Основы научного метода и спонтанное падение кирпичей
Запуск телескопов и спутников в космос, производство инсулина генетически модифицированными организмами, оптика, контрацепция, технологии, позволяющие нам общаться на огромных расстояниях при помощи Интернета, открытие молекулы ДНК, отвечающей за передачу наследственной информации, а также отдельных генов, связанных с заболеваниями и методов генной терапии для их лечения – все это лишь вершина айсберга достижений прогресса, основанного на применении научного метода. Все мы пользуемся достижениями науки, хоть и не все из нас умеют это ценить и осознавать.
Рассмотрим базовые принципы этого метода на примере работ, показавших, что именно ДНК отвечает за передачу наследственной информации. В 1928 году Фредерик Гриффит вкалывал мышам две разновидности пневмококка. Одна вызывала смерть грызунов, а другая нет. Пневмококков можно убить нагреванием и тогда вкалывание их содержимого ни к чему не приведет. Но если взять безобидного пневмококка и смешать его с содержимым, оставшимся от нагретых до смерти патогенных пневмококков, то полученные в итоге бактерии обретают способность убивать мышей.
Итак, здесь была гипотеза (недоказанное предположение): патогенные пневмококки содержит некий компонент, который может передавать патогенность другим пневмококкам. И был эксперимент, который мог подтвердить или опровергнуть эту гипотезу. Важно, что в эксперименте был контроль: обычный пневмококки без компонента от патогенных не убивают мышей в аналогичных условиях.
Эксперимент Гриффита был развит учеными Эвери, Маклеодом и Маккарти, которые хотели понять какой именно компонент из патогенных пневмококков отвечает за такую трансформацию. В частности они проверили, будет ли экстракт из мертвых патогенных пневмококков работать, если из него убрать белки, полисахариды и РНК с помощью методов очистки или особых ферментов. Оказалось, что это никак не сказывается на свойствах трансформационного агента. А вот добавление фермента, расщепляющего ДНК, лишает экстракт своих трансформирующих свойств. Значит именно ДНК отвечает за передачу патогенности от одних пневмококков к другим.
И снова мы видим, что на основе наблюдений была сформулирована гипотеза, и был придуман эксперимент, который позволял отсечь альтернативные объяснения, а именно роль белков, РНК или полисахаридов в передаче исследуемого свойства. Эксперимент этот впоследствии был многократно воспроизведён, а наши представления о ДНК обросли деталями и подробностями, включая подробные описания ее структуры и механизмов копирования.
Обратите внимание и на то, чего не делали исследователи. Они не обращались к священным текстам, не цитировали предшественников как непоколебимых авторитетов, не проводили публичные дебаты или социологические опросы мнений, не подгоняли результаты исследований под желаемый результат, не сверкали погонами, дипломами или регалиями, не били себя кулаками в грудь, не апеллировали к личному мнению. Они просто позволили природе непредвзято рассудить между альтернативными версиями ее описания, создав для этого подходящие условия.
Это свойство научного подхода блестяще запечатлено в меме про двух персонажей каменного века:
«Большой камень – это фундаментальная частица!»
«Нет, большой камень состоит из маленьких»
«К коллайдеру!»
Так в идеале должен выглядеть спор двух ученых. Как попытка сформулировать условия, при которых объективная реальность сама сможет их рассудить. Причем так, что оба должны будут принять результат, каким бы он не оказался. Кто-то считает, что вакцины вызывают аутизм, кто-то не согласен? Сравним привитых с непривитыми. Кто-то считает, что собаки ближе к людям, чем дельфины, а кто-то наоборот? Построим филогенетическое дерево.
Разумеется, прямолинейная и однозначная проверка возможна не всегда. Поэтому помимо хорошо установленных фактов и многократно проверенных теорий есть серые зоны, где многое еще непонятно, а проверки лишь предстоит провести. Можно ли продлить жизнь человеку с помощью теломеразной генной терапии? Как вылечить болезнь Альцгеймера? В таких случаях важно называть вещи своими именами: мы не знаем точных ответов на все вопросы, но продолжаем поиски.
И все же прелесть научного метода в том, что он работает и на многие вопросы ответы мы получили. Не всякое научное исследование дает нам очевидный или моментальный практический результат, но даже самые фундаментальные исследования перекликаются с реальностью и позволяют прогнозировать результаты будущих экспериментов или наблюдений. Когда между нашими прогнозами и реальностью возникает нестыковка, это становится поводом пересмотреть наши представления и исправить ошибку.
Так что же такое научный метод в своем самом общем виде и почему именно наука дала нам столько всего полезного и работающего, а не божественное откровение, анализ древних текстов и выслушивание мнений авторитетных старцев? Все дело в том, что в науке предусмотрен процесс устранения ошибок.
