Текст книги "Шанс есть! Наука удачи, случайности и вероятности"

Джек Коэн, Йен Стюарт, Ричард Вайсман, Ник Лейн, Роберт Мэтьюз, Пол Дэвис, Дилан Эванс, Стивен Баттерсби, Лаура Спинни, Анил Анантасвами, Марк Бучанан, Влатко Ведрал, Катрин де Ланж, Грэм Лоутон, Генри Николс, Регина Нуццо, Кейт Равилиус, Анджела Саини, Элен Томпсон, Клэр Уилсон, Боб Холмс, Грегори Чайтин, Дэвид Шига
Шанс есть! Наука удачи, случайности и вероятности

© New Scientist, 2015

© Лаборатория знаний, 2017

* * *

Введение

В 1989 году английский подросток по имени Ричард Хилл, один из жителей городка Суиндон, отправился в небольшое путешествие. Он двинулся на север и добрался до Манчестера, где переночевал у друга одного из своих приятелей. На следующий день Энн, мать этого друга, собиралась в Оксфорд и предложила Ричарду подвезти его, поскольку оказалось, что им по дороге. Он согласился.

Во время поездки Ричард упомянул, что живет в одном из близлежащих городков – в Суиндоне.

– Вот как, – отозвалась Энн. – Может быть, вы знаете такого Майкла Брукса? Он как раз живет в Суиндоне. Ему лет двадцать.

Возникла пауза.

– Он помолвлен с моей сестрой, – сообщил Ричард.

– Ну и ну, – удивилась Энн. – Он мой пасынок.

Я не видел мужа Энн – моего отца – примерно с годовалого возраста. Но по чистой случайности мой будущий шурин остановился в доме моего отца. По чистой случайности жена моего отца на следующий день направлялась в ту же сторону, что и путешественник. По чистой случайности в разговоре всплыла тема, вскрывшая эту странную и в чем-то почти пугающую связь между ними.

Наверняка вы тоже можете рассказать что-нибудь подобное. Такие истории упорно сопротивляются попыткам объяснить их, и мы невольно наделяем их каким-то глубоким смыслом. Мы, Ричард, Энн и я (кстати, мы теперь регулярно общаемся – как раз благодаря тому случайному событию), до сих пор не знаем, какой вывод сделать из этого необыкновенного совпадения. Мы относимся к нему серьезно – как к некоему поворотному моменту в нашей жизни. Но вот правильно ли это?

Чтобы ответить на сей вопрос, следует разобраться, что же такое «случайность». Оказывается, это гораздо труднее, чем может показаться на первый взгляд.

«Каковы шансы?..», «какова вероятность?..». Такие вопросы слышишь каждый день повсюду, где есть люди. Обычно у нас нет ответа – во всяком случае, правильного. Али Биназир, автор научно-популярных книг, подсчитал, прикинув вероятность встречи ваших родителей, успешного оплодотворения яйцеклеток и продолжительности жизни человека, что шансы вашего существования составляют якобы 1 из 10^2685000 (как нетрудно догадаться, приведенное число – единица с 2 685 000 нулями).

Такая вероятность кажется на первый взгляд очень впечатляющей. Возникает чувство ужаса, трепета и восторга. Но все это чушь. Вы – результат всех этих событий, происходящих на самом деле, каковы бы ни были шансы для двух случайно выбранных людей полюбить друг друга или для определенного сперматозоида оплодотворить определенную яйцеклетку. То же самое касается и всех других людей на планете. Нет какого-то набора людей, которые не рождаются, так что нет и никакого способа вычислить вероятность вашего успешного появления на свет и дальнейшего существования. Мне очень неприятно вас разочаровывать, но вы никакое не чудо, что бы там ни утверждал Бина-зир. Вы просто звено в длинной цепочке событий.

Впрочем, нельзя отрицать роль случайности в нашей Вселенной. В конце концов, именно случай, судя по всему, является самой глубинной и фундаментальной основой законов физики. Как следует вглядитесь в то, как устроен мир, – и вы обнаружите, что имеете дело с квантовой теорией. Она описывает мир чрезвычайно малых штуковин, из которых состоит материя. Атомы, электроны, протоны (и кварки – составные части протона) подчиняются законам квантовой физики. А эти законы во многих смыслах «беззаконны». По сути, в основе квантовой теории не лежат причинно-следственные связи. К примеру, если я измеряю такое квантовое свойство как спин электрона, спин может оказаться положительным или отрицательным. Но результат каждого отдельного измерения совершенно непредсказуем: он ведет себя как случайная величина. Одно из самых известных крылатых высказываний в науке – реакция Эйнштейна на этот факт, его отказ поверить, что Вселенная и в самом деле действует именно так. Некогда он сказал физику Нильсу Бору: «Бог не играет в кости».

