Текст книги "Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс"

Чем больше мозг животного, тем оно умнее
Николас Хамфри

Психолог, Дарвинский колледж, Кембридж. Автор книги Soul Dust: The Magic of Consciousness[8]8
  Николас Хамфри. Сознание. Пыльца души / пер. Ивана Ющенко. М.: Карьера-пресс, 2014.


[Закрыть].

Чем больше мозг животного, тем оно умнее. Вы можете подумать, что связь здесь вполне очевидна. Достаточно посмотреть на эволюционную родословную человека. У нас мозг больше, чем у шимпанзе, и мы умнее, чем шимпанзе. А у шимпанзе мозг больше, чем у мартышковых, и они умнее, чем последние. Или, в качестве аналогии, давайте посмотрим на историю вычислительных машин в XX веке. Чем больше были машины, тем с большей силой они умели перемалывать числа. В 1970-е годы новый компьютер у меня на факультете занимал целую комнату.

Со времен френологии XIX столетия и до появления технологий сканирования мозга в XXI веке было принято считать, что объем мозга определяет когнитивную способность. В частности, в любом современном учебнике вы найдете утверждение о том, что размер мозга разных видов приматов причинно связан с их социальным интеллектом. Признаю, что ответственность частично лежит на мне, потому что в 1970-х я сам отстаивал эту идею. Но уже многие годы я испытываю подозрение, что она неверна.

С ней не согласуется слишком много упрямых фактов. Начать с того, что нам известно, что некоторые младенцы рождаются, имея всего две трети нормального объема мозговой ткани, и при этом во взрослом состоянии не проявляют практически никакого дефицита когнитивных способностей. Мы знаем, что в ходе нормального развития человеческого мозга он уменьшается по мере развития когнитивности (известный пример – это изменения в «социальном мозге» во время взросления, когда между десятью и двадцатью годами объем серого вещества в коре уменьшается примерно на 15 %). И что самое удивительное, мы знаем, что некоторые весьма далекие от человека животные – например пчелы или попугаи – могут воспроизводить многие умения человеческого интеллекта, при том что мозг пчелы в миллион раз, а мозг попугая в тысячу раз меньше мозга человека.

Ключ к разгадке тут, конечно же, в программировании: для качества когнитивного функционирования важно не столько аппаратное обеспечение мозга, сколько программное, не «железо», а софт. Более умному софту не нужен аппарат большего размера (на самом деле, как показывает сокращение объема коры по мере взросления, ему нужен аппарат более компактный). Это верно, что программы, которые дают выдающиеся результаты, нуждаются в очень тщательном проектировании – и это происходит либо в ходе естественного отбора, либо в ходе обучения. Но с момента, когда они начинают работать, они не так требовательны к «железу», как более старые версии. Что касается особого случая социального интеллекта, то я бы сказал, что алгоритм для решения проблем «теории разума» может быть написан на обороте почтовой открытки и запущен на iPhone. В таком случае мало смысла остается в широко распространенном предположении, что человеческий мозг должен удвоиться в размере, чтобы человек стал способен к «чтению мыслей второго порядка».

Тогда почему человеческий мозг в ходе эволюции удвоился в объеме? Почему он, по-видимому, гораздо большего размера, чем нужно для поддержания нашего интеллектуального уровня? Ведь построение и поддержание большого мозга, безусловно, стоит очень дорого. И если мы хотим отправить в отставку «очевидную теорию», вынесенную в заголовок этой статьи, то чем ее можно заменить? Берусь предположить, что ответ заключается в преимуществах, которые обеспечивает наличие большого объема когнитивного резерва. У большого мозга есть свободные мощности, которые можно задействовать, если и когда его работающие части повреждаются или изнашиваются. Став взрослым, человек – как и другие млекопитающие – начинает утрачивать значительную часть мозговой ткани из-за несчастных случаев, кровоизлияний и деградации. Но, поскольку человек может обращаться к этому когнитивному резерву, ущерб не обязательно проявляется. Это означает, что человек может сохранить свои умственные способности до достаточно преклонного возраста – наши предки с мозгом меньшего объема становились недееспособными гораздо раньше. (И, если уж на то пошло, у несчастного, кто родился с необычно маленьким мозгом, гораздо больше шансов впасть в старческое слабоумие уже после сорока.)

