Страница:
Нет такой причины, почему должно существовать, даже в принципе, какое-либо более низкоуровневое объяснение присутствия этого атома меди, чем то, которое я только что привел. Предположим, что упрощенная "теория всего" в принципе сделала бы низкоуровневое предсказание вероятности, что такая статуя будет существовать, если известно состояние (скажем) солнечной системы в какое-то более раннее время. Точно также эта теория в принципе описала бы, как эта статуя могла туда попасть. Но такие описания и предсказания (конечно же, абсолютно нереальные) ничего бы не объясняли. Они просто описывали бы траекторию движения каждого атома меди от медного рудника через плавильную печь, мастерскую скульптора и т.д. Они также могли бы сформулировать, какое влияние на эти траектории оказывают силы от окружающих атомов, например, тех, из которых состоят тела шахтеров и скульптора, и, таким образом, предсказать существование и форму статуи. В действительности, такое предсказание следовало бы отнести к атомам по всей планете, вовлеченным, кроме всего прочего, в сложное движение, которое мы называем Второй Мировой войной. Но даже если бы вы обладали сверхчеловеческой способностью следовать таким многословным предсказаниям нахождения атома меди в том месте, вы все равно не смогли бы сказать: "Да, я понимаю, почему он там находится". Вы просто знали бы, что его попадание туда таким образом неизбежно (или вероятно, или что угодно еще), если известны начальные конфигурации атомов и законы физики. Если бы вы захотели понять, почему он там находится, у вас по-прежнему не было бы другого выбора, кроме как сделать следующий шаг. Вам пришлось бы выяснить все, что касается этой конфигурации атомов и их траекторий, из-за которых атом меди оказался именно в этом месте. Такое исследование стало бы творческой задачей, какой всегда является открытие новых объяснений. Вам пришлось бы обнаружить, что определенные конфигурации атомов подтверждают такие исходящие явления, как руководство и война, связанные друг с другом объяснительными теориями высокого уровня. И только узнав все эти теории, вы смогли бы полностью понять, почему этот атом меди находится именно там.
Редукционисты уверены, что законы, управляющие взаимодействием дробноатомных частиц, имеют первостепенную важность, поскольку они являются основой иерархии всего знания. Но в реальной структуре научного знания и в структуре нашего знания в целом такие законы играют гораздо более скромную роль.
Какова же эта роль? Мне кажется, что ни одна из рассмотренных теорий, претендующих на звание "теории всего", не содержит много нового в способе объяснения. Возможно, самый передовой подход с объяснительной точки зрения -- это теория суперструн, в которой элементарными строительными блоками материи являются удлиненные объекты, "струны", а не точечные частицы. Но ни один существующий подход не предлагает нового способа объяснения -- нового в смысле объяснения Эйнштейном сил притяжения на основе искривленного пространства и времени. В действительности, ожидается, что "теория всего" унаследует практически всю объяснительную структуру существующих теорий электромагнетизма, ядерных сил и гравитации: их физические концепции, их язык, их математический формализм и форму их объяснений. Значит, мы можем рассчитывать, что эта структура основной физики, которая нам уже известна из существующих теорий, внесет вклад в наше общее понимание.
В физике существует две теории, значительно более глубокие, чем остальные. Первая -- это общая теория относительности, по-моему, наша лучшая теория пространства, времени и гравитации. Вторая -- еще более глубокая -квантовая теория. Эти две теории (а никакая другая существующая или ныне рассматриваемая теория дробноатомных частиц) предоставляют подробную объяснительную и формальную систему взглядов, в которой выражаются все остальные теории современной физики, и содержат основные физические принципы, которым подчиняются все остальные теории. Объединение общей теории относительности и квантовой теории -- с целью получения квантовой теории относительности -- стало в последние десятилетия основным предметом поисков физиков-теоретиков и должно было бы стать частью любой теории всего, как в узком, так и в широком смысле этого термина. Как мы увидим в следующей главе, квантовая теория, как и относительность, предоставляет революционно новый способ объяснения физической реальности. Причина, по которой квантовая теория глубже теории относительности, лежит большей частью не в физике, а вне ее, поскольку ее отрасли простираются далеко за пределы физики и даже за пределы самой науки в привычном ее понимании. Квантовая теория является одной из четырех основных нитей, образующих наше настоящее понимание структуры реальности.
Прежде чем назвать три других нити, я должен упомянуть еще один способ искаженного представления структуры научного знания редукционизмом. Редукционизм принимает не только то, что объяснение всегда состоит из разделения системы на более маленькие и простые системы, но и то, что все поздние события объясняются на основе ранних; другими словами, единственный способ что-то объяснить -- сформулировать причины этого. А это подразумевает, что, чем раньше произошли события, на основе которых мы что-то объясняем, тем лучше объяснение, так что, в конечном счете, все лучше объяснять на основе первоначального состояния Вселенной.
"Теория всего", исключающая определение первоначального состояния Вселенной, не является полным описанием физической реальности, потому что она содержит только законы движения; а законы движения сами по себе делают лишь условные предсказания. То есть они формулируют не то, что происходит, а только то, что произойдет в какое-то время, если известно, что это происходило раньше. Только если известно полное определение начального состояния, в принципе можно вывести полное описание физической реальности. Существующие космологические теории не обеспечивают полного определения начального состояния даже в принципе, но они утверждают, что изначально Вселенная была очень маленькой, очень горячей и имела однородную структуру. Но мы также знаем, что Вселенная не могла иметь абсолютно однородную структуру, потому что в соответствии с теорией это будет несовместимо с россыпью галактик, которые мы наблюдаем сегодня в небе. На первоначальные изменения плотности, "неоднородность распределения материи", значительное влияние оказало гравитационное сжатие (то есть относительно плотные участки притянули бы больше материи и стали бы более плотными), так что сначала эти изменения, должно быть, были совсем небольшими. Но какими бы маленькими они ни были, они имеют огромное значение для любых описаний реальности редукционистами, потому что почти все, что мы наблюдаем вокруг от россыпи звезд и галактик в небе до появления бронзовых статуй на планете Земля, с точки зрения основной физики является следствием этих изменений. Если наше редукционное описание стремится охватить нечто большее, чем самые крупные свойства наблюдаемой Вселенной, нам нужна теория, определяющая те важнейшие первоначальные отклонения от однородности.