Но начнем с определения. Согласно словарю Мериам-Вебстер «научный метод – это принципы и процедуры систематического поиска знаний, включающие распознавание и формулировку проблемы, сбор данных путем наблюдения и эксперимента, а также формулировку и проверку гипотез».
Согласно Оксфордскому словарю «научный метод – подход, который наука использует для получения знаний, основанный на наблюдениях, формулировании законов и теорий и экспериментальной проверке теорий или гипотез».
Далее уточняется, что «В типичном применении научного метода исследователь разрабатывает гипотезу, проверяет ее с помощью различных средств, а затем модифицирует гипотезу на основе результатов тестов и экспериментов. Затем модифицированная гипотеза повторно проверяется, дополнительно модифицируется, и проверять снова, пока она не станет совместимой с наблюдаемыми явлениями и результатами проверки. Таким образом, гипотезы служат инструментами, с помощью которых ученые собирают данные. На основе этих данных и множества различных научных исследований, предпринятых для изучения гипотез, ученые могут разработать широкие общие объяснения или научные теории».
Публикация «Научный метод» в издании университета Кембриджа описывает этапы применения научного подхода.
«Этапы метода следующие:
1. Наблюдайте за каким-либо аспектом Вселенной.
2. Придумайте предварительное описание, называемое гипотезой, которое согласуется с тем, что вы наблюдали. Это может варьироваться от тонкой настройки существующих идей до полного обновления общепринятых знаний.
3. Используйте гипотезу, чтобы делать прогнозы.
4. Проверить эти предсказания экспериментами или дальнейшими наблюдениями и изменить гипотезу в свете этих результатов.
5. Повторяйте шаги 3 и 4 до тех пор, пока не исчезнут расхождения между теорией и экспериментом и/или наблюдениями. Как только этот тип непротиворечивости достигнут, гипотеза подтверждена и принята как новая теория».
С важным уточнением:
«Чтобы быть научно полезными, гипотезы должны быть фальсифицируемыми. Таким образом, все научные теории постоянно находятся в опасности быть опровергнутыми новыми данными или наблюдениями. Эксперименты — это Дамоклов меч для теории. Это позитивный аспект всех научных исследований, поскольку он обеспечивает естественный механизм проверки и совершенствования научных знаний».
Действительно, если из гипотезы не вытекает никаких проверяемых следствий (предсказаний), не существует способа ее проверить. Если мы уверовали в некоторую непроверяемую гипотезу, то, как бы не был устроен мир на самом деле, мы никогда не узнаем, ошибаемся мы или нет. Если мы ошибаемся, то обречены ошибаться вечно. С таким подходом невозможно приращение знаний и искоренение наших ошибочных представлений. Если мы хотим двигаться вперед, должны быть условия, при которых мы признаем, что наша гипотеза, скорее всего не верна.
Научный метод не гарантирует, что ошибок не будет. Но он гарантирует, что ошибки будут со временем исправлены. Если ученый делает много ошибок, его работы, скорее всего не пройдут рецензию. Но допустим, что ученый подделал результаты и опубликовал статью. Тогда другие ученые не смогут воспроизвести его работу. Со временем накопятся новые факты, и результаты поддельной работы будут отброшены, как несовместимые с остальными знаниям. Затем другая, но уже тщательно проверенная гипотеза вытеснит старую, основанную на неверных данных.
Развитие науки, таким образом, подразумевает постепенное исключение альтернативных гипотез. Важные столпы этого процесса можно легко описать на абстрактном примере.
Столп первый. Контроль.
Представьте, что вы идите по улице. В какой-то момент вы хлопнули в ладоши, и откуда-то сверху к вашим ногам упал кирпич. Хлопок и падение кирпича здесь служат лишь иллюстрацией, их можно заменить на любую пару действия и последующего события. Вы предположили, что хлопок в этом гипотетическом мире вызывает падения кирпича. Вы хлопнули в ладоши еще раз, и вскоре упал еще один кирпич. Достаточно ли это для установления причинно-следственной связи? Если ваш ответ «да», то вы наивно ошибаетесь. Представим себе, что кирпичи иногда падают сами по себе. Может быть, кирпич упал бы и без хлопка. Вы этого не исключили. Таким образом, мы приходим к необходимости контроля: нам важно не только отметить падают ли кирпичи после хлопков, но и то, падают ли они, если хлопков не было. Поэтому в науке так важен контроль.
Столп второй. Размер выборки.
