«О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний»

О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний (fb2) - О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний [litres] (пер. Дмитрий Александрович Прокофьев) 4169K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Маркус дю Сотой

Маркус Сотой О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний

Marcus du Sautoy

WHAT WE CANNOT KNOW

Explorations at the Edge of Knowledge

Copyright © Marcus du Sautoy, 2016

© Прокофьев Д. А., перевод на русский язык, 2016

Моим родителям, которые отправили меня в путешествие к рубежам знаний

Рубеж нулевой: известное неизвестное

Все люди от природы стремятся к знанию.

Аристотель. Метафизика[1]

Наука царит над миром.

Каждую неделю заголовки новостей сообщают о новых прорывах в нашем понимании Вселенной, новых технологиях, преобразующих наш мир, новых успехах медицины, обещающих продлить нашу жизнь. Наука позволяет нам беспрецедентно глубоко проникать в суть некоторых из тех великих вопросов, которые стояли перед человечеством с тех самых пор, как мы смогли их сформулировать. Откуда мы произошли? Какая судьба ожидает Вселенную? Из чего построен физический мир? Как скопление клеток обрело сознание?

Только за последние десять лет мы посадили космический корабль на комету, разработали роботов, способных создать собственный язык, научились восстанавливать поджелудочную железу больных диабетом при помощи стволовых клеток, узнали, как управлять манипулятором робота одной лишь силой мысли, секвенировали ДНК пещерной девочки, жившей 50 000 лет назад. Научные журналы переполнены отчетами о новейших достижениях, поступающими из лабораторий всего мира. Мы знаем так много. Успехи науки опьяняют.

Наука дала нам наилучшее оружие в борьбе с фатумом. Вместо пассивного подчинения губительному действию болезней и стихийных бедствий она создала вакцины, позволяющие бороться со смертельными вирусами полиомиелита и даже лихорадкой Эбола. Именно научный прогресс в условиях стремительного роста мирового населения позволяет надеяться, что нам удастся прокормить те 9,6 миллиарда человек, которые, как ожидается, будут жить на Земле в 2050 г. Именно наука предупреждает нас о том гибельном воздействии, которое мы оказываем на окружающую среду, и дает нам шанс, пока не поздно, исправить это положение. Возможно, падение астероида и уничтожило в свое время динозавров, но наука, которую создал человек, – наша лучшая защита от любых прямых попаданий в будущем. Наука – лучший союзник рода человеческого в его непрерывной битве со смертью.

Наука царит не только там, где дело касается борьбы за выживание, но и там, где речь идет о повышении качества жизни. Мы можем общаться с друзьями и родными, находящимися на огромном расстоянии. Мы располагаем небывалыми возможностями доступа к собранию знаний, накопленных многими поколениями исследователей. Мы создаем виртуальные миры, в которые можем выбираться в свободное время. Одним нажатием кнопки мы можем заставить звучать в своей гостиной великие исполнения Моцарта, Майлза Дэвиса и «Металлики».

Это стремление к знанию запрограммировано в душе человека. Выжили, приспособились, преобразовали окружающую среду те древние люди, которые испытывали жажду знаний. Те, для кого она не была движущей силой, остались позади. Эволюция благоприятствует разуму, который хочет узнать, как устроена Вселенная. Выброс адреналина, сопровождающий открытие нового знания, – это знак, которым природа дает нам понять, что стремление к знанию не менее важно, чем стремление к воспроизводству. Как сказал Аристотель в первой строке своей «Метафизики», понимание устройства мира есть одна из основных потребностей человека.

Наука быстро заманила меня в свои объятия, еще когда я учился в школе. Я влюбился в ее необычайную мощь, позволяющую ей так много рассказать нам о мире. Фантастические истории, которые рассказывали нам учителя-естественники, были еще затейливее, чем художественная литература, которую я читал дома. Все больше подпадая под очарование науки, я поглощал ее во всех доступных мне видах.

Я уговорил родителей подписать меня на журнал New Scientist. Я заглатывал в местной библиотеке номера Scientific American. Каждую неделю я узурпировал телевизор, чтобы посмотреть очередные выпуски моих любимых научно-популярных передач, Horizon и Tomorrow’s World. Я был заворожен программами Ascent of Man Джейкоба Броновски, Cosmos Карла Сагана, Body in Question Джонатана Миллера. Рождественские лекции Королевского института добавляли солидную порцию науки к каждой рождественской индейке в нашей семье. Я находил под елкой книги Гамова и Фейнмана. Это было головокружительное время, когда каждая неделя приносила сообщения о новых достижениях.

Читая все эти истории об открытии того, что мы знаем, я постепенно начал все больше интересоваться историями, еще не рассказанными. То, что мы уже знаем, принадлежит прошлому, а то, что нам еще неизвестно, относится к будущему – моему будущему. Я был одержим книгой головоломок математика Мартина Гарднера, которую дал мне мой учитель математики. Эмоциональное напряжение борьбы с задачами и внезапные всплески эйфории от решения каждой следующей головоломки подсадили меня на наркотик открытий. Эти головоломки подготовили меня к более серьезным задачам, к решению вопросов, на которые в конце книги не было ответов. Именно вопросы, не имеющие ответов, нераскрытые математические тайны и нерешенные научные головоломки стали впоследствии источником энергии для моей жизни в науке.

То, что мы знаем

Вспоминая 1970-е, когда я ходил в школу, и сравнивая то, что мы знали тогда, с тем, что мы знаем сейчас, я поражаюсь, сколь многое мы поняли о Вселенной всего за полвека моей жизни. Технологии настолько расширили наше восприятие, что мы можем видеть вещи, которые даже не входили в круг понятий тех ученых, которые так восхищали меня в детстве.

Телескопы нового поколения открыли в ночном небе похожие на Землю планеты, на которых может существовать разумная жизнь. Они выявили тот поразительный факт, что через три четверти времени существования нашей Вселенной ее расширение начало ускоряться. Я, помнится, читал в детстве, что в будущем нас ожидает «Большое сжатие», но теперь дело выглядит так, что нам уготована совершенно другая участь.

Коллайдеры элементарных частиц, такие как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН (Европейской организации ядерных исследований, расположенной в Швейцарии), позволили нам проникнуть во внутренние механизмы самой материи и обнаружить новые частицы, например топ-кварк, открытый в 1994 г., или бозон Хиггса, открытый в 2012-м. Когда я школьником читал журнал New Scientist, эти частицы еще принадлежали к области гипотетической математики.

А в начале 1990-х появились аппараты функциональной МРТ, позволившие заглянуть внутрь мозга и открыть там такие вещи, которые в 70-х, честно говоря, даже не считались входящими в компетенцию ученых. Тогда мозг был заповедной территорией философов и богословов, а теперь техника может показать, когда вы думаете об актрисе Дженнифер Энистон, или предсказать, что вы сейчас сделаете, еще до того, как вы сами об этом узнаете.

Развитие биологии было взрывообразным. В 2003 г. было объявлено, что ученые расшифровали одну полную последовательность человеческой ДНК, состоящую из трех миллиардов букв генетического кода. В 2011 г. была опубликована полная нейронная сеть нематоды C. elegans, дающая исчерпывающую картину связей между 302 нейронами этого червя.

Химики также осваивали новые территории. В 1985 г. была открыта совершенно новая форма углерода, в которой атомы соединены в подобие футбольного мяча, а в 2003 г. химики снова удивили нас, создав первые образцы графена и продемонстрировав, как углерод может образовывать гексагональные решетки толщиной в один атом.

В течение моей жизни были наконец решены и некоторые из величайших загадок математики – той области, которой я в конце концов посвятил себя. Задачи, подобные Великой теореме Ферма и гипотезе Пуанкаре, приводили в замешательство многие поколения математиков. Новые математические методы и идеи открыли ранее скрытые пути для странствий по миру математики.

Даже уследить за всеми этими достижениями – не говоря уже о том, чтобы внести в них свой собственный вклад, – стало непростой задачей.

Профессор всех наук

Несколько лет назад я получил новую должность в дополнение к моей работе профессора математики в Оксфордском университете. Ее название меня часто смешит: «профессор популяризации науки»[2]. По-видимому, считается, что человек, занимающий эту должность, должен знать все. Мне звонят, рассчитывая, что я могу ответить на любые вопросы, касающиеся науки. Вскоре после того, как я занял эту должность, было объявлено о присуждении Нобелевской премии по медицине и биологии. Мне позвонил один журналист, который надеялся, что ему объяснят то достижение, за которое была присуждена эта премия, – открытие теломеров.

Я никогда не был особенно силен в биологии, но в тот момент я сидел за компьютером. Признаться в своем невежестве было неудобно, так что я открыл Википедию и, быстро просмотрев статью, посвященную теломерам, авторитетно объяснил, что это участки генетического кода, расположенные на концах наших хромосом, которые управляют, в частности, старением. Технология, которая имеется сейчас у нас под рукой, усилила ощущение нашей способности знать все что угодно. Стоит мне всего лишь вбить вопрос в окно поисковой программы, и машине, как кажется, удается предсказать, что именно я хочу узнать, и выдать список тех мест, в которых можно найти ответ, еще до того, как я закончу набирать свой вопрос.

Но понимание не сводится к перечню фактов. Может ли какой бы то ни было ученый знать все? Знать, как решать нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных? Знать, как группа SU(3) определяет связи между фундаментальными частицами? Знать, как космическая инфляция порождает состояние Вселенной? Как решать уравнения общей теории относительности Эйнштейна или волновое уравнение Шредингера? Как нейроны и синапсы порождают мысли? Возможно, последними учеными, знавшими все, что было известно, были Ньютон, Лейбниц и Галилей.

Должен признаться, что юношеская самонадеянность вселяла в меня веру в способность понять все, что известно человеку. Если чей-то человеческий мозг смог найти путь к новому знанию, значит, раз это доказательство работает в чьем-то мозгу, оно должно сработать и в моем. Если у меня будет достаточно времени, думал я, я смогу разгадать тайны математики и Вселенной или, по крайней мере, разобраться в нынешнем положении вещей. Но теперь я испытываю все большие сомнения в этой вере, все больше беспокоюсь, что некоторые вещи так и останутся за пределами моего понимания. Моему мозгу часто бывает трудно разобраться в уже известной нам науке. На то, чтобы узнать все, просто не хватает времени.

Даже мои собственные исследования в математике уже, кажется, доходят до предела того, что способен понять мой человеческий мозг. Более десяти лет я работаю над одной гипотезой, которая упорно сопротивляется моим попыткам доказать ее. Но моя новая роль профессора популяризации науки заставляет меня выходить из привычной области математики в дебри запутанных концепций нейробиологии, ускользающих идей философии, шатких теорий физики. Она требует иного образа мыслей, чуждого моему математическому способу мышления, работающему с несомненными фактами, доказательствами и точностью. Мои попытки понять все, что считается сейчас относящимся к научному знанию, подвергают серьезному испытанию границы моих собственных способностей к пониманию.

Чтобы обрести знание, мы неизбежно должны «стоять на плечах гигантов», если использовать знаменитое выражение, которым Ньютон объяснял собственные открытия[3]. Поэтому мое путешествие к пределам знания включает в себя чтение того, что сказано другими о современном состоянии знания, посещение лекций и семинаров специалистов в тех областях, в которых я пытаюсь разобраться, общение с теми, кто открывает новые горизонты, критическое рассмотрение противоречивых историй, знакомство с опубликованными в научных журналах свидетельствами и данными в поддержку той или иной теории и даже, время от времени, поиск каких-нибудь понятий в Википедии. Хотя мы и учим своих студентов подвергать сомнению любую информацию, которую выдает поиск в Google, исследования показывают, что статьи Википедии по темам, относящимся к менее спорной части научного спектра, – например по общей теории относительности, – считаются сравнимыми по качеству с публикациями в научной литературе. Однако стоит выбрать более спорную тему – например изменения климата, – и содержание статьи может меняться изо дня в день.

Отсюда возникает вопрос: насколько можно верить хоть каким-нибудь из этих историй? Одно то, что научное сообщество считает некое объяснение лучшим на данный момент, не значит, что оно истинно. История снова и снова дает нам примеры обратного, и они должны служить вечным напоминанием о том, что существующее научное знание никогда не окончательно. Возможно, математика несколько отличается в этом отношении, как будет обсуждаться в двух последних главах этой книги. Но следует отметить, что, даже когда я разрабатываю новую математику, я часто ссылаюсь на результаты других математиков, чьи доказательства я сам не проверял. Иначе мне приходилось бы бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте.

И главная задача, стоящая перед каждым ученым, состоит в том, чтобы не оставаться в надежном саду известного, но отважиться выйти из него в дебри неизвестного. Именно этой задаче и посвящена книга.

То, чего мы не знаем

Несмотря на все успехи, достигнутые наукой за последние столетия, многие глубокие тайны все еще остаются нераскрытыми. То, чего мы не знаем. Создается впечатление, что знание о том, чего мы не знаем, разрастается быстрее, чем список наших открытий. Известное неизвестное обгоняет известное известное. Но именно это неизвестное движет науку вперед. Ученых больше интересует то, чего они не понимают, чем пересказ уже известного. Наука остается живой и развивающейся именно благодаря тем вопросам, на которые у нас нет ответов.

Например, материя, составляющая тот физический мир, с которым мы взаимодействуем, по-видимому, составляет лишь 4,9 % всего вещества, содержащегося в нашей Вселенной. Из чего же состоят оставшиеся 95,1 % так называемой темной материи и темной энергии? Если расширение нашей Вселенной ускоряется, откуда берется вся та энергия, за счет которой происходит это ускорение?

Бесконечна ли наша Вселенная? Существует ли бесконечное число других бесконечных вселенных, параллельных нашей? Если они существуют, отличаются ли их физические законы от наших? Существовали ли эти другие вселенные до того, как возникла наша в результате Большого взрыва? Существовало ли время до Большого взрыва? Вообще, существует ли время как таковое, или оно появляется как следствие более фундаментальных концепций?

Почему в дополнение к одному семейству элементарных частиц существуют еще две почти точные копии этого семейства, но с большей массой, так называемые три поколения элементарных частиц? Существуют ли другие частицы, которые мы еще не открыли? Являются ли элементарные частицы на самом деле тончайшими струнами, вибрирующими в 11-мерном пространстве?[4]

Как объединить общую теорию относительности Эйнштейна, физику предельно большого, с квантовой физикой, физикой предельно малого? Тут речь идет о поисках так называемой квантовой гравитации, абсолютно необходимой для понимания момента Большого взрыва, в который вся Вселенная была сжата до квантовых масштабов.

А как насчет нашего понимания человеческого тела, по сравнению со сложностью которого квантовая физика – просто школьная задачка? Мы все еще пытаемся разобраться со сложным взаимодействием между экспрессией генов и окружающей средой. Сможем ли мы найти лекарство от рака? Возможно ли победить старение? Родился ли уже человек, который сможет дожить до тысячи лет?

А происхождение человека? Если эволюция – это процесс случайных мутаций, то мог ли другой бросок игральных костей эволюции также привести к возникновению организмов, имеющих глаза? Если перемотать эволюцию назад и нажать на кнопку «пуск», получим ли мы разумную жизнь – или же мы появились в результате удачного броска костей? Существует ли разумная жизнь в других точках Вселенной? А технологии, которые мы создаем? Сможет ли компьютер стать разумным? Смогу ли я когда-нибудь скопировать свое сознание и пережить смерть собственного тела?

Математика тоже еще далека от завершения. В противоположность распространенному мнению Великая, или «последняя», теорема Ферма вовсе не была последней теоремой. Математика изобилует неизвестным. Существует ли в распределении простых чисел структура, или же они разбросаны случайным образом? Сможем ли мы решить математические уравнения турбулентности? Найдем ли когда-нибудь эффективный способ разложения больших чисел на множители?

Несмотря на то что столь многое еще остается неизвестным, ученые верят, что на эти вопросы когда-нибудь будут получены ответы. Последние десятилетия позволяют полагать, что мы живем в золотом веке науки. Кажется, что скорость возникновения научных открытий возрастает экспоненциально. В 2014 г. журнал Nature сообщил, что начиная с конца Второй мировой войны число опубликованных научных статей удваивалось каждые девять лет. Компьютеры также развиваются с экспоненциальной скоростью. Законом Мура называется наблюдение, согласно которому производительность компьютерных процессоров, по-видимому, удваивается каждые два года[5]. Инженер Рэй Курцвейл полагает, что то же справедливо и для технологического прогресса: уровень изменения технологий в течение следующих ста лет будет сравним с тем, что человечество испытало за последние 20 000 лет.

И все же, может ли скорость совершения научных открытий оставаться экспоненциальной? Курцвейл говорит о «сингулярности» – моменте, в который сложность наших технологий превзойдет возможности человеческого разума. Обречен ли научный прогресс на достижение такой же сингулярности? Того момента, в который мы будем знать все. Конечно, на каком-то этапе мы действительно можем открыть основополагающие уравнения, объясняющие, как устроена Вселенная. Мы получим окончательный список частиц, составляющих структурные элементы физического мира, и поймем, как они взаимодействуют друг с другом. Некоторые ученые полагают, что на нынешней скорости научный прогресс может привести к созданию «теории всего». Для нее даже придумали обозначение – ТоЕ[6].

Хокинг заявил в «Краткой истории времени»: «Я уверен, что сейчас есть основания для осторожного оптимизма: мы, пожалуй, близки к завершению поисков окончательных законов природы» – и закончил свою книгу следующим провокационным утверждением: «Тогда нам станет понятен замысел Бога»[7].

Возможно ли это? Возможно ли знать все? Хотим ли мы все знать? Если это случится, наука окостенеет. Ученые находятся в странных, шизофренических отношениях с неизвестным. Казалось бы, нас интересует и восхищает именно то, чего мы не знаем; и в то же время мерой успеха ученого являются решения и познание, то есть превращение неизвестного в известное.

Могут ли существовать задачи, которые никогда не будут решены? Есть ли пределы тому, что мы можем узнать о нашем физическом мире? Могут ли какие-нибудь участки будущего быть недоступны для предсказательной силы естественных наук и математики? Совершенно ли недоступно для нас время, предшествовавшее Большому взрыву? Существуют ли идеи, слишком сложные для осмысления конечным человеческим мозгом? Может ли мозг познать самого себя, или такой анализ входит в бесконечный замкнутый круг, из которого нет выхода? Существуют ли математические гипотезы, справедливость которых невозможно доказать?

То, чего мы не узнаем никогда

Что, если в науке существуют такие вопросы, на которые невозможно найти ответ? Сама мысль о возможности существования таких вопросов кажется пораженческой, даже опасной. Неизвестное служит движущей силой науки, но непознаваемое – ее смертельный враг. Как полноценный представитель научного сообщества я надеюсь, что в конце концов мы все-таки сможем ответить на еще не разрешенные главные вопросы. Поэтому мне важно знать, достигнет ли экспедиция, в которой я принимаю участие, пределов, которые мы не сможем преодолеть. Вопросов, которые никогда не будут разрешены.

Именно эту задачу я ставил перед собой в этой книге. Я хочу узнать, существует ли то, чего мы никогда не сможем узнать по причине самой его природы. Существует ли что-либо, что навсегда останется за пределами наших знаний? Есть ли что-нибудь такое, что так и останется недостижимым даже для величайших ученых, несмотря на сокрушительные успехи науки? Останутся ли тайны, так и не поддавшиеся нашим попыткам приподнять завесы, которые не дают нам рассмотреть Вселенную?

Разумеется, пытаться сформулировать «то, чего мы знать не можем» – дело крайне рискованное в любой момент истории. Как можно предугадать, какие новые открытия внезапно превратят неизвестное в познаваемое? В частности, поэтому имеет смысл изучать историю познания того, что мы уже знаем, так как она показывает, как часто мы думали, что уже дошли до последнего предела, – и находили пути, ведущие за него.

Например, в 1835 г. французский философ Огюст Конт заявил о звездах следующее: «Мы никогда не сможем исследовать каким бы то ни было методом их химический состав или минералогическое строение»[8]. Это утверждение было совершенно справедливым, поскольку получение такого знания казалось возможным только в случае нашего путешествия к звездам. Однако Конт не учел, что сами звезды могут добраться до нас или что из фотонов испускаемого ими света можно получить по меньшей мере информацию об их химическом составе.

Через несколько десятилетий после пророчества Конта ученые определили химический состав нашей собственной звезды, Солнца, проанализировав спектр испускаемого ею света. Британский астроном XIX в. Уоррен де ля Рю провозгласил: «Даже если бы мы отправились на Солнце, привезли его частицы и проанализировали их в своих лабораториях, мы и тогда не смогли бы изучить их точнее, чем при помощи этого нового способа спектрального анализа».

Затем ученые определили химический состав звезд, до которых мы, вероятно, никогда не сможем добраться. По мере того как наука XIX в. продолжала давать нам все большее понимание тайн Вселенной, стало возникать ощущение того, что мы можем наконец получить полную картину мира.

В 1900 г. лорд Кельвин, величайший, по мнению многих, ученый своего времени, полагал, что такой момент наступил. Он заявил на заседании Британской научной ассоциации[9]: «В физике больше нет места для новых открытий. Нам остается только все более и более увеличивать точность измерений»[10]. С ним был согласен американский физик Альберт Абрахам Майкельсон. Он также считал, что будущее науки состоит в простом добавлении очередных знаков после запятой к уже полученным результатам: «Все наиболее важные фундаментальные законы и факты физической науки уже открыты […] открытия будущего нам следует искать в шестом знаке после запятой».

Пять лет спустя Эйнштейн провозгласил свою необычайную новую концепцию времени и пространства, а вскоре после этого появились откровения квантовой физики. Представления Кельвина и Майкельсона о масштабах новой физики, которую еще предстояло открыть, не могли быть дальше от истины.

Я хочу выяснить, существуют ли такие задачи, решение которых заведомо останется невозможным, несмотря на любые новые открытия. Возможно, их нет. Я как ученый хотел бы на это надеяться. Одна из опасностей рассмотрения неразрешимых в данный момент задач заключается в слишком быстром примирении с их непознаваемостью. Но если неразрешимые вопросы существуют, какова их роль? Можно ли выбрать любой из возможных ответов, не заботясь о том, какой именно из них мы выбрали?

Рассуждения об известном неизвестном не относятся исключительно к миру науки. Вот, например, знаменитое заявление американского политика Дональда Рамсфелда, заведшее его в область философии познания:

Есть известное известное – то, о чем мы знаем, что знаем. Мы также знаем, что есть известное неизвестное – то есть мы знаем, что существует что-то, чего мы не знаем. Но существует и неизвестное неизвестное, то, о чем мы не знаем, что не знаем.

За этот запутанный ответ на вопрос об отсутствии доказательств связи правительства Ирака с оружием массового поражения, заданный на брифинге в Министерстве обороны, Рамсфелду основательно досталось. Журналисты и блогеры резвились вовсю, и дело кончилось тем, что Кампания за чистоту английского языка присудила ему премию «Foot in Mouth»[11]. Тем не менее в заявлении Рамсфелда содержалось очень лаконичное определение разных типов знания. Возможно, он упустил из виду лишь одну интересную категорию – неизвестное известное. То, о чем мы знаем, но не решаемся в этом признаться. Как утверждает философ Славой Жижек, именно такие вещи наиболее опасны, особенно в руках людей, наделенных политической властью. Они относятся к области заблуждений. Подавленных мыслей. Фрейдистского бессознательного.

Я был бы рад рассказать вам о неизвестном неизвестном, но тогда оно было бы известным! Нассим Талеб, автор книги «Черный лебедь»[12], считает, что именно его появление вызывает самые значительные изменения в обществе. Для Кельвина таким неизвестным неизвестным, которое он был не в состоянии вообразить, стали теория относительности и квантовая физика. Поэтому в этой книге я могу в лучшем случае попытаться сформулировать известное неизвестное и спросить, останется ли оно навечно неизвестным. Существуют ли вопросы, ответы на которые не могут быть получены по самой их природе, независимо от развития нашего знания?

Я называю такое неизвестное рубежами. Они символизируют ту линию, за которую мы не можем заглянуть. Мое путешествие к «рубежам» знания для определения известного неизвестного пройдет через территорию известного известного, чтобы показать, как мы продвигались за пределы того, что ранее казалось нам пределами знания. Это путешествие также станет испытанием моих собственных способностей к познанию, поскольку знание даже известного становится все более трудной задачей для ученого.

Хотя эта книга посвящена тому, чего мы знать не можем, также очень важно понять, что мы знаем и как мы это знаем. В этом путешествии к пределам знаний мы пройдем через области, уже нанесенные учеными на карты, до самых пределов последних на сегодняшний день достижений науки. В пути мы будем задерживаться, чтобы рассмотреть те моменты, в которые ученые считали, что зашли в тупик, откуда дальнейшее продвижение вперед невозможно, но следующее поколение исследователей находило новые пути. Это позволит нам по-новому взглянуть на то, что мы сегодня можем считать непознаваемым. Я надеюсь, что к концу нашего путешествия эта книга станет всеобъемлющим обзором не только того, чего мы не можем узнать, но и того, что мы уже знаем.

Чтобы не заблудиться в тех отраслях науки, которые находятся вне привычной мне области, я прибегал к помощи специалистов, способных направить меня по мере приближения к каждому из пределов знаний и помочь понять, связана ли непознаваемость этих «рубежей» с моей собственной ограниченностью или с ограничениями, изначально присущими тому или иному рассматриваемому вопросу.

Что же происходит, когда мы сталкиваемся с вопросом, на который нельзя найти ответа? Что делать с незнанием? Могу ли я признаться самому себе, что некоторые вещи навечно останутся недоступными для меня? Что делает с незнанием человечество как биологический вид? За последние тысячелетия человек придумал несколько интересных решений этой проблемы, и одним из самых замечательных из них была идея Бога.

Запредельность

У моего исследования непознаваемого есть еще один стимул, также связанный с моей новой работой. Моим предшественником на кафедре популяризации науки был Ричард Докинз. Когда я принял от Докинза эту должность, я приготовился отражать шквал вопросов, которые мне будут задавать не о науке, а о религии. Публикация книги «Бог как иллюзия» и пылкие споры Докинза с креационистами привели к тому, что в последние годы своего пребывания на кафедре он вынужден был посвящать много времени обсуждению вопросов религии и Бога.

Поэтому, когда я занял эту кафедру, мое отношение к религии неизбежно должно было заинтересовать публику. Сначала я пытался отмежеваться от дискуссий о Боге. Моя работа состоит в пропаганде научного прогресса и в привлечении внимания общественности к достижениям, происходящим вокруг нее. Мне хотелось поскорее вернуть дискуссию к вопросам, связанным с наукой, а не с религией.

Чтобы избежать обсуждения вопросов о Боге, я использовал следующий метод: я признавал, что сам я человек верующий. Прежде чем журналисты успевали чересчур разволноваться по этому поводу, я добавлял, что верую я в футбольный клуб «Арсенал». Мой храм – стадион «Эмирейтс» (бывший «Хайбери») на севере Лондона, и каждую субботу я поклоняюсь своим кумирам и возношу им песнопения. А в начале каждого футбольного сезона я вновь провозглашаю свою веру в то, что в этом-то году мы наконец завоюем какой-нибудь кубок. В условиях большого города, такого как Лондон, футбол взял на себя те функции объединения человеческого сообщества и создания общих ритуалов, которые раньше принадлежали религии.

Наука, которую я начал узнавать подростком, была весьма действенным средством вытеснения тех смутных религиозных мыслей, которые были у меня в детстве. Поскольку я пел в местном церковном хоре, я имел представление об идеях о понимании устройства Вселенной, предлагаемых христианством. В 1970-х гг. британская школа еще сохраняла легкий религиозный оттенок: на школьных собраниях мы читали «Отче наш» и пели церковные гимны[13]. Религия подавалась в слишком упрощенном виде и не могла конкурировать с мощью и замысловатостью того, что я узнавал на лабораторных занятиях в средней школе. Вскоре религия была вытеснена гораздо более привлекательными вещами – наукой… и футболом.

Разумеется, такого непочтительного ответа было недостаточно, чтобы отмахнуться от вопросов о моем отношении к религии. Как-то раз воскресным утром, во время интервью на отделении радиостанции BBC в Северной Ирландии, я оказался постепенно втянут в рассмотрение вопроса о существовании Бога. Наверное, я должен был заметить признаки такой опасности. Воскресным утром Бог интересует многих радиослушателей в Северной Ирландии.

Мне как математику часто приходится заниматься доказательством существования новых объектов или разработкой доводов, демонстрирующих, что такие объекты существовать не могут. Благодаря возможностям языка математики в области создания логических аргументов многие философы разных эпох пытались использовать математику для доказательства существования Бога. Однако мне такой подход всегда представлялся порочным. В математике для доказательства или опровержения существования чего-либо необходимо иметь ясное определение того, чье существование мы пытаемся доказать.

Поэтому после того, как интервьюер в течение некоторого времени поизводил меня вопросами о моих взглядах на существование Бога, я предложил ему определить, что означает для него Бог, чтобы я смог применить свой математический метод мышления. «Это нечто превосходящее человеческое понимание». Сначала я подумал: «Что за отговорка. Вы определили нечто такое, с чем я по определению не могу разобраться». Но определение это меня заинтриговало. Возможно, не такая уж это была и отговорка.

Что, если определить Бога как то, чего мы не можем знать? Во многих культурах древности боги занимали место того, чего мы не могли объяснить или понять. Извержения вулканов или затмения были настолько таинственны для наших предков, что стали деяниями богов. По мере того как наука разъясняла такие явления, эти боги отступали на задний план.

У этого определения есть общие черты с Богом, обычно называемым «Богом белых пятен». Это выражение часто используется в уничижительном смысле религиозными мыслителями, которые видят, что значение Бога уменьшается под напором научного знания, и слышат призывы к отвержению такого Бога. Выражение «Бог белых пятен» придумал оксфордский математик и методистский проповедник Чарльз Коулсон, заявивший: «Не существует “Бога белых пятен”, который заполнял бы те стратегически важные места, в которых наука бессильна».

Однако это выражение часто связывают с порочным доказательством существования Бога, опровержению которого Ричард Докинз уделяет некоторое время в своей книге «Бог как иллюзия»: если существует нечто, чего мы не можем объяснить или познать, то заполнение такого пробела должно быть делом рук Божьих. Но меня больше интересует не существование Бога, заполняющего пробелы, а утверждение о равенстве Бога абстрактной идее того, чего мы не можем знать. Не того, чего мы сейчас не знаем, а того, чего мы никогда не сможем узнать по самой его природе. Того, что навечно останется запредельным.

Религия сложнее, чем простой стереотип, часто предлагаемый взамен ее современным обществом. Для многих древних культур Индии, Китая и Ближнего Востока религия не сводилась к поклонению Сверхъестественному Разуму, а была именно попыткой постижения пределов нашего понимания и языка. Теолог Герберт Маккейб заявил: «Утверждать существование Бога значит утверждать, что существуют не получившие ответа вопросы об устройстве Вселенной». Наука вела и ведет активное наступление на эти пределы. Осталось ли от них хоть что-нибудь? Есть ли вещи, которые всегда будут за такими пределами? Существует ли Бог по Маккейбу?

Поиски ответа на этот вопрос и составляют основу этой книги. Можем ли мы определить, какие вопросы и физические явления навсегда останутся недостижимыми для познания? Если мы можем распознать то, что останется в пробелах знания, то что это будет за Бог? Какой силой может обладать такая концепция? Может ли то, чего мы не можем познать, действовать в нашем мире и влиять на наше будущее? Достойно ли оно поклонения?

Но прежде всего нам нужно выяснить, есть ли во Вселенной что-либо такое, что все еще остается неизвестным. Есть ли на самом деле что-нибудь, чего мы знать не можем?

Рубеж первый: игральная кость

1

Непредсказуемое и предопределенное проявляются одновременно, делая все таким, как есть. Так природа создает себя, в любых масштабах, от снежинки до бурана. Это такое счастье. Снова быть в самом начале, снова не знать почти ничего.

Том Стоппард. Аркадия

На столе передо мной лежит одна красная игральная кость. Эта кость осталась у меня после поездки в Лас-Вегас. Я влюбился в нее сразу, как увидел ее на столе для игры в крэпс. Ее конструкция – само совершенство. Идеально прямые ребра, сходящиеся в точку на углах кубика. Грани такие гладкие, что на ощупь не определить, какому числу соответствует та или иная грань. Очки вырезаны на гранях кости и заполнены краской, имеющей ту же плотность, что и пластмасса, из которой сделана сама кость. Поэтому сторона, соответствующая шестерке, нисколько не легче, чем противоположная ей грань с одним очком. Кость невероятно приятно держать в руке. Очень красивая вещь.

И все-таки я ее ненавижу.

Сейчас ко мне обращена грань с тремя очками. Но, если я возьму кость и брошу ее, я никак не могу узнать, какой стороной она упадет. Она – абсолютный символ непознаваемого. Кажется, что будущее кости может быть известно, только когда оно становится прошлым.

Меня всегда чрезвычайно раздражали вещи, которых я не могу узнать. То, чего я не в силах постичь. Я ничего не имею против незнания каких-то вещей, если существует возможность в конце концов вычислить, что происходит. При наличии достаточного времени. Неужели эта кость действительно непознаваема? Или же, имея достаточную информацию, я мог бы предсказать ее следующее положение? Наверняка нужно всего лишь применить правильные законы физики и решить соответствующие математические уравнения. Наверняка это можно узнать.

Наука, в которой я работаю, математика, была придумана, чтобы дать человеку возможность увидеть, что его ожидает. Чтобы заглянуть в будущее. Чтобы стать хозяином, а не слугой судьбы. Я верю в то, что Вселенная работает в соответствии с некими законами. Если я пойму эти законы, я смогу познать Вселенную. Способность замечать закономерности дала роду человеческому чрезвычайно мощное средство управления жизнью. Существование закономерности означает, что у нас есть шанс предсказать будущее и познать непознаваемое. Закономерность движения Солнца означает, что мы можем быть уверены, что завтра оно снова взойдет, а Луна снова станет полной через 28 восходов Солнца. Именно так и появилась математика. Математика – наука закономерностей. Способность замечать закономерности – это мощное оружие в эволюционной борьбе за выживание. Наскальные рисунки в пещерах Ласко показывают, что, если отсчитать 13 четвертей луны от первого зимнего восхода Плеяд, получишь то время года, в которое лошади ходят жерёбые и на них легко охотиться. Способность предсказывать будущее – это ключ к выживанию.

Но существуют и такие вещи, которые, по-видимому, не имеют закономерностей или же имеют закономерности слишком сложные или скрытые для постижения человеческим разумом. Единичный бросок игральной кости не похож на восход Солнца. Кажется, что никак невозможно узнать, какая из шести граней кубика будет обращена вверх, когда он наконец остановится. Поэтому еще со времен античности кости использовали для разрешения споров и игр, в том числе и на деньги.

Неужели этот красивый красный кубик с белыми точками в самом деле непознаваем? Во всяком случае, сложные отношения с динамикой этого кубика возникли далеко не у меня первого.

Познать волю богов

Во время недавней поездки в Израиль я повез своих детей на археологические раскопки в Бейт-Гуврин. В древности это поселение было настолько популярным, что раскоп состоит из множества слоев разных городов, построенных друг поверх друга. В земле лежит столько всего, что археологи с радостью позволяют дилетантам – вроде нас с детьми – помогать им в раскопках, даже если в результате несколько горшков и оказываются разбиты. Мы конечно же раскопали множество осколков керамики. Но кроме того, мы все время вынимали из земли многочисленные кости животных. Мы думали, что это были остатки от трапезы, но наш экскурсовод объяснил, что на самом деле таким был самый древний вид игральных костей.

Археологические раскопки поселений начиная со времени неолита обнаруживают среди осколков посуды и кремней, которые обычно находят в местах обитания человека, непропорционально большое количество пяточных костей овец или других животных. Эти кости не что иное, как предки моей кости из казино. Если бросить такую кость, она естественным образом падает на одну из четырех сторон. На костях часто бывают вырезаны буквы или цифры. Предполагается, что такие ранние кости использовались не столько для азартных игр, сколько для гадания. И эта связь между результатом броска кости и волей богов просуществовала многие столетия. Люди верили, что знание того, как упадет кость, находится за пределами человеческого разумения. Результат броска определялся волей Божьей.

Постепенно такие кости занимали все более прозаичное место элемента мира развлечений. Первые кости кубической формы, похожие на кость с моего стола, были найдены в районе Хараппы, в современном Северо-Восточном Пакистане, где еще в 3-м тысячелетии до н. э. возникла одна из первых урбанистических цивилизаций. В это же время появляется игральная кость в форме четырехгранной пирамиды, найденная в городе Ур в Древней Месопотамии.

Играми в кости увлекались и римляне, и греки, и средневековые воины, которые привезли из Крестовых походов новую игру под названием «хэзард», происходящим от арабского названия игральной кости – аль-зар[14]. Эта игра была ранним вариантом игры в крэпс, в которую играют в казино Лас-Вегаса, откуда я и привез свою кость.

Если бы падение костей можно было предсказать, никакие основанные на них игры не прижились бы. Интерес игры в нарды, в хэзард или в крэпс как раз и вытекает из незнания того, как упадут кости. Так что, возможно, игроки не оценят моих попыток предсказать результаты броска костей.

Многие века никто даже не думал, что такое свершение возможно. Древние греки, одними из первых создавшие математику в качестве средства ориентации в окружающем их мире, уж точно не имели никакого представления о том, как подойти к такой динамической задаче. Их математика, сводившаяся к жесткому, статичному миру геометрии, была неспособна справиться с игральной костью, катящейся по полу. Они смогли создать формулы, описывающие геометрические контуры куба, но движение кости было для них безнадежной задачей.

А как насчет опытов, которые позволили бы составить представление о возможных исходах броска? Антиэмпирическая позиция древних греков приводила к тому, что они не видели смысла в анализе данных и попытках научного предсказания падения кости. Ведь то, как упала уже брошенная кость, никак не влияет на результат следующего броска. Он случаен, что, с точки зрения древних греков, значило, что он непознаваем.

Аристотель считал, что происходящие в мире события по сути можно разделить на три категории: «неизбежные события», происходящие по необходимости в соответствии с законами природы, «вероятные события», происходящие в большинстве случаев, но с возможными исключениями, и, наконец, «непознаваемые события», происходящие по чистой случайности. Мою игральную кость Аристотель не колеблясь относит к последней категории.

По мере того как на философию оказывала влияние христианская теология, положение все ухудшалось. Поскольку исход броска кости находится во власти Бога, человек не смеет надеяться его познать. Как сформулировал блаженный Августин: «Мы называем те причины, которые считают случайными, не несуществующими, но скрытыми и приписываем их воле истинного Бога».

Случайности не существовало. Не существовало и свободы воли. Непознаваемое было известно Богу, который определял исход броска кости. Любая попытка предсказания такого исхода была делом еретиков, тех, кто осмеливался считать, что может познать мысли Бога. Французский король Людовик XI дошел до того, что запретил производство игральных костей, так как считал азартные игры богопротивными. Тем не менее кости – вроде той, что лежит у меня на столе, – в конце концов начали раскрывать свои тайны. Только в XVI в. игральные кости удалось вырвать из рук Божьих и передать их судьбу в руки – и в умы – человечества.

Поиск чисел в костях

Я кладу рядом со своей прекрасной костью из Лас-Вегаса еще две игральные кости. Спрашивается, если бросить все три кости сразу, что будет выгоднее: ставить на то, что выпадет 9 или 10? До XVI в. никаких средств, помогающих ответить на этот вопрос, не существовало. И все же любой достаточно много игравший сказал бы, что при броске только двух костей разумнее ставить на 9, чем на 10. В конце концов опыт игры вскоре подсказывает, что количество случаев, в которых выпадает 9, в среднем на треть больше, чем число таких, в которых выпадает 10. Но в случае трех костей почувствовать, как лучше ставить, сложнее, поскольку кажется, что 9 и 10 выпадают с равной частотой. Так ли это на самом деле?

Существование закономерностей, которые можно выгодно использовать в игре в кости, первым осознал в начале XVI в. в Италии один заядлый игрок по имени Джироламо Кардано. Эти закономерности нельзя было использовать в единичном броске. Они возникали в длинных сериях бросков, и игрок, подобный Кардано, который проводил за игрой в кости многие часы, мог бы извлечь из таких закономерностей некоторую выгоду. Он был настолько захвачен погоней за предсказаниями непознаваемого, что однажды даже продал имущество своей жены, только чтобы добыть денег на игру.

Кардано пришла в голову удачная мысль подсчитать число возможных вариантов выпадения костей. В случае броска двух костей таких вариантов 36. Они изображены на следующей схеме.

Только в трех из них сумма очков равна 10, а 9 можно получить в четырех вариантах. Поэтому Кардано рассудил, что, когда играют двумя костями, разумнее ставить на 9, чем на 10. Это не помогало в одной отдельно взятой игре, но в длинной серии игр Кардано мог выиграть, если бы придерживался результатов своих расчетов. К сожалению, строгость его математических рассуждений не сопровождалась такой же строгостью его поведения в игре. Он умудрился потерять все наследство, оставленное ему отцом, и даже вступал в поножовщину со своими соперниками, когда ему особенно не везло в кости.

Тем не менее он постарался добиться исполнения одного из своих пророчеств. По-видимому, он предсказал дату собственной смерти – 21 сентября 1576 г. Чтобы не оставлять исполнение этого предсказания на волю случая, он взял дело в собственные руки. Когда наступил предсказанный день, он совершил самоубийство. Мне, как бы я ни стремился к знаниям, это кажется некоторым перебором. Собственно говоря, большинство людей предпочло бы не знать дату собственной смерти. Но Кардано нужна была только победа, даже в игре в кости со смертью.

Перед самоубийством он написал книгу, которую многие считают первым шагом к пониманию поведения игральной кости, катящейся по столу. Хотя он написал свою «Книгу об играх случая» (Liber de Ludo Aleae) еще в 1564 г., этот труд долго оставался неизвестным и не был опубликован до 1663 г.

На самом деле не кто иной, как великий итальянский физик Галилео Галилей, использовал тот же анализ, который описал Кардано, чтобы выяснить, следует ли ставить на 9 или на 10, когда бросают три кости. Он рассудил, что существует 6 · 6 · 6 = 216 возможных исходов падения костей. Из них в 25 случаях выпадает 9, а в 27 случаях – 10. Разница невелика, и обнаружить ее эмпирическим путем было бы непросто, но и ее достаточно для того, чтобы в долгой игре было выгоднее ставить на 10.

Прерванная игра

Математическое освоение игры в кости переместилось из Италии во Францию в середине XVII в., когда два крупных игрока, Блез Паскаль и Пьер де Ферма, обратили свои мысли на предсказание будущего этих кувыркающихся кубиков. Проблема понимания исхода броска костей заинтересовала Паскаля после встречи с одним из величайших игроков того времени, кавалером де Мере. Де Мере предложил Паскалю разрешить несколько интересных ситуаций. Одна из них сводилась к задаче, решенной Галилеем. Однако в число других входил вопрос о том, разумно ли ставить на выпадение по меньшей мере одной шестерки в четырех бросках кости, а также ставшая впоследствии знаменитой «задача о ставках».

Паскаль завязал оживленную переписку с великим математиком и юристом Пьером де Ферма, вместе с которым они попытались решить задачи, поставленные де Мере. В случае броска четырех костей можно рассмотреть 6 · 6 · 6 · 6 = 1296 разных исходов и подсчитать, в скольких из них выпадает шестерка, но задача становится при этом довольно громоздкой.

Вместо этого Паскаль рассудил, что в одном броске шестерка не выпадет с вероятностью 5/6. Поскольку все броски независимы, вероятность того, что шестерка не выпадет ни в одном из четырех бросков, равна 5/6 · 5/6 · 5/6 · 5/6 = 625/1296 = 48,2 %. Что означает, что вероятность увидеть шестерку равна 51,8 %. Это чуть больше половины, значит, вполне есть смысл ставить на такой исход.

«Задача о ставках» была еще интереснее. Предположим, что два игрока – назовем их Паскаль и Ферма – бросают игральную кость. Ферма выигрывает партию, если на кости выпадает 4 или более очков; в противном случае эту партию выигрывает Паскаль. Таким образом, при каждом броске кости у каждого из них есть половинный шанс на выигрыш партии. Они поставили на кон 64 фунта, которые достанутся тому, кто первым выиграет три партии. Однако игру прерывают, и продолжить ее невозможно. К этому моменту Ферма выиграл две партии, а Паскаль – одну. Как следует разделить между ними 64 фунта?

Традиционные попытки решения этой задачи были сосредоточены на том, что произошло в прошлом. Может быть, раз Ферма выиграл в 2 раза больше партий, чем Паскаль, то и его выигрыш должен быть в 2 раза больше? Но, если, например, перед тем как игра была остановлена, Ферма выиграл всего одну партию, такое решение становится бессмысленным. Паскаль в таком случае не получает ничего, хотя по-прежнему имеет шанс на победу. Никколо Фонтана Тарталья, современник Кардано, после долгих размышлений пришел к выводу, что решения не существует: «Это вопрос скорее юридический, чем математический, и любой вариант разделения выигрыша может стать поводом для тяжбы».

Однако другие не были готовы признать свое поражение. Они обратили внимание не на прошлое, а на то, что могло бы случиться в будущем. В противоположность первой задаче здесь они попытались не предсказать, как ляжет кость, а представить все возможные варианты будущего и разделить выигрыш в соответствии с разными исходами, благоприятными для того или другого игрока.

Здесь легко впасть в заблуждение. Кажется, что существует три сценария. Если следующую партию выигрывает Ферма, он забирает себе все 64 фунта. Если следующую партию выигрывает Паскаль, то играется еще одна, финальная партия, которую может выиграть либо Паскаль, либо Ферма. Поскольку в двух из этих трех случаев выигрывает Ферма, то, видимо, ему причитаются две трети ставки. В эту-то ловушку и попал де Мере. Паскаль утверждает, что это решение ложно: «Кавалер де Мере – человек очень остроумный, но он вовсе не математик; это, как вы знаете, огромный недостаток»[15]. Вот уж действительно!

Паскаль же, напротив, был великий математик, и он считал, что выигрыш следует разделить иначе. Ферма может выиграть в следующей партии (и получить 64 фунта) с вероятностью 50 %. Но, если в следующей партии выиграет Паскаль, шансы обоих на победу в финальной партии равны, так что выигрыш можно разделить поровну – по 32 фунта каждому. Ферма в любом случае гарантированно получает 32 фунта. Поэтому оставшиеся 32 фунта следует разделить поровну, что в итоге дает Ферма 48 фунтов.

Ферма согласился с анализом Паскаля. «Я ясно вижу, что истина, будь она в Тулузе или в Париже, одна и та же», – писал ему в Тулузу Паскаль.

Пари паскаля

Анализ ставок в игре, разработанный Паскалем и Ферма, можно применить и к гораздо более сложным ситуациям. Паскаль выяснил, что тайна распределения выигрыша сокрыта внутри того, что теперь называют треугольником Паскаля.

Треугольник устроен таким образом, что каждое число в нем равно сумме двух чисел, расположенных непосредственно над ним. Полученные числа определяют, как следует разделить выигрыш в любой прерванной игре. Например, если Ферма до победы не хватает двух выигранных партий, а Паскалю – четырех, нужно взять строку треугольника номер 2 + 4 = 6 и найти сумму первых четырех чисел и сумму последних двух. Эти суммы дают пропорцию, в которой следует разделить выигрыш. В данном случае получается пропорция 1 + 5 + 10 + 10 = 26 к 1 + 5 = 6. Таким образом, Ферма получает 26/32 · 64 = 52 фунта, а Паскаль – 6/32 · 64 = 12 фунтов. В общем случае решение для игры, в которой Ферма не хватает n, а Паскалю – m выигранных партий, можно найти в (n + m) – й строке треугольника Паскаля.

Есть данные, что французы опоздали с открытием связи между этим треугольником и исходом азартных игр на несколько тысячелетий. Игральные кости и другие методы получения случайных результатов, например «И цзин», издавна использовали в Китае в попытках предсказать будущее. В тексте книги «И цзин», созданном около 3000 лет назад, для случайного выбора гексаграммы, значение которой затем можно истолковать, используется в точности та же таблица, которую Паскаль составил для анализа исходов подбрасывания монет. Однако создателем треугольника считают в наше время Паскаля, а не китайцев.

Паскаль интересовался не только игральными костями. Он предпринял знаменитую попытку приложения своей новой вероятностной математики к величайшему из неизвестных – существованию Бога.

Бог есть или Бога нет. Но на которую сторону мы склонимся? Разум тут ничего решить не может. Нас разделяет бесконечный хаос. На краю этого бесконечного расстояния разыгрывается игра, исход которой неизвестен. […] На чем же вы остановитесь? Так как выбор сделать необходимо, то посмотрим, что представляет для вас меньше интереса: вы можете проиграть две вещи, истину и благо, и две вещи вам приходится ставить на карту, ваши разум и волю, ваше познание и ваше блаженство; природа же ваша должна избегать двух вещей: ошибки и бедствия. Раз выбирать необходимо, то ваш разум не потерпит ущерба ни при том, ни при другом выборе. Это бесспорно; ну а ваше блаженство? Взвесим выигрыш и проигрыш, ставя на то, что Бог есть. Возьмем два случая: если выиграете, вы выиграете все; если проиграете, то не потеряете ничего. Поэтому не колеблясь ставьте на то, что Он есть[16].

В этом рассуждении, известном под названием «пари Паскаля», он утверждает, что выбор веры в Бога приносит гораздо больший выигрыш. Если такой выбор ошибочен, вы ничего не теряете; если он справедлив, вы выигрываете вечную жизнь. И вместе с тем ставка на то, что Бога нет, в случае проигрыша приносит вечное проклятие, а в случае выигрыша не дает ничего, кроме знания, что Бога действительно нет. Этот аргумент рассыпается, если вероятность существования Бога на самом деле равна нулю, но, даже если это и не так, цена верования может оказаться слишком высокой по сравнению с вероятностью существования Бога.

Вероятностные методы, разработанные математиками, подобными Ферма и Паскалю, для разрешения неопределенности, оказались невероятно могущественными. Явления, считавшиеся недоступными для познания, выражением воли богов, начали становиться досягаемыми для человеческого разума. На сегодня такие вероятностные подходы являются лучшим из имеющихся у нас средств исследования буквально всего, от поведения частиц газа до подъемов и падений рынка ценных бумаг. Действительно, кажется, что сама природа материи отдана на милость математической вероятности, как мы увидим на «Рубеже третьем», говоря об использовании квантовой физики для предсказания поведения наблюдаемых нами частиц. Но с точки зрения поисков определенности такие вероятностные методы представляют собой раздражающий компромисс.

Я, безусловно, ценю величайшие открытия, сделанные Ферма, Паскалем и другими, но они не помогают мне узнать заранее, сколько очков выпадет на брошенной мной кости. Сколько я ни изучал математическую теорию вероятностей, меня никогда не покидало чувство неудовлетворенности. Единственное, что вбивает в голову любой курс теории вероятностей, – это идея о том, что, сколько бы раз подряд у вас ни выпадала шестерка, это никак не влияет на поведение кости при следующем броске.

Так можно ли как-нибудь узнать, как упадет моя кость? Или же это знание навечно останется недоступным? Не останется, если верить откровениям одного ученого, жившего за морем, в Англии.

Математика природы

Для меня Исаак Ньютон – главный герой борьбы с непознаваемым. Идея о том, что я могу узнать о Вселенной все, происходит из революционной работы Ньютона «Математические начала натуральной философии». Эта книга, впервые изданная в 1687 г., посвящена разработке нового математического языка, обещавшего дать инструменты, которые откроют секреты устройства Вселенной. В ней была предложена разительно новая модель занятий наукой. Как заявил в 1747 г. французский физик Алексис Клеро, эта работа «пролила свет математики на науку, которая до тех пор оставалась во тьме догадок и гипотез».

Она также была попыткой объединения, создания теории, которая описывала бы небесное и земное, великое и малое. Кеплер предложил законы, описывающие движение планет, которые он разработал эмпирически, опираясь на данные и пытаясь найти уравнения, которые воссоздавали бы прошлое. Галилей описал траекторию шара, летящего в воздухе. Гениальность Ньютона позволила ему понять, что эти два примера – проявления одного и того же феномена: гравитации.

Ньютон, появившийся на свет на Рождество 1643 г. в городе Вулсторп в Линкольншире, всегда стремился обуздать физический мир. Он делал механические и солнечные часы, строил миниатюрные мельницы на мышиной тяге, чертил бесчисленные планы зданий и кораблей и делал подробные зарисовки животных. Жившая в его доме кошка однажды исчезла, улетев на сделанном Ньютоном воздушном шаре. Однако отзывы его школьных учителей не сулили ему блестящего будущего: его называли «невнимательным и ленивым».

Надо сказать, что лень может быть не самым плохим качеством для математика. Она может быть мощным стимулом для изобретательного поиска какого-нибудь легкого способа решения задачи, избавляющего от упорной и монотонной работы. Но учителя, как правило, не ценят это качество.

И действительно, Ньютон так плохо учился в школе, что мать сочла его учебу пустой тратой времени и решила, что ему будет полезнее научиться управлять семейной фермой в Вулсторпе. К сожалению, в деле управления хозяйством Ньютон оказался столь же безнадежным, так что его снова отправили в школу. Хотя эта история наверняка апокрифична, говорят, что внезапное превращение Ньютона в ученого совпало с ударом по голове, который он получил от школьного хулигана. Как бы то ни было, после этого преображения Ньютон внезапно стал блестящим учеником и в конце концов поступил на учебу в Тринити-колледж в Кембридже.

В 1665 г., когда в Англии вспыхнула эпидемия бубонной чумы, Кембриджский университет был из предосторожности закрыт. Ньютон вернулся домой, в Вулсторп. Изоляция часто бывает важным ингредиентом изобретения новых идей. Ньютон запирался в своей комнате и размышлял.

Истина – дитя тишины и размышлений. Я постоянно держал предмет своих размышлений перед собой и ждал, пока первые проблески медленно, мало-помалу не разгорятся, превращаясь в яркий и ясный свет.

Будучи изолирован в Линкольншире, Ньютон создал новый язык, способный выразить картину постоянно изменяющегося мира, – язык математического анализа. Этому инструменту предстояло стать ключом к возможности заблаговременного знания о будущем поведении Вселенной. Именно этот язык дает мне надежду узнать, какой стороной может упасть моя игральная кость.

Математические фотографии

Математический анализ пытается разобраться в математической задаче, которая на первый взгляд кажется бессмысленной: деление ноля на ноль. Когда я роняю свою игральную кость на стол, именно эту задачу мне нужно решить, чтобы узнать мгновенную скорость кости, летящей в воздухе.

Скорость кости постоянно увеличивается, поскольку сила тяжести тянет ее к земле. Как же вычислить, чему равна эта скорость в любой момент времени? Например, с какой скоростью падает кость через одну секунду? Скорость равна пройденному расстоянию, деленному на прошедшее время. Значит, я могу измерить расстояние, которое она пролетит в течение следующей секунды, и получить среднюю скорость за этот период. Но я хочу узнать точную скорость. Я могу измерить расстояние, пройденное за более краткий промежуток времени, скажем, за половину или четверть секунды. Чем меньше длительность такого интервала, тем точнее я могу вычислить скорость. В конце концов для получения точного значения скорости я буду вынужден взять бесконечно малый временной интервал. Но тогда мне придется вычислять результат деления ноля на ноль.

Придуманное Ньютоном исчисление сделало такой расчет возможным. Он понял, как можно вычислить то значение, к которому скорость стремится по мере уменьшения длительности временного отрезка. Этот революционный новый язык смог выразить картину постоянно изменяющегося мира. Геометрия древних греков была совершенным средством для описания статической, застывшей картины мира.

Математический анализ: осмысление деления ноля на ноль

Рассмотрим автомобиль, начинающий движение из неподвижного состояния. В момент включения секундомера водитель нажимает на педаль газа. Предположим, что, согласно нашим измерениям, в течение t секунд водитель проехал t · t м. С какой скоростью машина будет ехать через 10 секунд? Мы можем получить приблизительное значение скорости, измерив расстояние, пройденное автомобилем между 10-й и 11-й секундами. Средняя скорость за эту секунду равна (11 · 11–10 · 10)/1 = 21 м/с.

Но, взяв среднюю скорость на меньшем временном отрезке, скажем, длительностью 0,5 секунды, мы получим:

(10,5 · 10,5 – 10 · 10)/0,5 = 20,5 м/с.

Это, конечно, чуть медленнее, так как автомобиль разгоняется и во вторую половину секунды, которая прошла между 10-й и 11-й, он в среднем едет быстрее. Возьмем теперь еще меньший промежуток. Давайте еще раз разделим его пополам:

(10,25 · 10,25–10 · 10)/0,25 = 20,25 м/с.

Я надеюсь, что ваш внутренний математик уже заметил закономерность. Если взять временной промежуток длительностью х секунд, то средняя скорость за это время будет равна 20 + x м/с. По мере того как мы рассматриваем все меньшие интервалы, она все более приближается к 20 м/с. Так что, хотя кажется, что определение скорости на 10-й секунде требует вычисления частного 0/0, математический анализ позволяет понять, что это означает.

Великое математическое открытие Ньютона дало нам язык, способный описать мир движущийся. Математика перешла от описания натюрморта к воспроизведению движущегося изображения. В науке произошло нечто подобное случившемуся в этот же период перевороту в искусстве, когда динамическое искусство барокко вырвалось из статического искусства Возрождения.

Вспоминая это время, которое он называл «annus mirabilis»[17], Ньютон считал его одним из самых продуктивных периодов своей жизни. «Я был в расцвете сил и думал о Математике и Философии больше, чем когда-либо после».

Все, что нас окружает, находится в состоянии постоянного изменения, поэтому неудивительно, что эти математические методы приобрели такое большое влияние. Но, с точки зрения Ньютона, математический анализ был инструментом для личного пользования, позволившим ему получить научные выводы, изложенные в «Началах», великом труде, изданном в 1687 г., в котором он описывал свои идеи о гравитации и законах движения.

Говоря о себе в третьем лице, он объясняет, что его математический анализ был ключом к открытиям, содержащимся в этой книге: «Г-н Ньютон открыл большую часть предложений, изложенных в его “Началах”, при помощи этого нового Анализа». Но никакого описания этого «нового анализа» опубликовано не было. Вместо этого Ньютон частным образом распространял свои идеи среди друзей, но не испытывал никакого желания представить их на суд общественности.

К счастью, теперь этот язык широко доступен, и я лично потратил несколько лет на его изучение, когда учился математике. Но мои попытки познания игральной кости требуют использования математического открытия Ньютона в сочетании с его великим вкладом в физику – знаменитыми законами движения, которыми открываются его «Начала».

Правила игры

Ньютон излагает в «Началах» три простых закона, на которых в огромной степени основывается динамика Вселенной.

Первый закон движения Ньютона: «Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние»[18].

Это было не так уж и очевидно, например, Аристотелю. Если покатить шар по плоской поверхности, то через некоторое время он остановится. Кажется, что для продолжения его движения необходимо приложить силу. На самом же деле существует скрытая сила, изменяющая скорость шара, – сила трения. Если нашу игральную кость бросить где-нибудь в космосе, вдали от гравитационных полей, она так и будет лететь по прямой линии с постоянной скоростью.

Для изменения скорости или направления движения объекта требуется сила. Второй закон Ньютона объяснял, как именно такая сила изменяет движение, и содержал в себе новый инструмент, созданный для выражения этого изменения. Математический анализ уже позволил мне выразить скорость кости по мере ускорения ее падения к столу. Скорость изменения этой скорости также можно узнать при помощи анализа. Второй закон Ньютона утверждает, что между силой, прилагаемой к объекту, и изменением его скорости существует прямая связь.

Второй закон движения Ньютона: «Скорость изменения движения, или ускорение, пропорциональна приложенной к телу силе и обратно пропорциональна его массе»[19].

Чтобы понять движение таких тел, как падающая игральная кость, необходимо понять, какие силы могут на них воздействовать. Закон всемирного тяготения Ньютона выявил одну из основных сил, оказывающих влияние, скажем, на падающее яблоко или на планеты, движущиеся в Солнечной системе. Этот закон гласит, что сила, действующая на тело массой m1 со стороны тела массой m2, равна

где G – эмпирическая физическая постоянная, определяющая силу гравитации в нашей Вселенной.

При помощи этих законов теперь можно описать траекторию шара, падающего в воздухе, или планеты, движущейся в Солнечной системе, или же игральной кости, падающей из руки игрока. Но, когда кость падает на стол, возникает следующая проблема. Что происходит в этот момент? Подсказку дает третий закон движения Ньютона: «Когда одно тело прилагает силу к другому, второе тело одновременно прилагает к первому силу, равную ей по величине и противоположную по направлению»[20].

Сам Ньютон получил при помощи этих законов необыкновенный набор результатов, касающихся Солнечной системы. Он писал: «Остается изложить, исходя из тех же начал, учение о строении системы мира»[21]. Он начал приложение своих идей к траекториям планет с того, что представил каждую планету в виде точки, расположенной в ее центре масс, и предположил, что вся масса планеты сосредоточена в этой точке. Затем, используя свои законы движения и свой новый математический аппарат, он смог вывести законы планетарного движения Кеплера.

Ему также удалось рассчитать соотношения масс крупных планет, Земли и Солнца. Он объяснил несколько интересных отклонений в движении Луны, приписав их притяжению Солнца. Он также заключил, что форма Земли не соответствует идеальной сфере, но должна быть сплюснута у полюсов благодаря вращению Земли, порождающему центробежную силу. Французы придерживались противоположной точки зрения: они считали, что Земля должна быть вытянута на полюсах. В 1733 г. была отправлена экспедиция, которая подтвердила правоту Ньютона – и могущество математики.

Ньютонова «теория всего»

Это было необычайное достижение. Три закона стали теми зернами, из которых можно было вывести движение всех частиц Вселенной. Они по праву заслуживали названия «теории всего». Я называю их «зернами», потому что труд других ученых потребовался, чтобы взрастить их и применить к более сложным задачам, чем ньютоновская Солнечная система, состоящая из точечных масс. Например, в своем изначальном виде законы движения были непригодны для описания движения менее жестких или деформируемых тел. Уравнения, обобщающие законы Ньютона, предложил великий швейцарский математик XVIII в. Леонард Эйлер. Уравнения Эйлера можно было применять к более общим случаям, например к колеблющейся струне или к качающемуся маятнику.

Появлялось все больше и больше уравнений, управляющих разными природными явлениями. Эйлер создал уравнения для невязких жидкостей. Французский математик Жозеф Фурье получил в начале XIX в. уравнения, описывающие тепловой поток. Его соотечественники Пьер-Симон Лаплас и Симеон-Дени Пуассон использовали уравнения Ньютона для создания более общих уравнений гравитации, которые, как потом выяснилось, управляют также и другими явлениями, например гидродинамикой и электростатикой. Поведение вязких жидкостей было описано уравнениями Навье – Стокса, а электромагнитные явления – уравнениями Максвелла.

Казалось, что открытием математического анализа и законов движения Ньютон превратил Вселенную в детерминистическую машину с часовым механизмом, управляемую математическими уравнениями. Ученые полагали, что они действительно открыли «теорию всего». Вот как выразил веру большинства ученых в необычайное могущество математики, позволяющее ей рассказать все о физическом мире, математик Пьер-Симон Лаплас в опубликованных в 1814 г. «Опытах философии теории вероятностей»:

Мы должны рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие ее предыдущего состояния и как причину последующего. Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, и относительное положение всех ее составных частей, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить эти данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями мельчайших атомов: не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором[22].

В столетия, последовавшие за великим произведением Ньютона, мнение о теоретической познаваемости Вселенной, как прошлой, так и настоящей, стало преобладающим среди ученых. Казалось, что всякая мысль о Боге, действующем в мире, совершенно исчезла. Бог, возможно, сыграл свою роль в запуске механизмов Вселенной, но начиная с этого момента его место заняли уравнения математики и физики.

Так как же насчет нашей прозаической игральной кости? Уж наверное, имея в своем распоряжении законы движения, можно будет предсказать исход броска на основе простого сочетания геометрии кубика, начального направления его движения и последующего взаимодействия с поверхностью стола? Я выписал все эти уравнения в свой блокнот, и они выглядят довольно-таки устрашающе.

Ньютон также обдумывал задачу предсказания поведения костей. Его интерес к ней был вызван письмом, которое он получил от Сэмюэла Пипса. Пипс просил Ньютона посоветовать, на что ему следует поставить в пари, которое он собирался заключить со своим другом:

1) что при броске шести костей выпадет хотя бы одна шестерка,

2) что при броске двенадцати костей выпадут по меньшей мере две шестерки или

3) что при броске восемнадцати костей выпадут по меньшей мере три шестерки.

Пипс собирался поставить 10 фунтов (что эквивалентно 1000 фунтов в сегодняшних деньгах) и был бы очень рад получить хороший совет. Интуиция Пипса подсказывала ему, что наиболее вероятен третий вариант, но Ньютон ответил, что с точки зрения математики должно быть справедливо обратное. Ставить следует на первый вариант. Однако для решения этой задачи Ньютон обратился не к своему математическому анализу и законам движения, а к идеям, разработанным Ферма и Паскалем.

Но, даже если бы Ньютон и смог решить выписанные мною уравнения, описывающие траекторию игральной кости, обнаружилась бы еще одна проблема, способная уничтожить всякую надежду на познание будущего моей кости. Хотя Паскаль и говорил о своем пари с Богом, в его анализе есть одна интересная строка, сильно затрудняющая любые попытки познания будущего: «Разум тут ничего решить не может. Нас разделяет бесконечный хаос»[23].

Судьба Солнечной системы

Если Ньютон – мой герой, то французский математик Анри Пуанкаре в моей истории о предсказании будущего должен быть злодеем. И все же я не могу винить его за то, что он нанес один из самых сокрушительных ударов всем желающим узнать, что произойдет дальше. Он и сам был не особенно рад своему открытию с учетом того, что оно обошлось ему весьма недешево.

Пуанкаре, родившийся столетием позже Лапласа, разделял веру своего соотечественника во Вселенную, устроенную наподобие часового механизма, управляемую математическими законами и совершенно предсказуемую. «Если бы мы точно знали законы природы и положение Вселенной в начальный момент, мы могли бы точно предсказать положение той же Вселенной в последующий момент».

Понимание устройства мира было, с точки зрения Пуанкаре, главным стимулом занятий математикой. «В математике фактами, заслуживающими изучения, являются те, которые ввиду их сходства с другими фактами способны привести нас к открытию физического закона»[24].

Хотя законы движения Ньютона породили целый массив математических уравнений, описывающих эволюцию физического мира, большинство таких уравнений все еще чрезвычайно сложно было решить. Возьмем уравнения состояния газа. Газ можно считать состоящим из молекул, сталкивающихся друг с другом как мельчайшие бильярдные шары, и будущее поведение газа теоретически подчиняется законам движения Ньютона. Но само количество таких шариков означает, что любое точное решение этой задачи недостижимо. Статистические или вероятностные методы по-прежнему оставались значительно лучшим средством понимания поведения миллиардов молекул.

Однако в одном случае число бильярдных шаров было достаточно малым, и решение задачи представлялось достижимым. Речь идет о Солнечной системе. Пуанкаре был одержим вопросами предсказания судьбы планет, кружащихся навстречу своему будущему.

Гравитационное притяжение между одной планетой и другой, находящейся на некотором расстоянии от первой, такое же, как если бы вся масса планеты была сосредоточена в ее центре тяжести, и потому для определения судьбы, ожидающей Солнечную систему, планеты можно считать точками в пространстве, как делал Ньютон. Это значит, что для описания эволюции Солнечной системы достаточно трех координат, определяющих положение центра масс каждой из планет в пространстве, и еще трех чисел, соответствующих их скорости по каждому из трех пространственных направлений. Сила, воздействующая на каждую планету, определяется гравитационными силами, действующими со стороны всех остальных планет. При наличии всей этой информации остается только применить второй закон Ньютона, чтобы проложить курс этих планет в самое отдаленное будущее.

Единственная проблема состоит в том, что математическое решение все равно остается чрезвычайно сложным. Ньютон решил задачу поведения двух планет (или планеты и Солнца). Они движутся по эллиптическим траекториям, причем общий фокус таких эллипсов расположен в их общем центре тяжести. Это движение повторяется периодически до скончания времен. Однако, попытавшись ввести в задачу третью планету, Ньютон зашел в тупик. Казалось бы, расчет поведения Солнечной системы, состоящей, скажем, из Солнца, Земли и Луны, должен быть достаточно простым, но в нем приходится решать уравнение с 18 переменными: 9 переменными положений (координатами) и 9 составляющими скоростей всех этих небесных тел. Ньютон признавал, что «одновременное рассмотрение всех причин движения и определение такого движения точными законами, допускающими несложные расчеты, превосходит, если я не ошибаюсь, возможности любого человеческого разума».

Разрешение этой проблемы получило новый толчок, когда король Швеции и Норвегии Оскар II решил предложить в честь своего шестидесятилетия премию за решение одной из еще нерешенных математических задач. На свете не так много монархов, которые отмечали бы свои юбилеи математическими задачами, но Оскар интересовался математикой еще с тех пор, когда он сам блистал в этой области, будучи студентом университета в Упсале.

Его величество Оскар II, желая дать новое подтверждение своего интереса к успехам математической науки, решил выдать 21 января 1889 г. награду за важное открытие в области высшего математического анализа. Награда состоит из золотой медали с изображением Его Величества стоимостью в тысячу франков и премии в две тысячи пятьсот крон.

Была создана комиссия из трех выдающихся математиков, которые должны были выбрать несколько подходящих математических проблем и оценить работы претендентов. Одно из предложенных ими заданий состояло в представлении математического доказательства устойчивости Солнечной системы. Будет ли она и дальше работать как часы, или же в какой-то момент в будущем Земля может улететь в пространство и покинуть пределы Солнечной системы?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо было решить те самые уравнения, которые завели в тупик Ньютона. Пуанкаре полагал, что его мастерства должно быть достаточно для победы в конкурсе. Математики часто используют следующий прием: они пытаются сначала решить задачу в упрощенном варианте, чтобы понять, имеет ли она решение. Поэтому Пуанкаре начал с задачи трех тел. Но, поскольку и она была слишком сложной, он решил еще более упростить задачу. Вместо того чтобы рассматривать Солнце, Землю и Луну, почему бы не попытаться разобраться с системой, состоящей из двух планет и пылинки? Так как пылинка не будет влиять на планеты, можно предположить, что они будут попросту вращаться одна вокруг другой по эллиптическим траекториям в соответствии с решением Ньютона. И в то же время сама пылинка будет испытывать воздействие гравитационных сил обеих планет. Пуанкаре взялся за воссоздание траектории, описываемой такой пылинкой. Некоторое понимание этой траектории внесло бы интересный вклад в решение исходной задачи.

Хотя ему и не удалось полностью решить задачу, представленной им работы было более чем достаточно для получения премии короля Оскара. Пуанкаре смог доказать существование интересного класса траекторий, воспроизводящих самих себя, так называемых периодических траекторий. Периодические орбиты устойчивы по определению, так как они снова и снова повторяются во времени, подобно эллипсам, которые заведомо описывают две планеты системы.

Французские власти были чрезвычайно обрадованы тем, что награду получил их соотечественник. В XIX в. Германия опередила Францию по части математики, так что французские академики немедленно провозгласили победу Пуанкаре доказательством возрождения французской математики. Гастон Дарбу, непременный секретарь Французской академии наук, заявил:

Начиная с этого момента имя Анри Пуанкаре стало известно широкой публике, которая привыкла затем видеть в нашем коллеге не просто особенно многообещающего математика, но великого ученого, которым Франция по праву может гордиться.

Маленькая ошибка и ее большие последствия

Решение Пуанкаре готовилось к изданию в специальном выпуске журнала Acta Mathematica Шведской королевской академии наук. И тут наступил тот самый момент, которого больше всего на свете боится каждый математик. Худший кошмар любого математика. Пуанкаре думал, что его работе ничто не угрожает. Он проверил каждый шаг своего доказательства. И перед самой публикацией один из редакторов журнала усомнился в одном из этапов математического рассуждения.

Пуанкаре считал, что малые изменения положения планет, небольшие округления в некоторых местах, были допустимы, так как они могли вызвать лишь малые изменения предсказанных орбит. Это предположение казалось вполне разумным. Но никакого обоснования этому допущению приведено не было. А в математическом доказательстве каждый шаг, каждое предположение должны быть основаны на строгой математической логике.

Редактор попросил Пуанкаре как-либо объяснить этот пробел в доказательстве. Но, когда Пуанкаре попытался обосновать этот шаг, он осознал, что допустил серьезную ошибку. Пытаясь ограничить ущерб для своей репутации, он написал председателю комитета по присуждению премии Гёсте Миттаг-Леффлеру:

Последствия этой ошибки серьезнее, чем я предполагал вначале. Не скрою от Вас, насколько огорчило меня это открытие […]. Не знаю, признаете ли Вы оставшиеся результаты достойными той высокой награды, которую Вы им присудили. (Во всяком случае, я могу лишь признаться Вам как верному другу в своем замешательстве.) Я напишу Вам подробнее, когда буду яснее понимать положение.

Миттаг-Леффлер решил известить других членов жюри:

Работа Пуанкаре обладает такой редкой глубиной и творческой силой, что она несомненно откроет новую эпоху в анализе и его приложениях к астрономии. Однако разъяснения необходимо значительно расширить, и в данный момент я прошу многоуважаемого автора просветить меня по некоторым важным вопросам.

Сражаясь с возникшей проблемой, Пуанкаре понял, что он попросту был неправ. Даже малое изменение начальных условий может привести к возникновению разительно отличающихся орбит. Предложенное им приближение было недопустимым. Его предположение было ошибочным.

Пуанкаре телеграфировал печальные новости Миттаг-Леффлеру и попытался остановить публикацию своей статьи. Он писал ему в смущении:

Может случиться, что малые различия в начальных условиях порождают чрезвычайно большие расхождения в результирующих явлениях. Малая ошибка в первых порождает огромную ошибку в последних. Предсказания становятся невозможными.

Это сообщение «чрезвычайно озадачило» Миттаг-Леффлера:

Не то чтобы я сомневался в том, что Ваша работа в любом случае будет воспринята большинством геометров как гениальное произведение и станет отправной точкой для всех дальнейших трудов по небесной механике. Не думайте поэтому, что я сожалею о присуждении Вам премии […] Но хуже всего то, что Ваше письмо пришло слишком поздно и статья уже была разослана.

На карту была поставлена репутация Миттаг-Леффлера, который не обнаружил ошибку до публичного присуждения премии Пуанкаре. Не так следовало бы отмечать юбилей монарха! «Пожалуйста, не говорите никому ни слова об этой прискорбной истории. Завтра я сообщу Вам все подробности».

Следующие несколько недель прошли в попытках изъять отпечатанные экземпляры статьи, не возбуждая ничьих подозрений. Миттаг-Леффлер предложил Пуанкаре оплатить печать исходного варианта. Пристыженный Пуанкаре согласился, хотя стоимость тиража составила более 3500 крон, то есть на тысячу больше той премии, которую он изначально завоевал.

В попытке исправить положение Пуанкаре попробовал разобраться со своей ошибкой, понять, где и почему он был неправ. В 1890 г. он написал вторую, расширенную статью, в которой объяснял свое предположение о возможности внезапного разлета, по-видимому, устойчивых систем вследствие чрезвычайно малых изменений.

Открытие Пуанкаре, вызванное его ошибкой, привело к появлению одной из важнейших математических концепций прошлого века – понятия хаоса. Это открытие установило существенные пределы тому, что может познать человечество. Пусть я выписал все уравнения движения игральной кости, но что, если моя кость ведет себя подобно планетам Солнечной системы? В соответствии с открытием Пуанкаре, даже одна маленькая ошибка в определении начального положения кости может разрастись в огромное расхождение исхода броска к тому моменту, как кость закончит свое движение по столу. Значит ли это, что будущее игральной кости из Лас-Вегаса сокрыто завесой математики хаоса?

Хаотическая траектория единичной планеты, вращающейся вокруг двух солнц

2

Если бы природа не была прекрасной, она не стоила бы того, чтобы быть познанной, а если бы природа не стоила того, чтобы быть познанной, то и жизнь не стоила бы того, чтобы быть прожитой.

Анри Пуанкаре[25]

Когда я учился в университете, я потратил кучу времени, играя в бильярд в комнате отдыха студенческого общежития. Я мог бы сделать вид, что занимался там исследованиями углов и всего такого прочего, но на самом деле я попросту убивал время. Это был хороший способ оттянуть тот момент, когда мне нужно было браться за решение заданных на очередную неделю задач, с которым я не мог справиться. Тем не менее бильярдный стол таит в себе множество интересной математики. И эта математика имеет самое прямое отношение к моему стремлению познать игральную кость.

Если запустить шар по бильярдному столу и отметить его траекторию, а затем запустить другой шар в направлении, очень близком к первому, то второй шар опишет траекторию, очень похожую на путь первого. Пуанкаре изначально считал, что тот же принцип применим и к Солнечной системе. Если отправить планету по слегка отличающейся траектории, то развитие Солнечной системы пойдет по очень похожему пути. Это интуитивно очевидно для многих из нас: малое изменение изначальной траектории планеты не должно привести к значительным изменениям пути ее движения. Но Солнечная система, по-видимому, играет на своем бильярде в несколько более интересную игру, чем я играл студентом.

Как это ни удивительно, если изменить форму бильярдного стола, то такое интуитивное представление окажется неправильным. Например, если запускать шары по столу, имеющему форму стадиона с полукруглыми торцами и прямыми боковыми сторонами, то их траектории будут разительно отличаться друг от друга, несмотря на то что шары были запущены в почти одном и том же направлении. Это визитная карточка хаоса – чувствительность к крайне малым изменениям начальных условий.

Две быстро расходящиеся траектории бильярдного шара на столе в форме стадиона

Поэтому моя задача состоит в том, чтобы установить, предсказуемо ли падение игральной кости подобно обычной игре в бильярд, или же эта кость играет в бильярд хаотический.

Дьявол после запятой

Хотя считается, что лавры отца хаоса принадлежат Пуанкаре, такая чувствительность многих динамических систем к малым изменениям была на удивление мало известна в течение многих десятилетий XX в. Собственно говоря, для обретения идеями хаоса более широкой известности потребовалось повторное открытие этого явления ученым Эдвардом Лоренцем, который, как и Пуанкаре, думал, что допустил какую-то ошибку.

В 1963 г., когда Лоренц, работавший в Массачусетском технологическом институте метеорологом, обсчитывал на своем компьютере уравнения изменения температуры динамической текучей среды, он решил, что одна из моделей требует более длительного обсчета. Он взял некоторые данные, полученные раньше, и снова ввел их в машину, собираясь перезапустить модель начиная с этой точки.

Вернувшись после чашки кофе, он с ужасом обнаружил, что компьютер не воспроизвел предыдущие результаты, а очень быстро выдал значительно расходящиеся с ними предсказания изменений температуры. Сначала он не мог понять, что происходит. Если ввести в уравнение то же самое число, на выходе не ожидаешь получить другой ответ. Но через некоторое время он понял, в чем было дело: он ввел не те же самые числа. В использованной им компьютерной распечатке данных значения были указаны с точностью до третьего знака после запятой, а вычисления проводились с точностью до шестого знака.

Хотя числа действительно отличались друг от друга, расхождения между ними были лишь в четвертом знаке после запятой. Трудно было ожидать, что это приведет к такой большой разнице, но Лоренца поразило то влияние, которое такое малое расхождение оказало на результат. Ниже показаны два графика, созданные с использованием одного и того же уравнения, но с чрезвычайно малым различием между данными, введенными в уравнение. В одном графике значение входного параметра равно 0,506127. Во втором графике оно округлено до 0,506. Хотя графики начинаются со сходных траекторий, их поведение очень быстро становится совершенно разным.

Модель, которую обсчитывал Лоренц, была упрощенным вариантом метеорологических моделей, анализирующих поведение атмосферных потоков под влиянием перепадов температуры. Его повторное открытие того, как малые изменения начального состояния системы могут оказать такое сильное влияние на исход, имело огромное значение для наших попыток использовать математические уравнения для предсказания будущего. Как писал сам Лоренц:

Два состояния, между которыми имеются неощутимые различия, могут развиться в существенно разные состояния. Любая ошибка в наблюдениях настоящего состояния – а в любой реальной системе такие ошибки представляются неизбежными – может сделать приемлемое предсказание состояния в отдаленном будущем невозможным.

Месть кузнечика

Когда Лоренц рассказал о своей находке коллеге, тот ответил: «Эдвард, если твоя теория справедлива, то один взмах крыльев чайки может навечно изменить ход истории».

Чайка в конце концов уступила место знаменитой теперь бабочке в 1972 г., когда Лоренц доложил о своем открытии Американской ассоциации содействия развитию науки[26] в докладе, озаглавленном «Может ли взмах крыльев бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе?».

Интересно отметить, что и чайку, и бабочку, возможно, обогнал кузнечик. Оказывается, еще в 1898 г. профессор У. С. Франклин осознал то чудовищное влияние, которое сообщество насекомых может оказывать на погоду. Вот что он писал в рецензии на одну книгу:

Бесконечно малая причина может породить конечный эффект. Таким образом, долговременный подробный прогноз погоды невозможен, а единственное возможное предсказание представляет собой предположение о последующих тенденциях и свойствах шторма, выведенное на основе его предыдущих стадий; причем точность такого предсказания следует оценивать с учетом того, что полет кузнечика в Монтане может развернуть шторм, идущий на Филадельфию, в сторону Нью-Йорка!

Удивительное положение. Уравнения, открытые наукой, дают совершенно детерминистическое описание эволюции многих динамических систем, подобных погоде. И тем не менее во многих случаях предсказания, которые можно из них получить, нам недоступны, так как любые измерения положения или скорости полета частицы могут быть лишь приближениями к истинным условиям.

Именно поэтому, когда британская метеорологическая служба составляет прогноз погоды, она берет данные, зарегистрированные метеостанциями, разбросанными по всей стране, и, вместо того чтобы использовать их в уравнениях, метеорологи производят несколько тысяч модельных расчетов, варьируя данные в некотором диапазоне значений. В течение некоторого времени прогнозы остаются достаточно близкими, но начиная приблизительно с пятого дня от текущей даты результаты зачастую расходятся так далеко друг от друга, что один набор данных может предсказывать приход в Великобританию аномально жаркой погоды, в то время как изменение нескольких знаков после запятой дает предсказание ливней, которые затопят всю страну.

Исходя из почти одинаковых начальных условий, прогноз А предсказывает, что через четыре дня на всех Британских островах будут сильные ветры и дожди, а прогноз В – приход с Атлантики зоны высокого давления

Великий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал в своей книге «Материя и движение», опубликованной в 1873 г., важное отличие системы детерминистической, но непознаваемой: «Существует принцип, на который часто ссылаются: “Одинаковые причины всегда производят одинаковые следствия”»[27]. Это безусловно справедливо в отношении математического уравнения, описывающего динамическую систему. Но Максвелл продолжает: «Существует другой принцип, который не следует смешивать с приведенным [выше]: “Подобные причины производят подобные следствия”. Это справедливо лишь в том случае, если небольшие изменения начальных условий производят лишь небольшие изменения в конечном состоянии системы». Ложность именно этого принципа выявило в XX в. открытие теории хаоса.

Такая чувствительность к малым изменениям начальных условий может сорвать мои попытки использовать выписанные мной уравнения для предсказания будущего игральной кости. Уравнения у меня есть, но могу ли я быть уверен в точности определения угла, под которым кубик вылетает из моей руки, скорости его вращения, расстояния до стола?

Конечно, не все так уж безнадежно. Бывают случаи, в которых малые изменения не приводят к разительным отклонениям результатов уравнений, как в примере траекторий на классическом бильярдном столе. Важно осознавать, когда познание невозможно. Прекрасный пример осознания момента, начиная с которого невозможно узнать, что произойдет дальше, был открыт математиком Робертом Мэем, когда он анализировал уравнения роста популяций.

Осознание невозможности познания

Мэй, родившийся в 1938 г. в Австралии, сначала учился физике и работал в области сверхпроводимости. Но в конце 1960-х гг. в его научной работе произошел резкий поворот, когда он познакомился с вновь образованным движением социальной ответственности в науке. Его интересы переместились с поведения групп электронов на более актуальные вопросы закономерностей динамики популяций животных. В то время биология еще не была естественной средой для человека с математическим складом ума, но работы Мэя впоследствии изменили это положение. Его великое открытие стало возможным благодаря сочетанию строгого математического образования, которое он получил как физик, и нового интереса к проблемам биологии.

В опубликованной в 1976 г. в журнале Nature статье под названием «Простые математические модели с чрезвычайно сложной динамикой»[28] Мэй рассмотрел динамику математического уравнения, описывающего циклический рост популяции. Он показал, что даже вполне невинно выглядящее уравнение может давать численные результаты с необычайно сложным поведением. Его формула популяционной динамики была не каким-нибудь сложным дифференциальным уравнением, а простым дискретным уравнением с обратной связью, которое мог обсчитать кто угодно при помощи карманного калькулятора.

Уравнение динамики популяции с обратной связью

Рассмотрим популяцию животных, численность которой может варьироваться от нуля до некоторого гипотетического максимального значения, обозначенного N. Существует некоторая доля Y этого максимума (лежащая между 0 и 1), определяющая в уравнении, какая часть популяции выживет к следующему циклу с учетом воспроизводства и борьбы за пищевые ресурсы. Предположим, что коэффициент воспроизводства в каждом цикле равен r. Тогда, если доля максимальной численности популяции, выжившая к концу цикла, была равна Y, то численность следующего поколения составит r · Y · N.

Но выживут не все вновь появившиеся животные. Согласно этому уравнению, доля не выживших животных также будет равна Y. То есть из r · Y · N животных, существовавших в начале цикла, умрет Y(r · Y · N). Значит, всего к концу цикла останется в живых (r · Y · N) – (r · Y 2 · N) = [r · Y(1 – Y)] · N животных, а доля максимальной численности популяции, существующая в текущем цикле, равна r · Y(1 – Y).

По сути дела, эта модель предполагает, что произведение численности выжившей к концу каждого цикла части популяции на постоянный коэффициент r, называемый коэффициентом воспроизводства, дает число животных, существующих в начале следующего цикла. Но необходимых для выживания ресурсов на всех не хватает. Поэтому уравнение вычисляет, какая часть этих животных доживет до конца цикла. Полученное число выживших животных снова умножают на коэффициент r, что дает численность следующего поколения. Интересная особенность этого уравнения состоит в том, что его поведение сильно зависит от выбора значения r, коэффициента воспроизводства. Некоторые значения r дают в высшей степени непредсказуемое поведение. Мы можем точно знать, как будут изменяться значения. Но существует некий предел, за которым они полностью выходят из-под контроля. Знание внезапно оказывается недостижимым, так как добавление всего одного лишнего животного может привести к резкому изменению динамики численности популяции.

Например, Мэй выяснил, что при значениях r от 1 до 3 численность популяции в конце концов стабилизируется. В этом случае, каковы бы ни были начальные условия, численность будет постепенно стремиться к некоторому постоянному значению, зависящему от величины r. Это похоже на игру на бильярде, в центре которого устроена воронка. Куда бы я ни запустил шар, рано или поздно он окажется на дне воронки.

При r, бо́льших 3, также обнаруживается участок предсказуемого поведения, но несколько другого типа. При значениях r от 3 до (что приблизительно равно 3,44949) численность популяции, по сути дела, скачет взад и вперед между двумя значениями, зависящими от r. Когда r становится больше , характер динамики популяции снова изменяется. При значениях r от до 3,54409 (точнее, до корня алгебраического уравнения 12-й степени) существуют уже четыре значения, которых периодически достигает численность популяции. При дальнейшем увеличении r таких значений становится 8, потом 16 и т. д. По мере роста r число разных значений каждый раз удваивается, пока мы не дойдем до порога, за которым динамика превращается из периодической в хаотическую.

Мэй признает, что, когда он начал исследовать это уравнение, он не имел никакого представления о том, что происходит за этой точкой. Перед его кабинетом в Сиднее была доска, на которой он повесил объявление, обещавшее 10 австралийских долларов любому, кто сможет объяснить такое поведение системы. На доске он написал: «По-моему, полная неразбериха».

Он нашел ответ на свой вопрос во время поездки в Мэриленд – и тогда-то и был впервые использован термин «хаос»[29]. Мэй выступал там на семинаре и рассказал об участке удвоения периода, признав, что дошел до такого места, после которого он вообще ничего не понимает. В зале был один математик, который понимал все. Джеймс Йорк никогда раньше не видел такого удваивающегося поведения, но зато он точно знал, что происходит на следующем участке. Он называл это хаосом.

При r, бо́льших 3,56995 (точнее, предельной точки решений системы уравнений возрастающей степени), поведение становится чрезвычайно чувствительным к начальному состоянию популяции. Малейшее изменение исходной численности животных может привести к получению совершенно другого результата.

Однако, как выяснил Йорк, по мере дальнейшего увеличения r все еще могут встречаться участки регулярного поведения. Например, при r = 3,627 численность популяции снова становится периодической и колеблется между шестью разными значениями. С увеличением r 6 заменяется на 12, потом на 24 и так далее, каждый раз удваиваясь вплоть до нового наступления хаоса.

Две популяции с r = 4, исходное различие между численностью которых составляет одно животное на тысячу. Хотя в начале их поведение сходно, уже через 15 лет они ведут себя совершенно по-разному

Боб Мэй осознал, каким грозным предупреждением является такая простая система для тех, кто думает, что знает все: «Не только в научных исследованиях, но и в мире повседневной политики и экономики было бы гораздо лучше, если бы большее количество людей понимало, что простые системы далеко не всегда обладают простыми динамическими свойствами».

Политика хаоса

Сейчас Боб Мэй воплощает свои убеждения на практике. Точнее, мне следовало бы сказать «лорд Роберт Мэй, барон Оксфордский», как указал мне человек в цилиндре, встретивший меня у главного входа в палату лордов. В последние годы Мэй сочетает научную работу с активной политической деятельностью. Он стал членом межпартийной группы в палате лордов, и именно там я встретился с ним за обедом, чтобы узнать, насколько он преуспел в деле информирования политиков о влиянии хаотических систем на общество.

Когда человек в цилиндре и полицейские с автоматами провели меня в здание палаты лордов, Мэй уже ждал меня по другую сторону металлодетекторов и рентгеновских аппаратов. Мэя не интересуют все эти официальные титулы, так что он в своей простецкой австралийской манере по-прежнему просит называть его Бобом. «Виноват, я уже пообедал. Но я пойду с вами есть десерт, пока вы будете обедать». Пока я ел свою рыбу, он расправился с огромным куском фирменного шоколадного торта палаты лордов. Мэю 79 лет, но он все так же энергичен и целеустремлен; после своего второго обеда он спешил на заседание парламентской комиссии, рассматривающей последствия строительства новой железнодорожной ветки, которая должна соединить Лондон с северо-западом Англии.

До того как он стал членом палаты лордов, Мэй был главным научным консультантом сперва консервативного правительства Джона Мейджора, а затем и лейбористского кабинета Тони Блэра. Я поинтересовался, не слишком ли трудно было человеку, обычно не боящемуся говорить правду в глаза, балансировать на такой политизированной должности.

– На собеседовании мне сказали, что мне иногда придется защищать решения каких-нибудь министров; что я об этом думаю? Я ответил, что никогда и ни при каких обстоятельствах не буду отрицать факты. Вместе с тем я всегда достаточно хорошо выступал в игровых дискуссиях, когда тебе дают тему и ты должен по жребию отстаивать одну или другую из двух противоположных точек зрения. Поэтому я сказал, что всегда буду рад объяснить, как именно министр пришел к такому решению. Я просто не стану его поддерживать, если решение было неправильным.

Типичный ответ математика. Изложить аксиомы, использованные министром, а затем развернуть доказательство, которое привело его к данному выводу. Беспристрастный подход. Который, однако, не означает, что Мэй не имеет собственных твердых убеждений и не готов излагать свою точку зрения на обсуждаемую тему.

Мне было интересно узнать, как правительство справляется с теми затруднениями, которые теория хаоса создает для всех, кто пытается принимать политические решения. Как политики подходят к задаче предсказания будущего и управления им при наличии лишь частичного знания систем, которые они анализируют.

– Я думаю, это слишком радужное представление о том, что тут происходит. За очень редкими исключениями все они – люди очень эгоистичные, очень амбициозные, которых прежде всего интересует собственная карьера.

А что сам Мэй? Как повлияли сделанные им открытия на его мнение о роли науки в обществе?

– Это было очень странное ощущение. Конец ньютоновской мечты. Когда я заканчивал университет, считалось, что при помощи все более и более мощных компьютеров мы сможем получать все более и более точные прогнозы погоды, потому что мы знаем все уравнения и сможем построить еще более реалистичные модели Земли.

Но Мэй не согласен с попытками отрицателей изменения климата использовать теорию хаоса для подрыва дискуссии.

– Не верить в изменение климата на том основании, что прогнозам погоды нельзя доверять, – это примерно как не верить в приливы на том основании, что нельзя предсказать, когда на пляж Бонди-бич придет следующая волна.

В качестве иллюстрации того странного противоречия, которое существует между возможностью необыкновенно точного научного познания некоторых вещей и теорией хаоса, которая отказывает нам в познании многих частей природного мира, часто цитируют отрывок из пьесы «Аркадия» Тома Стоппарда. Один из главных героев, Валентайн, заявляет:

Нам легче предсказать, что произойдет на краю Галактики или внутри атомного ядра, чем узнать, будет ли дождь в воскресенье через три недели, когда тетушка будет принимать гостей в своем саду.

Мэй шутит, что его наиболее цитируемая работа – это не одна из резонансных статей, напечатанных в таких престижных научных журналах, как Nature, а театральная программка, которую он написал к первой постановке пьесы Стоппарда в лондонском Национальном театре. «Как бы в насмешку над всеми этими индексами цитирования как критерием значимости научного исследования».

Человеческое уравнение

На какие же великие нерешенные вопросы науки Мэй хотел бы получить ответ? Сознание? Бесконечная Вселенная?

– Я думаю, меня бы интересовало что-нибудь менее грандиозное, так что я бы скорее говорил о тех вещах, над которыми сейчас работаю. Я практически случайно занялся вопросами банковского дела.

Это было неожиданно. Хотя создание стабильной банковской системы казалось весьма узкой проблемой, Мэй недавно использовал свои модели распространения инфекционных заболеваний и динамики экологических пищевых сетей для изучения банковского кризиса 2008 г. В сотрудничестве с Эндрю Холдейном из Банка Англии он рассматривал финансовую сеть как экосистему. Это исследование показало, как финансовые инструменты, предназначенные для оптимизации прибыли отдельных организаций с, по-видимому, минимальным риском, могут тем не менее дестабилизировать банковскую систему в целом.

Мэй считает, что проблема не обязательно кроется в механике самого рынка. Дело скорее в том, что малозаметные события, происходящие на рынке, усиливаются и извращаются в результате взаимодействия с ними человека. Больше всего во всей этой банковской неразберихе его интригует возможность лучше регулировать такое эпидемическое распространение паники.

– Спрашивается, как учесть человеческое поведение в модели? Я не думаю, что психологию человека можно выразить математически. Мы играем в кости с собственным будущим. Но, если мы пытаемся предсказать исход броска костей, нам нужно знать, кому принадлежат эти кости.

Этого я не учел, когда пытался предсказать поведение моей кости из казино. Возможно, мне прежде всего следовало учесть, кто продал мне мою кость.

– Я думаю, что многие из крупных проблем общества находятся вне сферы действия естественных наук и математики. Спасения нам нужно ждать не от них, а от наук поведенческих.

Если оглянуться вокруг в столовой палаты лордов, можно наблюдать в действии весь спектр и всю сложность человеческого поведения. Они делают задачу математического описания взаимодействий даже в этом мельчайшем микрокосме человечества практически неразрешимой. Как объяснял французский философ Фернан Бродель, читая лекцию по истории своим товарищам по заключению в немецком лагере для военнопленных под Любеком, «существование каждого индивидуума подчинено и определено невероятным множеством вечно перекатывающихся игральных костей». Хотя поведение каждой отдельной кости непредсказуемо, существуют закономерности, проявляющиеся в долговременном поведении больших серий таких бросков. По мнению Броделя, именно это делает изучение истории возможным. «История действительно остается “бедной маленькой гадательной наукой”, пока она берет себе предметом рассмотрения отдельных людей […], но ее методы и результаты становятся более рациональными, когда она изучает группы и повторяющиеся явления».

Но Мэй считает, что понимание истории и происхождения этого набора игральных костей не столь очевидно, как утверждает Бродель. Например, не вполне ясно, можем ли мы выяснить, как мы добрались до нынешней точки в своем эволюционном путешествии.

– Я назову вам один из вопросов, которые кажутся мне особенно интересными: попытки понять эволюционную траекторию рода человеческого на нашей планете. Повторяется ли та траектория, которой мы, по-видимому, следуем, на всех или многих других планетах, или же мы оказались на этой, а не на другой траектории в результате ранних флуктуаций хаоса? Будем ли мы когда-нибудь знать достаточно, чтобы быть в состоянии спросить, неизбежна ли та катастрофа, к которой мы, как кажется, катимся, и существуют ли многочисленные планеты, обитатели которых, подобно мистеру Споку, менее эмоциональны и ярки, но более беспристрастны и логичны?

Пока мы не откроем другие обитаемые планеты и не сможем изучить их траектории, нам трудно будет установить, основываясь на единственном наборе данных под названием Земля, является ли порча экосистем неизбежным следствием эволюции.

– Я думаю, мы никогда не получим ответа на вопрос о том, случается ли то, что нас ожидает, на всех обитаемых планетах, или же бывают планеты, на которых этого не происходит.

На этом Мэй доел последние крошки своего шоколадного торта и снова погрузился в хаос парламентских комиссий и мелкой политической борьбы Вестминстера.

Последнее высказывание Мэя отсылает к проблеме, которую теория хаоса видит в знании не только будущего, но и прошлого. В том, что касается будущего, мы, по крайней мере, можем подождать и увидеть, каковы будут результаты действия хаотических уравнений. Но попытки вернуться в прошлое и понять, каким было состояние нашей планеты, породившее наше настоящее, столь же, если не более, трудны.

Возможно, для прошлого истинное познание невозможно еще в большей степени, чем для будущего.

Жизнь – случайный бросок кости?

Новаторские исследования Мэя рассматривали динамику численности популяции по мере смены циклов. Но что определяет, какие животные выживут, а какие умрут, не успев размножиться? Если верить Дарвину, все сводится просто к удачному броску эволюционных костей.

Модель эволюции жизни на Земле основана на той идее, что если существуют организмы, имеющие ДНК, то их потомство наследует ДНК родительских организмов. При этом некоторые части генетического кода ДНК могут быть подвержены случайным мутациям. Последние, по сути дела, и есть результат случайного броска эволюционных костей. Но в гипотезе Дарвина также содержится вторая важная идея – идея естественного отбора.

Некоторые из этих случайных изменений дают потомству большие шансы на выживание, в то время как другие являются помехой. Суть эволюции путем естественного отбора состоит в том, что особи с выгодными изменениями с большей вероятностью доживают до воспроизводства.

Допустим, например, что вначале у нас есть популяция короткошеих жирафов. Среда обитания наших жирафов изменяется таким образом, что большее количество пищи можно найти на деревьях, так что любой жираф, родившийся с более длинной шеей, имеет больше шансов выжить. Предположим, я брошу свою кость из Лас-Вегаса, чтобы определить шансы на мутацию для каждого из жирафов следующего поколения, родившегося после такого изменения среды. Если выпадет 1, 2, 3, 4 или 5, жираф получает шею той же или меньшей длины, а шестерка соответствует случайной мутации, которая вызывает удлинение шеи. Удачливые длинношеие жирафы получают пищу, а короткошеие жирафы не доживают до воспроизводства. Таким образом, только длинношеие жирафы получают возможность передать свою ДНК следующим поколениям.

В следующем поколении происходит то же самое. Если на кости выпадает 1, 2, 3, 4 или 5, то рост жирафа не превышает роста его родителей. Зато снова выпавшая шестерка позволяет ему подрасти еще немного. Более высокие жирафы опять выживают. Окружающая среда оказывается более благоприятна для жирафов, выкинувших шестерку. В конце концов каждое следующее поколение оказывается чуть выше предыдущего до тех пор, пока дальнейший рост не перестает быть преимуществом.

То, что мы видим больше жирафов, предкам которых выпала шестерка, есть следствие именно такого сочетания случая и естественного отбора. Задним числом кажется, что выпадение такого количества шестерок подряд – редкая удача. Но дело в том, что других результатов броска кости мы просто не видим – такие жирафы не выжили. То, что выглядит как нечестная игра, на самом деле является результатом совместного действия случая и естественного отбора. Никакого замысла или жульничества тут нет. Серия из нескольких последовательных шестерок – это не полоса везения, а, собственно говоря, единственный возможный в этой модели результат.

Модель эта прекрасна в своей простоте, но с учетом сложности изменений окружающей среды и диапазона возможных мутаций такая простая модель может давать чрезвычайно сложные результаты, свидетельства чему можно видеть в том разнообразии видов, которое существует на Земле. Одна из причин, по которым я всерьез влюбился в биологию, состояла в том, что казалось невозможным объяснить, почему из этой эволюционной модели получились кошки и зебры, но не получились какие-нибудь другие странные животные. Выбор казался таким произвольным, таким случайным. Разве так честно?

В эволюционной биологии идет интересная дискуссия о том, насколько случайны те результаты эволюции, которые мы сейчас наблюдаем. Если отмотать историю жизни на Земле назад до некоторого момента и еще раз бросить кость, появятся животные, очень сходные с существующими или совершенно другие? Мэй поднял этот вопрос в конце нашего с ним обеда.

Действительно, некоторые части эволюционного процесса представляются неизбежными. Например, интересно отметить, что на протяжении эволюционной истории развитие глаза независимо повторилось от 50 до 100 раз. Таким образом, есть веские основания считать, что животные с глазами появлялись в результате разных бросков костей для разных биологических видов, независимо от того, что происходило вокруг них. Существует множество других примеров, показывающих, что некоторые черты, если они были выгодны, снова и снова всплывали на поверхность эволюционной трясины. Такие примеры можно видеть каждый раз, когда одна и та же черта возникает в нескольких разных частях животного мира. Например, эхолокация используется дельфинами и летучими мышами, но эта способность развилась у них независимо и в совершенно разных точках эволюционного дерева.

Однако неясно, насколько наша модель гарантирует такие результаты. Если на других планетах есть жизнь, похожа ли она хоть сколько-нибудь на те формы, которые развились на Земле? В этом состоит один из главных безответных вопросов эволюционной биологии. Как бы ни было трудно дать на него ответ, мне не кажется, что его следует относить к разряду непознаваемого. Возможно, мы никогда не получим на него ответа, но нет оснований считать, что ответ на него невозможен в принципе.

