Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

«Математика ведь царствует в физике не случайно, – объясняет Дойн. – Она позволяет принять набор допущений и вывести из них следствия. Поэтому идея использовать математику в общественных науках очень привлекательна. Проблема ведь не с математикой как таковой. Преобладающие методы, боюсь, стали таковыми потому, что они изящны и люди с их помощью могут доказывать какие-то умозаключения, а не потому, что эти методы хорошо описывают мир. Математик, ищущий ключи под фонарем».

«Я считаю, что красота – это замечательно, и обеими руками за изящность, – говорит Дойн. – Но тревожусь, когда вижу нагроможденные друг на друга горы математики, пусть и изящной. Может, это и интересная математика, но в итоге-то вы уверены, что действительно делаете науку?»

Не верьте мне – я ученый

Вы слышали любопытнейшую историю о жизни нейтрона? Нейтроны состоят из трех кварков и вместе с протонами составляют ядра атомов. Атомные ядра, по счастью, стабильны, но вытащите нейтрон из ядра – и он распадется, среднее время его жизни будет равняться примерно десяти минутам. Если более точно – 885 ± 10 секунд. Любопытная часть здесь – вот этот плюс-минус.

Рис. 15. Результаты измерений времени жизни нейтрона по годам. Источники: Patrignani C. et al. (Particle Data Group). 2016. Review of particle physics. Chin. Phys. C. 40: 100001 (погрешности – 1σ); Bowman J. D. et al. 2014. Determination of the free neutron lifetime. arXiv:1410.5311 [nucl-ex].

Время жизни нейтрона измеряется с неуклонно возрастающей точностью начиная с 1950-х годов (рис. 15, слева). Сейчас есть два разных метода измерения, которые дают разные же результаты (рис. 15, справа). Расхождение[110] больше того, что дозволяется погрешностями измерения, то есть шансы, что это случайность, меньше 1 к 10 000. Ситуация загадочная, возможно предвещающая новую физику. Но я хотела привлечь ваше внимание к другому.

Взгляните снова на левый график на рисунке 15. Маленькие черточки посередине – измеренные значения, а вертикальные линии – заявленные погрешности. Обратите внимание, как данные располагаются на одной своеобразной ступеньке, а потом вдруг резко перепрыгивают на новую – со значением, которое до того было очень редким, иногда даже не попадавшим в пределы погрешности. Похоже, экспериментаторы не только занижали погрешности измерений, но и преимущественно приходили к значениям, максимально воспроизводящим предыдущие результаты. И это не единственная величина, претерпевшая со временем подобные скачки измеренных значений. За последние десятилетия это произошло как минимум с дюжиной времен жизни, масс и частот рассеяния других частиц ¹⁹⁶.

Мы никогда не узнаем доподлинно, почему это произошло. Но вероятное объяснение состоит в том, что экспериментаторы неосознанно старались воспроизвести известные им результаты. Я не имею в виду умышленное жульничество. Просто, если вы получаете результат, не согласующийся с существующей литературой, вы с большей вероятностью начнете искать у себя ошибки, чем если ваш результат прекрасно совпадает с имеющимися. И это перекашивает ваш анализ в сторону воспроизведения предыдущих результатов.

Однако экспериментаторы осознали эту проблему и предприняли шаги для ее решения. И действительно, как вы видите, результаты последних измерений не согласуются между собой (см. рис. 15, справа). Во многих коллаборациях сейчас заведен следующий порядок: ученые выбирают метод анализа еще до того, как вообще смотрят на данные (в рамках «ослепления»), а затем просто придерживаются заранее согласованной процедуры. Это помогает пресечь тенденцию перебирать разные методы анализа, когда результат выходит не таким, какого хотелось бы.

В биологических науках недавний кризис воспроизводимости тоже подстегнул ученых к тому, чтобы приложить усилия и подстраховаться от предвзятости при планировании эксперимента, при статистическом анализе его результатов и при их публикации ¹⁹⁷. Впереди еще долгий путь, но хотя бы начало положено.

