Прогресс и регресс в науке

Прогресс в науке обычно воспринимается как накопление знаний, приближающих нас к истине. Однако история науки знает периоды, когда господствующие теории не просто тормозили развитие, а активно перенаправляли усилия исследователей в тупики. При этом парадокс в том, что регрессивной может оказаться теория, которая формально объясняет все известные факты — но делает это ценой потери предсказательной силы, внутренней противоречивости или неопровержимости.
В этой статье мы предложим общее определение теории, критерии ее состоятельности и прогрессивности, а затем разберем несколько поучительных примеров теорий, которые на десятилетия задержали развитие своих областей. Наша цель — не осудить прошлое, а выработать интеллектуальные «предохранители» для оценки текущих научных парадигм.

Теория – это модель системы взаимодействующих элементов и ее интерпретации (объяснения). Без описания взаимодействий элементов нет теории, даже если выбирается всего один элемент. Даже в описании одного кванта есть само-взаимодействия по определенным степеням свободы (теория суперструн предполагает 9 векторов само-взаимодействия – как моды “вибрации).
Если в теории только один элемент и никак не показано даже его само-взаимодействие, то просто не о чем говорить. Но такие теории есть: Бог, душа и т.п. и не только мистического толка.
Примеры одноэлементных теорий
Теория «Мирового эфира» на поздних стадиях (конец XIX века)
На первый взгляд, эфир — это среда (много элементов?). Но в версиях Лоренца и других физиков, после опыта Майкельсона-Морли, эфир превратился в чистый абсолютный ньютоновский покой — единственный элемент, который сам по себе не взаимодействует ни с чем (не увлекается, не сопротивляется, не имеет плотности). Его единственное свойство — «быть системой отсчёта абсолютного покоя». Но поскольку он не взаимодействует с веществом, он не даёт никаких предсказаний. Это чистое онтологическое местоимение, а не теория.
Польза была огромная. Именно погоня за эфиром породила опыт Майкельсона-Морли (1887), который требует величайшей экспериментальной точности. Чтобы измерить «эфирный ветер», Майкельсон изобрел интерферометр — прибор, который стал фундаментом для современной метрологии, оптоволоконной связи и детектирования гравитационных волн (LIGO).
Теория не дала пользы как объяснение, но дала колоссальную пользу как мишень. Ее опровержение подарило нам СТО Эйнштейна. В статье мы можем сказать: «Полезность регрессивной теории иногда измеряется мощью экспериментов, предпринятых для ее проверки».
Геометродинамика Уилера (без материи)
В 1960-х Джон Арчибальд Уилер пытался построить теорию, где всё — это искривлённое пространство-время, а материя — это просто «сгустки» этой геометрии («геон»). В предельном варианте теория пыталась оставить один элемент — метрику пространства-времени. Но без второго элемента (тензора энергии-импульса) уравнения Эйнштейна сводятся к R_μν = 0 (пустое пространство). Такая теория описывает гравитационные волны, но не может породить частицы, заряды или кванты. Она математически красива, но физически бесплодна — это модель самовзаимодействующей пустоты, которая ничего не предсказывает о том, что мы видим в детекторах.
Польза нулевая — геоны так и не обнаружены. Но косвенная польза — гигантская. Чтобы проверить, можно ли свести материю к геометрии, Уилер и его студенты (в частности, Чарльз Мизнер и Кип Торн) разработали мощнейший математический аппарат для численного решения уравнений Эйнштейна. Это привело к созданию первых алгоритмов для симуляции черных дыр и гравитационного коллапса. Без этих «бесполезных» геометрических упражнений у нас не было бы сегодня систем GPS (где учитывается релятивистское замедление времени) и астрофизики нейтронных звезд.
Теория была тренировочной площадкой для ума, отточившей инструменты, которые позже пригодились в других ветвях физики.
Теория «скрытых переменных» де Бройля — Бома (в упрощённом прочтении)
Здесь есть волновая функция и частица (два элемента). Но если свести всё к одной траектории частицы без учёта квантового потенциала (который зависит от всей Вселенной), то теория вырождается в «банальную механику одной точки». Именно это упрощение использовали критики Бома: если убрать взаимодействие с «волной-пилотом», остаётся просто точечная частица, летящая по инерции. Без спецификации как она взаимодействует с квантовым полем — это не теория, а просто утверждение «частица где-то есть».
В упрощенном (одноэлементном) виде — никакой пользы. Но в полном виде (нерелятивистская интерпретация Бома) она привела к глубокому переосмыслению квантовой нелокальности. Практическая польза оказалась неожиданной: математика «квантового потенциала» Бома сейчас используется не в физике элементарных частиц, а в квантовой химии и теории полупроводников для вычисления траекторий волновых пакетов в сложных молекулах. То есть, отбросив метафизику «одной частицы», инженеры взяли на вооружение ее вычислительные алгоритмы.
Бесплодная онтология подарила плодотворный численный метод.
