Что такое теория и причем тут научный метод

У меня есть теория, что любую фразу можно превратить во что-то кажущееся невероятно глубокомысленным, если в конце приписать имя какого-нибудь древнего философа. Платон (оригинал ^[1]).

Теория (греч. θεωρία — рассмотрение, исследование) — учение, система идей или принципов (вики ^[2]). Именно в таком, самом широком смысле в обычно речи мы употребляем слово «теория» в каждодневной речи. Например, у меня есть теория почему машина не заводится — некоторый набор идей и выводов, объясняющий поломку. Однако, в научном мире теория имеет достаточно строгое и формальное значение и обязательно удовлетворяет определенному набору важных критериев.

Под катом много картинок и примеров, и совсем нет формул.

Научный метод

(картинка отсюда ^[3])

Рассмотрим и обсудим основные этапы научного метода в примерах. В данной статье мы опишем следующие этапы:

1. Наблюдения и вопросы
2. Формирование и основные свойства гипотезы и теории
3. Интерпретация данных и выводы

Безусловно невозможно охватить все свойства и детали методологии и работы, восполнить пробелы и в интерактивной форме изучить материал можно на портале Berkley — Undrestanding Science 101 ^[3].

Наблюдения и вопросы

(картинка отсюда ^[4])

Проиллюстрируем данный этап известной легендой ^[5] о Ньютоне и яблоке:

После обеда установилась тёплая погода, мы вышли в сад и пили чай в тени яблонь. Он [Ньютон] сказал мне, что мысль о гравитации пришла ему в голову, когда он точно так же сидел под деревом. Он находился в созерцательном настроении, когда неожиданно с ветки упало яблоко. «Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?» — подумал он.

Первый этап работы научного метода — наблюдение: есть какая-то общая черта среди наблюдаемых событий, присутствует ли какая-то необычная черта, можно ли применить какую-то новую технологию в стандартных условиях, etc. Рука об руку с наблюдениями идут вопросы: необходимо из наблюдений выбрать необходимое и важное, для дальнейших исследований. Во многом вопросы определяют наблюдения, но и наблюдения определяют вопросы — фактически их стоит рассматривать исключительно вместе.

Но вопросы и наблюдения касаются исключительно действительного-физического мира, т.е. атомы, люди, галактики, общество, растения. Иными словами «сверхъестественное» лежит вне вопросов рассматриваемых в рамках научного метода.

Основа научного метода ^[6]: гипотеза, данные и взаимосвязь

(фотография Венеры взята отсюда ^[7])
В качестве примера рассмотрим гипотезу (предсказание) Карла Сагана о поверхности Венеры (вики ^[8]).

В 60-ые никто не представлял, какие же действительно условия на Венере. Тогда в 1960-ом году Карл Саган выдвинул гипотезу о том, что поверхность Венеры сухая и обладает невероятно высокой температурой. Гипотеза шла в разрез с представлением других о том, что поверхность Венеры может быть пригодной для жизни (динозавры на Венере ^[9]). После выдвижения гипотезы, он занялся изучением доступных данных (радиоизлучения) с Венеры, и пришел к выводу, что поверхность имеет температуру в 500°C. В 1962-ом году Mariner 2 ^[10] (автоматическая межпланетная станция) взяв пробы с поверхности Венеры подтвердила гипотезу Сагана.

Каким интересным свойством обладает эта гипотеза? Данная гипотеза может быть опровергнута, так как она делает определенные и конкретные предсказания, которые могут быть проверены. Данное свойство называется фальсифицируемостью ^[11] (также встречается название критерий Поппера). Заметим, что если гипотеза удовлетворяет критерию Поппера это совершенно не означает, что гипотеза верна. Например, гипотеза — «солнце состоит исключительно из фисташкового мороженого» удовлетворяет данному критерию, но гипотеза не является истинной.

Представим на секундочку, что мы откажемся от этого критерия в выдвижении гипотез, тогда мы получим интересную ситуацию описанную Расселом в 1952ом году.

