Наука как инструмент. Принципы сходимости, полноты, прогностики
Предыдушая часть
Оглавление
Принцип сходимости
Научные теории и открытия обладают особой ценностью потому, что проходят жесткий отбор. Отменить истинно научное открытие или теории целиком нельзя. Новые теории наследуют старой, сбрасывая шелуху лишнего. Они становятся очень надежными кирпичиками дальнейших построений. И основой этому является Принцип сходимости теорий.
Определение. Принцип сходимости теорий и моделей: неважно, насколько неверна начальная гипотеза или трактовка эксперимента, важно, чтобы итерации сходились и ошибка уменьшалась (Точный автор неизвестен).
А как же теории теплорода, мирового эфира, плоской Земли, теория небесных сфер Птолемея? Насколько они научны? Эти теории научны! Просто новые теории обобщили и прежние правила, и исключения из них.
Теорию теплорода сменил закон сохранения энергии - остался в силе принцип сохранения.
Теория относительности позаимствовала из теории эфира конечность скорости света, независимость скорости света от скорости источника и уравнения Лоренца.
Китов, поддерживающих плоскую Землю, сменили цепи гравитации, но Земля-то осталась на опоре, пусть и гравитационной.
Биологическую классификацию Аристотеля сменила более точная классификация Карла Линнея.
Земле-центрические сферы Птолемея преобразовались в орбиты планет Коперника-Кеплера, но остался неизменным принцип вращения тел вокруг других тел, пусть и упростился в некоторых деталях. Обратите внимание в определении на роль исключений из ранних версий теорий - это работает принцип дополнительности Бора. Поскольку любая теория, гипотеза, открытие принципиально не может описать явление во всей полноте (а только в приближении), то дополнение теории исключающими явлениями или теорией - обязательный атрибут развития и полноты теории.
Поэтому то, что теория плоской Земли и вселенского эфира не умерли совсем и имеют своих сторонников до сих пор - явление положительное. Может быть мы не все важное позаимствовали из этих теорий? Может быть неуловимая темная материя в каких-то условиях сыграет роль эфира?
Принцип полноты
Определение. Принцип полноты теории: Теория или наука должна стремиться объяснять все явления, которыми она занимается (Нильс Бор).
Сейчас земная наука на подъеме - большинство наук не достигли потолка развития. Поэтому трудно говорить о полноте применительно ко многим существующим теориям из-за их незрелости. Они не объясняют многих явлений потому, что недостаточно развиты. Но примеры есть.
В 19м веке горизонты классической физики омрачала необъясненность нескольких проблем:
● независимость движения света от скорости движения Земли через эфир (эксперимент Майкельсона-Морли)
● характер излучения черного тела - две несовместимые модели, каждая подтверждена экспериментом
● радиоактивность, рентгеновские лучи, электроны, строение атома
● электродинамика движущихся тел, уравнения Лоренца
Из попыток решения этих проблем родилась смена парадигм в физике 20го века, связанная с именами А.Эйнштейна-А.Пуанкаре, М.Планка, Э.Резерфорда, Н.Бора и др.
Современные примеры 21го века: теория образования планет, теория строения Земли, теория темной материи, эффекты квантовой запутанности.
Классическая теория образования планет из протопланетного облака считает основными факторами гравитацию и световое давление. Из этой теории
вытекает общепринятая модель строения Земли, модель дрейфа континентов, вулканизма, энергии недр и многое другое.
На сегодня накоплено много фактов, которые нельзя объяснить в рамках этой модели:
● “неправильное” распределение элементов по орбитам Солнечной системы: иридий оказался, почему-то в поясе астероидов и далее от Солнца
● Расширение, вместо сужения, трещин в рифтовых хребтах при удалении от рифта
● Чистые металлы, например, алюминий, в вулканических породах
● И др. примеры
Теория Ф.Хойла полагает, что основными факторами при образовании планет является электро-магнито-динамика. Основанная на теории Ф.Хойла теория сепарации элементов В.Ларина объясняет распределение элементов по орбитам планет и астероидов и подкрепляется наблюдениями.
