Поиск истины как стремление к согласию. Процесс достижения консенсуса теории и

anti0h — 28.03.2023

Сегодня посмотри на то, как связана теория с эмпирикой на примере первых экспериментальных подтверждений теории относительности. Основной материал взят из книги Collins, Pinch «The Golem: what you should know about science.». Так что цитаты все оттуда, если не указан другой источник. 

Вот как выглядит общепринятое описание рождения СТО, в изложении Википедии: «Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Результаты оказались неожиданными для классической физики того времени: скорость света не зависит от направления (изотропность) и орбитального движения Земли вокруг Солнца. Попытка интерпретировать полученные данные вылилась в пересмотр классических представлений и привела к созданию специальной теории относительности.»

Начнём с того, что если созданием СТО считать публикацию "К электродинамике..." 1905 года, то на тот момент Эйнштейн просто ничего не знал об эксперименте Майкельсона: 

«связь между Эйнштейном и Майкельсоном была впервые установлена самим Эйнштейном в статье 1907 года, через двадцать лет после эксперимента Майкельсона-Морли и через два года после его ставшей знаменитой статьи 1905 года»

А главное, результаты экспериментов по обнаружению движения относительно эфира оставались неоднозначными до 30х годов. Например Дейтон Миллер, коллега Морли сменивший Майкельсона, в 1925 заявил об устойчивом обнаружении движения Земли: 

«Миллер обнаружил стойкое положительное смещение и пришел к выводу, что "было показано, что эффекты являются реальными и систематическими, вне каких-либо дальнейших сомнений.

... В 1925 году он пришел к выводу, что обнаружил наблюдаемое движение Земли со скоростью около 10 километров в секунду - примерно треть от результата, который ожидался в первоначальных экспериментах Майкельсона. ... Таким образом, хотя знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли 1887 года регулярно рассматривается как первое, хотя и непреднамеренное, доказательство теории относительности, в 1925 году более усовершенствованная и полная версия эксперимента была широко расценена как фактически опровергающая теорию относительности.»

Были ли результаты Миллера опровергнуты? Разумеется, но произошло это... только в 1955 году. Проблема в том, что с одной стороны - обнаружение эфирного ветра методом интерферометрии требует очень тонких измерений, на которые могут повлиять и вибрации и изменения влажности и/или магнитного поля и множество других параметров. А с другой - считалось что эфир может увлекаться массивными телами, поэтому результаты полученные в сильно изолированных условиях могли быть просто нерелевантными. Так что когда последующие эксперименты эфирного ветра не обнаружили, то Миллер критиковал их именно с этой позиции, и вполне оправдано: 

"Миллер утверждал о положительном результате, критики утверждали об отрицательных результатах, но Миллер смог показать, что условия, при которых проводились отрицательные эксперименты, не совпадали с условиями его собственного эксперимента. В частности, его эксперимент был единственным, который проводился на высоте и с минимальной защитой, которая могла бы предотвратить снос эфирного ветра мимо испытательного аппарата."

Чем же это закончилось? А ничем. К тому времени уже появилось подтверждение ОТО Эддингтоном и теория относительности приобрела респектабельный статус, став частью научного консенсуса. Фактически:

"теория относительности сделала эксперимент Майкельсона-Морли важным скорее как поддерживающий миф, чем как набор результатов. Результаты, противоречившие тому, что, как считалось, продемонстрировал эксперимент Микельсона-Морли, были в значительной степени проигнорированы.

 Подумайте об этом с такой точки зрения. Понятие ‘аномалия’ используется в науке двояко. Оно используется для описания неприятности - ‘Мы проигнорируем это; это просто аномалия’, и чтобы обозначить серьезную проблему - "В существующей теории есть некоторые вызывающие беспокойство аномалии’. Результаты интерферометрии стали серьезной проблемой для теории эфира. Нулевые результаты перешли от аномалии к ‘открытию’ по мере того, как теория относительности приобретала приверженцев. С положительными заявлениями Миллера результаты интерферометрии снова стали аномалией, но на этот раз к ним относились скорее как к помехе, чем как к проблеме. Результаты Миллера были "просто аномалией, которую нужно было объяснить’. Миллер не мог изменить статус своих положительных показаний с неприятного на вызывающую беспокойство аномалию, даже несмотря на то, что они были результатом лучшего из когда-либо завершенных экспериментов, возможно, единственного, о котором действительно можно было сказать, что он проверил то, что должен был проверить. Таким образом, значение результата эксперимента зависит не только от тщательности, с которой он разработан и проведен, оно зависит от того, во что люди готовы поверить."

