Помоги проекту - поделись книгой:
Короче говоря, как и подчеркивал Стивен в том нашем первом разговоре, все выглядит так, будто Вселенная каким-то образом специально подготовлена для появления в ней жизни. Знаменитый писатель и физик-теоретик Пол Дэвис имел в виду именно это, говоря о «космическом факторе Златовласки»[8]: «Как “правильная” тарелка с овсянкой в сказке о Златовласке и трех медведях, Вселенная в очень многих отношениях загадочным образом выглядит в точности “правильной” для жизни»[9]. И хоть это вовсе не значит, что космос должен прямо-таки кишеть жизнью, уже сама возможность ее зарождения во Вселенной в результате особенностей «тонкой настройки» доказывает, что эти особенности – не какие-то поверхностные, необязательные свойства мира. Нет, они глубоко встроены в законы физики, имеющие форму математических соотношений. Массы и другие параметры систем частиц, силы, управляющие их взаимодействиями, и даже общая структура Вселенной – все это кажется специально тщательно скроенным для того, чтобы поддерживать некоторую форму жизни. И это отражается в специфическом характере математических уравнений, определяющих то, что физики зовут законами Природы.
Итак, глубочайшая загадка «космологического замысла» состоит в том, что фундаментальные законы физики поразительно благоприятны для возникновения жизни – будто существует скрытый сценарий, в рамках которого в основные законы, управляющие Вселенной, вплетено наше существование. Это кажется невероятным. И это в самом деле невероятно! Что же это за сценарий?
Здесь я должен подчеркнуть всю необычность этой загадки для физиков-теоретиков. Обычно физики используют законы природы, чтобы описать то или иное явление или предсказать исход эксперимента. Кроме того, они пытаются обобщить существующие законы, чтобы объять ими более широкий диапазон природных явлений. Но вопросы о существовании «замысла» уводят нас по совсем другому пути, на котором нам приходится размышлять о природе и глубоком происхождении самих законов и о том, как мы вписываемся в их рамки. Волнующая суть космологии заключается в том, что она обеспечивает научный контекст, в котором мы можем надеяться пролить свет на эту величайшую из всех загадок. Ведь космология – единственная область физики, где мы сами оказываемся неотъемлемой частью задачи, которую пытаемся решить.
Исторически само видимое устройство мира принимается за свидетельство того, что все, что происходит в природе, имеет одну основную цель. Это воззрение восходит к Аристотелю, возможно, самому влиятельному из всех когда-либо живших философов. Глубокий биолог, Аристотель считал, что многие процессы, порождающие и организующие мир живого, кажутся полными умысла и намерения. Если лишенные разума живые организмы имеют жизненную программу, рассуждал он, то должна существовать и Конечная Цель, направляющая развитие космоса как целого. Телеологическая аргументация Аристотеля была убедительной, логичной, дающей надежду, и до некоторой степени подтверждалась эмпирически. Весь мир вокруг нас полон бесконечными примерами достижения целей – от птички, собирающей веточки для постройки гнезда, до пса, роющего землю в саду, чтобы достать кость. И нет ничего удивительного в том, что телеологические взгляды Аристотеля просуществовали, мало кем оспариваемые, почти два тысячелетия.
Однако в XVI столетии на окраине Евразийского континента работы небольшого круга ученых стали началом современной научной революции. Коперник, Декарт, Бэкон, Галилей и их современники подчеркивали, что наши чувства могут нас обманывать. Эти ученые любили употреблять формулу Ignoramus[10], которая буквально значит «мы не знаем». Такой сдвиг парадигмы мышления имел далекоидущие последствия – некоторые считают его вообще самым значимым и влиятельным интеллектуальным преобразованием за те примерно 200 000 лет, в течение которых люди населяют эту планету. Вся его глубина до сих пор еще не раскрыта. Немедленным следствием этого научного прорыва, по крайней мере в ученых кругах, было развенчание глубоко укоренившегося телеологического мировоззрения Аристотеля и замена его идеей рациональных законов, управляющих природой, действующих здесь и сейчас, доступных открытию и пониманию. Глубинная суть современной науки в том, что, признавая свое незнание, мы можем добыть новое знание – экспериментируя, наблюдая, разрабатывая математические модели, которые организуют наши наблюдения в рамках общих теорий и вытекающих из них законов.
Научная революция парадоксальным образом углубила загадку благорасположения Вселенной к жизни. До наступления революции в построенной человеком концепции мироздания можно было найти некоторое единство. Предполагалось, что как одушевленный, так и неодушевленный миры в своем развитии подчинялись всеобъемлющей цели – божественной или нет. Устройство мира виделось как проявление грандиозного космического плана, в котором, естественно, привилегированная роль принадлежала человеку. К примеру, древняя модель мира, построенная александрийским астрономом Птолемеем в его труде «Альмагест», была настолько же геоцентрической, насколько и антропоцентрической.
Но с приходом научной революции фундаментальная природа связи жизни с физической Вселенной стала вызывать недоумение. Это недоумение явственно проявляется и сейчас, спустя почти пять столетий, – проявляется в изумлении перед тем, что полагаемые объективными, безличными, вневременными законы физики почти идеально приспособлены к существованию жизни. Получается, что, успешно устранив старинную дихотомию между небесами и Землей, современная наука создала на ее месте новую непреодолимую линию раздела между мирами живого и неживого и оставила в понимании человеком его места в грандиозной картине космоса грызущую неопределенность.
Лучше представить, как взгляды на онтологию законов природы пришли к своей нынешней форме, нам поможет обращение к самым глубоким корням идеи о существовании таких законов. Самые первые представления о законах, управляющих Природой, возникли в VI веке до н. э. в Милете, на территории нынешней Западной Турции, в ионической школе Фалеса. Милет, самый богатый из городов древнегреческой Ионии, был основан в естественной бухте близ места, где река Меандр впадает в Эгейское море. Живший здесь легендарный мыслитель Фалес, совсем как современные ученые, пытался заглянуть за внешнюю поверхность явлений природного мира, чтобы достичь более глубокого уровня знаний. Ученик Фалеса Анаксимандр создал то, что греки стали называть, «исследование Природы», то есть физику.
Рис. 4. Рельеф, изображающий древнегреческого философа Анаксимандра из Милета. Двадцать шесть столетий назад Анаксимандр заложил основы долгого и извилистого пути научного осмысления мира.
Анаксимандра часто называют отцом космологии. Он первым стал думать о Земле как о планете, гигантском камне, свободно плавающем в пустом пространстве. Он учил, что Земля у нас под ногами не беспредельна и не покоится на гигантских колоннах, но что ее со всех сторон окружает то же самое небо, которое мы видим у себя над головой. Таким образом, Анаксимандр открыл глубину космоса, превратил его из закрытого ларца – ограниченного сверху небесной, а снизу земной твердью – в открытое пространство. Этот принципиальный сдвиг позволил представить небесные тела обращающимися вокруг Земли со всех сторон. Так был проложен путь к древнегреческой астрономии. Анаксимандр написал трактат «О природе», впоследствии утраченный. Однако, как предполагают, в нем содержался следующий стихотворный фрагмент[11]:
Все предметы происходят друг из друга
и исчезают друг в друге,
следуя необходимости;
Ибо они воздают друг другу справедливость
и возмещают свою несправедливость
Сообразно с велением времени.
В этих нескольких строках Анаксимандра ясно выражена революционная идея: Природа ни самопроизвольна, ни абсурдна, но управляется некоторым видом закона. Это стало основным положением науки: под видимой поверхностью естественных явлений скрывается абстрактный, но самосогласованный порядок.
Анаксимандр не уточнил, какую именно форму могут принимать законы Природы, – он ограничился аналогией с гражданскими законами, регулирующими жизнь человеческих обществ. Но самый известный из его учеников, Пифагор, предложил для мирового порядка математическую основу. Пифагорейцы считали, что числа обладают мистическим значением, и пытались построить весь космос из чисел. Их главную идею – что мир можно описать на языке математики – воспринял и стал отстаивать Платон, который сделал ее одним из устоев своей теории Истины. Мир нашего опыта Платон уподоблял миру теней некоей высшей реальности, определяемой идеальными математическими формами и существующей совершенно отдельно от воспринимаемой нами. Древние греки, таким образом, пришли к мысли, что, хоть мы и неспособны непосредственно ощущать или видеть скрытый мировой порядок, мы можем познать его путем логических умозаключений.