Я попытаюсь заново сформулировать последнее требование, не принимая во внимание предубеждения редукционистов. Законы движения любой физической системы дают только условные предсказания и, следовательно, совместимы со многими возможными вариантами развития этой системы. (Это не зависит от ограничений предсказания, которые накладывает квантовая теория и о которых я расскажу в следующей главе). Например, законы движения, которым подчиняется ядро, выпущенное из пушки, совместимы с многими возможными траекториями, каждая из которых соответствует одному из возможных направлений и подъемов ствола пушки при выстреле (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Некоторые возможные траектории движения пушечного ядра. Каждая траектория совместима с законами движения, но только одна из траекторий относится к конкретному случаю
Математически законы движения можно выразить системой уравнений, которые называют уравнениями движения. Существует много различных решений этих уравнений, каждое из которых описывает какую-то возможную траекторию. Чтобы определить, какое решение описывает действительную траекторию, необходимо обеспечить дополнительные данные - некоторую информацию о том, что происходит в действительности. Один из способов осуществить это заключается в определении начального состояния, в данном случае направления ствола пушки. Однако существуют и другие способы. Например, мы точно также могли бы определить конечное состояние -- положение и направление движения пушечного ядра в момент его приземления. Или мы могли бы определить положение самой высокой точки траектории. Мы можем давать любые дополнительные данные, если они помогают выбрать одно конкретное решение системы уравнений движения. Объединение любых дополнительных данных такого рода с законами движения равноценно теории, которая описывает все, что происходит с пушечным ядром с момента выстрела до удара.
Точно также законы движения для физической реальности в целом будут иметь много решений, каждое из которых соответствует конкретному случаю. Для завершения описания нам придется определить, какой случай произошел в действительности, предоставляя достаточно дополнительных данных для получения одного из многих решений уравнений движения. В простых космологических моделях, по крайней мере одним из способов получения таких данных является определение начального состояния Вселенной. Но, кроме того, мы могли бы определить конечное состояние или состояние в любой другой момент времени: или мы могли бы предоставить некоторую информацию о начальном состоянии, какую-то информацию о конечном состоянии и о промежуточных состояниях. В общем, объединив достаточное количество дополнительных данных разного рода с законами движения, мы, в принципе, получили бы описание физической реальности.
Как только мы определим, скажем, конечное состояние пушечного ядра, мы сможем непосредственно вычислить его начальное состояние, и наоборот, поэтому между различными методами определения дополнительных данных не существует практической разницы. Однако большую часть таких вычислений для Вселенной трудно обработать. Я сказал, что мы делаем вывод о существовании "неоднородности распределения материи" в начальных состояниях из сегодняшних наблюдений этой "неоднородности". Но это исключение: большая часть нашего знания о дополнительных данных -- о том, что конкретно происходит, -существует в форме теорий высокого уровня об исходящих явлениях и, следовательно, по определению практически не поддается выражению в виде формулировок начального состояния. Например, в большей части решений уравнений движения Вселенная в своем начальном состоянии не обладает свойствами, необходимыми для появления жизни. Следовательно, наше знание того, что жизнь появилась, -- значительная часть дополнительных данных. Возможно, мы никогда не узнаем, что это ограничение значит для подробной структуры Большого Взрыва, но мы можем сделать выводы непосредственно из него. Например, первая точная оценка возраста Земли была сделана на основе биологической теории эволюции, которая противоречила самым выдающимся достижениям физики того времени. Только предубеждение редукционистов могло заставить нас считать, что эти доказательства были по какой-то причине менее вескими или, в общем, теории о начальном состоянии были более "фундаментальны", чем теории об исходящих особенностях реальности.
Даже в области основной физики идея о том, что теории начального состояния содержат наши самые глубокие знания, весьма ошибочна. Одна из причин этого состоит в том, что она логически исключает возможность объяснения самого начального состояния: почему было начальное состояние, каким оно было, -- однако в действительности у нас есть объяснения многих аспектов начального состояния. В общем, ни одна теория времени не способна давать объяснения на основе чего-то "более раннего"; тем не менее, благодаря общей теории относительности, а также квантовой теории (см. главу 2) у нас есть глубокие объяснения природы времени.