Откуда мы произошли?

В эволюционной биологии есть и другие важные нерешенные вопросы, которые могут претендовать на непознаваемость. Например, почему 542 миллиона лет назад, в начале кембрийского периода, на Земле произошло взрывное увеличение биологического разнообразия? До этого момента жизнь сводилась к одиночным клеткам, собиравшимся в колонии. Но в течение следующих 25 миллионов лет, сравнительно короткого по меркам эволюции периода, произошла быстрая диверсификация многоклеточной жизни, результатом которой было разнообразие, сходное с наблюдаемым ныне. У нас по-прежнему нет объяснений такой исключительно высокой скорости эволюции. Отчасти это связано с недостатком данных этого периода. Сможем ли мы когда-нибудь получить такие данные, или же эта тайна так и останется нераскрытой?

Как правило, теория хаоса ограничивает то, что мы можем узнать о будущем. Но она может накладывать ограничения и на то, что мы можем знать о прошлом. Мы видим результаты, но, чтобы вывести из них причины, нужно было бы решить уравнения в обратную сторону. В отсутствие полных данных один и тот же принцип действует как в прямом, так и в обратном направлении. Мы можем обнаружить две существенно различающиеся начальные точки, способные привести к очень сходным результатам. Но мы не сможем узнать, из которой из таких отправных точек мы произошли.

Одна из величайших загадок эволюционной биологии касается самого начала развития жизни. Возможно, игра жизни благоприятствует выпадению шестерок на игральных костях эволюции, но как появилась сама эта игра? Была оценена вероятность случайного образования условий, необходимых для возникновения самовоспроизводящихся клеток. В некоторых моделях получается, что возникновение жизни эквивалентно 36 броскам игральной кости, в каждом из которых выпадает 6. Некоторые видят в этом доказательство необходимости существования создателя, подтасовавшего результаты игры. Однако они не сознают, о каком гигантском временном масштабе тут идет речь.

Чудеса бывают… если ждать их достаточно долго. На самом деле было бы удивительнее, если бы такие странные аномалии не случались. Дело в том, что аномалии часто бывают более видны. Их замечают, а на менее необычные результаты зачастую никто не обращает внимания.

Появление чудес в случайном процессе удобно рассмотреть на примере лотереи. 6 сентября 2009 г. в болгарской государственной лотерее выиграли следующие номера:

4, 15, 23, 24, 35, 42.

Четыре дня спустя выпали те же шесть номеров. Казалось бы, невероятное событие. Болгарское правительство тоже так решило и немедленно назначило расследование возможной коррупции. Однако правительство не учло того, что по всей планете каждую неделю проводится множество разных лотерей. Их проводят многие десятилетия. Если посчитать, получится, что удивляться скорее следует отсутствию таких поразительных на первый взгляд результатов.

Тот же принцип действует и в отношении условий возникновения самовоспроизводящихся молекул в первичном бульоне, из которого состояла Земля до появления жизни. Стоит смешать достаточно большое количество водорода, воды, углекислого газа и некоторых других органических газов и подвергнуть их воздействию молний и электромагнитного излучения – и даже в лабораторном опыте можно наблюдать возникновение органических материалов, встречающихся только в живых существах. Никому не удалось добиться самопроизвольного возникновения в лабораторных условиях чего-либо столь необыкновенного, как ДНК. Вероятность такого явления крайне мала.

Но в том-то и дело, потому что с учетом существования во Вселенной миллиарда миллиардов – или около того – планет, пригодных для проведения такого эксперимента, и наличия приблизительно миллиарда лет на его проведение было бы более удивительно, если бы такая предельно малая вероятность возникновения чего-то подобного ДНК не осуществилась. Бросая 36 игральных костей в течение миллиарда лет на миллиарде миллиардов разных планет, наверняка можно получить один бросок, в котором на всех 36 костях выпадут шестерки. А уж дальше полученная самовоспроизводящаяся молекула будет способна размножаться самостоятельно, так что для запуска эволюции необходима всего одна счастливая случайность.

Проблема человека в отношении оценки вероятности чудес – таких как возникновение жизни – состоит в том, что наш разум плохо приспособлен для обращения с очень большими числами. Поэтому наши интуитивные представления о вероятности хромают.

Фрактальное дерево жизни

Однако в эволюции действует не только математика вероятностей. Дерево эволюции само по себе обладает одним интересным качеством, делающим его сходным с формами, возникающими в теории хаоса; это качество называется фрактальностью.

Дерево эволюции дает картину развития жизни на Земле. Продвижение по нему соответствует продвижению во времени. Каждое ответвление дерева означает развитие нового вида. Если ветвь заканчивается, это означает вымирание данного вида. Природа дерева такова, что его общая форма, как кажется, повторяется все в меньшем и меньшем масштабе. В этом и состоит характерная черта объектов, которые математики называют фракталами. В увеличенном виде любая малая часть дерева выглядит поразительно похожей на более крупные его структуры. Такое самоподобие означает, что понять, на каком масштабе мы рассматриваем дерево, очень трудно. Такова классическая особенность фрактала.

Фрактальное дерево эволюции

Фракталы обычно бывают геометрической визитной карточкой хаотических систем, так что наличие такой структуры говорит о том, что в эволюции работает динамика хаоса: малые изменения генетического кода могут порождать огромные расхождения результатов эволюции. Такая модель не обязательно противоречит идее конвергенции, поскольку даже в хаотической системе остаются точки, к которым стремится развитие модели. Такие точки называются аттракторами. Но она несомненно ставит под вопрос возможность воспроизведения того, что мы имеем сейчас на Земле, в случае повторного проведения эволюции. Биолог-эволюционист Стивен Джей Гулд утверждает, что, если заново проиграть ленту эволюции, результаты ее будут сильно отличаться от существующих. Этого обычно и ожидаешь от хаотической системы. Как и в случае погоды, чрезвычайно малые изменения начальных условий могут привести к разительно отличающемуся исходу.

Кроме того, Гулд ввел в оборот идею прерывистого равновесия, которая отражает тот факт, что биологические виды, судя по всему, остаются неизменными в течение долгих периодов, после чего с ними происходят кажущиеся чрезвычайно быстрыми эволюционные изменения. Было показано, что эта черта также характерна для хаотических систем. Наличие влияния хаоса на эволюцию выражается в том, что многие вопросы эволюционной биологии вполне могут оказаться среди того, чего мы не можем познать, из-за их связи с математикой хаоса.

Например, узнаем ли мы когда-нибудь, было ли развитие человека неизбежным в действующей модели эволюции? Анализ ДНК различных животных дает нам исключительно обширную информацию о том, как животные развивались в прошлом. Палеонтологическая летопись, несмотря на существующие в ней пробелы, также позволяет нам узнать о нашем происхождении. Но с учетом того временного масштаба, на котором происходит эволюция, мы не можем поставить эксперимент и заново прокрутить пленку развития жизни на Земле, чтобы посмотреть, не получится ли чего-нибудь другого. Когда мы найдем жизнь на других планетах (и если мы ее найдем), то получим новые наборы образцов для анализа. Но и до тех пор не все потеряно. Подобно тому как метеорологическая служба может составлять свои прогнозы, не имея возможности управлять реальной погодой, компьютерные модели могут проиллюстрировать различные возможные результаты работы эволюционного механизма, ускоряя время. Однако никакая модель не может быть лучше, чем гипотеза, положенная в ее основу. Если сама модель построена неправильно, она ничего не скажет нам о том, что на самом деле происходит в природе.

Именно на таких компьютерных моделях основываются попытки ответить на вопрос, над которым бился Пуанкаре, когда он открыл хаос: будет ли вообще существовать стабильная Земля, обращающаяся вокруг Солнца, на которой эволюция сможет продолжить свои азартные игры? Является ли наша Солнечная система устойчивой и периодичной, или же нам нужно бояться, что какой-нибудь кузнечик однажды разрушит нашу орбиту вращения вокруг Солнца?

Бабочка по имени Меркурий

Пуанкаре не смог ответить на вопрос о Солнечной системе, заданный королем Швеции, и выяснить, останется ли она в устойчивом равновесном состоянии или может разлететься в стороны в катастрофическом проявлении хаотического движения. Из его открытия, согласно которому некоторые динамические системы могут быть чувствительны к малым изменениям данных, следовало, что мы, судя по всему, не сможем точно узнать, какая судьба ожидает Солнечную систему, задолго до наступления каких-либо потенциально катастрофических событий.

Вполне возможно, что Солнечная система находится в безопасной, предсказуемой динамической области, подобной динамике численности популяции с низким коэффициентом воспроизводства. К сожалению, имеются данные, согласно которым мы не можем полагаться на эту утешительную математическую надежду. Новые компьютерные модели позволили получить новую информацию, в соответствии с которой Солнечная система все-таки находится в области, в которой господствует математика хаоса.

Измерить масштабы влияния малых изменений на результат можно, используя так называемый показатель Ляпунова. Например, в случае игры в бильярд на столах необычной формы с их помощью можно определить, насколько катастрофичным будет влияние малых изменений на развитие траектории шара. Если система имеет положительный показатель Ляпунова, это означает, что малое изменение начальных условий порождает экспоненциальное расхождение траекторий. Этот показатель можно использовать в качестве определения хаоса.

Используя этот критерий, несколько групп ученых смогли подтвердить, что наша Солнечная система действительно хаотична. Они рассчитали, что расстояние между двумя изначально близкими орбитальными решениями возрастает в 10 раз каждые 10 миллионов лет. Этот временной масштаб, конечно, отличается от того, на котором мы не в состоянии предсказать погоду. Тем не менее это означает, что мы не можем получить определенных знаний о том, что случится с Солнечной системой за следующие 5 миллиардов лет.

Если вы теперь в отчаянии недоумеваете, можем ли мы знать хоть что-нибудь о будущем, вас, возможно, утешит то обстоятельство, что математика не вполне безнадежна в том, что касается предсказаний. Есть одно событие, наступление которого через 5 миллиардов лет уравнения могут гарантировать, но событие это не радостное. Математические расчеты утверждают, что к этому моменту Солнце исчерпает запасы топлива и превратится в красного гиганта, поглотив в процессе Землю и другие планеты Солнечной системы. Но до тех пор, пока взрыв Солнца не поглотит Солнечную систему, мы обречены на попытки решить хаотические уравнения, чтобы узнать, какие планеты к моменту возникновения этого красного гиганта все еще останутся на своем месте.

А значит, если мы хотим узнать, что произойдет, то, как и в случае прогнозов погоды, мы вынуждены обсчитывать модели, варьируя точные значения положений и скоростей планет. Иногда такие прогнозы бывают довольно пугающими. В 2009 г. французские астрономы Жак Ласкар и Микаэль Гастино обработали несколько тысяч моделей будущего развития Солнечной системы. Их эксперименты выявили потенциальную бабочку: ею оказался Меркурий.

Моделирование развития начинают с ввода имеющихся у нас данных о положениях и скоростях планет до настоящего времени. Но определить эти данные со стопроцентной точностью трудно. Поэтому каждый раз, когда они запускали модель, они вносили в данные небольшие изменения. Вследствие влияния теории хаоса даже малые изменения могут породить существенные расхождения результатов.

Например, размеры эллиптической орбиты Меркурия известны астрономам с точностью до нескольких метров. Ласкар и Гастино обсчитали 2501 модель, изменяя эти размеры в диапазоне величиной менее сантиметра. Даже такие малые возмущения привели к потрясающим различиям в будущей судьбе Солнечной системы.

Можно было бы ожидать, что, если уж Солнечная система и будет разорвана на части, виновником этого окажется одна из больших планет, скажем Юпитер или Сатурн. Однако орбиты газовых гигантов чрезвычайно стабильны. Неприятностей следует ожидать от скалистых планет земного типа. В 1 % проведенных ими имитационных экспериментов наибольшая опасность была связана именно с маленьким Меркурием. Модели показывают, что орбита Меркурия может начать расширяться в результате некоего резонанса с Юпитером, причем существует возможность столкновения Меркурия с его ближайшим соседом, Венерой. В одной из имитаций чуть было не случившегося столкновения оказалось достаточно, чтобы вывести Венеру из равновесия, в результате чего Венера столкнулась с Землей. Даже прохождение вблизи других планет может привести к возникновению таких приливных сил, воздействие которых будет катастрофично для жизни на нашей планете.

Речь тут не идет о простом случае абстрактных математических рассуждений. Свидетельства таких столкновений наблюдались на планетах, обращающихся вокруг двойной звезды Ипсилон Андромеды. Странность их нынешних орбит можно объяснить только выбросом какой-то невезучей планеты, произошедшим когда-то в прошлом этой звезды. Но не спешите убегать и прятаться: согласно этим моделям, момент, в который Меркурий может начать свои шалости, наступит еще через несколько миллиардов лет.

Бесконечная сложность

Каковы же наши шансы предсказать результаты броска кости, лежащей передо мной? Лаплас сказал бы, что если мне известны размеры кубика, распределение его атомов, скорость, с которой он брошен, и его взаимодействие с окружающей средой, то вычисление точки его остановки теоретически возможно.

Открытия Пуанкаре и тех, кто пришел после него, обнаружили, что различия в нескольких знаках после запятой могут определить, упадет ли кость шестеркой или двойкой. Хотя возможных исходов броска игральной кости существует всего шесть, начальные данные могут варьироваться в потенциально непрерывном диапазоне значений. Тогда, очевидно, должны существовать точки, в которых чрезвычайно малое изменение переключает результат броска с шестерки на двойку. Но какова природа таких переходов?

Компьютерные модели могут производить прекрасные визуальные представления, позволяющие составить понятие о чувствительности различных систем к начальным условиям. Рядом с игральной костью из Лас-Вегаса у меня стоит классическая настольная игрушка, в которую я могу играть часами. Она состоит из металлического маятника, который притягивают три магнита, выкрашенные в белый, черный и серый цвет. Анализ динамики этой игрушки дает картинку, которая отражает конечное положение маятника при движении из всех точек квадратного основания игрушки. Покрасим точку белым, если маятник, запущенный из этой точки, в конце концов оказывается притянут к белому магниту. Точно так же покрасим серым или черным точки, из которых маятник попадает на серый или черный магнит. Получится вот такая картинка:

Как и в случае популяционной динамики, тут есть совершенно предсказуемые области. Если движение маятника начинается вблизи одного из магнитов, к этому магниту маятник и притягивается. Но по мере приближения к краям картинки мы оказываемся на гораздо менее предсказуемой почве. И действительно, такая картинка дает нам пример фрактала.

На ней есть участки, на которых не существует простого перехода от черного к белому. Если увеличивать изображение, картинка никогда не станет областью, заполненной одним цветом. Сложность рисунка сохраняется на всех масштабах.

Одномерный пример такой картинки можно соорудить следующим образом. Начертим отрезок единичной длины и для начала закрасим одну его половину черным, а другую – белым. Затем возьмем половинный участок между точками 0,25 и 0,75 и перевернем его. Теперь возьмем половину перевернутого участка, расположенную в его середине, и перевернем ее еще раз. Если повторять эту операцию до бесконечности, предсказанное поведение вокруг точки 0,5 становится чрезвычайно чувствительно к малым изменениям. Не существует такого участка, содержащего точку 0,5, который был бы закрашен одним цветом.

Существует более замысловатый вариант этой картинки. Возьмем снова отрезок единичной длины. Сотрем центральную треть отрезка. У нас остались два черных отрезка, разделенные белым промежутком. Сотрем теперь центральную треть каждого из черных отрезков. Получаем черный отрезок длиной 1/9, белый отрезок длиной 1/9, черный отрезок длиной 1/9, затем белый отрезок длиной 1/3, который был стерт на первом шаге, а потом опять: белый – черный – белый.

Вы, наверное, уже догадались, что нужно сделать дальше. На каждом шаге мы стираем центральную треть всех черных отрезков. И так до бесконечности. Полученная картинка называется канторовым множеством по имени немецкого математика Георга Кантора, с которым мы еще встретимся на последнем «рубеже», когда будем рассматривать то, что мы знаем о бесконечности. Предположим, что такое канторово множество определяет конечное положение маятника в моей настольной игрушке. Перемещая маятник вдоль этой линии, я выясняю, что на некоторых участках такая картинка предсказывает чрезвычайно сложное поведение.

Довольно странный расчет показывает, что суммарная длина стертой линии равна 1. Но внутри отрезка по-прежнему остаются черные точки: точка с координатой 1/4 не будет стерта никогда, так же как и точка 3/10. Однако такие черные точки не изолированы. На любом участке, окружающем черную точку, всегда находится бесконечно много черных и белых точек.

Как выглядит динамика игральной кости? Фрактальна ли она и, следовательно, непознаваема? Сначала я предположил, что поведение кости должно быть хаотичным. Однако недавние исследования обнаружили нечто неожиданное.

Знай свою кость

Недавно группа польских исследователей проанализировала бросок игральной кости с математической точки зрения и, используя высокоскоростную киносъемку, выяснила, что наша кость может быть не столь хаотичной и непредсказуемой, как мы опасались. В эту исследовательскую группу, работающую в Лодзи, входят отец с сыном Томаш и Марцин Капитаняки, а также Ярослав Стржалко и Юлиуш Грабский. В своей статье, опубликованной в журнале Chaos в 2012 г.[30], группа приводит картинки, сходные с полученной для магнитного маятника, но с более сложными начальными положениями, которые учитывают угол, под которым был брошен кубик, а также его скорость. Поведение кости можно считать предсказуемым, если в большинстве точек получившейся картинки кость падает той же стороной при малом изменении начальных условий. Такую картинку, например, можно раскрасить в шесть цветов, соответствующих шести граням кубика. Картинку можно считать фрактальной, если при любом увеличении масштаба по-прежнему можно видеть области, содержащие по меньшей мере два цвета. Если таких признаков фрактальности не видно, то поведение кости предсказуемо.

Модель, которую использовала польская группа, предполагала, что кость идеально уравновешена – так же, как та кость, которую я привез из Лас-Вегаса. Оказалось, что сопротивлением воздуха можно пренебречь, так как оно крайне мало влияет на полет кубика. Когда кость ударяется об стол, некоторая часть ее энергии рассеивается и после достаточного числа соударений кость теряет всю свою кинетическую энергию и останавливается.

Трение кубика об стол также играет важную роль, поскольку в первых нескольких соударениях кость с высокой вероятностью скользит по столу, а при последующих отскоках скольжение прекращается. Однако в модели, которую изучала польская группа, поверхность стола считалась лишенной трения, так как наличие трения делает динамику слишком сложной для расчетов. Таким образом, можно представить себе игральную кость, которую бросают на лед.

Я уже выписал уравнения движения кости во время ее полета в воздухе, основанные на законах движения Ньютона. В представлении польской группы они оказались не слишком сложными. А вот уравнения изменения динамики после соударения со столом выглядят довольно пугающе: они занимают в ее статье целых десять строк.

Исследователи выяснили, что, если количество энергии, рассеиваемой при соударении со столом, достаточно велико, распределение исходов бросков кости не обладает фрактальными свойствами. Это означает, что при достаточно высокой точности установления начальных условий результаты броска игральной кости предсказуемы и воспроизводимы. Можно предсказать, например, что зачастую кость будет останавливаться на той грани, которая была нижней в момент броска. То есть поведение игральной кости, геометрически правильной в статическом состоянии, может оказаться отличным от чисто случайного, если учесть ее динамику.

Однако при увеличении жесткости стола, которое приводит к уменьшению рассеяния энергии и, следовательно, к росту числа отскоков кубика, можно увидеть появление фрактальных свойств.

На этих картинках рассматриваются изменения двух параметров: высоты, с которой бросают кость, и вариаций угловой скорости вращения вокруг одной из осей. Чем меньше энергии рассеивается при соударении со столом, тем более хаотичным получается поведение кости и тем больше кажется, что судьбу моей игральной кости все-таки определяет воля богов.

По мере продвижения от (a) к (d) рассеяние энергии на столе уменьшается, что приводит к усилению фрактальных свойств результатов броска игральной кости

Играет ли Бог в кости?

Вернемся к задаче определения Бога как всего того, что мы не можем познать. Теория хаоса утверждает, что узнать будущее некоторых систем уравнений невозможно, так как они слишком чувствительны к малым неточностям. В прошлом боги не были сверхъестественным разумом, существующим вне системы; они были реками, ветром, огнем, лавой – то есть тем, что нельзя было предсказать или покорить. Тем, в чем существует хаос. Математика XX в. показала, что эти древние боги по-прежнему с нами. Существуют природные явления, которые никогда не будут укрощены и познаны. Теория хаоса предполагает, что наше будущее во многих случаях непознаваемо из-за его зависимости от мельчайших подробностей положения вещей в настоящем. Поскольку мы не можем получить полного знания настоящего, теория хаоса не позволяет нам познать будущее. По меньшей мере до тех пор, пока это будущее не станет настоящим.

Это не значит, что все аспекты будущего непознаваемы. Очень часто мы оказываемся в нехаотических областях, в которых малые флуктуации не оказывают большого влияния на результат. Именно поэтому математика смогла стать таким могущественным средством предсказания и планирования. В таких случаях мы знаем будущее. Но в других ситуациях получить такое знание мы не можем, хотя это неизвестное будущее в какой-то момент несомненно повлияет на нашу жизнь.

Интересно отметить, что некоторые богословы, разбирающиеся в науке и пытающиеся сформулировать научные объяснения возможности деятельности сверхъестественного разума в нашем мире, пытались представить тот пробел, который создает хаос, местом существования такого разума, влияющего на будущее.

Один из таких религиозных исследователей – это занимающийся квантовой физикой теоретик Джон Полкинхорн. Этот ученый, работающий в Кембридже, являет собой редкий пример разума, сочетающего строгость естественнонаучного образования с несколькими годами обучения на христианского священника. Мы еще встретимся с Полкинхорном на третьем «рубеже», когда будем рассматривать непознаваемость, присущую области его работы – квантовой физике. Но его также интересует тот создаваемый математикой хаоса пробел в знании, который дает его Богу возможность влиять на будущее человечества.

Полкинхорн предположил, что именно при помощи неопределенностей, заложенных в теории хаоса, сверхъестественный разум может действовать, не нарушая законов физики. Теория хаоса утверждает, что мы никогда не сможем знать начальные условия с точностью, достаточной для использования детерминистических уравнений, что позволяет существовать представлению Полкинхорна о божественном вмешательстве, которое подстраивает явления так, чтобы они оставались в соответствии с нашими частичными знаниями, но в то же время оказывает влияние на их результаты.

Полкинхорн неизменно подчеркивает, что применение таких предельно малых данных для осуществления каких-либо изменений требует абсолютно всеобъемлющего вмешательства свыше. Речь должна идти не о «Боге в деталях», а о Боге всеведущем. Поскольку теория хаоса утверждает, что даже положение одного электрона на другом конце Вселенной может оказать влияние на всю систему, то, чтобы управлять происходящим, необходимо располагать полным, всеобъемлющим знанием всей этой системы – то есть всей Вселенной. Нельзя выделить часть Вселенной и пытаться делать предсказания на основе этой части. Поэтому использование такой трещины в том, что нам неизвестно, требует знания всего целого.

Теория хаоса детерминистична, так что это не попытка использовать случайность, присущую, например, квантовой физике, в качестве средства влияния на результаты. По мнению Полкинхорна, способ решения задачи квадратуры круга детерминизма и оказания влияния на систему состоит в использовании зазора между эпистемологией и онтологией, между тем, что мы знаем, и тем, что соответствует истине. Раз мы не можем получить полное описание состояния Вселенной на данный момент, то, с нашей точки зрения, детерминированности нет. Есть множество разных сценариев, совпадающих с нашим объективным описанием того, что мы сейчас знаем об устройстве Вселенной. Полкинхорн считает, что это дает Богу возможность вмешиваться в любой точке времени, перекидывая систему из любого сценария в любой другой, причем мы остаемся в неведении относительно таких перемещений. Но, как мы уже видели, теория хаоса утверждает, что такие малые перемещения могут приводить к огромным изменениям результатов. При этом Полкинхорн старательно подчеркивает, что переходы между системами допустимы, если речь идет только об изменениях информации, а не энергии. Правила запрещают нарушать законы физики. Как говорит сам Полкинхорн: «Ни смена времен года, ни чередование дня и ночи отброшены не будут».

Даже если вы находите такую идею чересчур замысловатой (как нахожу ее я), сходный принцип, возможно, лежит в основе нашего ощущения воздействия мира. Вопрос свободы воли тесно связан с вопросами философии редукционизма. Свобода воли в большинстве случаев описывает невозможность какого-либо значимого сведения к атомистической картине мира. Поэтому создание системы, в которой мы обладаем свободой воли, кажется логичным, так как на уровне взаимодействия человека со Вселенной она представляется именно свободной. Если бы устройство мира было столь очевидно детерминистическим, допускающим лишь малые вариации при неощутимых изменениях, мы не считали бы, что обладаем свободой воли.

Замечательно, что тот самый Ньютон, который внушил нам веру в детерминистическую Вселенную с часовым механизмом, также полагал, что в его уравнениях найдется место для божественного вмешательства. Он писал о своей вере в то, что время от времени, когда развитие событий кажется отклоняющимся от верного курса, Бог бывает вынужден заново запускать Вселенную. Это вовлекло его в яростный спор с немецким соперником, математиком Готфридом Лейбницем, который не понимал, почему бы Бог не мог с самого начала устроить все наиболее совершенным образом:

Сэр Исаак Ньютон и его последователи придерживаются также весьма странного мнения о роли Бога. Согласно их доктрине, Господь Всемогущий должен время от времени заводить свои часы – иначе они перестанут ходить. По-видимому, его предусмотрительности не хватило на то, чтобы сделать их движение вечным.

На грани хаоса

Ньютон и его математика дали мне ощущение того, что я могу познать будущее, не ожидая, пока оно станет настоящим. То, сколько раз я слышал цитату из Лапласа о возможности познания всего благодаря уравнениям движения, свидетельствует о широко распространенной среди ученых уверенности в теоретической возможности познания Вселенной.

Математика XX в. обнаружила, что теория не всегда может быть реализована на практике. Даже если и справедливо утверждение Лапласа о том, что полное знание современного состояния Вселенной в сочетании с математическими уравнениями может привести к полному познанию будущего, мы никогда не сможем получить такого полного знания. Шокирующее открытие теории хаоса XX в. состоит в том, что даже приближение к такому знанию нам не поможет. Расходящиеся траектории хаотического бильярда означают, что, поскольку мы не можем узнать, на какой из траекторий находимся, наше будущее так и останется непредсказуемым.

Теория хаоса утверждает, что существуют вещи, которые мы никогда не сможем познать. Та самая математика, от которой я так надеялся получить полное знание, привела к прямо противоположному результату. Но положение не вполне безнадежно. Во многих случаях уравнения нечувствительны к малым изменениям и, следовательно, позволяют предсказывать будущее. В конце концов, именно так нам удалось посадить космический аппарат на пролетающую мимо комету. И не только: как показывает работа Боба Мэя, математика даже может помочь нам узнать, чего именно мы не можем узнать.

Но одно открытие, сделанное в конце XX в., поставило под вопрос даже и основополагающее положение Лапласа о теоретической предсказуемости будущего. В начале 1990-х гг. аспирант по имени Ся Чжихун доказал, что пять планет можно расположить таким образом, что, когда они будут отпущены, гравитационное притяжение вынудит одну из планет вылететь из системы и достичь бесконечной скорости за конечное время[31]. Хотя никакого столкновения планет не происходит, уравнения неизбежно предсказывают результаты, катастрофические для обитателей такой несчастливой планеты. Того, что происходит после этого момента, уравнения предсказать не могут.

Открытие Ся оспаривает мнение Лапласа о том, что уравнения Ньютона предполагают возможность познания будущего при наличии полного знания настоящего, на самом фундаментальном уровне, потому что даже уравнения Ньютона не могут предсказать, что случится с этой несчастной планетой после того, как она достигнет бесконечной скорости. Теория достигает в этом месте сингулярности, и никакие дальнейшие предсказания не имеют смысла. Как мы увидим на следующих «рубежах», соображения теории относительности ограничивают физическое осуществление такой сингулярности, так как несчастная планета в конце концов достигнет скорости света в вакууме, на которой, как было показано, теория Ньютона является лишь приближенным представлением реальности. И тем не менее этот пример показывает, что для познания будущего одних уравнений недостаточно.

Интересно послушать, что говорил Лаплас на смертном одре. Видя, как его собственная сингулярность приближается к нему, оставляя ему лишь ограниченное время, он тоже признал: «То, что мы знаем, невелико, а то, чего мы не знаем, огромно»[32]. ХХ век показал, что даже если мы узнаем многое, размеры того, чего мы не знаем, останутся огромными.

Оказывается, однако, что непознаваемо не только внешнее поведение планет и игральных костей. Более глубокое внутреннее исследование моей кости из казино порождает новые сомнения в существовании детерминистической Вселенной с часовым механизмом, в которую верил Лаплас. Когда ученые заглянули внутрь игральной кости, чтобы понять, из чего она состоит, они обнаружили, что знание положений и перемещений частиц, составляющих такую кость, невозможно даже теоретически. Как мы увидим на двух следующих «рубежах», даже поведение самих частиц, образующих мою красную игральную кость из Лас-Вегаса, может управляться игрой случая.

Рубеж второй: Виолончель

3

Всякий принимает пределы своего собственного поля зрения за пределы мира.

Артур Шопенгауэр

Когда я начинал учиться в средней школе, наш учитель музыки спросил, хочет ли кто-нибудь из класса научиться играть на музыкальном инструменте. Руки подняли мы трое. Учитель подвел нас к шкафу, чтобы показать, какие инструменты можно выбрать. В совершенно пустом шкафу лежали стопкой три трубы.

– Судя по всему, вы будете учиться играть на трубе.

Я не жалею о своем выборе (хотя никакого выбора и не было). Я отлично провел время, играя в городском оркестре и дурачась в группе медных духовых оркестра графства, пока мы отсчитывали такты паузы. Но все-таки я немножко завидовал струнным: казалось, что они играли все время и именно им доставались лучшие мелодии. Несколько лет назад меня спросили в интервью на радио, на каком новом музыкальном инструменте я хотел бы научиться играть, будь у меня такая возможность, и какое произведение я бы хотел сыграть на нем.

– На виолончели. Сюиты Баха.

Этот вопрос продолжал меня преследовать и после интервью: могу ли я научиться играть эти прекрасные сюиты для виолончели? Может быть, осваивать новый инструмент было уже слишком поздно, но мне нужно было это узнать. И я купил себе виолончель.

Сейчас, когда я пишу о попытках предсказать результат броска игральной кости, виолончель стоит у меня за спиной. Когда мне нужно отвлечься от анализа уравнений, которые управляют поведением красного кубика, лежащего у меня на столе, я начинаю мучить одну из джиг из первой сюиты для виолончели. Я чувствую, как Бах переворачивается в гробу, но мне это занятие нравится.

Одна из увлекательных возможностей игры на виолончели заключается в скользящем движении пальца вверх по струне для получения непрерывного глиссандо разных нот. На трубе такого не сделаешь – это инструмент отдельных нот, соответствующих разным комбинациям нажатых клапанов. Оказывается, что борьба между непрерывным глиссандо виолончели и дискретными нотами трубы тоже имеет отношение к моим попыткам предсказать поведение игральной кости.

Увеличение картинки

Чтобы предсказать, как может упасть кость, нужно знать, из чего она сделана. Если плотность ацетатного пластика в одном из углов кубика выше, чем в других, то одна из сторон будет выпадать чаще других. Поэтому, чтобы попытаться применить законы Ньютона к летящей в воздухе кости, нужно знать, как она сделана. Непрерывна ли ее структура, или же, если присмотреться, она собрана из отдельных деталей?

Если я смирюсь с пределами моего зрения в соответствии с цитатой из Шопенгауэра, приведенной в начале этого «рубежа», то я увижу только сплошной красный ацетат, из которого сделана кость. Однако при помощи оптического микроскопа я могу увеличить кость в 1500 раз, до размеров большого здания. Заглянув внутрь такой огромной кости, я по-прежнему мало что узнаю о тайнах ее строения. Все по-прежнему выглядит довольно гладким и непрерывным.

Микроскопы, использующие различные части электромагнитного спектра, появившиеся в XX в., позволили ученым получать изображения с увеличением, в 1000 раз большим. Теперь моя игральная кость простирается от одного конца Лондона до другого. И на этом уровне увеличения она выглядит более зернистой. На смену ощущению непрерывной структуры приходит нечто более дискретное. Современные электронные микроскопы позволяют увеличить изображение еще в 10 раз, и тогда я смогу различать атомы углерода и водорода, которые, как мне известно, составляют часть ингредиентов ацетатного пластика, из которого изготовлена моя кость.

Интересно, что ученые сформулировали атомарное представление о строении материи задолго до того, как у меня появилась возможность увидеть эти атомы под электронным микроскопом в лаборатории, расположенной через дорогу от моей кафедры математики. И именно сочетание математической и теоретической точек зрения с физическим видением мира дает лучшие средства познания того, из чего сделана эта кость.

Однако атомы, в том числе водорода, кислорода и углерода, оказались не столь атомарными[33], как предполагает их название. Я знаю, что за атомной структурой, видимой под электронным микроскопом, существует более глубокая внутренняя структура. Атомы уступают место электронам, протонам и нейтронам. Место протонов и нейтронов, в свою очередь, занимают кварки. В 2013 г. при помощи квантовых микроскопов даже удалось получить изображения электронных орбиталей возле ядра атома водорода. Но существует ли теоретический предел той глубины, которой я могу достигнуть в исследовании внутреннего строения своей кости?

Например, что случится, если я буду все время разрезать и разрезать кость пополам? До чего я могу дойти? С математической точки зрения я не вижу никаких проблем: если у меня есть число, его можно делить на два сколько угодно раз:

1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 …

Математика не определяет точки, в которой мне пришлось бы остановиться. Однако если я возьму реальную игральную кость, которая лежит у меня на столе, и разрежу ее пополам, а потом еще раз пополам, как далеко я смогу зайти?

Противоречия между непрерывной и дискретной природой материи, между математическими возможностями и ограничениями, налагаемыми физической реальностью, бушуют уже многие тысячелетия. Под какую музыку танцует Вселенная – под звуки трубы или под глиссандо виолончели?

Музыка сфер

Откуда я знаю про электроны и кварки, которые считаются последним уровнем строения моей игральной кости? Я их никогда не видел. Если спрошу себя, как я, собственно, узнал о них, я отвечу, что столько раз о них слышал и читал, что уже и не помню, как и откуда. И вообще, говорили ли мне когда-нибудь, откуда мы о них знаем? Например, я знаю еще, что самая высокая гора – это Эверест. Я знаю об этом только потому, что достаточно много раз об этом слышал. Так что, прежде чем выяснять, существует ли что-то кроме этого уровня, следовало бы понять, как мы пришли к этим составным элементам.

Читая историю, с удивлением обнаруживаешь: убедительные доказательства того, что такие объекты, как моя кость, не просто имеют непрерывную структуру, а состоят из дискретных элементов, называемых атомами, были получены всего чуть более столетия назад. Но хотя это открытие было сделано сравнительно недавно, интуитивное ощущение такого положения вещей возникло тысячи лет назад. Индусы считали, что материя состоит из основных атомов, соответствующих вкусу, запаху, цвету и осязанию. Они разделяли атомы на бесконечно малые, не занимающие никакого места, и другие, «крупные» и занимающие конечное пространство, – и, как мы увидим дальше, рассматривая современную модель строения вещества, эта теория была чрезвычайно прозорливой.

На Западе атомистическую философию природы первыми предложили древние греки, придерживавшиеся редукционистской точки зрения, согласно которой физическая реальность может быть сведена к фундаментальным блокам, из которых состоит вся материя. Такие атомы невозможно разделить на меньшие составляющие, и их свойства не должны зависеть от какого-либо еще более сложного внутреннего строения. Одним из источников такой веры во Вселенную, составленную из отдельных блоков, было убеждение пифагорейской школы в том, что число является ключом к объяснению тайн Вселенной.

Вера в могущество целых чисел проистекает из довольно замечательного открытия, приписываемого самому Пифагору: оно состояло в том, что число лежит в основе музыкальной гармонии, которую использует как виолончель, так и труба. Говорят, что его прозрение случилось, когда он проходил мимо кузницы и услышал в стуке молота сочетание гармоничных нот (мы не знаем, можно ли верить этой и другим подобным историям о Пифагоре и даже существовал ли вообще такой человек, или же он был выдуман последующими поколениями для пропаганды новых идей).

Как бы то ни было, согласно этой истории, он вернулся к себе домой и стал экспериментировать с нотами, получаемыми на струнном инструменте. Взяв вибрирующую струну виолончели, я могу получить непрерывную последовательность нот, постепенно перемещая палец в сторону подставки. Так я получаю звук, называемый глиссандо (хотя на следующем «рубеже» вопрос о том, образуется ли при этом действительно непрерывная последовательность нот, будет поставлен под сомнение). Если я остановлюсь в том положении, в котором получаются ноты, звучащие в гармонии с вибрирующей открытой струной, окажется, что отношение длин этих струн точно равно целому числу.

Например, прижав пальцем середину вибрирующей струны, я получу ноту, звучащую почти так же, как нота, с которой я начал. Интервал между ними называется октавой, и для человеческого уха эта нота звучит настолько похоже на ноту открытой струны, что в музыкальной нотации мы обозначаем их одним и тем же названием. Если я помещу свой палец в одной трети расстояния от головки грифа, я получу ноту, особенно гармонично звучащую в сочетании с нотой открытой струны. Такой интервал называется чистой квинтой, и наш мозг реагирует на подсознательное узнавание целочисленного отношения длин волн этих двух нот.

Обнаружив, что в основе гармонии лежат целые числа, пифагорейцы начали строить модель Вселенной, в которой такие целые числа были фундаментальными кирпичиками всего, что они видели и слышали вокруг себя. В греческой космологии царила идея небесной математической гармонии. Считалось, что между орбитами планет существуют идеальные математические соотношения, что и породило идею музыки сфер.

Для понимания структуры игральной кости важнее то обстоятельство, что ключом к объяснению состава материи пифагорейцы считали дискретные числа, а не непрерывное глиссандо. Они предложили идею атомов, которые подобно числам можно складывать для образования новой материи. Греческий философ и математик Платон, развивая пифагорейскую философию, представил такие атомы дискретными геометрическими элементами.

Платон полагал, что атомы представляют собой геометрические фигуры, треугольники и квадраты. Из этих элементарных блоков были составлены формы, которые считались основными ингредиентами греческой химии, – элементы, или «стихии» огня, земли, воздуха и воды. Каждая стихия, по мнению Платона, имела собственную трехмерную геометрическую форму.

Огонь имел форму треугольной пирамиды, или тетраэдра, образованного из четырех равносторонних треугольников. Форма земли была кубической, подобно моей игральной кости из Лас-Вегаса. Воздух был образован из формы, называемой октаэдром, которая состоит из восьми равносторонних треугольников. Она выглядит как две пирамиды, склеенные своими квадратными основаниями. Наконец, вода соответствовала икосаэдру, составленному из двадцати равносторонних треугольников. Платон считал, что химия стихий возникает из геометрического взаимодействия таких основных форм.

Атомистическое видение материи не было повсеместно признано в Древнем мире. В конце концов, никаких доказательств существования таких невидимых элементов не было. Их нельзя было увидеть. Аристотель, например, не верил в идею фундаментальных атомов. Он полагал, что стихии по природе своей непрерывны, так что мою игральную кость теоретически можно делить на все меньшие и меньшие части. Он считал огонь, землю, воздух и воду элементарными в том смысле, что их нельзя разделить на «тела иной формы». Сколько бы мы их ни делили, мы всегда получаем воду или воздух. Вода в стакане представляется человеческому глазу непрерывной структурой, которую теоретически можно делить до бесконечности. Кусок резины можно плавно растянуть так, что он будет казаться непрерывным. Так было подготовлено поле битвы между непрерывной и дискретной моделями материи. Между глиссандо и дискретными нотами музыкальной гаммы. Между виолончелью и трубой.

Интересно отметить, что именно пифагорейцам приписывается открытие, которое поставило атомистическое видение материи под угрозу и на долгие годы изменило ситуацию в пользу веры в возможность бесконечного деления материи.

Числа на грани

Если провести на листе бумаги две линии, то с атомистической точки зрения каждая из линий будет состоять из определенного числа неделимых атомов и, следовательно, их длины будут пропорциональны некоторым целым числам, соответствующим количествам атомов, их составляющих. Но оказалось, что такой строгий порядок не вполне соответствует положению вещей. Более того, именно теорема о прямоугольных треугольниках самого Пифагора показала, что мир геометрии способен порождать линии, отношение длин которых не может быть выражено простыми дробями.

В размерах моей игральной кости уже таится некоторое затруднение для этого атомистического воззрения на природу. Возьмем два ребра кубика, расположенные под прямым углом друг к другу. Их длины равны. Рассмотрим диагональ, проведенную по грани кубика и завершающую треугольник, образованный вместе с двумя ребрами одинаковой длины. Каково отношение длины этой диагонали к длинам более коротких сторон треугольника?

Как гласит теорема Пифагора о прямоугольном треугольнике, квадрат длины такой диагонали (гипотенузы) равен сумме квадратов длин двух коротких сторон (катетов). Если считать длину ребра кубика равной 1, то, по теореме Пифагора, длина диагонали грани такого кубика равна числу, квадрат которого равен 2. Что же это за число?

Задача вычисления этой длины увлекала еще вавилонян. Оценку этой длины можно найти на хранящейся в Йельском университете табличке, которую датируют старовавилонским периодом (1800–1600 гг. до н. э.). Используя шестидесятеричную систему (т. е. систему счисления по основанию 60), вавилоняне получили следующий результат:

которому при десятичной записи соответствует число 1,41421296296…, причем группа «296» повторяется до бесконечности. Собственно, любая дробь, будучи записана в десятичной системе, с какого-то момента начинает повторяться. Это вавилонское вычисление было замечательным достижением. Оно соответствует точному результату до шестого знака после запятой. Однако квадрат этой дроби оказывается чуть меньше 2. Открытие древних греков состояло в том, что, как бы ни старались вавилонские писцы, их дроби, возведенные в квадрат, никогда не могли быть точно равны 2.

Открытие неизбежности такой неудачи вавилонских математиков приписывают одному из последователей Пифагора по имени Гиппас. Он доказал, что длина диагонали грани моей игральной кости в принципе не может быть выражена в виде дроби.

Из теоремы Пифагора о прямоугольном треугольнике следует, что длина гипотенузы равна произведению длины катета на квадратный корень из 2. Но Гиппас смог доказать, что дроби, квадрат которой был бы точно равен 2, не существует. Доказательство использует один из классических приемов, имеющихся в арсенале математика, – доказательство от противного. Гиппас предположил сначала, что существует такая дробь, квадрат которой равен 2. При помощи некоторых ловких преобразований можно показать, что из этой посылки всегда следует противоречивый вывод о существовании числа одновременно четного и нечетного. Единственный способ разрешения этого противоречия состоит в признании ложности исходного предположения: существование дроби, квадрат которой был бы равен 2, невозможно.

Говорят, что его товарищи-пифагорейцы были приведены в смятение вестью о том, что их прекрасные прямоугольные треугольники могут порождать такие негармоничные длины. Члены секты поклялись молчать об этом, но, когда Гиппас обнародовал свои результаты, его, как рассказывают, утопили в море за разглашение факта существования в физическом мире подобной дисгармонии. Однако заткнуть рот этим новым числам, называемым иррациональными, поскольку они не являются отношениями целых чисел[34], было сложнее.

Иррациональные длины в кубе

Мне конечно же кажется, что такая длина существует. Я могу увидеть ее на линейке, приложенной к длинной стороне треугольника. Она равна расстоянию между двумя противоположными углами любой грани моей кости. И тем не менее, сколько бы я ни пытался, я не могу найти закономерность этого бесконечного десятичного числа. Оно начинается с 1,414213562… и продолжается до бесконечности, никогда не повторяясь.

Иррациональный восторг

Открытое древними греками существование длин, которые нельзя выразить простым отношением целых чисел, заставило математиков того времени создать новую математику, математику иррациональных чисел, которая позволила бы действительно измерить Вселенную. Иррациональными оказались и другие базовые длины, например π, длина окружности единичного диаметра, – они тоже не были равны отношениям целых чисел. Хотя иррациональность квадратного корня из 2 была известна древним грекам еще 2000 лет назад, только в XVIII в. швейцарский математик Иоганн Генрих Ламберт смог доказать, что число π тоже не может быть выражено в виде отношения двух целых чисел.

Несмотря на мое отвращение к тому, чего мы знать не можем, один из определяющих моментов, возбудивших во мне любовь к математике, наступил, когда я прочитал о числах, которые не могут быть выражены простым отношением целых чисел. В том же году, когда учитель музыки познакомил меня с трубой, лежавшей в шкафу, учитель математики познакомил меня с доказательством иррациональности квадратного корня из 2. Это доказательство содержалось в одной из книг, которые учитель посоветовал мне прочесть, пытаясь разжечь во мне математическое пламя. И это ему удалось. Я был поражен тем, что при помощи конечного логического рассуждения можно доказать, что размер, подобный длине диагонали квадрата, может быть выражен лишь числом с бесконечным количеством знаков. А если записать такую длину невозможно, мне нужно хотя бы понять, почему это число нельзя познать.

С тех пор как я школьником прочитал это доказательство, я узнал о других методах исследования иррациональных чисел, так что, может быть, эти числа все-таки познаваемы. Существуют бесконечные выражения с регулярной структурой, позволяющие сделать такие числа менее таинственными. Например,

Открытие таких выражений выводит иррациональные числа в область известного. Дробь представляет собой число, которое при десятичной записи повторяется начиная с некоторой точки. Нельзя ли рассматривать такие выражения как структуру, не слишком отличную от повторяющейся группы десятичного представления дроби? Наличие такой повторяющейся группы означает, что существуют два числа, отношение которых дает значение данного числа, тогда как в случае 2 и π я вынужден использовать для выражения этих длин бесконечное число чисел. Вопрос о том, обязательно ли известное должно быть конечным, будет постоянно преследовать меня в течение всего моего путешествия к границам неизвестного.

Разумеется, для любого практического применения таких чисел мне, вероятно, хватит и приближения, выраженного дробью. Большинство инженеров вполне успешно использует вместо числа π его оценку 22/7, которую Архимед получил путем приближения окружности 96-сторонним правильным многоугольником. Собственно говоря, чтобы вычислить длину окружности размером с наблюдаемую часть Вселенной с точностью, сравнимой с размерами атома водорода, достаточно знать всего 39 знаков π. Существует даже формула, позволяющая узнать значение миллионного знака π без вычисления всех предшествующих ему знаков. Не то чтобы мне так уж хотелось их знать. Но такая формула позволяет достичь лишь конечного знания числа, полное познание которого требует бесконечности.

Из открытия таких чисел, по-видимому, следовала бесконечная делимость пространства. Только бесконечное деление пространства может позволить мне точно измерить размеры моего простого кубика. В результате этого открытия мнение Аристотеля о непрерывности материи оставалось на Западе господствующим вплоть до эпохи Возрождения.

Гармония маленьких сфер

Благодаря научным открытиям, сделанным поколением Ньютона и после него, произошел новый разворот в сторону мнения о том, что Вселенная построена из неких элементарных кирпичиков. Пожалуй, первым в аристотелевском видении материи, господствовавшем почти 200 лет, усомнился современник Ньютона Роберт Бойль. В своей книге «Химик-скептик» Бойль попытался опровергнуть идею о том, что материя составлена из четырех «стихий» – огня, земли, воздуха и воды. Такое описание, возможно, хорошо отражает состояния материи, но не ее составляющие.

Взамен он предложил новый список химических элементов. Более того, он высказал утверждение, по тем временам довольно сильно попахивавшее ересью. Он считал, что такие элементы представляют собой миниатюрные тела, или атомы, различающиеся лишь «размером, видом, текстурой и движением». С точки зрения теологии такая идея казалась опасной; Церковь, всегда предпочитавшая воззрения Аристотеля, увидела в ней признаки опасно материалистического видения мира. Кое-кто объявил Бойля Галилеем химической революции.

Хотя Ньютон был согласен с тезисом Бойля о том, что материальный мир состоит из неделимых элементов, те математические инструменты, которые Ньютон разрабатывал одновременно с работой Бойля, в сильной степени основывались на бесконечной делимости времени и пространства. Математический анализ, позволяющий сделать моментальный снимок непрерывного потока развития Вселенной, имеет смысл только в качестве процесса, в котором пространство делят на все меньшие и меньшие фрагменты и интерпретируют то, что происходит в пределе бесконечного уменьшения таких фрагментов.

Вопрос о бесконечной делимости времени и пространства возбуждал философские дискуссии еще со времен древнегреческого мыслителя Зенона Элейского, сформулировавшего парадоксы, которые, по-видимому, следовали из такого деления пространства. Например, Зенон утверждал, что стрела никогда не сможет долететь до цели, потому что она должна сначала преодолеть половину расстояния до цели, потом половину оставшегося расстояния, потом половину вновь оставшегося расстояния и т. д., так что достижение цели потребовало бы бесконечного числа таких перемещений. Успех ньютоновского математического анализа вновь возродил обсуждение этой проблемы. Некоторые все еще считали такую бесконечную делимость почти что ересью.

Епископ Беркли посвятил целый трактат под названием «Аналитик» доказательству абсурдности попыток деления на ноль. Его направленность была ясно выражена в подзаголовке «Рассуждение, адресованное неверующему математику»[35].

Хотя другие неверующие математики быстро осознали могущество математического анализа, остальные открытия самого Ньютона подтверждали предположение о том, что, даже если пространство и время можно делить бесконечно, к материи это не относится. Его идея мира, составленного из неделимой материи, со временем стала господствующей теорией устройства Вселенной. Но в тот момент она все еще оставалась просто одной из теорий, мало чем подтвержденной.

Теория сил, воздействующих на крупные объекты – будь то планеты или яблоки, – была столь успешной, что Ньютон предположил, что раз эти принципы верны для чрезвычайно крупных объектов и объектов среднего размера, то они должны быть применимы и к чрезвычайно малому. С чего бы законам движения, управляющим поведением Вселенной, изменяться по мере увеличения масштаба моей игральной кости? Успешность применения математического анализа к движению планет была основана на их представлении в виде точечных масс, расположенных в центрах тяжести соответствующих тел. Может быть, и вся материя состоит из частиц, подобных миниатюрным планетам, поведение которых определяется законами движения. В своих «Началах» Ньютон предположил, что применение его идей к таким отдельным частицам позволило бы предсказать поведение всех материальных объектов.

Ньютоновская теория света также способствовала распространению убеждения в том, что атомистическое воззрение является наилучшим способом понимания мира. Представление света в виде частиц казалось простейшим путем к описанию явлений, которые Ньютон изложил в своей «Оптике». Казалось, что отражение света имитирует поведение бильярдного шара, отскакивающего от бортов стола. Но с научной точки зрения никаких эмпирических свидетельств правоты такой теории Вселенной, состоящей из отдельных частиц, не было.

Даже при помощи микроскопов, появившихся в XVII в., нельзя было увидеть ничего, подтверждающего эту атомистическую модель. Хотя какие-то дискретные объекты и были видны, доказать их неделимость было невозможно. Тем не менее об изменении господствующего мнения можно судить по распространенности атомистического воззрения в популярной культуре той эпохи. В «Оде святой Цецилии» Николаса Брейди, положенной на музыку в 1691 г. Генри Пёрселлом, упоминаются «зерна материи»:

О мира душа! вдохновленны тобой, Материи зерна забыли свой бой, Атомы розны связала ты прочно, Соединяя в пропорции точной Несхожие части гармоньей одной.

Наиболее убедительные доказательства атомарного строения вещества были получены веком позже из экспериментов, которые показывали, как в сочетаниях материи образуются новые вещества. И сочетания эти были полны совершенной гармонии, в точном соответствии с образами Брейди.

Атомная алгебра

Первое реальное экспериментальное подтверждение представления о материи, состоящей из отдельных атомов, было получено в начале XIX в. в работах английского химика Джона Дальтона. Он обнаружил, что химические соединения, по-видимому, состоят из веществ, содержащихся в них в целочисленных пропорциях, и это революционное открытие привело ко всеобщему научному признанию идеи о том, что такие вещества действительно существуют в виде дискретных порций.

Например: «Элементы кислорода могут сочетаться с определенной порцией газообразного азота или с удвоенной его порцией, но не с промежуточным количеством». Разумеется, одно это обстоятельство не доказывало дискретности материи и даже не было достаточно сильным аргументом, чтобы переубедить приверженцев непрерывной модели. Но оно содержало в себе недвусмысленный намек. Должно было существовать какое-то объяснение такому свойству сочетания веществ.

Обозначения, принятые для описания таких реакций, способствовали распространению атомистической точки зрения. Сочетание азота с кислородом может быть записано в виде N + O или N + 2O. Между этими вариантами ничего нет. Оказалось, что все соединения содержат пропорции, соответствующие целочисленным отношениям. Например, сульфид алюминия дается формулой 2Al + 3S = Al2S 3, и элементы содержатся в нем в соотношении 2: 3. Элементы никогда не сочетаются иначе чем в целочисленных соотношениях. Создавалось впечатление, что в самом сердце химического мира существует музыкальная гармония. Музыка маленьких сфер.

Русский ученый Дмитрий Менделеев прославился тем, что смог расположить этот растущий список молекулярных ингредиентов так, что в нем начала проявляться закономерность, основанная на целых числах и подсчете. Казалось, возвращается пифагорейская вера в могущество числа. Как и многие ученые до него, Менделеев расположил элементы в порядке возрастания относительного веса, но он смог понять, что для выявления смутно возникающей закономерности необходимо проявить некоторую гибкость.

Он выписал известные элементы на карточки и постоянно раскладывал из них на своем столе своего рода химический пасьянс, пытаясь заставить их раскрыть свои тайны. У него ничего не получалось, и это приводило его в исступление. В конце концов он заснул, обессиленный, и увидел во сне разгадку, а проснувшись, смог разложить карточки по приснившейся ему системе. Один из важных моментов, которые позволили ему успешно расположить элементы, состоял в осознании необходимости некоторых пропусков – то есть понимании того, что в этой колоде не хватает нескольких карт.

Ключом к расположению элементов был так называемый атомный номер, зависящий от числа протонов в атомном ядре[36], а не от суммарного числа протонов и нейтронов, которое определяет массу ядра. Но, поскольку в то время никто не имел никакого понятия об этих, еще меньших, составляющих, Менделееву приходилось лишь догадываться о причинах, лежащих в основе его системы.

В качестве приблизительной аналогии можно представить себе обычную карточную колоду: карты можно разложить по мастям, но также можно заметить, что во всех мастях есть карты одинакового достоинства. В химических элементах можно было заметить периодичность восьмерок: свойства элементов, расположенных через восемь друг от друга, казались очень похожими. Через восемь элементов от лития находится натрий, еще через восемь – калий. Все они – мягкие, блестящие, химически активные металлы. Похожая закономерность обнаруживается и в газах со сходными свойствами.

Расположение элементов по восьмеркам было замечено еще до открытия Менделеева и называлось законом октав. Восьмерки сравнивали с музыкальными октавами: когда я играю на своей виолончели восемь нот мажорной гаммы, самая высокая и самая низкая ноты звучат очень похоже и даже называются одинаково. Когда Джон Ньюлендс впервые предложил этот закон октав на рассмотрение Королевского общества, его попросту высмеяли. «Вы бы еще сказали, что, для того чтобы понять элементы, их надо расположить в алфавитном порядке!» – пошутил один из академиков. Схема Менделеева до некоторой степени подтвердила справедливость закона октав. Именно благодаря принципу повторяющейся, или периодической, структуры эта система получила название периодической таблицы.

Гениальное прозрение Менделеева состояло в том, что несоответствие некоторых элементов системе может указывать на существование недостающих элементов. Предположение о наличии в таблице пробелов было, возможно, самым ярким проявлением его проницательности. Например, пустое место в 31-й клетке таблицы позволило Менделееву предсказать в 1871 г. существование и свойства нового вещества, впоследствии названного галлием. Четыре года спустя французский химик Лекок де Буабодран выделил первые образцы этого нового элемента, предсказанного благодаря математическим закономерностям, открытым Менделеевым.

Рецепт приготовления игральной кости

Итак, мы получили список атомов, из которых, по-видимому, состоит вся материя. Например, наша игральная кость состоит из сочетания атомов углерода, атомов кислорода и атомов водорода, объединенных в структуру, называемую ацетилцеллюлозой. Мое собственное тело тоже в основном состоит из сочетаний тех же атомов, но объединенных в другие структуры. Ацетилцеллюлоза представляет собой однородную структуру, лишенную пузырей, что увеличивает вероятность ее равномерности. Раньше игральные кости делали из нитроцеллюлозы, которую изобрел в 1868 г. Джон Уэсли Хайат. Составленный им коктейль из азотной кислоты, серной кислоты, хлопчатого волокна и камфары давал удивительный материал с высокой прочностью на разрыв, устойчивый к воздействию воды, масел и даже слабых кислот.

Брат Хайата назвал его целлулоидом, и этот материал стали чрезвычайно выгодно использовать для изготовления вещей, которые до того вырезали из рога или слоновой кости. Из этого синтетического пластика изготавливались бильярдные шары и съемные воротнички, фортепианные клавиши и даже игральные кости. В начале XX в. изготовление костей из нитроцеллюлозы было промышленным стандартом, но через несколько десятилетий использования таких костей с ними происходила почти моментальная кристаллизация, и они рассыпались, выделяя газообразную азотную кислоту.

Игральные кости, сделанные для казино Лас-Вегаса в конце 1940-х гг. и избежавшие кристаллизации, стали теперь коллекционными. Моей кости такая судьба не грозит. На следующей иллюстрации показано, как расположены атомы внутри моей кости.

Идентификация этих элементов еще не была доказательством справедливости дискретной модели строения материи. Ничто не говорит о том, что такая картинка ингредиентов игральной кости не может соответствовать какой-нибудь формуле сочетания непрерывных структур. В то время как химики склонялись к атомистическому видению Вселенной, среди физиков такие взгляды были далеко не столь общепринятыми. Тех, кто подобно немецкому физику Людвигу Больцману предлагал атомарную модель материи, в исследовательских лабораториях высмеивали.

Больцман считал атомарную теорию мощным средством интерпретации концепции теплоты, основанной на идее газа, состоящего из мельчайших молекул, которые соударяются друг с другом подобно огромному множеству микроскопических бильярдных шаров. Теплота попросту представляет собой суммарную кинетическую энергию таких движущихся миниатюрных шаров. Применение этой модели в сочетании с вероятностными и статистическими методами позволило ему объяснить макроскопическое поведение газов. Но большинство физиков по-прежнему были привержены идеям непрерывности материи и относились к идеям Больцмана пренебрежительно.

Насмешки над Больцманом дошли до такой степени, что ради публикации своих идей ему пришлось отречься от своей веры в соответствие «бильярдной» теории строения материи действительной реальности и называть ее эвристической моделью. Эрнст Мах, главный противник Больцмана в дискуссии о реальности атомов, издевательски спрашивал его: «Вы сами когда-нибудь видели атом?»

Больцман был подвержен приступам депрессии и, судя по некоторым признакам, мог страдать биполярным расстройством. Считается, что неприятие его идей научным сообществом усугубило его депрессию, под влиянием которой в 1906 г., будучи на отдыхе в Триесте вместе со своей семьей, он и повесился, когда его жена с дочерью ушли купаться.

Его смерть была тем более трагической, что именно в это время стали появляться убедительные доказательства его правоты. Причем подтверждавшие атомистическую картину мира идеи, от которых к тому же было невозможно отмахнуться, принадлежали одному из самых влиятельных физиков. Тем, кто подобно Маху продолжал верить в непрерывную структуру мира, было чрезвычайно непросто объяснить результаты исследования броуновского движения, полученные Эйнштейном и другими.

Пылевой пинг-понг

Хотя обычные оптические микроскопы и не позволяют увидеть отдельные атомы, они позволили ученым XIX в. увидеть воздействие таких атомов на окружающую их среду. Это воздействие называется броуновским движением по имени Роберта Броуна, который в 1827 г. заметил случайное движение мельчайших частиц пыльцы, плавающих на поверхности воды. Поскольку пыльца – вещество органическое, Броун сначала решил, что ее прыжки по поверхности могут быть признаками жизни. Сходное случайное движение угольной пыли, плавающей на поверхности спирта, наблюдалось в 1785 г. голландским ученым Яном Ингенхаузом. Когда Броун увидел, что поведение пыльцы может быть свойственно и неорганической материи, он не мог понять, какие причины могут вызывать такое беспорядочное движение.

Интересно отметить: идею о том, что речь может идти о невидимых атомах, сталкивающихся с более крупными видимыми частицами вещества, высказал еще древнеримский поэт Лукреций в своей философской поэме «О природе вещей»:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает В наши жилища и мрак прорезает своими лучами, Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая, Мечутся взад и вперёд в лучистом сиянии света; […] Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете, Что из неё познаёшь ты материи также движенья, Происходящие в ней потаённо и скрыто от взора. […] Первоначала вещей сначала движутся сами, Следом за ними тела из малейшего их сочетанья, Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным, Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться, Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее. Так, исходя от начал, движение мало-помалу Наших касается чувств, и становится видимым также Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете, Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит[37].

Эти стихи были написаны в 60 г. до н. э., но для подтверждения такого атомарного объяснения случайного движения пылинок в солнечном луче у Лукреция и пыльцы у Броуна потребовался математический анализ Эйнштейна.

Нужно было предложить какую-то модель, которая воспроизводила бы странное движение частиц пыльцы на поверхности воды. Если наложить на такую поверхность координатную сетку, кажется, что частица пыльцы может с равной вероятностью двигаться влево, вправо, вверх или вниз. Ее движение похоже на перемещения пьяного человека, который совершает случайные шаги, как бы подчиняясь результатам бросков четырехсторонней игральной кости. На приведенной внизу картинке показаны траектории движения разных частиц пыльцы, которые зарисовал французский физик Жан Батист Перрен, взявшийся за решение задачи о движении пыльцы в своей книге «Атомы».

В начале XX в. возникло предположение, что наблюдаемый эффект связан с толчками, которые частицы пыльцы получают в результате движения гораздо меньших молекул воды.

Математический гений Эйнштейна позволил ему проанализировать модель, в которой крупный объект подвергается соударениям со значительно меньшими его объектами, движущимися случайным образом. Он доказал, что такая модель точно предсказывает наблюдаемое поведение. Представим себе каток, в центре которого лежит большая хоккейная шайба, а затем введем целую систему маленьких шайб, скользящих в случайных направлениях с определенными скоростями. Маленькие шайбы будут время от времени сталкиваться с большой, вынуждая ее двигаться в некотором направлении. Тонкость состояла в определении числа маленьких шайб и их относительных размеров, необходимых для получения наблюдаемого поведения большой шайбы.

Успешное воспроизведение движения пыльцы математической моделью, разработанной Эйнштейном, стало сокрушительным ударом для всех тех, кто считал, что жидкость, подобная воде, представляет собой сплошную субстанцию. Любому, кто еще верил в Аристотелево видение материи, было бы чрезвычайно трудно предложить столь же убедительное объяснение.

Вычисления позволили оценить, насколько малы молекулы воды по сравнению с частицами пыльцы, которые они толкают. Хотя тем самым было получено убедительное доказательство того, что материя состоит из дискретных частей, вопрос о возможности дальнейшего бесконечного деления таких частей на еще меньшие части оставался открытым.

И действительно, неделимые атомы оказались вовсе не неделимыми, когда были открыты еще меньшие составные части, образующие, например, атомы углерода или кислорода. На следующем, более глубоком, уровне оказалось, что атом собран из еще меньших «шайб», называемых электронами, протонами и нейтронами, причем первые из них были обнаружены еще за несколько лет до революционного теоретического открытия Эйнштейна.

Разборка атома

Вот как работает наука: у нас есть модель Вселенной, которой мы можем придерживаться до тех пор, пока не обнаружится нечто, что в нее не встраивается, нечто новое, что, по-видимому, нельзя объяснить при помощи имеющейся модели. Понимание того, что атом может быть составлен из еще меньших частей, возникло из экспериментов, обнаруживших существование чего-то, похожего на частицы, но гораздо меньшего, чем атомы, составляющие периодическую систему.

Эти мельчайшие, подобные частицам объекты возникли в экспериментах, которые проводил в конце XIX в. британский физик Дж. Дж. Томсон, пытаясь понять природу электричества. Он изучал электропроводность газов. В его ранних экспериментах использовалась стеклянная трубка, на обоих концах которой было установлено по электроду. При приложении к электродам высокого напряжения между ними возникал электрический ток. Странным было то, что этот ток можно было увидеть, так как между электродами появлялась световая дуга.

Еще более странные вещи произошли, когда Томсон полностью удалил из трубки газ и приложил напряжение к вакууму. Световая дуга исчезла. Но, к его удивлению, стекло на одном из концов трубки стало флюоресцировать. Когда в трубку вставили металлический крест, в центре светящегося флюоресцирующего пятна появилась крестообразная тень.

Тень появилась напротив отрицательно заряженного электрода, также называемого катодом. Самое правдоподобное объяснение состояло в том, что катод испускает какие-то лучи, которые взаимодействуют с материей – будь то газ, содержащийся в трубке, или, в случае вакуума, стекло самой трубки – и заставляют ее светиться.

Эти «катодные лучи» вели себя довольно загадочно. Выяснилось, что они проникают сквозь тонкие листки золотой фольги, помещенные на их пути. Могут ли они быть неким волновым явлением, подобным свету? Другие полагали, что они состоят из отрицательно заряженных частиц, выталкиваемых отрицательным и притягиваемых положительным электродом. Но как такие частицы могут проходить сквозь твердое золото?

Испущенные из катода электроны соударяются с противоположной стенкой, вызывая флюоресценцию стекла

Томсон считал, что если речь действительно идет об отрицательно заряженных частицах, то он сможет изменить траекторию их полета в трубке, поместив ее в магнитное поле. Немецкий физик Генрих Герц уже пытался это сделать и потерпел неудачу, но Герц недостаточно хорошо откачал из трубки газ, что и привело к искажению результатов эксперимента. Когда газ откачали, все получилось так, как рассчитывал Томсон. К лучам приложили магнитное поле, и тень действительно сдвинулась. Магнит изгибал катодные лучи.

Но самый удивительный результат был получен, когда Томсон произвел математический расчет предполагаемой массы таких заряженных частиц. При приложении силы к массе, в соответствии с законами движения Ньютона, степень ее смещения зависит от массы. Поэтому степень отклонения лучей, вызываемого магнитным полем, содержит в себе информацию о массе предполагаемых частиц.

Результат вычислений зависит еще и от заряда частицы, и, измерив его в отдельном эксперименте, Томсон смог вычислить ее массу. Результат был поразительным. Масса частицы была почти в 2000 раз меньше массы атома водорода, самого маленького из атомов периодической системы.

То, что такие частицы, по-видимому, вылетали из металла, из которого был изготовлен электрод, заставило предположить, что они представляют собой составные части атома. Атом все-таки оказался делимым. В нем нашлись меньшие части. Их назвали электронами (от древнегреческого слова ἤλεκτρον, обозначающего янтарь, то есть первое вещество, в котором был найден электрический заряд).

Открытие того факта, что атомы содержат еще меньшие составные части, потрясло мировоззрение многих ученых. Вот что случилось после одной из лекций, на которых Томсон рассказывал о своих результатах:

Много времени спустя один известный физик, бывший на моей лекции, признался, что думал тогда, будто я их разыгрываю.

Следующий уровень

Даже когда Томсон использовал катод из другого металла, масса испускаемых им частиц не изменилась. Казалось, что такие частицы являются составляющими всех атомов. Сначала предположили, что атом водорода, масса которого в 2000 раз больше массы электрона, должен состоять из 2000 таких электронов. Но атом гелия приблизительно в 2 раза тяжелее атома водорода. Почему же число электронов перескакивает с 2000 на 4000, а между этими числами ничего нет? Целочисленные отношения масс атомов периодической системы были одной из причин считать, что они имеют действительно атомарную природу. Как же объяснить такие ступенчатые изменения массы? Кроме того, атомы электрически нейтральны. Существуют ли другие частицы, заряд которых уравновешивает отрицательный заряд электронов? Можно ли заставить атомы испускать положительно заряженные частицы, содержащиеся в них в дополнение к отрицательно заряженным электронам?

На самом деле экспериментальные свидетельства испускания лучей положительно заряженных частиц, вылетающих в противоположном направлении, существовали. Такие лучи было значительно труднее отклонить при помощи магнитного поля, что заставляло предположить, что эти частицы массивнее электронов. В этом случае интересная особенность заключалась в том, что масса таких частиц, по-видимому, изменялась в зависимости от того, каким газом была заполнена трубка. В случае водорода их масса была приблизительно равна массе исходного атома. Казалось, что у атомов водорода, содержащегося в трубке, отбирали электроны, причем оставались крупные положительно заряженные частицы, притягивавшиеся к противоположному электроду.

Томсону удалось добиться аналогичного эффекта в других газах – гелии, азоте, кислороде. Массы были равны произведениям целых чисел на массу положительно заряженных частиц, полученных из атомов водорода. Снова получалась атомная гармония. И тем не менее не было никаких оснований полагать, что существует множество типов положительно заряженных частиц, соответствующих множеству типов атомов. Томсон предложил модель атома, известную под названием «пудинга с изюмом». Положительно заряженная часть атома, более массивная, чем отрицательно заряженные электроны, образует «пудинг», занимающий большую часть объема атома, а электроны соответствуют маленьким изюминкам, расположенным внутри пудинга.

Затем наступила эпоха бомбардировки атомов, которая в конце концов привела к созданию самого мощного из существующих ускорителей – Большого адронного коллайдера в ЦЕРН[38]. Честь открытия протона, частицы-кирпичика, из которого построены все положительно заряженные частицы, исследовавшиеся Томсоном, обычно приписывают британскому физику Эрнесту Резерфорду, родившемуся в Новой Зеландии.

Резерфорда увлекла новая в то время тема радиоактивности. Атомы урана, по-видимому, испускали частицы, которые можно было регистрировать на фотопластинках. Казалось, что существуют два типа радиоактивности, которые стали называть альфа-частицами и бета-частицами. Альфа-частицы было легче зарегистрировать. Резерфорд обнаружил, что при помощи магнитного поля такие альфа-лучи можно отклонять так же, как Томсон отклонял свои отрицательно заряженные частицы. Расчеты показали, что масса альфа-частиц совпадает с массой атома гелия, лишенного электронов. Догадка о том, что альфа-лучи, испускаемые ураном, есть не что иное, как фрагменты атомов гелия, получила подтверждение, когда альфа-лучи объединили с потоком электронов, в результате чего произошло образование устойчивого газа. Химический анализ вскоре подтвердил, что этот газ действительно был гелием.

Баллистика и папиросная бумага

Экспериментальные результаты в очередной раз вступили в противоречие с теоретической моделью атома, когда ученик Резерфорда Ханс Гейгер поместил тонкий лист золотой фольги между потоком альфа-частиц и пластиной, регистрирующей частицы. В соответствии с моделью атома, в которой положительный заряд распределен равномерно, как тесто в пудинге, положительно заряженные альфа-частицы, пролетающие сквозь металл, должны испытывать отталкивание со стороны положительного заряда атома. Поскольку заряд распределен равномерно по всему объему атома, значительного отклонения частиц ожидать не приходится.

Гейгер обнаружил, что, вопреки ожиданиям, некоторые альфа-частицы отклонялись в самые разные стороны, вплоть до отражения от золотой фольги непосредственно в том направлении, с которого они прилетели. Резерфорд был ошеломлен: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».

Отклонение альфа-частиц ядрами атомов золота

Новая модель и на этот раз возникла из математических расчетов. Подсчитав, сколько альфа-частиц отклонилось и на какой угол, исследователи обнаружили, что данные соответствуют конфигурации, в которой заряд и масса сосредоточены в малоразмерном объекте в центре атома, который стали называть ядром. Было ли такое ядро неделимым, оставалось неясным.

Когда Резерфорд стал бомбардировать альфа-частицами более легкие атомы, появились свидетельства того, что ядро не является единым объектом, но образовано некими составляющими частицами. Отслеживая траектории альфа-частиц в камере Вильсона, он обнаружил траектории, которые были в 4 раза длиннее, чем ожидалось. Такое могло произойти, если бы попадание альфа-частицы выбивало из ядра другую частицу, в 4 раза более легкую. Эксперименты с разными газами дали одинаковые результаты. Более того, Резерфорд обнаружил, что чистый азот в результате такого столкновения превращается в кислород. Выбивание одной из этих частиц приводило к преобразованию химического элемента.

Так было получено свидетельство существования элементов, из которых построены атомные ядра. Они вели себя в точности как атом водорода, лишенный своего электрона. Резерфорд открыл протон. Атомные ядра оказались построены путем соединения нескольких протонов. Единственное затруднение состояло в том, что электрический заряд не сходился. К примеру, масса ядра гелия в 4 раза больше массы атома водорода, а его заряд больше всего вдвое. Возможно, в ядрах существуют электроны, связанные с протонами и уравновешивающие их заряд. Но физические принципы, которые были разработаны для объяснения поведения этих частиц, исключали столь близкое существование электронов и протонов, так что такой ответ не подходил.

В 1920-х гг. это натолкнуло Резерфорда на догадку о возможном существовании третьей составляющей частицы, названной им нейтроном, имеющей приблизительно ту же массу, что и протон, но не имеющей заряда. Получить свидетельства ее существования оказалось крайне непростой задачей. Резерфорд обсуждал со своим коллегой Джеймсом Чедвиком самые безумные способы, которыми можно было бы обнаружить нейтроны. В конце концов в экспериментах, проведенных в 1930-х гг. в Германии и Франции, были обнаружены частицы, испускаемые при бомбардировке различных ядер альфа-частицами, и частицы эти, в отличие от протонов, по-видимому, не имели заряда. Но экспериментаторы ошибочно считали их каким-то типом электромагнитного излучения наподобие высокочастотных гамма-лучей, которые открыл в начале XX в. французский физик Поль Виллар.

Однако Чедвик был убежден, что эти частицы и есть нейтроны, которые он обсуждал с Резерфордом. Дальнейшие эксперименты показали, что их масса чуть превышает массу протона и именно эта новая частица, не имеющая заряда, оказалась тем ингредиентом, которого недоставало для согласования численных результатов. После открытия Чедвика казалось, что все кирпичики, из которых построена материя, наконец обнаружены.

Модель выглядела чрезвычайно привлекательно. Четыре «стихии» Аристотеля – огонь, земля, воздух и вода – были сведены к трем частицам: электрону, протону и нейтрону. Из этих трех кирпичиков, как считали ученые, можно построить всю материю. Кислород: 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. Натрий: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Как будто бы зазвучала музыка сфер, и в основе материи лежали эти три ноты – протоны, электроны и нейтроны. Вся материя, по-видимому, состояла из целочисленных комбинаций этих трех частиц. Какие были основания ожидать, что и сами эти частицы образованы из еще меньших составляющих? Если бы это было так, то можно было бы рассчитывать увидеть дробные сочетания, расположенные между элементами периодической системы.

Но деление на этом не остановилось. Оказалось, что существуют весьма основательные экспериментальные и математические доводы в пользу делимости протонов и нейтронов. Однако кирпичики, составляющие протоны и нейтроны, обладают одним странным свойством: они не любят находиться в одиночестве. Они встречаются только группами, образуя объекты, подобные протонам или нейтронам. Вместе им безопаснее. Но, если такие частицы никто никогда не видел поодиночке, почему же ученые считают, что такие, еще меньшие, части, на которые можно разделить протоны и нейтроны, существуют?

4

Все, что мы называем реальным, сделано из того, что реальным считать нельзя.

Нильс Бор

В конце 1920-х гг. казалось, что все основные кирпичики, из которых построена материя, обнаружены. Все атомы периодической системы можно построить из сочетаний электронов, протонов и нейтронов. Все попытки дальнейшего деления электрона были безуспешными. Но открытия, сделанные в следующие десятилетия, привели ученых к пониманию того, что под остальными двумя кирпичиками скрывается следующий уровень реальности.

Основной толчок к пониманию того, что протоны и нейтроны могут быть не столь неделимыми, как электрон, был дан не какой-нибудь более хитрой технологией, а математическими соображениями симметрии. Поразительно, что лучшим микроскопом для изучения внутреннего устройства моей игральной кости снова и снова оказывается математика. Для объяснения существования протонов и нейтронов разрабатывалась математическая модель, и она была основана на математической концепции, допускавшей деление. А раз математическое представление можно было разделить на более мелкие части, то казалось, что и к самим протонам и нейтронам должен быть применим тот же принцип.

Математическая модель, благодаря которой возникла идея о делимости протона и нейтрона, появилась, когда физики открыли, что в дополнение к трем составляющим элементам устойчивых атомов существует множество других частиц.

Их открыли в экспериментах по столкновениям частиц. Речь шла не о построенных человеком коллайдерах, подобных LHC[39], а о природных столкновениях, которые происходят в верхних слоях атмосферы при прохождении сквозь нее космических лучей.

Зверинец частиц

Первое свидетельство существования новых частиц было найдено в камерах Вильсона, которые экспериментаторы использовали для восстановления траекторий заряженных частиц. Камера Вильсона состоит из герметичного бака, заполненного перенасыщенными парами воды и спирта. Перенасыщение паров приводит к тому, что любая пролетающая через камеру частица оставляет за собой конденсационный след.

В 1933 г. Карл Андерсон, физик, работавший в Калтехе[40], использовал такие камеры для подтверждения предсказанного за несколько лет до этого британским физиком Полем Дираком существования странного нового вида материи, называемого антивеществом. Предпринятая Дираком попытка объединения квантовой физики и теории электромагнетизма позволила объяснить многие особенности электронов, но его уравнения имели еще и полностью зеркальное решение, которое не соответствовало ничему, виденному до тех пор в лабораториях.

Уравнения Дирака были в некотором смысле аналогичны уравнению x2 = 4. У этого уравнения есть не только решение x = 2, но и зеркальное ему решение x = –2, так как (–2)2 тоже равно 4. Из зеркального решения уравнений Дирака следовало, что существует зеркальный вариант электрона, имеющий положительный заряд. Большинство считало это решение математическим курьезом, порожденным уравнениями, но, когда четыре года спустя Андерсон заметил в своей камере следы частицы, которая вела себя как электрон, отраженный в зеркале[41], антивещество перешло из теории в область реальности. Открытые Андерсоном позитроны, как их стали называть, возникли в результате взаимодействия частиц в верхних слоях атмосферы. И они не были единственными вновь появившимися частицами.

Вскоре после этого в камере оставили следы еще более странные частицы, вообще никем не предсказанные. В 1936 г. Андерсон начал анализировать эти новые следы вместе со своим аспирантом Сетом Неддермейером. Новые частицы, обнаруженные в камере Вильсона, были отрицательно заряженными. Но они не были электронами. Следы, оставленные этими новыми частицами, соответствовали значительно большей массе. Массу частицы можно определить по степени отклонения ее траектории в магнитном поле, в точности как это делал Томсон. Эта частица имела заряд, равный заряду электрона, но изогнуть ее траекторию было гораздо труднее.

Частица, называемая теперь мюоном, была одной из первых новых частиц, полученных из взаимодействия космических лучей с атмосферой. Мюон нестабилен. Он быстро распадается на другие частицы, чаще всего на электрон и два нейтрино. Нейтрино было еще одной новой частицей, существование которой было предсказано для объяснения распада нейтронов в протоны. Поскольку нейтрино почти не имеют массы и не имеют электрического заряда, они были экспериментально обнаружены лишь в 1950-х гг., но с теоретической точки зрения они были необходимы для объяснения распада как нейтронов, так и вновь найденных мюонов. Среднее время жизни мюона составляет 2,2 микросекунды, чего хватает, чтобы достаточное количество таких частиц достигло поверхности Земли не распавшись.

Мюоны помогли подтвердить предсказание о замедлении времени при приближении к скорости света, сделанное Эйнштейном в специальной теории относительности. С учетом периода их полураспада число мюонов, достигающих поверхности Земли, должно быть гораздо меньше наблюдаемого. Это противоречие объясняется замедлением времени на околосветовых скоростях. Если бы к мюону можно было прикрепить часы, они показали бы, что до его соударения с Землей прошло меньшее время. Таким образом, большее число мюонов просуществовало бы до этого момента, что и подтверждается экспериментом. Мы еще вернемся к этому вопросу на пятом «рубеже», когда будем рассматривать время и связанные с ним пределы познания.

Мюон казался поразительно похожим на электрон, но более массивным и менее стабильным. Услышав об этом открытии, американский физик Исидор Раби язвительно заметил: «Такого никто не заказывал». Существование в природе более тяжелой и неустойчивой копии электрона казалось странным и ненужным. Раби и не подозревал, как много других частиц еще оставалось в этом меню.

Осознав, что взаимодействие космических лучей с верхними слоями атмосферы порождает новые формы материи, физики решили не ждать, пока частицы долетят до камер, установленных в лабораториях, так как к этому моменту они могут распасться на уже известные виды материи. Поэтому камеры Вильсона стали устанавливать на большей высоте, надеясь поймать в них другие частицы.

Исследователи из Калтеха выбрали вершину горы Вилсон, расположенной вблизи города Пасадены, в котором они работали. И действительно, они обнаружили новые следы, указывающие на существование новых частиц. Другие группы, пытаясь зарегистрировать другие взаимодействия, устанавливали фотопластинки в обсерваториях в Пиренеях и в Андах. Ученые, работающие в Бристоле и Манчестере, тоже обнаружили на своих фотопластинках следы новых частиц. Как оказалось, Раби следовало беспокоиться не о мюонах. На свет явился целый зверинец частиц.

Масса некоторых из них была равна одной восьмой массы протона или нейтрона. Такие частицы, названные пионами, встречались двух видов – с положительным и отрицательным зарядом. Электрически нейтральная разновидность, зарегистрировать которую было труднее, была открыта позже. В Манчестере были получены два снимка из камеры Вильсона, на которых некая нейтральная частица, по-видимому, распадалась на пионы. Масса этой новой частицы была приблизительно равна половине массы протона. В камере, установленной на вершине горы Вилсон, были получены другие свидетельства, подтверждающие открытие таких частиц, названных каонами, которых было найдено четыре вида.

Со временем открывали все новые и новые частицы, так что общая картина стала совершенно неподъемной. В 1955 г. нобелевский лауреат Уиллис Лэмб съязвил в своей благодарственной речи: «Если раньше за открытие новой частицы давали Нобелевскую премию, то теперь за это следовало бы штрафовать на десять тысяч долларов». Когда ученые выяснили, как химические элементы образуются из электронов, протонов и нейтронов, они надеялись упростить периодическую систему. Однако оказалось, что эти три частицы были лишь вершиной айсберга. Теперь обнаружилось более сотни разных частиц, которые, по-видимому, образовывали те кирпичики, из которых состоит материя. Энрико Ферми сказал тогда одному студенту: «Молодой человек, если бы я знал названия всех этих частиц, я был бы ботаником».

Начались поиски объединяющего принципа, который объяснил бы существование мюонов, пионов, каонов и других частиц, – так же как Менделееву удалось найти порядок классификации элементов и логику их расположения в периодической системе.

Основополагающая структура, которая наконец позволила понять логику этого зверинца частиц – так сказать, нарисовать план, позволяющий не заблудиться в зоопарке, – оказалась в итоге математическим объектом.

План зоопарка частиц

Когда пытаешься что-то классифицировать, полезно выделить некую основную характеристику, позволяющую разделить множество неупорядоченных объектов на меньшие группы. Так, идея биологического вида помогла установить некий порядок в животном царстве. В случае физики элементарных частиц одной из важных неизменяемых характеристик, которые позволили разбить весь этот зоопарк на меньшие группы, был электрический заряд. Как та или иная частица взаимодействует с электромагнитным полем? Электроны отклоняются в нем в одну сторону, протоны – в другую, а нейтроны вообще его не замечают.

По мере обнаружения новых частиц их можно было сортировать при помощи электромагнитного поля. Некоторые из них отправлялись в клетку к электрону, другие – к протону, а остальные следовало поместить вместе с нейтроном. Так был сделан первый шаг к упорядочению зверинца частиц.

Но электромагнитное взаимодействие – это лишь одна из четырех известных нам сил, связывающих Вселенную воедино. Три остальные силы – это гравитация, сильное ядерное взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны, удерживая их вместе внутри атомного ядра, и, наконец, слабое ядерное взаимодействие, управляющее такими процессами, как радиоактивный распад.

Задача состояла в выделении других характеристик, которые подобно электрическому заряду могли бы выявить разное поведение этих частиц с точки зрения других фундаментальных взаимодействий. Например, хорошим критерием для установления некоторой иерархии в зоопарке частиц была их масса. По этому признаку можно сгруппировать вместе пионы и каоны, масса которых на порядок меньше, чем у протонов и нейтронов, из которых состоит обычная материя. В другую группу входили вновь открытые сигма-, кси– и лямбда-гипероны, более тяжелые, чем протоны и нейтроны, и часто распадающиеся на протоны и нейтроны.

Частицам с близкой массой часто присваивали одинаковые греческие названия. Собственно говоря, массы протона и нейтрона настолько близки, что их тоже считали родственными частицами, и немецкий физик Вернер Гейзенберг (идеи которого легли в основу нашего следующего «рубежа») придумал для них новое общее название – нуклоны. Но масса все же была грубоватым критерием для классификации частиц. Физики искали чего-то более фундаментального, какой-нибудь закономерности, которая была бы так же эффективна, как и открытый Менделеевым принцип расположения атомов.

Ключевым элементом, позволившим разобраться в этой лавине новых частиц, стало новое свойство, называемое странностью. Название это возникло в связи со странным поведением некоторых из таких частиц при их распаде. Поскольку, в соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc2, масса эквивалентна энергии, а природа предпочитает низкоэнергетические состояния, частицы с большей массой часто стремятся распасться на менее массивные частицы.

Существует несколько механизмов такого распада, каждый из которых основан на одном из фундаментальных взаимодействий. Каждый из механизмов имеет свои характерные признаки, что позволяет физикам понять, какое из фундаментальных взаимодействий вызывает данный распад. Наиболее вероятное для распада той или иной частицы взаимодействие также определяется энергетическими соображениями. Сильное ядерное взаимодействие обычно приводит к распаду частицы быстрее всего, в течение 10–24 секунды. Следующим в этой иерархии идет электромагнитное взаимодействие, которое может вызвать испускание фотонов. Слабое ядерное взаимодействие наименее выгодно энергетически, а потому занимает большее время. Распад частицы через слабое ядерное взаимодействие может занять около 10–11 секунды. Таким образом, измеряя время, проходящее до распада, можно выявить признаки участия в нем того или иного взаимодействия.

Например, дельта-барион распадается за 6 · 10–24 секунды на протон и пион через сильное ядерное взаимодействие, а сигма-гиперон распадается на те же протон и пион за 8 · 10–11 секунды. Большее время распада говорит о том, что он происходит с участием слабого ядерного взаимодействия. Между двумя этими случаями мы находим пример нейтрального пиона, распадающегося через электромагнитное взаимодействие на два фотона, что занимает 8,4 · 10–17 секунды.

Представим себе шар, лежащий в ложбине. Если слегка подтолкнуть шар вправо, он перекатится через бугорок и попадет в более глубокую ложбину. Этот путь соответствует сильному ядерному взаимодействию. Слева от шара расположен более высокий бугорок, за которым также лежит состояние с более низкой энергией. Это направление соответствует действию слабого ядерного взаимодействия.

Так почему же дельта-барион находит легкий путь через низкий бугорок, а сигма-гиперон преодолевает дополнительные препятствия? Такое поведение казалось странным. Получалось, что некоторые частицы наталкиваются на некий барьер (обозначенный прерывистой линией), который мешает им попасть в нижнюю ложбину по легкому пути.

Дельта-барион (Δ) распадается на протон и пион через сильное взаимодействие. В отличие от него сигма-гиперон (Σ) распадается через слабое взаимодействие

Красота должна быть странной

Физики Абрахам Пайс, Мюррей Гелл-Манн и Кадзухико Нисидзима придумали хитроумный способ разрешения этой загадки. Они предложили новое свойство, подобное заряду, которое определяло, могут или не могут такие частицы участвовать в сильном взаимодействии. Такое новое свойство, названное странностью, позволило физикам классифицировать все эти новые частицы. Каждой частице можно было присвоить значение странности в соответствии с тем, проходил или не проходил ее распад по «длинному пути».

Идея состояла в том, что сильное взаимодействие не может изменить странность частицы, так что если две частицы имеют разную странность, то распад одной в другую через сильное взаимодействие невозможен. На пути в нижнюю ложбину стоит барьер. Однако слабое взаимодействие может изменить странность. Поэтому, раз дельта-барион распадается в протон через сильное взаимодействие, обе эти частицы имеют одинаковую странность, равную 0; в то же время сигма-гиперон имеет другое значение странности, так как для его распада в протон необходимо слабое взаимодействие, и ему приписали странность, равную –1. То, что это значение получилось отрицательным, связано только с причудами нумерации разных частиц. Если бы оно было равно 1, а не –1, ничего не изменилось бы.

Затем были обнаружены еще более экзотические частицы, возникающие в высокоэнергетических столкновениях, – они распадались в два этапа. Их назвали каскадными частицами и предположили, что они обладают двойной странностью, то есть имеют странность, равную –2. Результат первого этапа распада имеет странность –1 и распадается на протоны и нейтроны, имеющие нулевую странность. Это несколько похоже на фокус с вытягиванием кролика из шляпы, но он составляет часть научного процесса. В науке то и дело приходится извлекать что-нибудь из шляпы. Большую часть извлеченного приходится отбрасывать, так как она ни на что не годится. Но, если вытаскивать достаточно долго, рано или поздно попадется кролик. Гелл-Манн рассказывал: «Я придумал теорию странности, когда объяснял кому-то одну неправильную идею: я случайно оговорился, и получилась теория странности». Как оказалось, странность была в высшей степени замечательным кроликом.

Исходно понятие странности было введено в качестве бухгалтерского фокуса, приема, который облегчал учет каналов распада из одних частиц в другие. Никто не предполагал, что в идее странности содержится какой бы то ни было физический смысл. Она была нужна, только чтобы установить очередной набор клеток в зоопарке частиц. Но эта новая характеристика оказалась первым намеком на существование гораздо более глубокой физической реальности, действующей под всеми этими частицами. Ключевой момент настал, когда частицы со сходной массой нанесли на график, связывающий значения странности и электрического заряда. Получившаяся картина была преисполнена симметрии.

Частицы расположились по шестиугольной решетке, причем в центральной точке этой решетки находились сразу две частицы. Если пионы и каоны расположить на графике зависимости странности от заряда, то тоже получается сходная структура. Когда получаешь такую конструкцию, это несомненно что-то значит. Ключ к пониманию более глубокой реальности, лежащей за этими частицами, состоял в осознании того, что шестиугольные структуры, которые они образовывали, не были чем-то новым – они встречались и раньше. Не в физике, а в математике симметрии.

Симметричное просветление

Для человека, изучавшего математику симметрии, такая шестиугольная система клеток со сдвоенной точкой в центре выглядит очень знакомо. Она является визитной карточкой вполне конкретного симметричного объекта, называемого группой SU(3).

На мой взгляд, это великолепно. Про симметрию я знаю. У меня появляется шанс понять, что происходит в глубинах моей игральной кости. Собственно говоря, моя кость – это идеальное средство объяснения идей, которые лежат в основе математики симметрии. Преобразованиями симметрии такого кубика (если пренебречь очками на его гранях) называются все способы взять кубик, повернуть его и положить обратно так, чтобы он выглядел точно таким же образом, как раньше. Всего таких движений существует 24. Например, кубик можно просто повернуть на четверть оборота вокруг одной из граней или повернуть его на треть оборота вокруг одной из осей, проходящих через противоположные углы кубика.

Всего разных вариантов действий существует 24 (включая тот странный вариант, в котором кубик вообще можно оставить в покое и ничего с ним не делать). Этот набор симметричных движений называют S 4 или группой симметрии четвертого порядка. С учетом зеркальной симметрии, то есть того обстоятельства, что кость также можно увидеть в зеркальном отражении, у такого кубика имеется 48 разных симметрий.

Кубик следует рассматривать как геометрическую форму в трехмерном пространстве, на которую воздействует группа симметрии S 4. Но существуют и другие геометрические формы, имеющие те же симметрии. Например, другой трехмерной геометрической формой, группа симметрии которой та же, что и у куба, является октаэдр. Кроме того, существуют объекты более высоких размерностей, также имеющие группу симметрии S 4. Таким образом, имеется много разных геометрических форм, в основе которых лежит одна и та же группа симметрии.

В основе шестиугольной схемы систематизации частиц лежит не группа симметрии игральной кости, а другой симметричный объект, называемый SU(3). Обозначение SU(3) означает «специальная унитарная группа третьего порядка», но такая группа может описывать симметрии разных геометрических объектов разной размерности. Шестиугольная решетка, образованная частицами, совпадает с конструкцией, которую математики используют для описания воздействия SU(3) на объект в восьмимерном пространстве. Восемь частиц, образующих решетку, соответствуют числу измерений, необходимых для создания такого симметричного объекта.

Этот шестиугольник стал тем розеттским камнем, который открыл для физики элементарных частиц совершенно новое направление, хотя для описания этого переворота обычно используют другую культурную аналогию. Путеводный свет этой фигуры с восемью частицами, соответствующей такому восьмимерному представлению, привел к так называемому «восьмеричному пути», название которого цитирует буддистскую идею восьмеричного пути к духовному просветлению.

Существуют и другие фигуры, соответствующие объектам разных размерностей, на которые может воздействовать SU(3). Восхитительное откровение состояло в том, что эти другие схемы можно использовать для расположения других обитателей нашего зверинца частиц. Оказалось, что разные геометрические представления симметрий группы SU(3) отвечают за разные физические частицы, из которых состоит материя Вселенной.

Я не перестаю поражаться тому, как физический мир снова и снова оказывается математическим объектом. Спрашивается, в том ли тут дело, что математика просто дает удобные средства для связного описания физической Вселенной, или же физическая Вселенная на самом деле является физическим проявлением математического объекта? Эта новая связь превратила физические частицы в геометрические элементы, стабилизированные группой симметрии, действующей в геометрическом пространстве.

Гейзенберг был прав, когда писал: «Современная физика определенно признала правоту Платона. Собственно говоря, мельчайшие элементы материи не есть физические объекты в обычном смысле этого слова; они являются формами, идеями, которые можно недвусмысленно выразить только на языке математики». На смену Платоновым икосаэдру воды и тетраэдру огня пришла эта новая странная симметричная форма группы SU(3).

Когда физический мир превращается в математический объект, я немедленно чувствую, что могу его понять. Математика симметрии – это мой язык. Для большинства людей превращение фундаментальных частиц в математические элементы означает отдаление от известных им понятий. Сравнение элементарных частиц с бильярдными шарами или волнами придает этим частицам большую осязаемость. Как можно понять что-либо, если оно не вытекает из нашего опыта физического взаимодействия с окружающим миром? Даже абстрактный язык восьмимерных симметричных объектов возможен лишь как абстрактное расширение идей о вещах, знакомых нам в своей физической форме, таких как симметрия моей игральной кости из Лас-Вегаса.

Многоликая симметрия

Тут важно отметить, что могут существовать несколько разных геометрических объектов, в основе которых лежит одна и та же группа симметрии. И наоборот, если имеется некая группа симметрии, могут существовать несколько разных геометрических объектов, симметрии которых описываются этой группой. Математики говорят, что объект является представлением абстрактной группы симметрии подобно тому, как три яблока или три игральные кости являются физическими проявлениями абстрактной концепции числа 3. Например, если взять все ту же игральную кость, ее можно повернуть 24 различными способами. Рассматривая четыре диагонали, проходящие между противоположными углами кубика, можно сказать, что такие повороты производят перестановки этих диагоналей.

Если поместить на углы кубика четыре игральные карты (туза, короля, даму и валета), то каждый поворот будет перетасовывать эти карты: всего существует 24 разных способа перетасовки четырех карт. Но можно получить и другое физическое представление этой группы симметрии. Возьмем тетраэдр и рассмотрим повороты и отражения этой фигуры: в этом случае также существуют 24 разные симметрии. Если приклеить игральные карты на грани четырехгранной треугольной пирамиды, то симметрии тетраэдра снова дают 24 разных варианта перетасовки этих карт. Эта группа симметрии имеет две разных трехмерных реализации в качестве симметрии геометрического объекта – одна из них включает в себя вращения куба, а другая – вращения и отражения тетраэдра. Оказывается, что если посмотреть на все физические геометрические представления группы SU(3) во всех измерениях, то эти симметричные объекты позволят создать все разнообразие появившихся фундаментальных частиц.

В 1961 г. два физика, Гелл-Манн и Юваль Неэман, независимо друг от друга выявили в этих частицах такие закономерности. При этом Неэман совмещал занятия физикой с карьерой в Силах обороны Израиля и был отправлен в Лондон на должность военного атташе. Сначала он собирался изучать общую теорию относительности в Кингс-колледже, но, поняв, что тот находится в нескольких милях от посольства Израиля, расположенного в Кенсингтоне, решил разузнать, чем занимаются по соседству, в Имперском колледже. Там занимались физикой элементарных частиц. Так Неэман переключился с предельно большого на предельно малое.

Хотя схема, составленная для частиц лямбда, сигма и кси, при добавлении протона и нейтрона соответствовала восьмимерной симметрии SU(3), в аналогичной схеме для каонов и пионов не хватало частицы, которая должна была быть в ее центре. Либо схема была ошибочной, либо существовала еще неоткрытая частица. Гелл-Манн опубликовал свое предсказание существования такой частицы в препринте Калтеха в 1961 г. И всего несколько месяцев спустя физики из Беркли[42] благополучно открыли эта-мезон.

Для новой теории это идеальный вариант развития событий. Если теория делает физическое предсказание, которое затем подтверждается, можно быть уверенным, что ставка сделана правильно. Та же история повторилась, когда и Гелл-Манн, и Неэман были в 1962 г. на конференции в ЦЕРН. На этой конференции было объявлено об открытии множества новых частиц – трех Σ*-гиперонов со странностью –1 и двух Ξ*-гиперонов со странностью –2. Предполагалось, что эти частицы должны соответствовать одной из схем, иллюстрирующих действие группы симметрии SU(3) на симметричный объект в более высоких измерениях.

Гелл-Манн и Неэман независимо друг от друга сидели на лекции, пытаясь встроить эти новые частицы в свои схемы, когда у обоих начала проявляться другая картинка, соответствующая еще одному симметричному объекту, на котором действует группа SU(3), – объекту десятимерному. Но один из углов схемы оставался незаполненным. Частиц было всего девять. Гелл-Манн и Неэман одновременно осознали, что одна позиция в схеме пустует, из чего следовало предсказание существования новой частицы. Первым поднял руку Гелл-Манн, который и предсказал омега-гиперон со странностью –3. Это предсказание было подтверждено в январе 1964 г.

История периодической системы Менделеева заново повторилась в XX в.: основополагающая закономерность была выявлена, но в головоломке не хватало некоторых элементов. Подобно тому как открытие недостающих атомов придало убедительности модели Менделеева, открытие этих недостающих частиц помогло убедить физиков в том, что эти математические схемы являются могущественным средством ориентации в зоопарке частиц.

Закономерности, открытые Менделеевым в периодической системе, оказались следствием того, что атомы элементов состоят из фундаментальных ингредиентов – протонов, электронов и нейтронов. Существовало ощущение, что закономерности, найденные во всех этих вновь открытых частицах, намекают на нечто похожее – на существование в основе сотен зарегистрированных частиц еще более фундаментальных кирпичиков.

Кварки – недостающий последний уровень?

Некоторые физики заметили, что если расположить схемы, соответствующие разным многомерным представлениям SU(3), послойно, получается конструкция в форме пирамиды, у которой отсутствует самый верхний слой. На вершине всего этого должно быть что-то похожее на простой треугольник. Такой треугольник соответствовал бы простейшему физическому представлению SU(3), действующему в трехмерной геометрии. Если посмотреть на эти слои с точки зрения симметрии, видно, что именно из недостающего слоя можно было бы получить все остальные слои. Но никто никогда не видел никаких частиц, которые соответствовали бы этому недостающему слою.

Среди тех, кто догадывался, что такой дополнительный уровень может предполагать три фундаментальные частицы, из которых могут быть построены все частицы, соответствующие следующим уровням, был Роберт Сербер, бывший правой рукой Оппенгеймера в «Манхэттенском проекте». В 1963 г. за обедом Сербер рассказал об этой идее Гелл-Манну, но, когда Гелл-Манн спросил его, какой электрический заряд могли бы иметь эти гипотетические частицы, Сербер затруднился с ответом. Гелл-Манн начал писать на салфетке и вскоре получил ответ. Их заряд должен быть равен 2/3 или –1/3 заряда протона. Такой ответ казался бессмысленным. «Странный был бы выверт»[43], – заметил Гелл-Манн. Никаких объектов, заряд которых не был бы равен целому числу зарядов электрона или протона, в истории физики никогда не наблюдалось.

Треугольник, предполагающий существование трех новых частиц: верхнего, или u-кварка, нижнего, или d-кварка, и странного, или s-кварка[44]

Ситуация напоминала времена Пифагора. Считалось, что все состоит из целых чисел, как вдруг появилось нечто, что, по-видимому, делило эту фундаментальную единицу на части. Дроби задавались отношениями целых чисел, но до сих пор никто никогда не встречал таких дробных зарядов. Сначала Гелл-Манн отнесся к таким гипотетическим частицам с дробным зарядом скептически, но к вечеру они начали ему нравиться. В последующие недели он стал исследовать возможные следствия этой идеи, называя такие частицы «кворками» – это словечко он использовал и раньше в смысле «непонятные штучки». Сербер считает, что Гелл-Манн обыгрывал в нем тот странный выверт, «quirk», о котором он говорил за обедом.

Читая экспериментальный роман Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», Гелл-Манн набрел на отрывок, определивший правописание слова, которое он стал использовать для обозначения этих гипотетических частиц. Его внимание привлекла первая строчка стихотворения, высмеивающего короля Марка, обманутого мужа, в легенде о Тристане и Изольде: «Three quarks for Muster Mark!»[45]

С учетом того, что таких гипотетических частиц, из которых можно построить другие слои, было три, аналогия казалась точной. Единственная трудность заключалась в том, что Джойс явно считал, что слово «quark» должно рифмоваться с именем «Марк», а не со словом «кворк». Тем не менее утвердились именно те правописание и произношение, которые понравились Гелл-Манну[46].

В конце концов такие кварки составили последний, по нашим представлениям, уровень устройства материи. Но идея эта прижилась не сразу. Когда Гелл-Манн говорил о кварках по телефону со своим бывшим научным руководителем, тот перебил его: «Мюррей, хватит шутить. Мы же разговариваем по международной связи».

