Научный метод. База

В одном комиксе про палеолит два древних мудреца спорили, является ли большой камень фундаментальной частицей – или состоит из камешков поменьше. В итоге мужчины закричали: “К коллайдеру!” – и столкнули там частицы камня. Эта “первобытная” история – наглядная демонстрация сути научного метода: встретились два человека с противоположными взглядами – и свой спор они разрешили с помощью эксперимента. Результат эксперимента не зависел от их мнения, а ещё оба мудреца согласились: в результате опыта один из них должен будет признать поражение.

При этом есть люди, которые считают, что никакого научного метода не существует. Или что научный метод – это лишь набор догм, а верить надо своим глазам и жизненному опыту. Видишь, что Земля плоская и неподвижная? Значит, так и есть. Ещё есть мнение, что у каждой науки свой метод – например, теологи прибегают к личностному опыту веры. И не дай бог кто-то посмеет им сказать, что это – не научно! Ещё есть мыслители, которые говорят нам, что в науке дозволено абсолютно все: вот возьму и сделаю свою собственную науку вообще без какого-либо метода! И в итоге на свет появляются родология и и различные техники лечения геморроя огурцом, не оторванным от силы Земли. В общем, антисциентисты пытаются доказать, что научный метод – это ерунда, что любое мнение равнозначно, все одинаково правы и неправы. Так, философ Пол Фейерабенд утверждал: наука ничем не лучше сказок, астрологии и гаданий.

“Это всего лишь выдумка, предположение!”

Учёные, в свою очередь, считают научный метод лучшим способом познания нашей реальности. Согласно изданию университета Кембриджа, существуют следующие этапы применения научного метода:

1. Наблюдайте за каким-либо аспектом Вселенной;
2. Придумайте предварительное описание, которое согласуется с тем, что вы наблюдали: это гипотеза. Она может варьироваться от тонкой настройки существующих идей до полного обновления общепринятых знаний;
3. С помощью гипотезы сделайте какие-нибудь прогнозы;
4. Проверьте эти прогнозы: поставьте эксперимент или дальше наблюдайте за явлением. По результатам проверки измените гипотезу;
5. Повторяйте шаги 3 и 4 до тех пор, пока не исчезнут расхождения между гипотезой и вашим экспериментом/наблюдением. Когда достигнете полной непротиворечивости — гипотеза подтверждена и принята как новая теория.

Сейчас кто-то точно скажет: «Ага! Теория! Это всего лишь выдумка, предположение!» Но тут мы сталкиваемся с путаницей в определениях. В быту теорией мы часто называем разные догадки: “Согласно моей теории, биологами чаще становятся Козероги и Стрельцы, потому что любопытство и страсть к опытам у них в крови”. Но в науке теория – это высшая форма знания. У нас есть теория эволюции, теория гравитации, теория микробов. Всё это – модели, надёжно описывающие реальный мир.

А теперь давайте посмотрим, как научный метод “работает” на практике. Хорошим примером является история о том, как учёные выяснили, что ДНК отвечает за передачу наследственной информации. Итак, в 1928 году генетик и врач Фредерик Гриффит вкалывал мышам две разновидности пневмококка. Одни мышей убивали, другие – нет. Пневмококков можно убить нагреванием: если смертельную бактерию нагреть, она умрёт – и опасность исчезнет. Но если смешать безвредного пневмококка с останками смертельных, а потом вколоть — мышка умирает.



В итоге Фредерик Гриффит выдвинул следующую гипотезу: у мёртвых пневмококков есть компонент, который передаёт патогенность безобидным. Что-то вроде горизонтальной наследуемости! Но перед учёными встал вопрос – как эту гипотезу доказать или опровергнуть? В итоге последователи Гриффита – Эвери, Маклеод и Маккарти – провели такой эксперимент: они брали экстракт мёртвых смертельных пневмококков и методично убирали из него разные компоненты бактерии. Когда учёные изымали из бактерии РНК, белок или полисахарид, “смертельность” передавалась. Зато когда убрали ДНК, она перестала наследоваться.