При разработке же теорий аппаратура, которой мы пользуемся, – наш мозг. Но мы не делаем ничего, чтобы избежать предвзятости при работе с ним. Мы не можем визуализировать свой прогресс в простых графиках, но, если бы сумели, я уверена, что мы тоже узрели бы у теоретиков установку на воспроизведение существующих результатов. По некоторым темам мы наплодили столько статей, что те превратились в самоподдерживающиеся области исследований даже в отсутствие экспериментальных доказательств. В случае теоретиков речь идет о сложных теоретических построениях, которые тщательно проверяются – проверяются с точки зрения математической согласованности. Выдвижение иного решения, также математически согласованного, равносильно получению результата, противоречащего существующей литературе.

Возьмем, например, испарение черных дыр. Данных по нему нет никаких. Парадокс файервола (см. главу восьмую) продемонстрировал, что самая изучаемая попытка разрешить проблему потери информации в черной дыре – калибровочно-гравитационная дуальность – нарушает принцип эквивалентности. Стало быть, она не решает проблему, которую призвана была решить, поскольку несовместима с главным постулатом общей теории относительности[111]. Но проведена такая большая работа ради этого предполагаемого решения, что совершенно немыслимо выкинуть все на помойку. Поэтому физики-теоретики пытаются сейчас привести новый результат в соответствие с предыдущей работой, переизобретая квантовую механику.

Например, Хуан Мальдасена и Леонард Сасскинд объявили, что запутанные частицы соединены так называемыми кротовыми норами – деформациями пространства-времени, столь сильными, что две прежде не связанные друг с другом области оказываются соединены коротким туннелем ¹⁹⁸. Нелокальность тогда перестает быть «жуткой», а пространство и время и наша Вселенная оказываются пробуравлены кротовыми норами. Кротовые норы связывали бы в том числе и пары частиц, образующих излучение Хокинга, устраняя разом и проблему файервола, и проблему потери информации в черной дыре. Эта идея разрабатывается для пространства-времени с отрицательной космологической постоянной, так что не описывает Вселенную, в которой мы живем. Но Мальдасена и Сасскинд надеются, что это некий общий принцип, который имеет место и в нашей Вселенной[112].

Может, они и правы. Это интересная новая идея. Если природа действительно так устроена, это стало бы ошеломительным открытием. И оно так славно согласуется со всеми предыдущими результатами.

Этот шалаш воняет

Пестование красоты и желание соответствовать – характерные черты человека. Однако они коверкают нашу объективность. Это когнитивные искажения, не позволяющие науке работать оптимальным образом, и они сейчас не принимаются в расчет. И это не единственные когнитивные искажения, которым подвержены теоретики. В то время как экспериментаторы прикладывают все усилия, чтобы противостоять системной предвзятости, теоретики совершенно беспечно продолжают свою работу, блаженно полагая, что точные законы природы возможно постичь интуитивно.

Когнитивные искажения для человека – это не всегда плохо. Большинство из них возникли потому, что приносят – по крайней мере, приносили – нам пользу. Например, мы чаще высказываем мнение, которое, как полагаем, будет благосклонно воспринято другими. Этот «эффект социальной желательности» – побочный продукт необходимости вписаться в группу, чтобы выжить. Вы не высказываете вождю племени, что шалаш воняет, если позади вас стоит с десяток соплеменников с копьями. Умно! Но хотя подобное соглашательство может способствовать нашему выживанию, оно редко способствует обретению нового знания.

Пожалуй, самая распространенная в науке ошибка сознания – это предвзятость подтверждения. Если вы ищете в статьях подтверждения своим аргументам, это она. Если вы заподозрили у себя ошибку, потому что ваш результат не совпал с ожидаемым, это она. Если вы избегаете коллегу, задающего вам неудобные, раздражающие вопросы, это она. Предвзятость подтверждения – еще и причина, по которой мы почти всегда в итоге зря распинаемся, когда описываем преимущества фундаментального исследования. Вы ведь знаете, что, если не открывать фундаментально новые законы природы, инновации рано или поздно себя исчерпают, не так ли?