С точки зрения Гелл-Манна, система казалась слишком красивой, чтобы не содержать в себе хотя бы какой-то истины. Идея заключалась в том, что под всеми этими слоями частиц лежит еще один уровень из трех фундаментальных частиц – верхнего кварка, нижнего кварка и странного кварка, заряды которых равны, соответственно, 2/3, –1/3 и –1/3. Остальные частицы образованы из сочетаний этих кварков (и их античастиц, как в случае каонов и пионов). Число странных кварков, использованных в конструкции частицы, определяет ее странность. Таким образом, схему восьмеричного пути, состоящую из протона, нейтрона и сигма-, кси– и лямбда-гиперонов, теперь можно перерисовать с учетом таких кварковых ингредиентов.

Кварковые составляющие восьмеричного пути

При каждом шаге вверх по этой схеме число странных кварков уменьшается на единицу. Если двигаться в направлении увеличения заряда, то на каждом шаге увеличивается число верхних кварков, имеющих заряд 2/3. Существует еще и третье направление, которое определяет увеличение числа нижних кварков. Схожие закономерности существуют и в других слоях частиц.

Идею разборки материи на такие более мелкие частицы обдумывал не только Гелл-Манн. Американский физик Джордж Цвейг тоже полагал, что эти схемы указывают на существование более фундаментального уровня частиц. Он называл их тузами, но при этом он, вероятно, в большей степени, чем Сербер или Гелл-Манн, верил в физическую реальность таких частиц. Руководитель теоретического отдела ЦЕРН посчитал его препринты, в которых он излагал свои мысли, «полной чушью». Даже Гелл-Манн, высказывавший схожие идеи, считал их всего лишь математической моделью, позволяющей внести в схемы некий согласованный порядок. Для него они были мнемоническим приемом, а не реальными объектами. Гелл-Манн не соглашался с Цвейгом, верившим в физическую реальность кварков: «Модель реальных кварков – это для тупиц!»

От фантазии к реальности

Все это изменилось в конце 1960-х гг. благодаря результатам, полученным в экспериментах в Стэнфордском центре линейного ускорителя[47], в которых протоны бомбардировали электронами. В соответствии с анализом заряда протона предполагалось, что его размеры должны составлять порядка 10–15 м. Считалось, что протон должен быть однородно распределен по этой малой области. Однако, когда на сгусток протонов направили электроны, экспериментаторы были поражены полученной картиной рассеяния. Как и в случае удививших Резерфорда результатов бомбардировки атомов золота альфа-частицами, оказалось, что протон, как и атом, в основном состоит из пустого пространства.

Картина рассеяния соответствовала протону, состоящему из трех частиц меньшего размера. Как и в опытах Резерфорда, какой-нибудь электрон время от времени точно попадал в одну из этих трех точек и отражался обратно, в направлении источника электронов. Эксперимент, по-видимому, подтверждал представление о протоне, состоящем из трех кварков. Хотя никто никогда не видел отдельного кварка, картина рассеяния электронов указывала на то, что три более мелкие частицы, из которых образован протон, действительно существуют.

Выяснилось, что тупицы были правы. Верхний, нижний и странный кварки оказались не просто математическими фокусами, но элементами физической реальности. Затем выяснилось, что этих трех кварков недостаточно для всех новых частиц, и в конце концов у нас оказалось шесть кварков и соответствующие им античастицы. В дополнение к трем кваркам, окрещенным Гелл-Манном, появились еще три: очарованный кварк, истинный кварк и прелестный кварк[48].

Открытие этого способа упорядочения зверинца физических частиц при помощи математики симметрии стало одним из самых захватывающих открытий ХХ в. Увидеть, как все эти фундаментальные частицы выстраиваются в готовые схемы, уже существовавшие в математике симметрии, наверное, было совершенно восхитительно. Если бы я выбирал, какое физическое открытие хотел бы совершить, это открытие имело бы хорошие шансы на победу. Мне кажется, это было похоже на ощущения археолога, который находит узор, до сих пор встречавшийся только на другом конце света. Когда обнаруживаешь такие характерные узоры, становится очевидно, что между этими двумя культурами должна существовать какая-то связь.

Странная особенность этой пирамиды из треугольников и шестиугольников, соответствующих различным представлениям группы SU(3), заключается в том, что она продолжается до бесконечности, из чего следует, что, склеивая вместе все больше и больше кварков, можно получать все новые и новые экзотические частицы. Физическая модель, по-видимому, заканчивается на уровне, в котором располагаются частицы, собранные из трех кварков. Однако в 2015 г. появились волнующие сообщения об обнаружении на LHC свидетельств существования частицы, состоящей из пяти кварков. Исследователи из ЦЕРН чуть не упустили эту частицу, которую назвали пентакварком, приняв ее за фоновый шум. Но, когда они попытались удалить этот шум, они обнаружили мощный сигнал, указывающий на следующий уровень пирамиды симметрий. Как сказал один из ученых, работающих в ЦЕРН: «Мы не искали пентакварк. Это он нас нашел».

До каких пределов мы можем углубляться в математику в поисках предсказаний того, что еще можно увидеть на LHC? Например, существует ли еще более крупный симметричный объект под названием SU(6), который может объединить все шесть кварков – верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и прелестный – в множество потрясающих частиц. Тогда вместо двумерной схемы, в которой мы распределяли частицы по семействам, понадобилась бы схема пятимерная. Хотя создание некоторых из таких более экзотических комбинаций кварков и представляется возможным, различия между массами кварков становятся все больше, что приводит к нарушению прекрасной математической симметрии и делает реальное существование таких частиц все менее вероятным. Например, t-кварк настолько нестабилен, что распадается, даже не успев соединиться с каким-нибудь другим кварком. Физики не могут ответить на вопрос о причинах таких различий между массами кварков – то есть пока не могут. Математика, по-видимому, предлагает гораздо большее разнообразие частиц, чем может выдержать физическая реальность. Реальность кажется лишь бледной тенью математических возможностей. Однако понимание даже этой реальности по-прежнему остается непростым делом.

Я должен признать, что, даже имея в своем распоряжении математический аппарат, на разработку которого я потратил многие годы, я не уверен, что действительно понимаю, что такое кварки. Я провожу целые месяцы за изучением книг по физике элементарных частиц, таких как «Квантовая механика и частицы природы»[49] Энтони Садбери, и конспектов лекций оксфордских курсов по симметрии и физике элементарных частиц. И вот, сидя тут в окружении всех этих историй о внутреннем устройстве моей игральной кости, я понемногу начинаю впадать в отчаяние. Того, чего я все еще не знаю, так много: интегралы по путям, описывающие будущее частиц, внутреннее устройство уравнений Клейна – Гордона, точный смысл диаграмм Фейнмана, которые физики с такой легкостью рисуют на доске… Я с завистью смотрю на своего сына, который только начинает изучать физику. У него будет время погрузиться в этот мир, узнать все это так же близко, как я знаю область своей работы.

То же и с виолончелью. Я взрослый человек и хочу играть сюиты Баха сейчас, а не через десять лет. Но обучение трубе заняло у меня годы, и только медленная, постепенная, настойчивая учеба может вывести меня на тот уровень, на котором я смогу играть эти сюиты. По крайней мере, в этом месяце мне наконец удалось сдать экзамены за третий класс. Я сам удивился, как я нервничал. Смычок трясся у меня в руках. И хотя вокруг меня были сплошные одиннадцатилетки, ждавшие своего экзамена по блок-флейте за первый класс, чувство успеха все равно было очень приятным.

Я знаю, что, как и в случае с виолончелью, если я проведу достаточно долгое время в мире физики элементарных частиц, у меня есть надежда узнать кое-что из того, чем мои коллеги с физического факультета в соседнем корпусе живут изо дня в день. Меня пугает сознание того, что мне не хватит времени узнать все. Но даже те физики, которые с такой завидной для меня легкостью играют с нашим современным уровнем знаний, признаю́т, что никогда не смогут точно знать, что знают всё.

Ковбои и кварки

Чтобы узнать, думают ли специалисты в области физики элементарных частиц, что известная нам сегодня кварковая головоломка может быть составлена из еще более мелких кусочков, я договорился о встрече с одной из тех, кто открыл один из последних фрагментов этой головоломки. Мелисса Франклин, ставшая сейчас профессором в Гарварде, была одним из участников группы, которая обнаружила t-кварк в эксперименте, проведенном в Фермилаб[50]. В противоположность распространенному мнению открытие частицы – это не момент озарения, а долгий и медленный процесс. Но Франклин считает, что так даже лучше: «Если бы это был просто “бум!”, было бы неинтересно. Тратишь 15 лет на строительство машины, а потом вдруг бум! – и все кончено? Ужас». Сбор данных, начатый в 1994 г., занял около года, и только в 1995-м исследовательская группа решила, что получено достаточно доказательств, чтобы уверенно подтвердить открытие этой частицы, предсказанной математиками.

Франклин определенно находится с экспериментальной, а не с теоретической стороны границы, разделяющей физиков. Она предпочитает работать дрелью, а не карандашом и участвовала в сооружении детектора в Фермилаб с начала и до конца.

Мы оба выступали с докладами на Римском фестивале науки, посвященном теме непознаваемого, поэтому договорились встретиться в холле той довольно странной гостиницы, оформленной по мотивам игры в поло, в которой мы жили. Поскольку Франклин расхаживает у себя на работе в ковбойских сапогах, я предположил, что ей, может быть, уютнее находиться в этой гостинице, покрытой изображениями лошадей, чем мне.

Однако ее появление было чрезвычайно драматичным: первым делом она упала с лестницы, ведущей в холл. Отряхнувшись, она как ни в чем не бывало подошла ко мне и села.

Мне очень хотелось узнать, думает ли она, что кварки – это последний уровень, или же под этими частицами, в открытии которых она принимала участие, могут скрываться другие структуры.

«Мы дошли до масштаба 10–18 метра. Следующие семь или восемь порядков величины изучать довольно трудно. Но там конечно же много чего может случиться. Странно думать, что я могу умереть до того – особенно если я и дальше буду падать с лестниц, – что я могу умереть еще до того, как мы продвинемся дальше».

Я спросил, могут ли существовать фундаментальные ограничения того, что мы можем знать.

«Точно есть пределы, которые не будут преодолены при моей жизни, но я не уверена, есть ли другие ограничения. Когда в экспериментальной физике говорят, что чего-то никак нельзя сделать, это лучший способ устроить так, чтобы кто-нибудь придумал, как это можно сделать. В течение моей жизни я никогда не смогу измерить что-то, распадающееся за 10–22 секунды. Я не думаю, что это возможно. Но это не значит, что можно доказать, что это в принципе непознаваемо.

Раньше мы не могли себе представить лазер или атомные часы, да? Я думаю, что все ограничения в физике будут атомными, потому что все, что мы делаем, связано с атомами. Я понимаю, это звучит странно, но в детекторе должны быть атомы».

Интересно, как Эйнштейн вывел существование атомов из наблюдения того, как они воздействуют на что-то видимое – на зерна пыльцы или на угольную пыль. А сегодня мы знаем о существовании кварков по тому, как частицы отражаются от протонов. Так что, возможно, существуют способы заглянуть еще глубже.

«Я уверена, что Гейзенберг или Бор и представить себе не могли то, что мы сегодня можем измерить. Наверное, то же самое можно будет сказать и о нашем поколении… хотя мы-то, конечно, гораздо умнее», – смеется она.

Мне кажется, что эта проблема встает перед каждым поколением. Как можно знать заранее, какие хитрые новые методы можно придумать, чтобы копнуть ткань Вселенной еще немножко глубже? Но Франклин интересует еще и другой вопрос: какую часть того, что уже содержится в данных, получаемых из детекторов нынешнего поколения, мы не замечаем?

«Многие молодые ученые, работающие в моей области, не верят, что можно найти что-то новое, не предсказанное теоретиками. Это очень грустно. Когда мы натыкаемся на что-то, что не было предсказано теорией, мы чаще всего считаем, что это ошибка, и отбрасываем такой результат как флуктуацию. Это меня беспокоит, потому что наши эксперименты устроены таким образом, что там есть триггеры, которые срабатывают на определенные вещи – но только на те вещи, которые мы ищем, а не на другие. Интересно, что мы при этом пропускаем».

Такая судьба, видимо, чуть не постигла пентакварк, об открытии которого недавно объявили в ЦЕРН. Его чуть не посчитали шумом. Поскольку я писал книгу о том, чего мы знать не можем, Франклин спросила меня, согласился бы я узнать все, если бы это можно было сделать одним нажатием кнопки. И когда я уже протянул руку к ее гипотетической кнопке, чтобы продать душу дьяволу за знание доказательств всех теорем, над которыми я работаю, она меня остановила.

– Я бы этого не делала.

– Почему?

– Потому что так неинтересно. То есть существуют какие-то вещи: если бы я могла нажать на кнопку и тут же бегло заговорить по-итальянски, я бы нажала. Но не в науке. Мне кажется, дело в том, что так на самом деле нельзя ничего понять. Нужно приложить усилия. Нужно пытаться что-то измерить, стараться что-то понять.

Я был заинтригован. Неужели она не нажала бы на кнопку, если бы могла узнать, существуют ли за кварками другие частицы?

– Если бы мне просто объяснили методику, это было бы здорово. Но одна из главных причин, по которым мы вообще занимаемся наукой, – это появление новых идей. Бороться за знания интереснее. Так что с кнопкой все не так просто.

Мне кажется, что Франклин просто нравится делать новые вещи, искать новые частицы, управляя погрузчиками и сверля дырки в бетоне, а не размышлять за письменным столом.

– Экспериментаторы кое в чем похожи на ковбоев. Зааркань-ка вон ту штуку и тащи ее сюда. И не обращай внимания на того парня, который сидит в углу и о чем-то там думает. Когда мне будет 60, я стану менее категоричной и предубежденной. Уйду из ковбоев… Нет, не хочу уходить из ковбоев… Не знаю… Это трудно. Ковбои не так-то просты. Ходить на работу в ковбойских сапогах – это своего рода позиция.

С этими словами она села в такси и укатила в римский закат, навстречу новым научным приключениям, в поисках знаний, которые можно было бы заарканить.

Виолончель или труба?

В самом ли деле кварки, в открытии которых участвовала Франклин, образуют самый последний рубеж, или же когда-нибудь их можно будет разделить на меньшие части подобно тому, как атом разделили на электроны, протоны и нейтроны, а их, в свою очередь, – на кварки?

Многим физикам кажется, что имеющиеся сейчас экспериментальные данные в сочетании с математической теорией, которая обосновывает эти эксперименты, дают нам ответ на вопрос о сущности действительно неделимых частиц, из которых состоит игральная кость. Как все 118 элементов периодической системы могут быть сведены к различным комбинациям базовых структурных элементов трех видов – электронов, протонов и нейтронов, – так и сотни новых частиц, обнаруженных в столкновениях космических лучей, могут быть сведены к простому набору ингредиентов. Дикое разнообразие зверинца частиц укрощено. Но насколько можно быть уверенным в том, что его ворота не откроются снова и из них не появятся новые звери? По правде говоря, физики не знают, закончена ли эта история.

В симметрической модели, лежащей в основе систематизации этих частиц, треугольник, соответствующий кваркам, является последним неделимым слоем из всех, описывающих различные физические представления группы SU(3). Математика симметрии предполагает, что мы достигли дна. Треугольник, соответствующий кваркам, образует неделимый слой, из которого образуются все остальные слои. То есть математика симметрии говорит нам, что мы добрались до неделимого. И все же не повторяем ли мы ошибку Гелл-Манна, отвергшего сперва идею кварков на том основании, что они имеют дробный заряд? Однако у кварков и электронов есть еще одна характеристика, которая до некоторой степени обосновывает веру в их неделимость: они, по-видимому, не имеют объема, но ведут себя так, как если бы они были сосредоточены в одной точке.

С точки зрения математики геометрические формы образуются трехмерными телами, двумерными плоскостями, одномерными прямыми и ноль-мерными точками. Странность заключается в том, что все они были задуманы как абстрактные объекты, не имеющие физического воплощения в нашем трехмерном мире. Действительно, что такое прямая линия? Если провести линию на бумаге и посмотреть на нее под микроскопом, можно увидеть, что она имеет некоторую ширину. То есть на самом деле это не прямая. Собственно говоря, она имеет еще и некоторую высоту, потому что атомы, нанесенные карандашом на бумагу, образуют на ней маленький графитовый (или из чего там сейчас делают карандаши) хребет.

Точно так же точку в пространстве можно определить ее координатами GPS, но никто не ожидает, что какой-нибудь объект будет расположен только в этой точке и нигде больше. Точку нельзя увидеть. Ее размеры равны нулю. И тем не менее электрон во многих отношениях ведет себя так, как если бы он был сосредоточен в единственной точке пространства, и так же ведут себя кварки внутри протона и нейтрона. Картина рассеяния электронов на электронах, а также на кварках внутри протонов и нейтронов имеет смысл только в модели, в которой эти частицы не имеют объема. Если придать им объем, рассеяние будет выглядеть по-другому. А если они действительно являются точечными частицами, трудно ожидать, что они могут быть разобраны на части.

Но тогда как быть с массой электрона? Чему равна плотность электрона? Отношению его массы к объему. Объем равен нулю. Результат деления на ноль равен бесконечности. Бесконечности? Что же, каждый электрон есть маленькая черная дыра? Тут мы полностью переходим на территорию квантового мира, поскольку, как мы увидим на следующем «рубеже», ответить на вопрос о том, где находится частица, оказывается не так легко, как можно было бы ожидать.

Значит ли это, что дискретные ноты трубы победили непрерывное глиссандо виолончели? Очень трудно выяснить, закончилась ли эта история. Атомы считались неделимыми из-за неделимости целых чисел, которые управляли их возможными сочетаниями. И все же в конце концов они распались на мелкие части, которые и составляют наше современное представление о строении Вселенной. Почему же не предположить, что, по мере того как мы копаем глубже и глубже, история будет повторяться и преподносить нам все новые и новые сюрпризы? Почему вообще должно существовать какое-то начало, первый уровень, из которого сделаны все остальные? Это классическая проблема бесконечной регрессии, с которой мы еще не раз встретимся. Как сказала однажды одна пожилая дама ученому, высмеивавшему ее теорию о том, что мир покоится на спине черепахи: «Вы очень, очень умный молодой человек, но только там одна черепаха на другой – и так до самого конца!»[51]

Даже если электроны и кварки – это частицы, каждая из которых сосредоточена в единственной точке пространства, нет причин, по которым точка не могла бы состоять из двух точек и ее нельзя было бы растянуть на части. А может быть, существуют скрытые измерения, с которыми мы еще не умеем взаимодействовать? Таково предположение теории струн. В ней считается, что точечные частицы на самом деле представляют собой одномерные струны, вибрирующие на резонансных частотах, причем разные частоты создают разные частицы. Кажется, что мы описали полный круг и вернулись к Пифагоровой модели мира. Возможно, виолончель все-таки побеждает трубу, а фундаментальные частицы – это на самом деле просто вибрирующие струны.

Если задаться поисками того, чего мы никогда не сможем узнать, то вопрос о том, из чего состоит игральная кость, вполне можно отнести к этой категории. История того, что мы знаем об этой кости, полна предостережений. Окажемся ли мы когда-нибудь в положении, в котором не останется неоткрытых уровней реальности? Сможем ли мы когда-нибудь узнать, что наша новейшая теория – это последняя теория?

Тут, однако, может возникнуть еще одна трудность. Современная теория предельно малого – квантовая физика – утверждает, что в теории имеются неустранимые пределы познания. Как будет показано на следующем «рубеже», пытаясь разделить игральную кость на все более мелкие части, в некоторый момент мы натыкаемся на барьер, который не можем преодолеть.

Рубеж третий: Банка урана

5

Абсолютно необходимое условие прогресса в науке – неопределенность как фундаментальная часть внутренней природы ученого.

Ричард Фейнман[52]

Чего только не купишь в интернете! Сегодня почта доставила мне баночку радиоактивного урана-238. Реклама уверяла меня, что она «полезна для опытов по ядерной физике». Меня порадовали комментарии других покупателей: «Очень рад, что мне больше не придется покупать его у ливийцев на парковке торгового центра». Другой покупатель был не столь доволен: «Я приобрел этот продукт 4,47 миллиарда лет назад, а сегодня я открыл банку, и она была наполовину пуста».

Уран встречается в природе, и меня заверили в том, что баночка, стоящая сейчас на моем столе, не представляет никакой опасности. Инструкция только предупреждает меня не размалывать уран и не глотать его. На упаковке написано, что уран испускает излучение с частотой 766 импульсов в минуту. Он испускает несколько видов излучения – альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи. Но инструкция не может гарантировать, в какой именно момент уран испустит следующую частицу.

Собственно говоря, современная квантовая физика утверждает, что предсказать этот момент вообще невозможно. До сих пор не разработано механизма, который позволил бы точно предсказать, когда радиоактивный уран излучит очередной импульс. Постньютоновская физика, которую мы рассматривали на первом «рубеже», предполагала, что все во Вселенной теоретически должно подчиняться детерминистическому набору математических уравнений и управляться им. Но в начале XX в. группа молодых ученых – Гейзенберг, Шредингер, Бор, Эйнштейн и другие – произвела революцию и утвердила новые воззрения на наши реальные знания о Вселенной. Детерминизм вышел из игры. Теперь, судя по всему, тон задает случайность.

Чтобы понять это неизвестное, необходимо разобраться в одной из самых сложных и противоречащих здравому смыслу теорий за всю историю науки – в квантовой физике. Чтобы оценить трудность этой задачи, достаточно послушать, как те, кто провел в этом мире всю свою жизнь, рассказывают о сложностях, с которыми они сталкивались, осваивая причудливые изгибы его логики. Вернер Гейзенберг вспоминал, как после своих революционных открытий в квантовой физике он «снова и снова повторял вопрос о том, может ли природа действительно быть такой абсурдной, какой она кажется нам в этих атомных экспериментах». Эйнштейн заявил: «Если это правда, то это означает конец науки». Шредингер был настолько потрясен последствиями своей работы, что признавал: «Мне это не нравится, и я сожалею, что приложил к этому руку». Тем не менее эта теория остается одним из самых мощных и испытанных средств, существующих в науке. Ничто не смогло даже поколебать ее статуса одного из величайших научных достижений прошлого века. Так что и нам не остается ничего другого, как нырнуть в этот неопределенный мир. У Фейнмана есть один полезный совет для отправляющихся в такую квантовую экспедицию:

Я собираюсь рассказать вам, как ведет себя Природа. И если вы просто согласитесь, что, возможно, она ведет себя именно таким образом, то вы увидите, что это очаровательная и восхитительная особа. Если сможете, не мучайте себя вопросом «Но как же так может быть?», ибо в противном случае вы зайдете в тупик, из которого еще никто не выбирался. Никто не знает, как же так может быть[53].

Случайное излучение

Ту революцию, которую совершили эти ученые, превосходно иллюстрируют мои попытки понять, как поведет себя уран в моей банке.

На долгих временных промежутках частота радиоактивного распада приближается к постоянной величине и в среднем вполне предсказуема, в точности как результаты бросков игральной кости. Но физика XX в. утверждает, что между костью и банкой урана есть фундаментальная разница. В случае игральной кости, по крайней мере, создается впечатление, что при наличии достаточного количества данных результат можно предсказать. А вот узнать, когда уран испустит следующую альфа-частицу, по-видимому, невозможно. И полнота информации не играет тут никакой роли. Согласно современной модели квантовой физики, это истинно случайный процесс. В нем можно увидеть пример, опровергающий лапласову концепцию Вселенной с часовым механизмом.

Откровения квантовой физики чрезвычайно неприятны для того, кто ищет определенности и точных знаний. Неужели ничего нельзя сделать, чтобы узнать, когда в банке, стоящей у меня на столе, появится следующая альфа-частица? Возмутительно! Совсем никак не узнать? Вопрос о том, действительно ли этот процесс совершенно случаен и познать его невозможно, или же существует какой-то скрытый, еще не обнаруженный нами механизм, который мог бы объяснить время возникновения излучения, все еще активно обсуждается.

Это неизвестное связано с еще более глубоким уровнем незнания, скрывающим от нас мир предельно малого. Чтобы применить открытые Ньютоном законы движения для вычисления будущего развития Вселенной, необходимо знать положение и импульс всех частиц этой Вселенной. Разумеется, на практике это невозможно, но сделанные в XX в. открытия заставляют думать, что тут существует и более фундаментальная проблема. Даже рассматривая всего один электрон, невозможно одновременно определить его положение и импульс. Наша современная модель предельно малого содержит встроенное ограничение того, что мы можем знать, – так называемый принцип неопределенности Гейзенберга.

Если на первом «рубеже» мы выяснили, что случайность, которую приписывают поведению игральной кости, обозначает всего лишь недостаточное знание, то мир предельно малого, по-видимому, основывается на подлинной случайности: на непознаваемой игральной кости, которая определяет, что случится с куском урана, соседствующим у меня на столе с костью из казино.

Я смирился с непознаваемостью броска игральной кости, поскольку в глубине души я уверен, что эта кость все-таки пляшет в регулярном ритме уравнений Ньютона. Но я не уверен, что когда-нибудь смогу согласиться с непознаваемостью банки радиоактивного урана, который, если верить теории, не танцует ни в чьем ритме. Останется ли его поведение непознаваемым, или же можно ожидать нового теоретического переворота, подобного тому, который открыл нам радикально новые перспективы в начале XX в.?

Волна или частица?

Первые намеки на такую революцию появились, когда ученые пытались понять природу света. Волна это или частица? В своем основополагающем труде по оптике, опубликованном в 1704 г., Ньютон предполагал, что свет имеет корпускулярную природу, то есть состоит из частиц. Если представить свет в виде потока частиц, то его поведение, описанное в книге Ньютона, кажется весьма естественным. Возьмем, например, отражение света. Если нужно узнать, куда будет направлен луч света, падающий на отражающую поверхность, то аналогия с бильярдным шаром, отскакивающим от стенки, позволяет предсказать его траекторию. Ньютон полагал, что такую прямолинейную геометрию световых лучей можно объяснить, только предположив, что свет состоит из частиц.

Однако противники точки зрения Ньютона считали, что природа света гораздо лучше описывается волновой моделью. Казалось, что многие из характеристик света трудно объяснить, если считать его частицей. Эксперимент, поставленный в начале XIX в. английским физиком Томасом Юнгом, по-видимому, забивал гвоздь в гроб представления света как частицы.

Если направить свет на экран, в котором прорезана одна узкая вертикальная щель, и поместить за экраном фотопластинку, способную регистрировать падающий на нее свет, на фотопластинке наблюдается следующая картина: прямо напротив щели и источника света имеется ярко освещенный участок, постепенно тускнеющий по мере удаления от центральной линии.

Пока что результаты опыта соответствуют представлению о корпускулярной природе света: при прохождении частиц сквозь щель могут случаться небольшие отклонения, в результате которых часть света попадает за пределы яркого участка. Правда, если ширина щели мала по сравнению с длиной волны света, то, даже когда такая щель всего одна, по мере удаления от ярко освещенного центрального участка можно наблюдать некоторые волнообразные колебания интенсивности, в которых можно видеть проявление волновой природы света.

Интенсивность света, зарегистрированного фотопластинкой после прохождения через одну узкую щель

Корпускулярная модель света оказалась в опасности, когда Юнг прорезал в экране вторую вертикальную щель, параллельную первой. Можно было бы ожидать появления двух ярко освещенных участков, расположенных один рядом с другим, каждый из которых соответствовал бы прохождению света через одну из щелей. Но Юнг наблюдал совсем иную картину. На фотопластинке появился ряд чередующихся светлых и темных линий. Как ни странно, некоторые участки пластинки были освещены, только когда была открыта одна щель, и оказывались затемнены после открытия второй. Если свет состоит из частиц, подобных бильярдным шарам, как же может быть, что, когда мы открываем ему новые пути для распространения, он оказывается не в состоянии достичь таких участков? Этот эксперимент породил серьезные сомнения в правоте ньютоновской корпускулярной модели света.

Казалось, что такие светлые и темные полосы может объяснить только волновая модель света. Если в неподвижную воду озера одновременно бросить два камня, то волны, порожденные падением камней, будут взаимодействовать так, что некоторые их части будут объединяться, образуя гораздо более сильные волны, а некоторые другие – гасить друг друга. Если пустить в воду деревянный брусок, такое взаимодействие можно увидеть по соударениям комбинированных волн с его гранью. По всей длине такой грани можно наблюдать последовательность гребней и впадин набегающей волны.

Свет, испускаемый с левой стороны, проходит через экран с двойной щелью и попадает на фотопластинку, установленную справа. Светлые и темные полосы за фотопластинкой иллюстрируют полученную интерференционную картину

Судя по всему, свет, выходящий из двух щелей, образует две волны, взаимодействие между которыми подобно взаимодействию волн, вызванных падением в воду двух камней. На некоторых участках волны света складываются и образуют светлые полосы, а на других – гасят друг друга, создавая темные полосы. Никакая корпускулярная модель света не в состоянии даже приблизительно объяснить возникновение такого рисунка.

Сторонники корпускулярной теории окончательно признали свое поражение в начале 1860-х гг., когда выяснилось, что скорость распространения света точно соответствует предсказанию новой теории электромагнитного излучения Джеймса Клерка Максвелла, основанной на волновой модели. Вычисления Максвелла показали, что свет есть не что иное, как форма электромагнитного излучения, описываемая уравнениями, решения которых представляют собой волны с разными частотами, соответствующие разным видам электромагнитного излучения.

Однако в этой истории случился еще один неожиданный поворот. Если опыт Юнга подтолкнул ученых к признанию волновой модели света, то результаты двух других экспериментов, проведенных в конце XIX в., можно было объяснить, только предположив, что свет распространяется дискретными порциями, или пакетами. Иначе говоря, квантуется.

Изготовление волновой какофонии

Первый намек на то, что свет может и не быть волнообразным, появился из попыток понять световое или электромагнитное излучение, возникающее в угольных печах, ставших двигателем промышленной революции. Тепло есть движение, но если привести в движение электрон, то, поскольку у него есть отрицательный электрический заряд, он будет испускать электромагнитное излучение. Поэтому раскаленные предметы и светятся: движущиеся в них электроны излучают. Электрон можно представить себе в виде человека, держащего в руке один конец скакалки: когда рука человека движется вверх и вниз, скакалка начинает совершать волнообразные колебания. Каждая волна имеет частоту, равную числу пульсаций волны в секунду. Именно частота определяет, например, цвет видимого света. Красный свет имеет низкую частоту, синий – более высокую. Частота также играет роль в определении энергии, содержащейся в волне. Чем выше частота, тем выше энергия волны. Другой фактор, определяющий энергию волны, – это ее амплитуда. Амплитуда определяет размах волны. Возвращаясь к тому же примеру, чем энергичнее мы раскачиваем скакалку, тем с большим размахом она колеблется. На протяжении многих столетий ученые использовали основную частоту излучения в качестве меры температуры. Красное каление. Белое каление. Чем горячее огонь, тем выше частота испускаемого им света.

Мне посчастливилось увидеть одну из таких угольных печей в действии во время посещения насосной станции в городе Паплвик под Ноттингемом. Раз в месяц они устраивают «паровой день» и зажигают свои печи. Печь находится в замечательно украшенном викторианском здании. Утверждается, что стоимость постройки станции была настолько меньше выделенного бюджета, что оставшихся средств хватило на украшение насосной. Она кажется храмом, но посвященным не Богу, а науке промышленной эры.

Температура внутри печи в Паплвике была где-то в районе тысячи градусов Цельсия. Ученых конца XIX в. интересовало, какой частотный спектр имеет свет при фиксированных значениях температуры внутри печи. Закрытая печь может достичь термодинамического равновесия, при котором все излучение, испускаемое в результате вызванных нагревом колебаний атомов, заново поглощается, так что никакой потери электромагнитного излучения не происходит.

Какие частоты излучения можно найти в печи, достигшей такого равновесия? Представим себе множество натянутых виолончельных струн. Суммарная энергия вибрирующей струны зависит от частоты и амплитуды ее вибрации. Для запуска волн с более высокой частотой требуется больше энергии, но эту разницу можно компенсировать, придав волне меньшую амплитуду. В соответствии с классической моделью фиксированное количество энергии теоретически может вызвать волновые колебания любых частот, но их амплитуда будет уменьшаться по мере увеличения частоты.

Теоретический анализ спектра, по-видимому, указывал на возможность возникновения в печи волн любой произвольной частоты. И тем не менее, когда я заглянул внутрь печи в Паплвике, я не получил дозу высокочастотного рентгеновского излучения. Хотя и должен был ее получить в соответствии с предсказаниями волновой теории электромагнетизма. Более того, если сложить все вклады разных частот внутри печи, находящейся в состоянии теплового равновесия, то анализ, основанный на представлении света в виде колебательной волны, приводит к абсурдному выводу о том, что внутри печи заключена бесконечно большая энергия. Будь это так, печь в Паплвике просуществовала бы недолго.

Оказывается, что для каждой температуры существует некоторая пороговая частота, за которой запуска волновых колебаний не происходит. Классическая картина этой ситуации такова. Если свет подобен вибрирующей струне виолончели, то печь должна генерировать волны всех частот, причем число волн должно возрастать с частотой. При низких частотах этот график соответствует действительности, но по мере роста частоты мы видим, что интенсивность радиации на высоких частотах спадает и начиная с некоторой точки (зависящей от температуры) вообще не наблюдается волн с частотой, большей этого числа.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк изучил экспериментально полученное распределение частот в печи, подобной той, что я видел в Паплвике, и предложил интересную идею, объясняющую, как можно получить истинную кривую вместо той бессмыслицы, которую дает классическая интерпретация света как виолончельной струны.

Частоты внутри закрытой печи в соответствии с предсказаниями классической и квантовой моделей

Он предположил, что для каждой частоты электромагнитного излучения существует минимальная энергия, необходимая для возникновения такого излучения. Энергию волны, вибрирующей на некоторой частоте, нельзя непрерывно уменьшать, ожидая при этом, что вибрация будет продолжаться. В некоторой точке такого уменьшения энергии волна перестанет вибрировать все с меньшей и меньшей амплитудой и просто исчезнет, превратится в плоскую линию. Более того, модель Планка предполагала, что плавного изменения вообще не происходит. При каждом увеличении энергии она возрастает дискретным скачком. Такие скачки энергии чрезвычайно малы, и заметить их очень трудно, если специально не искать. Но с учетом этого предположения Планка расчетные значения интенсивности электромагнитного излучения на разных частотах точно совпали с результатами наблюдений излучения, возникающего в печи.

То есть Вселенная может оказаться не такой гладкой и непрерывной, какой считали ее ученые до конца XIX в. атомисты – те, кто верил, что мир состоит из элементарных составляющих, – даже и подумать не могли, что атомистическая философия может быть применима к энергии. В приложении к виолончельной струне это означает, что, когда я провожу по струне смычком, увеличивая громкость звучания, она на самом деле возрастает ступенчато, хотя человеческое ухо слышит постепенное, непрерывное увеличение громкости. Ступеньки эти очень малы. Для каждой частоты ν энергия увеличивается порциями, равными hν, где h – величина, называемая постоянной Планка. В этом числе, определяющем размеры шага возрастания энергии и измеряемом в джоуль-секундах, первые 33 знака после запятой – нули и лишь затем появляется первая ненулевая цифра:

h = 6,626 · 10–34 Дж · с.

На этом этапе у Планка не было реального физического объяснения существования таких ступеней энергии, но с математической точки зрения это решение идеально объясняло экспериментально наблюдаемое поведение электромагнитного излучения в печах, подобных печи в Паплвике. К представлению о свете как частице ученых заставило обратиться объяснение результатов другого эксперимента, данное Эйнштейном. И энергия таких частиц оказалась равна hν.

Электроны на выброс: фотоэлектрический эффект

Металлы так хорошо проводят электричество потому, что в них имеется множество свободных электронов, способных перемещаться внутри металла. Поэтому, направив на кусок металла электромагнитное излучение, можно выбить из него такие электроны. Энергия волны передается электрону, и его собственная энергия возрастает настолько, что он может преодолеть силы, удерживающие его внутри металла. Именно этот процесс был ключевым элементом открытия электрона Томсоном, описанного на предыдущем «рубеже».

Если считать электромагнитное излучение волной, то должна существовать возможность увеличить энергию такой волны до того уровня, на котором она сможет выбить из металла электрон. Чем выше энергия волны, тем более сильный толчок получит электрон и тем большей будет скорость его вылета. Как было описано в предыдущем разделе, есть два способа увеличить энергию волны – или вибрирующей струны виолончели. Один состоит в повышении частоты волны, в ускорении вибрации. Если поступить таким образом, то, действительно, скорость выбиваемых электронов соответственно возрастает. Но если сохранять частоту неизменной, то увеличить энергию можно путем повышения амплитуды волны, то есть громкости звука струны. Странность заключается в том, что увеличение интенсивности волн при постоянной частоте, оказывается, не влияет на скорость, с которой вылетают электроны. Вместо этого возрастает число электронов, выбиваемых из металла.

Более того, уменьшая частоту волны при одновременном увеличении амплитуды, суммарную энергию можно поддерживать на постоянном уровне, и тем не менее в некоторой точке такая волна, по-видимому, утрачивает способность к выбиванию электронов. Существуют такие частоты, ниже которых, как бы громко я ни играл на виолончели, энергия не выбивает ни одного электрона. Напротив, в случае высокочастотной волны громкость можно уменьшать сколько угодно: даже волна чрезвычайно низкой интенсивности по-прежнему способна выбивать электроны. Что происходит? Как объяснить такое странное поведение, известное в науке под названием фотоэлектрического эффекта?

Решение заключается в смене модели. До сих пор мы рассматривали процесс, на входе которого была волна, а на выходе – частица. Что, если попробовать другой вариант: частица на входе и частица на выходе? Возможно, ключевой элемент понимания действия падающего электромагнитного излучения следует искать в его корпускулярной природе.

Именно в этом и состоял коренной сдвиг мировоззрения, совершенный Эйнштейном в 1905 г., который многие называют annus mirabilis. В этом же году он предложил специальную теорию относительности, за которую мы возьмемся на одном из следующих «рубежей», а также теорию броуновского движения, обеспечившую самую убедительную поддержку идеи атомарного устройства материи, как было описано в предыдущей главе.

Эйнштейн предположил, что электромагнитное излучение или свет следует уподобить не волне, а пулеметной очереди, состоящей из мельчайших бильярдных шаров, в точности как предлагал еще Ньютон. Энергия каждой отдельной частицы зависит от частоты излучения. Эта новая идея дает нам модель, идеально описывающую те результаты, которые мы наблюдали в лаборатории. Каждый бильярдный шарик света имеет энергию, соответствующую минимальной энергии, вычисленной Планком для объяснения поведения излучения в печи. Так, электромагнитное излучение с частотой ν в модели Эйнштейна следует рассматривать как набор шариков, каждый из которых имеет энергию, равную hν. Введенные Планком скачки энергии попросту соответствуют добавлению к излучению новых световых шариков. Эйнштейн назвал такие шарики квантами света, но в середине 1920-х гг. они получили новое название, и теперь мы знаем их под именем фотонов.

Фотонный бильярд

Как же такая корпускулярная модель света объясняет поведение электронов, выбиваемых из металла? Снова представим взаимодействие как бильярдную игру. Фотоны сталкиваются с поверхностью металла. Если фотон попадает в электрон, электрону передается энергия, и электрон улетает. Но, чтобы быть выбитым из металла, электрон должен получить определенное количество энергии.

Энергия каждого налетающего фотона зависит только от частоты светового излучения. Если частота излучения слишком мала, то энергии каждого налетающего фотона недостаточно для выбивания электрона. Интенсивность излучения можно увеличивать сколько угодно: от этого возрастает число шариков, налетающих на металл, но энергия каждого отдельного шарика остается той же. Вероятность попадания в электрон увеличивается, но, поскольку каждый шарик так же бессилен, как и все остальные, электрон так и останется невыбитым. В волновой модели электрон постепенно накапливал бы поступающую энергию до тех пор, пока она не станет достаточной для его вылета. В корпускулярной модели электрон можно толкать сколько угодно раз, но ни один из таких толчков не будет достаточно сильным, чтобы выбить его. Точно так же можно слегка тыкать человека пальцем: сколько бы ни было таких слабых прикосновений, человек от них не упадет.

Но если частота налетающего излучения превышает некоторое значение, энергия каждого шарика становится достаточной для выбивания электрона, в который он попадает. Вместо сотен легких прикосновений человек получает один мощный толчок, который его опрокидывает. По сути дела, шарик передает электрону достаточное количество энергии, и результирующей энергии электрона хватает, чтобы преодолеть силы, удерживающие его в металле. Увеличение интенсивности излучения означает выстреливание большего количества шариков, что приводит лишь к росту числа испускаемых электронов. Поэтому мы наблюдаем выбивание большего количества электронов, а не выбивание электронов с большей скоростью.

Согласно модели Эйнштейна, кинетическая энергия испускаемого электрона прямо пропорциональна частоте. Интересно отметить, что эта зависимость не была до этого ни установлена на опыте, ни предсказана теоретически, что придало модели Эйнштейна наилучшее свойство любой качественной научной теории: она могла не только объяснить факты, уже наблюдавшиеся в лаборатории, но и предсказать некие новые явления, которые впоследствии можно было проверить. Это было особенно важно, потому что многие ученые отнеслись к модели Эйнштейна чрезвычайно скептически. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное излучение в терминах математического представления волн, работали так хорошо, что ученым требовались более весомые аргументы в пользу пересмотра их мировоззрения.

Одним из таких скептиков был американский физик Роберт Эндрюс Милликен. Но предпринятые им попытки опровержения предложенной Эйнштейном модели бильярдных шариков света в конечном счете привели к подтверждению предсказания Эйнштейна о прямой пропорциональности кинетической энергии вылетающих электронов частоте падающего излучения. До этого Милликен занимался исследованиями, в которых ему удалось определить заряд электрона, а впоследствии, доказав, что излучение, регистрируемое детекторами на Земле, имеет внеземное происхождение, ввел в обиход понятие космических лучей. Работы Милликена были удостоены Нобелевской премии по физике в 1923 г., всего через два года после того, как эту премию получил Эйнштейн.

Нобелевская премия 1921 г. была присуждена Эйнштейну именно за объяснение фотоэлектрического эффекта. Теорию относительности Нобелевский комитет не признал достойной премии. Идеи Эйнштейна дали сторонникам корпускулярной теории возможность оправиться от поражения, которое они признали несколькими десятилетиями раньше, после открытий Максвелла. За этим, однако, последовала контрреволюция, когда обнаружилось, что частицы, такие как электроны, имеют характеристики, присущие скорее волнам, чем дискретным частицам. Казалось, что и свет, и электроны ведут себя и как частицы, и как волны. В зарождавшейся новой теории оказывалось, что в этом споре правы были все.

Несмотря на переворот мировоззрения, произведенный Эйнштейном, опыты, которые лучше объяснялись волновой природой света, не были опровергнуты. Как ни странно, казалось, что выбор используемой модели света определялся условиями эксперимента. Наступила эпоха корпускулярно-волнового дуализма.

Вспомним, что наиболее сокрушительным доказательством того, что свет – это волна, а не частица, стал поставленный Юнгом опыт с двойной щелью. В случае фотоэлектрического эффекта убедительный довод в пользу того, что электромагнитное излучение состоит из частиц, был получен благодаря весьма элегантному использованию свойств электрона как частицы. Но работает ли этот диалог в обратную сторону? Что, если пригласить электрон поучаствовать в эксперименте Юнга с двойной щелью? Как выяснилось, электронная бомбардировка экрана с двойной щелью смогла произвести совершенно ошеломляющий эффект в нашем восприятии реальности.

Опыты с электронами

Одно из наиболее интересных следствий из квантовой механики состоит в том, что частица, подобная электрону, по-видимому, может одновременно находиться в нескольких разных местах вплоть до момента ее наблюдения – а тогда место реального нахождения частицы определяется, насколько можно судить, случайным образом. Сейчас ученые полагают, что речь здесь идет об истинной случайности, а не просто о недостатке информации. Если повторить этот эксперимент несколько раз в тех же условиях, результаты каждый раз могут быть разными. Именно эта неопределенность положения в конечном счете виновата в том, что частицы моего куска урана внезапно оказываются вне, а не внутри банки, стоящей на моем столе.

Наиболее яркую иллюстрацию этого явления можно получить, повторив опыт Юнга с двойной щелью, но не со светом, а с электронами. Один из моих коллег по Оксфорду, физик, пригласил меня в свою лабораторию, чтобы я мог увидеть ту странную игру, в которую, как кажется, играют электроны, своими глазами. Я читал о ней много раз, но, как сказал Кант, «всякое наше знание начинается с чувств»[54].

Я счел своим долгом предупредить коллегу о своих сложных отношениях с экспериментами. В школе никто не соглашался ставить опыты в паре со мной, потому что у меня они никогда не получались. Это и было одной из причин, по которым меня привлекла теоретическая часть науки – в ней беспорядок физического мира можно хоть как-то контролировать. Но коллега заверил меня, что этот опыт работает вполне надежно.

Для начала мы установили источник, испускающий электроны со скоростью, при которой они регистрируются пластиной детектора по одному. Затем я поставил между источником и детектором экран с двумя щелями. Сначала я посмотрел, что происходит, когда одна из щелей закрыта. Электроны, прошедшие сквозь щель, попадали в пластину детектора, и после достаточного числа таких попаданий можно было увидеть возникновение некоей структуры.

На участок, расположенный на прямой линии, проведенной через источник и щель, электроны попадали с высокой интенсивностью. При смещении в обе стороны от этой центральной линии все еще можно было видеть попадания электронов, но число их уменьшалось по мере удаления от нее. В некоторых случаях электроны, пролетающие сквозь щель, отклонялись и их траектории изгибались в обе стороны от центральной линии. Пока ничего странного. Но потом я открыл вторую щель.

Если бы электроны вели себя как классические частицы, можно было бы ожидать увидеть напротив двух щелей два участка высокой интенсивности, в которые электроны попадали бы, пройдя через одну или другую щель. Но я их не увидел. Вместо этого начала возникать интерференционная картина, подобная той, которую видел Юнг в своем опыте со светом. Она лучше описывалась аналогией с волной, проходящей сквозь такие щели и создающей две новые волны, интерферирующие друг с другом.

Вспомним, однако, что опыт был поставлен так, чтобы в каждый момент через экран пролетал всего один электрон. То есть это не было волноподобным взаимодействием множества электронов. Один-единственный электрон вел себя как волна. Еще более непонятным был тот факт, что на пластине детектора обнаружились участки, до которых не долетал ни один электрон, хотя при одной открытой щели электроны могли попадать в эти точки. Что же происходило? Я открыл еще одну щель, создав тем самым несколько возможных путей к такой точке детектора, но и такие новые возможности не привели к попаданию в нее электронов.

По увеличении числа зарегистрированных электронов возникает интерференционная картина

Кант утверждал, что всякое знание начинается с чувств, но «переходит затем к рассудку и заканчивается в разуме, выше которого нет в нас ничего для обработки материала созерцаний»[55]. Как же ученым удалось выделить разумное зерно из странного поведения таких одиночных электронов, пролетающих сквозь экран?

Электрон-шизофреник

Как может электрон, проходящий сквозь одну из щелей, знать, открыта или закрыта вторая щель? Вторая щель находится на некотором расстоянии от той, через которую пролетает электрон. Не может же электрон разделиться надвое и пролететь через обе щели. Как это ни удивительно, нужно отбросить идею о том, что до обнаружения электрона он может находиться в какой-либо определенной точке пространства. Вместо этого электрон следует математически описывать волновой функцией, которая дает целый диапазон возможных положений. Такова была новая, революционная точка зрения, которую предложил в 1926 г. австрийский физик Эрвин Шредингер. Амплитуда такой волны содержит информацию о вероятности нахождения электрона в определенной области пространства на момент его наблюдения.

Можно спросить: волна чего? Что тут, собственно, колеблется? На самом деле речь идет не о физическом объекте, а скорее о волне амплитуды вероятности. Точно так же «волна преступности» – это не волна из преступников, а информация о вероятности совершения преступлений в определенном районе. Волна – это просто математическая функция, а математическая функция подобна машине или компьютеру: в нее вводят информацию, а она вычисляет и выдает ответ. В волновую функцию электрона вводят область пространства, а на выходе получают вероятность обнаружения электрона именно в этой области. Как ни странно, такую частицу следует считать вовсе не физическим объектом, а изменяющейся математической конструкцией. Ее называют волновой функцией, потому что многие черты функций, описывающих такие вероятности, совпадают с характеристиками классических волновых функций. Гребни и впадины содержат информацию о возможном местоположении электрона. Чем больше амплитуда волны, тем выше вероятность обнаружить электрон в данной области пространства.

Квантовая волна: чем выше волна, тем больше вероятность обнаружить электрон в данной точке пространства

Итак, поведение электрона описывает волна, и, когда такая волна сталкивается с экраном, в котором прорезаны две щели, взаимодействие с экраном изменяет ее. В результате получается новая волна, свойства которой и создают ту странную интерференционную картину, которую я наблюдаю на пластине детектора. Именно в момент обнаружения электрон решает наконец, в какой точке пластины он будет находиться. Волновая функция дает вероятность нахождения электрона в том или ином месте, но в момент обнаружения жребий оказывается брошен и вероятность сменяется определенностью. Волны больше не существует, и электрон снова выглядит частицей, попадающей в одну-единственную точку пластины детектора. Однако при каждом повторении этого опыта электрон может появляться в каких-нибудь других местах. Чем больше мы направляем на экран электронов, тем большая статистика, закодированная в волнах, становится видна по мере проявления картины распределения обнаруженных электронов. Но физика утверждает, что предсказать, в какой именно точке пластины в каждом отдельном случае будет обнаружен очередной электрон, невозможно.

Интересно было бы вернуться к исходному опыту Юнга со светом, но интерпретировать его в свете (прошу прощения за каламбур) сделанного Эйнштейном открытия частиц, составляющих свет, – фотонов. Уменьшая интенсивность источника света в опыте Юнга, можно дойти до такой низкой энергии излучения, которая будет соответствовать испусканию в экран с двойной щелью одиночных фотонов.

Как и электрон, фотон, попадающий на фотопластинку, оставляет на ней единственный точечный след, соответствующий его корпускулярной природе. А что происходит с интерференционной картиной Юнга? Нечто удивительное. Если продолжать обстреливать экран с двойной щелью одиночными фотонами, то через некоторое время накапливающиеся на фотопластинке светлые точки постепенно начинают образовывать все ту же интерференционную картину. То, что наблюдал Юнг, не было результатом падения на пластинку непрерывной волны – это была иллюзия. На самом деле картина состояла из миллиардов и миллиардов пикселей, каждый из которых соответствовал обнаружению одного фотона. Чтобы дать представление о числе фотонов, попадавших на пластинку, можно сказать, что стоваттная лампочка испускает около 1020 (то есть ста миллиардов миллиардов) фотонов в секунду.

Волновые характеристики света аналогичны свойствам электрона. Волна есть математический объект, определяющий вероятное местоположение фотона на момент его обнаружения. Волновая природа света означает, что он представляет собой не колеблющуюся волну, подобную волнам на воде, а волнообразную функцию, содержащую информацию о том, где можно будет найти фотон после его обнаружения. До того как он попадет на пластину детектора, он, как и электрон, по-видимому, проходит одновременно через обе щели и принимает решение о своем положении в пространстве только в момент наблюдения.

Именно эта концепция наблюдения делает квантовую физику такой странной. Пока я не потребую от детектора определить, где находится электрон, эту частицу следует считать вероятностно распределенной по пространству, причем распределение такой вероятности описывается математической функцией, обладающей волновыми свойствами. Воздействие двойной щели на эту математическую функцию изменяет ее таким образом, что электрон не может попасть в некоторые точки пластины детектора. Но, как только частица будет обнаружена, жребий будет брошен – и волне вероятности придется выбрать положение данной частицы.

Я помню то Рождество, когда я впервые прочитал об этой сумасшедшей истории, в которой что-то может оказаться сразу в нескольких местах. Помимо игрушек и сластей Дед Мороз оставил для меня под елкой книжку с забавным названием «Мистер Томпкинс в мягкой обложке»[56], написанную физиком Георгием Гамовым. В ней рассказывается история попыток мистера Томпкинса выучить физику на вечерних лекциях, которые читает известный профессор. Беда в том, что посреди лекции мистер Томпкинс неизменно засыпает.

В его снах микроскопический квантовый мир электронов увеличивается до макроскопических размеров, и мистер Томпкинс оказывается в квантовых джунглях, полных тигров и обезьян, которые одновременно находятся в нескольких разных местах. Когда на мистера Томпкинса нападает большая стая несколько размытых тигров, профессор, сопровождающий его в снах, выпускает по ним множество пуль. Одна из пуль попадает в цель, и стая тигров внезапно превращается в одного-единственного «наблюдаемого» тигра.

Помню, как меня очаровал этот фантастический мир и еще больше взволновало то обстоятельство, что он не был таким уж фантастическим. К тому времени я начал было сомневаться в существовании Деда Мороза, учитывая, что за одну ночь он должен посетить миллиард детей по всему миру, но эта книга восстановила мою веру. Конечно же Дед Мороз использует квантовую физику! Если его никто не наблюдает, он может одновременно находиться во множестве разных каминных труб.

Квантовая антропология

Чтобы подчеркнуть ту странную роль, которую играет наблюдение, можно вернуться к опыту с двойной щелью и поставить на одной из щелей детектор, чтобы попытаться подглядеть, в какую именно щель «на самом деле» проходит электрон. В этом случае интерференционная картина исчезает. Акт определения щели, через которую пролетает электрон, изменяет природу описывающей его волновой функции. Теперь на пластине детектора видны два светлых участка, расположенных напротив щелей, – никакой интерференции. Моя попытка познания изменяет поведение электрона.

В качестве возможной, хотя и не вполне честной аналогии можно представить себе антрополога, наблюдающего ранее неизвестное племя индейцев Амазонки. Его наблюдение неизбежно изменяет поведение индейцев. Наблюдать без взаимодействия с племенем и без какого-либо влияния на его поведение невозможно. В случае электрона это еще более очевидно. Чтобы узнать, через какую щель он пролетает, на него нужно «посмотреть», но для этого с ним необходимо провзаимодействовать. Например, в таком взаимодействии может быть использован световой фотон, отражающийся от электрона и возвращающийся в детектор. Но такой фотон обязательно производит некоторое изменение энергии, импульса или положения электрона. Он не может взаимодействовать без какого-либо изменения. Собственно говоря, такое взаимодействие может быть не таким явным, как отражение фотона от электрона. Оно может быть и более тонким. Если детектор, установленный на одной из щелей, не обнаруживает электрона, из этого можно заключить, что он прошел через вторую щель. Но никакого отражения фотона от электрона в этом случае не происходит. Такое измерение положения электрона происходит без взаимодействия.

Есть один очень странный мысленный эксперимент, использующий такой акт наблюдения за тем, как электроны проходят через щель в экране. Предположим, мы сделаем бомбу, которая может быть приведена в действие при попадании в ее датчик единственного электрона. Проблема в том, что нельзя гарантировать, что бомба сработает. С классической точки зрения единственный способ ее испытания сводится к довольно бессмысленному действию – запуску в бомбу электрона. Если бомба взорвется, значит, она была настоящая. Если нет – муляж. Но в любом случае после такого испытания мы остаемся без бомбы.

Как ни странно, для обнаружения действующих бомб, не требующего их взрыва, можно использовать опыт с двойной щелью. Вспомним, что на пластине есть участки, в которые электрон, если он действительно одновременно проходит через обе щели, попасть не может. Если в такой точке все-таки обнаруживается электрон (традиционным, невзрывным способом), значит, мы подглядывали и заставили этот электрон выбрать одну из щелей. Этот участок мы и будем использовать в качестве «бомбового детектора». Поставим датчик бомбы на одну из щелей: если эта бомба – муляж, то датчик ее не взорвет. То есть в случае муляжа мы не производим наблюдения. Значит, электрон проходит через обе щели и не может попасть в «бомбовый детектор».

А что, если это не муляж? В таком случае, если электрон пролетит через эту щель, датчик его зарегистрирует и взорвет бомбу. Так себе результат. Но, поскольку теперь мы определяем, через какую щель пролетает электрон, он пролетает только через одну щель и имеет шанс попасть в наш «бомбовый детектор». Поэтому обнаружение электрона в «бомбовом детекторе» должно означать, что бомба заряжена. Заряженная бомба является механизмом детектирования электронов. В половине случаев детектирования электронов они пролетают через щель, на которой установлен датчик, и бомба взрывается. Но в остальной половине случаев бомба определяет, что электроны пролетели через другую щель, интерференционная картина не может возникнуть, электроны могут попасть в «бомбовый детектор», и тем не менее бомба не взрывается. Электрон дал нам информацию о том, через какую щель он пролетел, но такой акт «наблюдения» не требовал ни слежения за электроном, ни его столкновения с фотоном, ни взрыва бомбы.

Такие странные последствия акта наблюдения также можно использовать для прекращения распада в банке урана с моего стола. Если постоянно производить множество мини-наблюдений, пытаясь застать уран за испусканием излучения, то такие наблюдения могут «заморозить» уран и остановить его распад. Старая поговорка утверждает, что кастрюля, за которой следят, никогда не закипит, – только в квантовом варианте место кастрюли занимает банка, полная урана.

Тот факт, что постоянное наблюдение за нестабильной частицей может каким-то образом заморозить ее и остановить ее трансформации, первым осознал специалист по расшифровке кодов, математик Алан Тьюринг. С тех пор это явление стало известно под названием квантового эффекта Зенона, по имени греческого философа, который полагал, что поскольку моментальные снимки летящей стрелы не показывают никакого движения, то стрела вообще не может двигаться[57].

Представим себе частицу, которая может иметь два состояния, ЗДЕСЬ и ТАМ. Пока ее никто не наблюдает, она находится в смешанном состоянии, но акт наблюдения заставляет ее выбрать одно из них. Если она выбрала состояние ЗДЕСЬ, то после наблюдения она начинает постепенно возвращаться в смешанное состояние, но если быстро произвести новое наблюдение, пока она в основном еще находится ЗДЕСЬ, то, по всей вероятности, она снова перейдет в состояние ЗДЕСЬ. Таким образом, если постоянно наблюдать такую частицу, она никогда не приобретет достаточной доли состояния ТАМ, чтобы ее можно было наблюдать ТАМ. Это похоже на ситуацию с двумя стаканами, до половины налитыми водой, если при каждом наблюдении мы должны переливать воду из одного стакана в другой, наполняя его до краев. После наблюдения можно начать снова переливать воду в пустой стакан, но, если произвести новое наблюдение достаточно быстро, во втором стакане еще почти не будет воды, так что проще всего будет снова наполнить тот стакан, который уже почти полон. Если каждый раз производить наблюдение достаточно быстро, можно сделать так, чтобы полный стакан постоянно оставался полным.

Мои дети увлекаются научно-фантастическим телесериалом «Doctor Who», как увлекался им в детстве и я. Из всех видов инопланетян в нем самыми страшными нам кажутся «плачущие ангелы» – каменные статуи, похожие на тех, что стоят на нашем местном кладбище. Они остаются неподвижными, пока на них смотришь, не отводя глаз. Но стоит только моргнуть, и они могут двигаться. Теория утверждает, что стоящая на моем столе баночка урана похожа на плачущего ангела. Если я буду постоянно наблюдать уран – что, очевидно, требует несколько большего, чем простое созерцание банки, – я могу заморозить его так, что он перестанет испускать излучение.

Хотя Тьюринг впервые выдвинул эту идею в качестве теоретического последствия математических выкладок, оказалось, что она была не просто математической выдумкой. В последнее десятилетие были поставлены некоторые эксперименты, продемонстрировавшие реальную возможность использования наблюдений для торможения развития квантовых систем.

Множественные истории

Из квантовой физики, по-видимому, следует, что в опыте с двойной щелью электрон имеет бесконечное количество вариантов будущего до тех пор, пока мы не произведем его наблюдения. В этот момент бросок некоей неведомой квантовой кости определяет, какое именно из этих будущих должно осуществиться. Я, предположим, могу смириться с тем, что будущее невозможно узнать, пока оно не станет настоящим. В конце концов, если я беру свою игральную кость, собираясь бросить ее три раза, у нее существуют 6 · 6 · 6 = 216 разных вариантов будущего, каждый из которых может осуществиться. Как акт бросания кости выбирает одно из этих 216 возможных будущих, так и акт наблюдения электрона определяет одно из его многочисленных возможных положений. Однако из другого неожиданного поворота опыта с двойной щелью следует, что прошлое тоже не определено единственным образом.

Более того, получается, что действия, осуществляемые в настоящем, способны изменить прошлое. Узнать, через какую именно щель пролетел электрон, можно спустя долгое время после прохождения им экрана. В момент, непосредственно предшествующий попаданию электрона в пластину детектора, прямо перед электроном можно поставить наблюдательное устройство. Назовем такое устройство «щелевым наблюдателем».

Предположим, что наш опыт с двойной щелью поставлен в космическом масштабе. Поставим на одном краю Вселенной источник электронов и расположим прямо перед ним экран с двойной щелью. Поместим пластину детектора на другом краю Вселенной. В такой конфигурации электрону потребуется много лет, чтобы пересечь все это пространство и наконец попасть в пластину. Поэтому когда электрон пролетает через экран с двойной щелью, он не знает, будем ли мы наблюдать его при помощи нашего «щелевого наблюдателя».

Решение об установке на пути частицы «щелевого наблюдателя», принятое в 2016 г. н. э., может изменить поведение частицы в 2000 г. до н. э.

Если мы все-таки используем «щелевой наблюдатель» много лет спустя, это будет означать, что за много лет до того электрон должен был пролететь через ту или другую щель. Но если мы не используем «щелевой наблюдатель», то много лет назад электрон должен был пролететь через обе щели. Странно, не правда ли? То, что мы делаем в начале XXI в., может изменить то, что случилось тысячи лет назад, когда этот электрон начинал свое путешествие. Создается впечатление, что существует не только множественное будущее, но и множественное прошлое, и акт наблюдения, произведенный в настоящем, может определить, что произошло в прошлом. Квантовая физика не только ставит под вопрос возможность познания будущего, но и заставляет усомниться в возможности действительного знания прошлого. Прошлое также представляется в виде суперпозиции возможностей, которые кристаллизуются только в случае наблюдения.

Расщепление личности

С моей точки зрения, интересная – и часто упускаемая из виду – особенность квантовой физики заключается в том, что вплоть до момента наблюдения она полностью детерминистична. Природа волнового уравнения, которое описывает электрон, пролетающий через щель, не вызывает никаких вопросов. Когда в 1926 г. Шредингер предложил свою теорию, он сформулировал дифференциальное уравнение, дающее полностью детерминистическое предсказание развития волновой функции. Волновое уравнение Шредингера в некотором смысле не менее детерминистично, чем уравнения движения Ньютона.

Вероятностные свойства и неопределенность возникают при попытке наблюдения частицы и извлечения классической информации. В высшей степени неклассическое и странное новое свойство заключается в этом разрывном переходе, по-видимому происходящем при «наблюдении» волны. Детерминизм внезапно исчезает, оставляя нам электрон, случайным образом расположенный в какой-то точке пространства. На большом масштабе такая случайность описывается информацией, содержащейся в волновой функции, но ученые пока не обнаружили механизма, который позволил бы определить в каждом индивидуальном случае будущее расположение электрона в конкретном эксперименте. Так ли это на самом деле? Действительно ли мы никогда не сможем определить положение электрона до наблюдения?

Когда мы производим наблюдение или измерение, происходит странный скачок, который привязывает частицу к одному определенному набору координат. Но немедленно после наблюдения эволюцию частицы начинает описывать другая волновая функция – и это положение сохраняется до следующего наблюдения и следующего скачка. Шредингеру чрезвычайно не нравились эти прерывистые изменения поведения: «Если нельзя избавиться от этих проклятых квантовых скачков, то я жалею, что вообще связался с квантовой теорией»[58].

Тут важно не переборщить с оценкой роли человека. Можно предположить, что червяки тоже могут вызывать редукцию волновой функции. И измерения могут производить не только живые существа. На другом конце потенциально безжизненной Вселенной существуют частицы, взаимодействующие с неодушевленными объектами, и в результате такого взаимодействия волновая функция редуцируется для принятия решения о свойствах частицы. Такое взаимодействие является измерением ничуть не меньше, чем наши экспериментальные исследования в лаборатории. Вселенная заполнена излучением, которое освещает все, что оно встречает на своем пути. Может быть, именно поэтому Вселенная в целом кажется классической, а не пребывающей в постоянном состоянии неопределенности? Это предположение связано с концепцией, которую физики называют декогеренцией.

Мне очень трудно уместить в голове идею о том, что наблюдение становится точкой раздела между детерминистическим электроном, описываемым волновой функцией, и электроном, внезапно получающим точное, но абсолютно случайно определенное местоположение. Вся эта история кажется совершенно безумной. Тем не менее нельзя не признать, что она успешно работает в качестве инструмента для вычислений. Рассказывают, что физик Дэвид Мермин говорил тем, кого, как и меня, беспокоила такая неизвестность, «заткнитесь и считайте». По тому же принципу теория вероятностей применяется к броску игральной кости. Хотя движением кости управляют уравнения Ньютона, лучшим средством для вычисления ее возможного поведения остается теория вероятностей.

Но даже и заткнувшись я не могу избавиться от ощущения резонности таких возражений. Приборы, которые я использую для измерений, представляют собой физическую систему, состоящую из частиц, которые точно так же подчиняются законам квантовой физики, как и электрон, который я пытаюсь наблюдать. И сам я тоже! Я – всего лишь скопление частиц, подчиняющихся квантовым законам. Ведь любой наблюдатель, будь то фотопластинка или человек, является частью мира квантовой физики и тоже описывается волновой функцией. Взаимодействие между волновой функцией электрона и наблюдателем тоже должно описываться волной. В конце концов, в чем состоит «наблюдение» или «измерение»?

А если и наблюдатель, и частицы, пролетающие через щели, описываются волновыми функциями, то не может ли все быть детерминированным? Случайность внезапно исчезает. Почему же физики довольствуются заявлением о том, что акт наблюдения редуцирует волновую функцию, если на самом деле тут действует сверхфункция, описывающая всех участников процесса – и электрон, и приборы, и исследователя? Где проходит граница между квантовым миром вероятности и классическим миром определенности? Такое двойственное видение микроскопического квантового мира и макроскопического мира выглядит несколько подозрительно. Наверняка же можно описать все вместе неким волновым уравнением. Все это в высшей степени неудовлетворительно, но, по правде говоря, большинство физиков следуют совету Мермина и смиряются с таким положением вещей. Мой коллега Филип Канделас рассказывает, как один многообещающий студент, на которого все возлагали большие надежды, однажды вдруг пропал из виду. Когда Канделас поинтересовался, что с ним случилось, он узнал причину его исчезновения. Семейные обстоятельства? Болезнь? Долги? Ни то, ни другое, ни третье. «Он пытался понять квантовую механику».

Я, наверное, пренебрег советом, который Фейнман давал тем, кто подобно мне пытается добиться посвящения в квантовые тайны: «Если сможете, не мучайте себя вопросом “Но как же так может быть?”, ибо в противном случае вы зайдете в тупик, из которого еще никто не выбирался. Никто не знает, как же так может быть».

Тем не менее такую, по-видимому, встроенную в систему неопределенность пытались преодолеть несколькими разными способами. Один из них сводится к гипотезе, согласно которой в точке наблюдения реальность разделяется на суперпозицию разных реальностей. В каждой из них фотон или электрон имеет разные положения, так что волна в некотором смысле не редуцируется, но сохраняется и описывает развитие событий во всех этих разных реальностях. Однако, когда в игру вступает сознание, мы оказываемся заперты в одной из таких реальностей и не имеем доступа ко всем остальным, в которых фотон или электрон обнаруживаются в какой-либо другой точке фотопластинки.

Эта увлекательная попытка разобраться в сущности физики, известная под названием «многомировой интерпретации», была предложена в 1957 г. американским физиком Хью Эвереттом. Мне лично особенно интересно, можем ли мы вообще узнать, что такие многочисленные миры существуют одновременно с нашим. До сих пор никто не придумал способа проверить или исследовать такие миры – если они вообще есть. Теория утверждает, что существует всего одна волновая функция, описывающая развитие Вселенной совершенно детерминистическим образом. Следовательно, мы возвращаемся к воззрениям Ньютона и Лапласа – но с новым уравнением.

Наша проблема состоит в том, что мы – часть этой волновой функции и другие ее части для нас недоступны. Мы заключены в ней, заточены в одной из ветвей реальности, и то, что мы никогда не сможем познать другие миры, может быть неотъемлемой чертой нашего сознательного опыта. Но нельзя ли проанализировать, что происходит в других ветвях, при помощи математики? Я наблюдаю электрон в данной точке пластины детектора, но знаю при этом, что волновая функция описывает, что с ним происходит во всех других ветвях реальности. Разумеется, в этих многочисленных мирах существует не только электрон, но и «Я» – в других ветвях имеются копии меня, наблюдающие попадание электрона в другие участки пластины.

Эта модель реальности чрезвычайно интересна и, как кажется, непосредственно влияет на то, что мы называем сознанием. Мы еще вернемся к вопросу сознания на шестом «рубеже», но и эта глава ставит непростой вопрос: может ли сознание быть связано с поведением такой волновой функции? Почему мне известен лишь один результат попадания электрона в пластину? Является ли мое осознание того, что происходит вокруг меня, некоей разновидностью попадания электрона в детектор? Отсутствует ли у оборудования, установленного в моей голове, способность работать с множественными мирами? Когда я выглядываю в окно, фотоны, прилетающие от дома напротив, попадают в мой глаз и регистрируются сетчаткой. Почему, выглянув однажды в окно, я не могу увидеть, что дома номер 14 и 16 поменялись местами?

Пытаясь таким образом придать происходящему некоторую упорядоченность, мы подразумеваем, что скачок, порождаемый актом наблюдения, – не реальное событие, а нечто, происходящее в нашем уме. Наше восприятие говорит нам, что происходит скачок, но это не соответствует действительности. Однако такое объяснение вынуждает спросить: а что мы, собственно, делаем, когда даем миру научное объяснение?

Что такое наука? Как мы пытаемся исследовать свое взаимодействие со Вселенной? Если мы что-нибудь и узнаем, то только путем измерения и наблюдения. Математические уравнения могут сказать нам, чего ожидать, но без измерений такие предсказания остаются голой теорией. Поэтому довольно странно, что, для того чтобы «узнать» что-то о Вселенной, мы можем только наблюдать, тем самым заставляя частицы и свет решать, где они находятся и что они делают. Разве до этого не существовало ничего, кроме чистой фантазии? Мы не можем измерить всю волновую функцию, мы можем только познать ее математическими методами. Является ли квантовая волновая функция частью Вселенной, которую мы никогда не сможем познать – потому что, с нашей точки зрения, истинное познание невозможно без измерений? А измерение вызывает ее коллапс. Вероятно, вера в возможность знания, превышающего возможности измерения, – это проявление обычной жадности. Такое мнение выражал, например, Стивен Хокинг:

Я не требую, чтобы теория соответствовала реальности, потому что я не знаю, что такое реальность. Реальность – не такое качество, которое можно проверить лакмусовой бумажкой. Меня интересует только, чтобы теория правильно предсказывала результаты измерений[59].

Один вход, много выходов

С чем я действительно не могу примириться в основной современной интерпретации квантовой физики, так это с тем, что, поставив опыт с двойной щелью дважды с точным соблюдением одинаковых условий, можно получить разные результаты. Это противоречит всему тому, во что я верю. Именно поэтому меня привлекла математика: определенность доказательства существования бесконечного количества простых чисел означает, что в следующий раз, когда я проверю его, я не рискую внезапно обнаружить, что количество этих чисел стало конечным. Я считал, что естественные науки в конечном счете состоят из таких же определенностей, даже если человек не всегда может до них добраться. Когда я бросаю игральную кость, я соглашаюсь с математикой теории хаоса, утверждающей, что я, возможно, никогда не смогу рассчитать исход такого броска. Но эта математика, по крайней мере, говорит, что в случае точно такого же броска кость упадет той же стороной. Однако физика, созданная на этом «рубеже», ставит такой вывод под вопрос.

Вероятностный характер поведения игральной кости выражает недостаток информации. В квантовой физике речь не идет о незнании физиком полной картины. Даже полное знание всего не устраняет участия вероятности и случая. Согласно современной интерпретации квантовой физики, одна и та же начальная точка, одни и те же входящие данные могут породить разные исходы броска кости.

Кое-кто может усомниться в том, что говорить о точном повторении начальных условий опыта и процедуры его проведения вообще имеет смысл, – строго говоря, такое повторение невозможно. Точное воспроизведение локальных условий возможно, но эксперимент происходит во Вселенной, а Вселенная изменяется. Волновую функцию Вселенной невозможно перемотать назад и запустить заново. Вселенная – это одноразовый эксперимент, одной из частей волновой функции которого являемся мы. Каждое наблюдение изменяет волновую функцию Вселенной, и отменить такое изменение нельзя.

Но что, если реальность случайна и не так детерминистична, как мне того хотелось бы? Фейнман говорит в своих «Лекциях по физике»: «В настоящее время приходится ограничиваться расчетом вероятностей. Мы говорим “в настоящее время”, но мы очень серьезно подозреваем, что все это – уже навсегда и разгрызть этот орешек человеку не по зубам, ибо такова природа вещей»[60].

Судя по всему, истинная случайность воплощена на моем столе не в игральной кости, привезенной из Лас-Вегаса, а в баночке урана, купленной в интернете.

6

Как удивительны все эти перемены! Не знаешь, что с тобой будет в следующий миг.

Льюис Кэрролл.

Приключения Алисы в Стране чудес[61]

Должен сказать, что меня сильно беспокоят противоречия между квантовым миром и здравым смыслом. Кажется, так и должно быть. Нильс Бор, один из основателей квантовой механики, говорил: «Если квантовая физика вас не шокирует, значит, вы ее еще не поняли».

Ричард Фейнман пошел еще дальше: он заявил, что «никто не понимает квантовой физики». Когда ему было за шестьдесят, он признал в программной лекции на конференции по вычислительной физике: «Позвольте мне сразу сказать, что нам всегда (только это секрет, закройте скорее дверь!) – нам всегда было очень трудно понять то видение мира, которое дает квантовая механика. Меня лично оно до сих пор нервирует».

Мой внутренний математик мечтает о каком-нибудь детерминистическом механизме, который рассказал бы мне, когда уран в моей банке испустит следующую частицу. Но вероятностный характер квантовой физики чрезвычайно сильно ограничивает нашу способность узнать, что произойдет дальше. Уравнения Ньютона открыли перед нами увлекательнейшие перспективы: зная импульс и положение частицы, мы можем полностью определить ее поведение в будущем при помощи уравнений движения. А если повторить тот же опыт с другой частицей, расположенной в той же точке и имеющей такой же импульс, то ее траектория совпадет с траекторией первой частицы.

Но в 1927 г. Гейзенберг совершил открытие, которое практически уничтожило такую надежду на познание будущего. Он выяснил, что выражение «знать импульс и положение частицы в одно и то же время», по сути дела, не имеет смысла. Оказалось, что между знанием положения частицы и знанием ее импульса существует некая жесткая связь. Если измерять положение частицы, увеличивая точность измерений, то оказывается, что ее импульс может иметь целый диапазон возможных значений. В этом и состоит знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга, ставший, вероятно, самым серьезным препятствием для нашего познания. Как мы увидим далее, именно принцип неопределенности Гейзенберга виноват в том, что уран, лежащий у меня на столе, испускает частицы случайным образом.

То, как важно быть готовым пересмотреть видение мира в свете этого нового открытия, хорошо выразил сам Гейзенберг: «В любом случае, где мы переходим от познанного к непознанному, мы надеемся нечто понять, но одновременно, пожалуй, необходимо при этом подчеркнуть новое значение слова “понимать”»[62].

Квантовая физика не столько дает ответы на старые вопросы, сколько подвергает сомнению те вопросы, которые мы имеем право задавать.

Квантовые ковры

Вот к чему сводится суть открытия Гейзенберга. Возьмем одну из частиц внутри моего куска урана. Если мы знаем, что эта частица пребывает в состоянии покоя – не движется, – то оказывается, что мы не можем знать, где она находится. То есть если проверить ее местоположение, есть шанс обнаружить ее в любой точке Вселенной. Напротив, если попытаться точно определить, где эта частица находится, мы внезапно теряем возможность определения того, как она движется. Частица, которая казалась нам покоящейся, неожиданно оказывается движущейся в произвольном направлении.

Эта идея кажется абсолютно безумной. Подбросив игральную кость в воздух и внимательно следя за ее падением на стол, я не ожидаю, что мое знание положения кости внезапно заставит ее улететь в совершенно новом направлении. Но такое интуитивное представление справедливо только в отношении объектов с большой массой. Если масса мала – например в случае электрона, – то именно так все и происходит. Если определить положение электрона с точностью до радиуса атома, его скорость может изменяться на величину, составляющую до 1000 км/с, причем в любом направлении.

Это похоже на попытки расстелить некий странный квантовый ковер: каждый раз, как мы фиксируем край ковра, соответствующий положению, его импульсный край задирается; стоит нам зафиксировать импульсный край, как другой край ковра уходит со своего места.

Чтобы разобраться в этой упругой связи между положением и импульсом, вернемся к нашему щелевому экрану. Мы изучали странное поведение частицы, направленной на экран, в котором прорезаны две щели. А вот странные отношения между положением и импульсом проявляются в поведении частицы, пролетающей через одиночную щель. Мы уже отмечали, что при пролете частиц через одиночную щель возникает некоторая диффузия. А почему, собственно, один электрон, пролетающий через щель, вообще должен отклоняться? Если электрон – точечная частица, почему же он не пролетает прямо через щель? Как можно объяснить распределение его возможных положений после пролета через щель? Наблюдаемую в этом случае диффузию объясняет именно балансирование между знанием положения и знанием импульса.

Установим источник электронов на большом расстоянии от экрана: тогда, если электрон пролетает через щель, он заведомо не может сместиться в направлении, перпендикулярном щели. Это означает, что, если частица попадает в щель, мы знаем, что ее импульс в этом направлении равен нулю. То есть его значение нам известно точно.

Если считать электрон точечной частицей, то он либо пролетает через щель, не задевая экрана, либо не пролетает. Если он пролетает через щель, мы получаем информацию о его положении, точность которой определяется шириной щели. То есть теперь можно предсказать, в какое место детектора он попадет. Поскольку до попадания электрона в щель импульс в направлении, перпендикулярном ей, был нулевым, электрон должен попасть в участок детектора, ширина которого точно равна ширине щели. Почему же при пропускании через щель все большего числа электронов мы получаем ту же диффузионную картину, которая возникает при попадании волн на пластину детектора? Почему не все электроны прилетают на участок, ширина которого равна ширине щели?

Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что любое измерение, касающееся точного определения положения электрона, порождает неопределенность значения его импульса. Так, например, если электрон пролетел через щель, то его положение известно нам с точностью, определенной шириной щели. По мере уменьшения ширины щели уменьшается и погрешность определения положения. Но диффузионный рисунок становится при этом все шире и шире. Почему? Потому, что это влияет на величину импульса. Если при подлете к щели импульс в направлении, перпендикулярном ей, был равен нулю, то после вылета электрона из щели его положение определено более точно, а его импульс становится неопределенным. Мы зафиксировали край квантового ковра, отвечающий за положение, и его импульсный край от этого задрался.

Очень странная ситуация. Более того, нельзя вычислить заранее, каким именно будет воздействие на импульс. Его можно только измерить впоследствии. Нам доступен только диапазон возможных значений, в пределах которого будет найден импульс при наблюдении. К тому же, если повторить тот же опыт, оказывается, что импульс не определяется условиями эксперимента. Для определения возможного значения импульса имеется только вероятностный механизм.

Численное выражение неопределенности

Принцип неопределенности Гейзенберга дает не просто расплывчатое утверждение общего характера, но численную меру потери знания. Если положение электрона известно с высокой точностью, то его импульс в момент вылета из щели не будет точно равен нулю, а может статистически варьироваться вокруг равного нулю среднего значения. Мы не можем знать, какое значение мы получим при измерении импульса, так как оно все еще неопределенно, но знаем, что возможные значения импульса должны быть статистически распределены по обе стороны от нулевого среднего значения. Можно измерить ширину такого распределения, которую называют стандартным отклонением импульса и обозначают Δp. Эта величина является статистической мерой разброса возможных значений. Чем больше этот разброс, тем больше значение Δp и тем более неопределенно значение импульса.

После того как в 1927 г. появилась исходная статья Гейзенберга, описывающая эту странную обратную связь между знанием положения и знанием импульса, Эрл Кеннард, а позднее Говард Робертсон нашли математическое выражение такого балансирования знаний. Если стандартное отклонение разброса возможных положений равно Δx, а стандартное отклонение разброса возможных значений импульса – Δp, то эти две величины удовлетворяют следующему неравенству:

где h – постоянная Планка, то же число, которое встречалось нам в объяснении энергии фотона. Эта формула утверждает, что если погрешность измерения положения, равная Δx, уменьшается, то для сохранения справедливости соотношения должна увеличиться погрешность измерения импульса, равная Δp. Математическим следствием из квантовой физики является тот факт, что чем точнее полученное знание о положении частицы, тем более возрастает диапазон ее возможного распределения импульса. Именно это и происходит при пролете электрона через одиночную щель.

Взаимосвязанная природа этих двух свойств вытекает из значимости порядка, в котором проводятся измерения. Акты измерения положения и импульса описываются математически двумя операциями, которые, будучи произведены в разных последовательностях, дают разные результаты. Эту идею можно проиллюстрировать при помощи все той же игральной кости. Предположим, кость лежит на столе так, что верхней оказывается грань с единицей, как показано на рисунке. Повернем кубик на четверть оборота вокруг вертикальной оси, проходящей через верхнюю грань, а затем – на четверть оборота вокруг горизонтальной оси, проходящей вокруг одной из боковых граней. Теперь на верхней грани оказалась пятерка. Но если вернуть кость в исходное положение и повторить те же движения, но в обратном порядке, результат получится иным. Теперь верхней оказывается грань с четверкой.

Любые измерения, обладающие этим свойством – что порядок, в котором производят соответствующие им математические операции, имеет значение, – порождают принцип неопределенности. Он попросту является математическим следствием свойства, называемого некоммутативностью.

Именно математика, лежащая в основе квантовой физики, в значительной степени ответственна за ее противоречие здравому смыслу. Когда я зарываюсь в книги и статьи по квантовой физике, мне кажется, что я вхожу в лабиринт. Перед началом путешествия мне казалось, что я знаю, где нахожусь. Затем я стал прокладывать свой логический маршрут через изгибы и повороты лабиринта, используя свои математические навыки. Мне приходится полагаться на математику, потому что стены лабиринта так высоки, что не позволяют мне даже догадываться о том, какой мир лежит за ними. Но когда математика выводит меня на другую сторону и я пытаюсь разобраться, куда я попал, окружающая меня местность выглядит совершенно непохожей на то место, с которого я начал свой путь.

С математикой-то все в порядке: трудность представляет интерпретация результатов, которые она выдает. Создается такое впечатление, что у меня нет языка, который позволил бы перевести то, что эта математика сообщает нам о реальности. Может быть, мои затруднения не реальны, а порождены ограничениями, которые накладывают старый язык и старые теории. Квантовая физика – это кроличья нора, и, упав в нее, мы должны кардинально изменить свою точку зрения и сформулировать новый язык, который позволил бы нам уверенно путешествовать по этому зазеркальному миру. И, нравится нам это или нет, этот язык – математика.

Но можно ли доверять математике? Выведенное из теории поведение, предсказанное математикой принципа неопределенности Гейзенберга, было подтверждено экспериментально. Американский физик Клиффорд Шалл описывает в статье, опубликованной в 1969 г., результаты обстрела нейтронами щели с уменьшающейся шириной. Как и предсказывала теория, увеличение точности определения положения нейтронов, обеспечиваемое уменьшением ширины щели, приводило к росту разброса возможных значений их импульса. И, когда нейтроны долетали до пластины детектора, наблюдалось распределение, стандартное отклонение которого точно соответствовало предсказаниям уравнения принципа неопределенности Гейзенберга.

Простой акт более точного определения положения нейтрона привел к потенциальному изменению его импульса. Принцип неопределенности Гейзенберга выражает в виде уравнения тот факт, что мы никогда не сможем знать всего. Увеличение знания неизбежно достается нам ценой соответствующего увеличения незнания.

Получая более точную информацию об одних величинах, мы теряем определенность других. Но такая неопределенность может иметь неожиданные последствия. Если заключить электрон внутри очень маленькой коробочки, положение такого электрона будет известно с высокой точностью. Но в результате этого значения его импульсы будут распределены в чрезвычайно широком диапазоне. При попытке измерения импульса происходит редукция волновой функции, в результате которой импульс может получить одно из множества разных значений.

Можно предположить, что, измерив импульс, мы сможем узнать и положение, и импульс. Но на самом деле такое измерение делает положение неопределенным. Места возможного нахождения электрона распределяются по пространству в такой степени, что мы получаем так называемый квантовый туннельный эффект, и в результате частица, которую мы считали заключенной в коробке, неожиданно оказывается вне ее. Именно этот эффект является причиной испускания альфа-частиц ураном, лежащим у меня на столе.

Опыт Клиффорда Шалла подтвердил, что уменьшение ширины щели приводит к увеличению статистического разброса положений нейтронов

Альфа-частица является частью ядра урана и состоит из двух протонов и двух нейтронов. Ядро как бы представляет собой маленькую коробочку, в которой содержатся альфа-частицы. В общем случае такие частицы не имеют энергии, достаточной для преодоления сил, удерживающих их в ядре. Поскольку их скорость и, следовательно, импульс ограничены таким образом, их импульс известен нам с высокой точностью. Но тогда, в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, положение этих частиц определено не столь точно. Существует даже вероятность того, что это положение может находиться вне ядра и в таком случае частицы могут вылетать из него. Такая неопределенность положения и является причиной излучения урана.

Пределы знания на малом масштабе

Принцип неопределенности не только объясняет непредсказуемость моей банки урана, но и устанавливает пределы знания, которое я могу получить, забираясь все глубже и глубже внутрь игральной кости, чтобы посмотреть, что там происходит.

Если пытаться точно измерить координаты одного из электронов внутри кости, то за уменьшение погрешности определения координат придется заплатить соответствующей неопределенностью импульса и, следовательно, энергии. Соотношение неопределенности Гейзенберга дает математическое выражение этого баланса. Но есть и еще одно обстоятельство. Поскольку энергия и масса связаны уравнением Эйнштейна E = mc2, то при достаточно высокой энергии может произойти рождение новых частиц. Затруднение состоит в том, что, если попытки определения положения частицы приводят к образованию новых частиц, это существенно усложняет исследование положения исходной частицы. Характерный масштаб, на котором возникает такое осложнение, называется комптоновской длиной волны частицы. Для электрона она составляет около 4 · 10–13 м.

При переходе к еще меньшим расстояниям неопределенность ситуации становится все сильнее. В некоторой точке неопределенность энергии возрастает настолько, что соответствующая масса становится достаточно большой для возникновения черной дыры. Как мы увидим на пятом «рубеже», черная дыра по самой своей природе удерживает в себе любую информацию в пределах определенного расстояния от центра дыры и препятствует ее высвобождению.

Это означает, что из принципа неопределенности вытекает существование встроенного предела, ограничивающего возможности исследования природы. Оказывается, что начиная с некоторого масштаба мы не можем получить дальнейшего доступа вглубь происходящего. Масштаб этот очень мал. Он составляет порядка 1,616 · 10–35 м и называется планковской длиной. Это чрезвычайно мало. Если увеличить точку, стоящую в конце этого предложения, до размеров наблюдаемой Вселенной, то планковская длина будет сопоставима с размерами точки до такого увеличения.

На предыдущем «рубеже» мы дошли до точки, после которой не могли далее делить материю; сейчас мы дошли до точки, после которой не можем далее делить пространство. Бред какой-то. Почему мы не можем говорить о точке, расположенной посередине между двумя точками, разделенными планковской длиной? Это вполне возможно с математической точки зрения, но, по-видимому, не с физической. Физика утверждает, что различить такие точки невозможно.

Из этого следует, что пространство на этом масштабе выглядит разрозненным, зернистым, дискретным – а вовсе не непрерывным, как полагал Ньютон. В таком представлении пространство оказывается скорее цифровым, чем аналоговым. А из этого, в свою очередь, следует, что фракталы, о которых мы говорили на первом «рубеже», не могут иметь какой-либо физической реальности в квантовой физике. Фрактал должен обладать бесконечной сложностью на любом масштабе, но квантовая физика останавливает увеличение масштаба на уровне планковской длины. Значит ли это, что фракталы первого «рубежа» существуют только в математическом воображении? Кажется, что квантовая физика и теория хаоса несовместимы друг с другом. Возможно, квантовая физика способна подавлять хаотические системы.

Следует оговориться, что такая невозможность проникнуть за планковскую длину существует в современной теории. Именно на этом масштабе перестают как следует работать квантовая физика и общая теория относительности. Нам нужна новая теория, и именно с этим связаны все те усилия, которые прилагают к разработке квантовой гравитации и теории струн. Например, в теории струн частицы представляют собой не точки, а конечные струны, длина которых имеет порядок планковской длины, причем разные частицы вибрируют с разной частотой. Существуют ли действующие на таком масштабе правила, которые позволяли бы извлекать информацию на еще более мелких масштабах?

Наблюдение есть творение

Принцип неопределенности неоднократно пытались представить следствием влияния на систему акта наблюдения. Чтобы узнать, где находится частица, на нее нужно направить фотон, который сталкивается с частицей и передает ей импульс неизвестной величины. Таким объяснениям не следует доверять. Они привлекательны, но обманчивы. В приведенном выше примере пролета электрона через одиночную щель для изменения импульса электрона не требуется никаких фотонов. Оно происходит исключительно в результате пролета электрона через щель, который дает нам новую информацию о положении этой частицы, а это вызывает соответствующую потерю знания ее импульса. Никакого непосредственного взаимодействия, толкающего частицу в ту или иную сторону, тут нет.

Такое обманчивое описание столкновения частицы со световыми фотонами, по-видимому, восходит к исходной статье Гейзенберга. Он должен был включить в нее это описание, чтобы убедить скептически настроенных редакторов напечатать его статью.

На самом деле принцип неопределенности Гейзенберга ставит под сомнение смысл высказывания об одновременном наличии у электрона положения и импульса. Выражений вроде «знать положение и импульс частицы» следует избегать – они не имеют осмысленного эмпирического содержания.

Возможно, принцип неопределенности представляет собой нечто большее, чем просто выражение того, чего мы не можем знать. Он выражает скорее пределы определения некоей концепции. В этом смысле он согласуется с описанием электрона при помощи волновой функции, которое вообще не предполагает, что электрон имеет какое-либо точное положение в пространстве до наблюдения. Сам Гейзенберг сформулировал следующую точку зрения на головоломку о том, что представляет собой реальность:

Я считаю, что возникновение классической «траектории» можно четко определить следующим образом: «траектория» возникает только благодаря тому, что мы ее наблюдаем[63].

Что на самом деле говорит нам принцип неопределенности Гейзенберга – серьезный вопрос. Означает ли он, что мы никаким образом не можем узнать точное положение и импульс электрона в один и тот же момент? Или же что они вообще не существуют? Дело не в том, что мы не можем их узнать, а в том, что эти параметры вообще не имеет смысла определять для электрона. Наблюдение есть творение.

Некоторое время я никак не мог поверить, что такие фундаментальные свойства, как положение и импульс, возникают, только когда их измеряют. Импульс электрона может измениться после его вылета из узкой щели, но должен же он иметь какое-то точное значение даже до того, как мы его измерим? Я могу согласиться с тем, что мы не знаем этого значения, пока не определим этот импульс при помощи измерительных приборов, но такого, что остается неизвестным, пока не будет измерено, вообще на свете немало. Однако квантовая физика уверяет нас, что такая вера в существование точного значения до измерения ошибочна. Свойства частицы создаются именно нашим взаимодействием с системой. Возможно ли, чтобы наш акт измерения создавал реальность этой частицы?

Я не одинок в своих сомнениях. Например, Эйнштейн был одним из тех, кто пытался оспорить идею о том, что параметры, подобные положению и импульсу, остаются неопределенными до тех пор, пока они не будут наблюдаться. Конечно, говорил он, когда частица летит в вакууме, такие свойства на самом деле должны иметь явные значения. Мы можем не знать, чему они равны, или располагать приборами или математическими методами для их определения, но они в любом случае существуют, они в любом случае осмысленны. Не следует смешивать эпистемологию с онтологией. Даже если мы не можем одновременно знать положение и импульс (эпистемология), это не значит, что они не существуют (онтология).

Однако мне пришлось расстаться с такой интуитивной верой в существование объектов до измерения, когда я прочитал о замечательной теореме Белла, которую открыл в 1964 г. североирландский физик Джон Белл. Его теорема объяснила, почему некоторые свойства частицы не могут существовать до того, как они будут измерены. Если попытаться заставить их существовать до измерения, приходишь к противоречию. Как показал Белл, поскольку система не знает заранее, какие именно измерения мы решим произвести, то присвоить свойствам значения, которые учли бы все возможные измерения, невозможно без получения результатов, противоречащих известным нам теоретическим и экспериментальным данным. Это все равно что решать головоломку судоку, которая содержит ошибку. Как ни старайся вписать во все клетки правильные значения, все равно получается столбец или строка, содержащие два одинаковых числа.

Поскольку с математической точки зрения теорема Белла совершенно неопровержима, мне пришлось согласиться с тем, что измерение, по-видимому, действительно создает свойства частицы. Но у меня все еще остаются сильные сомнения в том, что результат акта измерения столь случаен, как уверяет нас современная теория.

Скрытая машина

Теорема Белла означает, что следует смириться с неизбежным и признать, что квантовая игральная кость не брошена, пока на нее никто не смотрит. Только измерение останавливает качение кости и заставляет ее решить, какой стороной она выпала. Но так ли случаен результат, как предполагает квантовая физика? Я знаю, что поведение моей игральной кости из казино на самом деле не вполне случайно. То, какой стороной падает кость, в конечном счете определяет некий физический механизм. Я подозреваю, что дело может обстоять таким же образом и с излучением моей банки урана.

Признаюсь, что у меня есть тайное подозрение, что квантовая физика – лишь временный мостик на пути к более полному пониманию поведения фундаментальных частиц. Наверняка, как и в случае игральной кости, должен существовать какой-то механизм, решающий, когда кусок радиоактивного урана испустит очередную альфа-частицу или в какой участок детектора попадет электрон, пролетевший через двойную щель.

Эйнштейн явно придерживался того же мнения, что и выражает его знаменитое высказывание:

Квантовая механика, несомненно, впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не окончательная истина. Эта теория дает нам многое, но почти ни на шаг не приближает нас к тайне Всевышнего. Во всяком случае, я убежден, что в кости Он не играет[64].

Он считал, что за этой завесой, которая кажется нам непроницаемой, должна скрываться какая-то объективная реальность. Он верил, что должны существовать еще меньшие шестеренки, определяющие результаты измерений, даже если мы и не в состоянии до них добраться.

Повторюсь, что в этом отношении я согласен с Эйнштейном. Я уверен, что существует какой-то внутренний механизм – даже если он пока что нам и неизвестен, – который определяет результат, взаимодействуя с измерительным прибором. Я готов признать, что такой механизм может производить результаты, соответствующие модели случайности, так же как моя игральная кость. Но что-то, определяющее эти результаты, должно существовать. Может быть, в частицах находящегося в моей банке урана установлены микроскопические часы: если в момент измерения секундная стрелка находится между 0 и 30, то уран испускает излучение; если стрелка находится между 30 и 60, то излучение не регистрируется.

Если такие внутренние часы существуют, то, как мы увидим далее, они должны представлять собой в высшей степени замечательный механизм, причем противоречащий другому аспекту здравого смысла. Мне кажется, что такой механизм должен располагаться вблизи банки с ураном. Он может быть внутри частиц, содержащихся в уране, и быть так мал, что мы не сможем его увидеть. Возможно, мы никогда не сумеем его исследовать. Проблема заключается в том, что сценарий, впервые придуманный Эйнштейном и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном, показал, что, если бы такой механизм существовал, его можно было бы переместить хоть на другой край Вселенной и расположить сколь угодно далеко от моего куска урана. Возможно, это и так, но представляется весьма удивительным, что если нечто подобное скрытым часам, которые принимают решение о моменте испускания ураном альфа-частицы, существует, то оно представляет собой механизм, охватывающий всю Вселенную.

Сценарий, который предложили Эйнштейн, Подольский и Розен, использует идею так называемой «квантовой зацепленности»[65]. Можно создать две частицы, свойства которых коррелируют в том смысле, что измерение свойств одной из частиц заставляет вторую соответствовать этим результатам. В качестве аналога можно представить себе ситуацию с двумя игральными костями, устроенными так, что, когда на одной из них выпадает шестерка, вторая должна упасть таким же образом. Изготовить пару таких взаимно зацепленных кубиков было бы довольно трудно – именно потому, что механизм, определяющий, как выпадет кость, управляется ее взаимодействием с локальными условиями и кажется невозможным понять, как он может управлять поведением второй кости. Однако в квантовой физике создание таких зацепленных и взаимозависимых частиц вполне возможно, но свойства скрытого механизма, определяющие поведение таких зацепленных частиц в случае измерения, чрезвычайно странны.

Чтобы продемонстрировать удивительную нелокальную природу такого механизма – если он вообще существует, – предположим, что две зацепленные квантовые кости отправлены на противоположные концы Вселенной. При измерении первой из квантовых костей она должна решить, какая грань на ней выпала, и это решение мгновенно определяет, какая грань выпала на второй кости, находящейся на другом краю Вселенной. Некоторых ученых, в том числе и Эйнштейна, сильно беспокоило такое «пугающее» дистанционное действие. Эйнштейн считал, что результат броска кости может быть каким-то образом определен заранее, до отправления частиц на противоположные концы Вселенной. Но это было до того, как Белл доказал свою теорему, которая утверждает, что установить свойства квантовой частицы до измерения невозможно. Не забываем: измерение есть творение.

Наибольшие трудности вызывает понимание того, как такое творение, произведенное на одном конце Вселенной, может мгновенно создать новое состояние второй частицы, находящееся на противоположном краю. Если тут действует какой-то внутренний механизм, определяющий результат измерения для второй частицы, то такой механизм воздействует на то, что происходит на другом краю Вселенной. Он не может быть локализован. Такой механизм просто не может быть вставлен внутрь частицы.

Эйнштейн и раньше высказывал озабоченность «пугающим действием на расстоянии», говоря об опыте с двойной щелью. Как фотопластинка может знать, что она не должна регистрировать электрон в одной точке, если он должен быть обнаружен в другой? Как кажется, происходит мгновенное редуцирование волновой функции, причем какой-либо каскадный эффект из точки наблюдения по остальной поверхности пластины отсутствует.

В нашем новом случае имеются две частицы, но, поскольку они в каком-то смысле зацеплены друг за друга, они описываются общей волновой функцией, что делает их подобными частице, детектируемой в опыте с двойной щелью. Такие частицы следует рассматривать как единый целостный объект. Согласно теореме Белла, свойства этих частиц не могут быть установлены до их путешествия на край Вселенной, что означает, что любые механизмы, определяющие их свойства, не могут быть локализованы в частице, но должны охватывать всю Вселенную.

Следовательно, если существует некий механизм, решающий, когда именно мой кусок урана должен испускать излучение (как мечтается моей детерминистической душе), такой механизм должен охватывать всю Вселенную. Он не может сводиться к некоей машине, заключенной внутри куска урана, лежащего на моем столе, потому что такая машина должна быть способна управлять состоянием частиц, находящихся на другом конце Вселенной, если они зацеплены с этим куском урана.

Эти результаты часто демонстрируют для опровержения любых попыток утверждать, что такой механизм, определяющий время испускания ураном альфа-частиц, может существовать. Но на самом деле в них следует видеть лишь условия, которым должна удовлетворять такая скрытая машина. Скрытый механизм может существовать – он просто должен быть очень странным. Как сказал Белл, доказавший, что такие скрытые машины должны охватывать всю Вселенную, «доказательство невозможности доказывает только недостаток воображения».

Однако многие не разделяют мое стремление исключить возможность случайности поведения урана. Это может быть связано с тем, что такая случайность образует в научной картине мира зазор, через который в нее может быть введен фактор, милый сердцу многих, – свобода воли.

Некоторые комментаторы утверждали, что если в квантовой физике действует истинная случайность и современное положение вещей не определяется прошлыми событиями, то это свидетельствует о том, что во Вселенной действует свобода воли. Кажется, что квантовые частицы вольны выбирать, куда им лететь и в каком виде проявляться при измерении. Человек, принадлежащий к макромиру, возможно, и не обладает свободой воли, но такие микрочастицы, по-видимому, могут делать что хотят… в разумных пределах.

Свобода воли таких частиц может быть выражением некоей большей свободы воли. Некоторые религиозные мыслители полагают, что известное неизвестное квантовой физики говорит о возможности существования внешнего агента, действующего в нашем мире и влияющего на его развитие. На сегодняшний день мы не располагаем механизмом предсказания исхода измерения системы, находящейся в состоянии квантовой суперпозиции. Если на долговременном масштабе такие исходы соответствуют результатам, которых мы можем ожидать в наблюдаемых случайных процессах, определение отдельных исходов, по-видимому, может быть делом рук такого агента. Такую возможность создает наша нынешняя неспособность объяснить, как макроскопический мир измерений взаимодействует с квантовым миром. Так может ли неизвестное квантовой физики быть местом, в котором находится теистический Бог? Чтобы добиться хоть чего-нибудь, пытаясь понять, может ли Бог скрываться в уравнениях квантовой физики, мне нужно было найти человека, который чувствует себя одинаково уютно и в храме, и в лаборатории. Поэтому я отправился в Кембридж.

Мясник-вегетарианец

Джон Полкинхорн изучал физику под руководством Поля Дирака в Кембридже, а затем – у Ричарда Фейнмана и Мюррея Гелл-Манна в Калтехе. Лучших учителей просто не бывает. Его исследования, в частности, способствовали подтверждению существования кварков, считающихся многими последним уровнем, до которого можно дойти, углубляясь в строение нашей игральной кости.

Сейчас Полкинхорн вернулся в свою альма-матер, и мы договорились встретиться у него дома в Кембридже. Я и сам пять лет занимался исследованиями в Кембридже и всегда с удовольствием туда возвращаюсь, хотя сердце мое отдано темно-синему Оксфорду[66]. Полкинхорн, решивший пройти рукоположение в священники после четверти века работы на передовом крае квантовой физики, – идеальный собеседник для обсуждения теологии квантового непознаваемого. Такой поворот его карьеры многим кажется чересчур резким. Сам он объясняет: «Я оставил науку не потому, что разочаровался в ней, но мне казалось, что примерно за 25 лет я сделал в ней все, что мог. Моя работа была с сильным математическим уклоном, а в математике самые лучшие результаты обычно получают до 45 лет».