Итак, давайте рассмотрим по пунктам, что же произошло:

1. Учёный заметил нечто странное;
2. У него возникла гипотеза о болезнетворном компоненте, который делает безобидные пневмококки смертельными;
3. Затем возник ряд альтернативных гипотез о том, чем может быть этот компонент – РНК, ДНК, белком или чем-то ещё;
4. Учёные поставили эксперимент и выяснили, что “виновница торжества” – ДНК;
5. Научный мир получил новую важную теорию. Профит!

А теперь напишу, чего не делали исследователи:

1. Не обращались к древним текстам;
2. Не апеллировали к авторитету (“Великий учёный Вася считает, что во всём виновата РНК”);
3. Не устраивали публичных дебатов, голосований и опросов;
4. Не подгоняли результат под свои предпочтения;
5. Не трясли своими дипломами и регалиями;
6. Не говорили потом: “Ну, это просто мнение”.

В общем, учёные поставили честный эксперимент – и природа сама расставила точки над i. Если бы в ходе исследования выяснилось, что смертельными пневмококки делает РНК, то сейчас в учебниках школьники читали бы именно такую информацию.

“Чувак, ну что, ты победил!”

Похожие эксперименты можно ставить не только в биологии. Например, на премии Гарри Гудини мы с коллегами проверяли экстрасенсов на наличие паранормальных способностей – и обещали миллион рублей участникам, которые пройдут тестирование. Дело происходило так:

Маги и провидцы обращались к нам и заявляли, что могут чувствовать деньги, читать мысли или общаться с мёртвыми;
Мы предлагали им честную проверку, которая показала бы, обладает экстрасенс особыми способностями или нет;
Мы убеждались, что оппонент тоже согласен с тем, что это честная проверка — то есть у нас один “коллайдер”;
Затем мы “шли к коллайдеру”: проводили проверку – например, показывали экстрасенсам снимки погибших людей и спрашивали, как наступила их смерть;
Реальность нас рассуждала (правда, пока не в пользу экстрасенсов).

В общем, хоть мы и скептики, мы по возможности исключили из ситуации наше личное мнение, убеждения и предвзятость – и провели именно научную проверку. Если бы к нам пришёл настоящий экстрасенс, мы признали бы его или её паранормальные способности, отдали бы миллион рублей и сказали: “Чувак, ну что, ты победил!”

Иными словами, научный процесс должен быть выстроен так, чтобы победил результат, наиболее близкий к действительности. Это не означает, что учёные никогда не ошибаются и что наука знает ответ на каждый вопрос. Исследователи могут говорить: “Я не знаю” – и это абсолютно нормально. Например, уфолог показывает астроному непонятный снимок и спрашивает: “Ну-ка, что тут я сфотографировал? Я думаю, что инопланетную летающую тарелку” Астроном честно признаётся: “Я не знаю”. Уфолог такой: “Ага, ты даже не можешь сказать, что тут – значит, я прав. Это летающая тарелка!”

А теперь представьте другую ситуацию. Фокусник показывает вам трюк, в ходе которого у него исчезает айфон. Вот телефон лежал на столе, над ним фокусник проводит руку… И телефон пропадает! Автор трюка вас спрашивает: “Как это произошло?” А вы отвечаете: “Я не знаю!” И фокусник такой: “Ага, я доказал, что магия существует!”

И ещё один пример. Предположим, верующий спрашивает: “Вот откуда взялся Большой взрыв? Должен же он был откуда-то появиться!” А учёные ему отвечают: “Мы пока не знаем”. И верующий такой: “Ага, вот вы и попались! Значит, это Бог Большой взрыв и нашу Землю создал!” Но утверждение “Бог создал Большой взрыв” с наукой ничего общего не имеет.

Никто не отказывается от познания

Мы не знаем, как победить болезнь Альцгеймера и старение. Пока у нас на этот счёт есть лишь гипотезы, которые, может быть, подтвердятся. А, может, и нет. Как говорил комик Дара О'Бриэн, «Наука знает, что она всего не знает, иначе бы она остановилась». Смысл науки – получать ответы на вопросы. Но если мы чего-то не знаем, это не значит, что мы не знаем ничего. Если мы не знаем, как фокусник заставил телефон исчезнуть, это не значит, что мы не в курсе, как он проворачивает трюк с распиливанием женщины. То же самое в биологии и химии. Мы знаем, что ДНК является двойной спиралью. Мы знаем, что у человека и шимпанзе был общий предок – у учёных есть куча подтверждений этой теории. Человек по каждому своему гену ближе шимпанзе, чем любому другому существу.

