Почему открытие "ничего" в науке может быть таким невероятно важным

В науке, как и в жизни, мы все любим праздновать большие новости. Мы подтвердили существование черных дыр по пульсациям, которые они создают в пространстве-времени. Мы сфотографировали тень черной дыры. Мы выяснили, как редактировать ДНК. Мы нашли бозон Хиггса!

О чем мы обычно не слышим, так это о годах изнурительной, кропотливой работы, которая приносит неубедительные результаты, не давая никаких доказательств на вопросы, которые задают ученые - постепенное применение ограничений, которые все больше приближают нас к поиску ответов и совершению открытий.

Однако без необнаружения - того, что мы называем нулевым результатом - прогресс науки часто замедлялся бы и тормозился. Нулевые результаты заставляют нас двигаться вперед. Они удерживают нас от повторения одних и тех же ошибок и определяют направление будущих исследований.

На самом деле, мы можем многому научиться из ничего.

Однако часто нулевые результаты не попадают в научные публикации. Это не только может привести к значительной неэффективности в научной деятельности, но и является индикатором потенциально более серьезных проблем в текущих процессах научных публикаций.

"Мы знаем, что нежелание публиковать нулевые результаты оказывает сильное искажающее воздействие", - сказал ScienceAlert психолог Маркус Мунафо из Бристольского университета.

"Решение проблемы не является простым, потому что очень легко получить нулевой результат, проведя неудачный эксперимент. Если мы наводним литературу еще большим количеством нулевых результатов путем проведения некачественных исследований, это не обязательно поможет решению основной проблемы, которая в конечном итоге заключается в получении правильных ответов на важные вопросы".

Определение проблемы

Нулевая гипотеза определяет параметры, при которых результаты исследования будут неотличимы от фонового шума. Гравитационно-волновая интерферометрия - хороший, аккуратный пример: Сигналы, создаваемые гравитационными волнами, очень слабые, и существует множество источников шума, которые могут повлиять на датчики LIGO. Подтвержденное обнаружение может быть сделано только после того, как эти источники будут окончательно исключены.

Если исключить эти источники не удается, то это называется нулевым результатом. Это не означает, что гравитационные волны не были обнаружены; это просто означает, что мы не можем с уверенностью сказать, что мы сделали обнаружение.

Это может быть действительно полезно, и в некоторых областях - таких как космология и гравитационно-волновая астрономия - публикация нулевых результатов помогает ученым скорректировать параметры будущих экспериментов.

В других областях, где результаты могут быть скорее качественными, чем количественными, нулевые результаты ценятся меньше.

"Часть проблемы многих поведенческих и медицинских наук заключается в том, что мы не можем делать количественные прогнозы", - объясняет Мунафо.

"Поэтому мы просто ищем доказательства наличия эффекта или ассоциации, независимо от их величины, что создает проблему, когда, если мы не находим доказательств наличия эффекта, мы не устанавливаем никаких параметров того, будет ли такой маленький эффект иметь значение - биологическое, теоретическое, клиническое. Мы не можем ничего с этим сделать".

Необыкновенное ничто

При правильном использовании нулевой результат может привести к необычным открытиям.

Один из самых известных примеров - эксперимент Майкельсона-Морли, проведенный физиками Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом У. Морли в 1887 году. Пара пыталась определить скорость движения нашей планеты относительно "светящегося эфира" - среды, через которую, как считалось, проходит свет, подобно тому, как волны проходят через воду.

По их предположению, при движении Земли в космосе встречные волны света, проходящие через совершенно неподвижный океан эфира во Вселенной, должны двигаться с несколько иной скоростью, чем волны, проходящие под прямым углом к нему. Их эксперименты были изобретательными и кропотливыми, но, конечно, ничего подобного они не обнаружили. Нулевой результат показал, что скорость света постоянна во всех системах отсчета, что Эйнштейн впоследствии объяснит в своей специальной теории относительности.

В других случаях нулевые результаты могут помочь нам в разработке приборов и будущих экспериментов. Обнаружение сталкивающихся черных дыр с помощью гравитационных волн произошло только после того, как годы нулевых результатов позволили усовершенствовать конструкцию гравитационно-волнового интерферометра. В то время как в ЦЕРНе физики до сих пор не обнаружили сигнал темной материи в экспериментах по столкновению частиц, что позволило наложить ограничения на то, чем он может быть.

"Нулевые эксперименты - это лишь часть всего спектра наблюдений", - сказал ScienceAlert астрофизик Джордж Смут III из Калифорнийского университета в Беркли. "Иногда вы видите что-то новое и удивительное, а иногда - нет". 

Когда речь идет о твердых цифрах, нулевые результаты часто легче интерпретировать. В других областях может быть мало стимулов для публикации.