Таким образом, характер многих наших описаний, предсказаний и объяснений реальности не имеет ничего общего с теорией "начального состояния в совокупности с законами движения", к которой приводит редукционизм. Не существует причины рассматривать теории высокого уровня как "второсортные". Наши теории дробноатомной физики и даже квантовая теория относительности не имеют никаких преимуществ перед теориями об исходящих свойствах. Ни одну из этих областей знания нельзя отнести к другим. Каждая теория содержит логические выводы остальных, однако не все эти выводы можно сформулировать, поскольку они являются исходящими свойствами области других теорий. В действительности, неправильно употреблять сами термины "высокий уровень" и "низкий уровень". Законы биологии, например, -- исходящие следствия высокого уровня законов физики. Но логически некоторые законы физики являются "исходящими" следствиями законов биологии. Могло быть и так, что законы, которым подчиняются биологические и другие исходящие явления, полностью определяли бы законы основной физики. В любом случае, когда две теории логически связаны между собой, логика не заставляет рассматривать одну из них как определяющую вторую в целом или частично. Это зависит от объяснительных отношений между теориями. Преимущества имеют не теории, которые определяют конкретную шкалу размеров или сложности, и не теории, которые расположены на определенном уровне предсказательной иерархии, а те, которые содержат самые глубокие объяснения. Структура реальности состоит не только из составляющих редукционизма, как-то: пространство, время и дробноатомные частицы, -- но и из жизни, мыслей, вычислений и многого другого, к чему относятся эти объяснения. Теория становится в большей степени основной, нежели производной, не из-за своей близости к предсказывающей основе физики, а из-за своей близости к нашим самым глубоким объяснительным теориям.
Квантовая теория, как я уже говорил, является одной из таких теорий. Три другие основные нити объяснения, через которые мы стремимся понять структуру реальности, относятся к "высокому уровню" с точки зрения квантовой теории. Это теория эволюции (первоначально эволюции живых организмов), эпистемология (теория познания) и теория вычисления (о вычислительных машинах и о том, что они могут вычислить, а что не могут). Как вы увидите, между основными принципами этих четырех, на первый взгляд, независимых предметов были обнаружены такие глубокие и разнообразные связи, что наилучшим образом понять один из них, не понимая три оставшиеся, стало невозможно. Все четыре формируют связную объяснительную структуру, которая имеет настолько обширные перспективы, и охватывает значительную часть нашего понимания мира, что, на мой взгляд, ее уже можно справедливо назвать первой настоящей Теорией Всего. Таким образом, мы подошли к знаменательному моменту в истории идей -- моменту, когда масштаб нашего понимания становится действительно универсальным. До настоящего времени все наше понимание касалось некоторого аспекта реальности, нехарактерного для целого. В будущем оно охватит объединенное понятие реальности: все объяснения будут пониматься на фоне универсальности, а каждая новая идея будет автоматически стремиться освещать не только конкретный предмет, но в различной степени все предметы. Понимание, которое мы в конечном итоге получим из последнего огромного объединения, может значительно превзойти понимание, которое мы получали от предыдущих объяснений. Мы увидим, что здесь объединяется и объясняется не только физика и не только наука, но и отдаленные области философии, логики и математики, этики, политики и эстетики: возможно, все, что мы понимаем в настоящее время, а может быть, и многое из того, что мы еще не понимаем.
Какой же тогда вывод я адресовал бы себе-ребенку, который отвергал то, что рост знания делает мир менее понятным? Я бы согласился с ним, хотя сейчас я считаю, что важно не то, может ли одна из особей нашего конкретного вида понять все то, что понимает весь вид. Важно то, действительно ли едина и понятна сама структура реальности. Существует множество причин считать, что это так. Будучи ребенком, я просто знал это: сейчас я могу это объяснить.
ТЕРМИНОЛОГИЯ
Эпистемология -- наука о природе познания и процессах, которые ее создают.
Объяснение -- (грубо) утверждение о природе и причинах вещей.
Инструментализм -- система взглядов, в соответствии с которой целью научной теории является предсказание результатов экспериментов.
Позитивизм -- крайняя форма инструментализма, утверждающая, что все формулировки, отличные от тех, которые что-либо описывают или предсказывают, не имеют смысла. (Этот взгляд сам не имеет смысла по своим же критериям).
Редукционный -- редукционное объяснение -- это объяснение, которое раскладывает все вещи на составляющие низкого уровня.
Редукционизм -- система взглядов, в соответствии с которой научные объяснения изначально являются редукционными.
Холизм -- идея о том, что обоснованными являются только объяснения, сделанные на основе систем высокого уровня; противоположность редукционизма.
Исход -- исходящим явлением называется такое явление (как жизнь, мысль или вычисление), относительно которого существуют понятные факты или объяснения, которые не просто выводятся из теорий низкого уровня, но которые могут объяснить или предсказать теории высокого уровня, относящиеся непосредственно к этим явлениям.
РЕЗЮМЕ
Научное знание, как и все человеческое знание, состоит главным образом из объяснений. Простые факты можно посмотреть в справочнике, предсказания важны только при проведении решающих экспериментов для выбора более точной научной теории, которая уже прошла проверку на наличие хороших объяснений. По мере того, как новые теории вытесняют старые, наше знание становится как шире (когда появляются новые предметы), так и глубже (когда наши основные теории объясняют больше и становятся более обобщенными). Глубина побеждает. Таким образом, мы не удаляемся от того состояния, когда один человек сможет понять все, что понято, а приближаемся к нему. Наши самые глубокие теории настолько переплетаются друг с другом, что их можно понять только совместно, как единую теорию объединенной структуры реальности. Эта Теория Всего имеет гораздо больший масштаб, чем та "теория всего", которую ищут ученые, занимающиеся физикой элементарных частиц, потому что структура реальности состоит не только из таких составляющих редукционизма, как пространство, время и дробноатомные частицы, но также, например, из жизни, мысли и вычисления. Четыре основных нити объяснения, которые могут составить первую Теорию Всего -- это
квантовая физика, Главы 2, 9, 11, 12, 13, 14;
эпистемология, Главы З, 4, 7, 10, 13, 14;
теория вычислений, Главы 5, б, 9, 10, 13, 14;
теория эволюции, Главы 8, 13, 14.
Следующая глава посвящена первой и самой важной из четырех нитей -квантовой физике.