Но всё же учёные всегда немного допускают, что могут ошибаться. Исследователи не говорят: “Так, никакое новое свидетельство не может опровергнуть нашу правоту!” Никто не отказывается от познания. В уже упомянутой кембриджской статье про научный метод есть важное уточнение:

«Чтобы быть научно полезными, гипотезы должны быть фальсифицируемыми. …Все научные теории постоянно находятся в опасности быть опровергнутыми новыми данными или наблюдениями. Эксперименты — это Дамоклов меч для теории».

Фальсифицируемость – это принцип, который предложил философ Карл Поппер. Согласно этому принципу, любое заявление или гипотезу теоретически можно опровергнуть. Должен быть способ показать, что теория неверна – если она, конечно, неверна. Нет смысла идти к коллайдеру, если, вне зависимости от результата, мы останемся при своём мнении.

Критерий Поппера удивительно мягкий. Он не требует, чтобы гипотеза была убедительной или хорошо обоснованной. Она может быть очень фантастической и недоказанной. Важно лишь, чтобы ваша идея могла быть опровергнута. Представьте: вы спорите с родственником, который что-то вам доказывает. И вы его спрашиваете: “Окей, а при каком условии ты согласишься, что твоё убеждение ошибочно?” А он такой: “Да никогда в жизни не соглашусь! Ни при каких условиях. Я точно прав!” В таком случае ни о каком научном подходе или поиске и речи идти не может.

При этом, что важно в критерии Поппера, опровержение тоже должно быть потенциально опровержимым. То есть наука – это цепочка опровержений: каждое следующее опровержение тоже должно быть опровергаемым. Вся идея Поппера – в том, чтобы никогда не останавливаться, а по пути выбирать наиболее вероятные гипотезы из имеющихся. Учёные шаг за шагом приближаются к пониманию того, как наш мир устроен.

Как я уже написал, научный метод не гарантирует, что ошибок не будет. Но он гарантирует, что со временем ошибок будет всё меньше. И мне очень нравится, что одно сообщество рационалистов называется LessWrong – “менее неправы”. Кстати, в LessWrong “обитает” Элиезер Юдковски – американский специалист по искусственному интеллекту и автор замечательной книги “Гарри Поттер и методы рационального мышления”. В общем-то, смысл науки в том и заключается – стать со временем менее неправыми.

Мир без тигров

У Карла Поппера есть ещё одна известная идея – об эволюционной эпистемологии. Согласно философу, развитие науки чем-то напоминает биологический естественный отбор. Идёт конкуренция между идеями. Те идеи, которые удалось опровергнуть, вымирают, а более сильные и ловкие – те, что лучше переносят столкновение с реальностью – выживают и передаются в будущие научные публикации.

И в этом смысле эволюция идей в научном сообществе очень сильно отличается от эволюции идей в массовой культуре. В обычной жизни часто выживает не самая реалистичная и объективная идея, а та, которая больше всего нравится людям — самая необычная, интригующая или приятная. Та, в которую легче всего поверить. При этом работают все наши изъяны мышления. Поэтому, например, политики-популисты часто выигрывают у профессионалов: у них всё просто и понятно, а не сложно и постепенно. В их идеи легко и приятно верить.

Параллель с биологической эволюцией можно развить ещё одним способом. Представьте, что мы создали эволюцию. В ней есть тигры и антилопы. Почему антилопы очень быстро бегают? Потому что за ними испокон веков гонялись тигры. Это привело к эволюции антилоп – да и тиграм тоже пришлось прокачиваться в преследовании. А в мире, где нет тигров, антилопы так и не научились бегать. Они останутся пассивными и незащищёнными – и всё равно выживут. Так выживают религия и астрология – им не угрожают факты. Вывод прост: естественный отбор в пользу правильности знания гарантирует, что качество идей со временем будет улучшаться. Непроверяемые идеи, то есть идеи, избегающие столкновения с реальностью, будут стагнировать.

Семь столпов научного мышления

По мере того как эволюционирует научная картина мира, эволюционирует и сам научный метод. Когда учёные понимают, что некий метод познания приводит к ошибочным результатам, этот метод начинают менять. Так, в древности люди познавали мир просто своими глазами. Но глазам не всегда можно доверять: существуют же оптические иллюзии! Например, на картинке ниже квадратики A и B на самом деле одного оттенка.