Ответ Бора блистателен. Он пожурил Эйнштейна: мол, напрасно вы указываете Богу, что ему делать. Бор прав: не следует доверять нашему интуитивному ощущению, что всякое следствие обязано иметь причину. Такое представление постепенно сформировалось у человека на протяжении тысячелетий – из-за необходимости выживать во враждебной среде. Нашим предкам легче было существовать, предполагая, что вон тот куст шевелится, потому что за ним прячется готовый к прыжку тигр, ведь не могут же листья дрожать просто так, без всяких оснований. Действия, направленные на то, чтобы избегать опасности, не всегда бывают необходимы, но «береженого Бог бережет».

По тем же самым причинам случайность обезоруживает нас, вынуждая придавать значение событиям, которые никакого значения не имеют. Мы наивно дивимся тому, что у двух человек, встретившихся на вечеринке, совпадают дни рождения. Возникает все тот же вопрос: «Какова вероятность?..». Но если в комнате 23 человека или больше, общий день рождения – со статистической точки зрения вещь вполне вероятная.

Предупреждение: если вы станете прилюдно изображать из себя специалиста по статистике дней рождения, это не сделает вас душой компании. Видите ли, серьезная работа со случайностью требует нешуточных умственных усилий, а на праздничных сборищах они требуются редко. Однако случайность не всегда связана с напряженными размышлениями: она порой способна привести к удовольствиям и даже к нежданному успеху.

Разберитесь, как человеческий мозг оперирует со случайностью, – и вы, возможно, станете чемпионом мира по такому виду спорта, как «камень-ножницы-бумага». Познакомьтесь с ее математическими законами – и вы сможете зарабатывать, делая ставки в футбольном тотализаторе, независимо от того, кто победит в матче. Возможно, вам даже удастся обыгрывать казино – по крайней мере, некоторое время. Погрузитесь в мифы о прирожденных счастливчиках или о родившихся под несчастливой звездой (и оттого обреченных страдать) – и вы обнаружите, что способны сами ковать собственную удачу.

Шекспировский Ромео, типичный невезучий влюбленный, считал себя «шутом судьбы», игрушкой провидения. Но ученые не сидят сложа руки, праздно ожидая, чтобы судьба сделала их достойными Нобелевской премии. Они упорно повышают свои шансы, анализируя счастливые случайности, и в работе – за письменным столом или в лаборатории – делают все, чтобы с наибольшей вероятностью натолкнуться на новые открытия. Похоже, следует весьма серьезно воспринимать утверждение Луи Пастера: «Случай благоприятствует лишь подготовленному уму».

Наверное, серьезнее всего элемент случайности применяется в суде. Если вы когда-нибудь входили в число присяжных, вы наверняка испытывали не очень-то приятное чувство: вы принимаете решение, способное изменить жизнь человека (правда, тут есть небольшое утешение: речь всегда идет о жизни кого-то другого), на основе куда меньшего количества информации, чем вам хотелось бы. Судебные дела редко бывают очевидными: часто вердикт присяжных зависит от представлений членов жюри о возможности и вероятности. И здесь наш примитивный мозг, опять-таки, зачастую подводит нас. Даже судебные эксперты иногда трактуют случайность неправильно. Неудивительно, что сейчас юристы предпринимают такие усилия для того, чтобы преобразовать процедуру работы со случайностью.

На последующих страницах вы найдете рассказы об этих и многих других совершающихся сейчас кардинальных преобразованиях. К примеру, вы прочтете о возможностях взбунтоваться против устоявшихся структур цифрового мира и вернуть в вашу жизнь немного остроты и непредсказуемости. Вы научитесь использовать неожиданность как оружие и даже узнаете, как лучше всего искать потерянные ключи от машины. Попутно вам, быть может, придется столкнуться с вопросом о свободе воли (обладаете ли вы такой свободой?) и о том, является ли будущее Вселенной чем-то заранее предопределенным или же тут сплошная неопределенность. Но в итоге у вас наверняка сложится понимание тех событий, случаев и случайностей, которые вас сформировали: эти события тянутся в прошлое очень далеко – до первых моментов после Большого Взрыва.

