2 октября 2010 г.

Описание или объяснение

Вот любопытная иллюстрация того, насколько по-разному физики из разных областей могут понимать фразу «Теория объясняет эксперимент».

У нас тут недавно прошло аспирантское мероприятие, на котором аспиранты департамента должны были кратко рассказать о своей работе. Департамент в основном астро- и геофизический, но наша группа (физика элементарных частиц) тоже к нему относится. Люди в комиссии тоже были поголовно астро/геофизики. И вот одна аспирантка, делая свой доклад по физике за пределами стандартной модели, произнесла стандартную в общем-то фразу:
Стандартная модель с высокой точностью описывает экспериментальные данные, но есть целый ряд вещей, которые она объяснить не может. Поэтому теоретики строят теории за пределами Стандартной модели для того, чтобы найти им объяснение.

После доклада астрофизик ее спрашивает:
Что же тогда хорошего в вашей Стандартной модели, если она не может объяснить много вещей? Вот вы предлагаете теории вне Стандартной модели, потом окажется, что они не смогут объяснить какие-то новые данные, и тогда вам опять придется что-то придумывать и подстраивать, и так до бесконечности. Разве это нормальный метод?

Аспирантка что-то ответила, но совсем мимо цели. А правильный ответ, на мой взгляд, должен быть вот каким.

Стандартная модель — это теория взаимодействий элементарных частиц, причем теория с очень жестко заданной структурой. Ее проблема в том, что в ней есть пара десятков свободных параметров, которые не вычисляются, а задаются на основании экспериментальных данных (большая часть из них — это просто массы фундаментальных частиц). Однако как только они зафиксированы, теория больше не позволяет никакой вольности. Она дает четкие предсказания, которые отлично подтверждаются в экспериментах (есть, конечно, случаи, когда вычислительные препятствия мешают сделать аккуратное предсказание, но это отдельный разговор).

Именно поэтому можно сказать, что теория отлично описывает мир, причем честно, без подгонки и подстройки. Но она не может объяснить некоторые ключевые концепции, т.е. она не может вычислить параметры, расписать их происхождение из каких-то более фундаментальных принципов.

Я подозреваю, что тот астрофизик, который задавал вопрос, не осознавал этой разницы между «описать» и «объяснить». Я с астрофизикой знаком не слишком глубоко, но в некоторые темы мне приходилось влезать. У меня осталось впечатление, что подавляющее большинство того, что астрофизики воспринимают как «теории», на самом деле является моделями с большим числом разных «если» и большим количеством настроечных параметров. (Впрочем, в физике элементарных частиц, в особенности в теории взаимодействий адронов, тоже есть такая прискорбная тенденция.) И я подозревают, что когда астрофизик говорит, что теория/модель объясняет наблюдательные данные, то это значит, что она их всего лишь описывает. В таком понимании слова утверждение о том, что теория «не объясняет» данные, действительно может являться для нее приговором — ведь она не отражает реальность.

Чтоб это не выглядело камнем в огород астрофизики, хочу спросить самих астрофизиков (а также специалистов из других областей): как, на ваш взгляд, воспринимается утверждение «теория/модель (не) объясняет данные» в вашей среде, изнутри?

30 комментариев:

  1. Я не астрофизик, но меня очень интересует дихотомия объяснение/описание. Существует целый ряд областей, где новомодная тенденция гласит "модель "понимания" всегда слишком груба, давайте использовать модели "описания", они хорошо работают на предсказание, хоть внутри и находится непонятно что, чего же нам еще надо. Можно посмотреть на это с другой стороны и сказать, что дело даже не в области, а методологии, деревья регрессии, SVM, нейронные сети (machine learning) могут применяться везде и они являются (на мой взгляд) примером черных ящиков отлично описывающих данные, но которые очень часто сложно притянуть для "объяснения" реальности. Я немного писал про это вот здесь, надеюсь ссылки не проблема:

    The End of Theory: The Data Deluge Makes the Scientific Method Obsolete
    http://answer-42.livejournal.com/40606.html

    Ответ Wired от Cell
    http://answer-42.livejournal.com/41520.html

    ОтветитьУдалить
  2. Мне кажется все намного прощще. Любое исследование подразумевает подход "от общего к деталям". Соответственно, теория объясняющая общее может не иметь представления о деталях. А вывести из общего детали можно только методом интуитивного или аналитического создания новых теорий для которых эти детали будут уже чем-то общим. При этом, естественно, не объяснняя уже более "мелких" деталей.

    Извиняюсь, что несколько сумбурно.

    ОтветитьУдалить
  3. Но разве аспирантка не имела в виду просто "описывает"? То есть, что Стандартная модель не предсказывает некоторых явлений?