Но есть и другие когнитивные искажения, в том числе социально обусловленные, которые влияют на науку, но не столь широко известны ¹⁹⁹. Одно из них – мотивированное мышление²⁰⁰. Оно заставляет нас верить, будто положительные результаты получаются с большей вероятностью, чем в действительности. Вы ведь слышали, что на Большом адронном коллайдере наверняка обнаружатся доказательства в пользу физики за пределами Стандартной модели? Что тамошние эксперименты в ближайшие пару лет, вероятно, прольют свет на темную материю? Неужели они все еще это говорят?

Далее, существует ошибка невозвратных издержек, больше известная как бросание денег на ветер. Чем больше времени и усилий вы потратили на суперсимметрию, тем меньше вероятность, что вы поставите на ней крест, даже если шансы отыскать ее выглядят все хуже и хуже. Мы продолжаем делать то, что делали, еще долго после того, как это дело перестало быть перспективным, ведь мы уже столько в него вложили и не хотим признавать, что все, возможно, было зря. Вот почему Планк остроумно заметил, что науку двигают вперед похороны[113].

Из-за внутригрупповой предвзятости мы считаем, что исследователи в нашей собственной области умнее, чем в других. Эффект предпочтения разделенной информации заставляет нас беспрестанно обсуждать то, что все и так уже знают, и при этом не уделять внимания информации, которой обладают лишь несколько человек. Мы склонны обнаруживать структуру и взаимосвязи в бессмысленных, случайных данных (апофения). Мы думаем, что аргументы весомее, если вывод кажется правдоподобным (предвзятость убеждения). А из-за эффекта ореола вам интереснее, что скажет нобелевский лауреат, чем я, причем независимо от темы.

Еще мы подвержены эффекту ложного консенсуса: склонны переоценивать число людей, согласных с нами, и степень их согласия. А одно из искажений, доставляющих в науке больше всего проблем, выражается в том, что мы считаем некий факт тем более вероятным, чем чаще о нем слышали. Это называется искажением, вызванным вниманием, или эффектом знакомства с объектом. Мы обращаем особенно много внимания на информацию, если она повторяется другими людьми в нашем окружении. Такое групповое подкрепление может превратить научные сообщества в эхо-камеры, где исследователи повторяют свои аргументы друг другу снова и снова, непрестанно убеждая себя, что всё они делают правильно.

А есть еще величайшее из всех когнитивных искажений – эффект слепого пятна, когда человек свято верит, что сам-то уж точно мыслит непредвзято. По этой причине мои коллеги лишь смеются, когда я говорю им, что когнитивные искажения представляют собой проблему, и не принимают всерьез мои «социальные аргументы», считая, что они не важны для научного дискурса. Однако существование этих когнитивных искажений было подтверждено в бесчисленных исследованиях. И нет вообще никаких оснований думать, будто высокий интеллект защищает от ошибок мышления. В исследованиях не было выявлено никакой связи между уровнем когнитивных способностей и подверженностью ошибкам мышления ²⁰¹.

Разумеется, когнитивные искажения свойственны не только физикам-теоретикам. Эта проблема существует во всех областях науки. Мы не способны отринуть направления исследований, оказывающиеся бесплодными. Плохо обобщаем новую информацию. Не подвергаем критике идеи своих коллег из страха стать «социально нежелательными». Пренебрегаем идеями, выбивающимися из разряда общепринятых, потому что исходят они от людей «не таких, как мы». Подыгрываем системе, наносящей ущерб нашей интеллектуальной независимости, потому что все так делают. И настаиваем на том, что наше поведение – добротный научный подход, основанный исключительно на непредвзятых суждениях, поскольку при всем желании не можем находиться под влиянием социальных и психологических эффектов, какими бы распространенными те ни были.

