Мы привыкли доверять учёным. Мы на них ссылаемся, когда хотим придать больший вес собственным словам, цитируем их, привлекаем в качестве экспертов. Но и они всего лишь люди и тоже могут ошибаться. Даже великие.
1. Алхимия
В Средние века идея о превращении свинца в золото не казалась такой безумной, как сегодня. И это легко объяснимо. Первые опыты в области химии были более чем многообещающими - смешанные определённым образом вещества меняли цвет, искрились, взрывались, улетучивались, росли, сжимались, источали необычные запахи…
Вывод напрашивался сам собой - почему бы и тусклому серому металлу не стать сияющим жёлтым? Вот и начались поиски реактива, способного совершить подобную трансформацию - мифического «философского камня».
Параллельно шли поиски «эликсира жизни», который тоже так и остался мечтой.
2. Флогистон
Флогистон - это такая «огненная субстанция», которую в 1667 году «открыл» Иоганн Бехер. Учёный полагал, что эта субстанция содержится во всех горючих веществах и улетучивается при их сжигании.
Многие учёные купились на доводы Бехера и пытались с помощью теории флогистона объяснить некоторые явления, связанные с огнём и горением. Например, они считали, что пламя гаснет, когда весь флогистон высвобождается; что воздух необходим для горения, потому что он поглощает флогистон; а дышим мы, чтобы избавить организм от того же флогистона.
Теория флогистона просуществовала до конца 18-го века, пока не возникла кислородная теория горения.
3. «Дождь следует за плугом»
Сейчас это кажется невероятным, но когда-то среди американцев и австралийцев была очень популярна теория, согласно которой если достаточно усердно и долго обрабатывать землю, то непременно пойдёт дождь.
Идея эта не подвергалась сомнению, потому что… подтверждалась. Нет, конечно, плуг не вызывал никакого дождя. Однако в некоторых регионах (таких, как американский Запад, например), за длительными периодами засухи непременно следуют сезоны дождей. И если долго-долго ходить с плугом по полю, то рано или поздно наступает смена циклов.
4. Земле всего 6 000 лет
Когда-то давным-давно, историческая достоверность описанных в Библии событий не вызывала сомнений, несмотря на некоторые нестыковки.
Взять, например, возраст планеты. В 17-м веке один ирландский архиепископ подсчитал, основываясь на библейской хронологии, что Земля была сотворена в 4004 году до рождества Христова. Его выводы признавались официальной наукой на протяжении почти 200 лет.
А современные подсчёты, основанные на радиологическом датировании, позволяют определить возраст планеты несколько точнее. И по этим данным нашей планете никак не меньше 4,5 миллиардов лет.
5. Атом - мельчайшая из существующих частиц
Идея о том, что вещество состоит из мелких частиц (атомов) знакома человечеству не меньше тысячи лет, но о том, что существует нечто ещё более мелкое, учёные стали догадываться только в 20-м веке: Томпсон открыл электрон, Чедвик - нейтрон, Резерфорд создал планетарную модель атома… С тех пор мы прошли долгий путь, который увенчался открытием бозона Хиггса.
6. ДНК поначалу не придавали большого значения
Однако довольно долгое время нуклеиновым кислотам большого значения никто не придавал. Материалом, передающим наследственную информацию, учёные считали белки - им казалось, что ДНК слишком проста для такой работы. И только в 1953 году американские биохимики Уотсон и Крик открыли структуру ДНК и объяснили остальному миру, как именно простой молекуле удаётся справляться с такой сложной задачей.
7. Микробы и хирургия
До конца 19-го века, как ни дико это звучит, доктора не видели необходимости мыть руки перед тем, как браться за скальпель. В результате - сплошные гангрены. Заражение объясняли, как правило, «дурным воздухом» и винили болезнь в нарушении баланса «четырёх жидкостей тела» (кровь, слизь, чёрная и жёлтая желчь).
