Популяризация науки и обман трудящихся

Многократно приходилось слышать о бурном развитии научной популяризации в России; но сложно ожидать внятных представлений о происходящем в современной науке от людей, с наукой прямо не связанных, хотя бы и имеющих университетское образование. Более того, сейчас уже невозможен и специалист по «физике вообще» (то же самое и в других науках). Сокращенное, адаптированное, т.е. «популярное», изложение научных результатов необходимо для сохранения связности и общности представлений о современном мире хотя бы внутри образованной части общества. Не менее важно это для ориентации студенческой молодежи, которой предстоит выбирать, чем заниматься в науке. Поэтому достоин всяческого одобрения и уважения честный труд научных работников и журналистов, которые этим занимаются.

Цель науки – получение новых сведений об устройстве окружающего мира, установление связей между этими сведениями, развитие понимания причин различных явлений и их взаимосвязи. Люди занимаются этим много веков, наука очень сильно специализировалась, особенно в последние полвека. Число “лиц ученого звания” возросло за эти полвека многократно — это один из примеров инфляции. Надо понимать, что в общие курсы физики, например, не входит почти ничего из созданного в физике за последние лет 50-60. Ниже пойдет речь только о самой часто встречающей форме популяризации науки, когда автор свежей статьи в уважаемом научном журнале совместно с научным журналистом производит нечто вроде пересказа сути своего достижения в форме, призванной быть понятной народу. Это полезно, если удается объяснить суть полученного научного результата, да еще если и результат того стоит.

Однако проблема в том, что очень легко, а часто и материально выгодно заниматься такого рода деятельностью нечестно, когда публике рассказывают наукообразные байки. В байках такого рода обычно присутствуют претензии на фундаментальность открытия (очень полезно «опровергнуть» какой-нибудь важный закон природы; особенно в этом отношении популярны законы термодинамики), его практическую применимость и указание на «мультидисциплинарность» проведенного исследования. Крайне желательно, чтобы исследование не ограничивалось, к примеру, физикой конденсированного состояния (а это сама по себе огромная научная область), еще декларируется какое-то отношение к теории струн (уже лет тридцать претендующей на объяснение всей основы мироздания) или, скажем, к биологии.

Какая-то поверхностная связь с результатом самой научной работы, которую текст (пресс-релиз или беседа с журналистом) «популяризирует», должна присутствовать хотя бы на уровне словоупотребления, но не обязательно, чтобы достижения, предъявляемые публике, действительно содержались в исходной статье. Сам журналист, готовящий публикацию, не может разобраться, что действительно сделано в работе, опубликованной, например, в Nature, а что является лишь предметом фантазий ее автора.

Более того, статья в условном Nature или Science (не говоря уж о журналах попроще) может вообще не иметь научного смысла. Есть много примеров, когда сколь угодно рейтинговые журналы публикуют чушь или банальности под видом научных достижений, несмотря на то что у них есть строгое рецензирование, критерии и проч. Сбои в работе этой системы весьма нередки, поскольку любой бурно развивающийся рынок поражает инфляция. Авторы сомнительных сочинений, которые как-то удалось просунуть в престижный научный журнал, чаще всего и склонны к обману публики под видом «популяризации». За это платят грантами и престижными позициями, а теперь и среди официальных «показателей работы» российских научных институтов фигурирует «количество упоминаний в СМИ».

Распределяют эти блага, как правило, администраторы, в науке мало что понимающие. Они ориентируются на “формальные показатели”, которые при желании легко подделать. Если вы печете хлеб или шьете башмаки, вам (в условиях рыночной экономики, разумеется) довольно сложно процветать, производя халтуру. Потому что конечный потребитель ее немедленно обнаруживает органолептически и продукцию вашу более не покупает. Иное дело с научными достижениями: тут конечный потребитель — всё общество, а оценка качества “продукции” хоть и происходит, но очень не быстро, годами и десятилетиями. За это время можно очень даже преуспеть. Защита науки от фальсификаций невозможна, если в научном сообществе разрушены представления об этике и не работает институт репутаций. Отчасти это уже произошло во всем мире, хотя и в разной степени в разных его частях.

