Требования к научным исследованиям. Перечень

Требования к проведению исследования и интерпретации результатов

Памяти моих учителей посвящается

  Эти записки содержат, по меньшей мере, двойное упрощение. Первое было сделано преподавателями, когда они объясняли основы наук не своим коллегам, а студентам. Второе упрощение использую я, так как пишу не научную статью, а заметки для более широкой аудитории, чем студенты физического факультета.

Перечень требований

Повторяемость и воспроизводимость
После — не значит вследствие
Следствие всегда после причины
В природе нет уникальных объектов или явлений
Если теория не предсказывает поведение объекта или системы, теория неверна
Если теория предсказывает поведение объекта, или системы, это не обязательно правильная теория
Теория неверна, или неприменима, если есть хотя бы один контрпример
Отсутствие теории не означает, что эксперимент ошибочен, или явление не существует.
Если эксперимент опровергает теорию, проверьте чистоту эксперимента.
Математическое доказательство - одно из условий правильности теории.
Математически верная теория не обязательно верна физически.
Физическое мышление отличается от математического.
Модель всегда неполна
Все понятия, явления, объекты, теории, модели имеют границы применимости
Не изобретайте лишние сущности
Нельзя вводить термин без его описания
На графике первым делом смотри, что по осям
Все измерения содержат ошибки
Если под столом сидит черт и он никак не взаимодействует с реальным миром, значит его нет. Но если черт объявится, мы организуем производство святой воды.
Квантовая механика контринтуитивна. Ряд понятий классической физики также контринтуитивны.
Физическое понимание мира предполагает не только математическое описание явлений, но и понимание их причин.
Можно нарушить любые законы, кроме физических.
Исследовательская работа - это поиск неизвестного. Если ты знаешь результат, то это не исследовательская работа. Если ты не знаешь результат, ты не можешь поставить эксперимент.
Физика - наука экспериментальная, астрономия - наблюдательная.
Физические законы не зависят от идеологии.
Научные открытия не зависят от идеологии
Обманчиво все - наш повседневный опыт, наши интуитивные представления и даже знания. Все проверяйте расчетами.
Проверьте свое открытие - возможно, его уже открыли раньше.

***

Если под столом сидит черт и он никак не взаимодействует с реальным миром, значит его нет. Но если черт объявится, мы организуем производство святой воды.
 
  В 1974г в читалку ФДС-1 (филиал дома студента МГУ, Ломоносовский 31) пришли несколько преподавателей МГУ, в том числе, директор ГАИШ профессор Д.Я.Мартынов. Я тогда был студентом 2 курса, и не знал остальных участников дискуссии, но, судя по всему, там были физики, астрономы и философы.
  Речь шла о познаваемости мира, о границах знания и, о ужас, о вере. Студенты задавали вопросы, преподаватели отвечали на них.
  Зашла речь о законе сохранения энергии и материи. Один из студентов спросил:
  - Если через трёхмерное пространство движется четырёхмерная сфера, то мы будем наблюдать её трёхмерную проекцию, изменяющуюся без сохранения материи или энергии.
  Один из преподавателей ответил:
  - Но мы ничего подобного не наблюдаем.
  Другой преподаватель неожиданно стал говорить об ограниченности наших знаний, о возможности существования такой четырехмерной сферы, которую мы пока не наблюдаем, но которая может нарушать законы физики.
  В ответ Д.Я.Мартынов сказал:
  - Если под столом сидит черт и он никак не взаимодействует с реальным миром, значит его нет. Но если черт объявится, мы организуем производство святой воды.
  Эта фраза, особенно в части производства святой воды, вызвала бурную реакцию со стороны других преподавателей, видимо, философов, которые стали говорить о необходимости воспитания студентов в духе марксистко-ленинской философии и атеизма.
  Для меня было важно услышать, что мы должны быть открыты для нового знания и не воспринимать его с идеологической точки зрения.
  Об авторстве. В 1979г. Стругацкие опубликовали роман "Жук в муравейнике", где есть такой фрагмент:
  "И если в нашем доме вдруг завоняло серой, [...] мы обязаны предположить, что где-то рядом объявился чёрт с рогами, и принять соответствующие меры, вплоть до организации производства святой воды в промышленных масштабах".
  Совпадение выглядит удивительным, если не знать, что Б.Стругацкий был астрономом, а прототипом НИИЧАВО послужили Пулковская обсерватория и ГАИШ. Более того, вполне возможно, что Б.Стругацкий присутствовал на этой встрече со студентами.