Допустим, что мы хлопнули в ладоши и через минуту упал кирпич. Мы подождали еще минуту и кирпичи больше не падали. Значит ли это, что хлопки вызывают падение кирпичей? Ведь мы наблюдаем отличие между контролем (нет хлопка) и экспериментом (есть хлопок). Вышеописанная картина может с легкостью наблюдаться по случайным причинам, если, например, есть 50% шанс того, что кирпич упадет в течение минуты, и эта вероятность не зависит от того хлопали мы в ладоши или нет. Вероятность того, что кирпич упадет в течение минуты после хлопка равна 50%. Вероятность того, что кирпич не упадет в течение минуты в контроле тоже равна 50%. Вероятность одновременного наступления этих двух событий определяется как произведение вероятностей: 0.5*0.5 = 0.25. Это как вероятность выкинуть два раза подряд решку на монетке. Чтобы исключить фактор случайности, нам нужно больше данных. Поэтому в науке так важен размер выборки.
Столп третий. Рандомизация.
Предположим, что на самом деле кирпичи падают с некоторым интервалом времени, не чаще, чем раз в пару минут. Мы заметили это и поэтому никогда не хлопаем, если недавно падал кирпич. Наслаждаемся статистически значимым и ошибочным выводом о влиянии хлопков на вероятность падения кирпичей. Чтобы исключить эту проблемы поступим иначе: будем выбирать моменты для хлопков и не хлопков случайным образом. Тогда ошибка будет устранена. Поэтому в науке так важна рандомизация.
Столп четвертый. Исключение субъективного мнения.
Предположим, что мы не имеем сверхточного секундомера, позволяющего измерять время падения кирпича с точностью до доли секунды. Мы оцениваем прошедшее время по нашему восприятию. Мы хлопнули в ладоши, и примерно через минуту упал кирпич. Мы можем сказать себе: кирпич упал! Успех! Теперь представим, что мы не хлопали в ладоши и попадали в ту же ситуацию. Мы можем сказать себе, что ждать пришлось долго и минута, наверно, уже истекла. Вполне возможно, что в первом случае мы будем слегка недооценивать прошедшее время, а во втором случае переоценивать. Не из злого умысла, а просто в силу внутренней предвзятости и надежды на положительный исход исследования. Если же попросить следить за временем независимого экспериментатора, который не слышит и не видит хлопков, результаты будут более надежными. Поэтому в науке важно ослепление, когда результаты опыта не зависят от субъективного мнения исследователя.
Столп пятый. Воспроизводимость.
Представим себе, что мы пробовали хлопать в ладоши, чтобы вызывать падение кирпичей. Не получилось. Тогда мы попробовали ковыряться в носу. Потом мы прыгали. Потом танцевали. Потом произносили заклинание. Потом делали что-то еще. Рано или поздно так совпадет, что то, что мы делаем, будет предшествовать в эксперименте падению кирпичей. Разумеется, при повторной проверке может ничего не получиться. Но мы уже запатентовали и продаем свой метод призыва кирпичей строительным компаниям. Чтобы исключить это необходимо разделять разведывательные исследования, направленные на формирование гипотез, и прямые проверки уже устоявшихся конкретных предложений, например, что именно хлопки и именно в ладоши вызывают падение именно кирпичей, причем в течение конкретного временного интервала. Поэтому в науке так важно воспроизведение и учет проблемы множественных гипотез.
Столп шестой. Открытость.
Представьте себе, что вы провели исследование влияние хлопков на падение кирпичей и получили не тот результат, который ожидали. Вы решили, что были уставшим, поэтому плохо хлопали, поэтому повторили эксперимент еще раз. И снова неудача. Наверно дело в том, что не стило хлопать ладоши в религиозный праздник. Повторим на следующий день. На этот раз все получилось, и вы сообщили только о результате последней проверки, но не первых двух. Увы, с таким подходом вы сможете доказать что угодно, так как выкидывание неудобных данных неизбежно создаст искажение в пользу вашей гипотезы. Необходимо заранее обдумать и проговорить какие проверки будут засчитываться, а какие нет. Поэтому в науке так важно рассказывать как о положительных, так и об отрицательных результатах.
Столп седьмой. Честность.
Не надо врать. Тут можно обойтись без хлопков и кирпичей. Но как говорил Юдковский «соврешь однажды и правда станет твоим врагом». Вполне возможно, что потом вам придется всю жизнь настаивать на своей теории хлопков, обвинять всех несогласных ученых в заговоре или в принципе отрицать научный метод. Поэтому в науке так важно говорить правду, какой бы она не была.
Разумеется, в конкретной научной области могут быть дополнительные нюансы и факторы, которые надо учитывать. Но альтернативные гипотезы будут всегда и задача ученого так продумать исследование, чтобы оно исключало их в случае положительного исхода. В частности очень важно учитывать всевозможные когнитивные искажения, свойственные большинству людей.