Желание бездарных администраторов руководить процессами принятия решений в науке путем автоматизированного анализа (публикационной активности, цитируемости и т.п.) губит науку наиболее быстро и эффективно, даже эффективнее безденежья. Потому что основанная на этой цифири система принятия решений провоцирует развитие прохиндейства вместо науки, каковое лет за 10–15 становится доминирующим типом поведения. Так что почва для массовых фальсификаций — вместо популяризации науки — уже создана и унавожена решениями государственных органов.

Рассмотрим всего лишь пару примеров.

Из отечественной науки

В январе 2017 года пресс-служба МФТИ опубликовала сообщение под заголовком «Второй закон термодинамики может нарушаться в квантовом мире» [1], рассказывающее о статье группы авторов под руководством докт. физ.-мат. наук Г. Б. Лесовика. Эта статья под заголовком ”H-theorem in quantum physics” [2] появилась в журнале Scientifc Reports, входящем в издательскую группу Nature. Пресс-релиз многократно тиражировался в различных сетевых изданиях и приобрел некоторую известность. Разберемся, как он устроен и какое отношение имеет к статье в Sci. Rep. Оба текста находятся в свободном доступе, так что читатель может сам во всем убедиться.

Вот ключевые утверждения пресс-релиза (выделение жирным шрифтом — мое. — М. Ф.): «В результате ученые обнаружили условия, при которых второй закон термодинамики может локально нарушаться. Это может происходить в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — сантиметры и даже метры. Существенное различие состоит в том, что если в классической физике уменьшение энтропии связано с передачей тепловой энергии, то в квантовом мире снижение энтропии может происходить без передачи энергии — за счет квантовой запутанности. „Мы можем «вычистить» состояния за счет квантовых эффектов“, — объясняет Лесовик. По его словам, ученые в ближайшее время планируют провести экспериментальную проверку этого эффекта.

Такой эксперимент откроет возможность создания квантовых холодильников и двигателей нового типа».

Подчеркиваю, этот пресс-релиз не продукт фантазии журналистов, он записан ими со слов самого Г. Б. Лесовика.

Теперь обратимся к оригинальной публикации. Здесь неуместно обсуждать научную постановку вопроса, предложенную в статье в Scientifc Reports, — это достойно отдельного разговора. Мы просто поглядим на заявленные результаты. Первый из них относится к изменению энтропии системы, состоящей из одной квантовой частицы, которая рассеивается на контакте из трех проволок (изображен на рис. 1). Частица прилетает из проволоки 1 и вылетает через проволоки 2 и 3. Результат произведенного авторами вычисления приведен в начале стр. 4, он состоит в том, что энтропия рассматриваемой системы (в которой не происходит, по мнению авторов, изменения энергии) при некоторых условиях может уменьшиться на 0,05 k_B (где k_B — постоянная Больцмана). Напомним, что максимальная энтропия одного «бита» — системы, которая может находиться в одном из двух состояний, — равна k_B ln2 ≈ 0,7 k_B.

Следующий результат (раздел ”Elastic scattering”) относится к задаче о рассеянии частицы на системе из N других частиц. Авторы получили, что в пределе очень большого числа N >> 1 условия справедливости H-теоремы Больцмана всегда восстанавливаются (даже если они могли быть нарушены для малого количества частиц), см. формулу (11) и сопутствующий текст. В частности, авторы пишут: ”Thus the evolution of the considered 3D system occurs with ΔS > 0”. Иначе говоря, они убедились, что в большой квантовой системе (N >> 1) энтропия возрастает, как и утверждал Людвиг Больцман более 100 лет назад.

Еще один раздел статьи называется ”Scattering on two-level systems” и никаких результатов (которые, например, можно было бы сравнить хоть с каким-то экспериментом или с другой теорией) не содержит, а содержит лишь некоторые рассуждения. Зато в конце этого раздела имеется следующее: ”This may result, in general, in a non-monotonic entropy evolution. This issue requires a separate study and will be a topic of a forthcoming work”. В переводе на русский: «Это, может быть, приводит к немонотонному изменению энтропии со временем. Данный вопрос нуждается в отдельном исследовании и будет предметом дальнейшей работы».

Подведем итог: результативно статья Г. Б. Лесовика и др. в Sci.Rep. сообщает, что в системе из одной частицы энтропия иногда (если постараться) может и чуть-чуть уменьшиться, но в системе из многих частиц такого никак не происходит. Никакого сюрприза — и первое, и второе давно известно. Заметим заодно, что никаких вообще единиц измерения длины в работе не упоминается. Нет там ни сантиметров, ни даже нанометров.

Теперь вернемся к пресс-релизу, где сказано: «…ученые обнаружили условия, при которых второй закон термодинамики может локально нарушаться. Это может происходить в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — сантиметры и даже метры».

Эта ключевая для всего текста релиза фраза представляет собой прямую ложь.

Ничего подобного авторы не обнаружили, и в своей статье в Sci. Rep. они этого не заявляли. И вряд ли в противном случае им бы удалось опубликовать статью. В самом деле, в «системе размером в сантиметры» обычно имеется порядка N ~ 10²³ частиц. Это очень большое число, и никаких шансов на уменьшение энтропии в замкнутой системе такого размера авторами не предложено. Даже и для куда меньшего N ~ 10⁴ частиц тоже не предложено. Так что никак не следует ожидать, что их деятельность «откроет возможность создания квантовых холодильников и двигателей нового типа».

Подчеркнем: всё, что имеется в исходной статье в Sci. Rep. про уменьшение энтропии в большой замкнутой системе, — это намерение авторов в будущем изучить такую возможность.

Это пример двухходовки: статья в журнале — про одно, а ее реклама — про другое. Более замысловато обстоит дело с американским примером, о котором ниже.

Американский пример

19 июля 2017 года газета The New York Times публикует статью, озаглавленную ”An Experiment in Zurich Brings Us Nearer to a Black Hole’s Mysteries” [3] и посвященную вышедшей незадолго перед этим статье в Nature [4] ”Experimental signatures of the mixed axial–gravitational anomaly in the Weyl semimetal NbP”. В авторах — большая группа физиков из Германии, Швейцарии, Испании и США.

Статья сообщает о результатах измерения проводимости и термоэлектрического эффекта в полуметалле NbP при наличии магнитного поля. Этот материал особый в том смысле, что свойства электронов в нем пограничные между металлами и полупроводниками: энергетический спектр электронов имеет особые точки k_i в пространстве импульсов, около которых энергия линейно зависит от импульса: ε (k) ~ | k – k_i |. Таких особых точек обязательно четное число. Это похоже на трехмерную версию знаменитого уже графена. Существует целый класс подобных веществ, они называются «вейлевские полуметаллы». Авторы измерили электропроводность этого вещества в магнитном поле B, направленном вдоль электрического поля E, и нашли, что она растет с ростом величины B. Обычно не так: проводимость металлов или полупроводников в таких условиях падает с ростом B. Обнаруженное явление связано с аналогом «киральной аномалии», давно известной в теории сильных взаимодействий. В статье при обсуждении подходов к объяснению результатов упоминается стандартный метод вычислений, основанный на формуле Кубо. Авторы измерили также зависимость термоэлектрического эффекта от магнитного поля (он, в отличие от проводимости, с «киральной аномалией» не связан).

Итак, имеется содержательный, но ничего революционного в себе не заключающий эксперимент. Опубликовать такую статью в Nature проблематично, и уж тем более это не предмет для The New York Times. Поэтому авторы начинают расцвечивать картинку. Для этого используется ранее опубликованная теоретическая статья ”Hydrodynamic theory of thermoelectric transport and negative magnetoresistance in Weyl semimetals” [5], где приведено схематическое вычисление зависимости термоэлектрического эффекта от величины магнитного поля, а главное, заявлено, что такая зависимость есть признак «гравитационной аномалии». Эти два слова производят магическое действие, несмотря на то что отношения к делу не имеют: термоэлектрический эффект (и зависимость его от магнитного поля) существует без таких аномалий по причинам давно известным. Но в экспериментальной статье там и здесь упоминаются явления со звучными названиями, не имеющие отношения к полуметаллу NbP, а «гравитационная аномалия» выносится даже в заглавие статьи. При обсуждении возможных интерпретаций результатов наряду с наиболее естественной (и проверяемой прямым вычислением) всегда упоминаются еще одна-две других, главное назначение которых — протянуть ниточку от обычного электрического измерения к абстрактным объектам, которые изучает теория струн. В научной статье это выглядит еще относительно скромно. Картина радикально меняется в рекламном тексте, опубликованном The New York Times: там почти ничего не говорится о реальном содержании статьи из Nature, но как минимум на 2/3 объема содержатся слова про кварки, струны, «стандартную модель», а также цитируются зажигательные реплики авторов статьи из Nature: ”Dr. Landsteiner said the movement of electrons in a semimetal is very much like the behavior of matter at the event horizon of a black hole, the region where the gravitational pull is so strong that not even light can escape”.

Увы, движение электронов в NbP не имеет на самом деле никакого отношения к черной дыре. И про черную дыру в статье в Nature ничего не говорится.

“The experiment is also a success for string theory, or at least an offshoot of the underlying mathematics. By imagining particles as strings vibrating in 10 or more dimensions, physicists have been trying to tie gravity into the Standard Model, the laws of physics that describe the other forces in the universe. But such attempts at a grand unified explanation of fundamental physics have been maligned because they do not produce testable predictions.
Here, Dr. Landsteiner said, some of the techniques that originated in string theory turned out to be useful for something different: to calculate the expected anomaly. “It puts string theory onto a firm basis as a tool for doing physics, real physics,” he said”.

Следите за руками, здесь три хода:

1. эксперимент, вполне объясняемый обычными методами теории твердого тела (но можно также поспекулировать про его интерпретации в выражениях, принятых среди пишущих «про струны», — впрочем, конкретного вычисления таким методом не приводится);
2. теоретическая статья, содержащая весьма приблизительное вычисление подобного эффекта, но вся наполненная отсылками к возвышенным «теориям всего»;
3. слияние 1) и 2) приводит к PR-эффекту, подобному взрыву закритической массы урана-235: на основании употребления в научной статье слов про «гравитационную аномалию» делается вывод в статье популярной: ”It puts string theory onto a firm basis as a tool for doing physics, real physics”. И неважно уже, что теория струн строится для 11-мерного (или более) пространства, а полуметалл существует в нашем обычном, трехмерном.

И конечно, никак не обходится без обещания «практических приложений»: ”This could be opening the door to something new,” said Bernd Gotsmann, …, who said the company was investigating how the anomaly could be exploited for generating electricity out of waste heat and for other uses”.

Это он про обычный термоэлектрический эффект…

А также: ”The advance could have practical uses in electronics, similar to how the invention of the transistor led to computer chips”.

Тут уже чисто ритуальное — как лозунги «Слава КПСС» в давно почившем СССР.

Выводы

С течением времени всё большая часть сочинений, как бы популяризирующих науку, будет состоять из фальсификаций. Массовый продукт, лишенный критериев быстрой оценки качества, на это обречен. Вопрос лишь в том, будет ли параллельно существовать и другая, честная и надежная, популяризация науки. Она может выжить, если найдется заметное количество ученых и научных журналистов, которые в этом заинтересованы и научатся друг другу помогать. Те журналисты, которые искренне хотят писать о реальных достижениях науки, а про bullshit писать не хотят, нуждаются в помощи научных работников, которые способны в своей области компетенции отличить одно от другого. Конкретные идеи о том, как это можно устроить, имеются.

Возможно, в области популяризации науки и сложится свой круг приличных изданий, к которым смогут обращаться люди, желающие знать, как на самом деле устроен мир.

Михаил Фейгельман,
докт. физ.-мат. наук, зам. директора Института теоретической
физики им. Л. Д. Ландау

1. https://mipt.ru/newsblog/lenta/vtoroy_zakon_termodinamiki_mozhet_narushatsya_v_kvantovom_mire
2. nature.com/articles/srep32815
3. nytimes.com/2017/07/19/science/mixed-axial-gravitational-anomaly-weyl-semimetals-ibm.html
4. nature.com/nature/journal/v547/n7663/full/nature23005.html
5. pnas.org/content/113/34/9463.full