***

  Если ученый не может объяснить свою работу 7-летнему малышу, значит он - шарлатан
 
  Со студенческой скамьи я пытался найти в философии пользу для своей работы, и натыкался либо на агрессию, либо на высокомерное презрение. Для физика это странно - нас воспитывали в духе высказывания Нильса Бора: "Если ученый не может объяснить свою работу 7-летнему малышу, значит он-шарлатан" (по памяти). Я не уверен в точности цитаты - 7 или 8 лет малышу, мальчику, сыну или внуку.
  Цитату со ссылкой на Нильса Бора приводил на лекции академик Велихов. Нильс Бор был в Москве в 1961г. в ФИАНе и встречался, в частности, с Прохоровым (руководитель Велихова). Поскольку на одну из встреч пришло около 700 слушателей, сам Велихов тоже мог быть в их числе.
  Участник АШ Джельсомино привел цитату из романа "Колыбель для кошки" Курта Воннегута, изданного в 1963г. в переводе Р. Райт-Ковалевой:
  "Доктор Хониккер любил говорить, что, если ученый не умеет популярно объяснить восьмилетнему ребенку, чем он занимается, значит, он шарлатан".
  Роман "Колыбель для кошки" был написан в 1963г., тогда как встреча с Нильсом Бором в ФИАН проходила в 1961г. То, что высказывание приписывается также Энрико Ферми, свидетельствует лишь о популярности этой фразы среди физиков в годы зарождения квантовой механики, одной из самых трудных для понимания областей физики.
   В этой истории для меня важно не авторство, а тот смысловой и воспитательный посыл, который несет эта "байка". С тех пор я оцениваю себя и окружающих с этой точки зрения.
  Кстати, в программирование есть аналог - KISS.
  Эти две истории объединяет появление высказываний физиков в литературных произведениях. Причина проста - физики, как правил, заняты научной работой и результатом их исследований являются физические статьи. Романы, повести, рассказы - это область деятельности писателей.

***
 
  Обманчиво все - наш повседневный опыт, наши интуитивные представления и даже знания. Все проверяйте расчетами.
 
  Эту фразу произнес профессор В.Г.Курт на семинаре для астрофизиков 6 курса.
  После этого он предложил сравнить удельное энерговыделение Солнца
  • с горящими поленьями
  • с горящим углем
  • с управляемой ядерной реакцией
  • с ядерным взрывом
  • с термоядерным синтезом
  - Можете ли вы, не проводя вычислений, исходя из своих знаний, ответить на этот вопрос? - спросил он.
  Ну, мы же без 5 минут выпускники, мы с первого курса твердо усвоили, что на Солнце идут термоядерные реакции. Вся группа хором так и ответила.
  - А теперь посчитаем, - сказал преподаватель. - Какова масса Солнца?
  - 2 на 10 в 33 степени грамм! - хором ответила группа.
  - А какова светимость Солнца?
  - 4 на 10 в 33 эрг в секунду! - печально ответили выпускники (без 5 мин), уже понимая всю глубину своего позора.
  - Делим светимость Солнца на массу. Что получаем?
  - 2 эрга в секунду на грамм, - убитым голосом сказала самая стойкая отличница.
  - Это ничтожно малая величина. Столько тепла выделяет куча преющих листьев. А Солнце дает так много тепла потому, что оно имеет огромную массу. Термоядерные реакции идут в очень малом объеме звезды, что позволяет надеяться нам еще на 5 млрд лет горения.
  Еще никогда наше самолюбие не было так уязвлено. Зато мы отучились от скоропалительных высказываний. По крайней мере, хочется на это надеяться.

***

Исследовательская работа - это поиск неизвестного. Если ты знаешь результат, то это не исследовательская работа. Если ты не знаешь результат, ты не можешь поставить эксперимент.
 