Глава 2. Тени
Не существует лучшей, более открытой двери к изучению физики, чем обсуждение физического феномена свечи.
Майкл Фарадей
(Курс из шести лекций по химической истории свечи)
В своих знаменитых научных лекциях в Королевском институте Майкл Фарадей всегда побуждал своих слушателей изучать мир, рассматривая, что происходит при горении свечи. Я заменю свечу электрическим фонариком. Это правомерно, поскольку устройство электрического фонарика во многом основано на открытиях Фарадея.
Я опишу несколько экспериментов, которые иллюстрируют явления лежащие в основе квантовой физики. Такого рода эксперименты со множеством изменений и уточнений в течение многих лет оставались средством к существованию квантовой оптики. В их результатах нет противоречий, однако даже сейчас в некоторые из них трудно поверить. Основные эксперименты удивительно просты. Они в сущности не требуют ни специальных научных инструментов, ни глубокого знания математики или физики, они заключаются всего лишь в отбрасывании теней. Обычный электрический фонарик может производить весьма странные картины света и тени. При более внимательном рассмотрении можно увидеть, что они имеют необычные разветвления. Чтобы объяснить их, нужны не просто новые физические законы, а новый уровень описания и объяснения, выходящий за пределы того, что раньше считали научной сферой. Прежде всего, эти картины открывают существование параллельных миров. Как это возможно? Какая мыслимая картина теней может повлечь за собой подобные выводы?
Рис. 2.1. Свет от электрического фонарика
Представьте включенный электрический фонарик в темной комнате где нет других источников освещения. Нить накала лампочки испускает свет, который расширяется, образуя часть конуса. Чтобы не усложнять эксперимент отраженным светом, стены комнаты должны быть матово-черными для полного поглощения света. Или, поскольку мы проводим эти эксперименты только в своем воображении, можно представить комнату астрономических размеров, чтобы до завершения эксперимента свет не успел достигнуть стен и вернуться. Рисунок 2.1 иллюстрирует данный опыт. Но этот рисунок в некоторой степени не соответствует истине: если бы мы смотрели на фонарик со стороны, мы не смогли бы увидеть ни фонарик, ни свет. Невидимость -- одно из простейших свойств света. Мы видим свет лишь тогда, когда он попадает в наши глаза (хотя, как правило, мы говорим о последнем объекте, на который воздействовал этот свет и который оказался по линии нашего зрения). Мы не можем увидеть свет, который просто проходит мимо. Если бы в луче оказался отражающий объект или даже пыль или капельки воды, чтобы рассеять свет, мы смогли бы его увидеть. Но поскольку в луче ничего нет, и мы смотрим на него извне, его свет не достигает нас. Наиболее точно то, что мы должны увидеть, следовало бы представить абсолютно черной картинкой. В присутствии второго источника света, мы могли бы увидеть фонарик, но опять же не его свет. Лучи света, даже самого интенсивного света, который мы можем получить (с помощью лазеров), проходят друг через друга, как если бы ничего не было вообще.
На рисунке 2.1 видно, что около фонарика свет наиболее яркий, по мере удаления от него свет тускнеет, так как луч расширяется, чтобы осветить еще большую площадь. Наблюдателю, находящемуся в луче и отходящему от фонарика спиной вперед, рефлектор показался бы еще меньше, а когда был бы виден только как точка, еще слабее. Это в самом деле было бы так? Способен ли свет действительно распространяться неограниченно все более тонкими лучами? Ответ: нет. На расстоянии примерно десяти тысяч километров от фонарика его свет был бы слишком слабым, чтобы человеческий глаз мог его различить, и наблюдатель ничего бы не увидел. То есть человек ничего бы не увидел; а животное с более чувствительным зрением? Глаза лягушки в несколько раз чувствительнее человеческих глаз: этого вполне достаточно, чтобы почувствовать ощутимую разницу при проведении эксперимента. Если бы наблюдателем была лягушка, и она удалялась бы от электрического фонарика, момент, когда она полностью потеряла бы его из вида, никогда бы не наступил. Вместо этого лягушка увидела бы, что фонарик начал мерцать. Вспышки возникали бы через неравные промежутки времени, которые увеличивались бы по мере удаления лягушки от фонарика. Но отдельные вспышки не стали бы менее яркими. На расстоянии ста миллионов километров от фонарика лягушка видела бы в среднем только одну вспышку света в день, но эта вспышка была бы не менее яркой, чем любая другая, наблюдаемая с любого другого расстояния.
Рис. 2.2. Лягушки могут видеть отдельные фотоны
Лягушки не могут рассказать нам, что они видят. Поэтому при проведении реальных экспериментов мы используем фотоумножители (световые детекторы, чувствительность которых превышает чувствительность глаз лягушки) и уменьшаем свет, пропуская его через темные фильтры, а не наблюдаем его на расстоянии ста миллионов километров от источника. Однако ни принцип, ни результат от этого не меняются: не мнимая темнота, не однородная тусклость, а мерцание, причем вспышки -- одинаково яркие, независимо от того, насколько темный фильтр мы используем. Это мерцание показывает, что существует предел равномерного распространения света. Пользуясь терминологией ювелиров, можно сказать, что свет не является бесконечно "ковким". Подобно золоту небольшое количество света можно равномерно распределить по очень большой площади, но, в конечном итоге, если попытаться растянуть его еще, он станет неровным. Даже если можно как-нибудь предотвратить группирование атомов золота, существует предел, за которым атомы нельзя разделить без того, чтобы золото не перестало быть золотом. Поэтому единственный способ сделать золотой лист толщиной в один атом еще тоньше - расположить атомы еще дальше друг от друга, чтобы между ними было пустое пространство. Когда эти атомы окажутся достаточно далеко друг от друга, заблуждением будет считать, что они образуют сплошной лист. Например, если каждый атом золота находился бы в среднем на расстоянии нескольких сантиметров от своего ближайшего соседа, можно было бы провести рукой через "лист", не прикасаясь к золоту вообще. Точно также существует элементарный световой шарик или "атом", фотон. Каждая вспышка, которую видит лягушка, вызвана фотоном, воздействующим на сетчатку ее глаз. Луч света становится слабее не потому, что сами фотоны ослабевают, а потому, что они отдаляются друг от друга, и пустое пространство между ними увеличивается (рисунок 2.2). Очень слабый луч неправомерно называть "лучом", поскольку он прерывается. Когда лягушка ничего не видит, это происходит не потому, что свет, попадающий в ее глаза, слишком слаб, чтобы воздействовать на сетчатку, а потому, что свет просто не попадает в ее глаза.