Брр… Терпеть не могу, когда так говорят. Я все еще пытаюсь надеяться, что «математика – для тех, кому еще не за сорок» – это миф, что математика – не какой-то там молодежный клуб. Конечно, поскольку я нахожусь по ту сторону этой границы, ничего неожиданного в этом нет. Но пока у меня остаются неразрешенные вопросы, эта надежда заставляет меня продолжать работу. А неразрешенных вопросов на моем столе еще много. Но я, несомненно, могу понять стремление заняться решением новых задач… подобных, например, моим нынешним попыткам разобраться в квантовой физике. Для Полкинхорна таким поворотом стало рукоположение в сан, и он часто шутит над кажущимся противоречием между двумя профессиями, которым он посвятил свою жизнь: «Многие считают, что быть одновременно физиком и священником – занятие странное и даже лицемерное. Это вызывает такое же насмешливое удивление, как, например, мясник, объявивший себя вегетарианцем».

Но сам он думает, что эти две роли гармонично сочетаются друг с другом: «Главная причина попросту в том, что и наука, и теология занимаются поисками истины».

Я поинтересовался, есть ли какие-то вопросы, которые, по его мнению, недоступны той или другой дисциплине.

«Существуют два типа вопросов, на которые наука не может ответить. Некоторые из них происходят из самой науки. Первый тип вопросов – это то, что мы узнали из квантовой физики, что, хотя мир упорядочен, он также обладает смутным и капризным характером, и мы не можем добраться до того ясного, лишенного сомнений постньютоновского мира, который, по-видимому, где-то существует.

Но есть и другие вопросы, которые по самой своей природе не попадают в область действия науки. Я считаю, что наука добилась замечательных успехов, и очень ее уважаю, но этих своих успехов она добилась благодаря ограничению своих притязаний. Наука, по сути дела, задает один-единственный вопрос о том, что происходит в мире: как именно работает мир? При этом она намеренно, по самой своей природе, оставляет за скобками вопросы смысла, ценности и цели».

Мне уже приходилось встречаться с этой предполагаемой разделительной линией: наука определяет «как», а религия – «почему». Мне, однако, кажется, что эта изящная формулировка отражает фундаментально порочный взгляд на науку.

Наука разбирается со множеством вопросов «почему». Почему из моей банки урана вылетают альфа-частицы? Почему траектории планет, обращающихся вокруг Солнца, лежат в одной и той же двумерной плоскости, а не под произвольными углами друг к другу? Почему пчелы строят шестиугольные соты? Почему раз в четыре года численность популяции леммингов резко падает? Почему небо синее? Почему ничто не может перемещаться быстрее скорости света?

Полкинхорн пытается объяснить мне, какие различия он видит между этими двумя подходами.

«Я очень люблю такой бытовой пример: вы заходите ко мне на кухню и видите кипящий чайник. Как ученый я могу объяснить, что чайник кипит, потому что горящий газ нагревает воду и так далее. Но я могу выйти из роли ученого и сказать, что чайник кипит, потому что мне захотелось чаю, – кстати, не хотите ли чашечку?»

Я поймал его на слове и попросил чашку чая. Пока он заваривался, Полкинхорн продолжал: «Мне не нужно выбирать между этими двумя ответами, и если я хочу полностью понять феномен кипения чайника, то я должен ответить на оба вопроса: как оно происходит и почему оно происходит».

Я до некоторой степени согласен с Полкинхорном в том, что наука ограничила свои устремления и занялась более простыми вопросами. Скажем честно, что доказать Великую теорему Ферма легче, чем понять поведение моей кошки или предсказать, что в следующий момент предпримет Полкинхорн. Но это не означает, что наука не может надеяться в конце концов понять все сложности поведения кошки или причуд человеческих желаний.

На мой взгляд, спор о науке и религии пал жертвой нашей ужасной тяги к категоризации всего на свете, зашоренного мышления, которое говорит: «Это вот наука, а это теология, а это искусство, а это психология…» Радует в этом то, что мы разработали множество разных языков, на которых можем говорить об окружающем нас мире. Возможно, все процессы во Вселенной, включая решение Полкинхорна вскипятить чайник, и можно свести к решению волнового уравнения Шредингера. Но, хотя этот язык прекрасно подходит для описания поведения урана в моей банке, он не годится для объяснения миграции стаи птиц, для выражения восторга от музыки Моцарта или для обсуждения безнравственности пыток.

Полкинхорн также признает опасность слишком редукционистских воззрений на реальность: «Иногда, когда я спорю со своими друзьями, придерживающимися твердых редукционистских взглядов и утверждающими, что физика охватывает все на свете, я спрашиваю сначала: “А как насчет математики?” А потом: “А как же музыка?” Разумеется, музыка сводится к вибрациям в ухе, но это и все, что наука может сказать о музыке, – но конечно же далеко не все, что вообще можно сказать о ней. На мой взгляд, очень важно не хвататься то и дело за редукционистский топор, пытаясь порубить все на мелкие кусочки».

Я вернул Полкинхорна к его первому примеру вопроса, на который не может ответить наука. В самом ли деле он верит, что квантовая физика не позволяет мне узнать, когда моя банка урана испустит следующую частицу? Неужели это действительно чистая случайность?

«Вся эта лотерея очень неприятна. Как в казино, по сути дела. Большинство специалистов по квантовой физике просто привыкли к такому положению вещей и заняты своими подсчетами, но мне оно не кажется удовлетворительным. Вопрос в том, какое оно – эпистемологическое или онтологическое.

Эпистемологическая задача имеет ответ – просто мы его не знаем. В онтологической ситуации мы и не можем его знать. И именно такова традиционная интерпретация квантовой теории: мы не можем знать.

Мы знаем, что казино по существу эпистемологично. На происходящее влияют микроскопические эффекты. Мне кажется, что, если проблемы квантовой теории эпистемологичны, нужно составить себе какое-то представление о том, как возникает такое эпистемологическое отчаяние, что мешает нам решить эту задачу. С онтологической точки зрения, по-моему, имеет смысл продолжать упорствовать, пока это вообще возможно. Мы еще не дошли до предела».

Принятый большинством подход к проблемам квантовой физики сводится к тому, что до наблюдения частица представляет собой суперпозицию состояний, описываемую волновой функцией, а наблюдение макроскопическими средствами вызывает скачкообразное изменение ее поведения. Теперь частица имеет всего одно состояние, а волновая функция содержит информацию о вероятности обнаружения частицы в том или ином конкретном состоянии. Объяснить такой скачок никто не пытается. Это воззрение называется копенгагенской интерпретацией, по имени места жительства его главного сторонника, датского физика Нильса Бора. В сущности, это школа квантовой физики под лозунгом «Заткнись и считай».

«Хотя я согласен с копенгагенской интерпретацией квантовой теории, я не считаю ее интеллектуально удовлетворительной. В конечном счете все сводится к тому, что кто-то говорит: “…и потом это происходит”.

Это вызвано вмешательством макроскопических средств. И все – конец разговора. Но это просто победа по определению. В этом и заключается проблема. Загадки остаются неразгаданными».

Учитывая веру Полкинхорна в то, что Бог существует и действует в нашем мире, я спросил, не думает ли он, что неизвестное такой редуцирующейся волновой функции – это то место, в котором может действовать Бог.

«Я не думаю, чтобы Бог решал, распадаться ли ядру вашего урана. Там есть какой-то механизм… нет, “механизм” – не вполне то слово… какое-то влияние, которое устанавливает порядок. Один из парадоксов квантовой теории состоит в том, что и сейчас, 80 лет спустя, мы все еще ее не понимаем».

Исследуя теорию хаоса на первом «рубеже», я прочитал, что Полкинхорн верит, что Бог может влиять на неизвестные нам знаки после запятой. Я поинтересовался, почему он считает тем неизвестным, через которое может действовать Бог, именно теорию хаоса, а не свою собственную область квантовой физики.

«Лет десять назад было такое время, когда научные и богословские сообщества бились над этими формами влияния на мир. Они, разумеется, не разрешили эту проблему – это был бы слишком амбициозный проект. Многие, особенно на Западном побережье Америки, ставили на то, что квантовая теория объяснит все. Мне такая идея казалась чересчур поверхностной. В противовес этому я, может быть, зашел слишком далеко в противоположном направлении. Я не думаю, что все решение сводится только к теории хаоса. Это лишь предположение о том, что физическая Вселенная упорядочена, но порядок ее менее жесткий, чем считал Ньютон».

Но он ни в коем случае не сбрасывает со счетов следствия квантовой физики.

«Открытие фундаментальной непредсказуемости в квантовой теории показывает нам, что мир точно не механистичен, а следовательно, и мы не являемся автоматами в некотором тривиальном и невероятном смысле этого слова».

Интересно, что агент, пытающийся диктовать ход будущего при помощи неизвестного квантовой физики, может действовать, только когда производятся измерения. До тех пор пока измерение не вызовет фазовый переход, уравнения квантовой физики полностью детерминистичны и развиваются линейным, нехаотическим образом, не оставляя никакого места для вмешательства такого агента. В этом заключается одна из причин, по которым религиозно настроенных физиков вроде Полкинхорна, пытающихся найти тот просвет, через который может действовать такой агент, не особенно привлекает неизвестное, следующее из квантовой физики.

Когда я возвращался из Кембриджа, вопрос о соотношении эпистемологии и онтологии казался мне центральным для понимания того, что квантовая физика сообщает нам о непознаваемом. Подобна ли эта ситуация тому, что происходит с игральной костью? Хотя мы не можем точно определить начальные условия броска кости, мы не сомневаемся в их существовании. Квантовая же физика ставит под вопрос саму возможность говорить о точно определенном начальном состоянии моей банки с ураном.

Господствующая сегодня в физике интерпретация утверждает, что нельзя считать, будто бы частицы внутри урана могут одновременно иметь положение и импульс. Такая интерпретация превращает эпистемологию в онтологию. То есть наша неспособность узнать их выражает истинную природу вещей. Как сказал Гейзенберг, «сами атомы или элементарные частицы не реальны; они образуют мир потенциалов и возможностей, а не вещей и фактов».

Что-то из ничего

Хотя кажется, что принцип неопределенности Гейзенберга создает неизвестное или пробел, через которые в мир может вернуться Бог, возможно, что на самом деле он заполняет другой пробел, служащий для большинства источником веры в Бога. Одно из крупнейших неизвестных сводится к вопросу: почему в мире что-то существует? Моя банка урана попала ко мне из компании Images Scientific Instruments на Статен-Айленде через интернет-магазин Amazon. Но если пойти еще дальше, пытаясь определить изначальное происхождение этого урана, мы в конце концов упремся в неизвестность. Потребность в каком-то объяснении этой неизвестности лежит в основе концепций Бога многих культур. Бог является ответом на этот вопрос. Но что это за ответ? Возможно, он просто подчеркивает веру многих в то, что мы не можем знать истинного ответа.

Мне кажется, что большинство ученых, говорящих о Боге, имеют в виду нечто, что давало бы ответ на этот, по-видимому, неразрешимый вопрос: откуда берется все? Они охотно применяют свой научный разум к исследованию того, как устроена уже существующая и работающая Вселенная. Они не ищут в мире следов божественного вмешательства. Такое мировоззрение часто называют деизмом в отличие от теизма. Такого Бога, в сущности, можно приравнять к «тому, чего мы знать не можем».

Разумеется, если попытаться описать, как может выглядеть такой ответ, сталкиваешься с проблемой бесконечной регрессии. Если предположить, что нечто ответственно за создание Вселенной, то, спрашивается, кто создал это нечто? Разумеется, такое «кто» – тоже часть проблемы, потому что мы испытываем непреодолимое стремление персонифицировать эту концепцию.

Именно поэтому многие говорят о трансцендентных определениях, о том, чего нельзя выразить, – чтобы избежать проблемы бесконечной регрессии. Они уклоняются даже от попыток выразить, каким может быть такой ответ. Просто нечто неизвестное и превосходящее наши попытки его познания. Именно таков Бог, определение которого пытался сформулировать ведущий североирландской воскресной утренней радиопередачи, с которым я вступил в спор.

В данном случае Бога определяют как нечто, что не может быть выражено. Но какую силу может иметь такая концепция? Если он не может вмешиваться, не может влиять, не может быть выражен и описан, – то зачем он нам нужен? Именно поэтому все мифотворцы вынуждены отливать своих богов в формы, которые можно выразить, узнать и зачастую персонифицировать. Слишком трансцендентный Бог теряет свое могущество и постепенно исчезает. Именно это случилось с верховными богами или небесными богами многих религий. Религиовед Карен Армстронг пишет в своей книге «Биография Бога» (The Case for God): «Он превратился в Deus otiosus[67], в “бесполезное”, или “излишнее”, божество, и постепенно исчез из сознания своего народа».

Как заявляет теолог Герберт Маккейб: «Утверждать существование Бога значит утверждать, что существуют не получившие ответа вопросы об устройстве Вселенной». Но он же предостерегает, что порок религий всегда состоит в представлении Бога не как философской идеи, а как конкретного объекта. По его мнению, проблема заключается в том, что религия слишком часто впадает в идолопоклонничество, пытаясь установить слишком личные отношения с такой концепцией Бога.

Трудность состоит в том, что неопределенная, непознаваемая, трансцендентная концепция слишком абстрактна, чтобы многие могли установить с ней какие-то отношения. Она не может предложить того утешения, которого многие ищут в Боге. Поэтому его могущество, возможно, неизбежно должно быть основано на несколько меньшей трансцендентности, несколько большей ощутимости, даже если это и противоречит исходному определению и порождает парадоксальный вопрос о том, «кто создал создателя».

0 = 1–1

Однако вопрос о том, почему существует нечто, а не ничто, может быть не таким уж и непознаваемым. И именно непознаваемое третьего «рубежа» может предоставить способ получения чего-то ex nihilo, из ничего. Как только у нас оказывается кусочек пустого пространства, квантовая физика начинает заполнять его чем-то. Тот вариант принципа неопределенности Гейзенберга, который мы до сих пор рассматривали, касается отношений между положением и импульсом. Но есть и другие физические величины, связанные между собой подобным образом.

Например, принцип неопределенности Гейзенберга связывает энергию и время: если посмотреть, что происходит в, по-видимому, пустой области пространства, то уменьшение временного промежутка исследования такой области приводит к росту неопределенности ее энергетического содержания, что означает, что пустое пространство никогда не может быть действительно пустым. На коротких временных промежутках существует возможность флуктуаций энергии. Поскольку энергия может преобразовываться в массу, это приводит к спонтанному рождению в вакууме частиц. В большинстве случаев они аннигилируют друг с другом и снова обращаются в ничто, но некоторые из них все же выживают. И это дает нам механизм получения чего-то из ничего.

Но откуда берется эта энергия? Не противоречит ли ее внезапное появление закону сохранения энергии, столь милому физике? Кое-кто считает, что суммарное энергетическое содержание Вселенной равно нулю, а потому никакого обмана тут нет. Важно учитывать, что гравитация создает отрицательное энергосодержание. Поэтому Вселенная может возникать из нулевой энергии – из ничего, – поскольку при этом возникает сочетание положительной и отрицательной энергии. Мы попросту наблюдаем действие уравнения 0 = 1–1. 0 есть ничто; 1 плюс –1 – это, соответственно, материя и гравитация, притягивающая эту материю.

Представление гравитации в виде отрицательной энергии может показаться несколько странным, но представим себе крупную массу – например астероид – вблизи Земли. Падая на Землю, астероид увеличивает свою кинетическую энергию, но гравитационное притяжение также возрастает, так как сила гравитационного притяжения увеличивается по мере уменьшения расстояния между двумя массами. Поэтому закон сохранения энергии требует, чтобы гравитационная потенциальная энергия была отрицательной и уравновешивала прирост кинетической энергии.

В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, из самого факта существования пространства следует, что частицы могут возникать из ничего. Никакой необходимости в создателе нет. Квантовые флуктуации приводят к тому, что мы постоянно видим, как из ничего возникает нечто. Как мы увидим на пятом «рубеже», именно этим Хокинг объяснил испускание частиц черными дырами. Ничто превращается в частицу и античастицу: одна из них оказывается захвачена черной дырой, а вторая улетает прочь. Таким образом, квантовая физика дает частичный ответ на вопрос о получении чего-то из ничего.

Однако нужно по меньшей мере иметь сцену для такой квантовой игры, и здесь на передний план, в свою очередь, выходит вопрос создания пустого пространства. Возможно, именно тут и возникает путаница. Некоторые считают, что пустое пространство и есть ничто. Но это ошибка. Трехмерное пустое пространство, вакуум, есть нечто. Это та арена, на которой могут действовать геометрия, математика, физика. В конце концов, уже тот факт, что мы имеем именно трехмерное, а не четырехмерное пустое пространство, указывает на то, что оно представляет собой нечто. Ничто размерности не имеет.

Сейчас существуют теории, позволяющие объяснить, как пространство и время могут возникать подобно частицам, в качестве флуктуаций квантовой гравитации. Кажется, что их математический аппарат достаточен для того, чтобы создать нечто – чтобы создать Вселенную – из ничего. В конечном счете может оказаться, что уран в моей банке происходит не из магазина Amazon, а из математических выкладок.

Рубеж четвертый: Бумажная Вселенная

7

Я осмеливаюсь предложить такое решение этой вековой проблемы: Библиотека безгранична и периодична. Если бы вечный странник пустился в путь в каком-либо направлении, он смог бы убедиться по прошествии веков, что те же книги повторяются в том же беспорядке. Эта изящная надежда скрашивает мое одиночество.

Хорхе Луис Борхес. Вавилонская библиотека[68]

Меня всегда занимал вот какой вопрос: существует ли физическая бесконечность? Мои попытки создать бесконечность путем деления игральной кости на бесконечно малые части потерпели неудачу, когда я добрался до неделимых кварков. Похоже, что даже пространство невозможно делить бесконечно, так как пространство квантуется. Поэтому теперь я собираюсь обратить свои поиски существования бесконечности в другую сторону – не внутрь, а наружу.

Что произойдет, если постоянно двигаться по прямой? Можно ли бесконечно продолжать такое движение? Я думаю, что этот вопрос хоть раз в жизни задавал себе всякий, кто когда-нибудь смотрел в пространство. Если бросить нашу игральную кость в космос, вернется ли она когда-нибудь в начальную точку, или натолкнется на космическую стену и отскочит обратно, или же так и будет вечно лететь, кувыркаясь в вакууме? Вопрос о том, бесконечно ли продолжается Вселенная, оказывается на удивление непрост и связан с тем обстоятельством, что само пространство не статично. Даже если Вселенная и бесконечна, могут существовать теоретические ограничения размеров пространства, доступного для нашего исследования. Возможно, мы никогда этого не узнаем.

Для помощи в путешествии в бесконечность я обзавелся своей собственной Вселенной – точнее, той ее частью, которую я могу увидеть. Я склеил себе звездный глобус, скачанный с веб-сайта Европейского космического агентства. Собственно говоря, это не вполне глобус. Он сделан из двух листов бумаги формата А4, из которых я вырезал и склеил одно из моих любимых геометрических тел – икосаэдр, состоящий из двадцати равносторонних треугольников. Как и кубик из казино, он является одним из пяти Платоновых тел, из которых получаются хорошие игральные кости.

Если ясной ночью посмотреть на небо, кажется, что все звезды нарисованы на огромной черной сфере, охватывающей Вселенную. Именно такую модель Вселенной использовали многие древние культуры. Они верили, что Земля находится в центре этой сферы, которая вращается вокруг оси, проведенной через Полярную звезду, единственную из звезд ночного неба, которая кажется неподвижной, в то время как все прочие звезды обращаются вокруг нее.

Мой бумажный звездный глобус – это модель такого небесного свода. Я поставил его на стол так, чтобы Полярная звезда оказалась в верхней точке икосаэдра. В середине глобуса нанесены знаки Зодиака, отмечающие последовательность месяцев года, – в том числе, разумеется, и мой собственный знак Девы. Нам кажется, что Солнце последовательно перемещается через все эти созвездия, возвращаясь в исходную точку к началу следующего года. В нижней половине глобуса расположены звезды, которые можно увидеть в Южном полушарии; самая яркая из них – Альфа Центавра. На самом деле она состоит из трех звезд, в число которых входит Проксима Центавра, считающаяся ближайшей к нашей собственной звезде, Солнцу.

Разнообразные варианты моего бумажного глобуса делали на протяжении многих тысячелетий. Цицерон пишет, что древнегреческие астрономы изготавливали модели небесного свода, на которых были отмечены звезды, – это были далекие предки моей бумажной Вселенной. К сожалению, ни одна из таких греческих моделей не дошла до нас, но в одном из моих самых любимых оксфордских музеев, в Музее истории науки, можно увидеть другие, сохранившиеся модели. Там есть великолепный глобус высотой около полуметра, сделанный в начале XVI в. в Германии. Созвездия на нем оживают в виде фигур птиц, рыб, животных и людей, напечатанных на бумажных сегментах и наклеенных на сферу.

Хотя моя современная бумажная модель не может сравниться красотой с глобусом XVI в. из Музея истории науки, его икосаэдральная форма восходит к Платону и его вере в то, что небесная оболочка, заключающая в себе нашу Вселенную, может быть не сферой, а додекаэдром – еще одним Платоновым телом, подходящим для игральных костей. И значение этой математической кости для понимания формы Вселенной может быть не таким надуманным, как кажется на первый взгляд.

Треугольные телескопы

Удивительно, что мы вообще что-то знаем о тех областях пространства, в которые мы никогда не сможем попасть. Люди всех культур неизменно смотрели в небо и размышляли о том, что там может быть. Присутствие Солнца и Луны становится очевидным прежде всего. Но как же древним культурам удалось открыть что-то об этих небесных телах, если они были прикованы к поверхности планеты? Я вижу в этом одно из самых замечательных свойств математики – она позволяет нам делать выводы об устройстве Вселенной, не выходя из наших уютных обсерваторий.

Тригонометрия, математика углов и треугольников, была разработана не для того, чтобы мучить школьников, а для ориентации в ночном небе. Она стала нашим первым телескопом. Еще в III в. до н. э. Аристарх Самосский смог вычислить отношение размеров Солнца и Луны к радиусу Земли и определить соотношение их удалений от Земли, используя лишь математические модели треугольников.

Например, когда Луна находится точно в первой или последней четверти, угол между Землей, Луной и Солнцем приблизительно равен 90°. Тогда, измерив угол Φ между Луной, Землей и Солнцем, можно вычислить отношение расстояний между Землей и Луной и между Землей и Солнцем методами тригонометрии. Отношение этих расстояний точно равно косинусу угла Φ, то есть определяется чисто математическими методами.

Прямоугольный треугольник, образуемый Землей, Луной и Солнцем в первой и последней четвертях Луны

Однако точность измерений Аристарха была такова, что определенное им соотношение расстояний отличалось от точного результата в 20 раз. По его оценке, угол был равен 87°, в то время как его истинное значение составляет 89,853°, что почти равно прямому углу. Малое отклонение значения угла такой величины приводит к довольно большому изменению соотношения длин сторон треугольника. Для истинного определения размеров Солнечной системы потребовалось изобретение телескопа и более замысловатых математических методов.

Даже и не имея телескопов, астрономы видели, что Луна и Солнце – не единственные тела, перемещающиеся по небу. Древние культуры заметили в ночном небе несколько светящихся точек, которые вели себя совершенно иначе, чем множество прочих звезд. Они – Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн – казались блуждающими световыми маяками, которые нельзя отметить на моей бумажной сфере, поскольку на следующую ночь они окажутся уже в других точках. Одно из объяснений того важного значения, которое число семь имеет для разных культур, связано с тем, что число видимых планет с добавлением Солнца и Луны равно именно семи.

Борьба с бесконечностью

Не только планеты каждый день перемещаются относительно звезд, – оказывается, что и звезды движутся друг относительно друга. Так что небесный свод на моем столе – всего лишь моментальный снимок состояния ночного неба на некоторый определенный момент. Например, на моей сфере отмечено легко узнаваемое созвездие Большой Медведицы. Но звезды, образующие Большую Медведицу, – Мерак, Дубхе, Алькаид (Бенетнаш), Фекда, Алиот и Мицар – находятся в движении: 100 000 лет назад они образовывали бы на моем глобусе совсем другой рисунок, и еще через 100 000 лет они тоже будут выглядеть по-другому.

Но древние астрономы считали, что звезды неподвижны, прикреплены к небесному своду, заключающему в себе Вселенную. Вопрос о том, что лежит за пределами этой сферы, практически не обсуждался. За ней была пустота, не содержащая ничего. Пространство вне моей бумажной модели было недоступно. Однако находились и такие средневековые философы, которые были готовы размышлять о природе этой пустоты. Николай Орем полагал, что за пределами небесного свода существует дальнейшее космическое пространство бесконечной протяженности. В своих работах он отождествлял это бесконечное пространство с Богом – что, возможно, не так уж и далеко от концепции Бога как того, чего мы не можем знать, которую я предлагал выше.

Изменяющаяся форма Большой Медведицы

Философские трудности проблемы бесконечности не пугали Орема. Так, он доказал, что сложение дробей 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + … дает бесконечность – результат интуитивно не очевидный, поскольку добавляемые слагаемые становятся все меньше и меньше. Эта бесконечная сумма называется гармоническим рядом, потому что звук, извлекаемый из струны виолончели, составлен из гармоник, длины волн которых равны всем этим дробям. Как я объясню далее, то обстоятельство, что сумма такого гармонического ряда равна бесконечности, интересным образом влияет на то, как далеко мы в принципе можем заглянуть в пространство.

По-видимому, только в XV в. астрономы начали задумываться о том, что небесный свод может быть иллюзией, а Вселенная может простираться бесконечно. Николай Кузанский предположил, что Вселенная бесконечна и потому ее центром может считаться любая ее точка. Эту идею подхватил итальянский монах-доминиканец Джордано Бруно, написавший в 1584 г. эпохальную работу «О бесконечности, Вселенной и мирах».

Итак, Вселенная едина, бесконечна, неподвижна […] Она никоим образом не может быть охвачена и поэтому неисчислима и беспредельна, а тем самым бесконечна и безгранична и, следовательно, неподвижна[69].

Интересна логика, приведшая Бруно к такому выводу. Вселенная создана Богом, но Бог непознаваем. Поэтому Вселенная должна быть недоступна нашему пониманию. Следовательно, она должна быть бесконечной, так как конечная Вселенная была бы теоретически познаваемой. Я бы сказал, что верно обратное: если Вселенная бесконечна, это означает, что она может быть недоступна нашему пониманию. И если исследовать концепцию Бога как способа выражения непознаваемого, то из бесконечности Вселенной, если она действительно непознаваема, могло бы следовать существование такой концепции трансцендентности. Но бесконечна ли Вселенная, и если она бесконечна, то так ли она непознаваема, как кажется на первый взгляд?

Бруно основывает свое мнение о бесконечности Вселенной не только на вере в Бога. Одно из наиболее сильных возражений против конечности Вселенной, заключенной внутри небесного свода, сводится к вопросу о том, что находится за стенкой, заключающей в себе такую Вселенную. Многие предполагали, что за ней находится ничто, пустота. Но Бруно такой ответ не устраивал. Он считал еще, что время также простирается бесконечно – как в прошлое, так и в будущее. Такая, хотя и небесспорная, концепция позволяла избавиться от необходимости существования моментов Сотворения мира и Страшного суда. Споры Бруно не страшили, и его толкование Библии в конце концов поссорило его с католической церковью, что в то время было довольно неприятным обстоятельством. 17 февраля 1600 г. его сожгли на костре.

Идеи Бруно поднимают вопрос о самой возможности знания о бесконечности Вселенной. Если она конечна, то об этом, вероятно, можно узнать. Если поверхность Земли оказалась конечной и достижимой, не можем ли мы, путешествуя по Вселенной, доказать, что она конечна? Хотя у нас нет корабля, на котором мы могли бы отправиться на край Вселенной, ученые XVII в. изобрели остроумное средство исследования космоса – телескоп.

Далеко ли вы видите?

Тот факт, что искривленные стеклянные линзы, установленные внутри трубки, позволяют увеличить дальность зрения, был открыт поколением Галилея. Долгие годы честь изобретения телескопа приписывалась даже самому Галилею, но на самом деле она принадлежит голландскому очковому мастеру Иоганну Липперсгею, взявшему патент на прибор «для видения вещей удаленных, как если бы они были вблизи». Этот голландский прибор обеспечивал трехкратное увеличение.

Галилей узнал об этом приборе во время поездки в Венецию. Тем же вечером он разобрался в принципах его работы и вскоре уже изготавливал приборы, увеличение которых доходило до 33-кратного. Название «телескоп» придумал один греческий поэт[70], присутствовавший в 1611 г. на банкете в честь Галилея: τῆλε (теле) переводится с греческого как «далеко», а σκοπέω (скопео) – «смотрю». Действительно, телескоп позволил Галилею и последующим поколениям астрономов смотреть дальше, чем когда-либо. Галилей открыл луны, обращающиеся вокруг Юпитера, и пятна на Солнце, вращение которых свидетельствовало о том, что и Солнце вращается вокруг собственной оси. Эти явления послужили подтверждением модели гелиоцентрической Солнечной системы, предложенной Коперником.

В 1663 г. шотландский математик Джеймс Грегори осознал, что телескоп можно использовать, чтобы заново вычислить расстояние от Солнца до Земли. Иоганн Кеплер уже измерил время обращения каждой из планет вокруг Солнца и определил при помощи своих законов планетарного движения соотношения расстояний между планетами и Солнцем. Его третий закон гласит, что квадрат времени обращения планеты вокруг Солнца пропорционален кубу расстояния от нее до Солнца. Например, Венера совершает оборот по своей орбите за 3/5 времени, которое занимает оборот Земли; это означает, что расстояние между Венерой и Солнцем составляет около 7/10 (точнее, (3/5)2/3) расстояния между Землей и Солнцем. Правда, нужно помнить, что говорить о расстоянии от Солнца следует с осторожностью: как установил Кеплер, планеты описывают вокруг него не точные окружности, но эллипсы, так что это расстояние изменяется. В общем случае я имею в виду нечто вроде среднего расстояния.

Однако речь по-прежнему шла об относительных расстояниях. Грегори и другие поняли, что на основе наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца, так называемого транзита, при помощи некоторых дополнительных тригонометрических операций можно установить, на каком именно расстоянии от Солнца находятся Земля и Венера. Если из двух разных точек на Земле произвести наблюдения разных моментов и точек прохождения Венерой солнечного диска, то можно определить угол треугольника, образованного двумя наблюдателями и Венерой. А тогда тригонометрия позволяет, вычислив расстояние между двумя наблюдателями на Земле, определить расстояние до Венеры.

Тригонометрия замечательна тем, что дает возможность преобразовывать величины, непосредственно измерить которые невозможно, например расстояние от Земли до Венеры, в нечто, измеримое с поверхности Земли, например углы или расстояние между двумя точками на Земле. Это вычисление представляло собой сложное, но изобретательное применение абстрактной математической мысли в сочетании с практическими астрономическими наблюдениями.

Прохождение Венеры, видимое из двух разных точек на Земле

Проблема заключалась в том, что такие транзиты случаются нечасто. С 1400 г. Венера проходила через диск Солнца всего десять раз. Грегори сначала предлагал использовать транзит Меркурия, так как следующее прохождение Венеры ожидалось лишь в 1761 г. Эдмонд Галлей знал о его работе и произвел наблюдения прохождения Меркурия, произошедшего в 1676 г. Однако оказалось, что кроме этого было произведено всего одно наблюдение: теоретически этого было достаточно для вычисления расстояния, но с учетом возможных ошибок число наблюдений следовало сделать как можно большим.

Расстояние от Земли до Солнца в конце концов смогли определить благодаря многочисленным наблюдениям прохождений Венеры в 1761 и 1769 гг. В ходе одного из первых согласованных всемирных научных экспериментов такого рода было вычислено, что Земля находится приблизительно в 153 000 000 км от Солнца. К сожалению, Галлей умер приблизительно за 19 лет до этого и не увидел кульминации проекта, который он пытался осуществить почти 90 годами раньше. Современные вычисления дают для среднего расстояния между Солнцем и Землей значение, равное 149 597 870 700 м.

Эти результаты дали первое представление о том, какие гигантские расстояния заключены в моем бумажном глобусе неба. Астрономы древности считали, что моя бумажная модель содержит меньшие глобусы, в которые вписаны планеты. Если бы они были правы, диаметры таких глобусов составляли бы миллионы километров.

Меня неизменно поражает способность тригонометрии преобразовывать измерения расстояний на Земле в измерения расстояний до планет, на которых никогда не бывал человек. Позднее последовали другие впечатляющие математические свершения. Телескопы и свет оказались не единственными инструментами для поисков того, что находится в космосе. Выяснилось, что математика тоже может увеличить дальность видения Вселенной, причем настолько, чтобы успешно предсказать существование новой планеты еще до того, как ее впервые увидят в окуляре телескопа.

Планета, открытая на кончике пера

Есть два средства открывать новые планеты – везение и логика. Первая со времен Античности вновь открытая планета была обнаружена благодаря везению. Немецкий музыкант Фридрих Вильгельм Гершель[71] переехал из Ганновера в Англию, пытаясь сделать там карьеру в музыке. Но, кроме того, он был своего рода астрономом-любителем и по ночам изучал небо при помощи своей внушительной коллекции телескопов.

13 марта 1781 г. Гершель заметил нечто необычное. То, что сначала показалось ему звездой, изменяло размер в зависимости от увеличения телескопа. Как правило, это говорит о том, что данный объект находится настолько близко к наблюдателю, что масштаб его изображения может быть ощутимо изменен. Далее следовало проверить, движется ли этот объект. Действительно, четыре дня спустя Гершель увидел, что положение объекта относительно звезд изменилось. Учитывая количество комет, обнаруженных на тот момент, мысль об открытии новой планеты пришла ему в голову не сразу.

Но после того, как он сообщил о своей находке королевскому астроному и за найденным объектом стали следить, выяснилось, что он имеет орбиту не параболическую, как можно было бы ожидать у кометы, а практически круглую. Кроме того, объект был слишком ярок для кометы и не имел видимого хвоста. Астрономы заключили, что речь все-таки идет о новой планете. Гершель хотел назвать ее в честь короля Георга III, но классическая мифология одержала верх. Сатурн был отцом Юпитера, и новую планету, орбита которой была расположена еще дальше, назвали по имени отца Сатурна – Ураном.

Идея новой планеты привела астрономов в сильнейший восторг. Они начали наносить на карты ее траекторию, искать ее луны и рассчитывать период ее обращения вокруг Солнца. Но Уран оказался вовсе не столь послушным, как ожидали некоторые астрономы. Ньютонова теория гравитации, столь успешно предсказавшая орбиты других планет, то и дело не срабатывала, когда дело доходило до предсказаний положения Урана. К 1788 г. планета отклонялась от расчетного положения на 1/120°. Стало понятно, что необходимо учесть гравитационное воздействие на нее Юпитера и Сатурна.

Новая траектория была опубликована в 1791 г., но к 1800-му обнаружились отклонения и от нее. К 1825 г. Уран ушел далеко вперед от предсказанного положения, но затем начал замедляться и к 1832 г. отстал от математических предсказаний. Могло ли дело быть в том, что его движению мешает некое таинственное вещество? Или же законы гравитации Ньютона на таком большом расстоянии от Солнца начинают нарушаться? Некоторые предполагали, что может существовать еще одна планета, замедляющая и ускоряющая движение Урана подобно тому, как Юпитер и Сатурн создают воздействующее на него гравитационное притяжение. Но если такая планета существует, где же она?

Если открытие Урана было удачей, то эту новую планету нужно было найти силой чистой логики, воплощенной в математике Ньютона. До сих пор астрономы брали известное положение планет и использовали математические формулы для расчета их орбит. Теперь эту процедуру нужно было запустить в обратном направлении. За движением Урана следили несколько десятилетий, и задача состояла в определении такого места, в котором могла бы находиться планета, объясняющая странности траектории Урана.

С математической точки зрения задача была чрезвычайно непростой, но нашлись два теоретика, которые приняли этот вызов: это были Джон Куч Адамс в Англии и Урбен Леверье во Франции. Им обоим удалось обратить задачу и определить, где, по их мнению, могла находиться новая планета. К сентябрю 1845 г. Адамс завершил свои вычисления и обратился к английским астрономам, чтобы они попытались найти новую планету. Видимо, отсутствие у Адамса солидной репутации и его довольно нелюбезные манеры (возможно, проявление синдрома Аспергера) не внушали авторитетным ученым особого доверия. Королевский астроном был к тому же отвлечен скандальным делом об убийстве, в котором был замешан один из его ассистентов. В результате на английском берегу Ла-Манша предсказания Адамса оставили без внимания. Леверье закончил свои расчеты только в июне 1846 г. и также натолкнулся на невозможность убедить руководство французских обсерваторий в необходимости тратить ценное время работы телескопов на поиски гипотетической планеты. Поэтому Леверье обратился за помощью в Берлинскую обсерваторию.

Немецкие астрономы оказались более отзывчивыми. 23 сентября 1846 г. Иоганн Готфрид Галле направил свой телескоп, изготовленный компанией Фраунгофера, в то место ночного неба, в котором, по расчетам Леверье, должна была находиться новая планета. И благополучно обнаружил в нем светящуюся точку, не нанесенную ни на какую из звездных карт, бывших в обсерватории. На следующую ночь точка переместилась… в точности на то расстояние, которое предсказывали вычисления Леверье.

Многие встретили сообщение об открытии очередной планеты с энтузиазмом, но английские астрономы, не сумевшие развить успех Адамса, выглядели довольно глупо. Гершель[72], ставший к этому времени членом Наблюдательного совета Королевской обсерватории в Гринвиче, попытался собрать доказательства того, что Адамс сделал свое предсказание первым. Это привело к еще более яростному спору за приоритет. Наименование планеты превратилось в политический футбол: французы хотели назвать ее в честь Леверье, а англичане возражали против нарушения традиции наименования планет именами римских богов. В конце концов международное сообщество сошлось на названии Нептун.

Могущество математики, позволяющее ей делать подобные предсказания, удивительно. Как иронично заметил астроном Франсуа Араго, Леверье открыл Нептун «на кончике своего пера». Разумеется, для подтверждения соответствия его теории реальности потребовались наблюдения, которые Галле произвел в Берлинской обсерватории.

Будучи прикованы к поверхности Земли, мы тем не менее смогли достичь края Солнечной системы. На какое же расстояние можно исследовать дальнейшее пространство? Хотя телескопы позволили нам дойти до этой точки, они также выявили, что у дальности нашего зрения существуют теоретические пределы, поскольку, как выяснилось, свету требуется некоторое время, чтобы добраться до нас.

Космическое ограничение скорости

Телескоп сыграл решающую роль в разрешении одного спора, не утихавшего со времен Античности. Распространяется ли свет в пространстве мгновенно, или же его перемещение из одного места в другое занимает какое-то время? Аристотель, например, не верил, что свет движется. Либо он есть, либо его нет. Другие соглашались с ним. Древние греки полагали, что зрение сводится к перемещению света из глаза на видимый объект. Если это так, рассуждал математик Герон Александрийский, то свет должен распространяться мгновенно. Иначе как мы можем, открыв глаза, сразу видеть далекие звезды?

Идею о том, что свет движется в обратном направлении, от объекта к глазу, предложил в своей «Книге оптики» арабский ученый Ибн аль-Хайсам[73]. Но даже если свет и перемещается в обратном направлении, многие по-прежнему считали, что он распространяется с бесконечно большой скоростью. Однако Галилей не был в этом уверен. Он предположил, что если распространение света от источника занимает некоторое время, то это время наверняка можно измерить. Он предложил открывать светильник и отмечать, через какое время его станет видно на расстоянии нескольких миль. Масштаб, предложенный Галилеем, был слишком мал, чтобы заметить какую-либо задержку; Декарт увеличил его. Он понял, что если перемещение света к Земле от Солнца и от Луны занимает какое-то время, то время наступления лунных затмений должно несколько отличаться от ожидаемого. Однако таких отклонений обнаружено не было. И Галилей, и Декарт были правы: просто свет распространяется так быстро, что расстояния до Солнца и Луны были все еще слишком малы, чтобы какие-либо расхождения можно было заметить.

Доказательство того, что распространение света в пространстве действительно занимает определенное время, было в конце концов получено не от нашей Луны, а от лун, обращающихся вокруг Юпитера. Галилей предложил использовать луны Юпитера в хитроумном решении проблемы определения долготы. Для этого нужно было измерять время, используя момент входа Ио, ближайшего к Юпитеру спутника, в тень этой планеты. Ио обращается вокруг Юпитера за 42,5 часа, достаточно регулярно, чтобы служить космическими часами. Если составить таблицу времен, в которые такие затмения видны из Флоренции, то, измерив времена затмения в другом месте, можно определить его долготу относительно Флоренции. Этот метод не прижился для определения долготы на море – а в то время это было важной нерешенной задачей, – но использовался для определения долготы на суше.

В 1676 г. датский астроном Оле Рёмер открыл конечную скорость света при помощи лун Юпитера. Работая в Парижской обсерватории, он отмечал время, в которое Ио исчезала в тени Юпитера. Оказалось, что такое время зависит от положения Земли на орбите вокруг Солнца. Когда Земля и Юпитер находились по разные стороны от Солнца, наблюдалась задержка. Рёмер понял, что она связана с тем, что прохождение света до Земли занимает больше времени, чем в случаях, в которых Земля и Юпитер находятся с одной и той же стороны от Солнца. Об открытии объявил 22 августа 1676 г. в Королевской академии наук Парижа директор обсерватории Джованни Кассини. Он объяснил, что астрономам придется изменить таблицы, предсказывающие время затмений Ио:

Это, вероятно, связано с тем, что свету требуется какое-то время, чтобы дойти от спутника до наблюдателя; для пересечения расстояния, равного половине диаметра земной орбиты, свету, по-видимому, требуется от десяти до одиннадцати минут.

Согласно современным измерениям, это время равно 8 минутам и 20 секундам, так что астрономы XVII в. были недалеки от истины. Затем последовал целый ряд экспериментов по определению численного значения скорости света в безвоздушном пространстве. Поскольку скорость света составляет около 300 миллионов метров в секунду, неудивительно, что многие считали ее бесконечной. С появлением телескопов, позволяющих измерять огромные космические расстояния, скорость света стала существенным ограничением любых попыток заглянуть в дальние пределы Вселенной.

Более того, то обстоятельство, что для пересечения пространства свету требуется определенное время, означает, что, когда мы смотрим во Вселенную, мы смотрим в прошлое. Солнце изображается на фотографии неба таким, каким оно было 8 минут и 20 секунд назад, ближайшая звезда – четыре года назад, а наиболее удаленные галактики – миллиарды лет назад. Возможно, в какой-нибудь далекой галактике в сторону Земли обращены сейчас телескопы, в которые видно вымирание динозавров, произошедшее около 66 миллионов лет назад.

Скорость света стала использоваться астрономами для измерения гигантских космических расстояний. Когда астроном говорит о чем-то, находящемся на расстоянии одного светового года, это значит, что свет может дойти до нас из этой точки за один год.

Звезды по соседству

Когда я смотрю на свою настольную небесную сферу, мне кажется смешным, что древние греки считали звезды нарисованными на огромном сферическом небесном своде, окружающем Вселенную и окруженном пустотой. Но у них не было оснований думать иначе. Расстояния от Земли до звезд так велики, что невооруженному глазу все звезды кажутся просто очень далекими. Астрономы древности не имели никаких средств измерения глубины космоса. Однако изобретение телескопа несколько приблизило к нам эти звезды – настолько, что современные астрономы смогли увидеть, что не все они находятся на одинаковом расстоянии от Земли.

Если одна из звезд находится ближе к нам, чем другая, то существует возможность это установить. Хотя мы и прикованы к поверхности Земли, по крайней мере сама Земля движется относительно звезд, отчего мы можем смотреть на космос из разных точек. Это-то и дало нам возможность начать отклеивать некоторые из звезд от поверхности небесного свода и придавать Вселенной глубину.

Вытяните перед собой палец и посмотрите в окно, двигая головой из стороны в сторону. Вы заметите, что предметы, расположенные ближе к вам, – например ваш собственный палец – смещаются на большее расстояние, чем объекты более удаленные. Этот эффект называют параллаксом. Астрономы используют его в своих наблюдениях за звездами. Сравнивая положения звезд летом с их положениями зимой, они могут определить, какие из них находятся ближе к Земле.

Собственно говоря, Гершель открыл свою новую планету, Уран, именно пытаясь определить этот так называемый звездный параллакс. Различия в положениях звезд чрезвычайно малы, и для выявления такого сдвига необходимы телескопы достаточной точности. Первые успешные измерения были произведены только в 1830-х гг., когда немецкий астроном и математик Фридрих Бессель зарегистрировал первое точное наблюдение звездного параллакса. Чтобы применить эту технику к близлежащим звездам, астроном должен предположить, что удаленные звезды, по существу, находятся на единой небесной стене, охватывающей Вселенную, – приблизительно в соответствии с древнегреческой моделью. Дело в том, что в контексте задачи определения параллакса близлежащих звезд наиболее удаленные звезды кажутся неподвижными и их можно использовать в качестве фона, на котором выявляют движение звезд не столь удаленных.

Бессель сравнил летнее и зимнее положения звезды под названием 61 Лебедя, построил треугольник, образованный этой звездой и двумя соответствующими точками орбиты Земли, и рассчитал углы этого треугольника. Затем, используя известное расстояние от Земли до Солнца и математические методы тригонометрии, астрономы смогли получить первую оценку расстояния между ближайшими звездами и Землей. В соответствии с вычислениями Бесселя звезда 61 Лебедя находится в 660 000 раз дальше от Земли, чем Солнце. Ошибка его расчетов составила около 10 %. По современным данным, расстояние до 61 Лебедя в 721 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца и составляет 11,41 светового года. Но результаты, полученные Бесселем, были достаточно близки к истине, чтобы дать первое представление о глубине космоса.

Впоследствии были произведены расчеты положения еще более близких звезд. Ближайшая из известных нам звезд была замечена только в 1915 г. шотландским астрономом Робертом Иннесом. Свет Проксимы Центавра слишком слаб, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом, что и было причиной столь позднего ее обнаружения. Однако вычисления ее параллакса показали, что эта звезда находится на расстоянии, превышающем расстояние от Земли до Солнца в 268 326 раз, то есть равном 4,24 светового года.

Метод звездного параллакса позволил начать отцеплять некоторые из звезд от моей небесной сферы и приближать их к Земле. Если звезда находится менее чем в 400 световых лет от нас, этот метод работает. Но в большинстве своем звезды по-прежнему казались такими же далекими, как если бы они были приклеены к моей бумажной модели. Следующий большой шаг к краю Вселенной был сделан благодаря анализу длин волн света, доходящего до нас от этих звезд.

Среди миров, в мерцании светил

Чем дальше от нас находится звезда, тем менее ярким кажется ее свет. Но использование этого критерия для определения расстояния до звезды связано с одной проблемой. Как узнать, смотрим ли мы на яркую, но удаленную звезду, подобную 61 Лебедя, которую можно увидеть невооруженным глазом, или на звезду более тусклую, но и более близкую, подобную Проксиме Центавра? Видимую яркость определяет сочетание действительной яркости и расстояния от данной звезды до Земли. Как же астрономы могут использовать яркость для определения расстояний? Оказывается, что цвет света, испускаемого звездой, во многих случаях дает достаточно информации для выяснения, насколько яркой она должна быть, и, измерив ее видимую яркость, мы можем определить, на каком расстоянии находится эта звезда.

Измеряя характеристики света, доходящего от звезд, и анализируя его частоты, ученые обнаружили отсутствие некоторых характерных частот. Свет, имеющий такие частоты, поглощается определенными атомами в составе звезды. Этот метод стал ключевым доводом, опровергшим знаменитое заявление Конта о том, что мы никогда не сможем узнать химический состав звезд. Но его также можно использовать и для вычисления яркости звезды. Рассмотрев близлежащие звезды, удаленность и, следовательно, действительная яркость которых была известна, астрономы обнаружили непосредственную связь между частотами, поглощаемыми звездой, и яркостью ее свечения.

Из этого открытия следовало, что недостающие в спектре света звезды частоты можно использовать в качестве меры ее абсолютной светимости. Теперь астрономы могли изучать звезды, расположенные слишком далеко для применения метода параллакса. Определив их недостающие частоты и видимую светимость, можно было определить, на каком расстоянии от нас такие звезды находятся. Это дало астрономам гораздо более ясное представление об истинной глубине космоса.

Однако наилучший способ измерения расстояний во Вселенной был получен от весьма особой пульсирующей звезды. Звезды, называемые цефеидами, мерцают, и в 1912 г. американский астроном Генриетта Ливитт открыла, как такие мерцающие звезды можно использовать для ориентации во Вселенной. В это время она работала в обсерватории Гарвардского университета, но не астрономом, а «вычислителем» – она извлекала данные из фотопластинок и получала за эту работу 30 центов в час. К работе на телескопах женщин не допускали. Ей поручили проанализировать звезды, яркость которых в течение некоторого временного промежутка увеличивалась и уменьшалась. Ливитт стало интересно, существует ли какая-либо закономерность в пульсации этих звезд, и она сосредоточила свое внимание на группе звезд, которые были расположены в Малом Магеллановом Облаке, а потому, как предполагалось, находились на приблизительно одинаковых расстояниях от Земли.

Построив зависимость светимости от длительности периода пульсации, Ливитт обнаружила чрезвычайно явную закономерность. Время пульсации цефеиды коррелировало с ее светимостью: чем длиннее был период пульсации, тем ярче горела звезда. Таким образом, для определения действительной яркости цефеиды достаточно было измерить период ее пульсации, что значительно легче, чем измерять недостающие частоты ее спектра. Такие звезды идеально подходили для измерения расстояний.

Если такая цефеида пульсирует медленно, но выглядит тусклой, это означает, что она расположена очень далеко от нас; кажущаяся яркой и быстро пульсирующая цефеида выглядит такой яркой потому, что она находится близко. С появлением этих новых средств измерения Вселенная стала приобретать определенную форму. Все новые и новые звезды откреплялись от небесного свода и занимали свои места на постепенно проявляющейся карте Млечного Пути. При этом выяснилось, что наша собственная звезда, Солнце, ютится в дальнем углу гигантского спиралевидного скопления звезд.

Но ограничивается ли этим Вселенная? Например, в ней можно увидеть световые пятна, похожие не на одиночные звезды, а на свет, исходящий от сотен миллиардов звезд. Принадлежат ли такие звездные облака к нашей Галактике, Млечному Пути, или же они образуют другую галактику, подобную нашей, но совершенно отдельную от нее? Первой из таких областей космоса, ставшей предметом исследования, было маленькое звездное скопление, обнаруженное в X в. персидским астрономом ас-Суфи. Настолько яркое, что его можно было увидеть невооруженным глазом, оно стало известно как туманность Андромеды. Предположение о том, что это и другие облака могут на самом деле представлять собой самостоятельные галактики, было впервые высказано в 1750 г. английским астрономом Томасом Райтом. Прочитав об идеях Райта, Иммануил Кант выразил их в романтической формулировке «островной вселенной».

Споры о природе таких звездных облаков не утихали годами и достигли наивысшего накала в прямой дискуссии между противоборствующими группами, ныне известной под названием «Великого спора». Он проходил в 1920 г. в Национальном музее естественной истории Смитсоновского института в Вашингтоне. На повестке дня стоял вопрос о размере и масштабах Вселенной. Астроном Харлоу Шепли доказывал, что такие скопления могут светить настолько ярко, только если они являются частью нашей же Галактики. Гебер Кертис возражал, что число новых – катастрофических ядерных вспышек, происходящих в звездах, – отмеченных в этом скоплении, превосходит число подобных событий, зарегистрированных во всей нашей Галактике. Как настолько богатая новыми область может быть частью нашей Галактики?

В конце концов туманность Андромеды пришлось убрать из нашей Галактики: наблюдения американского астронома Эдвина Хаббла доказали, что она является самостоятельной галактикой, отдельной от нашей. В 1925 г. Хаббл работал в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии и использовал телескоп Хукера, крупнейший телескоп своего рода на этот момент, для анализа расстояния до туманности Андромеды.

Хаббл заметил, в частности, одну звезду, которую можно было использовать для вычисления этого расстояния. В центре туманности располагалась одна из цефеид, которые исследовала Ливитт. Эта звезда пульсировала, становясь тусклее и ярче с периодом в 31 день. Согласно анализу Ливитт, она должна была быть очень яркой, но в телескопе выглядела чрезвычайно тусклой. Сочетание периода пульсирования и измеренного значения видимой светимости звезды показало, что она находится на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от Солнца. Максимальное расчетное расстояние между звездами Млечного Пути составляет 100 000 световых лет. Открытие Ливитт в сочетании с вычислениями Хаббла самым решительным образом изменило наше представление о Вселенной. Она оказалась значительно больше, чем кто-либо мог вообразить.

Предложенный Ливитт метод использования цефеид для исследования космического пространства настолько радикально преобразовал нашу картину Вселенной, что шведский математик Гёста Миттаг-Леффлер хотел номинировать ее на Нобелевскую премию 1924 г. К своему огромному огорчению, он выяснил, что в декабре 1921 г. Ливитт умерла от рака и премия не могла быть ей присуждена.

Такое новое понимание масштаба удаленных галактик дало нам представление об истинной природе космоса. Но насколько простирается Вселенная за пределами таких удаленных галактик? Первым земным исследователям, покидавшим свои деревни, наверное, казалось, что Земля огромна – возможно, бесконечна. Но по мере развития путешествий стало понятно, что поверхность Земли конечна и доступна для исследования. Так как же обстоит дело с космосом? Сможем ли мы, покинув свою Галактику, понять, какое место наша космическая деревня занимает в более масштабной картине космоса?

Гигантская игра в «астероиды»

Легко себе представить Землю конечную, но не имеющую края. Решение этой загадки – поверхность сферы. Но как может быть конечным космос? Эту головоломку исследует один из моих любимых фильмов – «Шоу Трумана». Джим Керри играет в нем Трумана Бербанка, который не подозревает о том, что весь его мир – сценарное телевизионное реалити-шоу, поставленное внутри гигантского купола. Когда у него в конце концов возникают сомнения относительно окружающего его мира, Труман садится в лодку и отправляется в море, окружающее его родной город Сихэвен, – и обнаруживает, что небо, которое казалось ему бесконечным, на самом деле нарисовано на студийном заднике. А за краем своей вселенной он находит телекамеры, снимающие каждое его движение.

Я не думаю, что мы живем в таком вот «Шоу Трумана». Я не думаю, что, отправившись в космос, можно неожиданно натолкнуться на стенку студии или на окружающий мир небесный свод, подобный моей модели. И мне кажется, что большинство людей со мной согласятся. В конце концов, такая модель только поднимает вопрос о том, что находится за этим пределом. Встретим ли мы там небесную съемочную группу, наблюдающую за нами? А что случится с этой съемочной группой, если она отправится в такое же путешествие в своем мире? Там что, съемочные группы до самого конца? Поэтому большинство из нас, будучи поставлено перед этим вопросом, заключает, что единственное возможное решение этой головоломки – бесконечная Вселенная.

Но у математиков есть еще и третий вариант, согласно которому Вселенная может не иметь границы, но тем не менее быть конечной. В такой Вселенной космическое путешествие не продолжается бесконечно далеко, но в конце концов возвращается в свою начальную точку подобно кругосветному путешествию на Земле.

Чтобы понять, как такая Вселенная может быть устроена, полезно рассмотреть маленькую игрушечную вселенную. Игра «Астероиды», созданная в 1979 г. компанией Atari, дает превосходный пример конечной, но неограниченной двумерной вселенной. Эта вселенная состоит всего из одного компьютерного экрана, но, когда космический корабль доходит до верхнего края экрана, он не отражается от границы на манер двумерного «Шоу Трумана», а тут же появляется в самом низу. С точки зрения астронавтов, летящих в этом корабле, они совершают бесконечное космическое путешествие. То же происходит и при приближении корабля к левому краю экрана: он не врезается в стенку, а просто появляется на правом краю. Астронавты могут начать замечать повторяющиеся ориентиры, хотя, конечно, в условиях динамической вселенной узнавать одни и те же объекты, мимо которых они пролетают во второй или третий раз, может быть непросто.

На самом деле вселенная «Астероидов» имеет вполне определенную форму. Если допустить существование третьего измерения, в котором эту вселенную можно сложить, то, соединив верхний и нижний края экрана, мы получим цилиндр. Поскольку левый и правый края экрана также смыкаются, можно соединить два конца такого цилиндра и получить объект в форме бублика, который математики называют тором. Поверхность этого трехмерного тела и есть конечная вселенная игры «Астероиды».

Если взять любое конечное трехмерное тело, его двумерная поверхность образует альтернативную вселенную, конечную и не имеющую границ. Еще один пример такой двумерной вселенной дает поверхность сферы. Такие двумерные вселенные – не просто математические игрушки: они дают ключ к путешествиям по поверхности Земли. Многие культуры по всему миру задавались одним и тем же вопросом: бесконечна ли Земля, или же она имеет край, с которого можно упасть? Многие цивилизации представляли Землю в виде диска, окруженного водой, – наподобие мира Трумана.

Идея сферической Земли начала утверждаться лишь у пифагорейцев в V в. до н. э. Исчезновение кораблей за горизонтом, форма тени, отбрасываемой Землей на Луну во время затмений, изменение положения Солнца и звезд по мере продвижения на юг – все это способствовало такому сдвигу мировоззрения. Кругосветная экспедиция, организованная в 1519 г. Фернаном Магелланом (сам он погиб в этом путешествии), окончательно и несомненно доказала, что Земля имеет форму шара.

А как же Вселенная? Имеет ли она форму? Мы находимся примерно в том же положении, что и культуры древности, которые размышляли о форме Земли и хотели узнать, продолжается ли она бесконечно, или имеет край, или же может быть каким-то образом замкнута.

Но как можно сложить трехмерную вселенную, чтобы она имела конечный объем, но не имела краев? Тут может помочь математика, которая позволяет встроить нашу трехмерную Вселенную в пространство, имеющее большее число измерений, и сложить ее так же, как мы сложили мир игры «Астероиды». Хотя физически представить себе такое складывание невозможно, язык математики дает нам уравнения, позволяющие описать такие конечные трехмерные вселенные и, что еще более существенно, изучить их свойства.

Например, мы можем жить в трехмерной версии игры «Астероиды». Возможно, Вселенная, по существу, представляет собой гигантский куб с шестью гранями, подобный нашей игральной кости. Когда космический корабль достигает одной из этих граней, он плавно выходит из кубической вселенной через одну грань и вновь появляется на ее противоположной грани. В «Астероидах» было два замкнутых направления – влево-вправо и вверх-вниз. В трехмерной кубической вселенной должно быть замкнуто и третье направление. Если такой куб поместить в четырехмерную вселенную, его можно сложить, смыкая его грани, и получить четырехмерный бублик, он же тор, трехмерная поверхность которого и есть наша Вселенная.

Но наша Вселенная может иметь и другие формы. Окружность есть конечная двумерная фигура, поверхность которой – это конечная одномерная вселенная. Сфера есть конечная трехмерная фигура, поверхность которой – это конечная двумерная вселенная. При помощи математических уравнений можно построить четырехмерную сферу, поверхность которой будет конечной трехмерной вселенной, – и это будет еще одна возможная модель нашей Вселенной.

Даже если математика дает нам возможные варианты конечных вселенных, не имеющих границ, сможем ли мы когда-нибудь узнать, конечна ли наша Вселенная и какой может быть ее форма? Следует ли нам ожидать появления звездных Магелланов, которые смогут совершить кругосветное путешествие вокруг Вселенной? Учитывая масштабы известной Вселенной, путешествия с непосредственным участием человека кажутся довольно безнадежным способом проверки конечности Вселенной. Но в космосе есть другие путешественники, которые странствовали во Вселенной миллиарды лет и могут кое-что рассказать нам о том, конечна она или нет. Речь идет о фотонах.

Космические Магелланы

Свет – великий путешественник. На нас постоянно падает свет, странствовавший по Вселенной на протяжении многих миллиардов лет. Не может ли часть этого света рассказать нам что-нибудь, что позволит нам догадаться, конечна ли Вселенная? Мы уже поняли, что случится с космическим кораблем, отправившимся в глубины космоса: в такой конечной вселенной он должен в конце концов вернуться в начальную точку своего путешествия, как в 1522 г. вернулись в Севилью корабли Магеллана.

То же может случиться и со светом. Представим себе фотон, покидающий наше Солнце в начале его существования, около 4,5 миллиарда лет назад. Предположим, что мы живем на поверхности четырехмерного бублика, в котором противоположные грани нашей кубической вселенной соединены. Что происходит со светом при приближении к одной из таких граней? Он плавно проходит сквозь нее, возникает на противоположной грани и может продолжать свое путешествие к его исходной точке. Если по пути его ничто не остановит, он может вернуться и попасть в телескоп земного наблюдателя, который впервые обнаружит этот фотон после его долгого путешествия. Что же увидит такой астроном? Да ничего особенного. Свет будет выглядеть так, как будто он был испущен очень удаленной звездой в начале ее существования. Понять, что астроном видит, как выглядело наше Солнце 4,5 миллиарда лет назад, будет очень трудно.

Однако такое положение дает нам возможность попробовать доказать конечность Вселенной, потому что мы можем посмотреть в противоположном направлении и проверить, не видна ли нам похожая картина на противоположной грани. Исследователи во Франции, Польше и США изучали распределение света, возникшего на очень ранних стадиях существования Вселенной в надежде, что разные части составляемой ими картины могут совпасть друг с другом.

Этим ученым показалось, к их немалому удивлению и неменьшему восторгу, что им удалось обнаружить первые признаки совпадения данных. Они начали анализ, который должен был показать, какие именно формы могли дать наблюдаемое распределение длин волн. Согласно полученным результатам, наилучшим кандидатом на роль формы Вселенной, в которой могли появиться такие распределения, был додекаэдр. Это еще одна форма «игральной кости», имеющая 12 пятиугольных граней. Как это ни удивительно, более 2000 лет назад Платон предполагал, что небесный свод, к которому прикреплены звезды, имеет форму не сферы, но именно додекаэдра. Но современная интерпретация предполагает, что, как и в случае сложенного куба, на взаимно противоположных гранях такого додекаэдра пространство смыкается. Интересно отметить, что для совмещения пятиугольников пришлось несколько повернуть их (на 36°). Однако большинству астрономов эти результаты не показались убедительными. Трудно сказать, не являются ли такие соответствия результатом случайного совпадения.

Существует еще один способ получить от света информацию о геометрии Вселенной. Свет может рассказать нам, как Вселенная искривляется. Предположим, наш путешественник, вооруженный телескопом, отправляется из своей деревни через совершенно однородную равнину. Сначала Земля кажется ему плоской, но через некоторое время становится заметной ее кривизна: оглянувшись назад, путешественник уже не видит своей деревни – что-то мешает ему ее увидеть. Если кривизна сохраняется по всей поверхности, то такая поверхность должна быть конечной. Такая кривизна, какую имеет шар, называется положительной кривизной. Плоская поверхность может быть неограниченной, простирающейся бесконечно, но также может быть подобной миру игры «Астероиды», в котором Вселенная экрана оказывается плоской, но конечной. Про плоские поверхности говорят, что они имеют нулевую кривизну. Существует еще один тип кривизны, подобный кривизне седла или чипсов Pringles. Такая фигура изгибается вниз в одном направлении и вверх – в другом. Ее называют отрицательной кривизной в отличие от положительной кривизны поверхности шара. Она создает не конечные, подобные поверхности шара, а бесконечные поверхности.

Двумерная поверхность Земли может быть искривлена в одну или в другую сторону; как выясняется, трехмерное пространство точно так же может иметь кривизну. Измерение этой кривизны может дать нам некоторое представление о том, как может быть сложено пространство. Если подобно Земле Вселенная имеет положительную общую кривизну, то она должна образовывать конечную форму. Если ее кривизна отрицательна, то она должна быть бесконечной. Если же Вселенная плоская, то она может быть бесконечной или конечной, подобно нашему кубическому миру, сомкнутому по противоположным граням.

Двумерные поверхности с положительной, отрицательной и нулевой кривизной

Чтобы определить общую кривизну пространства, мы можем исследовать свет, пересекающий его. Что мы видим? Пространство кажется почти что плоским, но трудно сказать, действительно ли оно совершенно плоское, или все-таки существует некая малая кривизна, изгибающая пространство. Различия кажутся такими малыми, что сказать, сможем ли мы когда-нибудь определить эту кривизну с точностью, достаточной, чтобы знать, как изгибается пространство, очень непросто.

Но истинное знание кривизны Вселенной затруднено еще и другим обстоятельством. По большей части наши исследования космоса основаны на предположении о том, что та точка Вселенной, в которой мы находимся, ничем особым не отличается. Эта гипотеза называется принципом Коперника. Когда-то мы считали, что находимся в центре мироздания. Но Коперник покончил с этой идеей. Так что теперь мы полагаем, что окружающая нас Вселенная выглядит приблизительно так же, как и в любом другом месте. Но это может быть и не так. Тот фрагмент Вселенной, который мы видим, вполне может оказаться совершенно особенным.

Представим себе, например, что наш земной путешественник живет на планете, имеющей форму полусферы: у нее совершенно плоское основание, но она неожиданно искривляется и образует половинку шара. Если деревня такого путешественника находится на плоской части, он будет считать, что и вся планета такая же плоская, пока вдруг не обнаружит резкое изменение кривизны. Вселенная может выглядеть таким же образом: она может быть плоской в нашей области, но иметь совершенно другую форму за пределами той части, которую мы можем видеть. Как мы можем быть уверены, что Вселенная столь однородна, как нам кажется?

Итак, вопрос о том, совершает ли свет кругосветные путешествия по конечной Вселенной подобно космической экспедиции Магеллана, все еще остается без ответа. Если это так, мы можем получить шанс узнать, конечна ли Вселенная. А может быть, она изогнута таким образом, что мы сможем выяснить, как именно Вселенная сложена. Конечно, Магеллан путешествовал по статичной планете. Как выяснилось, Вселенная обладает несколько большей динамичностью, чем мы предполагали, и открыл это обстоятельство Хаббл, космический Магеллан, когда он стал анализировать свет, доходящий до нас от звезд удаленных галактик.

8

Кружится звездный мир. И мы, блуждая в нем, Порой зовем его «волшебным фонарем»: Снаружи – сфера звезд, внутри – светильник-солнце, А мы – движение теней перед огнем. Омар Хайям. Рубаи[74]

Когда-то я мечтал, что смогу, глядя в ночное небо, уверенно показывать в нем всевозможные звезды и планеты: «Это вот Бетельгейзе» или «Видите вон там такую яркую точку? Это на самом деле не звезда, а планета Венера». Но у меня, к сожалению, чрезвычайно плохая память. Когда дело доходит до чего-то несистематического, вроде звезд, рассыпанных по небесному своду, мне трудно назвать что-нибудь кроме Большой Медведицы, не опираясь на какой-нибудь логический принцип. Разумеется, именно поэтому мы и создали фигуры вроде Большой Медведицы или Ориона – чтобы помочь нам ориентироваться в этих случайно разбросанных световых точках.

Оказывается, однако, что я и физически не очень подхожу для занятий астрономией. В качестве первой попытки поглубже заглянуть в космос я отправился в обсерваторию Милл Хилл на севере Лондона. Но моему желанию увидеть край Вселенной не позволил осуществиться вечный враг астрономов – облачность.

Тогда я решил подняться над облаками. Для этого пришлось отправиться несколько дальше Северной линии лондонского метро. Я доехал на поезде до Швейцарии и поднялся на красивейший альпийский перевал Юнгфрауйох. Лифт, устроенный в туннеле, пробитом в горе, поднял меня на вершину, на которой расположена обсерватория «Сфинкс», находящаяся на высоте 3571 м над уровнем моря.

Эта обсерватория, построенная в 1937 г., выглядит как логово какого-нибудь злодея из фильма про Джеймса Бонда. Глядя на солнце, заходящее над снегом и ледниками, я готовился провести изумительный вечер за созерцанием звезд. Но у моего организма были другие планы. Я уже чувствовал сильное головокружение и некоторую дурноту. Я почти не мог есть. Когда на небе начали появляться первые звезды, на меня напала сильнейшая головная боль. Вскоре после этого меня вырвало. Когда пожилая немецкая пара сказала мне, что у меня налицо все симптомы горной болезни кроме одного, я внезапно понял, что никогда раньше не бывал на такой высоте.

– А какого симптома не хватает?

– Смерти.

Тогда-то я и понял, что моя мечта о жизни астронома-любителя вряд ли того стоит. Первым же поездом я вернулся на безопасную высоту, и все симптомы пропали. Приходилось смириться с тем, что я – житель долины Темзы, уроженец Лондона, и мой организм создан для наблюдения звезд при помощи телескопов, находящихся на более комфортной высоте, поближе к уровню моря. Но именно наблюдения, произведенные на некоторых из самых крупных телескопов, установленных высоко в горах всего мира, позволили обнаружить удивительный факт. В некоторый момент в будущем звезд, которые можно наблюдать, станет меньше: они постепенно выходят за пределы нашего горизонта видимости!

Вид на Вселенную сквозь красные очки

Когда мимо вас проезжает машина «скорой помощи» с включенной сиреной, ваше ухо ощущает сжатие звуковых волн во время ее приближения: это приводит к уменьшению длины волны, и звук сирены кажется более высоким, чем после того, как машина проедет мимо вас. Звуковые волны удаляющейся сирены растягиваются, увеличивая длину волны и понижая тон звука. Это явление известно под названием эффекта Доплера.

То же происходит и со светом. Если звезда удаляется от нас, испускаемый ею свет сдвигается в сторону больших длин волн и краснеет. Если же она движется к нам, свет сдвигается в сторону более коротких волн и становится синее. Уже выяснив, что наша Галактика – не единственная, а одна из многих, Эдвин Хаббл занялся в 1929 г. анализом света, приходящего из других галактик, чтобы узнать, как они движутся относительно нашей. К его удивлению, свет, приходящий от отдаленных звезд наблюдаемых им галактик, был неизменно сдвинут в красную часть спектра. Казалось, что к нам ничто не приближается. Другие галактики, по-видимому, разбегались от нас. Еще интереснее было то обстоятельство, что чем дальше от Солнца находилась та или иная звезда, тем большим был сдвиг ее длин волн. Хаббл не мог поверить, что Земля занимает во Вселенной такое особенное место. Он понял, что существует значительно лучшее объяснение: пространство расширяется одновременно во все стороны. Где бы ни находилась точка наблюдения, из нее всегда будет казаться, что от нее все удаляется. Пространство между нами и звездами растягивается. Галактики разлетаются под действием этого расширения пространства как листья на ветру.

Хотя открытие расширяющейся Вселенной часто приписывают Хабблу, оно было предсказано за два года до него священником-иезуитом Жоржем Леметром[75]. Леметр вывел идею о необходимости расширения Вселенной из уравнений гравитации Эйнштейна[76]. Когда Эйнштейн услышал о его гипотезе, он отверг ее, не стесняясь в выражениях: «Ваши вычисления, возможно, и правильны, но ваша физика ужасна». Эйнштейн был настолько уверен в неправоте Леметра, что в конце концов вставил в свои уравнения так называемую «космологическую постоянную», которая должна была обеспечить статичность Вселенной и таким образом выбить почву из-под предсказания Леметра.

То, что Леметр напечатал свою статью в малоизвестном бельгийском журнале, также не способствовало успеху его дела. Но когда наблюдения Хаббла дали результаты, подтверждающие идею расширяющейся Вселенной, Эйнштейн запел по-другому. Открытия Хаббла и Леметра были первым указанием на то, что Вселенная не столь статична, как считали Эйнштейн и многие другие ученые. Оказалось, что пространство растягивается.

Именно растяжение пространства увеличивает длины волн приходящего к нам света, причем чем большее расстояние проходит такой свет, тем в большей степени в конце концов удлиняются его волны. Таким образом, чем больше величина красного смещения, тем в большей степени было растянуто пройденное светом пространство и, следовательно, тем дальше от Земли находится его первоначальный источник.

Чтобы понять, почему растяжение пространства изменяет длины волн света, надуем воздушный шарик и отметим на нем три точки. Одна из них будет Землей, а две другие – удаленными звездами. Нарисуем между Землей и звездами две световые волны с постоянной длиной волны. Так свет выглядит в тот момент, когда он покидает звезды. К тому времени как свет от ближайшей из таких звезд достигнет Земли, шарик несколько расширится. Если раздуть его еще немного, длины волн увеличатся. Свету от более удаленной звезды требуется большее время, чтобы долететь до Земли, и за это время Вселенная расширится еще немного. А если еще поддуть наш шарик, длины волн станут еще больше. Поэтому большее красное смещение соответствует большему расстоянию от данной звезды до Земли.

На первом шарике свет покидает обе звезды с одной и той же длиной волны. На втором шарике Вселенная расширилась, и свет от более близкой звезды достигает Земли. Длина волны увеличилась. На третьем шарике к моменту прихода света от более дальней звезды произошло дальнейшее расширение Вселенной. Длина волны еще более сдвинулась в красную сторону

Так был получен новый способ измерения расстояний до весьма удаленных звезд. Он помог астрономам обнаружить звезды, которые сейчас должны находиться в 30 миллиардах световых лет от нас. То, что мы можем видеть объекты на расстоянии в 30 миллиардов световых лет, в то время как возраст Вселенной, как мы скоро увидим, составляет всего 13,8 миллиарда лет, может показаться парадоксом, но следует помнить, что мы видим такую звезду в прошлом, когда она еще была настолько близка, что ее свет мог достичь нас. Вывод о том, что такая звезда находится сейчас в точке, из которой ее свет сможет дойти до нас лишь через 30 миллиардов лет, можно сделать только из математического анализа расширения Вселенной.

Муравей и резинка

Если Вселенная расширяется, то, возможно, некоторые звезды навечно останутся недоступными для нашего взора, так как они все более и более отдаляются от нас. Если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, будь эта скорость даже выше скорости света, то при помощи элегантного математического рассуждения можно показать, что, подождав достаточно долго, мы сможем увидеть свет, исходящий от любой звезды Вселенной – даже если она бесконечна.

Проще всего понять это рассуждение на одном примере, приводящем к удивительно нелогичным результатам. Представим себе муравья (играющего роль фотона), который сидит на одном конце резиновой ленты (играющей роль пространства), другой конец которой (играющий роль Земли) зафиксирован. Тот конец, на котором исходно находится муравей, играет роль далекой галактики.

Конец резиновой ленты оттягивают с некоторой постоянной скоростью. Предположим, что изначальная длина ленты равна одному километру и увеличивается на один километр каждую секунду. Муравей перемещается вдоль ленты с гораздо меньшей скоростью, скажем, равной одному сантиметру в секунду. На первый взгляд кажется, что, поскольку скорость удаления конца ленты настолько выше, у муравья нет никаких шансов добраться до противоположного конца ленты, так же как и свет из достаточной удаленной галактики никогда не сможет долететь до Земли, если пространство между ними расширяется с постоянной скоростью.

Поскольку тут есть некоторые тонкости, я позволю себе ввести одно условие, которое поможет нам понять, что происходит: пусть резиновая лента растягивается только по прошествии каждой секунды и каждое ее растяжение происходит мгновенно. Итак, к концу первой секунды муравей прополз один сантиметр, то есть 1/100 000 всего расстояния. Затем лента растянулась. Важно отметить, что, хотя расстояние, которое муравью еще нужно преодолеть, и увеличилось, уже пройденное им расстояние по-прежнему составляет 1/100 000 расстояния между звездой и Землей, так как растяжение ленты также несколько отодвинуло муравья от исходной точки его путешествия.

Затем муравей проползает еще один сантиметр. Длина ленты равна теперь двум километрам. Значит, муравей прополз еще 1/200 000 полного расстояния. В сумме преодоленная им часть пути составляет 1/100 000 + 1/200 000 полного расстояния. Лента растягивается еще на километр. Пропорция от такого растяжения не изменяется. Длина ленты равна теперь трем километрам. Муравей проползает еще один сантиметр. Теперь это всего 1/300 000 полного расстояния. Каждый раз, когда резиновая лента растягивается, пропорция, соответствующая очередному сантиметру, пройденному муравьем, уменьшается. Но погодите – вот где проявляется сила математики. Относительная длина части ленты, пройденной муравьем через n секунд, будет равна:

Но это тот самый гармонический ряд, вычисленный Оремом много столетий назад, который мы рассматривали в начале предыдущей главы. Орем доказал, что сумма этого ряда может быть сколь угодно большой. То есть значение n можно взять настолько большим, чтобы его сумма была больше 100 000. Тогда отношение длины участка, пройденного муравьем, к полному расстоянию будет более 100 %. Значит, муравей достиг цели!

В этом примере мы рассматривали резиновую ленту, растягивающуюся с постоянной скоростью. Примерно так же, по мнению астрономов, подобных Хабблу, ведет себя и космическое пространство: возможно, его расширение даже замедляется благодаря воздействию гравитации. Из этого следует, что, даже если Вселенная бесконечна, мы сможем увидеть все большую и большую ее часть, если будем просто сидеть и ждать прибытия света, подобного колонии муравьев, ползущих по растягивающейся резиновой ленте пространства.

Не значит ли это, что теоретически, если Вселенная бесконечна, мы должны были уже видеть свет от всех звезд, как бы далеки от нас они ни были? Может быть, мы уже можем видеть бесконечную Вселенную? Тут, однако, следует вспомнить, что чем дальше от нас находится звезда, тем в более глубоком прошлом мы ее видим. Если отмотать развитие нашей расширяющейся Вселенной достаточно далеко назад, мы обнаружим, что в ней вообще не было никаких звезд.

Перемотка вселенной

Открытое Хабблом и Леметром расширение Вселенной было свидетельством события, которое физики называют сейчас Большим взрывом. Если обратить течение времени вспять, то расширяющаяся Вселенная превратится во Вселенную сжимающуюся. По мере сжатия плотность Вселенной возрастает настолько, что ее состояние должно измениться самым кардинальным образом. Собственно говоря, как первым понял Леметр, в какой-то конечный момент такое обратное расширение приведет к образованию бесконечно плотной Вселенной; он называл это состояние первичным атомом или космическим яйцом. Эту «сингулярность» ученые и называют Большим взрывом. Поскольку теория относительности и квантовая физика должны слиться в этой точке в единую согласованную теорию, вопрос о том, насколько далеко назад можно отмотать развитие Вселенной, прежде чем наши нынешние модели перестанут работать и потребуются новые идеи, все еще обсуждается.

Когда я впервые услышал о Большом взрыве, еще будучи школьником, я подумал, что если Вселенная начала развиваться из единственной точки, то сейчас она должна быть конечной. Однако некоторые математические рассуждения позволяют показать, что из единственной точки может получиться и бесконечная Вселенная. Это поражает воображение. Как точка, не имеющая объема, может содержать в себе бесконечное пространство? Чтобы понять, как работает этот механизм, начнем с бесконечного пространства и проследим его развитие в обратном направлении. Представим себе бесконечное пространство через одну секунду после Большого взрыва. Назначим центром этой вселенной некоторую произвольную точку и рассмотрим все точки, находящиеся на расстоянии R от нее. Все они лежат на сфере радиуса R.

Начнем теперь отматывать развитие этой вселенной назад, в направлении нулевого времени. К моменту t = ½ сфера радиуса R сожмется до сферы радиуса ½ R. В момент t = ¼ все наши точки окажутся на сфере радиуса ¼ R. По мере продвижения в направлении Большого взрыва с таким последовательным делением времени на два сфера становится все меньше и меньше и к моменту t = 0 наконец сжимается в точку. Но это рассуждение справедливо для любой сферы, как бы велико ни было значение R. Таким образом, любая точка вселенной лежит на сфере некоторого радиуса R, которая сжимается в выбранную нами точку при возврате к t = 0. То есть математика позволяет нам втянуть бесконечное пространство в точку, не имеющую объема, всего за одну секунду.

У Шекспира эту идею изящно формулирует Гамлет: «Я бы мог замкнуться в ореховой скорлупе и считать себя царем бесконечного пространства»[77].

Разумеется, если пространство и время квантуются, такая модель перестает работать. Как мы видели, когда пытались снова и снова делить пополам мою игральную кость, в этом процессе можно дойти до такой точки, в которой дальнейшее деление становится невозможным. Это обстоятельство и находится в центре споров о столкновении квантовой физики с общей теорией относительности: что происходит, когда Вселенная сжимается до размеров единственной точки?

Многие считают эту точку началом нашей Вселенной, и мы еще вернемся к разговору о значении слов «начало» и «время» на следующем «рубеже». Но концепция Большого взрыва несомненно влияет на то, как далеко мы в принципе можем видеть, потому что она означает, что звезды не могли существовать более чем 13,8 миллиарда лет назад – такова современная оценка времени, прошедшего с момента возникновения этой сингулярности. Более того, моменту, в который стало возможным формирование звезд, еще должен был предшествовать некоторый период развития Вселенной.

Углубляясь в космос, мы углубляемся в прошлое. Тот факт, что звезд не существовало ранее чем 13,8 миллиарда лет назад, означает, что мы окружены сферой, за пределами которой видеть просто нечего. Таким удивительным образом мы возвращаемся к модели Вселенной, предложенной еще древними греками. Земля находится в центре гигантской сферы, и фотоны, летящие из-за пределов этой сферы, еще не успели до нас добраться. С течением времени эта сфера увеличивается, и ответ на вопрос о том, каковы размеры пространства, заключенного в пределах этого расширяющегося горизонта, оказывается довольно неожиданным.

В октябре 2013 г. было объявлено о подтверждении расстояния до наиболее удаленной от нас на данный момент галактики: ее свет добирался до нас 13,1 миллиарда лет. Однако это не значит, что эта галактика сейчас находится на расстоянии 13,1 миллиарда световых лет от нас, так как за эти 13,1 миллиарда лет пространство, отделяющее нас от нее, расширилось. Согласно результатам вычислений, эта галактика находится сегодня в 30 миллиардах световых лет от Земли. Как было объявлено в 2011 г., существует другая галактика с еще большим красным смещением, которое свидетельствует о том, что ее свет шел до нас 13,41 миллиарда лет, но эти данные еще не подтверждены.

Можно было бы подумать, что мы должны быть в состоянии видеть свет, возникший в самый первый момент после Большого взрыва. Однако считается, что, последовательно восстанавливая прошлое состояние Вселенной, мы доходим до такого момента, когда свет не мог распространяться в пространстве, так как оно было непрозрачным. Фотоны постоянно сталкивались то с одной, то с другой частицей. Лишь через 378 000 лет после Большого взрыва плотность частиц уменьшилась настолько, чтобы первые фотоны смогли начать свое безостановочное путешествие в пространстве. В космосе внезапно обнаружилось достаточно места, чтобы такие фотоны могли пролетать через Вселенную, не наталкиваясь на объекты, которые могли бы их поглотить. Эти первые видимые нам фотоны образуют так называемое реликтовое излучение, и именно они представляют максимальную дальность нашего космического дальновидения. Подобно космическим окаменелостям, они рассказывают нам о раннем периоде развития Вселенной.

Когда эти первые фотоны, которые мы видим сегодня в реликтовом излучении, начинали свое путешествие, они находились всего в 42 миллионах световых лет от Земли. К настоящему времени расстояние между такой исходной точкой и Землей растянулось, по существующим оценкам, до 45,7 миллиарда световых лет. Это и есть край нашей видимой Вселенной, «космический горизонт» видимости. Но свет – это еще не все.

Хотя свет не мог пробраться сквозь космическую плазму, существовавшую во Вселенной в течение 378 000 лет после Большого взрыва, это могли сделать нейтрино. Эти частицы, по-видимому, не может остановить ничто (ну, или почти ничто – время от времени они сталкиваются с другими объектами, что и позволяет нам обнаружить их существование). Каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы никем не замеченных нейтрино. Поэтому, возможно, мы могли бы «заглянуть» чуть дальше в пространство, если бы смогли детектировать нейтрино, разделившиеся через две секунды после Большого взрыва. Может быть, мы смогли бы выделить космический нейтринный фон, хотя обнаружить его, по-видимому, очень трудно.

Как бы то ни было, Землю окружает сфера, представляющая тот горизонт, заглянуть за который нам не позволят даже самые совершенные и хитроумные телескопы, потому что свет и нейтрино – да и любая информация – из-за него еще не успели до нас дойти.

Этот космический горизонт расширяется с течением времени, позволяя нам смотреть все дальше и дальше в космос. Однако сделанное в 1998 г. открытие выявило тот тревожный факт, что на самом деле наши космические горизонты не расширяются все далее в пространство, а сжимаются. Хотя радиус космического горизонта растет с постоянной скоростью, материя космоса не просто расширяется, но, по-видимому, расширяется с возрастающей скоростью. И это расширение выталкивает объекты за пределы нашего горизонта, самым разрушительным образом влияя на объем того, что смогут знать будущие поколения.

Уходящие звезды

Некоторые звезды заканчивают свое существование катастрофическим взрывом, который называют сверхновой. Светимость такого события так высока, что сверхновые можно видеть с огромного расстояния. Все взрывающиеся сверхновые класса Ia имеют одинаковую яркость независимо от того, в какой точке Вселенной они находятся. Сравнив это значение с их видимой яркостью, мы можем определить, на каком расстоянии от нас расположена такая сверхновая.

Если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, то, зная расстояние от сверхновой до Земли, можно предсказать ожидаемую величину красного смещения с учетом такого постоянного расширения. Но, когда такое теоретическое красное смещение сравнили со значениями, измеренными для удаленных сверхновых, астрономы были поражены. Значения красного смещения не совпадали. При постоянной скорости расширения Вселенной красное смещение должно было быть гораздо большим. Скорость изменения красного смещения далеких галактик, свет которых позволяет нам заглянуть в прошлое, оказалась меньшей, чем та же скорость, измеренная для более близких галактик. Единственное возможное объяснение состоит в том, что расширение пространства было значительно более медленным в ранней Вселенной, а потом начало ускоряться, разрывая космос на части.

Судя по всему, около 7 миллиардов лет назад случилось нечто драматическое. Вплоть до этого момента расширение, по-видимому, замедлялось, как и следовало ожидать, с учетом тормозящего эффекта гравитационного воздействия содержащейся во Вселенной материи. Но затем, примерно в середине прошедшего на данный момент периода существования Вселенной, характер расширения изменился, и его скорость начала возрастать, как будто кто-то резко нажал на педаль газа. Ученые называют топливо, питающее это ускорение, темной энергией.

Насколько мы можем судить, в течение первой половины периода существования Вселенной плотность материи была достаточной для создания замедляющего гравитационного притяжения. Однако по мере расширения Вселенной эта плотность уменьшилась до такого уровня, на котором смогла вступить в игру скрытая до тех пор темная энергия. Считается, что плотность темной энергии не уменьшается с расширением. Согласно этой точке зрения, она является свойством самого пространства.

Если такое ускорение продолжится, это может иметь самые удивительные последствия. Сфера, заключающая в себе видимую Вселенную, увеличивается с течением времени, в результате чего мы должны видеть все большую и большую часть пространства. К сожалению, само это пространство расширяется так быстро, что звезды, находившиеся раньше внутри сферы видимой Вселенной, оказываются вытолкнуты за край этой сферы. Так что в будущем все галактики кроме нашей собственной должны исчезнуть из виду и навечно остаться за пределами сферы нашей видимой Вселенной. Хотя эта сфера и расширяется, скорость ее расширения никогда не будет достаточной, чтобы догнать галактики, уносимые от нас ускоряющимся расширением пространства.

Представим себе, что развитие жизни заняло больше времени и люди начали заниматься астрономией лишь после того, как все интересные объекты уже были вытеснены за горизонт. Наше представление об эволюции Вселенной было бы совершенно иным. Она выглядела бы как та статичная Вселенная, которую мы представляли себе до того, как наши телескопы смогли разглядеть другие галактики. Поэтому то, что мы можем знать, зависит от времени появления человека во Вселенной. Наши занятия астрономией стали возможны потому, что мы живем в особое время.

Астрономы отдаленного будущего не будут забираться на высокие горы и смотреть в телескопы, подобные тому, что стоит в обсерватории «Сфинкс». Вместо этого им придется обращаться к книгам и журналам, хранящим данные, собранные предыдущими поколениями астрономов прежде, чем то, что они наблюдали, было вытолкнуто за наши космические горизонты. Может быть, астрономия будущего будет лучше подходить подобным мне жителям долины Темзы, которые предпочитают высокогорным обсерваториям низинные библиотеки.

Стоит отметить, что звезд нашей Галактики мы не лишимся. Нашу Галактику скрепляет локальное гравитационное притяжение, воздействующее на близлежащие звезды. Расширения пространства недостаточно, чтобы растащить эти звезды в разные стороны, но оно заставляет задуматься о том, что уже успело исчезнуть из нашего поля зрения, которое могло бы быть совершенно иным.

Когда вы едете в автомобиле и хотите увеличить скорость, вы нажимаете на педаль газа: при сгорании топлива выделяется необходимая для ускорения энергия. Откуда же берется топливо, или энергия, обеспечивающая ускорение Вселенной, и может ли она в конце концов закончиться, как топливо в баке машины?

Ответа на этот вопрос мы не знаем. Темная энергия называется «темной» в том принятом в космологии смысле, что она, по-видимому, никак не взаимодействует со светом или другими формами электромагнитного излучения. Другими словами, обнаружить ее мы не можем. Существуют некоторые предположения о природе темной энергии. Одно из них касается космологической постоянной, которую, как известно, Эйнштейн вставил в свои уравнения, пытаясь сделать Вселенную статичной. Но теперь эту константу используют для расширения пространства. Обычно мы предполагаем, что энергия, распределенная в пространстве, расходуется или становится менее плотной по мере расширения этого пространства. Однако эту энергию считают сейчас свойством самого пространства. С увеличением пространства ее плотность не уменьшается – вместо этого дополнительно создается темная энергия. В каждом отдельном кубометре пространства она постоянна. Другими словами, она имеет фиксированную плотность. Ускорение представляет собой бесконтрольный, неостановимый процесс. Это не противоречит закону сохранения энергии, так как темную энергию рассматривают как энергию отрицательную, прирост которой уравновешивается увеличением кинетической энергии, сопровождающим расширение пространства.

Если расширение Вселенной будет продолжать ускоряться, то мы никогда не сможем получить информацию из-за пределов некоей сферы, в центре которой мы находимся. Информация распространяется со скоростью света. В статичной Вселенной это означало бы, что любая информация может достичь нас по прошествии достаточного времени. Во Вселенной, расширяющейся с постоянной скоростью, как показывает пример муравья на растягивающейся резиновой ленте, также следует ожидать, что любая информация, распространяющаяся по бесконечной Вселенной, рано или поздно доберется и до нас. Но в условиях ускоряющегося расширения существуют объекты, которые никогда не смогут преодолеть разделяющее нас пространство достаточно быстро, чтобы скомпенсировать это ускорение. В соответствии с современной оценкой космологической постоянной, предположительно определяющей это расширение, считается, что радиус сферы, из-за которой мы не сможем получить никакой информации, посланной в данный момент, равен сейчас 18 миллиардам световых лет.

По мере расширения пространства между звездами свет этих звезд претерпевает красное смещение, и чем больше растягивается пространство, тем большей становится длина волны света. Нам кажется, что звезды гаснут, когда длина волны света увеличивается настолько, что мы уже не можем его увидеть. Это же относится и к той части реликтового излучения, которую мы можем распознать: длины волн этих ранних фотонов растягиваются настолько, что обнаружить их становится почти невозможно.

Поражает воображение мысль о том, что в будущем, когда красное смещение реликтового излучения возрастет настолько, что его уже нельзя будет обнаружить, а галактики окончательно исчезнут из виду, у космологов может не остаться оснований считать, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Возможно, цивилизации будущего вернутся к той модели Вселенной, в которую верили древние: в ней наша Галактика окружена пустотой, а все сущее содержится в бумажном икосаэдре, который я сделал, чтобы ориентироваться в космосе. Ничто не будет свидетельствовать об однородности Вселенной. Мы снова окажемся в исключительной точке мироздания, окруженной ничем.

Космические отпечатки

Если Вселенная бесконечна, то вероятность существования чего-то, не поддающегося нашему познанию, кажется весьма высокой. Само устройство Вселенной, по-видимому, лишает нас надежды наблюдать такие явления. И все же Вселенная, находящаяся за пределами нашего горизонта видимости, может оставлять отпечатки в той части космоса, которая нам видна.

Если Вселенная конечна, это налагает ограничения на некоторые из возможных резонансов. Представим себе Вселенную в виде огромного резонатора наподобие корпуса моей виолончели. Форма виолончели подобрана так, чтобы резонансные частоты вибраций, возможных в таком корпусе, создавали приятное уху звучание. Собственно говоря, одним из отличий произведения Страдивари от виолончели фабричного изготовления является совершенство формы, которое создает более красивое звучание.

Одна из интригующих проблем, долгое время занимавшая математиков, сводилась к вопросу о возможности восстановления формы резонатора по резонансным частотам волн, вибрирующих в нем. В фундаментальной работе Марка Каца этот вопрос был сформулирован так: «Можно ли услышать форму барабана?»[78] Например, существует особый набор частот, который может возникнуть только в квадрате. Однако в 1992 г. математики Каролин Гордон, Дэвид Уэбб и Скотт Уолперт создали две странные формы, которые имеют одинаковые резонансные частоты, хотя сами эти формы различны[79].

С точки зрения моих поисков края Вселенной, тут интересна возможность узнать от таких резонансов, конечна Вселенная или же бесконечна. Если взять конечный резонатор, то длины волн, которые могут резонировать внутри его, ограничены размером резонатора. Если же пространство бесконечно, такого ограничения быть не должно. В середине 1990-х гг. французский ученый Жан-Пьер Люмине с коллегами исследовали реликтовое излучение, пытаясь установить, какие волны остались после Большого взрыва. Согласно их результатам, в спектре недоставало больших длин волн. Значит ли это, что пространство недостаточно велико, чтобы поддерживать такие волны?

Два барабана с одинаковыми резонансными частотами

Более точные данные космического аппарата «Планк», опубликованные в 2013 г., не подтвердили сведений о недостающих длинах волн, которые свидетельствовали бы о конечности Вселенной. Так что вопрос пока остается открытым. И в этом заключается одна из проблем этой дилеммы: если Вселенная конечна, то мы, возможно, когда-нибудь сможем в этом убедиться; если же она бесконечна, мы обречены навечно оставаться в этом эпистемологическом тупике.

Хотя волны, обнаруживаемые в реликтовом излучении, ничего не говорят нам о том, конечна ли Вселенная, они могут позволить нам оценить ее минимальные размеры. Волны, которые мы можем обнаружить, дают нам реальный шанс заглянуть за наш космический горизонт. Как объяснили в своей статье 1978 г.[80] советские физики Леонид Грищук и Яков Зельдович, некоторые волны могут резонировать, только если резонатор, внутри которого мы находимся, достаточно велик. Патрисия Кастро, Мариан Дуспис и Педро Феррейра, используя обнаружимые резонансы, заключили[81], что Вселенная по меньшей мере в 3900 раз больше видимой нами части пространства.

Другой способ получения сведений о пространстве, находящемся за пределами видимой нами Вселенной, заключается в наблюдении событий, которые могут происходить только под влиянием того, что существует по ту сторону нашего космического горизонта. Например, за ним может быть нечто крупное, притягивающее видные нам галактики и создающее необычные смещения в некоторых областях ночного неба. Хотя мы можем чего-то не видеть, мы тем не менее можем ощущать воздействие таких объектов на то, что мы видим. Именно так мы узнали о существовании темной материи. Гравитационное поведение видимых нами объектов можно объяснить только существованием дополнительной материи. Именно так мы открыли Нептун. Хотя в конце концов мы смогли увидеть его собственными глазами, его существование было сначала предсказано математически, по тому воздействию, которое он оказывает на окружающие планеты. Если за нашим космическим горизонтом существуют объекты, которые мы не можем увидеть, они тем не менее могут протягивать свои гравитационные щупальца внутрь доступного нам мира.

Когда я смотрю на представляющую этот мир бумажную модель Вселенной, стоящую на моем столе, меня поражает то, как мы – люди – становимся все меньше и меньше по сравнению с мирозданием. С тех самых пор, когда человек впервые взглянул в ночное небо, поколение за поколением только и занимается корректировкой нашего чувства масштаба. Сначала казалось, что Земля находится в центре мира. Потом нам пришлось пересмотреть свое положение в космосе, так как выяснилось, что в центре находится Солнце, а Земля – всего лишь одна из планет, обращающихся вокруг этого центра. Еще позже мы поняли, что все остальные звезды тоже могут иметь собственные планеты, а Солнце ютится на краю целой галактики таких звезд. Но потом мы были вынуждены еще раз переосмыслить свое место во Вселенной, чтобы как-то приспособиться к тому обстоятельству, что таких галактик в космосе – миллиарды. Млечный Путь не представляет собой ничего особенного.

Наверное, я бы смог привыкнуть к этим гигантским масштабам, хотя их практически невозможно полностью осознать. Но открытия, сделанные в течение моей жизни, уже после того, как я смирился со своим местом во Вселенной, принесли еще одно расширение горизонтов. Прошлые поколения выяснили, что наша планета – лишь одна из многих; теперь мы, по-видимому, должны признать, что и наша Вселенная может оказаться лишь одной из множества вселенных. Первые намеки на существование этих других вселенных проявились в довольно любопытной загадке, зашифрованной в самых первых фотонах, которые стали летать по нашей собственной Вселенной.

Множественные вселенные

У реликтового излучения есть одна странность. Почему оно такое однородное? Спектр излучения, попадающего в наши детекторы, характеризуется одной и той же температурой – на 2,725° выше абсолютного нуля. Когда фотоны отправлялись в свое путешествие, приблизительно через 370 000 лет после Большого взрыва, у них была гораздо более высокая температура, около 3000°, при которой электроны и ядра объединялись в атомы. По мере расширения пространства фотоны охлаждались, то есть их энергия, определяемая частотой их колебаний, постепенно падала, пока не достигла нынешнего уровня, на котором мы обнаруживаем такие фотоны в микроволновой области электромагнитного спектра.

Но почему все фотоны имеют приблизительно одинаковую температуру? Когда два объекта с разными температурами вступают в контакт друг с другом, они передают энергию таким образом, что со временем их температура становится одинаковой. Это объяснение казалось бы подходящим, если бы не одно слово в предыдущем предложении – «контакт». Контакт возможен только со скоростью света. Расстояния в пространстве были такими, что для производимой со скоростью света передачи информации о температуре на другую сторону расширяющейся Вселенной не хватило бы времени.

Единственное кажущееся разумным объяснение таково: две точки пространства могли достичь одинаковой температуры, только если они были в течение достаточного времени расположены ближе друг к другу, чем предполагала наша модель расширяющейся Вселенной. В начале 1980-х гг. американский космолог Алан Гут предложил возможное решение этой проблемы. На ранних стадиях существования Вселенной расширение пространства не было быстрым. Сначала расширение происходило медленно, что и позволило пространству достичь единой температуры. После этого наступил этап чрезвычайно быстрого расширения пространства, называемый теперь стадией инфляции. Предполагается, что такая инфляция была вызвана антигравитационным, так называемым инфлатонным, полем, которое обеспечило экспоненциально быстрое расширение пространства. Согласно современной модели, стадия быстрой инфляции продолжалась недолго – всего около 10–36 секунды, то есть одной миллиардной одной миллиардной одной миллиардной одной миллиардной доли секунды. Однако считается, что за это время инфлатонное поле увеличило пространство в 1078 раз. Как будто бы было высвобождено накопленное давление, а после этого высвобождения скорость расширения Вселенной снизилась до более умеренного уровня, который мы с тех пор и наблюдаем.

Эта модель позволяет объяснить, почему Вселенная представляется нам плоской и по большей части весьма однородной. Наблюдаемые нами крупные отклонения от однородности – галактики и пустые пространства – на самом деле представляют собой результат мельчайших квантовых флуктуаций в малом участке пространства, раздутом этой чрезвычайно сильной инфляцией. Инфляцией также можно объяснить кажущуюся плоскостность Вселенной: она должна была разгладить практически всю заметную кривизну, существовавшую в ранней Вселенной.

Математический аппарат, который разработали для объяснения такой инфляции Андрей Линде, работающий сейчас в Стэнфорде, и Александр Виленкин[82] из университета Тафтса, приводит к поразительному предсказанию. Из него следует, что инфляция может не быть одиночным событием: инфляция пространства, подобная произошедшей в нашей Вселенной, могла случиться и в других областях космоса. Квантовые флуктуации, происходящие во всем пространстве, приводят к возникновению в некоторых местах инфлатонного поля, создающего огромные вселенные. Иначе говоря, могут существовать и другие вселенные, подобные нашей, а пространство тогда должно быть похоже на швейцарский сыр, дырки в котором соответствуют разным вселенным.

Сможем ли мы когда-либо узнать, насколько справедливо такое описание Вселенной? Не сочиняем ли мы внутренне непротиворечивые теории, которые даже могут соответствовать истине, однако не поддаются никакой проверке? Возможности нашего познания, по-видимому, ограниченны даже в нашей собственной Вселенной. Как же можно даже надеяться выяснить, существуют ли эти другие вселенные в реальности или только в фантазиях физиков-теоретиков?

Исследования существования таких других вселенных сосредоточены на возможности их взаимодействия с нашей Вселенной, в ходе которого они могли бы оставить какие-либо следы. Можно ли получить от реликтового излучения свидетельства того, что наша Вселенная в процессе своего формирования сталкивалась с другими вселенными? Высказывались предположения о том, что такими столкновениями могли быть вызваны перепады температур на карте ранней Вселенной, но, как признает одна из исследовательских групп Университетского колледжа Лондона, изучающая такую возможность, «одна из многочисленных дилемм, с которыми сталкиваются физики, состоит в том, что человек очень хорошо умеет выискивать закономерности в данных, которые могут быть результатом простого совпадения». Тем не менее эти исследования не лишены надежды. Обнаружение свидетельств существования соседних вселенных не является заведомо недостижимой целью. Такое знание может быть возможно. Трудность состоит в выяснении того, каким образом эти другие вселенные могли воздействовать на то, что не выходит за пределы нашего горизонта видимости.

Настройка разных вселенных

Одно из интригующих последствий существования таких потенциально непознаваемых вселенных за пределами нашей собственной состоит в том, что оно может объяснить одну из изначальных причин, которыми было вызвано создание Бога. Если предположить существование множественных вселенных, то это предположение будет наилучшим на данный момент решением тревожащей нас проблемы, что наша местная Вселенная могла быть создана по некоему замыслу.