Правда, многие из нас умирают по другим причинам, так и не задействовав всю мощь мозга. Зато другие живут значительно дольше, чем могли бы, будь их мозг вполовину меньше. Так какие же эволюционные преимущества дает большая продолжительность жизни – а тем более характерная для человека продолжительность пострепродуктивной жизни? Ответ, безусловно, состоит в том, что люди – в отличие от всех остальных видов – могут пользоваться преимуществами от присутствия в их жизни интеллектуально адекватных дедушек и бабушек, прадедушек и прабабушек, чья роль в воспитании и обучении является ключевой для успеха человеческой культуры.

Большой взрыв был первым моментом времени
Ли Смолин

Физик, Институт «Периметр», Ватерлоо, Онтарио. Автор книги Time Reborn: From the Crisis in Physics to the Future of the Universe[9]9
  Ли Смолин. Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего / пер. Андрея Ростовцева. М.: Corpus, 2014.


[Закрыть].

В моей области фундаментальной физики и космологии главный претендент на отставку – идея о том, что Большой взрыв был первым моментом времени.

У словосочетания «Большой взрыв» есть два значения. Во-первых, космология Большого взрыва представляет собой гипотезу, согласно которой наша Вселенная в течение 13,8 млрд лет продолжает расширяться, находившись изначально в исключительно горячем и плотном первичном состоянии – более горячем и плотном, чем в центре звезд и вообще где бы то ни было в настоящее время. С этим я спорить не буду; это установленный научный факт, и история расширения Вселенной известна в деталях – от единообразной и плотной горячей плазмы до изумительно разнообразного и сложного мира, который стал нашим домом. У нас есть подробные теории, подтвержденные многочисленными экспериментами, которые объясняют происхождение всех известных нам структур – от элементарных частиц до галактик, звезд, планет и молекулярных строительных блоков жизни. Как и в любой хорошей научной теории, здесь имеются вопросы, которые еще ждут ответа: например, какова точная природа темной материи и темной энергии, которые являются заметными действующими лицами в мироздании. Или очень интересный вопрос о том, была или нет первая фаза инфляционного экспоненциального расширения. Но эти вопросы не ставят под сомнение общую картину.

Что меня заботит, так это другое значение понятия «Большой взрыв»: гипотеза о том, что первичное происхождение нашей Вселенной было первым моментом времени, когда наша Вселенная возникла из состояния бесконечной плотности и температуры. Согласно этой гипотезе, во Вселенной не существует ничего, что было бы старше 13,8 млрд лет. И бессмысленно спрашивать, что было раньше, потому что раньше не было даже времени.

Главная проблема с этим вторым значением понятия состоит в том, что оно не очень хорошо подходит в качестве научной гипотезы, поскольку оставляет без ответа очень большие вопросы о Вселенной. Получается, что нашей Вселенной пришлось начаться в экстраординарно специфическом состоянии, чтобы развиться в нечто, похожее на нашу Вселенную. Гипотеза о том, что был первый момент времени, на удивление универсальна и непринужденна, поскольку допускает бесконечное число возможных состояний, в которых могла начаться Вселенная. Это следует из теоремы, доказанной Стивеном Хокингом и Роджером Пенроузом, – почти любая расширяющаяся вселенная, описанная общей теорией относительности, имеет некий первый момент времени. По сравнению с ними со всеми наша собственная ранняя Вселенная была исключительно однородной и симметричной. Почему? Если Большой взрыв был первым моментом времени, то научного ответа дать нельзя, потому что не было никакого «раньше», на котором можно было бы обосновать объяснение. Похоже, тут появляется шанс для теологов, и действительно, они выстраиваются у ворот науки, чтобы предложить свое объяснение: Вселенную создал Бог, и создал ее именно такой.