    ОтветитьУдалить
  4. Как я понимаю, Стандартная модель (СМ) - теория, которая точно описывает экспериментальные данные, причём одновременно 3 типа взаимодействий (слабое, сильное, электромагнитное), и причём делает это с наименьшим количеством "сущностей" по сравнению с другими предыдущими моделями, описывающими те же самые экспериментальные данные и подпадающими поэтому под Бритву Оккама. Подгонка и подстройка в СМ - это всего лишь около 2 десятков свободных параметров (включая массы 6 лептонов, 6 кварков и бозонов Z, W, Higgs).

    Во-вторых, не только описывала, но и предсказывала, новое (частицы Z и W бозоны слабого взаимодействия и поле Хиггса с бозоном Хиггса), и некоторые предсказания уже подтвердились (обнаружены Z, W бозоны).
    Как я понимаю, критерию фальсифицируемости эта СМ соответствует.

    Надо было спросить у этого астрофизика, что же такое по его мнению "нормальный метод", в чём по его мнению должна состоять теоретическая научная деятельность и что он думает о научном методе и в частности о критерии фальсифицируемости и Бритве Оккама?

    Если теории за пределами СМ пока что не заменили СМ, значит они ещё пока что чем-то хуже, чем СМ, например, М-теория, которая в настоящее время, как пишут, может описать как бы что угодно, т. е. объяснить "любые" предполагаемые будущие взаимоисключающие экспериментальные факты, т. е. во многом не соответствует критерию фальсифицируемости, которому должна соответствовать научная теория...

    ОтветитьУдалить
  5. По-моему, вопрос астрофизика ничем принципиально не отличается от вопроса "Ну и что хорошего в теории гравитации Ньютона?" То есть теории то более общие могут быть (и для гравитации они уже есть и более-ли-менее приняты в отличии от beyond the Standard Model) но "хорошесть" Ньютоновской гравитации они не отменяют.

    ОтветитьУдалить
  6. Анонимный7/10/10 18:42

    В школе меня учили такому подходу: теория должна считаться верной тогда и до тех пор, пока подверждается экспериментом. И не нужно себе морочить голову... В общем, я это впитал и с этим согласен. Но лично меня больше привлекают теоретические построения, полученные из каких-то принципов (наименьшего действия, причинности, Ле-Шателье, неубывания энтропии и.т.д), нежели теории типа груда уравнений, в которые нужно вставить числа, полученные из эксперимента. Вот в первом случае возникает ОЩУЩЕНИЕ "понимания", дуальное понятию "объяснение", а во втором - только моральное удовлетворение от того, что концы сошлись с концами, и еще какое-то подспудное неприятное чувство, что все это - халтура. В конце концов, любую кривую можно аппроксимировать полиномом подходящей степени с подходящими коэффициентами - и что с того?

    ОтветитьУдалить
  7. Эксперимент никогда не может подтвердить теорию. Опровергнуть — может, может также не противоречить, но подтвердить — не может.

    ОтветитьУдалить
  8. Ваш спор, это спор между фальсифицируемости теории и верификацией теории.

    Небольшая цитата:

    ...Даже очень большое число подтверждающих фактов в отношении того или иного утверждения, полученного путём индуктивного обобщения, делает его лишь весьма вероятным, но всё-таки не твёрдо достоверным. При этом достаточно одного, но вполне бесспорного, опровергающего факта для того, чтобы это индуктивное обобщение было отброшено как негодное. Неодинаковые «силу» и роль в деле проверки осмысленности и истинности научных теорий, которые свойственны подтверждающим и опровергающим факторам, Поппер назвал «познавательной асимметричностью».


    На основании этой «асимметричности» провозглашена замена «принципа верификации» (то есть положительно осуществляемой проверки, иначе говоря, подтверждения), провозглашаемого логическими эмпиристами, принципом «фальсификации» (то есть столь же реально осуществляемого опровержения). Он означает, что проверка научной осмысленности, а затем и истинности научных теорий должна осуществляться не через их подтверждение, а преимущественно (или даже исключительно) через их опровержение.

    ОтветитьУдалить
  9. Анонимный10/10/10 20:55

    Мне кажется, астрофизика скорее волнует вопрос, нормальный ли метод - заниматься бесконечной верификацией Стандартной модели, и если что-то в нее не входит - придумывать новую модель и проверять ее.

    И еще мне кажется, что это просто брюзжание: нормальный метод или не_нормальный, а научный, и нет ему конца, всегда будут раздражающие факты, которые торчат из самой гениальной теории, и никогда мы не узнаем сразу все на свете)

    ОтветитьУдалить
  10. >В конце концов, любую кривую можно аппроксимировать полиномом подходящей степени с подходящими коэффициентами - и что с того?

    Ну, если потом окажется, что эта кривая в ДРУГОЙ теории описывается синусойдой с одним параметром (амплитудой) - то, означает ли это, что "истинная" теория - это есть теория с меньшим числом параметров?

