Книга: Вселенная

Глава 12 Реальность возникает

Глава 12

Реальность возникает

Вооружившись нашим байесовским инструментарием для добычи знаний, вернёмся к препарированию некоторых идей, лежащих в основе поэтического натурализма. В частности, разберёмся с невинной на первый взгляд, но на деле глубокой идеей о том, что существует много способов рассуждения о мире, каждый из которых просто акцентирует свой аспект основополагающего целого.

Человеческие знания расширяются, и в результате мы сделали ряд открытий, которые все вместе дают понять: мир устроен совершенно иначе, чем свидетельствует наш обыденный опыт. Существует сохранение импульса, Вселенная не нуждается в перводвигателе, постоянное движение естественно и ожидаемо. Соблазнительно предположить — только осторожно, всегда будучи готовым изменить мнение, если оно не подтвердится, что Вселенная не нуждается в создании, обусловливании или поддержке. Она может просто быть. Ещё есть сохранение информации. Вселенная развивается, переходя от момента к моменту. При этом она зависит только от своего текущего состояния — она не направлена на достижение каких-либо будущих целей, не отражает свою прежнюю историю.

Эти открытия указывают на то, что мир функционирует сам по себе, не испытывает никаких внешних воздействий. Все вместе они радикально повышают для нас субъективную вероятность натурализма: есть только один мир, естественный, устроенный в соответствии с законами физики. Но они также актуализируют назревающий вопрос: почему мир, воспринимаемый нами в повседневной жизни, кажется столь непохожим на мир фундаментальной физики? Почему, на первый взгляд, основные механизмы реальности совершенно не очевидны? Почему терминология, используемая нами для описания обыденного мира, — причины, цели, основания — настолько неприменима в микромире, где царят постоянное движение и лапласовские закономерности?

Здесь мы переходим к «поэтической» части поэтического натурализма. Хотя существует всего один мир, рассуждать о нём можно многими способами. Можно называть их «моделями» или «теориями», или «дискурсами», или «сюжетами» — неважно. Аристотель и его современники не просто занимались измышлениями; они излагали разумную историю того мира, который действительно наблюдали. Наука открыла ряд других историй, более сложных для восприятия, но и более точных, а также применимых в более широком контексте. Мало того что каждая из этих историй в отдельности оказалась успешной, они к тому же согласуются друг с другом.

* * *

Одно ключевое слово позволяет привести все эти истории к общему знаменателю: эмерджентность. Как и многие волшебные слова, оно очень могучее, но также коварное — если его доверить кому попало, легко может использоваться не по назначению. Свойство системы называется «эмерджентным», если не входит в состав её «фундаментального» описания, но становится полезным или даже необходимым при рассмотрении системы в более широком контексте. Натуралист считает, что человеческое поведение эмерджентно: складывается из сложных взаимодействий атомов и сил, образующих каждый отдельный организм.

Эмерджентность повсюду. Рассмотрим какую-нибудь картину, например полотно Ван Гога «Звёздная ночь». Холст и масло образуют физический артефакт. На определённом уровне это просто набор определённых атомов, каждый из которых обладает своим положением. В картине нет ничего, кроме этих атомов. Ван Гог не приправил её никакой духовной энергией; он просто положил мазки на холст. Если бы атомы, из которых состоит картина, были расположены иначе, то это была бы уже другая картина.

Винсент Ван Гог. «Звёздная ночь»

Однако очевидно, что об этом физическом артефакте можно рассуждать не только как о некой атомной структуре — более того, такой способ определённо не лучший. Говоря о «Звёздной ночи», мы обсуждаем её гамму, настроение, которое она вызывает, вихри звёзд и Луны на небе, а возможно, и тот период, который Ван Гог провёл в лечебнице Святого Павла Мавзолийского. Все эти высокоуровневые концепции в определённом смысле дополняют сухой (но точный) список всех атомов, из которых состоит полотно. Эти свойства эмерджентны.

Классический пример эмерджентности, к которому всегда стоит вернуться, как только начнёшь путаться в этих вещах, — воздух в комнате, где вы находитесь. Воздух — это газ, и можно говорить о различных его параметрах: температуре, плотности, влажности, скорости и т. д. Мы воспринимаем воздух как сплошной флюид, и все эти параметры имеют числовые значения в каждой точке комнаты. Напомню, что флюиды — это газы и жидкости. Но мы знаем, что «на самом деле» воздух — не флюид. Если рассмотреть его под микроскопом, то мы увидим, что он состоит из отдельных атомов и молекул — в основном азота и кислорода, а также следового количества других элементов и соединений. Рассуждая о воздухе, можно было бы просто перечислить все эти молекулы — скажем, 10²⁸ штук — и указать их положения, скорости, ориентацию в пространстве и т. д. Иногда это называется «кинетической теорией», рассуждать таким образом совершенно правомерно. Указание состояния каждой молекулы в каждый момент времени — непротиворечивое и самодостаточное описание системы; будь вы столь же умны, как демон Лапласа, этого было бы достаточно, чтобы определить их состояние в любой другой момент времени. На практике этот способ крайне неудобен и никто им не пользуется.