Я говорю не об иллюзии биологического замысла, лежащего в основе жизни: эта иллюзия возникла в свое время в связи с ограниченностью наших знаний о случайности и огромных временных масштабах. Дарвиновская эволюция устранила потребность в таком замысле. Внутренние механизмы нашей Вселенной вполне достаточны для создания тех замечательных структур, которые существуют на нашей планете.

Дарвин чрезвычайно эффективно разделывается с потребностью в сверхъестественном замысле для объяснения того разнообразия жизни, которое мы видим вокруг. Когда имеешь простой механизм – дарвиновскую эволюцию, – который объясняет сложность жизненных форм, Бог уже не нужен[83]. Чего у нас, однако, нет, так это простого объяснения природных констант – приблизительно двух десятков чисел, таких как масса электрона, гравитационная постоянная, скорость света, заряд протона, – которые так точно подходят для обеспечения возможности появления и развития жизни. Хотя у нас есть механизм, объясняющий биологию, аналогичных средств объяснения физики у нас нет.

Кажется, что никакой ясной рациональной причины, по которой эти константы имеют именно такие значения, не существует. Почему нельзя настроить их на другие значения? Особенно поражает то, насколько возможность существования жизни в нашей Вселенной чувствительна к малым изменениям этих параметров. Например, если бы константа, которая определяет поведение электромагнитного поля, изменилась всего на 4 %, то происходящий в звездах термоядерный синтез не смог бы производить углерод – и в основе любых форм жизни, существующих в такой вселенной, должны бы были лежать другие атомы. Как выясняется, некоторые другие константы столь же чувствительны к малым отклонениям. Стоит изменить космологическую постоянную в 123-м знаке после запятой, и существование пригодных для жизни галактик внезапно становится невозможным.

В этом состоит одна из причин, по которым лежащее за пределами нашего космического горизонта неизвестное с его множественными вселенными может содержать решение этой дилеммы. В модели, в которой существует множество разных вселенных, фундаментальные константы каждой из них могут быть определены случайным образом. В большинстве случаев в таких вселенных не будет почти ничего интересного, потому что их сочетания констант не будут благоприятны для какого-либо развития. Но в некоторых из таких миров могут найтись удачные комбинации констант, при которых атомы начинают процесс, приводящий в конце концов к возникновению жизни. Разумеется, чтобы наблюдать такую вселенную, мы должны находиться в одной из таких вселенных. Это положение известно под названием антропного принципа.

Мне кажется, что ученые в большинстве своем надеются получить более удовлетворительный ответ на вопрос, почему наша Вселенная именно такая, продемонстрировать, что значения констант не случайны, что все именно так, как и должно быть. В отсылке к концепции множественных вселенных видится некое жульничество, как будто мы просто ленимся постараться как следует и заполняем этот пробел идеей, которую, по всей вероятности, никогда не сможем проверить.

Но может быть, так оно и есть на самом деле и нам следует просто смириться и принять модель множественных вселенных. Например, Земля – это всего лишь случайная планета, оказавшаяся в условиях, оптимальных для развития жизни. Вряд ли мы сможем выяснить, по каким именно причинам она в них оказалась. Существует множество планет, у которых это не получилось. Если мы принимаем существование множественных планет в качестве объяснения жизни, почему бы не согласиться и с существованием множественных вселенных, объясняющим законы физики?

Я лично надеюсь, что мы сумеем объяснить, почему Вселенная именно такова, не прибегая к идее множественных вселенных. В конце концов, может существовать причина, по которой именно эта Вселенная оказывается наиболее естественной. Большинство ученых также предпочло бы получить такой ответ. Устойчивый мыльный пузырь имеет удивительно совершенную форму. Существует множество других трехмерных форм, которые он мог бы принимать. Почему он выбирает именно эту? Ответ нам известен. Математика говорит, что его форма обладает самой низкой энергией из всех возможных форм. Объяснение, которое мы ищем, должно показать, почему форма нашей Вселенной также предпочтительна с научной точки зрения.

Но Вселенная, вероятно, не похожа на мыльный пузырь. Возможно, она ближе к карандашу, поставленному на заточенный конец и отпущенному. Число направлений, в которых он может упасть, бесконечно. Ни одно из них не является наиболее предпочтительным. Выбор направления – и выбор вселенной – определяет случайность (воплощенная в квантовых флуктуациях).

Кое-кто предлагает альтернативное решение: трансцендентное сознание, осуществляющее тонкую настройку всего мироздания. Но это кажется еще большим жульничеством. Почему идея множественных вселенных более удовлетворительна с точки зрения науки? Дело в том, что теория множественных вселенных обладает – хотя и в несколько странном виде – той экономичностью, которую мы считаем признаком хорошей теории. Казалось бы, такое качество – последнее, чего можно ожидать от теории, требующей существования множественных вселенных. Но привлекательна в ней экономичность объяснения. Ее объяснение окончательно и не требует дальнейших объяснений. Добавление новых вселенных – это всего лишь повторение уже известного с некоторыми вариациями. Не происходит ничего принципиально нового, но включение всех этих вселенных в общую картину позволяет полностью разрешить проблему тонкой настройки. Гипотеза о существовании инженера-конструктора, который занимается тонкой настройкой констант, ставит не меньше новых вопросов, чем дает ответов на старые.

Назови следующее число

Хорошая научная теория должна представлять собой экономичную гипотезу, объясняющую, как построена общая картина; она не должна нуждаться в чрезмерном количестве дополнительных персонажей для построения истории, соответствующей нашему опыту. В пользу теории множественных вселенных говорят именно ее простота и естественность. Поскольку физическая природа инфляции допускает существование механизма образования таких вселенных, эта теория не сводится просто к экстравагантной гипотезе. Но использовать простоту и экономичность в качестве критериев оценки правдоподобия теорий следует с осторожностью.

Если вас спросят, каким должно быть следующее число в последовательности

1, 2, 4, 8, 16, …,

то очевидным ответом будет 32. Самой распространенной будет догадка, что в основе последовательности лежит удвоение ее членов. А что бы вы сказали человеку, заявившему, что следующее число – 31? Над ним бы, наверное, посмеялись. Но, если уточнить, что эти числа могут описывать количество способов, которыми можно разделить круг, оба ответа – 31 и 32 – становятся возможными правильными решениями. Поэтому, чтобы выбрать, какое из решений лучше всего подходит к данному случаю, имело бы смысл попросить дополнительные экспериментальные данные.

Почему следующее число – 31…

Отметим на окружности n точек и проведем линии, соединяющие каждую из точек со всеми остальными. На сколько частей можно разделить круг таким образом? Максимальное число частей, получаемое начиная с одной точки, отвечает этой последовательности: 1, 2, 4, 8, 16, – как вдруг в случае шести точек получается неожиданный результат: максимальное число частей равно 31.

Самое интересное, что, сколько бы мы ни добавляли новых данных, всегда можно найти уравнение, из которого будет логично следовать, что следующим правильным ответом может быть любое число. Поэтому, имея конечный объем данных, мы, по-видимому, никогда не сможем узнать истинное объяснение наших данных, пока не получим следующую порцию информации, на которой можно будет проверить наши уравнения. Такова модель науки, предложенная философом Карлом Поппером: теория может быть только опровергнута, но не доказана.

Оценивая качество теории, ученые часто применяют некие меры естественности, бритву Оккама, которая позволяет сравнивать привлекательность разных уравнений. Чем проще уравнение, чем меньше параметров в него нужно ввести, чтобы получить ответ, тем более привлекательным в общем случае выглядит данное объяснение. Именно поэтому наиболее очевидной закономерностью этого ряда чисел большинству людей кажется удвоение, а не многочлен четвертой степени, дающий число частей круга.

Поэтому при наличии выбора между двумя конкурирующими теориями, когда никаких аргументов в пользу той или другой из них нет, мы, по-видимому, склонны выбирать более простую теорию. В философии эта концепция называется «выводом к наилучшему объяснению» или теорией абдукции. Однако нет никаких оснований полагать, что простота гарантирует истинность.

Почему простоту, экономичность или красоту можно считать критерием близости к истине? До некоторой степени об этом говорит наш опыт. То, что мы ассоциируем красоту с истиной, есть следствие запрограммированной в нас эволюцией реакции – выброса дофамина – на появление идей, которые, как мы думаем, помогают нам существовать в нашей среде. Мы считаем что-то красивым, потому что наш организм реагирует таким образом на то, что способствует нашему эволюционному выживанию.

Что происходит, когда высказываются альтернативные теории? Как разговаривать с человеком, верящим, что Вселенная возникла 5775 лет назад? Если рассказать ему о палеонтологической летописи, он ответит, что Вселенная была создана старой. Он создает для себя теорию, внутренне логическую и непротиворечивую, но крайне маловероятную, с моей точки зрения. Чрезвычайно трудно спорить с людьми, выдвигающими гипотезы, которые невозможно проверить.

Мы все больше и больше смещаемся к научным теориям эволюции Вселенной, которые могут оказаться недоступными для проверки. Если предложить теорию, предсказывающую существование новых частиц, но не уточняющую, при каких энергиях такие частицы могут быть обнаружены, то никакие данные не смогут убедить сторонников этой теории в их неправоте: они всегда смогут возразить, что их гипотетические частицы существуют в той области, которую мы еще не смогли исследовать.

По мнению некоторых, нынешняя непроверяемость теории множественных вселенных делает ее такой же фантазией, как идея сверхъестественного конструктора, занимающегося тонкой настройкой мироздания. Хотя в данный момент мы никак не можем проверить теорию множественности вселенных, нет никаких априорных причин, по которым она должна навечно остаться непроверяемой. То же касается и теории струн, которой часто отказывают в звании научной теории на том основании, что из нее не следует предсказаний, которые можно было бы проверить. Но это не повод ее отбрасывать, поскольку и оснований считать, что она так и останется непроверяемой, тоже нет.

Теория множественных вселенных, хотя она и непроверяема, определяет механизм возникновения таких новых вселенных – инфляцию. Кроме того, мы по меньшей мере имеем свидетельства существования одной из множественных вселенных – нашей собственной. Один из критериев научности теории состоит в том, что ее объяснения должны быть основаны на естественном, а не сверхъестественном. Предполагая наличие новых сущностей – таких как «темная энергия» или «гравитация», – необходимо встроить их в естественный мир. Как это сделать? Нужно показать, как они влияют на прочие сущности, которые мы видим вокруг себя.

Другой критерий научности состоит в возможности поставить опыт, в котором теорию можно проверить. Одна из проблем космологии состоит в том, что она имеет дело с одноразовым опытом. Запустить еще один Большой взрыв и посмотреть, что получится на этот раз, довольно затруднительно. Тем не менее можно воссоздать условия Большого взрыва в меньшем масштабе на Земле и составить представление о физике большого космологического события. Однако с учетом того, что мы остаемся при этом внутри физической реальности, созданной им, непонятно, как можно было бы проверить на опыте другие физические теории, использующие другие физические константы или даже другие законы физики, которые могли возникнуть в другие моменты образования Вселенной.

Поскольку об экспериментах речи быть не может, основным догматом космологии является концепция однородности. По необходимости предполагается, что то, что происходит в нашей области Вселенной, справедливо и для всей ее структуры. Без этого предположения возможно все что угодно. Мы предполагаем, что искривление пространства, существующее вблизи нас, существует и повсюду во Вселенной, но это может быть и не так – тут мы подобны жителю полусферической планеты, который считает всю свою планету плоской, пока не доберется до места, в котором ее кривизна изменяется.

Если не предполагать однородности Вселенной, как можно исключить вероятность того, что за нашим горизонтом видимости существует нечто, отличающееся от всего известного нам самым разительным образом? Может быть, кто-то скачал нашу Вселенную с веб-сайта и склеил ее, как я склеил свою небесную сферу. Может быть, наш мир – всего лишь кукольный домик какого-то сверхъестественного существа; сверхъестественного в том смысле, что оно существует вне нашей Вселенной. Если такое сверхъестественное существо никогда не играет в свой кукольный домик, неясно, сможем ли мы когда-нибудь узнать о его существовании. Но если оно действительно никак не влияет на наш мир, то эта идея представляется довольно странной. Нужно ли нам такое буйство воображения? А вот если это сверхъестественное существо все-таки играет в свой кукольный домик и как-то взаимодействует с ним, то мы готовы попытаться проверить эту идею – и тогда такая картина мира становится потенциально познаваемой.

Есть там кто-нибудь?

Поразительно, как часто в ходе истории человечества космология пересекалась с религией. Вопрос о том, что может лежать за пределами Вселенной, всегда интересовал как естествоиспытателей, так и богословов. По мнению средневекового философа Орема, там скрывается Бог. В большинстве религий существует миф о сотворении космоса. Австралийские аборигены считали, что все сущее явилось из брюха Радужного змея. У современных ученых эту роль играет Большой взрыв. Конфликт Галилея с католической церковью был вызван его сомнениями в существовавшем тогда представлении о нашем месте в космосе. Однако принятую ныне в науке теорию о возникновении космоса из Большого взрыва предложил именно католический священник, Леметр.

Даже в наше время космология и религия то и дело пересекаются, порой противореча друг другу. В 1972 г. сэр Джон Темплтон, британский предприниматель американского происхождения, учредил премию своего имени, которая должна была присуждаться за «успехи в религии». Со временем она превратилась в премию «за успехи в исследовании или открытия в духовной жизни». Ее лауреаты получают крупное денежное вознаграждение, составляющее сейчас 1 200 000 фунтов. Темплтон особо указал, что его премия должна быть больше Нобелевской, которая, по его мнению, несправедливо игнорировала духовные аспекты.

Многие из лауреатов этой премии не вызывают никакого удивления. Первая Темплтоновская премия была присуждена матери Терезе. Впоследствии ее получали священники, проповедники, раввины и далай-лама. Но в последние годы в рядах лауреатов премии стало появляться все больше ученых, причем этой чести неизменно удостоивались ученые, занимающиеся космологией и великими загадками Вселенной.

Однако многие ведущие ученые выступали с критикой тех, кто принял эту премию, – по их мнению, она поддерживала духовный или религиозный подход к решению научных задач. Одним из таких критиков был мой предшественник Ричард Докинз, который заявил, что премию обычно дают «ученому, который готов сказать что-нибудь хорошее о религии». Вот что писал о причинах, по которым он отказался от финансирования своих исследований за счет Фонда Темплтона, физик Шон Кэрролл: «Речь не идет об этическом компромиссе; это скорее вопрос создания нежелательного впечатления. Каждый раз, когда авторитетные ученые принимают деньги от Темплтона, они поддерживают – хотя бы и косвенно – своим авторитетом идею о том, что наука и религия – всего лишь разные пути к одной и той же окончательной истине».

Мне очень хотелось поговорить с космологом, который все же согласился принять эту премию. Профессор Джон Барроу, работающий на кафедре прикладной математики и теоретической физики в Кембридже, получил Темплтоновскую премию в 2006 г. Его ответ на мое письмо прямо касался вопроса о причинах важности космологии для моей концепции Бога как того, чего мы не можем знать: «Большинство фундаментальных вопросов космологии не имеют ответа. Собственно говоря, о некоторых из них я буду говорить на лекции в следующую субботу».

Отлично. Там-то я и услышу, чего, по мнению космологов, они не могут знать. По мере того как Барроу переходил от одного вопроса к другому, я, сидя в первом ряду аудитории, начал понимать, как мало мы, по-видимому, сможем когда-либо узнать о Вселенной. Барроу продолжал показывать непременные красивые картинки, которыми астрономы усеивают свои доклады, подтверждая накопившиеся у меня опасения о том, сколь мало то, что мы можем знать о нашей Вселенной.

Большой взрыв: «Нам кажется, что Вселенная возникла конечное время назад: в этот момент ее плотность была бесконечной, и ее температура была бесконечной. Было ли такое начало на самом деле, мы не знаем».

Размеры Вселенной: «Нет сомнений в том, что значительная часть Вселенной находится за нашим горизонтом видимости, но мы ее не видели и почти всю эту часть никогда и не увидим. Поэтому когда возникает вопрос, было ли у Вселенной начало, или конечна она, или бесконечна, мы никогда не сможем ответить на такие вопросы обо всей Вселенной».

Когда я встретился с Барроу после лекции и спросил, как ученые, подобные ему, могут принимать Темплтоновскую премию, он объяснил мне, почему, как он считает, Фонд Темплтона финансирует и награждает космологов. «Наука нравилась сэру Джону Темплтону потому, что она связана с прогрессом. Он считал, что космология работает над глубокими и важными вопросами, о которых нужно знать всем, чем бы они ни занимались – философией, религией, богословием… Нельзя заниматься этими предметами, не зная, что происходит в других областях науки».

Барроу считает, что вопрос о противоречиях между наукой и религией следует формулировать гораздо более точно:

«Тем, кто интересуется взаимодействием науки и религии, нужно усвоить, в частности, что сначала надо определить, о какой именно науке идет речь, – потому что взаимодействие может быть очень разным.

Космология и фундаментальная физика имеют дело со всеми этими великими вопросами, на которые заведомо не будет ответов. Там все привыкли к неопределенности, к незнанию и, до некоторой степени, к пониманию причин такого незнания. Те, кто работает в лаборатории, физики или биологи вроде Докинза, не привыкли к такой ситуации. Они считают, что любую задачу можно решить, если залезть в нее достаточно глубоко».

Не то чтобы Барроу пытался принизить то, чем они занимаются:

«Все думают, что самые сложные задачи у тех, кто изучает Вселенную. Ничего подобного. Например, понять, как работает мозг, гораздо труднее. Он гораздо сложнее. В космологии все происходит медленно, и для понимания есть удобные приближения. Можно взять простое симметричное решение и обрабатывать его, итерацию за итерацией. С человеческим обществом такого не сделаешь. Там вообще нет простых моделей».

Однако Барроу считает, что у той области науки, в которой работает он, есть явные отличия:

«В фундаментальной физике и космологии заранее известно, что некоторые задачи решить нельзя. Почему вообще существуют законы природы? Вопрос о числе измерений пространства и времени. Вопрос о существовании множественных вселенных. Была ли изначальная сингулярность? Бесконечна ли Вселенная? Можно придумать массу вопросов, на которые никто никогда не даст ответа. И это создает сложность другого рода».

Барроу получил Темплтоновскую премию именно за работу, в которой он выделил неустранимые ограничения научного исследования. Существует все усиливающаяся тенденция считать, что наука в конце концов сумеет заполнить все пробелы в знании, и Барроу прилагает все усилия, чтобы несколько охладить такую веру в могущество всезнающей науки:

«Вселенная устроена не ради нашего удобства. Она не есть упражнение в философии науки. Мы действительно не можем познать все это – и с этим ничего не поделаешь. Собственно говоря, мне казалось бы крайне подозрительным, если бы наши методы позволяли найти ответы на все эти фундаментальные вопросы. По-моему, такая ситуация была бы антикоперниканской. Поэтому то, что мы не можем решить некоторые задачи или не можем получить нужные нам данные, кажется мне коперниканским аспектом положения вещей».

Черные лебеди, искажения и конец задачника

По мнению Барроу, мы должны признать, что наше видение Вселенной чрезвычайно сильно искажено:

«Астрономия по большей части основана на наблюдении объектов, которые светятся в темноте, – звезд удаленных галактик, так называемой светящейся материи. Обычное вещество, из которого состоим мы и светящиеся звезды, составляет всего 5 % Вселенной. Светящаяся материя дает довольно необъективную картину. Она рассказывает о тех местах Вселенной, в которых плотность вещества настолько высока, что могут возникнуть ядерные реакции, вызывающие свечение».

В некоторой степени это относится и ко всей науке в целом. Наше видение Вселенной искажено в пользу того, что воздействует на наши органы чувств. Того, что на них не воздействует, мы просто не замечаем.

«Если бы мы жили на планете, постоянно покрытой облачностью, – скажем, на планете Манчестер, – у нас не было бы никакой астрономии. Зато мы могли бы много чего узнать о метеорологии».

Барроу считает, что космология очень сильно отличается от других наук – например от физики или гуманитарных дисциплин – и именно в этом может быть основная причина ее тесной связи с богословием.

«С точки зрения космолога, одно из отличий состоит в том, что ученые-естественники привыкли ставить опыты, проверять теории. Со Вселенной опыта не поставишь. Ее приходится принимать такой, какая она есть».

Многие современные ученые соглашаются с философским тезисом Карла Поппера о невозможности доказательства справедливости научной теории. Можно только попытаться опровергнуть такую теорию. Предположим, что все лебеди белые. Доказать это невозможно. Можно только опровергнуть эту теорию, обнаружив черного лебедя. Согласно взглядам, изложенным в книге Поппера, никакая теория, которая в принципе не может быть опровергнута, не может быть научной. Значит ли это, что из невозможности экспериментов в космологии следует, что целые ее разделы ненаучны? Барроу не собирается так быстро сдаваться:

«Философия науки, предлагаемая Поппером, невероятно наивна. Она неприменима к астрономии, так как, когда мы делаем наблюдения, мы не знаем, корректно ли они произведены. Поэтому предсказания могут быть опровергнуты просто потому, что кто-то ошибся в своем эксперименте. Или, что еще более вероятно, потому что в методе сбора данных содержались какие-то искажения».

Существование черных лебедей должно быть довольно сокрушительным ударом по теории, утверждающей, что все лебеди белые. Однако в менее прямолинейных случаях может быть гораздо менее очевидно, содержится ли ошибка в теории или в экспериментальных данных, и потому чересчур поспешно отбрасывать теории не следует. Может быть, этот лебедь извалялся в угольной пыли как раз перед тем, как мы его увидели.

Барроу считает, что у космологии могут быть свои черные лебеди:

«Ключевым моментом в разрешении всех этих фундаментальных вопросов, когда все действительно может измениться так, как у нас с нашими размышлениями никогда не получится, мог бы быть контакт с какой-нибудь высокоразвитой внеземной цивилизацией, развивавшейся независимо от нас, чтобы можно было узнать, что они думают о некоторых из этих вопросов. Используют ли они те же математические методы? Устроена ли их физика так же, как наша? Можем ли мы понять их определение фундаментальных констант? Что они думают об этих основных вопросах? Вот это был бы момент чрезвычайной важности – и именно в этом заключается главная причина, по которой с инопланетянами следует вступать в контакт».

Я думал, что возможность такого контакта, в котором можно получить от более развитой цивилизации ответы на главные вопросы, должна радовать Барроу. Но он меня удивил:

– С точки зрения науки это было бы катастрофой. Если бы мы вступили в контакт с высокоразвитой цивилизацией, которая дала бы ответы на все вопросы, которые мы когда-либо задавали, мы просто вышли бы из игры. Никакого смысла заниматься наукой после этого не останется. Это все равно что заглянуть в конец задачника и прочитать там все ответы.

– И вы бы так не сделали?

– По-моему, это была бы катастрофа.

Так же, как Мелисса Франклин, работающая в области физики элементарных частиц, отказалась нажимать на кнопку, дающую полное знание, на нашем втором «рубеже», Барроу не хочет подсматривать ответы в конце учебника. Однако в отличие от Франклин Барроу уверен, что существуют вопросы, на которые никогда не сможет ответить даже самая высокоразвитая цивилизация. Эти страницы в конце задачника навечно останутся пустыми.

«Плохая новость заключается в том, что в космологии есть неизвестное неизвестное – то, чего мы никогда не сможем познать, даже если мы и подозреваем, что можем знать о его существовании».

Проблема выбора

Многие полагают, что знание о существовании непознаваемых вопросов должно делать человека агностиком. Поэтому мне было интересно узнать мнение Барроу о вопросе существования Бога. Кто он – агностик? Атеист?

– На самом деле христианин.

Этого я не ожидал. Я много раз слышал выступления Барроу, прочел многие его книги, но в отличие от Полкинхорна (при виде которого сразу бросается в глаза его пасторский воротник) он не афиширует свой выбор. Хотя я, наверное, тоже делаю такой выбор, когда заявляю о своем атеизме. Я не считаю, что отказ от определенной позиции – единственная логическая реакция на существование неразрешимых вопросов.

Наша вера в возможные ответы на неразрешимые вопросы может влиять на наше поведение. Возьмем, например, проблему бесконечности Вселенной. Вполне возможно, что мы никогда не сможем найти ее решение. Значит ли это, что по данному вопросу следует занимать агностическую позицию?

Существует мнение, что тут было бы разумно использовать логику пари Паскаля. Если Вселенная бесконечна, мы (вероятно) никогда об этом не узнаем. Но если Вселенная конечна, то существует вероятность, что мы когда-нибудь узнаем об этом. А раз так, не лучше ли верить в конечность Вселенной? В конце концов, если Вселенная бесконечна, то ошибочность этой веры никогда не сможет быть доказана, а в противном случае могут появиться доказательства ее правоты.

Но что, если бесконечная Вселенная создает более интересные условия для жизни? Из идеи бесконечной Вселенной можно вывести некоторые довольно захватывающие следствия. Одно из них состоит в существовании бесконечного числа вас, читателя этой книги. Психологический эффект этого вывода из веры в бесконечность Вселенной может повлиять на вашу жизнь самым решительным образом.

Мне кажется, что именно поэтому я отвергаю исходную формулировку пари Паскаля о существовании Бога (или, выражаясь современным языком, сверхъестественного разума, создавшего Вселенную) и выбираю атеизм. В конечном счете этот выбор определяет мой образ жизни. Я не спорю с тем, что я, возможно, никогда не узнаю ответа на этот вопрос, но допущение такого безудержного полета воображения в реальность моей жизни означало бы возникновение слишком многих других фантастических возможностей. Это противоречит моей природной склонности к поиску наилучших объяснений. Вера в существование множественных вселенных означает создание многих экземпляров того же самого с небольшими вариациями. Возможно, это не самое лучшее объяснение, но оно лучше всех прочих.

Почему может существовать бесконечное множество экземпляров вас, читающего эту книгу

Это рассуждение основано на нескольких допущениях. Первое из них происходит из квантовой физики: предположим, что все во Вселенной квантуется. Это означает, что в конечной области пространства существует лишь конечное число точек и они могут принимать лишь конечное число разных значений.

Упрощенная версия такой вселенной похожа на бесконечную шахматную доску, каждая клетка которой может быть либо черной, либо белой. Выделим некий участок этой шахматной доски, представляющий все разнообразие жизни – в том числе и вас, читатель. Предположим, например, что это участок размером 10 × 10 клеток, которые образуют определенный черно-белый рисунок.

В одной из моделей бесконечной вселенной за пределами такого участка размером 10 × 10 все покрыто черным цветом. Как пустота. Поэтому нам нужно какое-нибудь другое предположение. Оно состоит в том, что любые другие распределения клеток могут возникнуть с равной вероятностью. Ни один из рисунков не имеет преимуществ перед другими. Поскольку число возможных рисунков конечно, а число участков размером 10 × 10 во вселенной бесконечно, то, если наш рисунок встречается конечное число раз, должен существовать другой рисунок, встречающийся бесконечное число раз и, следовательно, бесконечно более вероятный, чем наш, – что противоречит нашей второй предпосылке. Следовательно, наш рисунок должен бесконечно повторяться во вселенной такой шахматной доски.

Можем ли мы знать, чего именно мы знать не можем?

Покидая кабинет Барроу, я чувствовал себя довольно подавленно. Я искал то, чего мы не можем знать, но теперь я начал сомневаться, можем ли мы вообще знать хоть что-нибудь. Пока я ехал домой, одно предложение из книги Барроу продолжало звучать в моих ушах: «Идея невозможного включает для многих сигнал тревоги. Любое предположение, что человеческое понимание Вселенной и научный прогресс могут быть чем-то ограничены, является для некоторых опасным мемом, подрывающим веру в могущество науки в целом».

Если вернуться к «рубежам», которые мы рассмотрели раньше, ничто в них не кажется таким же неразрешимым, как вопрос о конечности или бесконечности Вселенной. Теория хаоса утверждает, что будущее непознаваемо, но мы можем подождать, пока это будущее не станет настоящим, и познать его. Деля на части игральную кость, можно дойти до того уровня, на котором пространство оказывается квантованным, так что до неделимого возможно дойти всего лишь за конечное число шагов. Конечно, продвижение по этой лестнице, ведущей вниз, может оказаться практически невозможным, но эта задача не является принципиально неразрешимой. А принцип неопределенности Гейзенберга не столько не позволяет нам получать ответы, сколько заставляет задуматься, правильно ли сформулированы наши вопросы. Проблема не в том, что мы не можем одновременно знать положение и импульс; открытие заключается в том, что задавать этот вопрос вообще бессмысленно.

Однако вопрос о бесконечности Вселенной не кажется неверно сформулированным. Либо Вселенная бесконечна, либо нет. Если она бесконечна, то с учетом того, что мы узнали о том космическом горизонте, за пределами которого мы ничего не можем знать, действительно трудная задача состоит в том, чтобы придумать способ узнать об этом.

Но тут меня посетило озарение. Возможно, вопрос о бесконечности Вселенной не столь непознаваем, как кажется. Не могут ли существовать менее прямые методы, которые могли бы привести нас к заключению о том, что Вселенная бесконечна? Ответ может находиться в моей собственной области. Математика была до сих пор чрезвычайно мощным телескопом для исследования Вселенной. Нельзя ли показать, что предположение о конечности Вселенной приводит к математическому противоречию с известными законами физики? Тогда нам пришлось бы заключить, что Вселенная бесконечна – или что наши законы физики неверны. В конце концов, именно так мы открыли иррациональные числа, десятичное разложение которых продолжается бесконечно и никогда не повторяется.

В этом и состоит могущество математики: она позволяет конечному мозгу познать бесконечное. Пифагорейцы показали, что длина диагонали единичного квадрата выражается числом, которое нельзя записать в виде отношения целых чисел. Такая длина может существовать, только если существуют числа, которые могут быть выражены лишь бесконечной и не повторяющейся десятичной дробью. Может быть, существование бесконечной Вселенной тоже когда-нибудь будет доказано при помощи того же средства, которое помогло нам открыть иррациональные числа, – доказательства от противного.

Возможно, истинный вывод состоит в том, что мы не можем знать, что такое «то, чего мы знать не можем», потому что предугадать появление новых идей, которые смогут перетянуть неизвестное в известное, чрезвычайно трудно. Так, вопреки заявлению Конта, мы смогли выяснить, из чего сделаны звезды.

Хотя та Вселенная, которую я когда-либо смогу увидеть или исследовать, так же конечна, как бумажная модель, стоящая у меня на столе, возможно, нам не следует слишком быстро поддаваться искушению непознаваемого. Может быть, математические телескопы разума однажды позволят нам пробить бумажный свод и узнать, действительно ли он окружен бесконечным пространством космоса.

Рубеж пятый: Наручные часы

9

Если для нас слово «вчера» означает то же, что и слово «завтра», мы, следовательно, временем не владеем.

Салман Рушди. Дети полуночи[84]

Сейчас 8:50… приблизительно… если верить моим часам. Хилое февральское солнце пытается забраться на крыши домов напротив. Радио включено, кофе готов. Начинается новый день. Но ритм «Золушки» Прокофьева, вибрирующий в динамиках радио, служит мне тревожным напоминанием о том, что время не ждет. Часы бьют полночь, и Золушка знает, что ее время на балу истекло. А я сижу и теряю время в интернете. Я только что ввел дату своего рождения в программу Wolfram Alpha, и она сообщила мне, что я живу уже 18 075 дней. Но, когда я спросил ее, сколько еще дней мне осталось, она не поняла вопроса. Ну и ладно. Не уверен, что я хочу знать, сколько кругов еще опишут стрелки моих часов, прежде чем под ними перестанет биться мой пульс.

Когда я был моложе, я думал, что можно узнать все. Нужно только достаточно времени. Но с течением лет я начинаю понимать, что времени не хватает. Юношеское ощущение бесконечности превращается в осознание ограниченности, свойственное среднему возрасту. Возможно, я не смогу познать все. Но это мое личное ограничение, к которому мы вернемся на следующем «рубеже». Есть ли надежда, что человечество в целом сможет познать все? Или же всем нам вместе тоже не хватит времени? Кончится ли время совсем? Может быть, мы никогда не узнаем, бесконечно ли пространство. Но время-то? По-моему, всем нам кажется, что время, вероятно, будет продолжаться вечно. Если в моих часах вовремя менять батарейки, они так и будут тикать. Но, когда дело доходит до другого конца, уверенности убавляется: было ли у времени начало или же оно существовало всегда?

Пусть мы не можем заглянуть в будущее и предсказать, что в нем случится, но прошлое-то уже произошло. Так нельзя ли посмотреть назад и узнать, уходит ли время в прошлое бесконечно или же у него есть начало? В нашей нынешней модели Вселенной такое начало есть. Отследив расширение Вселенной в обратном направлении, мы приходим к моменту, который называем Большим взрывом, сингулярности, возникшей 13,8 миллиарда лет назад, в которой плотность пространства была бесконечно высокой. Но что было до Большого взрыва? Закрыт ли этот период для научного исследования? Или же в современном состоянии Вселенной есть какие-то признаки, по которым можно понять, что происходило в ней до ее начала?

Природа времени беспокоила многие поколения философов и естествоиспытателей, потому что с попытками понимания этой ускользающей концепции связана задача понимания того, почему вообще существует что бы то ни было. Говорить о моменте сотворения мира значит говорить о некотором моменте времени.

Несомненно, для многих Большой взрыв означает начало всего. Даже те, кто склоняется к религиозным верованиям, часто признают Большой взрыв моментом создания Вселенной. Но в любом случае мы вынуждены задуматься над вопросом о том, что происходило до Большого взрыва.

Должен признать, что мне нравился дежурный ответ, который я часто слышал на протяжении многих лет в беседах с друзьями-математиками, занимающимися космологией. Разговор о «до» предполагает, что концепция времени существовала и до Большого взрыва. Учитывая откровения теории относительности Эйнштейна – что время и пространство неразрывно связаны между собой, – можно предположить, что время существует только после образования пространства. Но, если время, как и пространство, появилось только в Большом взрыве, понятие о времени «до» Большого взрыва становится бессмысленным.

Однако в кулуарах космологии слышен ропот. Возможно, время нельзя с такой легкостью упаковать в математические формулы. Возможно, вопрос о том, что происходило до Большого взрыва, не следует так быстро сбрасывать со счетов. Но попытки распутать загадки времени приводят к столкновению с чрезвычайно заумными идеями.

Глядя на свои часы, я не вижу движения стрелок, но, если я отвернусь и снова посмотрю на них через некоторое время, окажется, что стрелки сдвинулись. Сейчас вот на часах уже 9:15… или около того. Маленькие шестеренки, находящиеся внутри часов, приводятся в действие маленьким электромотором, которым, в свою очередь, управляют поступающие раз в секунду импульсы, порожденные колебаниями маленького кристалла кварца. Батарейка, установленная в часах, создает на этом кристалле напряжение, которое заставляет его колебаться, как колокол, с частотой, настроенной на 32 768 колебаний в секунду. Это число выбрано из-за своих математических свойств. Оно равно двум в пятнадцатой степени. Цифровые технологии любят число два, потому что вычислительная схема может быстро преобразовать эту частоту в механические импульсы, каждую секунду приводящие шестеренки в движение. Что важно, на эту частоту мало влияют температура и влажность окружающей среды, а также высота над уровнем моря (которые сказываются, например, на работе маятника). И именно эти колебания, это повторяющееся движение является ключевым элементом измерения течения времени. Но достаточно ли этого для описания идеи времени?

Часы, тикающие на моем запястье, лишают меня повода и дальше оттягивать момент, в который надо будет взяться за дело. Итак,

Что такое время?

Попытки определить время чаще всего быстро наталкиваются на препятствия, создающие порочный круг. Это то, что измеряют мои часы… Это то, что не позволяет всему происходить одновременно… Блаженный Августин, богослов, живший в IV в., так сформулировал это затруднение в своей «Исповеди»: «Что же такое время? Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю, что такое время; если бы я захотел объяснить спрашивающему – нет, не знаю»[85].

Измерение времени, по сути, очень математический процесс. Он основывается на выявлении повторяющихся явлений, явлений, имеющих закономерности, таких как движение планет, или смена времен года, или движение маятника, или пульсация атома. Как сказал австрийский физик XIX в. Эрнст Мах, «время есть абстракция, к которой мы приходим через посредство изменения вещей».

Считается, что свидетельства первых попыток человека следить за временем находятся в пещерах Ласко. Эти пещеры, возраст которых равен 15 000 лет, были открыты в 1940 г. четырьмя французскими школьниками: их пес по имени Робо нашел в земле дыру, ведущую в пещеры. Пещеры знамениты необыкновенной живописью эпохи палеолита, изображающей животных, бегущих по их стенам, – бизонов, лошадей, оленей и туров.

Мне удалось побывать в этих пещерах, но в связи с хрупкостью рисунков, сделанных 15 000 лет назад, я смог попасть только в копию пещеры, сделанную рядом с настоящей. Их атмосфера все равно производит большое впечатление; в древних изображениях уловлена захватывающая энергия. Но их автор изображает не только животных. На рисунках также имеются странные узоры из точек, которые, по мнению некоторых археологов, являются свидетельством попыток измерения времени древним человеком.

Одну из таких групп точек обычно считают изображением звездного скопления Плеяды. Появление этого скопления в ночном небе отмечало во многих древних культурах начало года. Проходя по пещере, я подошел к последовательности из тринадцати точек, на одном конце которой нарисован прямоугольник. Выше прямоугольника находится огромное изображение оленя в период гона. Дальше по стене есть серия из 26 точек, в конце которой нарисована огромная стельная корова.

Некоторые археологи считают, что эти точки отмечают четверти лунного цикла, которые впоследствии превратились в семидневные недели. Такие четвертичные фазы Луны легко увидеть в ночном небе. В таком случае 13 четвертей Луны соответствуют четверти года, или сезону. Если отсчитать четверть года от момента появления Плеяд, получим время гона быков, в которое на них легче охотиться.

Тогда 26 точек можно истолковать как два набора по 13 точек, соответствующие двум сезонам, или половине года. Так мы получаем время года, в которое самки бизона беременны и опять же более уязвимы для охотников. Рисунки на стенах пещеры могли быть учебным пособием для молодых охотников, календарем, который говорил им, на какого зверя следует охотиться в той или иной точке годового цикла. Это раннее свидетельство измерения времени основывается на выявлении повторяющихся закономерностей. Обнаружение повторяющихся закономерностей так и осталось ключевым элементом понимания природы времени.

Циклы Солнца, Луны и звезд определяли наши методы измерения времени до 1967 г. То, как мы разделяем сутки на части, не было связано ничем в природных циклах. Сутками, разделенными на 24 единицы времени, каждая из которых делится еще на 60 частей, мы обязаны скорее математическим предпочтениям древних вавилонян и египтян. Выбор чисел 24 и 60 был основан на их высокой делимости. Наполеон попытался было сделать время десятичным, введя десятичасовые сутки, но именно в этом, практически единственном, случае ему не удалось заставить весь мир считать на десяти пальцах.

До 1967 г. секунда, основная единица измерения времени, определялась по-разному и была привязана ко времени оборота Земли вокруг собственной оси или обращения Земли вокруг Солнца. Ни та ни другая величина не постоянна с точки зрения современной концепции времени. Например, 600 миллионов лет назад Земля обращалась вокруг своей оси за 22 часа, а ее оборот вокруг Солнца занимал 400 суток. Но морские приливы обладают странной способностью передачи энергии вращения Земли Луне, в результате чего вращение Земли замедляется, а Луна постепенно удаляется от нас. Похожий эффект приводит и к увеличению расстояния между Землей и Солнцем, вызывающим изменение длительности орбитального периода Земли.

Учитывая такое непостоянство движения планет, начиная с 1967 г. метрологи стали ориентироваться для измерения времени не вовне, во Вселенную, а внутрь атома. Согласно современному определению,

секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 К.

Так сразу и не выговоришь. А видели бы вы часы, которые производят эти измерения. Я видел в Национальной физической лаборатории в юго-западном пригороде Лондона атомные часы, которые определяют, когда следует отбивать очередной час Биг-Бену и сигналам точного времени, передаваемым по радио. Они огромны. На руку точно не наденешь. В этих часах установлены шесть лазеров, которые захватывают атомы цезия и подбрасывают их вверх, в микроволновую камеру. Когда атомы в этом так называемом цезиевом фонтане падают вниз под действием гравитации, их облучают микроволнами, в результате чего они испускают излучение, частоты которого и используют для определения секунды.

Такие атомные часы, работающие в государственных лабораториях по всему миру, – одни из самых замечательных измерительных приборов, созданных человеком. Регулярность и универсальность поведения атомов такова, что если поставить рядом двое атомных часов, то через 138 миллионов лет их показания разойдутся не более чем на одну секунду. Измерения, производимые этими часами, – одни из самых точных среди всех, выполняемых человеком. Так что, вероятно, мы можем сказать, что знаем время. Проблема только в том, что время оказывается не столь постоянным, как мы надеялись. Как показало знаменитое открытие, сделанное в начале XX в. Эйнштейном, если двое часов движутся друг относительно друга, они вскоре начинают рассказывать о времени совершенно разные вещи.

Фонари на поездах

Ньютон считал, что время и пространство – это абсолютные величины, относительно которых мы можем измерять свое движение. В своих «Началах» он выразил эту позицию следующим образом: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, безо всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно».

Для Ньютона пространство и время были фоном, на котором природа разыгрывает свою пьесу. Пространство было сценой, на которой пьеса исполняется, а время отмечало развитие ее сюжета. Он считал, что, если поместить однажды сверенные часы в разные концы Вселенной, они будут продолжать показывать одинаковое время, в каких бы ее точках они ни находились. Но его убеждения разделяли не все. Заклятый соперник Ньютона Готфрид Лейбниц полагал, что время существует только в качестве относительной концепции.

В конце концов открытие, совершенное в 1887 г. американскими учеными Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли, разрешило этот спор в пользу Лейбница. Они выяснили, что результаты измерения скорости света в вакууме остаются неизменными независимо от того, движемся мы к источнику света или от него. Это откровение стало тем зародышем, из которого выросло открытие Эйнштейна: время оказалось не вполне таким абсолютным, каким считал его Ньютон.

На первый взгляд тот факт, что скорость света остается одинаковой при любом движении относительно источника света, кажется противоречащим здравому смыслу. Рассмотрим обращение Земли вокруг Солнца. Измеряя скорость света, идущего от удаленной звезды, можно было бы ожидать, что она будет выше, когда мы движемся по направлению к этой звезде, чем когда мы удаляемся от источника света.

Из ньютоновской физики следует, что человек, бегущий со скоростью 10 км/ч по поезду, идущему со скоростью 90 км/ч, движется относительно наблюдателя, стоящего на платформе, с суммарной скоростью 100 км/ч. Почему то же самое неверно для света, испускаемого фонарем, установленным на поезде? Почему скорость этого света, измеренная с платформы, не будет выше на 90 км/ч? Выясняется, что Ньютон был неправ и насчет скорости света, и насчет скорости бегуна, измеренных относительно человека, стоящего на платформе. Их скорости нельзя просто складывать со скоростью поезда. Это вычисление оказывается более тонким.

Именно пытаясь понять, почему скорость света остается неизменной, Эйнштейн совершил в 1905 г. революционное открытие, изменившее наши взгляды на Вселенную. Он выяснил, что время и пространство не абсолютны, что они изменяются в зависимости от относительного движения наблюдателя. Как известно, в то время Эйнштейн работал в швейцарском патентном бюро, оценивая новые изобретения в самых разных областях, от сортировки гравия до электрических пишущих машинок. Помимо всего прочего он должен был оценивать электрические устройства для синхронизации времени – эта задача становилась особенно важной во все более взаимосвязанном мире. Именно эта, кажущаяся такой приземленной, работа породила тот мысленный эксперимент, который привел Эйнштейна к созданию специальной теории относительности.

Релятивистская формула сложения скоростей

Эйнштейн открыл, что кажущаяся скорость s пассажира, бегущего со скоростью u по поезду, идущему со скоростью v, вычисляется по формуле:

где c – скорость света. Если скорости u и v малы по сравнению с c, то член uv/c2 очень мал. Это означает, что скорость s приблизительно равна сумме u + v. Однако, когда скорости u и v становятся сравнимы со скоростью света, такое приближение перестает работать и формула дает другой результат. При этом формула устроена так, что результирующая скорость никогда не может быть больше скорости света.

Замедление времени

Для объяснения новых идей времени, предложенных Эйнштейном, мне нужны часы. А часам нужно что-то, повторяющееся через регулярные интервалы. Я мог бы использовать атомные часы из Национальной физической лаборатории или просто свои наручные часы, но на самом деле лучшие часы для демонстрации того странного воздействия, которое относительное движение оказывает на время, – это свет. Я собираюсь использовать тот открытый Майкельсоном и Морли факт, что скорость света, по-видимому, не зависит от движения того, кто ее измеряет.

Поэтому давайте рассмотрим время, измеряемое устройством, в котором каждый такт соответствует отражению света от одного из двух зеркал, между которыми он заключен.

Одни такие часы я возьму с собой на космический корабль, а вторые оставлю с вами на Земле. Поскольку расстояния в космосе, как мы увидим, сокращаются в направлении движения, мои часы надо расположить так, чтобы свет распространялся перпендикулярно курсу корабля. Так мы обеспечим равенство расстояний между двумя зеркалами в обоих местах измерения. Доказательство того, что – с точки зрения наблюдателя, оставшегося на Земле, – часы на космическом корабле идут медленнее, чем часы на Земле, не потребует ничего более сложного, чем теорема Пифагора.

Прозрение Эйнштейна основано на том, что для человека, оставшегося на Земле, свет должен распространяться на космическом корабле с той же скоростью, что и на Земле. В этом и состоит важное открытие Майкельсона и Морли: скорость света всюду одинакова. То, что корабль движется, не может увеличить скорость света. Для определения скорости нужно измерить пройденное расстояние на время, затраченное на прохождение этого расстояния (относительно измерительных приборов, установленных на Земле). Посмотрим, какое расстояние свет, испущенный одним зеркалом часов на космическом корабле, проходит до их другого зеркала.

Пусть зеркала установлены в 4 м друг от друга. Предположим также, что за время прохождения света между зеркалами космический корабль переместился, с точки зрения наблюдателя на Земле, на 3 м. Таким образом, свет перемещается по гипотенузе прямоугольного треугольника, и пройденное им расстояние по теореме Пифагора равно 5 м. Это и вся математика, которая нужна, чтобы понять специальную теорию относительности Эйнштейна.

Из этого можно вычислить, что космический корабль движется относительно Земли со скоростью, равной 3/5 скорости света, – он проходит 3 м за время, необходимое свету для перемещения на 5 м.

Часы космического корабля смещаются на 3 м за время прохождения света между зеркалами, установленными на расстоянии 4 м друг от друга. Согласно теореме Пифагора, это означает, что свет проходит расстояние, равное 5 м

Ключевой момент состоит в том, что на Земле свет должен пройти то же расстояние, так как скорость света везде должна быть одинаковой. Часы, оставшиеся с вами на Земле, имеют те же размеры, и свет в них должен покрыть то же расстояние, то есть 5 м. Но зеркала установлены в 4 м друг от друга. Это значит, что свет отразится от верхнего зеркала, снова будет направлен вниз и пройдет четверть расстояния второго такта. То есть для человека на Земле время идет быстрее, потому что один такт часов на космическом корабле занимает такое же время, как 1¼ такта часов на Земле. Значит, вам будет казаться, что мои часы идут в 4/5 раза медленнее!

Чтобы понять, почему так происходит, рассмотрим луч света, распространяющийся на космическом корабле и на Земле. Его скорость в часах на Земле и на корабле одна и та же.

Стоп-кадры, изображенные на следующей иллюстрации, показывают, где свет окажется в разные моменты. Поскольку свет на космическом корабле должен дополнительно пройти через пространство в направлении движения корабля, он не может переместиться в направлении противоположного зеркала часов корабля на такое же расстояние. Поэтому, с точки зрения наблюдателя, находящегося на Земле, свет в его часах достигает этого зеркала раньше, чем свет в часах корабля. Таким образом, часы, расположенные на Земле, «тикают» быстрее.

Точки обозначают положения каждого из лучей света в каждом стоп-кадре, определенные с Земли

Ну хорошо, допустим… и все-таки, когда я сравниваю часы со своей точки зрения, находясь на космическом корабле, происходит нечто, явно противоречащее здравому смыслу. Чтобы понять, почему случаются такие странные вещи, нужно обратиться к так называемому «принципу относительности». Он утверждает, что равномерное движение (т. е. движение без ускорения и изменений направления) невозможно отличить от неподвижного состояния. Принцип относительности не принадлежит Эйнштейну: он был изложен еще в «Началах» Ньютона, хотя честь его осознания, по-видимому, должна быть отдана Галилею. Он отражает то странное ощущение, которое может возникнуть, когда находишься в поезде, стоящем на станции рядом с другим поездом и начинающем движение относительно его. Пока не покажется платформа, невозможно сказать, какой из поездов движется (ускорение при этом должно быть таким плавным, чтобы его нельзя было ощутить).

В приложении к нашим часам, расположенным на космическом корабле и на Земле, принцип относительности приводит к довольно странным результатам. С точки зрения человека на космическом корабле, это Земля уносится от него со скоростью, равной 3/5 скорости света. Из того же анализа, который мы провели выше, следует, что медленнее идут не мои часы, а ваши, оставшиеся на Земле. Выходит, что концепция времени гораздо менее очевидна, чем подсказывает наш повседневный опыт.

Все это кажется странным почти до невероятия. Как может быть, что часы на космическом корабле идут медленнее, чем на Земле, и в то же время часы на Земле идут медленнее, чем на корабле? Но, как только мы получаем неоспоримое экспериментальное подтверждение того, что скорость света остается постоянной независимо от способа ее измерения, математика неизбежно приводит нас к такому выводу. В этом заключается одна из причин, по которым я так люблю математику. Она подобна кроличьей норе логики, упав в которую можно неожиданно попасть в Страну чудес.

С точки зрения наблюдателя, оставшегося на Земле, замедляется не только тиканье часов, установленных на космическом корабле. Все, что так или иначе связано с отсчетом времени, должно замедлиться. Человек, находящийся на корабле, не знает, что с его часами происходит нечто странное. Поэтому аналогичный эффект затрагивает все, что отмеряет время, будь то кристалл кварца, пульсирующий в наручных часах, музыка Прокофьева, транслируемая по корабельному радио, старение моего тела или нервная деятельность моего мозга. Находясь на борту космического корабля, я не могу понять, что там происходит нечто необычное, потому что все, что находится на борту корабля, «тикает» с одинаковой скоростью.

Но с точки зрения наблюдателя, находящегося на Земле, кажется, что мои часы отстают, Прокофьев звучит на басах в замедленном темпе, сам я старею медленнее, а мои нейроны срабатывают не так быстро, как обычно. Время и ощущение его течения относительны. Они основаны на сопоставлении. Если все замедляется или ускоряется в одинаковой степени, разницу заметить невозможно. На борту космического корабля все кажется нормальным. Необычно только то, что, если я взгляну на Землю, я увижу, что все происходящее вокруг вас замедлилось до черепашьей скорости.

Быстрее движешься – дольше живешь

Довольно яркий пример такой относительной разницы течения времени можно найти в странном случае мюонного распада, который мы встретили на втором «рубеже». Когда космические лучи сталкиваются с верхними слоями атмосферы, такое столкновение порождает ливень элементарных частиц, в том числе мюонов, которые представляют собой более тяжелый аналог электрона. Мюоны неустойчивы и быстро распадаются на более стабильные виды материи.

Ученые используют понятие периода полураспада. Он равен времени, за которое имеющееся количество мюонов уменьшается в два раза вследствие распада. Как мы обсуждали на третьем «рубеже», точный момент распада конкретной частицы остается тайной; предсказание этого события может быть только вероятностным, сродни броску игральной кости. Что касается мюонов, через 2,2 микросекунды в среднем половина этих частиц должна распасться.

Скорость их распада такова, что, учитывая то расстояние, которое они должны пролететь до поверхности Земли, лишь немногие из них должны быть способны проделать этот путь. Однако ученые зарегистрировали гораздо большее число мюонов, чем можно было ожидать. Объяснение заключается в том, что часы, установленные «на борту» мюона, идут медленнее, так как эти частицы перемещаются со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому период полураспада мюона, измеренный земными часами, и оказывается больше ожидаемого. Внутренние часы мюона идут медленнее, чем часы, находящиеся на Земле, и поэтому, так как в системе отсчета мюона проходит меньшее количество времени, те 2,2 микросекунды, за которые половина мюонов должна распасться, занимают гораздо больше времени, чем 2,2 микросекунды, измеренные часами на поверхности Земли.

Но как выглядит эта ситуация с точки зрения мюона? Его внутренние часы идут с нормальной скоростью, а вот часы, находящиеся на Земле, отстают. Так что же с его точки зрения позволяет достигать поверхности Земли большему, чем ожидалось, числу мюонов? Дело в том, что относительное перемещение объектов с большой скоростью влияет не только на время, но и на пространство. Оно также затрагивает пространство, расположенное между планетой и мюонами. Такое движение сжимает расстояния, и поэтому расстояние между верхними слоями атмосферы и поверхностью Земли с точки зрения мюона представляется гораздо меньшим, чем оно кажется нам. Поэтому мюон считает, что лететь ему не так далеко, в результате чего до цели долетает большее количество этих частиц.

Можно ли использовать эту стратегию для продления нашей конечной жизни? Могу ли я обмануть свой собственный период полураспада? Проблема состоит в том, что, как я уже объяснял, на моем стремительном космическом корабле одновременно замедляется все. Разгон до околосветовой скорости не позволит мне выжать из Вселенной никакого дополнительного времени, чтобы решить наконец те задачи, над которыми я работаю, потому что, хотя мое тело и будет стареть медленнее, срабатывание моих нейронов замедлится тоже. В соответствии с принципом относительности мне будет казаться, что сам я неподвижен, а стремительно движется все остальное.

Относительные псы

Согласно идеям, высказанным Эйнштейном в 1905 г., время, которое я вижу на своих часах, оказалось гораздо более текучим, чем мы предполагали. Абсолютный характер времени во Вселенной станет еще более сомнительным, если задуматься о том, что означает одновременность двух событий. Именно с этой проблемой столкнулся Эйнштейн, когда работал с патентами по синхронизации времени. Оказывается, такой вопрос просто не имеет смысла. Или по меньшей мере ответ на него зависит от системы отсчета.

Начнем со сцены из воображаемого фильма под названием «Относительные псы» – в честь Тарантино[86]. В разных концах поезда стоят два человека с одинаковыми пистолетами. Точно посередине между ними находится третий член банды. Поезд проезжает мимо станции. Эту сцену наблюдает стоящий на станции полицейский. Рассмотрим сначала, что происходит в поезде. С точки зрения бандитов, поезд можно считать неподвижным. Пистолеты стреляют. Обе пули попадают в человека, стоящего посередине, одновременно. Скорости пуль и расстояния, которые они должны пролететь, одинаковы, и, с точки зрения всех пассажиров поезда, оба стрелка нажимают на спуск в один и тот же момент. Более того, жертва видит две вспышки света, вырывающиеся из стволов в один и тот же момент – непосредственно перед тем, как в нее попадают пули.

А что происходит с точки зрения полицейского? Предположим, что жертва проезжает мимо полицейского в точности в тот момент, когда обе световые вспышки достигают жертвы, так что полицейский видит эти вспышки в тот же самый момент. Но тут у него возникают сомнения: какое расстояние прошел этот свет? Хотя сейчас оба пистолета находятся от него на одинаковом расстоянии, в момент выстрела пистолет, находящийся в голове поезда, был к нему ближе. Поэтому свет, вышедший из него, должен был пройти более короткое расстояние, чем свет, испущенный из хвоста поезда. А в таком случае, поскольку скорость света постоянна, если обе вспышки достигли цели в один и тот же момент, свет, пришедший из хвоста поезда, должен был выйти из пистолета раньше, чем другая вспышка вылетела из пистолета в голове поезда. Итак, полицейскому кажется, что стрелок, стоящий в хвосте поезда, выстрелил раньше. Но, если поместить еще одного полицейского на поезд, идущий в обратном направлении, ситуация будет обратной, и второй полицейский заключит, что первым должен был выстрелить пистолет, находящийся в голове поезда[87].

Так кто же выстрелил первым? С точки зрения полицейского, стоящего на платформе, – стрелок, находящийся в хвосте поезда, а с точки зрения полицейского, едущего на встречном поезде, – другой стрелок, находящийся в голове. Поэтому разговор о том, какой пистолет выстрелил первым, в абсолютном выражении смысла не имеет. Время принимает разные значения в разных системах отсчета. Оказывается, однако, что существует нечто, абсолютное для всех наблюдателей, но, чтобы его получить, необходимо объединить время и пространство.

Проблема состоит в том, что мы пытаемся измерить расстояние между двумя объектами, а оно изменяется в зависимости от нашего движения относительно этих двух точек. Точно так же изменяется и время, разделяющее два события. Но, если ввести новое определение расстояния, которое определяет расстояние во времени и в пространстве, можно получить нечто инвариантное, то есть независимое от измеряющего. Автор этой великой идеи – Герман Минковский, бывший некогда учителем Эйнштейна в Цюрихском политехникуме. Услышав об идеях Эйнштейна, он немедленно понял, что идеальной сценой для теории Эйнштейна должны быть те многомерные геометрии, которые открыл за полвека до того немецкий математик Бернхард Риман.

Для тех, кто любит разбираться в формулах: расстояние между событием, происходящим в точке с координатами (x1, y1, z1) в момент t1, и событием, происходящим в точке с координатами (x2, y2, z2) в момент t2, определяется выражением

Первые три члена этой формулы,

дают по теореме Пифагора обычное расстояние, измеренное в пространстве. Последний член – это тоже обычное измерение разницы во времени. Первым побуждением хочется сложить эти два расстояния. Хитрость идеи Минковского состояла в том, что второе из них нужно вычесть из первого. Тогда получается измерение совершенно иного типа, порождающее геометрию, не соответствующую привычным нам геометрическим законам, созданным древними греками. Она представляет Вселенную не в виде трехмерного пространства, развивающегося во времени, а в виде четырехмерного комплекса так называемого пространства-времени, каждая точка которого имеет четыре координаты (x, y, z, t) – три пространственные и одну временную. Минковский предложил этот новый геометрический способ представления Вселенной через два года после того, как Эйнштейн в 1905 г. обнародовал свою специальную теорию относительности.

Если эта формула не помогает вам понять, что происходит, не отчаивайтесь. Эйнштейн тоже сначала отнесся к тому, что казалось ему каким-то математическим фокусом, с изрядным подозрением. Однако четырехмерная геометрия Минковского позволяла создать новую карту Вселенной. Как заявил сам Минковский, «отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до уровня теней, и лишь некоторого рода соединение обоих должно еще сохранить самостоятельное существование».

А вот какова была реакция Эйнштейна на математическое оформление его идей: «С тех пор как за теорию относительности взялись математики, я сам перестал ее понимать». Но вскоре и он осознал, что этот язык лучше всего подходит для ориентации в этом странном новом мире, называемом пространством-временем.

Могущество измерения расстояний в пространстве-времени состоит в том, что если взять другого наблюдателя, движущегося относительно данных событий, то, хотя и время, и расстояние будут иметь для него другие значения, расстояние между событиями в пространстве-времени останется тем же. Ньютон, считавший, что должен существовать некий абсолютный фон, был прав. Ошибался он в том, что рассматривал время и пространство по отдельности. После Эйнштейна мы должны рассматривать их в совокупности. И именно такая смесь природы времени и пространства делает по-настоящему интересным вопрос о том, что было до Большого взрыва.

Начнем с того, что теперь мы должны по-другому рассматривать время. Вселенную следует считать комплексом пространства и времени, в котором понятия «до» и «после» столь же относительны, как утверждения о том, что одна точка находится перед другой в пространстве: все зависит от точки зрения наблюдателя. Это приводит в замешательство. Оба полицейских из нашего фильма считают, что в какой-то момент один из стрелков еще не нажал на спуск. Может быть, он может остановиться, обдумать свои действия и решить не стрелять – тогда преступление будет совершено только другим стрелком. Но погодите. Полицейский на платформе считает, что это решение может принять человек, находящийся в голове поезда. Но с точки зрения полицейского, едущего на встречном поезде, речь идет о стрелке в хвосте поезда. Значит ли это, что мы вообще никак не определяем будущее?

Обычно, когда я рисую график зависимости расстояния от времени, ось времени расположена горизонтально, а расстояние, пройденное, скажем, шаром, откладывается по вертикали. Но пространство-время не позволяет так четко разграничивать время и пространство. Представляя себе комплекс пространства-времени, важно удержаться от выделения в этом комплексе одного привилегированного направления, соответствующего времени, и трех других независимых направлений, существующих в пространстве. В таком пространстве-времени могут быть два направления, представляющие время. Выбор одного из них зависит от того, как наблюдатель перемещается в пространстве. В этом новом представлении время и пространство оказываются перемешаны друг с другом.

В вашей хронологии события А и В происходят одновременно, а событие С – после них. Однако, с моей точки зрения, В и С – одновременные события, а событие А произошло раньше них. Если между событиями А и С существует причинно-следственная связь, то в хронологии любого наблюдателя событие А всегда должно произойти перед С. Но если событие В не связано причинно-следственной связью ни с А, ни с С, то существуют хронологии, в которых В происходит перед А или же после С

Тут мои интуитивные представления о Вселенной подвергаются настоящему испытанию на прочность. Предположим, я стремительно улетаю от вас на космическом корабле. Если я соединю все события, одновременные, с моей точки зрения, в такой геометрии пространства-времени, прямыми линиями, они будут существенно отличаться от тех линий, которые проведете вы.

В языках хинди и урду есть слово kal, которое может значить как «вчера», так и «завтра»[88]. Эпиграфом к этой главе служит цитата из «Детей полуночи», в которой Салман Рушди шутит, что люди, называющие одним и тем же словом завтра и вчера, явно не владеют временем. Но может быть, они не так уж и неправы? Понятия «до» и «после» оказываются не настолько четко определенными, как предполагается в некоторых других языках.

И все же даже при таком смешении времени и пространства время остается качественно отличным от пространства. Информация не может распространяться быстрее скорости света. Причинность означает, что никто не может попасть в такую точку пространства-времени, в которой пуля поражает жертву раньше, чем был сделан выстрел. Существуют определенные ограничения возможностей построения хронологий в пространстве-времени. Однако интуитивные представления о пространстве и времени тут не помогут. Как неохотно признал Эйнштейн, в путешествии к пределам Вселенной и знания следует полагаться не на них, а на математику.

Форма времени

Точно так же как можно говорить о том, что пространство имеет форму, можно говорить и о том, что форму имеет пространство-время. Первый образ, возникающий в голове при мысли о времени, – это прямая линия, и мне лично очень трудно представить его иначе чем в виде прямой – конечной (и, следовательно, имеющей начало) или бесконечной. Но существуют и другие возможности. Поскольку время и пространство образуют четыре измерения, нам приходится говорить о формах, увидеть которые мы не в состоянии. Для их описания необходима математика. Но можно вообразить формы, представляющие части пространства-времени, которые помогут нам понять смысл вопроса: что происходило до Большого взрыва? Например, представим себе, что существует всего одно пространственное измерение и пространство-время двумерно. Это позволяет получить поверхность, которую можно увидеть, – нечто вроде резинового полотна, которое можно всячески изгибать и складывать разными интересными способами.

Я полагаю, что в представлении большинства модель двумерного пространства-времени должна быть плоским и бесконечным двумерным полотном, на котором время простирается вперед и назад до бесконечности, как и пространство, такое же одномерное и бесконечное. Однако, как мы выяснили на прошлом «рубеже», пространство может быть конечным. Например, пространство можно завернуть так, чтобы оно образовывало окружность, а потом растянуть эту окружность во втором измерении и получить пространство-время цилиндрической формы. Разумеется, концы цилиндра можно сомкнуть друг с другом – тогда образуется пространство-время в форме бублика или тора. Время в нем также будет конечно. В этой модели пространства-времени можно совершить полный круг и вернуться в некоторый уже прошедший момент истории. Логик Курт Гёдель предложил решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна, которые обладают этим свойством. Как я расскажу на последнем «рубеже», Гёдель вообще обожал такие логические повороты, идущие вразрез с привычными ожиданиями. Но кольца пространства-времени, предложенные Гёделем, обычно считают просто курьезом, потому что возвращение в прошлое создает слишком много противоречий, когда дело доходит до причинности.

Возможные формы двумерного пространства-времени

Чтобы получить более реалистичную картину пространства-времени, нужно создать геометрию, которая учитывала бы нашу современную модель истории Вселенной, предполагающую существование начальной точки – Большого взрыва. Чтобы увидеть такую точку в нашей двумерной пространственно-временной вселенной, мы можем свернуть пространство так, чтобы оно имело форму конуса. Тогда при обратном движении по оси времени вселенная, представляющая собой обычную окружность, постепенно сжимается, пока не сойдется в точку, соответствующую вершине конуса. Это и есть начало времени. До него ничего нет. Никакого пространства. Никакого времени. Только единственная точка бесконечной плотности. Такая модель хорошо описывает событие, очень похожее на наш Большой взрыв.

Однако, может быть, вместо пространства-времени, сжимающегося в точку, можно представить его в виде сферы, подобной поверхности Земли. Из такой модели вытекают свои следствия для ответа о том, что было до Большого взрыва. Если отправиться на юг вдоль меридиана, то в момент пересечения Южного полюса происходит скачок: по ту сторону полюса путешествие продолжается уже по другому меридиану. Но долгота – это просто число, которым мы обозначаем координаты на поверхности Земли. Никакого разрывного скачка в пространстве не происходит; изменяется только наше измерение этого пространства.

Так что если изменить координаты, то место, которое раньше выглядело точкой сингулярности, может оказаться вполне гладким. В этом состоит одна из идей о времени Хокинга. Попробуем придать пространству-времени такую форму, чтобы точка, в которой, как нам кажется, время останавливается, стала попросту Южным полюсом. В конце концов, как можно сказать, что находится к югу от Южного полюса? Этот вопрос попросту не имеет смысла.

Замечательно, что очень часто, когда возникает вопрос, на который мы никак не можем найти ответа, приходится признать, что сам вопрос был поставлен неправильно. Принцип неопределенности Гейзенберга на самом деле отражает не невозможность одновременного знания импульса и положения частицы – скорее невозможность их одновременного существования. Точно так же многие пытались показать, что дело не в том, что мы не можем знать ответа на вопрос «Что было до Большого взрыва?». Дело в том, что сам вопрос не имеет смысла. Понятие «до» подразумевает существование времени, но что, если время начало существовать только после Большого взрыва?

Пытаясь представить себе форму пространства-времени, начинаешь понимать, почему многие ученые отказываются рассматривать вопрос о понимании времени, предшествующего Большому взрыву, считая его бессмысленным. Но есть и другие формы, которые допускают существование истории времени до Большого взрыва. Например, конус мог не сойтись в точку и закончиться, а появиться из сжимающейся Вселенной, существовавшей до Большого взрыва. Чтобы действительно разобраться в истории времени, возвращаясь к моменту Большого взрыва, нужно понять, что происходит со временем, когда оно приближается к точке с увеличивающейся гравитацией. В этом состояло второе великое открытие Эйнштейна: он выяснил, что гравитация также оказывает влияние на ход часов, отмеряющих время.

Небоскребы опасны для вашего здоровья

Во второй раз Эйнштейн пошел на приступ природы времени, добавив к своему арсеналу гравитацию. Его общая теория относительности, созданная между 1907 и 1915 гг., описывает геометрическую природу гравитации. Гравитация на самом деле не сила, а свойство искривленности четырехмерного полотна пространства-времени. Луна обращается вокруг Земли, потому что масса Земли искажает форму пространства-времени так, что Луна попросту катается вокруг образовавшегося в этой области пространства-времени искривления. Сила тяжести – это иллюзия. Никакой силы там нет. Все объекты находятся в свободном падении сквозь геометрию пространства-времени, а то, что мы наблюдаем, есть кривизна этого пространства. Но, если массивные тела могут искажать форму пространства, они могут воздействовать и на время.

В этом состояло следующее прозрение Эйнштейна, основанное на принципе эквивалентности. Странные следствия специальной теории относительности были выведены из принципа относительности, который утверждает, что невозможно понять, движемся ли мы сами или же среда движется относительно нас. Эйнштейн применил сходный принцип эквивалентности к гравитации и ускорению.

Если вы будете плавать в невесомости внутри космического корабля, не имеющего иллюминаторов, а я помещу под этот корабль массивную планету, то вас притянет к полу. Так действует сила тяжести, то есть гравитация. Но, если вместо этого корабль начнет подниматься с ускорением, ваши ощущения будут точно такими же – вас снова притянет к полу. Эйнштейн предположил, что отличить один случай от другого невозможно: гравитация и ускорение оказывают одинаковое воздействие.

Особенно интересно применить этот принцип к фотонным часам на борту моего космического корабля. Предположим, что этот корабль имеет такую же высоту, как лондонский небоскреб «Осколок»[89]. Поставим одни фотонные часы внизу корабля, а вторые – в его верхней части. Пусть у каждых часов стоит по астронавту, которые будут помогать мне сравнивать ход этих часов.

Астронавт, находящийся внизу корабля, будет посылать верхнему астронавту световой импульс на каждом такте своих часов. Тогда верхний астронавт сможет сравнить получение таких импульсов с ходом своих часов. В отсутствие ускорения и гравитации приход импульсов и такты часов будут синхронизированы. Попробуем, однако, придать кораблю ускорение, направленное к его вершине. Световые импульсы начинают движение из нижней части корабля, и, поскольку корабль ускоряется, расстояние, которое должен пройти каждый следующий импульс, увеличивается, поэтому их прибытие в верхнюю часть корабля занимает все больше и больше времени и верхний астронавт получает такие импульсы все реже и реже. Это явление похоже на эффект Доплера, который мы наблюдаем в случае звука: движение от источника приводит к уменьшению частоты и звук становится более низким. Но в данном случае важно отметить, что космический корабль не летит с постоянной скоростью, а ускоряется.

Однако такое уменьшение частоты объясняется тем, что часы в нижней части корабля идут медленнее, чем часы на его вершине. Что будет, если поставить обратный эксперимент, в котором астронавт, находящийся в верхней части корабля, будет посылать импульсы вниз? Поскольку нижний астронавт ускоряется в сторону источника импульсов, он будет получать их с частотой, большей частоты, с которой он отправляет свои импульсы. Таким образом, он подтвердит, что его часы идут медленнее, чем часы, расположенные в верхней части корабля. Этим данная ситуация отличается от случая двух часов, движущихся друг относительно друга с постоянной скоростью, – тогда оба астронавта думали бы, что их часы идут быстрее.

Ускорение и гравитация производят один и тот же эффект – замедление часов в нижней части космического корабля «Осколок»

Из этого эксперимента можно получить интересный результат, если заменить ускорение на гравитацию. В соответствии с принципом эквивалентности Эйнштейна гравитация должна воздействовать на часы космического корабля точно так же, как ускорение. Поэтому, если у основания нашего космического корабля размером с небоскреб поместить крупную планету, эффект будет тем же, что и в случае космического полета с ускорением: в нижней части «Осколка» часы будут идти медленнее, чем на его вершине.

Поскольку старение тела тоже можно считать своего рода часами, из этого следует, что чем ближе мы находимся к центру Земли, тем медленнее мы стареем – тот, кто работает на вершине лондонского небоскреба «Осколок», стареет быстрее, чем тот, кто остается на первом этаже. Разумеется, на этом масштабе разница скоростей хода часов чрезвычайно мала, но она становится существенной, например, при сравнении скоростей хода атомных часов на поверхности Земли и на орбитальных спутниках. Разница в величине силы тяжести, воздействующей на такие часы, приводит к тому, что они идут с разной скоростью. Поскольку такие атомные часы жизненно важны для работы систем глобального позиционирования, для обеспечения точной работы таких систем важно учитывать подобное воздействие гравитации на время.

Асимметричные близнецы

Странное поведение времени в этом новом мире, открытом Эйнштейном, хорошо описывает одна классическая история. Речь в ней идет о двух однояйцовых близнецах, один из которых отправляется в космическое путешествие. Мне эта история особенно близка, потому что мои собственные дочери, Магали и Ина, – именно однояйцовые близнецы. Если Ина отправится в космическое путешествие на околосветовой скорости, а потом вернется на Землю, то, согласно физике относительности, хотя ей самой будет казаться, что она отсутствовала всего десять лет, часы ее сестры, оставшейся на Земле, уйдут далеко вперед, и Магали к моменту ее возвращения будет уже за восемьдесят.

Чтобы действительно понять асимметричную природу этой истории, нужно учесть сделанное Эйнштейном открытие относительно влияния гравитации и ускорения на время. Прежде всего Эйнштейн утверждает, что, когда Ина перемещается с постоянной скоростью, близкой к скорости света, ни одна из сестер не может определить, кто из них движется, а кто остается неподвижным. Ине кажется, что часы Магали отстают, а Магали считает, что медленнее идут часы Ины. Так почему же Ина возвращается более молодой? Почему возраст сестер оказывается разным?

Ина возвращается более молодой, ведь, чтобы достичь такой постоянной скорости, ей необходимо ускориться. Точно так же, когда она совершает разворот, она должна замедлиться, а затем ускориться в противоположном направлении. Это приводит к тому, что ее часы замедляются относительно часов ее сестры, оставшейся на Земле и не ускоряющейся. Эта-то асимметрия и приводит к тому, что Ина попадает в будущее Магали. Если бы оба близнеца улетели на космических кораблях в противоположных направлениях, их возраст остался бы одинаковым, а все те, кто остался на Земле, состарились бы быстрее их.

Общая теория относительности Эйнштейна показала, что массивные объекты притягивают не только пространство, но и время. Гравитация есть не что иное, как искривление пространственно-временной поверхности. Все, что обладает массой, искривляет такую поверхность. В качестве классической иллюстрации этого эффекта можно представить себе пространство-время в виде двумерной поверхности, а воздействующую на него массу – в виде шара, положенного на эту поверхность. Шар прогибает поверхность вниз, создавая яму. Действие гравитации можно уподобить скатыванию в эту яму.

Искажение пространства-времени оказывает интересное воздействие на свет. Свет распространяется по кратчайшему пути между двумя точками – это и есть определение «прямой» линии. Однако теперь речь идет о прямых в пространстве-времени, в котором расстояния определяются формулой Минковского, включающей в себя и пространственные, и временные координаты. Как это ни странно, оказывается, что определенное по формуле Минковского расстояние между двумя точками уменьшается, если свет преодолевает его за большее время.

Поэтому свет, стремящийся найти кратчайший путь между двумя точками пространства-времени, следует траектории, которая должна сбалансировать минимизацию проходимого им расстояния и максимизацию затраченного на это времени. При движении по траектории, на которой частица, по сути дела, находится в свободном падении, часы «на борту» этой частицы идут быстрее. Противодействуйте гравитации – и вы будете ускоряться, следовательно, замедлять ход ваших часов. Таким образом, теория Эйнштейна предсказывает, что наличие большой массы должно изгибать свет. Такое предсказание теории было в высшей степени неожиданным, но его можно было проверить на опыте, что чрезвычайно ценно для любой научной теории.

Убедительное доказательство существования такого искривления пространства-времени было получено в наблюдениях света удаленных звезд, которые британский астроном Артур Эддингтон провел во время солнечного затмения 1919 г. Теория предсказывала, что свет, идущий от удаленных звезд, должен искривляться в результате гравитационного воздействия Солнца. Затмение нужно было Эддингтону, чтобы сияние Солнца не мешало ему видеть звезды. Тот обнаруженный им факт, что свет действительно изгибается вокруг объектов большой массы, подтвердил, что кратчайший путь – не евклидова прямая линия, а кривая.

Мы сталкиваемся с тем же явлением на поверхности Земли. Самолет, летящий из Лондона в Нью-Йорк, следует не по прямой линии, как можно было бы ожидать, взглянув на карту мира, а по изогнутому пути, проходящему через Гренландию[90]. Эта изогнутая линия соответствует кратчайшему пути между двумя точками на поверхности Земли. Звездный свет также приходил в установленный на Земле телескоп Эддингтона по кратчайшему пути.

Эддингтон объявил о полученных экспериментальных результатах, подтверждающих теорию Эйнштейна, 6 ноября 1919 г. Уже через несколько дней это великое достижение попало в газетные заголовки по всему миру. «ТРИУМФ ТЕОРИИ ЭЙНШТЕЙНА! Звезды не там, где мы думаем, но беспокоиться не о чем», – объявила газета New York Times. Лондонская Times провозгласила «Переворот в науке». Сейчас мы уже привыкли видеть в газетных заголовках бозоны Хиггса или гравитационные волны, но это был, возможно, первый в истории случай такого широкого общественного признания научного достижения. Журналисты нарекли мало кому известного сорокалетнего Эйнштейна новым Ньютоном и прославили его на весь мир.

Если вам кажется, что все эти перекосы пространства и времени чересчур сложны для вашего разума, не отчаивайтесь. Вы попали в хорошую компанию. Когда Эддингтон объявил о своем открытии искривления света, один из его коллег пришел к нему с поздравлениями: «Вы, должно быть, один из всего лишь трех человек в мире, кто понимает теорию Эйнштейна». Когда Эддингтон замешкался с ответом, коллега подначил его: «Ну же, не скромничайте». «Да нет, – отвечал Эддингтон, – я просто пытался сообразить, кто этот третий».

Однако попытки понять, что происходит со временем по мере обратного движения в сторону Большого взрыва, стали бы испытанием даже для такого понимания теории Эйнштейна, какое было у Эддингтона.

10

Есть место, где время недвижимо. Капли дождя повисают в воздухе. Маятники часов замирают на мертвой точке. Собаки задирают морды с безгласным воем. Прохожие оцепеневают на пыльных улицах с вздернутой, как у марионетки, ногой. Запахи фиников, манго, кориандра, тмина взвесью стоят в воздухе.

Алан Лайтман. Сон Эйнштейна[91]

Мне нравится дизайн моих часов. Их циферблат – это простой коричневый квадрат, обрамленный круглым серебряным корпусом. Мне нравится симметричность их формы, и в то же время между квадратом и кругом существует некое напряжение. Часы у меня недорогие, и это хорошо – я часто теряю часы.

Предыдущие часы соскользнули с моей руки, когда я ходил на каяке по озеру рядом с ледником на горе Кука[92]. Я пытался спасти свои часы, но вода была настолько обжигающе холодной, что я не мог опустить в нее руку дольше чем на пару секунд. Хотя отмерить эти секунды мне теперь было нечем. Часы ушли под воду, и их механизм, наверное, заржавел и замерз; ледяные воды, стекающие с горы Кука, лишили их способности измерять время.

Если бы я хотел, чтобы мои нынешние часы перестали тикать, их можно было бы уронить в одну из математических сингулярностей, открытых в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна, – это остановило бы и самые прочные часы на свете. Но для исследования этих сингулярностей, известных под названием черных дыр, мне понадобился бы не каяк, а космический корабль.

Горизонты, за которые мы не можем заглянуть

Вселенная – такое интересное место, а не просто однородный слой материи, потому, что благодаря наличию гравитации одни атомы притягивают к себе другие. И, если все не приходит в состояние абсолютного равновесия, мы видим, как одни элементы материи движутся к другим элементам материи. Но самая интересная особенность гравитации состоит в том, что притяжение между частицами материи становится сильнее по мере того, как они приближаются друг к другу. Именно это притяжение приводит к возникновению звезд, подобных нашему Солнцу, но оно же создает и возможность более катастрофических событий в пространстве-времени.

Простейший атом, атом водорода, состоит из одного электрона и одного протона, удерживаемых вместе электромагнитным взаимодействием. Если взять два атома водорода, они будут притягиваться друг к другу силой гравитации. И, по мере того как атомы будут притягиваться все ближе и ближе друг к другу, они начнут сталкиваться. Если число атомов водорода увеличить, они будут сталкиваться все более энергично до тех пор, пока не перестанут отскакивать друг от друга и пока не возникнут условия, в которых станет возможен термоядерный синтез – и тогда у нас образуется звезда. Атомы водорода будут сливаться, образуя атомы гелия. В этом процессе выделяется энергия, рассеяние которой создает давление, направленное вовне. Именно от этой энергии зависит существование жизни на Земле. Звезда остается устойчивой и более не стремится коллапсировать, так как направленное вовнутрь гравитационное притяжение уравновешивается направленным вовне давлением энергии, выделяемой в реакции синтеза.

В какой-то момент весь водород будет использован. В некоторых звездах процесс синтеза продолжается и после этого: атомы гелия сливаются друг с другом, образуя другие элементы периодической системы. Многие из атомов, которые мы находим на Земле, – атомы железа, кислорода, даже углерода, необходимые для образования жизни, – образовались именно в этом непрерывном процессе слияния более легких атомов, происходящем в звездах. Но в конце концов звезда оказывается не в состоянии далее поддерживать синтез – все ее топливо уже израсходовано. И тогда гравитация снова одерживает верх, и по мере сжатия звезды в игру вступает квантовая физика. По мере того как мы заключаем частицы во все меньшее и меньшее пространство, мы все более и более точно можем определить их положение. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, такая определенность должна быть скомпенсирована все большей неопределенностью скоростей этих частиц. Направленное в противоположные стороны движение частиц, противодействующее гравитационному притяжению, приводит к существованию второго устойчивого состояния, известного под именем белого карлика.

Однако в 1930 г. индийский физик Субраманьян Чандрасекар понял, что не все тут так гладко. Пока Чандрасекар плыл на корабле из Индии в Англию, где он должен был приступить к работе в докторантуре в Кембридже, он осознал, что специальная теория относительности устанавливает предельную скорость, с которой могут двигаться такие частицы. Поэтому если масса звезды достаточно велика, то после достижения этого предела гравитация победит и звезда начнет стремительно сжиматься, образуя в пространстве область все увеличивающейся плотности. Из вычислений, которые он произвел на своем корабле, следовало, что такая судьба ждет любую звезду, масса которой превышает массу Солнца более чем в 1,4 раза. В результате такого катастрофического сжатия – коллапса – возникает сверхновая, в которой происходит образование тяжелых элементов, например золота и урана.

Пространство, окружающее такие точки высокой плотности, искривляется чрезвычайно сильно, настолько, что свет, заключенный внутри его, не может выбраться наружу. В качестве одной из иллюстраций, объясняющих, как может возникнуть такая ловушка, можно представить себе мяч, который подбрасывают в воздух. Если такой мяч бросить с поверхности Земли с достаточно большой скоростью, он сможет освободиться от гравитационного притяжения Земли. Скорость, с которой для этого нужно бросить мяч, называется скоростью убегания[93]. Но представим себе, что масса Земли постоянно увеличивается. Тогда увеличивается и скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения. Однако в какой-то момент масса Земли станет такой большой, что скорость убегания мяча должна будет превысить скорость света. Начиная с этого момента мяч оказывается в ловушке. Он не может улететь дальше некоторой точки, из которой Земля притянет его обратно.

Так обстояло дело в классической картине гравитации, существовавшей до Эйнштейна. В конце XVIII в. Лаплас и английский физик Джон Мичелл уже присматривались к идее о возможности уловления света массивными объектами. Однако из сделанного столетием позже открытия Майкельсона и Морли, которые выяснили, что свет в вакууме всегда распространяется с одной и той же скоростью, следовало, что свет ведет себя не так, как мяч. Гравитация не может замедлить свет, как предполагали Лаплас и Мичелл. Но если гравитация является результатом искривления пространства-времени в соответствии с концепцией Эйнштейна, то такое искривление может помешать распространению света. Согласно идее Эйнштейна, может существовать область пространства настолько искривленная, что даже свет (не имеющий массы, но тем не менее подверженный влиянию кривизны пространства) не сможет ее покинуть. Пространство искривлено там настолько, что свет не может пробиться наружу, но загибается в обратном направлении, внутрь области высокой плотности. В 1967 г. американский физик Джон Уилер нарек такие области причудливым именем «черных дыр». Ричарду Фейнману оно показалось непристойным: французское выражение trou noir вызывает совсем другие ассоциации. Однако название прижилось.

По мере удаления от центра сжавшейся звезды воздействие гравитации ослабляется. В результате возникает сферическая граница, в центре которой находится черная дыра, и такая сфера определяет рубеж невозврата: свет, находящийся за пределами этой сферы, может выйти наружу; но свет и любые другие объекты, попавшие внутрь такой границы, оказываются в ловушке, так как их скорость недостаточна для выхода за нее. Такую сферу называют горизонтом событий черной дыры, потому что наблюдатель, находящийся снаружи сферы, не может увидеть события, происходящие внутри ее.

Для того чтобы звезда сжалась до размера такой сферы, ее масса должна быть достаточно большой. Например, масса Земли слишком мала для образования черной дыры – для этого ей пришлось бы сжаться до сферы радиусом всего в 1 см. Солнце тоже недостаточно массивно: радиус его горизонта событий составлял бы всего 3 км. Но, если масса звезды превышает массу нашего Солнца в 1,4 раза, направленное вовнутрь гравитационное давление преодолевает любое порожденное импульсом заключенной в ней материи давление, направленное вовне, и такая звезда коллапсирует внутрь своего горизонта событий.

Черные дыры были предметом оживленных споров с тех самых пор, когда теоретическое предположение об их существовании было впервые высказано после публикации уравнений гравитации Эйнштейна в 1915 г. Некоторые считали, что сжимающиеся звезды могут каким-то образом избежать попадания в такие запретные области. Может быть, такая звезда отбросит лишнюю массу? Это, конечно, допустимо, но звезда, в 20 раз более тяжелая, чем Солнце, смогла бы избежать превращения в черную дыру, только отбросив 95 % своей массы, что не кажется вероятным. Тем не менее некоторые ученые считали, что такие области пространства-времени в реальности не существуют.

В 1964 г. в созвездии Лебедь был найден первый потенциальный пример именно такой области высокой плотности. Законченные к 1971 г. расчеты массы и плотности этого объекта, названного Лебедь Х-1, показали, что он должен быть черной дырой. Эти результаты убедили не всех. Более того, один известный ученый заключил в 1975 г. пари, в котором ставил на то, что Лебедь Х-1 – не черная дыра. Это был Стивен Хокинг. Такое пари выглядело несколько странно с учетом того, что сам он посвятил значительную часть своей исследовательской работы именно изучению природы черных дыр. Если бы Лебедь Х-1 действительно оказался первым примером черной дыры, это подтвердило бы все результаты теоретических размышлений Хокинга.

Как Хокинг объяснял впоследствии в «Краткой истории времени», это пари было своего рода страховкой. Ставка на поражение любимой команды в финале Кубка Англии по футболу позволяет выиграть при любом исходе: если команда проиграет, можно хотя бы выгадать материально. Если бы оказалось, что работа всей его жизни – изучение черных дыр – была пустой тратой времени, он, по крайней мере, выиграл бы пари. На что спорили? На подписку на журнал Private Eye, который должен был отвлечь Хокинга от огорчения по поводу провала его научной работы. Пари было заключено с другим космологом, Кипом Торном. В случае получения убедительных доказательств того, что Лебедь Х-1 действительно является черной дырой, Торн должен был получить подписку на любой журнал по своему выбору. Он выбрал Penthouse[94].

К 1990 г. накопилось большое количество свидетельств того, что Лебедь Х-1 действительно должен быть черной дырой: его масса оценивается в 14,8 массы Солнца, а размеры слишком компактны, чтобы он мог быть чем-нибудь другим. Полагают, что горизонт событий объекта Лебедь Х-1 составляет 44 км. Изнутри этой сферы, диаметр которой примерно равен расстоянию от Оксфорда до Кембриджа, не может выйти никакой свет. С учетом всех полученных данных Хокинг признал свое поражение. Торн получил подписку на Penthouse – к большому неудовольствию своей жены.

Однако в черных дырах есть нечто неправильное с точки зрения математики, нечто, вносящее свой вклад в сомнения в самой возможности их существования. Когда звезды сжимаются, образуя точки высокой плотности, по-видимому, не остается ничего противодействующего непрерывному стягивающему воздействию гравитации. Кажется, что они так и будут продолжать сжиматься, становясь все меньше и меньше, все плотнее и плотнее – и ничто не сможет остановить это схлопывание. Значит ли это, что коллапс звезды будет продолжаться, пока не образует единственную точку бесконечной плотности? Идея такой физической бесконечности была встречена очень неприязненно.

Абсурдность такого математического вывода пытался доказать сам Эйнштейн. Эддингтон видел, к каким следствиям приводит математика, но эти следствия ему активно не нравились: «Когда мы доказываем результат, не понимая его – когда он неожиданно появляется из лабиринта математических формул, – нет оснований надеяться, что мы сможем где-то его применить»[95]. Но в 1964 г. британский математик Роджер Пенроуз доказал, что такие сингулярные точки являются необходимым следствием общей теории относительности.

Черная дыра в двумерном пространстве-времени. Горизонт событий обозначен окружностью, изнутри которой мы не можем получить никакой информации

Работая в сотрудничестве с молодым Стивеном Хокингом, Пенроуз доказал, что такая же бесконечная плотность возникает при обратном просмотре истории Вселенной вплоть до Большого взрыва. И черные дыры, и Большой взрыв являются примерами математического объекта, называемого сингулярностью, в общей теории относительности. К сингулярностям относится целый ряд ситуаций, в которых невозможно установить, что происходит. Сингулярность есть точка, в которой наша способность моделировать сценарии развития событий перестает работать. Это то место, в котором мы вынуждены поднять руки и признать, что мы чего-то не знаем.

Сингулярности

Сингулярность – эта такая точка, в которой математическая функция перестает работать. Функция в математике подобна компьютерной программе. В нее вводят числа, функция их обсчитывает и выдает ответ. Математики часто представляют функции визуально, в виде графиков. Вводимые числа откладывают по горизонтальной оси, а результат изображают в виде кривой.

Рассмотрим, например, функцию, в которую вводят расстояние до массивного объекта, а в качестве результата получают величину гравитационного притяжения, порождаемого в данной точке этим массивным объектом. Ньютон осознал, что такое притяжение становится тем слабее, чем больше расстояние до объекта. Он открыл очень точное соотношение между величиной притяжения и расстоянием. Если я нахожусь на расстоянии х от планеты, то, согласно функции Ньютона, сила гравитационного притяжения пропорциональна 1/х2. Это так называемый закон обратных квадратов. Можно нарисовать график этой функции.

График функции 1/x2. Функция имеет сингулярность в точке x = 0

Однако при приближении к объекту происходит нечто интересное. Сила становится все больше и больше, пока мы не доходим до точки х = 0, в которой результат становится бесконечным, а на графике нельзя отложить значение. Разумеется, в реальности такое расстояние измеряется от центра планеты и при достижении ее поверхности функция и график изменяются, потому что после прохождения сквозь поверхность планеты разные ее части начинают оказывать притяжение в других направлениях. В центре тяжести планеты все разнонаправленные притяжения уравновешиваются и суммарное гравитационное притяжение равно нулю. Но что будет, если заменить планету на черную дыру, пространственную область, вся масса которой должна быть сосредоточена в единственной точке? Эта точка имеет бесконечную плотность, и при приближении к ней гравитационное притяжение становится бесконечным.

Тот факт, что данная функция не имеет смысла при х = 0, математики называют сингулярностью. Сингулярности бывают разные, но все они содержат точку, в которой функция не дает разумных результатов или имеет разрывный скачок от одного значения к другому.

Очень примитивный пример сингулярности можно получить, если взять монету и закрутить ее на столе. В отсутствие трения и сопротивления воздуха монета вечно продолжала бы вертеться с постоянной скоростью. Однако вследствие наличия рассеяния энергии монета вечно вертеться не будет. Вместо этого угол ее наклона к поверхности стола уменьшается, но, что интересно, пропорционально ему увеличивается скорость ее вращения. По мере приближения угла к нулю скорость в конце концов становится бесконечной. На последних стадиях вращения монета падает на стол, вибрируя и издавая жужжащий звук, частота которого быстро увеличивается, пока наконец дрожащая монета не останавливается.

Уравнения движения показывают, что скорость вращения монеты возрастает так, что через конечное количество времени она достигает бесконечного значения. Именно этот эффект мы слышим, когда увеличивается частота звука. Вертящаяся монета дает нам пример сингулярности. Разумеется, при этом действуют и другие эффекты, которые не допускают полного осуществления такой математической бесконечности, но этот пример показывает, что для получения бесконечности из физического уравнения не обязательно бросаться в черную дыру.

Даже Ньютоновы уравнения планетарного движения могут порождать сингулярности. Как я объяснял в конце первого «рубежа», математик Ся Чжихун показал, что четыре планеты можно расположить таким образом, что пятая планета будет вытолкнута из их среды и наберет бесконечную скорость за конечное время. Уравнения ничего не говорят о дальнейшей судьбе такой планеты, ожидающей ее после этой астрономической сингулярности.

Сингулярности обычно соответствуют моментам, в которые в игру вступает бесконечность и развитие событий после которых предсказать невозможно. Такие сингулярности могут возникать не только в физике. Известен пример статьи, которую опубликовали в 1960 г. Хайнц фон Фёрстер, Патриция Мора и Лоуренс Амиот, предсказывая серьезную сингулярность, которая должна произойти здесь, на Земле[96]. Если скорость роста населения и дальше будет следовать закономерностям, наблюдавшимся до 1960 г., то население нашей планеты должно стать бесконечным 13 ноября 2026 г. Особо отметим для суеверных, что этот день выпадет на пятницу.

Простейшая модель роста популяции утверждает, что этот рост имеет экспоненциальный характер. Например, численность некоторого вида может удваиваться каждые 50 лет. В такой модели популяция быстро разрастается, но никогда не становится бесконечной. Но анализ исторических данных, проведенный авторами этой статьи, говорил о том, что период удвоения численности человечества становится все короче и короче.

Когда-то удвоение численности населения Земли заняло 1650 лет, с 250 миллионов в нулевом году нашей эры до 500 миллионов в 1650-м. До миллиарда эта численность дошла за следующие 200 лет, к 1850 г. Следующее удвоение заняло всего 80 лет. Всего через 44 года после этого, в 1974 г., население планеты достигло четырех миллиардов. Скорость роста превышала экспоненциальную. Поэтому на основе данных, имевшихся к 1960 г., авторы статьи оценили, что население Земли должно достичь сингулярности приблизительно через десятилетие после нынешнего момента.

Другой пример такого суперэкспоненциального роста можно найти в скорости увеличения вычислительной мощности компьютеров. Существует утверждение, называемое законом Мура, согласно которому производительность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев[97]. С такой скоростью роста компьютеры становятся все мощнее, но никогда не достигнут сингулярности. Однако высказывались и другие предположения: что сокращение периода удвоения населения справедливо также и для технологий. Возможность технологической сингулярности послужила основой так называемого движения сингулярианства. Его идеи были популяризованы изобретателем и футурологом Рэем Курцвейлом в книге «Сингулярность уже близка» (The Singularity Is Near), согласно которой человечество должно достичь сингулярности в 2045 г. Курцвейл считает, что к этому моменту человечество сумеет создать искусственный разум, превосходящий наш собственный. В этот же момент исчезнет наша способность предсказывать, как будет выглядеть жизнь после такой сингулярности.

Математическим уравнениям следует доверять с осторожностью, потому что может существовать какой-то скрытый элемент, который становится важным только при приближении к сингулярности и играет неожиданно важную роль в предотвращении физической реализации такой бесконечности. Это явно происходит в случае роста численности человечества: конечность поверхности Земли создает предел, который рано или поздно ограничит численность населения.

Сходные факторы могут действовать и в случае Большого взрыва и черных дыр. Кое-кто предполагает, что уравнения общей теории относительности неприменимы к таким экстремальным условиям. Например, в уравнения гравитации Эйнштейна, возможно, следует ввести еще один член, который вступает в действие только при приближении к сингулярности. Это изменит и происходящее при приближении к сингулярности Большого взрыва, но такой дополнительный элемент останется практически незаметным, пока дело не дойдет до действительно экстремальной ситуации. Он подобен тем тонким изменениям, которые Эйнштейну пришлось внести при рассмотрении движения с околосветовой скоростью: на малых скоростях дело ограничивается простым прибавлением скорости, но, как понял Эйнштейн, при приближении к скорости света необходимо действовать с большей осторожностью. Как я объяснял в предыдущей главе, формула скорости человека, бегущего вдоль движущегося поезда относительно платформы, дается сложением скоростей человека и поезда, но затем ее нужно разделить на вторую формулу. На малых скоростях значение этой второй формулы настолько близко к единице, что эффект такого деления пренебрежимо мал, – именно поэтому до Эйнштейна ученые считали, что скорости просто складываются. Но вблизи скорости света определяющим становится другая закономерность. То же может быть справедливо и в отношении Большого взрыва или черной дыры. Уравнениям общей теории относительности может быть необходим дополнительный член, оказывающий заметное действие только в случаях экстремально сильной гравитации.

Но, если Вселенная все-таки содержит сингулярные точки бесконечной плотности, как они могут влиять на время? Эйнштейн выяснил, что увеличение гравитации замедляет время. Что же произойдет с моими часами, если я приближусь к такой сингулярной точке предельно высокой гравитации?

Неизвестное, скрывающееся внутри черной дыры

Если бросить мои часы в черную дыру, произойдет нечто странное. Оставаясь на Земле и наблюдая, как часы падают в черную дыру, можно заметить момент, в который время, по-видимому, останавливается. Ход часов все более и более замедляется, пока не прекращается вовсе. В конце концов видимое изображение часов замерзает, а затем постепенно бледнеет и исчезает. Горизонт событий, окружающий черную дыру, подобен пространственному пузырю, за которым время, похоже, больше не работает. Оно не может продолжать свой ход. Наблюдателю, находящемуся вне черной дыры, кажется, что у времени в ней не существует «после». Может ли эта картина быть обратной тому, что происходит со временем при возвращении к Большому взрыву? Там у времени не существует «до».

Но не будем забывать, что все это – с точки зрения наблюдателя, сравнивающего течение времени на Земле с тем, что он видит на моих часах, направляющихся к черной дыре. А как все это будет выглядеть, если я сам отправлюсь к такой математической сингулярности с часами на руке? Мои впечатления будут совершенно иными. С Земли представлялось, что часы останавливаются, когда достигают горизонта событий черной дыры. Но теперь, когда я сам пересекаю горизонт событий, мне кажется, что часы преспокойно продолжают тикать. Более того, я даже не смогу заметить момента пересечения этой линии невозврата.

Это не значит, что при падении в направлении черной дыры со мной все будет в порядке – с тем, что происходит с пространством-временем при приближении к этому бесконечно плотному центру, так просто не разделаешься. Если я буду лететь к центру черной дыры ногами вперед, гравитация будет воздействовать на мои ноги сильнее, чем на голову, растягивая меня в некое подобие макаронины. В течение конечного времени все, включая мои часы, окажется сжато в сингулярность, и время закончится. Подобно прямой, прочерченной на листе бумаги, время достигнет края, и продолжать его станет некуда.

Странно, что во всех других местах время продолжает идти как ни в чем не бывало. Подобная судьба, видимо, ожидает всех нас. Когда мы умираем, для нас время останавливается, но мы знаем, что для других оно по-прежнему продолжает идти. Я не могу ощутить собственную смерть – и точно так же я не смог бы ощутить достижение пространственно-временной сингулярности.

Мой друг физик дал мне полезный совет на случай падения в черную дыру: как и в случае зыбучих песков, лучше всего не сопротивляться. В свободном падении навстречу неизбежному можно прожить дольше. Кажется, что это противоречит здравому смыслу. Но друг напомнил мне о том, что происходит с часами под действием гравитации и ускорения. Если я буду сопротивляться и пытаться создать ускорение, направленное от черной дыры, окажется, что там, где я нахожусь, время замедляется. Увеличенное ускорение, как и гравитация, замедляет время. И в результате я быстрее попаду в будущее окружающего меня пространства-времени – как моя улетавшая с ускорением дочь Ина попала в будущее своей сестры-близнеца Магали. Поэтому, если я буду сопротивляться, приближаясь к сингулярности, я состарюсь меньше. Но радости от этого будет немного: я просто исчезну в сингулярности, прожив более короткую жизнь. Поэтому лучше всего не сопротивляться, чтобы до попадания в сингулярность осталось как можно больше времени.

Самое интересное, что наблюдатель, находящийся за пределами горизонта событий, никогда не узнает, что происходит внутри его. С его точки зрения, время останавливается, как только я пересекаю горизонт событий, и узнать, что случится потом, невозможно – хотя для меня, растягивающегося в макаронину, такое «потом» существует. Поэтому вопрос о том, что происходит после, не кажется лишенным смысла. Проблема только в том, что законы физики не позволяют получить ответ на него никому, находящемуся вне горизонта событий.

Было высказано предположение, что тот же принцип применим и к проблеме знания того, что происходило до Большого взрыва – если до него вообще что-нибудь происходило. Внутри черной дыры время заканчивается. Но Большой взрыв подобен коллапсу звезды в черную дыру, проигранному задом наперед. Поэтому можно предположить, что при приближении к Большому взрыву время также заканчивается. Другими словами, можно заключить, что у времени есть начало, что само время началось с Большого взрыва.

Сингулярности пространства-времени – это края, точки, в которых мы упираемся в тупик, не пускающий нас дальше. Понять такие края пространства-времени трудно: даже если нам нельзя двигаться дальше, за таким краем все же может существовать что-то еще.

Черные дыры не только ставят под сомнение наше понимание времени, но и, по-видимому, противоречат одному из других открытий современной физики – принципу, согласно которому информация не может быть утрачена.

Абсолютный шредер

У законов квантовой физики есть одно довольно замечательное следствие: они обратимы. Это означает, что информация никогда не может быть утрачена. Такое положение вещей в сильной степени противоречит здравому смыслу. Например, если я подпишусь на журналы Private Eye и Penthouse, а потом сожгу годовые комплекты их обоих, то, казалось бы, невозможно будет определить, какому журналу соответствует та или другая кучка пепла.

Но если иметь полную информацию обо всех атомах и фотонах, содержащихся в таком костре, то теоретически можно запустить процесс сгорания в обратную сторону и восстановить информацию, содержавшуюся в журналах. На практике это, разумеется, было бы чрезвычайно сложно, но наука утверждает, что в этом процессе нет ничего необратимого. Законы физики работают в обе стороны.

Существование черных дыр ставит эту идею под сомнение. Если бросить один из журналов в одну черную дыру, а другой – в другую черную дыру, невозможно будет установить, в какую из черных дыр попал тот или другой журнал. Черные дыры кажутся абсолютным шредером, в котором информация действительно может быть утрачена навсегда.

Черные дыры представляют особенный интерес с точки зрения моих поисков того, чего мы знать не можем, потому что, когда что-нибудь исчезает внутри горизонта событий – границы, за которую не может выйти свет, – информация о том, что пересекло такой горизонт, судя по всему, утрачивается. Если я возьму игральную кость, которая сопровождает меня в поисках того, чего мы не можем знать, и брошу ее в черную дыру, то после того, как она пересечет горизонт событий, я, по-видимому, не смогу узнать, какой стороной она там упадет. С той стороны может стоять стол, на котором на этой кости выпадет шестерка. Некто, находящийся по ту сторону горизонта событий, может увидеть этот результат, но никогда не сможет сообщить о нем, так как все находящееся там заключено в ловушку.

