Лямбда-член и фарфоровый чайник

Ньютону принадлежит известная фраза: «Гипотез не измышляю». Что здесь имеется в виду? Ведь ученые постоянно работают с гипотезами.

На мой взгляд, речь идет о том, что не надо придумывать «чайник Рассела», но не более того. Не имея никаких дополнительных данных, Ньютон считал преждевременным рассуждать о природе гравитации. Слишком мало информации было в то время (равно как и век, и даже два века спустя), чтобы высказывать разумные гипотезы, которые можно было бы проверять или хотя бы развивать таким образом, чтобы это выходило за рамки общефилософских рассуждений. Такой подход, однако, не мешал сэру Исааку развивать и защищать корпускулярную природу света — об этом явлении в его время было известно гораздо больше, и в данной области гипотезы были вполне уместны.

Какая форма у Земли?

Таким образом, важно, насколько гипотеза обоснована и что из нее можно извлечь. Возьмем в качестве примера вопрос о форме Земли. С одной стороны, совсем банально-бытовой опыт говорит, что Земля плоская (ну, может, слегка выпуклая, как плоско-выпуклая линза). С философской точки зрения греки могли бы начать обсуждать платоновы тела (куб, икосаэдр, октаэдр, тетраэдр, додекаэдр). Однако уже в античности существовал целый комплекс (sic!) данных, говорящих о том, что Земля имеет шарообразную форму.

Кроме всяких косвенных и частичных данных, а также аналогий, был ключевой факт (к понятию косвенных данных и ключевых фактов мы еще вернемся), связанный с лунными затмениями. Конфигурация тел при этом событии всем известна: Земля — точно между Луной и Солнцем. Таким образом, наблюдая край земной тени, мы можем определить ее форму. Разумеется, чтобы быть уверенным, что мы не имеем дело лишь с одной проекцией Земли, нам надо пронаблюдать несколько затмений, когда Луна находится в разных участках неба. А лучше провести еще наблюдения из разных точек земной поверхности. К счастью, лунные затмения происходят не так уж редко и видны сразу на большой территории. Потому задача вполне выполнима. И мы можем убедиться, что край земной тени всегда представляет собой дугу окружности. Значит, Земля — шар.

Гипотезы по полочкам

Перенесемся в наше время. Как сейчас наука работает с гипотезами? Здесь нам необходимо разделить их вначале хотя бы на два класса. В первый попадут гипотезы «для внутреннего пользования» (назовем их рабочими), а во второй — для широкого обсуждения (их обозначим как публичные). Рабочие гипотезы — это внутренняя кухня. Они пока недостаточно обоснованы, чтобы с ними выходить на публику, даже узкопрофессиональную. С ними идет работа, их обсуждают с соавторами, ну или в «курилке» (хотя курящих ученых даже среди теоретиков почти не осталось, так что скорее «у кофейной машины»).

Рабочие гипотезы, как правило, не видны со стороны, что приводит к некоторым недоразумениям. Некоторые активные неравнодушные граждане полагают, что раз какая-то идея не обсуждается учеными на публике вообще и в печати в частности, то «ученые об этом не подумали». Маловероятно, поскольку ученых много. Почти наверняка кто-то подумал и попробовал с ней что-то сделать. Но вот разработать нечто осмысленное на основе такого подхода не получилось (или же просто было показано, что он не работает). Голые идеи и отрицательные результаты (в духе «пришла в голову мысль — оказалось, ерунда») публикуют исключительно редко, да и то в виде коротких ремарок в конце статьи, в разделе «Обсуждение».

Было бы странно представлять в виде самостоятельной статьи краткое изложение гипотезы, которую не получается развить, проверить и т. д. Во-первых, необходимо представить идею в виде уравнений. Затем продемонстрировать, что с ее помощью можно описать какие-то известные явления. Далее нужно обсудить (на количественном уровне) отсутствие противоречий с имеющимися данными. Наконец показать, как гипотеза может быть проверена. Вот это — повод для публикации. Здесь из рабочего статуса гипотеза переходит в разряд публичных.