Теория сепарации является краеугольным камнем гидридной теории строения Земли, также подкрепляется наблюдениями и обладает значительной прогностической силой. В частности, легко объясняет предыдущие факты.
Таким образом, мы наблюдаем кризис и смену парадигм на стыке астрофизики и геофизики с явными признаками неполноты общепринятых воззрений.
Принцип прогностичности
Научная теория должна обладать способностью прогнозировать, а не только описывать уже известные явления, эффекты, утверждения и т.д.Как определить ценность и значимость прогноза для подтверждения или опровержения теории?
Предположим, теория-1 - это теория, достоверность и значимость которой мы предполагаем подтвердить. А теория-2 - альтернатива теории-1. Поскольку каждая из них научна, мы можем сделать прогноз-1 и прогноз-2 согласно обоим теориям. Мы ищем такие прогнозы, которые несовместимы или априорные вероятности p1 и p2 которых максимально отличаются друга.
Вероятностно мы можем оценить прогностичность каждой терии по отношению к ее альтернативе, если в результате некоторого множества независимых испытаний вероятность выполнения прогноза одной из теорий будет значительно выше, чем у ее альтернативы. Опровергающим испытанием мы назовем такое, при котором априорные вероятности будут p1 = 1 и p2 = 0 соответственно. Как правило, при экспериментальной проверке следует учитывать и погрешности измерений, для чего существуют стандартные методики.
В науке масса примеров опровергающих экспериментов. Например, эксперимент Майкельсона-Морли 1887 года по измерению зависимости скорости света от скорости движения источника и приемника. Эксперимент показал независимость, что категорически противоречило тогдашней теории эфирного переноса света в пространстве. Погрешность измерения была в 20 раз меньше, чем предсказанная величина эффекта. Многократное повторение эксперимента независимыми исследователями с возрастающей точностью подтвердили эффект независимости скоростей света и движения установки. Вероятность ошибки вывода падала с каждим новым экспериментом - поскольку эксперименты независимы, то итоговая вероятность вывода может расчитываться как произведение частных вероятностей.
Продолжение
Оглавление
Принцип сходимости
Научные теории и открытия обладают особой ценностью потому, что проходят жесткий отбор. Отменить истинно научное открытие или теории целиком нельзя. Новые теории наследуют старой, сбрасывая шелуху лишнего. Они становятся очень надежными кирпичиками дальнейших построений. И основой этому является Принцип сходимости теорий.
Определение. Принцип сходимости теорий и моделей: неважно, насколько неверна начальная гипотеза или трактовка эксперимента, важно, чтобы итерации сходились и ошибка уменьшалась (Точный автор неизвестен).
А как же теории теплорода, мирового эфира, плоской Земли, теория небесных сфер Птолемея? Насколько они научны? Эти теории научны! Просто новые теории обобщили и прежние правила, и исключения из них.
Теорию теплорода сменил закон сохранения энергии - остался в силе принцип сохранения.
Теория относительности позаимствовала из теории эфира конечность скорости света, независимость скорости света от скорости источника и уравнения Лоренца.
Китов, поддерживающих плоскую Землю, сменили цепи гравитации, но Земля-то осталась на опоре, пусть и гравитационной.
Биологическую классификацию Аристотеля сменила более точная классификация Карла Линнея.
Земле-центрические сферы Птолемея преобразовались в орбиты планет Коперника-Кеплера, но остался неизменным принцип вращения тел вокруг других тел, пусть и упростился в некоторых деталях. Обратите внимание в определении на роль исключений из ранних версий теорий - это работает принцип дополнительности Бора. Поскольку любая теория, гипотеза, открытие принципиально не может описать явление во всей полноте (а только в приближении), то дополнение теории исключающими явлениями или теорией - обязательный атрибут развития и полноты теории.
Поэтому то, что теория плоской Земли и вселенского эфира не умерли совсем и имеют своих сторонников до сих пор - явление положительное. Может быть мы не все важное позаимствовали из этих теорий? Может быть неуловимая темная материя в каких-то условиях сыграет роль эфира?