Ну давайте теперь перейдём к ОТО, не зря же мы вспомнили Эддингтона. В вики её первые подтверждения изложены удивительно лаконично: "С 1919 года /гравитационное отклонение света/ было подтверждено астрономическими наблюдениями звёзд во время затмений Солнца"

Из многих описаний может сложиться впечатление, что гравитационное отклонение существует только в теории относительности. На самом деле оно конечно есть и в классической теории. Но в ОТО, когда Эйнштейн вычислил его правильно (со второй попытки), оно оказалось вдвое большим: 

"ожидаемые смещения составляли 0,8 секунды дуги и около 1,7 секунды дуги для двух теорий, при этом секунда составляла 1/3600 градуса. Однако видимые движения, которые наблюдались на самом деле, были бы меньше - примерно половина из них, - поскольку нельзя было наблюдать звезды, находящиеся ближе двух солнечных диаметров от края"

И как и в случае с эфирным ветром, экспериментальное подтверждение эффекта требовало необычайной скрупулёзности. Для примера необходимой точности: "на обзорных снимках, сделанных в дневное время, будет использоваться теплый телескоп, в то время как ночью камера смотрит в холодный телескоп. Разница в фокусном расстоянии между горячим и холодным телескопами нарушит видимое положение звезд в степени, сравнимой с эффектом, который необходимо измерить". И это только одна из огромного списка проблем: от долгой выдержки, требующей компенсации собственного вращения Земли поворотом телескопа до банальных погодных условий. Часть из этих проблема решалась технически, часть - требовала математической обработки результатов измерений. 

"Теперь можно понять, что наблюдения Эддингтона были не просто задачей типа посмотреть в телескоп и наблюдать смещения; они основывались на сложном фундаменте предположений, вычислений и интерполяций по двум наборам фотографий. И это имеет место, даже если фотографии получились четкими и резкими, чего на самом деле не было."

Теперь собственно про наблюдения. Начать с того что было две группы: "Кроммелин и Дэвидсон  отплыли в Sobral, в Бразилии, в то время как  Эддингтон и его помощник Коттингем отправились на остров Принсипи у побережья Западной Африки". У группы в Sobral, было два телескопа и 4 дюймовый и астрографический. С первого получилось 8 пластин со средним результатом 1.98". С астрографического инструмента было получено 18 пластин худшего качества со средним значением 0.86." 

Собственно же Эдингтон в Принсипи получил всего 2 пластины, самого плохого качества. Тем не менее, путём некоторого математического колдунства он таки заявил о получении с них значимого результата = 1.62". (При том что, у него даже пластины для сравнения были сняты не на том же месте, а в Оксфорде). Итого мы имеем:

                                  Нижняя                     Верхняя

                                  граница   среднее   граница

Sobral

8 хороших пластин    1.713     1.98       2.247

18 плохих пластин    0,140     0,86       1,580

Принсипи

2 плохие пластины    0,944     1,62       2,276

"Если мы забудем о теории и выводах и притворимся, что проводим измерения, не зная гипотезы - что, в конце концов, мы и делаем, когда проводим "двойное слепое тестирование" на эффективность лекарств или чего-то еще, - к какому выводу мы придем? Мы могли бы возразить, что два набора плохих пластин компенсируют друг друга, и что оставшиеся свидетельства показали, что смещение было выше 1,7. Или мы могли бы сказать, что восемь хороших пластин от Sobral были совместимы со смещением от чуть выше 1,7 секунды до чуть ниже 2,3, две плохие пластины Эддингтона были совместимы со сдвигами от чуть выше 0,9 до чуть ниже 2,3, в то время как плохие пластины Sobral были совместимы со сдвигами от почти нуля до чуть ниже 1,6. В любом случае было бы трудно дать четкий ответ. Тем не менее, 6 ноября 1919 года Королевский астроном объявил, что наблюдения подтвердили теорию Эйнштейна.