Аналогичным образом и наш разум полон когнитивных искажений – например, если после танца вождя племени пошёл дождь, это не значит, что прыжки и покачивания влияют на осадки. Но мы легко приходим к подобным выводам. Выпил гомеопатию, стало лучше – значит, помогло. И именно благодаря научному методу мы можем бороться со всеми ошибками мышления. Сейчас я опишу семь столпов научного метода – с их помощью учёные контролируют себя и делают так, чтобы их ошибки мышления не могли повлиять на проверку гипотезы.

Столп первый – контроль. Представьте, что вы шли по улице, хлопнули в ладоши – и перед вами упал кирпич. Вы выдвинули гипотезу: “Ага, тут хлопок ладонью вызывает падение кирпича!” Вы хлопнули в ладоши ещё раз – и на асфальт вновь упал кирпич. Гипотеза вроде бы подтвердилась! Но означает ли это, что вы установили закономерность? Нет! Потому что, возможно, кирпичи просто падают случайно, безо всяких хлопков. Нужно провести контроль: выяснить, падают ли кирпичи без хлопка. Эксперимент – хлопнули, контроль – не хлопнули.

Столп второй – размер выборки. Допустим, вы хлопнули в ладоши, и через минуту упал кирпич. Подождали ещё минуту – кирпичей нет. Казалось бы, есть контроль: я не хлопал, и кирпич не упал. Но это могла быть просто случайность. Что, если просто каждую минуту с 50% вероятностью падает кирпич? Тогда есть вероятность в 25%, что после хлопка он упал, а без хлопка не упал. Это вполне реально – как выбросить решку два раза подряд на монетке.

Что делать? Нужно повторить эксперимент или наблюдение много-много раз, либо заставить его повторить сотни человек – чем больше, тем надёжнее результат.

Столп третий – рандомизация. Предположим, в вашем мире кирпичи и правда падают каждые две минуты. Значит, даже с контролем и с большой выборкой можно прийти к ошибочному выводу. Достаточно не хлопать сразу после падения очередного кирпича. Подогнать хлопки под и без того случающиеся падения. И будет казаться, что, действительно, кирпичи падают только после хлопков, даже если хлопки ни при чём.

Как надёжней проверить, что падения вызывают именно хлопки? Всё просто: нужно выбирать момент для хлопка случайно, то есть ввести рандомизацию.

Столп четвёртый – исключение субъективного мнения. Предположим, у нас нет секундомера, и минуту после хлопка мы отсчитываем вслух. С таким подходом эксперимент с кирпичом будет не до конца чистым. Ведь мы можем отмерять время чуть медленней после хлопка и чуть быстрее, когда хлопка не было. Не злонамеренно, а просто в силу наших ожиданий. И вот после хлопков кирпичи будто бы падают чаще. Даже с контролем, рандомизацией и большой выборкой! Что делать? Попросить отмерять время и фиксировать падение кирпичей человека, который не знает, хлопнули вы или нет. Это называется ослепление.

Столп пятый – воспроизводимость. Предположим, вы пришли к выводу, что от хлопков кирпичи не падают. Тогда вы начинаете петь, танцевать, прыгать, читать заклинания – и проверяете, не влияют ли эти действия на падения. Вдруг – раз – оказалось, что кирпичи чаще падают после того, как вы, например, посвистели. Эксперимент был слепым и рандомизированным, с хорошим контролем. Тем не менее, и это не значит, что свист “призывает” кирпичи. Ведь если пробовать десятки разных методов по призыву кирпичей, даже если ни один из них не работает, рано или поздно с каким-то это сработает. Чисто статистически. Поэтому желательно зафиксировать вашу гипотезу, что именно свист призывает кирпичи, и перепроверить результат еще раз. Возможно, он просто не воспроизведётся.

Очень наглядной демонстрацией проблемы является “ошибка техасского стрелка” Представьте себе техасца, который сначала стрелял по амбару, а уже потом, в месте, где появилось самое большое количество пробоин, рисовал мишень. Все думали: вау, какой классный стрелок! Тут то же самое: ваша гипотеза – это мишень, а данные – пули, которые в неё летят. Если у вас изначально нет чёткой гипотезы, то вы можете смотреть на разные данные и самому мишень подрисовывать. И говорить: “Это и есть моя гипотеза”. На деле же мы должны взять револьвер и много раз подряд попасть в мишень.