Чайник Рассела

Рассел пишет следующее письмо ^[12] в журнал Illustrated:

Многие верующие ведут себя так, словно не догматикам надлежит доказывать общепринятые постулаты, а наоборот — скептики обязаны их опровергать. Это, безусловно, не так. Если бы я стал утверждать, что между Землей и Марсом вокруг Солнца по эллиптической орбите вращается фарфоровый чайник, никто не смог бы опровергнуть моё утверждение, добавь я предусмотрительно, что чайник слишком мал, чтобы обнаружить его даже при помощи самых мощных телескопов. Но заяви я далее, что, поскольку моё утверждение невозможно опровергнуть, разумный человек не имеет права сомневаться в его истинности, то мне справедливо указали бы, что я несу чушь. Однако если бы существование такого чайника утверждалось в древних книгах, о его подлинности твердили каждое воскресенье и мысль эту вдалбливали с детства в головы школьников, то неверие в его существование казалось бы странным, а сомневающийся — достойным внимания психиатров в просвещённую эпоху, а ранее — внимания инквизиции.

Фактически, Чайник Рассела демонстрирует гипотезу, которая в своей формулировке содержит собственную неопровержимость. Что же такое фальсифицируемость? Это принципиальная возможность провести эксперимент, который бы опроверг данную гипотезу. Казалось бы это всего лишь утверждение о свойстве гипотезы, но оно в неявной форме так же содержит другое важное свойство — способность гипотезы совершать предсказания т.е. описывать какие-то новые неизвестные свойства иили явления.

Как способность гипотезы предсказывать что-то связана с фальсифицируемостью? Если гипотеза что-то предсказывает, что что-то произойдет, значит, что она предсказывает, что что-то НЕ произойдет. Фальсифицируемая гипотеза предсказывает, что какое-то событие НЕ произойдет — это и есть тот самый опровергающий эксперимент (если событие А не произойдет, значит, что должно произойти какое-то другое событие B e.g. A — температура на Венере 50С и ниже, событие B — температура на Венере выше 50 градусов).

Интерпретация данных и результатов

(графики взяты из работы ^[13] NASA Data.GISS)

Представьте себе, что ваша задача оценить рост (изменения) температуры земли во времени. Что будет исходными данными? Какой параметр необходимо оценить? По каким регионам необходимо усреднять? Что значит усреднять в данном случае?

Фактически никогда полученные данные не согласуются с предсказаниями — прежде всего это связано с различными неточностями, случайными (и не только) факторами. Поэтому прежде всего говорят о степени уверенности в результатах и дают некоторый доверительный интервал для результатов. Например, мы можем представить следующее утверждение: у нас есть 95%-ая уверенность в том, что среднее значение температуры в Самаре летом лежит между 21 и 26 градусами. Это значит, что если мы будем случайно выбирать год и измерять среднюю температуру за год в городе, то в 95% случаев среднее значение будет лежать в данном интервале. Таким образом работая с данными мы всегда указываем некоторые границы применимости и доверия к данным.

В целом, задача интерпретации и работы с данными не имеет какого-то единого и универсального подхода, но есть общие нормы, на которые стоит обратить внимание: наличие оценок на степень доверия данным, наличие расчета статистических ошибок и не менее важное соответствие данных здравому смыслу. Приведем классический пример.

Зависимость глобального потепления от количества пиратов в Карибском море

Данный пример иллюстрирует, что корреляция между данными не равносильно наличию причинно-следственной связи (как было показано знаменитым специалистом по статистике Фишером ^[14] 150 лет назад).

Поиск причинно-следственных связей — это отдельная тема, стоит только отметить, что процесс это гораздо более трудоемкий и не всегда возможный.

Причем тут эволюция и медиа

Классическая фраза: «эволюция — это всего лишь теория», звучащая в совершенно разном контексте происходит прежде всего из-за непонимания термина «теория», который используется в науке. Эволюция является теорией в таком же смысле, как и гравитация Ньютона и квантовая механика (о разнице между законом и теорией написано здесь ^[15]).

Но еще более важным для нас является употребление термина «теория», когда это касается различных информационных ресурсов. Прежде чем принимать какое-то утверждение (например "Новую Хронологию ^[16]" или «теорию» катастроф Великовского ^[17]), необходимо убедиться, что данная теория действительно разработана в соответствии с методологией.

Заключение

Самое прекрасное, что мы можем почувствовать — это неизвестность и загадка. Это тот самый источник настоящего искусства и науки. Тот кому это чувство чуждо, тот кто не может замереть в изумлении, всё равно что умер — ведь его глаза закрыты.

(источник ^[18])

Самая главная черта и особенность метода состоит в его способности изменять наше представление об окружающем мире — наши знания и восприятие мира не статичны, а все время меняются отодвигая по чуть-чуть границу неизведанного. Именно этим он и отличается от всего остального — он признает, что мы еще многого не знаем и что нам предстоит долгий путь, чтобы это узнать.

Автор: varagian

Источник ^[19]