Принцип полноты
Определение. Принцип полноты теории: Теория или наука должна стремиться объяснять все явления, которыми она занимается (Нильс Бор).
Сейчас земная наука на подъеме - большинство наук не достигли потолка развития. Поэтому трудно говорить о полноте применительно ко многим существующим теориям из-за их незрелости. Они не объясняют многих явлений потому, что недостаточно развиты. Но примеры есть.
В 19м веке горизонты классической физики омрачала необъясненность нескольких проблем:
● независимость движения света от скорости движения Земли через эфир (эксперимент Майкельсона-Морли)
● характер излучения черного тела - две несовместимые модели, каждая подтверждена экспериментом
● радиоактивность, рентгеновские лучи, электроны, строение атома
● электродинамика движущихся тел, уравнения Лоренца
Из попыток решения этих проблем родилась смена парадигм в физике 20го века, связанная с именами А.Эйнштейна-А.Пуанкаре, М.Планка, Э.Резерфорда, Н.Бора и др.
Современные примеры 21го века: теория образования планет, теория строения Земли, теория темной материи, эффекты квантовой запутанности.
Классическая теория образования планет из протопланетного облака считает основными факторами гравитацию и световое давление. Из этой теории
вытекает общепринятая модель строения Земли, модель дрейфа континентов, вулканизма, энергии недр и многое другое.
На сегодня накоплено много фактов, которые нельзя объяснить в рамках этой модели:
● “неправильное” распределение элементов по орбитам Солнечной системы: иридий оказался, почему-то в поясе астероидов и далее от Солнца
● Расширение, вместо сужения, трещин в рифтовых хребтах при удалении от рифта
● Чистые металлы, например, алюминий, в вулканических породах
● И др. примеры
Теория Ф.Хойла полагает, что основными факторами при образовании планет является электро-магнито-динамика. Основанная на теории Ф.Хойла теория сепарации элементов В.Ларина объясняет распределение элементов по орбитам планет и астероидов и подкрепляется наблюдениями.
Теория сепарации является краеугольным камнем гидридной теории строения Земли, также подкрепляется наблюдениями и обладает значительной прогностической силой. В частности, легко объясняет предыдущие факты.
Таким образом, мы наблюдаем кризис и смену парадигм на стыке астрофизики и геофизики с явными признаками неполноты общепринятых воззрений.
Принцип прогностичности
Научная теория должна обладать способностью прогнозировать, а не только описывать уже известные явления, эффекты, утверждения и т.д.Как определить ценность и значимость прогноза для подтверждения или опровержения теории?
Предположим, теория-1 - это теория, достоверность и значимость которой мы предполагаем подтвердить. А теория-2 - альтернатива теории-1. Поскольку каждая из них научна, мы можем сделать прогноз-1 и прогноз-2 согласно обоим теориям. Мы ищем такие прогнозы, которые несовместимы или априорные вероятности p1 и p2 которых максимально отличаются друга.
Вероятностно мы можем оценить прогностичность каждой терии по отношению к ее альтернативе, если в результате некоторого множества независимых испытаний вероятность выполнения прогноза одной из теорий будет значительно выше, чем у ее альтернативы. Опровергающим испытанием мы назовем такое, при котором априорные вероятности будут p1 = 1 и p2 = 0 соответственно. Как правило, при экспериментальной проверке следует учитывать и погрешности измерений, для чего существуют стандартные методики.
В науке масса примеров опровергающих экспериментов. Например, эксперимент Майкельсона-Морли 1887 года по измерению зависимости скорости света от скорости движения источника и приемника. Эксперимент показал независимость, что категорически противоречило тогдашней теории эфирного переноса света в пространстве. Погрешность измерения была в 20 раз меньше, чем предсказанная величина эффекта. Многократное повторение эксперимента независимыми исследователями с возрастающей точностью подтвердили эффект независимости скоростей света и движения установки. Вероятность ошибки вывода падала с каждим новым экспериментом - поскольку эксперименты независимы, то итоговая вероятность вывода может расчитываться как произведение частных вероятностей.
Продолжение