Редукционисты уверены, что законы, управляющие взаимодействием дробноатомных частиц, имеют первостепенную важность, поскольку они являются основой иерархии всего знания. Но в реальной структуре научного знания и в структуре нашего знания в целом такие законы играют гораздо более скромную роль.
Какова же эта роль? Мне кажется, что ни одна из рассмотренных теорий, претендующих на звание "теории всего", не содержит много нового в способе объяснения. Возможно, самый передовой подход с объяснительной точки зрения -- это теория суперструн, в которой элементарными строительными блоками материи являются удлиненные объекты, "струны", а не точечные частицы. Но ни один существующий подход не предлагает нового способа объяснения -- нового в смысле объяснения Эйнштейном сил притяжения на основе искривленного пространства и времени. В действительности, ожидается, что "теория всего" унаследует практически всю объяснительную структуру существующих теорий электромагнетизма, ядерных сил и гравитации: их физические концепции, их язык, их математический формализм и форму их объяснений. Значит, мы можем рассчитывать, что эта структура основной физики, которая нам уже известна из существующих теорий, внесет вклад в наше общее понимание.
В физике существует две теории, значительно более глубокие, чем остальные. Первая -- это общая теория относительности, по-моему, наша лучшая теория пространства, времени и гравитации. Вторая -- еще более глубокая -квантовая теория. Эти две теории (а никакая другая существующая или ныне рассматриваемая теория дробноатомных частиц) предоставляют подробную объяснительную и формальную систему взглядов, в которой выражаются все остальные теории современной физики, и содержат основные физические принципы, которым подчиняются все остальные теории. Объединение общей теории относительности и квантовой теории -- с целью получения квантовой теории относительности -- стало в последние десятилетия основным предметом поисков физиков-теоретиков и должно было бы стать частью любой теории всего, как в узком, так и в широком смысле этого термина. Как мы увидим в следующей главе, квантовая теория, как и относительность, предоставляет революционно новый способ объяснения физической реальности. Причина, по которой квантовая теория глубже теории относительности, лежит большей частью не в физике, а вне ее, поскольку ее отрасли простираются далеко за пределы физики и даже за пределы самой науки в привычном ее понимании. Квантовая теория является одной из четырех основных нитей, образующих наше настоящее понимание структуры реальности.
Прежде чем назвать три других нити, я должен упомянуть еще один способ искаженного представления структуры научного знания редукционизмом. Редукционизм принимает не только то, что объяснение всегда состоит из разделения системы на более маленькие и простые системы, но и то, что все поздние события объясняются на основе ранних; другими словами, единственный способ что-то объяснить -- сформулировать причины этого. А это подразумевает, что, чем раньше произошли события, на основе которых мы что-то объясняем, тем лучше объяснение, так что, в конечном счете, все лучше объяснять на основе первоначального состояния Вселенной.
"Теория всего", исключающая определение первоначального состояния Вселенной, не является полным описанием физической реальности, потому что она содержит только законы движения; а законы движения сами по себе делают лишь условные предсказания. То есть они формулируют не то, что происходит, а только то, что произойдет в какое-то время, если известно, что это происходило раньше. Только если известно полное определение начального состояния, в принципе можно вывести полное описание физической реальности. Существующие космологические теории не обеспечивают полного определения начального состояния даже в принципе, но они утверждают, что изначально Вселенная была очень маленькой, очень горячей и имела однородную структуру. Но мы также знаем, что Вселенная не могла иметь абсолютно однородную структуру, потому что в соответствии с теорией это будет несовместимо с россыпью галактик, которые мы наблюдаем сегодня в небе. На первоначальные изменения плотности, "неоднородность распределения материи", значительное влияние оказало гравитационное сжатие (то есть относительно плотные участки притянули бы больше материи и стали бы более плотными), так что сначала эти изменения, должно быть, были совсем небольшими. Но какими бы маленькими они ни были, они имеют огромное значение для любых описаний реальности редукционистами, потому что почти все, что мы наблюдаем вокруг от россыпи звезд и галактик в небе до появления бронзовых статуй на планете Земля, с точки зрения основной физики является следствием этих изменений. Если наше редукционное описание стремится охватить нечто большее, чем самые крупные свойства наблюдаемой Вселенной, нам нужна теория, определяющая те важнейшие первоначальные отклонения от однородности.
