Текст книги "Теории всего на свете"

Кеплер и др. и несуществующая проблема

Джино Сегре

Физик (Пенсильванский университет); автор книги Ordinary Geniuses: Max Dellbruck, George Gamov and the Origin of Genomics and Big Bang Cosmology («Обычные гении: Макс Дельбрюк, Джордж Гамов и происхождение геномики и космологии Большого взрыва»)

В 1595 году Иоганн Кеплер предложил глубокое, элегантное и красивое решение проблемы определения расстояния от Солнца до шести известных к тому времени планет. Поместив внутри сферы (как в русской матрешке) каждое из пяти тел Платона в определенном порядке – октаэдр, икосаэдр, додекаэдр, тетраэдр, куб, – он предположил, что последовательность их сферических радиусов будет иметь те же относительные пропорции, что и расстояния до планет. Конечно, глубокое, элегантное и красивое решение оказалось к тому же неверным, но, как звучит знаменитое высказывание персонажа Джо Брауна в финале фильма «В джазе только девушки», «у всех есть недостатки».

За пару тысяч лет до этого, в рассуждении, которое позднее получило название «Гармония сфер», Пифагор уже придумал решение этой задачи, связав данные расстояния с местами на струне, извлечение звука из которых было бы приятно слуху. Почти через 200 лет после Кеплера Иоганн Боде и Иоганн Титиус предложили, не вдаваясь в объяснения, простую числовую формулу, которая, по общему мнению, соответствовала этим расстояниям. Таким образом, предположение Кеплера не было ни первой, ни последней попыткой определить пропорции планетарных орбит, но в своем стремлении связать динамику с геометрией оно остается для меня самым глубоким, при этом простым и элегантным объяснением.

В строгом смысле ни одно из этих трех предположений нельзя назвать неверным. Они служат решениями несуществующей проблемы, так как теперь мы понимаем, что положение планет совершенно случайно и представляет собой побочный продукт развития пылевого диска, вращавшегося вокруг нашего новообразованного Солнца под действием гравитации, в современную планетарную систему. Понимание, что проблемы не существует, пришло с расширением наших представлений – от уникальности нашей планетарной системы до бесконечного количества подобных систем, разбросанных по бесчисленным галактикам, составляющим нашу Вселенную.

Я думал об этом, потому что вместе с многими моими коллегами – физиками-теоретиками – посвятил значительную часть своей научной деятельности поискам масс так называемых элементарных частиц. Но, возможно, существует причина, освобождающая нас от этого занятия, – предположение, завоевывающее все большее признание, а именно что наша обозримая Вселенная представляет собой лишь случайный вариант бесчисленных вселенных, каждая из которых содержит кварки и лептоны с массами, имеющими различные значения. Просто так получилось, что по крайней мере в одной из многих вселенных эти значения позволяют существовать как минимум одной звезде и одной планете, на которой живут существа, озадаченные подобными проблемами.

Другими словами, проблема, казавшаяся нам важной, может перестать существовать по мере развития нашей концепции Вселенной, которая в таком случае расширится до концепции множества вселенных. Если это правда, то каковы наши перспективы на будущее? Я лишь надеюсь, что наши потомки будут лучше разбираться в подобных вопросах и улыбнутся нашим слабым попыткам найти глубокое, элегантное и красивое решение проблемы, которую они сочтут несуществующей.

Как могут сосуществовать несовместимые мировоззрения

Фримен Дайсон

Физик-теоретик (Институт перспективных исследований); автор книги A Many Colored Glass: Reflections on the Place of Life in the Universe («Разноцветное стекло: отражения места жизни во Вселенной»)

Феномен, который я хочу объяснить, – это существование бок о бок двух совершенно несовместимых представлений о Вселенной. Одно из них – классическая картина нашего мира как подчиняющаяся всемирному тяготению совокупность объектов и явлений, которые мы способны видеть и ощущать. Другое – зависящая от вероятностей и неопределенностей квантовая картина атомов и излучений, которые ведут себя непредсказуемым образом.

Обе картины кажутся правдивыми, но взаимосвязь между ними – тайна.