Но какое бы сильное впечатление ни производили на нас умозрительные рассуждения древних о природе, они имеют очень мало общего с современной физикой, и не только по существу, но и по методу и стилю. Прежде всего свои заключения древнегреческие философы основывали почти целиком на почве эстетики и на априорных предположениях, почти не пытаясь – или даже вообще не пытаясь – их как-то проверить. Мысль об этом просто не приходила им в голову. Поэтому их концепция «физики» и системы «законов», лежащей в основе всего сущего, ничем не напоминает современную научную теорию. Стивен Вайнберг в своей последней книге «Объяснить мир» утверждает, что с современной точки зрения древнегреческих мыслителей лучше представлять не как физиков, ученых или даже философов, но как поэтов – настолько фундаментально их методология отличается от того, что сегодня понимается под научной деятельностью. Конечно, и современные физики находят красоту в своих теориях, и большинство из них тоже руководствуется в исследованиях эстетическими соображениями, но эта сторона дела не заменяет процесса проверки правильности теорий посредством экспериментов и наблюдений – именно они в конечном счете и являются ключевым фактором научной революции.
И тем не менее стремление Платона к «математизации» мира оказало невероятно глубокое воздействие. И когда двадцать столетий спустя грянула современная научная революция, ее главные действующие лица вдохновлялись верой в платоновскую программу поиска скрытого порядка, лежащего в основе физического мира и выраженного на языке математических соотношений. «Великую книгу Природы, – писал Галилей, – могут читать только те, кто владеет языком, на котором она написана. И язык этот – математика»[12].
Исаак Ньютон, алхимик, мистик, сложная личность и один из сильнейших математиков, когда-либо живших на Земле, в концентрированном виде представил математический подход к натурфилософии в своих «Началах» – пожалуй, самой важной книге в истории науки. Тому, что Ньютон начал ее писать, способствовала его вынужденная изоляция во время карантина, связанного с эпидемией чумы в 1665 году. Занятия в Кембриджском университете прекратились, и Ньютон, новоиспеченный бакалавр, возвратился в Линкольншир, в окруженный яблоневым садом дом своей матери. Там он размышлял о математическом анализе, гравитации и движении, а еще разложил при помощи призмы белый свет на все цвета радуги. Но лишь в апреле 1686 года Ньютон представил Королевскому обществу для публикации свои «Математические начала натуральной философии», содержащие три закона движения и закон всемирного тяготения. Последний – возможно, самый знаменитый из всех законов природы – утверждает, что сила притяжения, действующая между двумя телами, пропорциональна массам этих тел и уменьшается как квадрат расстояния между ними.
В «Началах» Ньютон показал, что одни и те же универсальные принципы лежат в основе механизмов как мира горнего, так и окружающего нас несовершенного мира человеческого. Эта идея обозначила собой концептуальный и духовный разрыв с прошлым. Иногда говорят, что Ньютон объединил небеса и Землю. Вычислив при помощи горсти математических уравнений движения планет, он привел к общему знаменателю все предыдущие изобразительные описания Солнечной системы – и это означало переход от эры магии к тому, что стало современной физикой. Ньютоновский подход обеспечил формирование генеральной парадигмы, в которую вписалось все последовавшее за этим развитие физики. Древнегреческую «физику» современные физики почти не воспринимают; в ньютоновской физике они чувствуют себя как дома.
Повсеместно упоминаемый пример торжества законов Ньютона – открытие планеты Нептун в 1846 году. И до этого астрономы замечали, что небесный путь Урана немного отклоняется от орбиты, предсказанной на основе ньютоновского закона тяготения. Француз Урбан Леверье, пытаясь объяснить это упрямое расхождение, сделал смелое предположение, что оно вызвано неизвестной планетой, гораздо более далекой, чем Уран, чье гравитационное притяжение слабо, но заметно влияет на траекторию Урана. Применяя законы Ньютона, Леверье сумел предсказать, где именно неизвестная планета должна находиться на небе, чтобы ее присутствие объяснило искажения орбиты Урана, – конечно, при условии, что законы Ньютона верны. И действительно, астрономы вскоре нашли Нептун в пределах одного градуса от точки, на которую указал Леверье. Это стало одним из самых замечательных моментов в истории науки XIX века. Говорили, что Леверье открыл новую планету «на кончике пера»![13]
Поразительные успехи, подобные этому, достигались на протяжении нескольких столетий, подтверждая, что законы Ньютона представляют собой универсальные окончательные истины. Уже в XVIII веке французский математик Жозеф Луи Лагранж отметил, что Ньютону посчастливилось жить именно в тот уникальный момент человеческой истории, когда открыть законы Природы было возможно – ведь «устройство мира можно открыть лишь однажды». Сам Ньютон, впрочем, прилагал очень мало усилий, чтобы способствовать этому научному мифотворчеству: следуя традициям мистицизма, он видел в элегантной математической форме своих законов лишь проявление божьего промысла.
Именно такая математическая формулировка законов Природы и воплощает то, что сегодняшние физики понимают под словом «теория». Практическая ценность и прогностическая сила физических теорий в том, что они описывают реальный мир абстрактными математическими уравнениями, которыми мы можем манипулировать, чтобы предсказать реальные события, не прибегая к наблюдениям или экспериментам. И это работает! От открытия Нептуна до регистрации гравитационных волн и предсказания новых элементарных частиц и античастиц – опять и опять решения основанных на законах физики математических уравнений пророчат новые и неожиданные природные явления, которые затем действительно наблюдаются. Находясь под глубоким впечатлением от этой предсказательной силы, нобелевский лауреат Поль Дирак, как известно, утверждал, что наиболее перспективный путь развития физики заключается в отыскании самых интересных и красивых математических решений. Математика, говорил он, «ведет тебя за руку к открытию новых физических теорий»[14]. Афоризм Дирака взяли на вооружение в своих поисках окончательной «единой теории всего» сегодняшние создатели теории струн – они то и дело поддаются древнему искушению принять математическое совершенство своих теоретических построений за гарантию их истинности. Многие пионеры теории струн отмечали, что теория, обладающая настолько прекрасной математической структурой, просто не может не иметь никакого отношения к Природе.
Однако на более глубоком уровне мы все-таки не очень понимаем, почему теоретическая физика работает так хорошо. Почему Природа следует хитроумной математической программе, действующей под ее наружной видимой поверхностью? Что в действительности означают законы Природы? И почему они принимают именно такую форму? В ответах на эти вопросы большинство физиков-теоретиков продолжают следовать Платону. Они склонны представлять законы физики как вечные математические истины, не просто порожденные нашим разумом, но существующие в абстрактной реальности, которая лежит за пределами физического мира. Например, законы тяготения или квантовой механики обычно рассматриваются как приближения к окончательной теории, которая существует где-то там, в области, которую еще предстоит открыть, а не только у нас в головах. Поэтому, хотя в современную научную эпоху физические законы возникали прежде всего как инструменты для описания отыскиваемых в Природе структур, они с тех самых пор, как Ньютон обнажил их математические корни, обрели собственную жизнь и сами сделались неким видом реальности, заменяющей физический мир.
Для французского ученого-энциклопедиста начала XX столетия Анри Пуанкаре принятие концепции безусловных в платоновом смысле законов было необходимым предварительным условием занятий наукой вообще.
Идея первичных законов Пуанкаре интересна и важна, но одновременно и загадочна. Как именно эти столь удаленные от реальной общественной жизни законы, существующие в своем платоновском мире, объединяются для управления реальной физической Вселенной и управления ею, не говоря уж об их великолепной приспособленности для жизни? Открытие Большого взрыва поставило этот вопрос ребром: он больше не мог рассматриваться как «просто философский». Если Большой взрыв и вправду породил время, то, похоже, надо признать правоту Пуанкаре – ведь если физические законы определяют, как возникла Вселенная, естественно было бы думать, что они должны, по крайней мере в некотором смысле, существовать вне времени. Интересно, что таким образом теория Большого взрыва вводит в сферу физики и космологии то, что раньше было предметом чисто метафизических соображений. Эта теория ставит под вопрос некоторые из наших философских предположений о природе физических законов.
