Научная теория должна быть не только совместима с уже установленными фактами, но и давать возможность предвидеть результаты, по крайней мере, некоторых экспериментов. Теория бессмысленна, если неспособна делать предсказания. Поэтому гипотезы и теории должны быть проверяемы. Это означает, что должен быть какой-то способ доказать, что теория сфальсифицирована (то есть возможность показать, что она неверна). Если теорию или гипотезу нельзя проверить, с точки зрения науки она бесполезна.
Вот эпизод из истории науки, который не только ясно демонстрирует разницу между теорией и гипотезой, но и показывает, как на самом деле “работает” наука. Речь пойдет об открытии планеты Нептун.
В начале XVII века немецкий математик Иоганн Кеплер (1571–1630) опубликовал три закона, описывающие движение планет по орбитам вокруг Солнца. Он, в частности, показал, что планеты движутся не по круговым орбитам и не с постоянной скоростью, выступив тем самым против представлений (или, можно сказать, догм), господствовавших в течение тысячелетий.
Прошло еще несколько десятилетий, и Исаак Ньютон (1642–1727) предложил теорию гравитации, которая сделала законы Кеплера более наглядными и уточнила их. Во многих отношениях теория Ньютона противоречила здравому смыслу. В конце концов, как может небесное тело, такое как Солнце, быть источником некой таинственной силы, которая заполняет все пространство и действует на объекты, находящиеся невероятно далеко от него? Однако это утверждение входило неотъемлемой частью в новую теорию. Многие критики считали ее чем-то сверхъестественным и даже мистическим. Но в начале XIX века теория гравитации Ньютона и законы Кеплера, описывающие движение планет, стали общепризнанными.
Французский астроном Урбен Леверье (1811–1877), профессор университета Сорбонна в Париже, занимался широкомасштабным исследованием движения планет. Его тщательно выполненные наблюдения указывали на некие странности движения по небосводу планеты Уран, которые не удавалось увязать с законами Ньютона и Кеплера. По этой причине Леверье выдвинул гипотезу, согласно которой отклонения траектории Урана обусловлены действием гравитационной силы неизвестной планеты, расположенной за орбитой Урана.
Руководствуясь этой догадкой, он призвал на помощь своих надежных старых друзей – теории Ньютона и Кеплера – и рассчитал теоретически орбиту неизвестной планеты. Это позволило Леверье предсказать конкретно, когда не наблюдавшуюся до того планету массы m, двигающуюся по орбите o, можно будет наблюдать на небосводе в точке p в момент времени t. Его предсказание можно было проверить (конечно, все необходимые данные Леверье указал точно). Затем он отправил письмо в Берлинскую обсерваторию астроному Иоганну Галле, написав, где и когда будет видна эта гипотетическая планета. Галле получил письмо 23 сентября 1846 года и тем же вечером подтвердил вывод Леверье: он обнаружил новую планету именно там, где было предсказано.
Эта история очень наглядно демонстрирует связь между теориями, гипотезами, наблюдениями и возможностью проверки. Тем не менее многие люди думают, что теории менее надежны, чем факты. Они заявляют: “Но ведь это всего лишь теория!” На самом деле их слова означают только то, что они неправильно понимают значение слова “теория” в научном лексиконе.
В повседневном разговоре словом “теория” обычно обозначают выдвинутую кем-то идею, не слишком подкрепленную фактами. Мы часто слышим: “Ох, итак, это ваша теория, именно так драгоценности исчезли из запертого ящика письменного стола!” Или кто-то говорит: “Полиция выдвинула теорию, что в ограблении участвовал не один человек, а двое”. В таких случаях термин “теория” означает правдоподобную догадку, которую можно рассматривать, но пока она ничем серьезно не подтверждена.
Но в научных кругах слово “теория” имеет совсем другое значение. Оно описывает систему тесно переплетенных понятий и представлений, которые не только логически совместимы, но также позволяют объяснить большое количество разнообразных явлений и, более того, дают возможность предсказывать новые. Совокупность идей должна “заслужить” почетное звание “теория”, для чего ее следует подтвердить разными способами, а иначе это не теория, а случайная догадка.
Конечно, непроницаемой границы между обыденным и научным мышлением нет, и термин “теория” в какой-то мере двусмысленный. Иногда он обозначает идею, фактическое обоснование которой почти призрачно, тогда как в других случаях это система идей, тесно связанных друг с другом и поддержанных огромным количеством фактов. И все, что находится между этими двумя предельными случаями, тоже может называться теорией.
Для всякой научной теории принципиально важна возможность изменения и улучшения. Однако, чтобы называться “теорией”, надежность системы понятий и законов заранее должна быть многажды проверена: ее необходимо подтвердить многочисленными доказательствами. Одни доказательства могут быть чрезвычайно сильными, другие – относительно слабыми. Но научные теории всегда в какой-то мере доказаны и обоснованы.
Общая теория относительности Эйнштейна подтверждена очень хорошо: она с успехом выдержала более ста лет экспериментальной проверки. Теорию эволюции Дарвина тоже прекрасно подтверждают всевозможные наблюдения по всему миру. С другой стороны, есть все еще “недостроенные” теории. Например, теории, описывающие темную материю и темную энергию, объясняют одни явления, оставляя другие совсем непонятными.
Есть странное направление в теоретической физике, известное как теория струн. Она включает в себя множество прекрасно самосогласованных математических идей, но до сих пор никаких ее экспериментальных подтверждений нет. По этой причине использование термина “теория” в названии “теория струн” достаточно необычно. Но теория струн имеет право считаться теорией (по крайней мере, по мнению некоторых) благодаря тому, что составляющие ее понятия и уравнения очень тесно взаимосвязаны (для сравнения вспомним о внутренне непротиворечивой системе теорем неевклидовой геометрии), хотя экспериментально и не подтверждены (и даже если никогда не появится и намека на их экспериментальное подтверждение).
Короче, спектр того, что может называться научной теорией, простирается широко: от теорий, подтвержденных очень хорошо, до теорий, достаточно шатко обоснованных. Ученые привыкли к тому, что слово “теория” может подразумевать очень широкий диапазон степеней ее достоверности. Однако непрофессионалы часто используют расплывчатость этого термина, чтобы высмеивать не нравящиеся им и непривычные для них теории. Поэтому-то мы иногда и слышим такие раздраженные возгласы: “Но эволюция – это только теория!” Люди, говорящие такие вещи, не понимают, что теория эволюции – научная теория, подтвержденная большим количеством исследований, и как таковая она принимается в качестве истины, а не предположения.
Тогда что позволяет считать теорию научной? В научном мире есть четкое различие между естественными и социальными науками. Эти два направления исследований сильно отличаются друг от друга, даже если учесть, что люди, не занимающиеся наукой, эту разницу сильно преувеличивают. Основная цель естественных наук – выяснить общие законы природы. Физическая теория элементарных частиц не просто описывает, как вели себя частицы в Южной Дакоте в 1912 году или как вообще ведут себя частицы в Южной Дакоте. Она описывает, как при заданных условиях ведут себя все частицы данного типа в любой момент времени.