Физики полагают, что мы должны создать единую концепцию, включающую в себя обе картины в качестве частных случаев. Эта единая концепция должна содержать квантовую теорию гравитации и допускать существование частиц, называемых гравитонами, сочетая особенности гравитации с квантовыми неопределенностями.

Я пытаюсь найти другое объяснение тайны. Мне хочется понять – если гравитон существует, можно ли его обнаружить?

Я не знаю ответа на этот вопрос, но у меня есть основания предполагать, что ответ отрицательный. Подтверждением служит устройство по обнаружению гравитационных волн под названием LIGO (Laser Interferometer Gravitatio nal-Wave Observatory[24]24
  Лазерный интерферометр обсерватории гравитационных волн (англ.).


[Закрыть]), части которого находятся сейчас в штатах Луизиана и Вашингтон. Принцип действия LIGO – очень точное измерения расстояния между двумя зеркалами посредством отражения света от одного к другому. При прохождении гравитационной волны расстояние между зеркалами должно незначительно измениться. В действительности из‑за шумовых помех детекторы LIGO способны обнаружить лишь колебания, значительно более сильные, чем одиночная гравитационная волна. Но даже в совершенно бесшумной Вселенной я мог бы ответить на вопрос, способен ли идеальный детектор LIGO обнаружить гравитационную волну. Ответ – нет. В бесшумной Вселенной предел точности измерения расстояния определяется квантовыми неопределенностями в положениях зеркал. Для уменьшения квантовых неопределенностей зеркала должны быть тяжелыми. Простые подсчеты, основанные на известных законах гравитации и квантовой механики, приводят к впечатляющим результатам. Чтобы обнаружить единичную гравитационную волну с помощью LIGO, зеркала должны быть настолько тяжелыми, что смогут притянуть друг друга с необратимой силой и соединиться вместе, образовав черную дыру. Другими словами, сама природа запрещает нам обнаружить гравитационные волны подобным образом.

Я предлагаю гипотезу, основанную на этом единственном мысленном эксперименте: единичные гравитоны не могут быть обнаружены никаким устройством. Если эта гипотеза справедлива, то она подразумевает, что квантовая теория гравитации не подлежит проверке, следовательно, с научной точки зрения бессмысленна. Классическая и квантовая Вселенные могут тогда мирно сосуществовать, потому что никакого несоответствия между двумя картинами мира никогда не обнаружится. Обе картины будут правдивы, а надежда на единую концепцию превратится в иллюзию.

Невероятная неопределенность

Сатьяджит Дас

Финансовый эксперт, консультант по рискам; автор книги Extreme Money: The Master of the Universe and the Cult of Risk («Экстремальные деньги. Хозяева Вселенной и культ риска»)

Неопределенность – это конец, который часто выглядит как начало. Ее совершенная красота – составная часть математики, методологии, философии, лингвистики и судьбы.

В 1927 году Вернер Гейзенберг показал, что неопределенность – неотъемлемая составляющая квантовой механики. Невозможно одновременно измерить разные характеристики частицы – положение и импульс. В квантовом мире материя может существовать в форме либо частицы, либо волны. Основные элементы не являются ни частицами, ни волнами, но проявляют свойства и тех, и других, что служит просто различными способами теоретического описания квантового мира.

Неопределенность обозначает конец достоверности. Если мы пытаемся точно измерить одно качество, мы лишаемся возможности измерить другое. Процесс измерения сводит на нет наше понимание системы.

Неопределенность отвергает научный детерминизм, подразумевая, что знание человека о мире всегда неполно, неточно и очень условно.

Неопределенность оспаривает причинную связь. Гейзенберг замечал: «Закон причинности утверждает, что, точно зная настоящее, можно предсказать будущее. Но вдумайтесь: в этой формулировке ложен не вывод, а предпосылка. Мы в принципе не можем знать все элементы, определяющие настоящее».

Неопределенность ставит под вопрос методологию. Эксперименты могут доказать только то, что они предположительно должны были доказать. Неопределенность – теория, основанная на практической несостоятельности экспериментов.

Неопределенность и квантовая механика противостоят судьбе, равно как и истине, и упорядоченности. Они предполагают вероятностный мир, в котором мы ничего не можем знать с определенностью, но только в качестве вероятности. Это устраняет представления Ньютона о времени и пространстве из существующей реальности. В квантовом мире механика понимается как возможность вне всякой причинной связи.