Последствия необнаружения не всегда ясны, а исследования, в которых были сделаны важные выводы, привлекают больше внимания, получают больше финансирования и чаще цитируются. Клинические исследования с положительными результатами имеют больше шансов быть опубликованными, чем исследования с отрицательными или нулевыми результатами. Когда речь идет о том, чтобы решить, кто получит грант на исследование, эти вещи имеют значение.

Ученые тоже очень занятые люди, у них много потенциальных направлений исследований, которыми они могли бы заняться. Зачем гнаться за нулевой гипотезой, если можно потратить свое время на исследования, которые с большей вероятностью будут замечены и приведут к дальнейшим возможностям для исследований?

Публиковать или не публиковать

Помимо того, что упускается важный контекст, который может помочь нам узнать что-то новое о нашем мире, неопубликование нулевых результатов также может привести к неэффективности, и, что еще хуже, может даже отбить желание у молодых ученых делать карьеру, в чем Мунафо убедился на собственном опыте. Будучи молодым аспирантом, он решил повторить эксперимент, в котором был обнаружен определенный эффект, и думал, что его результаты, естественно, будут такими же.

"Но это не сработало. Я не нашел этого эффекта в своем эксперименте. Поэтому, будучи начинающим исследователем, вы думаете: "Ну, наверное, я сделал что-то не так, может быть, я не создан для этого", - сказал он.

"Мне повезло, что я столкнулся со старшим научным сотрудником, который сказал: "О, да, никто не смог воспроизвести этот результат". Если вы работаете в этой области достаточно долго, вы узнаете о таких вещах из разговоров на конференциях, из собственного опыта и так далее. Но для того, чтобы узнать это, нужно оставаться в этой области достаточно долго. Если вам не повезет, и этот человек скажет вам, что это не ваша вина, а просто сам факт того, что находка довольно зыбкая, вы можете в итоге уйти из этой области".

Академические издания тоже пытаются решить эту проблему. В 2002 году был создан уникальный проект - "Журнал отрицательных результатов в биомедицине" - для поощрения публикации результатов, которые иначе не увидели бы свет. Он закрылся в 2017 году, заявив, что справился со своей миссией, поскольку многие другие журналы последовали его примеру и стали публиковать больше статей с отрицательными или нулевыми результатами.

Однако поощрение ученых к тому, чтобы их отрицательные результаты стали известны, иногда может оказаться почти бесплодным. С одной стороны, существует вероятность появления большого количества плохо задуманных, плохо спланированных, плохо проведенных исследований. Но возможно и обратное.

В 2014 году журнал Journal of Business and Psychology опубликовал специальный выпуск, посвященный нулевым результатам, и получил на удивление мало заявок. Это, по мнению редакторов, может быть связано с тем, что сами ученые привыкли считать, что нулевые результаты ничего не стоят. В 2019 году Берлинский институт здравоохранения объявил о вознаграждении за повторные исследования, явно приветствуя нулевые результаты, однако получил только 22 заявки.

Это отношение может измениться. Мы видели, что это может произойти; например, Смут извлек много полезного из нулевых результатов.

"Поиск антиматерии в космических лучах - это был нулевой эксперимент, который убедил меня в том, что в нашей галактике нет серьезного количества антиматерии и, вероятно, в гораздо больших масштабах, несмотря на то, что существует большая симметрия между материей и антиматерией", - сказал он.

"Следующий нулевой эксперимент проверял нарушение углового момента и вращения Вселенной. Хотя это вполне мыслимо, нулевой результат очень важен для нашего мировоззрения и космологии, и именно он послужил для меня первоначальной мотивацией использовать космическое микроволновое фоновое излучение для наблюдения и измерения Вселенной. Это привело к большему количеству нулевых результатов, но также и к некоторым крупным открытиям".

В конечном счете, это может быть медленный процесс. Публикация должна стимулировать не сами по себе нулевые результаты, а исследования, построенные таким образом, чтобы эти результаты можно было интерпретировать и публиковать в соответствующем контексте. Это отнюдь не тривиальная задача, но крайне важная для научного прогресса.

"Получение правильного ответа на правильный вопрос имеет большое значение", - сказал Мунафо.

"И иногда это означает нулевые результаты. Но я думаю, что нам нужно быть осторожными и не делать публикацию нулевого результата самоцелью; это средство достижения цели, если оно помогает нам получить правильный ответ, но для этого нужно нечто большее, чем просто публикация нулевых результатов".

"В конечном счете, нам нужны более четко сформулированные вопросы и лучше спланированные исследования, чтобы наши результаты были надежными и информативными, независимо от того, каковы они".