Столп шестой – открытость. Допустим, вы три раза проверяли гипотезу про связь хлопков и кирпичей. Два раза эксперимент провалился, а на третий раз ваша теория подтвердилась. Что вы делаете? Пишете статью только об удачном результате, а данные из неудачных проверок убираете в письменный стол, ведь очевидно, что тогда успешной проверке помешал Юпитер. Но не стоит выкидывать “лишние” данные ради классного результата.

Такое иногда происходит и в науке: учёные могут умолчать о своих провалах, а сообщить лишь о победах. Это может сильно исказить наши представления о реальности – и поэтому в последнее время в особо важных вопросах вроде клинических исследований подробную схему эксперимента нужно опубликовать до начала его реализации. Иначе можно после эксперимента выкинуть из выборки “неудобных” пациентов под тем или иным предлогом. чтобы результаты выглядели лучше.

В случаях попроще научные журналы всё чаще требуют, чтобы авторы предоставляли все данные, которые были получены в ходе эксперимента.

Столп седьмой – честность. Тут всё элементарно: не нужно врать. Как говорил Юдковский, “соврешь однажды – и правда станет твоим врагом”. Солгав один раз, многие учёные были вынуждены всю жизнь топить за свою не самую состоятельную теорию и игнорировать возражения коллег. Например, автор отозванной публикации о вакцинах, якобы вызывающих аутизм, постоянно обвинял критиков в теории заговора.

Если вы совершили ошибку – просто сознайтесь. Все ошибаются, это нормально. А вот вранье препятствует прогрессу. И ко лжи в научном сообществе нулевая терпимость. Полно примеров, когда исследователей, уличённых в подлоге, выгоняли из институтов, лишали учёных степеней. По сути, на этом научная карьера обычно обрывается. К сожалению, иногда удаётся избежать официального наказания. Например, в России команда “Диссернета” постоянно выявляет кучу подлогов в диссертациях. Некоторые случаи очень смешные, например, один депутат взял чужую работу по экономике, заменил белое и красное мясо на белый и чёрный шоколад, чтобы обмануть “антиплагиат”, и выдал текст за свою диссертацию. Иногда таких деятелей степеней лишают, но, увы, не всегда. Влиятельные люди иногда избегают наказания. Но цену им в научном сообществе всё равно все знают.

Наука не догматична: как открыли прионы

Науку часто критикуют за то, что она якобы догматична. Это не так – иначе бы не существовало научно-технического прогресса. Наша картина мира постоянно меняется. Тут мой любимый пример – про открытие прионов.

Раньше учёные знали, что существуют лишь инфекционные вирусы, клеточные патогены вроде бактерий и грибков. А о прионах – инфекционных белках – не знали. Сама идея казалась невероятно спорной: как вообще белок может хранить в себе какую-то информацию? Более того, согласно так называемой “центральной догме молекулярной биологии” (на самом деле названной так скорее в качестве троллинга), с ДНК считывается РНК, с РНК – белки, а с белков ничего не считывается. Как белки могут быть инфекционными, если не могут даже размножаться?

Но учёный Стенли Прузинер выяснил: есть заболевания, которые вызываются инфекционными белками – например, болезнь куру. Это такое страшное нейродегенеративное заболевание, которым заражались жители некоторых племён, где традиционной ценностью было поедание мозгов умерших людей. Прузинер не просто доказал, что причиной подобных заболеваний является инфекционный белок, но и выяснил, как именно устроен механизм передачи его патогенности. Есть “плохая”, неправильно свёрнутая версия белка, а есть “хорошая”, встречающаяся в нормальном организме. Когда первый белок подходит ко второму, то хороший тоже превращается в плохой – и так по цепной реакции. Подцепили плохой белок, получили инфекцию.

За свои открытия Прузинера нигде не забанили, не сожгли на костре – наоборот, ему дали Нобелевскую премию. Никакой “смены парадигмы”, о которой любят говорить некоторые философы, не потребовалось, просто были получены новые данные – и научная картина мира немного усовершенствовалась.