Альберт Эйнштейн отказался принять то, что положения в пространстве-времени никогда не могут быть точно определены, а квантовые вероятности не связаны с какими-либо причинами. Он отвергал не теорию в целом, а отсутствие причинно-следственной связи. В знаменитом письме к Максу Борну он утверждал: «Во всяком случае, я убежден, что Он [Бог] не играет в кости». Но, как позднее отметил Стивен Хокинг (что оценил бы Гейзенберг), «Бог не только играет в кости… иногда он бросает их туда, где никто не сможет их увидеть».

Скрытная и неуловимая сила неопределенности оказывает свое метафорическое воздействие, проникая в различные области, такие как теория искусства, экономика и даже массовая культура. С одной стороны, принцип неопределенности Гейзенберга подразумевает, что измерение может иногда изменить то, что мы наблюдаем. С другой, намеренно или нет, Гейзенберг говорит о сущности системы в целом – отсутствии конечных истин и пределов нашего познания. Неопределенность связана с различными философскими концепциями. Сёрен Кьеркегор ввел различие между объективными и субъективными истинами. Объективные истины отбираются и изменяются посредством наших субъективных истин, напоминая взаимодействие между наблюдателем и событием, что составляет основу теории Гейзенберга.

Неопределенность существует и в лингвистике. В «Логико-философском трактате» Людвиг Витгенштейн использует неопределенность, утверждая, что структура языка устанавливает границы мышления и того, что можно выразить словами.

Противоречивость неопределенности проявляет себя и другим образом, к примеру, полемикой относительно истории жизни самого Гейзенберга. В 1941 году Гейзенберг и его бывший учитель Нильс Бор встретились в оккупированной Дании. В пьесе Майкла Фрейна «Копенгаген» (1998) Маргарет, жена Бора, задает важный вопрос, который обсуждается по ходу действия: «Зачем он [Гейзенберг] приехал в Копенгаген?». Герои пьесы встречаются трижды, каждый раз с различным результатом. Гейзенберг говорит: «Никто не понимает причины моей поездки в Копенгаген. Раз за разом я ее объясняю. Самому Бору и Маргарет. Следователям и офицерам разведки, журналистам и историкам. Чем подробнее я объясняю, тем больше неопределенность».

В статье «Принципы квантовой механики», написанной в 1930 году, Поль Дирак противопоставляет ньютоновский и квантовый мир: «Становится все более очевидно… что природа работает по другому плану. Фундаментальные законы не управляют миром напрямую, как это выглядит в нашем представлении, вместо этого они контролируют основу, которую мы не можем себе вообразить, не создавая бессмыслицу».

Мир существовал до Гейзенберга и его принципа неопределенности. Мир существует и после. Они, эти миры, составляют один и тот же мир, но при этом различаются.

Новый уровень фундаментальной материи?

Хаим Харари

Физик-теоретик, бывший президент Института Вейцмана; автор книги The View from the Eye of the Storm («Вид из эпицентра бури»)

Научная идея может быть элегантной. Она также может быть верной. Если вам приходится выбирать, выбирайте верную. Но лучше, если идея сочетает оба качества.

Элегантность идеи определяется взглядом исследователя. Верность – окончательным судом науки, матери-природы, обсуждением результатов экспериментов. В отличие от телевизионного конкурса талантов ни элегантность, ни верность не могут быть установлены путем голосования публики или скептически настроенного жюри. Но впечатление элегантности идеи часто зависит от того, решение какого вопроса она предлагает.

Вся материя состоит из 6 типов кварков и 6 типов лептонов, видимо, со случайными необъяснимыми значениями масс, различающимися на десять порядков. Никто не знает, почему в этих 12 строительных блоках трижды повторяется одна и та же структура. При определенных обстоятельствах эти объекты могут превращаться друг в друга в необъяснимых соотношениях, называемых «углами смешивания». Создается впечатление, что двадцать с лишним значений этих масс и соотношений выбраны кем-то (природой или Богом) произвольным образом. Все это сообщает нам Стандартная модель физики частиц. Это элегантно? Не очень.