    ОтветитьУдалить
  11. Ну синусоиду я думаю все узнают в лицо. :-)

    ОтветитьУдалить
  12. alexsmail> Ну синусоиду я думаю все узнают в лицо.

    "Стандартная модель — это теория взаимодействий элементарных частиц, причем теория с очень жестко заданной структурой. Ее проблема в том, что в ней есть пара десятков свободных параметров, которые не вычисляются, а задаются на основании экспериментальных данных..."

    Oзначает ли это, что "истинная" теория - это есть теория с меньшим числом параметров чем Стандартная модель?

    ОтветитьУдалить
  13. В стандартной модели подгонка — это конечное число свободных параметров, причём констант (2 – 3 десятка).

    Насколько я понимаю, физикам хочется создать Теорию Всего, или как Вы говорите, "Истинную Теорию", которая будет описывать одновременно все типы взаимодействий (электромагнитное, слабое, сильное, гравитационное, Хиггса) и соответствовать всем извеситным экспериментальным данным вообще безо всяких свободных параметров, т. е. чтобы все нынешние константы (в том числе массы лептонов, кварков, бозонов, константы взаимодействий, космологическая постоянная) вычислялись из этой теории, ну, и конечно, чтобы теория при этих условиях была наиболее проста, по количеству "сущностей", уравнений.

    ОтветитьУдалить
  14. logikman, цитирую самого себя по Философия науки

    В каждой теории мы встречает предельные понятия и величины, которые в рамках этой теории не раскрывают своей природы, принимаются как данные и могут получить обоснование, быть выведены из других только в более общей теории. Для небесной механики как теории движения звёзд, планет и других небесных тел исходными, заданными, необъяснёнными являются массы небесных тел и исходные расстояния. Эти величины могут найти себе объяснения в космогонии, оперирующей движением и превращениями молекул, атомов, элементарных частиц. В атомной физике заданы массы и заряды элементарных частиц, которые ждут объяснения и выведения из более общих закономерностей единой теории элементарных частиц.

    ...исключение из физики произвольных констант, объясняя их, выведение предельных для данной теории величин из более общей теории было стержневой тенденцией научного творчества. Именно такое исключение произвольных констант выявляет единство мироздания и его познаваемость. В идеальной картине мира, согласно Эйнштейну, не может быть произвольных постоянных...каждая безразмерная константа всегда может найти объяснение в какой-то теории, всегда, в идеале можно ответить на вопрос «почему» в отношении такой константы, при чём иная теория даёт иное значение константы. Всё это вытекает из «веры в простоту и понятность природы». Познание внешнего мира — это познание царящей в нём закономерности, причинной связи, охватывающей и объединяющей мир.

    ОтветитьУдалить
  15. Игорь Иванов> В таком понимании слова утверждение о том, что теория «не объясняет» данные, действительно может являться для нее приговором — ведь она не отражает реальность.

    Дело в том, что основная "идея фикс", которую Игорь явно или неявно упоминает почти в каждом своём блестящем объяснении того или иного явления заключается в том, что Игорь на самом деле верит в то, что "рeальность" существует и не просто существует, а существует независимо и сама по себе. - Отсюда и эта его фраза - "теория может не отражать реальности".

    Или более кратко, - есть РЕАЛЬНОСТЬ и есть теории, которые либо её отражают или НЕ отражают.

    Надо отметить, что Игорь в своих блестящих объяснениях того или иного явления очень негативно относится к Постмодернизму(!) - где понятие о реальности и её отражении просто исчезает - то есть фактически Игорь остаётся на философских основах возникших до Постмодернизма. - Отсюда и все его, и не только его, попытки как-то наличие этой Реальности всё же доказать. имхо

    ОтветитьУдалить
  16. Анонимный14/10/10 01:23

    ба.. вы сильно глубоко копаете)

    ОтветитьУдалить
  17. Опыт показывает, что проголодавшись, все приверженцы Постмодернизма возвращаются к неактуальным, устаревшим представлениям о пище, существующей вне сознания и независимо от него, и потребляют ее простым механическим способом. Что наводит на размышления...
    А физики, что ж, бескрылые они в большинстве своем... ;)

    ОтветитьУдалить
  18. Balashov > Опыт показывает, что проголодавшись, все приверженцы Постмодернизма...пище... простым механическим способом.

    Я помню. Ленин предлагал их "предшественников" бить сразу по голове - чтобы почувствовали боль и ... реальность.

    >А физики, что ж, бескрылые они в большинстве своем... ;)

    Физики - они разные. имхо

    ОтветитьУдалить
  19. Анонимный16/10/10 05:50

    logikman> А причем тут постмодернизм вообще? Здесь всё-таки речь идёт о научном методе, а не о философии.