Гипотезы могут менять статус с течением времени. Так, например, лямбда-член (более известный сейчас как один из видов темной энергии) прошел путь от маргинального уровня до мейнстрима и вот-вот может стать стандартной гипотезой. Наоборот, разнообразные модели стационарной Вселенной ушли в небытие (автору как-то посчастливилось увидеть на одной конференции «последних из могикан», отстаивавших идеи своей молодости). Интереснее, если статус менялся не монотонно. В некотором смысле таким примером может быть комплекс идей, связанных с внеземной жизнью.

SETI и бредни

С началом космической эры резко возрос интерес к поискам жизни вне Земли. В начале 1960-х годов многие ученые полагали, что вот-вот мы и на Марсе что-то найдем, и сможем поймать сигналы от «собратьев по разуму». Однако за 10–20 лет усердных поисков и бурных обсуждений, не давших никакого результата, первоначальный энтузиазм постепенно стал пропадать. Уже к концу 1970-х стало ясно, что быстрого прогресса не будет. А может, и медленного тоже. И вся эта деятельность быстро стала маргинальной. Расцвела уфология. Ситуация начала меняться в конце 1990-х благодаря открытиям экзопланет. В настоящее время, с одной стороны, есть серьезные надежды получить данные об атмосферах потенциально обитаемых планет в конце 2020-х годов, с другой — растет активность и по поиску разумной жизни, в первую очередь благодаря инициативе Breakthroug. В связи с этим появляется больше публикаций, так или иначе связанных с вопросами жизни во Вселенной. При этом отдельные публикации на темы SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) появлялись и в «период упадка». Продолжались наблюдения в различных диапазонах спектра, призванные найти искомый сигнал, отправлялись послания с Земли. Не будет большим преувеличением сказать, что программа наблюдений на любом крупном радиотелескопе включала в себя эпизодические сеансы по тематике SETI. В результате удалось сохранить и некоторую преемственность в исследованиях.

На этом примере мы видим, что здоровый консерватизм в науке сочетается с академической свободой. Ученые активно работают с гипотезами, если есть ощущение, что это может быть продуктивно в данное время, и возвращаются к старым идеям и подходам, если появляются новые данные и возможности для развития.

ОТО относительно лучше

Отношение конкретного ученого к конкретной гипотезе в какой-то момент может существенно зависеть от его текущей работы. Скажем, если исследователь развивает свою идею, то в качестве модельных предположений, касающихся всего остального, он, как правило, будет стремиться взять максимально стандартные предположения. Например, если задачей является изучение недр нейтронной звезды (а для решения такой проблемы требуется использовать теорию гравитации для случая сильного поля), то разумным выбором будет применять классическую общую теорию относительности (ОТО), поскольку проверять разом несколько альтернативных моделей будет затруднительно. Такой подход не отменяет необходимости работать над развитием теории гравитации, чем и занимается множество теоретиков по всему миру.

Популярность ОТО объясняется как проработанностью самой теории, так и огромным количеством постоянно идущих проверок ее предсказаний, а вовсе не «заговором ученых». Важно понимать, что усилия наблюдателей и экспериментаторов, занимающихся тестами теорий гравитации, направлены не на очередное подтверждение стандартной модели, а на обнаружение отклонений. Задача ученого — не покрывать коллег в их заблуждениях, а открывать нечто новое. Более того, несравненно интереснее и, если угодно, почетнее не подтвердить в очередной раз некую стандартную концепцию, а показать ее несостоятельность. Есть полное понимание того, что ОТО не может быть окончательной теорией. И многие крупные конференции включают в себя специальные сессии, посвященные альтернативным теориям гравитации (и это, скажем, даже без квантовой гравитации!). Однако если вы размышляете, какую теорию сейчас использовать в своей работе, то выбор не стоит между ОТО и «идеальной будущей теорией». Вы можете выбирать лишь между реальными разработанными моделями, и ОТО — разумный консервативный выбор. Что, конечно, не мешает астрофизикам рассчитывать внутреннее строение нейтронных звезд или космологические сценарии с использованием других подходов. Напомню, что наука сейчас — это очень конкурентная область с большим числом высококлассных независимых специалистов. Если мы говорим о физике и близких областях (космологии, например), то это бурно развивающаяся область с огромным количеством новых данных. Темп обсуждения-усвоения-отбрасывания гипотез очень высок. Проделывается огромная работа. И обсуждать «косность» ученых или рассуждать о наличии «заговора» просто глупо. Поэтому, если гипотеза оказалась за бортом, то для этого есть объективные основания. Часто такими основаниями является анализ как отдельных ключевых фактов, так и изучение очень широкого комплекса данных. В качестве примера можно привести астрофизику черных дыр и темное вещество.