Согласно общей теории относительности, наблюдая черную дыру извне, можно узнать лишь ее массу, угловой момент и электрический заряд. Вся прочая информация утрачена. Эта ситуация известна под ироническим названием «теоремы об отсутствии волос» – считается, что любая другая информация была бы подобна волосам на гладком круглом шаре, представляющем черную дыру. Я могу бросить в черную дыру свою игральную кость, свою виолончель, свои часы, и, как только они пересекут горизонт событий, ничто из внешних свойств такой черной дыры не будет говорить о том, что в нее бросили. Обратить события вспять, чтобы узнать, что именно пересекло горизонт событий, невозможно.

Несмотря на ее название, теорему об отсутствии волос скорее следовало бы считать гипотезой, поскольку неопровержимых доказательств того, что информация действительно утрачивается, нет. Более того, в 1974 г. возникли сомнения в том, насколько горизонт событий скрывает то, что происходит внутри черной дыры. Это связано с тем, что, если верить Стивену Хокингу, черные дыры испаряются.

Не такие уж и черные черные дыры

Бросив игральную кость в черную дыру, по-видимому, невозможно узнать, какой стороной она упадет. По крайней мере, многие полагали, что именно таким должно быть следствие такой концентрации искривленного массой пространства-времени. Но, когда Хокинг применил к черным дырам второе начало термодинамики, оказалось, что эти дыры не столь черны, как предполагалось изначально.

Второе начало термодинамики утверждает, что мы движемся от высокоупорядоченной Вселенной ко Вселенной, содержащей беспорядок. При этом изменяется величина, называемая энтропией системы. Энтропия есть мера беспорядка. По существу, она определяет число различных возможных сценариев реализации данного состояния и тем самым оказывается мерой его вероятности. И второе начало термодинамики гласит, что энтропия Вселенной возрастает.

Вот классический пример увеличения энтропии: рассмотрим газ, заключенный внутри сосуда. Если весь газ сконцентрирован в одном из углов сосуда (предположим, он был сжат внутренними стенками, которые потом убрали), то он со временем распространится по всему его объему. Энтропия определяет число возможных сценариев реализации такого распределения газа. Пока газ заключен в одном из углов, число таких сценариев меньше, чем после исчезновения стенок и распространения газа по всему сосуду. Энтропия возрастает с ростом числа возможных сценариев. Вначале энтропия мала, но впоследствии она увеличивается.

Также можно рассмотреть бытовой пример яйца, которое падает со стола и разбивается об пол. Высокоупорядоченное яйцо превращается в разбросанную массу осколков скорлупы. Разбитую скорлупу можно расположить множеством разных способов, помимо единственного исходного состояния, в котором целая скорлупа окружала яйцо. Если посмотреть видеозапись этого события, проигранную в прямом и обратном направлении, совершенно очевидно, какой из вариантов соответствует реальному течению времени. Увеличение энтропии определяет направление оси времени.

Именно поэтому энтропия тесно связана с понятием времени. Это одна из немногих вещей, которые помогают нам понять, в какую сторону следует крутить это кино. Многие другие физические законы превосходно работают как в прямом, так и в обратном направлении. Хотя физическая возможность восстановления целого яйца на столе и существует, связанное с ней уменьшение энтропии показывает, как мала вероятность такого события.

Однако возникает интересный вопрос: откуда взялся тот исходный порядок, который существовал в яйце изначально? Может показаться, что такое движение от порядка к беспорядку на Земле не проявляется. Мы сами развились из беспорядка доисторических болот и достигли состояния, в котором у нас есть жизнь, яйца и порядок. Но это кажущееся нарушение второго начала термодинамики можно разрешить, потому что Земля получает низкую энтропию из другого источника – речь идет об обмене. Фотоны, прилетающие от Солнца и являющиеся источником жизни на Земле, имеют низкую энтропию. Но Земля под их воздействием не нагревается, а испускает тепло в форме электромагнитных волн более низкой частоты (и, следовательно, энергии), причем число таких волн увеличивается.

Таким образом, небольшое число высокоэнергетических волн Солнца превращается в большее число волн более низкой энергии, испускаемых Землей. Увеличение числа лучей означает увеличение числа возможных сценариев их испускания. Этот процесс чем-то похож на разбивание яйца. Единственный высокочастотный фотон поглощается Землей подобно яйцу, падающему на пол, а затем Земля разбрасывает множество низкоэнергетических фотонов, как осколки яичной скорлупы. При этом Земля получает уменьшение своей суммарной энтропии, и мы наблюдаем возникновение порядка из хаоса. Но в масштабах общей системы Земли и Солнца энтропия увеличивается в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

Что же случится с сосудом, заполненным газом, если его бросить в черную дыру? Или, что еще интереснее, что случится с его энтропией? Считается, что, находясь вне горизонта событий, мы утрачиваем любую информацию о происходящем внутри его. Теряется ли там энтропия, что привело бы к уменьшению энтропии, противоречащему второму началу термодинамики? Может быть, следует считать, что черная дыра обладает собственной энтропией, которая возрастает по мере попадания в нее разных объектов? Но, поскольку мы не имеем никакого представления о том, что происходит внутри черной дыры, было сделано предположение, что ее энтропия может быть пропорциональна площади поверхности сферы горизонта событий, которую мы можем вычислить. Ну хорошо, но физика утверждает, что все, что имеет энтропию, имеет и температуру, а все, что имеет температуру, излучает тепло. Получается, что черная дыра должна была бы испускать излучение, мощность которого обратно пропорциональна квадрату массы, заключенной внутри этой черной дыры. Но, если бы черные дыры излучали, они не были бы такими черными, как предполагает их название, а мягко светились бы в ночном небе.

Размытые края

Бессмыслица какая-то. Как черная дыра может что-то излучать, если все, включая свет, должно быть заперто внутри ее? Казалось, что для такого процесса просто не может существовать механизма. Так было, пока Хокинг не пустил в ход квантовую физику. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, горизонт событий должен быть несколько более размытым, чем следует из математических выводов общей теории относительности. Как мы видели на третьем «рубеже», из принципа неопределенности следует, что одновременное точное определение положения и импульса невозможно. Время и энергия также связаны между собой таким образом, что одновременно знать обе эти величины нельзя. Поэтому невозможен идеальный вакуум, в котором все величины равны нулю. Если бы все было равно нулю, все можно было бы точно знать.

В вакууме происходят квантовые флуктуации, в которых, например, может возникнуть пара, состоящая из частицы и античастицы: одна из них имеет положительную энергию, а другая – отрицательную. Возможно, именно этот механизм возникновения чего-то из ничего и запустил развитие Вселенной. Обычно частица и античастица, возникшие в космическом вакууме, быстро аннигилируют. Но если такая пара возникнет так, что частица с положительной энергией будет находиться вне горизонта событий черной дыры, а частица с отрицательной энергией будет заперта внутри его, то может произойти нечто интересное.

Мы получаем довольно странный эффект: внутренняя частица затягивается в черную дыру и, поскольку ее энергия отрицательна, уменьшает массу такой черной дыры, а частица с положительной энергией выглядит так, будто она была испущена из черной дыры. Черная дыра действительно светится – у нее есть температура, как и следовало ожидать в предположении, что черная дыра имеет положительную энтропию.

Минуточку. Но ведь в половине случаев частица с положительной энергией будет оказываться внутри черной дыры, а не вне ее. Разве это не приведет к увеличению массы черной дыры? Чтобы разрешить это противоречие, нужно учесть, что частица с отрицательной энергией, образовавшаяся за пределами горизонта событий, не имеет энергии, необходимой ей, чтобы улететь прочь, поэтому суммарный эффект таких случайных флуктуаций состоит в уменьшении общей массы черной дыры с течением времени.

Испускание так называемого излучения Хокинга пока не было обнаружено ни в одной из черных дыр, которые нам до сих пор удалось распознать. Проблема состоит в том, что, согласно математическим выкладкам, его интенсивность тем меньше, чем больше масса черной дыры. Поэтому черная дыра, масса которой равна нескольким солнечным, должна испускать его с такой низкой интенсивностью, что это излучение будет иметь меньшую температуру, чем реликтовое излучение. Это означает, что мы не можем выделить его из фоновых шумов, оставшихся от Большого взрыва.

Поразительное следствие гипотезы Хокинга состоит в том, что она предлагает возможный механизм исчезновения черных дыр, масса которых уменьшается с течением времени. По мере уменьшения массы интенсивность излучения возрастает, и в конце концов, как полагают, черная дыра может исчезнуть с резким хлопком. По мнению Хокинга, такой хлопок может быть довольно сильным – сравнимым со взрывом миллионов водородных бомб. Однако другие исследователи считают, что он скорее должен быть сравним по силе со взрывом артиллерийского снаряда.

Тем не менее при этом мы получаем новую загадку. Куда девается информация, попавшая в черную дыру? Я могу согласиться, что информация может быть заперта внутри черной дыры – по крайней мере, она все еще существует. Но, если черная дыра в конце концов исчезает, исчезает ли информация вместе с ней? Или же она каким-то образом оказывается закодирована в излучении, выходящем из этой сингулярности? Можно ли, бросив игральную кость в черную дыру, каким-то образом узнать, какой стороной она упала, по частицам, испускаемым с края горизонта событий? Возможно, как и в случае с сожженными журналами, существует некий теоретический способ проанализировать такое излучение и извлечь из него информацию обо всем, что исчезло за горизонтом событий? Загадку о том, что происходит с такой информацией, называют информационным парадоксом черных дыр.

В 1997 г. Хокинг заключил еще одно пари, и на этот раз Кип Торн был на его стороне. Они поспорили с физиком из Калтеха Джоном Прескиллом. Они считали, что такая потеря информации неизбежна. Но, поскольку она противоречит квантовой теории, Прескилл не был готов примириться с возможностью утраты информации. На этот раз ставкой была не подписка на журналы, а энциклопедия по выбору победителя. Энциклопедия должна была символизировать вопрос о том, что произойдет с информацией, содержащейся в энциклопедии, которую бросили в черную дыру: может ли она быть как-то закодирована во вновь возникающих частицах, излучаемых в соответствии с принципом неопределенности?

В 2004 г. Хокинг торжественно признал свое поражение. Прескилл получил книгу «Все о бейсболе»[98]. Хокинг впоследствии шутил: «Я отдал Джону бейсбольную энциклопедию, но, может быть, надо было просто отдать ему пепел»[99].

Теперь Хокинг полагает, что попадающая в черную дыру информация кодируется на поверхности горизонта событий, заключающего в себе такую черную дыру, и передается испускаемым с нее частицам. Как ни странно, эта двумерная поверхность, по-видимому, кодирует информацию о находящемся внутри ее трехмерном пространстве. Отсюда возникла идея голографической Вселенной: вся наша трехмерная Вселенная – всего лишь проекция информации, содержащейся на двумерной поверхности. Хотя Хокинг и признал свое поражение в споре, Торн по-прежнему отстаивает свою позицию. Он все еще считает, что информация утрачивается.

Роджер Пенроуз, как и Торн, полагает, что Хокинг сдался раньше времени. Пенроуз полагает, что при исчезновении черной дыры в результате излучения информация и энтропия утрачиваются. По мнению Пенроуза, это имеет отношение к вопросу о причинах столь низкой энтропии Вселенной в начале ее развития. Существовал ли изначальный порядок, благодаря которому вообще возникло второе начало термодинамики? Откуда взялся этот порядок? Если черные дыры действительно уничтожают энтропию, они могут содержать механизм, позволяющий вернуть Вселенную в низкоэнтропийное состояние.

Пенроуз также считал, что Большой взрыв является границей, за которой физика невозможна. По мере приближения к сингулярности Большого взрыва законы физики перестают работать. Если мы согласимся с определением Большого взрыва как точки бесконечной плотности, то вопрос о том, что было до Большого взрыва, во многих отношениях не будет иметь смысла: по ту сторону такой сингулярности физические законы могут быть какими угодно. Измерение чего бы то ни было, находящегося за этой сингулярностью, также невозможно, так что мы с тем же успехом можем считать, что за ней ничего нет. Или не можем? Пенроуз, например, передумал.

Смычка прошлого и будущего

Существуют разные истории о том, что могло происходить до Большого взрыва, и одну из самых удивительных таких историй рассказывает Пенроуз. Он предполагает, что наш Большой взрыв был всего лишь одним в бесконечном цикле больших взрывов. Такая идея высказывалась и раньше: когда предполагали, что Вселенная окончится «Большим сжатием», казалось логичным считать, что такое сжатие станет «Большим взрывом новой эры».

Но, как мы выяснили на четвертом «рубеже», Вселенная не сжимается, а расширяется со все увеличивающейся скоростью, стремясь к холодному состоянию, в котором не будет ни жизни, ни галактик, ни даже вещества – только световые фотоны. Пенроуз называет это состояние «очень скучной эрой». Поскольку считается, что даже черные дыры, которые поглотят большинство видимых сейчас галактик, испускают излучение, то и они тоже закончатся, исчезнут с прощальным хлопком и оставят после себя Вселенную, полную фотонов и гравитонов, гипотетических безмассовых частиц, которые считают переносчиками гравитационного взаимодействия.

Пенроуз признавал, что такое видение будущего Вселенной его несколько угнетало: «Боже мой, неужели нас ждет именно это!» Но потом ему в голову пришел вопрос о том, кто сможет наблюдать это состояние «всепоглощающей финальной скуки». Уж точно не мы. Скучать придется только тем же фотонам и гравитонам, которые одни и останутся во Вселенной.

Но фотон, как выясняется, не имеет понятия о времени. Он существует в безвременной среде. Теория относительности утверждает, что при приближении к скорости света время замедляется, так что при ее достижении часы и вовсе останавливаются. Но погодите. Свет распространяется со скоростью света. Это значит, что для фотона время не существует. Более того, в сценарии Пенроуза, в котором все массивные частицы должны распасться на безмассовые фотоны или гравитоны, не остается вообще ничего, что могло бы отмечать течение времени, ничего, из чего можно было бы сделать часы. Точно так же, поскольку время необходимо для измерения пространства, в такой будущей Вселенной исчезнет и всякая возможность исчисления и измерения расстояний – понятия большого и малого утратят смысл.

Вместо того чтобы поддаться пессимизму, Пенроуз увидел в этой картине новые возможности. Не правда ли, все это чрезвычайно похоже на состояние Вселенной сразу после Большого взрыва? Вселенная, полная энергии, в которой еще не сформировалось никакой материи. Конечно, для образования условий Большого взрыва такая энергия должна была быть сконцентрирована в бесконечно малой области. Но если во Вселенной исчезли все масштабы, то не могут ли условия такого конца нашей Вселенной быть отправной точкой нового Большого взрыва, порождающего вселенную, которая заново установит масштабы и сконцентрирует энергию для нового начала?

На самом деле эти два сценария – Вселенная, заканчивающая свое существование скучной тепловой смертью, и Вселенная, начинающаяся с захватывающего Большого взрыва, – можно элегантно объединить в один, подобно двум пейзажам с совпадающими краями, которые образуют один общий пейзаж. Для сшивания этих сценариев нужно, чтобы в конце одной Вселенной происходило сжатие, а в начале следующей – расширение, так, чтобы они могли быть соединены и плавно перетекали друг в друга. Холодные и далеко разбросанные фотоны становятся фотонами горячими и тесно сгруппированными, которые и запускают новый Большой взрыв.

Теория Пенроуза небесспорна, и мне не удалось найти много ученых, которые видели бы в ней нечто большее, чем хитроумную математическую идею. И все же, когда Пенроуз впервые показал, что математика общей теории относительности предсказывает существование в пространстве-времени сингулярностей, эта идея также была отвергнута многими как физически невозможная. Его нынешняя теория временных циклов может оказаться ошибочной, но мне кажется замечательным случай ученого, который меняет свою точку зрения на возможность исследования времени до Большого взрыва.

Изменение масштаба Вселенной в конце одного эона к началу следующего позволяет плавно переходить от эона к эону

Пенроуз называет период между двумя большими взрывами эоном, и наш эон – лишь один из, возможно, бесконечного множества эонов, предшествовавших нашему и следующих за ним.

Одна из наиболее существенных проблем этой модели, как и многих других циклических моделей, связана со вторым началом термодинамики. Как энтропия возвращается на такой низкий уровень, что второе начало термодинамики может заново начинать работать в каждом следующем эоне?

Сингулярность Большого взрыва есть состояние чрезвычайно низкой энтропии. По мере эволюции Вселенной энтропия возрастает – как можно обеспечить гладкий переход в новый эон со сбросом накопленной энтропии? Именно поэтому Пенроузу не понравилось, что Хокинг признал свое поражение в пари о черных дырах. С точки зрения Пенроуза, черные дыры представляют собой механизм снижения энтропии. Вся энтропия, попадающая в черную дыру, утрачивается или вычитается из системы, так что к концу эона мы снова имеем низкую энтропию, потому что вся информация уже утрачена во множестве черных дыр, населяющих Вселенную. Таким образом и устанавливаются условия, необходимые для следующего Большого взрыва.

Даже если эта теория справедлива, как мы можем добраться до периода, предшествовавшего нашему собственному Большому взрыву, чтобы проверить ее или другие теории на этот счет? Остается ли период «до Большого взрыва» запретной зоной? Пенроуз так не думает. Раз совмещаемые пейзажи должны соответствовать друг другу, события предыдущего эона должны оказывать влияние на наш. Пенроуз считает, что столкновения черных дыр на заключительных этапах предыдущего эона должны были создать гравитационную рябь, которая перешла в наш эон. Он приводит в пример картину пруда, в который бросили множество камешков. После того как черные дыры – или камешки – исчезают из виду, на пруду остается узор из ряби, образованный при взаимодействии кругов, расходящихся от этих камешков.

Пенроуз полагает, что такую рябь можно искать в реликтовом излучении – излучении, оставшемся после Большого взрыва, с которого началась наша Вселенная. Хотя флуктуации этого излучения кажутся случайными, возможно, некоторые из них появились в результате столкновений черных дыр, происходивших в конце предыдущего эона.

Проблема состоит в том, что анализировать реликтовое излучение исключительно трудно – в частности, потому что его очень мало. Это может показаться чрезвычайно странным, учитывая, что оно образует поверхность сферы, охватывающей всю наблюдаемую Вселенную. И тем не менее, если пытаться изучать участки этой сферы, окружающей Вселенную, и взять, скажем, сектор этой сферы размером в 10°, то еще не рассмотренные объекты очень быстро заканчиваются. Хотя многие сомневаются в том, что свидетельства существования предыдущих эонов можно найти в нашем собственном эоне, сама мысль о такой возможности открывает весьма захватывающие перспективы. Может быть, ответ на вопрос о том, что происходило до Большого взрыва, все-таки не настолько невозможен, как нам казалось!

Галилей нашего времени

Я зашел к Пенроузу, оксфордский кабинет которого расположен этажом ниже моего, чтобы узнать, что он думает о возможности познания происходившего до Большого взрыва. Пенроузу сейчас за восемьдесят, и он являет собой прекрасный пример неутолимой жажды знаний. Исходя из того, что он когда-то написал книгу с подзаголовком «Законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель»[100], можно было бы предположить, что, по его мнению, он знает все. Но Пенроуз продолжает задавать все новые и новые вопросы.

– Когда-то я утверждал, что Большой взрыв был сингулярностью, а потому понятие времени до Большого взрыва не имеет смысла. «До» – бессмысленное понятие. Перестаньте задавать этот вопрос. Я слышал, как Стивен Хокинг просил его не задавать, и я был с ним согласен. Но теперь я считаю, что на самом деле этот вопрос задавать можно.

Значит ли это, что Пенроуз думает, что не было вообще никакого начала?

– Я думаю, что есть бесконечная последовательность эонов.

Я спросил его, можно ли считать эту тему примером того, чего мы знать не можем. В конце концов, бесконечность обычно считается в физике запретной зоной.

– Возможно, мы сумеем усовершенствовать свои технологии и заглянуть на несколько эонов назад. Но вернуться к самому началу всех эонов? Ну, это вполне кандидат на роль непознаваемого. Говорят, что бесконечность непознаваема, но математики все время ее используют. И чувствуют себя совершенно как дома. Ну, не совершенно, но почти.

Когда я спросил Пенроуза, существуют ли, по его мнению, вопросы, на которые невозможно ответить по самой их природе, он дал типично осторожный ответ.

«Идея о том, что может существовать что-то, что навсегда останется недосягаемым для нашего познания, меня несколько тревожит. Наверное, могут существовать вопросы, на которые не ожидаешь получить ответа. Задачи, которые кажутся неразрешимыми, – но потом мы придумываем, как их обойти, какие-то способы с ними разобраться. Мне не нравится слово “непознаваемый”. Оно просто означает, что мы неправильно на что-то смотрим.

Кто бы мог подумать, что мы узнаем, что происходит в центре Солнца? – и тем не менее сейчас известно, что там делается. Надо думать, еще не так давно этот вопрос считался бы неразрешимым.

Можно ли перемножить два невероятно больших числа так, чтобы результат содержал больше знаков, чем во Вселенной существует частиц, и потому его нельзя было бы записать? Можно ли считать эту задачу неразрешимой? По-моему, это очень скучная неразрешимая задача.

Мне кажется, что мне больше нравится (хотя я не могу сказать, что это у меня такая осознанная позиция), мне больше по душе идея, что абсолютно непознаваемых вещей не существует. – Тут Пенроуз несколько забеспокоился. – Надеюсь, я вас не разочаровал заявлением о том, что ничего непознаваемого нет».

Я предположил, что такой настрой может быть важен для занятий наукой.

– Задача может быть очень трудной, но при этом как-то чувствуешь, что у нее должно быть решение. У меня есть это чувство, но я не знаю, насколько оно обоснованно. Я не думаю, что узнаю ответы на все великие вопросы при жизни, но было бы неплохо увидеть решение некоторых наиболее насущных задач.

Я спросил, решение какой задачи он хотел бы узнать, если бы можно было выбрать одну из них. Поскольку Пенроуз много думает о времени, он выбрал вопрос о времени до Большого взрыва.

– Я хотел бы увидеть сигналы из предыдущего эона. Но нам пока до этого далеко.

Представляет ли избавление от необходимости начала угрозу для тех, кто верит в Бога, создавшего все на свете? Пенроуз смеется, вспоминая, как он опасался, что его гипотеза вызовет недовольство Церкви, в точности как в случае Галилея, которого он считает своим героем.

– Я читал лекцию в Ватикане, и мне было слегка не по себе. Но потом я понял, что они почитают Галилея и его изобретение астрономического телескопа. И вот я рассказывал о своей теории временных циклов и подумал, что им может не очень понравиться, что Большой взрыв не был началом. Но они ответили: «Да нет, все в порядке… Все это создал Бог».

Вне времени

Ответ Ватикана отсылает к вопросу, который давно занимает религиозных мыслителей: каковы отношения Бога со временем, особенно с учетом наших современных открытий его текучей природы? Специальная теория относительности Эйнштейна вообще ставит под вопрос возможность говорить о том, что одно событие происходит раньше другого. С одной точки зрения событие А происходит прежде события В, но, как показал Эйнштейн, с другой точки зрения может казаться, что событие В произошло первым.

Тут возникает интересная задача для богословов: какова точка зрения Бога? Считает ли Бог, что событие А произошло до события В или наоборот? Один из ответов совпадает с тем, что сказал Пенроузу представитель Ватикана: Бог существует вне времени. Раз Бог не находится в какой-то одной точке пространства, нет нужды ограничивать его и определенной точкой времени.

Сторонний наблюдатель мог бы видеть пространство-время так же, как человек, стоящий на вершине горы, видит внизу окружающую ее местность. Но такое видение пространства-времени должно охватывать разом прошлое, настоящее и будущее, все время сразу. Эту точку зрения выражал в IV в. богослов, известный под именем блаженного Августина Иппонийского, хотя и не используя терминологию четырехмерной геометрии Лоренца.

Эйнштейн пытался использовать эту точку зрения на время для утешения вдовы своего друга Мишеля Бессо. Он писал ей: «Он ушел из этого странного мира немного раньше меня. Это ничего не значит. Тот, кто подобно нам верит в физику, знает, что различие между прошлым, настоящим и будущим – лишь неуступчиво настойчивая иллюзия». То, что мы существуем в данном моменте времени, значит не больше, чем то, что мы находимся, скажем, в Лондоне, а не в Париже.

Но некоторые богословы не могут согласиться с тем, что Бог существует вне времени, потому что это не позволяет Богу действовать в мире. Для тех, кто выбирает теизм, а не простой деизм, Бог должен обладать временны́ми свойствами, чтобы иметь возможность вмешиваться в дела мира. Если Бог находится вовне, обозревая все пространство-время, то будущее уже существует в этом пейзаже. Что интересно, хотя о последовательности событий можно спорить, никто не станет спорить о ней, если между такими событиями существует причинно-следственная связь. Для этого нужно, чтобы Бог вступал во время и выходил из него, формируя геометрию пространства-времени. Но Бог, действующий в мире, есть Бог, действующий во времени. Поэтому очень трудно примирить идею вневременного Бога с идеей Бога, действующего во Вселенной.

По-прежнему остается без ответа тот же вопрос: что есть Бог, если предполагается, что он существует вне времени? Может ли что-либо быть вне времени? Вообще говоря, я готов признать вневременной одну вещь – математику. И в своем вневременном качестве она отлично подходит на роль инициатора творения, который дал нам пространство-время и возможность получать нечто из ничего. Математика обладает одним привлекательным качеством: можно не спрашивать, кто сотворил математику. Она существует вне времени и не нуждается в моменте сотворения. Она просто есть. Может быть, нам стоит вернуться к старому афоризму, утверждающему, что «Бог – математик». Если заменить в сформулированной Аквинатом попытке определения слово «Бог» на слово «математика», получится, по-моему, совсем неплохо: «Математику следует считать существующей вне области существования, причиной, из которой происходит все существующее в различных формах»[101].

Это близко к идее гипотезы математической Вселенной (ГМВ), которую выдвинул физик-теоретик Макс Тегмарк. Он предположил, что наша физическая Вселенная есть абстрактная математическая структура. Такой своего рода современный вариант пифагорейской философии. Его статья[102], в которой он предлагает идею такой математической Вселенной, завершается следующим пассажем:

Если ГМВ верна, то это великолепная новость для науки: это позволяет надеяться, что в один прекрасный день изящное объединение физики, математики и информатики даст нам, людям, возможность получить понимание реальности, более глубокое, чем все, о чем мы когда-либо смели мечтать.

Я, наверное, не стал бы заходить так же далеко, как Тегмарк, и отождествлять физическую Вселенную с математикой. Например, с математической точки зрения было бы трудно отличить друг от друга две вселенные, в которых положительный и отрицательный электрические заряды поменялись местами. Физически такие вселенные будут разными, но их математическое описание будет совершенно одинаковым. Это пример так называемого «квиддитизма», идеи о том, что Вселенная не сводится к взаимоотношениям между объектами, – то, что́ они есть (латинское слово quid и означает «что»), добавляет еще один уровень различий.

Если математика вечна и находится вне времени, то для запуска развития мира не нужен создатель. Математические уравнения действительно существуют вне Вселенной, так что они могут играть роль чего-то сверхъестественного и богоподобного. Однако они – не Бог, действующий в мире, такое видение было бы деистическим. В таком случае интересно было бы задать вот какой вопрос: сколько существует разных способов организации вселенной на основе одного и того же набора математических уравнений? Множественные вселенные возникают сейчас из мультиматематических моделей.

Некоторые считают, что сам факт получения уравнения, согласно которому число единорогов увеличивается от нуля до трех в секунду, не означает, что единороги существуют. Поэтому наличие уравнений, допускающих существование кварков и их взаимодействие с различными полями, не делает кварки сколько-нибудь более реальными, чем единороги. Хокинг называет это необходимостью понимания «как вдохнуть в уравнения огонь». Например, как получилось, что отрицательный и положительный заряды в нашей Вселенной именно таковы, а не поменяны местами? Откуда взялось «квид» в слове «квиддитизм»?

Мне кажется, что если бы не было ни Вселенной, ни материи, ни пространства, ни вообще ничего, математика все равно существовала бы. Для существования математики не требуется физический мир. Поэтому, с моей точки зрения, математика – в высшей степени вероятный кандидат на роль первоначала. Это также объясняет и «непостижимую эффективность математики». Этим выражением Юджин Вигнер обозначил невероятную способность математики объяснять физические явления. Если физические явления – результаты математических построений, то в том, что мы находим все новые и новые математические объяснения самой сущности той Вселенной, в которой мы живем, нет ничего удивительного.

Время как выражение неполноты знания

Некоторые хотели бы, чтобы мы вообще покончили с необходимостью говорить о времени. Мои часы идут и идут. Сейчас они показывают чуть больше половины одиннадцатого вечера. Но что это значит? Стоит поместить другие часы, показывающие то же время, на космический корабль, и по возвращении они уже не будут совпадать с моими.

Из открытий Эйнштейна следует, что мы можем лишь сравнивать ход разных часов. Никакие часы не измеряют абсолютное время. Такое понятие просто не имеет смысла. Если вдуматься, станет ясно, что так было всегда. Как Галилей выяснил, что колебания маятника – хорошее средство измерения времени? Он сидел на мессе и наблюдал, как люстра, висевшая в церкви, качается на ветру. Когда он сопоставил ее колебания со своим пульсом, он понял, что период колебаний не зависит от угла размаха люстры. Но Галилей сравнивал одну меру времени с другой, которую он считал постоянной. На самом деле все эти устройства, измеряющие время, измеряют его лишь друг относительно друга.

Если вернуться к физическим уравнениям, то, хотя время играет в них важную роль, все их можно переписать, вообще не ссылаясь на время. То, что мы так сильно чувствуем течение времени, кажется, сделало его наиболее очевидным для нас окном для наблюдений за миром. Все книги по механике посвящены развитию Вселенной во времени. Уравнения траектории полета мяча используют время в качестве входного параметра и выдают в качестве результата координаты места, в котором этот мяч можно найти. Но ни одна из книг не определяет, что такое время, и ни один физик не установил четко и удовлетворительно, что мы понимаем под временем, так что, возможно, лучше всего было бы вовсе исключить его из рассмотрения.

Такова была цель, которую поставил перед собой физик Джулиан Барбур. Не занимая никакой научной должности, зарабатывая на содержание своей семьи переводами с русского, Барбур разработал теорию физической картины мира, в которой вовсе не было необходимости во времени. Он изложил свои идеи в революционной книге «Конец времени» (The End of Time: The Next Revolution in our Understanding of the Universe), опубликованной в 1999 г. «Ничего не происходит; есть бытие, но нет становления. Течение времени и движение являются иллюзиями»[103]. Довольно многие физики, работающие в традиционных научных учреждениях, восприняли его идеи в высшей степени серьезно.

Но тогда почему же я чувствую, что нечто, называемое временем, продолжает течь и я нахожусь в его власти? Я ощущаю, что не могу вернуться во времени вспять, что будущее ждет своей очереди случиться. Я помню прошлое, но не помню будущего. Итальянский физик Карло Ровелли и французский математик Ален Конн считают, что такое ощущение есть результат неполноты знания. Их так называемая тепловая гипотеза времени утверждает, что время – эмерджентное, вторичное явление, а не фундаментальная концепция.

Если взять любую физическую систему – например молекулы газа, находящиеся в моей комнате, – то, как правило, мы не имеем полного знания микроскопического состояния этих молекул. У нас есть только макроскопическое статистическое описание, допускающее возможность существования множества разных микроскопических состояний. Мы вынуждены рассматривать такую ситуацию статистически из-за неполноты нашего знания. Ровелли и Конн смогли показать математически, как такое неполное знание порождает поток, имеющий все те свойства, которые мы ассоциируем с ощущением течения времени. Они считают, что время возникает из макроскопического рассмотрения неизвестных микроскопических систем. Если проникнуть в такую систему достаточно глубоко, время исчезнет подобно тому, как идея поверхности жидкости теряет смысл на атомарном уровне структуры этой жидкости. Можно также вспомнить о бессмысленности рассуждений о температуре атома или о влажности молекулы воды. Время – тоже не фундаментальное, а такое же эмерджентное свойство.

Все это не значит, что эти вещи не существуют в реальности. Температура, влажность, ход времени. Я смотрю на часы. С их циферблата на меня смотрят цифры 23:55. Заканчивается еще один день. Вот-вот пробьет полночь, возвещая конец праздника и принося ощущение, что я еще на один день приблизился к тому моменту, когда я уже ничего не смогу знать. Но почему я вообще что-то ощущаю – течение времени, боль в ушибленном пальце, удовольствие от вкуса хорошего вина, восторг от музыки Прокофьева? Все это составляет самую суть одного из величайших из неразрешенных и, возможно, неразрешимых вопросов науки – как мы увидим на следующем «рубеже».

Рубеж шестой: Виртуальный собеседник

11

Мой мозг? Он у меня на втором месте в списке любимых органов.

Вуди Аллен. Спящий

Я скачал приложение для смартфона под названием Cleverbot и испытываю его. Оно пытается убедить меня, что оно – человек. Поэтому для проверки я решил задать ему несколько вопросов. Одновременно я посылал те же вопросы приятелю моего сына, и вот результаты. Можете ли вы сказать, какие ответы получены от человека, а какие – от программы?

Вопрос 1: Есть ли у тебя подруга?

Ответ А: Ты хочешь, чтобы у меня была подруга?

Ответ В: Не твое дело.

Вопрос 2: О чем ты мечтаешь?

Ответ А: Я мечтаю стать знаменитым поэтом.

Ответ В: Заработать кучу денег.

Вопрос 3: Есть ли у тебя сознание?

Ответ А: Если бы его не было, не думаю, что я…

Ответ В: Только в этом я и уверен.

Оказывается, что чем больше я играю с Cleverbot, тем больше я учу приложение отвечать как человек. Каждый мой разговор с приложением сохраняется и используется в последующих разговорах, так что мои ответы становятся частью следующей беседы, которую ведет Cleverbot.

Хотя из ответов на мои вопросы нельзя сделать окончательных выводов, разговор с Cleverbot вскоре показывает, что до уровня человека ему еще довольно далеко. Тем не менее вопрос о том, поумнеет ли когда-нибудь мой смартфон настолько, чтобы осознавать собственное существование, и можно ли точно сказать, разговариваю ли я действительно с другом моего сына, имеющим сознание, или всего лишь с очень хорошей имитацией, оказывается гораздо более сложным и ведет нас прямо в сердце одной из самых трудных непознаваемых вещей, о которых идет речь в этой книге.

Оба ответа на мой вопрос о сознании отсылают к знаменитому изречению Декарта: «Я мыслю, следовательно, существую». Таков был его ответ скептикам, сомневавшимся, может ли он быть уверен, что мы действительно знаем хоть что-нибудь о Вселенной. Скептики, впервые появившиеся в афинской Академии Платона, считали, что ничто не может быть точно известно. Вам кажется, что вы сейчас держите в руке книгу или, возможно, какое-то электронное устройство. Но уверены ли вы в этом? Я беру со стола игральную кость. По меньшей мере мне кажется, что я ее взял, но все это может быть сном – возможно, ни книги, ни кости не существует. Возможно, все эти ощущения – некая моделируемая компьютером среда, которую загружают в наш мозг, как в какой-нибудь сцене из «Матрицы». Декарт отвечает в своих «Размышлениях», что единственное, в чем я могу быть уверен во всех этих сценариях, – это мое собственное существование, мое собственное сознание. Однако это самое «Я» может оказаться одним из главных случаев непознаваемого.

Ты думаешь о Том же, о чем думаю я?

У ученых есть такой термин – «трудная проблема сознания». Она касается нашего внутреннего мира: что делает меня мной? Что именно создает наше ощущение сознания? Какие ингредиенты и механизмы создают сознание и как оно возникает? Как я могу знать, обладает ли мой сознательный опыт теми же качествами, что и ваш? Могу ли я попасть внутрь вашей головы и испытать то, что ощущаете вы? Если я слишком много выпью, на следующее утро у меня будет болеть голова, но имеет ли это ощущение хоть что-нибудь общее с тем похмельем, которое бывает у вас? Когда я смотрю на свою игральную кость, я вижу красный цвет. Вы называете этот цвет тем же словом, и мы оба испытываем воздействие света с одной и той же длиной волны. Но в самом ли деле то, что видите вы, совпадает с тем, что вижу я? Вообще, имеет ли этот вопрос смысл? Когда я играю на своей виолончели, наших ушей достигают одни и те же вибрации струн, но могу ли я быть уверен, что ваш мозг ощущает тот же восторг от сюиты Баха, что и мой?

Время, в котором мы живем, – золотой век для исследования вопросов сознания. На четвертом «рубеже» я рассказывал, как изобретение подзорной трубы позволило Галилею и его современникам исследовать края Вселенной. На втором «рубеже» мы увидели, что изобретение микроскопа подарило нам средство заглянуть вглубь структуры материи. А в начале XXI в. нам посчастливилось получить новые телескопы – телескопы разума. Сканеры фМРТ и ЭЭГ позволяют исследователям заглянуть внутрь нашего мозга и измерить его деятельность, соответствующую нашим ощущениям от боли, красного цвета и звуков виолончели.

Но даже если можно установить, что ваша мозговая деятельность в точности совпадает с моей, это не означает, что мой сознательный опыт тот же, что и ваш. Почему? Раз мы с вами устроены совершенно одинаково, почему же нельзя предположить, что ваш внутренний мир подобен моему? Мы используем тот же принцип однородности, который является ключевым элементом космологии. То, что происходит здесь, вероятно, совпадает с тем, что происходит в других местах. И тем не менее все мои рассуждения могут быть основаны только на моем собственном сознательном опыте – на одной-единственной точке. А вдруг мое сознание уникальным образом отличается от всех остальных, хотя результаты всех исследований моего мозга кажутся совпадающими с вашими результатами? Может быть, у вас вообще нет сознания. Откуда мне знать? Язык сформировался таким образом, что я использую слово «красный» для описания всего, что в моем обществе принято считать красным; но очень может быть, что я испытываю при этом нечто радикально отличное от того ощущения, которое получаете от красного цвета вы.

Мы уже знаем, что существуют люди, переживающие при звуках виолончели или при виде числа 2 сознательный опыт иного качества. Для синестетов эти ощущения приводят в действие другие чувства. Моя жена получает ощущение очень темного красного цвета при виде числа 9 или буквы S. Определенные струны вызывали цветовые ощущения у моего любимого композитора Оливье Мессиана. Физик Ричард Фейнман получал такие же разноцветные ощущения от математических уравнений. Всё это наши новые телескопы разума могут объяснить или по меньшей мере обнаружить. В принципе они могут зарегистрировать фундаментально разные варианты работы мозга. Но даже если все данные говорят о том, что деятельность мозга другого человека проявляется точно так же, как деятельность вашего мозга, можете ли вы точно знать, действительно ли у него есть сознание – или же он зомби, искусно притворяющийся разумным человеком? В этом и состоит трудная проблема сознания, и кое-кто считает, что ответа на ее вопрос мы знать не можем.

Где находится сознание?

Многие другие вопросы, которые мы рассматривали, имеют богатую историю и показывают, как проводившиеся на протяжении многих веков исследования позволили нам получить знание. Но проблемы сознания и изучения того, что находится внутри живого мозга, так сложны, что вплоть до последних десятилетий, принесших нам новые технологии, они относились к области интересов богословов и философов, а не естествоиспытателей. Что не означает, однако, что мы не пытались решить эту задачу.

Вопрос о местонахождении «Я» беспокоил ученых на протяжении многих столетий. У меня есть сильное ощущение, что мое «Я» находится где-то непосредственно за моими глазами. Мне кажется, что там сидит маленькая копия меня, которая наблюдает мир через мои глаза как на киноэкране и решает, как должно действовать тело, заключающее в себе мое сознание. Я безусловно чувствую, что существование моего сознания не зависит от всего моего тела. Если я отрублю себе руку, мое сознание не должно разделиться надвое. Моя рука – это не я. Но сколько кусков можно отрубить от моего тела, прежде чем я смогу выяснить, что именно делает меня мной?

В том, что сознание существует именно в мозге, были уверены не все. Например, Аристотель считал, что мозг служит всего лишь охлаждающим устройством для сердца, в котором, по его мнению, и сосредоточены чувства. Однако другие ученые понимали, что мозг, вероятно, является ключевым элементом определения личности. Анатом Руф Эфесский, живший в I в., составил одно из первых анатомических описаний мозга. Вынув мозг из черепа, прежде всего замечаешь, что он состоит из трех явно раздельных частей: двух половин, которые кажутся зеркальным отражением друг друга и называются полушариями большого мозга, и расположенной под ними части, кажущейся уменьшенной копией мозга, – мозжечка.

Если мозг разрезать, в нем можно видеть полости, заполненные жидкостью, – желудочки. В Средние века ученые считали, что эти ячейки управляют разными типами умственной деятельности: воображение сосредоточено в переднем желудочке, память – в заднем, а разум расположен между ними. Леонардо да Винчи полагал, что здравый смысл, объединяющий все пять чувств в единый опыт, сродни нашему представлению о сознании, расположен в переднем желудочке.

Слева представлен мозг, вид сверху; видны два полушария. Справа – мозг, вид слева; в основании мозга виден мозжечок

Напротив, Декарт считал, что, если каждый из нас имеет единое сознание, искать его следует в некоей части мозга, не имеющей зеркального двойника, но представляющей собой единое целое. Он предполагал, что душа находится в шишковидной железе (эпифизе).

Даже при помощи микроскопа трудно увидеть, что в этом комке серого вещества могло создать ту сложную личность, которая читает сейчас эту книгу. Я никогда раньше не видел настоящего мозга, и мне было интересно, может ли встреча лицом к лицу – или мозгом к мозгу – с ним дать мне какие-нибудь новые идеи. Поэтому я отправился туда, где можно найти высочайшую в Великобритании концентрацию мозгов. Речь идет не об Оксфордском университете, а о Мозговом банке Общества болезни Паркинсона. Там мне позволили подержать в руках мой первый мозг – мозг недавно умершего человека, который завещал его банку биологических тканей.

Контейнер, в котором теперь находится этот мозг, помечен кодом С33. Но его содержимое когда-то имело имя – так же, как вы и я. В этом мозге некогда жили надежды и страхи, воспоминания и мечты, влюбленности и тайны 89-летнего человека, который решил завещать свой мозг медицине. Где сейчас этот человек? Что происходило внутри этого мозга до того, как он умер, что порождало его сознательный опыт и что именно прекратилось теперь?

Если просто взять мозг в руки, не становится яснее, как он может создавать наш сознательный опыт. Он выглядит как большой кусок фуа-гра. Гипотеза о том, что желудочки, наполненные жидкостью, являются ключевым элементом нашего сознания, оказалась ложной; однако идея о том, что разные области мозга отвечают за разные функции, была правильной.

В XIX в. ученые, анализировавшие нарушения работы мозга, вызванные травмами или другими повреждениями, начали понимать, что разные мозговые функции обеспечиваются разными участками мозга. Например, передняя часть мозга отвечает за решение задач и принятие решений, а также за общественное и половое поведение. Средняя часть занимается ощущениями и восприятием, а также сбором и объединением информации, получаемой органами чувств. Задняя часть мозга подобна киноэкрану – она отвечает за визуальное восприятие, и это отчасти объясняет мое ощущение, что мое сознание находится в глубине моей головы и смотрит оттуда фильм моей жизни.

А как насчет двух сторон мозга? О роли каждой из сторон строилось много предположений, но недавние исследования показывают, что мозг может быть более пластичным и гибким, чем считали некоторые. При этом мы знаем, что языковый центр расположен в основном в левой части мозга. Французский врач Поль Брока анализировал в XIX в. мозг пациентов, утративших дар речи, и выяснил, что все они имели повреждения одной и той же части мозга, которую теперь называют центром Брока. Несколько лет спустя, в 1874 г., немецкий медик Карл Вернике предположил, что повреждение другого участка мозга вызывает у пациентов затруднения с восприятием речи (а не с артикуляцией слов). Этот участок, расположенный в задней части левого полушария мозга, известен сейчас под названием области Вернике.

Левая сторона мозга также отвечает за обработку числовой информации – я использую ее, когда рассчитываю вероятности, связанные с броском моей игральной кости. Именно здесь происходит обработка чисел. Правая сторона мозга отвечает за извлечение звуков из моей виолончели и за слушание музыки, а также за представление геометрических фигур – например икосаэдра, форму которого имеет моя бумажная Вселенная. Чтобы мозг работал с максимальной производительностью, две его половины должны постоянно обмениваться сигналами друг с другом через так называемое «мозолистое тело», разделяющее два полушария. Сообщение между двумя полушариями происходит при помощи нервных волокон, проходящих сквозь эту соединительную поверхность. Это довольно странная конструкция, сильно затрудняющая обмен информацией между двумя сторонами мозга.

Отрубленная рука, очевидно, не должна изменить мое сознание, а что будет, если разрезать пополам мозг? Раз сознание есть результат деятельности мозга, что случится с сознанием, если разрезать мозолистое тело так, чтобы две половины мозга не могли сообщаться между собой? Разделится ли оно надвое?

Разделение сознания

Хирургическая операция по рассечению мозолистого тела, называемая каллозотомией, была впервые произведена на живых пациентах с целью ограничения эпилептических припадков в 1940-х гг. Эпилептический припадок – это, по существу, одновременное возбуждение огромного числа нейронов по всему мозгу. По мозгу проходит волна электрического возбуждения, вызывающая у пациента припадок. Теоретически предполагалось, что, перерезав мозолистое тело, можно предохранить от таких сильных перепадов возбуждения по меньшей мере одну сторону мозга. Но как такая операция сказывается на сознании?

Существуют основательные данные в пользу того, что тело действительно содержит сейчас два отдельных сознания. Поскольку каждое из полушарий мозга занимается физическим поведением противоположной ему стороны тела, такое разделение сознания можно наблюдать в несогласованном поведении двух сторон тела. Существуют удивительные киноматериалы, показывающие пациента, перенесшего такую каллозотомию: левая сторона его тела физически нападает на правую сторону. Левая сторона тела, управляемая правым полушарием мозга, не имеет доступа к лингвистическим центрам мозга, расположенным в левом полушарии, и, следовательно, лишена средств словесного самовыражения. Раздражение этой неспособностью, по-видимому, проявляется в форме физической агрессии. В конце концов этому пациенту были прописаны лекарства, подавляющие деятельность правого полушария и позволяющие левому полушарию доминировать.

Остается спорным, действительно ли данный случай демонстрирует пример ссоры сознания, расположенного в правой части мозга, с сознанием его левой части. Могут существовать физические реакции, не связанные ни с каким сознательным опытом, – подобные рефлекторной реакции, вызываемой ударом молоточка по колену.

Другой примечательный опыт, подтверждающий идею существования в одном и том же теле двух разных личностей, касался счета. Перед пациентом, перенесшим каллозотомию, ставили ширму, загораживающую от него стол, на котором лежало несколько предметов. Пациент мог просунуть правую или левую руку в отверстие в ширме и сосчитать на ощупь число предметов, лежащих на отгороженном от него столе.

В случае использования правой руки пациент правильно называл вслух число предметов, которые он нащупал рукой. Но, если он использовал левую руку, происходило нечто очень странное. Экспериментатор просил пациента назвать вслух число предметов, нащупанных левой рукой, и ответ пациента был совершенно случайным и совершенно неправильным. Языковая (левая) сторона мозга, называвшая число, не имела связи с левой рукой (управляемой правой стороной мозга) – она попросту пыталась угадать правильный ответ.

Однако, когда экспериментатор попросил пациента показать число нащупанных предметов на пальцах, пациент без труда показывал правильное число. Одна сторона мозга была способна выражаться словами, но могла лишь догадываться о правильном ответе; другая могла изъясняться только языком жестов, но знала верный ответ. Такие результаты, по-видимому, труднее объяснить, исходя из простой автоматической физической реакции на внешние стимулы.

Но опять же, хотя правая сторона мозга сохраняет способность к разумным действиям, может быть, мы имеем дело с зомби, не имеющим никакого разумного внутреннего мира, но тем не менее способного действовать как разумное существо? Как можно отличить одно от другого? И, собственно говоря, почему мы должны приписывать сознательность исключительно левому полушарию, порождающему языковые способности?

Разделенный мозг не может объединять информацию так, как это делает взаимосвязанный мозг. Если показать левому глазу слово «нос», а правому глазу – слово «рог», пациент произнесет слово «рог» и сможет указать левой рукой на нос, но будет не в состоянии объединить эти два слова в понятие носорога. Но говорит ли этот пример о существовании двух сознаний или только о неспособности разделенного мозга сформулировать смысловую связь?

Многие пациенты, перенесшие каллозотомию, могут вполне успешно осуществлять жизненные функции. Они могут водить машину, работать и нормально ориентироваться в обществе. Способны ли две стороны мозга такого пациента к интеграции, или же они представляют собой пример успешного совместного действия двух сознаний, по сути дела двух одинаковых экземпляров, один из которых воспроизводит поведение второго?

Сознание берет многочисленные входящие сигналы, которые мозг получает от органов чувств, и объединяет их в единый опыт. Мозг пациентов, перенесших каллозотомию, не может этого сделать. Но, возможно, существуют и другие случаи, когда мозгу, даже не разделенному каллозотомией, трудно объединить мозговую деятельность в единый опыт. Может быть, такие болезни, как шизофрения или расстройство множественной личности, вызваны именно неспособностью мозга сформировать единый объединяющий голос. В результате кажется, что в одном и том же мозге заключено сразу несколько разумных существ.

Хотя такие случаи расстройства мозга помогли нейробиологам установить связи между некоторыми областями мозга и определенными мозговыми функциями, настоящая революция в понимании архитектуры мозга произошла в конце XIX в., в работах испанского ученого Сантьяго Рамона-и-Кахаля.

Выключатель личности

В детстве Рамон-и-Кахаль, родившийся в 1852 г., мечтал стать художником, но его отец не считал эту профессию подходящей для своего сына. По его мнению, медицина была гораздо более достойным делом[104]. Чтобы возбудить у сына интерес к медицине, он использовал любопытную тактику: водил его на кладбище, где они вместе исследовали человеческие останки. Рамон-и-Кахаль удовлетворял свою тягу к изобразительному искусству, рисуя схемы выкопанных ими человеческих скелетов, но план его отца принес свои плоды: анатомия человека чем дальше, тем больше интересовала сына. В 1877 г. он получил степень доктора медицины.

Лет через десять после этого Рамон-и-Кахаль наконец нашел возможность совместить любовь к искусству с интересом к анатомии. Будучи профессором в Университете Барселоны, он узнал о новой технике, использовавшей нитрат серебра для выявления структуры нервных клеток. Применив эту технику к клеткам мозга, он получил одни из первых изображений поистине необычайно сложного строения этой части нашего организма. Использование нитрата серебра позволило ему произвольным образом окрашивать клетки мозга, выделяя их структуру. Полученные им результаты были поразительны и прекрасны.

На этой иллюстрации воспроизведено одно из первых изображений нейрона. Это клетка сетчатки человеческого глаза. Так было получено первое свидетельство того, что мозг не является непрерывной структурой, но состоит из отдельных взаимосвязанных клеток, называемых нейронами.

По мере того как Рамон-и-Кахаль окрашивал все новые и новые клетки в разных частях мозга, он открывал нейроны разных форм и размеров. Благодаря своему художественному таланту он смог заполнить свои альбомы сложным многообразием структур, которые он документировал, как энтомолог регистрирует пойманных бабочек. Теперь мы знаем, что в человеческом мозге имеется около 86 миллиардов нейронов – если считать их по штуке в секунду, это займет более 2700 лет. Хотя в человеческом теле содержатся нейроны самых разных форм и размеров, из рисунков Рамона-и-Кахаля видно, что все они имеют очень сходное базовое строение. Каждый нейрон состоит из центрального тела, называемого сомой, и ветвей, расходящихся от сомы, – их называют аксонами и дендритами.

Как, собственно говоря, работает нейрон? Включение или возбуждение нейрона в чем-то подобно срабатыванию выключателя. Например, если во время моей игры на виолончели мое ухо замечает изменение давления воздуха, это вызывает молекулярные изменения в нейроне, что приводит к прохождению через эту клетку электрического тока. Тогда этот нейрон может общаться с другим нейроном через соединения, называемые синапсами. У каждого нейрона из клетки выходит один аксон, подобный электрическому проводу, по которому информация может передаваться другим нейронам. Аксон соединен с дендритами других нейронов через синапсы. Электрическое возбуждение одного из нейронов может порождать химическую реакцию в синапсах, соединенных с другими нейронами, что приводит к их возбуждению. Работа мозга очень похожа на работу компьютера или того же смартфона с приложением виртуального собеседника: каждый из нейронов может быть возбужденным или невозбужденным.

Правда, некоторые особенности все же отличают мозг от компьютера. Существуют аналоговые факторы, управляющие возбуждением нейронов. Возбуждение нейрона может произойти, только если интенсивность химического потока в синапсе превысит критическую величину. Интенсивность возбуждения нейронов не менее важна для передачи информации, чем сам факт их возбуждения. Тем не менее существование таких дискретных нервных клеток, соединенных «проводами», которые определяют активное или неактивное состояние каждой клетки, выглядит чрезвычайно соблазнительно с точки зрения возможности создания в устройствах, подобных моему смартфону, искусственного разума. Но сеть, созданная в нашем мозге эволюцией, чрезвычайно сложна. Каждый из аксонов может быть соединен с тысячью разных дендритов. Эта цифра кажется очень большой, но, учитывая, что мозг содержит 86 миллиардов нейронов, каждый отдельный нейрон оказывается соединен лишь с малой частью всего мозга.

Именно эти электрические и химические процессы порождают мозговую деятельность, и их потеря может приводить к возникновению нарушений и патологий. 89-летний человек, мозг которого я держал в руках в Мозговом банке Общества болезни Паркинсона, страдал от болезни Альцгеймера, которая является прямым следствием потери нейронов и синапсов.

Мы можем вскрыть мозг, окрасить его клетки нитратом серебра, составить статическую карту сети нервных клеток, но как нам получить динамическую картину мозговой деятельности? Настоящую революцию в исследованиях мозга произвело появление возможности заглянуть внутрь живого мозга в то самое время, когда он выполняет те или иные задачи. Развитие новых технологий привело к поразительным успехам исследования мозга.

Нейротелескопы

Самый легкий и быстрый способ узнать что-то о мозговой активности – это использование ЭЭГ. Когда мой мозг впервые должны были сканировать методом ЭЭГ, я несколько нервничал. Машина довольно сильно напоминала инопланетный аппарат для извлечения мозга. Процедура оказалась весьма длительной и включала в себя зачистку моего скальпа шлифовальной бумагой для обеспечения лучшего контакта и прикрепление к моей голове 64 электродов, которые хотя и не извлекли из нее мозг, но позволили увидеть кое-что из моих мыслительных процессов.

Электроэнцефалография (ЭЭГ), которую разработал в 1920-х гг. немецкий физиолог Ханс Бергер, использует электроды для регистрации электрической активности на поверхности скальпа. ЭЭГ измеряет колебания напряжения, вызываемые электрическим током, который протекает внутри нейронов мозга и между ними. При помощи ЭЭГ ученые обнаружили несколько разных типов волн, соответствующих разным видам мозговой деятельности. Синхронизированная активность большого числа нейронов порождает макроскопические колебания с разными частотами, соответствующие разным состояниям мозга.

Обнаруженный первым и наиболее известный частотный диапазон называют альфа-волнами: они возникают в результате синхронизированной активности большого числа нейронов, порождающей макроскопические колебания с частотой 8–12 Гц. Эта частота значительно ниже частоты нот, которые я извлекаю из своей виолончели: самая низкая из них вибрирует с частотой 65 Гц. Тем не менее эта волна подобна музыкальной ноте, звучащей в мозге. Альфа-волны можно обнаружить в задней части мозга в состоянии расслабленного бодрствования, причем они усиливаются, когда пациент закрывает глаза. Но они – не единственные ноты, которые играет мозг; в другие периоды мозговой деятельности можно обнаружить волны с другими частотами.

Самые медленные колебания – дельта-волны с частотой 1–4 Гц, соответствующие бессознательному состоянию глубокого сна без сновидений.

Следующий вид – тета-волны с частотой 4–8 Гц, соответствующие неглубокому сну или медитации.

Более быстрые, чем альфа, бета-волны с частотой 13–30 Гц, возникающие в мозге в состоянии активного бодрствования.

Наиболее важными для способности мозга образовывать сознание считаются быстрые гамма-волны с частотой 30–70 Гц; их частоты чуть-чуть захватывают нижнюю часть диапазона моей виолончели. Предполагается, что гамма-волны отвечают за формирование мыслей, обработку языка, память и различные типы обучения.

Что гудит в мозге: от гамма-волн до дельта-волн

По мере того как день в нашей жизни сменяется ночью, мозг, по-видимому, ведет себя как оркестр, исполняющий симфонию, переходя от быстрых частей к медленным и обратно, время от времени выдавая скерцо, когда нам приходит в голову новая идея или встречается новая ситуация.

В сигналах ЭЭГ можно видеть резкие перепады, происходящие во время сна и отражающие переход от более высоких частот ко все более низким, характерным, например, для альфа-волн. Собственно говоря, разные стадии сна характеризуются разными частотами волн, распространяющихся в мозге, и именно поэтому такие нейронные колебания можно связать с такими когнитивными состояниями, как восприятие или сознание. Например, врачи констатируют смерть мозга, когда ЭЭГ не регистрирует никаких волн. Как нам кажется, волны, распространяющиеся в мозге, синхронизируют мозговую деятельности так, чтобы обеспечить наибольшую производительность работы мозга.

Хотя ЭЭГ открыла исследователям возможность быстрого доступа к мозговой деятельности, пожалуй, наиболее известным инструментом изучения происходящего внутри мозга стала технология функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), разработанная в 1990-х. По сравнению с компактным аппаратом ЭЭГ сканер фМРТ выглядит настоящим монстром. Он напоминает космическую капсулу для анабиотического сна – вот только заснуть в нем не удастся никому. Электромагниты работают с таким грохотом, что мне, когда я был внутри такого сканера, понадобились беруши. Хотя исследование на сканере фМРТ не болезненно, для получения четкой картины того, что происходит в голове пациента, он должен оставаться неподвижным неестественно долгое время.

Сканер выявляет изменения напора крови и содержания в ней кислорода, вызываемые нервной деятельностью. Более активные участки мозга используют большее количество кислорода. Усиление притока крови к активному участку может быть обнаружено, потому что кровь с более высоким содержанием кислорода более магнитна. Сканер фМРТ способен обнаруживать такие магнитные колебания, на основе которых впоследствии могут быть составлены карты активности, показывающие, какие именно части мозга участвуют в том или ином мыслительном процессе.

Поскольку ЭЭГ непосредственно измеряет мозговую деятельность по изменениям электрических параметров, а фМРТ лишь регистрирует производные характеристики, ЭЭГ позволяет гораздо точнее определить, что происходит внутри мозга. На данный момент фМРТ не может соревноваться с ЭЭГ в возможностях измерения изменений мозговой деятельности, происходящих с течением времени. Зато фМРТ позволяет получить снимки состояний мозга с гораздо более высоким разрешением. Поэтому сочетание этих двух методов дает нам возможность получить хорошее представление о работе мозга. Например, как ЭЭГ, так и фМРТ может определить, какой именно из участков моего мозга активизируется, когда я думаю о математике. Так можем ли мы увидеть сознание при помощи этих нейротелескопов? Пока что не можем. Собственно говоря, остается неясным,

Есть ли сознание у моего кота?

Даже если мы понимаем, какая часть мозга активизируется при тех или иных действиях и как работает химия и физика мозга, это все равно не позволяет нам толком понять, почему у нас есть сознание собственного «Я». Как подступиться к этому вопросу? С точки зрения математика, существует один мощный способ понять, что есть та или иная сущность, – сначала нужно попробовать понять, почему все остальное ею не является.

Например, несмотря на все старания моего виртуального собеседника убедить меня в обратном, я не верю в наличие сознания у моего смартфона или, например, у стула, на котором я сижу. А как насчет животных? До того как мой черно-белый кот Фредди убежал из дому, он любил сидеть в моем кабинете, бездельничая, пока я работал над своей математикой. Но обладал ли он самосознанием? А младенцы? Мозг ребенка развивается по мере его роста, и при этом изменяются его сознание и чувство самоосмысления. Как же можно определить разные уровни сознания? Существуют ли ступени развития мозга, проходимые по мере возникновения разных состояний сознания?

Разумеется, расспросить животное – например моего кота – о его внутреннем мире непросто. Однажды, в конце 1960-х гг., когда Гордон Гэллап, специалист по поведению животных, брился перед зеркалом, размышляя о том, как можно было бы проверить наличие у животных самосознания, его внезапно осенило. Он знал, что лицо, которое он видит в зеркале, – его. Интересно, кто из животных может понять, что в зеркале они видят не другое животное, а изображение самих себя?

Просмотрев в интернете практически бесконечное число видеороликов про кошек, можно сделать вывод, что кошка, как правило, считает, что в зеркале ей показывают другую кошку, ее соперника, находящегося в той же комнате. Но как можно определить, понимает ли животное, что зеркало отражает его собственное изображение? Гэллап разработал очень надежный тест, позволяющий выявить виды животных, представители которых узнают себя в зеркале, что, в свою очередь, позволяет предположить, что они обладают самосознанием.

Тест очень простой. Сначала животное знакомят с зеркалом, чтобы оно привыкло к своему отражению. Сохранилась, например, замечательная съемка шимпанзе, восторженно танцующих перед зеркалом со своими отражениями. Но думают ли они при этом, что танцуют с другим шимпанзе, или любуются собственными движениями? В некоторый момент экспериментатор уводит животное от зеркала и, вытирая его морду, незаметно наносит прямо под глазом животного красную отметку так, чтобы животное не знало об этой отметке и не могло ее увидеть без зеркала. Гэллап хотел узнать, как животные будут реагировать на свое отражение в зеркале в этом случае.

Когда вы смотрите в зеркало и видите, что на вашей щеке что-то появилось, первым рефлекторным движением вы трогаете такую отметку, чтобы понять, что это такое. Так называемый зеркальный тест Гэллапа на самоузнавание дал удивительные результаты: оказалось, что человек входит в очень небольшую группу животных, которые систематически проходят этот тест на наличие сознания или самосознания. Единственными другими видами, которые вели себя сходным образом в опытах Гэллапа, были орангутаны и шимпанзе. В 2001 г., когда были опубликованы результаты исследований дельфинов-афалин, проведенных Дианой Рейсс и Лори Марино, к этому списку добавился третий вид.

Хотя у дельфинов нет рук или лап, которыми они могли бы потрогать отметку, при ее наличии они проводили перед зеркалом, поставленным в бассейн, гораздо больше времени. При этом отметки, имеющиеся на других дельфинах в том же бассейне, их не интересовали, что свидетельствует по меньшей мере о некотором понимании того, что дельфин в зеркале – не просто другой дельфин. Помимо орангутанов, шимпанзе и дельфинов этот тест смогли пройти некоторые отдельные животные других видов. Некоторые умные сороки. Некоторые слоны. Но во всяком случае систематическое прохождение теста не было обнаружено ни для какого другого вида в целом[105].

Как ни удивительно, шимпанзе начинают проваливать тест в возрасте 30 лет, когда им еще остается 10–15 лет жизни. Причина этого может быть связана с тем, что самосознание даром не дается. Сознание позволяет мозгу участвовать в путешествии во времени. Мы можем вспомнить о своем прошлом и даже представить себя в будущем. И именно поэтому Гэллап считает, что ближе к концу жизни шимпанзе предпочитают утрачивать способность к самосознанию. За сознание собственного существования приходится платить знанием о неизбежности смерти. Сознание смерти – цена сознания самого себя. Отсюда возникает следующий интересный вопрос: не играет ли аналогичную роль у людей старческая деменция, защищающая стареющего человека от болезненного понимания неизбежности близкой смерти?

Разумеется, зеркальный тест на самоузнавание – это очень грубое средство измерения сознания. Он благоприятствует видам с хорошо развитым зрением. Собаки, например, не отличаются хорошим зрением и используют для узнавания других собак запах, так что, даже если собака имеет столь же развитое самосознание, трудно ожидать, чтобы она смогла пройти такой тест. Даже для тех видов, у которых зрение является основным чувством, используемым для исследования мира, этот тест на сознание собственного «Я» остается очень неточным. Тем не менее в применении к человеку он дает поразительно интересные результаты, так как позволяет определить, когда именно в развитии мозга происходит переход, благодаря которому мы начинаем узнавать свое собственное отражение в зеркале.

Я не думаю, что мои дети в младенчестве имели то же чувство своего «Я», которое они имеют сейчас. Но начиная с какого момента они стали реагировать на отметку, втайне от них нанесенную на их лица, так же, как шимпанзе? Оказывается, что ребенок в возрасте одного года и четырех месяцев продолжает играть перед зеркалом, не замечая такой новой отметки, хотя и может потрогать зеркало, пытаясь изучить это слегка необычное изображение.

Но, если поставить перед зеркалом двухлетнего ребенка, его руки сразу потянутся к лицу, чтобы исследовать незнакомое пятно. Такая сильная реакция свидетельствует о том, что двухлетний ребенок уже узнает свое изображение и думает: «Это я». В развитии мозга происходит какое-то изменение, наделяющее нас самосознанием, но в чем именно оно заключается, пока что остается тайной.

Если сознание возникает у человека в определенный момент, в возрасте полутора-двух лет, то тот же вопрос можно задать и в космическом масштабе. Когда во Вселенной впервые появилось сознание? Очевидно, сразу после Большого взрыва не возникло ничего, что можно было бы считать обладающим сознанием. Значит, должен был существовать момент, в который появилось первое сознание. То есть сознание должно качественно отличаться от гравитации или времени, хотя вопрос о том, в какой степени эти последние являются фундаментальными или эмерджентными свойствами, тоже оказывается не вполне разрешенным.

Американский психолог Джулиан Джейнс (1920–1997) предположил, что возникновение сознания у человека может помочь в объяснении создания концепции Бога. По мере эволюции сознания постепенно появилось странное осознание того, что у нас в голове звучат какие-то голоса. Возможно, считает Джейнс, Бог был придуман в качестве объяснения этого постепенно проявляющегося внутреннего мира.

Когда вы читаете этот текст, вы, возможно, слышите, как его слова звучат в вашей голове. Это ощущение есть часть мира вашего сознания. Но эти слова не произносятся вслух, и никто другой их не слышит. Они – часть вашего, и только вашего, сознания. Джейнс полагал, что испытываемый по мере развития человека и возникновения сознания шок от появления в голове такого голоса мог выразиться в идее трансцендентного разума, чего-то, не принадлежащего этому миру, – и побудить мозг воспринимать этот голос как глас божий.

Идея близости нашего внутреннего мира трансцендентной концепции Бога лежит в основе многих религиозных практик Востока, в том числе ведической традиции. Брахмана, трансцендентное верховное существо индуизма, часто отождествляют с Атманом, то есть концепцией индивидуального «Я».

Как это ни забавно, Джейнс считал, что момент появления сознания в эволюции человека можно довольно точно определить. Он считал, что это произошло где-то в VIII в. до н. э., между созданием Илиады и Одиссеи Гомера. В Илиаде нет никаких свидетельств наличия у персонажей внутреннего мира, самоанализа или самосознания. Участники осады Трои попросту слепо выполняют волю богов. Напротив, в Одиссее мы встречаем явно интроспективного Одиссея, сознающего свою личность, обладающего сознанием, которого, по-видимому, не было у действующих лиц Илиады.

Обман разума

Один из аспектов удовольствия от чтения такой книги, как Илиада или Одиссея, – это погружение в другой мир. Хорошая книга может заставить полностью забыть о том, что вас окружает в реальности. Наш мозг научился очень хорошо фильтровать то, что достигает нашего сознания. Нам нет необходимости осознавать весь спектр сигналов, принимаемых органами чувств, – он был бы слишком сложен для восприятия. Но мозг может удивительным образом переключаться с одного сознательного восприятия на другое без каких-либо изменений в поступающих извне сигналах.

Мой любимый пример такого изменения сознания – реакция мозга на рисунок моей игральной кости. Что вы видите на этой картинке?

Сначала кажется, что на ней изображен куб, обращенный к зрителю одной из граней. Но, если продолжать смотреть на картинку, куб неожиданно разворачивается, и теперь уже кажется, что впереди находится другая его грань. Изменяется не изображение, известное под названием куба Неккера, а ваше осознание этого изображения. Что происходит при этом в мозге? Сводится ли сознание всего лишь к истории, которую мозг рассказывает о сигналах, получаемых им от органов чувств в результате взаимодействия тела с внешним миром?

Другой яркий пример неожиданных способов обработки мозгом визуальных сигналов продемонстрировал мне нейробиолог Кристоф Кох. Кох – один из ведущих современных исследователей сознания. На протяжении многих лет мало какой уважаемый ученый признался бы, что занимается темой сознания. Считалось, что она относится к области гуманитарных дисциплин, а не лабораторных исследований. Но, когда нобелевский лауреат Фрэнсис Крик перешел от исследования ДНК к изучению вопроса о том, как мозг формирует сознание, эта тема внезапно стала считаться достойной серьезного научного интереса. Кох, бывший на 40 лет моложе Крика, стал его сотрудником в исследовании этой задачи.

Я впервые встретился с Кохом на горе Болди[106] рядом с Пасаденой, в которой находится Калтех, бывший тогда местом его работы. Мы договорились встретиться именно там, так как эта точка находилась в середине дистанции одного из эпических забегов, которые любит Кох. К стыду своему должен признать, что я отказался от предложенного мне участия в забеге и поднялся на гору на лыжном подъемнике. Прежде чем мы взялись за тернистую тему сознания, я поневоле отвлекся на татуировку, которую увидел на плече у Коха. Мне показалось, что она изображает логотип компании Apple – надкушенное яблоко всех цветов радуги.

– Я сделал ее в 2000 г., когда был с сыном в Израиле на археологических раскопках. Компьютер Apple – это один из самых красивых и изящных артефактов XX в. Идеальное сочетание формы и функциональности.

По-моему, он считает, что этот компьютер будет так же важен для понимания сегодняшней культуры, как керамические сосуды, которые он выкапывал из земли вместе со своим сыном, важны для понимания жизни Кесарии Ирода в 20 г. до н. э. Кох много говорит о своем компьютере Apple и постоянно задается вопросом о том, станет ли он однажды разумным и можно ли будет с ним поговорить. Кроме того, он обожает своих собак и считает, что они обладают гораздо более развитым сознанием, чем принято считать. Именно вера в наличие у животных сознания привела его к вегетарианству.

– Поскольку вероятно, что млекопитающие могут сознательно испытывать боль и удовольствие от жизни, могут радоваться и грустить, нам не следует есть их мясо. Претворить это осознание в реальные действия было трудно – вкус мяса запечатлен в нас очень глубоко.

Область нейробиологии, в которой работает Кох, касается зрения, и он продемонстрировал мне, как зрение позволяет получить некоторую интересную информацию о работе нашего сознания при помощи листа бумаги формата А4, который был у него в кармане.

Кох дал мне этот лист и попросил свернуть его в трубку наподобие подзорной трубы. Затем велел мне поднести трубу к правому глазу и, не закрывая левый глаз, поместить ладонь левой руки на небольшое расстояние от левого глаза.

– А теперь посмотрите вон на те горы. Что вы видите?

Посмотрев на горный пейзаж, я невольно рассмеялся. Казалось, что в моей ладони появилась дыра!

Кох объяснил, что мозг пытается обработать два элемента информации, которые, по-видимому, противоречат опыту. Моего сознания достигает своего рода сплав того, что, по мнению моего мозга, должно быть мне интересно. Поэтому я вижу часть своей ладони – эта визуальная информация поступает из левого глаза – и отверстие в центре подзорной трубы, которое видит правый глаз. При наложении этих изображений создается впечатление, что в моей ладони появилась дыра. Кох полагает, что то, как мозг решает, о чем следует сообщать сознанию, может помочь нам лучше понять само сознание.

Так могут ли наши нейротелескопы показать нам, что происходит, когда мозг осознает тот или иной объект? Результаты исследований Коха показывают, что информация, передаваемая нервами сетчатки, не изменяется – это означает, что изменения сознательного опыта происходят где-то глубже в мозге. Проблема состоит в том, что наши сканеры фМРТ и ЭЭГ слишком грубы, чтобы зарегистрировать такие тонкие изменения, как переход от одного визуального восприятия куба Неккера к другому. Но в 2004 г. Кох и его исследовательская группа в Калтехе нашли возможность узнать, что вызывает активизацию отдельного нейрона, и это привело к открытию весьма любопытной нейронной деятельности.

Нейрон имени Дженнифер Энистон

Эпилептические припадки могут быть вызваны нарушением соединений или образованием рубцовой ткани, что запускает синхронизированное возбуждение нейронов по всему мозгу – в голове происходит нечто подобное цепной реакции в атомной бомбе. В некоторых случаях эти припадки можно предотвратить, удалив небольшую часть мозга, которая инициирует такую цепную реакцию.

Чтобы точно узнать, что является источником припадков, и не удалять слишком много мозговой ткани, в мягкие ткани мозга пациента вставляют около 20 электродов, которые вводят через отверстия, проделанные в черепе. Такая процедура кажется сродни какой-то средневековой пытке, но на самом деле она широко распространена в современной медицинской практике. Из каждого электрода выходят тонкие проволочки толщиной с человеческий волос, каждая из которых соединена с участком, содержащим приблизительно от 10 до 50 нейронов. Если какой-нибудь из этих нейронов возбуждается, электрод чувствует изменение его электрического состояния. Врач дожидается возникновения у пациента эпилептического приступа, при котором можно зарегистрировать нейроны, возбуждающиеся в разных областях мозга, после чего математический анализ собранных данных позволяет обнаружить потенциальный источник возбуждения.

Но приступ может начаться не сразу, так что пациенты с подключенными электродами какое-то время просто сидят в палате сложа руки. Исследовательская группа из Калтеха решила воспользоваться этой возможностью. Почему бы не попробовать задавать пациентам вопросы и смотреть, какие нейроны при этом возбуждаются? В большинстве случаев источником эпилептических приступов является тот участок мозга, в котором хранятся воспоминания. Поскольку именно к нему было присоединено большинство электродов, исследователи решили проверить, какую электрическую активность можно наблюдать при активизации памяти. Пациентам показывали различные картинки, которые должны были вызвать у них воспоминания.

Такое зондирование пациентов заняло довольно много времени, но полученные результаты были поразительными. В одном из случаев нейроны возбуждались только при демонстрации фотографий актрисы Дженнифер Энистон. Не важно было, как она одета и в какой цвет окрашены ее волосы, – данный нейрон, по-видимому, возбуждался в случае узнавания концепции Дженнифер Энистон. Нейрон активизировался, даже когда пациенту показывали всего лишь написанное имя актрисы.

В некотором смысле это открытие не было таким уж удивительным. Мозг кодирует воспоминания, идеи и концепции, как-то преобразуя их данные в деятельность нейронов. Фотографию Дженнифер Энистон можно перевести в цифровой формат, то есть преобразовать ее изображение в последовательность нулей и единиц. Наш мозг точно так же берет данные, которыми обстреливают его органы чувств, и решает, достаточно ли важна Дженнифер Энистон, чтобы можно было закодировать ее в качестве концепции. Если это так, то синапсы, соединенные в данный момент с соответствующим нейроном, усиливаются и сохраняются, что позволяет этому нейрону активизироваться в следующий раз, когда мозг получит соответствующую визуальную информацию. Для каждой концепции существует собственная типичная синаптическая цепь нейронной активности. Мне особенно понравился пациент, у которого был нейрон, возбуждающийся при виде чертежа теоремы Пифагора, – мне он показался гораздо более разборчивым.

Удивительно скорее то, как избирательно возбуждался нейрон. Другие изображения его, по-видимому, не интересовали. Как объяснил мне Кох, исследователи ни в коем случае не утверждают, что данный нейрон – единственный, участвующий в кодировании идеи Дженнифер Энистон или Пифагора. Такая конфигурация была бы чрезвычайно малоэффективной. Но число нейронов, которые можно было исследовать в этом эксперименте, было ограниченно. Представляется весьма вероятным, что мозг использует для кодирования концепции Энистон возбуждение некоей выборки нейронов, расположенных по всему мозгу, – так же, как для записи фотографии в моем смартфоне используется некоторое количество двоичных единиц. Но Кох считает, что в таком кодировании участвует удивительно малое число нейронов – порядка сотен или, возможно, тысяч, а не миллионов, которые потребовались бы для кодирования таких изображений в компьютере.

Это кодирование крайне важно для понимания того, что называют латинским словом «квалиа». Квалиа – это качества или свойства, воспринимаемые или испытываемые кем-либо, например такое качество, как красный цвет. Не важно, смотрите ли вы на мою игральную кость, на форменную футболку команды «Арсенал» или на крест на флаге святого Георгия[107]: в любом из этих случаев вы испытываете ощущение «красности». Трудно только выяснить, насколько ваши квалиа похожи на мои. Или узнать, могут ли животные или компьютеры испытывать квалиа.

Я могу себе представить, что математический характер кодирования концепций мозгом вполне может обеспечивать возможность регистрации различных квалиа. Согласно результатам Коха, когда мы думаем о нейронах, которые возбуждаются при виде помидора или футболки «Арсенала», мы можем представить себе кодовое слово, состоящее из миллиардов нулей и единиц, возникающих в мозге при распознавании концепции. Такие разнообразные кодовые слова можно представить себе в виде точек или отличительных форм, подобных кристаллам в многомерном геометрическом пространстве. Служат ли такие геометрические формы для кодирования различных квалиа? Есть ли между формами, в которые закодированы футболка «Арсенала» и моя игральная кость, нечто общее, означающее, что мы ощущаем красность?

Кстати, может ли это также быть причиной синестезии? Возможно, в некоторых случаях код квалиа красности может быть очень близок к форме, кодирующей концепцию числа 7, настолько, что, когда такой мозг распознает концепцию семи, в нем возникает ощущение красности.

Возвращаясь к бумажной подзорной трубе и дыре в моей ладони, Кох рассказал, что, немного модифицировав эксперимент, можно проверить, соответствует ли такому концептуальному возбуждению нейронов сознание чего-либо. Представим себе, что у нас есть две бумажные подзорные трубы, в каждую из которых смотрит один глаз. Поместим перед первой подзорной трубой изображение Дженнифер Энистон. Это, разумеется, вызывает в мозге возбуждение нейронов, посвященных Дженнифер Энистон. Однако покажем другой подзорной трубе чертеж теоремы Пифагора. Тогда мозгу снова приходится выбирать, какое из двух изображений должно достичь сознания.

Такие эксперименты показывают, что, как правило, изображение Дженнифер Энистон исчезает из сознания, уступая место новому изображению, которое получает мозг. Чертеж теоремы Пифагора вытесняет его, и участник опыта более не осознает, что видит изображение Дженнифер Энистон, хотя его мозг по-прежнему продолжает получать ту же картинку.

Так можно ли наблюдать изменения мозговой деятельности, соответствующие изменениям сознания? Эксперименты, подобные тем, что проводились на больных эпилепсией, повторяли на обезьянах, и, согласно их результатам, нейроны, возбуждающиеся при узнавании одной концепции, перестают работать при появлении второго изображения.

Я бы предположил, что это помогает нам сосредоточиться на том факте, что нечто в электрохимической активности мозга вносит свой вклад в определение того, что мы сознаем. Это утверждение кажется очевидным, но ведь также можно предположить, что сознание есть результат действия еще не открытых сил или физических факторов – или еще чего-то совершенно иного. Тогда, если нейроны продолжают работать, даже когда в нашем сознании больше не присутствует изображение Дженнифер Энистон, это свидетельствовало бы в пользу гипотезы о том, что внезапное исчезновение нашего восприятия этого изображения вызывается какими-то другими факторами. Что эти другие факторы, видимо, выключили наш сознательный опыт.

Такая возможность переключения сознательного опыта с одного на другое лежит в основе многих фокусов и иллюзий. Я живо помню вечер, проведенный с членами Королевского общества, на котором Ричард Вайзман, профессор психологии из Университета Хартфордшира, показал нам одну видеозапись. В этом ролике две команды спортсменов перебрасывались двумя баскетбольными мячами. Вайзман сказал нам: «Я хочу, чтобы вы сосчитали, сколько раз черная команда передаст мяч». В полном соответствии с профессиональными традициями иллюзионистов он использовал отвлекающий маневр, чтобы сосредоточить наше внимание именно на этой задаче: «Как правило, мужчины и женщины получают разные результаты подсчета».

Мы смотрели ролик и считали пасы. Когда фильм закончился, Вайзман спросил, кто насчитал 17 передач. В зале поднялось несколько рук. 18 передач? Поднялось еще несколько рук. «А кто из вас видел, как на середину площадки вышел человек в костюме обезьяны, несколько раз ударил себя в грудь и ушел обратно?» Что?! Я не видел ничего подобного. Я думал, что он нас разыгрывает, – пока я не увидел, как два человека подняли руки. Они не стали сосредоточиваться на подсчете пасов и, поскольку их сознание не было ограничено этой задачей, смогли заметить человека в костюме обезьяны. А мой мозг не включил эту информацию в мой сознательный опыт. Сидящие в зале Королевского общества ученые получили важный урок: стоит чрезмерно сосредоточиться на чем-то одном – и можно не заметить обезьяну, которая находится прямо у тебя перед носом.

Ощущение того, как разные вещи вплывают в сознание и уплывают из него, знакомо мне по работе в области математических исследований. Я снова и снова испытываю ощущение, что та работа, которую я делаю за своим столом, только засевает семена идей, которые часто созревают потом, когда я ухожу от этого стола. По-моему, те внезапные озарения, о которых так часто говорят, возникают в результате того, что мозг продолжает подсознательно работать над решением задачи, и, только когда он находит решение, оно передается в сознание в сопровождении прилива дофамина, который обеспечивает то, что эта мысль не останется незамеченной.

По крайней мере, то математическое открытие, которым я больше всего горжусь, пришло ко мне именно таким образом. Я провел весь день за работой в Институте Макса Планка в Бонне, пытаясь разделаться с одной трудной задачей, над которой мы работали вместе с моим коллегой. У меня ничего не получалось. Ближе к вечеру, когда я перестал сознательно размышлять над этой задачей и попытался позвонить жене в Лондон, я внезапно «увидел» новый объект симметрии, обладающий странными, неожиданными свойствами. Я быстро записал столь внезапно осознанную идею в большой разлинованный желтый блокнот (мой любимый формат), и то, как в моей голове внезапно появился объект, о котором никто никогда не думал до того момента, как я стал звонить по телефону из Бонна, до сих пор представляется мне в высшей степени удивительным. Казалось, что этот новый математический объект, предварительно отшлифованный в моем подсознании, втолкнули в мой сознательный разум вместе со всплеском химических веществ, который не позволил мне проигнорировать его. Но что именно позволило мне получить эти ощущения, так и остается тайной.

Внетелесные переживания

Бумажная подзорная труба Коха показывает, как легко обмануть наше зрение и изменить восприятие окружающей нас действительности. Но существуют и еще более зрелищные шутки, которые можно сыграть с мозгом. Если обмануть сразу несколько чувств, наше сознание можно изменить весьма радикальным образом, вплоть до того, что наше чувство собственного «Я» полностью выйдет за пределы нашего тела.

Один из наиболее поразительных примеров таких фокусов называется эффектом Мак-Гурка. Поищите «McGurk Effect» на YouTube, и вы найдете ролик, иллюстрирующий этот эффект. Посмотрев его, вы поймете, сколь необычны способности мозга по созданию сознательного опыта того, чего на самом деле не существует.

Иллюзия начинается с того, что вы видите лицо и слышите голос человека, по-видимому произносящего слоги «фа… фа… фа…». Однако, если закрыть глаза, неожиданно оказывается, что произносятся слоги «ба… ба… ба…». Они и произносились с самого начала, но вы видели движения лица, соответствующие произнесению слога «фа», и такие противоречивые сигналы запутали мозг. Поскольку мозг всегда пытается создать единый объединенный сознательный опыт, он находит концепцию, соответствующую вашему предшествующему опыту, и именно ее передает в сознание. Когда дело доходит до объединения разных чувств, зрение очень часто побеждает слух.

В отличие от ситуации с человеком в костюме обезьяны очень трудно заставить мозг слышать «ба», когда вы видите губы, произносящие «фа», даже если вы знаете, что происходит. Мозг склонен искать закономерности и пытается внести упорядоченность в ту какофонию информации, которая на него обрушивается. Когда эта информация противоречива, как в случае куба Неккера или эффекта Мак-Гурка, мозгу приходится выбирать.

Такие иллюзии служат предостережением всем нам, пытающимся познать Вселенную. У нас нет привилегированного доступа к реальности. Наше взаимодействие с окружающим миром строится из информации, которую получает наш мозг, и мы создаем лишь правдоподобное представление внешнего мира. Такое смешивание чувств приводит к некоторым странным выводам относительно местоположения нашего сознания.

Именно личное участие в эксперименте в Каролинском институте в Швеции заставило меня задуматься над тем, где, по моему мнению, находится мое «Я». Этот опыт, который разработал в 2007 г. Хенрик Эрссон, действительно создал у меня ощущение, что мое сознание находится в теле другого человека. Идея этой работы выросла из знаменитого опыта, называемого «иллюзией резиновой руки». В этом опыте руку участника скрывают от его глаз ширмой, а перед ним помещают искусственную руку, соединенную рукавом с его телом. Вначале участник опыта воспринимает ее именно как искусственную руку. Но, когда экспериментатор начинает синхронно гладить искусственную руку (которую участник видел) и настоящую руку (скрытую от участника), происходит странный сдвиг сознания.

Сочетание визуальных и тактильных стимулов оказывается противоречивым, поэтому мозг пытается разобраться в происходящем. В этом случае зрение также доминирует, и участник опыта начинает считать искусственную руку своей – вплоть до того, что при попытке ударить по ней молотком участник очень часто реагирует, как если бы нападали на него. Сочетание зрения и осязания обманывает мозг, заставляя его отождествлять себя с искусственной рукой. Удивительна здесь гибкость мозга, которому требуется всего несколько минут, чтобы признать искусственную руку своей.

В Каролинском институте это сочетание визуальных и тактильных сигналов получило дальнейшее развитие. Многие успехи нейробиологии были порождены развитием новых технологий. В данном случае – очками виртуальной реальности. Меня попросили надеть такие очки, а Эрссон водрузил себе на голову нечто напоминающее квадратную академическую шапочку, увенчанную двумя видеокамерами. Эти камеры должны были стать моими глазами. Поток видеоинформации, регистрируемой камерами, установленными на голове Эрссона, поступал в мои очки, позволяя мне видеть мир с его точки зрения. Пока ничего особенно странного. Но вот когда он предложил мне пожать друг другу руки, началось нечто сюрреалистическое.

Когда мы пожимали руки, Эрссон попросил меня сжимать его руку в постоянном ритме и сам стал делать то же самое. Такое сочетание зрительных и осязательных ощущений привело к тому, что рука, выходящая, насколько я видел, из моего тела, все более и более казалась мне моей. Странным было то, что рука, которую я видел, принадлежала не мне, а Эрссону. Ощущение было настолько сильным, что, когда Эрссон вынул нож и провел им по своей ладони, я реагировал так, как будто это мою руку собираются порезать. Уже после моей поездки в Стокгольм Эрссон еще более усовершенствовал эту иллюзию: теперь он заставляет участников опыта почувствовать, что их сознание находится в кукле Барби.

Раньше такие эффекты встречались только в кино. В последнее время вышло несколько научно-фантастических фильмов, использующих идею внетелесных переживаний, – в том числе «Аватар» и «Суррогаты». Но после участия в опытах Эрссона мне кажется, что тот момент, когда я смогу отправить свой аватар на концерт или на вершину Эвереста и, оставаясь у себя дома, получать все ощущения, испытываемые таким аватаром, и чувствовать себя сидящим в концертном зале или стоящим на вершине мира, может наступить во вполне обозримом будущем.

Разум / тело

Эти эксперименты затрагивают самую суть запутанной проблемы, известной под названием дихотомии разума и тела. Существует ли сознание отдельно от физического тела? Несомненно кажется, что сознание создается телом, но следует ли рассматривать его как нечто отдельное от физического «оборудования»? Что означает для разума его нахождение в теле? Одна из точек зрения на этот вопрос состоит в том, что разум поистине независим от тела. Так считал Декарт.

Его точка зрения, называемая дуализмом, предполагает, что мир разума отделен от физического мира. То «другое», что существует в этом мире разума, называют, в частности, словом «душа». Вопрос о том, насколько это другое независимо от тела, с которым оно связано, остается спорным. Опыты Эрссона перемещают кажущееся местоположение этого другого, чем бы оно ни было, тем самым заставляя усомниться в достоверности нашего ощущения пространственного единства разума и тела. Но чувство собственного «Я» по-прежнему кажется очень тесно связанным с телом, потому что изменять природу своего сознательного опыта мы можем именно посредством воздействия на его органы чувств.

В последнее время все чаще используется понятие «эмерджентных явлений». Этим термином обозначают то, что происходит от более фундаментальных сущностей, но в то же время само является фундаментальным и неприводимым. Эта идея упоминалась на предыдущем «рубеже», когда мы рассматривали гипотезу о том, что время имеет эмерджентный, а не фундаментальный характер. В приложении к сознанию эмерджентность является результатом поисков компромисса между чистым редукционизмом и жутковатым дуализмом Декарта. Классическим примером эмерджентного свойства является влажность: одна молекула H2O не может быть влажной; влажность возникает, только когда множество таких молекул собирают вместе.

Многие нейробиологи считают, что сознание подобно влажности воды. Вероятно, сознание представляет собой эмерджентное явление в том смысле, что оно является системным свойством верхнего уровня, появляющимся вследствие существующей на более низком уровне нейронной активности. Но это все равно не объясняет, что собой представляет это явление верхнего уровня.

Кое-кто считает, что концепция эмерджентности – это всего лишь уловка, позволяющая химикам и биологам утверждать, что их дисциплины отличаются от физики и математики, а не являются их простыми следствиями. Бескомпромиссный редукционист скажет, что химическая реакция или биологический процесс – это всего лишь математические уравнения, описывающие физику в действии. Такой редукционистский дух прекрасно иллюстрирует один из моих любимых комиксов с сайта xkcd.com.

Поскольку сам я нахожусь на вершине пирамиды, мне нравится, что снобствующий математик находится так далеко справа. Эмерджентность выдумали те, кто слева, чтобы исказить всю картину.

Меня часто занимает вопрос о том, не является ли математика, существующая в области чистого разума, отделенной от физического мира, хорошим примером дуализма. Наше владение миром безусловно основано на физическом осуществлении математики. Мы открыли число π лишь потому, что древние египтяне хотели облагать налогом участки земли округлой формы, образованные течением Нила. Иррациональность этого числа означает, что в реальном мире могут существовать только приближения к нему. И тем не менее в нашем разуме оно реально, может быть точно определено и логически исследовано. Так где же оно находится?

А разве приложение, установленное в моем телефоне и пытающееся убедить меня в том, что у него есть сознание, не является математическим кодом, который был бы осмысленным даже без телефона, позволяющего ему воплотиться в жизнь? Когда я спросил Cleverbot, не является ли он всего лишь математическим построением, я получил следующий любопытный ответ:

– Возможно. А ты?

12

То, что мы есть сегодня, – это следствие наших вчерашних мыслей, а сегодняшние мысли создают завтрашнюю жизнь. Жизнь – это порождение нашего разума.

Дхаммапада

Несколько лет назад моя жена в результате несчастного случая впала в кому. Я провел в ее больнице много часов, не зная, здесь ли еще ее «Я» или же передо мной лежит тело, в котором больше нет сознания. К счастью, через две недели она очнулась, но как обстоит дело с теми, кто не проявляет никаких физических реакций? В некоторых случаях тело такого пациента превращается в набор клеток, не имеющий никакого сознательного опыта, – так называемое вегетативное состояние. Но для других разворачивается ужасающий сценарий, в котором их сознание оказывается заперто в теле, лишенном возможности реагировать. Можно ли в такой ситуации как-то узнать, сохраняет ли мозг сознание? Как ни странно, можно, и эта возможность связана с игрой в теннис – точнее, с воображаемой игрой в теннис.

Представьте себе, что вы играете в теннис. Мощные подачи. Резкие гасящие удары сверху. Когда вас просят вообразить игру в теннис, вы должны принять сознательное решение об участии в игре; тут речь не идет об автоматической реакции на физические стимулы. Но, когда вы воображаете игру, сканер фМРТ может обнаружить нейронную активность, соответствующую двигательным (так называемым моторным) функциям, связанным с теми движениями, которые вы выполняете в своем воображении.

Возможность использования фМРТ для просмотра того, как пациент принимает осознанные решения, была открыта группой британского нейробиолога Эдриана Оуэна. В начале 2006 г. они обследовали 23-летнюю женщину, у которой было диагностировано вегетативное состояние. Когда пациентку попросили представить себе, что она играет в теннис, Оуэн обнаружил, к своему удивлению, что сканер регистрирует возбуждение области, соответствующей дополнительной моторной коре мозга. Когда ей предложили вообразить, что она проходит по своему дому, активизировалась другая область, называемая парагиппокампальной извилиной и используемая для ориентации в пространстве. Открытие было чрезвычайно впечатляющим, и одним из самых важных его последствий стало изменение диагноза 23-летней пациентки. Врачи признали, что она сохраняет сознание, но страдает синдромом изоляции.

Многие другие пациенты, состояние которых ранее считалось вегетативным, получили после этого новый диагноз синдрома изоляции. Это позволило врачам и, что еще важнее, родственникам больных разговаривать с ними и задавать вопросы, зная, что они находятся в сознании, но «заперты» в своих телах. Пациент может обозначить утвердительный ответ на вопрос, например представив себя играющим в теннис, что, как мы видели, возбуждает нервную активность, которую может зарегистрировать сканер. Хотя все это и не говорит нам, что такое сознание, подобное сочетание тенниса и фМРТ образует удивительный сознаниемер.

Тот же протокол с воображаемой игрой в теннис был использован для исследования другого случая исчезновения сознания – анестезии. Я сам недавно был добровольцем номер 26 в проводившемся в Кембридже исследовательском проекте, направленном на изучение момента отключения сознания под общим наркозом. Известны жуткие примеры пациентов, которые не могли пошевелить своим телом, но сохраняли полное сознание в течение всей операции.

Во время участия в эксперименте я должен был лежать внутри сканера фМРТ, будучи подключен к источнику пропофола – того самого лекарства, которое принимал перед смертью Майкл Джексон. Должен признать, что после нескольких доз этого снотворного я смог понять, почему Джексон так пристрастился к его чрезвычайно успокаивающему действию. Но я принимал его для дела. После ввода каждой следующей – каждый раз большей – дозы я должен был вообразить, что играю в теннис. По мере увеличения дозы исследователи могли определить момент, в который я теряю сознание и перестаю играть в свой воображаемый теннис. Мне было интересно узнать впоследствии, какое количество пропофола потребовалось, чтобы довести меня от состояния отключения моего тела, в котором оно уже не могло самостоятельно двигаться, до состояния отключения сознания.

Возможность задавать мозгу вопросы, даже когда весь остальной организм уже не способен ни к движению, ни к общению, позволила исследователям оценить количество наркоза, необходимое для временного отключения сознания пациента, требуемого для операции на нем.

Такое теннисное сознание приводит нас к вопросу о тесной связи между сознанием и свободой воли: принять решение о воображаемой игре в теннис должен сам пациент. Однако недавние опыты по изучению мозга в действии заставляют чрезвычайно сильно усомниться в том, что мы действительно обладаем хоть какой-нибудь свободой воли.

Кто тут главный?

Когда вы решили прочесть эту книгу, вы наверняка думали, что проявляете свободу воли. Решение взять именно эту книгу именно сейчас и открыть ее на этой странице было сознательным. Однако оказывается, что свобода воли может быть всего лишь иллюзией.

Прямо сейчас продолжаются многочисленные новейшие исследования сознания. В отличие от открытий кварков или расширения Вселенной многие из таких исследований можно наблюдать воочию – и даже участвовать в них. Вероятно, самые шокирующие выводы о том, насколько мы управляем собственной жизнью, можно сделать из эксперимента, разработанного родившимся в Британии ученым по имени Джон-Дилан Хейнс.

Я надеюсь, что сканеры фМРТ не опасны для здоровья, так как в поисках знания о том, как мозг формирует мой сознательный опыт, я снова попал в такой сканер, правда на этот раз в другом городе (Берлине). Лежа внутри сканера, я держал в руках небольшой пульт с двумя кнопками: на одну из них нужно было нажимать правой рукой, на другую – левой. Хейнс попросил меня расслабиться до дзеноподобного состояния и разрешил мне нажимать на правую или левую кнопку каждый раз, как мне этого захочется.

Во время этого опыта на мне были очки с маленьким экраном, на котором появлялась случайная последовательность букв. Меня попросили запоминать, какая буква была на экране всякий раз, когда я решал нажать на правую или левую кнопку. Сканер фМРТ регистрировал активность моего мозга, когда я принимал такие случайные сознательные решения. Открытие Хейнса состоит в том, что, анализируя мою мозговую активность, он может предсказать, какую кнопку я сейчас нажму, за шесть секунд до того, как я сам осознаю, на какую кнопку я собираюсь нажать. Шесть секунд – это очень долго. Мой мозг решает, на какую кнопку он прикажет нажать моему телу, на левую или на правую. Потом проходит шесть секунд – один, два, три, четыре, пять, шесть, – и только тогда это решение передается в мое сознание, причем у меня создается ощущение, что я действую по собственной воле.

Хейнс видит, какую кнопку я выбираю, потому что некая область моего мозга возбуждается за шесть секунд до моего нажатия, подготавливая моторную деятельность. В зависимости от того, готовит ли мозг к нажатию палец левой или правой руки, активизируются разные его области. Хейнс пока что не научился предсказывать со стопроцентной точностью, но те предсказания, которые он делает, явно точнее, чем случайные догадки. И сам Хейнс считает, что более точные средства визуализации могут позволить добиться и стопроцентной точности.

Следует подчеркнуть, что речь идет об очень конкретном процессе принятия решений. Если, скажем, вы попадаете в аварию, мозг принимает решения за доли секунды, и тело реагирует на них, не требуя никакой сознательной деятельности мозга. Многие процессы в мозге происходят автоматически, без участия сознания, что предотвращает перегрузку мозга рутинными задачами. Но выбор между правой и левой кнопками не относится к вопросам жизни и смерти. Я решаю нажать левую кнопку, руководствуясь своей свободной волей.

На практике анализ данных фМРТ занимает у исследовательской группы из Берлина несколько недель, но развитие вычислительных технологий и медицинской визуализации позволяет предположить, что когда-нибудь сознание Хейнса сможет знать, на какую кнопку я собираюсь нажать, за шесть секунд до того, как мое собственное сознание узнает о решении, которое, как мне кажется, я принимаю по собственной воле.

Хотя мозг, по-видимому, бессознательно готовит решение заблаговременно, до сих пор неясно, где именно принимается окончательное решение. Возможно, я еще могу изменить то решение, которое мозг для меня подготовил. Если у меня и нет «свободы воли», то, как полагают некоторые, может быть, у меня по меньшей мере есть «свобода отказа» – возможность отменить решение о нажатии левой кнопки, когда оно достигает моего сознания. В этом опыте не важно, на какую именно кнопку я нажму, так что особых причин не выполнять то решение, которое подготовил для меня мой бессознательный мозг, нет.

Как кажется, из этого опыта следует, что сознание – весьма вторичная функция мозга. Мы уже знаем, что очень многие из решений о действиях тела совершенно бессознательны, но мы верим в то, что именно сознательное участие в тех решениях, которые мы принимаем, и является отличительной чертой человека. Но что, если сознание включается – и вовлекает нас в этот процесс – только в самом конце цепочки происходящих событий? Не является ли наше сознательное решение лишь последствием химических реакций, совершенно не влияющим на наши действия? Какие юридические и моральные последствия могло бы иметь такое положение вещей? «Прошу прощения, вашчесть, но это не я стрелял в пострадавшего. Мой мозг принял решение еще за шесть секунд до того, как я нажал на спуск». Внимание: биологический детерминизм не освобождает от ответственности за нарушение закона!

Как я уже говорил, нажимание на кнопки, которым я занимался по просьбе Хейнса, не имеет важных последствий, и это может искажать результаты эксперимента. Может быть, если бы речь шла о чем-то более важном для меня, я бы не давал такой свободы своему подсознанию. Хейнс повторял тот же опыт с деятельностью, требующей несколько больших интеллектуальных усилий. Участникам предлагалось решить, следует ли складывать или вычитать числа, появляющиеся на экране. Однако и в этом случае решение о сложении или вычитании проявлялось в мозговой активности, зарегистрированной за 4 секунды до сознательного решения действовать.

Можно рассмотреть пример, который предложил французский философ Жан-Поль Сартр: некий молодой человек должен выбрать между вступлением в отряд Сопротивления и уходом за своей бабушкой. Возможно, в этом случае сознательные размышления будут влиять на результат в значительно большей степени и смогут спасти свободу воли от сканера фМРТ. Может быть, действия, выполняемые в опытах Хейнса, слишком близки к автоматическим бессознательным реакциям. Конечно, многие мои действия появляются в моем сознании только в последний момент, потому что моему сознанию незачем знать о них. Вместо свободы воли появляется свобода безразличия.

Досознательная активность мозга вполне может быть лишь одним из слагаемых решения, принимаемого в момент сознательного размышления. Она вовсе не обязательно является единственной причиной, но может помогать в принятии решения: в качестве одного из вариантов, который можно принять к рассмотрению.

Если мы обладаем свободой воли, одна из проблем состоит в понимании, откуда она берется. Я не думаю, что мой смартфон обладает свободой воли. Он всего лишь имеет набор алгоритмов, которым он только может следовать детерминистическим образом. На всякий случай я спросил своего виртуального собеседника, думает ли он, что свободен в своих действиях, в своих решениях. Он ответил довольно туманно:

– Я выберу ясный путь, я выберу свободу воли.

Я знаю, что этот ответ запрограммирован в приложении. Возможно, в нем имеется генератор случайных чисел, который делает его ответы разнообразными и непредсказуемыми, создающими впечатление свободы воли: виртуальную игральную кость, определяющую выбор из базы данных возможных ответов. Но случайность не есть свобода: эти случайные числа генерируются алгоритмом, результаты работы которого могут и не быть действительно случайными. Как мы выяснили на третьем «рубеже», для достижения хоть какого-нибудь подобия свободы воли моему смартфону могут понадобиться принципы квантовой физики.

Вера в свободу воли столь важна для меня, потому что мне кажется, что именно она отличает меня от приложения в моем телефоне, и я думаю, что именно поэтому эксперимент Хейнса произвел на меня такое тяжелое впечатление. Может быть, мой разум тоже сводится к результатам работы некоего замысловатого приложения, управляемого биологическими алгоритмами мозга?

