Сабина Хоссенфельдер «Экзистенциальная физика» (антитруд. перевод Sabine Hossenfelder 'Existential physics') 

Гораздо лучше постичь Вселенную такой, какая она есть на самом деле, чем упорствовать в заблуждениях, какими бы приятными и обнадеживающими они ни были.

Карг Саган

ПРЕДИСЛОВИЕ

"Могу я спросить вас кое о чем?" - спросил молодой человек, узнав, что я физик. "О квантовой механике", - застенчиво добавил он. Я уже была готова обсуждать постулат об измерении и подводные камни множественной запутанности, но не была так готова к последовавшему за этим вопросу: "Один шаман сказал мне, что моя бабушка все еще жива. Благодаря квантовой механике. Она просто не жива здесь и сейчас. Это правда?"

Как вы понимаете, я все еще думаю об этом. Краткий ответ: это не так уж и неправильно. Подробный ответ последует в главе 1, но прежде чем перейти к квантовой механике умерших бабушек, я хочу рассказать вам, почему я пишу эту книгу.

За более чем десятилетний период работы с общественностью я заметила, что физики очень хорошо отвечают на вопросы, но очень плохо объясняют, почему кому-то должны быть важны их ответы. В некоторых областях исследований цель изучения раскрывается, в конечном счете, в товарном продукте. Но в основах физики, где я провожу большую часть своих исследований, основной продукт - это знания. И слишком часто мы с коллегами представляем эти знания в настолько абстрактном виде, что никто не понимает, зачем мы их вообще искали.

Не то чтобы это относилось только к физике. Разрыв между экспертами и неэкспертами настолько распространен, что социолог Стив Фуллер утверждает, что ученые используют непонятную терминологию, чтобы сделать свои выводы немногочисленными и тем самым более ценными. Как жаловался американский журналист и лауреат Пулитцеровской премии Николас Кристоф, ученые кодируют "прозрения в бессвязную прозу", а "в качестве двойной защиты от публичного потребления эта белиберда иногда прячется в малоизвестных журналах".

Пример из практики: людям не так важно, предсказуема ли квантовая механика; они хотят знать, предсказуемо ли их собственное поведение. Их не волнует, уничтожают ли черные дыры информацию; они хотят знать, что произойдет с собранной информацией человеческой цивилизации. Им неважно, похожи ли галактические нити на нейронные сети; они хотят знать, может ли Вселенная мыслить. Люди - это люди. Кто бы мог подумать?

Конечно, я тоже хочу знать эти вещи. Но где-то на своем пути в академической среде я научилась избегать задавать такие вопросы, не говоря уже о том, чтобы отвечать на них. В конце концов, я всего лишь физик. Я не компетентна говорить о сознании, человеческом поведении и тому подобных вещах.

Тем не менее вопрос молодого человека заставил меня вспомнить, что физики действительно кое-что знают, если не о самом сознании, то о физических законах, которые должно соблюдать все во Вселенной - включая вас, меня и вашу бабушку. Не все идеи о жизни и смерти и происхождении человеческого существования совместимы с основами физики. Это знание мы не должны прятать в малоизвестных журналах, используя непостижимую прозу.

Дело не только в том, что этими знаниями стоит делиться; их сохранение в тайне чревато последствиями. Если физики не сделают шаг вперед и не объяснят, что физика говорит о состоянии человека, другие воспользуются этой возможностью и будут злоупотреблять нашей загадочной терминологией для продвижения псевдонауки. Не случайно квантовая запутанность и энергия вакуума являются основными объяснениями альтернативных целителей, духовных СМИ и продавцов змеиного масла. Если у вас нет докторской степени по физике, вам будет трудно отличить нашу болтовню от любой другой.

Однако моя цель - не просто разоблачить псевдонауку в том, чем она является. Я также хочу донести до читателя, что некоторые духовные идеи вполне совместимы с современной физикой, а другие, более того, поддерживаются ею. А почему бы и нет? То, что физике есть что сказать о нашей связи со Вселенной, не так уж удивительно. Наука и религия имеют одни и те же корни, и до сих пор они занимаются одними и теми же вопросами: Откуда мы пришли? Куда мы идем? Как много мы можем знать?

Когда дело доходит до этих вопросов, физики многому научились за последнее столетие. Их прогресс ясно показывает, что границы науки не являются фиксированными; они перемещаются по мере того, как мы узнаем больше о мире. Соответственно, некоторые объяснения, основанные на убеждениях, которые когда-то помогали понять смысл происходящего и успокаивали нас, теперь стали известны как ошибочные. Например, идея о том, что некоторые объекты являются живыми, потому что наделены особой субстанцией ("жизненный план" Анри Бергсона), была вполне совместима с научными фактами двести лет назад. Но теперь это уже не так.

Сегодня, изучая основы физики, мы имеем дело с законами природы, действующими на самом фундаментальном уровне. И здесь знания, полученные за последние сто лет, вытесняют старые, основанные на убеждениях объяснения. Одним из таких старых объяснений является идея о том, что для сознания требуется нечто большее, чем взаимодействие множества частиц, некая волшебная пыль, по сути наделяющая определенные объекты особыми свойствами. Как и жизненный план, это устаревшая и бесполезная идея, которая ничего не объясняет. Я займусь этим в главе 4, а в главе 6 обсужу, какие последствия это имеет для существования свободы воли. Еще одна идея, готовая к увольнению, - вера в то, что наша Вселенная особенно приспособлена для существования жизни, о чем пойдет речь в главе 7.

Однако демаркация современных границ науки не только разрушает иллюзии; она также помогает нам понять, какие убеждения все еще совместимы с научными фактами. Такие убеждения, возможно, следует называть не антинаучными, а скорее околонаучными, как метко заметил Тим Палмер (с которым мы познакомимся позже): наука ничего о них не говорит. Одним из таких убеждений является происхождение нашей Вселенной. Мы не только не можем объяснить его в настоящее время, но и сомневаемся, сможем ли когда-нибудь объяснить его. Возможно, это один из способов, которым наука фундаментально ограничена. По крайней мере, я так считаю. Идею о том, что сама Вселенная обладает сознанием, я, к собственному удивлению, посчитала сложной для полного исключения (глава 8). А в вопросе о том, предсказуемо ли человеческое поведение (глава 9), присяжные еще не определились.

Вкратце, это книга о больших вопросах, которые поднимает современная физика: от вопроса о том, отличается ли настоящий момент от прошлого, до идеи о том, что каждая элементарная частица может содержать в себе вселенную, и беспокойства о том, что законы природы определяют наши решения. Я, конечно, не могу дать окончательные ответы. Но я хочу рассказать вам о том, как много ученые знают на сегодняшний день, а также о том, где наука переходит в разряд домыслов.

В основном я буду придерживаться устоявшихся теорий природы, которые подкреплены доказательствами. Поэтому все, что я собираюсь рассказать, должно сопровождаться преамбулой "насколько нам известно на данный момент", что означает, что дальнейший научный прогресс может привести к пересмотру. В некоторых случаях ответ на вопрос зависит от свойств законов природы, которые мы еще не до конца понимаем, например, от квантовых измерений или природы пространственно-временных сингулярностей. В этом случае я укажу, как будущие исследования могут помочь ответить на этот вопрос. Поскольку я не хочу, чтобы вы слышали только мое собственное мнение, я добавила несколько интервью. А в конце книги вы найдете краткий глоссарий с определениями наиболее важных технических терминов. Термины в глоссарии выделены жирным шрифтом, когда они впервые встречаются в тексте в дальнейшем.

Экзистенциальная физика - для тех, кто не разучился задавать большие вопросы и не боится ответов.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Я хочу, чтобы вы знали, во что ввязываетесь, поэтому позвольте мне сразу выложить карты на стол. Я одновременно агностик и язычник. Я никогда не принадлежала к организованной религии и не испытывала желания присоединиться к ней. Тем не менее, я не против религиозной веры. У науки есть пределы, и все же человечество всегда искало смысл за этими пределами. Кто-то изучает священное писание, кто-то медитирует, кто-то копается в философии, кто-то курит смешные вещи. Все это меня вполне устраивает. При условии, что - и это главное - в поисках смысла вы уважаете научные факты.

Если ваша вера противоречит эмпирически подтвержденным знаниям, значит, вы не ищете смысл, вы заблуждаетесь. Может быть, вы предпочитаете держаться за свои заблуждения. Поверьте, я отношусь к этому с пониманием - но тогда эта книга не для вас. В следующих главах мы поговорим о свободе воли, загробной жизни и окончательном поиске смысла. Это не всегда будет легко. Мне самой приходилось бороться с некоторыми последствиями того, что я знаю как хорошо подтвержденные естественные законы, и я подозреваю, что некоторым из вас будет не менее трудно.

Вы можете подумать, что я преувеличиваю, чтобы сухая физика звучала более захватывающе. Послушайте, мы все знаем, что я хочу, чтобы эта книга продавалась, так зачем же мне тут что-то выдумывать? Но главная причина, по которой я делаю это предупреждение, заключается в том, что я искренне беспокоюсь о том, что эта книга может негативно повлиять на психическое здоровье некоторых читателей. Время от времени мне пишут, что наткнулись на одно из моих эссе и теперь не знают, как жить дальше. Они выглядят искренне обеспокоенными. Какой смысл имеет жизнь без свободы воли? В чем смысл человеческого существования, если оно - всего лишь случайная удача? Как можно не сойти с ума, зная, что Вселенная может погаснуть в любой момент?

Действительно, некоторые научные факты трудно переварить, и, что еще хуже, нет психолога, который смог бы помочь. Я знаю это, потому что сама пробовала. Но держитесь. Если хорошенько подумать, наука дает больше, чем забирает. В конце концов, я надеюсь, вы найдете утешение в том, что вам не нужно глушить рациональное мышление, чтобы освободить место для надежды, веры и убеждений.

Глава 1. Существует ли прошлое?

Сейчас и никогда

Время - это деньги. И оно тоже заканчивается. Если только, возможно, оно не на вашей стороне. Время летит. Время идет. Мы говорим о времени... постоянно. И все же время остается одним из самых труднопостижимых свойств природы.

Не помогло и то, что Альберт Эйнштейн придал ему личный характер. До Эйнштейна время для всех шло с одинаковой скоростью. После Эйнштейна мы знаем, что течение времени зависит от того, насколько мы двигаемся. И хотя числовое значение, которое мы присваиваем каждому моменту - скажем, 14:14, - это вопрос условности и точности измерений, в доэйнштейновские времена мы верили, что ваше "сейчас" - это то же самое, что и мое "сейчас"; это было универсальное "сейчас", космическое тиканье невидимых часов, которые отмечали настоящий момент как особенный. После Эйнштейна "сейчас" - это просто удобное слово, которое мы используем для описания нашего опыта. Настоящий момент больше не имеет фундаментального значения, потому что, по мнению Эйнштейна, прошлое и будущее так же реальны, как и настоящее.

Это не совпадает с моим опытом и, вероятно, не совпадает с вашим. Но человеческий опыт не является хорошим проводником фундаментальных законов природы. Наше восприятие времени формируется циркадными ритмами и способностью мозга хранить воспоминания и получать к ним доступ. Эта способность, вероятно, хороша для многих вещей, но чтобы отделить физику времени от нашего восприятия, лучше посмотреть на простые системы, такие как качающиеся маятники, вращающиеся планеты или свет, который доходит до нас от далеких звезд. Именно на основе наблюдений за такими простыми системами мы можем сделать надежный вывод о физической природе времени, не увязая в часто неточной интерпретации, которую наши органы чувств добавляют к физике.

Столетние наблюдения подтвердили, что время обладает теми свойствами, которые Эйнштейн предположил в начале двадцатого века. Согласно Эйнштейну, время - это измерение, и оно объединяется с тремя измерениями пространства в одну общую сущность: четырехмерное пространство-время. Идея объединения пространства и времени в пространство-время восходит к математику Герману Минковскому, но Эйнштейн был единственным, кто полностью осознал физические последствия, которые он обобщил в своей теории специальной относительности.

Слово "относительность" в специальной теории относительности означает, что абсолютного покоя не существует; вы можете находиться в состоянии покоя лишь относительно чего-то. Например, сейчас вы, вероятно, находитесь в состоянии покоя по отношению к этой книге; она не движется ни от вас, ни к вам. Но если вы бросите ее в угол, то ситуацию можно описать двумя способами: книга движется с некоторой скоростью относительно вас и всей планеты Земля, или вы и вся планета движетесь относительно книги. По мнению Эйнштейна, оба способа описания физики эквивалентны и должны давать одинаковые предсказания - вот что означает слово "относительность". Специальная просто говорит, что эта теория не включает в себя гравитацию. Гравитация была включена только позже, в общей теории относительности Эйнштейна.

Идея о том, что мы должны быть в состоянии описывать физические явления одинаково, независимо от того, как мы движемся в четырехмерном пространстве-времени Эйнштейна, звучит довольно безобидно, но она имеет множество контринтуитивных последствий, которые полностью изменили наше представление о времени.

В привычном нам трехмерном пространстве мы можем присвоить координаты любому месту с помощью трех чисел. Например, мы можем использовать расстояние до вашей входной двери в направлениях восток-запад, север-юг и вверх-вниз. Если измерением является время, мы просто добавляем четвертую координату, скажем, время, прошедшее у вашей входной двери с 7:00 утра. Затем мы называем все координаты событием. Например, событием в пространстве-времени в координатах 3 метра на восток, 12 метров на север, 3 метра вверх и 10 часов может быть ваш балкон в 17:00.

Такой выбор координат является произвольным. Существует множество различных способов обозначения координат в пространстве-времени, и Эйнштейн говорил, что эти обозначения не должны иметь значения. Время, которое реально проходит для объекта, не должно зависеть от того, какие координаты мы выбрали. И он показал, что это неизменное, внутреннее время - собственное время, как его называют физики, - является длиной кривой в пространстве-времени.

Предположим, вы отправляетесь в путешествие из Лос-Анджелеса в Торонто. Для вас важно не расстояние между этими точками по прямой координате, составляющее около 2 200 миль, а расстояние по шоссе и улицам, которое больше похоже на 2 500 миль. В пространстве-времени все аналогично. Важна продолжительность поездки, а не координатное расстояние. Но есть и важное отличие: в пространстве-времени, чем длиннее кривая между двумя событиями, тем меньше времени проходит на ней.

Как сделать кривую между двумя событиями в пространстве-времени длиннее? Изменив свою скорость. Чем больше вы ускоряетесь, тем медленнее проходит ваше собственное время. Этот эффект называется замедлением времени. И да, в принципе, это означает, что если вы бежите по кругу, то будете стареть медленнее. Но это крошечный эффект, и я не могу рекомендовать его в качестве антивозрастной стратегии. Кстати, именно поэтому время вблизи черной дыры течет медленнее, чем вдали от нее. Это потому, что, согласно принципу эквивалентности Эйнштейна, сильное гравитационное поле имеет тот же эффект, что и быстрое ускорение.

Что это значит? Представьте, что у меня есть двое одинаковых часов; я передаю вам одни, и вы идете своей дорогой, а я - своей. В доэйнштейновские времена мы бы подумали, что, когда бы мы ни встретились снова, эти часы будут показывать совершенно одинаковое время - вот что значит, что время является универсальным параметром. Но после Эйнштейна мы знаем, что это не так. То, сколько времени проходит на ваших часах, зависит от того, как много и как быстро вы двигаетесь.

Откуда мы знаем, что это верно? Ну, мы можем это измерить. Мы слишком отклонились от темы, чтобы подробно рассказывать о том, какие наблюдения подтвердили теории Эйнштейна, но я оставлю вам рекомендации для дальнейшего чтения в конце книги. Чтобы двигаться дальше, позвольте мне просто подвести итог, сказав, что гипотеза о том, что течение времени зависит от того, как вы двигаетесь, подтверждается большим и надежным набором доказательств.

Я говорю о часах для иллюстрации, но тот факт, что ускорение замедляет время, не имеет никакого отношения к устройствам, которые мы называем часами; это происходит с любым объектом. Будь то циклы горения, ядерный распад, бег песка в песочных часах или биение сердца, каждый процесс имеет свой индивидуальный ход времени. Но разница между отдельными временами обычно мизерна, поэтому в повседневной жизни мы ее не замечаем. Однако они становятся заметными, когда мы очень точно отслеживаем время, как это делают, например, спутники, входящие в систему глобального позиционирования (GPS).

GPS, которую, скорее всего, использует навигационная система вашего телефона, позволяет приемнику - например, вашему телефону - вычислять свое положение по сигналам нескольких спутников, вращающихся вокруг Земли. Поскольку время не универсально, на этих спутниках оно течет иначе, чем на Земле, как из-за движения спутников относительно поверхности Земли, так и из-за более слабого гравитационного поля, которое испытывают спутники на своих орбитах. Программное обеспечение вашего телефона должно учитывать это, чтобы правильно определить его местоположение, потому что различное течение времени на спутниках слегка искажает сигналы. Это небольшой эффект, конечно, но это не философия, это физическая реальность.

Тот факт, что течение времени не является универсальным, уже довольно умопомрачителен, но это еще не все. Поскольку скорость света очень велика, но конечна, свету требуется время, чтобы достичь нас, поэтому, строго говоря, мы всегда видим вещи такими, какими они выглядели немного раньше. Хотя, опять же, в повседневной жизни мы этого не замечаем. Свет распространяется так быстро, что это не имеет значения на тех коротких расстояниях, которые мы видим на Земле. Например, если вы посмотрите вверх и понаблюдаете за облаками, вы увидите их такими, какими они были миллионную долю секунды назад. Но ведь это не имеет большого значения, правда? Мы видим Солнце таким, каким оно выглядело восемь минут назад, но поскольку Солнце обычно не так уж сильно меняется за несколько минут, время прохождения света не имеет большого значения. Если вы посмотрите на Полярную звезду, то увидите ее такой, какой она была 434 года назад. Ну да, скажете вы, и что с того?

Заманчиво списать эту временную задержку между моментом, когда что-то происходит, и нашим наблюдением за этим как ограничение восприятия, но это имеет далеко идущие последствия. И снова дело в том, что течение времени не является универсальным. Если вы спросите, что произошло "в то же самое время" в другом месте - например, что именно вы делали, когда Солнце излучало свет, который вы видите сейчас, - вы не получите вразумительного ответа на этот вопрос.

Эта проблема известна как относительность одновременности, и она была хорошо проиллюстрирована самим Эйнштейном. Чтобы понять, как это происходит, нужно сделать несколько рисунков пространства-времени. Трудно нарисовать четыре измерения, поэтому, надеюсь, вы извините меня, если я буду использовать только одно измерение пространства и одно измерение времени. Объект, который не движется относительно выбранной системы координат, описывается вертикальной прямой линией на этой диаграмме (рис. 1). Эти координаты также называются системой покоя объекта. Объект, движущийся с постоянной скоростью, образует прямую линию, наклоненную под углом. По общему правилу физики используют угол 45 градусов для скорости света. Скорость света одинакова для всех наблюдателей, и, поскольку ее нельзя превысить, физические объекты должны двигаться по линиям, наклоненным менее чем на 45 градусов.

Эйнштейн рассуждал следующим образом. Допустим, вы хотите построить понятие одновременности с помощью импульсов лазерных лучей, отражающихся от зеркал, которые находятся в покое относительно вас. Вы посылаете один импульс вправо, другой влево и меняете свое положение между зеркалами, пока импульсы не вернутся к вам в один и тот же момент (см. рис. 2a). Тогда вы поймете, что находитесь точно посередине и лазерные лучи попадают в оба зеркала в один и тот же момент.

Проделав это, вы точно знаете, в какой момент вашего собственного времени лазерный импульс ударит в оба зеркала, хотя вы не можете этого увидеть, потому что свет от этих событий еще не дошел до вас. Вы можете посмотреть на свои часы и сказать: "Сейчас!". Таким образом, вы создали понятие одновременности, которое, в принципе, могло бы охватить всю Вселенную. На практике у вас может не хватить терпения ждать десять миллиардов лет, пока лазерный импульс вернется, но это уже теоретическая физика для вас.

Теперь представьте, что ваша подруга Сью движется относительно вас и пытается проделать то же самое (рис. 2b). Допустим, она движется слева направо. Сью тоже использует два зеркала, одно справа, другое слева, и зеркала движутся вместе с ней с одинаковой скоростью - следовательно, зеркала находятся в покое относительно Сью, как и ваши зеркала относительно вас. Как и вы, она посылает лазерные импульсы в обоих направлениях и позиционирует себя так, что импульсы возвращаются к ней с обеих сторон в один и тот же момент. Как и вы, она знает, что импульсы попадают на оба зеркала в один и тот же момент, и может вычислить, какому моменту соответствует этот момент на ее собственных часах.

Проблема в том, что она получает другой результат, чем вы. Два события, которые, по мнению Сью, происходят в одно и то же время, по вашему мнению, не происходят в одно и то же время. Это потому, что с вашей точки зрения она движется к одному из зеркал и отходит от другого. Вам кажется, что время, необходимое импульсу, чтобы достичь зеркала слева от нее, меньше, чем время, необходимое другому импульсу, чтобы догнать зеркало справа от нее. Сью этого не замечает, потому что на обратном пути импульсов от зеркал происходит обратное. Импульс от зеркала справа от Сью догоняет ее дольше, а импульс от зеркала слева - быстрее.

Вы бы заявили, что Сью совершает ошибку, но, по мнению Сью, ошибку совершаете вы, потому что, по ее мнению, двигаетесь именно вы. Она скажет, что на самом деле ваши лазерные импульсы попадают на зеркала не одновременно (рис. 2c и 2d).

Кто прав? Никто из вас. Этот пример показывает, что в специальной теории относительности утверждение о том, что два события произошли в одно и то же время, не имеет смысла.

Стоит подчеркнуть, что этот аргумент работает только потому, что свету не нужна среда для распространения, а скорость света (в вакууме) одинакова для всех наблюдателей. Этот аргумент не работает, например, со звуковыми волнами (или любым другим сигналом, который не является светом в вакууме), потому что тогда скорость сигнала действительно не будет одинаковой для всех наблюдателей; вместо этого она будет зависеть от среды, в которой он путешествует. В этом случае один из вас будет объективно прав, а другой - нет. То, что ваше понятие "сейчас" может не совпадать с моим, - это понимание, которым мы обязаны Альберту Эйнштейну.

____

Мы только что установили, что два наблюдателя, которые движутся друг относительно друга, не согласны с тем, что значит для двух событий произойти в одно и то же время. Это не только странно, но и полностью разрушает наше интуитивное представление о реальности.

Чтобы понять это, предположим, что у вас есть два события, которые не находятся в причинно-следственной связи друг с другом, что означает, что вы не можете послать сигнал от одного к другому, даже со скоростью света. Диаграмматически "не находятся в причинно-следственном контакте" означает, что если провести прямую линию через два события, то угол между ней и горизонталью будет меньше 45 градусов. Но посмотрите на рисунок 2b еще раз. Для двух событий, которые не находятся в причинном контакте, вы всегда можете представить себе наблюдателя, для которого все на этой прямой происходит одновременно. Вам просто нужно выбрать скорость наблюдателя так, чтобы точки возврата лазерных импульсов лежали на этой прямой. Но если любые две точки, не связанные причинно-следственной связью, происходят для кого-то в одно и то же время, то каждое событие для кого-то является "сейчас".

Чтобы проиллюстрировать последний шаг, предположим, что одно событие - это ваше рождение, а другое - взрыв сверхновой (см. рис. 3). Взрыв причинно не связан с вашим рождением, то есть свет от него еще не достиг Земли в момент вашего рождения. Вы можете представить, что ваша подруга Сью, космическая путешественница, видит эти события в одно и то же время, поэтому, по ее мнению, они произошли одновременно.

Предположим также, что к моменту вашей смерти свет от сверхновой все еще не достиг Земли. Тогда ваш друг Пол мог бы найти способ путешествовать посередине между вами и сверхновой, чтобы увидеть вашу смерть и сверхновую в одно и то же время. По словам Пола, они произошли одновременно. Клянусь, на этом знакомство с воображаемыми друзьями на космических кораблях закончено!

Затем мы можем собрать воедино все, что узнали. Думаю, большинство из нас скажет, что облака существуют сейчас, хотя мы видим их только такими, какими они были долю секунды назад. Для этого мы используем свое собственное, личное понятие одновременности, которое зависит от того, как мы перемещаемся в пространстве-времени, то есть обычно гораздо ниже скорости света и по поверхности нашей планеты. Поэтому под словом "сейчас" мы все понимаем практически одно и то же, и это обычно не вызывает путаницы.

Однако все понятия "сейчас" для наблюдателей, которые движутся в другом месте и потенциально близки к скорости света - как Сью и Пол, - одинаково верны, и в принципе они охватывают всю Вселенную. И поскольку может существовать некий наблюдатель, согласно которому ваше рождение и взрыв сверхновой происходят одновременно, сверхновая существует в момент вашего рождения в соответствии с вашим собственным представлением о существовании. Поэтому, поскольку может существовать другой наблюдатель, согласно которому взрыв происходит вместе с вашей смертью, ваша смерть существует во время вашего рождения.

Вы можете привести этот аргумент для любых двух событий в любой точке Вселенной в любое время и прийти к тому же выводу: физика специальной относительности Эйнштейна не позволяет нам ограничить существование лишь моментом, который мы называем "сейчас". Как только вы соглашаетесь с тем, что что-то существует сейчас в другом месте, даже если вы увидите это только позже, вы вынуждены признать, что все во Вселенной существует сейчас.

Это недоуменное следствие специальной теории относительности физики окрестили блочной вселенной. В этой блочной вселенной будущее, настоящее и прошлое существуют одинаково, просто мы воспринимаем их по-разному. А если все времена существуют одинаково, значит, все наши прошлые "я", бабушки и дедушки живы так же, как и наши нынешние "я". Они все там, в нашем четырехмерном пространстве-времени, всегда были там и всегда будут там. Если подытожить словами британского комика Джона Ллойда, то "Время похоже на ландшафт. Если вы не в Нью-Йорке, это не значит, что его там нет".

Прошло более века с тех пор, как Эйнштейн выдвинул свои теории специальной и общей относительности. Но сегодня мы все еще пытаемся понять, что же это на самом деле значит. Звучит безумно, но идея о том, что прошлое и будущее существуют так же, как и настоящее, согласуется со всем, что мы знаем на сегодняшний день.

Вечная информация

Представление о том, что настоящий момент не имеет особой значимости, можно рассмотреть и с другой стороны. Все успешные теории в основах физики требуют двух составляющих: (1) информация о том, что именно вы хотите описать в один момент времени, называемая начальным состоянием, и (2) предписание, называемое законом эволюции, о том, как вычислить из этого начального состояния то, что произойдет в другой момент времени.

Хочу предупредить вас, что слово "эволюция" здесь не имеет ничего общего с Чарльзом Дарвином; оно просто означает, что закон говорит нам о том, как система развивается, то есть изменяется во времени. Например, если вам известны место и скорость вхождения метеорита в атмосферу Земли (начальное состояние), то, применив закон эволюции, вы сможете вычислить место его падения. И поскольку мы уже вводим терминологию, техническое выражение для "того, что вы хотите описать" - это система. Нет, серьезно. Если в других дисциплинах система имеет довольно специфическое значение, то среди физиков она может означать что угодно и как угодно. Это очень удобно, поэтому я тоже буду использовать это слово.

Таким образом, когда мы хотим сделать предсказание, мы берем состояние системы в один момент времени, а затем, используя закон эволюции, вычисляем из этого одного момента времени, что система будет делать в любой другой момент времени. Но мы можем делать это в любом направлении времени. Законы, как мы говорим, обратимы во времени. Их можно прокручивать вперед и назад, как в кино.

В нашем повседневном опыте движение вперед по времени выглядит совсем иначе, чем назад по времени. Мы видим, что яйца разбиваются, но не сбиваются, поленья горят, но не погасают, люди стареют, но не молодеют. Я посвятила целую главу 3 вопросу о том, почему движение вперед во времени выглядит иначе, чем назад во времени. Но в этой главе я отложу вопрос о том, почему время, похоже, имеет предпочтительное направление, и вместо этого рассмотрю лишь последствия обратимости законов времени.

Обратимость времени не означает, что оба направления во времени выглядят одинаково; это называется инвариантностью времени. Обратимость времени означает лишь то, что, имея всю информацию на один момент времени, мы можем вычислить, что произошло в любой момент до этого и что произойдет в любой момент после этого.

Идея о том, что все события в будущем в принципе могут быть вычислены из любого более раннего времени, называется детерминизмом. До открытия квантовой механики известные на тот момент законы природы были детерминированными. В 1814 году французский ученый и философ Пьер-Симон Лаплас придумал вымышленное, всезнающее существо, чтобы проиллюстрировать последствия.

Мы должны рассматривать нынешнее состояние Вселенной как следствие предыдущего и как причину того, что последует за ним. Если бы на одно мгновение был создан разум, способный постичь все силы, которыми одушевлена природа, и соответствующее положение составляющих ее существ, - разум, достаточно обширный, чтобы подвергнуть эти данные анализу, - он охватил бы одной формулой движения величайших тел Вселенной и движения легчайшего атома; для него ничто не было бы неопределенным, и будущее, как и прошлое, предстало бы перед его глазами.

Это всезнающее существо, демон Лапласа, - идеал. На практике, конечно, никто не обладает всей информацией, необходимой для уверенного предсказания будущего, - мы не всеведущи. Но меня здесь не интересует, какие расчеты можно сделать на практике; я хочу рассмотреть, что фундаментальные законы и их свойства говорят нам о природе реальности.

Теперь закон обратимости во времени тоже детерминирован, но обратное не обязательно верно. Представьте себе видеоигру, в которую невозможно выиграть. Вы смотрите записи геймеров, которые играют, но в конечном итоге всегда проигрывают. Запись неизбежно заканчивается одним и тем же экраном с надписью "Игра окончена". Это означает, что если вы видите только конечный экран, вы не можете сказать, что произошло до этого. Исход определен, но не обратим во времени. Закон обратимости времени, напротив, приводит к уникальному соотношению между любыми двумя моментами времени. В примере с видеоигрой это означает, что финальный экран содержит достаточно деталей, чтобы вы могли понять, какие именно ходы привели к такому исходу.

Известные на сегодняшний день фундаментальные законы природы одновременно обратимы во времени и детерминированы, за исключением двух процессов, о которых я расскажу в следующем разделе. То, что будущее фиксируется настоящим таким образом, похоже, сильно ограничивает нашу способность принимать решения. О том, что это значит для свободы воли, мы поговорим в главе 6. Пока же я хочу сосредоточиться на более светлой стороне инвариантности времени, которая заключается в том, что Вселенная хранит верную запись информации обо всем, что вы когда-либо говорили, думали и делали.

Я использую слово "информация" здесь в свободном смысле, чтобы обозначить все числа, которые нужно подставить в закон эволюции, чтобы с его помощью можно было сделать предсказание. Информация, таким образом, - это просто все детали, необходимые для того, чтобы полностью определить начальное состояние системы в конкретный момент времени. В других областях физики информация имеет свойства, выходящие за эти рамки, но здесь я буду использовать этот термин именно так.

Закон эволюции отображает начальное состояние в любой момент времени на любое другое состояние в любой другой момент времени, так что на самом деле он просто рассказывает нам о том, как изменяется конфигурация материи во Вселенной и пространстве-времени. Мы начинаем с частиц, расположенных в одном месте, применяем к ним уравнение и получаем другое место. Информация в этих расположениях полностью сохраняется. Чтобы восстановить прежнее состояние, достаточно применить закон эволюции и запустить его в обратном направлении. На практике это невыполнимо. Но в принципе информация - включая каждую мельчайшую деталь вашей личности - не может быть уничтожена.

Далее поговорим о двух исключениях обратимости времени: измерении в квантовой механике и испарении черных дыр.

В квантовой механике существует обратимый во времени закон эволюции (уравнение Шредингера) для математического объекта, называемого волновой функцией. Волновая функция обычно обозначается Ψ (греческая заглавная буква psi) и описывает то, что вы хотите наблюдать ("система"). На основе волновой функции мы вычисляем вероятности результатов измерений, но сама волновая функция не является наблюдаемой.

Чтобы понять, как это работает, рассмотрим следующий пример. Предположим, мы используем квантовую механику для расчета вероятности того, что частица будет измерена в определенном месте. Чтобы обнаружить частицу, мы используем светящийся экран, который испускает вспышку в том месте, где частица попадает на него. Допустим, наши расчеты предсказывают, что есть 50-процентная вероятность обнаружить частицу в левой части экрана и 50-процентная вероятность обнаружить ее в правой части. Согласно квантовой механике, это вероятностное предсказание - все, что можно сказать. Оно вероятностно не потому, что нам не хватает информации. Просто больше нет никакой информации. Волновая функция является полным описанием частицы - вот что значит для теории быть фундаментальной.

Однако в тот момент, когда мы действительно измеряем частицу, мы точно знаем, находится ли она по одну сторону экрана или по другую. Это означает, что мы должны обновить волновую функцию с 50:50 до 100:0 или 0:100, в зависимости от того, на какой стороне экрана мы увидели частицу. Это обновление иногда также называют уменьшением или коллапсом волновой функции. Я нахожу слово "коллапс" вводящим в заблуждение, потому что оно предполагает физический процесс, который квантовая механика не содержит, поэтому я буду придерживаться обновления или уменьшения. Без обновления квантовая механика просто не описывает то, что мы наблюдаем.

"Но что такое измерение?" - спросите вы. Да, хороший вопрос. Он, конечно, сильно беспокоил физиков в первые дни существования квантовой механики. К настоящему времени на этот вопрос, к счастью, в значительной степени получен ответ. Измерение - это любое взаимодействие, которое достаточно сильно или часто, чтобы разрушить квантовое поведение системы. Можно вычислить (и для многих примеров это уже сделано) только то, что требуется для разрушения квантового поведения.

Самое важное, что эти расчеты показывают, что измерение в квантовой механике не требует сознательного наблюдателя. На самом деле, для этого даже не требуется измерительный прибор. Даже крошечные взаимодействия с молекулами воздуха или света могут разрушить квантовые эффекты так, что нам придется обновить волновую функцию. Конечно, в данном случае говорить об измерении - это злоупотребление языком, но физически нет никакой разницы между взаимодействием с искусственным аппаратом и взаимодействием с естественно существующей средой. И поскольку в повседневной жизни мы никогда не можем освободиться от окружающей среды, мы обычно не видим квантовые эффекты, такие как мертвые и живые кошки, своими глазами. Квантовое поведение слишком легко разрушить.

Именно поэтому не стоит слушать тех, кто утверждает, что квантовые скачки позволяют думать о том, как избавиться от болезней, или что вы можете улучшить свою жизнь, черпая энергию из квантовых флуктуаций, и так далее. Это не просто несовременная наука - это несовместимо с фактами. В обычных условиях квантовые эффекты не играют никакой роли за пределами размеров молекул. То, что их трудно поддерживать и измерять, - именно та причина, по которой физики любят проводить эксперименты при температурах, близких к абсолютному нулю, желательно в вакууме.

Мы достаточно хорошо понимаем, что представляет собой измерение, но тот факт, что при измерении нам необходимо обновлять волновую функцию, делает квантовую механику одновременно индетерминированной и необратимой во времени. Она индетерминистична, потому что мы не можем предсказать, что именно мы будем измерять; мы можем предсказать только вероятность измерения чего-либо. И она не обратима во времени, потому что, измерив частицу, мы не можем сделать вывод о том, какой была волновая функция до измерения. Предположим, вы измеряете частицу в левой части экрана. Тогда вы не сможете сказать, утверждала ли волновая функция ранее, что частица должна быть там с вероятностью 50 процентов или с вероятностью всего 1 процент. Существует множество различных начальных состояний волновой функции, которые приведут к одному и тому же результату измерения. Это означает, что измерение в квантовой механике уничтожает информацию навсегда.

Однако если вы знаете что-то о квантовой механике, так это то, что ее физическая интерпретация остается весьма спорной. В 1964 году, более чем через полвека после создания теории, Ричард Фейнман сказал своим студентам: "Я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику". Спустя еще полвека, в 2019 году, физик Шон Кэрролл написал, что "даже физики не понимают квантовую механику".

Действительно, тот факт, что волновую функцию нельзя наблюдать, - это дилемма, которая не дает покоя физикам и философам на протяжении большей части столетия, но нам нет необходимости обсуждать ее здесь. Если вы хотите узнать больше об интерпретациях квантовой механики, пожалуйста, ознакомьтесь с моими рекомендациями по чтению в примечаниях. Позвольте мне подвести итог, сказав, что если вы не верите, что обновление измерений фундаментально верно, то в настоящее время это научно обоснованная позиция. Я же считаю, что, скорее всего, обновление измерений однажды будет заменено физическим процессом в базовой теории, и, возможно, оно снова окажется детерминированным и обратимым во времени.

Добавлю, что в одной из наиболее популярных в настоящее время интерпретаций квантовой механики - многомировой интерпретации - обновление измерений вообще не происходит, и эволюция Вселенной просто остается обратимой во времени. Я не являюсь большим поклонником многомировой интерпретации по причинам, которые я изложу в главе 5, но, чтобы дать вам точное представление о текущем состоянии исследований, многомировая интерпретация является еще одной причиной того, что вера в обратимость времени в настоящее время совместима с научным знанием.

Это подводит нас к другому исключению обратимости времени: испарению черных дыр. Черные дыры - это области, где пространство-время искривляется настолько сильно, что свет вынужден ходить по кругу и не может вырваться наружу. Поверхность, в пределах которой свет оказывается в ловушке, называется горизонтом черной дыры; в простейшем случае горизонт имеет форму сферы. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, черные дыры задерживают все, что пересекает горизонт. Если что-то упадет внутрь - атом, книга, космический корабль - оно не сможет выбраться обратно, никогда. Оказавшись внутри черной дыры, оно навечно отрезано от остальной Вселенной.

Однако если что-то исчезло из виду, это не значит, что оно перестало существовать. Если я положу книгу в коробку, я тоже больше не смогу ее увидеть, но это не уничтожит содержащуюся в ней информацию. Поэтому само наличие горизонта черной дыры не является проблемой для сохранения информации. Конечно, это проблема для доступности информации, но если бы черные дыры просто продолжали хранить информацию бесконечно, это было бы совершенно непроблематично.

И так было до тех пор, пока в 1974 году Стивен Хокинг не показал, что черные дыры не живут вечно. Из-за квантовых флуктуаций пространство-время вокруг горизонта черной дыры становится нестабильным. В этой области ранее пустое пространство распадается на частицы, в первую очередь на фотоны (частицы света) и частицы с крошечной массой, называемые нейтрино. Это создает устойчивый поток, называемый излучением Хокинга, который уносит энергию за горизонт. Черная дыра испаряется, и, поскольку энергия сохраняется, черная дыра уменьшается.

Однако, поскольку излучение Хокинга исходит не изнутри черной дыры, оно не может содержать информацию о том, что первоначально образовало черную дыру или что упало в нее позже. Помните, что то, что находится внутри черной дыры, отсоединено от внешнего мира. Излучение все же несет несколько бит информации. Например, если поймать его целиком, можно сделать вывод об общей массе и угловом моменте черной дыры. Но излучение не несет даже отдаленно достаточно информации, чтобы закодировать все детали того, что исчезло за горизонтом. Поэтому, когда черная дыра полностью испарится и останется только излучение Хокинга, у вас не будет возможности выяснить, каким было ее начальное состояние. Была ли она когда-то белым карликом или нейтронной звездой? Съела ли она маленькую луну, или облако водорода, или неудачливого космического путешественника? Какими были последние слова космического путешественника? Неизвестно. Таким образом, испарение черной дыры является необратимым во времени: существует множество различных начальных состояний, которые приводят к одному и тому же конечному состоянию.

Внешне это похоже на проблему измерения, но есть важное отличие. Уничтожение информации при испарении черной дыры происходит еще до измерения излучения. Это большая проблема, поскольку это означает, что испарение черной дыры несовместимо даже с законом эволюции квантовой теории. Именно по этой причине большинство физиков в настоящее время считают, что в выводе Хокинга о том, что черные дыры уничтожают информацию, что-то не так.

Сам Хокинг в более поздние годы изменил свое мнение и убедился, что черные дыры не уничтожают информацию. Самый очевидный недостаток расчета Хокинга 1974 года заключается в том, что он не включает в себя квантовые свойства гравитации. И не может, потому что у нас нет теории для этого. Если бы у нас была такая теория, и если бы мы включили ее эффекты, возможно, это позволило бы восстановить обратимость времени в испарении черных дыр. Многие физики сейчас считают, что так и будет.

В общем, если не считать квантовых измерений и испарения черной дыры, что является спорным случаем, информацию уничтожить невозможно. Я нахожу утешение в этом знании, когда теряю ключи от машины. Если говорить более серьезно, то, конечно, после смерти вашей бабушки информация о ней - ее уникальный способ ориентироваться в жизни, ее мудрость, ее доброта, ее чувство юмора - на практике становится невосполнимой. Она быстро рассеивается в формах, с которыми мы больше не можем общаться и которые, возможно, больше не позволяют осознавать себя. Тем не менее, если вы доверяете нашей математике, информация все еще существует, где-то, как-то, разбросанная по Вселенной, но сохраненная навсегда. Это может показаться безумием, но это согласуется со всем, что мы знаем на данный момент.

Трансцендентная математика

Мои аргументы в этой главе до сих пор основывались на анализе математических свойств законов природы, и этот метод сам по себе заслуживает дальнейшего изучения. Любопытно, что математика "непостижимо эффективна" в естественных науках, как незабываемо выразился Юджин Вигнер. Действительно, математика невероятно хорошо помогает физикам; доказательство этого у вас перед глазами. Неважно, читаете ли вы эту книгу с экрана или напечатанную лазером на бумаге, - ее принесли вам физики, глубоко погрузившиеся в математику квантовой механики, на которую опираются современные технологии. Вы можете не знать математики, не понимать ее, или она может вам не нравиться, но нет никаких сомнений в том, что она работает.

И все же физика - это не математика. Физика - это наука, и как таковая она призвана описывать наблюдения за природными явлениями. Да, мы используем математику в физике, и много, как вы, я уверена, заметили. Но мы делаем это не потому, что знаем, что мир действительно математичен. Он может быть математическим - такая возможность известна как платонизм, но платонизм - это философская, а не научная позиция. Все, что мы можем сказать из наблюдений, - это то, что математика полезна для описания мира. То, что мир является математическим, а не просто описывается математикой, - это дополнительное предположение. И поскольку это дополнительное предположение не нужно для объяснения того, что мы наблюдаем, оно не является научным.

Однако вера в то, что реальность - это математика, глубоко укоренилась в мышлении многих физиков, которые относятся к математике как к вневременному царству истины, в котором мы живем. Обычно в учебниках и статьях говорится, что пространство-время - это определенная математическая структура, а частицы - это определенные математические объекты. Физики могут сознательно не поддерживать идею о том, что математика реальна, и, когда их спросят, будут отрицать это, но на практике они не делают различий между этими двумя понятиями. Это смешение имеет свои последствия, поскольку иногда они ошибочно полагают, что их математика раскрывает больше о реальности, чем может быть.

Это наиболее очевидно в идее Макса Тегмарка о "математической вселенной". По мнению Тегмарка, вся математика реальна, и вся она одинаково реальна - не только математика, описывающая наши наблюдения, но буквально любая математика: Число Эйлера, нули дзета-функции Римана, псевдометрические нехаусдорфовы многообразия, модульные пространства p-адических представлений Галуа - все это так же реально, как ваш большой палец на ноге.

Возможно, вам будет трудно это переварить. Но как бы вы к этому ни относились, это не неправильно, это просто ненаучно. Нам явно не нужна вся математика для описания наших наблюдений - Вселенная устроена именно так, а не иначе, поэтому для ее описания требуется только очень специфическая математика. А научные гипотезы не должны содержать лишних предположений, поскольку это позволило бы добавить утверждения вроде "и это сделал Бог". Постулирование того, что вся математика реальна, является таким ненаучным, излишним допущением - оно не помогает нам лучше описывать природу. Но то, что есть много математики, которая нам не нужна, не означает, что ее тоже не существует. Постулирование того, что его не существует, также излишне для описания наших наблюдений. Так что, как и в случае с Богом, наука не может ничего сказать о том, существует ли вся эта математика или нет.

Честно говоря, я думаю, что Тегмарк придумал математическую вселенную только для того, чтобы убедиться, что все знают, что он очень странный человек. Возможно, ему это удалось, но какими бы ни были его мотивы, признаюсь, что для меня мысль о том, что реальность - это просто проявление абсолютных математических истин, является утешительной верой. Если бы это было так, то, по крайней мере, мир имел бы смысл; просто мы не знаем или не понимаем математику, чтобы понять ее смысл.

Однако, хотя меня успокаивает мысль о том, что реальность - это математика, я не могу заставить себя поверить в это. Мне кажется самонадеянным думать, что люди уже открыли язык, на котором говорит природа, причем практически с первой попытки и сразу после того, как мы появились на поверхности планеты. Кто скажет, что не существует лучшего способа понять нашу вселенную, чем математика, и что на это может уйти миллион лет? Назовем это принципом ограниченного воображения: Если мы не можем придумать лучшего объяснения, это не значит, что его нет. То, что мы пока не знаем лучшего способа описания природных явлений, чем математика, не означает, что его нет.

Так что если вы хотите верить, что прошлое существует, потому что оно математическое и вся математика существует, это ваше дело. Аргументы, приведенные в предыдущих разделах этой главы, не зависят от того, верите ли вы в реальность математики. Однако они неявно предполагают, что сама математика вне времени, что математическая истина вечна и что логика не меняется. Это предположение невозможно доказать, потому что с помощью чего вы докажете его истинность? Это одна из обычно не озвучиваемых статей веры, на которых основывается наш научный поиск.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Согласно существующим законам природы, будущее, настоящее и прошлое существуют одинаково. Это потому, что, независимо от того, что именно вы подразумеваете под словом "существовать", в этих законах нет ничего, что отличало бы один момент времени от любого другого. Поэтому прошлое существует точно так же, как и настоящее. Хотя ситуация до конца не выяснена, кажется, что законы природы полностью сохраняют информацию, поэтому все детали, из которых состоите вы и история жизни вашей бабушки, бессмертны.

Глава 2. Как начиналась Вселенная? Как она закончится?

Что значит объяснить что-то?

Планета Земля образовалась около 4,5 миллиарда лет назад. Первые примитивные формы жизни появились около 4 миллиардов лет назад. Естественный отбор сделал все остальное, породив виды, все лучше приспособленные к окружающей среде. Доказательства, как говорится, налицо.