Даже для того, чтобы результаты имели отношение к вопросу, необходимо было установить, что в забеге участвовали только три лошади: без отклонения, ньютоновское отклонение или эйнштейновское отклонение. Если бы в "пространстве гипотез" присутствовали другие возможные смещения, то доказательства, скорее всего, дали бы более сильное подтверждение тому или иному из них. Например, если предположить, что смещение составляет около 2 секунд, то можно было бы сказать, что наилучшие показания - Sobral 4 дюйма - подтверждают этот результат. В то время были и другие претенденты, но риторика дебатов исключала их и представляла тест как выбор только между тремя вариантами: 0.0, 0.8 и 1.7.

Являются ли результаты однозначными в пользу Эйнштейна? Ответ в том, что это не так. Чтобы сделать наблюдения в поддержку Эйнштейна, Эддингтон и другие взяли результаты Sobral размером 4 дюйма в качестве основного вывода и использовали две пластины Принсипи в качестве подтверждающих доказательств, игнорируя 18 пластин, сделанных астрографическим инструментом в Sobral. В дебатах, последовавших за заявлением Королевского астронома, похоже, что вопросы авторитета вышли на первый план. 6 ноября 1919 года сэр Джозеф Томсон, президент Королевского общества, председательствовал на заседании, на котором он заметил: "Аудитории трудно полностью взвесить значение цифр, которые были представлены нам, но королевский астроном и профессор Эддингтон тщательно изучили материал, и они считают, что доказательства решительно свидетельствуют в пользу большей величины смещения" (цит.по Earman and Glymour, 1980, стр. 77)."

  "Эддингтон оправдывал игнорирование результатов Sobral astrographic утверждением, что они страдали от "систематической ошибки" - то есть некоторой проблемы, которая означала, что ошибки не были рандомизированы вокруг среднего значения, но что каждое показание систематически смещалось к более низкому значению. Если бы это было верно для Sobral astrographic и не верно для двух других наборов показаний, то Эддингтон был бы вполне прав, рассматривая результаты так, как он это сделал. Однако, по-видимому, в то время он не смог представить никаких убедительных доказательств того, что это было так.

В конце концов, Эддингтон одержал победу, написав стандартные работы, в которых описывались экспедиции и их значение. В них он проигнорировал 18 снимков из Sobral astrographic и просто описал результат 1,98 с 4-дюймового снимка и результат 1,671 с двух его собственных снимков. Когда у кого-то есть только эти две цифры для сравнения с ньютоновским предсказанием около 0,8 и эйнштейновским предсказанием около 1,7, вывод неизбежен. Но в самих наблюдениях не было ничего неизбежного до тех пор, пока Эддингтон, королевский астроном и остальная часть научного сообщества не закончили свои постфактумные определения того, за что следует принимать наблюдения. Проще говоря, они должны были решить, какие наблюдения сохранить, а какие выбросить, чтобы можно было сказать, что наблюдения вообще привели к каким-либо цифрам.

Еще десять наблюдений затмений были проведены в период с 1922 по 1952 год. Только одному, в 1929 году, удалось наблюдать звезду, которая была ближе "чем на два солнечных радиуса от края Солнца, и это предполагало, что смещение на краю составит 2,24 секунды дуги. Большинство из остальных девяти результатов также дали высокие значения отклонения. Хотя есть и другие причины верить значению Эйнштейна, данные об отклонении видимого звездного света солнцем, по крайней мере, до 1951 года, были более неопределенными или указывали на слишком высокую величину, чтобы согласиться с теорией. И все же 1919 год остается ключевой датой в истории теории относительности. Не потому ли это, что науке нужны решающие моменты доказательств, чтобы сохранить свой героический имидж?"