В конечном счете идея, что законы физики каким-то образом выходят за пределы окружающего мира, оставляет вопрос о причине их необыкновенной приспособленности для жизни полностью таинственным. Физики, приверженные этой схеме, могут лишь надеяться, что могучий математический принцип, который станет ядром «окончательной теории всего», однажды объяснит эту загадочную биофильность. Современный платоновский ответ на загадку мироздания, насколько он вообще возможен, заключается в математической необходимости: Вселенная такова, какова она есть, потому что у Природы нет выбора. Это почти что древняя аристотелева Конечная Причина в одежде современной теоретической физики. Больше того, даже оставляя в стороне тот факт, что «окончательная теория» остается несбыточной мечтой, надо признать, что даже если бы такой мощный математический принцип и был когда-нибудь найден, это вряд ли помогло бы понять, почему Вселенная оказалась настолько благосклонна к жизни. Никакая платоническая истина не смогла бы перекинуть мост через открытую на заре современной науки пропасть между миром неживого и миром живого. Нам пришлось бы заключить, что жизнь и разум – лишь счастливые совпадения, случившиеся в полностью безличной, совершенной математической реальности, и это мало продвинуло бы нас к пониманию причин такого совпадения.
Хотя опору на платоновскую идею высшего замысла в физике и космологии нельзя с порога назвать неверной, биологи, начиная с Дарвина, пришли к этой же идее по отношению к миру живого радикально иным путем.
В биологическом мире целенаправленные процессы и видимые признаки целенаправленного замысла проявляются повсеместно. Именно это, конечно, прежде всего и легло в основу телеологических взглядов Аристотеля на природу. Живые организмы устроены фантастически сложно. Даже в отдельной живой клетке содержится разнообразный набор молекулярных компонентов, прекрасным образом соединившихся для выполнения ее многочисленных функций. В организмах большего размера огромное количество клеток работают вместе как слаженный оркестр и образуют хитроумные целенаправленные структуры – к примеру, глаз или мозг. До Чарльза Дарвина люди не могли понять, как физические и химические процессы могли сами по себе создать системы такой ошеломляющей сложности – чтобы это объяснить, приходилось предполагать присутствие Создателя. В XVIII столетии английский священник Уильям Пейли уподоблял чудесную слаженность мира жизни работе часового механизма. Как и в часах, утверждал Пейли, в биологическом мире признаки замысла, конструкции слишком сильны, чтобы их можно было не замечать. «Творение должно иметь Творца»[15]. Однако дарвиновская теория эволюции, сломавшая старую парадигму, решительно устранила телеологическое мышление из биологии. Глубочайшая идея Дарвина заключалась в том, что биологическая эволюция – естественный процесс и что видимая гармония и целесообразность живых организмов могут объясняться действием простых механизмов случайных изменений и естественного отбора. Необходимость в привлечении Творца отпала.
На Галапагосских островах Дарвин обнаружил множество разновидностей вьюрков – мелких птичек, отличавшихся друг от друга размером и формой клювов. У вьюрков, живших в траве, были сильные клювы, удобные для щелканья орехов и дробления семян, тогда как у древесных вьюрков – заостренные острые клювы, хорошо приспособленные для вытаскивания насекомых из-под коры. Эти и другие данные, собранные Дарвином в путешествии, позволили ему предположить, что связанные между собой разновидности вьюрков эволюционировали со временем так, чтобы более эффективно использовать доступные ресурсы в их экологических нишах. В 1837 году, по свежим впечатлениям от своего плавания на Галапагосские острова на корабле «Бигль», Дарвин сделал в одной из своих красных записных книжек набросок дерева с хаотически расположенными ветвями. В этом наброске, напоминающем генеалогическое древо какого-нибудь древнего рода, отразилась суть глубокой и плодотворной теории ученого: все живое на Земле связано и произошло от единого общего предка – символизируемого стволом древа – посредством постепенного и пошагового процесса селекции под влиянием окружающей среды, действующего на случайно мутирующие репликаторы (см. рис. 4 на вклейке).
Ключевая идея дарвинизма состоит в том, что Природа не «заглядывает вперед» – она не предвосхищает того, что может впоследствии понадобиться для выживания. Напротив, любые тренды, такие как изменение формы клюва или постепенный рост длины шеи у жирафов, вызываются давлением отбора под воздействием окружающей среды; оно, это давление, действует на протяжении длительных периодов времени, усиливая полезные свойства.
«Есть величие в воззрении, – напишет Дарвин более двадцати лет спустя, – по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул в одну или ограниченное число форм; и, между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм»[16].
Дарвинизм опрокинул аргумент Пейли с часовщиком, продемонстрировав, что этим часам швейцарский часовщик не требуется. Учение Дарвина дало подробное эволюционное описание живого мира, согласно которому его видимая упорядоченность и законы, которым он подчиняется, понимаются как развивающиеся свойства естественных процессов, а не как результат сверхъестественного акта творения.
Однако, несмотря на их красоту и величие, биологические законы часто воспринимаются как чуть менее фундаментальные, чем законы физики. Возникающие структурные закономерности могут быть устойчивыми, но никому не приходит в голову считать их вечными. Более того, детерминизм и предсказуемость в биологии сыграли гораздо менее принципиальную роль. Ньютоновские законы движения детерминистские: они позволяют физикам предсказывать положения объектов на любой момент будущего по их положениям и скоростям на сегодняшний день (или на любой момент прошлого). В дарвиновской схеме случайность мутаций в живых системах означает, что почти ничего нельзя предопределить наперед – даже новые законы, которые однажды могут возникнуть. Недостаток детерминизма придает биологии сильный ретроактивный оттенок. Мы можем понять смысл биологической эволюции, только глядя на нее ретроспективно, обернувшись в прошлое. Теория Дарвина не входит в подробности реального эволюционного пути от самых ранних проявлений жизни до сегодняшней разнообразной и сложной биосферы. Она не предсказывает строения древа жизни, так как это не было – и не могло быть – ее целью. Гений Дарвина проявился в том, как он очертил основные организационные принципы эволюции. Заполнение исторической летописи жизни досталось на долю филогенетики и палеонтологии. Другими словами, дарвиновская теория эволюции констатирует, что жизнь есть совместный продукт неких закономерностей и конкретной истории. Ценность этой теории заключается в том, что она позволяет ученым ретроспективно конструировать древо жизни, исходя из наших сегодняшних наблюдений за биосферой и из гипотезы общего происхождения.
Яркий пример такого подхода дают нам дарвиновские вьюрки. Если бы Дарвину вздумалось провести логическую цепочку из прошлого в будущее и на основе знаний о химической среде добиологической Земли попытаться предсказать, какие появятся новые виды галапагосских вьюрков, он потерпел бы полное поражение. Существование вьюрков или любых других особей, населяющих нашу планету, не может быть выведено только на основе законов физики и химии – потому что каждое ветвление, происходящее в процессе биологической эволюции, включает в себя элемент случайности. Некоторым случайным исходам обстоятельства, складывающиеся в окружающей среде, благоприятствуют, и такие исходы «замораживаются», часто с драматическими последствиями. Такие «замороженные» случайности помогают определить характер последующей эволюции и могут даже принимать форму новых биологических законов. Законы наследственности Менделя, например, связаны с исходом коллективных ветвлений при половом размножении организмов.
На рис. 5 я привожу современную версию филогенетического древа жизни, основанную на анализе последовательности рибосомной РНК. Диаграмма изображает три домена – бактерии, археи и эвкариоты – и их общего предка, лежащего в корне древа. Всё на древе жизни, начиная с молекулярной основы и заканчивая разновидностями вьюрков, вобрало в себя сложную свертку миллиардов лет химического и биологического «экспериментирования». Это и делает биологию наукой преимущественно ретроспективной. Эволюционный биолог Стивен Джей Гулд выразился так: «Если мы перемотаем историю жизни к ее началу и проиграем эту пленку еще раз, все виды живых существ, строение организмов и фенотипы, которые образуются в результате эволюции, могут оказаться совершенно другими»[17].
Рис. 5. Древо жизни, изображающее три биологических домена.
В основе древа – универсальный общий предок (Last Universal Common Ancestor – LUCA), последняя по времени популяция организмов, от которой произошли все существующие на Земле формы жизни.
Недостаток детерминизма, свойственный биологической эволюции, распространяется и на другие уровни истории, от абиогенеза до истории человечества. Подобно Дарвину, историки, объясняя случайные изгибы и повороты истории, проводят различие между описанием того, «как» что-либо произошло, и объяснением того, «почему» это произошло. Описывая «как», историки рассуждают ретроспективно, как и биологи – реконструируют ряды конкретных событий, которые ведут от некоторой исходной точки к данному исходу. Однако, объясняя «почему», мы должны думать как физики – пробиваться сквозь время, чтобы идентифицировать причинные, детерминистские связи, при помощи которых можно предсказать выбор одного конкретного исторического пути из всех остальных. Поверхностное прочтение истории часто грешит предложением причинного детерминистского объяснения тому, почему события произошли именно так, а не иначе. Но более тщательный анализ обычно выявляет хитроумное переплетение соперничающих сил и взаимодействий; они вместе с огромным числом сопутствующих случайностей и приводят к выбору пути, который часто очень далек от естественного, и уж конечно не был неизбежен. Это и заставляет нас описывать «как», а не «почему».
