Категорія: Інші автори

Когда я читал курс общей физики, я посвящал целую лекцию теме «что такое физическое измерение и что такое единицы измерения». Иногда мне кажется неправильным, что подавляющее большинство измеряющих чего-нибудь общественно значимое (типа IQ) таких лекций не только сами не читали, но даже и не слушали.
Я не собираюсь читать такую лекцию здесь и сейчас (по многим причинам, одна из которых – некоторое чувство неловкости, которое испытываю, когда делаю безвозмездно, то есть – даром, то, за что когда-то получал зарплату). Но главное утверждение приведу.
[Физическое] измерение – это сравнение с эталоном. Другого рационального смысла это выражение не имеет.
А дальше начинается. Во-первых, как осуществить такое сравнение? Это предполагает совершенно определенную схему эксперимента, которая, в свою очередь, предполагает определенные _теоретические_ представления. Скажем, как можно сравнить сопротивление с эталонным, не используя законы Кирхгофа? За которыми, в свою очередь, маячит – что такое электростатический потенциал, что такое электрический ток, и т.д., и т.п.
Во-вторых, что может служить эталоном? Ну… скажем, то, свойства чего неизменны и могут быть используемы с идеальной (приближающейся к идеальной) воспроизводимостью. Но ведь и тут без теории никуда. Если вы определяете метр как одну сорокамиллионную длины земного меридиана, вы предполагаете определенную форму Земли, вы предполагаете независимость размера Земли от времени (что, в свою очередь, предполагает… да хоть независимость от времени гравитационной постоянной), вы предполагаете (в любом реальном измерении) применимость евклидовой геометрии к реальному пространству… Если вы определяете метр как расстояние между штрихами на платино-иридиевом стержне, хранящемся в определенных условиях, вы должны понимать хоть что-нибудь… ну, скажем, в тепловом расширении (без этого вы не сможете сказать, с какой точностью должна поддерживаться температура… а, кстати, как ее поддерживать? Да и что такое температура? И понеслось…). Если вы определяете метр как определенную долю расстояния, проходимого в вакууме светом за одну секунду, а секунду определяете через спектроскопические характеристики определенной линии в спектре определенного изотопа цезия – вы должны предполагать справедливость теории относительности (иначе возникнет вопрос – какого именно света, с какой скоростью двигался источник и т.п.), квантовой механики (из нее следует принцип тождественности микрочастиц, что избавляет от вопроса – _какого конкретно_ атома цезия), базовых представлений атомной спектроскопии, и т.д., и т.п. Чтобы ввести эталон сопротивления, нужно понимать не только про квантовый эффект Холла, но и про его топологическую природу (класс Черна, индекс Фредгольма… – это все сюда).
И так далее, и тому подобное.
И вы все еще не понимаете, что значит “что можно, а что нельзя наблюдать, определяется теорией, которой вы пользуетесь”? И что значит “проверяется всегда картина мира _в целом_”, тоже не понимаете? И любите рассуждать о “фактах”, и о том, что, вот, “люди же измерили”? Даже когда речь идет об “измерениях” за пределами физики, в которой за _каждой_ “единицей измерения” стоит труд поколений ученых и многих гениев?
Ну-ну.
UPDATE В дискуссии возник важный вопрос – до какой степени то, что я тут написал, исходя из своего понимания _физики_, релевантно для социальных и других наук. Копирую сюда из своего ответа на комменты:
Я рассказываю, как это устроено в физике. В других науках все может быть устроено по-другому, это, казалось бы, не мое дело.
Но есть нюанс. В обществе есть (было) доверие к науке, и основано оно (процентов на девяносто) на успехах именно _физики_. Успехах без кавычек, типа лазеров и транзисторов, и успехах в кавычках, типа ядерного оружия. Физика _работает_. Некоторые делают из этого лукавый вывод, что работает наука вообще (включая социологию и политологию). Это может быть так, может не так, но – либо вы работаете так, как работаем мы, физики (и тогда об этом мне судить), либо вы работаете совсем не так – и тогда доказывайте свою неверблюдовость не ссылаясь на “наука установила” и прочих “британских ученых”.
14.02.2022
(с) Professor Mikhail Katsnelson

Я имею в виду историческое происхождение экспериментальной науки от магии. Про это очень много в “Уставах небес”. И есть об этом целый (процитированный там) восьмитомник L. Thorndike. A history of magic and experimental science. Vol. 1-8. Columbia University Press, New York, 1923-1958 (который я почитывал в свободное от работы время в Айове в девяностые, там прекрасная университетская библиотека). На самом деле, когда пытаешься разобраться, чем “игра знаков и символов” отличается от “причинно-следственных связей” в реальной науке, открывается бездна. Скажем, объяснение высокотемпературной сверхпроводимости купратов через некоторые свойства t-t’ модели Хаббарда (чем и я сам, и многие другие активно занимаются) – это про что? В природе никакой модели Хаббарда нет, это именно что набор “знаков и символов”. Ну и наоборот – о каких причинно-следственных объяснениях можно говорить в квантовой физике, которая “принципиально не предсказывает результаты индивидуальных событий”. Вероятность (а это важнейшая концепция в науке) вообще практически не обсуждаема на языке причинности. Сколько раз я сам говорил студентам “Не следует путать корреляцию с каузальностью”, и все равно – это очень труднопонимаемая вещь.
(с) Professor Mikhail Katsnelson