  Этот парадокс я неоднократно слышал на лекциях, семинарах и физпрактикумах от многих преподавателей. Форма была разной, но смысл один и тот же: исследование - это поиск неизвестного. Поиск неизвестного без цели - это блуждание в потемках. Если цель известна, то в чем новизна твоей работы?
  Я пытался найти первоисточник этого парадокса, и нашел в книге "Физике шутят":
  "Исследование - это поиски, когда вы не знаете, что найдете; а если вы знаете, значит уже нашли, и вашу деятельность нельзя назвать исследовательской. Но если результат ваших исследовании неизвестен, откуда вы знаете, что он будет фундаментальным?"
  Карл Дарроу. Из выступления на собрании посвященном 20-летию со дня основания Американского института физики. "Физики шутят". Изд. "МИР", Москва, 1966г.
  Скорее всего, мои преподаватели читали эту сверхпопулярную в физических кругах книжку. Возможно, каждый из них сам на собственном опыте ощутил противоречие между поиском неизвестного и пониманием цели этого поиска. Этот подход настолько крепко въелся в мою голову, что его можно назвать профессиональной деформацией. Попробую пояснить на одном примере.
  Мне предложили подготовить довольно большой материал в соавторстве с другим преподавателем. Первое, что сделал мой будущий соавтор - это предложил подготовить структуру и оглавление. Я был в шоке и никак не мог понять, как можно готовить оглавление к еще не выполненной работе. И работа встала, так как мы никак не могли договориться, как если бы мы говорили на разных языках.
  И лишь спустя некоторое время я понял, что мой соавтор - преподаватель, а не исследователь. Он, в основном, имел дело с учебниками, статьями, монографиями, то есть, с уже известными фактами. И его основная задача - собрать эти факты воедино в целостном виде. И это был правильный подход для данной задачи. Мои навыки поиска нового знания были в данном случае неприменимы, что и привело к нашим трениям и к задержке работы.
   С другой стороны, исследовательский подход неоднократно выручал меня даже за пределами научной работы. Когда я ушел из науки в ИТ, мне приходилось иметь дело с различными данными, и полученные навыки поиска неизвестного позволяли находить неочевидные связи между разнородными данными. Были случаи, когда удавалось вместо решения, требуемого заказчиком, предложить более дешевый и эффективный подход, который ранее вообще не рассматривался.

***

Физическое мышление отличается от математического
 
  В 1872г. на математическом факультете МГУ была образована кафедра астрономии. В сентябре 1956 года астрономическое отделение было переведено на физический факультет МГУ. Но математические традиции оставались очень сильны.
  Нам с первого курса повторяли фразу Карла Фридриха Гаусса: "Математика - царица всех наук, а арифметика - царица математики. Она часто предоставляет услуги астрономии и другим естественным наукам, но во всех смыслах она обладает правом находиться в первых рядах".
  После второго курса я увлекся матфизикой и почти все лето провел с учебником В.С. Владимирова "Уравнения математической физики". К этому времени я уже усвоил, что математика - основа всех наук. Я был буквально опьянен, казалось бы, простой идеей: составляешь уравнение, находишь его решение, и вот - новое физическое, если не открытие, то крупица нового знания.
  Моя чрезмерная увлеченность не прошла незамеченной. Профессор кафедры математики А.А.Арсеньев в ответ на мое, вероятно, не слишком умное высказывание по поводу всемогущей математики, сказал, обращаясь к аудитории:
  - Знаете ли вы, что физическое мышление отличается от математического?
  Студенты заволновались - как же так, ведь нас учат, что математика основа всех, ну, почти всех, наук?
  - Хорошо, вот вам пример. Есть произвольный замкнутый выпукло-вогнутый многогранник. Каждая грань может иметь произвольное число ребер. Скажем, сильно помятый, но не порванный мяч. К каждой грани восставлен нормальный вектор, пропорциональный площади грани. Требуется доказать, что сумма всех векторов равна нулю.
  Студенты включили мозги и попытались хотя бы вспомнить теоремы и формулы, применимые к данному примеру.
  - В общем случае строгое математическое решение этой задачи весьма непростое. В то же время для физика эта задача является тривиальной.
  Студенты засопели носами - мы же физики, но где тривиальность?
  - Возьмем аквариум, наполним его водой и погрузим наш многострадальный многогранник. На каждую грань будет действовать давление воды, пропорциональное площади грани. Поскольку наш многогранник не стал двигаться под действием давления, это значит, что равнодействующая всех сил равна нулю.
  - Но ведь в задаче векторы направлены наружу, а в аквариуме вода давит внутрь многогранника! - возразил кто-то из зала.
  - Все правильно. Но, поскольку, сумма всех векторов равна нулю, то это неважно. Математика является исключительно важным инструментом в физике, и, как всякий инструмент, его надо использовать с осторожностью.