Совершенно допустимо описывать воздух и в терминах макроскопического флюида, имеющего такие параметры, как температура и плотность. Существуют уравнения, описывающие, как отдельные молекулы сталкиваются друг с другом и изменяют траектории со временем; также есть отдельный набор уравнений, демонстрирующих, как изменяются во времени свойства флюида. При этом могу вас обнадёжить: чтобы найти решение, можно и не быть столь умным, как демон Лапласа, — с такой задачей вполне справляются обычные компьютеры. Метеорологи и авиаинженеры решают такие уравнения каждый день.

Два способа представления воздуха: в виде дискретных молекул и в виде сплошного флюида

Итак, «флюидное» и «молекулярное» описания — два разных способа рассуждения о воздухе, причём оба они — как минимум в определённых обстоятельствах — весьма точно и информативно описывают свойства воздуха. Этот пример иллюстрирует ряд аспектов, которые обычно характерны для дискуссий об эмерджентности.

   • В различных сюжетах или теориях применяется совершенно разная терминология. Хотя эти теории и описывают одну и ту же базовую реальность, они представляют собой различные онтологии. В рамках одной из теорий мы говорим о плотности, давлении и вязкости флюида, в рамках другой — о положении и скорости отдельных молекул. Для каждой теории свойственно своё тщательно подобранное множество составляющих — объектов, свойств, процессов, взаимосвязей, и эти составляющие могут радикально различаться от теории к теории, несмотря на то что все они «истинны».

   • У каждой теории есть собственная область применения. «Флюидное» описание будет неприменимо, если количество молекул в рассматриваемом объёме столь невелико, что важны свойства отдельных молекул, а не их множеств. Молекулярное описание имеет сравнительно широкую область применения, но тоже действует не всегда. Теоретически можно упаковать в достаточно небольшой объём пространства такое количество молекул, чтобы они образовали чёрную дыру — в таком случае молекулярная терминология уже будет неприемлема.

   • Каждая теория в своей области применения автономна — полна и самодостаточна, не зависит ни от какой другой теории. Если мы говорим о флюиде, то описываем воздух в терминах плотности, давления и т. д. Указав эти величины, можно ответить на любой вопрос о воздухе в рамках этой теории. В частности, нам вообще не потребуется затрагивать какие-либо вопросы о молекулах и их свойствах. Исторически нам приходилось рассуждать о давлении воздуха и скорости ветра задолго до того, как мы узнали о том, что воздух состоит из молекул. Аналогично, рассуждая о молекулах, мы не упоминаем такие термины, как «давление» или «вязкость», — подобные концепции в данном контексте просто неприменимы.

Здесь сделаем важный вывод: теории могут опираться на совершенно несхожие идеи, но при этом правильно описывать один и тот же базовый материал. В дальнейшем этот момент будет принципиален. Организм может быть живым, хотя и состоит из неживых атомов. Животное может обладать сознанием, хотя его отдельные клетки и лишены сознания. Люди могут делать выбор, даже несмотря на то что концепция «выбора» неприменима к тем компонентам, из которых они состоят.

* * *

Если у нас есть две различные теории и они обе правильно описывают одну и ту же базовую реальность, то они должны быть связаны друг с другом и взаимно непротиворечивы. Иногда эти отношения просты и прозрачны, в других случаях приходится просто поверить, что они существуют.

Случай с динамикой флюида, возникающей из совокупности молекул, восхитительно прост. Одна теория может быть выведена непосредственно из другой благодаря процессу, именуемому огрублением. Можно напрямую соотнести одну теорию (молекулы) с другой (флюид). Конкретное состояние в первой теории — список всех молекул, их положений и скоростей — соответствует конкретному состоянию во второй, учитывающему плотность, давление и скорость флюида в каждой его точке.