Такая трактовка может показаться излишне смелой, но авторы не одиноки в такой оценке измерений Эддингтона: "К сожалению, работа с затмением сложна, и фактические результаты довольно разочаровывающие. Первая попытка была предпринята в 1919 году Эддингтоном и Дайсоном. Сообщение о том, что экспедиция прошла успешно, произвело сенсацию во всем мире, отчасти по драматическим и научным причинам. Сам Эддингтон позже назвал это "самым захватывающим событием, которое я помню в моей собственной связи с астрономией". По иронии судьбы, мы увидим, что предсказание Эйнштейна подтвердилось не так решительно, как когда-то считалось... трудно оценить [значимость] [результатов всех наблюдений затмения], поскольку другие астрономы получили другие результаты в результате повторного обсуждения того же материала. Более того, можно было бы заподозрить, что если бы наблюдатели не знали, какое значение они "должны были" получить, их опубликованные результаты могли бы варьироваться в большем диапазоне, чем они есть на самом деле; в астрономии есть несколько случаев, когда знание "правильного" ответа привело к тому, что наблюдались результаты, позже оказывавшиеся за пределами разрешающей способности устройства." D. W. Sciama, The Physical Foundations of General Relativity

  "Сравните это с идеализированным понятием научного "метода", в котором слепые тесты предотвращают проникновение предвзятости наблюдателя в наблюдения - это гораздо больше похоже на политику.

У нас нет причин думать, что теория относительности - это что-то иное, кроме истины - и это очень красивая, восхитительная и удивительная истина, - но это истина, которая возникла в результате решений о том, как мы должны жить своей жизнью в науке и как мы должны разрешать наши научные наблюдения; это была истина, вызванная согласием достигать соглашений о новых вещах. Это не была истина, навязанная нам неумолимой логикой ряда решающих экспериментов."

  "Как и во многих тонких экспериментах, выводы, хотя и неясные в то время, стали считаться правильными после того, как наблюдения "подтвердили" предсказание Эйнштейна. Наука на самом деле не продвигается вперед, имея четко сформулированные теоретические предсказания, которые затем проверяются или фальсифицируются. Скорее всего, обоснованность теоретических выводов тесно связана с нашей способностью проводить измерения. Теория и измерение идут рука об руку гораздо более тонким образом, чем обычно кажется очевидным."

«Что касается физики, то с таким же успехом могло бы быть так, что эксперимент Миллера, его результат, его премия от Американской ассоциации содействия развитию физики и его публикация в 1933 году в журнале Reviews of Modern Physics никогда не существовали, поскольку они представляют собой ошибки. Что касается физики, то история физики с таким же успехом могла бы быть такой, какой она представлена в исторически некорректных статьях. Эти рассказы на самом деле вовсе не история — это физика, облаченная в историческое обличье.

Почему же тогда мы такие мелочные? Это потому, что история физики имеет последствия не только для физики. История физики также имеет последствия для роли знаний физиков в современном технологическом обществе. Именно из-за этой роли важно, чтобы история физики была приведена в порядок. Упрощенная история физики, которая может быть совершенно хороша для студента-физика, когда он или она является бакалавром, потому что это облегчает изучение физики, вредит гражданину, независимо от того, является ли этот гражданин ученым, бывшим ученым или неученым. История физики, которая важна за пределами физики, должна точно описывать процесс, с помощью которого физики приходят к своим выводам. Хотя для физиков как таковых нет никакого вреда в том, что история их предмета сведена к серии мифов в мягкой обложке, нельзя допускать, чтобы эти мифы создавали впечатление за пределами физики, что достижение вывода в рамках спорной физики - это простой, прямолинейный вопрос, который не предполагает выбора, аргументации, и интерпретации в течение длительного периода. Что важно в физике для физиков, так это результат серии экспериментов; что важно в физике для нефизиков, так это способ достижения этого результата.»

Подвести же итог, пожалуй, можно слегка перефразируя авторов: физики описывают типичный способ достижения выводов в спорных областях как растущий объем доказательств, мы же — как растущее стремление к согласию.

Оставить комментарий

Популярные посты:

pertinax

Эволюция купе-кроссоверов: искусство сочетания стиля и практичности

foto_history

Учат в школе

cand_orel

День рождения. Гил Эванс. Портрет от Мураками

che_ornella

Гештальт-терапия для современного человека

foto_history

Случайное фото

viking_nord

Из новостной ленты во время парада

olgakubay

Домохозяйка в бегах

matsam

Понедельник начинается в субботу или после парада

alex_rozoff

Ультраправая трендификация в судьбе экс-"прогрессивного" писателя-миссионера

• Архив