Из окна моего кабинета я вижу лес, расположенный несколькими милями южнее поля битвы при Ватерлоо. 17 июня 1815 года, накануне главного сражения, Наполеон Бонапарт приказал одному из своих генералов, Эмманюэлю де Груши, преследовать прусскую армию, чтобы не дать ей соединиться с союзными силами англичан, занимавших позиции дальше к северу. Исполняя приказание, Груши двинулся на северо-восток с изрядной частью французских войск, но пруссаков не нашел. На следующее утро он услышал – из леса, который я сейчас вижу, сидя за рабочим столом, – отдаленный грохот французских орудий и понял, что сражение началось. Несколько критических минут он колебался, размышляя, не следует ли ему нарушить приказ императора и повернуть обратно, на помощь своим. Но он решил – наперекор судьбе – продолжать двигаться туда, где по его представлениям находилась прусская армия. Решение, принятое Груши в тот момент, – типичный «замороженный случай»; он не просто повлиял на исход сражения, но и оказал воздействие на весь ход европейской истории.
Или возьмем другой пример: установление христианства в Римской империи в IV веке н. э. Когда император Константин взошел на трон в 306 году, христианство было всего-навсего малопримечательной сектой, борющейся за влияние с дюжиной других провинциальных культов. Почему же именно христианство завоевало Римскую империю и стало мировой религией? Историк Юваль Харари в своей книге Sapiens утверждает, что причинного объяснения этому нет и что доминирующую роль христианства в Западной Европе лучше всего рассматривать как еще один «замороженный случай». Откликаясь на мысли Гулда, относящиеся к биологии, Харари пишет: «Если бы мы могли перематывать историю назад, как кинопленку, и переиграть IV век раз сто, мы бы увидели, что христианство завоюет Римскую империю всего пару-тройку раз». Но этот «замороженный случай» имел далекоидущие последствия: монотеизм способствовал вере в Бога-творца, создателя рационального плана Вселенной. Поэтому неудивительно, что, когда двадцать веков спустя в христианской Европе наконец возникла современная наука, первые ученые воспринимали свои исследования как вид религиозных исканий, готовящих почву для решения загадки «плана мироздания» – загадки, которую мы все еще пытаемся разгадать.
ОБЪЯСНЯЯ «ПОЧЕМУ», МЫ ДОЛЖНЫ ДУМАТЬ КАК ФИЗИКИ – ПРОБИВАТЬСЯ СКВОЗЬ ВРЕМЯ, ЧТОБЫ ИДЕНТИФИЦИРОВАТЬ ПРИЧИННЫЕ, ДЕТЕРМИНИСТСКИЕ СВЯЗИ, ПРИ ПОМОЩИ КОТОРЫХ МОЖНО ПРЕДСКАЗАТЬ ВЫБОР ОДНОГО КОНКРЕТНОГО ИСТОРИЧЕСКОГО ПУТИ ИЗ ВСЕХ ОСТАЛЬНЫХ.
Вообще говоря, мириады путей, широко открывающихся с любой точки истории – как истории человечества, так и биологической или астрофизической эволюции, – говорят о том, что детерминистские объяснения работают только на очень грубом уровне. На любой стадии эволюции детерминизм и причинность формируют лишь наиболее общие структурные тренды и особенности, часто обусловленные законами, действующими на более низком уровне сложности. Полная неожиданных изгибов и поворотов история человечества, например, до сих пор в основном разыгрывалась в пределах планеты Земля – не считая нескольких кратковременных контактов посредством космических аппаратов с другими телами Солнечной системы. Это неудивительно – и значит, вполне предсказуемо; ведь человечество существует в определенной физической и геологической среде. Но этот факт не скажет нам ничего об особенностях какой-либо конкретной исторической эпохи.
Подобным же образом порядок расположения химических элементов и структура Периодической таблицы Менделеева, в сущности, жестко определяются законами физики частиц на более фундаментальном уровне. Но конкретные обилия этих элементов на Земле определяются бесчисленными случайностями геологического развития в том или ином месте.
На биологическом уровне вся жизнь на Земле основана на молекулах ДНК, а гены состоят из четырех нуклеотидов, обозначаемых A, C, G и T. Конкретный состав «строительных кирпичиков» молекулы ДНК, вероятно, является случайным исходом абиогенеза на нашей планете. Но базовая способность к вычислениям, которой жизнь должна овладеть, чтобы поддерживать свое существование, лежит на более глубоком уровне. Исходя из еще более глубоких математических и физических принципов, она вполне может определять широкие структурные свойства молекулярного переносчика генетической информации. Это подтверждается теоретическими работами по конструированию самовоспроизводящихся автоматов, выполненными в 1948 году американским математиком венгерского происхождения Джоном фон Нейманом. За пять лет до открытия Уотсоном и Криком структуры ДНК фон Нейман идентифицировал критические вычислительные задачи, которые жизнь должна решить для обеспечения своего существования, и определил сложно устpoенную структуру – по всей видимости, единственно возможную, – обладающую способностью самовоспроизводства. Очерченная им структура мгновенно распознается как ДНК.
Эволюция постоянно создает гигантскую цепь «замороженных случаев». Низкие уровни сложности задают среду существования более высоких уровней эволюции. Но при этом все равно остается столько места для неожиданных поворотов и скачков, что часто реализуются самые невероятные ответвления – и детерминизм терпит крах. Случайные исходы бесчисленных событий ветвления вносят в ход эволюции элемент принципиальной непредсказуемости. Они несут с собой огромное количество структурных и информационных изменений, не выводимых из законов более низкого уровня, и на более высоких уровнях эти изменения могут создавать – и часто создают – новые имеющие вид законов соответствия. Например, хотя сегодня ни один серьезный ученый не верит в существование в биологии особых «жизненных сил», не имеющих какого бы то ни было физико-химического происхождения, физика сама по себе все же не определяет действующие на Земле биологические законы.
Всего через восемнадцать дней после того, как 24 ноября 1859 года был опубликован капитальный труд «О происхождении видов», Чарльз Дарвин получил письмо от астронома сэра Джона Фредерика Уильяма Гершеля. Сын открывателя Урана выразил свой скептицизм по поводу произвольности дарвиновской картины эволюции – по его выражению, книга Дарвина провозглашает «закон тяп-ляп (the law of higgledy-piggledy)»[18]. Но в этом-то и сила! Красота теории Дарвина в том, что она предлагает в качестве силы, которая управляет миром живого, синтез состязающихся друг с другом сил случайных изменений и отбора под влиянием окружающей среды. Дарвин нащупал в биологии золотую середину между «почему» и «как», объединив в гармоничную схему причинные объяснения с индуктивной логикой. Он показал, что, несмотря на свою изначально историческую и случайную природу, биология может быть доказательной и плодотворной наукой, которая углубляет наше понимание мира живого.
Дарвинизм продолжил научную революцию. Он распространил ее на единственную область знаний, в которой телеологическая точка зрения казалась незыблемой, – на мир живого. Но мировоззрение, которое излучает дарвинизм, полярно противоположно тому, на котором основана фундаментальная физика. Это особенно ярко проявляется в их радикально противоположном подходе к загадке «мирового замысла». В то время как дарвинизм предлагает насквозь эволюционное понимание видимого строения мира живого, физика и космология для объяснения возможности перехода от неживого к живому обращаются в первую очередь к природе вневременных математических законов. Как специалисты в области наук о жизни, так и физики часто противопоставляют «тяп-ляп»-схему дарвиновской эволюции – жесткости и незыблемости законов физики. Считается, что на глубинном уровне физикой управляют не история и эволюция, но вневременная и вечная математическая красота. Грандиозное достижение Леметра – понимание того, что Вселенная расширяется, – конечно, внесло в космологию сильный эволюционный мотив. Но на более глубоком уровне, там, где дело касается «загадки замысла», оказывается, что схемы Леметра и Дарвина (на вклейке – рис. 3 и 4, соответственно) транслируют фундаментально различные мировоззрения. Эта глубочайшая концептуальная пропасть разделяла биологию и физику с самого начала научной революции.
Перекинуть мост через эту пропасть Стивен стремился с самых первых своих шагов в науке. Но реальная исследовательская программа достижения этой цели у него выкристаллизовалась только к концу XX века, когда бо́льшая часть его усилий оказалась направлена на решение загадки «космического замысла». Он задумал ни больше ни меньше, чем попытаться взорвать космологию изнутри.