Но то, что горы и змеи, океаны и помойки, люди и компьютеры, гамбургеры и звезды, алмазы и слоны, а также все остальное во Вселенной создано из дюжины типов фундаментальных объектов, действительно поражает воображение. Именно это сообщает нам та же Стандартная модель. Так это элегантно? Очень даже.

Я надеюсь, что природа на самом деле еще более элегантна. Двенадцать фундаментальных кварков и лептонов и их античастицы имеют электрические заряды 0, 1 3, 2 3 и 1 или такие же негативные значения. Каждое значение повторяется в точности три раза.

На многие вопросы нет удовлетворительных ответов. Почему все заряды кратны 1 3 заряда электрона? Почему представлены все значения от 0 до 1, причем несколько раз? Почему не встречается более трех повторов одного значения? Почему одна и та же структура повторяется три раза? Почему лептоны имеют целые значения зарядов, а кварки – дробные? Почему заряды кварков и лептонов связаны друг с другом простыми соотношениями?

Причиной, по которой москиты, стулья и томатный сок электрически нейтральны, служит необъяснимое равенство величины электрических зарядов протонов и электронов, в результате чего атомы нейтральны. Это следствие простого и точного соотношения зарядов кварков и лептонов. Но почему заряд электрона не составляет, скажем, 0,8342 от заряда протона? Почему значение заряда у них в точности одинаковое? Элегантное объяснение этих головоломок может появиться, если все кварки и лептоны (следовательно, и вся материя во Вселенной) состоят только из двух строительных блоков, один из которых имеет электрический заряд, составляющий 1 3 от заряда электрона, а второй не заряжен. Тогда комбинации из этих объектов будут в точности соответствовать известному набору кварков и лептонов и четко отвечать на поставленные выше вопросы. Странный комплект масс и соотношений кварков и лептонов так и останется необъяснимым, но будет переведен в рамки обсуждения динамических сил, связывающих два фундаментальных объекта в множество целостных образований, вместо попытки разобраться в данном природой или Богом списке более двадцати фундаментальных параметров.

Элегантное объяснение? Безусловно. Верное? Не обязательно, как мы теперь понимаем. Но вы никогда не докажете, что частицы не состоят из более простых первичных объектов. Это может быть обнаружено в будущем и не вызвать противоречий с имеющимися данными, особенно если новые структуры окажутся на меньшем расстоянии и с более высокими энергиями, чем все, что нам до сих пор известны, или подчиняются странному набору новых физических законов. Не стоит и говорить, что такая простая гипотеза нуждается в решении множество дополнительных проблем, с одними из которых она легко справляется, а с другими оказывается несостоятельной. Возможно, это отчасти оправдывает общее негативное отношение большинства физиков частиц к такому простому объяснению.

На мой взгляд, идея, что вся Вселенная создана из двух типов строительных блоков (которые я назвал ризонами, или первичными), – элегантное и привлекательное объяснение известных фактов. В начале «Книги Бытия» сказано, что Вселенная «бесформенна и пуста», или в оригинале на иврите «Tohu Vavohu». Почему бы не дать двум фундаментальным объектам обозначения T (Tohu, «бесформенность») и V (Vohu, «пустота»)? Тогда каждый кварк и лептон будут состоять из различных комбинаций трех таких ризонов, например TTV или TTT.

Все это может навсегда остаться элегантной, но неверной идеей, или однажды оказаться новым уровнем структуры материи, следующим за атомом, ядром, протоном и кварком. Спросите мать-природу. Она знает, что такое элегантность и что такое правильность, но пока молчит.

Наблюдатели наблюдают

Роберт Провайн

Нейробиолог и психолог (Мэрилендский университет); автор книги Curious Behaviour: Yawning, Laughing, Hiccupping and Beyond («Странное поведение: зевота, смех, икота и прочее»)

Вопрос о лучшем глубоком, элегантном и красивом объяснении меня слегка разочаровал. «Глубокий», «элегантный» и «красивый» – эстетические категории, которые у меня ассоциируются скорее с опытом и процессом, чем с объяснением, особенно с наблюдающим наблюдателем. Наблюдение – связь между представителями эмпирических наук и рациональными физиками, которые были и среди основателей психологии. Разница между психологией и физикой в акцентах. Обе включают процесс наблюдения наблюдателями, но физика делает акцент на наблюдаемом, а психология – на наблюдателе. Как это ни противоестественно для закоренелых эмпириков, которые отрицают наблюдателя, физика – это по необходимости изучение физика, биология – биолога и т. д.

