитывать.

О так званий ефект уповільнення часу можна зробити два зауваження. По-перше, він у повною мірою підтверджено експериментально, як того вимагає науковий метод. По-друге, під час використання релятивістських рівнянь для описи повільно рухомих об'єктів відтворюються ньютоновские закони руху. Понад те, з уявлення, кожен закон природи вірний такою мірою, як і вірні що підтверджують його експериментальні дані, слід пам’ятати, що Ньютона спочатку перевірялися лише стосовно звичайним об'єктах, які йшли з нормальними швидкостями — котрим їх передбачення збігаються з віщуваннями теорії відносності. Але у швидкостях, близьких до швидкості світла, котрим закони Ньютона будь-коли перевірялися, дві теорії розсуваються в різні своїх пророцтвах, причому передбачення теорії відносності перевірені експериментально. Це окреслює область застосовності законів Ньютона, але й каже нам у тому, що теорія відносності який суперечить їм, а дає можливість поширити існуючу теорію налаштувалася на нові области.

Представление у тому, що ньютоновские яблука висипалися з візка, перекинутої теорією відносності, грунтується на неявній посилці у тому, що Ньютона можна поширити не змінювалась на об'єкти, рухомі зі швидкостями, близькими до швидкості світла. І тому немає жодної логічного причини. Розмірковувати подібним чином — однаково що стверджувати, що, раз жителі Америки кажуть англійською, те й жителі Парижа говорити англійською, і далі знайти у цьому умопостроении величезне протиріччя, коли з’ясується, що насправді парижани кажуть по-французски.

Отношения між теоріями Ньютона і Ейнштейна дають нам прекрасний приклад того, як розвиваються досягли зрілості науки. Нова теорія не скасовує стару. Замість цього нові, і глибші теорії розширюють сферу застосування старих, включаючи їх чи до свого складу. Ми, за сьогодні використовуємо закони Ньютона при розрахунку руху космічних апаратів уже тому, що це закони повною мірою випробувані і перевірені у таких ситуаціях. У цьому сенсі наука зростає, як дерево, постійно додаючи нові галузі, але завжди зберігаючи у своїй сердцевину.

Аргументы, почерпнуті з теорії хаосу і квантової механіки, стосуються з іншого боку ньютоновского погляду світ — ставлення до детермінізмі. Якщо говорити мовою фізики, система є детермінованою, якщо, знаючи початкові умови і закони, визначають її поведінка, можна б його статки у будь-який той час у майбутньому. Класичний приклад детермінованою системи — зіткнення двох більярдних куль. Знаючи їхнє становище і швидкості до зіткнення, з допомогою закону збереження моменту імпульсу і першого початку термодинаміки легко передбачити, де перебуватиме кожен із куль будь-якої миті після зіткнення. Теорія відносності — цілком детерминистическая теорія. Годинник на рухомих більярдних кулях можуть сповільнюватися, але у тому, щоб передбачити їхня поведінка, можна використовувати рівняння Ейнштейна точно як і, як і закони Ньютона. Дайте мені початкове положення і швидкість кожного з куль, і це скажу вам, де який кулю опиниться у будущем.

С хаотичними системами ситуація трохи інакша. Кінцеве стан цих систем, відкритих під другої половини ХХ століття що завдяки використанню комп’ютерного моделювання, надзвичайно залежить від початковій точки. Річкові пороги — хороший приклад хаотичної системи. Якщо воду перед порогом покласти поруч дві тріски, то «за порогом вони виявляться далеко одна одної. Це отже, що з здобуття права передбачити майбутнє хаотичної системи, необхідно якраз знати її початкове положення. У насправді хаотичної системі у тому, аби передбачити її поведінка батьків у будь-якої миті нескінченно триваючого майбутнього, треба зазначити її початкова стан із безкінечною точністю. Для що проходить річковий поріг тріски це, що її початкова становище має бути відомо з безкінечною точністю. Оскільки очевидно, що у реальному системі ця потреба виконати неможливо, майбутнє стан такий системи практично передбачити неможливо з ньютоновской точностью.

Значит це, що хаос зруйнував ньютоновский погляд поширювати на світ? Зовсім ні. Ньютоновский детермінізм — це класичне твердження типу «якщо …, то …»: якщо знаю, яке початкове становище системи, то можу б його майбутнє. Теорія хаосу зачіпає не цей головний принцип, а взаємозв'язок між величиною похибки в посилці затвердження («якщо …») і обсягом похибки у висновку («то …»). Якщо похибка в посилці дорівнює нулю (т. е. якщо початкове становище системи відомо нас із безкінечною точністю), то величина похибки у висновку також дорівнює нулю (т. е. з точністю б його майбутнє поведінка). Отже, хаотичні системи є детермінованими теоретично, але не практиці. Вчені віддає належне цьому факту, називаючи поведінка систем, подібних річковим порогам, детерміністичним хаосом.