Верим ли мы в черные дыры?

Несмотря на все успехи физики и астрономии, черные дыры остаются гипотезой. В том смысле, что нет прямых доказательств существования горизонта у этих объектов. А физика вблизи горизонта такова, что необходимых прямых аргументов может не появиться еще очень и очень долго. Поэтому исследователи пытаются разрабатывать разнообразные альтернативные модели. С другой стороны, постоянно идут наблюдательные работы, пытающиеся проверить наличие гипотетической поверхности у кандидатов в черные дыры.

Например, сильные аргументы содержатся в серии работ Рамеша Нараяна (Ramech Narayan) и его коллег, в которых показано, что отсутствие горизонта приводило бы к накоплению вещества на поверхности или внутри альтернативного компактного объекта. Такая аккумуляция критического количества водорода или гелия приводила бы к вспышкам, подобным тем, что наблюдаются от так называемых рентгеновских барстеров — известных двойных систем с нейтронными звездами. Наблюдения показывают, что вспышек от кандидатов в черные дыры нет.

В другой серии работ проводился анализ излучения сверхмассивных черных дыр с целью выделить вклад от поверхности и фотосферы над ней. Были детально рассмотрены случаи черной дыры в центре нашей Галактики, а также нескольких сверхмассивных центральных объектов в других галактиках, где наблюдались вспышки излучения, связанные с приливным разрывом звезд. Снова никакого вклада поверхности не видно.

Наконец, обнаружение гравитационно-волновых сигналов от сливающихся черных дыр открывает новые возможности по поискам присутствия поверхности. Пока данные не обладают очень высокой точностью, но их анализ проведен, и результат состоит в том, что предсказанного сигнала от поверхности нет, а это позволяет отбросить некоторые из альтернатив.

Подчеркнем, что проверка альтернативных вариантов — важнейшая составляющая в подобных исследованиях. Причем существенно, чтобы гипотеза объясняла весь комплекс данных, а не только отдельные (пусть и ключевые) факты. Скажем, в случае черных дыр это означает, что модель должна естественным образом описывать и компактные объекты звездных масс (включая механизм их формирования), и сверхмассивные тела в центрах галактик. В ситуации, когда из множества мейнстримных, непопулярных и маргинальных гипотез выживает только одна, она немедленно становится стандартной. Но именно стандартной гипотезой.

Пока с астрофизической точки зрения гипотеза о черных дырах не сталкивается с необъяснимыми фактами, несмотря на постоянные попытки их найти. Таким образом, нет никакой слепой веры в черные дыры. Они являются достаточно естественным следствием из хорошо проверенной теории. Любая альтернатива черным дырам требует привлечения крайне экзотических предположений, не подтвержденных наблюдениями. Так что приверженность черным дырам — это следствие разумной консервативности исследователей. То есть с точки зрения физики и астрономии черные дыры — это самая неэкзотичная модель. Эту ситуацию очень емко обрисовал Эдвин Салпитер (Edwin Salpeter): «Черная дыра в источнике Лебедь X-1 — это самая консервативная гипотеза».