Я попытаюсь заново сформулировать последнее требование, не принимая во внимание предубеждения редукционистов. Законы движения любой физической системы дают только условные предсказания и, следовательно, совместимы со многими возможными вариантами развития этой системы. (Это не зависит от ограничений предсказания, которые накладывает квантовая теория и о которых я расскажу в следующей главе). Например, законы движения, которым подчиняется ядро, выпущенное из пушки, совместимы с многими возможными траекториями, каждая из которых соответствует одному из возможных направлений и подъемов ствола пушки при выстреле (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Некоторые возможные траектории движения пушечного ядра. Каждая траектория совместима с законами движения, но только одна из траекторий относится к конкретному случаю
Математически законы движения можно выразить системой уравнений, которые называют уравнениями движения. Существует много различных решений этих уравнений, каждое из которых описывает какую-то возможную траекторию. Чтобы определить, какое решение описывает действительную траекторию, необходимо обеспечить дополнительные данные - некоторую информацию о том, что происходит в действительности. Один из способов осуществить это заключается в определении начального состояния, в данном случае направления ствола пушки. Однако существуют и другие способы. Например, мы точно также могли бы определить конечное состояние -- положение и направление движения пушечного ядра в момент его приземления. Или мы могли бы определить положение самой высокой точки траектории. Мы можем давать любые дополнительные данные, если они помогают выбрать одно конкретное решение системы уравнений движения. Объединение любых дополнительных данных такого рода с законами движения равноценно теории, которая описывает все, что происходит с пушечным ядром с момента выстрела до удара.
Точно также законы движения для физической реальности в целом будут иметь много решений, каждое из которых соответствует конкретному случаю. Для завершения описания нам придется определить, какой случай произошел в действительности, предоставляя достаточно дополнительных данных для получения одного из многих решений уравнений движения. В простых космологических моделях, по крайней мере одним из способов получения таких данных является определение начального состояния Вселенной. Но, кроме того, мы могли бы определить конечное состояние или состояние в любой другой момент времени: или мы могли бы предоставить некоторую информацию о начальном состоянии, какую-то информацию о конечном состоянии и о промежуточных состояниях. В общем, объединив достаточное количество дополнительных данных разного рода с законами движения, мы, в принципе, получили бы описание физической реальности.
Как только мы определим, скажем, конечное состояние пушечного ядра, мы сможем непосредственно вычислить его начальное состояние, и наоборот, поэтому между различными методами определения дополнительных данных не существует практической разницы. Однако большую часть таких вычислений для Вселенной трудно обработать. Я сказал, что мы делаем вывод о существовании "неоднородности распределения материи" в начальных состояниях из сегодняшних наблюдений этой "неоднородности". Но это исключение: большая часть нашего знания о дополнительных данных -- о том, что конкретно происходит, -существует в форме теорий высокого уровня об исходящих явлениях и, следовательно, по определению практически не поддается выражению в виде формулировок начального состояния. Например, в большей части решений уравнений движения Вселенная в своем начальном состоянии не обладает свойствами, необходимыми для появления жизни. Следовательно, наше знание того, что жизнь появилась, -- значительная часть дополнительных данных. Возможно, мы никогда не узнаем, что это ограничение значит для подробной структуры Большого Взрыва, но мы можем сделать выводы непосредственно из него. Например, первая точная оценка возраста Земли была сделана на основе биологической теории эволюции, которая противоречила самым выдающимся достижениям физики того времени. Только предубеждение редукционистов могло заставить нас считать, что эти доказательства были по какой-то причине менее вескими или, в общем, теории о начальном состоянии были более "фундаментальны", чем теории об исходящих особенностях реальности.
Даже в области основной физики идея о том, что теории начального состояния содержат наши самые глубокие знания, весьма ошибочна. Одна из причин этого состоит в том, что она логически исключает возможность объяснения самого начального состояния: почему было начальное состояние, каким оно было, -- однако в действительности у нас есть объяснения многих аспектов начального состояния. В общем, ни одна теория времени не способна давать объяснения на основе чего-то "более раннего"; тем не менее, благодаря общей теории относительности, а также квантовой теории (см. главу 2) у нас есть глубокие объяснения природы времени.
Таким образом, характер многих наших описаний, предсказаний и объяснений реальности не имеет ничего общего с теорией "начального состояния в совокупности с законами движения", к которой приводит редукционизм. Не существует причины рассматривать теории высокого уровня как "второсортные". Наши теории дробноатомной физики и даже квантовая теория относительности не имеют никаких преимуществ перед теориями об исходящих свойствах. Ни одну из этих областей знания нельзя отнести к другим. Каждая теория содержит логические выводы остальных, однако не все эти выводы можно сформулировать, поскольку они являются исходящими свойствами области других теорий. В действительности, неправильно употреблять сами термины "высокий уровень" и "низкий уровень". Законы биологии, например, -- исходящие следствия высокого уровня законов физики. Но логически некоторые законы физики являются "исходящими" следствиями законов биологии. Могло быть и так, что законы, которым подчиняются биологические и другие исходящие явления, полностью определяли бы законы основной физики. В любом случае, когда две теории логически связаны между собой, логика не заставляет рассматривать одну из них как определяющую вторую в целом или частично. Это зависит от объяснительных отношений между теориями. Преимущества имеют не теории, которые определяют конкретную шкалу размеров или сложности, и не теории, которые расположены на определенном уровне предсказательной иерархии, а те, которые содержат самые глубокие объяснения. Структура реальности состоит не только из составляющих редукционизма, как-то: пространство, время и дробноатомные частицы, -- но и из жизни, мыслей, вычислений и многого другого, к чему относятся эти объяснения. Теория становится в большей степени основной, нежели производной, не из-за своей близости к предсказывающей основе физики, а из-за своей близости к нашим самым глубоким объяснительным теориям.