Мне здається, що плутанина з хаосом і ньютоновскими уявленнями виникла через побутуючої думки, майбутнє класичних ньютоновских систем можна передбачити з безкінечною точністю. Це не так, навіть стосовно до зовсім простим ситуацій. Описуючи вище ідеальні ньютоновские більярдні кулі, не став загострювати увагу до питанні, наскільки точно може бути відомі, їхні стану та швидкості. Насправді, у світі щодо цих чисел завжди присутній певна туманність, але це отже, як і майбутнє становище куль теж то, можливо передбачено достеменно. Пам’ятаю, в аспірантурі мені довелося пропрацювати саме такий приклад, щоб засвоїти, що у світі ніяка система має не може нескінченно передбачуваною. Зрештою, відмінність між хаотичної і класичної ньютоновской системою — справа ступеня. У пророкуванні поведінки будь-який системи — навіть ньютоновских більярдних куль — є невизначеність, є невизначеність у вимірах початкового стану. Хаотичні системи — просто випадок цього принципа.

Ситуация з квантовою механікою трохи складніше, передусім внаслідок принципу невизначеності Гейзенберга. Стисло суть цього принципу у тому, що організувати неможливо одночасно достеменно знати і становище, і швидкість субатомной частки. Можна точно знати одне чи інший, чи й й інше із певною ступенем невизначеності, але не можна точно знати і те, й те одночасно. Це отже, у світі атомів доводиться описувати стан частки цілком інакше, ніж у ньютоновском світі. Замість вважати частку конкретним предметом (як, наприклад, бейсбольний м’яч), які у певному місці й які йшли з певною швидкістю, доводиться розглядати її як певну різновид волны.

Из-за цього, у квантової механіці можна передбачити лише ймовірності (фізики називають їх хвилевими функціями). Хтось вважає, що від цього квантова механіка перестав бути детерминистической теорією, але насправді це так. Квантова механіка каже нам, як від початкового стану, описаної у ймовірнісних термінах, дійти кінцевому стану, також описаного в ймовірнісних термінах. Практично всі труднощі, із якими зіштовхуються люди через «квантових дивного» пов’язані з намаганнями змішати квантовий світ із ньютоновским. Наприклад, іноді (не усвідомлюючи) походять від те, що початкове становище електрона описується в ньютоновских термінах, й використовують те що, що кінцеве стан описується в ймовірнісних термінах, як аргумент, що підтверджує, що ми якимось чином втратили здатності робити детерминистические прогнозы.

Однако точку відліку у розмові про квантової механіці полягає ось у чому: коли хочеш витрачати час на квантову гру, доведеться грати за квантовим правилам. Іншими словами, якщо кінцеве стан системи буде описано в ймовірнісних термінах, доведеться оплатити і її вихідне стан описувати як і. Якщо переконатися в цьому, то виявиться, що квантова механіка — така сама детермінована система, обумовлена твердженнями типу «якщо …, то …». Якщо знаю вихідне стан системи (описане в ймовірнісних термінах), то можу точно передбачити її кінцеве стан (також описане в ймовірнісних термінах). Єдина відмінність між ньютоновской і квантової механікою — це поняття «стану». З погляду Ньютона, стан — це сукупність таких змінних, як становище у просторі і швидкість, а піонери квантової механіки під станом розуміли хвилясту функцію. Вибір тієї чи іншої визначення робить за нас природа, але вибір зроблено, твердження про можливість передбачення виявиться у тому же.

Таким чином, три великих відкриття ХХ століття, перечеркнувшие, на думку багатьох, ньютоновский погляд на Всесвіт, сприяли следующему:

— теорія відносності виходить поза межі ньютоновской теорії та розширює її, розповсюджуючись на об'єкти, рухомі зі швидкістю, близька до швидкості світла,.

— теорія хаосу дає уявлення про який вплив помилок у визначенні початкових станів на точність пророцтв, і.

— квантова механіка по-новому визначає і розширює поняття фізичного стану, поширюючи його за хвильові функции.

Другими словами, дедалі нові досягнення науки, начебто перечеркнувшие ньютонівську фізику, насправді просто розширили і переопределили її головні положения.

Центральная ідея науки, за якою можливо експериментально знайти закони, управляючі явищами природи, і сформулювати теорії, дозволяють пророкувати нові явища, залишається у силі. Це, оскільки завдяки цьому казати про законах природи як цікаво, а й потрібно, аби зрозуміти, як влаштована наша Вселенная.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.