В поисках темной материи

Другим примером стандартной гипотезы, базирующейся как на нескольких ключевых фактах, так и на большом комплексе более косвенных наблюдений, является темная материя. Предположение состоит в том, что мы здесь имеем дело с небарионным веществом, т. е. недостающая масса не может объясняться протонами и нейтронами. Более того, кандидатами вообще не могут быть частицы из Стандартной модели. У теоретиков есть несколько хороших кандидатов в частицы темной материи, которые достаточно естественным образом возникают в физических моделях. Тем не менее постоянно обсуждаются альтернативы темному веществу. Действительно, было бы здорово обойтись без введения нового типа частиц, которые тем более никто пока не смог «ухватить за бороду», несмотря на десятилетия поисков. Может быть, есть более простые пути?

Путь есть, но вот прост ли он... Самый популярный альтернативный подход состоит в изменении законов гравитации. Он начал развиваться в начале 1980-х годов и на момент своего появления был хорошей гипотезой. В это время ключевые данные по темному веществу были связаны со скоростью вращения галактик и, отчасти, с поведением галактик в скоплениях. В рамках модели Мордехая Милгрома (Mordehai Milgrom) удалось с помощью введения одного нового параметра хорошо объяснить скорости вращения галактик без гипотезы о темном веществе. В дальнейшем модель получила развитие с точки зрения теории благодаря работам Якова Бекенштейна (Jacob Bekenstein). А вот с наблюдениями всё пошло не так хорошо.

Новые данные показывали отклонения от старой базовой модели (без изменения законов гравитации и без темного вещества) на самых разных масштабах и в разных ситуациях. Стало трудно обходиться одним параметром. Понадобилось или усложнять модель, или все-таки добавлять в нее темное вещество. Модель перестала быть элегантной из-за необходимости тонкой настройки параметров и введения новых.

Не могу сказать, что мне кажется более простым и естественным менять закон всемирного тяготения всякий раз, когда у нас что-то не сходится. Наоборот, введение новой, причем одной частицы, для возникновения которой есть физическая мотивация, кажется более простым. Здесь уместно вспомнить о том, как Вольфганг Паули ввел нейтрино. Речь ведь шла ни много ни мало как о возможном нарушении законов сохранения! И многие известные физики уже были готовы на такую жертву. Но появилась гипотеза, что в некоторых реакциях (например, при бета-распаде) рождается дополнительная пока неизвестная частица. Причем свойства частицы таковы, что она очень плохо взаимодействует с веществом. Согласитесь, вроде не самый лучший способ решать проблемы — предложить новую неуловимую частицу. Но в итоге это оказалось верным. Законы сохранения устояли. Видимо, такова же ситуация и с темным веществом.

Тем более что есть два набора данных, которые дают очень сильные аргументы в пользу именно темной материи, а не модифицированной гравитации. Во-первых, это большой комплекс космологических данных. Здесь нет возможности вдаваться в детали, но объяснение данных по реликтовому фону, формированию крупномасштабной структуры и т. д. и т. п. без привлечения темного вещества потребует такой странной экзотики, что модель будет выглядеть шаткой, противоестественной и малопривлекательной. Опишем лишь два аргумента, кажущиеся крайне важными.

Первый из них связан с формированием крупномасштабной структуры. Данные по реликтовому излучению показывают, насколько различной была плотность обычного (барионного) вещества в разных областях Вселенной спустя 350–380 тыс. лет после начала расширения, когда она стала прозрачной для излучения (тогда произошла так называемая рекомбинация). Далее, у нас есть данные по распределению галактик и их скоплений в больших масштабах, начиная примерно с 1 млрд. лет после Большого взрыва. Есть хорошие численные модели (которые непрерывно совершенствуются), позволяющие рассчитать рост структуры из первичных возмущений плотности. Так вот, необходимо, чтобы на момент рекомбинации вариации плотности были гораздо выше, чем это следует из очень надежных данных по реликтовому излучению. Флуктуации плотности обычного вещества не могли расти до рекомбинации из-за влияния излучения, заполнявшего Вселенную. Однако темное вещество практически не взаимодействует с электромагнитными волнами. И рост флуктуаций его плотности был возможен. Таким образом, каркас будущей крупномасштабной структуры уже сформировался к моменту рекомбинации, и всё благодаря темному веществу. Объяснить это без гипотезы о частицах, слабо взаимодействующих с излучением, очень трудно.