Вспомним эти золотые годы. Неожиданное экспериментальное открытие ускорения расширения Вселенной, казалось, откликалось на столь же ошеломляющие теоретические результаты, из которых следовало, что законы физики, возможно, вовсе не похожи на скрижали, навечно высеченные в камне. Росло число свидетельств того, что по крайней мере некоторые особенности физических законов, возможно, являются не математически необходимыми, а случайными, отражающими конкретный характер остывания этой Вселенной после горячего Большого взрыва. Из исследований элементарных частиц, основных видов взаимодействий, количества темной энергии становилось очевидно, что многие из дружественных жизни свойств Вселенной, возможно, не были изначально заложены в ней при рождении, как клеймо изготовителя, а сохранились со времен ее ранней эволюции, а корни их глубоко спрятаны в глубинах Большого взрыва.
Вскоре у теоретиков, разрабатывающих теорию струн, начала вырисовываться пестрая картина мультивселенной – гигантского раздувающегося пространства, содержащего лоскутную мозаику островных вселенных, каждая со своей собственной физикой. Это привело к кардинальному изменению угла зрения, под которым рассматривалась «тонкая настройка» космоса. Вместо того чтобы оплакивать расставание с мечтой о единой и окончательной теории, которая предсказала бы, каким должен быть мир, сторонники идеи мультивселенной пытались превратить эту досадную неудачу в победу, преобразуя космологию в науку об окружающей среде (даром, что эта среда оказывалась уж очень обширной!) Один из этих теоретиков уподобил локальный характер физических законов в мультивселенной погоде на Восточном побережье США: «Умопомрачительно непостоянная, почти всегда ужасная, но в редких случаях – просто чудесная»[19].
Мы можем почувствовать масштаб этой перемены на примере из истории науки. В XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер предложил модель Солнечной системы, проистекающую из античного учения Платона об основных геометрических телах – пяти правильных многогранниках, начиная со всем известного куба. Кеплер представил себе, что приблизительно круговые орбиты шести известных тогда планет проходят по невидимым сферам, обращающимся вокруг Солнца. Затем он высказал следующую гипотезу: относительные размеры этих сфер продиктованы условием, что каждая такая сфера, кроме самой внешней из них, сферы Сатурна, вписана в один из этих пяти многогранников, и каждая сфера, кроме самой внутренней, сферы Меркурия, описана вокруг одного из них[20]. Рис. 6 воспроизводит чертеж, которым Кеплер иллюстрирует эту конфигурацию. Когда Кеплер поместил эти пять геометрических тел в правильном порядке, причем все они оказались точно вписаны друг в друга, он обнаружил, что вложенные в них сферы можно разместить на интервалах, соответствующих расстояниям планет от Солнца, причем Сатурн будет двигаться по сфере, описанной вокруг самого внешнего из многогранников, и не будет никаких зазоров для изменения относительных радиусов сфер. На основе своей схемы он предсказал общее количество планет – шесть, – а также относительные размеры их орбит. Для Кеплера число планет и их расстояния от Солнца были проявлением глубокой математической симметрии Природы. Его труд Mysterium Cosmographicum представляет собой попытку на деле согласовать древнюю мечту Платона о гармонии сфер с установившимся в XVI столетии пониманием, что планеты обращаются вокруг Солнца.
Во времена Кеплера Солнечную систему в целом рассматривали как аналог всей Вселенной. Никто тогда не знал, что звезды – это солнца со своими планетными системами. Поэтому было вполне естественно предполагать, что планетные орбиты играли во Вселенной фундаментальную роль. Сегодня мы знаем, что количество планет в Солнечной системе или их расстояния от Солнца не имеют никакого глубокого значения. Мы понимаем, что набор планет Солнечной системы не уникален и даже не представляет собой какого-то специфического частного случая, а просто является случайным исходом истории образования Солнечной системы из завихрений газопылевой туманности, вращающейся вокруг прото-Солнца. За последние три десятилетия астрономы наблюдали тысячи планетных систем с широким диапазоном различных орбитальных конфигураций. У некоторых звезд есть планеты размером с Юпитер и периодами обращения в несколько дней, у других три или даже больше потенциально пригодных для обитания землеподобных планет; на планетах в системах двойных звезд должны наблюдаться случаи причудливой хаотической смены дня и ночи; есть и множество других странностей.
Если мы действительно живем в мультивселенной, то законы физики в нашей конкретной Вселенной играли бы ту же роль, что и орбиты планет в кеплеровской модели Солнечной системы. Напрасно было бы идти по стопам Кеплера и искать более глубокого объяснения «тонкой настройки», которая порождает жизнь. В мультивселенной наблюдаемые особенности локальных законов, благоприятствующие жизни, были бы лишь результатом случайных процессов, разыгрывавшихся в ходе Большого взрыва, который породил нашу конкретную островную Вселенную. Сторонники мультивселенной утверждают, что современные последователи Платона глядят не туда. Не глубинная математическая истина обуславливает благоустроенность Вселенной для жизни, говорят они, а просто отличная местная космическая погода. Любая попытка увидеть за этим великий космический замысел – иллюзия.
Рис. 6. В первом из своих главных астрономических трудов, Mysterium Cosmographicum («Космографическая тайна»), Иоганн Кеплер предложил платоновскую модель Солнечной системы, связывавшую размеры круговых планетных орбит с пятью правильными многогранниками. На чертеже Кеплера ясно видны четыре планетных сферы, а также додекаэдр, тетраэдр и куб.
Но в такой логике таится одна проблема, которая приобретет первостепенную важность, когда я перейду к обсуждению сути последней теории Хокинга: сама мультивселенная есть платоновский конструкт. Космология мультивселенной постулирует существование некоего вида вечных метазаконов, управляющих всем. Но эти метазаконы не уточняют, в какой именно из многих вселенных должны находиться мы. В этом и заключается проблема: ведь без правила или принципа, который связывает метазаконы мультивселенной с локальными законами нашей островной Вселенной, теория неминуемо попадает в спираль парадоксов, где никаких проверяемых предсказаний быть не может. Космология мультивселенной фундаментальным образом недоопределена и неоднозначна. В ней недостает ключевой информации о нашем местонахождении в этой сумасшедшей космической мозаике, а значит, она не может нам сказать, какого рода Вселенную мы должны видеть вокруг себя. Мультивселенная оказывается чем-то вроде дебетовой карты без пин-кода или, что еще хуже, шкафом из IKEA, к которому не приложена инструкция для сборки. В самом глубоком смысле эта теория неспособна объяснить нам, кто мы такие в этом космосе и почему мы здесь.
Однако ее адепты сдаваться не собирались. Они предложили способ устранить этот дефект – предложение столь радикальное, что оно встряхнуло все научное сообщество и шум вокруг него до сих пор не может улечься. Это – антропный принцип.
Антропный принцип пришел в космологию в 1973 году. Астрофизик Брендон Картер, который учился в Кембридже одновременно со Стивеном, выдвинул этот принцип на конференции памяти Коперника в Кракове. Это стало забавным историческим курьезом: ведь именно Коперник в XVI веке сделал первые шаги к устранению человечества с главенствующей позиции в космосе[21]. Теперь, через четыре с лишним столетия, Картер согласился с Коперником: мы, люди, далеко не главный элемент космического устройства. Но все же, рассуждал он, не можем ли мы ошибаться, если предполагаем, что мы не представляем собой чего-либо особенного хоть в каком-нибудь отношении – в частности там, где дело касается наших наблюдений космоса? Возможно, мы находим Вселенную такой, какой она есть, именно потому, что в ней есть мы?
В словах Картера был смысл. Конечно, мы не могли бы ничего наблюдать там и тогда, где и когда нас бы не было. Еще в 1930-х такие ученые, как Леметр и американский астрофизик Роберт Дикке, размышляли о том, какие свойства понадобились бы Вселенной, чтобы она могла поддерживать существование разумных организмов. К примеру, формы жизни, разумной или нет, основываются на углероде, образующемся в ходе термоядерного горения в недрах звезд, а этот процесс требует миллиардов лет. Но расширяющаяся Вселенная не сможет обеспечить звезде миллиардов лет времени, если она не простирается на миллиарды световых лет в пространстве. Следовательно, заключали Леметр и Дикке, мы не должны удивляться тому, что живем в старой и большой Вселенной. В историях расширяющихся вселенных есть предпочтительный период, на протяжении которого сделанные из углерода астрономы могут заниматься своим делом, и это с необходимостью определяет, что именно они могут увидеть. Такие выводы не слишком отличаются от тех, к которым мы приходим, когда учитываем влияние наблюдательной селекции в ежедневных ситуациях. Но Картер пошел дальше – гораздо дальше. Он предположил, что селекция играет роль не только внутри одной Вселенной – нашей, – но и во всей мультивселенной. Он предположил, что в ней работает антропный принцип – правило, находящееся выше и за пределами безличных метазаконов, управляющих мультивселенной. Это правило воплощает оптимальные космические условия, которые требуются для жизни, и «действует» так, чтобы выбрать, в какой из множества вселенных мы должны оказаться.