***

  Если теория не предсказывает поведение объекта или системы, теория неверна
  Если теория предсказывает поведение объекта или системы, это не обязательно правильная теория
  Отсутствие теории не означает, что эксперимент ошибочен, или явление не существует.
  Математически верная теория не обязательно верна физически.
 
  Я всегда удивлялся, насколько рационально было (надеюсь, и сейчас так же) построено обучение физике и математике на физфаке МГУ. Сначала на лекциях и семинарах по математике разбирали математический аппарат, который чуть позже использовался на занятиях по физике.
  Сразу стоит отметить, что преподавание математики на физфаке несколько отличалось от мехмата. Оно было не столь строгим, и некоторые математические тонкости изящно обходились. Тем не менее, математика давалась в значительном объеме, необходимом для понимания весьма непростых разделов физики, таких как теоретическая механика, радиофизика, оптика, статфизика, квантовая механика, ядерная физика.
  Студенты очень быстро привыкли к красоте, строгости и изяществу математических доказательств. И тут грянула электродинамика. Семинары вел аспирант А.Е.Лобанов, ныне доктор физ.-мат. наук. Он быстро овладел вниманием аудитории тем, как легко переходил от математического формализма к физической сущности явлений.
  Вскоре мы подошли к уравнениям Максвелла. Неоднозначность потенциалов и введение калибровки было воспринято аудиторией как некая вольность, как отход от строгости математических решений.
  Лобанов легко и быстро объяснил физический смысл калибровки, и разговор перешел в область корректности теории вообще и электродинамики в частности.
  - Вы же согласны, что электродинамика работает как в эксперименте, так и в повседневной жизни?
  - Да, сомнений нет, - согласилась аудитория.
  - То есть, теория электродинамики верна?
  - Конечно, она многократно проверена на практике, - студенты опять не возражали.
  - В то же время, из возможной симметрии уравнений Максвелла относительно электрического и магнитного поля следует существование магнитного монополя, а его найти не могут.
  - И второе, никакая теория не предсказывает существование шаровых молний несмотря на то, что они явно связаны с электричеством, хотя бы тем, что появляются во время гроз. Подытожим: теория, подтвержденная на практике, предсказывает существование явления, которое не удается обнаружить. И не предсказывает то, что существует. Верна ли теория?
  Мы крепко задумались. С одной стороны, понятно, что верна, а с другой, вроде бы и нет.
  - Все очень просто - все понятия, явления, объекты, теории, модели имеют границы применимости. Возможно, шаровая молния находится за пределами теории Максвелла, - продолжал преподаватель.
  - А монополь?
  - Монополь может быть таким же верным следствием уравнений Максвелла, как и отрицательные или мнимые корни квадратного уравнения. Но мы отбрасываем такие корни в случаях, когда они противоречат физическому смыслу.
  - То есть, монополь можно отбросить?
  - Пока нет. Теория предсказывает ряд его свойств. Кроме того, обнаружение монополя объяснило бы кратность электрических зарядов. Возможно, мы не там ищем. Возможно, их слишком мало, и они не попадают в наши детекторы. Мы не знаем.
  Прошло много лет. Монополь так и не найден. С шаровыми молниями есть некоторые подвижки: удалось снять спектр излучения шаровой молнии. А электродинамика все еще верно служит.
  Она предсказывает монополь, который мы не можем обнаружить, и не объясняет природу шаровой молнии, которая, безусловна есть. Как быть с максимами, вынесенными в начало заметки?