Революционную теорию о том, что причиной болезни могут быть микробы, в научном мире долгое время попросту игнорировали. И только в 1860-хгодах, когда за дело взялся французский микробиолог Луи Пастер, она начала потихоньку завоёвывать внимание медиков. А уж потом доктора вроде Джозефа Листера окончательно убедили своих коллег в необходимости промывать раны и стерилизовать хирургические инструменты.
8. Земля - центр Вселенной
Во втором веке знаменитый астроном Птолемей построил модель Солнечной системы, в центре которой располагалась Земля. Эта модель считалась абсолютной и незыблемой истиной для всего западного христианского мира аж до 15-го столетия, пока не была вытеснена гелиоцентрической (т. е.в центре которой находится Солнце) системой польского астронома Николая Коперника.
Коперник не был первым, кому пришла в голову идея о том, что Земля вращается вокруг Солнца, но он был первым, к кому прислушались.
9. Система кровообращения
Мы все знаем, насколько важно сердце - для этого не нужно быть доктором. Но в Древнем Риме даже доктора думали иначе.
Знаменитый врач Клавдий Гален (130–200 гг. до н. э.) был убеждён, что кровь образуется в печени в результате соединения переваренной пищи с воздухом. Потом через вены порции крови (каждый раз новые) поступают к сердцу, а от него по артериям растекаются по всему телу. Органы же используют кровь в качестве топлива.
Теория Галена не подвергалась сомнению до 1628 года, пока английский врач Уильям Гарвей не опубликовал свой труд под названием «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных», в которой доказывалось, что кровь возвращается к сердцу по замкнутому циклу.
Статистика - сложная наука об измерении и анализе различных данных. Как и во многих других дисциплинах, в этой отрасли существует понятие гипотезы. Так, гипотеза в статистике - это какое-либо положение, которое нужно принять или отвергнуть. Причём в данной отрасли есть несколько видов таких допущений, схожих между собой по определению, но отличающихся на практике. Нулевая гипотеза - сегодняшний предмет изучения.
От общего к частному: гипотезы в статистике
От основного определения предположений отходит ещё одно, не менее важное, - статистическая гипотеза есть изучение генеральной совокупности важных для науки объектов, относительно коих учёными делаются выводы. Ее можно проверить с помощью выборки (части генеральной совокупности). Приведём несколько примеров статистических гипотез:
1. Успеваемость всего класса, возможно, зависит от уровня образования каждого учащегося.
2. Начальный курс математики в равной степени усваивается как детьми, пришедшими в школу в 6 лет, так и детьми, пришедшими в 7.
Простой гипотезой в статистике называют такое предположение, которое однозначно характеризует определённый параметр величины, взятой учёным.
Сложная состоит из нескольких или бесконечного множества простых. Указывается некоторая область или нет точного ответа.
Полезно понимать несколько определений гипотез в статистике, чтобы не путать их на практике.
Концепция нулевой гипотезы
Нулевая гипотеза - это теория о том, что есть некие две совокупности, которые не различаются между собой. Однако на научном уровне нет понятия «не различаются», но есть «их сходство равно нулю». От этого определения и было образовано понятие. В статистике нулевая гипотеза обозначается как Н0. Причём крайним значением невозможного (маловероятного) считается от 0.01 до 0.05 или менее.
Лучше разобрать, что такое нулевая гипотеза, пример из жизни поможет. Педагог в университете предположил, что различный уровень подготовки учащихся двух групп к зачётной работе вызван незначительными параметрами, случайными причинами, не влияющими на общий уровень образования (разница в подготовке двух групп студентов равна нулю).
Однако встречно стоит привести пример альтернативной гипотезы - допущения, опровергающего утверждение нулевой теории (Н1). Например: директор университета предположил, что различный уровень в подготовке к зачётной работе у учащихся двух групп вызван применением педагогами разных методик обучения (разница в подготовке двух групп существенна и на то есть объяснение).
Теперь сразу видна разница между понятиями «нулевая гипотеза» и «альтернативная гипотеза». Примеры иллюстрируют эти понятия.
Проверка нулевой гипотезы
Создать предположение - это ещё полбеды. Настоящей проблемой для новичков считается проверка нулевой гипотезы. Именно тут многих и ожидают трудности.
Используя метод альтернативной гипотезы, утверждающей нечто обратное нулевой теории, можно сравнить оба варианта и выбрать верный. Так действует статистика.
Пусть нулевая гипотеза Н0, а альтернативная Н1, тогда:
Н0: c = c0;
Н1: c ≠ c0.
Здесь c - это некое среднее значение генеральной совокупности, которое предстоит найти, а c0 - данное изначально значение, по отношению к которому проверяется гипотеза. Также есть некоторое число Х - среднее значение выборки, по которому определяется c0.
Итак, проверка заключается в сравнении Х и c0, если Х=c0 ,то принимается нулевая гипотеза. Если же Х≠c0, то по условию верной считается альтернативная.
«Доверительный» способ проверки
Существует наиболее действенный способ, с помощью которого нулевая статистическая гипотеза легко проверяется на практике. Он заключается в построении диапазона значений до 95% точности.
Для начала понадобится знать формулу расчёта доверительного интервала:
X - t*Sx ≤ c ≤ X + t*Sx,
где Х - данное изначально число на основе альтернативной гипотезы;
t - табличные величины (коэффициент Стьюдента);
Sx - стандартная средняя ошибка, которая рассчитывается как Sx = σ/√n, где в числителе стандартное отклонение, а в знаменателе - объём выборки.
Итак, предположим ситуацию. До ремонта конвейер в день выпускал 32.1 кг конечной продукции, а после ремонта, как утверждает предприниматель, коэффициент полезного действия вырос, и конвейер, по недельной проверке, начал выпускать 39.6 кг в среднем.
Нулевая гипотеза будет утверждать, что ремонт никак не повлиял на КПД конвейера. Альтернативная гипотеза скажет, что ремонт коренным образом изменил КПД конвейера, поэтому производительность его повысилась.
По таблице находим n=7, t = 2,447, откуда формула примет следующий вид:
39,6 – 2,447*4,2 ≤ с ≤ 39,6 + 2,447*4,2;
29,3 ≤ с ≤ 49,9.
Получается, что значение 32.1 входит в диапазон, а следовательно, значение, предложенное альтернативой - 39.6 - не принимается автоматически. Помните, что сначала проверяется на правильность нулевая гипотеза, а потом - противоположная.
Разновидности отрицания
До этого рассматривался такой вариант построения гипотезы, где Н0 утверждает что-либо, а Н1 это опровергает. Откуда можно было составить подобную систему:
Н0: с = с0;
Н1: с ≠ с0.
Но существует ещё два родственных способа опровержения. К примеру, нулевая гипотеза утверждает, что средняя оценка успеваемости класса больше 4.54, а альтернативная тогда скажет, что средняя успеваемость того же класса менее 4.54. И выглядеть в виде системы это будет так:
Н0: с ⩾ 4.54;
Н1: с < 4.54.
Обратите внимание, что нулевая гипотеза утверждает, что значение больше или равно, а статистическая - что строго меньше. Строгость знака неравенства имеет большое значение!
Статистическая проверка
Статистическая проверка нулевых гипотез заключается в использовании статистического критерия. Такие критерии подчиняются различным законам распределения.
К примеру, существует F-критерий, который рассчитывается по распределению Фишера. Есть T-критерий, чаще всего используемый на практике, зависящий от распределения Стьюдента. Квадратный критерий согласия Пирсона и т. д.
Область принятия нулевой гипотезы
В алгебре есть понятие "область допустимых значений". Это такой отрезок или точка на оси Х, на котором находится множество значений статистики, при которых нулевая гипотеза верна. Крайние точки отрезка - критические значения. Лучи по правую и левую сторону отрезка - критические области. Если найденное значение входит в них, то нулевая теория опровергается и принимается альтернативная.
Опровержение нулевой гипотезы
Нулевая гипотеза в статистике временами очень изворотливое понятие. Во время проверки её можно допустить ошибки двух типов:
1. Отвержение верной нулевой гипотезы. Обозначим первый тип как а=1.
2. Принятие ложной нулевой гипотезы. Второй тип обозначим как а=2.
Стоит понимать, что это не одинаковые параметры, исходы ошибок могут существенно различаться между собой и иметь разные выборки.
Пример ошибок двух типов
Со сложными понятиями легче разобраться на примере.
Во время производства некоего лекарства от учёных требуется чрезвычайная осторожность, так как превышение дозы одного из компонентов провоцирует высокий уровень токсичности готового препарата, от которого пациенты, принимающие его, могут умереть. Однако на химическом уровне выявить передозировку невозможно.
Из-за этого перед тем как выпустить лекарство в продажу, небольшую его дозу проверяют на крысах или кроликах, вводя им препарат. Если большая часть испытуемых умирает, то лекарство в продажу не допускается, если подопытные живы, то лекарство разрешают продавать в аптеках.
Первый случай: на самом деле лекарство было не токсично, но во время эксперимента была допущена оплошность и препарат классифицировали как токсичный и не допустили в продажу. А=1.
Второй случай: в ходе другого эксперимента при проверке другой партии лекарства решено, что препарат не токсичен, и в продажу его допустили, хотя на самом деле препарат был ядовит. А=2.
Первый вариант повлечёт за собой крупные финансовые затраты поставщика-предпринимателя, так как придётся уничтожить всю партию лекарства и начинать с нуля.
Вторая ситуация спровоцирует смерть пациентов, купивших и употреблявших это лекарство.
Теория вероятности
Не только нулевые, но все гипотезы в статистике и экономике разделяют по уровню значимости.
Уровень значимости - процент появления ошибок первого рода (отклонение верной нулевой гипотезы).
Первый уровень - 5% или 0.05, т. е. вероятность ошибиться 5 к 100 или 1 к 20.
второй уровень - 1% или 0.01, т. е. вероятность 1 к 100.
третий уровень - 0.1% или 0.001, вероятность 1 к 1000.
Критерии проверки гипотезы
Если учёным уже был сделан вывод о правильности нулевой гипотезы, то её необходимо подвергнуть проверке. Это необходимо, чтобы исключить ошибку. Существует основной критерий проверки нулевой гипотезы, состоящий из нескольких этапов:
1. Берётся допустимая ошибочная вероятность P=0.05.
2. Подбирается статистика для критерия 1.
3. По известному методу находится область допустимых значений.
4. Теперь вычисляется значение статистики Т.
5. Если Т (статистика) принадлежит области принятия нулевой гипотезы (как в «доверительном» методе), то предположения считаются верными, а значит, и сама нулевая гипотеза остаётся верной.
Именно так действует статистика. Нулевая гипотеза при грамотной проверке будет принята или отвергнута.
Стоит заметить, что для обычных предпринимателей и пользователей первые три этапа бывает очень сложно выполнить безошибочно, поэтому их доверяют профессиональным математикам. Зато 4 и 5 этапы может выполнить любой человек, в достаточной мере знающий статистические методы проверки.
Если связь между гипотезой и вытекающими из нее следствиями не вызывает сомнений и если, далее, проверка какого-то из следствий обнаруживает свою ложность, то из этого с необходимостью выводится ложность гипотезы.
Как уже говорилось, логический механизм подобного опровержения гипотезы основан на использовании отрицающего модуса условно-категорического умозаключения (см. примеры на с. 74). Отношение между логическим основанием и следствием таково, что ложность второго несовместима с истинностью первого. Из посылок «Если у больного сахарный диабет, то в его крови должен содержаться сахар» и «В крови этого больного не содержится сахара» следует заключение, опровергающее предположение врача «У этого больного сахарный диабет». Согласно космологической теории Канта (XVIII в.) Солнечная система возникла из некогда существовавшей вращающейся массы вещества, от которой отделились сгустки материи, ставшие планетами и их спутниками. Из гипотезы следовало, что все планеты и их спутники вращаются в одном направлении, обнаруженное впоследствии обратное вращение некоторых спутников несовместимо с основной идеей гипотезы и, значит, достаточно для ее опровержения.