ВОЗМОЖНО, МЫ НАХОДИМ ВСЕЛЕННУЮ ТАКОЙ, КАКАЯ ОНА ЕСТЬ, ИМЕННО ПОТОМУ, ЧТО В НЕЙ ЕСТЬ МЫ?
Это было действительно радикальное предположение. Остроумным маневром снова ставя жизнь в привилегированную позицию, делая ее центральным пунктом объяснения Вселенной, антропный принцип Картера как бы возвращает нас на пять столетий обратно, в докоперниканскую эпоху. Постулируя определенное предпочтительное положение вещей, которое включает существование жизни, разума или сознания, этот принцип на свой особый манер заигрывает с телеологией – аристотелевым взглядом, который научная революция давно уже успешно преодолела (или нам так казалось).
Поэтому неудивительно, что, когда в 1973 году Картер впервые выдвинул свой космологический антропный принцип, а теоретические доказательства реальности мультивселенной были в лучшем случае отрывочными, его неясные фантазии отвергли как откровенную чушь. Но когда на самом закате XX века ситуация в космологии резко изменилась и теории мультивселенной вдруг обрели популярность, картеровское антропное мышление возродилось. За него ухватились, чтобы определить и классифицировать наше место в гигантской космической мозаике. Антропный принцип стал рассматриваться как Пин-код, который преобразовывал теорию мультивселенной из абстрактной платоновой доктрины в стройную физическую теорию, способную дать реальное объяснение мира.
Фанаты мультивселенной объявили, что они нашли вторую возможную разгадку тайны «замысла Вселенной» – если считать первой просто совпадение, удачное следствие глубокого, но (пока) таинственного математического принципа, лежащего в самой сердцевине всего сущего. Новый ответ из области космологии антропной мультивселенной был таким: то, что кажется замыслом, есть свойство нашего локального космического окружения. Мы населяем редкую дружелюбную к жизни область в огромной космической мозаике островных вселенных, выделенную на основе антропного принципа. Восторг, вызванный этим заявлением, был безграничен. «Мы вместе, Вселенная и мы, – провозгласил Андрей Линде. – Я не могу представить последовательной теории Вселенной, которая игнорирует жизнь и сознание»[22]. В своей книге «Космический ландшафт» известный своей категоричностью струнный теоретик Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (чьим смелым догадкам можно доверять) объявил тандем из объективных метазаконов, управляющих мультивселенной, в сочетании с субъективным антропным принципом – «новой парадигмой фундаментальной физики». Титан физики частиц Стивен Вайнберг тоже предположил, что антропное мышление предвещает рассвет новой эры в космологии. Озарившая его в конце 1960-х гениальная объединяющая идея о том, что электромагнитные силы и слабое ядерное взаимодействие есть, по сути, одно и то же, легла в основу Стандартной модели физики частиц. Некоторые предсказания Стандартной модели с тех пор были подтверждены с невероятной точностью до не менее четырнадцати знаков после запятой, что превратило ее в наиболее точно проверенную теорию из всех, когда-либо существовавших в физике. Но при всей этой точности Вайнберг чувствовал: чтобы более глубоко понять, почему Стандартная модель принимает ту особую форму, которую она имеет, мы должны дополнить математические принципы ортодоксальной физики принципом совершенно иной природы. «В истории науки большинство прорывов отмечено открытиями явлений природы, – сказал он в своей кембриджской лекции “Живя в мультивселенной”, – но в некоторых поворотных точках мы сделали открытия в самой науке и в том, что мы считаем приемлемым для теории. И, может быть, мы находимся именно в такой поворотной точке… Концепция мультивселенной узаконивает антропное мышление в качестве новой основы физических теорий»[23]. Выраженное в этих словах мировоззрение Вайнберга отзывается эхом дуализма. Есть физические законы или метазаконы, и мы открываем их, но они холодны и безличны. Однако кроме них существует антропный принцип, который каким-то присущим ему таинственным путем перебрасывает мост от (мета)законов к воспринимаемому нами физическому миру.
Последовала яростная реакция. За несколько лет антропный принцип сделался вызывающим самые яростные споры положением в теоретической физике. И некоторые в своем неприятии его оказались совершенно бескомпромиссны. «Инфляционная теория сама вырыла себе могилу», – заявил сооткрыватель космологической инфляции Пол Стейнхардт из Принстона. «Это вроде капитуляции», – отрезал нобелевский лауреат Дэвид Гросс из Калифорнийского университета. Остальные думают, что обсуждение нашего места в космосе преждевременно само по себе. «Думать о таких вещах слишком рано»,[24] – сказал, выступая перед специалистами по теории струн летом 2019 года, физик-теоретик Нима Аркани-Хамед, вообще-то, известный мечтатель и визионер. Спустя пятьсот лет после начала современной научной революции, которая и посеяла семена дуализма в физике, такое замечание выглядит довольно показательным.
К большому разочарованию Стивена молчаливое большинство теоретиков стыдливо отводили глаза – они терялись в математических дебрях. Они чувствовали – и чувствуют до сих пор, – что глубокий анализ происхождения биофильности Вселенной лежит за пределами их области компетенции. Они предпочитали верить, что эта проблема каким-то образом исчезнет сама собой, как только мы выведем основное уравнение теории струн, управляющее мультивселенной. Как-то раз за чаем в DAMTP Стивен, который никогда не стеснялся «резать правду-матку», пожаловался на это. «Я просто диву даюсь, – сказал он, – как люди (струнные теоретики) могут быть до того зашорены, что не могут серьезно поставить вопрос, как и почему образовалась Вселенная»[25]. Он был уверен: чтобы пролить свет на «тайну замысла», недостаточно будет просто найти абстрактные математические метазаконы. Поиск единой физической теории был для него неразрывно связан с ответом на вопрос, где в недрах Большого взрыва спрятан ключ к нашему происхождению. Мечта об окончательной теории, настаивал он, не может быть достигнута, если мы рассматриваем ее «просто» как еще одну лабораторную задачу, – она должна быть поставлена в контекст космологической эволюции. И в поисках нового видения Вселенной математика была для Хокинга не госпожой, а служанкой и помощницей. Поэтому он соглашался с адептами антропного принципа в том, что понять природу расположенности Вселенной к жизни очень важно и что плоское следование Платону здесь никак не поможет – требуется сдвиг парадигмы, фундаментальное изменение нашего метода физического познания и исследования Вселенной[26]. При этом, однако, он все больше проникался скептицизмом в отношении того, что антропное мышление и было тем самым революционным сдвигом. Главная претензия Хокинга к антропному принципу как части новой космологической парадигмы относилась не к его качественной природе – в биологии и других исторических науках полно предсказаний гораздо более качественного характера. Настоящую проблему он видел в том, что антропное мышление ставит основной научный процесс предсказания и фальсифицируемости на слишком зыбкую почву.
Этот процесс широко обсуждался британским философом науки австрийского происхождения Карлом Поппером. Согласно Попперу, науку делает уникально мощным путем приобретения знаний тот факт, что снова и снова, раз за разом ученые достигают консенсуса в результате рациональной аргументации, построенной на доступных нам свидетельствах. Поппер понимал, что истинность научной теории может так никогда и не быть доказана, но любая теория может быть фальсифицирована – что означает, что она может войти в противоречие с экспериментами. Однако – и в этом была ключевая идея Поппера – процесс фальсифицирования становится возможным лишь потому, что на основе необходимых теоретических гипотез должны делаться однозначные предсказания: теперь, если бы нашлись противоречащие этим предсказаниям результаты, стало бы ясно, что по крайней мере одна из основных посылок теории в Природе не существует. Причина, по которой эта ситуация имеет центральное значение для способа функционирования науки, в том, что она, эта ситуация, асимметрична; подтверждение теоретического предсказания поддерживает теорию, хотя и не доказывает ее, в то время как фальсификация предсказания может доказать, что теория ложна. Любая идея может оказаться неверной – эта возможность всегда подстерегает нас в науке, и это существенный элемент научного прогресса.