Более того, множество различных состояний молекулярной теории соответствуют одному и тому же состоянию флюидной. В такой ситуации первая теория зачастую именуется «микроскопической», «тонкой» или «фундаментальной», а вторая «макроуровневой», «грубой», «эмерджентной» или «фактической». Эти характеристики не абсолютны. Для биолога, работающего с эмерджентной теорией клеток и ткани, теория об атомах и их взаимодействиях может быть описанием в микромасштабе; для специалиста по теории струн, работающего с квантовой гравитацией, суперструны могут быть микроскопическими сущностями, а атомы будут эмерджентны. Микроуровень из одного контекста оказывается макроуровнем в другом.

Мы хотим, чтобы наши теории давали физические прогнозы, согласующиеся друг с другом. Допустим, что состояние x в микроуровневой теории развивается в некое состояние y. Также предположим, что «эмерджентное» соотнесение позволяет уподобить состояния x и y состояниям X и Y в эмерджентной теории флюида. Поэтому было бы лучше, если бы X развивалось в Y по законам эмерджентной теории — как минимум с очень высокой вероятностью. Если исходить из микроскопического состояния, то процесс «развития ситуации во времени и отслеживания, как она отражается на уровне эмерджентной теории», должен давать такой же результат, как «отслеживание соответствующего процесса в эмерджентной теории с последующим развитием его во времени».

Возникновение одной теории из другой. Квадратики на каждой картинке соответствуют различным возможным состояниям, в которых может находиться вся система при описании её на уровне той или иной теории. Развитие во времени и эмерджентность должны согласовываться; микросостояния, соответствующие одному и тому же эмерджентному состоянию, должны разливаться в микросостояния, которые, в свою очередь, также соответствуют одному и тому же эмерджентному состоянию. Каждому эмерджентному состоянию соответствует ряд микросостояний

Огрубление действует в одном направлении — с микроуровня на макроуровень, но не наоборот. Нельзя открыть свойства микроуровневой теории, всего лишь зная макроуровневую. Действительно, эмерджентные теории могут иметь множественную реализуемость: в принципе может существовать несколько микроуровневых теорий, не согласующихся друг с другом, но соответствующих одному и тому же эмерджентному описанию. Воздух можно воспринимать как флюид, ничего не зная о его молекулярном составе, равно как вообще о возможности описания воздуха как совокупности частиц.

Эмерджентность столь удобна потому, что различные теории не равны друг другу. Эмерджентная теория флюида в своей области применения обладает невероятно высокой вычислительной эффективностью по сравнению с микроуровневой молекулярной теорией. Проще зафиксировать несколько переменных, описывающих свойства флюида, чем состояния всех этих молекул. Как правило — но не всегда — теория, обладающая более широкой областью применения, также будет и более затратной с вычислительной точки зрения. Обычно теория чем более практична, тем менее подробна.

Возможность выстроить две различные теории о воздухе в вашей комнате, представив его в одном случае как флюид, а в другом как совокупность молекул, является одним из наиболее ярких примеров эмерджентности, а в более общем смысле — поэтико-натуралистической идеи, что можно несколькими способами описать базовую реальность. Как вы уже догадываетесь, здесь есть некоторые тонкости, которые стоит исследовать.

* * *

Одно из свойств примера с молекулами и флюидом заключается в том, что можно вывести макроуровневую теорию флюида из микроуровневой молекулярной теории. Мы можем, начав с молекул, предположить, что в каждой точке пространства наблюдается высокая плотность молекул, а затем «сгладить» это распределение, чтобы получить точные формулы для определения свойств флюида, в частности давления и температуры, исходя из взаимодействий молекул. Именно этот процесс был выше назван «огрублением».

Однако здесь мы втихую воспользовались очень характерной чертой кинетической теории, которая так просто не распространяется на другие ситуации, что могли бы нас заинтересовать. В принципе молекулы воздуха — простые объекты, которые тупо сталкиваются друг с другом, когда оказываются в одной точке пространства. В результате мы просто строим описание флюида, рассчитывая усреднённые свойства всех молекул. Среднее количество молекул даёт плотность, средняя энергия — температуру, средний импульс движения в различных направлениях — давление и т. д.

Мы не можем принимать такие свойства как данность. Так, в квантовой механике существует феномен запутанности: невозможно даже указать состояние системы, перечислив состояния всех её подсистем по отдельности. Требуется рассматривать всю систему целиком, поскольку различные её элементы могут быть переплетены друг с другом. Копнём поглубже: если скомбинировать квантовую механику с гравитацией, то в соответствии с распространённым убеждением (хотя и не подтверждённым, так как мы практически ничего не знаем наверняка о квантовой гравитации) само пространство оказывается эмерджентным, а не фундаментальным. В таком случае даже не имеет смысла говорить о «положении в пространстве» как о фундаментальном концепте.