Сходным образом, если Большой взрыв был первым моментом времени, то не может быть научного ответа на вопрос о том, что именно определило законы природы. Здесь открывается поле для таких объяснений, как антропная мультивселенная, которые ненаучны, поскольку толкуют о ненаблюдаемых скоплениях других вселенных и не делают предсказаний, по которым можно было бы проверить и опровергнуть подобные гипотезы.

Тем не менее у науки есть шанс ответить на эти вопросы – в том случае, если Большой взрыв не был первым моментом времени, а был переходом от более ранней эры вселенной, эры, которая может быть исследована научными методами, потому что процессы, происходившие тогда, стали причиной возникновения и развития нашего мира.

Для того чтобы перед Большим взрывом появилось время, теореме Хокинга – Пенроуза необходимо быть ложной. Но есть простая причина думать, что так оно и есть: общая теория относительности не является исчерпывающей в качестве описания природы, поскольку она не учитывает ее квантового характера. Объединение и приведение в соответствие друг другу квантовой физики и общей теории относительности – это важнейшая задача фундаментальной физики, и в этой области за последние тридцать лет достигнут значительный прогресс. Хотя окончательного решения проблемы пока нет, квантовые космологические модели дают убедительные свидетельства того, что бесконечные сингулярности, которые в общей относительности заставляют время остановиться, аннулированы, а это превращает Большой взрыв – в смысле первого момента времени – в Большой отскок, который позволяет времени существовать до Большого взрыва, уходя далеко в прошлое. Подробные модели квантовых вселенных показывают предшествующую эру, заканчивающуюся коллапсом, в которую плотность возрастает до очень высоких значений. Но прежде чем Вселенная становится бесконечно плотной, включаются квантовые процессы, превращающие коллапс в новое расширение (это и есть «отскок»), запуская новую эру, которая и может быть нашей расширяющейся Вселенной.

Сейчас рассматриваются несколько сценариев того, что случилось в эпоху до Большого взрыва и как эта эпоха перешла в нашу расширяющуюся Вселенную. Два из этих сценариев исходят из гипотезы о квантовом отскоке и известны как «космология квантовой петли» и «геометрогенезис». Два других – один принадлежит Роджеру Пенроузу, а другой – Полу Стейнхардту и Нейлу Туроку – описывают циклические сценарии, в которых вселенные умирают, давая жизнь новым вселенным. Пятый сценарий постулирует, что новые вселенные возникают, когда квантовые эффекты обращают вспять сингулярности черных дыр. Эти сценарии предлагают объяснения того, как могли быть выбраны законы природы, управляющие нашей Вселенной. Они также могут объяснить, каким образом изначальное состояние нашей Вселенной эволюционировало из вселенной предыдущей эпохи. Важно, что каждая такая гипотеза делает предсказания, проверяемые с помощью реальных, выполнимых наблюдений, которые смогут проверить ту или иную гипотезу, опровергнуть ее и выбрать правильную.

В течение XX столетия мы много узнали о «первых трех минутах» (по выражению Стивена Вайнберга) нашей расширяющейся Вселенной. В течение нынешнего века мы можем надеяться получить научные свидетельства о последних трех минутах предшествующей эры и узнать, каким образом физические процессы до Большого взрыва привели к рождению нашего мира.

Вселенная началась в состоянии чрезвычайно низкой энтропии
Алан Гут

Космолог, профессор физики Массачусетского технологического института, первый лауреат премии по фундаментальной физике Фонда Мильнера. Автор книги The Inflationary Universe («Инфляционная Вселенная»).

Это предположение восходит по меньшей мере к 1865 году, когда Рудольф Клаузиус ввел термин «энтропия» и заявил, что энтропия Вселенной стремится к максимуму. Эта идея теперь известна как второй закон термодинамики, который чаще всего формулируется так: энтропия изолированной системы всегда увеличивается или остается постоянной, но никогда не уменьшается. Изолированные системы эволюционируют к состоянию максимальной энтропии – состоянию термодинамического равновесия. Хотя энтропия и будет играть главную роль в нашем обсуждении, ей придется на этот раз смириться с довольно грубым определением: энтропия – это мера неупорядоченности физической системы. В квантовом описании системы ее энтропия определяется числом квантовых состояний, соответствующих одному и тому же макроскопическому – то есть состоянию, описываемому такими переменными, как температура, объем и плотность.