Скопление галактик Пуля (Bullet Cluster), 1E 0657-558. Наличие большой дополнительной массы выявляется с помощью гравитационного линзирования. Наблюдаемый сдвиг видимой барионной материи (красный цвет) объясняется столкновением газовых оболочек галактик. Темное вещество (синий цвет) при этом не испытывает подобного взаимодействия, проходит дальше беспрепятственно. Масштаб указан в угловых минутах. Изображение NASA/CXC/M. Weiss — Chandra X-Ray Observatory («ТрВ» №19(263), 25.09.2018)

Скопление галактик Пуля (Bullet Cluster), 1E 0657-558. Наличие большой дополнительной массы выявляется с помощью гравитационного линзирования. Наблюдаемый сдвиг видимой барионной материи (красный цвет) объясняется столкновением газовых оболочек галактик. Темное вещество (синий цвет) при этом не испытывает подобного взаимодействия, проходит дальше беспрепятственно. Масштаб указан в угловых минутах. Изображение NASA/CXC/M. Weiss — Chandra X-Ray Observatory

Поделитесь с друзьями
Оставьте свой комментарий! До 500 символов!
    Пока без коментариев...
    По теме
    Читайте также

    Лагерная психология: переработка человека на фабриках смерти...

    Лагерная психология: переработка человека …
    Задачей фашистских концлагерей было уничтожить личность. Тех, кому повезло меньше, уничтожали физически, кому «больше» – морально. Даже имя человека переставало здесь существовать. Вместо него был только идентификационный номер, которым называл себя в своих мыслях даже сам заключенный.
    Читать дальше →

    Тутанхамон: загадка гробницы...

    Тутанхамон: загадка гробницы
    Эта история началась с гибели подростка – правителя Древнего Египта. Его имя могло навсегда кануть в Лету, если бы не череда загадочных смертей, удивительным образом связанная с ним. Тутанхамон вовсе не был выдающимся царем, но события, которые произошли 3000 лет спустя, сделали его самым известным из когда-либо живших фараонов.
    Читать дальше →

    Ученые рассказали о противовирусных свойствах некоторых соков и з...

    Ученые рассказали о противовирусных …
    Вирусологи сравнили вирулицидную активность четырех натуральных напитков против коронавируса SARS-CoV-2 и вируса гриппа: так они обнаружили, что сок черноплодной рябины и граната, а также зеленый чай могут снижать инфекционные титры. При этом сок черноплодки оказался наиболее эффективным.
    Читать дальше →

    9 Самых Ядовитых Пауков в Мире...

    9 Самых Ядовитых Пауков …
    Какой паук самый ядовитый? Можно ли умереть от укуса паука? Встреча с некоторыми пауками может закончиться для вас визитом к врачу или чем-то более серьезным. Так какие пауки наиболее ядовиты? Как защититься от них? Не переживайте — мы ответим на все ваши вопросы.
    Читать дальше →

    НЛП в решете: нейроны, лингвистика и немножко волшебства...

    НЛП в решете: нейроны, …
    Хотите добиться успеха Стива Джобса? Раз и навсегда перестать мямлить, ныть, переживать по поводу прыщей, за две минуты соблазнить самую красивую девушку на курсе и оказывать влияние на людей? Бросить пить, курить и по-английски заговорить? Это вам не к бабке – она тут бессильна, это вам к тренеру НЛП.
    Читать дальше →

    10 природных явлений на Земле, которые мы не понимаем...

    10 природных явлений на …
    Многих завораживают странные явления, происходящие на других планетах. Кажется, стоит лишь достичь этих далеких миров, как все тайны рассеются. Однако и на Земле происходит немало необычных явлений, в чьей природе ученые пока не в силах разобраться.
    Читать дальше →