Но антропный принцип ставит этот процесс под сомнение – личные критерии того, что именно составляет «расположенность к жизни» у Вселенной, вносят в физику субъективный элемент, который подрывает попперовский механизм фальсификации. Ваша антропная точка зрения может соответствовать одному лоскутку мультивселенной, с одним набором законов, а мои антропные симпатии могут подходить к совсем другому ее уголку, где система законов другая и нет никаких объективных критериев, по которым можно было бы определить, кто прав.
Все это очень непохоже на дарвиновскую эволюцию, которая всяческими хитроумными способами избегает чего-то хоть отдаленно напоминающего аналог антропного мышления в применении к биологии. Существует ли вообще внеземная жизнь, не говоря уж о том, как она развивается, для теории Дарвина не играет никакой роли. Не оставляет дарвинизм никакой щелочки и для выделения какого-либо одного вида, будь это Panthera leo, Homo Sapiens или еще кто-то, в привилегированное положение в биологическом мире. Наоборот, дарвинизм уходит корнями в наши отношения с остальным миром живого. Он ставит на первый план взаимосвязь всего со всем. Одно из великих прозрений Дарвина заключалось в том, что Homo Sapiens развивался совместно со всем остальным миром живого. «Мы должны признать, как мне кажется, что человек со всеми его благородными свойствами… по-прежнему несет в своем телесном строении неизгладимую печать его низкого происхождения», – писал он в «Происхождении человека». Как же глубоко отличается этот подход от картеровского антропного принципа в космологии, действующего вне естественной эволюции Вселенной, как будто бы он был каким-то чужеродным дополнением к ней!
В попперовском смысле, если говорить о фальсификации, антропная мультивселенная почти не отличается от космологического учения, развитого в XVII веке немецким энциклопедистом Готфридом Лейбницем. В своем труде «Монадология» Лейбниц предполагает, что существует бесконечно много вселенных, каждая со своим пространством, временем и материей, и что мы живем в лучшем из всех возможных миров, избранном для нас Богом в Его бесконечной благости.
Поэтому вполне понятно, что научное сообщество оказалось в состоянии непрерывного конфликта с антропным принципом, при всех его – хоть и сомнительных – достоинствах. В своей книге «Неприятности с физикой», критикующей теорию струн, американский физик и писатель Ли Смолин особенно подчеркивает, что, «как только нефальсифицируемую теорию предпочитают ее фальсифицируемым альтернативам, научный процесс останавливается и дальнейший рост знаний больше невозможен». Именно это беспокоило и Стивена в нашем первом разговоре в его кабинете – что как только кто-либо принимает антропный принцип, так тут же теряет способность предсказывать, одно из основных завоеваний науки. Мы заходим в тупик. Предполагалось, что антропный принцип должен помочь нам понять, «кто мы такие» в безграничной космической мозаике, и в силу этого послужить мостом, соединяющим абстрактную теорию мультивселенной с опытом наших наблюдений в этой Вселенной. Однако эту задачу не удается решить так, чтобы не нарушить при этом основных принципов научной практики. И космология мультивселенной так и не обретает никакой объясняющей силы.
Рис. 7(а). В августе 2001 года Мартин Рис – он стоит слева от Стивена – устроил в своем загородном доме в Кембридже, в Англии, конференцию для обсуждения преимуществ, если таковые вообще имеются, антропного принципа в фундаментальной физике и космологии. Именно в кулуарах этой конференции Стивен и автор этой книги (в третьем ряду, позади Стивена) начали серьезно обсуждать вопрос о том, как квантовый взгляд на космос мог бы дополнить антропный подход к космологии. На конференцию к Рису съехалось много коллег, которым суждено было сыграть ключевую роль в наших научных странствиях, – среди них Нил Турок (сидит крайний слева), Ли Смолин (сидит крайний справа) и Андрей Линде (стоит крайним справа в среднем ряду). Слева от Линде – Джим Хартл, еле заметный за спиной у Бернарда Карра, потом Хауме Гаррига, Алекс Виленкин и Гэри Гиббонс.
Это приводит нас к интересному наблюдению. В широком смысле с самого начала современной научной революции мы, как это ни удивительно, почти не продвинулись к разгадке происхождения видимого «замысла», лежащего в основе физической реальности. Мы до мельчайших подробностей понимаем сейчас всю историю расширения Вселенной, мы понимаем, как гравитация формирует крупномасштабную структуру Вселенной, мы понимаем тонкости квантового поведения материи до масштабов, значительно меньших размера протона. Но вся эта подробная физическая картина, сама по себе имеющая огромное значение, послужила только для того, чтобы подчеркнуть лежащую более глубоко загадку «замысла». Таинственная природа биофильности Вселенной продолжает вызывать смущение, раскалывая научное сообщество, а за ним и широкую публику. Глубокая концептуальная пропасть продолжает разделять наше понимание мира жизни и представления о физических условиях, которые делают ее существование возможным. Почему математические законы, заложенные в момент Большого взрыва, оказались приспособленными для жизни? И что нам делать с этим фактом? Трещина, разделяющая одушевленный и неодушевленный миры, кажется сейчас глубже, чем когда бы то ни было.
Физики говорят, что мультивселенная ставит нас перед парадоксом. Космология мультивселенной исходит из представления о космической инфляции: очень краткого этапа очень быстрого расширения Вселенной, который она прошла на самых ранних стадиях своего существования. Инфляционная теория уже довольно долго подкрепляется множеством наблюдательных доказательств, но при этом обладает неудобной особенностью: в этой модели создается не одна, но огромное число вселенных. И так как теория не дает нам возможности понять, в какой из них должны находиться мы – этой информации в ней недостает, – она теряет бо́льшую часть своей способности предсказывать, что именно мы должны наблюдать. Это парадокс. С одной стороны, наша лучшая космологическая теория предполагает, что мы живем в мультивселенной. И в то же время идея мультивселенной во многом разрушает предсказательную способность этой теории.
Стивен не впервые оказывался лицом к лицу с парадоксом. Еще в 1977 году он приложил руку к решению подобной загадки в контексте черных дыр. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что почти вся информация о чем бы то ни было, попадающем в черную дыру, навсегда остается скрытой внутри нее. Но Стивен обнаружил, что квантовая теория вносит в эту историю парадоксальный поворот. Он показал, что квантовые процессы вблизи поверхности черной дыры приводят к тому, что она излучает слабый, но устойчивый поток частиц, в том числе и частиц света. Это излучение – теперь его называют излучением Хокинга – слишком слабое, чтобы его можно было зарегистрировать физическими методами, и само его существование оказывается внутренне противоречивым[27]. Дело в том, что, если черные дыры излучают энергию, они должны съеживаться и в конце концов исчезать. Что же происходит с огромным количеством информации, скрытым внутри черной дыры, когда последний грамм ее массы превращается в излучение? Вычисления Стивена показали, что эта информация будет потеряна навсегда. Черные дыры, утверждал он, это идеальные мусоросборники. Однако такой сценарий противоречит основному принципу квантовой теории, который требует, чтобы в ходе физических процессов информация могла преобразовываться и кодироваться, но никогда бы не могла быть необратимо уничтожена. Мы снова приходим к парадоксу: квантовые процессы заставляют черные дыры излучать и терять информацию, но та же квантовая теория говорит, что это невозможно.
Парадоксы, связанные с жизненным циклом черных дыр и с нашим местом в мультивселенной, стали двумя самыми жгучими и наиболее горячо обсуждаемыми загадками физики последних десятилетий. Так как они имеют прямое отношение к природе и судьбе информации в физике, они попадают в самое сердце любой физической теории. Оба этих парадокса возникают в контексте так называемого полуклассического теоретического описания гравитации, которое впервые предложили Стивен и его кембриджская «банда» в середине 1970-х на стыке классического и квантового подходов. Парадоксы начинают сказываться, когда кто-то применяет такой полуклассический подход либо на слишком длинных временных шкалах (в случае черных дыр), либо на слишком больших расстояниях (в случае мультивселенной). Взятые вместе, они дают самую наглядную на сегодня иллюстрацию глубинных трудностей, которые возникают, когда мы пытаемся заставить две основополагающие физические теории XX века, теорию относительности и теорию квантов, работать в гармонии друг с другом. В этой роли они послужили основой для головокружительных мысленных экспериментов, в рамках которых теоретики проэкстраполировали свое полуклассическое описание гравитации до крайних пределов, чтобы посмотреть, где и как именно оно перестанет работать.