Случайность – повсюду. И так было всегда. Она таилась в первичных квантовых флуктуациях, которые привели к возникновению Млечного Пути. Она породила нежданную генетическую мутацию, которая дала мозгу первых людей доступ к невиданным запасам глюкозы, питающей мышление. Возможно, она даже сыграла свою роль в том, что эта книга сегодня оказалась у вас в руках. Может быть, ваш друг или любимый человек вдруг ни с того ни с сего решил вам ее подарить. А может, вы сами ее купили, потому что опоздали на поезд, забрели в зал ожидания на вокзале и нашли оставленную кем-то газету с положительной рецензией. А может, вы наткнулись на эту книгу, бродя между шкафами в книжном магазине или в библиотеке. На самом деле это не очень-то важно. Важно то, что вы ухватились за этот шанс и начали читать. Вам предстоит настоящее пиршество для ума, и есть вероятность, что это будет как раз один из этих нежданных счастливых случаев – один из поворотных моментов, меняющих все. И если случай действительно благоволит подготовленному уму, считайте, вам повезло.

Майкл Брукс

Глава 1. Нам посчастливилось оказаться здесь

Случайные события – от большого взрыва до рождения человека как вида

Начнем наше изучение случайности с рассмотрения цепочки случайных событий от образования Вселенной к возникновению человеческих существ вроде нас с вами. Разумеется, нет никого, кто бы в точности на вас походил. Вы когда-нибудь, глядя на сестру или брата, задумывались над тем, откуда взялась разница между вами? Возможно, вы и обладаете общими генетическими корнями, но вы не полностью идентичны, даже если вы близнецы. Разного рода случайные повороты привели к тому, что вы совершенно уникальны. Похоже, то же самое верно и в отношении эволюции человека и человеческой жизни. Речь идет о необычайном путешествии, полном поразительных флуктуаций. Вселенная не обязана была производить материю, не говоря уж о создании планеты с достаточно стабильным климатом, подходящим для появления жизни. Более того, жизнь (особенно сложная, многоклеточная) тоже не должна была появиться. То же самое касается и биологических видов. И когда мы доберемся до рассказа о случайных мутациях, которые сделали человека таким, каким он стал, вы наверняка будете лишь тихо изумляться: как же нам всем повезло оказаться в числе существующих на Земле объектов.

Космическая лотерея

Начнем с самого начала. Стивен Баттерсби и Дэвид Шига как раз готовы объяснить наше космологическое везение. Оказывается, вся наша Вселенная – просто выверт судьбы, флуктуация!

Можно лишь гадать, какие космические совпадения предшествовали зарождению нашей Вселенной. Достаточно сказать, что примерно 13,82 миллиарда лет назад (плюс-минус иоктосекунда[1]1
  1 иоктосекунда = 10^–24 с. (Здесь и далее прим. перев.)


[Закрыть]) космос решал, каким он станет, когда вырастет.

«Я стану гораздо больше»: видимо, он подумал именно так, если верить самой популярной модели ранних стадий существования Вселенной. Согласно теории расширяющейся Вселенной (инфляционной модели), новорожденную Вселенную пронизывало так называемое инфляционное поле. Оно вызвало экспоненциальное расширение космоса в течение примерно 10^–32 с, сделав его плоским и однородным.

Это неплохо объясняет некоторые характеристики нашей Вселенной, которые плохо поддавались трактовке. Но самое любопытное здесь то, что инфляционное поле, пусть и практически однородное, не было совершенно идентичным для каждого кусочка пространства. Причина этого – случайные квантовые флуктуации: они делали пространство чуть более плотным в одном месте и чуть менее плотным – в другом. Тут нам повезло: полная однородность сделала бы Вселенную совсем другой, неинтересной и почти наверняка безжизненной. Случилось так, что один из этих случайных микроскопических квантов шума, усиленных гравитацией, в итоге вырос в гигантское сообщество галактик и их скоплений, именуемое Сверхскоплением Девы. Среди множества его участков – малопримечательный всклокоченный куст, который мы именуем локальной группой. В ней-то и располагается Млечный Путь – наш дом.

Мы знаем все это благодаря тому, что астрономы, вглядываясь в глубины космоса, способны различить пестрый узор космического фонового микроволнового излучения. Это своего рода моментальный снимок процесса роста и объединения, в ходе которого первые стабильные атомы образовались спустя примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва. Вариации в этом узоре кажутся совершенно случайными и произвольными. Большинство физиков полагают, что породившие сей узор квантовые флуктуации не имели под собой вообще никакой причины. Иными словами, среди всех счастливых случаев этот – наиболее случайный.