Единая теория поля без источников (Эйнштейн, 1930-е)
Эйнштейн потратил 30 лет, пытаясь объединить гравитацию и электромагнетизм чисто геометрически, используя одно поле — несимметричную метрику. Он хотел, чтобы заряды и токи возникали как топологические свойства самой геометрии, без введения отдельного вектора тока. В итоге он получил уравнения, у которых были только вакуумные решения (поля без источников). Эта теория была математически замкнута, но физически — одноэлементна. Она не могла предсказать массу электрона или его заряд, потому что для этого нужно взаимодействие между полем и точечным источником. Как сказал Паули: «То, что Бог создал, — не чистая геометрия».
Никакой пользы — в том виде, в каком предлагал Эйнштейн. Она зашла в тупик. Но математические конструкции (несимметричные метрики, аффинная связность без кручения), которые он ввел в этих поисках, спустя 50 лет оказались востребованы в теории струн и супергравитации для описания дополнительных измерений.
Это классический случай «архитектуры без здания», чертежи которой позже использовали другие строители для совсем иных конструкций.
Чистая термодинамика «абсолютно жёсткого тела»
В механике сплошных сред можно рассмотреть тело с бесконечной жёсткостью (скорость звука → ∞). Тогда это единственный элемент, который не деформируется, не нагревается, не взаимодействует с волнами. Такая модель полезна для школьных задач, но как фундаментальная теория она регрессивна — она запрещает рассматривать акустику, ударные волны, теплопередачу. Она сужает реальность до одной степени свободы.
Прямая и огромная польза, но не фундаментальная. В инженерном деле, строительстве, машиностроении модель абсолютно жесткого тела (где нет внутренних степеней свободы) является идеализацией, которая позволяет рассчитать рычаги, мосты, балансировки роторов.
Она полезна как приближение, но как только мы пытаемся выдать её за универсальную теорию материи — она становится регрессивной. Здесь важный вывод: теория регрессивна не сама по себе, а по своей претензии на универсальность.
Общее этих теорий. Теория становится одноэлементной даже не потому, что в ней действительно только одна сущность, а потому, что взаимодействия сводятся к тривиальным тождествам (поле равно самому себе, частица движется по геодезической в пустоте). Прогресс начинается ровно в тот момент, когда вводится второй элемент или внутренняя степень свободы, порождающая нетривиальное взаимодействие (заряд, масса, спин, константа связи).
Была ли получена какая-нибудь практическая польза от перечисленных теорий?
Краткий ответ: да, была, но почти всегда — косвенная и негативная (стимулирующая отказ) или инструментальная (как тренажер математики). Прямой прикладной пользы (вроде создания новых технологий) не дала ни одна из них.
регрессивных теорий заключается в том, что они часто приносят пользу, но — как ускоритель прогресса, а не как его двигатель. Они полезны:
·         Как генераторы критических экспериментов (эфир);
·         Как полигон для отработки математических методов (геометродинамика, поле Эйнштейна);
·         Как полезные приближения для узкого класса задач (абсолютно твердое тело).
Однако эта польза не делает их прогрессивными. Прогрессивность мы будем измерять не тем, сколько готовых формул они дают инженерам, а тем, расширяют ли они горизонт предсказуемых новых явлений или сужают его, сводя всё к одному элементу без взаимодействий. Более того, самая коварная регрессивная теория — та, которая удобна для расчетов в прикладных задачах, но парализует фундаментальное мышление».
Итог: из всего можно извлечь какую-то пользу (нет худа без добра), но если теория не позволяет непосредственно использовать свои утверждения на практике и даже не позволяет строить корректную интерпретацию, то это не состоявшаяся теория. И хорошо, если она не тормозила развитие науки, а в чем-то способствовала прогрессу. Можно сказать, что это были не научные теории, а философские конструкции, потому что научные теории во всем соответствуют принципам научной методологии: если в чем-то не соответствуют, то это ненаучно – по основному определению научности.
Если теория не соответствует этим двум пунктам, то даже при наличии математического аппарата она остается философской конструкцией или эвристической метафорой. Она может быть интересной, вдохновляющей, даже полезной для развития математики, но в строгом смысле слова — ненаучной. При этом мы не отрицаем ценности философских конструкций. Они часто служат «лесами» для будущих зданий. Но важно не путать леса с самим зданием и не требовать от науки тех же прав на существование, что и от философии. Научность — это не знак качества, а знак методологического обязательства перед эмпирической реальностью
Чтобы методологично выделить именно теории постулируем окончательно:
Теория – это непротиворечивая модель системы взаимодействующих элементов и ее интерпретации (объяснения).
Системная модель или системный пазл теории
Если эмпирически обнаружены некоторые составляющие теории, то, не прибегая к мистическим объяснениям, мы уверены, что они как-то взаимодействуют между собой в рамках выделенного физического явления. За рамками обнаруженных границ явления они могут взаимодействовать с какими-то пока нам не известными другими элементами.
Перед теоретиком возникает задача, описать систему взаимодействий в граничных условиях явления. Понятно, что просто начать описывать что элемент1 взаимодействует с элементом2 и т.д. – это запутанный способ, надежно приводящий к информационной перегрузке.
Важно обнаружить гласное, принцип, который определяет положения всех элементов в системе взаимодействий, не требующих комбинаторики и т.п. непродуктивных способов описания.
Постулируем, что в каждой системе физических