Теория, эксперимент и фальсифицируемость

“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