Конечно, когнитивным, в том числе и социально обусловленным, искажениям мы были подвержены всегда. Именно из-за них ученые сегодня используют строго установленные методы для повышения объективности, включая рецензирование, оценку статистической значимости и рекомендации по правильному научному образу действий. И наука развивалась весьма неплохо, так зачем же начинать сейчас уделять этим вещам особенное внимание? (Кстати, это называется эффектом статус-кво.)

В больших группах люди менее эффективно делятся друг с другом актуальной информацией ²⁰². Кроме того, чем специализированнее группа, тем больше вероятность, что ее члены склонны слушать только то, что подтверждает их точку зрения. Вот почему сегодня так важно понимать, как передается информация в научных структурах и сетях, – гораздо важнее, чем сто или даже двадцать лет назад. И беспристрастная аргументация становится тем важнее, чем больше мы полагаемся на логическое мышление без оглядки на эксперимент. Этой проблеме, поразившей некоторые направления теоретической физики больше, чем любую другую область науки, и посвящена данная книга.

Экспериментаторы, конечно, действуют по своему собственному усмотрению. Они грезят о разработке новых технологий и не оставляют решения о будущих экспериментах на милость теоретиков. Но все же мы, теоретики, указываем на новые области параметрического пространства, которые стоит исследовать. Мы несем ответственность за оценку своих теорий, которая должна быть настолько объективной, насколько это возможно, – чтобы помочь выявить самые перспективные новые эксперименты.

Пока теории разрабатываются людьми, независимо от конкретной области исследований, по умолчанию должно считаться, что на оценку теорий влияют когнитивные искажения, в том числе социально обусловленные, если только не были предприняты специальные шаги для устранения этих проблем. Но подобные шаги сейчас не предпринимаются. А значит, прогресс почти наверняка идет медленнее, чем мог бы.

Как же мы очутились в подобной ситуации? Поскольку нам, ученым, очень просто обвинять руководящие и финансирующие органы, в жалобах недостатка нет: примерно раз в две недели Nature и Times Higher Education публикуют стенания по поводу нелепых попыток измерять научный успех. Когда я делюсь этими статьями в «Фейсбуке», они гарантированно получают одобрение. И тем не менее ничего не меняется.

[110] Сейчас 3,8 σ. См.: Yue A. T. et al. 2013. Improved determination of the neutron lifetime. Phys. Rev. Lett. 111: 222501. arXiv:1309.2623 [nucl-ex].

[111] Я думаю, что парадокс файервола основан попросту на ошибочном доказательстве. См.: Hossenfelder S. 2015. Disentangling the black hole vacuum. Phys. Rev. D. 91: 044015. arXiv:1401.0288. Но, независимо от его статуса, любопытно видеть, какие следствия вывели мои коллеги.

[112] Непроходимые кротовые норы называются мостами Эйнштейна – Розена (ER), и говорят, что запутанные частицы находятся в состоянии Эйнштейна – Подольского – Розена (EPR), поскольку впервые обсуждались Эйнштейном, Подольским и Розеном (Einstein A., Podolsky B., Rosen N. 1935. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Phys. Rev. 47: 777). Поэтому предположение, согласно которому и то и другое описывает одно и то же, стало обозначаться в литературе как «ER = EPR».

[113] Так часто передают мысль Планка. Сам он выразился следующим образом: «Обычно новые научные истины побеждают не так, что их противников убеждают и они признают свою неправоту, а большей частью так, что противники эти постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу». Planck M. 1948. Wissenschaftliche Selbstbiographie. Mit einem Bildnis und der von Max von Laue gehaltenen Traueransprache. Leipzig: Johann Ambrosius Barth Verlag, p. 22. (Цитируется по изданию: Планк М. 1858–1958: сборник к столетию со дня рождения Макса Планка. М.: Издательство АН СССР, 1958. – Прим. перев.)