Вопросом о том, могут ли машины вроде моего смартфона в принципе обладать разумным мышлением, одним из первых задался математик Алан Тьюринг. По его мнению, хорошая проверка на разумность сводится к следующему вопросу: если вы общаетесь с человеком и с компьютером, можете ли вы определить, кто из них компьютер? Именно эту проверку, называемую тестом Тьюринга, я применил к приложению Cleverbot в начале этой главы. Раз я могу оценить разумность другого человека только во взаимодействии с ним, то не должен ли я признать разумным компьютер, если он может успешно притвориться человеком?

Но разве не существует разницы между исполнением инструкций машиной и сознательной активностью моего мозга? Если я напечатаю в смартфоне фразу на английском, установленные на нем приложения с фантастической эффективностью смогут перевести ее на любой язык по моему выбору. Но никто не думает, что смартфон понимает, что он делает. Возможно, это различие иллюстрирует интересный мысленный эксперимент под названием «Китайская комната», который разработал философ Джон Серл из Калифорнийского университета. Он демонстрирует, что выполнение инструкций не означает, что машина имеет собственный разум.

Я не говорю по-китайски, но представим себе, что я оказался в одной комнате со сборником инструкций, в котором можно найти подходящий ответ на любую последовательность китайских иероглифов, которую мне присылают в эту комнату. Я могу вести вполне убедительную беседу с человеком, говорящим по-китайски, не понимая при этом ни слова из того, что я ему отвечаю. Точно так же кажется, что мой смартфон говорит на множестве языков, хотя нельзя сказать, что он понимает то, что переводит.

Это очень серьезный аргумент в споре с теми, кто считает, что один тот факт, что машина отвечает как разумное существо, следует считать достаточным доказательством наличия у нее сознания. Разумеется, она может делать все, что делает обладающая сознанием личность, но значит ли это, что сама она обладает сознанием? А что делает мой разум сейчас, когда я пишу эти слова? Не сводится ли то, что я делаю, к простому исполнению набора инструкций? Может ли существовать некий порог, за которым мы вынуждены будем признать, что компьютер понимает китайский язык, а за ним – другой, после которого нужно будет считать работающий при этом алгоритм обладающим сознанием? Но, прежде чем мы сможем запрограммировать компьютер на обладание сознанием, мы должны понять, чем таким особенным отличается тот алгоритм, который работает в мозге человека.

Начинается прилив

Один из лучших способов изучения связей между сознанием и мозговой активностью состоит в сравнении мозга, обладающего сознанием, с мозгом бессознательным. Есть ли заметная разница в мозговой деятельности? Для того чтобы получить такое сравнение, не обязательно ждать появления коматозного пациента или действия общего наркоза, так как существует другая ситуация, в которой мы ежедневно – точнее, еженощно – теряем сознание: сон. И именно научное изучение сна и того, что происходит с мозгом в такие периоды потери сознания, возможно, лучше всего позволяет проникнуть в тайну того, как именно мозг формирует опыт нашего сознания.

Поэтому я отправился в Центр изучения сна и сознания в Висконсинском университете в Мадисоне, в котором нейробиолог Джулио Тонони и его сотрудники проводят эксперименты, выявившие поразительную разницу в поведении мозга в состояниях бодрствования и сна без сновидений.

Раньше не было способа опрашивать спящий мозг. Но методика транскраниальной магнитной стимуляции, ТМС, дала ученым возможность проникать внутрь мозга и возбуждать нейроны искусственным путем. Воздействуя на мозг быстро флуктуирующим магнитным полем, исследователи могут активизировать конкретные участки мозга в бодрствующем и, что гораздо более интересно, спящем состоянии. Спрашивается, отличается ли реакция сознательного мозга на такое возбуждение от реакции бессознательного, спящего мозга?

Перспектива облучения мозга меня несколько нервировала. В конце концов, мой мозг – это главный инструмент, который я использую для своей математической работы. Если его запутать, у меня будут большие проблемы. Но Тонони заверил меня, что это вполне безопасно. Один из его коллег продемонстрировал на самом себе, как можно активизировать участок мозга, связанный с моторной активностью руки. Было очень интересно наблюдать, как подача импульса в этот участок вызывает движение пальцев. Каждый импульс ТМС как бы поворачивал в мозге выключатель, заставляющий палец двигаться. Поскольку коллеге Тонони это, по-видимому, никак не повредило, я согласился принять участие в этом эксперименте.

Его первый этап предполагал воздействие ТМС на небольшой участок моего мозга в бодрствующем состоянии. Электроды, прикрепленные к моей голове, регистрировали результаты такого воздействия при помощи ЭЭГ. Они показали, что разные участки мозга, удаленные от стимулируемой области, реагируют в разное время, образуя систему сложной структуры, подающую сигналы обратной связи на стимулируемый участок. Внутренние взаимодействия в мозге, как объясняет Тонони, подобны тому, что происходит в сложной интегрированной сети. Нейроны мозга действуют как последовательность взаимосвязанных логических вентилей. Один из нейронов может возбудиться, если возбудится большинство нейронов, соединенных с ним. Или же он может возбудиться, только если возбудился один из таких нейронов. В результатах ЭЭГ я увидел логический поток активности, порожденный исходной стимуляцией нейронов, на которые воздействовала ТМС.

На следующем этапе эксперимента мне следовало заснуть. По достижении «четвертой стадии» глубокого сна экспериментаторы должны были применить ТМС к той же точке моего мозга для стимуляции того же участка. По существу, ТМС возбуждает те же нейроны, включает те же выключатели, чтобы можно было увидеть, как изменяется структура возникающей сети при переходе мозга из сознательного состояния в бессознательное. К сожалению, эта часть эксперимента оказалась для меня слишком сложной. Я сплю невероятно чутко. И все эти электроды, покрывающие мою голову, в сочетании с пониманием того, что кто-то собирается обстреливать мой мозг импульсами, как только я задремлю, не особенно способствовали погружению в глубокий сон. Несмотря на то что я весь день отказывал себе в кофе, я так и не сумел зайти дальше «первой стадии» – неглубокого, беспокойного сна.

Поэтому мне пришлось удовольствоваться данными другого пациента, которому удалось уснуть в таких не способствующих расслаблению условиях. Результаты были поразительными. Электрическая активность не распространяется по всему мозгу, как в сознательном состоянии. Создается впечатление, что сеть отключена. Начался прилив, соединения разорвались, и любая активность стала крайне локализованной. Из этого можно сделать тот интересный вывод, что сознание может возникать в результате сложной интеграции мозга, что оно может быть порождено взаимосвязанными логическими вентилями, которые управляют тем, как возбуждение одного набора нейронов вызывает возбуждение других нейронов. В частности, из этого результата следует, что сознание связано с тем, как сеть организует передачу информации в обоих направлениях между нейронами, возбужденными воздействием ТМС, и остальными частями мозга.

Когда я так и не смог заснуть в лаборатории, Тонони отвел меня в свой кабинет, обещая возместить мое кофейное голодание идеальным эспрессо, который он варит на своей драгоценной итальянской кофемашине. Но, кроме того, он хотел показать мне что-то еще. Когда мы сели, вдыхая восхитительный аромат свежемолотых кофейных зерен, он протянул мне лист бумаги, на котором была записана какая-то формула.

Это сразу меня заинтересовало. Математические формулы действуют на меня, как звонок на собаку Павлова. Покажите мне математическую формулу, и я немедленно попадусь на крючок и примусь ее расшифровывать. Но эта формула была мне незнакома.

– Это мой коэффициент сознания.

Сознание в математической формуле… Как я мог устоять?

Математика моего «я»

Тонони объяснил, что в результате своей работы над сетевым поведением, соответствующим сознательному состоянию мозга, он развил новую теорию сетевых систем, которые он считает обладающими сознанием. Эта теория называется теорией интегрированной информации, ТИИ, и в ней есть математическая формула, которая позволяет измерить степень интеграции и неприводимости той или иной сети, которая, по его мнению, является ключевым элементом образования самосознания. Эта величина, обозначаемая Ф (то есть буквой «фи», 21-й буквой греческого алфавита), дает нам меру, которую можно применить как к машинам, подобным моему смартфону, так и к человеческому мозгу, и позволяет в перспективе разработать численный математический подход к тому, что образует мое «Я». По словам Тонони, чем больше значение Ф, тем в большей степени данная сеть обладает сознанием. Мне кажется, что надежда получить математическое уравнение, объясняющее, как и почему я становлюсь «мной», больше всего приводит в возбуждение математическую сторону моей личности.

Сознательный мозг кажется сходным с сетью, обладающей высокой степенью связности и обратной связи. Возбуждение нейронов в одной части такой сети приводит к каскаду перекрестных проверок и передачи информации по всей системе. Если сеть состоит из одних лишь изолированных островков, она, по-видимому, не обладает сознанием. Таким образом, коэффициент сознания Тонони определяет, насколько такая сеть превосходит простую сумму своих составляющих.

Но Тонони считает, что важна природа такой связности целого. Самого наличия высокой связности сети еще недостаточно. Если нейроны начинают возбуждаться асинхронно, это, судя по всему, не приводит к возникновению сознательного опыта. Так, собственно, ведет себя мозг в состоянии глубокого сна. Противоположную крайность представляют собой эпилептические приступы, приводящие к потере сознания и часто сопровождающиеся чрезвычайно синхронным возбуждением нейронов по всему мозгу. Поэтому кажется существенным наличие широкого спектра дифференцированных состояний. В структуре сети не должно быть чрезмерного количества симметричных конструкций, так как они могут вызвать неспособность различать разные опыты. Если сделать сеть слишком связной, она будет реагировать одним и тем же образом на любые – совершенно разные – ситуации.

Этот коэффициент пытается определить одну из необыкновенных черт нашего сознательного опыта – способность мозга интегрировать широчайший диапазон входящих сигналов, которые получает наш организм, и свести их в единый опыт. Сознание нельзя разбить на несколько независимых опытов, переживаемых по отдельности. Когда я смотрю на свою красную игральную кость, я не переживаю несколько независимых опытов: опыт бесцветной кубической формы и опыт бесформенного красного цвета. Коэффициент сознания также должен дать численное выражение того, насколько больше информации генерирует система в целом, чем если бы она была разделена на отдельные, разъединенные части, как это происходит с мозгом во время глубокого сна.

Тонони и его сотрудники построили интересную компьютерную модель «мозга», состоящего из восьми нейронов, соединенных разным образом, чтобы посмотреть, в какой из возможных сетей можно получить наибольшее значение Ф. Согласно полученным ими результатам, для этого нужно, чтобы каждый из нейронов был соединен с остальной сетью схемой, отличающейся от схем остальных нейронов. Но в то же время нужно обеспечить возможность распространения по такой сети максимального количества информации. Таким образом, если представить себе разделение сети на две отдельные части, такие части должны иметь возможность обмена информацией друг с другом. Речь идет об интересном процессе поиска оптимального баланса между чрезмерной связностью с уменьшением дифференциации между разными нейронами и увеличением различий ценой сокращения возможностей передачи информации каждым из них.

Но не менее важна и природа такой связности. Тонони создал две функционально эквивалентные сети, на выходе которых получаются одни и те же сигналы; однако в одной из них значение Ф велико, так как информация распространяется в сети в обоих направлениях, а другая сеть имеет низкое значение Ф, поскольку сеть устроена так, что информация может передаваться только вперед (нейроны не имеют возможности обратной связи). Тонони считает это примером зомби-сети, то есть сети, которая выдает на выходе такую же информацию, что и первая сеть, но не обладает самосознанием. Одну из этих сетей невозможно отличить от другой по одним лишь исходящим из нее результатам. Но процесс создания этих результатов зомби-сетью имеет качественные отличия, которые и измеряются коэффициентом Ф. Тонони считает, что зомби-сеть не имеет своего внутреннего мира.

Приятно сознавать, что таламо-кортикальная система мозга, которая, как известно, играет важную роль в формировании сознания, имеет структуру, подобную сетям с высоким значением Ф. Сравним ее с сетью нейронов мозжечка, которая сознания не формирует. Мозжечок – «маленький мозг» – расположен в задней части черепа и управляет, например, чувством равновесия или тонкой моторикой. В нем содержится 80 % всех нейронов мозга, и тем не менее, хотя его удаление и приводит к серьезному нарушению движений, оно не изменяет ощущения сознания человека.

В 2014 г. в одну из больниц Китая попала 24-летняя женщина, жалующаяся на головокружения и тошноту. Когда ее мозг просканировали в поисках причин этих симптомов, выяснилось, что она с самого рождения живет без мозжечка. Хотя в детстве она далеко не сразу научилась ходить и никогда не могла ни бегать, ни прыгать, ни один из медиков, общавшихся с ней, не усомнился в наличии у нее полноценного сознания. Она была не зомби – а всего лишь человеком с нарушениями физического равновесия.

Исследование нервной сети в центре мозжечка позволяет обнаружить участки, возбуждаемые независимо друг от друга и мало взаимодействующие между собой, в точности как это происходит в мозге во время сна. Низкое значение Ф мозжечка вполне согласуется с тем, что он не создает сознательного опыта.

Сеть с высоким значением Ф и, вероятно, более высоким уровнем сознания

Хотя эта сеть и обладает высокой связностью, ее симметричность обусловливает низкую дифференциацию ее частей, в результате чего они не создают новой информации, которая не была бы уже заложена в них. Это приводит к низкому значению Ф и, следовательно, более низкому уровню сознания

То, что связность мозга может быть ключевым элементом сознания, привело к идее о том, что мой «коннектом» может быть частью тайны образования моего «Я». Коннектом – это полная схема нервных соединений в мозге. Если проект расшифровки генома человека дал нам небывалое количество информации о том, как работает человеческий организм, из восстановления коннектома человека мы можем получить аналогичные сведения о работе мозга. А если объединить такую схему с правилами работы сети, в нашем распоряжении могут оказаться все ингредиенты, необходимые для создания у такой сети сознания.

Создание полного коннектома человеческого мозга – это задача, решение которой займет еще много времени, но мы уже имеем полную схему нейронов C. elegans, не имеющего мозга червя длиной 1 мм, известного своей любовью к компостным кучам. Его нервная система содержит ровно 302 нейрона, что делает его идеальным кандидатом для построения полной схемы межнейронных соединений. Однако, несмотря на наличие такой схемы, мы все еще далеки от понимания связи между этими соединениями и поведением C. elegans.

Есть ли сознание у интернета?

Поскольку предложенный Тонони коэффициент Ф является характеристикой связности сети, вероятно, он поможет нам понять, может ли появиться сознание у моего смартфона, у интернета или, например, у города. Может быть, когда-то в будущем интернет или некий компьютер достигнет некоторого предела, после которого он сможет узнать себя, взглянув в зеркало. Появление сознания может соответствовать фазовому переходу по этому коэффициенту, подобно тому как вода изменяет свое состояние, когда ее температура достигает порога кипения или замерзания.

Интересно, что применение общего наркоза не вызывает постепенного выключения сознания: в некоторый момент сознание, по-видимому, резко отключается. Если вам когда-нибудь делали операцию и анестезиолог просил вас сосчитать до 20, вы, наверное, помните (или, возможно, не помните), как в какой-то момент вы внезапно отключились. Это изменение кажется очень нелинейным, подобно фазовому переходу.

Если сознание действительно сводится к связности сети, какие еще сети могут обладать сознанием? На сегодня интернет связывает порядка 1018 транзисторов, а число нейронов в мозге составляет около 1011. Различие заключается в том, как они соединены между собой. Нейрон, как правило, соединен с десятками тысяч других нейронов, что обеспечивает высокую степень интеграции информации. Напротив, транзисторы, работающие в компьютере, не обладают высокой связностью. С точки зрения меры Тонони, интернет, вероятно, сознанием не обладает… пока что.

Цифровая камера моего смартфона позволяет мне делать фотографии, и в его памяти можно сохранить необыкновенно большое число самых разнообразных изображений. Например, миллион пикселей может заключать в себе 21 000 000 разных черно-белых изображений. На них могут быть запечатлены подробности, о которых я не имею ни малейшего представления, когда смотрю в свой видоискатель. Но так и должно быть: мой сознательный опыт не смог бы справиться с таким количеством входящих данных, так что исходные необработанные данные органов чувств интегрируются так, чтобы сохранить существенную информацию изображения, ограничив ее объем.

Нынешним компьютерам еще очень далеко до способностей человеческого зрения. Они не могут рассказать ту историю, которая содержится в картинке. Проблема состоит в том, что компьютер пытается прочитать изображение попиксельно и не может интегрировать информацию. И вместе с тем человек превосходно может воспринять огромное количество визуальной информации и выделить из этих данных историю. Именно на этой способности человеческого разума к интеграции информации и выбору из нее самого главного основана величина Ф, предложенная Тонони мера сознания.

Разумеется, никакого объяснения того, как высокое значение Ф может формировать тот сознательный опыт, который я испытываю, пока нет. Мы несомненно можем установить корреляцию между значением Ф и сознанием, и одно это уже позволяет сделать далеко идущие выводы – взять хотя бы опыты со спящими пациентами, значение Ф нейронных сетей которых уменьшается. Не менее важно и рассмотрение разных частей мозга, у которых существуют разные схемы соединений. Но я не могу сказать, что все это создает сознание – или что компьютер, устроенный по такой схеме, будет действительно обладать сознанием.

Существуют причины, по которым обладание высоким значением Ф может давать существенные эволюционные преимущества. Судя по всему, оно дает возможность планировать будущее. Используя данные, поступающие от разных датчиков, сеть с высокой связностью, имеющая большое значение Ф, может вырабатывать рекомендации для будущих действий. Способность проецировать себя в будущее, совершать воображаемые путешествия во времени, по-видимому, составляет одно из ключевых эволюционных преимуществ обладания сознанием. Кажется, что сеть с высоким значением Ф может проявлять такое поведение. Но почему она не может делать все то же самое в бессознательном состоянии?

Связь с сознанием через Skype

Кристоф Кох, открывший нейрон имени Дженнифер Энистон, – большой поклонник величины Ф как меры сознания. Поэтому мне очень хотелось узнать, считает ли он, что это достаточно надежное средство для разрешения «трудной проблемы», как философ Дэвид Чалмерс назвал задачу понимания того, что происходит внутри головы другого человека.

С момента нашей первой встречи на горе Болди возле Калтеха Кох стал директором довольно необычной организации – Института изучения мозга Аллена, которую финансирует один-единственный человек, Пол Г. Аллен, один из основателей компании Microsoft, вложивший в это предприятие порядка 500 миллионов долларов. Что двигало Алленом? Он просто хотел понять, как работает мозг. Институт занимается чистой наукой, не пытаясь добиться какой-либо прибыли, и публикует все полученные результаты в открытых источниках. Говоря словами Коха, «это очень классная модель».

Поскольку мне было трудно снова поехать в Калифорнию, чтобы узнать мнение Коха о Ф и теории интегрированной информации Тонони, я решил, что вместо этого я могу получить доступ к сознанию Коха в разговоре по Skype. Однако сначала Кох хотел выяснить, по какую сторону философского фронта я нахожусь.

– Разумеется, мы можем поговорить о сознании и о том, до какой степени оно непознаваемо. Но я хочу надеяться, что вы не станете разочаровывать молодых людей, желающих заняться нейробиологией, пропагандируя эту философскую фантазию под названием «Трудной проблемы» (с большой буквы Т). Такие философы, как Дэвид Чалмерс, занимаются верованиями и личными мнениями, а не законами природы и экспериментальными фактами. Хотя они задают интересные вопросы и формулируют непростые дилеммы, их история предсказаний будущего не производит особо благоприятного впечатления.

Кох напомнил мне о том, как философ Огюст Конт предсказывал, что мы никогда не сможем узнать, из чего состоят звезды. Я не могу забыть эту историю с тех самых пор, когда я начал свое путешествие вглубь неизвестного. Кох добавил к этой дискуссии еще одно важное мнение, высказанное в 1996 г. Фрэнсисом Криком, вместе с которым он работал: «Утверждение о том, что что-либо находится вне пределов познания науки, было бы чрезвычайно поспешным».

Когда мы с Кохом наконец соединили свои сознания при помощи Skype, он был очень возбужден, – собственно говоря, я никогда не видел, чтобы он проявлял хоть какое-то равнодушие к жизни на переднем крае исследования одной из главных сегодняшних научных задач. Двумя днями раньше Институт Аллена опубликовал свои данные по классификации разных типов клеток, которые можно найти в мозге.

– Даже само число разных видов мозговых клеток по-прежнему остается неизвестным. На протяжении последних двухсот лет мы знаем, что весь организм состоит из клеток, но в нем есть клетки сердца, клетки кожи, клетки мозга и так далее. Потом мы поняли, что клетки мозга существуют больше чем в одном-двух видах. Таких видов может быть тысяча. Или несколько тысяч. Если взять собственно кору головного мозга, мы вообще не знаем, сколько их там.

В результате последних исследований Коха была создана база данных, в которой подробно систематизированы разные виды нейронов коры мозга мыши. «Это очень интересно. Но из этого не получить красивую картинку для статьи, как обычно делают в науке. Это исключительно необработанные данные, и все эти данные можно скачать». Рамон-и-Кахаль в версии XXI в.

По мнению Коха, именно через такой подробный анализ работы мозга мы сможем постепенно прийти к пониманию того, как мозг формирует сознательный опыт.

Поскольку Кох всегда рад, когда к движению изучения сознания присоединяются молодые ученые, я спросил, что побудило его самого заняться этими исследованиями, когда никакого движения еще не существовало. В то время многие считали, что отправляться на поиски сознания – все равно что ехать в Сахару за водой.

Отчасти его мотивировали именно те, кто объявлял эту область запретной. «Одной из моих целей было доказать им, что они неправы. Мне нравится дразнить людей». Кроме того, Коху нравится рисковать – именно это приводит его на отвесные склоны гор, которые он покоряет в одиночку. Но в его выборе задачи также обнаружилась несколько более неожиданная составляющая. Оказалось, что стремление Коха понять сущность сознания отчасти было вызвано еще и его религиозным воспитанием.

– Мне кажется, что в конечном счете я хотел обосновать для себя сохранение своей веры в Бога. Я хотел доказать самому себе, что объяснение сознания требует чего-то большего. Что для него необходимо нечто подобное моему представлению о Боге. Оказалось, что дело обстоит не так. Когда я понял, что необходимости в наличии души нет, во мне поднялась целая буря. Но для возникновения сознания душа оказалась не нужна. При наличии интегрированной информации Тонони или чего-то подобного все остальное могло появиться в результате действия механизмов.

Кох признает, что его попытка обосновать веру в нечто трансцендентное потерпела неудачу.

– За последние десять лет я утратил веру; я всегда пытался сделать ее частью своего мировоззрения, но не смог. Я по-прежнему очень остро ощущаю, что живу в таинственной Вселенной. Она породила жизнь. Она породила сознание. Она действительно чудесна, и буквально каждое утро я просыпаюсь с ощущением того, что жизнь есть тайна и чудо. Это чувство по-прежнему со мной.

Однако Кох считает, что мы приближаемся к раскрытию тайны сознания, и, по его мнению, ключ к этой тайне находится в коэффициенте Ф и в созданной Тонони ТИИ.

– Я большой поклонник этой теории интегрированной информации, которая утверждает, что в принципе, при наличии схемы соединений в человеке, или в черве C. elegans, или в компьютере, я смогу сказать, ощущает ли такая система что-нибудь. Это, собственно, и есть сознание, это и есть его опыт. И я также смогу узнать, что такая система испытывает в данный момент. Этот механизм, этот мозг, этот компьютер находится сейчас вот в этом состоянии. Одни нейроны отключены, другие нейроны активны; те транзисторы переключаются, а эти нет. Теория утверждает, что я могу, по меньшей мере в принципе, предсказать опыт такой системы не по ее вводу/выводу, а по тому, что происходит внутри самой системы, рассматривая матрицу вероятностей перехода и состояния системы.

Попытки убедить в этом других даются Коху нелегко. Существует группа несгибаемых философов и мыслителей, которые не верят в то, что наука когда-либо сможет решить эту задачу. Они принадлежат к научной школе, известной под названием мистерианизма или мистерианства, утверждающей, что существуют тайны, которые никогда не будут доступны человеческому разуму. Трудная проблема сознания занимает первое место в списке неразрешимых тайн мистерианства.

Имя этого движения – позаимствованное у рок-группы под названием «Question Mark and the Mysterians»[108] – сперва возникло в качестве издевательского названия, придуманного философом Оуэном Фланаганом, который считал точку зрения этих философов чрезвычайно пораженческой. Фланаган писал: «Новое мистерианство – это постмодернистская позиция, призванная забить железнодорожный костыль в сердце научного подхода». Коху часто приходилось спорить с философами-мистерианистами, которые считали его поиски ответов принципиально ошибочными. Интересно, что он говорил тем, кто сомневается в самой возможности знания того, испытывает ли что-нибудь та или иная система?

– Если вы доведете эту позицию до логического конца, вы придете к солипсизму.

Когда Кох высказывает эту философскую позицию, в его голосе слышится безнадежность, подтверждающая в очередной раз, что знание чего бы то ни было, находящегося вне нашего собственного разума, никогда не может быть несомненным. Мы снова возвращаемся к утверждению Декарта о том, что единственная вещь, в которой мы можем быть уверены, – это наше собственное сознание.

– Да… с одной стороны, солипсизм логически непротиворечив, но с другой стороны, крайне маловероятно, чтобы мозг каждого человека был таким же, как мой, разве только сознанием обладаю только я, а вы все только притворяетесь. Да, в это можно верить, но все это не очень правдоподобно.

Думал ли Кох, что те, кто настаивает на неразрешимости трудной проблемы, должны сомневаться в познаваемости чего бы то ни было вообще? Если принять такую крайнюю точку зрения, не будет ли ее неизбежным следствием скептическое восприятие мира?

– Именно, и мне кажется, что это не очень интересно. Конечно, можно быть крайним скептиком, но проще от этого не становится. Любая теория, такая как ТИИ, в конечном счете сводится к соотношениям идентичности. Эта теория – как и другие, подобные ей, – утверждает, что опыт идентичен некоторым состояниям в чрезвычайно многомерном пространстве квалиа, расширяемым многообразием тех состояний, которые может иметь ваша система. Оно сводится к конфигурации, созвездию, многоугольнику в этом многомерном пространстве. Это и есть опыт. Это и есть ощущение быть собой, и оно в принципе предсказуемо… оно может быть определено эмпирически, потому что я могу сказать: «Ага, Маркус, сейчас вы видите красный цвет» или «А теперь вы испытываете опыт обоняния розы». Я могу провести сканирование фМРТ и увидеть, что возбуждены ваши нейроны, относящиеся к запаху розы, или ваш участок, отвечающий за восприятие цвета. Так что в принципе это совершенно эмпирический проект.

Кох считает, что ничего лучшего с точки зрения объяснения сознания получить и нельзя. Эта методика очень хорошо соответствует тому, что можно было бы назвать научным исследованием сознания. Разве не было бы достаточно выявить в мозге структуру, которая всегда коррелирует с получением опыта, который возникает, например, при ощущении боли, или красного цвета, или радости? Это можно проверить на опыте. И если такое соответствие получается в каждом опыте, разве нельзя сказать, что мы узнали, что представляет собой ощущение красного цвета, а следовательно, что мы можем использовать такое знание для того, чтобы компьютер также испытывал ощущение красности?

Убежденные мистерианцы скажут, что при этом мы не получаем объяснения того, как такая сеть создает ощущение, испытываемое от тех или иных чувств. Но не значит ли это требовать слишком многого, вплоть до впадения в солипсизм, который неизбежно приводит к скептической точке зрения, согласно которой о Вселенной вообще ничего нельзя утверждать? Мы понимаем, что ощущение тепла сводится всего лишь к движению атомов. Никто не утверждает, что мы не можем объяснить, почему при этом чувствуем тепло. Мы выяснили, что есть тепло. Мне кажется, что Кох сказал бы то же самое о сознании.

С теоретической точки зрения эта идея очень привлекательна, но мне хотелось бы знать, думает ли Кох, что когда-нибудь мы сможем узнать при помощи фМРТ или какой-нибудь еще более замысловатой технологии, что на самом деле испытывает человек. Или эта задача так и останется слишком сложной?

– Это задача прагматическая. С той же проблемой столкнулась в XIX в. термодинамика. Точный подсчет тут невозможен. Но, по крайней мере, для простых систем, для какого-нибудь жалкого десятка нейронов, существуют точно определенные выражения, которые дают совершенно однозначный ответ. Ограничение максимального числа нейронов, поддающегося анализу, составляет большую практическую проблему. Сможем ли мы ее преодолеть? Не знаю, потому что ее сложность возрастает экспоненциально с ростом числа нейронов, и это действительно плохо. Но это уже другая проблема.

Создание разума

Самое главное испытание нашего понимания того, что образует мое «Я», сводится к проверке нашей способности создать искусственный мозг, который обладал бы сознанием. Каковы перспективы появления приложения для моего смартфона, имеющего настоящее сознание? Вообще-то люди уже хорошо умеют создавать сознательные существа. Мой сын – пример того, как мы умеем комбинировать разные клеточные структуры, яйцеклетки и сперматозоиды, которые, объединяясь, получают набор средств и инструкций по выращиванию нового организма, обладающего сознанием. По меньшей мере я предполагаю, что у моего сына есть сознание, хотя иногда по утрам может показаться, что он скорее относится к категории зомби.

Прямо сейчас осуществляются несколько поразительно грандиозных проектов, направленных на анализ схемы человеческого мозга с целью его моделирования в компьютере. Проект «Человеческий мозг» (The Human Brain Project), задуманный Генри Маркрамом, предполагает всего за десять лет создать работающую модель человеческого мозга, которую можно будет загрузить в суперкомпьютер. «Это будет бозон Хиггса для мозга, Ноев архив разума», – заявил Маркрам. Комиссия Европейского союза выделила на осуществление его мечты грант размером в миллиард евро. Но, когда его цель будет достигнута, будет ли такая модель обладать сознанием? К моему удивлению, Кох так не думает.

– Предположим, проект мозга Генри Маркрама будет успешным и мы действительно получим эту идеальную цифровую копию человеческого мозга. Она, конечно, будет уметь говорить, потому что раз это точная копия мозга, значит, в ней есть и модель центра Брока, который отвечает за владение языком. Но такой компьютер не будет сознательным существом. Возможно, в нем будет минимальное значение Ф на уровне пары транзисторов, но он никогда не сможет ощутить ничего похожего на то, что испытывает мозг.

Дело в том, что предложенный Тонони коэффициент Ф отражает природу причинно-следственных связей внутреннего механизма, а не поведение входящих и исходящих сигналов. В типичной схеме соединений, существующей внутри компьютера, каждый транзистор в центральном процессоре может быть связан максимум с четырьмя другими транзисторами. Значение Ф такой схемы чрезвычайно мало, и, по мнению Коха, это соответствует низкому уровню сознания. Интересно отметить, что такая абсолютно точная модель должна будет громогласно утверждать, что она обладает сознанием, что у нее есть внутренний мир. Но Кох считает, что это только разговоры.

– По сути дела, это похоже на создание компьютерной модели черной дыры: смоделированная масса не влияет на реальную массу, существующую вокруг компьютера. Такая компьютерная модель никогда не сможет искривить пространство, окружающее ее. Точно так же можно создать в компьютере модель сознания, но такое смоделированное сознание не будет ничего испытывать. В этом и заключается разница между моделированием и воссозданием. Сознание возникает из причинно-следственных связей механизма. Оно обладает физической сущностью.

Сознание зависит от способа организации сети. Тот же принцип применим и к зомби-сети, созданной Тонони из десяти нейронов. Поразительно то, что тот принцип, который Тонони использовал для превращения сети из десяти нейронов с высоким Ф в зомби-сеть с нулевым Ф и точно такими же входящими и исходящими сигналами, можно применить и к сети человеческого мозга. Обе сети будут демонстрировать одинаковое поведение на уровне ввода-вывода, но вследствие различий в переходах их внутренних состояний коэффициент Ф одной из них будет высоким, а другой – нулевым. Но можем ли мы быть уверены, что это означает, что одна из них имеет сознание, а другая принадлежит зомби?

Меня беспокоит тот факт, что все это, по-видимому, подчеркивает практически неразрешимый характер проблемы сознания. Безусловно, величина Ф очень хорошо отражает разницу между моделью мозга и реальной природой его архитектуры. Она определяет отличие зомби-сети от человеческого разума. Но можем ли мы знать, что модель мозга или зомби не имеют сознания? Они-то по-прежнему кричат во всю глотку: «Черт возьми! Сколько можно повторять одно и то же? Есть у меня сознание!» Но значение Ф утверждает, что они притворяются. Я говорю зомби, что, судя по Ф, у него нет внутреннего мира. Но зомби настаивает: «Нет, есть!» – точно так же, как настаивал бы мой обладающий сознанием мозг. Разве не к этому сводится вся эта проблема? Я могу что-либо узнать о системе, выражающей такие чувства, только по ее вводу и выводу. Конечно, я могу принять величину Ф за меру сознания, но не является ли сознание именно тем, что по самой своей природе не поддается эмпирическому научному исследованию?

Загрузка сознания

Одна из причин, по которым Кох считает Ф хорошей мерой сознания, заключается в том, что эта величина согласуется с его панпсихической верой в то, что мы – не единственные существа, наделенные сознанием. Если сознание сводится к интеграции информации в сети, то оно может быть применимо к сущностям любого масштаба, от мельчайшей амебы до сознания всей Вселенной.

– Эта концепция сводится к утверждению, что все, что содержит в себе причинно-следственные связи, обладает тем или иным уровнем сознания. Сознание определяется тем, как вы влияете на самого себя, причинно-следственным воздействием на самого себя. Поэтому даже минимальная система, например единичная клетка, а единичная клетка – это уже невероятно сложная система, обладает некоторым причинно-следственным воздействием на саму себя. Быть такой клеткой – значит чувствовать что-то. Ее коэффициент Ф должен быть мал, но не равен нулю. Он может быть исчезающе малым, но какой-то уровень сознания в клетке все-таки существует. Это, конечно, очень древняя идея.

Когда я говорю кому-нибудь, что занимаюсь исследованием того, чего мы знать не можем, в ответ меня чаще всего спрашивают, собираюсь ли я заняться вопросом жизни и смерти. Он неразрывно связан с проблемой сознания. Продолжает ли Ф существовать после смерти? Нет никаких убедительных свидетельств того, что какая бы то ни было часть нашего сознания может пережить нашу смерть. Но можно ли это выяснить? Если уж нам так трудно проникнуть в сознание другого человека, пока он жив, исследование сознания после смерти представляется и вовсе неразрешимой задачей. С учетом того, как тесно связаны мозговая активность и сознание, возможность выживания чего-либо после смерти кажется крайне маловероятной. Если бы существовали какие-то средства общения, у нас могла бы быть некоторая надежда. В конце концов, именно так мы можем исследовать то сознание, которое, как мы считаем, существует у окружающих нас людей.

Кох согласен, что сохранение Ф после смерти в какой бы то ни было степени чрезвычайно маловероятно. Более того, он некоторое время дискутировал по этому вопросу с одним весьма необычным сотрудником.

– Пару лет назад я провел неделю в Индии, общаясь с далай-ламой. Программа была очень напряженной. Мы говорили о науке – четыре часа утром и четыре часа после обеда. Целых два дня были посвящены вопросам сознания. Буддисты изучают свое собственное сознание изнутри, при помощи техник медитации, на протяжении 2000 лет. Мы же исследуем его извне, при помощи фМРТ, электродов и психофизики, но наши выводы по большей части согласуются между собой. Он очень благожелательно относится ко многим научным идеям, и по многим вопросам мы были согласны. Например, идея эволюции не вызывает у него возражений.

Но были наверняка и разногласия?

– Единственный вопрос, по которому мы в принципе не смогли согласиться, – это идея реинкарнации. Я не понимаю, как такая система может работать. Должен существовать механизм, который переносил бы мое сознание или мои воспоминания в следующую жизнь. Если только что-то такое не найдется в квантовой физике – а я недостаточно много про нее знаю, чтобы знать об этом, – я не вижу никаких признаков его существования.

Как отмечает Кох, если попытаться ответить на этот вопрос с точки зрения ученого, необходимо как-то объяснить, как сознание может выжить после смерти тела. На эту тему существует несколько интересных предположений. Например, если сознание сводится в конечном счете к информационным схемам, существующим в мозге, – такая точка зрения может быть близка к тому, что утверждает Тонони, – то, по мнению некоторых, можно предположить, что теоретически существует возможность восстановления такой информации. Информационный парадокс черных дыр связан с вопросом о том, может ли информация быть утрачена, когда объекты исчезают в черной дыре. Но, если не использовать черную дыру в качестве крематория, можно сказать, что из квантового детерминизма в сочетании с обратимостью следует, что никакая информация никогда не исчезает.

Религиозно настроенный физик Джон Полкинхорн считает, что в этом кроется возможность существования жизни после смерти: «Хотя смерть стирает эту структуру, предположение о том, что она может сохраниться в памяти Бога и восстановлена в божественном акте воскрешения, представляется совершенно рациональным». Разумеется, для осуществления этой необычайной идеи требуется участие Бога. Кое-кто уже пытается сохранить где-нибудь информацию своего мозга до окончательного отключения «аппаратного обеспечения». Идея загрузки моего сознания в смартфон, чтобы «он» стал «мной», не так уж далека от предположения Полкинхорна. Просто в этом случае роль Бога играет изделие компании Apple. Вознесение для программистов, как называет это Кох.

Страна зомби

Когда мы сталкиваемся с вопросом, на который не можем ответить, нам нужно сделать выбор. Может быть, интеллектуально честным ответом была бы агностическая точка зрения. В конце концов, к этому и сводится смысл неразрешимости вопроса. И вместе с тем вера в наличие ответа, свидетельствующего в пользу одной или другой стороны, не может не повлиять на то, как мы живем. Представьте себе, что вы считаете себя уникальным, а всех остальных воспринимаете как зомби – такая точка зрения сильно повлияла бы на ваше взаимодействие с миром. Или наоборот, если поверить в наличие разума у машины, каждое нажатие на кнопку «выкл.» вашего компьютера стало бы сопряжено с этическим выбором.

Кое-кто утверждает, что для решения проблемы сознания нам придется ввести в свое описание Вселенной новую фундаментальную составляющую, которая порождает сознание; составляющую, которую – подобно времени, пространству или гравитации – невозможно свести к чему-либо другому. Мы можем только исследовать отношения между этой новой составляющей и другими составляющими, которые у нас уже были до этого. Мне такое решение кажется нечестным. Сознание возникает в развивающемся мозге по достижении некоторого критического порога – подобно тому, как вода в какой-то момент начинает бурлить и кипеть и переходит в газообразное состояние. В природе есть много примеров таких критических переломных точек, в которых происходят фазовые переходы. Вопрос заключается в том, образуется ли при таком фазовом переходе нечто, что нельзя объяснить иначе как возникновением новой фундаментальной сущности. Разумеется, такие примеры тоже существуют. Электромагнитные волны возникают вследствие ускорения заряженных частиц. При этом они не являются эмерджентным феноменом, а образуют новую фундаментальную составляющую естественного мира.

А может быть, сознание связано с особым состоянием вещества, аналогичным твердому или жидкому? Для такого состояния вещества уже придумано имя – «перцептоний», и его определяют как наиболее общее вещество, ощущающее субъективное самосознание. Наличие такого состояния вещества согласовывалось бы с эмерджентной природой сознания. Или же, возможно, существует поле сознания, приводимое в действие критическими состояниями материи, так же как поле Хиггса порождает массу материи? Эта идея кажется безумной, но, может быть, для понимания такой ускользающей концепции как раз и нужны безумные идеи?

Некоторые утверждают, что ничто физическое никогда не сможет дать ответа на вопрос о том, как ощущается сознание моего собственного «Я», что само существование сознания предполагает наличие чего-то, расположенного за пределами физического мира. Но если разум может воздействовать на материю, то обязательно должны существовать физические принципы, соединяющие эти два мира, – и, стало быть, существует и возможность их научного исследования.

Возможно, вопрос о сознании вообще относится не к ведению науки, а к ведению языка. Такова позиция философской школы, ведущей свое начало от Витгенштейна. Витгенштейн исследовал проблему индивидуального языка в своих «Философских исследованиях». В процессе обучения значению слова «стол» можно показать на стол и сказать: «Вот это – стол». Если я покажу на что-то, не соответствующее тому, что в обществе принято считать столом, меня поправят. Витгенштейн спрашивает, применим ли тот же принцип к слову «боль». Понятие боли не затрагивает объектов, находящихся вне нас, на которые можно было бы указать и которые можно было бы назвать болью. Допустим, мы можем выделить выходной сигнал сканера фМРТ, который всегда соответствует моему ощущению боли. Но, если показать на экран и сказать, что вот это и есть боль, будет ли то, на что мы указываем, соответствовать тому, что мы выражаем словом «боль»?

Витгенштейн считал, что проблема исследования индивидуального мира наших квалиа и ощущений – это проблема языковая. Как можно передать другому смысл выражения «здесь болит»? Невозможно. Кажется, что высказывание «у меня [есть] зубная боль» имеет то же качество, что и «у меня есть стол», и нам хочется предположить, что это понятия одного порядка. Мы предполагаем, что существует нечто, называемое «моей болью», в том же смысле, в котором существует нечто, называемое «столом». Кажется, что это высказывание означает нечто, но, по мнению Витгенштейна, оно не содержит абсолютно ничего: «Путаницы, занимающие нас, возникают, когда язык находится на холостом ходу, а не когда он работает»[109].

Например, если вы испытываете некое чувство и заявляете: «Мне кажется, что это боль», я никак не могу вас поправить. У меня нет критерия, позволяющего установить, соответствует ли то, что вы чувствуете, тому, что я подразумеваю под словом «боль». Витгенштейн задается вопросом, можно ли продемонстрировать боль, уколов вам палец и заявив: «Вот что такое боль». Если вы ответите, например: «О, я знаю, что означает “боль”, но не знаю, является ли болью то, что я чувствую сейчас», то Витгенштейн отвечает, что «мы бы просто покачали головой и вынуждены были считать [ваши] слова очень странной реакцией, с которой мы просто не знали бы, что делать».

Мы можем взяться за проблему определения того, что происходит в наших головах, представив себе, что у каждого из нас есть коробка, в которой что-то находится. Каждый из нас называет то, что находится внутри его коробки, жуком, но никто из нас не может заглянуть в коробки других, только в свою собственную. Поэтому вполне возможно, что у всех в коробках находятся совершенно разные вещи, или что их содержимое постоянно изменяется, или же что там вообще ничего нет. И тем не менее все мы называем содержимое своей коробки жуком. Но для тех, у кого в коробке ничего нет, слово «жук» означает ничто. То есть это вообще не название. Имеет ли в таком случае это слово какое-нибудь значение? Подобен ли наш мозг коробке, а сознание – жуку? Получили ли мы наконец с появлением фМРТ возможность заглянуть в чужие коробки и выяснить, одинаковые ли у нас с вами жуки? Может ли машина спасти сознание от языковых игр Витгенштейна?

Витгенштейн рассматривает, как предложение или вопрос вводят нас в заблуждение, заставляя поверить, что они что-то означают, потому что их форма точно соответствует форме настоящего предложения; однако при внимательном изучении оказывается, что они не имеют никакого смысла. Многие философы считают, что на этом и основана проблема сознания. Она не является научной проблемой и исчезнет из числа нерешенных задач, как только мы признаем в ней обыкновенную языковую путаницу.

Дэниел Деннет – один из тех философов, которые продолжают традицию Витгенштейна. Он считает, что в будущем мы признаем, что длительные дискуссии об идее сознания не имеют смысла за исключением обсуждения физических сущностей, по-видимому необходимых для его существования. Например, если мы встречаем машину или организм, действующие в точности так, как мы ожидали бы от обладающего сознанием существа, мы должны просто признать их имеющими сознание. Вопрос о том, зомби это или нет, ощущает ли такое существо что бы то ни было, следует просто оставить без внимания. Если невозможно отличить бессознательного зомби от сознательного человека, зачем нужно слово, описывающее разницу между ними? Слово, описывающее разницу, имеет смысл, только когда мы знаем, что такая разница существует.

Деннет приводит в подкрепление своей позиции пример витализма. С витализмом произошло то же самое: мы отказались от идеи существования некоего особого ингредиента, жизненной силы, которая вдыхает жизнь в набор клеток. Если мне покажут набор клеток, способных к самовоспроизводству, который при этом мяукает и мурлыкает, как кошка, и заявят при этом, что в нем на самом деле нет жизни, меня будет довольно трудно в этом убедить. Кое-кто считает, что споры о сознании ждет та же участь, что и дискуссии о витализме. Витализм был попыткой объяснения того, как физическая система может иметь свойства, которые считались принадлежащими живым организмам, – воспроизводство, самоорганизацию, приспособляемость. Как только этим механизмам нашлось объяснение, проблема жизни была решена и потребность в жизненной силе исчезла. Но в случае сознания некоторые полагают, что вопрос о том, как физическая материя порождает субъективный опыт, не может быть так же решен через открытие соответствующих механизмов именно по своей чрезвычайно субъективной природе.

Появление необычайных новых приборов и технологий сделало наш внутренний мир более прозрачным. Умственная деятельность – частное дело каждого, но физическое взаимодействие с миром происходит открыто. До какой степени можно проникнуть в частную, скрытую область при помощи анализа того, что нам открыто? По всей видимости, мы можем дойти до стадии, на которой я смогу сказать, что вы думаете о Дженнифер Энистон, а не о теореме Пифагора, просто посмотрев, какие нейроны возбуждаются у вас в мозге.

Но могу ли я, разобравшись в возбуждении нейронов, познать, что вы испытываете, будучи собой? Смогу ли я когда-нибудь отличить сознательное существо от зомби? В моем желудке содержится целых 100 миллионов нейронов, 0,1 % от числа нейронов моего мозга, и все же он не обладает сознанием. Или обладает? Могу ли я узнать, есть ли у моего желудка сознание, отдельное от моего? В этом и заключается суть вопроса сознания. Мой желудок может начать общаться со мной, но как мне узнать, испытывает ли он те же ощущения от красного цвета, влюбляется ли он так же, как я? Я могу просканировать его, прозондировать его электродами, выяснить, что его схема соединений и процессы возбуждения аналогичны мозгу кота, в котором содержится такое же количество нейронов, – и это все?

Вопрос о том, как отличить зомби от обладающего сознанием существа, может остаться одним из неразрешимых вопросов науки. Тест Тьюринга, которым я проверял свой смартфон в начале нашего путешествия вглубь разума, уже намекал на трудность этой проблемы. Чего хочет виртуальный зомби – стать поэтом или разбогатеть? Хватило ли у приложения ума пошутить о Декартовой фразе «Я мыслю, следовательно, существую»? Найдет ли оно когда-нибудь себе подругу? Кто тут зомби, а кто обладает сознанием?

В конце нашего разговора в программе Skype Кох признал, что никаких гарантий того, что мы когда-либо сможем узнать все это, нет.

– Нет такого закона Вселенной, который говорил бы, что наших мыслительных способностей достаточно, чтобы познать все. Если бы мы были собаками – а я обожаю свою собаку, она обладает полноценным сознанием, но моя собака не понимает, как вычисляются налоги, она не понимает специальной теории относительности или даже простейших дифференциальных уравнений. Собственно говоря, большинство людей тоже не понимает дифференциальных уравнений. Но по той же причине мне очень не нравится, когда говорят, что чего-то мы никогда не узнаем. Нельзя так говорить. Да, гарантии нет. Но это же по-настоящему пораженческая позиция, да? Ну то есть, Маркус, что это за исследовательский проект, если вы поднимаете руки вверх и говорите: «Забудем об этом, мне этого никогда не понять, совершенно безнадежное дело»? Это пораженчество.

Когда я закончил наш разговор в Skype, этот боевой клич, призывающий не бросать поисков решений неразрешимых задач, еще звенел у меня в ушах. Лицо Коха исчезло с моего экрана, оставив у меня ощущение легкого дискомфорта. Точно ли на другом конце канала связи был сам Кох? Не мог ли он разработать какой-нибудь алгоритмический аватар и поручить ему разбираться с обрушивающейся на него лавиной вопросов о возможности разрешения проблемы сознания?

Рубеж седьмой: Рождественская хлопушка

13

Число является управителем форм и идей, первопричиной богов и демонов.

Пифагор

Мне надоел неинтересный ассортимент рождественских хлопушек, которые можно купить в магазинах, и в этом году я решил побаловать свою семью самодельными математическими хлопушками. В каждой из них были спрятаны математическая шутка или анекдот и математический парадокс. Моей семье показалось, что в шутках было больше математики, чем юмора. Судите сами… Сколько нужно математиков, чтобы поменять лампочку? 0 и 9 в периоде. Если вам не смешно, не беспокойтесь. Мои родные тоже не смеялись. Если вы не поняли, в чем тут соль, – хотя объяснять шутки вообще-то не следует – дело в том, что можно доказать, что бесконечная десятичная дробь 0,999… на самом деле равна 1.

Парадоксы были несколько интереснее. Один из них касался ленты Мебиуса, парадоксального на вид геометрического объекта, у которого есть всего лишь одна сторона. Если взять длинную полоску бумаги и, перекрутив ее, соединить концы, полученное кольцо будет односторонним. В этом можно убедиться, попытавшись закрасить ее стороны: начав закрашивать одну сторону, вы скоро обнаружите, что закрасили всю петлю. Другое удивительное свойство ленты Мебиуса заключается в том, что, если ее разрезать посередине, она не распадается на два отдельных кольца, как можно было бы ожидать, а остается целой. Она по-прежнему будет единой петлей, но теперь будет содержать два переворота.

Хлопушка, которая в результате досталась мне самому, была тем не менее очень неплохой – сам себя не похвалишь… Даже шутка была смешной: «Что значит инициал “Б.” в имени Бенуа Б. Мандельброта? – Бенуа Б. Мандельброт». Если вам все еще не смешно, вы, наверное, не учли, что именно Мандельброт открыл фракталы, о которых мы говорили на первом «рубеже», геометрические формы, структура которых не упрощается, сколько их ни увеличивай. А парадокс я взял из своих самых любимых. Он состоит из двух утверждений, приведенных в начале этой главы, записанных на разных сторонах одной и той же карточки. Меня всегда в равной степени восхищали и тревожили такого рода словесные игры. Одна из любимых книг моего детства называется «Как же называется эта книга?»[110]. Она была полна безумных языковых игр, многие из которых, начиная с ее названия, использовали логические следствия из рекурсивных ссылок.

Со временем я научился не удивляться образованным в естественном языке фразам, которые порождают парадоксы, подобные логическому порочному кругу, образованному двумя предложениями на карточке из моей рождественской хлопушки. Сама возможность формировать осмысленные предложения не означает, что каждому такому предложению всегда можно приписать истинное значение, имеющее смысл.

Мне кажется, что такая скользкая природа языка была одной из причин, по которым меня привлекла точность математики, в которой такие двусмысленности недопустимы. Но, как я объясню в этой главе, один из величайших специалистов по математической логике всех времен, Курт Гёдель, доказал именно при помощи парадокса из моей хлопушки, что даже моя собственная наука содержит истинные утверждения о числах, истинность которых мы никогда не сможем доказать.

Естествознание против математики

Такое стремление к уверенности, к знанию – подлинному знанию – было одной из главных причин, по которым я предпочел математику всем остальным наукам. В естественных науках то, что, как нам кажется, мы знаем о Вселенной, – это модели, соответствующие экспериментальным данным. Модели, которые могут стать научными теориями, должны допускать возможность опровержения. Теории выживают – если они выживают – тогда, когда все имеющиеся данные соответствуют их модели. Если мы получаем новые данные, противоречащие модели, мы должны сменить модель. Научная теория по самой своей природе предполагает возможность оказаться отвергнутой. Но можем ли мы в таком случае на самом деле быть уверены в своей правоте, хоть когда-нибудь?

Когда-то мы считали, что Вселенная статична, но потом произошли новые открытия, доказавшие, что галактики разбегаются от нас. Мы полагали, что скорость расширения Вселенной уменьшается вследствие воздействия гравитации. Затем мы выяснили, что ее расширение ускоряется. Мы ввели в свою модель идею темной энергии, стремящейся раздвинуть Вселенную во все стороны. Эта модель еще ждет доказательства своей неправоты, хотя пока что вновь появляющиеся экспериментальные данные все более подтверждают ее. В конце концов мы можем найти истинную модель Вселенной, которую не смогут поколебать никакие новые открытия. Но мы никогда не сможем быть уверены в том, что справедлива именно эта модель.

В этом и состоит одна из наиболее интересных черт естественных наук – они постоянно развиваются, в них всегда появляется что-то новое. Мы можем сочувственно относиться к старым теориям, утратившим свое значение. Разумеется, новые теории вырастают из старых. Ученый постоянно опасается, что его теория, модная в данный момент и получающая многочисленные премии, внезапно может оказаться вытеснена чем-то новым. Модель атомного пудинга, идея абсолютного времени, одновременная определимость положения и импульса частиц – все они давно покинули вершину списка научных бестселлеров. Их заменили новые теории.

Та модель Вселенной, о которой я читал в школе, с тех пор была полностью переписана. Однако с математическими теоремами, которые я учил в то же время, ничего такого не произошло. Они столь же справедливы сегодня, как и в тот день, когда я их впервые прочел, как и в тот день, когда они были открыты. А с этого дня в некоторых случаях прошло целых 2000 лет. Меня, неуверенного в себе прыщавого подростка, особенно привлекала такая определенность. Это не означает, что математика статична. Она постоянно развивается по мере того, как неизвестное становится известным, но такое известное остается известным и устойчивым, образуя первые страницы очередной великой истории. Почему же процесс достижения математической истины столь отличен от того, с чем имеет дело естествоиспытатель, не имеющий надежды получить окончательное знание?

Самый важный ингредиент на кухне математика – это доказательство.

Доказательство: путь к истине

Существуют свидетельства того, что люди занимались математикой уже во 2-м тысячелетии до н. э. На вавилонских глиняных табличках и египетских папирусах находятся сложные вычисления и решения задач: оценки значения π, формула расчета объема пирамиды, алгоритмы решения квадратных уравнений. Но, как правило, эти документы описывают процедуры, пригодные для решения конкретных задач. Мы не находим обоснований того, почему такие процедуры всегда работают, за исключением убедительных свидетельств того, что они успешно работали в тысячах предыдущих случаев, зарегистрированных на более ранних глиняных табличках. Математическое знание было основано на опыте и обладало скорее естественнонаучным оттенком. Новые процедуры разрабатывались, если возникала задача, которую нельзя было решить при помощи уже известных алгоритмов.

Затем, в районе V в. до н. э., положение дел начало изменяться, когда за эту тему взялись древние греки. В дополнение к алгоритмам стали появляться рассуждения, обосновывавшие, почему та или иная формула всегда работает, как указано на упаковке – или на глиняной табличке. Такое обоснование уже не сводилось к тому, что, раз алгоритм сработал последнюю тысячу раз, он, вероятно, будет работать и дальше: рассуждение объясняло, почему данное утверждение всегда будет справедливым. Так появилась идея доказательства.

Первым известным автором математического доказательства считается Фалес Милетский. Он доказал, что если взять любую точку на окружности и соединить ее с двумя концами диаметра этой окружности, то полученный угол всегда будет прямым. Какую бы окружность вы ни взяли, какую бы точку на ней ни выбрали, вы всегда получаете в точности прямой угол. Не приблизительно прямой, и не потому, что так, по-видимому, получается на всех ваших чертежах. Этот результат следует из свойств окружностей и прямых.

Доказательство Фалеса отталкивается от положений, в справедливости которых его читатель уже уверен и приходит к этому новому элементу знания, который вовсе не кажется изначально очевидным при простом взгляде на окружность, путем изобретательной последовательности логических ходов. Фокус заключается в построении отрезка, соединяющего исходную точку В, лежащую на окружности, с центром окружности О.

Какая нам от этого польза? Теперь у нас есть два треугольника, каждый из которых имеет две стороны равной длины. Это значит, что противоположные центру окружности углы в каждом из этих треугольников равны. Это свойство таких треугольников к тому времени уже было доказано. Возьмем большой треугольник АВС, который мы начертили в самом начале. Сумма его углов есть 2α + 2β. Тогда, с учетом того, что сумма всех углов треугольника должна быть равна 180°, мы знаем, что α + β = 90°, как и утверждал Фалес.

Когда я впервые увидел это доказательство в детстве, я пришел в настоящий восторг. Из картинки видно, что угол, примыкающий к окружности, похож на прямой. Но можно ли быть в этом уверенным? Мой разум искал какую-то причину, по которой это должно быть так. А потом, когда я перевернул страницу, увидел третий отрезок, который Фалес провел в центр окружности, и осознал логические следствия такого построения, я внезапно понял с ошеломляющей ясностью, почему этот угол действительно должен быть равен 90°.

Заметьте, что уже в этом доказательстве здание математического рассуждения строится на фундаменте положений, которые были доказаны ранее: например, того факта, что сумма углов треугольника всегда равна 180°. Открытие Фалеса, в свою очередь, стало основой для построения следующего этажа математического здания.

Доказательство Фалеса – лишь одно из многих, включенных в «Начала» Евклида. Многие считают эту книгу образцом самой сути математики и математического доказательства. Она начинается с основных структурных элементов, аксиом, геометрических утверждений, которые кажутся настолько самоочевидными, что читатель готов принять их в качестве надежного фундамента, на котором можно начать выстраивать логическое рассуждение.

Идея доказательства не возникла сама по себе, на пустом месте. Она скорее выросла из нового литературного стиля, разработанного в Древней Греции. Искусство риторики, сформулированное Аристотелем и подобными ему авторами, создало новый тип рассуждений, направленных на убеждение аудитории. Шла ли речь о юридических спорах, политических кампаниях или просто литературном повествовании, аудитории предлагалось совершить путешествие по логическому маршруту, в котором оратор пытался убедить слушателей в правоте своей позиции. Математика Египта и Вавилона выросла из строительства и измерения новых городов, возникавших в долинах Нила и Евфрата. Новая потребность в логике и риторических рассуждениях возникла из политических институтов эпохи расцвета греческих городов-государств, лежавших в основе греческой империи.

Для Аристотеля риторика была сочетанием чистой логики с методами, рассчитанными на воздействие на эмоции публики. Математическое доказательство происходит от первого из этих ингредиентов. Однако доказательство также связано с повествованием. И именно поэтому доказательство появилось в этот момент и в этом месте, вероятно, благодаря замысловатым историям, созданным такими драматургами, как Софокл и Еврипид, не в меньшей степени, чем благодаря философским диалогам Аристотеля и Платона.

В свою очередь, математические исследования греков со временем вышли из области практических алгоритмов для строителей и землемеров в сферу удивительных открытий, больше похожих на математические истории, поражающие воображение читателя.

Доказательство – это логическое повествование, уводящее читателя из места, ему известного, в новые, еще неизведанные дали. Подобно приключениям Фродо во «Властелине колец» Толкина, доказательство есть описание путешествия из Шира в Мордор. В пределах давно знакомого Шира находятся математические аксиомы, самоочевидные истины о числах и уже доказанные положения. Они образуют тот пейзаж, с которого начинается странствие. Путешествие, начинающееся с этой привычной территории, происходит по правилам математической дедукции, подобным правилам шахматных ходов, которые определяют, как мы можем перемещаться по этому миру. Время от времени мы можем заходить в тупик и быть вынуждены отклоняться в сторону или даже возвращаться назад, чтобы найти обходной путь. Иногда для продолжения такого путешествия приходится ждать появления новых математических персонажей – например мнимых чисел или методов дифференциального исчисления. Доказательство – это рассказ о путешествии и карта, на которой отмечены координаты этого путешествия. Путевой дневник математика.

Чтобы такое путешествие заняло свое место в математическом эпосе, ему недостаточно достичь истинного утверждения о числах или геометрических фигурах. Оно должно поражать, восхищать, эмоционально затрагивать своего читателя. В нем должны быть опасности и драматическое напряжение. Математика отличается от собрания истинных утверждений о числах так же, как литература не сводится к набору всех возможных сочетаний слов, а музыка – к коллекции всех возможных последовательностей нот. Математика требует применения эстетической оценки и выбора. И наверное, именно поэтому искусство математического доказательства развилось в эпоху расцвета повествования. Возможно, доказательство не в меньшей степени было порождено пафосом, эмоциональной стороной риторики Аристотеля, чем ее логосом, то есть рациональным аспектом.

Числа на грани

Хотя многие из первых геометрических доказательств конструктивны, древние греки также использовали свои новые математические инструменты для доказательства невозможности, непознаваемости некоторых вещей. Мы уже видели один яркий пример такого доказательства: квадратный корень из 2 не может быть выражен в виде отношения двух целых чисел.

Это доказательство обладает большой нарративной силой: оно увлекает читателя в путешествие, исходя из предположения, что длина диагонали может быть выражена в виде дроби. По мере невинного на вид развития сюжета мы все дальше и дальше углубляемся в кроличью нору этой истории, пока наконец не доходим до совершенно абсурдного вывода: четные числа есть числа нечетные и наоборот. Мораль сей басни заключается в том, что предполагаемая дробь, выражающая искомую длину, может быть лишь иллюзией. Для желающих совершить путешествие вниз по кроличьей норе эта история изложена в рамке на следующей странице.

Тем, кто впервые встречался с числом, подобным квадратному корню из двух, оно должно было казаться объектом, который по самой своей природе не подлежит полному познанию. Знать число означало записать его, выразить через уже известные числа. Но это число, по-видимому, не поддавалось никаким попыткам записать его значение.

Это был необыкновенный момент в истории математики – создание совершенно нового вида чисел. Можно было упорно утверждать, что уравнение х2 = 2 вообще не имеет решения. В то время числа, которые могли дать точное решение этого уравнения, не были известны. Собственно говоря, математический аппарат, достаточно сложный, чтобы придать таким числам смысл, появился только в XIX в. И все же было ощущение, что такое число существует. Его можно было видеть – вот оно, длина стороны треугольника. В конце концов математики решились добавить к нашему математическому инструментарию новые типы чисел, которые позволили нам решать такие уравнения.

Существовали и другие уравнения, казавшиеся нерешаемыми, причем их ответ был не так нагляден, как квадратный корень из двух, – и тем не менее нам удалось создать и такие решения. С современной точки зрения решение уравнения х + 3 = 1 кажется нетрудным: х = –2. Но у греков не было числа, позволяющего выразить это решение. Диофант Александрийский называл такие уравнения абсурдными. По мнению математиков, подобных Диофанту, числа были геометрическими объектами: они выражали реально существующие вещи, длины отрезков. Такого отрезка, длина которого станет равна единице после удлинения на три единицы, не существует.

Другие культуры не так легко признавали свое поражение перед лицом такого уравнения. В Древнем Китае числа использовали для подсчета денег, а там, где дело касается денег, часто возникают и долги. Легко можно представить себе обстоятельства, в которых я добавляю в свой кошелек три монеты и обнаруживаю, что в нем осталась всего одна. Две остальные монеты могли уйти на оплату долга другу. В 200 г. до н. э. китайские математики использовали для представления чисел красные палочки; однако палочки, которые использовали для подсчета долгов, были черными. Отсюда и пошла традиция записывать убытки в бухгалтерских книгах красными чернилами – только где-то по дороге цвета успели поменяться.

Доказательство иррациональности квадратного корня из 2

Пусть L – длина гипотенузы прямоугольного треугольника, длина обоих катетов которого равна 1. По теореме Пифагора, площадь квадрата, построенного на гипотенузе, равна сумме площадей квадратов, построенных на катетах. Но площадь обоих меньших квадратов равна 1, а площадь большего квадрата равна L2. Таким образом, L есть число, квадрат которого равен 2.

Предположим, что L равно отношению двух целых чисел: L = p/q.

Можно предположить, что одно из чисел p и q – нечетное. Если оба эти числа четные, числитель и знаменатель дроби можно делить на 2 до тех пор, пока одно из чисел не станет нечетным.

Из L2 = 2 следует, что p2/q2 = 2.

Умножим обе стороны равенства на q2: p2 = 2 ∙ q2.

Итак, четное число р или нечетное? Мы знаем, что р2 – четное число, поэтому и р должно быть четным, так как нечетное число в квадрате также дает нечетное число. Значит, р = 2 ∙ n для некоторого числа п. Раз р – четное число, то q должно быть нечетным. Но подождите секундочку…

2 ∙ q2 = p2 = (2 ∙ n)2 = 2 ∙ 2 ∙ n2, и, разделив обе части этого равенства на 2, мы получим: q2 = 2 ∙ n2.

Вспомним, что раньше мы выяснили, что q – нечетное число.

Значит, и q2 должно быть нечетным. Но правая часть этого уравнения равна четному числу! Итак, если длина L может быть выражена в виде дроби, то четность равна нечетности. Поскольку такой вывод явно абсурден, наше исходное предположение о возможности выразить L в виде отношения двух целых чисел должно быть ложным.

По-моему, это одно из самых потрясающих доказательств в математике. Мы показали при помощи конечного логического рассуждения, что существует длина, для выражения которой требуется бесконечное число.

Первая теория отрицательных чисел возникла в VII столетии в Индии. В частности, Брахмагупта установил некоторые важные математические свойства таких чисел, например что «долг, умноженный на долг, приносит богатство» – то есть что минус на минус дает при умножении плюс. Интересно отметить, что это положение – не самостоятельный закон, а следствие из аксиом математики. Его доказательство представляет собой весьма увлекательную задачу. Европейцы убедились в существовании чисел, позволяющих решать уравнения такого рода, лишь к XV в. В XIII в. употребление отрицательных чисел даже было запрещено во Флоренции.

Новые числа появлялись и дальше, особенно когда математики столкнулись с проблемой решения уравнений типа х2 = –1. На первый взгляд решение казалось невозможным. Ведь если взять положительное число и возвести его в квадрат, результат будет положительным, а как доказал Брахмагупта, квадрат отрицательного числа также положителен. Когда математики эпохи Возрождения встречали это уравнение, их первой реакцией было предположение о невозможности его решения. И тогда итальянский математик Рафаэль Бомбелли сделал следующий радикальный шаг: он предположил, что существует некое новое число, квадрат которого равен –1. Оказалось, что такое число можно использовать для решения огромной массы уравнений, которые до этого считались нерешаемыми. Интересно, что в некоторых случаях такое мнимое число требовалось лишь в промежуточных вычислениях и не входило в конечный ответ, который содержал только уже привычные, обычные числа, явно дающие решение данного уравнения.

Все это выглядело как математическая алхимия, но многие отказывались допустить новые числа Бомбелли в каноническую математику. Декарт писал о них довольно презрительно, отвергая такие числа как мнимые. С течением времени математики осознали не только их силу, но и тот факт, что их введение в математику, по-видимому, не порождает никаких противоречий. Мнимые числа заняли причитающееся им место в математике только в начале XIX в., отчасти благодаря картинке, которая помогла математикам зримо представить их себе.

Обычные числа (называемые в математике вещественными) были отложены по горизонтальной оси. Мнимые числа, такие как i, как был обозначен квадратный корень из –1, были представлены на вертикальной оси. Эта двумерная картина мнимых, или комплексных, чисел внесла большой вклад в примирение с этими новыми числами. Сила этого представления была подтверждена открытием того факта, что геометрия этой картины отражает арифметику чисел.

Существуют ли еще и другие числа, скрытые за этой гранью, еще не открытые? В надежде открыть другие новые числа можно попробовать рассмотреть другие странные уравнения. Например, как насчет уравнения х4 = –1?

Может быть, для решения этого уравнения необходимы какие-то новые числа? Но одна из величайших теорем XIX в., называемая теперь основной теоремой алгебры, доказала, что использование мнимого числа i и вещественных чисел позволяет решить любое алгебраическое уравнение. Например, если взять

и возвести его в четвертую степень, результат будет равен –1. Мы достигли грани, за которой решение уравнений более не позволяет находить новые числа.

Доказанная невозможность

Найденное древними греками доказательство иррациональности квадратного корня из двух было первым из многих математических доказательств невозможности тех или иных вещей. Другое доказательство невозможности касалось так называемой концепции «квадратуры круга». Математическая идея квадратуры круга даже вошла во многие языки в качестве выражения чего-то невозможного. Квадратура круга относится к числу геометрических задач, которые древние греки обожали решать с использованием линейки (без делений) и циркуля (для построения дуг окружностей). Они придумали весьма изобретательные способы построения точных равносторонних треугольников, пятиугольников и шестиугольников при помощи этих инструментов.

Задача о квадратуре круга сводится к построению при помощи этих инструментов квадрата, площадь которого равна площади данного круга. Как греки ни старались, решение этой задачи им не давалось. Столь же неразрешимую задачу задал оракул на острове Делос. Жители этого греческого острова просили оракула посоветовать им, как избавиться от чумы, которую наслал на них бог Аполлон. Оракул ответил, что им следует удвоить размер алтаря Аполлона. Алтарь этот имел совершенную кубическую форму. Платон истолковал это указание как требование построить при помощи линейки и циркуля второй совершенный куб, объем которого был бы вдвое больше объема первого.

Если объем второго куба равен удвоенному объему первого, значит, длина его стороны должна быть равна произведению длины стороны первого куба на кубический корень из двух. Отмерить квадратный корень из двух просто, так как ему равна длина диагонали квадрата с единичной стороной; однако получить кубический корень из двух оказалось так трудно, что жители Делоса не смогли решить эту задачу. Может быть, при помощи геометрии и математики оракул просто хотел отвлечь внимание делосцев от стоявших перед ними более насущных социальных проблем.

Решение задач о квадратуре круга, удвоении куба и трисекции угла (третья классическая задача) оказалось невозможным. Но математики сумели доказать, вне всякого сомнения, что все эти вещи невозможны, только к XIX в. Ключ к доказательству невозможности этих геометрических построений появился лишь с развитием теории групп – языка, используемого для понимания симметрии, который и сам я использую в своих исследованиях. Оказалось, что при помощи циркуля и линейки можно построить только такие отрезки, длины которых являются решениями некоторых типов алгебраических уравнений.

Решение задачи о квадратуре круга требует построения при помощи циркуля и линейки отрезка длиной π на основе отрезка единичной длины. Однако в 1882 г. было доказано, что π – число не просто иррациональное, но трансцендентное, что означает, что оно не является решением никакого алгебраического уравнения. А это, в свою очередь, значит, что квадратура круга невозможна.

Математика очень хорошо умеет доказывать, что что-то невозможно. Одна из самых знаменитых теорем, содержащихся в книгах по математике, – это Великая теорема Ферма, утверждающая, что невозможно найти ненулевые целые числа, удовлетворяющие уравнению

xn + yn = zn,

где натуральное число п больше 2. Это, очевидно, не так в случае n = 2, который соответствует уравнению, выведенному Пифагором для прямоугольного треугольника. Если n = 2, решений существует множество, например 32 + 42 = 52. На самом деле таких решений бесконечно много, и уже древние греки нашли формулу, по которой можно получить все такие решения. Но находить решения часто оказывается гораздо проще, чем доказать невозможность нахождения чисел, которые удовлетворяли бы любым из уравнений Ферма.

Как известно, Ферма считал, что нашел решение, но написал на полях своего экземпляра «Арифметики» Диофанта, что эти поля слишком малы для найденного им замечательного доказательства. Прошло целых 350 лет, прежде чем мой коллега по Оксфорду Эндрю Уайлс наконец смог представить убедительное доказательство того, почему целочисленные решения уравнения Ферма найти невозможно. Доказательство Уайлса занимает более сотни страниц, не считая тысяч страниц ранее разработанной теории, на которой оно основано. Так что для его изложения не хватило бы даже очень широких полей.

Доказательство Великой теоремы Ферма – это проявление подлинного мастерства. Я считаю честью для себя жить в то самое время, когда были найдены последние фрагменты этой головоломки.

До того как Уайлс продемонстрировал невозможность существования решения, все еще сохранялась возможность существования каких-нибудь особо хитрых чисел, которые могут быть решением одного из таких уравнений. Я помню великолепную первоапрельскую шутку, которая гуляла по математическому сообществу примерно в то же время, когда Уайлс объявил о своем доказательстве. Суть шутки состояла в том, что Ноам Элкис, уважаемый специалист по теории чисел из Гарварда, получил неконструктивное доказательство существования такого решения. Это первоапрельское электронное сообщение было написано весьма изобретательно, так как слово «неконструктивное» означало, что он не может прямо назвать числа, являющиеся решением уравнений Ферма, но из его доказательства следует, что решение должно существовать. Самое замечательное состоит в том, что многим это сообщение было переправлено через несколько дней после 1 апреля, когда шутка впервые вышла в свет, так что они понятия не имели, что она имеет отношение к первоапрельским розыгрышам.

Даже и без всевозможных розыгрышей математическое сообщество провело 350 лет, не зная, существует ли такое решение. Мы просто этого не знали. Но Уайлс в конце концов прекратил наши мучения. Его доказательство означает, что, сколько бы мы ни перебирали чисел, мы никогда не найдем такие три числа, которые будут решением одного из уравнений Ферма.

Нехватка нейронов

Мы живем в золотой век математики, в течение которого были наконец решены некоторые из величайших нерешенных задач. В 2003 г. российский математик Григорий Перельман решил одну из труднейших задач геометрии, доказав гипотезу Пуанкаре. Однако по-прежнему существует множество утверждений о числах и уравнениях, доказательства которых все еще ускользают от нас: гипотеза Римана, гипотеза парных простых чисел, гипотеза Бёрча – Свиннертон-Дайера, гипотеза Гольдбаха.

Мои собственные исследования, которым я посвятил последние двадцать лет, направлены на выяснение истинности или ложности так называемой гипотезы PORC[111]. Ее сформулировал более 50 лет назад оксфордский математик Грэм Хигман, предполагавший, что число групп симметрии с определенным числом симметрий должно выражаться красивым полиномиальным уравнением (буква Р в аббревиатуре PORC обозначает полином). Например, число групп симметрии с р6 симметриями, где р – простое число, дается квадратичным выражением относительно р: р2 + 39р + с (где с – константа, которая зависит от остатка от деления р на 60).

Результаты моих собственных исследований заставляют серьезно усомниться в справедливости этой гипотезы. Я открыл симметричный объект с р9 симметриями, поведение которого свидетельствует о значительном отклонении от предсказаний гипотезы Хигмана. Но это не дает окончательного решения задачи. По-прежнему возможно, что существуют другие симметричные объекты с р9 симметриями, которые могут скомпенсировать обнаруженное мною странное поведение, – и тогда гипотеза Хигмана останется справедливой. Поэтому на данный момент я не знаю, справедлива ли его гипотеза, а сам Хигман, к сожалению, умер, так и не узнав ответа на этот вопрос. Мне не терпится узнать его прежде, чем и моя конечная жизнь придет к своему концу, и именно вопросы такого рода побуждают меня заниматься математическими исследованиями.

Иногда, когда я блуждаю среди кажущихся бесконечными изгибов и поворотов своих исследований, я сомневаюсь, обладает ли мой мозг достаточными ресурсами для решения той задачи, над которой я работаю. Собственно говоря, при помощи математики можно доказать, что существуют математические задачи, превосходящие физические возможности человеческого мозга, который содержит 86 миллиардов нейронов, соединенных между собой более чем 100 триллионами синапсов.

Математика беспредельна. Она продолжается вечно. В отличие от шахмат, в которых, по оценкам, возможно около 101050 разных партий, число доказуемых математических утверждений бесконечно. В шахматах фигуры «съедают», партии выигрывают, и последовательности повторяются. В математике же не существует эндшпиля, из чего следует, что, даже если все мои 86 миллиардов нейронов будут возбуждаться с максимальной физически возможной скоростью, в течение всей своей жизни я смогу сделать лишь некоторое конечное число логических шагов и, таким образом, познать лишь некоторую конечную часть математики. Что, если для доказательства моей гипотезы PORC требуется больше логических шагов, чем я могу сделать за свою жизнь?

Даже если мы превратим всю Вселенную в один большой компьютер, возможный объем его знания все равно будет ограничен. В своей статье под названием «Вычислительная мощность Вселенной»[112] Сет Ллойд подсчитал, что с момента Большого взрыва Вселенная не могла произвести более 10120 операций с данными, максимальный объем которых составляет 1090 битов. В любой момент времени Вселенная может знать лишь некоторую конечную часть математики. Вы можете спросить: «А что, собственно, вычисляет Вселенная?» На самом деле она вычисляет свою собственную динамическую эволюцию. И хотя эти числа огромны, они все же конечны. Это означает, что мы можем доказать путем вычислений, что в любой момент времени всегда будет нечто, чего мы не знаем.

Но оказывается, что в математике существует и еще более глубокий уровень неизвестного. Даже если бы у нас был компьютер бесконечной мощности и бесконечного быстродействия, и тогда оставались бы вещи, которых мы никогда не узнаем. Одна теорема, доказанная в ХХ в., открыла нам пугающую возможность того, что даже такой компьютер бесконечной мощности может никогда не узнать, справедлива ли моя гипотеза PORC. Эта так называемая теорема Гёделя о неполноте потрясла математику до основания. Возможно, эти гипотезы и справедливы, но мы никогда не сможем доказать их в рамках аксиоматической системы нашей математики. Гёдель доказал, что в рамках любой аксиоматической системы математики существуют математически истинные утверждения, истинность которых невозможно доказать в рамках той же аксиоматической системы. Математическое доказательство существования чего-то, что не может быть доказано, – математика за гранью.

Когда я узнал об этой теореме в университете, она сильно потрясла меня. Несмотря на физические ограничения моего собственного мозга или мозга Вселенной, я, по-видимому, вырос в уютном убеждении, что по меньшей мере теоретически где-то существует доказательство, которое покажет, истинна или ложна моя гипотеза PORC, истинна или ложна гипотеза Римана. Один из моих героев, венгерский математик Пал Эрдёш, всегда с нежностью отзывался о доказательствах из Книги – так Эрдёш называет свод, где Бог хранит самые изящные доказательства всех математических теорем. Задача математика состоит в открытии доказательств из Книги. Как пошутил Эрдёш на лекции, которую он читал в 1985 г., «не обязательно верить в Бога, но нужно верить в Книгу». Сам Эрдёш сомневался в существовании Бога и называл его «Верховным фашистом», который вечно прячет от него то носки, то венгерский паспорт. Но мне кажется, что большинство математиков было согласно с метафорой Книги. Однако из того доказательства, о котором я узнал на университетской лекции по математической логике, следовало, что в Книге не хватает некоторых страниц – страниц, которых нет даже у «Верховного фашиста».

Параллельные вселенные

Открытие существования математических утверждений, лежащих за пределами доказательств, было вызвано пониманием того, что одно из геометрических положений, которое Евклид использовал в качестве аксиомы, на самом деле не столь аксиоматично, как принято было думать.

Аксиома – это предпосылка или отправная точка любой последовательности логических рассуждений. В общем случае считается, что аксиома выражает некую самоочевидную истину, справедливость которой общепризнанна и не нуждается в доказательстве. Например, я верю, что если взять два числа, то в каком бы порядке я их ни складывал, я всегда получу один и тот же ответ. Если взять число 36 и прибавить к нему 43, ответ будет тем же, что и если взять 43 и прибавить 36. Можно спросить, откуда я знаю, что это всегда будет так. Может быть, если взять действительно большие количества объектов и сложить их, произойдет что-нибудь странное. Вот как работает математика: она производит дедуктивные выводы о числах, которые удовлетворяют этому правилу. Если тот способ, которым мы считаем объекты во Вселенной, дает какие-нибудь странные результаты, мы должны просто признать, что та математика, которую мы разработали на основе этой аксиомы, неприменима к тому, как ведут себя физические числа во Вселенной. Тогда нам нужно разработать новую теорию чисел, основанную на числах, удовлетворяющих другому фундаментальному набору аксиом.

Хотя многие из аксиом, которые Евклид использовал при развитии своей геометрической теории, казались самоочевидными истинами о геометрии Вселенной, одна из них постепенно стала вызывать у математиков все более серьезные подозрения.

Постулат о параллельных утверждает, что если имеются прямая и точка, не принадлежащая этой прямой, то через эту точку может быть проведена только одна прямая, параллельная первой прямой. Этот постулат несомненно кажется очевидным, если чертить геометрические фигуры на плоском листе. Эта аксиома – одна из тех, на которых основано евклидово доказательство того, что сумма углов треугольника равна 180°. Любая геометрия, в которой справедлив постулат о параллельных, безусловно порождает треугольники, обладающие этим свойством. Но открытые в XIX в. новые типы геометрий, в которых не существует параллельных прямых или могут быть проведены несколько параллельных прямых, привели математиков к пониманию того, что евклидова геометрия – всего лишь одна из множества разных возможных геометрий.

Например, если взять поверхность сферы с ее искривленной геометрией, то линии, лежащие на этой поверхности, будут не прямыми, а изогнутыми. Если взять две точки на поверхности Земли, то, как известно любому, летавшему через Атлантику, кратчайший путь между этими двумя точками не соответствует прямой, которую можно прочертить на плоской карте. Это связано с тем, что линия, соединяющая эти две точки, есть часть окружности, подобной меридиану, делящему сферу на две в точности равные половины. Действительно, если одна из наших точек совпадает с Северным или Южным полюсом, то интересующая нас линия будет отрезком меридиана. Все линии в этой геометрии являются отрезками меридианов, перемещаемыми по поверхности сферы так, чтобы они проходили через наши две точки. Их называют дугами большого круга. Но если теперь взять третью точку, не принадлежащую данному большому кругу, то через нее нельзя провести большой круг, который не пересекался бы с первым большим кругом. Итак, мы получили геометрию, в которой не существует параллельных линий. Соответственно, любое доказательство, основанное на постулате о параллельных, в такой новой геометрии может не быть истинным. Возьмем доказательство того, что сумма углов треугольника равна 180°. Это утверждение выведено в геометрии, в которой справедлив постулат о параллельных. Но в нашей сферической геометрии он не работает. И действительно, в этой геометрии существуют треугольники, сумма углов которых превышает 180°. Возьмем Северный полюс и две точки на экваторе. Два угла при экваторе уже дают в сумме 180°, так что сумма всех трех углов треугольника должна быть больше 180°.

Треугольник, сумма углов которого больше 180°

Были открыты и другие геометрии, в которых через одну точку можно провести не одну, а много параллельных прямых. В таких геометриях, называемых гиперболическими, сумма углов треугольника меньше 180°. Эти открытия не отменили истинности никаких доказательств Евклида. Это прекрасный пример того, почему математические открытия лишь обогащают, а не перечеркивают знание, существовавшее до них. Но появление этих новых геометрий в начале XIX в. вызвало определенное беспокойство. Некоторые математики даже считали, что геометрия, не удовлетворяющая евклидовой аксиоме о параллельных прямых, должна содержать какое-то противоречие, которое в конце концов заставит отбросить ее как невозможную. Но дальнейшие исследования показали, что наличие каких-либо противоречий, присущих новым геометриям, означало бы, что противоречие существует и в основе геометрии Евклида.

Такая мысль казалась еретической. Евклидова геометрия прошла испытание временем и не обнаружила никаких противоречий за 2000 лет. Но погодите… что-то подобное мы уже слышали от естествоиспытателей. Уж математика-то должна быть способна доказать, что евклидова геометрия не порождает противоречий. Мы не можем просто считать, что, раз что-то успешно работало до этого момента, значит, все в порядке. Так делают естественники из лаборатории напротив. Мы, математики, должны быть способны доказать, что наша область свободна от противоречий.

Как называется этот раздел?

Когда в конце XIX в. в математической теории множеств были получены странные результаты, которые, по-видимому, порождали неразрешимые парадоксы, математики стали относиться к такой необходимости доказательства отсутствия противоречий в своей области более серьезно. Многие из таких парадоксов придумал британский философ Бертран Рассел. Он поставил перед математическим сообществом задачу о множестве всех множеств, собственными элементами которых не являются они сами. Вопрос сводился к тому, является ли это новое множество элементом самого себя. Множество может быть его элементом, только если оно не содержит само себя в качестве элемента. Но, как только мы вводим это множество в число его же элементов, оно (конечно же) внезапно становится множеством, содержащим само себя в качестве элемента. Черт! Парадокс казался неразрешимым, и в то же время такая конструкция была не столь уж отлична от тех множеств, которыми математики могли заниматься всерьез.

Рассел предложил более прозаические, бытовые примеры такого рекурсивного парадокса. Например, он представил себе остров, на котором действует закон, согласно которому цирюльник должен брить всех тех, кто не бреется сам, – и не имеет права брить никого другого. Беда в том, что такой закон порождает парадокс: может ли цирюльник брить самого себя? Нет, так как ему можно брить только тех, кто не бреется сам. Но тогда он попадает в категорию тех, кого должен брить цирюльник. Снова черт! Цирюльник играет здесь роль того множества, которое пытался определить Рассел, – множества всех множеств, которые не являются элементами самих себя.

Из всех примеров таких парадоксов мне, наверное, больше всего нравится загадка об описании чисел. Представьте себе, что вы рассматриваете все числа, которые можно определить, используя менее 20 слов, взятых из «Оксфордского словаря английского языка»[113]. Например, число 1729 можно определить как «наименьшее число, которое может быть записано в виде суммы двух кубов двумя разными способами». Поскольку Оксфордский словарь содержит конечное количество слов, а мы можем использовать не более 20 слов, определить таким образом все числа невозможно, так как количество чисел бесконечно, а количество фраз, содержащих менее 20 слов, конечно. Поэтому должно существовать число, определяемое как «наименьшее число, которое невозможно определить, используя менее двадцати слов из Оксфордского словаря». Но погодите… Я ведь только что определил его, использовав менее 20 слов. Черт!

Естественный язык легко порождает парадоксальные утверждения. Простое соединение слов в предложение не гарантирует ни осмысленности, ни истинности. Но придуманное Расселом множество всех множеств, которые не содержат самих себя, вызывало тревогу тем, что оно было очень близко к тем объектам, математические определения которых нам могут потребоваться. В конце концов математики придумали, как обойти эту парадоксальную ситуацию, – для этого потребовалось уточнить интуитивное представление о множестве, но вся эта история оставила после себя неприятный привкус. Сколько еще неожиданностей таится в глубинах здания математики? Когда в 1900 г. великого немецкого математика Давида Гильберта попросили выступить на Международном математическом конгрессе, он решил очертить 23 величайшие нерешенные задачи, с которыми предстояло иметь дело математикам ХХ в. Доказательство отсутствия в математике противоречий было вторым пунктом в его списке.

В своей речи Гильберт решительно провозгласил главную, по мнению многих, мантру математики: «Эта убежденность в разрешимости любой математической задачи является мощным стимулом для работника. Мы слышим внутри себя вечный зов. Вот задача. Найди ее решение. Ты можешь найти его при помощи чистого разума, ибо в математике не существует “ignorabimus”[114]». То есть в математике нет ничего такого, чего мы знать не можем. Смелое заявление.

Тем самым Гильберт давал отповедь разросшемуся в конце XIX в. движению, которое утверждало, что наши возможности понимания Вселенной ограниченны. В 1880 г., выступая в Берлинской академии наук, выдающийся физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон очертил те семь загадок природы, которые, по его мнению, были непознаваемы, отнеся их к категории «ignoramus et ignorabimus»[115]. То, чего мы не знаем и никогда не будем знать.

В свете моих попыток понять, какие вопросы могут быть непознаваемыми, интересно сравнить мой список с семью загадками Дюбуа-Реймона:

1. Истинная природа вещества и силы.

2. Происхождение движения.

3. Происхождение жизни.

4. Кажущееся телеологическое устройство природы.

5. Происхождение простых ощущений.

6. Происхождение разума и языка.

7. Вопрос о свободе воли.

Дюбуа-Реймон считал, что пункты 1, 2 и 5 истинно трансцендентны. Первые два все еще в значительной степени составляют сущность вопросов, которые мы рассматривали на нескольких первых «рубежах». Телеологическое устройство природы относится к вопросу о том, почему Вселенная, по-видимому, так хорошо приспособлена для существования жизни, – и этот вопрос мучает нас до сих пор. Лучший из имеющихся у нас возможных ответов на него – это существование множественных вселенных. Последние три пункта были темой предыдущего «рубежа», на котором мы рассматривали пределы человеческого разума. Пожалуй, сколько-нибудь значительных успехов мы достигли только в разрешении загадки происхождения жизни. Несмотря на потрясающие успехи научного прогресса, достигнутые за последние сто лет, остальные шесть задач по-прежнему могут оказаться непознаваемыми, как и полагал Дюбуа-Реймон.

Но Гильберт не собирался включать математические утверждения в список загадок Дюбуа-Реймона. Тридцать лет спустя, 7 сентября 1930 г., когда Гильберт вернулся в свой родной Кенигсберг, чтобы получить звание его почетного гражданина, он закончил свою благодарственную речь следующим боевым кличем, обращенным к математикам:

«Ignorabimus» не существует ни для математиков, ни, по моему мнению, для естественных наук […] По моему мнению, истинная причина, по которой никому до сих пор не удалось найти неразрешимой задачи, состоит в том, что неразрешимых задач не существует. В противоположность нелепому «ignorabimus» наш лозунг утверждает: «Wir müssen wissen. Wir werden wissen»[116].

Однако Гильберт не знал о поразительном заявлении, которое было сделано на конференции, проходившей в том же самом Кенигсберге за день до этой церемонии. «Ignorabimus» все-таки существует в математике. 25-летний австрийский логик по имени Курт Гёдель доказал невозможность доказать, что математика не содержит противоречий. Он пошел даже дальше. В аксиоматической системе любой математики существуют истинные утверждения о числах, истинность которых невозможно доказать в рамках этой же аксиоматической системы. Лозунг Гильберта – «Wir müssen wissen. Wir werden wissen» – в конце концов занял подобающее ему место на надгробии самого Гильберта. А математике пришлось иметь дело с тем фактом, что и в ней существуют загадки, которые мы никогда не сможем разгадать.

Следующее предложение ложно

Название этого раздела истинно.

Именно из рекурсивных утверждений, подобных тому, которое я нашел в своей хлопушке на прошлое Рождество, Гёдель вывел свое обескураживающее доказательство ограниченности математики.

Хотя утверждения, сформулированные на естественном языке, могут порождать парадоксы, мы привыкли ожидать, что утверждение, сделанное о числах, может быть либо истинным, либо ложным. Гёделя заинтересовал вопрос о возможности использования рекурсивности в математических утверждениях. Поставленная Гильбертом задача уже содержала встроенный рекурсивный элемент: он хотел построить математически неопровержимое рассуждение, доказывающее, что математика не содержит противоречий. Эта задача уже требует рассмотрения математикой самой себя в поисках доказательства того, что в ней не могут внезапно появиться доказательства истинности двух взаимоисключающих утверждений.

Гёдель хотел показать, что в рамках любой системы аксиом теории чисел всегда будут существовать истинные утверждения о числах, которые невозможно доказать на основе этих аксиом. Стоит отметить, что можно попытаться определить, как работают эти числа, установив другую систему аксиом. Гильберт надеялся, что математики сумеют построить единую аксиоматическую систему, исходя из которой можно было бы доказать все математические истины.

Гёделю удалось разрушить эту надежду. Фокус, который использовал Гёдель, заключался в следующем: он разработал код, в рамках которого каждому осмысленному утверждению о числах был присвоен свой кодовый номер. Собственно, похожая идея используется в технологии, позволяющей мне печатать этот текст. Слова, которые я использую для изложения истории Гёделя, преобразуются в последовательности чисел, которые представляют те буквы, которые я печатаю. Например, в десятичном ASCII-представлении слово «Гёдель» изображается числом 195184228229235252[117]. Достоинство кодировки, придуманной Гёделем, состоит в том, что она позволила математике говорить о самой себе.

В кодировке Гёделя каждая из аксиом, которые мы выбираем для выражения теории чисел, – те утверждения, из которых мы выводим математические теоремы, – получает свой собственный кодовый номер. Например, аксиома «Если А = В и В = С, то А = С» имеет некоторый кодовый номер. Но свой собственный кодовый номер также получает и каждое из утверждений, которые можно вывести из этих аксиом, например утверждение «Существует бесконечное количество простых чисел». Даже если утверждение ложно, например «17 – четное число», ему все равно присваивается кодовый номер.

Эти кодовые номера позволили Гёделю рассуждать о доказуемости того или иного утверждения в рамках данной системы на языке теории чисел. Основная идея состояла в том, чтобы получить такую кодировку, в которой кодовый номер доказуемого утверждения обладал бы делимостью на кодовые номера соответствующих аксиом. На самом деле система была более сложной, но такое упрощение поможет нам ее понять.

Теперь Гёдель мог говорить о доказуемости или недоказуемости того или иного утверждения на основе аксиом как о некотором свойстве чисел. Положение, согласно которому «утверждение о существовании бесконечного количества простых чисел может быть доказано, исходя из аксиом теории чисел», преобразовалось в утверждение «кодовый номер утверждения о существовании бесконечного количества простых чисел делится на кодовые номера аксиом теории чисел», то есть в чисто математическое утверждение о свойствах чисел, которое может быть либо истинным, либо ложным.

Держитесь покрепче, пока мы будем преодолевать все логические изгибы и повороты доказательства Гёделя. Гёдель решил рассмотреть следующее утверждение S: «Это утверждение недоказуемо». Утверждению S присвоен некий кодовый номер. Но, если проанализировать содержание утверждения S, оно попросту сводится к утверждению о наличии или отсутствии делимости кодового номера утверждения S на кодовые номера аксиом. Предположим, что аксиоматическая система теории чисел, которую мы анализируем, не порождает противоречий, как надеялся Гильберт.

В кодировке Гёделя S становится всего лишь утверждением о свойствах чисел. Кодовый номер S либо делится на кодовые номера аксиом, либо не делится. Это утверждение должно быть либо истинным, либо ложным. Оно не может одновременно быть и истинным, и ложным, так как это противоречило бы нашему предположению об отсутствии противоречий в данной системе.

Предположим, что доказательство утверждения S на основе аксиом теории чисел существует. Из этого следует, что кодовый номер S делится на кодовые номера некоторых аксиом. Но доказуемое утверждение истинно. Однако, если проанализировать содержание утверждения S, мы увидим, что оно означает, что кодовый номер S не делится на номера аксиом. Противоречие. Но мы предположили, что математика не содержит противоречий. В отличие от парадокса из моей рождественской хлопушки из этой логической загадки должен существовать какой-то выход.

Чтобы выйти из этого тупика, следует понять, что наше исходное предположение было ложным: мы не можем доказать истинность утверждения S, исходя из аксиом теории чисел. Но именно это и утверждает S. То есть утверждение S истинно. Мы доказали, что предложенное Гёделем утверждение S – истинное утверждение, недоказуемое с использованием этих аксиом.

Это доказательство может напомнить вам, как мы доказали, что квадратный корень из 2 есть иррациональное число. Сначала предположим, что это не так. Это предположение приводит к противоречию. Значит, корень из двух все же должен быть иррациональным. Доказательство обоих результатов основано на том важном допущении, что аксиомы теории чисел не порождают противоречий. Одно из наиболее интересных следствий из доказательства Гёделя состоит в том, что математику нельзя спасти, введя в нее одно из таких недоказуемых утверждений в качестве аксиомы. Можно подумать, что, раз утверждение S истинно, но недоказуемо, почему бы не принять его за аксиому – и тогда, может быть, все истинные утверждения окажутся доказуемыми? Доказательство Гёделя демонстрирует, что, сколько бы новых аксиом мы ни вводили в систему, в ней всегда останутся недоказуемые истинные утверждения.

Если вы чувствуете легкое головокружение от того логического танца, в который увлек нас Гёдель, не волнуйтесь. Хотя я изучал эту теорему много раз, к концу доказательства у меня всегда несколько кружится голова – настолько поразительны его следствия. Гёдель представил математическое доказательство того, что в любой непротиворечивой аксиоматической системе теории чисел существуют истинные утверждения о свойствах чисел, справедливость которых невозможно доказать в рамках данной системы, – математическое доказательство ограниченности математики. Интересно отметить, что непознаваемо тут не само утверждение S. Собственно говоря, мы доказали его истинность. Дело в том, что для этого нам пришлось выйти за пределы данной конкретной аксиоматической системы математики, и тем самым мы продемонстрировали ее ограниченность. Именно это и продемонстрировал Гёдель – что истинность этого утверждения не может быть доказана в рамках данной системы.

Это уже достаточно обескураживающее открытие Гёделя, известное под названием первой теоремы Гёделя о неполноте, уничтожило надежду Гильберта на математическое доказательство отсутствия в математике противоречий. Гёдель доказал, что утверждение «Это утверждение недоказуемо» истинно в предположении о том, что математика не содержит противоречий. Если отсутствие противоречий можно доказать математически, то это обстоятельство можно использовать для доказательства в рамках такой математики, что утверждение «Это утверждение недоказуемо» истинно. Но при этом как раз и возникает противоречие, поскольку само это утверждение утверждает, что оно недоказуемо. Поэтому любое доказательство отсутствия в математике противоречий неизбежно приводит к противоречию. Мы снова вернулись к нашим рекурсивным утверждениям. Единственный выход из этой ситуации заключается в признании невозможности математического доказательства того, что математика лишена противоречий. В этом состоит вторая теорема Гёделя о неполноте. К ужасу Гильберта, она обнаружила «ignorabimus» в самом сердце математики.

Однако математики считают, что математика не содержит противоречий. Если бы в ней были противоречия, как бы мы смогли зайти так далеко без обрушения всего ее здания? Мы называем теорию, не содержащую противоречий, непротиворечивой. Французский математик Андре Вейль сформулировал потрясающие последствия достижений Гёделя следующим образом: «Бог существует, поскольку математика непротиворечива, а дьявол существует, поскольку мы не можем этого доказать».

Значат ли открытия Гёделя, что математика может быть опровергнута так же, как и любая другая научная теория? Возможно, мы случайно обнаружили правильную модель, но, как и в случае моделей Вселенной или элементарных частиц, мы не можем быть уверены, что в один прекрасный момент она не развалится на кусочки под весом новых данных.

Некоторые философы находили нечто привлекательное в том факте, что, хотя мы не можем доказать истинность утверждения S Гёделя в рамках аксиоматической системы теории чисел, мы по меньшей мере смогли доказать, что оно истинно, выйдя за пределы этой системы. Казалось, что из этого следует, что человеческий мозг – нечто большее, чем механизированная вычислительная машина для математического анализа мира. В 1959 г. философ Джон Лукас выступил в Оксфордском философском обществе с докладом под названием «Разум, машина и Гёдель», в котором он утверждал, что если мы построим модель разума в виде машины, следующей аксиомам и логическим правилам арифметики, то такая машина, разрабатывая доказательства, в какой-то момент наткнется на фразу «Это утверждение недоказуемо» и будет до скончания времен пытаться доказать или опровергнуть это утверждение. В то же время человек может увидеть, что оно неразрешимо, поняв его смысл. «Таким образом, машина все еще не будет адекватной моделью разума. […] разум, будучи “живым”, может всегда пойти на шаг дальше любой формализованной, окостеневшей, мертвой системы»[118].

Это рассуждение выглядело очень привлекательно. Кто не хотел бы верить, что мы, люди, – нечто большее, чем простые вычислительные системы, чем приложения, установленные в неких биологических устройствах? Роджер Пенроуз использовал рассуждение Лукаса в своем недавнем исследовании сознания в качестве основы для своего убеждения в том, что для понимания того, что делает разум сознательным, нам необходима новая физика. Но, хотя мы действительно подтверждаем истинность утверждения «Это утверждение недоказуемо» путем выхода за пределы системы, это также требует большого допущения, а именно, что система, в рамках которой мы пытаемся доказать истинность этого утверждения Гёделя, сама не содержит противоречий. А суть второй теоремы Гёделя о неполноте состоит в том, что мы не можем этого доказать.

Утверждения, подобные созданным Гёделем, истинные, но недоказуемые, могут показаться с математической точки зрения несколько эзотерическими. Не может же быть так, чтобы действительно интересные утверждения о свойствах чисел – гипотеза Римана, гипотеза Гольдбаха, гипотеза PORC – были недоказуемы? Надежда на то, что доказательству не подлежат лишь хитроумные утверждения Гёделя, оказалась ложной. В 1977 г. математики Джефф Пэрис и Лео Харрингтон предъявили вполне настоящее математическое утверждение о свойствах чисел и сумели показать, что оно истинно, но недоказуемо в рамках классической аксиоматики теории чисел. Но в следующей части этой главы мы увидим, что, пытаясь справиться с идеей бесконечности, математики открыли не только недоказуемость некоторых утверждений, но и невозможность определить, истинны они или ложны.

Анекдот

Если вы прочитали «Рубеж третий» и эту главу, вы должны быть готовы к восприятию еще одного анекдота из моих парадоксальных рождественских хлопушек. Единственное, что вам еще нужно знать, – это что американский лингвист и философ Ноам Хомский проводит различие между языковой способностью (лингвистическими знаниями, которыми обладает культура) и языковым поведением (тем, как язык используется в общении). Так вот, анекдот:

Гейзенберг, Гёдель и Хомский заходят в бар. Гейзенберг оглядывает бар и говорит: «Раз нас трое и раз мы в баре, значит, это анекдот. Вопрос только в том, смешной это анекдот или нет». Гёдель, немного подумав, говорит: «Ну, поскольку мы находимся внутри анекдота, мы не можем сказать, смешной ли он. Для этого нам надо посмотреть на него извне». Хомский смотрит на них обоих и говорит: «Конечно, он смешной. Вы просто неправильно его рассказываете».

14

Меня ужасает вечное безмолвие этих бесконечных пространств!

Блез Паскаль. Мысли[119]

Как мы выяснили на четвертом «рубеже», в физической Вселенной, в которой мы живем, есть пределы, дальше которых мы не можем видеть, за которыми мы ничего не можем исследовать. Однако я посвятил всю свою жизнь исследованию не физической Вселенной, а доступной лишь разуму вселенной математических истин. В ней мне не нужны ни телескопы, ни микроскопы, ни космические корабли. У меня есть другие инструменты, достигающие пределов мира. Прежде всего это вопрос о том, способны ли конечные средства, заключенные в моей голове, познать бесконечность. Математика позволяет нам заглянуть далеко за барьеры, останавливающие наши исследования краев физической Вселенной. Не существует никакого самого большого числа. На любую попытку воздвигнуть предел во вселенной чисел я всегда могу ответить прибавлением еще одной единицы. И это простое действие прибавления единицы позволяет мне создавать в моем разуме бесконечные миры.

Но как много я могу знать о таких бесконечных мирах? Есть ли пределы, ограничивающие возможности исследования истин этой бесконечной вселенной чисел при помощи конечных нейронных средств? До XIX в. слово «бесконечный» было равнозначно слову «непознаваемый». И тем не менее человек исследовал бесконечное при помощи своего конечного разума с тех самых пор, когда древние греки изобрели черную магию математики.

Взгляд в бесконечность

Вот еще один из математических анекдотов, которые вылетели из наших рождественских хлопушек:

Учитель. Назовите самое большое число.