Потом появилась материя. Весьма необычайным кажется уже то, что она вообще существует: космос легко мог бы обойтись без нее. Тогда он просто представлял бы собой скучный океан излучения. Дело в том, что после первоначального расширения Вселенная все же продолжала оставаться невообразимо горячей и плотной. Она была наполнена частицами материи и антиматерии – электронами, позитронами, кварками, антикварками и другими. И все они сновали в ней без всякой определенной цели. Стабильные союзы между частицами, способные порождать звезды, планеты и жизнь, возникнут лишь где-то в отдаленном будущем. И, что тревожнее всего, частицы материи и антиматерии присутствовали в этой смеси в равных количествах (как могло бы показаться проходящему мимо наблюдателю). А значит, ситуация была очень опасная.

Если верить стандартным теориям, вещество и антивещество появились после Большого взрыва в одинаковых количествах. Поскольку при контакте они взаимно аннигилируют, порождая пары фотонов высокой энергии, в сегодняшнем космосе должно было бы существовать лишь одно совершенно неинтересное излучение. Для того чтобы мы с вами могли существовать, что-то – материя или антиматерия – должно было победить: нельзя создать планету или человека из света.

К счастью, было нечто, которое, судя по всему, благоприятствовало созданию материи в самый критический момент – в первые мгновения после Большого взрыва. Небольшого избытка материи по отношению к антиматерии (всего одной лишней частицы вещества на миллиард) было достаточно, чтобы в конце концов привести к сегодняшнему положению дел, когда во Вселенной так много материи. Но как же мог возникнуть такой дисбаланс?

Хотя в некоторых взаимодействиях элементарных частиц и наблюдается своего рода диспропорция в пользу материи, она все же слишком незначительна, чтобы создать даже столь небольшое преимущество. Поэтому физики предполагают, что в ранней Вселенной должен был возникнуть какой-то более сильный дисбаланс (как следствие пока неведомых процессов, лежащих за пределами Стандартной модели физики частиц), где доминировали частицы с высокими энергиями.

Сейчас многие учение все больше подозревают, что такая сверхфизика могла быть изменчивой, различной в разных вселенных, и, похоже, нашей с вами маленькой Вселенной здорово посчастливилось – ей удалось-таки приобрести запасец материи, тогда как многие другие миры превратились в безжизненные пустыни, где царит лишь излучение.

Материя – не единственная потенциальная жертва столь изменчивой и прихотливой физики. Такие процессы могут приводить и к формированию сверхплотных вселенных, схлопывающихся в черные дыры, и к возникновению миров, пронизанных темной энергией, которая быстро разрывает все существующие структуры. С этой точки зрения кажется действительно очень редким событием появление вселенной, где в конце концов возникли условия, благоприятные для жизни человека.

Следующее космическое событие – пришествие небесного огня. Итак, в нашей Вселенной материя победила, и наш мир стал остывать. Вскоре начали формироваться стабильные атомы и молекулы. Спустя 100 миллионов лет возникли первые звезды – гиганты из водорода и гелия. Они жили быстро и умирали молодыми, в мощнейших взрывах, засеивавших космос более тяжелыми элементами, которые, в свою очередь, становились ингредиентами других звезд, а также галактик. Но Солнечная система не возникает сама по себе.

Лишь примерно через 9 миллиардов лет после Большого взрыва в нашем уголке космоса оказалось большое количество водорода, гелия и межзвездной пыли. Но если они планировали не только висеть в пространстве, но и делать что-то еще, требовалось нечто большее: искра, которая воспламенила бы эти облака инертных газов.

В конце концов такая искра вспыхнула. Ключ к ее происхождению таится в метеоритах. В отличие от родных камней нашей планеты, которые часто плавятся и перемешиваются, метеориты остаются практически неизменными после того, как они сконденсировались при формировании Солнечной системы.

Метеориты хранят в себе химические особенности этих далеких тысячелетий.

Так, в метеорите, найденном в 2003 году в индийском Бишунпуре, ученые обнаружили большое количество железа-60 – радионуклида, который в ходе радиоактивного распада превращается через несколько миллионов лет в стабильный никель-60. Поскольку нуклид железо-60 является таким (относительно) короткоживущим, в межзвездном газе обычно содержатся лишь следовые его количества. Высокое содержание этого нуклида в Бишунпурском метеорите позволяет предположить, что Солнечная система сформировалась из гораздо более богатой смеси.

Можно выдвинуть два объяснения. Первое: эту смесь обогатила какая-то сверхновая, находящаяся неподалеку. Вспышки сверхновых – в числе немногих космических процессов, о которых известно, что они порождают большое количество тяжелых радиоактивных изотопов, таких как железо-60. Ударная волна от такого взрыва могла бы запустить процесс образования Солнца и планет, сжимая первичное газовое облако.