Нет необходимости возноситься в потаённые пределы квантовой гравитации, если мы лишь ищем ситуации, в которых простого «сглаживания» недостаточно для перехода от микроуровневой теории к эмерджентной. Пожалуй, мы хотели бы иметь такую теорию человеческого мозга, которая выстраивается на основе функционирования множества нейронов. Или теорию нейрона, выстраивающуюся на основе взаимодействия молекул, из которых он состоит. Проблема в том, что и нейроны, и огромные органические молекулы каждого нейрона очень сложны сами по себе; их функционирование зависит от того, каким именно образом они получают конкретный «ввод» из окружающей среды. Если просто взять их усреднённые свойства в том или ином регионе, то мы не уловим всех этих тонкостей. Речь не о том, что не может существовать практичной эмерджентной теории, в которой состояния нейронов соотносились бы с состояниями мозга по принципу «многие к одному»; просто получить такую теорию можно несколько более косвенным способом, чем в случае с описанием воздуха в комнате.

Воздух в комнате даёт простой и непротиворечивый пример эмерджентности. Всем понятно, что в данном случае происходит и как об этом говорить. Однако такая простота может быть обманчива. Видя, как легко можно вывести механику флюида из взаимодействий отдельных молекул, читатель может подумать, что вся суть эмерджентности — это вывод одной теории из другой. Нет — эмерджентность касается различных теорий, описываемых в разных терминах, но дающих взаимно непротиворечивые описания одних и тех же базовых феноменов, каждая в своей области применения. Если у макроуровневой теории есть область применения, являющаяся подразделом области применения некой микроуровневой теории, и обе теории согласуются друг с другом, то принято говорить, что микроуровневая теория включает в себя макроуровневую; но такие вещи зачастую принимаются как данность, продемонстрировать их на примере не удаётся. Очень хорошо, если получается поэтапно вывести одну теорию из другой, но такая возможность далеко не является определяющей для данной идеи.

* * *

По мере того как системы развиваются во времени — например, в ответ на изменение условий окружающей среды, — они могут переходить из области, предусматривающей один вариант эмерджентного описания, в другую область. Такое событие называется фазовым переходом. Наиболее известный пример — вода. В зависимости от температуры и давления, это вещество может находиться в твёрдом состоянии (лёд), жидком состоянии (вода) или газообразном состоянии (водяной пар). Базовое микроскопическое описание вещества не изменяется: оно состоит всё из тех же молекул H₂O. Однако макроскопические свойства изменяются при переходе из одной «фазы» в другую. Изменяются условия, и в зависимости от этого мы по-разному говорим о воде. Плотность, жёсткость воды, скорость звука в ней, а также другие её свойства могут полностью изменяться — при этом изменяется и наш словарь. Например, вы не скажете «налить кубик льда» или «наколоть воды».

Изменение агрегатных состояний воды по мере её нагревания: твёрдое тело, затем жидкость, затем газ. Уровни таяния и кипения напоминают плато; на данных этапах внутренняя молекулярная структура видоизменяется, хотя температура и остаётся фиксированной

Механизм фазового перехода до сих пор бесконечно занимает учёных. Некоторые такие переходы происходят стремительно, другие — медленно; в некоторых случаях субстанция полностью видоизменяется, в других случаях эти изменения происходят более поступательно. На рисунке отражена одна интересная черта фазового перехода: не все изменения заметны на первый взгляд. Когда мы нагреваем воду, она постепенно превращается изо льда в пар, по мере повышения температуры. На некотором уровне, где совершается переход, есть такой период, когда температура остаётся постоянной, но молекулярная структура вещества изменяется. При фазовом переходе субстанция приобретает совершенно новые физические свойства: твёрдость, прозрачность, электропроводимость. Либо может стать живой или сознающей.

Когда мы говорим о простых молекулярных системах, зачастую удаётся точно определить, какой теоретический словарь в данном случае уместен и где именно наступает переход от одной фазы к другой. Эта граница размывается, если говорить о биологии или о человеческих взаимоотношениях, но в принципе продолжают действовать всё те же базовые идеи. Все мы знаем, как изменяется обстановка в переполненной комнате, когда кто-то высказывает верную (или ошибочную) мысль либо когда в разговор вступает новый человек. Вот неполный список важных фазовых переходов, происходивших в истории космоса:

   • образование протонов и нейтронов из кварков и глюонов на раннем этапе существования Вселенной;

   • ядра обрастают электронами, образуются атомы (через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва);

   • образование первых звёзд — Вселенная наполняется звёздным светом;

   • возникновение жизни: самоподдерживающаяся сложная химическая реакция;

   • многоклеточность: одноклеточные живые организмы образуют единое целое;

   • сознание: осознание самого себя и способность построить ментальное представление о Вселенной;

   • возникновение языка, способность формулировать абстрактные мысли и обмениваться ими;

   • изобретение машин и других технологий.