Стивен всегда обожал мысленные эксперименты. Отвергая философию, он любил экспериментировать с некоторыми глубокими философскими вопросами – было ли у времени начало, фундаментально ли понятие причинности и – этот вопрос был самым амбициозным – каким образом мы как «наблюдатели» вписываемся в космическую схему. И делал он это, прибегая к построению хитроумных теоретико-физических экспериментов. Все три великих вклада Стивена в физику были результатом изобретательно задуманных и тщательно спланированных мысленных экспериментов. Первым из них стала его серия теорем о сингулярности Большого взрыва в рамках классической гравитации; вторым – сделанное им в 1974 году в области полуклассической гравитации открытие, что черные дыры излучают; и третьим – «предложение об отсутствии границы» при возникновении Вселенной, также сделанное в рамках полуклассической гравитации.
Можно считать, что парадокс черных дыр представляет только академический интерес – специфические особенности излучения Хокинга вряд ли когда-либо станут доступны наблюдениям. Но парадокс мультивселенной непосредственно основывается на наших космологических наблюдениях. Его суть – сложившиеся в современной космологии напряженные отношения между миром живого и явлением наблюдения с одной стороны и физической Вселенной – с другой. Парадокс мультивселенной стал ориентиром в переосмыслении Хокингом этих отношений путем развития полностью квантового взгляда на космос. Его окончательная теория Вселенной, всецело квантовая, перестраивает основы космологии – и это четвертый великий вклад Хокинга в физику. Подготовка грандиозного мысленного эксперимента, на котором основывается эта теория, в некотором смысле заняла пять столетий. Рассказ о его постановке и выполнении и станет содержанием нашего путешествия.
Рис. 7(b). Стивен (слева) и автор (крайний справа) в 2001 году, вскоре после начала их «научных странствий», в брюссельском баре A La Mort Subite
Глава 2
День, у которого не было «вчера»
Мы можем сравнить пространство-время с открытой конической чашей. Мы движемся вперед во времени, поднимаясь по стенкам к верхней кромке чаши. Мы движемся в пространстве, описывая круги по стенкам. Если мы представим движение вспять во времени, мы достигнем дна чаши. Это первый момент на дне пространства-времени, это «сейчас», у которого нету «вчера», потому что вчера не было пространства.
В своем интервью[28], переданном по бельгийскому радио в апреле 1957 года по случаю второй годовщины со дня кончины Альберта Эйнштейна, Жорж Леметр вспомнил, как реагировал Эйнштейн, когда он, Леметр, впервые рассказал ему о своем открытии расширения Вселенной. Это было в октябре 1927 года в Брюсселе, в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса по физике, на который съехались самые знаменитые физики всего мира, чтобы обсудить новую квантовую теорию. Тридцатитрехлетний священник и астроном не был участником конгресса – он подошел к Эйнштейну в перерыве между заседаниями. Когда Леметр напомнил Эйнштейну предсказание его общей теории относительности о том, что пространство расширяется и что, следовательно, мы должны наблюдать разбегание галактик, Эйнштейн отмахнулся. «Сделав несколько одобрительных технических замечаний, он закончил разговор, сказав, что с физической точки зрения эта идея кажется ему “отвратной (abominable)”», – вспоминал Леметр.
Но Леметра эти слова не обескуражили. Он относился к своему открытию вполне серьезно. По его мнению, расширение Вселенной означало, что у нее должно было быть начало. Он назвал крошечную крупицу невероятной плотности, в ходе постепенного разрушения которой образовались материя, пространство и время, первичным атомом.
Почему Эйнштейн упорно возражал против идеи начала Вселенной? Он чувствовал, что ее принятие чревато полным разрушением физики. Он считал, что «первичный атом» Леметра или любая другая разновидность Большого взрыва как начала Вселенной станет исходным пунктом для вмешательства Бога в работу Природы. Во время долгих прогулок, которые они вместе совершали в начале 1930-х, Эйнштейн настойчиво убеждал Леметра найти способ избежать идеи «начала всего». «Это слишком сильно напоминает мне христианский догмат о сотворении мира», – говорил он. Ему казалось, что если космологическая теория выдаст Вселенной «свидетельство о рождении», то Вселенной вечно придется хранить молчание о том, кто (или что) в этом свидетельстве указан в качестве родителя, – и тогда придется распроститься с надеждой понять Вселенную на основе одной только науки. И напрасно бельгийский аббат пытался переубедить Эйнштейна, доказывая, что «гипотеза о первичном атоме есть антитезис сверхъестественному сотворению мира»[29]. В сущности, Леметр видел в происхождении Вселенной чудесную возможность расширить сферу применения естественных наук.
Схватка «Эйнштейн против Леметра» во многом предвосхитила схватку «Линде против Хокинга», которая случилась семьдесят лет спустя. Их споры о первопричине расширения Вселенной упираются в самую сердцевину тайны ее «замысла». Что же имел в виду Леметр, когда говорил о Большом взрыве как об «антитезисе сверхъестественному сотворению мира»? Чтобы понять это, нам придется поближе познакомиться с идеями Эйнштейна и Леметра.
Теоретические основания современной космологии заложены эйнштейновской теорией относительности. Эта история возвращает нас к началу XX столетия, ко времени, когда физики располагали ньютоновскими законами гравитации и движения, а еще разработанной Джеймсом Максвеллом теорией электричества, магнетизма и света. Вместе с теорией теплоты все это послужило основой первой промышленной революции. Мировоззрение, выросшее из этих физических теорий XIX века, соответствовало нашему интуитивному представлению о реальности, в том числе о частицах и полях, распространяющихся в фиксированном пространстве в рамках единого универсального времени – этакого космического Биг-Бена. Естественно, поэтому физики считали, что они располагают исчерпывающим описанием Природы и что физика скоро будет завершена.
Однако в 1900 году ирландско-шотландский физик Уильям Томсон, больше известный как лорд Кельвин, один из гигантов классической физики XIX столетия, заметил «на горизонте две тучки»[30]. Одна из этих «тучек», как определил Кельвин, имела отношение к движению света сквозь эфир, другая – к количеству излучения, которое испускают нагретые объекты. Большинство физиков все же полагали, что с этими мелкими деталями нетрудно будет разобраться, а стройное здание физической теории непоколебимо.
И вот в течение одного десятилетия это здание рухнуло. Попытка разобраться с отмеченными Кельвином «мелочами» привела к двум полномасштабным научным революциям – к появлению теории относительности и квантовой механики. Больше того, каждая из этих революций указала физике радикально отличающиеся друг от друга направления. И в результате сегодня над передним краем физики нависает другая туча: проблема согласования теорий, описывающих макро- и микромир.
Как именно вопрос о свете опрокинул здание физики XIX века? Все дело в его скорости. Тщательно поставленные эксперименты показали, что свет всегда движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду, безотносительно к движению наблюдателя относительно источника светового луча. Ясно, что это не согласуется с ежедневным опытом: если вы едете в поезде, то, конечно, его скорость, измеренная вами изнутри (нулевая), будет отличаться от скорости поезда, измеренной наблюдателем, неподвижно стоящим на перроне. Это шло вразрез и со всем физическим мышлением XIX века. Считалось, что световые волны переносятся эфиром, таинственной средой, заполняющей все пространство. Будь это так, для наблюдателей, движущихся относительно эфира с разными скоростями, световые волны тоже распространялись бы с разной скоростью. Но эксперименты говорили об обратном! Этого было достаточно, чтобы Альберт Эйнштейн, клерк швейцарского патентного бюро, усомнился в существовании эфира. Эйнштейн понял, что, если свет всегда имеет одну и ту же наблюдаемую скорость, значит, у наблюдателей, движущихся друг относительно друга, должны быть разные представления о расстоянии и времени. В конце концов, скорость есть мера пройденного расстояния, деленная на продолжительность движения. Согласно Эйнштейну, каждый из нас носит с собой свои собственные часы, не сверяя их по космическому Биг-Бену – и, хотя все они могут быть идеально точными, когда мы движемся друг относительно друга, тикают они с несколько разной частотой и измеряют время, прошедшее между одними и теми же двумя событиями, по-разному. То же самое и с расстояниями: линейка одного наблюдателя может отличаться от линейки другого. Так что просто не существует универсальных мер длительности и расстояния. Это и было основной идеей опубликованной Эйнштейном в 1905 году специальной теории относительности. Само слово «относительность» здесь выражает именно ту революционную идею, что понятия пространства, времени и одновременности не являются объективными, но всегда связаны с точкой зрения данного наблюдателя.
Поделиться книгой: