Θεωρίες φυσικής

Έξι ερωτήσεις που κάνουν οι φυσικοί κατά την αξιολόγηση των επιστημονικών ισχυρισμών

Written by Δ.Μ.

Δεν είναι όλοι οι επιστημονικοί ισχυρισμοί ίσοι. Πώς μπορείτε να καταλάβετε εάν μια ανακάλυψη είναι πραγματική; Για παράδειγμα το 2011, επιστήμονες στο πείραμα OPERA ανακοίνωσαν μια παρατήρηση που δεν μπορούσαν να εξηγήσουν: τα νετρίνα φαίνονταν να ταξιδεύουν γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός.

Share

Δεν είναι όλοι οι επιστημονικοί ισχυρισμοί ίσοι. Πώς μπορείτε να καταλάβετε εάν μια ανακάλυψη είναι πραγματική; Για παράδειγμα το 2011, επιστήμονες στο πείραμα OPERA ανακοίνωσαν μια παρατήρηση που δεν μπορούσαν να εξηγήσουν: τα νετρίνα φαίνονταν να ταξιδεύουν γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός.

Higgs

 

Οι μέθοδοι ανάλυσής τους ήταν σταθερές και οι αριθμοί τους στατιστικά σημαντικοί. Όμως πολύ λίγοι φυσικοί πίστευαν ότι αυτά τα νετρίνα κινούνταν πέρα ​​από το σημερινό όριο ταχύτητας του σύμπαντος. «Δεν θυμάμαι ποτέ να έχω συνομιλήσει με έναν σοβαρό επιστήμονα που πίστευε ότι ήταν πιθανό να είναι σωστό», έγραψε ο θεωρητικός Matt Strassler σχετικά με τα ευρήματα του OPERA στο ιστολόγιό του.

Οι δύσπιστοι επιστήμονες είχαν δίκιο: Λίγους μήνες μετά την ανακοίνωση, οι πειραματιστές ανακάλυψαν τους ενόχους: ένα καλώδιο οπτικών ινών που δεν είχε βιδωθεί σωστά, καθώς και σφάλματα βαθμονόμησης στο σύστημα χρονισμού τους. 

Ο στόχος της επιστήμης είναι η αναζήτηση της αλήθειας μέσω αμερόληπτης ανάλυσης. Ωστόσο, σύμφωνα με τον καθηγητή του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Όστιν, Peter Onyisi, οι επιστήμονες πρέπει επίσης να λάβουν υπόψη το ανθρώπινο στοιχείο.

«Υπάρχει μια σημαντική ποσότητα με ανθρώπινη ερμηνεία στις επιστήμες», λέει ο Onyisi. «Προσπαθούμε να βάλουμε τα πράγματα σε αυτήν την εικόνα με απόλυτους κανόνες για να αφαιρέσουμε την ανθρώπινη κρίση. Αλλά η ανθρώπινη κρίση είναι στην πραγματικότητα πολύ σημαντική. ”

Εδώ είναι έξι ερωτήσεις που κάνουν οι φυσικοί όταν κρίνουν την αληθινή αξία και το νόημα ενός επιστημονικού ισχυρισμού.

1. Από πού προέρχονται τα δεδομένα;

Το 2004, ακαδημαϊκοί που μελετούσαν τη γυναικεία γονιμότητα δημοσίευσαν ένα επιστημονικό έγγραφο που καταλήγει στο συμπέρασμα ότι μετά από ένα χρόνο προσπάθειας, μία στις τρεις γυναίκες μεταξύ 35 και 39 ετών δεν θα είναι σε θέση να μείνει έγκυος. 

Τα ευρήματα διαδόθηκαν παντού. Ανάγκασαν την ψυχολόγο Jean Twenge να ανησυχεί ότι μπορεί να είχε χάσει την ευκαιρία να ξεκινήσει μια οικογένεια – μέχρι που διάβασε το επιστημονικό έγγραφο και ανακάλυψε την πηγή των δεδομένων τους: γυναίκες που ζούσαν στην αγροτική Γαλλία μεταξύ των ετών 1670 και 1830.

«Με άλλα λόγια, εκατομμύρια γυναίκες λένε πότε να μείνουν έγκυες με βάση στατιστικά στοιχεία πριν από την ηλεκτρική ενέργεια, τα αντιβιοτικά ή τη θεραπεία γονιμότητας», έγραψε η Twenge σε ένα άρθρο της το 2013 στο The Atlantic . «Οι περισσότεροι υποθέτουν ότι αυτοί οι αριθμοί βασίζονται σε μεγάλες, καλά διεξαγόμενες μελέτες σύγχρονων γυναικών, αλλά δεν είναι έτσι»

Σύμφωνα με τον Peter Onyisi καθηγητή στο Τέξας, η πηγή των δεδομένων παρέχει ζωτικό πλαίσιο για επιστημονικά ευρήματα. «Τα δεδομένα σας πρέπει να είναι αντιπροσωπευτικά αυτού που θέλετε να αντιπροσωπεύσετε», λέει. 

Η προέκταση των αποτελεσμάτων από έναν πληθυσμό σε άλλους μπορεί να οδηγήσει σε παρανοήσεις ή στην ανάπτυξη εργαλείων ή θεραπειών που δεν είναι αποτελεσματικά για μεγάλα υποσύνολα του πληθυσμού. Πολλά εργαλεία αναγνώρισης του προσώπου λειτουργούν καλά για λευκά πρόσωπα, για παράδειγμα, αλλά δεν αναγνωρίζουν τους ανθρώπους του χρώματος.

«Εάν εκπαιδεύσετε τους αλγόριθμους μηχανικής μάθησης σε ένα συγκεκριμένο υποσύνολο προσώπων που δεν είναι αντιπροσωπευτικά όλου του πληθυσμού, το εργαλείο σας θα μάθει να διακρίνει μόνο αυτόν τον τύπο ατόμου, αλλά όχι όλους», λέει ο Onyisi.

Από την πλευρά τους, οι φυσικοί είναι πολύ προσεκτικοί με σκοπό να εξετάσουν όλες τις σχετικές υποατομικές διεργασίες κατά την ανάπτυξη των προσομοιώσεων σύγκρουσης Monte Carlo, οι οποίες χρησιμεύουν για τον έλεγχο των δεδομένων που βγαίνουν από τα πειράματά τους. Η παράβλεψη μιας σχετικής διαδικασίας παρασκηνίου θα μπορούσε να οδηγήσει σε εσφαλμένη ερμηνεία των πειραματικών δεδομένων ή να χάσουν σημαντικά σήματα φυσικής.

2. Πώς συλλέχθηκαν και διεκπεραιώθηκαν τα δεδομένα;

Ακόμα κι αν οι ερευνητές προμηθεύονται τα δεδομένα τους από έναν αντιπροσωπευτικό πληθυσμό, εξακολουθούν να κινδυνεύουν να επηρεάσουν κατά λάθος τα αποτελέσματα μέσω της διαδικασίας του πειράματος. 

«Είναι πολύ δύσκολο να κάνεις πράγματα που είναι εντελώς αμερόληπτα», λέει ο Peter Onyisi

Οι ερευνητές προσπαθούν να εξαλείψουν την προκατάληψη πραγματοποιώντας μελέτες στις οποίες ορισμένες πληροφορίες είναι κρυμμένες μέχρι το τέλος. Οι φυσικοί θα δημιουργήσουν ακόμη και τις αναλύσεις τους χρησιμοποιώντας προσομοιωμένα δεδομένα για να βεβαιωθούν ότι η επιθυμία τους για κάποια ανακάλυψη δεν θα επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο ρυθμίζουν την αναζήτηση.

«Μόλις οριστεί, τεκμηριωθεί, αναθεωρηθεί και εγκριθεί ολόκληρη η διαδικασία ανάλυσης,«ανοίγουμε το κουτί»και εξετάζουμε την περιοχή σήματος», λέει ο Stephane Willocq, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης, Amherst. «Προσπαθούμε να ελαχιστοποιήσουμε την πειραματική προκατάληψη. Θα θέλαμε να το εξαλείψουμε εντελώς, αλλά γνωρίζουμε ότι στο τέλος της ημέρας, μπορεί να υπάρχει κάποιο επίπεδο προκατάληψης. ”

Οι φυσικοί παλεύουν πάντα με το πώς μπορούν να λογοδοτήσουν για προκατάληψη και να ενσωματώσουν πρόσθετους ελέγχους και δοκιμές στις αναλύσεις τους.

«Βοηθά να έχουμε μια μεγάλη αίσθηση αμφιβολίας», λέει ο Onyisi. «Είναι λίγο αστείο, αλλά αναρωτιόμαστε πάντα,«Πώς θα μπορούσα να το κάνω αυτό λάθος; »

3. Πόσο εξαιρετικά είναι τα δεδομένα;

Σύμφωνα με τον Stephane Willocq του Amherst, ο αριθμός των δεδομένων που οι επιστήμονες χρειάζονται για να ισχυριστούν ότι μια ανακάλυψη είναι κοντά, συνδέεται στενά με το πόσο αναμφισβήτητα είναι τα δεδομένα.

«Θα μπορούσατε να κάνετε μια ανακάλυψη με ένα συμβάν», λέει ο Willocq. “Αυτό που έχει σημασία είναι αν η ανακάλυψή σας μπορεί να μιμηθεί εύκολα από κάτι άλλο.”

Το 2016, το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων LIGO  ανακάλυψε βαρυτικά κύματα που προέρχονταν από σύγκρουση δύο μαύρων οπών. Επειδή οι επιστήμονες του LIGO είχαν πλήρη κατανόηση των τρόπων με τους οποίους ο ανιχνευτής τους θα μπορούσε να ξεγελαστεί και είχαν εξαλείψει αυτές τις πιθανότητες, θα μπορούσαν να διεκδικήσουν αυτή τη σπουδαία ανακάλυψη με αυτό το ένα μοναδικό γεγονός.

Αλλά δεν είναι όλα τα σήματα τόσο ξεκάθαρα όσο τα κύματα βαρύτητας που παρατηρούνται από το LIGO. Πριν από μερικές δεκαετίες, το πείραμα DAMA παρατήρησε αυτό που θα μπορούσε να είναι η απόδειξη για τα σωματίδια σκοτεινής ύλης – αυξημένη ποσότητα δραστηριότητας στον ανιχνευτή του κατά τους μήνες που η Γη κινείται πιθανώς γρηγορότερα μέσα από ένα “σύννεφο” σκοτεινής ύλης του Γαλαξία μας. Το DAMA συνέχισε να βλέπει αυτό το σήμα μέχρι σήμερα. Αλλά επειδή οι επιστήμονες μπορούν να σκεφτούν κι άλλες αιτίες για την παρουσία του σήματος εκτός από τη σκοτεινή ύλη, οι περισσότεροι περιμένουν κάποια άλλη μορφή επιβεβαίωσης πριν αποδεχθούν την ερμηνεία των αποτελεσμάτων του DAMA για τη σκοτεινή ύλη.

Σύμφωνα με τον Willocq, η εξάλειψη όλων των άλλων πιθανοτήτων – δυνατοτήτων είναι η πιο σκληρή δουλειά. «Χρειάζεστε τα πειραματικά σας εργαλεία για να είστε αρκετά ευκρινείς για να διακρίνετε το σήμα από το φόντο», λέει. “Και πρέπει επίσης να ρωτήσετε, είναι τα εργαλεία κατάλληλα για την ερώτηση που προσπαθείτε να απαντήσετε;”

4. Είναι στατιστικά σημαντικά τα αποτελέσματα;

Το 2016, τόσο τα πειράματα ATLAS όσο και CMS στο CERN είδαν κάτι απροσδόκητο: μια αύξηση στα πειραματικά δεδομένα τους περίπου στα 750 GeV. Η θεωρητική κοινότητα χρησιμοποίησε αυτά τα αινιγματικά αποτελέσματα και δημοσίευσε περίπου 500 εργασίες που εικάζουν αν αυτή η άνοδος στα 750 GeV θα μπορούσε να είναι η πρώτη απόδειξη ενός νέου σωματιδίου. Τους επόμενους μήνες, και τα δύο πειράματα τετραπλασίασαν τα σύνολα δεδομένων τους. Και η αύξηση εξαφανίστηκε.

«Όταν αντιμετωπίζουμε περιστατικά χαμηλής συχνότητας, μπορούμε να δούμε εντυπωσιακές διακυμάνσεις», λέει ο Onyisi, «αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι βλέπουμε κάτι νέο».

Για παράδειγμα, ένας δήμαρχος θα μπορούσε να αναφέρει αύξηση κατά 7% στις ληστείες ως απόδειξη νέου κύματος εγκληματικότητας. «Αλλά αν αυτή η αύξηση είναι από 100 σε 107, στατιστικά μιλώντας, αυτό είναι το ποσό της διακύμανσης που μπορούμε να περιμένουμε να δούμε χρόνο με το χρόνο», λέει ο Onyisi.

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν στατιστική ανάλυση για να προσδιορίσουν τη διαφορά μεταξύ της φυσικής παραλλαγής σε μια κανονική διαδικασία και της αναμφισβήτητης επίδρασης κάτι καινούργιου.

«Η στατιστική αβεβαιότητα είναι πολύ κατανοητή», λέει ο Ονυήσι. «Υπάρχει ένα πολύ εντυπωσιακό σύνολο μαθηματικών θεωριών πίσω από αυτό. Μπορείτε εύκολα να υπολογίσετε πόσο συχνά θα πρέπει να βλέπετε ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα μόνο λόγω της τύχης. ”

Οι φυσικοί δεν θα διεκδικήσουν μια νέα ανακάλυψη έως ότου έχουν περάσει μία διαδικασία που ονομάζεται κατώφλι 5-σίγμα: δηλαδή, οι πιθανότητες ότι το σήμα τους οφείλεται σε κανονικές στατιστικές διακυμάνσεις (και όχι σε κάτι νέο) είναι 1 έως 3,5 εκατομμύρια. (Οι επιστήμονες του γεγονότος στα 750 GeV είδαν μόνο περίπου 2,1 σίγμα και αποδείχθηκε ότι ήταν μόνο ένα ξαφνικό σήμα 1 στις 50 στατιστικές διακυμάνσεις.)

5. Πόσο σημαντική είναι η εξήγηση;

Αλλά η στατιστική σημασία δεν είναι και το τέλος της επιστημονικής ανακάλυψης. 

«Οι άνθρωποι τείνουν να συγχέουν τη στατιστική σημασία με την πραγματική σημασία του κόσμου», λέει ο Onyisi.

Το αποτέλεσμα του πειράματος «ότι τα νετρίνα κινούνται ταχύτερα από το φως» είχε μία σπουδαία στατιστική σημασία, 6 σίγμα. Ήταν πολύ απίθανο να είναι στατιστική διακύμανση, αλλά επίσης πολύ απίθανο να βρει  λάθος τον Αϊνστάιν.

Η κοινότητα της φυσικής προσπαθεί πάντα να ερμηνεύει τα στατιστικά σημαντικά αποτελέσματά τους. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες είναι εξαιρετικά σίγουροι για τις πολυάριθμες στατιστικά σημαντικές μετρήσεις του μποζονίου Higgs. Αλλά αυτό που δεν μπορούν ακόμη να αποκλείσουν είναι μοντέλα που επεκτείνουν το Καθιερωμένο Μοντέλο και επιτρέπουν ένα σύνθετο Higgs – δηλαδή, ένα μποζόνιο Higgs που είναι στην πραγματικότητα ένα σύνθετο σωματίδιο κατασκευασμένο από μικρότερα συστατικά μέρη.

«Ακόμα και όταν κάτι είναι στατιστικά σημαντικό, οι ερμηνείες μπορεί να διαφέρουν», εξηγεί ο Onyisi. «Η συσσωρευμένη γνώση μας για την επιστήμη φιλτράρεται μέσω όλων αυτών των προηγούμενων πειραμάτων και διαφωνιών. Φτάνουμε σε συναίνεση μόνο αφού αποκλειστούν όλες οι εναλλακτικές εξηγήσεις. ”

6. Επιβεβαιώθηκαν τα αποτελέσματα από ανεξάρτητο πείραμα;

Ακόμη και οι πιο αυστηροί πειραματιστές μπορούν να κάνουν λάθη, γι ‘αυτό και η ανεξάρτητη επιβεβαίωση είναι το κλειδί. 

«Ως φυσικοί, είμαστε πολύ προσεκτικοί», λέει ο Willocq. «Κατανοούμε τους περιορισμούς της πειραματικής διαδικασίας. Πάντα υπάρχει αβεβαιότητα και υποθέσεις και θέλουμε να δούμε κι άλλες μελέτες πριν κάνουμε οριστικές δηλώσεις. ”

Παρόλο που ήταν σαφές ότι τα αποτελέσματα του LIGO έκρυβαν την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, αυτή η σαφήνεια θα είχε τεθεί υπό αμφισβήτηση εάν το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων VIRGIN στην Ιταλία δεν είχε δει επίσης βαρυτικά κύματα όταν ενεργοποιήθηκε.

Η ανεξάρτητη επιβεβαίωση είναι τόσο σημαντική που ο επιταχυντής LHC περιέχει δύο παρόμοια πειράματα – ATLAS και CMS – και τα δύο εξερευνούν μερικά από τα ίδια φαινόμενα. Τα δύο πειράματα χρησιμεύουν ως ανεξάρτητοι έλεγχοι των αποτελεσμάτων του άλλου χάρη στα μοναδικά πειραματικά τους σχέδια. Λίγο μετά την έναρξη του LHC, και τα δύο πειράματα εργάστηκαν σε ανεξάρτητες αναζητήσεις για το μποζόνιο Higgs. Το 2012, τα δύο πειράματα παρουσίασαν ανεξάρτητα στοιχεία για ένα νέο μποζόνιο σαν το Higgs.

Σύμφωνα με τον Willocq, μια νέα σημαντική ανακάλυψη δεν είναι το σημείο όπου τελειώνει η διαδικασία της επιστημονικής έρευνας, αλλά πού ξεκινά το επόμενο κεφάλαιο.

«Δεν έχουμε κλείσει το βιβλίο στο μποζόνιο Higgs», λέει. «Στην πραγματικότητα είναι ακριβώς το αντίθετο. το Higgs είναι ίσως το πιο συναρπαστικό σωματίδιο για να μελετήσουμε για τις επόμενες δεκαετίες. Είναι εντελώς διαφορετικό από οτιδήποτε άλλο έχει ανακαλυφθεί μέχρι τώρα και μια πολύ πλούσια περιοχή εξερεύνησης.

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share