Фазовые переходы бывают не только в мире материалов, но и в мире идей. Томас Кун, специалист по философии науки, популяризовал идею «смены парадигмы», описывая, как новые теории могут простимулировать учёных концептуализировать мир совершенно по-новому. Фазовым переходом может считаться даже такая ситуация, когда отдельный человек изменяет точку зрения о чём-либо; после этого мы будем говорить об этом человеке иначе. Люди, как и вода, могут выходить на «интеллектуальное плато»: внешне кажется, что они придерживаются прежних убеждений, но в глубине души их взгляды постепенно меняются.

* * *

Принципиален тот факт, что любая теория, или способ рассуждения, действует только в своей конкретной области применения. Опять же, пример с воздухом прост, но, пожалуй, настолько прост, что внушает нам ложное ощущение «и так всё понятно».

Хотя мы и считаем, что воздух в комнате «действительно» состоит из различных молекул, область применения этой теории не позволяет рассмотреть некоторые ситуации: например, плотность воздуха может стать столь высока, что на его месте образуется чёрная дыра. (Не волнуйтесь, практически в любой комнате, где вы могли бы оказаться, это физически невозможно.) Однако флюидное описание здесь также не работает. На самом деле область применения эмерджентной теории флюида — это строго определённый подраздел области применения молекулярной теории.

Такая ситуация — два способа рассуждения, область применения одного из которых полностью входит в состав области применения другого, — конечно, не обязательна. На схеме показаны различные способы сочетания областей применения друг с другом. Одна может быть подразделом другой; две могут различаться, но пересекаться; они могут быть совершенно разными и вообще не содержать общих ситуаций. Например, в теории струн, которая сегодня является основным кандидатом на роль теории квантовой гравитации, существуют «отношения двойственности» между теориями и складывается промежуточная ситуация: имеем две теории с пересекающимися областями применения.

Так могут соотноситься области применения различных теорий (способов рассуждения, моделей)

Другим — противоположным — примером, пожалуй, является человеческое сознание. Люди состоят из элементарных частиц, причём существует Базовая теория — вполне успешная картина, описывающая взаимодействие этих частиц. О ней мы поговорим в главе 22. Можно подумать, что вы смогли бы полностью описать человека, зная состояние каждой из его элементарных частиц. У нас есть все основания полагать, что область применения физики частиц распространяется и на те частицы, из которых состоят люди. Однако возможно, хотя и маловероятно, что когда речь идёт о взаимодействии горстки частиц (именно такие случаи изучаются специалистами по физике частиц), то они подчиняются одному набору законов, а если частиц так много, что они образуют целого человека, то на них действуют несколько иные законы. Это «сильная эмерджентность», о которой мы поговорим в следующей главе. Нет никаких доказательств того, что эта закономерность соблюдается в случае с человеком, однако она позволяет избежать неприятных последствий, сопряжённых с описанием человека на языке известных законов физики частиц — если эти последствия действительно вас смущают.

Такие неиерархические области применения нечасто попадаются в дискуссиях об эмерджентности. Гораздо чаще встречаются ситуации, показанные слева на схеме, где одна теория входит в состав области применения другой теории; может быть, речь идёт о вложенной цепочке из множества теорий. Действительно, в данном случае мы ближе всего подходим к феномену «иерархии наук», описанному в XIX веке французским философом Огюстом Контом. В данном случае мы начинаем с физики, занимающей самый микроскопический и всеобъемлющий уровень; из неё возникает химия, из химии — биология, из биологии — психология и, наконец, из психологии — социология.

Эта иерархическая картина позволяет говорить об «уровнях», когда мы рассуждаем об эмерджентности. Чем ниже уровень, тем более микроскопическое и детализированное описание он даёт; выше расположены макроскопические уровни, для которых характерно огрубление. Если такая иерархия прослеживается, то она может быть удобна, но суть не в существовании иерархии, а в том, что есть разные способы рассуждения, позволяющие описывать одни и те же основы мироздания; причём эти варианты не противоречат друг другу, когда области их применения пересекаются.