    Теория, отражающая реальность - если её следствия подтверждаются независимыми экспериментами. Обычно требуется, чтобы она могла давать в принципе проверяемые предсказания. Теория, не отражающая реальность - если следствия экспериментом не подтверждаются, и ничего нового не предсказывается.

    В данном случае нельзя говорить об отношении к постмодернизму - от этого результат эксперимента не зависит, а ведь он является критерием научной истины.

    ОтветитьУдалить
  20. 2 Анонимный: постмодернисты как раз хорошо показали, что за "реальностью" может ничего не стоять и ничего с этим не поделаешь.

    2 logikman: Нет, по голове нельзя, Зарату... толерантность не велит.
    Оставив пока в покое теоретиков, Вам не кажется, что если физик-экспериментатор считает все эти кварки и бозоны чистейшей абстракцией, то он попадает в ту же гильдию, что и "ткачи" у Андерсена? Только "станки" у него куда дороже.

    ОтветитьУдалить
  21. Неизвесный > В данном случае нельзя говорить об отношении к постмодернизму - от этого результат эксперимента не зависит, а ведь он является критерием научной истины.

    Но Постмодернизм утверждает, что в настоящее(!) время современная передовая наука сама "сочиняет" эти свои "эксперименты" и потом сама подводит под них результат. - То есть та или иная модель порождает те или иные эксперименты. - А другая модель порождает другие ("перпендикулярные" первой) эксперименты и что есть тогда Истина?

    ОтветитьУдалить
  22. Balashov >Оставив пока в покое теоретиков, Вам не кажется, что если физик-экспериментатор считает все эти кварки и бозоны чистейшей абстракцией...

    Мне кажется, что физик-экспериментатор считает все эти кварки и бозоны чистейшей РЕАЛЬНОСТЬЮ. имхо

    ОтветитьУдалить
  23. Анонимный20/10/10 17:42

    Цитирую, Иванов:
    Эксперимент никогда не может подтвердить теорию. Опровергнуть — может, может также не противоречить, но подтвердить — не может.

    Вы выразились точнее: "не противоречить". Но у нас ведь разговор о разнице между «описать» и «объяснить». И Вы сами упомянули термин "первопринципы". А что Вы, собственно, имели в виду? Недавно я наткнулся на исторический обзор теорий спиральной структуры галактик. Посмотрел по диагонали - здорово! Один написал такое уравнение, другой - эдакое. Соображения, конечно, были, но назвать их первопринципами я бы не решился. С другой стороны, а куда им было деваться? Ведь вот же она структура на снимках! Ту хоть как-нибудь хоть что-нибудь нарисовать, чтобы хоть примерно это получилось...

    ОтветитьУдалить
  24. Я астрофизик, и к сожалению должен подтвердить ваше определение. Пока что наша "стандартная модель" во многом является эмпирической.

    ОтветитьУдалить
  25. Налицо простая демогогия.

    в.Что же тогда хорошего в вашей Стандартной модели, если она не может объяснить много вещей?

    о: Стандартная модель с высокой точностью описывает экспериментальные данные
    --

    в. вам опять придется что-то придумывать и подстраивать, и так до бесконечности. Разве это нормальный метод?

    о: собсна это и есть гипотетико-дедуктивный метод. то есть нормальный

    ОтветитьУдалить
  26. Для полноты картины, наверное, стоит напомнить то, о чём вы, конечно же, знаете.
    SM не только не всё объясняет (то есть не даёт ответа на вопросы вроде иерархии, происхождения масс (в смысле, юкавских констант)), она ещё и не всё описывает. Например, нет объяснения в рамках SM осцилляциям нейтрино, лепто- (а значит и барио-)генезису, не даёт она решения так называемой сильной CP проблеме (почему CP симметрия нарушается в слабом взаимодействии, но с огромной точностью сохраняется в сильном), не выдвигает никакого кандидата на роль тёмной материи (про тёмную энергию пока наверное стоит помалкивать, слишком уж там всё пока спекулятивно).
    То есть, очевидно, что SM - теория в некотором смысле эффективная, и требовать от неё объяснения всех своих свободных параметров наивно, но она, к сожелению, не всё и описывает. Именно поэтому сейчас так много внимания уделяется её расширениям.

    ОтветитьУдалить
  27. Да, я согласен, что это надо бы добавить ради справедливости, но я не думаю, что тот астрофизик имел в виду эти «дыры» Стандартной модели.

    ОтветитьУдалить
  28. Еще здесь могла бы быть ссылка на заметку о пользе неправильных теорий, но она (заметка) еще не созрела?

    ОтветитьУдалить
  29. http://prl.aps.org/abstract/PRL/v105/i18/e181801
    Вы это конечно уже видели. Можете прокомментировать для чайника?

    ОтветитьУдалить
  30. Да, я уже видел; я сейчас на конференции, по приезду посмотрю внимательней.

    ОтветитьУдалить