На первый взгляд опровержение гипотезы является показателем неудачи, неправильного направления исследования, ошибочных методов и т.д. Так ли это? Уже говорилось, что гипотеза в идеале содержит идею самоотрицания: она должна либо превратиться в достоверное знание (утратить гипотетичность), либо, оказавшись несостоятельной, уступить место иным гипотезам. Если гипотеза доказана (превратилась в достоверное знание), ее продуктивность неоспорима. Но обладает ли каким-нибудь познавательным значением опровержение гипотезы (установление ее ложности)? Казалось бы, нет: ведь усилия, затраченные на ее разработку, не привели к открытию истины.
Однако такое представление о процессе познания не соответствует его сложности. Развитие знания не есть прямая линия, связывающая одну абсолютную истину с другой, оно неотделимо от ошибок, от разного рода заблуждений. С этой точки зрения опровержение гипотезы также обладает определенным познавательным значением, оно позволяет преодолеть заблуждение и тем самым способствует поиску истины. Сказанное подтверждается теми примерами, которые приведены выше: убедившись в ошибочности предварительного диагноза, врач продолжает искать настоящую болезнь и т. д. История науки знает множество гипотез, опровержение которых освободило умы от ложных представлений и тем самым послужило развитию знания (такова, например, господствовавшая в XVII‑XVIII вв. гипотеза о существовании «невесомых веществ» - теплорода, флогистона, магнетических флюид).
За многие тысячелетия своего существования человечество накопило огромные научные знания об окружающем мире. Например, научно доказано, что Земля вращается вокруг оси; что свет в большинстве случаев распространяется прямолинейно; что гроза есть электрический разряд и т. д. Но в результате чего и как появились эти и другие знания? Каков метод научного познания окружающего мира?
Метод научного познания окружающего мира включает несколько этапов. Первый из них - это наблюдение явлений .
Наблюдение осуществляется с помощью органов чувств человека и приборов. Например, человек в результате повседневных наблюдений установил, что непрозрачные тела в солнечный день дают тень (рис. 13). Из наблюдений он накапливает факты (результаты наблюдений), говорящие о том, что размеры тени изменяются в течение дня (рис. 14). Ее длина самая большая утром и вечером, а самая малая - в полдень. Тень может быть размытой или отсутствовать вовсе. Как объяснить все эти факты? Для этого выдвигается гипотеза (предположение, догадка).
Рис. 13
Рис. 14
Гипотез может быть несколько. В рассмотренном примере гипотеза состоит в том, что свет распространяется прямолинейно. Гипотеза иногда может быть и ошибочной, неверной. Тогда выдвигается новая гипотеза.
Гипотеза объясняет известные факты и предсказывает новые, еще неизвестные. Например, что могут образовываться тень и полутень, если источников света несколько или источник один, но он большой (его размеры сравнимы с расстоянием до непрозрачного предмета, дающего тень).
Опыты с двумя источниками света (рис. 15) и с источником больших размеров (рис. 16) показали, что размеры тени, наличие тени и полутени подтверждают гипотезу о прямолинейном распространении света.
Рис. 15
Рис. 16
Если гипотеза подтвердилась, она становится законом . Гипотеза существует до тех пор, пока не появляются факты, ей противоречащие. Схематически научный путь познания можно представить так.
Подумайте и ответьте
- Каковы источники наших знаний о физических явлениях? Приведите примеры.
- Что является основанием для выдвижения гипотезы? Может ли гипотеза быть ошибочной? Приведите примеры, известные вам из других наук.
- Какова роль опыта в научном познании?
- Почему астрологию нельзя считать наукой?
Интересно знать!
Заставка к телевизионной передаче «Очевидное-невероятное» содержит слова А. С. Пушкина:
«О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух,
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог-изобретатель».
О чем это пишет Александр Сергеевич? Попробуйте расшифровать его высказывание. При необходимости обратитесь за помощью к учителю или родителям.
Домашнее задание
В физике известны имена гениальных мыслителей, таких, как Демокрит (рис. 17), Аристотель (рис. 18), Галилей (рис. 19) и др.