Несколько десятилетий назад я обсуждал этот вопрос с Джоном Уилером, для которого было очевидно: ничто так не ограничивает космологию, как космолог. Когда я говорю студентам моего курса «Чувство и восприятие», что мы занимаемся изучением всего на свете, я совершенно серьезен. По многим причинам изучение чувства и восприятия – самая основополагающая и универсальная наука.

Мое увлечение наблюдением носит как эстетический, так и научный характер. Моим самым запоминающимся наблюдением было ночное небо. Другие могут отдать предпочтение обнаружению останков тиранозавра или пению птиц в прекрасный весенний день. Чтобы видеть лучше и глубже, я конструировал телескопы, большие и маленькие. Я предпочитаю свои фотографии в первозданном виде, а не в компьютерной обработке. Я хочу встречаться с космосом лицом к лицу, так, чтобы он омывал мою сетчатку. Моя профессия нейробиолога предоставляет возможность удивительного приключения – приключения наблюдателя, включая уникальную возможность замкнуть круг, изучая неврологический механизм, с помощью которого наблюдатель наблюдает космос.

Гены, клауструм и сознание

В. С. Рамачандран

Нейробиолог, профессор и директор Центра мозга и когнитивных способностей Калифорнийского университета в Сан-Диего; автор книги The Tell-Tale Brain («Мозг рассказывает». М., Карьера Пресс, 2012)

Какова моя любимая элегантная идея? Самая очевидная – открытие структуры ДНК, но тут я явно неоригинален. Я утверждаю, что та же самая стратегия, которая позволила взломать генетический код, может оказаться успешной в открытии «нервного кода» сознания и личности. Это долгий путь, но он того стоит.

Способность улавливать аналогии и видеть разницу между поверхностным сходством и глубокой взаимосвязью – отличительная черта многих больших ученых. Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон не были исключением. Крик сам предостерегал от стремления к элегантности в биологии, говоря, что эволюция происходит случайным образом. «Бог – не профессионал, – утверждал он и добавлял (согласно моему коллеге Дону Хоффману): многие из молодых биологов перерезали себе горло бритвой Оккама». Тем не менее его собственное решение загадки наследственности сопоставимо с естественным отбором в качестве наиболее элегантных биологических открытий. Можно ли придумать такое же элегантное объяснение проблемы сознания?

Общеизвестно, что Крик и Уотсон открыли строение молекулы ДНК в виде двойной спирали: двух комплементарных цепей нуклеотидов. Менее известна последовательность событий, приведших к этому открытию.

Прежде всего, законы Менделя утверждали, что гены дискретны (в первом приближении это остается справедливым до сих пор). Далее, Томас Морган показал, что плодовые мушки, подвергнутые рентгеновскому излучению, мутируют. Это сопровождается точечными изменениями в хромосомах, ясно указывая, где происходят мутации. Хромосомы состоят из белков, гистонов, и ДНК. Еще в 1928 году британский бактериолог Фред Гриффит обнаружил, что безвредные виды бактерий после инкубации с убитыми нагреванием болезнетворными видами становятся опасными. Это было не менее поразительно, чем если бы свинья и овца, вошедшие в хлев, превратились вдруг в двух овец. Позднее Освальд Эвери показал, что причиной трансформации послужила ДНК. В биологии знание структуры часто приводит к пониманию функции – в качестве примера достаточно истории медицины. Вдохновленные Гриффитом и Эвери, Крик и Уотсон поняли, что ответ на проблему наследственности содержится в структуре ДНК. Локализация сыграла главную роль, как может оказаться и в случае функции мозга.