Квантовая теория, как я уже говорил, является одной из таких теорий. Три другие основные нити объяснения, через которые мы стремимся понять структуру реальности, относятся к "высокому уровню" с точки зрения квантовой теории. Это теория эволюции (первоначально эволюции живых организмов), эпистемология (теория познания) и теория вычисления (о вычислительных машинах и о том, что они могут вычислить, а что не могут). Как вы увидите, между основными принципами этих четырех, на первый взгляд, независимых предметов были обнаружены такие глубокие и разнообразные связи, что наилучшим образом понять один из них, не понимая три оставшиеся, стало невозможно. Все четыре формируют связную объяснительную структуру, которая имеет настолько обширные перспективы, и охватывает значительную часть нашего понимания мира, что, на мой взгляд, ее уже можно справедливо назвать первой настоящей Теорией Всего. Таким образом, мы подошли к знаменательному моменту в истории идей -- моменту, когда масштаб нашего понимания становится действительно универсальным. До настоящего времени все наше понимание касалось некоторого аспекта реальности, нехарактерного для целого. В будущем оно охватит объединенное понятие реальности: все объяснения будут пониматься на фоне универсальности, а каждая новая идея будет автоматически стремиться освещать не только конкретный предмет, но в различной степени все предметы. Понимание, которое мы в конечном итоге получим из последнего огромного объединения, может значительно превзойти понимание, которое мы получали от предыдущих объяснений. Мы увидим, что здесь объединяется и объясняется не только физика и не только наука, но и отдаленные области философии, логики и математики, этики, политики и эстетики: возможно, все, что мы понимаем в настоящее время, а может быть, и многое из того, что мы еще не понимаем.
Какой же тогда вывод я адресовал бы себе-ребенку, который отвергал то, что рост знания делает мир менее понятным? Я бы согласился с ним, хотя сейчас я считаю, что важно не то, может ли одна из особей нашего конкретного вида понять все то, что понимает весь вид. Важно то, действительно ли едина и понятна сама структура реальности. Существует множество причин считать, что это так. Будучи ребенком, я просто знал это: сейчас я могу это объяснить.
ТЕРМИНОЛОГИЯ
Эпистемология -- наука о природе познания и процессах, которые ее создают.
Объяснение -- (грубо) утверждение о природе и причинах вещей.
Инструментализм -- система взглядов, в соответствии с которой целью научной теории является предсказание результатов экспериментов.
Позитивизм -- крайняя форма инструментализма, утверждающая, что все формулировки, отличные от тех, которые что-либо описывают или предсказывают, не имеют смысла. (Этот взгляд сам не имеет смысла по своим же критериям).
Редукционный -- редукционное объяснение -- это объяснение, которое раскладывает все вещи на составляющие низкого уровня.
Редукционизм -- система взглядов, в соответствии с которой научные объяснения изначально являются редукционными.
Холизм -- идея о том, что обоснованными являются только объяснения, сделанные на основе систем высокого уровня; противоположность редукционизма.
Исход -- исходящим явлением называется такое явление (как жизнь, мысль или вычисление), относительно которого существуют понятные факты или объяснения, которые не просто выводятся из теорий низкого уровня, но которые могут объяснить или предсказать теории высокого уровня, относящиеся непосредственно к этим явлениям.
РЕЗЮМЕ
Научное знание, как и все человеческое знание, состоит главным образом из объяснений. Простые факты можно посмотреть в справочнике, предсказания важны только при проведении решающих экспериментов для выбора более точной научной теории, которая уже прошла проверку на наличие хороших объяснений. По мере того, как новые теории вытесняют старые, наше знание становится как шире (когда появляются новые предметы), так и глубже (когда наши основные теории объясняют больше и становятся более обобщенными). Глубина побеждает. Таким образом, мы не удаляемся от того состояния, когда один человек сможет понять все, что понято, а приближаемся к нему. Наши самые глубокие теории настолько переплетаются друг с другом, что их можно понять только совместно, как единую теорию объединенной структуры реальности. Эта Теория Всего имеет гораздо больший масштаб, чем та "теория всего", которую ищут ученые, занимающиеся физикой элементарных частиц, потому что структура реальности состоит не только из таких составляющих редукционизма, как пространство, время и дробноатомные частицы, но также, например, из жизни, мысли и вычисления. Четыре основных нити объяснения, которые могут составить первую Теорию Всего -- это
квантовая физика, Главы 2, 9, 11, 12, 13, 14;
эпистемология, Главы З, 4, 7, 10, 13, 14;
теория вычислений, Главы 5, б, 9, 10, 13, 14;
теория эволюции, Главы 8, 13, 14.
Следующая глава посвящена первой и самой важной из четырех нитей -квантовой физике.
Глава 2. Тени
Не существует лучшей, более открытой двери к изучению физики, чем обсуждение физического феномена свечи.
Майкл Фарадей
(Курс из шести лекций по химической истории свечи)
В своих знаменитых научных лекциях в Королевском институте Майкл Фарадей всегда побуждал своих слушателей изучать мир, рассматривая, что происходит при горении свечи. Я заменю свечу электрическим фонариком. Это правомерно, поскольку устройство электрического фонарика во многом основано на открытиях Фарадея.
Я опишу несколько экспериментов, которые иллюстрируют явления лежащие в основе квантовой физики. Такого рода эксперименты со множеством изменений и уточнений в течение многих лет оставались средством к существованию квантовой оптики. В их результатах нет противоречий, однако даже сейчас в некоторые из них трудно поверить. Основные эксперименты удивительно просты. Они в сущности не требуют ни специальных научных инструментов, ни глубокого знания математики или физики, они заключаются всего лишь в отбрасывании теней. Обычный электрический фонарик может производить весьма странные картины света и тени. При более внимательном рассмотрении можно увидеть, что они имеют необычные разветвления. Чтобы объяснить их, нужны не просто новые физические законы, а новый уровень описания и объяснения, выходящий за пределы того, что раньше считали научной сферой. Прежде всего, эти картины открывают существование параллельных миров. Как это возможно? Какая мыслимая картина теней может повлечь за собой подобные выводы?