Второй вариант: зарождение Солнечной системы происходило по более мягкому сценарию. Красный гигант достаточного размера способен посоперничать со сверхновой по части производства железа-60 и других радиоактивных элементов в соотношении, отвечающем составу исследуемого метеорита. Эти элементы могли образоваться в глубинных слоях звезды; затем конвекционные потоки вынесли бы их на поверхность, после чего они попали бы в пространство как часть могучего звездного ветра, который всколыхнул бы и все газовые облака, оказавшиеся рядом.

По мнению большинства астрономов, вспышка сверхновой – объяснение самое вероятное. Но будь то звездный взрыв или звездный выброс, помните: наше Солнце – просто наиболее очевидная звезда из тех, которым мы должны быть благодарны за наше существование. Однако не следует забывать и о других, менее знаменитых. Они тоже сыграли свою роль.

Далее в нашем списке флуктуаций и возмущений – образование Луны. Она возникла благодаря тому, что Солнечная система, где оказалась новорожденная Земля, являлась средой нестабильной, полной каменных глыб, летавших там и сям по нерегулярным орбитам. Примерно 4,5 млрд лет назад одна из таких громадин, размером примерно с Марс, врезалась в нашу планету. В результате и возникло привычное нам положение вещей. Часть врезавшегося материала присоединилась к Земле, а остальное выбросило на орбиту вместе с кусками Земли, вырванными при столкновении. Там из них и образовалась Луна.

Событие это не кажется таким уж значительным. Однако на самом деле произошла очень важная вещь: возник спутник аномально большого размера по отношению к материнской планете. В Солнечной системе такого больше нет: все прочие спутники планет – сравнительно небольшие тела, либо постепенно слипшиеся из орбитальных обломков, либо захваченные гравитационным полем планеты.

За пределами Солнечной системы это явление тоже встречается редко. Наблюдения, сделанные при помощи космического телескопа «Спитцер», показывают, что масштабные столкновения в других звездных системах порождают огромное количество пыли. И хотя удалось обнаружить несколько таких пылевых систем, столкновения, чьей мощности хватит для того, чтобы породить что-нибудь вроде Луны, происходят, судя по всему, лишь в 5–10 % солнечных систем. А доля случаев, когда такое действительно произошло, значительно меньше даже этой величины.

Почему это вообще важно? Потому что размер Луны позволяет ей служить гравитационным подспорьем, позволяющим стабилизировать угол наклона земной оси. Это предотвращает резкие изменения в характере нагрева Солнцем поверхности нашей планеты. Такие изменения могли бы привести к мощным климатическим скачкам, в том числе и к частым периодам, когда вся планета замерзает. Для нас это не пустяк. Не будь Луны, наклон земной оси претерпевал бы существенные изменения, и тогда вряд ли возникли бы условия для появления сухопутных многоклеточных.

Своим возникновением жизнь обязана и еще одному случайному астрономическому событию – бомбардировке планеты небесными камнями. Это событие произошло около 3,9 млрд назад и впоследствии получило название поздней тяжелой бомбардировки (последней метеоритной бомбардировки). Причины этого неожиданного космического бильярда до сих пор не вполне ясны. Вероятнее всего, его спровоцировало сложное гравитационное взаимодействие между четырьмя гигантскими планетами Солнечной системы – Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном. Небольшие сдвиги орбит Сатурна и Юпитера постепенно привели к тому, что период обращения Сатурна вокруг Солнца стал ровно вдвое больше периода обращения Юпитера. Этот «гравитационный резонанс» перетряхнул орбиты всех четырех громадных планет и заставил оказавшиеся поблизости кометы и астероиды устремиться во внутренние области Солнечной системы.

Поздняя тяжелая бомбардировка создала на Земле чрезвычайно негостеприимные условия. «Представьте себе озера расплавленной породы площадью с нынешнюю Африку», – говорит Стивен Мойжис, геолог из Колорадского университета в Боулдере. Но после остывания кратеры от этих столкновений стали бы идеальными местами для зарождения жизни, замечает Чарлз Кокелл, астробиолог из Эдинбургского университета. Остаточное тепло стимулировало бы химические реакции в теплой воде, окружавшей камни.

А если жизнь к этому времени уже зародилась, такое событие изменило бы весь ход эволюции, уничтожив все микроорганизмы, кроме наиболее жаростойких, говорит Мойжис. Он добавляет: «Такова уж история всего живого – массовое вымирание приводит к новым моделям поведения».

Вот мы с вами кто – маленькие существа на маленькой планете, которая вращается вокруг неприметной звездочки в довольно заурядной галактике на ничем не выдающемся участке невероятно обширной вселенной. Как мы появились? Благодаря случайности.