Классический пример – газ в закрытом резервуаре. Если принять, что все молекулы газа сначала находятся в одном углу резервуара, то можно представить, что произойдет потом. Молекулы газа равномерно заполнят весь резервуар, увеличив энтропию до максимума. Но в обратном направлении процесс пойти уже не сможет: если молекулы газа заполнили резервуар, то мы никогда не увидим, как они сами по себе вновь соберутся в одном из его углов.

Такое поведение кажется естественным, но плохо сочетается с нашим пониманием основополагающих законов физики. Из-за того что газ всегда стремится из состояния с меньшей энтропией к состоянию с большей, возникает огромное различие между прошлым и будущим. Это однонаправленное поведение материи в большом масштабе называется «стрела времени». Однако микроскопические законы, описывающие столкновения молекул, симметричны по отношению ко времени и не делают никаких различий между прошлым и будущим.

Можно прокрутить задом наперед любой фильм о столкновении, и всё равно картина столкновения останется достоверной. (Для некоторых очень редких событий, открытых учеными, занимающимися физикой элементарных частиц, такой фильм будет гарантированно правильным, только если он к тому же отражается в зеркале и каждая частица выглядит как соответствующая античастица.) Отсюда возникает важная проблема, которой уже больше ста лет: понять, каким образом стрела времени могла возникнуть из симметричных во времени законов эволюции.

Тайна стрелы времени заставляла физиков искать причины в рамках наблюдаемых законов физики – но безуспешно. Эти законы не делают различия между прошлым и будущим. Физики, однако, поняли, что система всегда будет стремиться перейти из состояния с низкой энтропией в состояние с более высокой просто потому, что состояний с более высокой энтропией много больше. Таким образом, сегодня энтропия выше, чем была вчера, потому что вчера Вселенная была в состоянии с более низкой энтропией. А еще днем раньше энтропия была еще ниже. Традиционное понимание этой модели позволяет отследить изменения энтропии до момента рождения Вселенной, а происхождение стрелы времени связывают с немного таинственными начальными условиями Вселенной, которые должны соответствовать состоянию минимальной энтропии. Как писал Брайан Грин в The Fabric of the Cosmos[10]10
  Брайан Грин. Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности / пер. Бориса Ишханова. М.: Либроком, 2015.


[Закрыть],

исходным источником порядка, низкой энтропии должен быть сам Большой взрыв… Яйцо разбивается скорее, чем восстанавливается, поскольку это продолжение стремления вперед к более высокой энтропии, которое было инициировано состоянием с экстраординарно низкой энтропией, с которого началась Вселенная.

Если развить идею, выдвинутую в 2004 году Шоном Кэрроллом и Дженнифер Чен, то возможно новое решение вековой проблемы стрелы времени. Эта работа, которую я веду вместе с Шоном Кэрроллом и Цэнем Чэньяо, пока находится в стадии предположений и еще не проверена научным сообществом. Но, кажется, она предлагает привлекательную альтернативу стандартной картине.

Согласно стандартной картине, начальные условия в момент рождения Вселенной должны отвечать состоянию с минимальной энтропией, поскольку иначе не будет никакой стрелы времени. (Никакого похожего предположения нельзя сделать о конечном состоянии, а стрела времени определяется асимметричностью состояний во времени.) Мы, напротив, доказываем, что стрелу времени можно объяснить, и не делая каких-то специальных предположений о начальных условиях, поэтому исчезает необходимость в гипотезе о том, что Вселенная началась в состоянии исключительно низкой энтропии. Самая привлекательная черта нашей идеи состоит в том, что больше не надо делать никаких предположений, которые нарушают временнýю симметрию известных физических законов.

В основе своей идея проста: мы на самом деле не знаем, конечна или бесконечна максимально возможная энтропия Вселенной, поэтому предположим, что она бесконечна. Далее, независимо от того, с какой степени энтропии началась Вселенная, эта энтропия в любом случае была низкой по сравнению с этим максимумом. И это всё, что нужно, чтобы доказать, почему с тех пор энтропия постоянно нарастает!

Метафора газа в резервуаре замещается газом без резервуара. В контексте того, что физики называют «рассуждением на пальцах» – то есть упрощенной модели, призванной проиллюстрировать какой-нибудь главный принцип и не претендующей на то, чтобы быть реалистичной во всем остальном, – мы можем представить себе выбор (произвольным и симметричным по времени образом) изначального состояния газа, состоящего из некоего конечного количества невзаимодействующих частиц. Здесь важно, что любое правильно определенное состояние должно иметь конечную величину энтропии и конечное расстояние максимального удаления любой частицы от начала нашей системы координат. Если проследить развитие этой системы в будущее, частицы в течение какого-то конечного времени могут двигаться внутрь или наружу, но в конечном счете движущиеся внутрь частицы минуют центральную зону и начнут двигаться вовне. В конечном счете все частицы будут двигаться наружу, и газ продолжит бесконечно расширяться в бесконечное пространство с бесконечно растущей энтропией. Стрела времени – постоянный рост энтропии во времени – получена без помощи каких-либо асимметричных по времени допущений.

Интересная особенность получающейся в этом случае картины заключается в том, что у Вселенной не должно быть начала, и с того места, где мы начали, она может быть продолжена в обоих направлениях времени. Поскольку законы эволюции и изначальное состояние временно-симметричны, прошлое будет статистически эквивалентно будущему. Наблюдатели в глубоком прошлом будут видеть стрелу времени в противоположном направлении от нашего, но их опыт ничем не будет отличаться от нашего.

Энтропия
Брюс Паркер

Океанограф, приглашенный профессор Центра морских систем Технологического института Стивенса. Автор книги The Power of the Sea: Tsunamis, Storm Surges, Rogue Waves, and Our Quest to Predict Disasters («Сила моря: цунами, штормовые приливы, волны-убийцы и поиски способа предсказывать катастрофы»).

Неужели у кого-то в самом деле хватит смелости отправить в отставку идею энтропии? Я не верю, что мы отбрасываем старые идеи до того, как появляются новые. Старые идеи уходят или модифицируются только после того, как разработаны новые, лучшие; они никогда не уходят на покой сами по себе. Так что нет, мы не должны отправлять идею энтропии в отставку, но, возможно, нам следует придавать этой идее чуть меньше значения и признать парадокс, который она создает.

Энтропия, мера беспорядка системы, занимает величественное место в физике – это часть закона, а не просто какая-нибудь теория. Второй закон термодинамики гласит, что в любой замкнутой системе энтропия со временем всегда возрастает. Если не будет проделана какая-то работа для предотвращения этого, то замкнутая система в конечном счете достигнет максимума энтропии и выравнивания температуры. Макс Планк считал, что энтропия (вместе с энергией) является важнейшим свойством физических систем. В книге The Nature of the Physical World («Природа физического мира», 1927) сэр Артур Эддингтон писал:

Я думаю, что закон, согласно которому энтропия всегда увеличивается – второй закон термодинамики, – верховенствует среди законов природы.

Должен признать, что, будучи молодым студентом-физиком в колледже, я не разделял этого энтузиазма (и я был не единственным студентом, которого эта фраза не впечатляла). Второй закон казался гораздо менее важным по сравнению с первым законом термодинамики, законом сохранения энергии: энергия может менять формы, но она всегда сохраняется. У первого закона были прекрасные дифференциальные уравнения в частных производных (как у всех уравнений сохранения в физике), чьи решения точно описывали и предсказывали так много в мироздании и в буквальном смысле изменили нашу жизнь. Второй закон не был уравнением сохранения, и у него не было прекрасных дифференциальных уравнений в частных производных. Он даже не был равенством. Разве идея энтропии и второй закон оказали большое воздействие на науку и технику или изменили мир?

Второй закон был статистическим законом, изначально он представлял собой обобщение заключений, сделанных при наблюдении за движением молекул или частиц. Будучи студентами, мы могли легко понять классический пример того, как горячие (быстро движущиеся) молекулы в одном конце закрытого сосуда смешивались с холодными (медленно движущимися) молекулами в другом конце и почему они не могли снова разделиться, когда уже были вместе и имели одну температуру. Мы понимали, почему это необратимо. И мы понимали концепцию стрелы времени. Конечно, математика первого закона (и другие уравнения сохранения в физике) работали в обоих направлениях времени, но, имея изначальные условия и граничные условия, мы всегда знали, в каком направлении идет движение. Нам не казалось, что тут нужен еще один закон. На самом деле второй закон (применяемый сейчас к любым ситуациям) казался скорее предположением, чем законом. Особенно когда он применялся ко всей Вселенной, которую мы так мало понимаем.

Что касается Вселенной (а она может быть и больше той Вселенной, которую мы сейчас можем наблюдать), то первый закон говорит нам, что вся энергия в ней будет сохранена, хотя, возможно, и преобразована в разные формы. Но второй закон гласит, что в какое-то время в будущем трансформации энергии станут невозможны. Вселенная достигнет некоего состояния максимальной энтропии и равенства температуры повсюду. Второй закон, по сути дела, утверждает, что у Вселенной должны быть начало и конец. Это очень трудно принять. Вселенная должна быть вечной, потому что если у нее было начало, то что было до этого начала? Что-то не может возникнуть из ничего (под «ничего» я имею в виду полное отсутствие чего бы то ни было – даже таких вещей, о которых мы еще не знаем).

Нынешняя теория Большого взрыва предполагает, что у Вселенной так или иначе было начало и что вселенная в своем нынешнем виде расширяется из сингулярности. Но мы не знаем, что было прежде этого, и поэтому, чтобы объяснить вечную Вселенную, выдвигаются ее циклические модели. Если принять такую модель – энтропия очень высока в конце нашей Вселенной и была очень низкой в ее начале, – то какой процесс мог бы перезапускать энтропию, снова возвращая ее низкое значение? Если брать цикличную Вселенную, то не должна ли энтропия каким-то образом сохраняться? Не может ли существовать какой-то тип сохранения энергии, который не требует работы (в классическом смысле)? Не может ли Вселенная быть единственным и единственно возможным вечным двигателем (то есть явлением, которое запрещено вторым законом)? Если бытие бесконечно во времени, то, пожалуй, да.

И в других отношениях вся эта идея энтропии всегда казалась неправильной или неуместной. Мы говорим, что Вселенная движется от порядка к беспорядку. Но этот предполагаемый порядок сводится к тому, что всё вещество Вселенной было сжато в очень маленький объем, в сингулярность, а когда Вселенная расширяется, то становится меньше порядка, потому что расстояние между частицами увеличивается. Однако при этом все время создается порядок.

Величайшим результатом нашей расширяющейся и развивающейся Вселенной является ее постоянно растущая сложность. Сначала благодаря гравитации возникают объекты с плотностью, сильно отличающейся от средней, – звезды; затем сложность увеличивается из-за синтеза тяжелых химических элементов во время взрывов сверхновых звезд; затем – в ходе химической эволюции, а потом – и в ходе эволюции биологической, которой движет естественный отбор и которую венчает невероятная сложность нашего мозга.

Сложность – это синоним низкой энтропии. В расширяющейся Вселенной есть бесчисленное множество маленьких (по сравнению с размером самой вселенной)«карманов» исключительно низкой энтропии, окруженных обширными зонами более высокой энтропии (многие из которых появились именно в результате создания этих «карманов»). Берутся ли в расчет более высокие порядки сложности (и, соответственно, более низкие порядки энтропии) при попытках сбалансировать энтропию Вселенной? Многие сегодняшние научные работы по космологии пытаются суммировать всю энтропию Вселенной с помощью формул, которые, видимо, слишком просты для того, чтобы учесть все доселе неведомые физические процессы, происходящие в нашей странной Вселенной.

Мы не можем отправить энтропию в отставку, но, может быть, нам стоит переосмыслить ее?