Рис. 2.1. Свет от электрического фонарика
Представьте включенный электрический фонарик в темной комнате где нет других источников освещения. Нить накала лампочки испускает свет, который расширяется, образуя часть конуса. Чтобы не усложнять эксперимент отраженным светом, стены комнаты должны быть матово-черными для полного поглощения света. Или, поскольку мы проводим эти эксперименты только в своем воображении, можно представить комнату астрономических размеров, чтобы до завершения эксперимента свет не успел достигнуть стен и вернуться. Рисунок 2.1 иллюстрирует данный опыт. Но этот рисунок в некоторой степени не соответствует истине: если бы мы смотрели на фонарик со стороны, мы не смогли бы увидеть ни фонарик, ни свет. Невидимость -- одно из простейших свойств света. Мы видим свет лишь тогда, когда он попадает в наши глаза (хотя, как правило, мы говорим о последнем объекте, на который воздействовал этот свет и который оказался по линии нашего зрения). Мы не можем увидеть свет, который просто проходит мимо. Если бы в луче оказался отражающий объект или даже пыль или капельки воды, чтобы рассеять свет, мы смогли бы его увидеть. Но поскольку в луче ничего нет, и мы смотрим на него извне, его свет не достигает нас. Наиболее точно то, что мы должны увидеть, следовало бы представить абсолютно черной картинкой. В присутствии второго источника света, мы могли бы увидеть фонарик, но опять же не его свет. Лучи света, даже самого интенсивного света, который мы можем получить (с помощью лазеров), проходят друг через друга, как если бы ничего не было вообще.
На рисунке 2.1 видно, что около фонарика свет наиболее яркий, по мере удаления от него свет тускнеет, так как луч расширяется, чтобы осветить еще большую площадь. Наблюдателю, находящемуся в луче и отходящему от фонарика спиной вперед, рефлектор показался бы еще меньше, а когда был бы виден только как точка, еще слабее. Это в самом деле было бы так? Способен ли свет действительно распространяться неограниченно все более тонкими лучами? Ответ: нет. На расстоянии примерно десяти тысяч километров от фонарика его свет был бы слишком слабым, чтобы человеческий глаз мог его различить, и наблюдатель ничего бы не увидел. То есть человек ничего бы не увидел; а животное с более чувствительным зрением? Глаза лягушки в несколько раз чувствительнее человеческих глаз: этого вполне достаточно, чтобы почувствовать ощутимую разницу при проведении эксперимента. Если бы наблюдателем была лягушка, и она удалялась бы от электрического фонарика, момент, когда она полностью потеряла бы его из вида, никогда бы не наступил. Вместо этого лягушка увидела бы, что фонарик начал мерцать. Вспышки возникали бы через неравные промежутки времени, которые увеличивались бы по мере удаления лягушки от фонарика. Но отдельные вспышки не стали бы менее яркими. На расстоянии ста миллионов километров от фонарика лягушка видела бы в среднем только одну вспышку света в день, но эта вспышка была бы не менее яркой, чем любая другая, наблюдаемая с любого другого расстояния.
Рис. 2.2. Лягушки могут видеть отдельные фотоны
Лягушки не могут рассказать нам, что они видят. Поэтому при проведении реальных экспериментов мы используем фотоумножители (световые детекторы, чувствительность которых превышает чувствительность глаз лягушки) и уменьшаем свет, пропуская его через темные фильтры, а не наблюдаем его на расстоянии ста миллионов километров от источника. Однако ни принцип, ни результат от этого не меняются: не мнимая темнота, не однородная тусклость, а мерцание, причем вспышки -- одинаково яркие, независимо от того, насколько темный фильтр мы используем. Это мерцание показывает, что существует предел равномерного распространения света. Пользуясь терминологией ювелиров, можно сказать, что свет не является бесконечно "ковким". Подобно золоту небольшое количество света можно равномерно распределить по очень большой площади, но, в конечном итоге, если попытаться растянуть его еще, он станет неровным. Даже если можно как-нибудь предотвратить группирование атомов золота, существует предел, за которым атомы нельзя разделить без того, чтобы золото не перестало быть золотом. Поэтому единственный способ сделать золотой лист толщиной в один атом еще тоньше - расположить атомы еще дальше друг от друга, чтобы между ними было пустое пространство. Когда эти атомы окажутся достаточно далеко друг от друга, заблуждением будет считать, что они образуют сплошной лист. Например, если каждый атом золота находился бы в среднем на расстоянии нескольких сантиметров от своего ближайшего соседа, можно было бы провести рукой через "лист", не прикасаясь к золоту вообще. Точно также существует элементарный световой шарик или "атом", фотон. Каждая вспышка, которую видит лягушка, вызвана фотоном, воздействующим на сетчатку ее глаз. Луч света становится слабее не потому, что сами фотоны ослабевают, а потому, что они отдаляются друг от друга, и пустое пространство между ними увеличивается (рисунок 2.2). Очень слабый луч неправомерно называть "лучом", поскольку он прерывается. Когда лягушка ничего не видит, это происходит не потому, что свет, попадающий в ее глаза, слишком слаб, чтобы воздействовать на сетчатку, а потому, что свет просто не попадает в ее глаза.