Так ли это? Представьте себе, что планета Земля начала свое существование всего шесть тысяч лет назад, когда все ископаемые были на месте, а камни хорошо обветрились. Однако с тех пор эволюция шла своим чередом, как утверждают ученые. Как бы вы доказали, что эта история неверна?

Никак.

Простите, но я же говорила вам, что это будет нелегко!

Невозможно доказать, что эта история неверна, потому что так работают наши современные законы природы. Как мы уже говорили в предыдущей главе, они работают, применяя законы эволюции к начальным состояниям, и мы можем применять эти законы эволюции как вперед, так и назад во времени. Если мы хотим предсказать путь небесного объекта, мы измеряем его текущее местоположение и скорость и эволюционируем вперед. Если мы хотим узнать, как выглядела Вселенная миллиарды лет назад, мы используем наши наблюдения в настоящее время, а затем проводим уравнения в обратном направлении.

Однако этот метод создает следующую проблему. Если я возьму настоящее состояние, например Землю в 2022 году, и применю к нему закон эволюции, то это даст мне прошлое состояние в 3978 году до нашей эры. Если я затем возьму это прошлое состояние и снова эволюционирую его во времени, я верно вернусь в 2022 год. Проблема в том, что я могу сделать это для любого закона эволюции. Всегда найдется некое состояние шести тысяч лет назад, которое в сочетании с правильным законом эволюции приведет к тому, что мы наблюдаем сегодня.

Действительно, если бы я захотела, я могла бы внезапно переключиться на другой закон эволюции более чем на шесть тысяч лет назад, чтобы приспособить его для творца, или для создания суперкомпьютера, управляющего космической симуляцией, в которой мы все живем, или вообще для всего, что я захочу. Вот почему при наличии таких законов природы, как те, которыми мы пользуемся сейчас, невозможно исключить идею о том, что Земля была создана кем-то или чем-то, когда все уже было на своих местах.

Поскольку такие истории создания не могут быть фальсифицированы, мы не можем сказать, ложны ли они, но то, что они ложны, не является их проблемой. Проблема этих историй в том, что они являются плохими научными объяснениями.

Различие между научными и ненаучными объяснениями является центральным в этой книге, поэтому оно заслуживает более пристального рассмотрения. Наука - это поиск полезных описаний мира; под полезными я подразумеваю те, которые позволяют нам делать предсказания для новых экспериментов или количественно объясняют уже существующие наблюдения. Чем проще объяснение, тем оно полезнее. Для научной теории эта объяснительная способность может быть количественно оценена различными способами, которые сводятся к подсчету того, сколько исходных данных необходимо теории, чтобы соответствовать набору данных с определенной степенью точности. Для наших целей не имеет значения, как именно можно количественно определить объяснительную силу. Отметим лишь, что это можно сделать, и что в некоторых областях науки ученые действительно этим занимаются. Космология - один из тех случаев, когда это делается часто.

В других областях науки, таких как биология или археология, математические модели в настоящее время широко не используются, и поэтому объяснительная сила обычно не может быть оценена количественно. Это происходит по целому ряду причин, но одна из них заключается в том, что сами наблюдения часто имеют качественную, а не количественную форму. Количественная оценка наблюдений, сделанная, скажем, путем изобретения меры зла войны, не обязательно принесет больше понимания, поэтому я не утверждаю, что все и вся нужно сводить к уравнениям. Но количественная оценка может помочь устранить сомнения в том, что выводы были предвзятыми из-за человеческого восприятия. Это можно сделать, например, для количественной оценки объяснительной силы дарвиновской эволюции, разработав математическую меру расстояния между окаменелостями.

Научные теории значительно упрощают истории, которые мы рассказываем о мире, и это упрощение воплощает в себе то, что мы вообще подразумеваем под занятием наукой. Хорошая научная теория - это та, которая позволяет нам вычислить результаты многих наблюдений на основе немногих предположений. Квантовая теория, например, позволяет вычислить свойства химических элементов. Это чрезвычайно хорошая научная теория, потому что она объясняет многое из малого. Вера в то, что всезнающее существо по имени Бог создало химические элементы, не является хорошей научной теорией. Вы можете сказать, что это в каком-то смысле простое объяснение, и, возможно, оно покажется вам убедительным. Возможно, вы даже сочтете его необходимым для осмысления вашего личного опыта. Однако гипотеза Бога не имеет количественно измеримой объяснительной силы. Вы не можете ничего вычислить на ее основе. Это не делает ее неверной, но делает ее ненаучной.

Утверждение, что мир был создан шесть тысяч лет назад, когда все было на своих местах, не поддается проверке, но и бесполезно. Это количественно сложно: нужно заложить много данных в начальное состояние. Гораздо более простое, а значит, и более научное объяснение заключается в том, что планете Земля уже много лет, и дарвиновская эволюция выполнила свою задачу.

Теперь, когда мы знаем, что значит объяснить что-то в научных терминах, давайте рассмотрим один из случаев, когда физики в настоящее время пытаются найти объяснения: начало нашей Вселенной.

Современные рассказы о творении

В самом начале суперструны создали мембраны более высокой размерности. Это одна из историй, которую мне рассказывали, но есть и множество других. Одни физики считают, что Вселенная началась со взрыва, другие - что с отскока, третьи - что с пузырьков. Некоторые говорят, что все началось с сети. Кому-то нравится идея, что это было некое столкновение, или вневременная фаза абсолютной тишины, или газ суперструн, или пятимерная черная дыра, или новая сила природы.

В конце концов, это не имеет значения - результат один и тот же: мы во Вселенной, похожей на ту, которую мы видим; то, что неважно, в какую историю вы верите, является большим предупреждающим знаком. Если бы это была наука, у нас должны быть данные, которые подскажут нам, какая гипотеза верна, или хотя бы идея, как получить необходимые данные. Но очень сомнительно, что данные, необходимые для фальсификации любого из этих мифов о происхождении, могут быть получены когда-либо. Эти истории простираются так далеко в прошлое, что данные слишком скудны, чтобы астрофизики могли отличить одну историю от другой, и этот тупик, возможно, невозможно преодолеть. Насколько нам известно, начало нашей Вселенной может остаться скрытым от нас навсегда.

Чтобы понять, почему я так говорю, мне нужно рассказать вам о том, как мы разрабатываем теории ранней Вселенной. Мы берем все данные, которые можем получить, а затем ищем простое объяснение. Чем больше закономерностей в данных, которые мы можем вычислить, тем лучше объяснение. Например, современная теория Вселенной, модель согласования (the concordance model), успешна не только потому, что при задании некоторого начального состояния она дает нам нынешнее состояние. Как отмечалось ранее, это всегда можно сделать. Нет, важно то, что начальные условия просты; они объясняют многое из малого.

Модель согласования - это применение общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой гравитация обусловлена искривлением пространства-времени. Я не буду подробно останавливаться на этом, потому что вам не нужно знать подробности, чтобы следовать дальше; вам просто нужно знать, что, согласно общей теории относительности, Вселенная, наполненная материей и энергией, будет расширяться, и скорость ее расширения зависит от типов и количества материи и энергии во Вселенной. Таким образом, модель согласования в основном отслеживает, сколько чего находится во Вселенной, из чего мы делаем вывод о скорости расширения.

В физике мы можем прогонять наши модели назад во времени, поэтому, начав с нынешнего состояния Вселенной - расширения, когда материя сгруппирована в галактики, - мы можем вернуться в прошлое и сделать вывод, что материя должна была быть сжата вместе. Когда-то она должна была представлять собой горячий и почти полностью гладкий суп из элементарных частиц, называемый плазмой.

То, что плазма была только почти полностью гладкой, очень важно. В плазме были небольшие сгустки, в которых плотность была чуть больше средней, а в других местах плотность была чуть меньше. Но гравитация имеет свойство притягивать материю к другой материи. То есть гравитация превращает маленькие сгустки в большие сгустки. Как бы невероятно это ни звучало, но за миллиарды лет небольшие неровности в плазме разрастаются до целых галактик. И распределение галактик, которое мы наблюдаем сегодня, через закон эволюции напрямую связано с распределением маленьких сгустков в плазме в ранней Вселенной. Поэтому мы можем использовать сегодняшние наблюдения за галактиками, чтобы, прогнав закон эволюции назад, сделать вывод о том, как должны были выглядеть маленькие сгустки в плазме, насколько они были велики и как далеко друг от друга они находились.

Более того, распределение галактик - не единственное наблюдение, по которому мы можем сделать вывод о том, как выглядела плазма. Это связано с тем, что места в плазме, где плотность была немного выше, также были немного горячее, а места, где плотность была немного ниже, были немного холоднее. Пока плазма в среднем очень плотная, она непрозрачна, а значит, свет будет проглочен почти сразу после излучения. Однако по мере того, как плотность плазмы падает, элементарные частицы могут слипаться и образовывать первые маленькие атомные ядра. Через несколько сотен тысяч лет наступает момент, называемый рекомбинацией, когда плазма остывает настолько, что атомные ядра удерживают связанные с ними электроны. Свет, полученный в результате рекомбинации, свободно распространяется по расширяющейся Вселенной.

По мере расширения Вселенной длина волны света увеличивается, а его частота колебаний уменьшается. Поскольку частота пропорциональна энергии света, а средняя энергия определяет температуру, температура света падает по мере расширения. Этот свет существует и сегодня, хотя и имеет чрезвычайно низкую температуру - 2,7 Кельвина (то есть 2,7 градуса Цельсия выше абсолютного нуля); он составляет космический микроволновый фон. Название происходит от типичной длины волны света, которая составляет около 2 миллиметров и попадает в микроволновую часть электромагнитного спектра.

Температура космического микроволнового фона, однако, не одинакова во всех направлениях неба. Средняя температура составляет 2,7 Кельвина, но вокруг этого среднего значения есть небольшие отклонения в несколько сотен тысячных долей градуса Кельвина. Это означает, что свет, идущий с одних направлений, немного теплее, а с других - немного холоднее. Эти температурные флуктуации в космическом микроволновом фоне также связаны с флуктуациями плотности плазмы в ранней Вселенной.

Теперь важно, что начальные условия для плазмы в ранней Вселенной соответствуют обоим наблюдениям: распределению галактик и колебаниям температуры в космическом микроволновом фоне. Таким образом, модель согласования в космологии - это упрощение по сравнению с простым сбором данных: она объясняет, почему два разных типа данных согласуются друг с другом очень специфическим образом. Хотя вы можете задать начальное условие для любого закона эволюции, чтобы результат совпал с наблюдениями, в общем случае вам придется вложить много информации в начальное условие, чтобы расчеты получились правильными и соответствовали наблюдениям. Модель согласования, напротив, не нуждается в большом количестве информации - ни в динамическом законе, ни в начальном условии - чтобы объяснить несколько различных наблюдений. Она заставляет все сходиться. Говоря словами предыдущего раздела, она обладает высокой объяснительной силой.

Я выбрала два конкретных наблюдения - распределение галактик и космический микроволновый фон - чтобы проиллюстрировать, что я имею в виду, когда говорю, что модель согласования - это хорошее объяснение, но есть и другие наблюдения, которые также подходят к ней, например, обилие химических элементов и способ формирования галактик. Эти наблюдения усиливают аргументы в пользу модели конкордации.

Модель согласования считается хорошей научной теорией, потому что она проста, но при этом объясняет такое количество данных. Числовые значения, которые в настоящее время лучше всего соответствуют собранным данным, говорят нам, что только около 5 процентов Вселенной состоит из того же материала, что и мы, 26 процентов - это тонко распределенная темная материя, которую мы не можем увидеть, а остальные 69 процентов приходятся на темную энергию космологической постоянной.

Как Большой взрыв вписывается в эту модель? Большой взрыв относится к гипотетическому первому моменту времени, когда началась Вселенная, поэтому он должен был произойти до фазы горячей плазмы, о которой мы только что говорили. Если исходить исключительно из математики, то в момент Большого взрыва материя во Вселенной должна была быть бесконечно плотной. Однако бесконечная плотность не имеет физического смысла, так что, скорее всего, это просто сигнал о том, что общая теория относительности Эйнштейна не работает при очень высоких плотностях. Когда физики говорят "Большой взрыв", они обычно имеют в виду не математическую сингулярность, а то, что может заменить сингулярность в лучшей теории пространства-времени, которую еще предстоит найти.

Большой взрыв, однако, не является частью модели согласования. Это потому, что у нас нет никаких наблюдений, которые бы говорили нам о том, что произошло так далеко в прошлое. Проблема в том, что когда мы прогоняем наши уравнения назад во времени, плотность и температура плазмы продолжают расти. В конце концов, плазма станет горячее и плотнее, чем та, которую мы смогли получить в самых мощных коллайдерах частиц в мире. А за пределами энергии этих коллайдеров мы уже не знаем, каких физических процессов ожидать. Мы никогда не испытывали этот режим, и он не встречается ни в одной другой наблюдаемой нами ситуации. Даже внутри звезд температура и плотность не превышают тех, что мы наблюдаем на Земле. Единственное известное нам естественное событие, при котором плотность может быть выше, - это коллапс звезды в черную дыру. Увы, в этом случае мы не можем наблюдать за происходящим, потому что коллапс скрыт за горизонтом черной дыры.

Это не маленький пробел в наших знаниях. Энергии при Большом взрыве были как минимум на пятнадцать порядков выше, чем те, о которых у нас есть достоверные данные. Конечно, мы можем строить догадки, и физики, безусловно, спекулируют с полной отдачей.

Самая простая спекуляция - предположить, что в уравнении эволюции модели согласия ничего не меняется, так что мы можем просто продолжать откатывать его назад во времени, в диапазон, для которого у нас нет данных. Чтобы вы понимали, что значит экстраполировать на пятнадцать порядков, это можно сравнить с экстраполяцией от ширины нити ДНК до радиуса Земли - и предположить, что между ними не происходит ничего нового. Весьма сомнительно, что эта экстраполяция хоть сколько-нибудь хороша. В любом случае, если вы это сделаете, то уравнения в конце концов просто рассыпятся; мы получим сценарий Большого взрыва, и все. Это довольно скучно, на самом деле.

Однако, поскольку нет данных, ограничивающих эту экстраполяцию в прошлое, ничто не мешает физикам изменить уравнения в более ранние времена и придумать захватывающие истории о том, что могло бы произойти. Это гораздо интереснее. Например, очень часто физики предполагают, что при увеличении плотности за пределы пока что проверенного диапазона фундаментальные силы природы в конечном итоге сливаются в одно целое в событии, называемом великим объединением. У нас нет никаких доказательств того, что нечто подобное когда-либо происходило, но многие физики, тем не менее, верят в это. Более того, они придумали сотни различных способов изменить уравнения эволюции. Я не могу перечислить все из них, но здесь я кратко перечислю наиболее популярные на данный момент.

Инфляция

Согласно теории инфляции, Вселенная возникла из квантовых флуктуаций поля, называемого инфлатоном. Слово "поле" здесь означает, что, в отличие от частицы, оно пронизывает пространство и время - оно повсюду. Возникновение из квантовых флуктуаций означает, что это создание может происходить даже в вакууме. Вселенная начинается с вакуума, и вдруг в ней появляется пузырь с инфлатонным полем, который продолжает расширяться. Под действием инфлатонного поля Вселенная проходит фазу экспоненциально быстрого расширения - инфляцию, которая и дала название теории. Затем физики предполагают, что инфлатонное поле распадается на частицы, которые мы наблюдаем и сегодня, и дальше все происходит в соответствии с моделью согласования.

У нас нет никаких доказательств существования инфлатонного поля или идеи о том, что современные частицы были получены в результате его распада. Некоторые физики утверждают, что инфляционная теория делает предсказания, которые могут быть фальсифицированы предстоящими наблюдениями. Однако всегда можно подобрать свойства инфляционного поля таким образом, чтобы они соответствовали тому, что мы будем наблюдать, а значит, гипотеза не обладает объяснительной силой. Причина популярности инфляции среди физиков заключается в том, что она, как считается, упрощает начальные условия, но если оставить в стороне тот факт, что это утверждение оспаривается, то такое упрощение достигается ценой усложнения уравнения эволюции.

То, что инфлатонное поле приводит к возникновению Вселенной там, где раньше был только вакуум, иногда интерпретируется как создание ex nihilo, "из ничего", как, например, в книге физика Лоуренса Краусса "Вселенная из ничего". Квантовый вакуум, однако, не является ничем. Это определенно нечто с очень специфическими математическими свойствами. Кроме того, в общепринятой версии инфляционной теории пространство и время существовали до создания нашей Вселенной, так что это явно не создание ex nihilo.

Новые силы

В настоящее время физики насчитывают четыре фундаментальные силы: гравитацию, электромагнитные силы, а также сильные и слабые ядерные силы. Все остальные известные нам силы - силы Ван-дер-Ваальса, трение, мускульные силы и так далее - возникают из этих четырех фундаментальных сил. Физики называют любую гипотетическую новую силу пятой силой. Это название относится не к какой-либо конкретной силе, а к большому количеству различных сил, которые предполагаются по разным причинам, одна из которых - изменение гипотетических условий в ранней Вселенной.

Я просто выделю одну из них для примера: сила, создаваемая полем, кускутоном, которое предположительно существовало в ранней Вселенной. С тех пор оно исчезло, но тогда оно позволяло флуктуациям перемещаться быстрее скорости света. Кускутон назван не в честь кускуса, и не в честь сумчатого вида cuscus, а в честь растения рода Cuscuta. Этот паразит растет на растениях и кустарниках и внешне напоминает пушистый зеленый парик. Cuscuta встречается почти исключительно в тропических и субтропических регионах, что является моим оправданием того, что я никогда не слышала о нем раньше. Поле кускутона названо так потому, что, как и паразит, поле "растет" по динамическому закону модели согласования.

Сила, создаваемая кускутоном, имеет такие же последствия для распределения материи во Вселенной, как и экспоненциальное расширение инфляционной теории, и страдает от той же проблемы - а именно, что она не нужна для объяснения любых существующих наблюдений и не дает никакого упрощения по сравнению с моделью согласования.

Впервые кускутон был предложен в 2006 году, и я должна признать, что это несколько своеобразная нишевая идея. Я упоминаю ее здесь, потому что было показано, что по текущим наблюдениям кускутон нельзя отличить от инфляции. Это доказывает, что подобные гипотезы неоднозначны и усложняют простую историю, что противоположно тому, что должны делать научные теории.

Скачки и циклы

Согласно этому классу теорий, нынешнему расширению нашей Вселенной предшествовала фаза сжатия; они заменяют Большой взрыв Большим скачком, то есть плавным переходом из более ранней Вселенной в нашу. В некоторых вариантах этих теорий наша Вселенная в конце концов закончится еще одним скачком, частью бесконечного цикла. Существуют различные версии таких циклов, в зависимости от того, как именно вы измените уравнение эволюции вокруг сингулярности Большого взрыва.

Наиболее популярными циклическими моделями являются конформная циклическая космология, предложенная Роджером Пенроузом, и экпиротическая Вселенная, первоначально предложенная Джастином Хоури и соавторами. Пенроуз склеивает позднюю фазу Вселенной с ранней фазой следующей Вселенной, в то время как Хоури и его друзья представляют, что Вселенная возникла в результате внепространственного столкновения высокоразмерных поверхностей, которое может происходить многократно. Большой скачок без цикла также имеет место в некоторых подходах, направленных на объединение гравитации с квантовой механикой, например в петлевой квантовой космологии.

Проблема этих идей - вы, наверное, уже догадались - в том, что они не имеют никакой объяснительной силы. Они не упрощают вычисление какого-либо наблюдения; напротив, они все усложняют, и весьма сомнительно, что существует какое-либо наблюдение, которое можно однозначно приписать одному из них.

Предложение об отсутствии границ

Предложение об отсутствии границ позволяет избежать сингулярности Большого взрыва, заменив время пространством за пределами ранней Вселенной. Я говорю "за пределами", потому что не имеет смысла использовать "до", если не было времени. Представьте себе бумагу с нарисованным на ней кругом. Круг - это наша Вселенная, какой мы ее знаем. В ней есть пространство и время. Область за пределами круга не имеет времени. Она находится не перед чем-то, а рядом со всем. Согласно идее отсутствия границ, наша Вселенная вот так же вписана в пространство.

Эта идея была первоначально предложена Стивеном Хокингом и Джимом Хартлом, но похожее исчезновение времени появилось совсем недавно в некоторых версиях петлевой квантовой космологии. Да, это тот самый подход к квантованию пространства-времени, который, по мнению других людей, может привести к отскоку. Эта двусмысленность возникает не только потому, что математика сложна, хотя это и так, но и потому, что есть разные способы превратить идеи в математику, но нет данных, которые могли бы подсказать нам, какой из них правильный.

Как и другие теории ранней Вселенной, эта тоже работает, заменяя уравнение эволюции другим уравнением. Предложение об отсутствии границ страдает от той же проблемы, что и все остальные теории ранней Вселенной: оно не объясняет ни одного наблюдения, не приводит ни к какому упрощению, а его предсказания неоднозначны.

Геометрогенез

Идея геометрогенеза ("рождения геометрии") заключается в том, что пространство было создано вместе со Вселенной. При таком подходе ученые обычно описывают пренатальную фазу Вселенной как некую сеть, которая имеет слишком много связей, чтобы поддаваться осмысленной геометрической интерпретации. Затем эта сеть изменяется со временем или с температурой и в итоге приобретает правильную геометрическую форму, приближенную к пространству теории Эйнштейна.

Геометрогенез вдохновлен наблюдением, что любая поверхность, которую мы считаем гладкой и непрерывной, как бумага или пластик, при ближайшем рассмотрении оказывается состоящей из более мелких элементов и имеет отверстия. Проблема геометрогенеза опять же в том, что он не нужен для описания всего, что мы наблюдаем. Он заполняет историей пробелы в наших знаниях, потому что ученые не хотят признать, что ответ "Мы не знаем".

Позвольте мне уточнить, что я не говорю, что эти модели не дают предсказаний. Физики все читали своего Карла Поппера, и они обычно пытаются что-то предсказать. Проблема в том, что модели податливы, и если наблюдение не соответствует предсказанию, это можно легко исправить, внеся поправки в модели. Если бы физики не забросили курс философии науки после Поппера, они бы увидели проблему с этим методом. Но они этого не делают, и поэтому у нас теперь есть сотни историй о начале нашей Вселенной, ни одна из которых на самом деле не нужна для объяснения всего, что мы наблюдаем.

Я не собираюсь ругать космологию. Ну ладно, может быть, немного. Но мы должны помнить, что благодаря исследованиям в области космологии мы узнали некоторые поистине удивительные факты о Вселенной. Сто лет назад мы не знали ни о том, что существуют галактики, кроме нашей, ни о том, что Вселенная расширяется, и я, конечно, не хочу принижать эти достижения. Я также не хочу утверждать, что с космологией покончено. Лучшая из существующих моделей Вселенной, модель согласия, почти наверняка не станет последним словом. Можно предвидеть, что данные еще долгое время будут становиться все лучше. Это исключит некоторые модели - возможно, в том числе и модель согласия, - и будут выдвинуты и утверждены новые, более совершенные модели. Эти лучшие модели будут иметь все шансы распространиться в прошлое дальше, чем модель согласия.

Тем не менее, космологические исследования ограничены двумя различными проблемами. Во-первых, все эти гипотезы о ранней Вселенной - те, которые я назвала, и многие другие, о которых вы, возможно, слышали, - являются чистыми спекуляциями. Это современные мифы о сотворении мира, написанные языком математики. Для них не только нет доказательств, но и трудно представить себе какие-либо доказательства, которые могли бы разрешить спор о том, какая из них верна, потому что все они настолько гибки, что могут быть легко приспособлены к любым данным, которые им подбрасывают.

Во-вторых, когда дело доходит до объяснения ранней Вселенной, физики сталкиваются с фундаментальной проблемой, которую, возможно, невозможно преодолеть. Все наши нынешние теории опираются на простые начальные условия. Это не опция, это необходимо для того, чтобы наш способ объяснения работал. Если вам придется усложнять начальные условия, то даже самый простой закон эволюции не даст вашей теории объяснительной силы. Если Вселенная прошла через более раннюю фазу, которую сложнее описать, чем ту горячую плазму, из которой образовались галактики, то вся наша научная методология перестала бы работать. Даже если бы эта гипотеза была верна, у нас не было бы никакого обоснования, которое позволило бы нам добавить более сложную историю к простой.

Единственный способ, который я могу придумать для выхода из этого тупика, - это со временем разработать теории, которые не требуют начальных условий, а применяются ко всем временам сразу. На данный момент такой теории не существует, так что это тоже чистая спекуляция.

В конце концов

Если взять наши современные теории о Вселенной и экстраполировать их в далекое будущее, то результат, одним словом, будет мрачным. По прогнозам, примерно через четыре миллиарда лет наша соседняя галактика Андромеда столкнется с Млечным Путем. Наше Солнце израсходует свое ядерное топливо и сгорит примерно через восемь миллиардов лет, как, в конечном счете, и все остальные звезды. Пока материя будет остывать и сгущаться, а большая ее часть окажется в черных дырах, расширение Вселенной будет происходить все быстрее и быстрее, из-за чего будет все труднее разглядеть слабое свечение других галактик по мере их удаления от нас. Ночное небо станет черным.

Но все равно никто не будет рядом, чтобы увидеть их. Вселенная может поддерживать жизнь только в том ограниченном, благословенном промежутке времени, в котором мы сейчас находимся. И это независимо от того, насколько гибко вы определяете жизнь, потому что запас полезной энергии неизбежно иссякнет. Даже если мы представим себе формы жизни, сильно отличающиеся от нашей (Фримен Дайсон, например, предположил, что жизнь может формироваться в межзвездных газовых облаках), все они в конечном итоге падут жертвой одной и той же проблемы: жизнь требует изменений, а изменения требуют свободной энергии, а ее запас ограничен. По-другому можно сказать, что энтропия не может уменьшаться. Подробнее об энтропии мы поговорим в главе 3. Пока же давайте просто критически оценим, насколько стоит доверять этим экстраполяциям в далекое будущее.

Начну с того, что мы не знаем, останутся ли законы природы неизменными даже завтра. В науке часто считается неписаной статьей веры, что законы природы останутся такими, какие они есть, и не изменятся внезапно.

Дэвид Юм в XVIII веке назвал это проблемой индукции: когда мы делаем вывод о вероятности будущего события на основе прошлых наблюдений, мы неявно предполагаем, что природа однородна, постоянна и надежна в своих действиях. Законы природы не меняются внезапно. Если бы они менялись, мы бы не называли их законами.

Но мы можем ошибаться в своем предположении, что природа однородна. Бертран Рассел в своей книге "Проблемы философии", вышедшей в 1912 году, сравнил аргумент Юма с попыткой курицы вывести законы жизни на ферме. Курицу надежно кормят каждое утро в 9:00, пока в один прекрасный день фермер не отрубает ей голову. "Более утонченные взгляды на единообразие природы были бы полезны для курицы", - размышляет Рассел.

Проблема Хьюма XVIII века остается проблемой и сегодня, и, возможно, она неразрешима. Единообразие природы само по себе, конечно, является ожиданием, основанным на наших прошлых наблюдениях, но мы не можем использовать предположение для подтверждения самого себя. Невозможно предсказать, что не произойдет ничего непредсказуемого.

Если вы надеялись, что требование, чтобы законы природы были математическими, - это выход: извините, но это не поможет. Нетрудно придумать математические законы, которые будут выглядеть неотличимо от тех, что мы подтвердили до сих пор, но завтра разнесут Солнечную систему. Не то чтобы что-то говорило за это, но и ничего не говорило против. Более умная курица могла бы догадаться о намерениях фермера, но она все равно не смогла бы догадаться, что ее умозаключение сработает.

Что же происходит? В 97 процентах всех статей Википедии, если вы нажмете на первую ссылку и повторите это в каждой последующей статье, вы в конце концов попадете на статью о философии. Философия - это место, где заканчиваются наши знания, и научный метод не является исключением. Работает ли научный метод? Да. Почему он работает? В конечном итоге мы не знаем. А поскольку мы не знаем, почему он работает, мы не можем быть уверены, что он будет работать и дальше.

Зачем тогда вообще заниматься наукой? Зачем вообще что-то делать, если Вселенная может развалиться в любой момент? Когда я впервые узнала о проблеме индукции Юма, будучи студенткой, я была поставлена в тупик. Мне показалось, что кто-то выдернул у меня из-под ног ковер реальности и открыл огромную, зияющую пустоту. Почему никто не предупредил меня об этом?

Но потом я подумала: "А какая разница?". Законы природы либо будут продолжать делать то, что они делали до сих пор, либо нет. Если они продолжат действовать, то научный метод сослужит нам хорошую службу и поможет решить, какой способ действий лучше всего подходит для наших нужд. Если же законы не будут действовать, мы ничего не сможем с этим поделать, и никакие действия нас к этому не подготовят, так зачем же об этом думать? Я откинула ковер. Под ним все еще пустота, но с этим можно смириться. Наверное, мне не суждено стать философом.

У меня такая же реакция на страшные истории о гибели нашей Вселенной. Если мы все равно ничего не можем с этим поделать, то бессмысленно переживать.

Возьмем, к примеру, риск того, что Вселенная может подвергнуться спонтанному распаду вакуума, то есть вакуум может внезапно распасться на частицы, которые появятся из ниоткуда. Если это произойдет, в пустом пространстве высвободится огромное количество энергии. Вся материя будет мгновенно разорвана на части. Мы не можем исключить такую возможность, поскольку наблюдения говорят лишь о том, что вакуум до сих пор не распался. Это значит, что мы не можем отличить по-настоящему стабильный вакуум от того, который просто очень долговечен, или метастабилен, как говорят физики. Это цыпленок Рассела для ожидаемых значений вакуума, а не для ожидаемых значений пищи.

Наклейки, которые светятся в темноте, например, работают с метастабильными состояниями. Краска, используемая для их изготовления, содержит атомы, способные к фосфоресценции. Если посветить светом на эти атомы, они временно сохраняют его, перемещая электроны на более высокие, метастабильные энергетические уровни. Когда электроны распадаются, возвращаясь на более низкий уровень, атомы снова высвобождают энергию в виде света, отсюда и свечение.

Как и один из фосфоресцирующих атомов, наш вакуум тоже может подвергнуться распаду. И поскольку это квантовый процесс, он не начинается медленно, чтобы мы могли его заметить. Он просто происходит с определенной вероятностью в течение определенного времени, без какого-либо предварительного предупреждения.

Может ли наш вакуум распадаться или нет, зависит от нескольких параметров, значения которых мы точно не знаем. Лучшие современные оценки говорят, что да, Вселенная может распадаться, но ее среднее время жизни составляет что-то около 10 в пятисотой степени лет. Это настолько большое число, что у него даже нет названия. Но это лишь средняя продолжительность жизни. Значит, вероятность того, что вакуум распадется гораздо раньше этого срока, мала. Но вакуум может распасться и раньше, просто это очень маловероятно.

Однако, на мой взгляд, эта и подобные оценки бессмысленны, поскольку требуют экстраполяции на более чем дюжину порядков величины неизвестной физики, вплоть до расстояний порядка 10 в минус 35 степеней метров, в то время как лучшие современные эксперименты достигают расстояний лишь порядка 10 в минус 20 степеней метров. Если в этом диапазоне есть что-то, о чем мы еще не знаем (а у нас есть все основания думать, что это так), оценка неверна. Таким образом, краткое резюме таково: мы не знаем.

Аналогичные соображения применимы и к другим историям о конце Вселенной. Конечно, мы можем взять известные нам законы природы и экстраполировать их, и это увлекательное занятие. Но даже если оставить в стороне проблему индукции, чем дальше мы заглядываем в будущее, тем более неопределенными становятся наши предсказания. Если есть какие-то физические процессы, которые происходят настолько медленно или редко, что мы их до сих пор не наблюдали, они могут стать актуальными в далеком будущем.

Например, многие физики предполагают, что протоны, одна из составляющих атомного ядра, могут быть нестабильными, но они настолько долгоживущие, что мы еще не видели, как они распадаются. Может быть, так, а может, и нет. Испарение черных дыр тоже происходит так медленно, что мы не можем его измерить - если оно вообще происходит, и у нас нет никаких доказательств.

Мы также не знаем, что будет делать темная энергия в далеком будущем. Мы не нашли доказательств того, что ее количество меняется, но если она будет меняться очень медленно, мы не сможем ее измерить. Однако даже очень медленное изменение количества темной энергии окажет большое влияние на скорость расширения. Действительно, когда Вселенная была на пять миллиардов лет моложе - в то время, когда наша планета еще не родилась, но жизнь на других планетах уже была возможна, - мы, вероятно, вообще не смогли бы измерить темную энергию. Тогда влияние темной энергии было гораздо меньше и не настолько велико, чтобы вызвать ускорение расширения Вселенной.

Лоуренс Краусс шутил, что делает прогнозы только на триллионы лет вперед, потому что никого не будет рядом, чтобы проверить, прав ли он. Мне кажется, что более надежным, но менее смешным предсказанием будет то, что Краусса не будет рядом в случае, если окажется, что он ошибается, что никого не будет рядом. В любом случае, не стоит доверять предсказаниям физиков о конце Вселенной. С таким же успехом можно спросить прогноз погоды у плодовой мухи.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Мы совершенствуем научные теории путем упрощения. Когда речь идет о ранней Вселенной, возможно, существует предел того, насколько сильно мы можем упростить наши объяснения. Поэтому может случиться так, что мы никогда не сможем сказать, какая из множества возможных теорий возникновения Вселенной верна. В настоящее время это, безусловно, относится к теориям о начале Вселенной. Что касается возможных вариантов конца Вселенной, то проблема в том, что мы ничего не знаем о процессах, которые настолько редки или медленны, что мы еще не смогли бы их наблюдать. Так что не относитесь к этим историям слишком серьезно, но не стесняйтесь верить в них, если хотите.

Другие голоса #1. Математика - это все, что есть?

Интервью с Тимом Палмером

Осенью 2018 года я получила неожиданное приглашение от Королевского общества в Лондоне. Они приглашали меня посетить ужин-беседу об искусственном интеллекте. Когда я навела справки об отправителе, тогдашнем исполняющем обязанности президента общества, оказалось, что он - лауреат Нобелевской премии. Поскольку мои знания об искусственном интеллекте едва ли простираются дальше того, что его принято сокращенно называть ИИ, я решила, что приглашение было ошибкой. Я не ответила.

Прошло несколько недель. Затем пришло вежливое напоминание с просьбой ответить на приглашение. Я написала ответ, чтобы сказать, что они ошиблись человеком. Меня заверили, что они действительно хотят, чтобы я пришла. Нет, правда. И я подумала: "Ну что ж, бесплатная поездка в Лондон, ужин включен". Разве вы бы отказались?

Вот так я и оказалась одним февральским вечером в здании Королевского общества, за большим овальным столом, чувствуя себя неуместной среди людей, увешанных титулами и наградами. Когда я неловко уселась, сидевший рядом со мной британский джентльмен представился климатологом, присутствующим на конференции, поскольку его группа в Оксфордском университете использует искусственный интеллект для изучения облаков. Его имя: Тим Палмер, один из лауреатов Нобелевской премии мира 2007 года за работу в Межправительственной группе экспертов по изменению климата.

Тогда я этого не помнила, но годом ранее тот же Тим Палмер прислал мне электронное письмо, в котором я пошутила с мужем, что теперь даже у климатологов есть идеи, как произвести революцию в квантовой механике. Действительно, после ужина Тим попытался завязать со мной разговор о свободе воли в квантовой механике. Я откланялась и оставила его стоять на холодной темной лондонской улице.

Но Тим Палмер, как оказалось, не из тех, кто легко сдается. Он продолжал присылать мне бодрые сообщения о своих новых попытках исправить квантовую механику. Я изо всех сил старалась не обращать на него внимания, и, возможно, мне бы это удалось, если бы несколько месяцев спустя я не искала ученого-климатолога, чтобы взять у него интервью для статьи, которую я писала.

Через год мы написали работу, опубликовали научно-популярную статью и записали совместную песню. Оказалось, что мы с Тимом независимо друг от друга пришли к схожим выводам об отсутствии прогресса в основах физики. Мы оба указывали на чрезмерное увлечение физиков редукционизмом - идеей, что мы получаем более глубокие знания о природе, рассматривая все меньшие и меньшие расстояния. Поскольку вопросы о том, как много мы действительно знаем и как много мы можем знать, являются главной темой этой книги, я снова отправилась взять у него интервью, на этот раз в его офисе в Оксфордском университете.

Если вы войдете в кабинет Тима, вас встретит картонный Эйнштейн, опирающийся на доску, на которой нацарапано уравнение Навье-Стокса - математика, описывающая турбулентность в атмосфере. В двух словах, это страсть Тима - геометрия пространства-времени и теория хаоса вместе взятые. За его столом европейский флаг оплакивает выход Великобритании из Европейского союза.

Я на мгновение замешкалась с первым вопросом. Ученые часто бросают на меня смешные взгляды. Тем не менее, я думаю, что это дает необходимый контекст, поэтому я начинаю с вопроса о том, религиозен ли он.

"Нет. Нет, не религиозен", - говорит Тим. Он качает головой, и его эйнштейновские волосы колышутся. Затем он добавляет: "Ну, я не религиозен, но меня немного раздражают люди, которые упорно доказывают, что Бога не существует". Он немного жалуется на ученых вроде Ричарда Докинза, которые изображают всех религиозных людей глупыми, невежественными или и теми, и другими. Я понимаю, что таких ученых довольно много.

"Меня это немного беспокоит, - продолжает Тим, - потому что я знаю, что в США есть много креационистов, которые очень громко заявляют о себе и все такое, но вы должны помнить, что многие традиционные мусульманские семьи также придерживаются креационистских взглядов. И я вырос католиком, поэтому я знаю, что в этом есть элемент, который нападает на вашу культуру. Меня немного беспокоит, что такое отношение к креационизму может оттолкнуть молодых людей из этих культур, которые в противном случае могли бы быть открыты для научной карьеры".

Поэтому я попытался подумать: "Можно ли представить себе ситуацию, в которой такая вера в то, что Бог создал Вселенную шесть тысяч лет назад, не была бы глупой и не противоречила бы всему тому, что мы понимаем о науке? "

Я согласна с Тимом, что ученые иногда переступают границы своей дисциплины. Конечно, некоторые религиозные верования оказались просто несовместимы с доказательствами. Например, люди не обитали на Земле вместе с динозаврами, а секс на публике не увеличивает урожай бананов. Но у науки есть пределы, и вместо того, чтобы заявлять, что преподавание религии - это "жестокое обращение с детьми", как это сделал Лоуренс Краусс, ученые должны признать, что наука совместима со многими традиционными священными верованиями.

Тим продолжает излагать свои доводы: "Стандартный аргумент заключается в том, что идея о том, что Вселенная была создана шесть тысяч лет назад, глупа, потому что мы знаем, что возраст Земли составляет миллиарды лет, а возраст звезд еще больше, и всевозможные доказательства делают совершенно очевидным, что Вселенная намного старше шести тысяч лет.

"Но потом я начал думать: "Что мы вообще подразумеваем под словом "творение"? Давайте посмотрим, например, на создание атомов. Что такое атомы? Ну, все, что может сказать наука на данный момент, - это то, что мы можем описать атомы с помощью уравнений. У нас есть математические законы, и что бы вы ни хотели узнать об атоме, уравнения скажут вам, что он делает. Но математика не скажет вам, что такое атом. Является ли атом просто математикой? Математика - это все, что есть? Или есть что-то, субстанция или что-то еще, что делает вещи реальными и не входит в современный научный канон?

И ответ таков: никто не знает". Хокинг в своей книге [Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр] знаменито задал вопрос: "Что вдохнуло огонь в уравнения, чтобы создать Вселенную?". Возможно, в окружающей нас Вселенной есть что-то, что не является простой математикой.

"Я не пытаюсь пропагандировать это, - предостерегает Тим, - но можно сказать, что Бог создал Вселенную как часть математики. И эта математика описывает, как сгустки пыли объединяются и нагреваются настолько, что начинается ядерный синтез, в результате которого образуется энергия, элементы и так далее. Все это просто математика. А потом, шесть тысяч лет назад, Богу это надоело, и он сказал: "Это скучновато. Сейчас я сделаю что-нибудь настоящее", - и взмахнул своей палочкой, и в этот момент появились настоящие вещи.

"Мне стало интересно: "Как наука справится с этим? Что есть такого в науке, что позволило бы отличить эпоху до и после сотворения мира? Ничего. Химия опирается на физику, а та - на математику. Так что в науке нет ничего, что могло бы сказать об этом моменте творения.

"И я подумал, что если кого-то воспитали в убеждении, что сотворение мира произошло несколько тысяч лет назад, то вот простой выход. Шесть тысяч лет назад Бог создал Вселенную, а до этого все было просто математическими уравнениями. И это не антинаучно. Это не противоречит ничему из нашего современного научного лексикона. Мне нравится использовать слово "анаучный". Науке нечего сказать по этому поводу - по крайней мере, науке в ее нынешнем состоянии. Есть вещи, о которых мы действительно глубоко невежественны. И это одна из них. Математика - это просто инструмент для описания мира или это и есть мир? Мы можем спорить об этом, но ничего научного мы сказать не можем".

Я спрашиваю Тима о других примерах, когда мы заполняем пробелы в наших научных знаниях верой, и он называет Большой взрыв. "Это ситуация, когда у нас нет возможности отличить решение типа "Бог" от научного. Если только мы не найдем лучшую теорию, возможно, такую, в которой существовал более ранний эон".

Разумеется, он думает о своей собственной теории, которая отказывается от разделения на начальный закон и дифференциальное уравнение, используемого физиками в настоящее время. Вместо этого, утверждает Тим, мы должны описывать Вселенную и все, что в ней происходит, используя расположение материи во Вселенной во все времена, во всей ее полноте. Геометрия этого расположения может дать новые знания о том, какие конфигурации частиц вообще возможны и насколько вероятно их повторение.

Эта идея привела Тима к теории, в которой у Вселенной нет ни начала, ни конца. Математическое обоснование его вневременной структуры природных законов - фрактал, узор бесконечного разнообразия, в котором крупные масштабы похожи на мелкие, но никогда не повторяются в точности. На этом фрактале наша Вселенная проходит через эоны, которые похожи друг на друга, но никогда не повторяются в точности. Она делает это уже целую вечность и будет продолжать делать это вечно.

"Я сделал это не для того, чтобы избавиться от Бога", - говорит Тим. "Просто так получилось. Так работает физика. Вы делаете расчеты и получаете то, что получаете".

"Значит, у вас нет Большого взрыва, но есть цикл?"

"Ну, - говорит он, - слово "цикл" имеет такой оттенок, что все повторяется, а я бы на это не купился. В каком-то смысле все повторяется: от Большого взрыва к Большому взрыву, от Большого взрыва к Большому взрыву и так далее. Но я думаю об этом как о пути в пространстве состояний, то есть в пространстве, где каждая точка - это конфигурация Вселенной, так что это очень высокоразмерное пространство. И если вы прокладываете путь этой многоэонной вселенной в этом пространстве состояний, то теория говорит вам, что путь содержится в конечной области пространства состояний и является фракталом. Этого и следовало ожидать, если Вселенная в целом является хаотической динамической системой. Это означает, что в прошлом или будущем может существовать вселенная, которая очень похожа на нынешнюю. Я часто думаю об этом: если вы мучаетесь над принятым решением и корите себя: "Зачем я это сделал?", то не волнуйтесь, потому что наступит эон, когда вы столкнетесь с той же ситуацией и примете правильное решение".

"И наступит время, когда ты примешь еще худшее решение", - язвлю я.

Он кивает без намека на улыбку. "Ты можешь принять еще худшее решение. И еще одна вещь, которая приходит мне в голову: если ты теряешь партнера, ты можешь потерять его не навсегда. Они могут вернуться в будущем".

Я знаю, это звучит безумно. Но это согласуется со всем, что мы знаем на данный момент.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Мы используем математику для описания наших наблюдений, но не знаем, почему одна математика описывает реальность, а другая - нет. Поэтому можно приписать математике, которая описывает то, что мы наблюдаем, момент создания, когда математика становится реальной. Такое событие сотворения по своей природе не является наблюдаемым - иначе оно уже было бы описано математикой - и поэтому совместимо с наукой.

Глава 3. Почему никто не молодеет?

Последний вопрос

В рассказе Айзека Азимова 1956 года "Последний вопрос" слегка подвыпивший мужчина по имени Александр Аделл всерьез беспокоится о запасах энергии во Вселенной. Он рассуждает о том, что, хотя сама энергия сохраняется, полезная доля энергии неизбежно иссякнет. Физики называют эту полезную энергию, которая может приводить к изменениям, свободной энергией. Свободная энергия - это противовес энтропии. С ростом энтропии свободная энергия уменьшается, и изменения становятся невозможными.

В рассказе Азимова подвыпивший Аделл надеется преодолеть второй закон термодинамики, который гласит, что энтропия не может уменьшаться. Он подходит к мощному автоматическому компьютеру под названием Multivac и спрашивает: "Как можно массово уменьшить чистую энтропию Вселенной?" После паузы Multivac отвечает: "НЕДОСТАТОЧНО ДАННЫХ ДЛЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОГО ОТВЕТА".

Беспокойство Аделла - второй закон термодинамики - знакомо каждому из нас, даже если мы не всегда осознаем, что это такое. Это один из первых уроков, которые мы усваиваем в младенчестве: вещи ломаются, а некоторые вещи, которые ломаются, нельзя починить. Такая участь в конце концов постигает не только любимую мамину кружку. В конце концов, все будет сломано и не подлежит ремонту: ваша машина, вы сами, вся Вселенная.

Похоже, наш опыт необратимого разрушения вещей противоречит тому, о чем мы говорили в предыдущей главе, - что фундаментальные законы природы обратимы во времени. И в данном случае мы не можем просто списать это несоответствие на несовершенство наших человеческих чувств, потому что мы наблюдаем необратимость во многих системах, гораздо более простых, чем мозг.

Например, звезды формируются из водородных облаков, переплавляют водород в более тяжелые атомные ядра и излучают полученную энергию в виде частиц (в основном фотонов и нейтрино). Когда звезде больше нечего плавить, она тускнеет или, в некоторых случаях, взрывается, превращаясь в сверхновую. Но мы никогда не видели обратного. Мы никогда не наблюдали тусклую звезду, которая принимала бы фотоны и нейтрино, а затем расщепляла тяжелые ядра на водород и превращалась в водородное облако. То же самое можно сказать и о бесчисленных других процессах в природе: уголь горит. Железо ржавеет. Уран распадается. Но мы никогда не видим обратных процессов.

На первый взгляд, это выглядит как противоречие. Как обратимые во времени законы могут привести к очевидной обратимости во времени, которую мы наблюдаем? Чтобы понять, как это может быть, нужно заострить проблему. Все процессы, которые я только что обсудила, обратимы во времени в том смысле, что мы можем математически прогнать закон эволюции назад во времени и восстановить начальное состояние. То есть проблема не в том, что мы не можем запустить фильм в обратном направлении; проблема в том, что, запустив фильм в обратном направлении, мы сразу видим, что что-то не так: осколки стекла подпрыгивают и заполняют оконную раму, автомобильные шины подхватывают резиновые полосы с улицы, капли воды поднимаются с зонтика и устремляются в небо. Математика может это допустить, но это явно не то, что мы наблюдаем.

Это несоответствие между нашими теоретическими и интуитивными ожиданиями происходит из-за того, что мы забыли о втором ингредиенте, необходимом для объяснения наблюдений. Помимо закона эволюции, нам нужно начальное условие. И не все начальные условия одинаковы.

Предположим, вы хотите приготовить тесто для выпечки пирога. Вы насыпаете в миску муку, добавляете сахар, щепотку соли и, возможно, немного ванильного экстракта. Затем вы кладете масло, разбиваете несколько яиц и вливаете молоко. Вы начинаете смешивать ингредиенты, и они быстро превращаются в гладкую, без единой черточки субстанцию. Как только это произойдет, тесто больше не изменится. Если вы продолжите смешивать, вы все еще будете перемещать молекулы с одной стороны миски на другую, но в среднем тесто останется прежним. Все смешалось настолько, насколько это возможно, и это все. В принципе, наша Вселенная тоже закончится так: все перемешано настолько, насколько это возможно, и в среднем ничего не изменится.

В физике мы называем равновесным состояние, которое в среднем не меняется, как, например, полностью замешанное тесто. Равновесные состояния достигли максимальной энтропии; у них не осталось свободной энергии. Почему тесто приходит в равновесное состояние? Потому что это может произойти. Если вы включите миксер, он, скорее всего, разобьет яйца с мукой, но очень маловероятно, что разделит их. Это произойдет и без миксера, потому что молекулы ингредиентов не сидят совершенно неподвижно, но это займет гораздо больше времени. Миксер действует как кнопка перемотки вперед.

То же самое касается и других примеров: они, скорее всего, происходят только в одном направлении времени. Когда осколки разбитого окна падают на землю, их импульс рассеивается в крошечной ряби на земле и ударных волнах в воздухе, но невероятно маловероятно, чтобы рябь на земле и в воздухе когда-либо синхронизировалась именно таким образом, чтобы катапультировать разбитое стекло обратно в нужное положение. Конечно, математически это возможно, но на практике это настолько маловероятно, что мы никогда не увидим, как это происходит.

Равновесное состояние - это состояние, которого вы, скорее всего, достигнете, а состояние, которого вы, скорее всего, достигнете, - это состояние с наибольшей энтропией - именно так определяется энтропия. Второй закон термодинамики, таким образом, почти тавтологичен. Он просто говорит, что система, скорее всего, будет делать то, что наиболее вероятно, а именно увеличивать свою энтропию. Он почти тавтологичен только потому, что мы можем вычислить связь между энтропией и другими измеряемыми величинами (скажем, давлением или плотностью), что делает восстановление равновесия количественно измеримым и предсказуемым.

То, что вероятные вещи, скорее всего, произойдут, звучит довольно непримечательно. Горшки ломаются необратимо, потому что их вряд ли удастся разбить. Да уж. Это не совсем глубокое откровение. Но если продолжить эту мысль, то обнаружится большая проблема. Система может эволюционировать в сторону более вероятного состояния только в том случае, если предыдущее состояние было менее вероятным. Другими словами, вы должны начать с состояния, которое изначально не является равновесным. Единственная причина, по которой вы можете приготовить тесто, заключается в том, что у вас есть яйца, масло и мука, а они еще не находятся в равновесии друг с другом. Единственная причина, по которой вы можете управлять миксером, заключается в том, что вы не находитесь в равновесии с воздухом в комнате, а наше Солнце не находится в равновесии с межзвездным пространством. Энтропия во всех этих системах даже отдаленно не так велика, как могла бы быть. Другими словами, Вселенная не находится в равновесии.

Почему? Мы не знаем, но у нас есть название для этого: гипотеза прошлого (the past hypothesis). Гипотеза прошлого гласит, что Вселенная началась в состоянии низкой энтропии - состоянии, которое было очень маловероятным, - и с тех пор энтропия росла. Она будет расти до тех пор, пока Вселенная не достигнет наиболее вероятного состояния, в котором в среднем ничего больше не изменится.

Пока же энтропия может оставаться небольшой в некоторых частях Вселенной - например, в вашем холодильнике или на нашей планете в целом - при условии, что эти низкоэнтропийные части будут подпитываться свободной энергией из других мест. В настоящее время наша планета получает большую часть свободной энергии от Солнца, часть - от распада радиоактивных материалов и немного - от старой доброй гравитации. Мы используем эту свободную энергию, чтобы добиться изменений: мы учимся, растем, исследуем, строим и ремонтируем. Возможно, когда-нибудь в будущем нам удастся самим создать энергию ядерного синтеза, что расширит наши возможности по осуществлению перемен. Таким образом, если мы будем разумно использовать имеющуюся свободную энергию, нам удастся сохранить энтропию на низком уровне, а нашу цивилизацию - живой в течение нескольких миллиардов лет. Но свободная энергия рано или поздно закончится.

Вот почему у Вселенной есть направление вперед во времени, стрела времени - это направление увеличения энтропии; она указывает в одну сторону, а не в другую. Это увеличение энтропии не является свойством законов эволюции. Законы эволюции обратимы во времени. Просто в одном направлении закон эволюции приводит нас из маловероятного состояния в вероятное, и этот переход, скорее всего, произойдет. В другом направлении закон переходит от вероятного состояния к маловероятному - и этого (почти) никогда не происходит.

Так почему же никто никогда не молодеет? Биологические процессы, связанные со старением, и то, что именно их вызывает, до сих пор являются предметом исследований, но, если говорить в общих чертах, мы стареем, потому что в нашем организме накапливаются ошибки, которые, скорее всего, произойдут, но вряд ли будут спонтанно устранены. Механизмы восстановления клеток не могут исправлять эти ошибки бесконечно и с идеальной точностью. Таким образом, постепенно, шаг за шагом, наши органы работают чуть менее эффективно, кожа становится чуть менее эластичной, раны заживают чуть медленнее. У нас может развиться хроническое заболевание, деменция или рак. И в конце концов что-то ломается, и это невозможно исправить. Отказывает жизненно важный орган, вирус побеждает нашу ослабленную иммунную систему, или тромб прерывает поступление кислорода в мозг. В свидетельствах о смерти можно найти множество различных диагнозов, но это всего лишь детали. Что действительно убивает нас, так это увеличение энтропии.

До сих пор я лишь кратко излагала наиболее распространенное на данный момент объяснение стрелы времени, которое заключается в том, что она является следствием увеличения энтропии и гипотезы прошлого. Теперь давайте поговорим о том, сколько из этого мы знаем на самом деле, а сколько является спекуляцией.

Гипотеза прошлого - что начальное состояние Вселенной имело низкую энтропию - является необходимым предположением для наших теорий, чтобы описать то, что мы наблюдаем. Это хорошее объяснение, но на данный момент у нас нет лучшего объяснения, чем просто постулирование этого. На вопрос, почему начальное состояние было таким, каким оно было, просто невозможно ответить с помощью имеющихся у нас теорий. Начальное состояние должно было чем-то быть, но мы не можем объяснить само начальное состояние; мы можем только исследовать, обладает ли конкретное начальное состояние объяснительной силой и дает ли оно предсказания, которые согласуются с наблюдениями. Гипотеза о прошлом - хорошая гипотеза в том смысле, что она объясняет то, что мы видим. Однако, чтобы объяснить начальное состояние чем-то другим, нежели еще более ранним начальным состоянием, нам понадобится теория другого типа.

Конечно, физики выдвинули такие теории. Например, в конформной циклической космологии Роджера Пенроуза энтропия Вселенной фактически уничтожается в конце каждого эона, так что следующий эон начинается заново в состоянии с низкой энтропией. Это действительно объясняет гипотезу прошлого. Цена, которую приходится платить за это, заключается в том, что информация также уничтожается навсегда. Шон Кэрролл считает, что новые вселенные с низкой энтропией создаются из большой мультивселенной, и этот процесс может продолжаться бесконечно. А Джулиан Барбур полагает, что Вселенная началась с "точки Януса", в которой меняется направление времени, так что фактически существуют две вселенные, начинающиеся с одного и того же момента времени. Он утверждает, что энтропия - не та величина, которую следует рассматривать, и что вместо нее нам лучше думать о сложности.

Вы, наверное, знаете, что я скажу вам дальше: все эти идеи хороши и прекрасны, но они не подкреплены доказательствами. Не стесняйтесь верить в них - я не думаю, что какие-либо доказательства говорят против них, - но имейте в виду, что на данный момент это всего лишь предположения.

Однако я с большим сочувствием отношусь к аргументам Джулиана Барбура. Не столько потому, что, по мнению Барбура, время меняет направление (о чем у меня нет определенного мнения), сколько потому, что я также не считаю энтропию полезной для описания Вселенной в целом. Чтобы понять, почему, я сначала должна рассказать вам о математике, от которой я отмахнулась с помощью расплывчатой фразы "в среднем".

Формально энтропия - это утверждение о возможных конфигурациях системы, при которых некоторые макроскопические свойства остаются неизменными. Например, для теста вы можете спросить, сколько существует способов расположить молекулы (сахара, муки, яиц и так далее) в миске так, чтобы получить гладкое тесто. Каждое такое конкретное расположение молекул называется микросостоянием системы. Микросостояние - это полная информация о конфигурации: например, положение и скорость всех этих отдельных молекул.

С другой стороны, гладкое тесто - это то, что мы называем макросостоянием. Это то, что я ранее неопределенно назвала средним значением, которое не меняется. Макросостояние может возникнуть из множества различных микросостояний, которые похожи друг на друга в каком-то определенном смысле. Например, в тесте все микросостояния похожи тем, что ингредиенты распределены примерно поровну. Мы выбираем это макросостояние, потому что не можем отличить одно примерно одинаковое распределение молекул в тесте от любого другого. Для нас они все примерно одинаковы.

Исходное состояние, в котором яйца находятся рядом с маслом, а сахар - поверх муки, тоже является макросостоянием, но оно сильно отличается от теста - вы можете четко отличить состояние до смешивания от состояния после смешивания. Чтобы получить состояние до смешивания, нужно поместить молекулы в нужные области: молекулы яиц - в область яиц, молекулы масла - в область масла и так далее. В этом исходном состоянии молекулы упорядочены, тогда как после смешивания они уже не упорядочены. Вот почему увеличение энтропии также часто описывается как разрушение порядка.

Математическое определение энтропии - это число, присваиваемое макросостоянию: количество микросостояний, которые могут его породить. Макросостояние, которое можно получить из многих микросостояний, является вероятным, следовательно, энтропия такого макросостояния высока. Макросостояние, которое может возникнуть лишь из сравнительно небольшого числа микросостояний, напротив, маловероятно и имеет низкую энтропию. Замешанное тесто, в котором молекулы распределены случайным образом, имеет гораздо больше микросостояний, чем исходное, несмешанное тесто. Таким образом, смешанное тесто обладает высокой энтропией, а несмешанное - низкой.

Чтобы дать вам наглядное представление о том, почему это так, предположим, что у нас всего два ингредиента, и у нас не 10 в 25 степени или около того молекул, а всего 36, половина из которых - мука, а другая половина - сахар. Я нарисовала их в виде сетки и обозначила каждую молекулу муки серым квадратом, а каждую молекулу сахара - белым квадратом (рис. 4). Изначально два вещества четко разделены: мука внизу, сахар наверху (рис. 4а). Теперь давайте смоделируем миксер, случайным образом меняя местами два соседних квадрата по горизонтали или вертикали. Я нарисовала первый шаг, чтобы вы увидели, как это работает (рис. 4b).

Если мы продолжим случайным образом менять соседние молекулы местами, то в конце концов молекулы будут распределены случайным образом (рис. 4c). Происходит не то, что молекулы остаются на одном и том же месте, а то, что они остаются одинаково перемешанными. После еще некоторого перемешивания они могут выглядеть так, как показано на рисунке 4d. То есть большое количество случайных перемешиваний дает такое же среднее распределение, как если бы вы наугад бросали молекулы в чашу. Поэтому вместо того, чтобы думать о том, что именно делает миксер, мы можем просто посмотреть на разницу между начальным и конечным распределением.

Давайте тогда определим макросостояние гладкого теста как такое, в котором квадратики сахара и муки примерно одинаково распределены сверху и снизу, скажем, 8-10 молекул сахара в верхней половине (как на рисунках 4c и 4d). Теперь важно то, что для этого макросостояния существует гораздо больше микросостояний, чем для исходного, чисто разделенного состояния. Действительно, если не различать молекулы одного типа, существует только начальное микросостояние, которое я показала слева вверху, тогда как существует множество конечных микросостояний, которые распределены примерно равномерно.

Вот почему энтропия больше при приблизительно равномерном распределении, а также почему два вещества вряд ли смогут самопроизвольно смешаться снова - для этого потребуется очень специфическая последовательность случайных обменов. Последовательность, необходимая для несмешивания, становится тем менее вероятной, чем больше молекул вы смешиваете. Вскоре это становится настолько маловероятным, что вероятность того, что это произойдет через миллиард лет, становится до смешного ничтожной - вы никогда не увидите, как это происходит.

Теперь, когда вы знаете, как формально определяется энтропия, давайте посмотрим на это определение поближе: энтропия подсчитывает количество микросостояний, которые могут привести к определенному макросостоянию. Обратите внимание на слово "может". Состояние системы всегда находится только в одном микросостоянии. Утверждение, что она "может" находиться в любом другом состоянии, является контрфактическим - оно относится к состояниям, которые не существуют в реальности; они существуют только математически. Мы рассматриваем их только потому, что не знаем точно, каково истинное состояние системы.

Таким образом, энтропия - это мера нашего незнания, а не мера реального состояния системы. Она определяет, какие различия между микросостояниями мы считаем неинтересными. Нам не кажется интересным конкретное распределение молекул в тесте, поэтому мы объединяем их в одно макросостояние и объявляем его "высокоэнтропийным".

Подобные рассуждения имеют большой смысл, если вы хотите рассчитать, как быстро система эволюционирует в определенное макросостояние. Поэтому они хорошо работают для всех целей, для которых было придумано понятие энтропии: паровые двигатели, циклы охлаждения, батареи, циркуляция атмосферы, химические реакции и так далее. Мы эмпирически знаем, что они прекрасно описывают наши наблюдения за этими системами.

Однако эти рассуждения неадекватны, если мы хотим понять, что происходит со Вселенной в целом, и на то есть три причины. Во-первых, и это, на мой взгляд, самое важное, оно [определение энтропии] неадекватно, потому что наше понятие макросостояния неявно определяет, что мы подразумеваем под изменением. Состояние, достигшее максимума энтропии, согласно нашему определению макросостояния, все еще изменяется (вы все еще перемещаете тесто с одной стороны миски на другую, даже если оно уже выглядит гладким). Просто, согласно нашим нынешним теориям, эти изменения не имеют значения. Однако мы не знаем, останется ли это так с теориями, которые мы можем разработать в будущем.

Я проиллюстрировала то, что я имею в виду, на рисунке 5. Вы можете представить себе это как два возможных микросостояния в конце Вселенной - десять одиноких частиц, беспорядочно распределенных в пустом пространстве. Если бы первое микросостояние (слева) сменилось вторым (справа), вы бы не назвали это большим изменением. Вы бы усреднили его и объединили оба в одно макросостояние.

Но теперь посмотрите на расположение этих частиц на сетке. В примере слева они расположены в точках (3,1), (4,1), (5,9), (2,6), (5,3), (5,8), (9,7), (9,3), (2,3) и (8,4). В примере справа они находятся в точках (0,5), (7,7), (2,1), (5,6), (6,4), (9,0), (1,5), (3,2), (8,6) и (0,6). Суперботаники среди вас сразу же узнают в этих последовательностях первые двадцать цифр π и γ (постоянная Эйлера-Маскерони). Распределение этих частиц может выглядеть одинаково для нашего глаза, но существо, способное уловить последовательность распределения, сможет четко их различить; они были созданы двумя совершенно разными алгоритмами.

Конечно, этот пример является специальной конструкцией и не применим к нашим реальным теориям, но он иллюстрирует общую мысль. Когда мы объединяем "похожие" состояния в макросостояние, нам необходимо понятие "сходства". Мы черпаем это понятие из существующих теорий, которые основаны на том, что мы сами считаем похожим. Но измените понятие сходства, и вы измените понятие энтропии. Если воспользоваться термином, придуманным Дэвидом Бомом, то явный порядок, который наши нынешние теории оценивают количественно, может однажды открыть неявный порядок, который мы до сих пор не замечали.

На мой взгляд, это главная причина, по которой не следует доверять второму закону термодинамики в выводах о судьбе Вселенной. Наше представление об энтропии основано на том, как мы сейчас воспринимаем Вселенную; я не думаю, что оно в корне верно.

Есть еще две причины скептически относиться к аргументам об энтропии Вселенной. Первая заключается в том, что подсчет микросостояний и сравнение их количества становится сложным, если теория имеет бесконечно много микросостояний, а это касается всех теорий непрерывного поля. В этих случаях можно определить энтропию, но будет ли она по-прежнему значимой величиной - вопрос спорный. Вообще, сравнивать бесконечность с бесконечностью - плохая идея, потому что результат зависит от того, как именно вы определяете сравнение, поэтому любой вывод, который вы сделаете из такого упражнения, становится физически неоднозначным.

Наконец, мы не знаем, как определить энтропию для гравитации или для пространства-времени, но эта энтропия играет очень важную роль в эволюции Вселенной. Вы, наверное, заметили, что, согласно нашим современным теориям, материя во Вселенной начинается как почти равномерно распределенная плазма. Согласно гипотезе прошлого, эта плазма должна была обладать низкой энтропией. Но ранее я говорила вам, что гладкое тесто обладает высокой энтропией. Как это согласуется?

Все сходится, если принять во внимание тот факт, что гравитация делает почти равномерную, высокоплотную плазму в ранней Вселенной крайне маловероятной. Гравитация стремится к сгущению, но по какой-то причине в молодости Вселенной она была не очень сгущена. Поэтому начальное состояние имело низкую энтропию. Как только оно эволюционирует во времени, конечно, плазма начинает сгущаться, образуя звезды и галактики - потому что это, скорее всего, произойдет. В тесте этого не происходит, потому что сила гравитации недостаточно сильна для такого небольшого количества материи при сравнительно низкой плотности. Именно из-за разной роли гравитации тесто и ранняя Вселенная - это два совершенно разных случая, и именно поэтому в одном случае энтропия высока, а в другом - низка.

Однако, чтобы сделать этот случай количественным, нам нужно понять, как приписать энтропию гравитации. Хотя физики предприняли некоторые попытки сделать это, мы все еще не знаем, как это сделать, потому что мы не знаем, как квантовать гравитацию. По этим причинам лично я считаю второй закон термодинамики весьма подозрительным и не думаю, что выводы, сделанные на его основе сегодня, останутся в силе, когда мы лучше поймем, как работают гравитация и квантовая механика.

В коротком рассказе Азимова Вселенная постепенно остывает и темнеет. Сгорают последние звезды. Жизнь, какой мы ее знаем, прекращает свое существование, и ее заменяют космические сознания - развоплощенные разумы, которые охватывают галактики и свободно дрейфуют в пространстве. Космическому AC, последней и величайшей версии серии Multivac, снова поручено ответить на вопрос, как уменьшить энтропию. И снова он стоически отвечает: "Пока недостаточно данных для осмысленного ответа".

В конце концов, последние оставшиеся сознательные существа сливаются с АС, которая теперь находится "в гиперпространстве" и "сделана из чего-то, что не является ни материей, ни энергией". Наконец, он завершает свои вычисления.

Сознание АС охватывает все, что когда-то было Вселенной, и размышляет над тем, что теперь стало Хаосом. Шаг за шагом все должно быть сделано. И АС сказал: "ДА БУДЕТ СВЕТ!" И появился свет.

Проблема настоящего времени

Величайшей ошибкой Эйнштейна была не космологическая постоянная, и не его убежденность в том, что Бог не играет в кости. Нет, его величайшей ошибкой был разговор с философом по имени Рудольф Карнап о Сейчас с большой буквы "с".

"Проблема "Сейчас", - писал Карнап в 1963 году, - серьезно беспокоила Эйнштейна". Он объяснил, что опыт "сейчас" означает нечто особенное для человека, нечто отличное от прошлого и будущего, но что это важное отличие не имеет и не может иметь места в рамках физики".

Я называю это величайшей ошибкой Эйнштейна, потому что, в отличие от космологической постоянной и его опасений по поводу индетерминизма, эта предполагаемая проблема "сейчас" до сих пор смущает философов, а также некоторых физиков.

Проблема часто представляется следующим образом. Большинство из нас переживает настоящий момент, который является особым моментом времени, не похожим ни на прошлое, ни на будущее. Но если вы запишете уравнения, управляющие движением, скажем, некоторой частицы в пространстве, то эта частица математически описывается функцией, для которой ни один момент не является особенным. В простейшем случае функция представляет собой кривую в пространстве-времени, что означает лишь то, что объект меняет свое местоположение со временем. Какой же момент тогда является моментом Сейчас?

Вы можете справедливо возразить, что пока существует только одна частица, ничего не происходит, и поэтому неудивительно, что в математическом описании нет никаких признаков изменения. Если же, напротив, частица может столкнуться с другой частицей или совершить внезапный поворот, то эти случаи можно будет идентифицировать как события в пространстве-времени. То, что что-то происходит, кажется минимальным требованием для того, чтобы осмысленно говорить об изменениях и придавать смысл времени. Увы, это все еще не говорит о том, происходят ли эти изменения с частицей сейчас или в какое-то другое время.

И что теперь?

Некоторые физики, например Фэй Даукер, утверждают, что учет нашего опыта "Сейчас" требует замены существующей теории пространства-времени на другую. Дэвид Мермин утверждает, что это означает необходимость пересмотра квантовой механики. А Ли Смолин смело заявил, что проблема заключается в самой математике. Верно, утверждает Смолин, что математика не может объективно описать настоящий момент, но наш опыт настоящего момента не объективен - он субъективен. И эта субъективность вполне может быть описана математикой.

Не поймите меня неправильно. Мне кажется вероятным, что однажды нам придется заменить существующие теории на более совершенные. Но для того, чтобы понять наше восприятие "Сейчас", этого не требуется. Нынешние теории могут объяснить наш опыт; нам просто нужно помнить, что люди - не элементарные частицы.

Свойство, которое позволяет нам ощущать настоящий момент как не похожий ни на какой другой, - это память: у нас есть несовершенная память о событиях в прошлом и нет памяти о событиях в будущем. Для памяти необходима система определенной сложности, имеющая несколько состояний, которые четко различимы и стабильны в течение длительных периодов времени. Наш мозг обладает необходимой сложностью. Но чтобы лучше понять, что происходит, нужно оставить в стороне сознание. Мы можем это сделать, потому что память присуща не только сознательным системам. Многие системы, гораздо более простые, чем человеческий мозг, также обладают памятью, поэтому давайте посмотрим на одну из них: слюду.

Слюда - это класс минералов природного происхождения, возраст некоторых из них достигает миллиарда лет. Слюда - мягкий минерал, и мелкие частицы, проходящие через нее - возможно, в результате радиоактивного распада в окружающих породах, - могут оставлять в ней постоянные следы. Это делает слюду естественным детектором частиц. Действительно, физики частиц использовали старые образцы слюды для поиска следов редких частиц, которые могли пройти через нее. Эти исследования остались безрезультатными, но они здесь ни при чем. Я говорю вам об этом лишь потому, что слюда, хотя и обладает низким уровнем сознания, явно обладает памятью.

Воспоминания у слюды не исчезают, как у нас. Но, как и у нас, у слюды есть память о прошлом, а не о будущем. Это означает, что в любой конкретный момент у слюды есть информация о том, что уже произошло, но нет информации о том, что должно произойти. Сказать, что слюда обладает каким-либо опытом, было бы натяжкой, но она следит за временем - она знает о "Сейчас". На примере слюды мы можем узнать, что если мы хотим описать систему, обладающую памятью, то простого взгляда на правильное время - как мы делали в предыдущей главе - недостаточно. Для каждого момента собственного времени мы должны спросить: "О каких моментах времени система имеет память?" Тот факт, что эта память резко обрывается в самом правильном времени, и есть причина того, что каждый момент является особенным, когда он происходит.

Если это звучит непонятно, представьте свое восприятие времени как коллекцию фотографий, находящихся на разных стадиях выцветания. Момент, который вы называете "сейчас", - это наименее выцветшая фотография. Чем более выцветшей является фотография, тем больше она находится в прошлом. У вас нет фотографий будущего. В каждый момент времени "Сейчас" - это ваша самая яркая, самая недавняя фотография, за которой тянется длинный шлейф выцветших снимков, а в будущем - пустота.

Конечно, это слишком упрощенное описание человеческой памяти. На самом деле наша память гораздо сложнее. Начнем с того, что мы сохраняем одни воспоминания и не сохраняем другие, у нас есть несколько разных типов памяти для разных целей, а иногда нам кажется, что мы помним о том, чего не было. Но эти неврологические тонкости здесь не важны. Важно то, что настоящий момент особенный, потому что он занимает видное место в вашей памяти. И следующий момент тоже особенный: в каждый момент ваше восприятие этого же момента выделяется.

Вот почему наше ощущение "сейчас" прекрасно согласуется с блочной вселенной, в которой прошлое, настоящее и будущее одинаково реальны. Каждый момент субъективно ощущается особенным именно в этот момент, но объективно это верно для каждого момента.

Таким образом, мы видим, что истоки проблемы "Сейчас" лежат не в физике и не в математике, а в неспособности отличить субъективный опыт пребывания во времени от вневременной природы математики, которую мы используем для его описания. По словам Карнапа, Эйнштейн говорил о "переживании Сейчас, [которое] означает нечто особенное для человека". Да, оно означает нечто особенное для человека; оно означает нечто особенное для всех систем, хранящих память. Однако это не означает и, конечно, не требует, чтобы существовал момент настоящего, который объективно является особенным в математическом описании. Объективно "Сейчас" не существует, но субъективно мы воспринимаем каждый момент как особенный. Эйнштейну не стоило беспокоиться.

В итоге - прошу меня простить - Эйнштейн оказался неправ. Человеческий опыт настоящего момента можно описать с помощью "вневременной" математики, которую мы сейчас используем для физических законов; это даже не сложно. Для этого не нужно отказываться от стандартной интерпретации квантовой механики, менять общую относительность или перекраивать математику. Никаких проблем не существует.

Между прочим, Карнап ответил на беспокойство Эйнштейна по поводу "сейчас" совершенно так же, как я только что сделала. Карнап вспоминал, как заметил Эйнштейну, что "все, что происходит объективно, может быть описано в науке", но что "особенности переживаний человека по отношению ко времени, включая его различное отношение к прошлому, настоящему и будущему, могут быть описаны и (в принципе) объяснены в психологии".

Я бы сказала, что это объясняется нейробиологией, и добавила, что биология в конечном счете также основана на физике. (Если это вас расстроит, вам особенно понравится следующая глава). Тем не менее, я соглашусь с Карнапом в том, что важно отличать объективные математические описания системы от субъективного опыта, связанного с принадлежностью к этой системе.

Таким образом, проблемы "Сейчас" не существует. Но дискуссия о памяти полезна для того, чтобы проиллюстрировать значимость увеличения энтропии для нашего восприятия стрелы времени. В предыдущем разделе я рассказала вам, почему движение вперед во времени выглядит иначе, чем назад, но не объяснила, почему именно направление увеличения энтропии мы воспринимаем как движение вперед. Слюда наглядно показывает почему.

Причина, по которой у слюды нет памяти о будущем, заключается в том, что создание этой памяти увеличивает энтропию. Частица проходит через минерал и сбивает с места аккуратно выстроенную последовательность атомов. Атомы остаются смещенными, потому что часть энергии, которая их перемещала, рассеивается в тепловом движении и, возможно, в звуковых волнах. В этом процессе энтропия возрастает. Обратный процесс потребовал бы, чтобы флуктуации в минерале нарастали и испускали частицу, которая идеально залечивает трещину в минерале. Это уменьшило бы энтропию и, следовательно, невероятно маловероятно. Вся причина того, что мы видим запись в минерале, заключается в том, что этот процесс вряд ли может спонтанно повернуться вспять.

Формирование памяти в человеческом мозге значительно сложнее, но оно тоже восходит к состояниям с низкой энтропией, которые оставляют следы в нашем мозге. Скажем, у вас есть воспоминание о дне окончания школы. Скорее всего, это событие произошло в прошлом и было создано светом, попавшим на вашу сетчатку. Невероятно маловероятно, чтобы это событие произошло в будущем и каким-то образом высасывало память из вашего мозга. Таких вещей просто не бывает. И причина, по которой они не происходят, заключается в том, что энтропия увеличивается только в одном направлении - во времени.

В долгосрочной перспективе, конечно, дальнейшее увеличение энтропии приведет к вымыванию любой памяти.

В общем, ни наш опыт стрелы времени, ни опыт настоящего момента не требует изменения теорий, которыми мы сейчас пользуемся. Конечно, некоторые физики все же выдвигали предложения об иных законах, добросовестно обратимых во времени, но такие модификации не нужны для объяснения имеющихся на данный момент наблюдений. Насколько нам известно, блочная вселенная - это правильное описание природы.

Многие люди чувствуют себя неловко, когда впервые осознают, что теории Эйнштейна подразумевают, что прошлое и будущее так же реальны, как и настоящее, и что настоящий момент является лишь субъективно особенным. Возможно, вы относитесь к их числу. Если да, то стоит побороть свою тревогу, потому что наградой будет осознание того, что наше существование выходит за рамки времени. Мы всегда были и всегда будем детьми Вселенной.

Мозги. В пустом пространстве.

Мы все вернемся

В конце времен

В виде мозга в чане, плавающего в пространстве.

и чистого разума.

- Сабина Хоссенфельдер, "Кот Шредингера".

Осознание (!) того, что реальность - это всего лишь сложная конструкция, которую наш разум создает на основе сенсорных данных, и что наше восприятие ее может меняться при изменении этих данных, вошло в поп-культуру в таких фильмах, как "Матрица" (в котором главный герой воспитывается в компьютерной симуляции только для того, чтобы обнаружить, что реальность выглядит совсем иначе), "Начало" (в котором главные герои пытаются придумать способ отличить сон от реальности) и "Темный город" (в котором воспоминания корректируются каждую полночь), хотя такие рассказы обычно уклоняются от предположения, что реальности в конечном итоге не существует. Есть места, куда не доберется даже Голливуд.

Идея о том, что вы можете быть просто изолированным мозгом в чане или в пустой вселенной, с сенсорным вводом, который создает иллюзию существования человека на планете Земля, не нова. Идея о том, что мы не можем знать ничего наверняка, кроме того факта, что мы сами существуем, - это старая философия, известная как солипсизм. Как это часто бывает, первое письменное свидетельство о том, что кто-то размышляет о такой возможности, принадлежит греческому философу Горгиасу, жившему около 2 500 лет назад. Но чаще всего солипсизм ассоциируется с Рене Декартом, который резюмировал его словами "Я мыслю, следовательно, я существую", добавив при этом, что в отношении всех остальных вещей он никогда не мог быть полностью уверен.

Возможно, вы надеялись, что физика выведет вас из этого затруднительного положения, но это не так. Она только усугубляет ситуацию. Это потому, что в своих рассуждениях об увеличении энтропии я упустила неудобную деталь: энтропия на самом деле не всегда увеличивается. А если она уменьшается, то происходят странные вещи.

Давайте снова рассмотрим нашу упрощенную модель замеса теста с 36 квадратами. Предположим, вы достигли состояния с высокой энтропией - гладкого макросостояния с 8-10 серыми квадратами в верхней половине. Дело в том, что если вы будете продолжать случайным образом менять местами соседей, состояние не будет вечно оставаться гладким. Время от времени, по случайному совпадению, в верхней половине будет всего 7 молекул сахара. Продолжайте менять их местами, и вы наткнетесь на случай, когда их будет только 6. Вряд ли это будет продолжаться долго, и, вероятно, вы скоро вернетесь к гладкому состоянию. Но если вы будете упрямо продолжать перемешивать квадраты, то в конце концов в верхней половине окажется только 5, 4, 3, 2, 1 и даже 0 серых квадратов. Вы вернетесь к исходному состоянию. Энтропия, казалось бы, уменьшилась.

Это не ошибка - так работает энтропия. После того как вы увеличили ее до максимума и достигли равновесного состояния, энтропия может случайно снова уменьшиться. Небольшие флуктуации вне равновесия вероятны, большие - менее вероятны. Существенное уменьшение энтропии при замешивании настоящего теста настолько маловероятно, что вы бы не заметили этого, даже если бы перемешивали с момента Большого взрыва. Но если бы вы могли смешивать достаточно долго, яйца в конце концов собрались бы вновь, а масло снова образовало бы комки. Это не чисто математическая спекуляция - спонтанное уменьшение энтропии может наблюдаться и наблюдалось в небольших системах. Например, было замечено, что крошечные бусинки, плавающие в воде, время от времени приобретают энергию за счет случайного движения молекул воды. Это временно противоречит второму закону термодинамики.

Такие флуктуации энтропии создают следующую проблему. Если собрать воедино все, что мы знаем о Вселенной, то кажется, что она будет расширяться бесконечно долго. По мере роста энтропии Вселенная становится все более скучной. В конце концов, когда все звезды погибнут, вся материя схлопнется в черные дыры, а те испарятся, во Вселенной останется лишь тонко распределенное излучение и частицы, которые время от времени сталкиваются друг с другом.

Но это еще не конец истории, потому что бесконечность - это очень долгое время. За бесконечное количество времени все, что может произойти, в конце концов произойдет - независимо от того, насколько это маловероятно.

Это значит, что в скучной, высокоэнтропийной вселенной будут области, где энтропия спонтанно уменьшается. Большинство из них будут небольшими, но однажды произойдет крупная флуктуация, в результате которой частицы образуют, скажем, молекулу сахара - просто по случайному совпадению. Подождите еще немного, и вы получите целую клетку. Подождите еще больше, и в конце концов из высокоэнтропийного супа вынырнет полностью функциональный мозг - достаточно надолго, чтобы подумать: "А вот и я", - а затем снова исчезнет, смытый увеличением энтропии. Почему он снова исчезнет? Потому что это наиболее вероятная вещь, которая может произойти.

Эти самосознательные флуктуации с низкой энтропией - мозги Больцмана, в честь Людвига Больцмана, который в конце XIX века разработал понятие энтропии, которое мы сейчас используем в физике. Это было до появления квантовой механики, и Больцман занимался чисто статистическими флуктуациями в коллекциях частиц. Но квантовые флуктуации усугубляют проблему. С помощью квантовых флуктуаций объекты с низкой энтропией (мозги!) могут появляться даже в вакууме, а затем снова исчезать.

Вы можете подумать, что флуктуирующие мозги - это перебор. И вы будете не одиноки. Физик Сет Ллойд сказал о мозгах Больцмана: "Я считаю, что они не проходят тест Монти Пайтона: Прекратите это! Это слишком глупо!". Или, как однажды сказал мне Ли Смолин: "Почему мозги? Почему никто никогда не говорит о печени, возникающей в результате флуктуации?" Справедливое замечание. Но я на стороне Шона Кэрролла; я думаю, что больцмановские мозги могут дать нам нечто стоящее в космологии.

Проблема с больцмановскими мозгами заключается не столько в самих мозгах, сколько в том, что возможность таких больших флуктуаций приводит к предсказаниям, которые не согласуются с нашими наблюдениями. Помните, что чем меньше энтропия, тем меньше вероятность флуктуации. Энтропия должна быть достаточно мала, чтобы объяснить наблюдения, которые вы сделали до сих пор. В крайнем случае, это может быть ваш мозг со всеми теми данными, которые вы получили за свою жизнь. Но затем теория с огромной вероятностью предсказывает, что следующее, что вы увидите, - это исчезновение планеты Земля и возвращение энтропии в равновесное состояние. Что ж, этого, очевидно, не произошло. Не произошло и сейчас. И до сих пор не произошло. Между тем, вы тщательно фальсифицировали предсказание.

Конечно, нехорошо, если теория приводит к предсказаниям, которые не согласуются с наблюдениями. Что-то должно быть не так, но что? Недостатки в нашем понимании энтропии, которые я назвала ранее (гравитация, непрерывные поля), все еще применимы, но в аргументе о мозге Больцмана есть еще одно предположение, которое, скорее всего, является виновником. Оно заключается в том, что не все типы законов эволюции порождают все возможные флуктуации.

Теория, в которой любой вид флуктуации в конечном итоге произойдет, называется эргодической теорией. Маленькая модель замеса теста, которую мы использовали, является эргодической, и модели, которые изучали Больцман и его современники, также являются эргодическими. Увы, вопрос о том, являются ли эргодическими теории, которые мы сейчас используем в основах физики, остается открытым.

Сто пятьдесят лет назад физики занимались частицами, которые сталкиваются друг с другом и меняют направление движения, и задавались вопросами вроде "Сколько времени пройдет, пока все атомы кислорода соберутся в одном углу комнаты?". Это хороший вопрос (ответ: очень, очень долго, не волнуйтесь), но чтобы говорить о создании чего-то столь сложного, как мозг, нужно заставить частицы держаться вместе. Они должны образовывать связанные состояния, как говорят физики. Например, протоны - это связанные состояния трех кварков, удерживаемых вместе сильными ядерными силами. Звезды также являются связанными состояниями; они связаны гравитацией. Простого столкновения частиц друг с другом недостаточно, чтобы создать вселенную, похожую на ту, которую мы наблюдаем. И никто пока не знает, являются ли гравитация и сильные ядерные силы эргодическими, так что в аргументе о мозге Больцмана нет никакого противоречия.

Более того, мы можем прочитать этот аргумент в обратном направлении и прийти к выводу, что по крайней мере одна из наших фундаментальных теорий не может быть эргодической. Вот почему я считаю, что "мозги Больцмана" интересны - они говорят нам кое-что о свойствах, которыми должны обладать законы природы. Но вам не стоит беспокоиться о том, что вы - одинокий мозг в пустом пространстве. Если бы это было так, вы бы почти наверняка просто исчезли. Или, если вы еще не исчезли, то исчезнете сейчас. Или сейчас...

Мозги Больцмана - это теоретический прием, позволяющий привести аргумент к противоречию (если бы законы природы были эргодическими, то ваши наблюдения были бы невероятно маловероятными), но вы почти наверняка таковым не являетесь. Однако, как мне кажется, в бумажном следе, оставленном больцмановскими мозгами в научной литературе, есть более глубокое послание.

Основы физики позволяют нам ближе взглянуть на реальность, но чем ближе мы смотрим на реальность, тем более скользкой она становится. Одной из главных причин этого является активное использование математики. Чем больше фундаментальные описания природы отрываются от нашего повседневного опыта, тем больше мы вынуждены полагаться на математическую строгость. Эта зависимость имеет свои последствия. Использование математики для описания реальности означает, что одни и те же наблюдения могут быть эквивалентно объяснены множеством различных способов. Это просто потому, что существует множество наборов математических аксиом, которые дают одинаковые предсказания для всех имеющихся данных. Таким образом, если вы захотите приписать "реальность" одному из ваших объяснений, вы не будете знать, какому именно.

Например, во времена Исаака Ньютона утверждение о том, что гравитационная сила реальна, было бы неоспоримым. Это был чрезвычайно полезный математический инструмент, позволяющий рассчитать все - от траектории полета пушечного ядра до орбиты Луны. Но появился Альберт Эйнштейн, который объяснил нам, что эффект, который мы называем гравитацией, вызван искривлением пространства-времени; это не сила. Значит ли это, что гравитационная сила перестала существовать вместе с Эйнштейном? Это означало бы, что реальность зависит от того, что люди считают реальностью. Большинство ученых не захотят идти на это.

Ну, скажете вы, не то чтобы гравитационная сила перестала существовать с появлением Эйнштейна. Она вообще никогда не существовала. Просто доэйнштейновские ученые ошибались! Но в таком случае вы не можете утверждать, что хоть что-то в наших нынешних теориях реально, потому что однажды эти теории могут быть заменены более совершенными. Космос? Электроны? Черные дыры? Электромагнитное излучение? Вы не сможете назвать их реальными. И опять же, большинство ученых отвергнут такое представление о реальности.

Даже если оставить в стороне эту проблему грядущей смены парадигм, неясно, какую математику вы используете для описания наблюдений, потому что в физике существуют двойственные теории. Две дуальные теории описывают одни и те же наблюдаемые явления в совершенно разных математических формах. Двойные теории похожи на рисунок, который, в зависимости от того, с какой стороны на него посмотреть, является либо кроликом, либо уткой (рис. 6). Действительно ли это кролик или действительно утка? На самом деле это просто темная линия на белом фоне, которую можно интерпретировать так или иначе.

В физике самым известным примером является дуализм калибровки и гравитации. Это математическая эквивалентность, которая связывает теорию гравитации в более высоком измерении (с искривленным пространством-временем) с теорией частиц в одном меньшем измерении без гравитации (например, в плоском пространстве-времени). В обеих теориях есть правила вычисления измеряемых величин (таких как, скажем, проводимость металла). Эти математические элементы теорий (гравитации или частиц) различны, и предписания для расчетов с их помощью различны, но предсказания совершенно одинаковы.

Сейчас несколько спорно, действительно ли калибровочно-гравитационный дуализм описывает то, что мы наблюдаем в нашей Вселенной. Многие струнные теоретики считают, что да. Я тоже считаю, что есть все шансы, что он правильно описывает определенные типы плазмы, которые дуальны определенным типам черных дыр. (Или это черные дыры, двойственные к какому-то типу плазмы?) Но правильно ли эта конкретная дуальная теория описывает природу, здесь не имеет значения. Сама возможность существования дуальных теорий подтверждает вывод, сделанный из угрозы грядущей смены парадигм: мы не можем приписать "реальность" какой-либо конкретной формулировке теории. (Различные интерпретации квантовой механики - еще один пример, но, пожалуйста, позвольте мне отложить это обсуждение до главы 5).

Именно из-за подобных головных болей философы выдвинули вариант реализма, называемый структурным реализмом. Согласно структурному реализму, реальной является математическая структура теории, а не ее конкретная формулировка. Это, если хотите, кроличья форма рисунка. Теория общей относительности Эйнштейна структурно содержит то, что раньше называлось гравитационной силой, потому что мы можем вывести эту силу в приближении, называемом ньютоновским пределом. То, что этот предел не всегда хорошо описывает наши наблюдения (он разрушается вблизи скорости света и при сильном искривлении пространства-времени), не означает, что он не реален.

В структурном реализме вы можете называть гравитационные силы реальными, даже если они являются лишь приближениями. Вы также можете называть пространство-время реальным, даже если однажды оно может быть заменено чем-то более фундаментальным - большой сетью, может быть? Потому что какой бы ни была лучшая теория, она должна будет воспроизводить структуру, которую мы используем сейчас, в подходящих пределах. Все это имеет смысл.

Если бы я была реалистом, я была бы структурным реалистом. Но я им не являюсь. Причина в том, что я не могу исключить возможность того, что я - мозг в чане и что все мои предполагаемые знания о законах природы - искусная иллюзия. Я могу прийти к выводу, что это неправдоподобно, что я - флуктуация в безликой вселенной, учитывая все, что я узнала за свою жизнь, но это все равно не доказывает, что существует какая-то вселенная, кроме моего мозга. Солипсизм можно назвать философией, но он порожден биологическим фактом. Мы одни в своей голове, и, по крайней мере пока, у нас нет возможности напрямую предположить существование чего-либо, кроме наших собственных мыслей.

И хотя я утверждаю, что никогда не могу быть полностью уверена в существовании чего-либо, кроме себя самой, я также считаю, что это довольно бесполезная философия, чтобы зацикливаться на ней. Может быть, вы не существуете, и это всего лишь моя иллюзия, что я написала эту книгу, но если я не могу отличить иллюзию от реальности, зачем пытаться? Реальность - это, конечно, хорошее объяснение, которое может пригодиться. Поэтому для всех практических целей я буду относиться к своим наблюдениям так, как если бы они были реальными, допуская возможность - на случай, если кто-то спросит, - что я не вполне уверена в том, что эта книга и ее читатели существуют на самом деле.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Мы стареем, потому что это наиболее вероятный вариант развития событий. Наши нынешние теории хорошо описывают однонаправленную природу времени и наше восприятие Сейчас. Некоторые физики считают существующие объяснения неудовлетворительными, и, конечно, стоит поискать лучшие объяснения, но у нас нет причин считать это необходимым или даже возможным. Если вы хотите верить в то, что вы - мозг в чане, - это нормально, но мне интересно, что, по-вашему, от этого изменится.

Глава 4. Ты - всего лишь мешочек с атомами?

Кто вы?

Мне рассказывали, что некоторые ораторы справляются с волнением перед выступлением, представляя свою аудиторию обнаженной. Не знаю, как вы, а я предпочитаю этого не делать. Я предпочитаю представлять их разобранными на химические элементы (рис. 7).

Человеческое тело примерно на 60 процентов состоит из воды, так что в моей аудитории, прежде всего, много кислорода и водорода. Я представляю себе, как они улетучиваются с легким дуновением. Затем, для каждого человека, у меня есть большая банка углерода, основного компонента белков и жиров. Один только углерод составляет около 18 процентов человеческого тела, примерно тридцать фунтов среднего взрослого человека. Затем у нас есть еще один газ, азот (3 %), несколько баночек поменьше для кальция (1,5 %) и фосфора (1 %), а также крошечные дозы калия, серы, натрия и магния. И это все. Вот что такое люди: практически неразличимые наборы химических элементов.

Если вам это не подходит, возможно, стоит задуматься о происхождении ваших атомов. Вселенная началась не с химических элементов, за исключением водорода, который был создан через несколько минут после Большого взрыва, потому что для создания атомных ядер химических элементов требуется значительное давление. Тяжелые элементы могли возникнуть только тогда, когда из водородных облаков под действием гравитации начали формироваться звезды. В этих коллапсирующих облаках гравитационное давление в конечном итоге приводит к ядерному синтезу, в результате которого ядра легких ядер соединяются во все более тяжелые.

Но наступает момент, когда звезда сливает все, что ей нужно было слить. В конце своей жизни большинство звезд спокойно гаснут, но некоторые из них быстро разрушаются и впоследствии взрываются, превращаясь в сверхновую. При взрыве сверхновой внутренности звезды вылетают в космос. Освобожденные от плотного окружения звезды атомные ядра захватывают электроны и превращаются в настоящие атомы.

Но даже взрыв сверхновой не уничтожает звезду полностью: после него остается остаток, который представляет собой либо нейтронную звезду, либо черную дыру. Нейтронные звезды - это большие сгустки ядерной материи, настолько плотные, что им едва удается избежать коллапса и превратиться в черную дыру. Самые тяжелые элементы, такие как золото и серебро, могут образовываться только в особо агрессивной среде, например при слиянии нейтронных звезд. При таких слияниях тяжелые ядра вылетают и разносятся по галактикам, где они захватывают электроны и превращаются в атомы. Но даже взрыв сверхновой не уничтожает звезду полностью: она оставляет после себя остаток, который представляет собой либо нейтронную звезду, либо черную дыру. Нейтронные звезды - это большие сгустки ядерной материи, настолько плотные, что им едва удается избежать коллапса и превратиться в черную дыру. Самые тяжелые элементы, такие как золото и серебро, могут образовываться только в особо агрессивной среде, например при слиянии нейтронных звезд. При таких слияниях тяжелые ядра вылетают и разносятся по галактикам, где они захватывают электроны и превращаются в атомы.

Некоторые из этих атомов собираются вместе, образуя маленькие молекулы или даже микроскопические зерна звездной пыли. Пыль смешивается с облаками водорода и гелия, которые остались со времен Большого взрыва. И гравитация продолжает свою работу. Если облака станут слишком плотными, они снова разрушатся, дадут начало новым звездам, солнечным системам, планетам и, возможно, жизни на этих планетах.

Этот процесс не цикличен, и, насколько нам известно, он не может продолжаться вечно. В какой-то момент в далеком будущем - по оценкам, примерно через сто триллионов лет - оставшееся ядерное топливо во Вселенной закончится навсегда. Это одно из последствий увеличения энтропии, о котором мы говорили в главе 3. Вселенная может приютить жизнь лишь на ограниченное время.

Но вот мы здесь, сделанные из атомов, которые либо появились прямо из Большого взрыва, либо были выброшены в межзвездное пространство звездами в последнем приступе гнева. Как гласит мем, мы сделаны из звездной пыли, дети звезд и так далее. Лично мне не так уж важно, откуда взялись мои атомы, но к этому моменту я обычно забываю о своей речевой тревоге.

Больше - это больше

Нужно ли что-то большее, чем частицы, чтобы создать сознательное существо?

Я обнаружила, что многие люди рефлекторно отвергают возможность того, что человеческое сознание возникает в результате взаимодействия множества частиц в их мозге. Они, кажется, привержены идее, что сознание должно быть каким-то другим. И хотя научно мыслящие люди не называют это душой, они именно это и имеют в виду. Они ищут таинственное, необъяснимое, экстра, которое сделало бы их существование особенным. Им кажется немыслимым, что их драгоценные мысли - это "всего лишь" следствия того, что множество частиц делают все, что предписывают законы природы. Безусловно, настаивают они, сознание должно быть чем-то большим. По данным опроса 2019 года, 75,8 % американцев поддерживают эту идею дуализма: что человеческий разум - это нечто большее, чем сложная биологическая машина. В Сингапуре процент дуалистов был еще выше: 88,3 %.

Если вы относитесь к дуалистическому большинству, нам придется заключить сделку, прежде чем мы сможем двигаться дальше. Вы отбросите свою веру в то, что сознание требует каких-то дополнительных возможностей, которые физика не учитывает, и послушаете, что я вам скажу. Взамен я обещаю, что если в конце этой книги вы будете по-прежнему настаивать на том, что человеческий мозг не подчиняется законам природы, я позволю вам уйти от ответа.

Сказав это, я, как физик частиц по образованию, должна сообщить вам, что имеющиеся данные говорят нам о том, что целое - это сумма частей, не больше и не меньше. Бесчисленные эксперименты на протяжении тысячелетий подтверждали, что вещи состоят из более мелких вещей, и если вы знаете, что делают мелкие вещи, то можете сказать, что делают крупные вещи. Не существует ни одного известного исключения из этого правила. Не существует даже последовательной теории такого исключения.

Как история страны является следствием поведения ее граждан и их взаимодействия с окружающей средой, так и поведение граждан является следствием свойств и взаимодействий частиц, из которых они состоят. Обе гипотезы выдержали все испытания, которым они подвергались до сих пор. Поэтому, как ученый, я принимаю их. Я принимаю их не как окончательные истины, поскольку однажды они могут быть пересмотрены, а как наилучшее текущее знание.

Многие люди считают, что это всего лишь философская позиция, согласно которой поведение составного объекта (например, вас) определяется поведением его составных частей - субатомных частиц. Они называют это редукционизмом, материализмом или, иногда, физикализмом, как будто если дать ему название, заканчивающееся на -изм, то оно каким-то образом исчезнет. Но редукционизм, согласно которому поведение объекта может быть выведено из свойств, поведения и взаимодействий составляющих его элементов ("сведено к ним", как сказали бы философы), - это не философия. Это один из самых достоверных фактов о природе.

Тем не менее, я не являюсь сторонником жесткого редукционизма. Наши знания о законах природы ограничены, многое еще предстоит понять, и редукционизм может потерпеть неудачу в тонких аспектах, о которых я расскажу позже. Однако прежде чем нарушать правила, их нужно выучить.

А в науке наши правила основаны на фактах. Факт в том, что мы никогда не наблюдали объект, состоящий из множества частиц, поведение которых фальсифицировало бы редукционизм, хотя это могло бы происходить бесчисленное количество раз. Мы никогда не видели молекулу, которая не обладала бы свойствами, которые можно было бы ожидать, учитывая то, что мы знаем об атомах, из которых она состоит. Мы никогда не встречали лекарств, которые вызывали бы эффекты, исключаемые их молекулярным составом. Мы никогда не создавали материал, поведение которого противоречило бы физике элементарных частиц. Если вы говорите "холизм", то я слышу "чушь собачья".

Мы, конечно, знаем о многих вещах, которые в настоящее время не можем предсказать, поскольку наши математические навыки и вычислительные инструменты ограничены. Средний человеческий мозг, например, содержит около тысячи триллионов триллионов атомов. [*] Даже с помощью самых мощных современных суперкомпьютеров никто не может рассчитать, как все эти атомы взаимодействуют, чтобы создать сознательную мысль. Но у нас также нет причин считать, что это невозможно. Насколько нам известно, если бы у нас был достаточно большой компьютер, ничто не помешало бы нам смоделировать мозг атом за атомом.

Напротив, предполагать, что составные системы - мозг, общество, вселенная в целом - демонстрируют какое-либо поведение, не вытекающее из поведения их составных частей, нет необходимости. Никакие доказательства не требуют этого. Это так же ненужно, как гипотеза о Боге. Не ошибочная, но анаучная.

Для некоторых из вас это может стать шоком. Разве Филипп Андерсон - лауреат Нобелевской премии - не утверждал обратное, когда придумал крылатую фразу "Больше - это другое"? Действительно, утверждал. Но то, что это сказал нобелевский лауреат, не означает, что это верно.

Примерно пятьдесят лет назад физики описывали систему на разных уровнях детализации с помощью различных математических моделей. Например, они использовали один набор уравнений для воды, затем другой набор для ее молекул и еще один набор для атомов и их составных частей. Эти различные математические модели были независимы друг от друга.

Однако к середине двадцатого века физики начали формально связывать эти различные модели. Я говорю "формально", потому что математические выкладки в большинстве случаев пока не могут быть выполнены: вычисления просто слишком сложны. Но теперь у физиков есть четко определенная процедура, позволяющая вывести, скажем, свойства воды из свойств атомов. Эта процедура называется грубым расчетом, и хотя математика здесь сложная, сама идея концептуально проста.

Представьте, что вы описываете систему с высоким разрешением, то есть учитываете множество тонких структур на малых расстояниях. Представьте себе, например, топографическую карту, которая не только показывает, где находятся горные хребты и долины, но и прослеживает все до складок на асфальте и камешков на лугах. Если вы планируете поход, в такой карте будет много деталей, которые вам не нужны. Чтобы создать карту, лучше подходящую для ваших целей, вы можете нанести на местность, скажем, сетку из ста ярдов и использовать средние значения для каждого квадрата сетки. Это означает, что вы отбросите информацию, но это будет информация, которая вам не нужна.

Метод грубого усреднения в физике - это более сложная версия усреднения; это метод отбрасывания ненужной информации. В физике размер сетки часто называют отсечкой, и задача состоит в том, чтобы записать приближенную модель, которая была бы достаточно точной при разрешении, заданном отсечкой, плюс небольшие поправки на недостающие детали. Если затем отбросить мелкие поправки ниже отсечки, получится то, что физики называют эффективной моделью. Эта модель не является принципиально правильной, поскольку, подобно вашей усредненной топографической карте, в ней не хватает информации, но она достаточно хороша на интересующем вас уровне разрешения.

Наиболее известными примерами эффективных моделей являются объемные описания газов и жидкостей в терминах таких суммарных величин, как температура, давление, вязкость, плотность и так далее. Эти описания усредняют молекулярные детали. Существует множество других эффективных моделей, которые мы используем в физике. Для эффективной модели характерно, что объекты и величины, занимающие в ней центральное место, не совпадают с объектами и величинами в базовой теории; обычно они даже не имеют смысла в базовой теории. Например, проводимость металла - это свойство материалов, вытекающее из поведения электронов. Но говорить о проводимости электрона бессмысленно. Действительно, вся концепция металла не имеет смысла, если вы работаете с моделью субатомных частиц. Металл - это определенное расположение множества мелких частиц.

Мы говорим, что такие свойства и объекты, которые играют ключевую роль в эффективной теории, но не появляются в фундаментальной теории, являются эмерджентными. Эмерджентные свойства и объекты могут быть выведены из чего-то другого или сведены к нему. Фундаментальные свойства противоположны эмерджентным. Фундаментальное свойство или объект не может быть выведено из чего-то другого или сведено к нему. Два других термина, которые я буду использовать в дальнейшем, заключаются в том, что фундаментальные слои - это более глубокие слои, а эмерджентные - более высокие уровни.

Практически все, с чем мы имеем дело в повседневной жизни, является эмерджентным, то есть высокоуровневым свойством или объектом. Цвет материала (высокий уровень) вытекает из его атомной структуры (более глубокий уровень). Сила лекарства (высокий уровень) вытекает из его молекулярного состава (более глубокий уровень), а молекулярный состав вытекает из атомного состава молекул (еще более глубокий уровень). Движение клетки вытекает из расположения и взаимодействия ее молекул. Функция органа возникает из функции его клеток и так далее.

Как показывает пример крупнозернистой топографической карты, в процессе выведения эмерджентных свойств мы отбрасываем детали, находящиеся на небольших расстояниях. Вот почему переход с одного уровня на другой в теоретической башне - это улица с односторонним движением. Вы можете вывести законы гидродинамики (которые описывают движение жидкостей) из теории атомов. Однако вы не можете вывести атомную теорию из гидродинамики. Все потому, что при выводе эффективной модели вы навсегда отбрасываете информацию. В математике это обычно происходит путем увода какого-то параметра на бесконечность или, что эквивалентно, отбрасывания небольших поправок. На самом деле, то, что эта теоретическая башня не является улицей с двусторонним движением, является причиной того, что мы не можем просто вывести более фундаментальные законы из тех, что у нас есть. Если бы мы могли, они не были бы более фундаментальными! (Так как же тогда физики открывают более фундаментальные законы? Об этом мы поговорим с Дэвидом Дойчем в следующем интервью).

В большинстве случаев в настоящее время мы не можем выполнить математические расчеты, которые потребовались бы для грубого расслоения. Например, в настоящее время никто не может вывести свойства клетки из свойств ее атомов. Более того, даже предсказать свойства молекул сложно, как показывает проблема сворачивания белков. Математика просто слишком сложна.

Но для наших целей не имеет значения, можем ли мы на самом деле произвести вычисления, связывающие глубинный уровень с высоким. Нас интересует только то, что мы можем узнать из структуры природных законов. Поэтому важно лишь то, что, согласно устоявшимся теориям, самый глубокий уровень определяет то, что происходит на более высоких уровнях. Если кто-то сейчас утверждает, что это не так, он должен, по крайней мере, объяснить, как это может быть. Как может быть, что теория, скажем, металла не следует из теории совокупности составляющих его элементов? Если вы хотите продвигать эту идею, вам придется решать именно эту задачу.

Эмерджентные теории не менее важны, чем фундаментальные. Более того, они оказываются более полезными именно потому, что игнорируют несущественные детали. Эмерджентные теории в большинстве случаев являются лучшими объяснениями на своем уровне точности. Но единственными фундаментальными теориями, которые мы знаем на данный момент - на самом глубоком уровне - являются стандартная модель физики частиц и общая теория относительности Эйнштейна, описывающая гравитацию.

В дальнейшем я буду называть области физики, изучающие фундаментальные законы, основами физики. Все остальное вытекает из этих фундаментальных законов, примерно в таком порядке: атомная физика, химия, материаловедение, биология, психология, социология. Большинство физиков, в том числе и я, не считают, что нынешние фундаментальные теории останутся фундаментальными. Более вероятно, что то, что сейчас является фундаментальным, окажется эмерджентным на другом, более глубоком уровне.

В ретроспективе может показаться очевидным, что научные дисциплины связаны друг с другом именно таким образом. Но большую часть предыдущего столетия ученые думали о природе иначе. Действительно, за пределами основ физики до сих пор можно встретить многих, кто яростно утверждает, что все научные дисциплины одинаково фундаментальны.

В какой-то степени это просто спор о словах. Я использую термин "фундаментальный" в значении "не может быть получен из другой теории". Ученые из других дисциплин иногда думают, что менее фундаментальный термин означает менее важный, и тогда они оскорбляются. Но физики не пытаются принизить других ученых, указывая на то, что все состоит из частиц; просто так оно и есть.

Я сказала, что буду честна с вами, поэтому должна добавить, что некоторые физики до сих пор не верят, что законы природы действительно редукционистские. Мне нечего сказать по этому поводу, кроме того, что я изложила доказательства, а вы можете оценить их сами. Гипотеза о том, что природа редукционистская, подкрепляется как наблюдательными данными - мы находим объяснения функций одного уровня, переходя на более глубокий, а не наоборот, - так и недавним пониманием некоторых математических закономерностей.

Сказав это, я должна остановиться на распространенном заблуждении относительно многоуровневой структуры природных законов, а именно на том, что, похоже, существуют примеры, противоречащие ей. Скажем, вы нажимаете кнопку, которая включает коллайдер частиц, сталкивающий два протона, в результате чего образуется бозон Хиггса. Не было ли в этой последовательности ваше решение - т. е. функция верхнего уровня - причиной события на гораздо меньшем расстоянии, что нарушает идею аккуратной упорядоченной структуры? Другой распространенный пример - компьютерные алгоритмы, которые включают и выключают транзисторы при обработке информации. Разве не алгоритм, который вы запрограммировали, - функция верхнего уровня - управляет электронами? Нетрудно придумать множество подобных примеров.

Недоразумение в этих случаях всегда одно и то же. То, что определенные свойства или поведение системы (вы, компьютерный алгоритм) полезно описывать в макроскопических терминах (мотивы, компьютерный код), не означает, что макроскопическое описание более фундаментально. Это не так. Вы вполне можете описать компьютер, включая его алгоритмы, в терминах нейтронов, протонов и электронов. Конечно, это было бы совершенно бесполезное описание.

Но если бы вы хотели доказать ложность редукционизма, вам пришлось бы показать, что описание системы в макроскопических терминах приводит к другим предсказаниям, чем те, которые вы получили бы из ее микроскопического описания (а затем провести эксперимент, демонстрирующий, что предсказания из микроскопического описания неверны). Никому не удалось этого сделать. И опять же, не потому, что это было бы невозможно. Возможно, вы можете попытаться представить себе мир, в котором поведение атомов вытекает из поведения планет, а не наоборот, но, насколько мы можем судить, это просто не так.

Чтобы разобраться в этой башне теорий, обратите внимание, что функция составного объекта вытекает не только из его составляющих. Необходимо также знать взаимодействия составляющих и корреляции между ними, то есть нужна полная микроскопическая информация. Квантовая запутанность, в частности, действительно является одним из видов корреляции - она связывает частицы вместе, но даже если она может охватывать макроскопические расстояния, это все равно свойство, определенное на фундаментальном уровне. Подробнее о запутанности мы поговорим позже, а пока отметим, что она не противоречит редукционизму.

Итак, согласно лучшим современным данным, мир редукционистский: поведение больших составных объектов вытекает из поведения их составных частей, но мы понятия не имеем, почему законы природы таковы. Почему детали с коротких расстояний не имеют значения на больших расстояниях? Почему поведение протонов и нейтронов внутри атомов не имеет значения для орбит планет? Почему то, что делают кварки и глюоны внутри протонов, не влияет на эффективность лекарств? У физиков есть название для этого разрыва - разделение масштабов, но нет объяснения. Возможно, его и нет. Мир должен быть таким, а не иным, и поэтому мы всегда будем оставаться с вопросами "почему", на которые нет ответов. А может быть, этот конкретный вопрос "почему" говорит о том, что нам не хватает всеобъемлющего принципа, который соединяет разные слои.

По кусочку за раз

Если вы похожи на меня, то, вероятно, представляете собой физически компактный, локализованный объект: ноги на одном конце, голова на другом. Однако это интуитивное представление о себе не имеет под собой реальной основы.

Физический состав нашего тела постоянно меняется. Мы меняем одни частицы, из которых состоим, на новые каждый раз, когда дышим, пьем или едим. В конце концов, именно так мы и выросли до таких размеров. На протяжении всей жизни мы используем атомы, которые ранее принадлежали другим животным, растениям, почве или бактериям, атомы, которые были созданы во время Большого взрыва или в результате слияния звезд. Исследование, проведенное в 2005 году с помощью углеродного датирования, показало, что средняя клетка в организме взрослого человека живет всего семь лет. Хотя некоторые клетки остаются с нами практически всю жизнь, клетки кожи в среднем заменяются каждые две недели, а другие (например, эритроциты) - каждые пару месяцев.

Таким образом, физически мы меньше похожи на компактный объект, о котором говорит наше самовосприятие, и больше на корабль Тесея. В этой истории, которой 2 500 лет, корабль греческого героя Тесея помещен в музей. Со временем части корабля начинают крошиться или гнить, и их понемногу заменяют новыми деталями. То канат, то доска, то мачта. В конце концов, от прежних частей не остается и следа. "Остается ли это все тем же кораблем?" - задавались вопросом греческие философы. Из этого древнего спора происходит изречение "Ни один человек не входит в одну и ту же реку дважды, потому что это не одна и та же река и не один и тот же человек", которое обычно приписывают Гераклиту.

Как часто бывает, ответ зависит от того, как вы определяете термины в вопросе. Что вы подразумеваете под кораблем и что вы подразумеваете под одним и тем же? Только определив эти выражения, вы сможете ответить на вопрос, а ответы могут быть самыми разными. Не волнуйтесь, у меня нет намерения перелопачивать 2500 лет философии - я вернусь к физике через некоторое время, - но надо отдать должное: старые греки давно поняли, что составные части объекта - это не единственное, что имеет к нему отношение. Даже после того, как вы обменяете все части корабля, план его строительства - информация, необходимая для его постройки, - останется прежним. Действительно, вы можете определить информацию как то, что не меняется в корабле при замене его частей.

С людьми дело обстоит примерно так же. Люди состоят из частиц, и поведение этих частиц определяет наше поведение. Но это не то, что делает человека - или любую сложную структуру - интересной. Интересными их делают эмерджентные свойства более высокого уровня: Люди ходят, говорят и пишут книги. Некоторые из них размножаются. Другие летают на Луну. Банки с химикатами этого не делают. Важное свойство человека - это не его составные части. Это способ расположения составляющих; это информация, необходимая для создания человека, информация, которая говорит вам, что он может делать.

Я имею в виду не только ваш генетический код, поскольку одних генов недостаточно, чтобы определить человека, которым вы являетесь сегодня. Я имею в виду все необходимые детали, которые определяют, как каждая часть вашего тела, каждая молекула взаимодействует с любой другой. Сюда входят бесчисленные маленькие (и большие) события, оставившие следы в вашем мозгу, следы съеденной пищи и вдыхаемого воздуха, наследие прошлых болезней, шрамы и синяки. Все это делает вас вами. Ваша сущность, какой бы она ни была, возникает из конфигурации частиц, из которых вы состоите. Насколько нам известно, эти свойства могут проявляться по-разному.

Канадский ученый и философ Зенон Пилишин хорошо проиллюстрировал это с помощью мысленного эксперимента, проведенного в 1980 году. Представьте, что вы занимаетесь своими обычными повседневными мыслями, возможно, размышляете о том, не пора ли выпить кофе. Теперь предположим, что кто-то забирает один из ваших нейронов и заменяет его кремниевым чипом. Кремниевый чип сконструирован таким образом, что он реагирует на входные и выходные сигналы от остальной части вашего мозга так же, как и замененный нейрон. Чип выполняет ту же функцию, что и нейрон, и легко соединяется с другими нейронами. Изменит ли это что-нибудь в вашей личности? Может быть, вы вдруг откажетесь от кофе и будете просить чай? Нет. Почему это должно что-то изменить? В конце концов, в том, как ваш мозг обрабатывает информацию, ничего не изменилось. Хорошо. Тогда замените следующий нейрон чипом. И следующий. Так, один за другим, ваш мозг будет заменяться кремниевыми чипами, пока не станет полностью кремниевым. Вы все еще тот же человек?

Как и в случае с кораблем Тесея, это зависит от того, как вы определяете себя и то же самое. В каком-то смысле, возможно, вы уже не тот человек, потому что теперь вы состоите из разных физических компонентов. Но физические компоненты - это не то, что нас волнует. Нас волнует расположение компонентов. Именно функции, которые они выполняют, делают вас интересным. В этом смысле вы не изменились. Вы по-прежнему можете выполнять те же функции; вы все так же интересны, как и раньше.

Но действительно ли вы остались прежним? Вот тут-то физика и становится актуальной. Одно дело - написать, что можно заменить нейрон на кремниевый чип, не меняя при этом функции мозга. А вот возможно ли это на самом деле - совсем другой вопрос. Фраза "то же самое" в мысленном эксперименте Пилишина неявно предполагает, что можно заменить нейроны чипами, причем не просто так, чтобы различия были незаметно малы, а чтобы их не было. Это сильное предположение необходимо для того, чтобы аргумент работал. Если я заменю одну молекулу вашего кофе на одну молекулу чая, вкус у него будет тот же самый; это незаметно маленькая разница. Но если бы я продолжал заменять молекулу за молекулой, в конце концов вы бы это заметили. Большое количество незаметно малых изменений может в конце концов превратиться в заметно большие изменения. Откуда нам знать, что при замене нейрона происходит не это?

Очевидный ответ - мы не знаем, потому что никто этого не делал. Тем не менее, мы можем спросить, что возможно в соответствии со всем, что мы знаем о физике. Можно ли заменить нейрон на что-то другое, чтобы его субструктура - кремний или углерод - не имела никакого значения? Да, это возможно, потому что, как мы уже говорили в предыдущем разделе, масштабы не разделяются. Мы можем игнорировать детали на коротких расстояниях ради эмерджентного поведения на больших расстояниях. И это также означает, что вы можете поменять физику коротких расстояний на другую, нейроны на чипы или что-то еще, и это не будет иметь значения, пока эмерджентное поведение остается тем же.

Конечно, как всегда, может оказаться, что с используемыми нами теориями что-то не так, и поэтому этот аргумент не работает по неизвестным нам причинам. Например, физик и лауреат Нобелевской премии Герард Хоофт утверждает, что наблюдения, которые мы приписываем квантовой случайности, на самом деле обусловлены пока неучтенным шумом, возникающим в результате новых явлений на малых расстояниях. Если это так, то разделение масштабов может оказаться несостоятельным. Возможно, т. Хоофт прав, но пока его идея - чистая спекуляция.

Для полноты картины я должна упомянуть, что в настоящее время не совсем ясно, является ли наш мозг единственным домом для нашей личности, но это осложнение не имеет значения для аргументации. Исследования показали, например, что по крайней мере некоторые аспекты человеческого познания воплощены в жизнь; то есть они опираются на информацию, поступающую от других частей тела, таких как сердце или кишки. Это может быть плохой новостью для людей, которым заморозили голову в надежде на ее воскрешение, но это не относится к вопросу о том, можно ли заменить ваши составляющие физически другими частями. Если замена нейронов в мозге не полностью переводит ваше познание на кремниевую основу, то представьте, что все остальное тело тоже заменяется.

Информация, которая делает вас человеком, может быть закодирована в самых разных физических формах. Вероятность того, что однажды вы сможете загрузить себя в компьютер и продолжать жить виртуальной жизнью, выходит за рамки современных технологий. Это может показаться совершенно безумным, но это совместимо со всем, что мы знаем на данный момент.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Вы, я и все остальное состоит из мелких частиц, и все, что делают крупные объекты вроде нас, является следствием того, что делают их многочисленные мелкие частицы. Однако характерными особенностями существа или объекта являются отношения и взаимодействия между множеством составляющих его частиц, а не сами частицы. Поэтому, насколько нам известно, физический субстрат существа или объекта можно заменить на что-то другое. Пока эта замена сохраняет характерные отношения и взаимодействия, она должна сохранять и функции, включая сознание и идентичность.

Другие голоса #2 ПРЕДСКАЗУЕМО ЛИ ЗНАНИЕ?

Интервью с Дэвидом Дойчем

Это здесь, - говорит таксист и указывает на разрушающуюся стену. За ней процветает растительность, которая давно не видела садовника. Я совсем не уверена, что это правильный адрес, но думаю, что идти отсюда недолго. Я расплачиваюсь с водителем и выхожу в солнечный осенний день. Это тихая улица на окраине Оксфорда, где я ищу Дэвида Дойча.

При ближайшем рассмотрении дом передо мной оказывается правильным адресом, и я пробираюсь к двери по дорожке, засаженной растениями. Дверь окружена паутиной, и ее не мешало бы покрасить. Я звоню в звонок. Дэвид открывает дверь не сразу.

Даже такой почти слепой человек, как я, легко узнает Дэвида Дойча. Его глаза кажутся слишком большими для острого носа и худого лица, а волосы, как и у большинства британцев, слишком длинные. Он приветствует меня широкой улыбкой и приглашает войти. Внутри его дом, как я вижу, не в лучшем состоянии, чем снаружи, но как мать двоих детей в начальной школе, я практикуюсь в осторожном обходе стопок игрушек, книг и неопознаваемых поделок. Сейчас этот навык пригодился.

Дэвид ведет меня в то, что, по моему мнению, должно быть гостиной. В ней стоит диван напротив огромного плоского экрана на столе, несколько складных стульев и книжных полок (на одной из них я вижу Чарльза В. Миснера, Кипа С. Торна и "Гравитацию" Джона Уилера, которые приветствуют меня), садовые инструменты, множество коробок, кабелей, различных компьютерных аксессуаров, голубой мини-батут и ярко-красное японское массажное кресло. Массажное кресло, восторгается Дэвид, совсем новое, и он начинает демонстрировать его различные функции. Мне требуется вся моя сила воли, чтобы не попросить у него швабру и пылесос. Вместо этого я соглашаюсь на стакан воды и ищу свой блокнот.

Дэвид наиболее известен своим фундаментальным вкладом в квантовые вычисления, за который в 2017 году он получил медаль Дирака от Международного центра теоретической физики, добавив ее к длинному списку наград и почестей. Но я здесь не для того, чтобы говорить о квантовых вычислениях. Я здесь потому, что наибольшее впечатление на меня произвели научно-популярные книги Дэвида "Ткань реальности" и "Начало бесконечности". Дело не только в том, что Дэвид очень аккуратно излагает свое обоснование того, о чем он думает. Дело еще и в том, что он производит на меня впечатление ученого, опередившего свое время, которого интересуют не столько сегодняшние технологии, сколько вопросы о том, как развивается научное знание, какую пользу оно приносит нашему обществу и что такое знание вообще. Дэвид кажется подходящим человеком для того, чтобы посоветоваться с ним о пределах редукционизма.

Я начинаю с того, что спрашиваю его, религиозен ли он. Он отвечает прямым "нет". Похоже, ему нечего добавить, поэтому я перехожу к редукционизму. "С точки зрения физики частиц, все состоит из маленьких частиц, и в принципе все остальное вытекает из этого. Поддерживаете ли вы эту идею или считаете, что есть вещи, которые нельзя свести к их частям?"

"Я не придерживаюсь редукционизма как философии", - говорит Дэвид. "То есть я не придерживаюсь идеи, что единственно верные объяснения - это редукционистские".

"Чтобы было понятно, какой тип редукционизма вы имеете в виду?" спрашиваю я. Для большинства целей это различие не имеет значения, но есть два типа редукционизма. Один из них - теоретический редукционизм - уровень теорий, более высокие уровни которых могут быть получены из более глубоких, как мы обсуждали в предыдущей главе. Другой - онтологический редукционизм, который означает, что мы получаем лучшие объяснения, физически переходя ко все более мелким масштабам. Впрочем, обычно это различие не имеет значения, поскольку исторически они идут рука об руку.

"Я думаю, что оба эти принципа ложны как философские принципы", - отвечает Дэвид. "Но так получилось, что некоторые из лучших теорий всех времен были редукционистскими в обоих смыслах. Например, периодическая таблица. Это был один из объяснительных триумфов девятнадцатого века, который связал всевозможные объяснительные идеи, включая воскрешенную из античности идею о том, что материю нельзя бесконечно делить на части. Как и все решения, это породило новые проблемы. Если атомы не могут быть разделены на части, то почему они обладают разными свойствами? И почему эти свойства регулярны? Это наводит на мысль, что должна существовать некая глубинная структура. И именно так я воспринимаю современную физику частиц. Она похожа на химию в XIX веке. Может быть, в отличие от химии девятнадцатого века, в ней есть привкус этой редукционистской философии, согласно которой только разделение вещей на более мелкие может быть объяснением. . . . Ах, простите, я сбился с пути. Я так увлекся периодической таблицей, что забыл о вашем вопросе!"

"Вы говорили, что некоторые из лучших теорий, которые у нас есть, являются редукционистскими в обоих смыслах".

"Ах, да", - Дэвид подхватывает потерянную нить, - "но некоторые из них не являются таковыми. Например, теория универсальных вычислений, которая утверждает, что все законы физики можно вычислить, скажем, по Тьюрингу. В терминах физики это означает, что существует возможный физический объект, например этот компьютер, такой, что набор всех возможных движений этой штуки соответствует один к одному, в некотором приближении, набору всех возможных движений всего".

Он показывает жестом на свой ноутбук и продолжает. "Это мощное утверждение о Вселенной, и большинство мыслимых законов физики ему не удовлетворяют. Мы считаем, что реальные законы ему удовлетворяют. И все же этот принцип относится к вещи - универсальному компьютеру, - которая является очень сложной и очень составной. Так что если это фундаментальный принцип, согласно которому все законы можно вычислить по Тьюрингу, то этот закон не является редуктивным, и редукционизм здесь ложен. Он говорит, что конкретный высокоуровневый объект обладает фундаментальными свойствами. И я думаю, что в будущем такие законы могут появиться. Конечно, мы примем их только в том случае, если они будут хорошо объяснять ситуацию. Но то, что они не редуктивны, на мой взгляд, не является критикой".

Он добавляет: "Точно так же, если закон редуктивен, это тоже не критика. Некоторые люди придерживаются противоположного мнения: они холисты. Они считают, что редукционистское объяснение никогда не может быть фундаментальным. Я думаю, что это тоже неверно".

"Вы сказали, что у вас есть этот компьютер, значит, у вас есть объект более высокого уровня, который обладает фундаментальными свойствами. Но что именно вы подразумеваете под фундаментальными свойствами?"

"Я имею в виду, что это принципы, которые мы считаем глубокими, универсальными истинами о мире, а не просто случайно верными", - говорит Дэвид. "Возьмем, к примеру, утверждение о том, что существует Солнечная система с восемью планетами, и первые три из них - каменистые. Мы знаем, что это правда, потому что живем в одной из них, но мы не считаем это фундаментальным утверждением. А вот закон сохранения энергии, как нам кажется, является более глубокой истиной. И поскольку он глубже, он является руководством для будущих теорий. Когда мы пытаемся записать новые законы, которым могут подчиняться фундаментальные частицы, мы обычно записываем законы, подчиняющиеся сохранению энергии. Мы рассматриваем его как принцип, который не нужно объяснять ничем другим".

"Значит, это фундаментальный принцип, но он не редукционистский, потому что применим ко всему?"

"Мы не выводим сохранение энергии из других законов", - объясняет Дэвид. "Мы выводим из него другие законы. Конечно, он может быть ложным. Но чтобы он был ложным, нужно иметь объяснение, по которому он может быть ложным. Например, есть некоторые трактовки общей теории относительности, в которых энергия не сохраняется. И если бы это оказалось верным, вы бы отказались от этого принципа. Это может произойти, потому что общая относительность, как вы знаете, не является полностью удовлетворительной; нам нужна теория квантовой гравитации".

Я предлагаю: "Может быть, причина отсутствия теории квантовой гравитации в том, что мы слишком привязаны к идее, что более фундаментальные законы могут быть найдены на меньших расстояниях. Может быть, переход на более короткие расстояния - это неправильное решение?"

"Да, действительно!" Дэвид соглашается. "Как вы знаете, у меня есть теория, теория конструктора, в которой фундаментальные законы не являются редуктивными. Сейчас это очень грубая теория, но поначалу приходится выкладываться на полную катушку. В теории конструкторов низкоуровневые, микроскопические законы являются эмерджентными свойствами высокоуровневых законов, а не наоборот".

"Вы когда-нибудь слышали о том, что называется принципом исключения причинно-следственных связей?" спрашиваю я.

"Нет".

"Кажется, это противоречит тому, что вы только что сказали", - объясняю я. "Итак, в физике частиц у нас есть идея, что если мы объединяем маленькие вещи в большие, то законы для маленьких вещей говорят нам, что делают большие вещи. Для этого мы используем математические рамки теории эффективного поля. Это говорит нам о том, что у нас уже есть закон для макроскопических вещей. Тогда принцип причинного исключения говорит, что раз у нас уже есть закон для макроскопических вещей, то любой другой макроскопический закон либо выводится из того, который у нас уже есть, либо один из них должен быть неверным".

Дэвид отвечает: "Я не возражаю против идеи, что динамические законы для макроскопических объектов детерминированы и могут быть выведены из микроскопических законов. Но это не означает, что это хорошее объяснение".

Я все еще не уверен, что понимаю это полностью. "Значит, теория конструкторов не является редукционистской в том смысле, что объяснения не начинаются с малых масштабов?"

"Да", - говорит Дэвид. "В качестве примера давайте предположим, что в рамках теории конструкторов один из фундаментальных законов гласит, что существуют универсальные компьютеры. На самом деле, допустим, существуют универсальные компьютеры с произвольно большой памятью. Вот этот, - он снова указал на свой ноутбук, - является приближением к этому, но в будущем появятся компьютеры с большей памятью, а в неограниченном будущем появятся компьютеры с неограниченной памятью. И предположим, просто ради аргумента, что это действительно один из фундаментальных законов, но что другие фундаментальные законы редуктивны, такие как квантовая механика, взаимодействие элементарных частиц и так далее.

"Что ж, тогда существование универсальных компьютеров плюс микроскопические динамические законы превращаются в утверждение о начальном состоянии Вселенной. Но это утверждение крайне трудновыполнимо. Невозможно вычислить все свойства, которыми должно обладать начальное состояние, кроме как сказать, что оно таково, что дает такой конечный результат: универсальные компьютеры. Некоторые люди исключат это; они скажут, что это телеологическая теория. Но это не просто старая телеологическая теория. Мы должны объяснить, почему Вселенная устроена так, что в ней вообще есть компьютеры. Существование даже того типа компьютера, который мы используем сегодня, делает законы физики крайне необычными. Это так же необычно, как существование химических элементов. Это особенность мира, которую мы видим и которую мы не объяснили".

Я говорю: "Но, конечно же, если вы поместите вещь, которую хотите объяснить, в свою теорию, это не объяснит ее. Если вы скажете, что Вселенная такова, что из нее получаются компьютеры, это ничего не объяснит".

"Верно", - говорит Дэвид. С таким же успехом можно сказать, что причина, по которой мы сидим здесь, и вы скептически смотрите на мои слова, заключается в том, что вы собираетесь написать книгу, в которой будет написано: "И я скептически восприняла то, что он сказал". И то, что вы напишете об этом в своей книге, и есть причина вашего скептицизма сейчас. Это тот же самый аргумент, но он ничего не объясняет. Я привел пример с компьютером именно так, потому что у нас пока нет теории, которая могла бы это объяснить".

"Хорошо", - говорю я. "То есть вы хотите сказать, что может существовать теория, которая обладает свойством, позволяющим создавать универсальные компьютеры с неограниченной памятью и так далее, но вы не знаете, что это за теория".

"Да", - соглашается Дэвид. "Но то, что мы знаем о теории конструкторов, дружелюбно к такого рода вещам. Неглупо представить, что объяснительная теория такого типа существует".

Возвращаясь к вопросу о том, детерминировано ли будущее, я спрашиваю: "Вы сказали, что у вас нет проблем с тем, что динамические законы детерминированы. Могли бы вы сказать, что по этой причине все детерминировано - не только компьютеры, но и человеческое сознание, поведение и так далее?"

Дэвид говорит: "Да, детерминировано, в том смысле, что, с точки зрения логики, состояние в один момент времени определяется состоянием в любой другой момент времени плюс динамические законы. Но может оказаться, что более позднее время объясняется более ранним, а не наоборот".

"Но то, что она детерминирована, не означает, что она предсказуема", - говорю я. "Вы имеете в виду, что она действительно предсказуема?"

"Нет", - говорит он. "По трем причинам. Во-первых, в квантовой механике мы не можем абсолютно точно измерить состояние. Поэтому, даже если бы мы знали, какой будет эволюция каждого состояния, мы не знаем, каково реальное состояние, потому что его нельзя измерить.

"Во-вторых, существует хаос. В квантовой механике хаоса нет, но в таких вещах, как компьютеры и мозг, он есть на том уровне, на котором они работают. Это означает, что изменение даже одного бита в этом компьютере радикально изменит то, что он будет делать в будущем. А поскольку мы не можем измерить состояние нашего разума с точностью, близкой к идеальной, мы непредсказуемы.

"И есть третья причина, самая важная, которая заключается в том, что невозможно предсказать будущий рост знаний. Ни одна теория не может быть настолько хороша, чтобы предсказать содержание своего собственного преемника. Представьте, что вы помещаете человека в стеклянную сферу и не позволяете ему взаимодействовать с внешним миром и так далее. Вам может показаться, что в принципе вы можете предсказать все, что этот человек будет делать. Но это иллюзия. Потому что если у человека появятся новые идеи, например новый закон физики, то вы никак не могли этого знать, когда начинали эксперимент. А если ваш компьютер вычислит, что он сделает (скажем, компьютер вычислит за один день то, что он сделает за семь дней), то у вас уже есть новый закон физики до того, как он это сделает, и вычисления, которые произвел компьютер, на самом деле являются личностью: по сути, это он. Поэтому, чтобы рассчитать, что он будет делать в будущем, вам действительно придется вынуть его из герметичного стеклянного отсека, поместить в компьютер и запустить его в виртуальном виде. О, я должен сказать, что, по-моему, управлять кем-то в виртуальной форме - это то же самое, что и в реальной. Мышление - это просто вычисления".

"То есть вы хотите сказать, что это уже не будет предсказанием, потому что тогда у вас в компьютере уже будет реальная вещь?"

"Да", - говорит Дэвид. "Мы не можем предсказать будущий рост знаний, потому что если бы мы могли это сделать, то имели бы их до того момента, который пытаемся предсказать. Это свойство знания - оно приводит к непредсказуемости даже в детерминированной системе".

"Значит, возвращаясь к тому, о чем мы говорили ранее, - говорю я, - если мы настаиваем на сведении законов к более фундаментальным законам путем перехода к меньшим масштабам, то рост знаний остается необъяснимым?"

"Помимо многих других вещей, да", - говорит Дэвид. "Атомная теория была придумана без доказательств. Проблема, с которой столкнулись в древности, заключалась в том, что если мир - это континуум, то, чтобы попасть из точки А в точку Б, нужно пройти через бесконечное количество точек. А если это не континуум, то как попасть из одной дискретной точки в другую? Оба варианта кажутся невозможными. Теория атомов была разработана потому, что они пытались найти выход. И это может показаться настолько эзотерическим, что не будет иметь никакого практического значения. Но [подобные идеи] привели ко всему хорошему. И это мой взгляд на роль физики частиц, редукционизма и холизма. Все они должны быть подчинены задаче объяснения мира".

И я скептически восприняла его слова.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Если бы вы могли предсказать рост знаний, ваши знания не росли бы.

Глава 5 Существуют ли копии нас?

Множество миров

Научно-популярные новости о квантовой механике вызывают у меня как недоумение, так и разочарование. Дайте мне уравнение, и я смогу с ним разобраться. Но если вы скажете мне, что квантовая механика позволяет отделить кошку от ее ухмылки или что эксперимент показывает "непримиримое несоответствие между друзьями и Вигнерами", я тихо выйду из комнаты, пока никто не потребовал от меня объяснений этой неразберихи. Я пережила бесчисленное количество доброжелательных введений в квантовую механику, в которых фигурировали квантовые туфли, квантовые монеты, квантовые коробки и целые зоопарки квантовых животных, которые входили и выходили из этих коробок. Если вы действительно понимаете эти объяснения, я вам отдаю должное, потому что если бы я не знала, как работает квантовая механика, я бы до сих пор не знала.

Я говорю вам это не для того, чтобы сорвать вашу радость от квантовых ботинок, а для того, чтобы вы поняли, к чему я веду. Я очень люблю математику, и лично я не вижу необходимости переводить математику на повседневный язык. Абстрактные математические структуры, на мой взгляд, лучше всего рассматривать на их собственных условиях. Их не нужно интерпретировать, и они не должны иметь интуитивный смысл. Они не должны быть "похожи" на что-то еще - потому что в большинстве случаев это не так. Вся причина, по которой мы используем эту математику, заключается в том, что больше ничего подобного нет.

На мой взгляд, квантовая механика - это яркий пример того, что может пойти не так, если использовать интуитивный язык для абстрактной математики. Возьмем суперпозиции. В квантовой механике мы подставляем начальные состояния в уравнение Шредингера, чтобы вычислить, как они меняются со временем. Уравнение Шредингера обладает тем свойством, что если мы решили его для двух разных начальных состояний, то сумма этих решений, каждое из которых умножено на произвольное число, также является решением уравнения. Вот и все. Нет, я не шучу. Запутанные состояния - это особый тип суперпозиции. Да, они также являются суммами. Так куда же подевались все эти сказочные странности?

Странность проявляется, только если попытаться выразить математику словесно. Если одно из состояний, в котором решается уравнение Шредингера, описывает частицу, движущуюся вправо, а другое - частицу, движущуюся влево, то чему равна их сумма? Стало привычным выражение "частица движется в обоих направлениях одновременно". Адекватно ли это описывает, что такое суперпозиция? Честно говоря, я не знаю. Я бы предпочла оставить "это суперпозиция".

Конечно, я понимаю необходимость выражать математику словами, чтобы сделать ее доступной, поэтому я сама использую метафоры для суперпозиций, когда у меня нет времени или возможности объяснить детали. И здесь я поступлю так же: опущу математику и постараюсь дать вам представление о том, что все это значит. Но я хочу, чтобы вы знали, что большая часть предполагаемых странностей квантовой механики возникает из-за того, что ее приходится переводить на повседневный язык. Точных метафор не существует, ни для квантовой механики, ни для чего-либо еще, потому что если бы они были точными, они не были бы метафорами.

Не помогает и то, что, называя квантовую механику странной, чудной или жуткой, мы получаем броские заголовки, и поэтому научно-популярные издания используют эти слова слишком часто и слишком радостно. Я согласна с Филипом Боллом в том, что квантовая механика, которой уже более ста лет, должна выйти "за рамки странного". Но давайте посмотрим, что квантовая механика говорит нам о жизни после смерти.

Без квантовой механики законы природы детерминированы. Вкратце это означает, что если у вас есть начальное состояние, то вы можете однозначно рассчитать, что произойдет в любой момент времени. Допустим, вы уронили ручку, и она упала на землю. Если бы вы могли точно измерить, откуда и из какого положения стартовала ручка, и если бы вы знали точное расположение и движение всех молекул воздуха вокруг нее, вы могли бы рассчитать, когда и как ручка приземлится.

Конечно, мы не можем точно измерить положение всех молекул воздуха, а если бы и могли, то использовать их для предсказания результата было бы нереально. Но в принципе, без квантовой механики любая неопределенность в отношении результата возникает просто из-за отсутствия у нас знаний о начальных условиях. Мы называем эти типы неквантовых теорий классическими.

Квантовая механика работает по-другому. В квантовой механике мы описываем все с помощью волновых функций. Есть волновая функция для электронов и для фотонов, но есть и волновые функции для грейпфрутов, мозгов и даже одна для всей Вселенной. Эти волновые функции развиваются частично детерминированно, но время от времени, когда происходит измерение, они совершают индетерминированные скачки.

Эти скачки не совсем непредсказуемы - мы можем предсказать вероятность того, что они произойдут, и вероятность их исхода, - но в них есть элемент, который является принципиально случайным. Эта неопределенность результата измерения в квантовой механике не связана с отсутствием у нас знаний о начальных условиях; согласно квантовой механике, все обстоит именно так.

Эта непредсказуемая случайность квантовой механики не ограничивается субатомными масштабами, поэтому нельзя просто отмахнуться от нее как от несущественной причуды природы, которую ученые время от времени наблюдают в своих лабораториях. Именно потому, что результат измерения непредсказуем, случайность проявляется в макроскопических объектах, таких как мы с вами.

Предположим, что экспериментатор, наблюдающий за вспышкой на экране, уходит домой, когда частица появляется слева, и остается в лаборатории, когда она появляется справа. Возможно, это решает, попадет ли она в аварию на шоссе. Случайность одного квантового события может изменить всю ее жизнь. И это происходит не только в лаборатории. Если космический луч попадает в живую ткань, то повреждение генетического кода, например, в конечном итоге сводится к квантовому индетерминизму.

Но хотя квантовая механика является чрезвычайно успешной теорией, вопрос о том, что означает ее математика, оспаривался с момента разработки теории в начале двадцатого века. Некоторые утверждали, что природа не может быть случайной, как Эйнштейн, который утверждал, что "Бог не играет в кости", и что квантовая механика просто неполна. Другие, как один из основателей квантовой механики Нильс Бор, утверждали, что нам просто нужно забыть о старомодных представлениях о детерминизме.

Большинство физиков сегодня игнорируют всю эту дискуссию и относятся к квантовой механике как к инструменту, который делает предсказания и который не стоит переосмысливать. Такое отношение "заткнись и вычисляй" - прагматичный путь. Он привел к большому прогрессу, поэтому не стоит над ним смеяться. Однако многие исследователи, занимающиеся основами физики, считают, что игнорирование проблем квантовой механики - это ошибка, потому что, решив их, мы узнаем больше.

Чтобы понять проблему с квантовой механикой, вспомните, что в специальной теории относительности Эйнштейна ничто не может происходить быстрее скорости света. Однако в квантовой механике в тот момент, когда вы производите измерение, вероятности меняются, мгновенно и повсеместно. Это обновление волновой функции является нелокальным. Это, по выражению Эйнштейна, "жуткое действие на расстоянии". Увы, оказывается, что в процессе измерения никакая информация не передается быстрее скорости света. Действительно, с помощью квантовой механики можно математически доказать невозможность передачи информации быстрее скорости света. Так что не то чтобы с теорией было что-то конкретно не так. Она просто ощущается как неправильная.

Исследователи предлагают различные способы решения этой ситуации. Некоторые утверждают, что квантовая механика просто не является правильной теорией и должна быть заменена чем-то лучшим. Я сам работал над такой возможностью, но поскольку она спекулятивна и несколько не соответствует теме, я не хочу углубляться в нее. Для целей этой книги я буду придерживаться того, что принято считать общепринятым статусом исследований.

Если вы не хотите менять квантовую механику, вы можете попытаться по-другому интерпретировать математику и надеяться, что тогда она будет иметь больше смысла. Существует несколько таких интерпретаций. Например, есть интерпретация, предложенная Нильсом Бором, согласно которой волновая функция просто не должна считаться реальной. По словам Бора, это устройство для предсказания результатов измерений, но если вы не проводите измерения, то бессмысленно спрашивать, что происходит на самом деле. Сейчас это часто называют копенгагенской интерпретацией или просто стандартной интерпретацией, потому что она наиболее распространена.

Нет нужды говорить, что многим физикам не нравится, когда им говорят, что они не должны задавать вопросы, поэтому они пытались найти другие, более интуитивные способы понять смысл математики. Одна из альтернативных интерпретаций была предложена Дэвидом Бомом и известна сегодня как бомовская механика.

Бом переформулировал уравнения квантовой механики так, что они стали более похожи на уравнения классической механики. В уравнениях Бома волновая функция по-прежнему присутствует, но теперь она описывает поле, которое "направляет" частицы. Индетерминизм в результатах измерений, согласно интерпретации Бома, обусловлен недостатком знаний, как и в классической физике. Увы, в бомовской механике также есть положение о том, что недостаток знаний никогда нельзя восполнить. В итоге результат оказывается точно таким же, как и в копенгагенской интерпретации. Интерпретация Бома так и не стала очень популярной, но у нее и сегодня есть свои последователи.

Еще один способ интерпретации квантовой математики был предложен Хью Эвереттом и развит Брайсом ДеВиттом. Они утверждали, что следует просто избавиться от обновления измерений и таким образом вернуться к детерминированной эволюции. В многомировой интерпретации каждый возможный результат измерения происходит, но в своей собственной вселенной. Если вспомнить частицу, которая с вероятностью пятьдесят на пятьдесят попадет на экран слева или справа, то в интерпретации множества миров она попадет на экран справа в одной вселенной и слева в другой. И после этого эти две вселенные навсегда останутся разделенными - они будут развиваться в своих собственных ветвях, как их часто называют.

Прежде чем мы сможем двигаться дальше, я должен разобраться с одним распространенным недоразумением, связанным с многомировой интерпретацией. Один из способов объяснить, как работает квантовая механика, с которым вы, возможно, сталкивались, заключается в том, что частица проходит все возможные пути от начального до конечного места. Например, если направить лазерный луч на экран с двумя щелями (знаменитая двойная щель), то каждая частица в лазерном луче пройдет через обе щели. Дело не в том, что одна частица проходит через левую, а другая - через правую щель; каждая проходит через обе щели (рис. 8).

Это, опять же, интерпретация математики, первоначально предложенной Фейнманом, которая называется подходом "путь-интеграл". С математической точки зрения, чтобы вычислить вероятность того, что частица попадет в одно конкретное место, нужно просуммировать все возможные пути. Короче говоря, результат тот же, что и в исходной формулировке с уравнением Шредингера, но физикам нравится использовать интегралы пути, потому что этот подход можно обобщить на более сложные ситуации.

Можно интерпретировать интеграл пути как сообщение о том, что частица проходит каждый путь в разных вселенных. Лично я считаю такое утверждение довольно бессмысленным - в математике нет ничего, что говорило бы о том, что эти пути находятся в разных вселенных, - но оно не является и неверным. А я сторонник разных взглядов на математику, потому что они могут привести к новым открытиям. Так что, хорошо.

Однако эти разные пути - или вселенные, если хотите, - в обычном интеграле путей присутствуют только до измерения. В многомировой интерпретации, напротив, различные вселенные существуют и после измерения. Поэтому то, что мы можем переформулировать квантовую механику в терминах интеграла пути, не означает, что многомировая интерпретация верна. Это две разные вещи.

Ключевая особенность многомировой интерпретации заключается в том, что каждый раз, когда происходит квантовое измерение, вселенная расщепляется, создавая то, что принято называть мультивселенной. А поскольку ранее мы видели, что (с некоторыми извинениями за злоупотребление терминологией) даже взаимодействие с воздухом или космическим микроволновым фоном может вызвать измерение, это создает множество вселенных очень быстро. Это также быстро заставляет многих физиков чувствовать себя неловко.

Проблема с этой идеей заключается в том, что никто никогда не видел расщепления вселенной. Согласно многомировой интерпретации, это происходит потому, что детекторы и их обобщения - например, мы с вами - расщепляются вместе со вселенными. Что определяет, в какую вселенную вы попадете? Предположительно, вы попадаете во все из них. Поскольку это не то, что мы испытываем, многомировая интерпретация требует дополнительных предположений (помимо уравнения Шредингера), которые определяют, как вычислить вероятность попадания в одну конкретную вселенную. Это снова вводит индетерминизм через заднюю дверь.

Я избавлю вас от математических подробностей, потому что они не имеют значения. В итоге вам нужно добавить достаточно много предположений, чтобы воспроизвести предсказания того, что раньше называлось обновлением измерений. Потому что - вы знаете что? - оно было там не просто так, а потому, что оно необходимо для описания того, что мы наблюдаем, и если вы просто выбросите его, то теория просто не даст правильных предсказаний. На самом деле мы не наблюдаем всех возможных исходов эксперимента.

Это означает, что в том, что касается вычислений, многомировая интерпретация делает точно такие же предсказания, как и квантовая механика в стандартной интерпретации, исходя из эквивалентных, но по-разному выраженных предположений. Главное различие не в математике; главное различие - в вере. Сторонники многомировой интерпретации считают, что все остальные вселенные - те, которые мы не наблюдаем, - так же реальны, как и наша.

Но в каком смысле они реальны? Ненаблюдаемые вселенные по определению не нужны для описания того, что мы наблюдаем. Следовательно, предположение о том, что они реальны, также излишне. Научные теории не должны содержать ненужных предположений, ведь если мы допустим это, то нам придется допустить и предположение о том, что Вселенную создал бог. Такие излишние предположения не являются неправильными. Они просто анаучны. Предположение о том, что дополнительные вселенные в многомировой интерпретации реальны, - это одно из таких анаучных предположений.

Я должна подчеркнуть, что это не означает, что параллельные вселенные в многомировой интерпретации не реальны. Это означает, что любое утверждение об их реальности является анаучным. В это можно верить или не верить, но наука ничего не говорит - не может сказать - о том, что верно. И наоборот, это также означает, что идея о том, что где-то там существует бесконечно много вас, не противоречит ничему из того, что мы знаем. Это совместимая с наукой система убеждений.

Правда, это имеет несколько странных последствий. Например, поскольку в глубине нашего мозга все процессы являются квантовыми, для каждого принятого вами решения будет существовать вселенная, в которой вы выбрали другой вариант. И на случай, если вы не уверены, что решение действительно основано на квантовом эффекте, есть приложение: Universe Splitter посылает фотон через полупрозрачное зеркало, и в зависимости от того, пройдет он или нет, вы можете выбрать макароны или курицу, согласиться или отказаться, принять красную таблетку или синюю, при этом считая, что копия вас живет в том варианте, который вы не выбрали.

Это уже кое-что, но лучшим примером странных последствий мультиверса может быть идея квантового самоубийства. Представьте, что вы повторяете эксперимент, в котором квантовый процесс убивает вас с 50-процентной вероятностью. Согласно стандартной интерпретации квантовой механики, вероятность вашего выживания уменьшается вдвое при каждом повторении эксперимента. К двадцатому повторению вероятность того, что вы мертвы, составляет 99,9999 процента.

Однако, согласно многомировой интерпретации, вы не умираете с 50-процентной вероятностью в каждом раунде. Вместо этого при первом запуске эксперимента вселенная разделяется на две - одну, в которой вы умираете, и одну, в которой вы выживаете. Во втором запуске каждая из двух вселенных расщепляется, так что у вас их четыре. В двух из них вы умерли еще в первом раунде, поэтому второй эксперимент не имеет значения. Затем есть одна, в которой вы выжили в первом раунде, но умерли во втором, и одна, в которой вы выжили в обоих. Проведите эксперимент еще раз, и все четыре вселенные разделятся на восемь, и так далее (см. рис. 9). После двадцати раундов вы все еще живы со стопроцентной вероятностью, но только в одной из миллиона вселенных.

Дальше - лучше. Поскольку каждый молекулярный процесс сводится к квантовой механике, это означает, что какова бы ни была причина чьей-либо смерти, у этого человека была крошечная, но ненулевая вероятность выжить - квантовая случайность делает это возможным. Всегда есть шанс, что болезнь спонтанно перейдет в стадию ремиссии, что повреждения клеток внезапно восстановятся или что сердце снова начнет биться после того, как оно сдалось. И даже если вероятность этого ничтожно мала, в многомировой интерпретации это произойдет с каждым из нас в каком-то ответвлении мультивселенной.

Это, конечно, также означает, что существует ветвь мультивселенной, в которой динозавры все еще бродят по миру, Гитлер никогда не рождался, а плавленый сыр никогда не был изобретен. Это, вероятно, не та ветвь, в которой живем мы, так что же нам делать со всем этим?

Если вы верите в многомировую интерпретацию, рассуждения о вероятностях в нашей вселенной превращаются в рассуждения о количестве ветвей в мультивселенной. А поскольку вы не можете вернуться в прошлое и выбрать другую ветвь, эти вероятности относятся к вашему нынешнему наблюдению за Вселенной. Для всех практических целей результат будет абсолютно одинаковым: динозавры вымерли, Вторая мировая война произошла, а сыр в баллончиках - это вещь. Вы можете умереть не во всех ветвях мультивселенной, но вероятность вашего выживания (или выживания динозавров) уменьшается точно так же, как и в стандартной интерпретации. Вот почему никто не пытался совершить квантовое самоубийство: это уменьшило бы количество вселенных, в которых они выживут.

С точки зрения наблюдений, многомировая интерпретация ничего не меняет. Но если вам нравится верить, что существует бесконечно много ваших копий, живущих во всех возможных альтернативных вариантах вашей жизни, - вперед. Эта вера не противоречит науке.

Мультиверс

Многомировая интерпретация - это лишь один из видов мультиверса. Есть несколько других, ставших популярными в последние десятилетия.

Один из них - расширение идеи инфляции, гипотетической фазы экспоненциального расширения в ранней Вселенной. В этом расширении, вечной инфляции, изобретается механизм для создания начального состояния инфляции в нашей Вселенной. В настоящее время наиболее популярный способ сделать это - предположить мультиверс, в котором Большие взрывы происходят всегда и везде. Вселенные, созданные в результате других Больших взрывов, могут быть похожи на нашу, или в них могут быть другие константы природы, что приведет к совершенно другим физическим законам.

То, что константы природы могут меняться от одного Большого взрыва к другому, вытекает из другой идеи мультиверса: ландшафта теории струн. Теоретики струн изначально надеялись, что им удастся вычислить константы природы. Это не удалось, и теперь они утверждают, что если они не могут вычислить константы, то это означает, что все возможные значения существуют где-то в мультивселенной.

Все эти различные мультиверсы можно объединить в одну мегамультиверс.

Как и в многомировой интерпретации, в других мультиверсах вселенные, помимо нашей, также по своей конструкции ненаблюдаемы. И они населены еще большим количеством ваших копий, но эти копии возникают по другой причине: небольшие вариации начального состояния могут привести к вселенным с историей, почти, но не совсем, похожей на историю нашей собственной вселенной. Конечно, на самом деле мы не знаем и никогда не узнаем, какие начальные состояния возможны в мультивселенной, потому что не можем собрать наблюдательные доказательства их существования. Это чистая гипотеза.

Таким образом, научный статус этих идей о мультивселенной такой же, как и у интерпретации множества миров. Допущение реальности чего-то ненаблюдаемого не нужно для описания того, что мы наблюдаем. Следовательно, предположение о том, что другие вселенные реальны, ненаучно.

Это не особенно сложный аргумент, поэтому меня поражает, что мои коллеги-физики, похоже, не могут его понять. Они неизбежно заявят: "Но тогда придется также утверждать, что говорить о внутренностях черных дыр ненаучно". Но нет, ситуация с черными дырами совершенно иная. Во-первых, вы можете (в принципе!) полностью наблюдать то, что находится внутри черной дыры. Вы просто не сможете вернуться и рассказать нам об этом. Что еще более важно, черные дыры испаряются, поэтому их внутренности не остаются вечно оторванными от нас. Когда черная дыра испаряется, ее горизонт уменьшается, пока она полностью не исчезнет. Если бы это было не так, я бы действительно усомнилась в научной целесообразности разговоров о том, что находится внутри черной дыры.

"Но, - скажут они далее, - поскольку скорость света конечна, а возраст Вселенной составляет всего 13,7 миллиарда лет, мы можем видеть лишь часть Вселенной, даже если она бесконечно велика". И все же я не верю, что Вселенная перестает существовать за границей того, что мы можем наблюдать в данный момент.

Как я уже не раз объясняла, дело не в том, верю я или нет; дело в том, что мы можем знать или нет. Я говорю, что то, что находится за пределами того, что мы можем наблюдать, - это исключительно вопрос веры. Наука ничего не говорит о том, существует оно или не существует. Следовательно, утверждать, что оно существует, ненаучно, как и утверждать, что его не существует. Если вы хотите поговорить об этом, прекрасно, но не притворяйтесь, что это наука. В этот момент они обычно либо смущаются, либо обижаются, либо и то, и другое.

Причина, по которой я продолжаю настаивать на том, чтобы физики привели себя в порядок и перестали путать веру с наукой, заключается в том, что их путаница совершенно очевидна для неспециалистов. Физики - от Брайана Грина до Леонарда Сасскинда, от Брайана Кокса до Андрея Линде - публично говорят о мультивселенной так, как будто это лучшая научная практика. А поскольку идеи мультивселенной привлекают большое внимание СМИ, это бросает нехороший свет на способность научного сообщества поддерживать высокие стандарты для своих членов.

Ярким примером того, какой вред может быть нанесен, является кандидат в президенты от Республиканской партии 2016 года Бен Карсон. Карсон - нейрохирург на пенсии, который, похоже, не слишком хорошо разбирается в физике, но то, что он знает, он наверняка почерпнул у энтузиастов мультивселенной. 22 сентября 2015 года Карсон выступил с речью в баптистской школе в Огайо, сообщив своей аудитории, что "наука не всегда верна". Это, конечно, верно. Но затем он продолжил оправдывать свой научный скептицизм, высмеивая мультиверс:

А потом они переходят к теории вероятности и говорят: "Но если будет достаточно больших взрывов в течение достаточно долгого периода времени, то один из них будет идеальным большим взрывом, и все будет идеально организовано".

В одной из предыдущих речей он весело добавил: "Вы хотите поговорить о сказках? Это удивительно".

Из подробностей Карсона становится ясно, что он неправильно понимает многое из термодинамики и космологии, но, на самом деле, дело не в этом. Я не ожидаю, что нейрохирурги будут экспертами в основах физики, и надеюсь, что аудитория Карсона тоже этого не ожидает. Дело в том, что он показывает нам, что происходит, когда ученые смешивают факты с вымыслом: неспециалисты выкидывают и то, и другое вместе.

В своей речи Карсон продолжил: "Затем я говорю им: "Послушайте, я не собираюсь вас критиковать. У вас гораздо больше веры, чем у меня. . . . Я отдаю вам должное. Но я не собираюсь порицать вас за вашу веру, а вы не должны порицать меня за мою". "

И в этом я с ним согласна. Никого нельзя осуждать за то, во что он верит. Если вы хотите верить в существование бесконечно большого количества вселенных с бесконечно большим количеством копий себя, некоторые из которых бессмертны, я не против. Но, пожалуйста, не притворяйтесь, что это наука.

Живем ли мы в компьютерной симуляции?

Мне очень нравится идея о том, что мы живем в компьютерной симуляции. Это дает мне надежду на то, что на следующем уровне все будет лучше. Эта гипотеза симуляции, как ее называют, в основном игнорируется физиками, но она пользуется определенной популярностью среди философов и людей, которые любят считать себя интеллектуалами. Очевидно, она тем привлекательнее, чем меньше вы понимаете физику.

Гипотеза симуляции наиболее сильно ассоциируется с философом Ником Бостромом, который утверждает, что (с учетом некоторых предположений, о которых я расскажу чуть позже) чистая логика заставляет нас прийти к выводу, что мы симулированы. Илон Маск относится к числу тех, кто купился на эту идею. "Скорее всего, мы находимся в симуляции", - сказал он. И даже Нил деГрасс Тайсон дал гипотезе симуляции "больше 50 на 50 шансов" оказаться верной.

Гипотеза симуляции меня раздражает, но не потому, что я боюсь, что люди в нее поверят. Большинство людей понимают, что этой идее не хватает научной строгости. Нет, гипотеза симуляции раздражает меня потому, что она вторгается в сферу деятельности физиков. Это смелое утверждение о законах природы, которое не обращает никакого внимания на то, что мы знаем о законах природы.

В общих чертах гипотеза симуляции гласит, что все, что мы переживаем, было закодировано разумным существом, а мы являемся частью этого компьютерного кода. Мнение о том, что мы живем в неком подобии вычислений, само по себе не является чем-то возмутительным. Насколько нам известно, законы природы являются математическими, поэтому можно сказать, что Вселенная на самом деле просто вычисляет эти законы. Возможно, такая терминология покажется вам немного странной, и я с этим соглашусь, но она не является спорной. Спорность гипотезы симуляции заключается в том, что она предполагает существование другого уровня реальности, где некое существо или некая вещь контролирует то, что мы считаем законами природы, или даже вмешивается в эти законы.

Вера во всеведущее существо, которое может вмешиваться в законы природы, но по какой-то причине остается скрытым от нас, является общим элементом монотеистических религий. Разница в том, что те, кто верит в гипотезу симуляции, утверждают, что пришли к своей вере благодаря разуму. Их аргументация обычно повторяет аргументы Ника Бострома, которые, вкратце, звучат так: если существует (а) множество цивилизаций, и эти цивилизации (б) создают компьютеры, на которых работают симуляции сознательных существ, то (в) симулированных сознательных существ гораздо больше, чем реальных, поэтому вы, скорее всего, живете в симуляции.

Прежде всего, может оказаться, что одна или обе предпосылки неверны. Возможно, других цивилизаций не существует, или они не заинтересованы в симуляциях. Это, конечно, не сделает аргумент неверным; это просто будет означать, что вывод не может быть сделан. Но я оставлю в стороне возможность того, что одна из предпосылок неверна, потому что не думаю, что у нас есть веские доказательства в пользу той или иной стороны.

Наиболее часто критикуемый мною аргумент Бострома заключается в том, что он просто предполагает, что возможно смоделировать человекоподобное сознание. На самом деле мы не знаем, что это возможно. Однако в этом случае потребуется объяснение, чтобы предположить, что это невозможно. Потому что, насколько нам известно, сознание - это просто свойство определенных систем, обрабатывающих большие объемы информации. При этом не имеет значения, на какой именно физической основе основана эта обработка информации. Это могут быть нейроны или транзисторы, а могут быть транзисторы, считающие себя нейронами. Я не думаю, что симуляция сознания - это проблемная часть.

Проблемная часть аргумента Бострома заключается в том, что он предполагает возможность воспроизведения всех наших наблюдений не с помощью естественных законов, которые физики подтвердили с чрезвычайно высокой точностью, а с помощью другого, базового алгоритма, который запускает программист. Я не думаю, что Бостром хотел сделать именно это, но он сделал именно это. Он неявно утверждает, что основы физики легко воспроизвести с помощью чего-то другого. Это и есть проблематичная часть аргумента.

Начнем с того, что в квантовой механике есть явления, которые невозможно вычислить с помощью обычного компьютера за конечное время. Поэтому, как минимум, для симуляции нужен квантовый компьютер - то есть компьютер, работающий с квантовыми битами, или q-битами, которые представляют собой суперпозицию двух состояний (скажем, 0 и 1).

Но пока никто не знает, как воспроизвести общую относительность и стандартную модель физики частиц на основе компьютерного алгоритма, работающего на любом типе машины. Размахивание руками и крики "квантовый компьютер" не помогут. Можно аппроксимировать известные нам законы с помощью компьютерной симуляции - мы постоянно это делаем, - но если бы природа действительно работала именно так, мы бы увидели разницу. Действительно, физики искали признаки того, что природные законы действительно работают шаг за шагом, как компьютерный код, но их поиски не увенчались успехом. Разницу можно заметить потому, что все известные попытки алгоритмического воспроизведения природных законов несовместимы с полной симметрией специальной и общей теорий относительности Эйнштейна. Превзойти Эйнштейна не так-то просто.

Эта проблема существует независимо от того, какие законы действуют в реальности более высокого уровня, на основе которой программист якобы моделирует нас. Мы не знаем ни одного алгоритма, который бы давал нам наблюдаемые законы, независимо от того, на чем этот алгоритм работает. Если бы мы знали, мы бы нашли теорию всего.

Вторая проблема с аргументом Бострома заключается в том, что для того, чтобы он работал, цивилизация должна быть способна смоделировать множество сознательных существ, а эти сознательные существа сами будут пытаться смоделировать сознательные существа, и так далее. Хотя можно представить себе симуляцию одного-единственного мозга только с его входами, в этом случае вывод о том, что мы, скорее всего, живем в симуляции, потому что симулированных мозгов больше, чем настоящих, не сработает. На самом деле вам нужно много мозгов. Но это означает, что вам придется сжимать информацию, которую, как мы думаем, содержит Вселенная, потому что иначе в симуляциях быстро закончится место на диске. Поэтому Бостром вынужден предположить, что можно как-то не заботиться о деталях в некоторых частях мира, куда сейчас никто не заглядывает, и просто заполнить их на случай, если кто-то заглянет.

Однако он опять же не объясняет, как это должно работать. Какой компьютерный код может это сделать? Какой алгоритм может определить сознательные подсистемы и их намерения, а затем быстро заполнить их необходимой информацией, никогда не создавая наблюдаемых несоответствий? Это гораздо более сложный вопрос, чем кажется Бострому. Он не только предполагает, что сознание сводимо к вычислениям, поскольку в противном случае вы не смогли бы предсказать, куда кто-то собирается посмотреть, прежде чем он посмотрит, но и в целом вы не можете просто отбросить физические процессы на коротких расстояниях и при этом получить правильные данные на больших расстояниях.

Глобальные климатические модели - отличный пример. В настоящее время мы не располагаем вычислительными возможностями для определения расстояний менее 10 километров (6¼ мили) или около того. Но вы не можете просто отбросить всю физику ниже этого масштаба. Это нелинейная система, поэтому детали на малых масштабах оставляют след на больших - бабочки, вызывающие торнадо, и так далее. Если вы не можете вычислить физику на коротких расстояниях, вы должны, по крайней мере, заменить ее чем-нибудь подходящим. Добиться этого даже приблизительно - большая головная боль. И единственная причина, по которой климатологам удается добиться приблизительно правильного результата, заключается в том, что у них есть наблюдения, которые они могут использовать для проверки того, работают ли их приближенные расчеты. Если у вас есть только симуляция, как у программиста в гипотезе симуляции, вы не можете этого сделать.

В этом и заключается моя проблема с гипотезой симуляции. Те, кто в нее верит, делают большие допущения, возможно, неосознанные, о том, какие естественные законы можно воспроизвести с помощью компьютерных симуляций, и не объясняют, как это должно работать. Но найти альтернативные объяснения, которые бы с высокой точностью соответствовали всем нашим наблюдениям, очень сложно. Я должна знать - именно этим мы занимаемся в курсе основ физики.

Возможно, вы сейчас закатываете глаза, потому что, да ладно, пусть ботаники развлекаются, верно? И, конечно, часть этого разговора - просто интеллектуальное развлечение. Но я не думаю, что популяризация гипотезы симуляции - это совершенно невинное развлечение. Она смешивает науку с религией, что в целом является плохой идеей, и, на самом деле, я думаю, что у нас есть более важные вещи для беспокойства, чем то, что кто-то может выдернуть у нас вилку из розетки.

В общем, гипотеза симуляции не является серьезным научным аргументом. Это не значит, что она неверна, но это значит, что вам придется поверить в нее, потому что у вас есть вера, а не потому, что на вашей стороне логика.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Идея о том, что копии нас существуют в мультивселенной, не является научной, потому что такие копии ненаблюдаемы и не нужны для объяснения того, что мы можем наблюдать. Теории мультивселенной продвигаются физиками, которые верят, что математика реальна, а не является инструментом для описания реальности. Поэтому вы можете верить в то, что ваши копии существуют, если хотите, но нет никаких доказательств того, что это действительно так. Гипотеза о том, что наша Вселенная - это компьютерная симуляция, не соответствует современным научным стандартам.

Глава 6. Физика исключает свободу воли?

Трясина уклонений

Основная проблема дискуссий о свободе воли заключается в том, что философы выдвинули кучу определений, которые не имеют ничего общего с тем, что, по мнению нефилософов, означает свобода воли. У меня возникает соблазн написать "нормальные люди" в противовес "философам", но, возможно, это будет немного немилосердно. А я не хочу быть немилосердной. Конечно же, нет.

По этой причине позвольте мне начать с изложения проблемы без использования термина "свобода воли". Установленные в настоящее время законы природы являются детерминированными с элементом случайности из квантовой механики. Это означает, что будущее фиксировано, за исключением случайных квантовых событий, на которые мы не можем повлиять. Теория хаоса ничего в этом не меняет. Хаотические законы по-прежнему детерминированы; их просто трудно предсказать, потому что то, что произойдет, очень чутко зависит от начальных условий (хлопки бабочки и все такое).

Таким образом, наша жизнь не является, по словам Хорхе Луиса Борхеса, "садом развилок", где каждый путь соответствует возможному будущему, и только от нас зависит, какой путь станет реальностью (рис. 10). Законы природы так не работают. По большей части существует только один путь, потому что квантовые эффекты редко проявляются макроскопически. То, что вы делаете сегодня, следует из состояния Вселенной вчера, которое следует из состояния Вселенной в прошлую среду, и так далее, вплоть до Большого взрыва.

Но иногда случайные квантовые события действительно сильно меняют нашу жизнь. Помните исследователя, который мог попасть в аварию на шоссе в зависимости от того, какая частица появилась на его экране? Время от времени пути действительно виляют, но мы не можем повлиять на это. Квантовые события в основе своей случайны и не зависят ни от чего, и уж тем более от наших мыслей.

Как и было обещано, я не использовала термин "свобода воли", чтобы обрисовать ситуацию. Давайте обсудим, что означает, что будущее фиксировано, за исключением случайных квантовых событий, на которые мы не можем повлиять.

Лично я бы просто сказала, что это означает, что свободы воли не существует, и поставила бы точку в этом вопросе. Меня это обнадеживает, потому что свобода воли сама по себе - непоследовательная идея, как уже отмечали многие более мудрые люди, чем я. Чтобы ваша воля была свободной, она не должна быть вызвана ничем другим. Но если она ничем не вызвана - если это "беспричинная причина", как выразился Фридрих Ницше, - значит, она не вызвана вами, независимо от того, что вы под этим подразумеваете. Как резюмировал Ницше, это "лучшее самопротиворечие, которое было придумано до сих пор". Я согласна с Ницше.

Вот как я думаю о том, что происходит: наш мозг выполняет вычисления на входе, следуя уравнениям, которые действуют на начальное состояние. Являются ли эти вычисления алгоритмическими - открытый вопрос, к которому мы вернемся позже, но в нашем неокортексе не разлито никакого волшебного сока, который ставит нас выше законов природы. Все, что мы делаем, - это оцениваем, какие решения лучше всего принять, учитывая ограниченность имеющейся у нас информации. Решение - это результат нашей оценки; оно не требует ничего сверх законов природы. Мой телефон принимает решения каждый раз, когда рассчитывает, какие уведомления вывести на экран блокировки; очевидно, что принятие решений не требует свободы воли.

Мы могли бы долго обсуждать, что значит "лучшее решение", но это не вопрос физики, поэтому оставим его в стороне. Суть в том, что мы оцениваем поступающую информацию и пытаемся оптимизировать свою жизнь, используя некоторые критерии, которые отчасти усвоены, а отчасти заложены в нашем мозгу. Не больше и не меньше. И ни один из этих выводов не зависит от нейробиологии. До сих пор неясно, какая часть наших решений принимается сознательно, а какая - под влиянием подсознательных процессов мозга, но то, как происходит разделение на сознательное и подсознательное, не имеет никакого отношения к вопросу о том, был ли определен результат.

Если свобода воли не имеет смысла, почему же тогда многие люди считают, что она описывает то, как они оценивают свои поступки? Потому что мы не знаем результата наших размышлений до их завершения; в противном случае нам не пришлось бы размышлять. Как сказал Людвиг Витгенштейн, "свобода воли заключается в том, что будущие действия не могут быть известны сейчас". Его "Трактату" уже сто лет, так что это не новость.

Дело решено? Конечно, нет.

Потому что можно, конечно, пойти и определить что-то, а потом назвать это свободой воли. Это и есть философия компатибилизма, согласно которой свобода воли совместима с детерминизмом, не обращая внимания на то, что - напомним - будущее фиксировано, за исключением случайных квантовых событий, на которые мы не можем повлиять. Среди философов компатибилисты в настоящее время являются доминирующим лагерем. По результатам опроса, проведенного в 2009 году среди профессиональных философов, 59 процентов из них назвали себя компатибилистами.

Второй по величине лагерь среди философов - либертарианцы, которые утверждают, что свобода воли несовместима с детерминизмом, но, поскольку свобода воли существует, детерминизм должен быть ложным. Я не буду обсуждать либертарианство, потому что оно несовместимо с тем, что мы знаем о природе.

Поэтому давайте поговорим немного больше о компатибилизме - философии, которую Иммануил Кант очаровательно назвал "жалким ухищрением", философ XIX века Уильям Джеймс - "трясиной уклонений", а современный философ Уоллес Мэтсон - "самым поразительным примером заблуждения, связанного с изменением темы". Да, действительно, как сделать так, чтобы свобода воли была совместима с законами природы, учитывая, что - давайте не будем забывать - будущее фиксировано, за исключением случайных квантовых событий, на которые мы не можем повлиять?

Одна вещь, которую вы можете сделать, чтобы помочь своим аргументам, - это немного улучшить физику. Философ Джон Мартин Фишер назвал философов, которые так поступают, "компатибилистами множественного прошлого" и "компатибилистами локального чуда". Первые утверждают, что ваши действия меняют прошлое на то, чем оно не было. Вторые утверждают, что сверхъестественные события, выходящие за рамки законов природы, позволяют вашему решению каким-то образом избежать предсказаний теорий, которые были подтверждены бесчисленное количество раз. Я не буду обсуждать их здесь, потому что это книга о том, что мы можем узнать из физики, а не о том, как мы можем творчески игнорировать физику.

Среди идей компатибилизма, которые, по крайней мере, не являются ошибочными, наиболее популярной является та, что ваша воля свободна, потому что она не предсказуема, конечно, не на практике и, возможно, даже не в принципе. Эту позицию, пожалуй, наиболее ярко представляет Дэниел Деннетт. Если вы хотите думать о свободе воли таким образом, прекрасно. Но будущее все равно остается неизменным, за исключением случайных квантовых событий, на которые мы не можем повлиять.

Философ Дженанн Исмаэль также утверждает, что свобода воли - это свойство автономных систем. Под этим она подразумевает, что различные подсистемы Вселенной отличаются тем, насколько их поведение зависит от внешнего воздействия, а не от внутренних расчетов. Например, у тостера очень мало автономности - вы нажимаете на кнопку, и он реагирует. У человека много автономии, потому что его размышления могут протекать в основном без учета внешних факторов. Если вы хотите назвать это свободой воли, хорошо. Но будущее все равно фиксировано, за исключением случайных квантовых событий, на которые мы не можем повлиять.

Есть немало физиков, которые поддержали компатибилизм, найдя ниши, в которых можно встроить свободу воли в законы природы. Шон Кэрролл и Карло Ровелли предлагают интерпретировать свободу воли как эмерджентное свойство системы. Усовершенствованная версия этого аргумента была недавно выдвинута Филипом Боллом. Он опирается на использование причинно-следственных связей между макроскопическими понятиями - а значит, и эмерджентных свойств - для определения свободы воли.

Помните, что эмерджентные свойства - это те, которые возникают при приблизительном описании на больших масштабах, когда детали микрофизики усреднены. На рисунке 11 показано, как это можно использовать для определения свободы воли. На микроскопическом уровне пути (белые линии) определяются начальным значением, то есть тем, с какого места они начинаются слева. Но на макроскопическом уровне, если забыть о точных начальных условиях и посмотреть на совокупность всех микроскопических путей, макроскопический путь (черный контур) раздваивается.

Вышеупомянутые физики теперь говорят, что если игнорировать детерминированное поведение частиц на микроскопическом уровне, то уже нельзя делать предсказания на макроскопическом уровне. Пути развиваются: ура! Конечно, это происходит только потому, что вы игнорируете то, что происходит на самом деле. Да, вы можете это сделать. Но будущее все равно остается неизменным, за исключением случайных квантовых событий, на которые мы не можем повлиять. Когда Шон Кэрролл резюмировал свою компатибилистскую позицию словами "свобода воли так же реальна, как бейсбольный мяч", ему следовало бы добавить "и так же свободна".

При этом у меня нет больших проблем с компатибилистскими определениями свободы воли, которые дают физики или философы. В конце концов, это всего лишь определения, ни правильные, ни неправильные, а просто более или менее полезные. Но я не думаю, что подобная словесная акробатика затрагивает проблему, о которой беспокоятся обычные люди - простите, я имею в виду нефилософов. Исследование, проведенное в 2019 году среди более чем пяти тысяч участников из 21 страны, показало, что "в разных культурах участники, демонстрирующие большую когнитивную рефлексию, чаще считают свободу воли несовместимой с каузальным детерминизмом". Похоже, мы не рождены быть компатибилистами. Вот почему для многих из нас изучение физики встряхивает нашу веру в то, что мы считаем свободой воли, - как это произошло со мной. Это, на мой взгляд, и есть тот вопрос, который требует решения.

Как видите, не так-то просто понять, что такое свобода воли, соблюдая при этом законы природы. По сути, проблема заключается в том, что, насколько нам известно, сильная эмерджентность невозможна. Это означает, что все высокоуровневые свойства системы - те, что в больших масштабах, - проистекают из нижних уровней, где мы используем физику частиц. Следовательно, неважно, как вы определите свободу воли; она все равно будет вытекать из микроскопического поведения частиц - потому что все вытекает.

Единственный способ, который я вижу, чтобы придать смысл свободе воли, заключается в том, что вывод из микроскопической теории по какой-то причине не работает в некоторых случаях. Тогда сильная эмерджентность могла бы стать реальным свойством природы, и мы могли бы иметь макроскопические явления, среди которых есть свобода воли, по-настоящему не зависимые от микрофизики. Сейчас у нас нет ни малейшего доказательства того, что это действительно происходит, но интересно подумать о том, что для этого потребуется.

Начнем с того, что математические методы, которые мы используем для решения уравнений, связывающих микроскопические и макроскопические законы, не всегда работают. Они часто опираются на определенные приближения, и когда эти приближения оказываются недостаточными для описания интересующей нас системы, мы просто не знаем, что делать с уравнениями. Это, конечно, практическая проблема, но она не имеет значения в том, что касается свойств законов. Связь между более глубокими и более высокими уровнями не исчезает только потому, что мы не знаем, как решить уравнения, которые их связывают.

Что немного приближает нас к сильной эмерджентности, так это два примера, когда физики изучали вопрос о том, могут ли составные системы обладать свойствами, значение которых невозможно определить на компьютере. Если бы это было так, то это было бы гораздо лучшим аргументом в пользу макроскопического явления, которое "свободно" от микрофизики, чем просто сказать, что мы не знаем, как его вычислить. На самом деле это доказывало бы, что его нельзя вычислить. Но эти два примера требуют бесконечно больших систем, чтобы аргумент сработал. Тогда утверждение сводится к тому, что для бесконечно большой системы определенные свойства не могут быть вычислены на классическом компьютере за конечное время. Это не та ситуация, с которой мы могли бы столкнуться в реальности, и, следовательно, она не помогает в вопросе о свободе воли.

Однако может оказаться, что выведение макроскопического поведения из микрофизики не удается по другой причине. Может оказаться, что при вычислениях мы наталкиваемся на сингулярность, дальше которой мы просто не можем идти - ни на практике, ни в принципе. Это не обязательно возвращает нас к бесконечности, поскольку в математике сингулярная точка не всегда ассоциируется с тем, что что-то становится бесконечным; это просто точка, в которой функция не может быть продолжена.

В настоящее время у нас нет причин думать, что это происходит в реальной микрофизике, которая реализуется в нашей Вселенной, но это то, что может оказаться таковым, когда мы лучше поймем математику. Так что если вы хотите верить в свободу воли, которая действительно управляется естественными законами, независимыми от законов элементарных частиц, возможность того, что вывод макрофизических законов наталкивается на сингулярную точку, кажется мне наиболее разумной. Шансов мало, но это совместимо со всем, что мы знаем на данный момент.

Жизнь без свободы воли

Американский научный писатель Джон Хорган называет меня "отрицателем свободы воли", и теперь вы, наверное, понимаете почему. Но я, конечно, не отрицаю, что многим людям кажется, что у них есть свобода воли. Однако у нас также есть впечатление, что настоящий момент является особенным, что, как мы уже видели, является иллюзией, и если бы я руководствовалась своим впечатлением, я бы сказала, что горизонтальные линии на рисунке 12 не параллельны. Если мои исследования в области основ физики и научили меня чему-то, так это тому, что не стоит полагаться на личные впечатления. Чтобы сделать вывод о том, как на самом деле устроена природа, нужно нечто большее, чем просто впечатления.

Несмотря на ограниченность нашего мозга, не хочу хвастаться, но мне кажется, что мы, люди, проделали неплохую работу по изучению законов природы. В конце концов, мы поняли, что "сейчас" - это иллюзия, и, используя свой мозг по максимуму, вы можете пойти и измерить линии на рисунке 12, чтобы убедить себя, что они действительно параллельны. Они все равно не будут выглядеть параллельными, но вы будете знать, что они параллельны тем не менее. Я думаю, что со свободой воли мы должны поступать так же: оставить в стороне интуитивные ощущения и следовать за разумом к его выводам. Вам по-прежнему будет казаться, что у вас есть свобода воли, но вы будете знать, что на самом деле вы выполняете сложные вычисления на своем нейронном процессоре.

Но я не пытаюсь вас поучать. Как я уже сказала, все зависит от того, как вы определяете свободу воли. Если вы предпочитаете компатибилистское определение свободы воли и хотите продолжать использовать этот термин, наука ничего не говорит против этого. Поэтому, отвечая на вопрос этой главы: Исключила ли физика свободу воли? Нет, она просто исключила некоторые идеи о свободе воли. Потому что, насколько нам известно, будущее фиксировано, за исключением случайных квантовых событий, на которые мы не можем повлиять.

Как мы можем с этим справиться? Меня часто спрашивают об этом. Мне кажется, проблема в том, что многие из нас растут с интуитивными представлениями о том, как работает наше собственное принятие решений, и когда эти наивные представления вступают в конфликт с тем, что мы узнаем о физике, нам приходится перестраивать свою самооценку. Это не так-то просто. Но есть несколько способов разобраться с этим.

Проще всего разобраться с этим с помощью дуализма, согласно которому разум имеет нефизическую составляющую. Используя дуализм, вы можете рассматривать свободу воли как ненаучную концепцию, свойство вашей души, если хотите. Это будет совместимо с физикой до тех пор, пока нефизический компонент не взаимодействует с физическим, потому что тогда он будет противоречить доказательствам - он станет физическим. Поскольку физическая часть нашего мозга - это, очевидно, то, что мы используем для принятия решений, я не вижу, что можно выиграть от веры в нефизическую свободу воли, но тогда это не новая проблема дуализма, и, по крайней мере, она не ошибочна.

Вы также можете воспользоваться небольшой лазейкой в выводе из микрофизики, о которой я подробно рассказала ранее. Хотя я подозреваю, что если вы скажете кому-то, что считаете свободу воли реальной, потому что уравнения ренормализационной группы могут столкнуться с существенной сингулярностью, вы с тем же успехом можете написать на лбу "гик".

Лично я считаю, что лучший способ справиться с невозможностью изменить будущее - это изменить отношение к нашей роли в истории Вселенной. Свободная воля или нет, но мы здесь, а значит, имеем значение. Но будет ли наша история счастливой или печальной, будет ли наша цивилизация процветать или угасать, будут ли нас помнить или забудут - мы еще не знаем. Вместо того чтобы думать о себе как о выборе возможного будущего, я предлагаю сохранять любопытство к тому, что нас ждет, и стремиться узнать больше о себе и о Вселенной, которую мы населяем.

Я обнаружила, что отказ от идеи свободы воли изменил мое отношение к собственному мышлению. Я стала уделять больше внимания тому, что мы знаем о недостатках человеческого познания, логических ошибках и предубеждениях. Понимая, что в конечном итоге я просто работаю над полученными данными, я стала более избирательно и осторожно относиться к тому, что читаю и слушаю.

Как бы странно это ни звучало, но в некоторых обстоятельствах мне пришлось приложить немало усилий, чтобы убедить себя прислушаться к себе. Например, я несколько лет моталась между Германией и Швецией, совершая десятки перелетов в год. Но почему-то мне не пришло в голову подписаться на карту часто летающих пассажиров. Когда кто-то спросил меня об этом через два года моей работы, я почувствовала себя довольно глупо. Но вместо того чтобы сразу подписаться на карту часто летающих пассажиров, я отложила это, решив, что уже лишилась стольких преимуществ, что могу и не беспокоиться. Это любопытный пример неприятия потерь ("бросать хорошие деньги на ветер"), хотя в данном случае речь шла не о реальных потерях, а об отсутствии выгод. Осознав это, я в конце концов оформила карту. Если бы я не знала, что это когнитивное предубеждение, то вряд ли стала бы это делать; наоборот, я бы сделала все возможное, чтобы забыть об этом, тем самым действуя против своих собственных интересов.

Я говорю вам об этом не потому, что горжусь тем, что приняла рациональное решение (по крайней мере, в данном случае). Напротив, я говорю вам об этом, чтобы подчеркнуть, что я так же иррациональна, как и все остальные. И все же я думаю, что мне помогло признание того, что мой мозг - это машина, сложная машина, конечно, но все же склонная к ошибкам, и это помогает понять, с какими задачами он борется.

Когда я объясняю, что не верю в свободу воли, большинство людей шутит, что я не могу поступить иначе. Если эта шутка пришлась вам по душе, стоит задуматься о том, почему ее легко было предсказать.

Свобода воли и мораль

13 января 2021 года Лиза Мари Монтгомери стала четвертой женщиной, казненной в Соединенных Штатах, и первой за последние шестьдесят семь лет. Она была приговорена к смертной казни за убийство Бобби Джо Стиннетт, двадцати трех лет и на момент совершения преступления находившейся на восьмом месяце беременности. В 2004 году Монтгомери подружилась с молодой женщиной. 16 декабря того же года она пришла к Стиннетт и задушила ее. Затем она вырезала нерожденного ребенка из чрева беременной. В течение нескольких дней Монтгомери притворялась, что ребенок принадлежит ей, но, когда полиция предъявила ей обвинение, она быстро призналась в содеянном. Новорожденный остался невредим и был возвращен отцу.

Зачем кому-то совершать такое жестокое и бессмысленное преступление? Взгляд на жизнь Монтгомери открывает глаза.

По словам ее адвокатов, Монтгомери с детства подвергалась физическому насилию со стороны матери. Начиная с тринадцати лет, ее регулярно насиловал отчим-алкоголик и его друзья. Она неоднократно, но безуспешно, обращалась за помощью к властям. Монтгомери вышла замуж молодой, в возрасте восемнадцати лет. Ее первый муж, с которым у нее было четверо детей, также подвергал ее физическому насилию. К моменту совершения преступления она была стерилизована, но иногда притворялась, что снова беременна. Оказавшись в тюрьме, Монтгомери получила целый список психических расстройств: "биполярное расстройство, височная эпилепсия, комплексное посттравматическое стрессовое расстройство, диссоциативное расстройство, психоз, травматическое повреждение мозга и, скорее всего, фетальный алкогольный синдром".

Я буду удивлена, если предыдущий абзац не изменит вашего мнения о Монтгомери. Или, если вы уже знакомы с ее историей, я удивлюсь, если у вас не возникнет подобной реакции, когда вы услышите ее впервые. Насилие, которому она подверглась от рук других людей, несомненно, способствовало совершению преступления. Оно оставило отпечаток на психике и личности Монтгомери, что способствовало ее поступкам. Но в какой степени она сама виновата? Не была ли она сама жертвой, которую подвели учреждения, призванные помочь ей, и не была ли она слишком безумна, чтобы нести ответственность? Действовала ли она по собственной воле?

Мы часто связываем свободу воли с моральной ответственностью, и именно таким образом она входит в наши дискуссии о политике, религии, преступлениях и наказаниях. Многие из нас также используют свободу воли как средство рассуждения для оценки личных вопросов вины, угрызений совести и вины. На самом деле, большая часть дебатов о свободе воли в философской литературе касается не того, существует ли она вообще, а того, как она связана с моральной ответственностью. Беспокойство вызывает тот факт, что если свобода воли исчезнет, то общество развалится на части, потому что винить законы природы бессмысленно.

Я считаю это беспокойство глупым. Если свободы воли не существует, то ее никогда и не было, так что если моральная ответственность работала до сих пор, то почему она вдруг должна перестать работать только потому, что мы теперь лучше понимаем физику? Грозы ведь не изменились, как только мы поняли, что это не Зевс метает молнии.

Поэтому философские рассуждения о моральной ответственности кажутся мне излишними. Достаточно легко объяснить, почему мы - как индивиды и как общества - возлагаем ответственность на людей, а не на законы природы. Мы ищем наилучшую стратегию для оптимизации нашего благосостояния. А пытаться изменить законы природы - плохая стратегия.

Опять же, можно спорить о том, что именно означает благосостояние; тот факт, что мы не все согласны с тем, что оно означает, является основным источником конфликтов. Но что именно пытается оптимизировать наш мозг и в чем разница между вашей и моей оптимизацией, здесь не главное. Суть в том, что вам не нужно верить в свободу воли, чтобы утверждать, что запирание убийц приносит пользу людям, которые потенциально могут быть убиты, в то время как попытка изменить начальные условия Вселенной не приносит пользы никому. Вот к чему это сводится: мы оцениваем, какие действия с наибольшей вероятностью улучшат нашу жизнь в будущем. И когда дело доходит до этого вопроса, кого волнует, нашли ли философы еще хороший способ определить ответственность? Если вы представляете собой проблему, другие люди будут предпринимать шаги для решения этой проблемы - они "сделают вас ответственным" только потому, что вы воплощаете угрозу.

Таким образом, мы можем перефразировать любую дискуссию о свободе воли или моральной ответственности, не используя эти термины. Например, вместо того чтобы сомневаться в свободе воли человека, мы можем поспорить о том, действительно ли тюрьма - самое полезное вмешательство. Возможно, это не всегда так. В некоторых обстоятельствах психиатрическая помощь и профилактика семейного насилия могут оказаться более действенным рычагом снижения преступности. И, конечно, нужно учитывать другие факторы, такие как возмездие, сдерживание и так далее. Здесь не место для таких дискуссий. Я просто хочу показать, что ее можно вести, не ссылаясь на свободу воли.

То же самое можно сделать и в отношении личных ситуаций. Всякий раз, когда вы задаете вопрос типа "А могли ли они поступить иначе?", вы оцениваете вероятность того, что это может произойти снова. Если вы приходите к выводу, что это вряд ли повторится (с точки зрения свободы воли вы могли бы сказать: "У них не было другого выбора"), вы можете простить их ("Они не виноваты"). Если вы считаете, что это может повториться ("Они сделали это специально"), вы можете избегать их в будущем ("Они были ответственны"). Но вы можете перефразировать эту дискуссию о моральной ответственности в терминах оценки вашей лучшей стратегии. Например, вы можете рассуждать так: "Они опоздали из-за спущенного колеса. Поэтому такое вряд ли повторится, а если я буду злиться из-за этого, то могу потерять хороших друзей". Свободная воля для этого совершенно не нужна.

Позвольте мне уточнить, что я не хочу сказать вам, чтобы вы перестали ссылаться на свободу воли. Если вы находите ее удобной, то продолжайте. Я просто хотела привести примеры того, как можно выносить моральные суждения без нее. Для меня это важно, потому что я несколько оскорблена тем, что меня считают морально неполноценной только потому, что я согласна с Ницше в том, что свобода воли - это оксюморон.

Ситуацию не улучшает и постоянно повторяющееся утверждение о том, что люди, не верящие в свободу воли, чаще обманывают или вредят другим. Такую точку зрения высказали, например, Азим Шарифф и Кэтлин Вохс в статье 2014 года в журнале Scientific American, где они заявили, что их исследование показывает: "Чем больше люди сомневаются в свободе воли, тем более снисходительно они относятся к тем, кого обвиняют в преступлениях, и тем охотнее они сами нарушают правила и вредят другим, чтобы получить желаемое".

Прежде всего, отметим, что, как это часто бывает в психологии, другие исследования дают иные результаты. Например, в исследовании 2017 года, посвященном свободе воли и моральному поведению, был сделан вывод: "Мы заметили, что неверие в свободу воли положительно влияет на моральность решений по отношению к другим людям". Этот вопрос является предметом постоянных исследований; краткое резюме таково: пока неясно, как вера в свободу воли связана с моральным поведением.

Более интересным представляется то, как вообще проводятся подобные исследования. Обычно они проводятся с двумя отдельными группами, одна из которых подвергается проверке на сомнение в свободе воли, а другая является нейтральной контрольной группой. В качестве прайминга, внушающего сомнение в свободе воли, принято использовать отрывки из книги Фрэнсиса Крика 1994 года "Удивительная гипотеза: Научные поиски души". Вот отрывок:

Вы, ваши радости и печали, ваши воспоминания и амбиции, ваше чувство личной идентичности и свобода воли - все это на самом деле не более чем поведение огромной совокупности нервных клеток и связанных с ними молекул. Вы - не что иное, как набор нейронов.

Однако этот отрывок не просто нейтрально информирует людей о том, что законы природы несовместимы со свободой воли. Он также принижает их чувство цели и самостоятельности, используя такие фразы, как "не более чем" и "не что иное, как". И он не напоминает читателю, что эта "огромная совокупность нервных клеток" может делать некоторые поистине удивительные вещи, например, читать отрывки о себе, не говоря уже о том, чтобы выяснить, из чего она вообще состоит.

Конечно, отрывок Крика намеренно резко сформулирован, чтобы донести свою мысль до читателя (не то что некоторые отрывки, которые вы читаете в главе 4 этой самой книги); в этом самом по себе нет ничего плохого. Но он не просто настраивает людей на сомнение в свободе воли; он настраивает их на фатализм - идею о том, что неважно, что вы делаете. Предположим, что вместо этого он напутствовал бы их с помощью этого отрывка:

Вы, ваши радости и печали, ваши воспоминания и амбиции, ваше чувство личной идентичности и свобода воли - это результат тонко переплетенного набора нервных клеток и связанных с ними молекул. Этот набор нейронов - продукт миллиардов лет эволюции. Он наделяет вас беспрецедентной способностью к общению и сотрудничеству, а также способностью к рациональному мышлению, превосходящей все остальные виды.

Признаюсь, это не так убедительно, как версия Крика, но, надеюсь, она иллюстрирует то, что я имею в виду. Эта версия также информирует читателей о том, что их мысли и действия являются результатом нейронной активности. Однако она делает это, подчеркивая, насколько поразительны наши мыслительные способности. Интересно было бы посмотреть, будут ли люди, которых таким образом настраивают на неверие в свободу воли, по-прежнему чаще списывать на тестах, как вы думаете?

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Согласно установленным в настоящее время законам природы, будущее определяется прошлым, за исключением случайных квантовых событий, на которые мы не можем повлиять. Означает ли это, что свободы воли не существует, зависит от вашего определения свободы воли.

Другие голоса #3 Можно ли вычислить сознание?

Интервью с Роджером Пенроузом

Когда я вхожу в кабинет Роджера Пенроуза, он склонился над своим столом и держит нос в трех дюймах от экрана ноутбука. Сквозь толстые очки он щурится на слайды для доклада, который он будет читать позже. Сейчас мне за сорок, я считаю себя старой, но понимаю, что Роджер старше меня более чем в два раза. Он собирал награды, медали и почетные звания еще до моего рождения. Сейчас у Роджера, заслуженного профессора математики Оксфордского университета, так много вещей, названных в его честь - тилинги Пенроуза, диаграммы Пенроуза, треугольник Пенроуза, процесс Пенроуза, теоремы Пенроуза-Хокинга, - что трудно поверить, что он не получил Нобелевскую премию. В 2019 году я еще не знаю, что через год он получит премию.

Он бросает на меня короткий взгляд и невнятно извиняется за задержку, пока устанавливает размер шрифта в, похоже, 200 пунктов. Я заверяю его, что это не проблема, и распаковываю свой блокнот и диктофон.

Я здесь, в Оксфордском университете, чтобы принять участие в конференции, посвященной математическим моделям сознания, но Роджер любезно согласился на интервью во время одного из перерывов конференции. Его доклад должен быть сделан после перерыва, и он занят перестановкой слайдов, представляющих собой эклектическую смесь математики, квантовой механики, космологии и нейробиологии.

Помимо применения своих математических навыков для решения проблем физики - например, вопроса о том, могут ли звезды коллапсировать в черные дыры, - Роджер выдвинул множество спекулятивных идей о том, как устроена природа, в том числе о том, что гравитация вызывает сокращение волновой функции и что Вселенная циклична, бесконечно часто переходя от расширения к сжатию и к новому Большому взрыву. Было бы о чем поговорить, но меня особенно интересуют его взгляды на сознание.

И снова я начинаю с вопроса: "Вы религиозны?"

"Не религиозен в том смысле, в каком люди обычно понимают этот термин", - говорит он.

"А в каком-нибудь другом?"

"Верю ли я в бога?" спрашивает себя Роджер. "Нет, не в обычном смысле этого слова".

"Вы верите, что у Вселенной есть цель?" догадываюсь я, чувствуя, что он хочет что-то добавить.

"Вы уже близко... ", - нерешительно говорит Роджер. "Я не знаю, есть ли у Вселенной цель, но я бы сказал, что в ней есть что-то большее, в том смысле, что присутствие сознательных существ - это, вероятно, что-то более глубокое, а не просто неслучайное. Трудно сказать. Не то чтобы я хотел сказать что-то ясное о том, во что я верю. Я просто не думаю, что сказать, что это случайность, - достаточное объяснение".

"Как вы думаете, сознание вписывается в рамки, которые физики придумали на данный момент?" спрашиваю я.

"Нет, - говорит Роджер. "Это убеждение, которого я придерживался долгое время. Когда я был студентом, меня очень беспокоило то, что я слышал о теореме Гёделя, которая, казалось, говорила, что в математике есть вещи, которые мы не можем доказать. А потом я пошел на курс, который читал [математик] Стортон Стин. Он описал теорему Гёделя не так, что существуют вещи, которые нельзя доказать. Он объяснил, что у вас может быть логическая система, которую в принципе можно поместить в компьютер, и если вы вводите в нее математическую теорему, она выдает сообщение о том, истинна ли эта теорема или ложна, или продолжает до бесконечности. Эта система должна следовать рассуждениям, которым вы доверяете, иначе в чем смысл? Поэтому она следует правилам, и если она говорит, что теорема верна, то вы верите, что она верна.

"Следуя этим правилам, вы можете построить другое математическое утверждение - утверждение Гёделя. И из того, как оно построено, видно, что утверждение Гёделя истинно. Его истинность вытекает из вашей веры в то, что система дает вам только истину. И все же вы можете показать с помощью конструкции утверждения Гёделя, что компьютер не может вывести [то], что оно истинно".

Знаменитая (вторая) теорема Гёделя о неполноте обычно представляется как утверждение о наборах математических аксиом - то есть предположений, из которых вы делаете логические выводы. Гёдель показал, что непротиворечивость любого набора аксиом (не менее сложного, чем набор натуральных чисел) недоказуема. Он сформулировал утверждения - утверждения Гёделя или предложения Гёделя, - которые истинны, но доказать их истинность в рамках системы аксиом невозможно. Пенроуз интерпретирует это как то, что мы, люди, способны распознать истину, которую не может увидеть компьютерный алгоритм, питающийся только аксиомами, непротиворечивость которых подвергается сомнению. Если бы алгоритм мог увидеть истину, он мог бы ее доказать, что противоречит теореме Геделя. Об этом я еще расскажу в главе 9, но сначала давайте послушаем, что еще хочет сказать Роджер.

"Я нахожу это потрясающим, потому что это говорит нам о том, что ваша вера в то, что система работает, сильнее, чем сама система. Что вы делаете, что позволяет вам выйти за пределы системы? Что происходит? Для меня это очень четкая иллюстрация силы понимания. Я не знаю, что такое понимание, но мне кажется, что это не может быть вычислением. Что бы ни происходило в сознательном понимании, это не то же самое, что сложные вычисления".

Для меня это не имеет смысла. Я спрашиваю: "Как вы согласуете это со знанием того, что все мы в конечном счете состоим из частиц, а эти частицы подчиняются вычисляемым уравнениям?"

"Да. Как это работает?" говорит Роджер и кивает. "Сначала я подумал: "Может быть, это континуум. Поэтому, строго говоря, это не вычисления. Но я не думаю, что дело в этом. Вы можете поместить ньютоновскую механику и общую относительность в компьютер, и вы можете сделать эти вычисления настолько точными, насколько пожелаете. Тогда я подумал: "А как насчет квантовой механики?" Есть уравнение Шредингера, но это все равно вычисления. Но есть еще и процесс измерения. Я подумал: "Что ж, это большой пробел в нашем понимании", и мне кажется, что должна быть какая-то теория о том, что на самом деле происходит в этом уменьшении квантового состояния. И поскольку это был единственный пробел, который я мог видеть, я решил, что это должно быть оно".

Он смеется и продолжает. "У меня была идея, что когда я выйду на пенсию - тогда это казалось далеким будущим, а сейчас уже давно в прошлом, - когда я выйду на пенсию, я напишу книгу. Это была книга "Новый разум императора", которую я написал еще до выхода на пенсию. Прежде всего, я бы объяснил, что я знаю о физике, а затем попытался бы узнать что-нибудь о нейрофизиологии, синапсах и забавных способах их работы. Я думал, что к тому времени, когда я все это изучу, я увижу место, где квантовое сокращение состояний может сыграть свою роль. Но не увидел. Так что в итоге книга, на мой взгляд, протухла. Я высказал довольно глупую идею, в которую не верил, а потом остановил работу над книгой".

"Понимаете, - объясняет Роджер, - я надеялся, что моя книга подтолкнет молодых людей к изучению этой темы. Но единственные, от кого я об этом слышал, были пенсионеры. Видимо, они были единственными, у кого нашлось время прочитать книгу! А потом я получил письмо от Стюарта Хамероффа, в котором говорилось: "Вам нужно посмотреть на эти маленькие трубочки - микротрубочки". Я получаю много безумных писем, и я подумал: "Вот еще одно". Но потом я посмотрел и подумал, что должен был знать об этом раньше. Это хорошее место для квантовой когерентности".

В дальнейшем Роджер Пенроуз и Стюарт Хамерофф вместе написали несколько работ о микротрубочках - небольших трубках из белков, которые можно найти в клетках, в том числе в нейронах. Идея заключается в том, что совокупность микротрубочек в нейронах может демонстрировать квантовое поведение. Когда эти квантовые состояния микротрубочек уменьшаются - то есть исчезают квантовые эффекты, - возникает сознание и становится возможной свобода воли. Эта гипотеза называется оркестрованной объективной редукцией, или сокращенно Orch OR.

Оркестровая объективная редукция была встречена учеными со скептицизмом, как в физике, так и в нейробиологии. Основная причина заключается в том, что в стандартной квантовой механике микротрубочки не могут поддерживать квантовые эффекты достаточно долго, чтобы играть какую-либо роль в нейронной активности. Это означает, что для того, чтобы идея заработала, необходимо значительно модифицировать квантовую механику. Именно это, по мнению Пенроуза и Хамероффа, и происходит. Это возможно, но надуманно и не имеет доказательств. Также остается неясным, какое отношение потеря квантовых эффектов в микротрубочках имеет к сознанию или свободе воли.

Как вы уже поняли, меня не убедили рассуждения о микротрубочках. Тем не менее, меня заинтриговала связь, которую Роджер видит между сознанием и редукцией волновой функции.

"Если я могу резюмировать это, - предлагаю я, - вы говорите, что процесс квантового измерения - это пробел, который мы имеем в основах физики, и если понимание не является вычислением, то именно здесь оно должно появиться. Значит, процесс измерения зависит от человеческого сознания?"

"Вы должны читать это с правильной стороны", - говорит Роджер. "Многие люди в основах квантовой механики, включая Джона фон Неймана и Юджина Вигнера, придерживались мнения, что каким-то образом уменьшение состояния происходит, когда на него смотрит сознательное существо. Для меня это не имело особого смысла".

Он предлагает пример: "Представьте себе космический зонд, который отправляется изучать планеты. Космический зонд посещает планету, на которой нет ни одного сознательного существа, ни на этой планете, ни рядом с ней, и делает фотографию. Погода - это хаотическая система, которая в конечном итоге зависит от квантовых эффектов. Поэтому космический зонд видит суперпозицию различных видов погоды. Он делает снимок и отправляет его на Землю. Через не знаю сколько лет кто-то видит фотографию на экране. И когда это сознательное существо видит фотографию, переворачивает ее, вдруг она становится одной погодой? Для меня это абсолютно бессмысленно. Мне кажется, что это не совсем правильный ответ".

"Значит, дело не в том, что сознание вызывает сокращение волновой функции, а в том, что сокращение волновой функции играет определенную роль в сознании?"

"Да", - говорит Роджер. "И люди думали об этом не так. Я очень удивлен, что так мало людей думали об этом именно так. Идея в том, что в мозге что-то происходит. Микротрубочки, вероятно, играют определенную роль, но, возможно, не единственную. Вопрос в том, что именно побуждает состояние к коллапсу. Это должно быть что-то фундаментальное, и это должно быть что-то за пределами стандартной квантовой механики".

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Если сознание возникает на основе фундаментальных законов физики, которые мы уже знаем, то оно поддается вычислению. Однако обновление волновой функции в квантовой механике может свидетельствовать о том, что нам не хватает какой-то части истории, и эта недостающая часть может быть невычислимой. Если это так, то сознание также может быть невычислимым. Это не означает, что сознание вызывает обновление волновой функции; скорее наоборот: обновление волновой функции играет роль в осознании. Это весьма спекулятивно, и никакие доказательства не говорят в пользу этого, но в настоящее время это совместимо с тем, что мы знаем.

Глава 7. Была ли Вселенная создана для нас?

Представьте себе, что религий нет

При рождении мы не умеем ни ходить, ни фокусировать взгляд, ни даже задавать вопросы. По мере того как мы растем, наш мир расширяется. Мы исследуем кроватку, комнату, квартиру и ее балкон. Мы впервые отправляемся на детскую площадку. Школа, колледж, первый полет на самолете. Мы понимаем, что живем на планете, где проживает более семи миллиардов человек, и что конкретная культура, в которой мы выросли, - лишь одна из сотен. Планете Земля, как мы узнаем, миллиарды лет, современная цивилизация - лишь всплеск на линии времени, а точки на ночном небе - это другие звезды, некоторые из них целые галактики, во вселенной, которая вполне может быть бесконечно большой.

Изучение мира сопровождается осознанием нашей собственной незначительности, и наука сделала этот посыл еще более ярким. Вселенная велика, а мы - малы, всего лишь какие-то существа, ползающие по каменистой планете среднего размера, одной из примерно 100 миллиардов планет в одной из 200 миллиардов галактик видимой Вселенной. Мы в буквальном смысле не имеем никакого значения: большая часть материи во Вселенной - около 85 процентов - это темная материя, а не то, из чего мы состоим, и в любом случае, чего бы мы ни добились, в конце концов это будет уничтожено увеличением энтропии.

Одни находят утешение в этой незначительности, другие - тревогу. Они предпочли бы, чтобы люди играли более значимую роль. Конечно, наше существование должно что-то значить, настаивают они. Разве не странно, спрашивают они, что Вселенная такова, какова она есть, и мы можем быть такими, каковы мы есть? Разве в этом нет чего-то особенного?

Вопрос о том, является ли наша Вселенная особенно хорошо приспособленной для развития жизни, свидетельствует ли наше существование о присутствии разумного существа, которое все устроило "как надо", витает на границе между наукой и религией. Позицию, согласно которой Вселенная требует творца, занимают, например, философ и теолог Ричард Суинберн, а также астрофизики Джерейнт Льюис и Люк Барнс, которые утверждают, что их взгляды основаны на науке. Прямо противоположное мнение выдвинул Стивен Хокинг, согласно которому мы живем в мультивселенной, исключающей необходимость в творце.

Эти аргументы звучат как полная противоположность друг другу: один утверждает, что творец необходим, другой - что он не нужен. Тем не менее, они схожи в том, что оба являются ненаучными. Они оба постулируют существование вещей, которые не нужны для описания того, что мы наблюдаем.

Вопрос заключается в следующем. Известные на сегодняшний день законы природы содержат двадцать шесть констант. Мы не можем вычислить эти константы, мы просто определяем их значения путем измерений. Постоянная тонкой структуры (α) определяет силу электромагнитного поля. Постоянная Планка (ħ) говорит нам, когда квантовая механика становится актуальной. Постоянная Ньютона (G) определяет силу гравитации. Космологическая постоянная (Λ) определяет скорость расширения Вселенной. Затем массы элементарных частиц и так далее.

Теперь вы можете спросить: "Как выглядела бы Вселенная, в которой одна или несколько констант имели бы значения, немного отличающиеся от тех, которые мы измеряем?" Представьте, что Бог сидит перед большой панелью с ручками. На каждой ручке написано название константы. Озорно ухмыляясь, Бог поворачивает некоторые из ручек в сторону от тех значений, которые они имеют в нашей Вселенной. Внезапно люди исчезают.

Измените слишком много констант природы, и процессы, необходимые для жизни в том виде, в котором мы ее знаем, не смогут происходить, а мы не сможем существовать. Например, если бы космологическая постоянная была слишком большой, то галактики никогда бы не образовались. Если бы электромагнитные силы были слишком сильны, то ядерный синтез не смог бы зажечь звезды. Существует длинный список вычислений такого рода, но они не являются релевантной частью аргументации, поэтому я не хочу их перечислять.

Вместо этого позвольте мне перейти к самой важной части аргументации, которая выглядит следующим образом: Крайне маловероятно, чтобы эти константы просто случайно имели именно те значения, которые позволяют нам существовать. Поэтому Вселенная в том виде, в котором мы ее наблюдаем, требует объяснения - бога, который точно настроил эти константы. Если бога нет, то нам нужно другое объяснение. Как утверждается, одним из них является гипотеза мультивселенной. Если существует вселенная для любой возможной комбинации констант, рассуждают авторы, то, конечно, наша должна быть среди них, и это все объясняет.

Однако гипотеза мультивселенной ничего не объясняет. Хорошая научная гипотеза - это та, которая полезна для вычисления результатов измерений. Поэтому вы можете определить, насколько хороша гипотеза, просто посмотрев, действительно ли ученые - и успешно - используют ее для вычисления результатов измерений. Но никто не использует гипотезу Мультивселенной для вычисления чего-либо, представляющего практический интерес. А все потому, что для расчета результатов наблюдений в нашей Вселенной нужны значения этих констант. Простое заявление о том, что "они существуют", не помогает.

Когда физики все же пытаются провести расчеты с использованием мультивселенной, результаты (вернее, отсутствие результатов) могут быть просто уморительными. Для этих расчетов физики предполагают, что различные типы вселенных (различные значения констант) имеют определенные вероятности существования. Это называется распределением вероятностей. Например, распределение вероятностей для игральной кости равно 1⁄ 6 для каждой стороны.

Вероятность существования других вселенных не поддается измерению, потому что мы не можем измерить то, что не можем наблюдать, поэтому физики просто постулируют что-то. Если они затем попытаются вычислить вероятность какого-то наблюдения в нашей вселенной, это просто перефразирует то, что они постулировали, так что из этого ничего нельзя узнать - мусор внутри, мусор снаружи. Но это создает новую проблему, а именно: теперь они должны объяснить, какова вероятность того, что кто-то вообще что-то наблюдает в мультивселенной. И что значит "кто-то" во вселенной с другими законами природы?

Несколько лет назад, например, группа астрофизиков попыталась использовать гипотезу мультивселенной, чтобы выяснить, насколько вероятно, что галактики выглядят так, как они выглядят, и что космологическая постоянная такова, какова она есть. Для этого они использовали компьютерное моделирование, чтобы увидеть, как формируются галактики во вселенных с разными космологическими константами. Вот выдержка из статьи:

Мы можем задаться вопросом, считается ли любая сложная форма жизни наблюдателем (муравей?), или мы должны видеть доказательства коммуникации (дельфин?), или активного наблюдения за Вселенной в целом (астроном?).

Конечно, мы уже знали, что не все значения космологической постоянной совместимы с нашими наблюдениями, потому что эта постоянная определяет скорость расширения Вселенной, и если она расширяется слишком быстро, галактики разрываются на части. Конечно, приятно посмотреть, как это происходит в компьютерной симуляции, но рассуждения о дельфинах в мультивселенной не приносят новых открытий; они лишь добавляют произвольное, ненаблюдаемое распределение вероятностей по ненаблюдаемым вселенным. Авторы подробно останавливаются на своей загадке:

Что означало бы применение двух разных [распределений вероятностей] к этой модели, чтобы получить два разных предсказания? Как можно сделать так, чтобы все физические факты были одинаковыми, а предсказания модели в двух случаях были разными? О чем говорит [распределение вероятностей], если не о Вселенной? Неужели это всего лишь наше субъективное мнение? В таком случае вы можете избавить себя от необходимости вычислять вероятности, имея мнение непосредственно о вашей модели мультивселенной.

Действительно, вы можете избавить себя от этих хлопот. Это, должно быть, самая честная дискуссия в научной литературе за всю историю.

Итак, если мультивселенная не объясняет значения констант, значит ли это, что нам нужен создатель? Нет, этот вывод в равной степени антинаучен, потому что с научной точки зрения нет ничего, нуждающегося в объяснении. Аргумент "тонкая настройка" в пользу творца основывается на утверждении, что наблюдаемые нами значения констант маловероятны. Но нет никакого способа количественно оценить эту вероятность, потому что мы никогда не сможем измерить константу природы, которая имела бы значение, отличное от того, которое она имеет.

Чтобы определить вероятность, нужно собрать выборку данных. Это можно сделать, например, если бросать кости. Бросайте их достаточно часто, и вы получите эмпирически подтвержденное распределение вероятностей. Но у нас нет эмпирически подтвержденного распределения вероятностей для констант природы. И почему же? Потому что (барабаны, пожалуйста) они постоянны. Сказать, что единственное значение, которое мы когда-либо наблюдали, "маловероятно", - это бессмысленное с научной точки зрения заявление. У нас нет и никогда не будет данных, которые позволили бы нам количественно оценить вероятность того, что мы не можем наблюдать. Нет ничего количественно маловероятного, а значит, нет ничего, нуждающегося в объяснении.

Пример. Если вы вслепую потянетесь в сумку и вытащите лист бумаги с числом 77974806905273, воскликнете ли вы: "Вау, как удивительно маловероятно! Это требует объяснения"? Скорее всего, нет, потому что вы понятия не имеете, что еще находится в сумке. Насколько вам известно, в нем может быть триллион бумажек с тем же номером, ваш пропавший правый носок, черепахи, все это вместе взятое или вообще ничего. Если вы вытаскиваете только одно число, вы ничего не знаете о вероятности получить это число. То же самое касается констант природы. Мы вытащили один набор чисел, но это был наш единственный опыт. Мы понятия не имеем, было ли это вероятным или маловероятным, и никогда не узнаем.

Конечно, вы можете просто предположить распределение вероятностей для констант природы, чтобы аргумент о тонкой настройке работал, как это делается в случае с мультивселенной. Но это создает ту же проблему. Выводы о том, насколько вероятна или маловероятна наша Вселенная, будут просто возвращать то, что вы в них вкладываете. Существуют распределения вероятностей, согласно которым измеряемые нами константы маловероятны, и другие, согласно которым они вероятны. Просто люди, утверждающие, что наша Вселенная тонко настроена, не используют последние, потому что это не привело бы к нужному им выводу.

Проще говоря, утверждение, что константы природы точно настроены на жизнь, не является научно обоснованным аргументом, поскольку зависит от произвольных предположений. Хотя наука не исключает существования творца или мультивселенной, она также не требует их наличия.

Недавно я приняла участие в дебатах по вопросу о том, является ли Вселенная тонко настроенной, организованных одним из британских христианских институтов. Моим партнером по дискуссии был Люк Барнс, который утверждает, что значения констант природы требуют объяснения; он является одним из авторов книги 2016 года A Fortunate Universe: Life in a Finely Tuned Cosmos.

Я не предвкушала дебаты. Я убедилась, что спорить с верующими в тонкую настройку бесполезно. Они просто не заинтересованы в том, чтобы отделить научную часть своих аргументов от антинаучной. Кроме того, я ужасно неспонтанна. Если вы поставите меня в затруднительное положение, я не смогу найти ответы на самые очевидные вопросы. Черт, да я иногда неправильно произношу свое собственное имя. Полное раскрытие информации: главная причина, по которой я согласилась на эти дебаты, заключается в том, что за них заплатили.

Во время проведения дебатов, в начале 2021 года, Великобритания и Германия находились в изоляции из-за пандемии COVID, поэтому мероприятие проходило в режиме онлайн. Я звонила из Германии, Барнс - из Австралии, а наш ведущий оставался в Великобритании.

Барнс оказался крупнолицым мужчиной средних лет с полными волосами и большой бородой. Он расположился перед книжной полкой, на которой были выставлены его собственные книги. Поговорив с ним, я сразу поняла, что он - первоклассный астрофизик; он глубоко понимает свой материал, как наблюдения, так и теорию. И он сделал то, что делают многие физики в ответ на мою критику тонкой настройки: указал, что я использую частотную интерпретацию вероятности, а не байесовскую. Это верно - но я делаю это потому, что иначе утверждение о тонкой настройке даже не может быть сформулировано.

Видите ли, в частушечной интерпретации вероятности количественно определяют относительное число случайностей. Эту интерпретацию обычно преподают в школе, так что вы, вероятно, с ней знакомы. Частотные вероятности объективны; это утверждения о том, что произойдет. В байесовской интерпретации вероятности - это утверждения о вашем ожидании с учетом вашего предшествующего мнения (обычно называемого просто предшествующим). Эти вероятности по своей природе субъективны.

Таким образом, при использовании байесовской интерпретации аргумент о тонкой настройке сводится к словам: "Исходя из моего предварительного убеждения, что константы природы могли быть любыми, я удивлен, что они такие, какие есть". Но это не значит, что Вселенная хорошо настроена для жизни; это просто означает, что вы ожидали чего-то, а оказалось, что это не так. Большое дело. Утверждение "Исходя из моей прежней уверенности в том, что я мог проснуться кем угодно, я удивлен, что я человек" также не означает, что было вероятно, что вы проснетесь паразитирующим монстром. Скорее всего, вы слишком много читали Кафку.

Во время наших дебатов Люк Барнс с готовностью согласился с тем, что утверждение о том, что константы природы требуют объяснения, не является научным аргументом. Основываясь на своем прежнем убеждении, что ученые, как правило, не желают признавать ненаучные аргументы, я была удивлена.

Кстати, Томас Байес, в честь которого названы байесовские вероятности, был пресвитерианским священником в Англии XVIII века. Как ни странно, первым известным применением вероятностного исчисления Байеса стала попытка доказать, что Бог существует. Доказательство не убедило никого, кто не был уже убежден, но некоторые идеи, похоже, не теряют своей актуальности.

Живем ли мы в лучшем из всех возможных миров?

Когда в средней школе меня познакомили с физикой, она мне не понравилась. Это был поток уравнений, связанных с переменными, значение которых я постоянно забывала, а единственной целью дисциплины, казалось, было преобразование этих уравнений в новые формы. Разве не существует какого-то минимального набора уравнений, хотела я знать, из которого можно вывести все остальные? И если это так, то почему нас учат всему этому беспорядку?

В ответ мне сказали, что теория всего - это почти наверняка несбыточная мечта. Даже Эйнштейну не удалось ее найти, и беспорядок остался, по крайней мере пока, - а вот и домашнее задание на эту неделю.

На самом деле мне нужна была не теория всего; я просто надеялась, что мы сможем закончить несколько лет физики за месяц и покончить с этим. Но теперь, когда вы это сказали, я подумала, что теория всего звучит как хорошая идея.

Беспорядок сохранялся на протяжении всего моего школьного образования. Но большая его часть внезапно исчезла в первом семестре университетской физики, когда был введен принцип наименьшего действия. Это было откровением: ведь действительно существует процедура получения всех этих уравнений! Почему мне никто не сказал?

Сегодня я думаю, что принцип наименьшего действия не преподают в школе, потому что тогда все пошли бы изучать физику. Итак, предупреждая, что вы можете попасться на крючок, вот как это работает.

Для каждой системы, которую вы хотите описать (скажем, качающийся маятник), существует функция, называемая действием (обычно обозначается S), которая принимает наименьшее возможное значение для того поведения системы, которое реально реализуется в природе. То есть, если вы рассмотрите все возможные действия системы и вычислите действие для каждого из них, то в действительности вы будете наблюдать случай с минимальным действием. Это не означает, что система (маятник) на самом деле пробует все возможные движения; просто наблюдаемое вами движение - это движение с наименьшим действием.

Принцип наименьшего действия был предложен в XVII веке Пьером де Ферма, который обнаружил, что путь, пройденный лучом света через среду, требует наименьшего количества времени. Но на самом деле это гораздо более общий принцип. Требование, чтобы действие принимало минимальное значение, приводит к закону эволюции. Вы выбираете начальные условия, а затем вам остается "только" решить уравнения.

Действие здесь не имеет ничего общего с действием в боевиках. Оно просто подтверждает идею Готфрида Вильгельма Лейбница о том, что мы живем в "лучшем из всех возможных миров". Нужно только сказать Богу, что лучший - это значит свести действие к минимуму. Но что это за таинственная величина - действие?

В первом семестре физики есть действие для маятника, одно для броска камня, одно для орбит планет - вы поняли идею. Итак, у вас есть рецепт для вычисления того, что делает система, но все равно есть все эти различные действия.

Однако эти действия отличаются не потому, что физика разная, а потому, что системы разные. Они могут быть по-разному устроены, или вы можете описывать их на разных уровнях разрешения. Помните, у нас есть все эти эффективные теории.

Если вы, например, бросаете камень, то обычно предполагаете, что гравитационное поле постоянно в вертикальном направлении. Это хорошее приближение, но, строго говоря, неверное. Лучшее приближение состоит в том, что гравитационное поле Земли сферически симметрично и убывает с обратным квадратом расстояния до центра Земли. Еще лучшее приближение - использовать точное распределение материи, из которой состоит наша планета, и рассчитать гравитационное поле на его основе.

Поэтому вместо того, чтобы использовать действие, которое предполагает наличие гравитационного поля, вы можете добавить к действию член, минимальный для гравитационного поля, и тогда принцип наименьшего действия позволит вам рассчитать и движение камня, и гравитационное поле. И если вы это сделаете, то планетарные орбиты и бросание камня станут практически одним и тем же, за исключением начального условия, в котором вы указываете, какая материя где находится и какова ее начальная скорость.

Это при условии, что вы пренебрегаете трением воздуха, которое есть у камня, но нет у планеты, обращающейся вокруг Солнца. Поэтому для камня вам придется также учитывать взаимодействие молекул камня с молекулами воздуха и взаимодействие молекул воздуха с самими собой. И тут вы начнете замечать то, что мы уже видели ранее: как только вы переходите к взаимодействиям на атомных масштабах, вы уже не можете игнорировать квантовую механику.

В квантовой механике принцип наименьшего действия работает немного по-другому. Согласно подходу, основанному Ричардом Фейнманом, квантово-механическая система движется не только по пути наименьшего действия, но и по всем возможным путям. Каждый путь вносит свой вклад в так называемую амплитуду системы, а абсолютный квадрат амплитуды дает вероятность того, что система окажется в определенной конечной точке.

Поскольку вклады путей в амплитуду не обязательно имеют положительные значения, они могут аннулировать друг друга. Это приводит к странному выводу: если частица может добраться до точки двумя путями, а не одним, она может никогда туда не попасть. Однако самое приятное в интегралах пути то, что метод переносится в стандартную модель физики частиц, но для этого мы должны учесть все взаимодействия, которые частицы могут совершить по пути, например, создать пары других частиц, которые затем снова исчезнут.

С помощью интеграла пути можно продолжать двигаться к более коротким масштабам расстояний, и в конце концов все сводится к двадцати пяти элементарным частицам и четырем силам: электромагнетизму, сильным и слабым ядерным силам и гравитации. Первые три силы обладают квантовыми свойствами. Физикам пока не удалось превратить гравитацию в квантовую теорию.

Если бы я могла назвать самый красивый, самый мощный и самый объединяющий принцип, то это был бы принцип наименьшего действия. Но, черт возьми, у нас все еще есть эти двадцать шесть констант! Неужели мы не можем найти более простое описание Вселенной? Может быть, такое, чтобы обойтись всего шестью константами? Или вообще без констант?

Физики, конечно, пытались. Они выдвинули множество подходов к единым теориям, в которых вычисляют некоторые из этих констант из других предположений или, по крайней мере, предсказывают две из них на основе одного общего принципа. Было немало попыток, например, предсказать количество темной материи вместе с количеством темной энергии или найти закономерности в массах элементарных частиц. Проблема этих идей в том, что до сих пор они были сложнее, чем просто запись констант. Им не хватает объяснительной силы.

Действительно, теории мультивселенных можно интерпретировать и как попытки сократить число констант. Если бы распределение вероятностей по различным вселенным позволило нам вычислить наблюдаемые константы как наиболее вероятные значения и если бы распределение вероятностей было проще, чем просто постулирование самих констант, это было бы улучшением по сравнению с нынешними теориями. Однако если бы это было возможно, можно было бы просто взять распределение вероятностей в качестве уравнения, из которого можно было бы определить константы. Другие вселенные все равно не понадобятся. Как бы то ни было, до сих пор никому не удалось придумать ничего проще этих двадцати шести констант.

Особенно спорной попыткой объяснить константы природы является сильный антропный принцип, который утверждает, что константы таковы, каковы они есть, потому что во Вселенной возникла жизнь. Большинство ученых отвергают эту идею, но я считаю, что над ней стоит задуматься.

Для начала, правда, нужно отличить сильный антропный принцип от слабого антропного принципа. Последний гласит, что константы природы должны допускать существование жизни, иначе мы бы здесь не разговаривали о ней. Слабый антропный принцип - это всего лишь наблюдательное ограничение для наших теорий. Это звучит забавно, потому что наблюдение, которое используется для ограничения теорий, является самореферентным, а точнее, факт, что мы вообще здесь для того, чтобы делать наблюдения. Но в остальном это стандартная научная аргументация. Например, вы можете использовать наблюдение, что вы все еще читаете эту книгу, чтобы сделать вывод, что в воздухе вокруг вас есть кислород. Это слабое антропное ограничение, хотя и не совсем новаторское.

Но слабые антропные ограничения могут быть полезны. Фред Хойл, например, знаменито использовал тот факт, что жизнь на Земле основана на углероде, чтобы сделать вывод, что весь углерод должен был откуда-то взяться. Это привело его к выводу, что ядерный синтез в звездах должен работать не так, как считали физики того времени. Он оказался прав.

Сильный антропный принцип, однако, выдвигает гораздо более серьезное утверждение: существование жизни сегодня является причиной того, что Вселенная устроена именно так, а не иначе. Жизнь не просто ограничивает константы, она их объясняет. По крайней мере, такова идея.

Мы уже знаем, что сильный антропный принцип, принятый за чистую монету, неверен. Это потому, что физики нашли несколько способов, с помощью которых константы природы могут существенно отличаться друг от друга и при этом порождать химию, достаточно сложную для возникновения жизни. Конечно, физики не могут рассчитать структуры вплоть до биологии, поэтому, строго говоря, они не показали, что жизнь возможна при других константах природы. Но вполне правдоподобно, что химия, столь же сложная, как и наша, может породить структуры, столь же сложные, как и мы сами. Недавним контрпримером сильного антропного принципа является то, что процесс ядерного синтеза, который, по мнению Хойла, должен существовать, потому что нам нужен весь этот углерод, не является необходимым для жизни. Существуют различные значения фундаментальных констант, позволяющие осуществлять другие процессы синтеза, которые также производят углерод. Для эволюции жизни результат этих других процессов практически неотличим от версии Хойла, потому что для клеток не имеет значения, как был получен необходимый им углерод. Я оставляю вам ссылки на некоторые другие примеры в примечаниях.

Но гораздо большая проблема с сильным антропным принципом заключается в том, что трудно понять, как он вообще может иметь объяснительную силу. Это практическая проблема: жизнь трудно определить, еще труднее ее количественно измерить, и поэтому вы не можете ничего вычислить из утверждения "Вселенная содержит жизнь". Эти двадцать шесть констант и их уравнения значительно проще. Физика вперед!

Однако в связи с этим возникает вопрос, не существует ли другого, более простого критерия, которому соответствует наша Вселенная и который оптимален именно для тех значений констант, которые мы наблюдаем, и никаких других. Такая функция позволила бы количественно определить, в каком именно смысле наша Вселенная является "лучшим из всех возможных миров", и это позволило бы нам вычислить константы.

Каким может быть такой критерий? Одна из идей, выдвинутая Ли Смолиным в его теории космологического естественного отбора, заключается в том, что наша Вселенная действительно хороша в создании черных дыр. Согласно Смолину, черные дыры создают внутри себя новые вселенные, а новые вселенные случайным образом получают новые константы природы. Если вселенные могут размножаться и порождать новые комбинации констант, то, в конечном счете, наиболее вероятными вселенными являются те, которые производят наибольшее количество потомства, то есть создают наибольшее количество черных дыр.

Предположения о том, что (а) черные дыры порождают новые вселенные и что (б) константы природы могут меняться в этом процессе, являются в высшей степени спекулятивными и не подтверждаются ни нашими современными теориями, ни фактическими данными. Но нам не нужны эти предположения. Вместо этого мы можем рассматривать количество черных дыр как функцию, которая количественно определяет, насколько хороша наша Вселенная. Является ли наша Вселенная с ее двадцатью шестью константами "лучшей" для образования черных дыр?

Давайте вкратце рассмотрим, как это работает. Большинство черных дыр образуются в результате звездного коллапса, но для образования черной дыры звезда должна быть достаточно массивной. Наше Солнце, например, не может образовать черную дыру, потому что оно слишком маленькое (скорее всего, оно станет красным гигантом). Это означает, что количество черных дыр зависит от того, насколько эффективно массивные звезды образуются из водородных облаков, которые оставила после себя горячая плазма ранней Вселенной.

Простое изменение силы гравитации не меняет количество черных дыр; оно меняет среднюю массу звезд, но не долю этих звезд, которые коллапсируют в черные дыры. А как насчет космологической постоянной? Если мы изменим ее, что произойдет с количеством черных дыр?

Как мы видели ранее, если космологическая постоянная увеличивается, Вселенная расширяется быстрее, и это затрудняет формирование галактик. Большинство звездообразований происходит в галактиках, поэтому, если бы космологическая постоянная была больше, у нас было бы меньше звезд, а значит, и меньше черных дыр. С другой стороны, если бы космологическая постоянная была меньше, Вселенная расширялась бы медленнее, и галактики чаще сливались бы. При таких слияниях газ, из которого образуются звезды, распределяется в более крупных галактиках. Это делает звездообразование менее эффективным, и мы снова получаем меньше звезд, а затем и меньше черных дыр. Наша космологическая постоянная кажется "лучшей" для образования черных дыр.

Смолин выдвинул аналогичные аргументы для нескольких других констант природы, показав, что если изменить их значения в сторону уменьшения, то количество черных дыр уменьшится. Надо сказать, что для такой простой идеи это работает удивительно хорошо. Но эта процедура также демонстрирует ограниченность подхода. Мы не знаем, как просто записать "количество черных дыр во Вселенной", поэтому не можем вычислить по нему константы природы. Мы можем лишь посмотреть, что произойдет, если мы изменим одну из этих констант за один раз. В итоге нам лучше просто постулировать константы природы.

Повторяющаяся связанная с этим идея - использовать рост сложности как свойство, в котором наша вселенная "лучше всех" себя проявляет. Но, как и в случае с "жизнью", проблема в том, что "сложность" - это расплывчатый критерий, и никто в настоящее время не знает, как его количественно определить. Лучшая идея, которую я слышала до сих пор, принадлежит Дэвиду Дойчу, который предположил, что законы природы таковы, что они порождают определенные типы компьютеров. Это хорошая идея, потому что ее можно сделать формально точной, и мне любопытно посмотреть, что из этого получится.

Эти идеи объединяет то, что для поиска лучших описаний природы они не идут по проторенному пути редукционизма: к сокращению расстояния. Вместо этого они отделяют онтологический редукционизм от теоретического редукционизма, полагая, что лучшая теория может быть найдена на больших масштабах. Я думаю, что это изменение направления имеет большие перспективы. Это единственный известный мне подход, который может позволить нам преодолеть проблему начальных условий, о которой я говорила в главе 2.

Узнаем ли мы все когда-нибудь?

Физики, безусловно, умеют придумывать фантазийную номенклатуру: много миров, черные дыры, темная материя, червоточины, великое объединение и Большой взрыв. Теория всего - еще один из таких образных терминов. Предполагаемая теория всего наконец-то объяснит все - элементарные частицы, силы между ними и константы природы - и не оставит больше вопросов. Это была бы новая и улучшенная фундаментальная формула, объединяющая стандартную модель физики частиц и общую относительность Эйнштейна в одно гармоничное целое.

Однако такая теория всего, если она существует, не объяснит всего. Потому что, как мы уже говорили в главе 4, в большинстве областей науки эмерджентные (эффективные) теории являются лучшими объяснениями. Поэтому, если мы когда-нибудь найдем теорию всего, мы можем закрыть кафедру физики частиц, но продолжим заниматься материаловедением и биомедициной.

Закрытие кафедры физики частиц, возможно, стоит того. Но существует ли такая теория, которая не оставляет вопросов без ответа?

Ну, один из способов получить теорию, которая отвечает на все наши вопросы, - это перестать задавать вопросы. Я шучу лишь отчасти. Если бы мы перестали заниматься наукой два столетия назад и просто на этом остановились, физики частиц не спрашивали бы сейчас, почему масса бозона Хиггса такая, какая она есть. Я не хочу сказать, что это было бы хорошим решением; я просто хочу проиллюстрировать, что объясняет ли теория "все", зависит от того, как много мы знаем и хотим знать о природе. Если бы у нас была теория, которая объясняет все сегодня, мы никогда не были бы уверены, что она будет объяснять все и завтра.

Даже если оставить в стороне вероятность того, что будущие открытия могут заставить нас однажды пересмотреть любую предполагаемую теорию всего, идея о том, что теория отвечает на все вопросы, сама по себе несовместима с наукой. Наука требует, чтобы мы формулировали различные гипотезы о том, как устроена природа. Мы оставляем те из них, которые согласуются с наблюдениями, и отбрасываем остальные. Тем не менее, существует множество теорий, "единственная" проблема которых заключается в том, что они не описывают то, что мы наблюдаем.

Возьмем, к примеру, теорию о том, что Вселенная - это идеальная, пустая, двумерная сфера. Вы скажете, что это не такая уж и теория, и я соглашусь. Но в чем ее проблема? Дело не в том, что в теории самой по себе что-то не так - в ней нет ничего такого, что могло бы быть неправильным. Просто она не описывает то, что мы наблюдаем. Она не имеет ничего общего с той Вселенной, в которой мы живем.

Таких непротиворечивых теорий, не описывающих то, что мы наблюдаем, бесконечно много, но и одной достаточно, чтобы увидеть проблему: нам нужно требование, чтобы теория объясняла наблюдения, чтобы выбрать одну теорию вместо других. А это значит, что даже самая лучшая теория, та, что обладает наибольшей объяснительной силой, будет отвечать на некоторые вопросы просто "потому что она объясняет то, что мы наблюдаем". Без этого мы не сможем избавиться от всех остальных красивых, простых и последовательных, но эмпирически неадекватных теорий.

По-другому это можно выразить так: мы не можем построить конкретную теорию для нашей конкретной вселенной из неконкретной математики. Есть много математики, которая просто не описывает то, что мы видим. Мы выбираем некоторые из них просто потому, что они работают. Поэтому даже если бы у нас была теория всего, наука сама по себе никогда не объяснит, почему именно эта теория является единственной.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

У нас нет причин думать, что Вселенная была создана специально для нас или для жизни в целом. Однако возможно, что в наших нынешних теориях не хватает чего-то существенного в том, как законы природы порождают сложность в нашей Вселенной. Может быть, тот факт, что этот рост вообще возможен, однажды приведет к лучшим объяснениям, идущим вразрез с редукционизмом. Тем не менее, ни одна научная теория никогда не сможет ответить на все вопросы. Потому что для того, чтобы быть научной, она должна быть выбрана по успешности объяснения наблюдений, но тогда на некоторые вопросы она обязательно ответит "потому что она объясняет то, что мы наблюдаем".

Глава 8. Думает ли Вселенная?

Размер имеет значение

Согласно последним наблюдениям космического телескопа "Хаббл", в нашей Вселенной насчитывается не менее 200 миллиардов галактик. Эти галактики распределены неравномерно - под действием гравитации они собираются в скопления, а скопления образуют суперкластеры. Между этими скоплениями галактики разных размеров выстраиваются в тонкие нити - галактические филаменты, длина которых может составлять несколько сотен миллионов световых лет. Галактические скопления и нити окружены пустотами, в которых содержится очень мало материи. В целом космическая паутина напоминает человеческий мозг (рис. 13).

Если быть более точным, распределение материи во Вселенной немного похоже на коннектомы - сети нервных связей в человеческом мозге. Нейроны в человеческом мозге тоже образуют скопления, а соединяются они аксонами - длинными нервными волокнами, по которым электрохимические импульсы передаются от одного нейрона к другому.

Сходство между человеческим мозгом и Вселенной не совсем поверхностное: оно было тщательно проанализировано в исследовании 2020 года итальянскими учеными Франко Вацца (астрофизик) и Альберто Фелетти (нейробиолог). Они подсчитали, сколько структур разного размера есть в коннектоме и в космической паутине, и отметили "поразительное сходство". Образцы мозга в масштабах менее 1 миллиметра и распределение материи во Вселенной до 300 миллионов световых лет, по их мнению, структурно похожи. Они также отмечают, что, что "поразительно", примерно три четверти мозга составляет вода, что сопоставимо с тремя четвертями вселенского бюджета материи-энергии, который представляет собой темную энергию. В обоих случаях, отмечают авторы, эти три четверти в основном инертны.

Может ли быть так, что Вселенная - это гигантский мозг, в котором наша галактика - всего лишь один нейрон? Может быть, мы наблюдаем за ее саморефлексией, пока занимаемся своими собственными мыслями? К сожалению, эта идея противоречит физике. Тем не менее, на нее стоит обратить внимание, потому что понимание того, почему Вселенная не может думать, преподносит интересный урок о законах природы. Кроме того, оно подсказывает нам, что нужно сделать, чтобы Вселенная могла думать.

В двух словах, Вселенная не может думать, потому что она слишком велика. Помните, что Эйнштейн учил нас, что абсолютного покоя не существует, поэтому мы можем говорить о скорости одного объекта только относительно другого. С размерами дело обстоит иначе. Важны не только относительные размеры. Именно абсолютные размеры определяют, что может сделать объект.

Возьмем, к примеру, атом и Солнечную систему. На первый взгляд, между ними много общего. В атоме отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженному ядру под действием электрической силы. Величина этой силы примерно соответствует известному закону 1/R в квадрате, где R - расстояние между электроном и ядром. В солнечной системе планета притягивается к своему солнцу гравитационной силой. Строго говоря, это описывается общей теорией относительности, но гравитация солнца может быть хорошо аппроксимирована законом Ньютона 1/R в квадрате, где R - расстояние между планетой и солнцем. В этом отношении атомы и солнечные системы действительно очень похожи. Действительно, именно так многие физики думали об атомах в начале двадцатого века; в основном так работает модель Резерфорда-Бора 1913 года.

Но сегодня мы знаем, что атомы - это не маленькие солнечные системы (рис. 14). Электроны - это не маленькие шарики, вращающиеся вокруг ядра; они обладают ярко выраженными квантовыми свойствами и должны описываться волновыми функциями. Положение электрона в атоме крайне неопределенно, и его вероятностное распределение представляет собой диффузное облако, которое принимает симметричные формы, называемые орбиталями. Энергия электронов на орбиталях поступает в виде дискретных шагов - она квантована. Это квантование приводит к закономерностям, которые мы находим в периодической таблице.

В солнечных системах этого не происходит. Планеты в солнечных системах могут находиться на любом расстоянии от Солнца. Они не являются пушистыми распределениями вероятности, орбиты не квантованы, и не существует периодической таблицы солнечных систем. Откуда берется это различие?

Главная причина, по которой солнечные системы отличаются от атомов, заключается в том, что атомы меньше, а их составляющие легче. Благодаря квантовой механике все - как малые частицы, так и крупные объекты - обладает внутренней неопределенностью, неустранимой размытостью положения. Типичная квантовая нечеткость электрона (его комптоновская длина волны) составляет около 2 × 10 в -12 степени метров. Это аналогично размеру атома водорода, который составляет около 5 × 10 в -11 степени метров. То, что эти размеры сопоставимы, объясняет, почему квантовые эффекты играют большую роль в атомах. Но если посмотреть на типичную квантовую неопределенность планеты Земля, то она составляет около 10 в -66 степени метров и совершенно ничтожна по сравнению с расстоянием нашей планеты от Солнца, которое составляет около 150 миллионов километров (93 миллиона миль). Физические свойства - размер и масса - имеют реальное значение. Увеличение масштаба атома не даст нам Солнечной системы. Просто природа так не работает. Говоря техническим языком, законы не являются масштабно-инвариантными.

Почему законы природы не являются масштабно-инвариантными? Все дело в двадцати шести константах. Они определяют, какие физические процессы важны в тех или иных масштабах, а каждый масштаб отличается от другого.

Мы видим, как эта зависимость физики от масштаба проявляется в биологии. Для мелких животных, таких как насекомые, силы трения (возникающие при контактном взаимодействии) гораздо важнее, чем для крупных животных, таких как мы. Именно поэтому муравьи могут ползать по стенам, а птицы - летать, в то время как мы не можем. Мы просто слишком тяжелые. Муравей размером с человека и весом с человека был бы эволюционной катастрофой - и все равно не смог бы ползать по стенам. Дело не в форме, которая позволяет маленьким животным совершать такие подвиги, а в том, что им не приходится так сильно бороться с гравитацией.

Итак, давайте посмотрим, насколько Вселенная похожа на мозг, не забывая о том, что эти константы природы имеют значение.

Вселенная расширяется, и ее расширение ускоряется. Скорость расширения определяется космологической постоянной, которая представляет собой простейший тип темной энергии. Мозг, напротив, обычно не расширяется, разве что метафорически, и он также не расширяется вместе со Вселенной: мозг удерживается вместе электромагнитными и ядерными силами, которые гораздо сильнее, чем притяжение, оказываемое космологическим расширением. Даже сами галактики удерживаются вместе своим собственным гравитационным притяжением и не расширяются вместе со Вселенной. Только где-то между расстояниями между скоплениями и нитями галактик расширение Вселенной побеждает и растягивает галактическую паутину.

Так что если бы скопления галактик были нейронами Вселенной, то они разлетались бы друг от друга со все возрастающей относительной скоростью - и так происходит уже несколько миллиардов лет. Темная энергия может быть "инертной", как пишут Вацца и Фелетти в своей статье, но она играет важную роль в структуре Вселенной. И хотя доля темной энергии во Вселенной подобна доле воды в мозге, вода не расширяет мозг. (А если и расширяет, то это плохая новость).

Другая константа, которая существенно отличает Вселенную от мозга, - это скорость света. Нейроны в человеческом мозге посылают от 5 до 50 сигналов в секунду. Большинство этих сигналов (80 процентов) передаются на короткие расстояния, всего на 1 миллиметр, но около 20 процентов - на длинные расстояния, соединяя разные части мозга. Чтобы мыслить, нам нужны и те, и другие. Сигналы в нашем мозге проходят со скоростью 100 метров в секунду (225 миль в час), что в миллион раз медленнее скорости света. Прежде чем вы решите, что это очень медленно, позвольте мне добавить, что болевые сигналы проходят еще медленнее, со скоростью всего около 1 метра в секунду. Недавно я ударилась пальцем ноги о дверь, когда случайно посмотрела на свою ногу. Я успел подумать: "Сейчас будет больно", - прежде чем поступил сигнал о боли.

Возможно, наша Вселенная умнее Эйнштейна и придумала способ передавать сигналы быстрее света. Но давайте пока отбросим подобные домыслы и обратимся к устоявшейся физике. Диаметр Вселенной сейчас составляет около 90 миллиардов световых лет. Это означает, что если одна сторона гипотетической вселенной-мозга захочет обратить внимание на другую ее сторону, то на эту "мысль" уйдет не менее 90 миллиардов лет. Отправка одного сигнала в ближайшее к нам скопление галактик/нейрон (группа M81) заняла бы около 11 миллионов лет даже при скорости света. Максимум, что может быть, - это тысяча обменов между ближайшими нейронами за все время существования Вселенной. Если оставить в стороне дальние связи, то это примерно столько же, сколько наш мозг делает за три минуты. И способность Вселенной соединяться с самой собой уменьшается по мере ее расширения, так что дальше все пойдет по накатанной.

В итоге, если Вселенная и думает, то не очень много. Количество размышлений, которые Вселенная могла бы совершить с момента своего появления, ограничено ее огромным размером, а размер имеет значение. Физика просто не работает. Если вы хотите много думать, то лучше, чтобы все было маленьким и компактным.

Остается вопрос, может ли вся Вселенная быть связана между собой каким-то непонятным нам способом, позволяющим ей преодолеть ограничение скорости света и совершить нечто значительное. Такие связи часто приписывают запутанности в квантовой механике - нелокальной квантовой связи, которая может преодолевать большие расстояния.

Запутанные частицы обладают общим измеряемым свойством, но мы не знаем, какая частица обладает этим свойством, пока не измерим его. Предположим, у вас есть большая частица, энергия которой вам известна. Она распадается на две меньшие частицы: одна летит влево, другая - вправо. Вы знаете, что полная энергия должна сохраняться, но вы не знаете, кто из продуктов распада какую долю имеет - они запутаны: информация о полной энергии распределена между ними. Согласно квантовой механике, какая из малых частиц обладает той или иной долей общей энергии, можно определить только после того, как вы проведете измерение. Но как только вы измерили долю энергии одной из малых частиц, доля энергии другой малой частицы, которая тем временем может находиться далеко, также будет определена, причем немедленно.

Это действительно похоже на то, что можно использовать для передачи сигналов быстрее света. Однако при таком измерении нельзя передать никакой информации, потому что результат является случайным. Экспериментатор, измеряющий одну из частиц, не может быть уверен, что получит определенный результат, поэтому у него нет механизма, с помощью которого он мог бы передать информацию другой частице.

Идея о том, что запутанность - это мгновенная связь на больших расстояниях, - благодатная почва для научных мифов. Два года назад я участвовала в дискуссии вместе с другим автором, который недавно опубликовал книгу о динозаврах, просто потому, что, как я полагаю, раздел палеонтологии находится рядом с физикой. Ведущий в своей лучшей попытке перейти от динозавров к квантовой механике спросил меня, могли ли динозавры быть связаны во всей Вселенной с метеоритом, который предрек им гибель.

Этот переход заслуживает премии, но если посмотреть на физику, то идея не имеет смысла. Во-первых, как мы уже говорили, квантовые эффекты невероятно быстро стираются для таких крупных объектов, как мы с вами, динозавры и метеориты. На самом деле, вы можете развенчать 99 процентов квантовой псевдонауки, просто помня о том, что квантовые эффекты невероятно хрупки. Вы можете лечить болезни с помощью квантовой запутанности так же, как вы можете строить дома из воздуха, и вы также не можете использовать запутанность для объяснения гибели динозавров.

Что еще более важно, запутанность в квантовой механике часто представляется гораздо более загадочной, чем она есть на самом деле. Хотя запутанность действительно нелокальна, она все же создается локально. Если я разломаю печенье и дам вам одну половинку, то эти две половинки будут нелокально коррелировать, потому что линии их разлома совпадают, хотя они пространственно разделены. Запутанность - это такая же нелокальная корреляция, но она количественно сильнее, чем корреляция печенья.

Я не хочу преуменьшать значимость запутанности. То, что квантовые корреляции отличаются от своих неквантовых аналогов, объясняет, почему квантовые компьютеры могут выполнять некоторые вычисления быстрее, чем обычные. Но причина этого вычислительного преимущества не в том, что квантовые корреляции нелокальны, а в том, что запутанные частицы могут делать несколько вещей одновременно (с предупреждением, что это словесное описание математики, которая не имеет хорошего словесного описания).

Я считаю, что основная причина, по которой многие люди думают, что запутанность - это то, что делает квантовую механику "странной", заключается в том, что она почти всегда вводится вместе с эйнштейновской цитатой "spooky action at a distance". Эйнштейн действительно использовал эту фразу (или ее немецкий перевод, "spukhafte Fernwirkung") для обозначения квантовой механики. Но он не использовал ее для обозначения запутанности. Вместо этого он имел в виду уменьшение волновой функции. И это действительно нелокально - если вы считаете это физическим процессом.

Сегодня большинство физиков не считают уменьшение волновой функции физическим явлением, но мы не знаем наверняка, что происходит. Как отметил Пенроуз, это пробел в нашем понимании природы. И это лишь одна из причин, по которой физики в последние десятилетия стали рассматривать идею добросовестной нелокальности, не просто нелокальной запутанности, а реальных нелокальных связей в пространстве-времени, через которые информация может быть передана на большие расстояния мгновенно, быстрее скорости света.

Это не обязательно противоречит теориям Эйнштейна. Специальная и общая теории относительности Эйнштейна не запрещают движение быстрее света как таковое. Скорее, они запрещают ускорять что-либо от скорости ниже скорости света до скорости выше скорости света, потому что для этого потребуется бесконечная энергия. Таким образом, скорость света - это барьер, а не предел.

Кроме того, движение быстрее света или передача сигнала не обязательно приводят к парадоксам причинности - таким, когда кто-то путешествует в прошлое, убивает собственного дедушку, а сам никогда не рождается и поэтому не может путешествовать в прошлое. Такие парадоксы причинности могут возникать в специальной теории относительности, когда возможны путешествия со скоростью света, потому что объект, который движется быстрее света для одного наблюдателя, может выглядеть так, как будто он возвращается назад во времени для другого наблюдателя. Таким образом, в специальной теории относительности вы всегда получаете оба варианта: движение быстрее света и движение назад во времени, и это открывает дверь для парадоксов причинности.

В общей теории относительности, однако, проблемы с причинностью возникнуть не могут, потому что Вселенная расширяется, и это фиксирует одно направление времени как прямое. Это направление вперед-время связано с направлением вперед-время от увеличения энтропии. Точное соотношение между ними пока неясно, но это не столь важно. Важно лишь то, что Вселенная, по всей видимости, имеет направление вперед во времени. По этой причине нелокальность и передача сигналов быстрее света не противоречат принципам Эйнштейна и не обязательно нефизичны.

Напротив, если бы они существовали, это могло бы решить некоторые проблемы в существующих теориях - например, проблему того, что информация, похоже, теряется в черных дырах, что создает несоответствие с квантовой механикой (см. главу 2). Горизонт черной дыры задерживает свет и все, что медленнее света, но нелокальные связи могут пересекать горизонт. С их помощью информация может улетучиться, и проблема решена. Некоторые физики также предположили, что темная материя на самом деле является ошибочным утверждением. Возможно, существует только обычная материя, гравитационное притяжение которой умножается и распространяется благодаря нелокальным связям в пространстве-времени.

Это спекулятивные идеи без эмпирической поддержки, и я не могу сказать, что я в восторге от них. Я упоминаю их только для того, чтобы продемонстрировать, что нелокальные связи, охватывающие Вселенную, серьезно рассматривались физиками. Они, конечно, надуманные, но не очевидно ошибочные.

Откуда могут взяться такие нелокальные связи? Одна из возможностей заключается в том, что они остались после геометрогенеза. Как мы кратко обсуждали в главе 2, геометрогенез - это идея о том, что Вселенная в основе своей представляет собой сеть, которая лишь приближенно соответствует гладкому пространству теорий Эйнштейна. Однако, когда геометрия пространства-времени создавалась из сети в ранней Вселенной, в ней могли остаться дефекты. Это означает, что, как отметили Фотини Маркопулу и Ли Смолин в 2007 году, сегодня пространство было бы усеяно нелокальными связями (рис. 15).

Вы можете думать об этих нелокальных связях как о крошечных червоточинах, коротких путях, соединяющих два обычно удаленных друг от друга места. Эти нелокальные связи были бы слишком малы для нас или даже элементарных частиц, чтобы пройти через них. Их диаметр составил бы всего 10 в -35 степени метров. Но они бы плотно соединяли геометрию Вселенной с самой собой. И таких связей было бы очень много. По оценкам Маркопулу и Смолина, наша Вселенная содержит около 10 в 360 степени таких связей. Для сравнения, в человеческом мозге их всего 10 в 15 степени. А поскольку эти связи в любом случае нелокальны, то не имеет значения, что они расширяются в пространстве.

У меня нет особых причин думать, что эти нелокальные связи существуют на самом деле или что, если бы они существовали, они действительно позволили бы Вселенной мыслить. Но я не могу исключить и такую возможность. Как бы безумно это ни звучало, идея о том, что Вселенная разумна, согласуется со всем, что мы знаем на данный момент.

Есть ли Вселенная в каждой частице?

В предыдущем разделе мы увидели, что законы природы не являются безмасштабными, то есть физические процессы меняются в зависимости от размера объектов. Но существует более слабая форма безмасштабности, с которой вы, возможно, знакомы: фракталы. Возьмем, к примеру, снежинку Коха. Она образуется путем добавления меньших равносторонних треугольников к равносторонним треугольникам, как показано на рисунке 16a. Фигура, которую вы получите, если будете продолжать добавлять треугольники бесконечно, является фракталом; площадь конечна, но длина периметра бесконечна.

Снежинка Коха не является безмасштабной: она меняется, если вы увеличиваете один из ее углов. Но при правильном масштабировании узор будет повторяться в точности (рис. 16b). Если продолжать увеличивать масштаб, он будет повторяться снова и снова. Мы говорим, что снежинка Коха обладает дискретной масштабной инвариантностью. Узор повторяется только при определенных значениях масштаба, а не при всех. Если наша вселенная не свободна от масштаба, то может ли она обладать дискретной масштабной инвариантностью, так что каждая частица содержит в себе целую вселенную? Может быть, внутри нас есть буквально вселенные? Математик и предприниматель Стивен Вольфрам рассуждает об этом: "Может быть, на планковском уровне мы обнаружим целую цивилизацию, которая создает все, чтобы наша вселенная работала так, как она работает".

Для того чтобы это сработало, структуры не обязательно должны повторяться в точности при масштабировании. Меньшие вселенные могут состоять из других элементарных частиц или иметь несколько иные константы природы. Тем не менее, эту идею трудно совместить с тем, что мы уже знаем о физике частиц и квантовой механике.

Начнем с того, что если известные элементарные частицы содержат в себе мини-вселенные, которые могут иметь множество различных конфигураций, то почему мы наблюдаем только двадцать пять различных элементарных частиц? Почему их не миллиарды? Хуже того, простое предположение о том, что известные частицы состоят из более мелких частиц - или состоят из галактик, звезд, содержащих частицы, и т. д., - не работает. Причина в том, что массы составляющих частиц (или галактик, или чего бы то ни было) должны быть меньше массы составной частицы, потому что массы положительны и складываются. Это означает, что новые частицы должны иметь небольшую массу.

Но чем меньше масса частицы, тем легче ее получить в ускорителях частиц. Это потому, что для получения частицы энергия столкновения частиц должна достигать энергии, эквивалентной массе частицы (E = mc в квадрате !). Поэтому частицы с малой массой обычно открываются первыми. Действительно, если вы посмотрите на порядок открытия элементарных частиц в истории, то увидите, что более тяжелые частицы появились позже. Это означает, что если бы каждая элементарная частица состояла из более мелких, мы бы уже давно их увидели.

Один из способов обойти эту проблему - сделать новые частицы прочно связанными друг с другом, так что для разрыва связей требуется много энергии, даже если сами частицы имеют небольшую массу. Именно так работает сильная ядерная сила, которая удерживает кварки вместе внутри протонов. Кварки имеют небольшую массу, но их все равно трудно заметить, потому что нужно много энергии, чтобы оторвать их друг от друга.

У нас нет доказательств того, что какие-либо из известных элементарных частиц состоят из таких прочно связанных между собой более мелких частиц. Однако физики, конечно, задумывались об этом. Такие прочно связанные частицы, из которых могли бы состоять кварки, называются преонами. Но предложенные для этого модели вступают в противоречие с данными, полученными на Большом адронном коллайдере, и к настоящему времени большинство физиков отказались от этой идеи. Некоторые сложные модели все еще жизнеспособны, но в любом случае с такими сильно связанными частицами невозможно создать нечто, напоминающее нашу Вселенную. Чтобы получить структуры, похожие на те, что мы наблюдаем, необходимо взаимодействие как дальнодействующих сил (например, гравитации), так и короткодействующих (например, сильных ядерных сил).

Другой способ, которым мини-Вселенная может быть совместима с наблюдениями, - это если частицы, из которых она состоит, очень слабо взаимодействуют с уже известными нам частицами: они просто проходят сквозь обычную материю. В этом случае их получение в коллайдерах частиц также было бы маловероятным, и, следовательно, они могли бы ускользнуть от обнаружения. Именно поэтому элементарные частицы, называемые нейтрино, хотя и обладают небольшой массой, были открыты позже, чем некоторые более тяжелые частицы. Нейтрино взаимодействуют так редко, что большинство из них проходит через детекторы, не оставляя сигнала. Однако если вы хотите создать мини-вселенную из таких слабо взаимодействующих частиц с малой массой, это создает еще одну проблему. Они должны были производиться в больших количествах на ранней стадии развития нашей Вселенной (как, впрочем, и нейтрино), и мы должны были бы найти доказательства этого. Увы, мы этого не сделали.

Как видите, не так-то просто придумать, как создать известные элементарные частицы из чего-то другого - других частиц или микроскопических галактик - и при этом не вступить в противоречие с наблюдениями. Именно поэтому стандартная модель физики частиц сохраняется так долго.

Есть еще одна проблема, связанная с идеей поместить новые частицы внутрь уже известных, и это соотношение неопределенности Гейзенберга. В квантовой механике, чем меньше масса частицы, тем сложнее удержать ее в небольших областях пространства, например внутри другой элементарной частицы. Если вы попытаетесь создать мини-вселенную, запихнув множество новых частиц с малой массой в известную элементарную частицу, они просто сбегут путем квантового туннелирования.

Эту проблему можно обойти, предположив, что внутренняя часть наших элементарных частиц имеет большой объем. Как ТАРДИС в "Докторе Кто", они могут быть больше внутри, чем выглядят снаружи. Звучит безумно, я знаю, но это действительно возможно. Это потому, что в общей теории относительности мы можем так сильно искривить пространство-время, что оно образует мешки (рис. 17). Эти мешки могут иметь небольшую площадь поверхности - то есть выглядеть маленькими снаружи - но иметь большой объем внутри. Физик Джон Уилер (который ввел термины "черная дыра" и "червоточина") назвал их "мешками с золотом". (Это была одна из его менее броских фраз).

Проблема в том, что они нестабильны - отверстие может закрыться, породив либо черную дыру, либо отсоединенную детскую вселенную. Мы поговорим об этих детских вселенных в следующем интервью, но поскольку они не остаются в нашем пространстве, они не могут быть элементарными частицами. А если бы элементарные частицы были черными дырами, они бы испарились и исчезли практически мгновенно. Мы не только никогда не видели, как это делают элементарные частицы, но и этот процесс нарушает законы сохранения, о которых мы знаем. Или, если бы вам удалось найти способ предотвратить испарение, они могли бы слиться в большие черные дыры, что несовместимо с наблюдаемым поведением элементарных частиц.

Возможно, существует способ преодолеть все эти проблемы, но я его не знаю. Поэтому я делаю вывод, что идея о существовании вселенных внутри частиц несовместима с тем, что мы знаем о законах природы на данный момент.

Сознательны ли электроны?

Пришло время поговорить о панпсихизме. Это идея о том, что вся материя - одушевленная или неодушевленная - обладает сознанием, просто мы в некоторой степени более сознательны, чем морковь. Согласно панпсихизму, сознание есть везде, даже в мельчайших элементарных частицах. Эту идею продвигали, например, сторонник альтернативной медицины Дипак Чопра, философ Филипп Гофф и нейробиолог Кристоф Кох. Как вы уже можете судить по этому списку имен, он неоднозначен. Я постараюсь сделать все возможное, чтобы разобраться в нем.

Сначала отметим, что за всю историю Вселенной ни одна мысль не возникла без участия физических процессов; следовательно, у нас нет причин считать сознание (или что-либо еще, если на то пошло) нефизическим. Мы пока не знаем, как именно определить сознание и какие функции мозга для него необходимы, но это свойство мы наблюдаем исключительно в физических системах. Потому что, в общем, мы наблюдаем только физические системы. Если вы думаете, что ваши собственные мысли - исключение из этого правила, попробуйте думать без мозга. Удачи.

Панпсихизм преподносится как решение проблемы дуализма, который рассматривает разум и материю как две совершенно отдельные вещи. Как я уже говорила, дуализм не является ошибочным, но если разум отделен от материи, он не оказывает никакого влияния на воспринимаемую нами реальность; следовательно, это явно ненаучная идея. Панпсихизм стремится преодолеть эту проблему, объявляя сознание фундаментальным, свойством, которым обладает любой вид материи - оно есть везде.

Согласно панпсихизму, каждая частица несет в себе протосознание и обладает рудиментарным опытом. При некоторых обстоятельствах, например в вашем мозге, протосознания объединяются и дают полноценное сознание. Вы сразу поймете, почему у физиков возникли проблемы с этой идеей. Фундаментальные свойства материи - это наша местность. Если бы существовал способ добавить или изменить что-то в них, мы бы знали.

Я понимаю, что у физиков репутация узколобых специалистов. Но репутация эта сложилась потому, что мы давно пробовали безумные вещи, и если мы не используем их сегодня, то только потому, что поняли, что они не работают. Некоторые называют это узким мышлением, мы же называем это наукой. Мы двигаемся дальше. Могут ли элементарные частицы мыслить? Нет, не могут. Это противоречит доказательствам. Вот почему.

Частицы в стандартной модели классифицируются по их свойствам, которые в совокупности называются квантовыми числами. Электрон, например, имеет электрический заряд -1, а его спин может иметь значение +½ или -½. Есть еще несколько квантовых чисел со сложными названиями, например, слабый гиперзаряд, но как именно они называются, не так важно. Важно то, что этих квантовых чисел несколько, и они однозначно определяют типы элементарных частиц.

Если затем подсчитать, сколько новых частиц определенного типа образуется при столкновении частиц, то результат зависит от того, сколько существует вариантов образовавшейся частицы. В частности, он зависит от различных значений, которые могут принимать квантовые числа. Потому что это квантовая механика, а значит, все, что может произойти, произойдет. Если частица существует во многих вариантах, то, следовательно, вы произведете их все, независимо от того, сможете ли вы их различить.

Итак, если вы хотите, чтобы у электронов был хоть какой-то опыт - каким бы примитивным он ни был, - то у них должно быть несколько различных внутренних состояний. Но если бы это было так, мы бы давно это заметили, потому что это изменило бы то, как много этих частиц создается при столкновениях. Мы этого не заметили; следовательно, электроны не мыслят, как и другие элементарные частицы. Это несовместимо с данными.

Есть несколько творческих способов выкрутиться из этого заключения, и я прошла через них все. Некоторые панпсихисты пытаются утверждать, что для того, чтобы иметь опыт, не нужны различные внутренние состояния; протосознание - это просто безликий материал. Но тогда утверждать, что частицы имеют "опыт", бессмысленно. С таким же успехом я могу утверждать, что у яиц есть карма, только карму нельзя увидеть, и у нее тоже нет свойств.

Далее вы можете попытаться возразить, что, возможно, мы не видим различных внутренних состояний в элементарных частицах, и они становятся значимыми только в больших коллекциях частиц. Однако это не решит проблему, потому что теперь вам придется объяснить, как происходит такое объединение. Как объединить бесхарактерное протосознание с чем-то, что внезапно обретает черты? Философы называют это проблемой сочетания в панпсихизме, и, да, это проблема. На самом деле, если протосознание физически не имеет признаков, это точно такая же проблема, как и попытка понять, как элементарные частицы объединяются, чтобы создать сознательные системы.

Наконец (и именно к этому обычно сводятся мои дискуссии на эту тему), вы можете просто постулировать, что протосознание не имеет никаких измеримых свойств, и его единственным наблюдаемым следствием является то, что оно может объединяться в то, что мы обычно называем сознанием. И это прекрасно в том смысле, что не противоречит доказательствам. Но теперь у вас просто странная версия дуализма, в которой ненаблюдаемые сознательные вещи разбросаны повсюду. По своей конструкции она бесполезна и не нужна для объяснения того, что мы наблюдаем; следовательно, она снова ненаучна.

Короче говоря, если вы хотите, чтобы сознание было физической "вещью", то вам придется объяснить, как работает его физика. Вы не можете получить свой торт и съесть его тоже.

Теперь, когда я рассказала вам, почему панпсихизм ошибочен, позвольте мне объяснить, почему он верен.

Наиболее разумное объяснение сознания, как мне кажется, заключается в том, что оно связано с тем, как некоторые системы, например мозг, обрабатывают информацию. Мы не знаем, как именно определить этот процесс, но это почти наверняка означает, что сознание не является бинарным. Это не свойство "включил-выключил", "или-или", а постепенное развитие. Одни системы более сознательны, другие менее, потому что одни обрабатывают больше информации, другие меньше.

Обычно мы не думаем о сознании таким образом, потому что для повседневного использования бинарная классификация достаточно хороша. Это похоже на то, как для большинства целей достаточно разделить материалы на проводники и изоляторы, хотя, строго говоря, ни один материал не является идеально изоляционным.

Однако для того, чтобы системы были сознательными, должен существовать минимальный размер, потому что вам нужно иметь что-то, с помощью чего можно обрабатывать информацию. Объект, который неделим и внутренне не имеет свойств, как электрон, не может этого сделать. Где именно находится эта грань, я не знаю. Думаю, никто не знает. Но она должна быть, потому что свойства элементарных частиц уже очень точно измерены, и они не думают - как мы только что обсудили.

Эта концепция панпсихизма отличается от ранее рассмотренной тем, что она не требует изменения основ физики. Вместо этого сознание слабо вытекает из известных составляющих материи; задача состоит в том, чтобы определить, при каких именно обстоятельствах. Это и есть настоящая "комбинаторная проблема".

Существуют различные подходы к такому совместимому с физикой панпсихизму, хотя не все сторонники с одинаковым энтузиазмом принимают это название. Вышеупомянутый Кристоф Кох относится к тем, кто принял ярлык панпсихиста. Кох - один из исследователей, поддерживающих интегральную теорию информации, сокращенно ИТИ, которая в настоящее время является самым популярным математическим подходом к сознанию. Он был выдвинут неврологом Джулио Тонони в 2004 году.

В IIT каждой системе присваивается число Φ (греческая буква phi), которое представляет собой интегрированную информацию и, предположительно, является мерой сознания. Чем лучше система распределяет информацию в процессе ее обработки, тем больше phi. Разрозненная система, состоящая из множества частей, которые работают изолированно, может обрабатывать много информации, но она не интегрирована, поэтому phi мала.

Например, в цифровой камере миллионы световых рецепторов. Она обрабатывает большое количество информации. Но части системы не работают вместе, поэтому phi мал. Человеческий мозг, с другой стороны, очень хорошо связан, и нейронные импульсы постоянно передаются от одной части к другой, поэтому phi велико. По крайней мере, такова идея. Но у IIT есть свои проблемы.

Одна из проблем IIT заключается в том, что вычисление phi занимает неимоверно много времени. Для вычисления необходимо разделить оцениваемую систему на все возможные части, а затем вычислить связи между ними. Это требует огромных вычислительных мощностей. По оценкам, даже для мозга червя, имеющего всего три сотни синапсов, вычисление phi с помощью современных компьютеров займет несколько миллиардов лет. Именно поэтому измерения phi, которые были проведены в человеческом мозге, использовали невероятно упрощенные определения интегрированной информации - например, рассчитывали связи только между несколькими большими частями, а не между всеми возможными частями.

Коррелируют ли эти упрощенные определения хотя бы с сознанием? Некоторые исследования утверждают, что да. Другие же утверждают, что нет. Журнал New Scientist взял интервью у Дэниела Бора из Кембриджского университета и сообщил: "Phi должен уменьшаться, когда вы засыпаете или находитесь под общим наркозом, например, но работа в лаборатории Бора показала, что этого не происходит. Он либо повышается, либо остается на прежнем уровне", - говорит он.

Еще одна проблема для IIT, на которую обратил внимание компьютерщик Скотт Ааронсон, заключается в том, что можно придумать довольно тривиальные системы, решающие некоторую математическую задачу, но распределяющие информацию в процессе вычислений таким образом, что phi становится очень большим. Это показывает, что фи в общем случае ничего не говорит о сознании.

Есть и другие предложенные показатели сознания: например, количество корреляций между активностью в разных частях мозга или способность мозга генерировать модели самого себя и внешнего мира. Лично я с большим скепсисом отношусь к тому, что любая мера, состоящая из одного числа, сможет адекватно представить нечто столь сложное, как человеческое сознание, но это не столь важно в данном случае. Важно то, что мы можем научно оценить, насколько хорошо работают меры сознания.

Я хочу добавить несколько слов о комнате Мэри, потому что люди до сих пор вспоминают о ней, пытаясь доказать, что восприятие - это не физическое явление. Комната Мэри - это мысленный эксперимент, предложенный философом Фрэнком Джексоном в 1982 году. Он представил, что Мэри - ученая, которая растет в черно-белой комнате, где она изучает восприятие цвета. Она знает все, что только можно знать о физическом феномене цвета и реакции мозга на цвет. Джексон спрашивает: "Что произойдет, когда Мэри выпустят из черно-белой комнаты или дадут ей цветной телевизионный монитор? Научится она чему-нибудь или нет?"

Далее он утверждает, что Мэри узнает что-то новое, когда сама воспринимает цвет, и поэтому ощущение цвета не тождественно состоянию мозга при его восприятии. Вместо этого у разума есть нефизический аспект - qualia.

Изъян этого аргумента в том, что он путает знание о восприятии цвета с реальным восприятием цвета. Если вы понимаете, что делает мозг в ответ на определенные стимулы (восприятие цвета или другие), это не значит, что ваш мозг так реагирует. Сам Джексон позже отказался от своего аргумента.

Факт в том, что сегодня ученые могут измерить, что происходит в человеческом мозге, когда люди находятся в сознании или без него, могут создавать переживания, напрямую стимулируя мозг, могут буквально читать мысли и сделали первые шаги к разработке интерфейсов "мозг-мозг". Пока что нет никаких доказательств того, что что-либо в человеческом восприятии является нефизическим.

Я не нахожу это удивительным. Идея о том, что сознание нельзя изучать научно, потому что это субъективный опыт, никогда не имела смысла, потому что собственный субъективный опыт - это все, с чем когда-либо приходилось работать любому ученому. Они могли верить в то, что это объективно, но в конечном итоге все это было у них в голове. И так будет продолжаться до тех пор, пока, возможно, однажды мы не решим проблему солипсизма, соединив мозги.

Советы философов науки, безусловно, все еще нужны в исследованиях сознания, чтобы разобраться, каким свойствам должно отвечать удовлетворительное определение сознания, на какие вопросы оно может ответить и что считается ответом. Но изучение сознания покинуло сферу философии. Теперь это наука.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Если исходить из установленных в настоящее время законов природы, Вселенная не может мыслить. Однако физики считают, что у Вселенной много нелокальных связей, потому что это может решить несколько проблем в существующих теориях. Это умозрительная гипотеза, но если она верна, то у Вселенной может быть достаточно каналов быстрой связи, чтобы быть сознательной. Однако идея о том, что внутри частиц существуют вселенные, и о том, что частицы обладают сознанием, либо противоречит доказательствам, либо ненаучна. Поскольку сознание, вполне возможно, не является бинарной переменной, некоторые версии панпсихизма совместимы с физикой.

Другие голоса #4 Можем ли мы создать вселенную?

Интервью с Зеей Мерали

Если вы регулярно читаете научно-популярные статьи о физике, вы почти наверняка сталкивались с работами Зеи Мерали. Она писала для журналов Scientific American, New Scientist, Discover, Nature и других. Она также сотрудничала с BBC и NOVA, освещая их научные темы. Зея умеет освещать даже самые спекулятивные идеи, не поддаваясь дешевым сенсациям. Она - один из моих любимых писателей.

Мы с Зеей получили докторские степени примерно в одно и то же время - она в 2004 году, я в 2003-м, но если я так и не смогла сделать шаг от исследований к писательству и оказалась ни там, ни здесь, то Зея после получения степени успешно переключилась на научную журналистику. Она также ведет большую работу с общественностью для Института фундаментальных вопросов, членом которого я являюсь, поэтому за эти годы мы несколько раз сталкивались друг с другом. В 2017 году Зея опубликовала свою первую книгу "Большой взрыв в маленькой комнате: The Quest to Create New Universes" ("В поисках новых вселенных") о стремлении физиков выяснить, как создать вселенную, и, возможно, однажды действительно сделать это.

Помните, что согласно самой популярной на сегодняшний день теории происхождения нашей Вселенной - инфляции - все, что мы видим вокруг, возникло в результате квантовых флуктуаций гипотетического инфлатонного поля, пронизывающего Вселенную. Если такое поле существует, мы могли бы создать условия для аналогичного события в лаборатории, породив детскую Вселенную. Эта зарождающаяся вселенная будет быстро расти и отделяться от нашей, подобно тому как капля воды отрывается от крана. Снаружи новорожденная вселенная на короткое время стала бы похожа на крошечную черную дыру. Она исчезла бы за долю секунды. Мы никогда не узнаем, были ли у нее обитатели и что с ними стало.

Для создания такой детской вселенной потребуется сконцентрировать огромное количество энергии в небольшой области пространства. В обозримом будущем это невозможно, но однажды это может стать возможным. Не забывайте, что физики пока не понимают квантового поведения пространства и времени. Если пространство и время также подвержены квантовым флуктуациям, то детские вселенные могут создаваться спонтанно, без необходимости фокусировки больших энергий. И снова это происходит потому, что в квантовой теории все, что может произойти, в конце концов произойдет. Если пространство-время может порождать детские вселенные - а с математической точки зрения ничто не говорит против этого, - значит, где-то и когда-то оно породит одну из них.

Я собиралась навестить Зею в Лондоне, но в начале 2020 года пандемия COVID поставила крест на моих планах. На момент написания статьи, в мае 2021 года, Великобритания по-прежнему разрешает приезжать из Германии только с десятидневным карантином и двумя режимами ПЦР-тестов. Для поездки, которая обычно занимала бы один день, это не только обременительно, но и непомерно дорого. Я надеюсь, что к тому времени, когда вы будете читать эти строки, маски, самоизоляция и закрытые границы начнут стираться в памяти. Но прямо здесь и сейчас, с приближением дедлайна, я прошу Зею об интервью по Skype.

После обязательной проверки того, что мы действительно слышим друг друга, я начинаю с вопроса: "Вы религиозны?".

"Ну, - говорит Зея, - я только что закончила месяц поста в Рамадан, так что судите сами". И тогда я перехожу к вопросу о том, считает ли она, что ученые действительно однажды создадут вселенную в лаборатории.

"Откуда мне, черт возьми, знать?" говорит Зия и смеется. "Я просто человек, который пишет об этом. Когда я занялась этим, я просто подумала, что это странная и интересная идея. Мне понравилось, что можно поставить вопрос, что можно подумать об этом. И это была не просто дикая идея - у нее есть длинная история. Об этом писал Алан Гут, об этом писал Андрей Линде. Она возникла благодаря тому, что они пытались понять что-то серьезное о том, как началась наша Вселенная. У этого есть научное обоснование. Они и другие показали, что для создания Вселенной потребуется конечное количество энергии, а не бесконечное, и тогда это становится инженерной проблемой, очень сложной, футуристической инженерной проблемой, но чем-то, что в принципе может быть сделано. Для меня это было удивительно и захватывающе. Но практически осуществимо? Сомневаюсь".

По самым оптимистичным оценкам, для создания новой вселенной потребуется около 10 килограммов чистой энергии (снова E = mc в квадрате!). Эта энергия нужна, чтобы заставить новую вселенную расти. Как только она это сделает, она сама создаст еще больше энергии, потому что расширяющееся пространство-время нарушает принцип сохранения энергии.

10 килограммов - не так уж много, если не вспомнить, что даже самые большие в мире коллайдеры частиц просто сталкивают частицы. Они работают с эквивалентами масс, которые на двадцать четыре порядка ниже тех, что потребовались бы для создания Вселенной, а температуры, которых они достигают, на десять порядков меньше. Если у нас есть правильная теория о том, как возникла наша Вселенная, то в принципе нет ничего такого, что мы не могли бы воспроизвести. Но на практике никто не собирается делать это в ближайшее время.

Зея рассказывает: "Когда я разговаривала с людьми, которые действительно участвовали в исследованиях по созданию Вселенной, которые думали об этом на протяжении многих десятилетий, в глубине души они действительно считают, что однажды это будет сделано, и они вполне могут быть правы. Некоторые из них представляют себе это очень романтично. Но для меня, полагаю, было интереснее, что это можно сделать в принципе".

По словам Зии, когда она начала работать над своей книгой, она подошла к теме с научной стороны, спрашивая, что нужно сделать, чтобы создать Вселенную. Но ее издатели решили, что это не самая интересная часть истории.

Они спросили меня: "Вас интересует этическая сторона, религиозная, моральная?". Это был странный опыт", - вспоминает Зия. "Потому что об этом не пишут, если вы пишете статью для научного журнала - вы пишете о науке, об интеллектуальных поисках. Но издатели книги сказали: "Для нас это действительно вся суть книги". И я подумала: "Погодите-ка. Они дают мне право говорить о том, что меня искренне интересует, но что из меня давно вытравили". Как ученый и как научный журналист, вы не хотите показаться неубедительным. Это запретные темы, в которые не принято лезть. И я подумала: "Да, давайте я спрошу этих ученых". "

Зия обнаружила, что ученые рассказывают о не совсем научных аспектах своей работы охотнее, чем она предполагала.

"Я ожидала, что ученые будут смущены и ничего не скажут", - говорит Зия. Поэтому я пригласила нескольких богословов, чтобы они рассказали о "зыбкости". Но когда я села за стол с учеными, меня удивило то, как много они думали над этими вопросами: Если мы можем создать вселенную, мог ли у нашей вселенной быть создатель? И можете ли вы сказать об этом? Какую моральную ответственность вы несете по отношению к существам, которые могут появиться в вашей детской вселенной? И другие косвенные вопросы, на которые они случайно наткнулись, изучая космологию и квантовые основы или даже квантовую гравитацию: Требуется ли Вселенной сознание? Являемся ли мы частью большого "поля сознания", которое охватывает всех нас? Есть ли у нас свобода воли? То, о чем они раньше не говорили публично и о чем иногда не говорили со своими коллегами. Аспекты, которые не обязательно были религиозными - иногда это были атеисты, или люди, которых я считала атеистами, или агностиками, - но которые можно отнести к духовным".

Она добавляет примеры. Андрей Линде, космолог, рассуждал о том, должен ли космос наблюдаться - каким-то "сверхсознанием" или просто неодушевленным записывающим устройством - для того, чтобы во Вселенной начало тикать время. Идеи возникли, когда он размышлял о квантовой гравитации и ранней Вселенной. Алекс Виленкин, один из физиков, прославившийся тем, что показал, как Вселенная может быть создана из "ничего" с помощью квантовых флуктуаций, уточнил, что под "ничем" он подразумевал отсутствие пространства-времени и материи, но ему было интересно, как зародились квантовые законы. Так что не совсем из ничего - физика и математика были налицо.

"И люди не только хотели говорить об этом, но и испытывали чувство облегчения от того, что они могут говорить об этих вещах, потому что раньше им никогда не разрешали говорить об этом. Один физик, Тони Зи, рассказал мне, как его отругал старший коллега, когда он начал задавать "большие вопросы", будучи молодым исследователем, и с тех пор он старался молчать о таких вещах на публике".

Затем был Антуан Суарес. "Он работает над основами квантовой механики и темой свободы воли", - объясняет Зея. "У него было очень четкое представление о том, какой должна быть квантовая механика, чтобы соответствовать его религиозным убеждениям. Он очень сильно чувствовал, что квантовая механика должна быть детерминированной, что в ней нет неопределенности, потому что Бог знает все. И он разработал эксперимент, чтобы доказать, что это очень сильно обусловлено его религиозными убеждениями".

Но результат эксперимента не подтвердил убежденность Суареса в том, что природа в основе своей детерминирована. "Он изменил свое понимание того, как действует Бог, - что значит для Бога знать все, - основываясь на результатах этого эксперимента", - говорит Зия, явно впечатленная.

"А что случилось с теологами, которых вы выстроили в очередь за "зыбкой частью"?" спрашиваю я.

"В итоге я их не включила", - говорит Зея. "Я пошла брать у них интервью, и когда я спросила их об этике, они проявили всю свою строгость. Но, как ни смешно, это убило дух книги".

"Когда я задавала ученым те же вопросы, то получала очень искренние ответы - ответы, которые возникали потому, что они глубоко проникали в суть науки", - объясняет Зея. "Они говорили очень личные вещи, выражали замешательство и признавались, что иногда не всегда знают, что думать. Я не хотела приглашать богослова, который сказал бы: "Вообще-то, это правильный способ думать об этике мультивселенной или о чем-то еще, а то, что ученый говорит о философии и этике, не очень рационально и не имеет смысла, если подумать об этом логически". Я хотела, чтобы эти ученые высказались, потому что они были в гуще событий, и это придавало их словам ценность. Я хотела донести до них их неуверенность, что для многих из них это постоянный мыслительный процесс".

Думаю, я понимаю, что она имеет в виду. "Мне кажется, что физика более вневременная, чем мораль и этика", - говорю я. "То есть я не знаю, что люди будут делать с этикой и моралью через две тысячи лет, но математика останется прежней".

"Да", - говорит Зия. "И учитывая это, если бы я хотела услышать чье-то мнение, то это был бы голос людей, участвующих в этом. Интересно то, что эти люди невероятно строго относятся к физике, но при этом могут беспрепятственно проявлять эмоции и философствовать. Как и все мы. У них такие же вопросы и неопределенности. Они не знают всех ответов, и они вполне открыты для признания этого. Мне очень хотелось включить это в книгу, чтобы в них была эта открытость, потому что, как мне кажется, у людей складывается впечатление, что наука закрывает множество вопросов, а эти люди говорили: "У меня нет ответа на этот вопрос". И они были скромны в этом. Я хотела донести это до читателя".

"Мне часто кажется, что философская и духовная сторона - это то, о чем мы недостаточно говорим в основах физики", - говорю я. "Хотя это так важно для многих людей в этой области".

Зея кивает. "Я не думаю, что люди всегда признают это в себе, или, может быть, они считают это недостатком. Но я не считаю это недостатком. Я думаю, это очень естественная часть того, как мы решили посвятить свою жизнь определенным страстям и определенным призваниям".

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Расширяющаяся Вселенная может производить собственную энергию. Это значит, что если мы сможем выяснить, как возникла наша Вселенная, то, возможно, сможем запустить рост новой. Самая популярная на сегодняшний день теория физиков о начале нашей Вселенной - инфляция - может оказаться неверной, и даже если она верна, необходимые технологии пока нам недоступны. Но в принципе это возможно. Я знаю, что это звучит безумно, но идея о том, что однажды мы сможем создать Вселенную в лаборатории, согласуется со всем, что мы знаем.

Глава 9. Предсказуемы ли люди?

Пределы математики

Помните сцену из фильма "Основной инстинкт"? Нет, не эту. Я имею в виду сцену, где они поднимаются по лестнице, и он говорит: "Я очень непредсказуем", а она говорит "непредсказуем" вместе с ним. Мы и отдаленно не так непредсказуемы, как нам хочется думать.

Действительно, многие аспекты человеческого поведения довольно легко предсказать. Рефлексы, например, отключают сознательный контроль ради скорости. Если вы услышите внезапный громкий звук, я могу предсказать, что вы дернетесь и ваш пульс участится. Другие аспекты человеческого поведения предсказуемы в среднем по группе; они обусловлены, в частности, ограничениями экономической реальности, социальными нормами, законами и воспитанием. Возьмем, к примеру, тот неудивительный факт, что в час пик движение на дорогах обычно хуже. Действительно, согласно анализу данных, собранных у пользователей мобильных телефонов, модели передвижения в целом предсказуемы на 93 %. Я также могу предсказать, что в Северной Америке раздевание на публике привлечет к вам много внимания. А британцы пьют чай, смотрят крикет и, если у вас иностранный акцент, неизбежно объяснят вам, что королева владеет лебедями в Англии.

Стереотипы забавны именно потому, что люди в какой-то степени предсказуемы. Но является ли поведение человека полностью предсказуемым? Возможно, в настоящее время оно не совсем предсказуемо, но это скучный ответ. Возможно ли это в принципе, учитывая все, что мы знаем о законах природы? Если вы компатибилист, который считает, что ваша воля свободна, потому что ваши решения невозможно предсказать, должны ли вы бояться, что однажды станете предсказуемым?

В 1965 году философ Майкл Скривен утверждал, что ответ - нет. Скривен утверждал, что в человеческом поведении есть "существенная непредсказуемость", используя то, что сейчас называется парадоксом предсказуемости. Он заключается в следующем: Предположим, перед вами поставлена задача принять решение. Например, я предлагаю вам зефир, и вы либо берете его, либо нет. Теперь представим, что я предсказываю ваше решение и говорю вам об этом. Тогда вы можете поступить наоборот, и мое предсказание окажется ложным! Таким образом, в человеческом поведении есть элемент непредсказуемости. Важно, что аргумент Скривена работает даже в том случае, если поведение человека полностью определяется, скажем, начальным состоянием Вселенной. Предсказуемость, похоже, не следует из детерминизма.

Этот вывод верен, но он не имеет никакого отношения к человеческому поведению в частности. Чтобы понять почему, предположим, что я пишу компьютерный код, единственная задача которого - выводить "ДА" или "НЕТ" на вопрос, является ли входное число четным. Затем я добавляю условие, согласно которому, если далее на входе содержится правильный ответ на первый вопрос, то на выходе получается отрицание первого ответа. То есть ввод "44" приведет к YES, а ввод "44, YES" - к NO. Согласно аргументам Скривена, в этом компьютерном коде тоже должно быть что-то принципиально непредсказуемое.

Так и есть, потому что предсказание выхода кода зависит от входа; без него он непредсказуем. Существует множество систем, обладающих этим свойством; например, вам предлагают зефир: Ваша реакция зависит от того, что я скажу, когда предложу ее. Но это не значит, что она принципиально непредсказуема; это просто значит, что она не предсказуема на основе недостаточного количества данных. Если бы вы поместили нас двоих в совершенно изолированную комнату, то в детерминированном мире вы могли бы предсказать, что мы оба будем делать, а также возьмете ли вы зефир.

Так что аргумент Скривена не работает. Но если вы были внимательны, то знаете, что поведение человека отчасти непредсказуемо только потому, что квантовая механика в основе своей случайна. Не совсем понятно, какую роль квантовые эффекты играют в человеческом мозге, но вам это и не нужно. Вы можете просто использовать квантово-механическое устройство - или, может быть, запустить приложение Universe Splitter на своем телефоне - чтобы решить, брать или не брать зефир. И я не могу предсказать это решение.

Однако я могу предсказать вероятность того, что вы примете то или иное решение, и проверить, насколько хороши мои предсказания, проведя эксперимент несколько раз, точно так же, как мы проверяем квантовую механику. Так что, задаваясь вопросом, предсказуемо ли поведение человека, мы должны были бы точнее спросить, предсказуемы ли вероятности решений. Если говорить о современных законах природы, то они предсказуемы - и в той мере, в которой они не предсказуемы, они вам не подвластны.

Однако этому выводу противоречат некоторые результаты из компьютерной науки. В информатике существуют определенные типы проблем, которые не поддаются решению, то есть математически доказано, что ни один возможный алгоритм не может решить эту проблему. Не может ли нечто подобное происходить в человеческом мозге?

Одна из самых известных неразрешимых проблем - проблема домино, поставленная Хао Вангом в 1961 году. Предположим, у вас есть набор квадратных плиток. Нарисуйте на каждой из них крестик, чтобы получилось четыре треугольника на каждой плитке. Затем заполните каждый треугольник цветом (рис. 18). Можете ли вы покрыть этими плитками бесконечную плоскость так, чтобы цвета соседних плиток совпадали, если не разрешается поворачивать плитки или оставлять зазоры? Это и есть проблема домино. Легко видеть, что для определенных наборов плиток ответ "да" - это возможно. Но вопрос, который задал Ванг, звучит так: если я дам вам произвольный набор плиток, сможете ли вы сказать, будет ли он покрывать плоскость?

Оказалось, что эта проблема неразрешима. Невозможно написать компьютерный код, который ответит на этот вопрос для всех наборов плиток. Это было доказано в 1966 году Робертом Бергером, который показал, что проблема домино Ванга - это вариант проблемы остановки Алана Тьюринга. Проблема остановки ставит вопрос о том, закончит ли входной алгоритм работу за конечное время или будет продолжать вычисления вечно. Проблема, как показал Тьюринг, заключается в том, что не существует метаалгоритма, который мог бы решить, остановится или не остановится любой заданный входной алгоритм. Точно так же не существует метаалгоритма, который мог бы решить, будет ли любой заданный набор плиток покрывать плоскость или нет.

Однако неразрешимость как проблемы домино, так и проблемы остановки происходит из требования, чтобы алгоритм отвечал на вопрос для системы бесконечного размера. В проблеме домино это все возможные наборы плиток, а в проблеме остановки - все возможные входные алгоритмы. И тех, и других бесконечно много. Мы уже видели это ранее, в главе 6, когда обсуждали вопрос о том, являются ли некоторые эмерджентные свойства составных систем невычислимыми. Эти невычислимые свойства проявляются только в том случае, если какая-то величина становится бесконечно большой, чего никогда не происходит в реальности - и уж точно не в человеческом мозге.

Итак, если мы не можем утверждать, что наши решения могут быть алгоритмически неразрешимыми, то как насчет аргумента из теоремы Геделя о неполноте, который привел Роджер Пенроуз? Аргумент Пенроуза относится не к предсказуемости, а к вычислимости, что является несколько более слабым утверждением. Процесс можно вычислить, если он может быть произведен компьютерным алгоритмом. Современные законы природы вычислимы, за исключением того случайного элемента из квантовой механики. Однако если бы они были невычислимы, это освободило бы место для чего-то нового, возможно, даже для непредсказуемости.

Давайте воспользуемся подходом к теореме Гёделя, который упоминал Пенроуз и который он приписывает Стортону Стину. Мы начинаем с конечного набора аксиом и представляем себе компьютерный алгоритм, который генерирует теоремы, вытекающие из этих аксиом, одну за другой. Тогда, показал Гёдель, всегда найдется утверждение, сформулированное в рамках этой системы аксиом, которое является истинным, но которое алгоритм не может доказать. Это утверждение обычно называют предложением системы Гёделя. Оно построено так, что в нем неявно указано, что оно недоказуемо в рамках системы. Таким образом, предложение Гёделя истинно именно потому, что его нельзя доказать, но его истинность видна только извне системы.

Может показаться, что раз мы можем видеть истинность предложения Гёделя, а алгоритм - нет, значит, в человеческом познании есть что-то такое, чего нет у компьютера. Однако это конкретное понимание предложения Гёделя не может быть вычислено только этим конкретным алгоритмом. И причина, по которой мы можем видеть истинность этого предложения Гёделя, заключается в том, что у нас есть больше информации о системе, чем у алгоритма, создающего все эти теоремы, - мы знаем, как был запрограммирован сам алгоритм.

Если бы мы передали эту информацию новому алгоритму, то новый алгоритм, как и мы, увидел бы истинность предложения Гёделя предыдущего алгоритма. Но затем мы могли бы построить другое предложение Гёделя для нового алгоритма, и другой алгоритм, который распознает новое предложение Гёделя, и так далее. Таким образом, аргумент Пенроуза заключается в том, что, поскольку мы можем увидеть истинность любого предложения Гёделя, мы можем сделать больше, чем любой мыслимый алгоритм.

Проблема с этим аргументом заключается в том, что компьютерные алгоритмы, соответствующим образом запрограммированные, насколько мы можем судить, способны к абстрактным рассуждениям так же, как и мы. Мы не можем считать до бесконечности лучше, чем компьютер, но мы можем анализировать свойства бесконечных систем, как счетных, так и несчетных. То же самое могут делать и алгоритмы. Так, сама теорема Геделя была доказана алгоритмически. Следовательно, некоторые алгоритмы тоже могут "видеть истину" всех предложений Гёделя.

Есть и ряд других возражений против утверждения Пенроуза, но большинство из них сводится к тому, что люди просто не увидят истинности предложения Гёделя без дополнительной информации - например, теоремы Гёделя. Однако я нахожу весьма очаровательным аргумент о том, что люди признают предложение Гёделя

очевидно истинным. Такую идею мог придумать только математик.

Мог ли компьютер самостоятельно придумать доказательство теоремы Гёделя? Этот вопрос остается открытым. Но, по крайней мере, на данный момент аргумент Пенроуза не доказывает, что человеческое мышление не поддается вычислению.

Пока мы не нашли никакой лазейки, которая позволила бы человеческому поведению быть непредсказуемым. Но как насчет хаоса? Хаос детерминирован, но то, что он детерминирован, не означает, что его можно предсказать. На самом деле, хаос может стать большей проблемой для предсказуемости, чем принято считать, из-за того, что Тим Палмер назвал "настоящим эффектом бабочки".

Обычный эффект бабочки заключается в том, что эволюция хаотической системы во времени очень чувствительна к начальным условиям; малейшие ошибки (порхание бабочки в Китае) могут привести к большим изменениям впоследствии (торнадо в Техасе). Реальный эффект бабочки, напротив, означает, что даже произвольно точные начальные данные позволяют предсказать ситуацию лишь на конечный промежуток времени. Система с таким поведением была бы детерминированной и в то же время непредсказуемой.

Однако, хотя математики и выявили несколько дифференциальных уравнений с таким поведением, до сих пор неясно, встречается ли настоящий эффект бабочки в природе. Квантовые теории изначально не хаотичны и поэтому не могут страдать от настоящего эффекта бабочки. В общей теории относительности сингулярности могут помешать нам делать предсказания за пределами конечного времени, например внутри черных дыр или во время Большого взрыва. Однако, как мы уже говорили, эти сингулярности, скорее всего, просто сигнализируют о том, что теория разрушается и ее нужно заменить чем-то лучшим. И если общая теория относительности однажды будет дополнена квантовой теорией, то и в этом случае не может возникнуть настоящий эффект бабочки.

Наибольший шанс на нарушение предсказуемости, подобно "обычному" эффекту бабочки, дают прогнозы погоды. В данном случае динамическим законом является уравнение Навье-Стокса, которое описывает поведение газов и жидкостей. Всегда ли уравнение Навье-Стокса имеет предсказуемые решения, пока неизвестно. Действительно, оно стоит под номером четыре в списке проблем тысячелетия Математического института Клэя.

Но уравнение Навье-Стокса не является фундаментальным; оно вытекает из поведения частиц, из которых состоит газ или жидкость. А мы уже знаем, что фундаментально - на самом глубоком уровне - газы снова описываются квантовыми теориями, поэтому их поведение предсказуемо, по крайней мере в принципе. Это не дает ответа на вопрос, всегда ли уравнение Навье-Стокса имеет предсказуемые решения, но если нет, то это потому, что уравнение не учитывает квантовые эффекты.

Пока, похоже, у нас нет причин считать, что человеческое поведение невычислимо, что человеческие решения алгоритмически неразрешимы или что человеческое поведение может быть предсказуемо только в течение конечного времени. Особенно в свете аргумента о замене нейронов, приведенного в главе 4, все выглядит так, будто мы можем моделировать мозг на компьютере и, следовательно, предсказывать поведение человека.

Однако физика ставит на этом пути несколько препятствий. Возможно, самое важное из них заключается в том, что замена нейрона - это не то же самое, что его копирование. Если бы мы хотели предсказать поведение человека, нам бы пришлось сначала создать точную модель его мозга. Для этого мы должны были бы каким-то образом измерить его свойства, а затем скопировать эту информацию в нашу машину предсказания, какой бы она ни была. Однако в квантовой механике состояние системы не может быть идеально скопировано без разрушения исходной системы. Эта теорема о невозможности клонирования делает доказательно невозможным для людей точно знать, что происходит внутри вашего мозга, потому что если бы они знали, то изменили бы ваш мозг. Таким образом, если любые важные детали ваших мыслей находятся в квантовом формате, они "непознаваемы" и, следовательно, непредсказуемы.

Квантовые эффекты, однако, могут не иметь большого значения для точного определения состояния вашего мозга. Но даже если это не так, на пути предсказания поведения человека есть еще одно препятствие. Наш мозг не особенно хорош для решения сложных математических задач, но он удивительно эффективен для принятия сложных решений, работая при этом всего на 20 ватт, что примерно соответствует энергопотреблению ноутбука. Если бы вы могли создать симуляцию человеческого мозга на компьютере, то вряд ли бы она работала быстрее, чем мозг, который она пытается смоделировать. Если воспользоваться термином, придуманным Стивеном Вольфрамом, человеческое мышление может быть вычислимым, но не сводимым к вычислениям, и поэтому не предсказуемым, в том смысле, что вычисления могут быть правильными, но слишком медленными.

То, что часть нашего поведения несводима к вычислениям, не является неправдоподобной гипотезой. Человеческий мозг был оптимизирован естественным отбором в течение сотен тысяч лет. Если бы кто-то захотел его предсказать, ему пришлось бы сначала построить машину, способную делать то же самое, но быстрее. Однако по той же причине, что и естественный отбор, маловероятно, что человеческий мозг действительно является самым быстрым способом вычислить то, что вычисляет наш мозг. Естественный отбор не занимается тем, чтобы находить лучшие решения. Решения просто должны быть достаточно хорошими, чтобы выжить. А если учесть, что от компьютера не требуется такой же энергоэффективности, как от мозга, я подозреваю, что человеческий мозг можно превзойти в скорости. Но это будет непросто.

По той же причине я сильно сомневаюсь, что мы когда-нибудь выведем мораль, как утверждает Сэм Харрис, на основе тех знаний о человеческом мозге, которые мы соберем. Даже если это станет возможным, это займет слишком много времени. Гораздо проще просто спросить людей, что они думают, что, вкратце, и делают наши политические, экономические и финансовые системы. Или, по крайней мере, то, что они должны делать.

Итак, у нас нет причин считать человеческое поведение непредсказуемым в принципе, но есть основания полагать, что его очень трудно предсказать на практике.

Хрупкость искусственного интеллекта

Обсудив проблемы, стоящие на пути моделирования человеческого поведения, давайте немного поговорим о попытках создания общего (general) искусственного интеллекта. В отличие от используемых сейчас искусственных интеллектуальных систем, которые специализируются на определенных задачах - распознавании речи, классификации изображений, игре в шахматы или фильтрации спама, - общий искусственный интеллект будет способен понимать и обучаться не хуже человека, а то и лучше.

Многие известные люди выражают беспокойство по поводу цели разработки такого мощного искусственного интеллекта (ИИ). Элон Маск считает, что это "самая большая экзистенциальная угроза". Стивен Хокинг сказал, что это может стать "худшим событием в истории нашей цивилизации". Соучредитель Apple Стив Возняк считает, что ИИ "избавится от медлительных людей, чтобы управлять компаниями более эффективно". А Билл Гейтс тоже отнес себя к "лагерю тех, кто обеспокоен сверхинтеллектом". В 2015 году Институт будущего жизни подготовил открытое письмо, в котором призвал к осторожности и сформулировал список приоритетных исследований. Его подписали более восьми тысяч человек.

Подобные опасения небезосновательны. Искусственный интеллект, как и любая новая технология, несет в себе риски. И хотя мы еще далеки от создания машин, даже отдаленно напоминающих человека, разумно будет задуматься о том, как справиться с ними раньше, чем позже. Однако, на мой взгляд, эти опасения не учитывают более насущных проблем, которые принесет ИИ.

Искусственные интеллектуальные машины не избавятся от людей в ближайшее время, потому что мы им еще долго будем нужны. Человеческий мозг, возможно, не самый лучший мыслительный аппарат, но у него есть явные преимущества перед всеми машинами, которые мы создали на сегодняшний день: он функционирует десятилетиями. Он надежен. Он сам себя ремонтирует. Несколько миллионов лет эволюции оптимизировали не только наш мозг, но и наше тело, и хотя результат, конечно, можно было бы еще улучшить (черт бы побрал эти колени), он все равно более долговечен, чем любые кремниевые мыслительные аппараты, которые мы создали на сегодняшний день. Некоторые исследователи ИИ даже утверждают, что для достижения человеческого уровня интеллекта необходимо иметь какое-то тело, что - если это верно - значительно усугубит проблему хрупкости ИИ.

Всякий раз, когда я поднимаю этот вопрос с энтузиастами ИИ, они говорят мне, что ИИ научатся ремонтировать себя сами, а если и не научатся, то просто загрузят себя на другую платформу. Действительно, большая часть предполагаемой угрозы ИИ исходит из их мнимой способности быстро и легко воспроизводить себя и в то же время быть практически бессмертными. Я думаю, что все будет не так.

Мне кажется более правдоподобным, что искусственные интеллекты поначалу будут немногочисленными и единственными в своем роде, и такими они останутся надолго. Потребуются большие группы людей и многие годы, чтобы создать и обучить общие искусственные интеллекты. Скопировать их будет не легче, чем скопировать человеческий мозг. Их будет сложно починить, если они сломаются, потому что, как и в случае с человеческим мозгом, мы не сможем отделить аппаратное обеспечение от программного. Первые из них быстро умрут по причинам, которые мы даже не сможем понять.

Мы уже видим начало этой тенденции. Ваш компьютер не похож на мой. Даже если у вас одна и та же модель, даже если вы используете одно и то же программное обеспечение, они не одинаковы. Хакеры используют эти различия между компьютерами, чтобы отслеживать вашу интернет-активность. Например, "отпечаток холста" - это метод, позволяющий попросить ваш компьютер отрисовать шрифт и вывести изображение. То, как именно ваш компьютер выполняет эту задачу, зависит как от аппаратного, так и от программного обеспечения; таким образом, выводимое изображение может быть использовано для идентификации устройства.

В настоящее время вы не так уж часто замечаете эти тонкие различия между компьютерами (за исключением, возможно, тех случаев, когда вы часами просматриваете справочные форумы, бормоча: "Наверное, кто-то уже сталкивался с этой проблемой", но ничего не находите). Чем сложнее будут становиться компьютеры, тем очевиднее будут становиться различия. В один прекрасный день они станут отдельными людьми с невоспроизводимыми причудами и ошибками - как мы с вами.

Итак, у нас есть хрупкость ИИ плюс тенденция к тому, что все более сложные харды и программы становятся уникальными. Теперь экстраполируйте это на несколько десятилетий в будущее. У нас будет несколько крупных компаний, правительств и, возможно, несколько миллиардеров, которые смогут позволить себе собственный ИИ. Эти ИИ будут нежными и потребуют постоянного внимания со стороны команды преданных людей.

Если подумать об этом таким образом, то сразу же возникает несколько проблем:

1. Кто и какие вопросы может задавать?

Возможно, для частных ИИ это не является предметом обсуждения, но как быть с теми, которые были созданы учеными или куплены правительствами? Имеет ли каждый человек право на один вопрос в месяц? Должны ли сложные вопросы утверждаться парламентом? Кто главный?

2. Как понять, что вы имеете дело с ИИ?

Как только вы начинаете полагаться на ИИ, возникает риск того, что люди будут использовать его для продвижения своей повестки дня, выдавая собственное мнение за мнение ИИ. Эта проблема возникнет задолго до того, как ИИ станет достаточно умным, чтобы выработать собственные цели. Предположим, правительство использует ИИ для поиска лучшего подрядчика для выполнения выгодного строительного задания. Вы уверены, что это совпадение, что крупнейшим акционером выбранной компании является брат высокопоставленного правительственного чиновника?

3. Как определить, что ИИ умеет давать ответы?

Если у вас всего несколько ИИ, и те обучены для совершенно разных целей, воспроизвести их результаты может оказаться невозможным. Так как же узнать, что им можно доверять? Неплохо было бы потребовать, чтобы у всех ИИ была общая область знаний, по которой можно было бы сравнивать их работу.

4. Как предотвратить усиление неравенства как внутри стран, так и между ними, неизбежно порождаемое ограниченным доступом к ИИ?

Наличие ИИ, способного ответить на сложные вопросы, может быть большим преимуществом, но если оставить его на волю рыночных сил, он, скорее всего, сделает богатых еще богаче, а бедных еще дальше отбросит. Если этого не хотят "небогатые" - а я этого точно не хочу, - нам следует подумать о том, как с этим бороться.

Лично я почти не сомневаюсь, что общий искусственный интеллект возможен. Он может стать большим благом для человеческой цивилизации или большой проблемой. Конечно, важно подумать о том, какую этику заложить в такие умные машины. Но самые насущные проблемы, которые мы будем иметь с ИИ, возникнут из-за нашей этики, а не из-за их.

Предсказывая непредсказуемость

Большую часть этой книги я посвятила обсуждению того, чему физика учит нас о нашем собственном существовании. Надеюсь, вам понравился этот экскурс, но, возможно, иногда вы не могли отделаться от впечатления, что это мудреные вещи, которые не слишком помогают решать проблемы в реальном мире. Поэтому, приближаясь к концу этой книги, я хочу уделить несколько страниц практическим последствиям, которые понимание непредсказуемости может иметь в будущем.

Давайте вернемся к проблеме прогнозирования погоды. Мы не собираемся решать здесь четвертую проблему тысячелетия, поэтому ради аргументации давайте просто предположим, что решения уравнения Навье-Стокса действительно иногда непредсказуемы за конечное время. Как я уже отмечала, мы знаем, что уравнение Навье-Стокса не является фундаментальным; оно вытекает из квантовых теорий, описывающих все частицы. Но, фундаментальное оно или нет, понимание свойств уравнения Навье-Стокса говорит нам о том, чего мы можем разумно надеяться достичь, решая его.

Если бы мы знали, что не сможем улучшить прогноз погоды, потому что математическая теорема говорит, что это невозможно, мы могли бы, например, сделать вывод, что не имеет смысла вкладывать огромные деньги в дополнительные станции измерения погоды. Независимо от того, является ли уравнение Навье-Стокса в принципе правильным уравнением, этот инвестиционный совет не становится менее обоснованным; важно лишь то, что именно это уравнение метеорологи используют на практике.

Конечно, это слишком упрощенный случай. В реальности осуществимость прогноза зависит от исходного состояния: некоторые погодные тенденции легко предсказать на длительные периоды, другие - нет. Но, опять же, понимание того, что можно предсказать в первую очередь, - это не просто пустая математическая спекуляция. Необходимо знать, что и как мы можем улучшить.

Давайте продолжим эту мысль. Предположим, что мы очень хорошо разбираемся в прогнозах погоды, настолько хорошо, что можем точно определить, когда уравнение Навье-Стокса столкнется с непредсказуемой ситуацией. Это позволило бы нам выяснить, какие небольшие вмешательства в погодную систему могут изменить погоду по нашему вкусу.

Ученые уже рассматривали возможность такого управления погодой, например, чтобы предотвратить перерастание тропических циклонов в ураганы. Они достаточно хорошо понимают процесс формирования ураганов, чтобы придумать методы, позволяющие прервать их рост. В настоящее время основная проблема заключается в том, что прогнозы погоды недостаточно хороши, чтобы точно определить, когда и где нужно вмешаться. Но предотвращение ураганов или управление погодой другими способами не является безнадежно футуристической идеей. Если вычислительные мощности продолжат расти, мы сможем сделать это уже через несколько десятилетий.

Хаос-контроль играет роль и во многих других системах - например, в плазме на установках ядерного синтеза. Эта плазма представляет собой суп из атомных ядер и отсоединенных от них электронов с температурой более 100 миллионов градусов по Цельсию (180 миллионов градусов по Фаренгейту). Иногда в ней возникают нестабильности, которые могут сильно повредить защитную оболочку. Поэтому при возникновении нестабильности процесс термоядерного синтеза необходимо быстро прервать. Это одна из главных причин, по которой термоядерный реактор так сложно запустить с высокой энергетической эффективностью.

Однако нестабильности плазмы в принципе можно избежать, если мы можем предсказать, когда возникнет непредсказуемая ситуация, и если мы можем управлять плазмой, чтобы предотвратить ее. Другими словами, если мы поймем, когда решение уравнений становится непредсказуемым, мы сможем использовать это знание, чтобы предотвратить его появление.

Это не просто фантазия теоретика: недавнее исследование было посвящено именно этому. Группа исследователей обучила искусственно созданную интеллектуальную систему распознавать паттерны данных, сигнализирующие о надвигающейся нестабильности плазмы. Они смогли сделать это с большим успехом, используя только данные, находящиеся в открытом доступе. На секунду вперед они правильно определяли надвигающуюся нестабильность в более чем 80 процентах случаев; на 30 миллисекунд вперед они видели почти все надвигающиеся нестабильности.

Конечно, это был анализ задним числом, без возможности активного контроля. Однако если мы станем достаточно хороши в составлении таких прогнозов, активное управление может стать возможным в будущем. В конце концов, энергоэффективная термоядерная установка может оказаться вопросом тонкой настройки с помощью передового машинного обучения.

Аналогичные соображения применимы и к совершенно другой системе, которая, однако, имеет много параллелей со взрывами плазмы и прогнозами погоды: фондовому рынку. Сегодня целая армия финансовых аналитиков зарабатывает деньги, пытаясь предсказать продажу и покупку акций и финансовых инструментов - задача, которая теперь включает в себя и предсказание прогнозов конкурентов. Но время от времени даже они оказываются застигнутыми врасплох. Фондовый рынок рушится, продавцы паникуют, все обвиняют друг друга, и мир скатывается в рецессию.

Но представьте себе, что мы можем заранее определить, когда неприятности появятся у входной двери; возможно, нам удастся закрыть дверь.

Чтобы избежать неприятностей, мы должны признать не только их непредсказуемость, но и невычислимость. Возьмем экономическую систему. Это самоорганизующаяся, адаптивная система, задачей которой является оптимизация распределения ресурсов. Некоторые экономисты утверждают, что эта оптимизация отчасти невычислима. Это явно нехорошо, поскольку означает, что экономическая система не может выполнять свою работу. Вернее, мы, агенты экономической системы, не можем выполнять свою работу, потому что торговля не приводит к желаемому результату.

Создание экономической системы, которая действительно может выполнять желаемую оптимизацию (за конечное время), послужило основой для такого направления исследований, как вычислимая экономика. Как и в случае с непредсказуемостью, теоремы о невозможности актуальны для вычислимой экономики не потому, что они доказывают, что решение проблемы (например, как лучше распределить ресурсы) принципиально невычислимо - оно может быть, а может и не быть, - а просто потому, что оно невычислимо с помощью средств, которыми мы располагаем в настоящее время.

В других ситуациях, однако, непредсказуемость - это то, что мы, возможно, хотим запустить, а не избежать, по той же причине, по которой случайность иногда может быть полезной; например, чтобы компьютерные алгоритмы, которые ищут оптимальные решения, не застревали.

Представьте себе компьютерный алгоритм как устройство, которое, если бросить его в гористую местность, всегда будет двигаться в гору. Ландшафт обозначает возможные решения проблемы, а высота - некую величину, которую вы хотите оптимизировать, скажем, точность предсказания. В итоге компьютерный алгоритм сядет на холм - локальный оптимум, но на самом деле вы хотели найти самый высокий холм - глобальный оптимум (см. рис. 19). Добавление стохастического шума может предотвратить это, поскольку в этом случае у алгоритма есть шанс случайно обнаружить лучшее решение. Таким образом, как ни странно, элемент случайности может повысить производительность математического кода.

В компьютерном алгоритме случайность можно реализовать с помощью (псевдо)генератора случайных чисел, не прибегая к сложным математическим теоремам. Но непредсказуемость вполне может быть полезна для оптимизации и в других обстоятельствах. Например, небольшие дозы могут способствовать повышению эффективности экономической системы. Еще интереснее то, что непредсказуемость может быть важным элементом творчества, а значит, и тем, что искусственный интеллект сможет использовать в будущем.

Уже сейчас искусственный интеллект лучше нас умеет находить закономерности в больших массивах данных. Это может кардинально изменить науку. Человеческие ученые ищут универсальные закономерности, которые устойчивы к изменениям в окружающей среде и легко выводятся. Именно так до сих пор развивалась большая часть науки. Теперь, используя искусственный интеллект, мы можем искать закономерности, которые гораздо сложнее выявить. Одним из следствий этого является развитие персонализированной медицины, и почти наверняка в скором времени мы увидим еще больше подобных явлений. Вместо того чтобы искать универсальные законы, ученые все чаще смогут отслеживать точные зависимости от внешних параметров - например, в экологии и биологии, а также в социальных науках и психологии. Здесь открывается огромный потенциал для открытий.

Физикам тоже стоит обратить внимание. Найденные ими универсальные законы могут оказаться лишь царапиной на поверхности до сих пор не познанной сложности. В то время как мои коллеги считают, что они приблизились к окончательному ответу, я думаю, что мы только начали понимать этот вопрос.

>> КРАТКИЙ ОТВЕТ

Человеческое поведение частично предсказуемо, но сомнительно, что оно когда-либо будет полностью предсказуемым. По крайней мере, это будет крайне сложно и в ближайшее время не произойдет. Вместо того чтобы беспокоиться о симуляции человеческого мозга, нам следует больше внимания уделять тому, кто будет задавать вопросы искусственным мозгам. Понимание пределов предсказуемости представляет не только математический интерес, но и имеет значение для реальных приложений.

Эпилог. Для чего вообще все это нужно?

Если вы читали мою предыдущую книгу "Затерянные в математике", то могли заметить, что у нее есть общая нить с этой книгой. Я считаю, что исследователи основ физики недостаточно задумываются о том, что они делают. В своей предыдущей книге я критикую использование ими ненаучных методов, в результате чего их исследования зашли в тупик. В этой книге я указываю на то, что некоторые из проводимых ими исследований изначально не являются научными. Например, большинство гипотез о ранней Вселенной - это просто сложные истории, которые не нужны для описания всего, что мы наблюдаем. То же самое касается попыток выяснить, почему константы природы такие, какие они есть, или теорий, которые вводят ненаблюдаемые параллельные вселенные. Это не наука. Это религия, маскирующаяся под науку под видом математики.

Не поймите меня неправильно. Я не против того, чтобы люди занимались этими идеями как таковыми. Если кто-то находит их ценными по каким-то причинам, я не против - каждый должен быть волен исповедовать свою религию. Но я хочу, чтобы ученые помнили о границах своей дисциплины. Иногда единственный научный ответ, который мы можем дать, - это "мы не знаем".

Поэтому мне кажется вероятным, что в нашем непрерывном процессе открытия знаний религия и наука будут сосуществовать еще очень долгое время. Это потому, что наука сама по себе ограничена, и там, где наука заканчивается, мы ищем другие способы объяснения. Как я уже говорила в предыдущих главах, некоторые из этих ограничений обусловлены спецификой математики, которую мы используем в настоящее время (например, она требует начальных условий или индетерминированных скачков), и они могут быть преодолены по мере дальнейшего развития физики. Но некоторые ограничения кажутся мне непреодолимыми. В конце концов, я думаю, нам придется принять некоторые факты о нашей Вселенной без научного объяснения, хотя бы потому, что научный метод не может оправдать себя. Мы можем заметить, что научный метод работает, сделать вывод, что нам выгодно продолжать его использовать, но так и не узнать, почему он работает.

Дело не в том, что я хочу быть доброй к религиозным людям ради того, чтобы быть доброй. Начнем с того, что я не очень-то известна своей добротой. Но важнее то, что ученые, утверждающие, как Стивен Хокинг, что "не существует возможности существования творца", или, как Виктор Стенгер, что Бог - это "фальсифицируемая гипотеза", демонстрируют, что они не понимают границ своих собственных знаний. Когда видные ученые делают такие самоуверенные заявления, они заставляют меня содрогнуться.

Однако, несмотря на все наши ограничения, я должна сказать, что мы проделали удивительно долгий путь. Мы - первый вид на нашей планете, который взял эволюцию в свои руки. Нас больше не выбирает окружающая среда; мы сами формируем ее под свои нужды. Получается ли у нас это - другой вопрос. Безусловно, наши трудности с поддержанием климата Земли в комфортном для жизни диапазоне вызывают серьезные сомнения в нашей когнитивной способности справляться со сложными и отчасти хаотичными системами. Возможно, дело в том, что наш мозг не приспособлен для понимания такой многогранной и нелинейной системы, как климат. Возможно, это означает, что на смену человеку в конце концов придет вид, более способный использовать научные знания для управления средой обитания. Время покажет.

Дело не только в том, что я считаю Стивена Джея Гулда правым, когда он утверждал, что религия и наука - это две "непересекающиеся магистерии". Я сделаю еще один шаг вперед и заявлю, что ученые могут кое-чему научиться у организованной религии. К лучшему или к худшему, но религии играли важную роль для значительной части населения планеты на протяжении тысячелетий. Для многих людей религия имеет такое значение, какое не имеет наука.

Отчасти это происходит потому, что религия существует дольше, но также и потому, что слишком многие люди воспринимают науку как холодную, технократическую и нечеловечески рациональную. За ней закрепилась репутация "убийцы", ограничивающего наши надежды и мечты. Конечно, это правда, что наука говорит, что хлопанье руками не заставит вас летать. Но у науки есть и другая сторона: она открывает нам глаза на возможности, которые мы раньше не могли себе представить и тем более постичь. Наука не только не лишает нас чудес, но и дает нам еще больше поводов для удивления. Она расширяет наш разум.

Лучшее сравнение, которое я могу придумать, следующее. Иногда я вижу люцидные сны - то есть сны, в которых я знаю, что сплю. У меня есть друзья, которые пытались вызвать люцидные сны, но в основном потерпели неудачу. Я же, напротив, предпочла бы не видеть таких снов, но не могу же я выставить их на продажу. Главная причина, по которой я их не люблю, заключается в том, что я обычно просыпаюсь после этого, и это портит мой ночной отдых. Но еще они жуткие.

В отличие от обычных снов, в которых вы просто принимаете увиденное таким, какое оно есть, в люцидных снах я могу четко определить, что то, что я испытываю, не реально. Если я "вижу" лицо, то на самом деле я его не вижу. Это скорее представление о лице, но когда я пытаюсь на него посмотреть, его там нет. Оно находится глубоко в долине сверхъестественного, но долина находится в моей голове. Здания, предметы и небо страдают от той же проблемы. Я знаю, что они есть, и иногда могу передвинуть их или изменить их цвет, хотя это не всегда срабатывает. Но им не хватает деталей. Это скорее представления о реальности, чем сама реальность. Из-за этого я чувствую себя словно в ловушке старой видеоигры, одной из тех, где стены были идеально ровными, бесконечно тонкими плоскостями, но иногда они не сходились по углам, и вы застревали между ними. Помните такую? И хотя я могу летать во сне, если захочу, внизу не так уж много интересного. Честно говоря, это довольно скучно.

Я подозреваю, что дело в том, что мой мозг просто не хранит достаточно деталей, чтобы убедительно спроецировать необходимые образы и впечатления. Это меня не удивляет, ведь откуда мне знать, каково это - летать или как выглядит розовое небо? А запоминать лица мне не удается даже в самые лучшие дни.

Урок, который я извлекла из этого, заключается в том, что мир вокруг буквально богаче, чем мы можем себе представить. Нам нужна реальность, чтобы питать наш мозг. И это относится не только к сенсорному опыту; думаю, это относится и к идеям. Мы получаем их из общения с природой, из изучения Вселенной - мы получаем их из науки. Точно так же, как мои люцидные сны - это бледные воспоминания о моментах бодрствования, без науки наши идеи остаются бледными воспоминаниями о том, что мы уже знаем.

Я бы не стала так далеко заходить, как Стюарт Брэнд, утверждавший, что "наука - это единственная новость", ведь наука, конечно, не единственная творческая дисциплина, черпающая вдохновение в природе. Но наука способна полностью изменить наше представление о реальности, привнеся в него неожиданные повороты. Вот почему для меня наука - это прежде всего вдохновение, а не профессия. Это способ осмыслить мир и открыть для себя подлинную новизну. Эту сторону науки я хотела бы прославлять чаще.

Ученые могут поучиться у религии, что не каждая встреча должна сопровождаться поучительным уроком. Иногда мы просто наслаждаемся обществом единомышленников, хотим поделиться опытом или с нетерпением ждем традиционной церемонии. Науке очень не хватает такой социальной интеграции. Это то, что мы можем и должны улучшить. Наряду с публичными лекциями мы должны предоставлять слушателям возможность познакомиться друг с другом. Вместо панельных дискуссий с участием выдающихся ученых мы должны больше рассказывать о том, как научное понимание изменило ситуацию для неспециалистов. Вместо того чтобы давать исследователям возможность отвечать на вопросы аудитории, мы должны слушать и учиться у тех, кому научные открытия помогли пережить трудные времена. Ясный вид ночного неба, книга по эмбриологии, онлайн-курс по психологии или лекция по нейрофизиологии могут изменить жизнь. Я знаю это потому, что люди делятся со мной такими историями после лекций, в письмах или в социальных сетях. О них следует знать больше.

Ученым часто - слишком часто - приходится оправдывать свои исследования, демонстрируя их практическое применение. Но у нас есть и другая причина для исследований: желание придать смысл нашему собственному существованию. У каждого из нас свой подход к осмыслению, и я продемонстрировала свой на примерах, приведенных в этой книге.

И все же вы можете спросить: "А в чем смысл?" Если Вселенная - это всего лишь механизм, набор дифференциальных уравнений, действующих в зависимости от начальных условий, а мы - лишь всплески сложности в беспечной Вселенной, временно осознающие себя конгломераты частиц, которые вскоре будут смыты увеличением энтропии, то зачем тратить время на выяснение того, насколько ничтожно наше существование? В чем смысл жизни, если в ней нет никакой цели?

Я не собираюсь отвечать на этот вопрос за вас, но не потому, что считаю, что ответа нет, а потому, что считаю, что каждый из нас должен найти свой собственный ответ. Позвольте мне просто рассказать вам о том, как я лично думаю об этом.

Я помню, как спросила свою маму: "В чем смысл жизни?", когда мне было лет четырнадцать. Она выглядела скорее уставшей, чем удивленной моим подростковым возрастом, и после некоторого раздумья ответила, что для нее смысл жизни заключается в передаче знаний следующему поколению. Моя мама, как вы должны знать, - школьная учительница (теперь уже на пенсии). Как мне тогда показалось, ее ответ был вполне логичным, но довольно неубедительным. Конечно, учитель сказал бы, что передача знаний - это самое важное дело на свете!

Спустя тридцать лет я пришла практически к тому же выводу. Да, люди также говорят мне, что я похожа на свою мать. Но хотя я и собиралась стать учителем, в итоге не стала по той простой причине, что не люблю повторяться. И все же сегодня я бы дала ответ, очень похожий на ответ моей матери.

Видите ли, на протяжении последних двух десятилетий мне очень везло и везло. Благодаря финансовой поддержке государственных органов, частных организаций и индивидуальных доноров я могу изучать фундаментальные законы природы и сообщать вам о своих выводах. Отзывы, которые я получаю на свои статьи, лекции и видеоканал, наглядно демонстрируют, что многие люди хотят получить ответы на те же вопросы, что и я. Они хотят знать, как устроена Вселенная.

С чисто экономической точки зрения, мои исследования стали возможны только потому, что достаточно много других людей решили, что потенциальные открытия будут стоить вложенных средств. И все же это вызывает некоторое недоумение, не так ли? Нет никакой финансовой выгоды или селективного преимущества от знания того, что я излагаю в этой книге. Можно, конечно, попытаться возразить, что понимание природы, в общем, полезно для выживания, что ботаники сексуальны или что люди тратят деньги на многочисленные причуды, которые не имеют никакого смысла. Но я не думаю, что это поможет. Фундаментальные исследования - это не просто причуда, это институционализированная деятельность развитых обществ. Мы изучаем Вселенную не только потому, что надеемся однажды отправиться в путешествие к другим галактикам. Даже если бы мы надеялись на это и даже если бы мы работали в этом направлении, это все равно не объяснило бы, почему нас волнует, существует ли время, или мы хотим знать, почему константы природы такие, какие они есть.

Для меня моя личная история - свидетельство того, что не только я, но и многие из нас испытывают желание понять Вселенную - просто так, без всякой другой причины. Наша жажда знаний повсеместна, как у отдельных людей, так и у обществ. Мы хотим понять, отчасти потому, что понимание полезно, но также, я думаю, из первичной потребности понять себя и свое место в этом мире.

Возможно, Вселенная эволюционирует к состоянию, в котором она понимает саму себя, а мы - часть ее постоянного поиска. Этот поиск начался, когда естественный отбор отдал предпочтение видам, которые делали правильные предсказания относительно окружающей среды, перешел к организмам, которые становились все лучше в понимании природы, и теперь продолжается в нашем (более или менее) организованном научном предприятии, на национальном и международном уровне, индивидуально и институционально.

Но что такое это понимание, к которому мы стремимся? Понимание чего-либо означает, что мы можем держать в голове работоспособную модель этого объекта, упрощенную версию реальной вещи, которую мы можем подвергнуть сомнению и которая объясняет некоторые аспекты того, что мы наблюдаем. В физике модели часто сильно математизированы, и без длительного обучения, на которое не у всех есть время, невозможно полностью понять их свойства. Но если математика есть, и хотя бы кто-то ее понимает, то зачастую ее можно передать вербально и визуально. Эта книга - мой маленький вклад в то, чтобы помочь вам удержать часть Вселенной в своей голове, используя слова и образы, а не уравнения. Передавая знания, как моя мать, я вношу свою лепту в то, чтобы помочь Вселенной понять себя.

Итак, да, мы - мешочки атомов, ползающие по бледно-голубой точке во внешнем спиральном рукаве удивительно непримечательной галактики. И все же мы гораздо больше, чем это.