Рис. 17
Рис. 18
Рис. 19
Познакомьтесь с биографией любого из названных мыслителей (по вашему желанию) и напишите в тетради (на 0,5 страницы) наиболее интересные, на ваш взгляд, факты из их научной деятельности. Информацию можно получить из Интернета, энциклопедического словаря и других источников.
Планета Вулкан. Французский астроном XIX века Урбен Леверье никак не мог объяснить странную орбиту Меркурия, и сделал предположение, что рядом с Солнцем находится ещё одна планета — Вулкан. Были опубликованы даже несколько сообщений о наблюдении загадочной планеты, но все они противоречили друг другу. В XX веке теория относительности развеяла тайну орбиты Меркурия, а вместе с ней теорию о Вулкане.
Самозарождение — гипотеза, в которую верили на протяжение тысячелетий. Имеется в виду появление живых организмов не из других организмов, яиц или семян, а из неживой среды. Даже Аристотель считал, что личинки мух самозарождаются в трупах животных. И хотя вопрос зарождения жизни на Земле остаётся открытым, в основном эта теория опровергнута.
Расширяющаяся Земля — на удивление популярная идея, существовавшая аж до середины XX века. Считалось, что движение материков происходило из-за того, что Земля постепенно увеличивается в объёме. Эту гипотезу всерьёз рассматривал Чарльз Дарвин. Изучение тектонических плит в 1960-х годах и позже доказало, что Земля не менялась в размерах как минимум 400 миллионов лет.
Флогистон — гипотетический элемент, наполняющий все горючие вещества. Химики XVII века предполагали, что именно он обеспечивает горение, а также отвечает за разнообразные процессы в металлах, например, за образование ржавчины. Теория флогистона была вытеснена кислородной теорией в 1770-х годах.
Марсианские каналы. В 1877 году итальянский астроном Джованни Скиапарелли объявил, что смог разглядеть на Марсе загадочные прямые линии и назвал их «каналами». Позже была сформулирована теория о том, что каналы имеют искусственное происхождение и используются марсианами для орошения планеты. В XX веке гипотезу опровергли — линии оказались оптической иллюзией.
Эфир — загадочная среда, в существование которой верили многие великие учёные, например, Аристотель, Рене Декарт и Томас Юнг. Правда, все они понимали эфир по‑разному — как аналог вакуума, первородное вещество или «транспорт» для света. Эти теории были чрезвычайно популярны, но после длительных исследований получили опровержение.
Tabula rasa — теория о том, что человек рождается словно «чистый лист», без какого-либо умственного и чувственного содержания, получая его только во время взросления. Была сформулирована Аристотелем и широко распространена вплоть до конца XX века. Даже глубокое изучение генетических механизмов и передачи наследственных черт не смогло окончательно убедить сторонников этой гипотезы в её ошибочности.
Френология — одна из первых и самых известных псевдонаук, определяющая умственные качества человека по форме черепа и размеру мозга. Френологи утверждали, что чем больше у человека мозг, тем больше информации он может сохранить. Дальнейшее развитие нейрофизиологии опровергло данные тезисы.
Неподвижная Вселенная. Эйнштейн, безусловно, был одним из величайших учёных в истории человечества, но и ему случалось ошибаться. Он полагал, что Вселенная неподвижна, её размер остаётся неизменным, и его сдерживает мощное антигравитационное поле. После длительного спора с Эйнштейном эту гипотезу опроверг русский математик Александр Фридман.
Холодный ядерный синтез — «святой Грааль» химиков, теория об осуществлении ядерного синтеза без сверхвысоких температур. В 1989 году Мартин Флейшман и Стэнли Понс заявили, что успешно провели ХЯС, но их эксперимент не удалось повторить никому. На данный момент гипотеза так и не получила убедительных подтверждений.
Древние заблуждения, вроде Солнца, вращающегося вокруг Земли, или более современные — например, что Венера покрыта зеленью и пригодна для жизни — были опровергнуты с развитием астрономии и космонавтики. Какие же ещё известные научные гипотезы оказались ошибочными?