Крик и Уотсон не только описали структуру ДНК, но и объяснили ее смысл. Они разглядели аналогию между комплементарностью молекулярных цепей и комплементарностью родителей и потомства – почему свиньи рождают поросят, а не ягнят. Тогда и возникла современная биология. Существуют похожие взаимосвязи между структурой мозга и функцией мышления, между нейронами и сознанием. (Я утверждаю здесь очевидное только потому, что некоторые философы, называющие себя «новыми мистиками», верят в прямо противоположное.)

После своего триумфа с наследственностью Крик обратился, по его словам, ко «второй великой загадке» биологии – сознанию. Многие отнеслись к этому скептически. Я помню семинар по проблемам сознания, который Крик проводил в Институте Салка здесь, в Ла-Хойе. Не успел он начать, как какой-то джентльмен в аудитории поднял руку и сказал: «Позвольте, доктор Крик, вы даже не потрудились дать определение сознанию, прежде чем взяться за дело». Ответ Крика был запоминающимся: «Вынужден вам напомнить, что не было такого в истории биологии, чтобы компания ученых собралась за столом и решила: “Давайте сначала определим, что мы подразумеваем под жизнью”. Мы просто двигались вперед и выясняли, что она собой представляет. Оказалось – двойную спираль. Давайте оставим вопросы семантической гигиены философам».

На мой взгляд, Крик не добился успеха в решении проблем сознания (чтобы это ни значило). Тем не менее он двигался в правильном направлении. Крик был щедро вознагражден ранее в своей карьере за обнаруженную им аналогию между биологическими комплементарностями – структурной логикой молекулы и функциональной логикой наследственности. Учитывая его феноменальный успех в использовании структурно-функциональной аналогии, неудивительно, что он применил тот же стиль мышления в изучении сознания. Крик и его коллега Кристоф Кох сосредоточились на относительно малопонятной структуре, которая называется клауструмом.

Клауструм – это пластинка серого вещества, тонкий слой клеток, расположенный под островковой корой мозга в каждом полушарии. Она более однородна гистологически, чем большинство структур мозга, и в отличие от них (посылающих и принимающих сигналы от небольшого количества других структур) взаимосвязана практически с каждым участком коры. Структурно-функциональное взаимодействие гарантирует, что, когда волны информации проходят через клауструм, его нейроны воспринимают входящие сигналы.

Как все это связано с сознанием? Вместо того чтобы сосредоточиться на философских разногласиях, Крик и Кох положились на свою наивную интуицию. Сознание обладает множеством качеств – продолжительностью во времени, «свободой воли», рекурсивностью, самоанализом и т. д. Но одно из этих качеств выделяется среди прочих – это субъективное единство. Вы воспринимаете все разнообразные чувственные ощущения – мысли, осознанные действия и воспоминания – не по отдельности, а как единое целое. Это качество сознания вместе с чувством непосредственного присутствия – «здесь и сейчас» – настолько очевидно, что мы обычно не задумываемся над ним, принимая как само собой разумеющееся.

Соответственно, главное свойство сознания – это его целостность, а мы располагаем структурой мозга, которая посылает и получает сигналы практически от всех остальных мозговых структур, включая правую теменную долю (ответственную за сенсорное восприятие) и переднюю поясную кору (ответственную за «свободную волю»). Таким образом, пластинка серого вещества, видимо, унифицирует все анатомически, а сознание – мысленно. Крик и Кох заподозрили, что это не случайность: клауструм, тонкая пластинка серого вещества, занимает ведущее положение в сознании и в самом деле может воплощать идею картезианского театра, запретную тему среди философов, или, по меньшей мере, играть роль дирижера оркестра. Такого рода «детские» рассуждения часто ведут к открытиям. Очевидно, что подобные аналогии не заменяют строгую науку, но служат хорошей отправной точкой. Идея Крика и Коха может быть правильной или нет, но она элегантна. Если она верна, то они указали путь решения величайшей тайны биологии. Но даже если она ошибочна, студенты, изучающие эту область знания, будут правы, копируя их стиль мышления. Крик слишком часто бывал прав, чтобы его игнорировать.

Я навестил его дома, в Ла-Хойе в июле 2004 года. Когда я собрался уезжать, он проводил меня до дверей и, прощаясь, лукаво и заговорщически подмигнул: «Я думаю, это клауструм, Рама. Вот где собака зарыта». Через неделю его не стало.