“Насколько я понимаю – физик в основном работает все же с опровержимыми теориями. И проверяет их как раз посредством измерений. При чем теория направляет и определяет его эксперименты, которые являются по отношению к ней вторичными, то есть проверками. Это говорил Поппер, и это, наверное, правда. Сначала нечто считается на бумаге (на компьютере), потом меряется. Нет?” (Елена Косилова)
Ну, давайте я попробую рассказать, как работаю я и мои коллеги. Важно при этом подчеркнуть – это мейнстримная наука. То, что мы делаем что-то “важное” и делаем это “хорошо” – можно обсуждать и опровергать, но мейнстримность вполне измерима формальными показателями (публикации, цитируемость, доклады на конференциях, гранты, премии, членство в научных сообществах и т.п.). Более того, и с “экспертными оценками” тут ситуация вполне однозначна. Скажем, у наших коллег из теории струн с цитируемостью, наградами и т.п. все более чем в порядке, но время от времени кто-нибудь из мейнстримных (см. выше) физиков или математиков публично заявляет, что теория струн – это какая-то неправильная наука. Про физику (и, в частности, теорию) конденсированного состояния никогда ничего подобного не слышал. Это вот совершенно базовая, хардкорная наука при _любом_ понимании.
Это я к тому, что, возможно, кто-то, кто точно знает и понимает, как устроена наука, увидев расхождения с моим рассказом, придет к хармсовскому выводу “ты не химик, а говно”. Почему бы и нет, люди на все пойдут, чтобы сохранить свою картину мира в неприкосновенности. Но это будет примерно такая ситуация: специалист по зоологии строит модель медведя из шарниров, пружинок и пластмассы (палка-палка-огуречик), а, когда ему указывают на некоторую переупрощенность модели и в качестве аргумента демонстрируют живого медведя, отвечает: а это у вас неправильный медведь, потому что где же у него пружинки.
Итак. Бывает ли такое, что, вот, теоретики что-то предсказали, а экспериментаторы потом померяли? Бывает. Но очень, очень редко. У меня было раза четыре в жизни, и это очень много – у подавляющего большинства моих коллег не было ни разу. Более того, эти экспериментальные подтверждения обычно немногочисленны и далеки от однозначности (дальше я объясню, в каком смысле). Чем же мы в основном занимаемся? Всяким разным.
Очень существенная часть современной теории конденсированного состояния – это исследование моделей, аналитическое (редко) или компьютерное. Экспериментальная проверка тут невозможна принципиально, потому что нет в природе такого объекта, как “модель Хаббарда”. Ну, то есть, одно время думали, что есть (“квантовые симуляции” в опыте с ультрахолоднми газами), но там столько ограничений и оговорок, что вряд ли сейчас кто-то относится к этому с полной серьезностью. Так что это – умозрительная гипотеза? Недоработанная, за которой потом, в процессе развития науки, последует настоящая фальсифицируемая (экспериментально) теория? Да нет. Связь с экспериментом есть. Но она другая. Скажем, та же “модель Хаббарда” вошла в моду в связи с исследованием высокотемпературной сверхпроводимости. Думает ли кто-нибудь, находясь в здравом уме, что реальные сверхпроводящие купраты описываются моделью Хаббарда? Это вряд ли. Более того, можно “фальсифицировать” это утверждение и опровергнуть его (скажем, рассчитать взаимодействие на разных узлах, отсутствующее в модели Хаббарда, и увидеть, что оно совсем не мало). Значит ли это, что “гипотеза не подтвердилась” и нужно предлагать следующую? Нет, совершенно не значит. Потому что мотивация исходно другая: понять, какие _в принципе_ могут быть механизмы сверхпроводимости, кроме уже известных, понять, чего _в принципе_ можно ожидать от “сильно коррелированных систем”, выработать правильный язык для обсуждения экспериментов (например, spectral density transfer). В общем, я бы сказал, что исследование, углубление и развитие _языка_ науки и является основной целью теоретика. Прямое сравнение с экспериментом возможно, но не обязательно.
Я, по стандартам своей науки, очень много работаю с экспериментаторами. И никогда – никогда! – это не выглядит так, что “теория направляет и определяет его эксперименты, которые являются по отношению к ней вторичными, то есть проверками”. В типичных (или, во всяком случае, наиболее успешных) случаях, это действительно _совместная_ работа, не разделимая на “теоретический” и “экспериментальный” этапы. Одни что-то “меряют”, другие “делают прикидки”, практически, одновременно и параллельно.
Предпоследнее (для такого короткого текста, по-хорошему, тут можно писать книги на сотни страниц). Современные эксперименты практически всегда косвенные. В конце концов, “экспериментальные данные” – это нечто нарисованное компьютером в условных цветах и имеющее смысл только в рамках определенной теоретической схемы. Скажем, то, что сканирующий туннельный микроскоп меряет “положение атомов” – это сугубо теоретическое утверждение, полученное с кучей оговорок и приближений, некоторые хорошо контролируемые, некоторые не очень. А уж как расшифровывают в мало-мальски сложных случаях рентгенограммы и нейтронограммы… Важная оговорка: это я не к тому, что экспериментальные данные “ненадежны”. Это я к тому, что они встроены в очень сложную картину мира, и их выделение в качестве “факта”, который может что-то “подтвердить” или “опровергнуть” – в высшей степени нетривиальная операция. Какая там “фальсификация”.
И последнее – это существование огромной серой зоны, которая, собственно, и составляет основное “тело” науки. “Ибо мы отчасти знаем, и отчасти пророчествуем”.
Из чего _не_ следует, что “наука – это не про истину”. А следует, что истина (в том числе, научная) – это процесс, а не состояние.
01.11.2019
(с) Professor Mikhail Katsnelson