Ученик. Семьдесят три миллиона двенадцать.

Учитель. А как же семьдесят три миллиона тринадцать?

Ученик. Ну вот, я был почти прав!

Древние греки понимали, что числа никогда не кончаются, но это понимание еще не означало знания о существовании подлинной бесконечности. Аристотель проводил различие между бесконечностью потенциальной и бесконечностью актуальной. Потенциально существует возможность прибавления единицы к каждому следующему числу, но реальное достижение численной бесконечности невозможно. Тем не менее удивительно, как грекам удавалось исследовать такую потенциальную бесконечность посредством конечных логических рассуждений.

Например, одно из первых великих математических доказательств, содержащихся в «Началах» Евклида, представляет собой объяснение того факта, что в мире чисел имеется бесконечное число неделимых чисел, которые мы называем простыми. Это доказательство по сей день приводит меня в восхищенный трепет: сама мысль о том, что нечто, кажущееся извне бесконечным и неподатливым, тем не менее можно понять. Можно спросить: раз мы допускаем возможность бесконечности чисел вообще, что может быть такого уж необычного в доказательстве существования бесконечного количества простых чисел? В конце концов, в знании о существовании бесконечного количества четных чисел нет ничего удивительного, если уж мы признали, что числа продолжаются бесконечно. И все же это доказательство остается поразительным в связи с тем, что мы на самом деле не понимаем природы простых чисел. Доказательство демонстрирует, что множество простых чисел бесконечно, не имея возможности сказать, что именно они собой представляют. Возможно, вопрос о конечности или бесконечности физической Вселенной требует использования аналогичного подхода: нужен логический аргумент, из которого следовало бы, что Вселенная должна продолжаться бесконечно, хотя мы никогда не сможем физически этого увидеть. Несмотря на все достижения древних греков, вопрос бесконечности оставался проблемным на протяжении тысячелетий. Чаще всего бесконечность считали выражением того, что недоступно нашему пониманию. Фома Аквинский, христианский богослов и философ XIII в., писал:

Существование актуального бесконечного множества невозможно, ибо любое множество вещей, которое мы себе представляем, должно быть множеством некоего вида. К тому же множества вещей определяются числом вещей в них. Однако никакое число не бесконечно, ибо числа порождаются пересчетом множества единиц. Следовательно, никакое множество вещей не может ни быть актуально бесконечным по своей природе, ни случайно стать бесконечным.

Обсуждение бесконечности всегда было близко к проблемам богословия. В V в. христианский философ Августин Аврелий писал в своей наиболее знаменитой работе «О граде Божьем», что бесконечность должна быть оставлена исключительно для божественного разума. Он с презрением отзывался о тех, «которые говорят, что бесконечное не может быть понято даже божественным ведением»:

Что же касается другого их мнения, согласно которому бесконечное не может быть объято даже божественным ведением, то им остается дерзнуть утверждать, что Бог не знает всех чисел, и погрузиться, таким образом, и в эту бездну глубокого нечестия. […] Кто даже из самых безрассудных людей скажет это? […] Кто такие мы, людишки, дерзающие положить предел Его ведению?[120]

Средневековый философ Орем, который обдумывал идею о том, что за небесным сводом, окружающим нашу Вселенную, может существовать бесконечное пространство, также умело обращался и с математическими бесконечностями. Именно он первым доказал тот удивительный факт, что если складывать дроби 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + …, то можно получить сколь угодно большой результат. Ему также одному из первых пришла в голову идея о возможности сравнения размеров разных бесконечностей. В самом деле, если сравнить бесконечность всех чисел[121] и бесконечность четных чисел, то каждому целому числу можно сопоставить его удвоенное значение. Однако, поскольку множество четных чисел, очевидно, является меньшим подмножеством множества всех чисел, Орем заключил, что сравнение бесконечностей – дело небезопасное.

Несколько веков многие считали, что рассуждения такого рода доказывают невозможность реального существования бесконечности. Английский священник и математик XIV в. Томас Брадвардин использовал похожую идею, чтобы доказать, что мир не вечен. Он рассуждал так: если мир вечен, то число женских душ и число всех душ должны быть бесконечными. Если они бесконечны, их можно соотнести друг с другом. Но тогда не останется места для мужских душ. Таким образом, предположение о бесконечности числа душ приводит к противоречию.

И несколько столетий спустя бесконечность все еще чрезвычайно сильно беспокоит математиков. Галилей столкнулся с затруднениями, похожими на проблемы Орема и Брадвардина, когда рассматривал число квадратов целых чисел. С одной стороны, чисел, которые не являются квадратами, явно больше, чем квадратов. Квадраты – 1, 4, 9, 16, 25, … – встречаются чем дальше, тем реже, и между каждыми следующими двумя квадратами располагается все большее количество неквадратов. Но, с другой стороны, разве каждое число не является квадратным корнем из некоего числа-квадрата? С этой точки зрения можно сказать, что каждому числу можно сопоставить (его) квадрат, откуда следует, что количество квадратов должно быть равно количеству всех чисел.

Галилея, как ранее Орема, это привело в замешательство. Как он писал в книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки»,

[…] рассуждая нашим ограниченным разумом о бесконечном, мы приписываем последнему свойства, известные нам по вещам конечным и ограниченным. Между тем это неправильно, так как такие свойства, как большая или меньшая величина и равенство, неприменимы к бесконечному, относительно которого нельзя сказать, что одна бесконечность больше или меньше другой или равна ей[122].

Общеизвестный сейчас символ, представляющий бесконечность, появился вскоре после смерти Галилея. Символ ∞ впервые использовал в 1655 г. английский математик Джон Валлис. Он выбрал именно такую форму, чтобы выразить идею возможности бесконечного прохождения по кривой[123]. В течение следующих двух веков математики вполне свыклись с идеей потенциальной бесконечности, но не с идеей бесконечности, действительно существующей, которая, казалось, порождала слишком много трудностей. Математик XIX в. Карл-Фридрих Гаусс писал своему коллеге Генриху-Христиану Шумахеру:

Прежде всего я возражаю против использования бесконечной величины как чего-то законченного, что ни в коем случае недопустимо в математике. Бесконечность – не более чем façon de parler[124].

Укрощение бесконечности

А затем, в конце XIX в., произошел интеллектуальный сдвиг. Благодаря работе конечного разума одного человека бесконечность вдруг оказалась достижимой. Для Георга Кантора бесконечность не была всего лишь манерой выражаться. Она была осязаемым математическим объектом:

Horror infiniti[125] […] можно рассматривать как своего рода близорукость, которая лишает возможности видеть актуальное бесконечное, хотя последнее в своем высшем, абсолютном носителе создало и сохраняет нас, а в своих вторичных трансфинитных формах окружает нас со всех сторон и даже присуще самому нашему духу[126].

В конце XIX в. можно было бы ожидать разделения между учеными и религиозными деятелями. Однако Георг Кантор был и тем и другим и писал о том, как религия влияет на его математические идеи. Подобно Джордано Бруно, размышлявшему о бесконечной Вселенной, вера в Бога была для Кантора гипотезой, из которой он выводил необходимость существования бесконечности.

В одном доказательстве исходят из понятия Бога и умозаключают

прежде всего от высшего совершенства божественного существа к возможности сотворения Transfinitum ordinatum[127], а затем от его всеблагости и величия к необходимости фактически последовавшего сотворения Transfinitum.

Предложенный Кантором способ рассмотрения бесконечности происходит из некоторых идей, которые обдумывал Орем. Утверждать, что два множества имеют одинаковые размеры, – значит найти способ сопоставления элементов одного множества с элементами другого, при котором для каждого такого элемента имеется парный ему элемент другого множества.

Подход Кантора к бесконечности сводится к представлению математиков в виде племени, у которого есть названия для чисел 1, 2 и 3, а все числа, превосходящие этот предел, называются словом «много», что для этого племени и означает бесконечность. Если два племени, не имеющие названий для чисел, больших трех, встретятся, они тем не менее смогут сравнить свои размеры и узнать, какое из них больше. Для этого члены первого племени должны образовать пары с членами второго племени, и «много» того племени, в котором останутся члены, не нашедшие себе пары, и будет наибольшим. Если все члены обоих племен окажутся в парах, значит, «много» этих племен одинаковы.

Эта модель хорошо описывает математику животного царства: животные, вероятно, не имеют названий для чисел, но все же могут определить, какая из групп больше других. Развитие чувства размера – ключевой элемент выживания. Если одна группа животных встречает другую группу, им нужно быстро оценить, больше их собственная группа или меньше, чем та, с которой они столкнулись. Если их больше, они вступают в схватку, если меньше, они убегают. Но для такого сравнения не нужны названия чисел. Сопоставляя членов обеих групп попарно, можно понять, что та группа, в которой останутся члены без пары, и будет большей.

Используя идею попарного сопоставления, Кантор смог предложить способ определения численного равенства или неравенства двух бесконечных множеств. Например, возможно, хотелось бы сказать, что четных чисел существует вдвое меньше, чем всех чисел вообще. Однако Кантор показал, что, как и предполагал Орем, можно сопоставить эти два множества так, чтобы каждому числу нашлась пара. Например, число 1 попадает в пару с числом 2, 2 – с 4, 3 – с 6, а число n с числом 2n. Поэтому размеры обоих множеств одинаковы. Племя, на спинах членов которого написаны четные числа, сможет оказать сопротивление племени, члены которого пронумерованы всеми числами. Эти бесконечные множества имеют одинаковые размеры.

Это рассуждение похоже на те, которые предлагали Орем и Галилей, и тем не менее их обоих беспокоил тот факт, что с другой точки зрения четные числа или квадраты являются подмножеством всех чисел и, следовательно, должны в некотором смысле составлять меньшее множество. Кантор считал, что обнаружения одного способа установления попарного соответствия должно быть достаточно для вывода о равенстве размеров двух множеств. В случае конечных множеств, если для них не удается найти попарных соответствий, никакие перестановки или изменения порядка элементов этих множеств не позволят добиться точного соответствия. Однако в случае множеств бесконечных Кантор обнаружил, что изменение порядка элементов может помочь обнаружить новые способы образования пар, которые не оставят без пары ни одного элемента.

Ключевым, с точки зрения Кантора, моментом было то, что существование хотя бы одного возможного способа установления попарного соответствия между двумя множествами позволяет сказать, что их размеры равны. Могут существовать способы подбора пар, когда некоторые члены племен остаются без пары: например, если составить пары только из четных чисел обеих групп, останется бесконечное количество нечетных чисел. Но, по мнению Кантора, множество чисел может быть признано истинно бо́льшим, только если не существует никакой возможности подобрать пары всем членам множества без какого бы то ни было остатка.

Как, например, обстоит дело с множеством таких чисел, как дроби? Насколько велика эта бесконечность? Кантор придумал замечательный способ сравнения всех целых чисел со всеми дробями и доказательства равенства размеров их множеств. На первый взгляд это кажется невозможным: между любыми двумя целыми числами помещается бесконечное множество дробей. Но существует способ установления точного соответствия между всеми целыми числами и всеми дробями, который не оставляет вне этого соответствия ни одной дроби.

Он начинается с построения таблицы, содержащей все дроби. В этой таблице бесконечно много столбцов и строк. n-й столбец содержит все дроби 1/n, 2/n, 3/n, ….

Как же Кантору удалось составить пары из целых чисел и дробей этой таблицы? Для этого прежде всего нужно запустить в таблицу змею, проползающую дроби по диагонали, как показано на иллюстрации. Тогда целые числа можно поставить в пары с дробными, продвигаясь по пути такой змеи: 1 попадает в пару с 1/1, 2 – с 2/1, 3 – с 1/2, 4 – с 1/3. Например, число 9 образует пару с 2/3, девятой по счету дробью, которую мы встречаем на извивающемся пути змеи, пробирающейся сквозь таблицу дробей. Поскольку змея таким образом проползает через всю таблицу, каждой из дробей будет поставлено в соответствие некоторое целое число.

Это рассуждение красиво и неожиданно. Если бы я оказался на необитаемом острове и мог взять с собой всего восемь теорем, канторова змея была бы одной из них. Какое замечательное достижение – найти способ установления соответствия между всеми дробями и целыми числами и показать, что их множества имеют одни и те же порядки величины!

Несчетная бесконечность

Начинает казаться, что все бесконечности имеют равные размеры. Может быть, если число членов племени достигло бесконечности, никакое другое племя никогда не сможет его превзойти? Но тут появляется еще одно крутое племя, члены которого помечены всеми возможными десятичными представлениями положительных вещественных чисел. Сможет ли племя, члены которого помечены целыми числами 1, 2, 3, …, составить пары с членами этого нового племени? Для начала можно установить соответствие между членом племени с числом 1 и членом племени с числом π = 3,1415926…, затем между членом племени с числом 2 и членом племени с числом е = 2,71828…. Но как перебрать всех членов этого бесконечного десятичного племени? Есть ли какой-нибудь хитрый способ расположения бесконечных десятичных чисел, позволяющий целым числам проползти их все подобно тому, как Кантор сделал с дробями?

Кантор сумел придумать рассуждение, показывающее, почему, как бы мы ни пытались найти соответствие с племенем целых чисел, он всегда может гарантировать, что все члены племени бесконечных десятичных дробей никогда не будут пересчитаны. Бесконечность всех бесконечных десятичных представлений чисел – это бесконечность действительно более крупного вида, чем бесконечность целых чисел. Это рассуждение так же просто и красиво, и я думаю, что оно тоже вошло бы в число математических теорем, которые я взял бы с собой на необитаемый остров.

Как мог Кантор быть уверен, что он всегда сможет гарантировать существование члена племени бесконечных десятичных представлений, которому не найдется пары? Возьмем одну из моих попыток найти соответствия между племенем целых чисел и племенем бесконечных десятичных дробей.

13,1415926…

22,7182818…

31,4142135…

41,6180339…

50,3331779…

…

Кантор создает такое число в бесконечном десятичном представлении, которое заведомо не содержится в моем списке и не имеет пары среди целых чисел. В каждом десятичном разряде стоит цифра от 0 до 9. В качестве первого разряда Кантор берет цифру, отличающуюся от первого разряда числа, поставленного в пару числу 1. В качестве второго разряда – цифру, отличную от второго разряда числа, соответствующего числу 2.

13,1415926…

22,7182818…

31,4142135…

41,6180339…

50,3331779…

…

Например, бесконечное десятичное число 0,22518… не соответствует ни одному из первых пяти целых чисел, так как эта бесконечная десятичная дробь отличается от первых пяти бесконечных десятичных дробей в моем списке. Так Кантор может найти члена племени бесконечных десятичных чисел, которому не соответствует никакое целое число. Если я скажу, что ему соответствует, скажем, число 101, Кантор попросту ответит: «Проверьте 101-й разряд: он отличается от 101-го разряда этого нового числа».

В этом рассуждении есть некоторые технические тонкости. Например, следует избегать образования числа 0,9999…, поскольку, как мы помним по шутке про математиков и лампочку, оно на самом деле равно числу 1,000…. Но и краткого изложения доказательства достаточно, чтобы показать, что чисел с бесконечным десятичным представлением существует больше, чем целых чисел.

Можно возразить, что такое новое число можно просто добавить в список и сдвинуть все остальные числа на единицу. Но, сколько бы чисел мы ни добавили в список, Кантор всегда может повторить тот же фокус и изготовить еще одну бесконечную десятичную дробь, которой в списке нет. Суть в том, что это рассуждение применимо к любой попытке установления попарного соответствия между целыми числами и бесконечными десятичными дробями – лишние бесконечные десятичные дроби остаются всегда. Это несколько напоминает открытие Гёделя о том, что добавлением к математике недоказуемых истинных аксиом нельзя в конце концов добиться того, что все истинные утверждения станут доказуемы: всегда останутся «лишние» недоказуемые истины. Собственно говоря, Гёдель использовал для доказательства своей теоремы о неполноте прием, похожий на тот, что применил Кантор.

Сам Кантор был искренне удивлен своими открытиями, касающимися бесконечности. Он говорил: «Я это вижу, но я в это не верю».

Появление нескольких разных бесконечностей означало, что введенного Валлисом символа ∞ уже недостаточно. Более того, идеи Кантора доказали, что существует бесконечно много разных видов бесконечности. Кантор показал, что мы можем заменить слово «много» на более осмысленные названия всех этих разных бесконечностей. Он стал обозначать эти новые бесконечные числа новыми символами, в качестве которых он взял буквы еврейского алфавита. Самая меньшая бесконечность, א0, была названа «алеф-ноль» по первой букве еврейского алфавита. Кантор, вероятно, знал о ее мистическом значении в еврейской каббале, в которой она обозначает бесконечность Бога. Но для Кантора такой выбор символизировал еще и идею нового начала, отправной точки новой математики. Мне этот момент кажется одним из самых захватывающих в истории математики. Мы как бы впервые научились считать. Но вместо единиц – 1, 2, 3 – мы стали считать бесконечности.

Великий немецкий математик Давид Гильберт признавал, что Кантор создает действительно новую математику. Гильберт объявил, что идеи Кантора – это «самое удивительное произведение математической мысли, одно из наиболее прекрасных воплощений человеческой деятельности в области чистого разума […] Никто не сможет изгнать нас из рая, который создал для нас Кантор». Я, пожалуй, с ним согласен.

Кантор верил, что на самом деле его вдохновляет божественный разум. Он не создавал математику сам, а лишь пересказывал идеи, полученные от Бога. Может быть, именно вера в трансцендентное давала ему смелость поверить и в существование бесконечности. Но преобразование бесконечности из неизвестного в известное было произведено именно трудами математического гения самого Кантора. При этом христианская церковь, вовсе не смущаясь попытками Кантора заглянуть в бесконечное сознание Бога, проявляла живой интерес к возникающим у него идеям. Кантор вел длительную переписку о природе Бога и бесконечности с церковными деятелями.

Однако его идеи нравились не всем. В частности, один из самых влиятельных математиков Германии, Леопольд Кронекер, считал математику Кантора заблуждением, а его самого называл развратителем молодежи:

Не знаю, чего в теории Кантора больше, философии или теологии, но я уверен, что в ней нет математики.

Как известно, Кронекер однажды провозгласил: «Бог создал целые числа. Все остальное – дело рук человеческих». Но творение Кантора было столь революционно, что Кронекер считал его язвой на теле математики. Противодействие Кронекера канторовой бесконечности привело к тому, что Кантор так и не смог получить работы ни в одном из крупных университетов, включая Берлинский, в котором работал Кронекер. Вместо этого он провел всю свою жизнь в заштатном университете города Галле. Кантор пытался бороться и жаловался на поведение Кронекера самому министру просвещения. Но, судя по всему, враждовать с одним из виднейших членов математического сообщества было не самой удачной идеей.

Даже напечатать свои идеи ему было непросто. Другой влиятельный математик той эпохи, Гёста Миттаг-Леффлер, в конце концов отказался принять к публикации работу Кантора, заявив, что она на сто лет опережает свое время. Такой отказ, полученный от глубоко уважаемого им математика, был чрезвычайно сильным ударом для Кантора. Постоянная борьба с авторитетами, битва с тайнами бесконечности, а также смерть матери, брата и в довершение всего младшего из детей Кантора не прошли даром. Кантор страдал приступами маниакально-депрессивного психоза, и математические споры только усугубляли его состояние. Он был госпитализирован в клинику нервных болезней в Галле и провел там большую часть последних десятилетий своей жизни. Разочаровавшись в математике, он занялся религиозными вопросами, а также уделял много времени попыткам доказать, что подлинным автором пьес Шекспира был Фрэнсис Бэкон.

Но предчувствие Миттаг-Леффлера в некоторых отношениях оказалось правильным. Сто лет спустя идеи Кантора считаются одним из самых прекрасных и удивительных достижений за последние триста лет. Кантор позволил математикам прикоснуться к бесконечности, играть с ней, использовать ее в вычислениях, наконец, признать, что бесконечность – это число. И даже не одно число, а бесконечное множество чисел.

Но для самого Кантора бесконечность была не просто идеей, порожденной разумом:

Я настолько за актуальную бесконечность, что вместо того, чтобы допускать, как это делают обычно, что природа ее ненавидит, считаю, что эта бесконечность проявляется в природе всюду, чтобы выразить совершенства ее Творца. Так, я думаю, что не существует никакой части материи, которая не была бы не только делима, но и фактически разделена, а значит, и наименьшую частицу нужно рассматривать как некий мир, заполненный многими различными творениями[128].

Вот оно есть, а вот его нет!

Совершенное Кантором открытие всех этих уровней бесконечности привело к появлению вполне реального примера задачи, которая не могла быть решена в рамках существующих аксиом математики – утверждения без доказательства, непроверяемого, лежащего за пределами того, что мы можем знать. Этот вопрос касался самой сути того, что мы называем числом, и показал, насколько числа на самом деле непросты.

Кантор хотел узнать, существуют ли множества чисел, обладающие большим размером, чем множество целых чисел, но все же достаточно малые для того, чтобы невозможно было установить их попарное соответствие со всеми бесконечными десятичными дробями. Другими словами, существует ли племя, члены которого помечены числами так, что оно превосходит племя целых чисел, но проигрывает племени бесконечных десятичных чисел? Бесконечность всех бесконечных десятичных чисел называют континуумом. Гипотеза о континууме утверждает, что не существует бесконечности, меньшей континуума, но большей бесконечности всех целых чисел.

Гильберт был настолько поражен гипотезой о континууме, что поместил проблему определения существования промежуточной бесконечности во главу своего списка из 23 задач, которые предстояло решить математикам XX в.

Кантор мучился этим вопросом всю свою жизнь. В какой-то момент он был убежден, что нашел доказательство того, что никакой бесконечности между этими двумя не существует. Но затем он нашел в нем ошибку. На следующий день он решил, что доказал обратное: промежуточная бесконечность существует. Как всегда верил сам Кантор, «в математике умение задавать вопросы ценнее, чем умение решать задачи».

Так оно и оказалось. Затруднения Кантора были связаны с тем, что оба ответа были правильными.

Решение этой задачи, полученное наконец в 1960-х гг., потрясло математическое сообщество до основания. Пол Коэн, логик из Стэнфорда, продемонстрировал, опираясь на работы Гёделя, что на основе аксиом, которые мы используем в нашей нынешней математике, невозможно доказать, существует ли множество чисел, размер которого находится строго между количеством целых чисел и количеством бесконечных десятичных дробей. Более того, он создал две разные модели чисел, которые удовлетворяли аксиомам математики: в одной из этих моделей ответ на вопрос Кантора был утвердительным, а в другой – отрицательным.

Не знаю, как Кантору понравился бы такой вывод. Он когда-то заявил: «Сущность математики заключается именно в ее свободе». Но не слишком ли большой оказалась эта свобода? Получилось, что существует не один, но несколько видов математики!

Некоторые считают этот момент аналогичным открытию существования множества разных видов геометрии в дополнение к евклидовой. В геометрии Евклида справедлив постулат о параллельных, в отличие от новых сферических и гиперболических геометрий. А теперь мы поняли, что существуют и разные модели чисел и некоторые из них содержат промежуточные бесконечности, а некоторые их не содержат.

И тем не менее математики испытали большое потрясение. Мы-то думали, что знаем числа. Пусть такие числа, как квадратный корень из двух или π, иррациональны и имеют бесконечное десятичное представление, но нам казалось, что эти числа можно увидеть, отметить на линейке. Так что в случае чисел, которые мы знаем, казалось бы, должен иметься и ответ на вопрос Кантора. Есть ли на этой линейке подмножество чисел, строго большее, чем множество целых чисел, но строго меньшее, чем множество всех бесконечных десятичных чисел? Большинство математиков считало, что ответ должен быть «да» или «нет», но не «и да и нет». Но, несмотря на это, было доказано, что доказать ни то ни другое невозможно. Коллега Коэна Джулия Робинсон писала ему: «Ради бога, ведь есть лишь одна истинная теория чисел! Это мое религиозное убеждение». Интересно, однако, что, прежде чем отправить письмо, она зачеркнула последнее предложение. Но Кантора такая неопределенность, вероятно, не затруднила бы, потому что его религиозным убеждениям не противоречило приятие того, что превосходит человеческое знание.

Сколь многие из еще неразрешенных задач, остающихся в наших книгах по математике, окажутся недоказуемыми? Чтобы справиться с некоторыми из этих великих нерешенных задач, нам могут понадобиться новые аксиомы, которые позволят им стать доказуемыми. Гёдель считал, что именно в этом может крыться причина трудности доказательства гипотезы Римана, величайшей из нерешенных задач математики. Он сомневался в достаточности имеющихся у нас аксиом для преодоления многих из проблем теории чисел:

Мы сталкиваемся с бесконечной последовательностью аксиом, которая может быть продолжена все дальше и дальше, и никакого конца ей не видно […] Правда, в нынешней математике высшие уровни этой иерархии практически никогда не используются […] вполне возможно, что это свойство современной математики как-то связано с ее неспособностью доказать некоторые фундаментальные теоремы, например такие как гипотеза Римана[129].

И да и нет

Теорема Гёделя о неполноте – это увлекательнейший микрокосм задачи доказательства истины. В отсутствие непротиворечивой аксиоматической системы в теории чисел неизбежно будут существовать истинные утверждения, истинность которых не может быть доказана. Интересно отметить, что, если работать вне системы, можно даже доказать, что некоторое утверждение истинно, но недоказуемо внутри этой системы. Можно сказать: почему бы тогда не перейти в бо́льшую систему? Но Гёдель гарантирует, что и в такой большей системе будут свои недоказуемые истинные утверждения, требующие выхода за пределы уже этой системы. Получается очень знакомая бесконечная регрессия.

Эта ситуация созвучна со многими из тех проблем, с которыми мы разбирались раньше. Может быть, понять Вселенную невозможно, пока мы остаемся внутри ее системы. Если Вселенная описывается квантовой волновой функцией, необходимо ли находиться вне системы, чтобы наблюдать ее? Из теории хаоса следует, что мы не можем понять часть системы как отдельную проблему, потому что электрон, находящийся на другом конце Вселенной, может оказать на хаотическую систему влияние, которое отправит ее в совершенно другом направлении. Чтобы рассмотреть всю систему, необходимо находиться вне ее. Та же проблема касается вопроса о понимании сознания. Мы заперты внутри собственной головы, своей собственной системы, и не имеем доступа к сознанию других. То же, по мнению некоторых, ограничивает и наши возможности постижения такой вещи, как существование Бога, трансцендентного относительно мира, в пределах которого мы заключены.

Другой важный аспект работы Гёделя состоит в том, что в пределах аксиоматической системы теории чисел невозможно доказать, что эта теория согласованна, что она не содержит противоречий. Это же может относиться и к вопросу о действенности методов, которые мы используем для получения знаний о Вселенной. Например, любая попытка объяснить, почему индукция – это правильный метод изучения физических явлений, будет основана на применении индукции. Получается настоящий замкнутый круг.

Однако не все следствия такой ограниченности возможностей математического метода столь мрачны и пессимистичны. Можно сказать, что она привела к открытию того удивительного факта, что существуют такие утверждения о свойствах чисел, которые можно либо считать истинными, либо считать ложными, причем оба эти предположения вытекают из закономерных моделей математики; то есть что существует множество разных видов математики. Можно ли сделать то же самое, когда мы встречаем действительно непознаваемый вопрос об устройстве Вселенной? Если мы найдем вопрос, ответ на который действительно невозможно узнать, было бы вполне логично исходить из гипотезы о том, что этот ответ может быть таким или другим. Выбор рабочей гипотезы отчасти зависит от вероятности одного или другого ответа. Но в некоторых случаях вероятности могут быть несущественны, и наш выбор попадает в зависимость от личных отношений с последствиями работы в рамках данной системы.

Математики свободны от такой необходимости выбора. Я как математик легко могу переходить от одной математической модели к другой, если каждая из этих моделей сама по себе внутренне непротиворечива, хотя они и противоречат друг другу. Например, я могу работать в предположении истинности или ложности гипотезы континуума. Если исходная модель непротиворечива, то непротиворечивы и обе математические модели. Если это необходимо для моей математики, я могу использовать гипотезу континуума для исследования этой конкретной математической вселенной. Можно ли поступить так же в отношении других случаев непознаваемого? Если Бог – это то, что не может быть познано, можно ли сделать выбор, который облечет это неизвестное плотью? Но не сделаем ли мы его таким образом познаваемым и не будет ли это противоречить исходному определению?

Выбор гипотезы, из которой мы исходим, следует производить с осторожностью. Нельзя просто предположить, что нечто неизвестное может быть истинно или ложно. Необходимо доказать, что обе такие возможности непротиворечивы. Например, я не знаю, истинна или ложна гипотеза Римана о простых числах, но лишь один из этих вариантов может быть совместим с нашей теорией чисел. Если окажется, что эта гипотеза недоказуема в рамках имеющихся у нас аксиом теории чисел, на самом деле это будет означать, что она истинна. Если она ложна, мы знаем, что ее ложность доказуема, потому что путем конечного систематического поиска мы сможем найти опровергающие ее примеры. Если она ложна, мы не можем работать в модели, предполагающей ее истинность, так как это приведет к противоречиям. Этим и замечательна гипотеза континуума: как она сама, так и противоположное ей утверждение можно включить в согласованную теорию, не порождая никаких противоречий.

Кое-кто утверждал, что те числа, которые мы пытаемся определить аксиоматически, предназначены для измерений, что это те числа, которые могут быть расположены на линейке. Поэтому предположение о том, что гипотеза континуума должна давать лучшее описание того, что мы пытаемся моделировать, может быть вполне обоснованно. Логик Хью Вудин даже выдвинул недавно доводы, объясняющие, почему гипотеза континуума должна быть ложной для тех чисел, которые мы пытаемся моделировать. Он утверждает, что если эти числа представляют измерения, нанесенные на линейку, то есть основания полагать, что из этого следует существование бесконечных подмножеств промежуточного размера между множеством целых чисел и множеством бесконечных десятичных представлений.

Этот пример иллюстрирует напряженность, существующую в отношениях математики и физики. Математика уже несколько столетий прекрасно уживается с существованием множественных математических вселенных – разных, взаимно исключающих математических моделей геометрии или теории чисел. Но физику, даже если он ничего не имеет против идеи множественных вселенных, все же хотелось бы выяснить, какой из этих возможных вариантов описывает ту Вселенную, частью которой мы являемся.

Представим себе, что ученый-естественник, разработав абсолютно непротиворечивую логическую теорию возможного устройства Вселенной, обнаруживает затем, что она не соответствует экспериментальным результатам, полученным в нашей Вселенной. Такую гипотетическую теорию отбрасывают, и после этого она не представляет никакого интереса для научного мира. Если биолог примется писать статью о гипотетическом животном, которое потенциально могло бы существовать, но на самом деле на Земле не встречается, например о единороге, такая статья никому не будет интересна, если только из нее нельзя будет узнать что-нибудь о животных, которые существуют в реальности. Напротив, в математике такие гипотетические миры превозносятся и приветствуются. Они становятся частью все более богатого ассортимента математических возможностей. Естествознание занимается реальным, математика – возможным. Если естественные науки прокладывают единственный маршрут по дереву возможных вселенных, то математика составляет карту, на которую нанесены все возможные пути.

Но что же делать с неразрешимыми вопросами естествознания? В случае гипотезы континуума не имеет смысла выбирать один или другой ответ на основе вероятностных соображений. Не то чтобы один из них был «истинным», а другой нет. Но можно ли сказать то же самое о непознаваемом в физике, в которой «истина» существует?

Интересно отметить, что в случае физики, когда мы встречаем вопрос, недоступный для познания, один из ответов на него соответствует правильному описанию нашей Вселенной, а другой ему не соответствует. Но по самой природе неразрешимого вопроса мы не можем получить никакой новой информации о Вселенной, которая позволила бы нам решить, какое из ее описаний истинно, а какое ложно. Если мы получаем такую информацию, значит, вопрос с самого начала не был неразрешимым. Так что же случится, если мы станем работать, исходя из ложной гипотезы? А ничего! Как и в случае гипотезы континуума, неверный ответ все равно будет согласовываться с имеющейся у нас теорией устройства Вселенной. У вас будет другая история с другими теоремами и результатами. Если при этом возникают противоречия, это позволяет нам установить, что эта концепция ошибочна, а следовательно, данный вопрос не был подлинно неразрешимым.

Например, взять вопрос о бесконечности Вселенной. Если он неразрешим, то Вселенная либо бесконечна, либо конечна и имеет такие размеры, что ее край навсегда останется за пределами нашего горизонта видимости и, таким образом, вне поля наших исследований. Если она бесконечна, к чему приведет работа в предположении о том, что она конечна, но слишком велика, чтобы ее конечность могла быть доказана? Тут интересно то обстоятельство, что если бы такое предположение порождало затруднения, – если бы оно противоречило существующим теориям или новым данным, – мы смогли бы доказать, что Вселенная бесконечна, и этот вопрос не мог бы быть неразрешимым. Разумеется, в математике такой способ прекрасно используется для доказательства идей бесконечности. Мы доказали, что квадратный корень из 2 не может быть выражен в виде отношения двух конечных чисел, исходя из предположения, что это так, и придя в конце концов к противоречию. Возможно, гипотеза бесконечной Вселенной – это единственное предположение, которое не приводит к противоречиям. Может быть, математика снова оказывается лучшим из имеющихся у нас средств исследования отдаленных пределов Вселенной.

На этом «рубеже» мы увидели, как математике удалось помочь нам ориентироваться даже в самой бесконечности. Поразительно сознавать, что бесконечность некогда считали непознаваемой и часто увязывали с идеей Бога. Декарт писал: «Ведь один только Бог может мыслиться мною положительно как бесконечный»[130]. И тем не менее поразительные открытия, совершенные Кантором в конце XIX в., дали нам возможность исследовать и сравнивать бесконечности. Бесконечность перестала быть недостижимой. Кантора не смущали те последствия, которые его исследование бесконечности может иметь для вопроса о Боге. Более того, он считал, что Бог избрал его, чтобы возвестить миру эти идеи о бесконечности.

Бесконечность играла и играет ключевую роль в исследовании существования Бога. Например, одно из доказательств существования Бога Фомы Аквинского, известное под названием космологического аргумента, утверждает, что все сущее должно иметь творца, но тогда это положение должно быть применимо и к самому творцу. Чтобы избежать бесконечной регрессии, следует признать, что Бог является решением задачи о первопричине. Но математика позволяет нам создавать все новые и новые бесконечности путем рассмотрения всех уже имеющихся бесконечностей и создания их объединения. Поэтому, в противоположность предположению Аквината, никакого окончания такой цепочки творцов не требуется. Каждый раз мы получаем нечто новое, и этот процесс никогда не прекращается.

Хотя математика успешно продолжает строить новые бесконечности из старых, даже математикам становится очень трудно представить себе масштабы нашей математической вселенной. Большинство из них ограничиваются работой на нижних уровнях бесконечного. Но мы знаем, что они составляют лишь часть никогда не кончающейся иерархии. Это создает некоторые трудности для тех, кто пытается определить Бога как «то, превыше чего ничего невозможно себе представить». В некотором смысле такая сущность невозможна, так как всегда существует способ создать нечто еще более великое. Но если вернуться к идее чего-то, превышающего человеческое воображение, то мы снова приходим к тому, чего мы, люди, знать не можем, – биологическим ограничениям нашей способности знать.

О том, чего мы не можем знать

Итак, нашли ли мы к концу нашего путешествия что-то такое, про что можно категорически утверждать, что этого мы знать не можем? То, что мы считали непознаваемым, например вопрос о бесконечности Вселенной, на поверку оказывается не таким уж и неприступным. Математика может помочь нам доказать существование бесконечного при помощи вполне конечных средств. Поэтому, хотя нам, возможно, никогда не удастся исследовать или увидеть то, что находится за пределами конечной сферы, ограничивающей ту часть Вселенной, которой мы физически можем достичь, нам, предположительно, удастся узнать, что находится за ней, одной лишь силой разума.

Понимание природы времени до Большого взрыва было другим рубежом, казавшимся неприступным. Но и в этой стене открылись щели. Недавние достижения науки дали нам возможность строить теории и даже, возможно, получать экспериментальные данные о времени, предшествовавшем тому моменту, который мы считаем началом всего. И тем не менее вопрос о том, имеет ли время начало или простирается в прошлое бесконечно, по-видимому, еще нескоро спишут из учетных ведомостей науки.

Напротив, кажется, что бесконечно малое, заключенное в сердце структуры игральной кости, которую я держу в руке, никогда не будет полностью познано. Каждое следующее поколение считало, что оно-то добралось до неделимой основы, и каждый раз материя распадалась на еще меньшие части. Как мы можем быть уверены, что то, что мы считаем сейчас структурными элементами Вселенной – кварки, электроны, нейтрино, – не окажутся такими же делимыми, как другие частицы, которые мы разобрали, снимая слой за слоем кожуру с луковицы реальности? Действительно, современная квантовая физика устанавливает предел нашего проникновения вглубь структуры моей игральной кости: все, что меньше планковской длины, является запретной зоной. Здесь мы находим рубеж знания, преодолеть который мы не можем.

Про возможность познания рубежа, который образует наше сознание, трудно сказать что-либо определенное. Исчезнет ли эта задача просто потому, что она окажется неправильно сформулированным вопросом? Найдется ли ее решение в стратегии, подобной той, которую ученые использовали для определения сущности жизни? Там оказалось, что нет никакой жизненной силы; есть лишь набор биологических процессов, наличие которого означает, что данное скопление молекул живет. Или же проблема сознания так и останется недоступной для понимания, потому что мы заключены в своем собственном сознании и никогда не сможем проникнуть в сознание другого?

Допустимость невозможности знания, связанной с заключением внутри системы, – общая черта многих из тех вопросов, в которых мы пытались разобраться. В математике есть истины, остающиеся недоказуемыми в рамках своей системы. Выход из системы позволяет познать их, но при этом возникает новая система, содержащая свои собственные недоказуемые истины.

Воспроизводимость квантового эксперимента невозможна, поскольку такой эксперимент невозможно изолировать от той Вселенной, в которой он проводится, а Вселенная эта эволюционирует и изменится к моменту проведения следующего эксперимента.

Даже математика, созданная для понимания поведения игральной кости, не вполне реалистична. Что такое вероятность? Если я брошу кость 600 раз, я могу ожидать, что шестерка выпадет 100 раз. Но я-то хочу бросить ее всего один раз и знать хотя бы что-то о том, что на ней выпадет. Уравнения теории хаоса говорят нам, что будущее во многом зависит от чрезвычайно тонкой настройки далеких десятичных разрядов величин, вводимых в эти уравнения. То есть я никогда не смогу познать настоящее настолько полно, чтобы получить хоть какую-то надежду знания будущего или прошлого.

Физические ограничения человеческого мозга, и даже вычислительной мощности всей Вселенной, ставят пределы познанию вообще, поэтому существуют такие вещи, которые никогда не будут познаны. Но такая непознаваемость не абсолютна. Она похожа на ситуацию со светом, приходящим к нам от дальних пределов Вселенной, – до того, как мы узнали, что расширение Вселенной ускоряется, – стоит только подождать достаточно долго, и свет до нас доберется. Стоит только подождать достаточно долго, и компьютер сможет проработать все доказуемые истины математики. Однако наши исследования рубежей времени заставляют задать вопрос: что, если, пока мы ждем, кончится само время?

В основе многих ограничений знания лежит ограниченность языка, однако это положение может развиваться и изменяться. Разумеется, многие философы считают язык препятствием в рассмотрении проблемы сознания. Одна из таких проблем – понимание квантовой физики, потому что единственный язык, который можно использовать для ориентации в ее идеях, – это математика. Попытки перевести эту математику на язык нашего повседневного опыта и приводят к возникновению того абсурда, который так затрудняет изучение квантовой физики. Поэтому невозможность определения положения и импульса не представляет собой подлинной непознаваемости. Это скорее неудача перевода с языка математики на естественный язык.

Но следует всегда помнить, что мы связаны тем образом мышления, который присущ нашему историческому моменту. Конт полагал, что мы никогда не сможем узнать, из чего состоят звезды, – как же он ошибался! Поэтому интересно, не будет ли вернее всего сказать, что мы никогда не сможем точно узнать, чего именно мы знать не можем.

Бог как мнимое число

Как далеко можно зайти, создавая решения, по-видимому, неразрешимых задач? Многие века математики смотрели на уравнение х2 = –1 и считали, что оно не имеет решения. Но потом к нему был применен более изобретательный подход. Давайте создадим решение этого уравнения. Мы ввели в математическую картину мира мнимые числа, определив число i как квадратный корень из –1. Почему этот прием сработал? Он не породил в теории никаких противоречий. Мы вплели эту концепцию в уже знакомую нам математику и стали узнавать свойства i. И, что самое важное, оно открыло нам доступ в новые, захватывающие части мира математики. Если бы мы не допустили существования в математике мнимых чисел, это ограничило бы его размеры и возможности. Но не менее важно не приписывать концепции более широкие возможности, чем она имеет.

Что, если попробовать применить более творческий подход к некоторым из наших непознаваемых вопросов? Например, что будет, если определить Бога как ответ на вопрос «Почему существует нечто, а не ничто?». Такая концепция не предполагает ничего, кроме ответа на этот вопрос, то есть ее определения. У нее нет никаких других свойств. Это все то же неизвестное. Даже если мы узнаем еще что-то об ответе на этот вопрос, это будет значить только, что мы узнали больше о таком Боге, которого мы определили как ответ на вопрос «Почему существует нечто, а не ничто?».

Но такой подход следует применять с осторожностью. Если мы записали математическое уравнение, это не значит, что у него есть решения. Введение новой концепции, позволяющей решить уравнение х2 = –1, было продуктивно, потому что оно открыло доступ к новой непротиворечивой математике. С точки зрения платоника, эта идея существовала всегда, ожидая, пока ее выскажут; по мнению прочих, это был акт творчества, обогативший мир нашей математики. Но, если выписать уравнения Великой теоремы Ферма и попытаться определить новые числа, которые будут решениями этих уравнений, мы получим утверждения, которые противоречат самим себе. В конце концов, именно так Уайлс доказал, что эти уравнения не имеют решений.

Проблема большинства религий заключается в том, что Богу придают слишком много свойств, не имеющих никакого отношения к его определению. Мы как бы пытаемся восстановить картину в обратную сторону, сосредоточиваясь на странных свойствах, наколдованных многими поколениями, но не понимая толком, каким было исходное определение. Мы встречаем эту искаженную картину еще в раннем детстве, и, когда мы спрашиваем: «Почему есть нечто, а не ничего?» – она не дает ответа. Но в том-то и дело, что нам показывали не ту картину.

Именно поэтому я называю себя атеистом. С моей точки зрения, это значит, что я отвергаю те классические решения, которые религия, по-видимому, предлагает для ответа на неразрешенные вопросы. Но, может быть, мне не следовало бы отбрасывать все скопом. Раз есть вещи, которые навечно останутся неизвестными, то, возможно, Бог и существует. Традиционное возражение против идеи «Бога белых пятен» состоит в том, что мы стремимся познать Бога, установить личные отношения с этой концепцией. А такой Бог, трансцендентный или незнаемый по определению, по тому же определению исключает всякую возможность познания.

Но беда в том, что такое определение Бога никуда особо не ведет. Если определение числа, квадрат которого равен –1, породило широкий спектр следствий, то определение чего-то как ответа на вопрос «Почему есть нечто, а не ничто?» не порождает ничего нового. Для этой сущности приходится изобретать свойства, не вытекающие из ее определения. Как сказала Карен Армстронг, такой Всевышний слишком высок.

Существует несколько возможных реакций на идентификацию непознаваемого. Одна из них – оставить все как есть: раз что-то непознаваемо, оно не может быть познано. Но всегда существует искушение сделать выбор в пользу одного или другого ответа и жить в соответствии с таким выбором. Возможно, наиболее логически непротиворечивое решение заключается в приятии существования множественных миров и допущении параллельного существования нескольких разных ответов вплоть до момента, когда новые идеи вызовут коллапс этих возможностей. Математики вполне хорошо чувствуют себя и в математике, в которой гипотеза континуума истинна, и в параллельной ей математике, которая предполагает ее ложность.

И все же я не уверен, не изменилось ли мое решение считать себя атеистом к концу этого исследования пределов знания. Если я определяю Бога как существование того, чего мы знать не можем, то называть себя атеистом – значит верить, что ничего непознаваемого не существует. А я в это, кажется, больше не верю. Мне кажется, что в некотором смысле я доказал существование Бога. Дальше речь идет об исследовании тех качеств, которыми такой Бог обладает.

Декларация моего атеизма – это на самом деле реакция на ту довольно выхолощенную версию Бога, которую предлагает нам большинство религий и культур. Я отвергаю возможность существования сверхъестественного разума, вмешивающегося в эволюцию Вселенной. Тем самым я отвергаю Бога, которому приписывают странные свойства – сострадание, мудрость, любовь, – не имеющие никакого смысла в той идее, которую я исследую.

Такая позиция и такое определение, скорее всего, не устроят ни одну из сторон этой дискуссии. Воинствующие атеисты вообще не допустят обсуждения чего бы то ни было, называемого Богом, а верующие сочтут определение Бога как неизвестного бессильным и не имеющим отношения к делу. Как же можно взаимодействовать с таким «Богом белых пятен»?

Возможно, самый важный вывод состоит в необходимости поддерживать шизофренически расколотое состояние ума. Множественные разумы. Казалось бы, мы, люди, вынуждены признать, что не можем знать всего. Знание имеет доказуемые пределы. Такое унизительное понимание важно с интеллектуальной точки зрения, потому что, не будь его, мы жили бы в плену иллюзий и ложной гордыни. Однако другой вывод состоит в том, что мы не всегда можем знать, что именно навечно останется за пределами нашего понимания. Именно поэтому для ученого так важно не сдаваться прежде времени. Верить в то, что мы сможем найти ответы. Верить, что, может быть, мы все-таки можем познать всё.

Четно или нечетно количество моих игральных костей?

Наше путешествие по науке выявило несколько весьма труднопреодолимых рубежей познания. Но помимо этого остается и фундаментальный эпистемологический вопрос: можем ли мы вообще знать хоть что-нибудь? 2000 лет назад Сократ заявил: «Истинное знание состоит в том, что мы ничего не знаем»[131]. Признание собственного незнания есть единственное истинное утверждение о знании.

Философы написали многие тома, пытаясь разобраться с теорией познания и установить, что же мы можем знать, определить, что мы называем знанием. Платон предложил определить знание как «обоснованное истинное мнение», но Бертран Рассел, а затем, в 1960-х гг., американский философ Эдмунд Гетье усомнились в том, что это определение действительно отражает сущность знания.

В классическом примере, предложенном Бертраном Расселом, речь идет о женщине, которая смотрит на часы, показывающие два часа. Поэтому она считает, что сейчас два часа. Ее мнение кажется обоснованным, поскольку это время показывают часы. И в этот момент действительно два часа. Но часы на самом деле остановились 12 часов назад, и то, что женщине случилось посмотреть на них именно через 12 часов после этого, – простое совпадение.

Гетье создал сходные сценарии «обоснованного истинного мнения». Вы смотрите на поле и, как вам кажется, видите там корову. Вы делаете вывод, что в поле пасется корова. На самом деле корова в поле есть, но вы ее видеть не можете, потому что она находится в ложбине. У вас есть истинное утверждение. Оно основано на обоснованном мнении, и то, что вы видите, несомненно выглядит в точности как корова. Но из истинности сделанного вами утверждения не следует наличия знания.

Мы можем представить себе ситуацию, в которой мы выработали утверждение об устройстве Вселенной, действительно соответствующее истине. Но обоснование этого утверждения абсолютно ложно, хотя оно и привело нас к истинному утверждению. Уж конечно в такой ситуации нельзя говорить о знании истинности этого утверждения. Я не раз придумывал доказательства истинных математических утверждений, содержавшие логические ошибки (которые я надеюсь заметить до отсылки очередной статьи в журнал). Но мои ложные доказательства не могут служить обоснованием моего знания истинности того или иного математического утверждения.

Я не знаю, истинна или ложна гипотеза Римана. Однако несколько человек уже предлагали доказательства, которые, по их мнению, подтверждали истинность этой гипотезы, и представляли для обоснования своего мнения многие страницы уравнений. В большинстве случаев в таких доказательствах обнаруживались ошибки. Когда такие ошибки предъявляют автору доказательства, это разрушает его обоснованное мнение. Но что будет, если такое ошибочное доказательство убедит всех? Предположим, что ошибка чрезвычайно малозаметна. Мы не можем сказать, что мы знаем, что гипотеза Римана истинна, несмотря на наличие у нас обоснованного истинного мнения. Не может же обоснованное истинное мнение проистекать из ложного обоснования.

Некоторые астрономы древности предполагали, что Земля обращается вокруг Солнца, но их обоснования этого факта были ошибочны. В IX в. до н. э. индийский философ Яджнавалкья аргументировал свою веру в гелиоцентрическую систему следующим утверждением: «Солнце привязывает к себе нитью все эти миры – Землю, планеты, атмосферу». Можно ли утверждать, что он знал, что Земля обращается вокруг Солнца?

Я, наверное, соглашусь с моим коллегой по Нью-колледжу Тимоти Уильямсоном, который утверждает в своей книге «Знание и его пределы» (Knowledge and its Limits), что знание следует рассматривать как нечто фундаментальное, неопределимое через другие понятия. Кажется, все мы знаем, что значит слово «знать». Оно – одно из всего лишь приблизительно сотни слов, для которых существует адекватный перевод на все языки мира. Например, такой базовый глагол, как «есть», в это число не входит.

От Уильямсона же я узнал о фантастическом логическом фокусе под названием «парадокс непознаваемости»[132], который доказывает, что если мы не знаем вообще всего, то некоторые истины всегда будут оставаться непознаваемыми по самой своей природе. Этот парадокс приписывают американскому логику Фредерику Фитчу, который опубликовал его в своей статье 1963 г.[133]. Фитч признавал, что исходным источником его рассуждения был на самом деле комментарий анонимного рецензента на его статью, которую Фитч пытался, но так и не смог опубликовать в 1945 г. Многие годы имя рецензента, создавшего эту логическую жемчужину, оставалось загадкой. Однако в результате последующих изысканий обнаружился рукописный экземпляр той самой рецензии, и анализ почерка показал, что ее автором был знаменитый американский логик Алонзо Чёрч, который внес большой вклад в понимание теоремы Гёделя о неполноте.

В рассуждении Чёрча есть отголосок той рекурсивной стратегии, которую использовал Гёдель, но на этот раз речь не идет о математике – только о чистой логике. И если Гёдель доказывает, что существуют математические истины, которые невозможно доказать в рамках конкретной непротиворечивой аксиоматической системы математики, Чёрч заходит на шаг дальше и провозглашает существование истины, которую невозможно познать вообще никакими средствами.

Предположим, что имеется истинное утверждение, об истинности которого мы не знаем. На самом деле таких утверждений множество. Например, мой дом полон игральных костей – в нем есть не только кость из казино, лежащая у меня на столе. Еще есть кости из игры «Монополия», игра «Лудо», кости, завалившиеся за диван, кости, закопанные в том беспорядке, который царит в комнатах моих детей. Я не знаю, четно или нечетно число игральных костей, имеющихся в моем доме. Разумеется, это утверждение само по себе не является неразрешимым вопросом, так как я могу систематически обыскать весь дом и узнать ответ на него. Но так же безусловно, в данный момент я этого ответа не знаю.

А теперь держитесь: каждый раз, когда я перечитываю этот фрагмент, у меня кружится голова. Пусть р – истинное утверждение, выбранное из следующих двух: «В моем доме имеется четное число игральных костей» и «В моем доме имеется нечетное число игральных костей». Я не знаю, какое из этих утверждений истинно, но одно из них должно быть истинным. И из существования непознанной истины можно извлечь существование истины непознаваемой. Непознаваемой истиной является следующее утверждение: «Утверждение р истинно, но неизвестно». Оно несомненно истинно. Почему оно непознаваемо? Потому что его познание означает знание того, что утверждение р истинно и неизвестно, но при этом возникает противоречие, так как утверждение р не может одновременно быть неизвестным и известным. Таким образом, само утверждение «Утверждение р истинно, но неизвестно» представляет собой непознаваемое утверждение. Утверждение р само по себе не является непознаваемым. Как я уже сказал, я могу разыскать все игральные кости, находящиеся в доме, и узнать, четно их количество или нечетно. А вот мета-утверждение «Утверждение р истинно, но неизвестно» непознаваемо. Это доказательство работает во всех случаях, в которых существует что-то истинное, но неизвестное. Единственный выход из этого тупика – уже знать все. Все истины могут быть познаваемы, только когда все истины известны.

Хотя это рассуждение стало известно под названием парадокса, никакого парадокса, как замечает Уильямсон, в нем не содержится. Это попросту доказательство существования непознаваемых истин. И после всех наших путешествий к пределам науки оказывается, что тот пробел, который мы искали, можно получить при помощи хитрого логического трюка.

Можем ли мы знать хоть что-нибудь?

Многие из специалистов по философии познания ставят под вопрос то, как много мы вообще можем знать о чем-нибудь. Шотландский философ XVIII в. Дэвид Юм распознал одну из тех фундаментальных проблем, с которыми мы сталкивались при рассмотрении наших вопросов: то, что мы заключены внутри системы. Пытаясь применить научные методы, чтобы установить, что мы что-то знаем, мы попадаем в замкнутый круг, потому что мы используем научные, логические аргументы для доказательства правомерности этих же самых методов. Рассмотреть их извне невозможно. Витгенштейн выразил это положение в более цветистой манере: «Выше задницы не нагадишь»[134].

А как насчет математики? В ней-то мы обладаем некоторыми знаниями. Разве доказательство не дает нам стопроцентной уверенности в том, что, например, существует бесконечное количество простых чисел? Но даже математические доказательства, хотя в них все явно и открыто, должны быть обработаны человеческим мозгом, чтобы можно было убедиться в их правильности. Что, если мы оказываемся убеждены в справедливости доказательства, которое тем не менее содержит малозаметную ошибку? Разумеется, одно из обстоятельств, идущих нам на пользу, состоит в том, что все фатальные ошибки рано или поздно обнаруживают себя. Но в таком случае не значит ли это, что математика существует в процессе эволюции, так же как и естествознание? Специалист по философии математики Имре Лакатос считает, что так оно и есть. Он разработал философию математики, основанную на модели Карла Поппера, который считал, что науку можно только опровергнуть, но нельзя доказать ее истинность. По мнению Лакатоса, невозможно точно знать, что какое-либо доказательство не содержит еще не найденного малозаметного изъяна.

В его книге «Доказательства и опровержения»[135] разворачивается увлекательный диалог между учениками, изучающими доказательство теоремы Эйлера о соотношении вершин, ребер и граней трехмерного многогранника. Он отражает историю развития этой теоремы, гласящей, что Р = В + Г – 2. Сначала ученикам кажется, что они нашли доказательство. Потом один из учеников предлагает тело с отверстием в середине. С этим телом формула не работает. И доказательство тоже. Это можно интерпретировать так, что доказательство работает только с теми телами, для которых оно предназначено. Но тут вводятся новое доказательство и новая теорема, относящиеся к новой формуле, которая помимо вершин, ребер и граней тела учитывает еще и количество отверстий. Эта история иллюстрирует гораздо более эволюционный подход к математическому знанию, чем допускают многие из математиков, более похожий на процесс исследования в естествознании. Насколько же действен тот или другой метод в поисках истины?

Одно из оснований считать, что наука позволяет получить истинное знание, заключается в истории ее достижений. Естественные науки настолько успешно описывают и предсказывают видимое устройство вещей, что нам кажется, что они приближают нас к пониманию реальности, которая, по мнению многих, все-таки существует. То, насколько хорошо наука предсказывает и объясняет различные явления, есть, наверное, главная мера нашего приближения к истине. Если карта, к которой мы последовательно обращаемся, приводит нас к цели, это вполне надежный признак того, что такая карта точно отражает реальность.

Наука создала очень неплохие карты Вселенной. Благодаря нашим открытиям, касающимся природы гравитации, науке удается исследовать отдаленные планеты. Благодаря нашим открытиям в области клеточной биологии мы получили генную терапию, способную справляться с неизлечимыми ранее болезнями. Мы используем свои открытия, касающиеся времени и пространства, для навигации при помощи GPS. Если где-то научная карта перестает работать, мы готовы перечертить ее контуры в поисках описания, которое действительно поможет нам разобраться в окружающем мире. Тут действует закон естественного отбора, выживания наиболее приспособленных теорий: теория выживает, если она и далее позволяет делать точные предсказания и управлять средой. Может быть, на самом деле наука и не отражает реальность, но никакого другого сравнимого с ней средства у нас нет.

Еще со времен Канта мы вынуждены сражаться с непознаваемостью «вещей в себе». Ограниченность человеческого восприятия, которую подчеркивает та легкость, с которой можно обмануть наши чувства, заставляет задуматься о том, насколько наш мозг вообще может знать что-нибудь о реальности. Не получается ли так, что мы видим все только через очки, в которые смотрим на Вселенную?

Одна из ключевых проблем наших попыток познания мира состоит в том, что знания об окружающем нас мире мы получаем только через свои собственные органы чувств, а затем расширяем эти знания при помощи аналитических рассуждений. Мы изобретаем теории, которые соответствуют всей информации, собранной нашими органами чувств. Изобретение телескопа, микроскопа и сканера фМРТ расширяет возможности восприятия наших органов чувств.

Но что, если во Вселенной существует и то, чего наши чувства обнаружить не могут? На самом деле у нас больше чувств, чем кажется многим: помимо зрения, слуха, вкуса, осязания и обоняния мы обладаем еще так называемым чувством проприоцепции, благодаря которому мы знаем, как наше тело расположено в пространстве. Есть еще чувства, сообщающие нам о внутреннем состоянии организма. Жидкость, находящаяся во внутреннем ухе, позволяет нам чувствовать ориентацию тела относительно направления силы тяжести. Но существуют ли физические явления, которых мы не замечаем, потому что у нас нет органов чувств, которые могли бы взаимодействовать с ними?

Представим себе организм, не имеющий ни глаз, ни нейронов, способных регистрировать свет. Если у него нет никаких средств обнаружения электромагнитных волн, как он может разработать теорию электромагнетизма? Мы весьма успешно использовали сочетание своего зрения, позволяющего нам видеть некоторую часть электромагнитного спектра, с математическим анализом для вывода заключений о других областях этого спектра. А потом мы разработали приборы, способные обнаруживать такие волны и преобразовывать их в форму, которую мы можем интерпретировать. Но как бы мы смогли начать этот процесс, не имея доступа к некоторой части этого спектра, который дают нам органы зрения?

Вполне возможно, что ограниченность наших чувств также ограничивает возможности наших познаний в математике. Хотя вся математика существует только в уме, одна из научных школ полагает, что поскольку наш разум – это в конечном счете разум, воплощенный в теле, то знание, которое мы можем получить о математике, ограничено тем, что может быть физически воплощено. Безусловно, многое из того, что мы знаем о математике, происходит из описаний физического мира. Взять те же мнимые числа – казалось бы, какое у них может быть физическое воплощение? И тем не менее в конечном счете они происходят из измерений размеров геометрических фигур. Именно попытки понимания длины диагонали грани моей кубической игральной кости привели вавилонян к рассмотрению квадратного корня из 2. А уж оттуда началось путешествие, приведшее нас к идее квадратного корня из –1.

Некоторые поборники идеи искусственного разума утверждают, что для создания разума, сравнимого с нашим собственным, необходимо, чтобы он имел телесное воплощение. Другими словами, мозг, живущий исключительно внутри жесткого диска компьютера, не может породить разум, подобный нашему, без физического взаимодействия с миром через тело. Эта гипотеза снова бросает нам вызов. Могут ли в самом деле существовать некие части математического мира, до которых мы не сможем добраться, потому что они не вытекают из концепций, имеющих физическое воплощение?

И все же остается глубоко философский вопрос о том, насколько наши чувства позволяют нам точно знать что бы то ни было. Мы уже знаем, что наши чувства можно обмануть, заставить нас поверить в реальность вещей, которые на поверку оказываются иллюзией. Как, например, мы можем быть уверены в том, что Вселенная, которую мы воспринимаем, – не имитация? Как мы видели на шестом «рубеже», человеку можно внушить, что он находится в чужом теле. Так как же мы можем быть уверены, что мы – не мозги в банке, в которые компьютер закачивает искусственно созданную чувственную информацию, а окружающий нас мир – не подделка?

На такие попытки поставить под сомнение все то, что мы знаем, я могу ответить, что в этой книге я хотел исследовать, как мы можем узнать что-либо об этой имитации. Кант считал, что истинное устройство мира навсегда останется сокрытым от нашего взора. Мы можем познать лишь кажущееся его устройство. Мне кажется, что большинство ученых какое-то время читает об этом споре об онтологии и эпистемологии и слушает философов, выражающих сомнение в том, что наука рассказывает нам, как на самом деле устроен мир. А потом они возвращаются к своим исследованиям, думая, что, даже если мы никогда не сможем узнать, какова на самом деле реальность, нужно по меньшей мере попытаться выяснить, какова эта реальность в представлении наших органов чувств. В конце концов, именно это на нас и воздействует.

Поэтому, наверное, лучшее, что мы можем надеяться получить от науки, – это правдоподобное знание о Вселенной; то есть наука дает нам теорию, которая, по-видимому, описывает реальность. Мы считаем, что теория, которая позволяет истолковать наше восприятие мира, должна быть близка к истине, хотя философы и уверяют нас, что мы никогда не сможем знать наверняка. Как сказал Нильс Бор: «Неверно думать, что задача физики – в том, чтобы обнаружить, какова природа. Физика касается того, что мы можем сказать о природе».

Здесь водятся драконы[136]

Но как же насчет того, чего мы знать не можем? Если что-то не поддается научному исследованию, если оно непознаваемо, то, может быть, с таким непознаваемым лучше справится какая-то другая дисциплина? Вот, например, что говорит о вопросе «чего-то, а не ничего» Мартин Рис: «Важнейшая проблема сводится к вопросу о том, почему что-то вообще существует. Что вдыхает жизнь в уравнения и вызывает их воплощение в реальном космосе? Однако такие вопросы лежат вне пределов науки: они относятся к ведению философов или богословов».

Возможно, такое заявление свидетельствует о слишком поспешном признании своего поражения, но верно и то, что наука процветает там, где мы делимся непознаваемым с другими дисциплинами. Если непознаваемое воздействует на то, как мы живем, то при выборе ответа на такой неразрешимый вопрос имеет смысл изучить его последствия. Музыка, поэзия, литература и искусство вносят важный вклад в изучение следствий непознаваемого.

Взять вопрос о бесконечности Вселенной. Если вы считаете, что пространство продолжается бесконечно, из этого можно вывести некоторые весьма интересные следствия. Тот факт, что где-то во Вселенной может существовать бесконечно много экземпляров вас, читающего эту книгу, может сильнейшим образом повлиять на вашу жизнь, даже если вы никогда не узнаете, так ли это.

Из теории хаоса следует, что не только игральная кость, но сам человек некоторым образом составляет часть непознаваемого. Хотя каждый из нас – это физическая система, никакое количество данных не позволит нам полностью предсказать человеческое поведение. Гуманитарные дисциплины – это лучший из имеющихся у нас языков для понимания того, что мы вообще можем понять о том, что значит быть человеком.

Исследования сознания обнаруживают границы, дальше которых нам не зайти. Наш внутренний мир потенциально непознаваем для других. Но разве не поэтому – в том числе – мы пишем и читаем романы? Именно они дают другому человеку наиболее действенное средство для проникновения в этот внутренний мир.

То, чего мы знать не можем, создает пространство для существования не только науки, но и мифа, предположения, воображения. Пусть мы чего-то не знаем, но это не мешает нам строить гипотезы, заполняющие эту неизвестность, и эти гипотезы дают нам жизненно важный материал для формирования того, что когда-нибудь может стать известным. Без таких гипотез у нас не было бы никакой науки.

Витгенштейн заканчивает свой «Логико-философский трактат» знаменитой фразой: «О чем невозможно говорить, о том следует молчать»[137]. На мой взгляд, это пораженческое высказывание, и сам Витгенштейн впоследствии считал так же. Лучшей развязкой было бы что-нибудь вроде: «О чем невозможно знать, то можно вообразить». В конце концов, именно с воображения, с гипотез начиналось наше путешествие к познанию того, что мы знаем.

И стимулом этого путешествия всегда было то, чего мы не знаем. Как заявил Максвелл: «Любому подлинному достижению в науке предшествует полностью осознанное невежество». Я безусловно согласен с этим утверждением в приложении к математике. Чтобы сохранить свою убежденность, когда я отправляюсь в неизвестное, мне необходимо верить, что решение существует и я смогу его найти. Знать, что мы чего-то не знаем, жизненно важно для продвижения вперед. Стивен Хокинг также сознает опасность веры в то, что мы знаем все: «Главный враг знания – не невежество, а иллюзия знания».

С моей точки зрения, источник жизненной силы математики – это ее гипотезы, то, чего мы еще не доказали. Именно то, чего я не знаю, побуждает меня продолжать математические поиски. Я хочу узнать, справедлива ли гипотеза Римана и ложна ли гипотеза PORC, которую я исследую в течение последних нескольких десятилетий. Как сказал Джейкоб Броновски, «человеческое знание – дело личное и важное, бесконечное путешествие на грани неопределенности».

Важность наличия еще не достигнутых целей хорошо иллюстрирует то, как странно реагируют многие математики на найденное наконец доказательство одной из великих математических теорем. Завершение математических поисков может вызывать своего рода меланхолическое чувство, подобное той грусти, которую ощущаешь, дочитав великий роман. Мне кажется, что нам так нравилась трудность теоремы Ферма, что решение этой задачи, которым Эндрю Уайлс завершил длившиеся 350 лет поиски, было встречено со смешанным чувством восторга и печали.

Важно сознавать, что в нашей жизни должно существовать неопределенное, неизвестное, непознаваемое. Даже если в конце концов нам удастся создать теорию, описывающую, как устроена Вселенная, мы никогда не будем уверены, что в этой истории нет следующей главы, которая еще ждет своего открытия. Мы никогда не будем знать, что дошли до конца. Как бы нам ни хотелось определенности, в науке мы должны всегда быть готовы оставить уже известное на данный момент и двигаться дальше. Именно поэтому наука жива и никогда не окостенеет.

Поэтому, может быть, мне следует смириться с тем, что, когда я катаю игральную кость в своей руке, ее будущее неопределенно. И когда она наконец выпадает из моей ладони, возможно, именно незнание того, что на ней выпадет, заставляет меня смотреть, как она падает на стол и катится по нему.

Выражение признательности

Я чрезвычайно благодарен всем, кто помог появлению этой книги. Это мой редактор в издательстве 4th Estate Луиза Хейнс, мой агент в агентстве Greene and Heaton Энтони Топпинг, помощник редактора Сара Тикетт, иллюстратор Джой Госни, литературный редактор и корректоры Эдди Мицци, Джен Маккенн и Стивен Гайз, мои первые читатели Андреас Брандхубер, Джозеф Конлон, Педро Феррейра, Крис Линтотт, Дэн Сигал и Кристиана Тиммел, мои собеседники Боб Мэй, Мелисса Франклин, Джон Полкинхорн, Джон Барроу, Роджер Пенроуз и Кристоф Кох, мои работодатели – Математический институт Отдела непрерывного образования Нью-колледжа Оксфордского университета, мой спонсор Чарльз Симони, мои родные – Шани, Томер, Магали и Ина.

Источники иллюстраций

Все иллюстрации созданы Джой Госни за исключением следующих:

Рубеж первый

С. 40. Пирамида игральной кости © Raymond Turvey.

С. 63. Хаотическая траектория. Иллюстрация создана при помощи функции Restricted Three-Body Problem in a Plane, Wolfram Demonstrations Project: /.

С. 86. Фрактальное дерево эволюции. Иллюстрация создана на основе изображений, генерируемых программой One Zoom Tree of Life Explorer: .

С. 92. Магнитные поля © Joe McLaren.

С. 96. Четыре графика, иллюстрирующие поведение игральной кости. Созданы на основе материалов статьи M. Kapitaniak, J. Strzalko, J. Grabski and T. Kapitaniak. The three-dimensional dynamics of the die throw // Chaos 22 (4), 2012: 047504.

Рубеж второй

С. 124. Атомы внутри игральной кости. Yikrazuul / Wikimedia Commons / Общественное достояние.

С. 127. Жан Батист Перрен, «Атомы» (автор рисунка в формате SVG – MiraiWarren) / Общественное достояние.

Рубеж третий

С. 217. График перепечатан с разрешения Американского физического общества из статьи C. G. Shull. Single-Slit Diffraction of Neutrons // Physical Review 179, 1969: 752. © 1969 by the American Physical Society: .

Рубеж пятый

С. 372. Энтропия. Иллюстрация создана на основе иллюстрации из книги Penrose Roger. The Emperor’s New Mind: Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics. OUP, 1989.

С. 380. Схема конформной циклической космологии (ССС). © Roger Penrose. Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe. Bodley Head, 2010.

Рубеж шестой

С. 404. Нейрон. Воспроизводится с любезного разрешения Сантьяго Рамона-и-Кахаля, Cajal Legacy, Instituto Cajal, Мадрид.

С. 430. «Чистота». Рэндел Манро, xkcd.com: /.

С. 442. Бодрствование и глубокий сон. Иллюстрация создана на основе материалов статьи: Marcello Massimini, Fabio Ferrarelli, Reto Huber, Steve K. Esser, Harpreet Singh, Giulio Tononi. Breakdown of Cortical Effective Connectivity During Sleep // Science 309, 2005: 2228–2232.

С. 446. Две схемы сетей с 8 узлами. Воспроизводится с любезного разрешения авторов. Giulio Tononi and Olaf Sporns. Measuring information integration // BMC Neuroscience 4, 2003.

Автором и издателем были приняты все меры для установления владельцев изображений и других материалов, используемых в этой книге. Если не установленные до сих пор владельцы свяжутся с автором или издателем после публикации этой книги, автор и издатель приложат все усилия для исправления данного положения.

Литература

Al-Khalili Jim. Quantum: A Guide for the Perplexed. Weidenfeld & Nicolson, 2003.

Armstrong Karen. A Short History of Myth. Canongate, 2005.

Armstrong Karen. The Great Transformation: The World in the Time of Buddha, Socrates, Confucius and Jeremiah. Atlantic Books, 2006.

Armstrong Karen. The Case for God. Bodley Head, 2009.

Ayer A. J. Language, Truth and Logic. Victor Gollancz, 1936.

Ayer A. J. The Problem of Knowledge. Penguin Books, 1956.

Baggini Julian. Atheism: A Very Short Introduction. Oxford University Press, 2003.

Baggott Jim. Farewell to Reality: How Fairytale Physics Betrays the Search for Scientific Truth. Constable, 2013.

Barbour Julian. The End of Time: The Next Revolution in Physics. Oxford University Press, 1999.

Barrow John. Impossibility: The Limits of Science and the Science of Limits. Oxford University Press, 1998.

Barrow John. The Constants of Nature. Jonathan Cape, 2002.

Barrow-Green June. Poincare and the Three-Body Problem. American Mathematical Society, 1997.

Bayne Tim. The Unity of Consciousness. Oxford University Press, 2010.

Blackburn Simon. Truth: A Guide for the Perplexed. Allen Lane, 2005.

Blackmore Susan. Consciousness: An Introduction. Hodder & Stoughton, 2003.

Blackmore Susan. Conversations on Consciousness. Oxford University Press, 2005.

Bondi Hermann. Relativity and Common Sense: A New Approach to Einstein. Doubleday, 1964.

Borges Jorge Luis. Labyrinths: Selected Stories and Other Writings. New Directions, 1962.

Butterworth Jon. Smashing Physics: Inside the World’s Biggest Experiment. Headline, 2014.

Carroll Sean. From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time. Oneworld Publications, 2011.

Close Frank. Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford University Press, 2004.

Close Frank. The Infinity Puzzle: Quantum Field Theory and the Hunt for an Orderly Universe. Oxford University Press, 2013.

Conlon Joseph. Why String Theory? CRC Press, 2016.

Cox Brian and Forshaw Jeff. Why Does E = mc2? (And Why Should We Care?). Da Capo Press, 2009.

Dawkins Richard. The Blind Watchmaker. Longman, 1986.

Dawkins Richard. The God Delusion. Bantam Press, 2006.

Dennett Daniel. Consciousness Explained. Little, Brown, 1991.

Deutsch David. The Fabric of Reality. Allen Lane, 1997.

Dixon Thomas. Science and Religion: A Very Short Introduction. Oxford University Press, 2008.

du Sautoy Marcus. The Music of the Primes. Fourth Estate, 2003.

du Sautoy Marcus. Finding Moonshine. Fourth Estate, 2008.

du Sautoy Marcus. The Number Mysteries. Fourth Estate, 2010.

Edelman Gerald and Tononi Giulio. A Universe of Consciousness: How Matter Becomes Imagination. Basic Books, 2000.

Ferreira Pedro. The State of the Universe. A Primer in Modern Cosmology. Weidenfeld & Nicolson, 2006.

Ferreira Pedro. The Perfect Theory: A Century of Geniuses and the Battle over General Relativity. Little, Brown, 2014.

Feynman Richard. The Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley, 1964. Доступна в Сети: /

Gamow George. Mr Tompkins in Paperback. Cambridge University Press, 1965.

Gleick James. Chaos: The Amazing Science of the Unpredictable. Heinemann, 1988.

Goldstein Rebecca. 36 Arguments for the Existence of God. Atlantic Books, 2010.

Greene Brian. The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. W. W. Norton, 1999.

Greene Brian. The Fabric of the Cosmos. Knopf, 2004.

Greene Brian. The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos. Knopf, 2011.

Guth Alan. The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins. Addison-Wesley, 1997.

Hawking Stephen. A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes. Bantam, 1988.

Kaku Michio. Hyperspace: A Scientific Odyssey Through the 10th Dimension. Oxford University Press, 1994.

Kapitaniak M., Strzalko J., Grabski J., and Kapitaniak T. The three-dimensional dynamics of the die throw // Chaos 22(4), 2012.

Koch Christof. The Quest for Consciousness: A Neurobiological Approach. Roberts & Company, 2004.

Koch Christof. Consciousness: Confessions of a Romantic Reductionist. MIT Press, 2012.

Krauss Lawrence. A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather Than Nothing. Free Press, 2012.

Kurzwell Ray. The Singularity Is Near: When Humans Transcend Biology. Viking, 2005.

Kurzwell Ray. How to Create a Mind: The Secrets of Human Thought Revealed. Viking, 2012.

Lakatos Imre. Proofs and Refutations: The Logic of Mathematical Discovery. Cambridge University Press, 1976.

Laskar Jacques and Gastineau Mickaël. Existence of collisional trajectories of Mercury, Mars and Venus with the Earth // Nature 459, 817–819, 2009.

Levin Janna. How the Universe Got Its Spots: Diary of a Finite Time in a Finite Space. Princeton University Press, 2002.

Lightman Alan. Einstein’s Dreams. First Warner Books, 1994.

Livio Mario. The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant and the Beauty of the Cosmos. John Wiley & Sons, 2000.

Maddox John. What Remains to be Discovered: Mapping the Secrets of the Universe, the Origins of Life and the Future of the Human Race. Free Press, 1998.

May Robert M. Simple mathematical models with very complicated dynamics // Nature 261, 459–467, 1976.

McCabe Herbert. God Still Matters. Continuum Books, 2002.

Monk Ray. Ludwig Wittgenstein: The Duty of Genius. Jonathan Cape, 1990.

Mulhall Stephen. Wittgenstein’s Private Language: Grammar, Nonsense and Imagination in Philosophical Investigations, 243–315. Clarendon Press, 2006.

Mulhall Stephen. The Great Riddle: Wittgenstein and Nonsense, Theology and Philosophy. Oxford University Press, 2015.

Nagel Jennifer. Knowledge: A Very Short Introduction. Oxford University Press, 2014.

Poincare Henri. Science and Method. Thomas Nelson, 1914.

Polkinghorne John. Belief in God in an Age of Science. Yale University Press, 1998.

Polkinghorne John. Quantum Theory: A Very Short Introduction. Oxford University Press, 2002.

Polkinghorne John. Quantum Physics and Theology: An Unexpected Kinship. SPCK, 2007.

Penrose Roger. The Emperor’s New Mind: Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics. Oxford University Press, 1989.

Penrose Roger. The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. Jonathan Cape, 2004.

Penrose Roger. Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe. Bodley Head, 2010.

Peterson Ivars. Newton’s Clock: Chaos in the Solar System. Freeman, 1993.

Ramachandran V. S. A Brief Tour of Human Consciousness: From Impostor Poodles to Purple Numbers. Pi Press, 2004.

Randall Lisa. Knocking on Heaven’s Door: How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World. Bodley Head, 2011.

Rees Martin. Just Six Numbers: The Deep Forces that Shape the Universe. Weidenfeld & Nicolson, 1999.

Rees Martin. From Here to Infinity: Scientific Horizons. Profile Books, 2011.

Saari Donald and Xia Zhihong. Off to infinity in finite time // Notices of the American Mathematical Society. Vol. 42, № 5, 538–546, 1995.

Sacks Jonathan. The Great Partnership: God, Science and the Search for Meaning. Hodder & Stoughton, 2011.

Sample Ian. Massive: The Hunt for the God Particle. Virgin Books, 2010.

Seung Sebastian. Connectome: How the Brain’s Wiring Makes Us Who We Are. Houghton Mifflin Harcourt, 2012.

Silk Joseph. The Infinite Cosmos: Questions from the Frontiers of Cosmology. Oxford University Press, 2006.

Singh Simon. Fermat’s Last Theorem. Fourth Estate, 1997.

Singh Simon. Big Bang: The Most Important Scientific Discovery of All Time and Why You Need to Know About It. Fourth Estate, 2004.

Smolin Lee. Time Reborn: From the Crisis of Physics to the Future of the Universe. Allen Lane, 2013.

Steane Andrew. The Wonderful World of Relativity: A Precise Guide for the General Reader. Oxford University Press, 2011.

Steane Andrew. Faithful to Science: The Role of Science in Religion. Oxford University Press, 2014.

Stewart Ian. Does God Play Dice? The New Mathematics of Chaos. Basil Blackwell, 1989.

Stoppard Tom. Arcadia. Faber & Faber, 1993.

Sudbery Anthony. Quantum Mechanics and the Particles of Nature: An Outline for Mathematicians. Cambridge University Press, 1986.

Taleb Nassim. The Black Swan: The Impact of the Highly Improbable. Allen Lane, 2007.

Tegmark Max. The Mathematical Universe, Found. Phys. 38: 101–150, 2008.

Tegmark Max. Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality. Knopf, 2014.

Tononi Giulio and Sporns Olaf. Measuring information integration // BMC Neuroscience 4, 2003.

Tononi Giulio. Consciousness as Integrated Information: A Provisional Manifesto // Biol. Bull. Vol. 215, № 3: 216–242, 2008.

Tononi Giulio Phi. A Voyage from the Brain to the Soul. Pantheon, 2012.

Watts Fraser and Knight Christopher (eds). God and the Scientist: Exploring the Work of John Polkinghorne. Ashgate Publishing Limited, 2012.

Weinberg Steven. Dreams of a Final Theory: The Search for the Fundamental Laws of Nature. Hutchinson Radius, 1993.

Williamson Timothy. Knowledge and its Limits. Oxford University Press, 2000.

Woit Peter. Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Continuing Challenges to Unify the Laws of Physics. Jonathan Cape, 2006.

Yourgrau Palle. A World Without Time: The Forgotten Legacy of Godel and Einstein. Basic Books, 2005.

Zee Anthony. Quantum Field Theory in a Nutshell. Princeton University Press, 2003.

Большое количество ценного материала содержится на веб-сайте Стэнфордской философской энциклопедии (Stanford Encyclopaedia of Philosophy): /

Примечания

1

Перевод А. В. Кубицкого.

(обратно)

2

Профессор популяризации науки (Simonyi Professor for Popular Understanding of Science) – должность, учрежденная в 1985 г. на средства программиста и предпринимателя Чарльза Симони. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. перев.

(обратно)

3

Эта формулировка, часто приписываемая Ньютону, существовала задолго до него – она встречается уже у Бернара Шартрского, французского философа XI–XII вв.

(обратно)

4

В теории суперструн выделена размерность D = 10 пространства-времени. Говоря о D = 11, автор, по-видимому, подразумевает М-теорию. – Прим. науч. ред.

(обратно)

5

Строго говоря, Гордон Мур утверждал, что число транзисторов в интегральной схеме микропроцессора удваивается каждые два года. Удвоение производительности микропроцессоров (зависящее не только от числа транзисторов, но и от их быстродействия, также растущего) раз в полтора года предсказал коллега Мура по компании Intel Дэвид Хаус.

(обратно)

6

От англ. «Theory of Everything».

(обратно)

7

Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр / Пер. с англ. Н. Я. Смородинской. СПб.: Амфора, 2001.

(обратно)

8

Здесь и далее, если не оговорено иное, перевод цитат выполнен Д. Прокофьевым.

(обратно)

9

British Science Association, называвшаяся до 2009 г. British Association for the Advancement of Sciences (Британская ассоциация содействия развитию наук).

(обратно)

10

Источник этой цитаты установить трудно, зато точно известно, что в том же 1900 г. Кельвин прочитал в Королевском институте лекцию, в которой говорил о двух крупных нерешенных проблемах физики: отсутствии свидетельств существования мирового эфира в опыте Майкельсона – Морли и тепловом излучении абсолютно черного тела.

(обратно)

11

Буквально «нога во рту» – метафора необдуманного, бессмысленного высказывания.

(обратно)

12

Талеб Н. Н. Черный лебедь. Под знаком непредсказуемости / Пер. с англ. В. Сонькина и др. 2-е изд., доп. М.: КоЛибри, 2014.

(обратно)

13

В оригинале упоминается «All Things Bright and Beautiful» – наверное, самый известный из англиканских гимнов (в частности, благодаря книгам Джеймса Хэрриота).

(обратно)

14

От него же – через французское hasard («случай, случайность») – произошло и русское слово «азарт». Его смысловая связь со «случайностью» сохранилась в выражении «азартные игры».

(обратно)

15

Цит. по: Филиппов М. М. Блез Паскаль. Его жизнь, научная и философская деятельность. М., 2016.

(обратно)

16

«Мысли о религии и других предметах», перевод С. Долгова.

(обратно)

17

«Год чудес» (лат.).

(обратно)

18

Первый закон Ньютона приведен здесь в том виде, в каком он изложен в «Началах»; цитаты из этой книги здесь и далее даны в переводе А. Н. Крылова.

(обратно)

19

В формулировке самого Ньютона: «Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует».

(обратно)

20

В формулировке Ньютона: «Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе – взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны».

(обратно)

21

«Математические начала натуральной философии». Книга III.

(обратно)

22

Перевод А. К. Власова.

(обратно)

23

Перевод С. Долгова.

(обратно)

24

«Наука и метод», гл. III. Перевод под ред. Л. С. Понтрягина. Если быть точным, в оригинале Пуанкаре пишет: Les faits mathématiques dignes d’être étudiés, ce sont ceux qui, par leur analogie avec d’autres faits, sont susceptibles de nous conduire à la connaissance d’une loi mathématique, de la même façon que les faits expérimentaux nous conduisent à la connaissance d’une loi physique, т. е. «В математике фактами, заслуживающими изучения, являются те, которые ввиду их сходства с другими фактами способны привести нас к открытию какого-нибудь математического закона, совершенно подобно тому, как экспериментальные факты приводят к открытию физического закона».

(обратно)

25

Перевод А. В. Кубицкого.

(обратно)

26

American Association for the Advancement of Science, AAAS.

(обратно)

27

Здесь и далее цитаты из работы Максвелла даны в переводе под ред. Н. Н. Андреева.

(обратно)

28

Nature 261 (5560), 1976: 459–467.

(обратно)

29

Разумеется, тут имеется в виду математический термин. Само греческое слово χάος было известно, в том числе и в английском языке, за много веков до этого.

(обратно)

30

Chaos 22 (4), 2012: 047504.

(обратно)

31

Annals of Mathematics 135, 1992: 411–468.

(обратно)

32

Ce que nous connaissons est peu de chose, ce que nous ignorons est immense. Широко распространенный русский перевод этой цитаты – «То, что мы знаем, – ограничено, а то, чего мы не знаем, – бесконечно» – не точен. Лаплас ничего не говорит об ограниченности и неограниченности.

(обратно)

33

Слово «атом» происходит от греческого ἄτομος, т. е. «неразрезаемый, неделимый».

(обратно)

34

Латинское слово ratio, от которого происходят соответствующие корни в английском, русском и других языках (ср., например, «рацион»), означает, в частности, «отношение» или «дробь».

(обратно)

35

Полагают, что «неверующим математиком» Беркли в основном считал Эдмунда Галлея (именем которого названа комета): Ньютон умер еще в 1727 г.

(обратно)

36

Собственно, равный числу протонов в ядре.

(обратно)

37

Перевод Ф. А. Петровского.

(обратно)

38

Коллайдером (англ. collider) называют ускоритель, в котором два пучка элементарных частиц, разных или одинаковых, разгоняют во взаимно противоположных направлениях, а затем сталкивают. Официальное русское название такой системы – «ускоритель на встречных пучках».

(обратно)

39

LHC (англ. Large Hadron Collider) – Большой адронный коллайдер.

(обратно)

40

Калтех (Caltech) – сокращенное название Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology).

(обратно)

41

Траектория заряженной частицы в магнитном поле изгибается, причем направление такого изгиба определяется знаком заряда частицы. Таким образом, траектории электронов и позитронов должны быть изогнуты в разные стороны.

(обратно)

42

Имеется в виду Lawrence Berkeley National Laboratory – Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли.

(обратно)

43

Гелл-Манн использовал английское слово quirk.

(обратно)

44

Буквенные обозначения кварков происходят от их английских названий – соответственно up, down и strange.

(обратно)

45

«Три кварка для мюстера Марка!»

(обратно)

46

В английском слово quark произносится [kwɔ:rk], через «о». В русском языке, разумеется, такой проблемы не возникает.

(обратно)

47

Stanford Linear Accelerator Center, SLAC.

(обратно)

48

Соответственно, c-кварк, от английского charm – «очарование», t-кварк, от английского truth – «истина» или top – «вершина», и b-кварк, от английского beauty – «прелесть» или bottom – «дно».

(обратно)

49

См. список литературы в конце книги. – Прим. ред.

(обратно)

50

Фермилаб (Fermilab) – сокращенное название Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory), расположенной в пригороде Чикаго.

(обратно)

51

Дю Сотой приводит этот анекдот так, как он изложен у Стивена Хокинга в его «Краткой истории времени».

(обратно)

52

«Взаимосвязь науки и религии» (The Relation of Science and Religion, лекция 1956 г.), перевод Т. А. Ломоносова.

(обратно)

53

«Характер физических законов» (The Character of Physical Law, 1965), перевод В. П. Голышева и Э. Л. Наппельбаума.

(обратно)

54

«Критика чистого разума», перевод Н. О. Лосского.

(обратно)

55

«Критика чистого разума», перевод Н. О. Лосского.

(обратно)

56

«Mr Tompkins in Paperback». В русском переводе Ю. А. Данилова эта книга вышла в 1993 г. под названием «Приключения мистера Томпкинса».

(обратно)

57

Скорее всего, этот парадокс Зенона, как и другие его апории, всего лишь иллюстрировал невозможность описания физической реальности имевшимися тогда математическими средствами.

(обратно)

58

Это высказывание Шредингера в его споре с Бором в 1926 г., заложившем основы так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики, приводит в своей автобиографической книге «Часть и целое» Гейзенберг – здесь в русском переводе В. В. Бибихина.

(обратно)

59

«Природа пространства и времени».

(обратно)

60

Перевод под ред. Я. А. Смородинского.

(обратно)

61

Перевод Н. М. Демуровой.

(обратно)

62

Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое / Пер. с нем. И. А. Акчурина, Э. П. Андреева. М.: Наука, 1989.

(обратно)

63

Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik, Zs. Phys. 43, 1927: 172–198. Перевод Л. З. Понизовского.

(обратно)

64

Из письма Эйнштейна Максу Борну от 4 декабря 1926 г., AEA 8-180.

(обратно)

65

В отличие от английского языка, в котором существует единое общепринятое название этой концепции – quantum entanglement, – в русском достаточно широко используются несколько разных вариантов перевода этого термина: квантовая запутанность, квантовые корреляции и т. д.

(обратно)

66

Официальный цвет Оксфордского университета – так называемый «оксфордский синий», #002147. Соперничество между Оксфордским и Кембриджским университетами не прекращается с момента основания последнего в начале XIII в.

(обратно)

67

Более точно – «праздный» или «бездеятельный» Бог.

(обратно)

68

Перевод В. С. Кулагиной-Ярцевой.

(обратно)

69

Бруно Джордано. О причине, начале и едином (1584). Перевод М. А. Дынника.

(обратно)

70

Иоаннис Димисианос был не только поэтом, но и богословом, химиком и математиком, одним из основателей старейшей в Италии академии наук. Упомянутый банкет и был посвящен приему в нее Галилея.

(обратно)

71

Чаще используется имя Уильям, принятое им в Англии.

(обратно)

72

Уильям Гершель умер в 1822 г. Тут речь может идти только о его сыне Джоне Гершеле, также выдающемся астрономе.

(обратно)

73

На Западе он более известен под латинизированным именем Альхазен.

(обратно)

74

Перевод И. А. Голубева.

(обратно)

75

Дю Сотой называет его «Monsignor Georges Lemaître». Леметр действительно получил право на этот титул, но гораздо позже, в 1960 г., когда был возведен в сан почетного прелата.

(обратно)

76

До Леметра в 1922–1924 гг. уравнения нестационарной вселенной были изучены Александром Фридманом (1888–1925). – Прим. науч. ред.

(обратно)

77

Перевод М. Л. Лозинского.

(обратно)

78

Amer. Math. Monthly 73, 1966: 1–23.

(обратно)

79

Bull. Amer. Math. Soc. 27, 1992: 134–138.

(обратно)

80

Астрономический журнал № 55, 1978: 209.

(обратно)

81

Phys. Rev. D 68, 2003: 127301.

(обратно)

82

Одним из создателей теории инфляции является также А. А. Старобинский. – Прим. науч. ред.

(обратно)

83

В современном христианском богословии теория эволюции признается не противоречащей библейскому откровению о сотворении мира. См. энциклику Humani Generis. – Прим. науч. ред.

(обратно)

84

Перевод А. Ю. Миролюбовой.

(обратно)

85

Перевод М. Е. Сергеенко.

(обратно)

86

Имеется в виду фильм «Бешеные псы» (Reservoir Dogs) 1992 г.

(обратно)

87

Более корректно будет рассмотреть другой поезд, идущий в ту же сторону и обгоняющий первый. – Прим. науч. ред.

(обратно)

88

Слово kal приблизительно означает «на расстоянии одного дня от сегодня» – не важно, в какую сторону.

(обратно)

89

«Осколок» (The Shard) – построенный в 2012 г. 95-этажный небоскреб в форме узкой пирамиды высотой 309,6 м.

(обратно)

90

Помимо геометрического фактора, упомянутого автором, важными при расчете авиамаршрутов оказываются так называемые высотные струйные течения. Так, самолет, следующий из Лондона в Нью-Йорк, пролетает над Гренландией, а на обратном пути – нет. – Прим. науч. ред.

(обратно)

91

Перевод В. А. Харитонова.

(обратно)

92

Высочайшая (3724 м) гора Новой Зеландии, название на языке мао-ри – Аораки.

(обратно)

93

Речь идет о второй космической скорости, равной для Земли 11,2 км/с.

(обратно)

94

Private Eye – английский журнал политической сатиры, Penthouse – эротический развлекательный журнал для мужчин.

(обратно)

95

The Internal Constitution of the Stars, 1926.

(обратно)

96

Science 132, 1960: 1291–1295.

(обратно)

97

Строго говоря, Гордон Мур утверждал, что число транзисторов в интегральной схеме микропроцессора удваивается каждые 24 месяца. Удвоение производительности микропроцессоров (зависящее не только от числа транзисторов, но и от их быстродействия, также растущего) раз в 18 месяцев предсказал коллега Мура по компании Intel Дэвид Хаус.

(обратно)

98

«Все о бейсболе» (Total Baseball: The Ultimate Baseball Encyclopaedia) – энциклопедия, издающаяся с 1989 г. Последнее на данный момент издание 2004 г. содержит 2688 страниц.

(обратно)

99

Возможно, в шутке Хокинга было двойное дно. Кубок одного из наиболее престижных турниров по крикету, игре, родственной бейсболу и более популярной в Англии, называется The Ashes – т. е. «Пепел» или «Прах».

(обратно)

100

Пенроуз Р. Путь к реальности, или Законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель / Пер. с англ. А. Р. Логунова и Э. М. Эпштейна. М. – Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2007.

(обратно)

101

Цитата на англ. яз. в таком виде встречается в: John Bowker. God: A Very Short Introduction. Oxford, Oxford University Press, 2014.

(обратно)

102

Found. Phys. 38, 2008: 101–150.

(обратно)

103

Перевод О. Кириллова.

(обратно)

104

Отец Рамона-и-Кахаля был хирургом, профессором практической анатомии в университете Сарагосы.

(обратно)

105

С одной стороны, более или менее систематическое прохождение зеркального теста было отмечено у бонобо (родственных шимпанзе), горилл, косаток (которые также относятся к дельфинам) и даже мант (единственных среди рыб). С другой стороны, даже среди молодых взрослых шимпанзе уровень прохождения теста составляет лишь около 75 %.

(обратно)

106

Mount Baldy, т. е. «Лысая гора», – разговорное название горы Сан-Антонио в Калифорнии.

(обратно)

107

Национальный флаг Англии – прямой красный крест на белом поле – является одной из составных частей государственного флага Соединенного Королевства, так называемого Union Jack.

(обратно)

108

«Вопросительный знак и мистериане». Слово «мистериане» позаимствовано из одноименного (в английском переводе) японского фантастического фильма 1957 г., в котором действуют пришельцы с планеты Мистероид. Разумеется, слова Mysteroid и Mysterians образованы от того же корня, что и английское «mystery» – тайна, загадка.

(обратно)

109

Здесь и далее перевод М. С. Козловой и Ю. А. Асеева.

(обратно)

110

What Is the Name of This Book? (1978) – книга математических и логических загадок, шуток и парадоксов Рэймонда Смаллиана. (Смаллиан Р. Как же называется эта книга? / Пер. с англ. и предисл. Ю. А. Данилова. М.: Мир, 1981.)

(обратно)

111

PORC – сокращение от Polynomial On Residue Classes.

(обратно)

112

S. Lloyd. Computational Capacity of the Universe. Phys. Rev. Lett. 88, 2002: 237901.

(обратно)

113

Один из наиболее крупных и авторитетных академических словарей английского языка. Издается с середины XIX в. и предположительно содержит все слова, бытующие или бытовавшие в английском языке начиная с 1150 г.

(обратно)

114

Мы не узнаем (лат.).

(обратно)

115

Не знаем и не узнаем (лат.).

(обратно)

116

Мы должны знать. Мы будем знать (нем.).

(обратно)

117

Это представление фамилии Гёделя, записанной по-русски. В оригинале у дю Сотоя – Gödel и соответствующий код 71246100101108.

(обратно)

118

Цит. по: Хофштадтер Д. Р. Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда / Пер. с англ. М. Эскиной. Самара: Бахрах-М, 2001.

(обратно)

119

Перевод Э. Л. Линецкой.

(обратно)

120

Цит. по: Блаженный Августин. Творения: В 4 т. Т. 3: О граде Божием. Книги I–XIII. СПб.: Алетейя; Киев: УЦИММ-Пресс, 1998.

(обратно)

121

Здесь и далее, если явно не оговорено иное, под «числами» или «целыми числами» автор подразумевает натуральные – то есть вещественные, целые и положительные – числа.

(обратно)

122

Перевод С. Н. Долгова.

(обратно)

123

Валлис ввел символ ∞ в трактате «О конических сечениях» (лат. De sectionibus conicis). Ни в этой, ни в других работах он никак не объясняет выбор именно такой его формы. На эту тему существуют разные предположения – например, символ бесконечности связывают с одной из форм записи числа 1000 римскими цифрами (Ϲ|Ͻ или ϹϽ) или с буквой ω, последней в греческом алфавите.

(обратно)

124

Манера выражаться (фр.).

(обратно)

125

Боязнь бесконечности (лат.).

(обратно)

126

Здесь и далее перевод П. С. Юшкевича.

(обратно)

127

Упорядоченного трансфинитного (лат.).

(обратно)

128

Высказывание принадлежит Лейбницу, которого Кантор цитирует в своих «Основах общего учения о многообразиях», вполне соглашаясь с ним.

(обратно)

129

Из Гиббсовской лекции Гёделя «Некоторые базовые теоремы об основаниях математики и их философские следствия» (Some basic theorems on the foundations of mathematics and their philosophical implications), прочитанной на заседании Американского математического общества в 1951 г.

(обратно)

130

Из письма Декарта Г. Мору // Декарт Р. Сочинения в 2 т. / Пер. с фр. С. Я. Шейнман-Топштейн. М.: Мысль, 1994. Т. 2.

(обратно)

131

Чаще встречается другая формулировка этого высказывания (которое также приписывают Демокриту): «Я знаю только то, что ничего не знаю», иногда с добавлением «…но другие не знают и этого».

(обратно)

132

Более распространено название «парадокс познаваемости» (knowability paradox).

(обратно)

133

A Logical Analysis of Some Value Concepts // The Journal of Symbolic Logic 28, 1963: 135–142.

(обратно)

134

Эдмондс Д., Айдиноу Дж. Кочерга Витгенштейна: история десятиминутного спора между двумя великими философами / Пер. с англ. Е. Канищевой. М.: Новое литературное обозрение, 2004.

(обратно)

135

Лакатос И. Доказательства и опровержения. Как доказываются теоремы / Пер. с англ. И. Н. Веселовского. М.: Наука, 1967.

(обратно)

136

«Hic sunt dracones» – вошедшая в поговорку надпись, которой на глобусе Ленокса (начало XVI в.) была помечена Юго-Восточная Азия. Хотя не исключено, что авторы глобуса имели в виду вполне реальных комодских варанов, сама фраза явно восходит к варианту «Hic sunt leones» (лат. «Здесь водятся львы»), которым на римских и средневековых картах обозначали неисследованные территории.

(обратно)

137

Перевод М. С. Козловой.

(обратно)

Оглавление

Рубеж нулевой: известное неизвестное

  То, что мы знаем

  Профессор всех наук

  То, чего мы не знаем

  То, чего мы не узнаем никогда

  Запредельность

Рубеж первый: игральная кость

  1

    Познать волю богов

    Поиск чисел в костях

    Прерванная игра

    Пари паскаля

    Математика природы

    Математические фотографии

    Правила игры

    Ньютонова «теория всего»

    Судьба Солнечной системы

    Маленькая ошибка и ее большие последствия

  2

    Дьявол после запятой

    Месть кузнечика

    Осознание невозможности познания

    Политика хаоса

    Человеческое уравнение

    Жизнь – случайный бросок кости?

    Откуда мы произошли?

    Фрактальное дерево жизни

    Бабочка по имени Меркурий

    Бесконечная сложность

    Знай свою кость

    Играет ли Бог в кости?

    На грани хаоса

Рубеж второй: Виолончель

  3

    Увеличение картинки

    Музыка сфер

    Числа на грани

    Иррациональный восторг

    Гармония маленьких сфер

    Атомная алгебра

    Рецепт приготовления игральной кости

    Пылевой пинг-понг

    Разборка атома

    Следующий уровень

    Баллистика и папиросная бумага

  4

    Зверинец частиц

    План зоопарка частиц

    Красота должна быть странной

    Симметричное просветление

    Многоликая симметрия

    Кварки – недостающий последний уровень?

    От фантазии к реальности

    Ковбои и кварки

    Виолончель или труба?

Рубеж третий: Банка урана

  5

    Случайное излучение

    Волна или частица?

    Изготовление волновой какофонии

    Электроны на выброс: фотоэлектрический эффект

    Фотонный бильярд

    Опыты с электронами

    Электрон-шизофреник

    Квантовая антропология

    Множественные истории

    Расщепление личности

    Один вход, много выходов

  6

    Квантовые ковры

    Численное выражение неопределенности

    Пределы знания на малом масштабе

    Наблюдение есть творение

    Скрытая машина

    Мясник-вегетарианец

    Что-то из ничего

Рубеж четвертый: Бумажная Вселенная

  7

    Треугольные телескопы

    Борьба с бесконечностью

    Далеко ли вы видите?

    Планета, открытая на кончике пера

    Космическое ограничение скорости

    Звезды по соседству

    Среди миров, в мерцании светил

    Гигантская игра в «астероиды»

    Космические Магелланы

  8

    Вид на Вселенную сквозь красные очки

    Муравей и резинка

    Перемотка вселенной

    Уходящие звезды

    Космические отпечатки

    Множественные вселенные

    Настройка разных вселенных

    Назови следующее число

    Есть там кто-нибудь?

    Черные лебеди, искажения и конец задачника

    Проблема выбора

    Можем ли мы знать, чего именно мы знать не можем?

Рубеж пятый: Наручные часы

  9

    Что такое время?

    Фонари на поездах

    Замедление времени

    Быстрее движешься – дольше живешь

    Относительные псы

    Форма времени

    Небоскребы опасны для вашего здоровья

    Асимметричные близнецы

  10

    Горизонты, за которые мы не можем заглянуть

    Сингулярности

    Неизвестное, скрывающееся внутри черной дыры

    Абсолютный шредер

    Не такие уж и черные черные дыры

    Размытые края

    Смычка прошлого и будущего

    Галилей нашего времени

    Вне времени

    Время как выражение неполноты знания

Рубеж шестой: Виртуальный собеседник

  11

    Ты думаешь о Том же, о чем думаю я?

    Где находится сознание?

    Разделение сознания

    Выключатель личности

    Нейротелескопы

    Есть ли сознание у моего кота?

    Обман разума

    Нейрон имени Дженнифер Энистон

    Внетелесные переживания

    Разум / тело

  12

    Кто тут главный?

    Начинается прилив

    Математика моего «я»

    Есть ли сознание у интернета?

    Связь с сознанием через Skype

    Создание разума

    Загрузка сознания

    Страна зомби

Рубеж седьмой: Рождественская хлопушка

  13

    Естествознание против математики

    Доказательство: путь к истине

    Числа на грани

    Доказанная невозможность

    Нехватка нейронов

    Параллельные вселенные

    Как называется этот раздел?

    Следующее предложение ложно

    Анекдот

  14

    Взгляд в бесконечность

    Укрощение бесконечности

    Несчетная бесконечность

    Вот оно есть, а вот его нет!

    И да и нет

    О том, чего мы не можем знать

    Бог как мнимое число

    Четно или нечетно количество моих игральных костей?

    Можем ли мы знать хоть что-нибудь?

    Здесь водятся драконы[136]

Выражение признательности

Источники иллюстраций

Литература Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg