Книга: Вселенная

Глава 4 От чего зависит, что произойдёт дальше?

Глава 4

От чего зависит, что произойдёт дальше?

Исаак Ньютон, самый влиятельный учёный всех времён, был очень религиозным человеком. Его взгляды были совершенно еретическими по меркам англиканской веры, в которой его воспитали; он отрицал Троицу и написал множество работ о пророчествах и толковании Библии; среди заголовков глав встречаются и такие, как «О том, как одиннадцатый рог четвёртого зверя Даниила способен менять времена и законы». Он не мог удовлетвориться аргументом бытия Бога, основанном на аристотелевском перводвигателе. В его собственных трудах описана Вселенная, пребывающая в идеальном движении под действием заключённых в ней же сил. Однако, как он указывал в «Главной Схолии» — эссе, выпускавшемся в качестве приложения к более поздним изданиям его основного труда «Математические начала натуральной философии», кто-то должен был всё это устроить:

Такое изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественнейшего и премудрого существа.

В другом месте Ньютон, по-видимому, подразумевал, что возмущения, обусловленные взаимным влиянием планет друг на друга, должны постепенно расшатывать эту систему — тогда Бог должен вмешиваться и подправлять её.

Пьер-Симон Лаплас, французский физик, родившийся на сто семь лет позже Ньютона, считал иначе. Учёные спорят о том, каковы же были его религиозные взгляды, — по-видимому, они колебались между деизмом (Бог создал мир, но впоследствии не вмешивался в его существование) и полным атеизмом. Считается, что, когда император Наполеон спросил его, почему Бог не упоминается в его книге о небесной механике, Лаплас ответил: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе». Но, каковы бы ни были его убеждения, Лаплас, по всей видимости, решительно выступал против идеи о Создателе, который когда-либо мог бы непосредственно вмешиваться в мировые процессы.

Пьер-Симон маркиз де Лаплас, 1749–1827

Однако Лаплас был одним из первых мыслителей, кто по-настоящему понимал классическую (ньютоновскую) механику — до самых основ, даже лучше, чем сам Ньютон. Кто-то же должен был настолько её понять. Наука развивается, мы всё больше узнаём о наших лучших теориях; сегодня многие физики понимают теорию относительности лучше, чем Эйнштейн, а квантовую механику лучше, чем Шрёдингер или Гейзенберг. Лаплас исследовал проблемы от стабильности Солнечной системы до основ теории вероятности, по ходу дела изобретая требуемую для этого новую математику. Он предположил, что ньютоновскую гравитацию следует понимать как теорию поля, и постулировал существование «поля гравитационных потенциалов», пронизывающего пространство. Так он решил озадачивавшую Ньютона проблему о дистанционном воздействии тел друг на друга.

Пожалуй, наибольший вклад Лапласа в наши представления о механике был не математическим или техническим, а философским. Он понял, что есть простой ответ на вопрос: «От чего зависит то, что произойдёт дальше?». И ответ этот звучит так: «Текущее состояние Вселенной».

Некоторых беспокоит, что такой результат дискредитирует человеческую свободу воли, нашу способность выбирать, как поступить дальше. Как мы убедимся далее, это не физическая, а описательная проблема: каким образом лучше всего рассуждать о человеке? При описании простых ньютоновских систем, например планет, вращающихся вокруг Солнца, важен детерминизм. При рассуждениях о неимоверно более сложных системах, таких как люди, мы не можем добыть достаточно информации, чтобы давать абсолютно точные прогнозы. Наши лучшие теории о людях, описываемые в собственных терминах и не связанные с базовым уровнем частиц и сил, оставляют предостаточно места для свободной воли.

* * *

Согласно классической физике, мир в основе своей не является телеологическим: то, что произойдёт дальше, не зависит от какой-либо будущей цели или окончательной причины, по которой всё может делаться. Мир в основе своей также не историчен; для суждений о будущем — в принципе — требуются лишь точные знания о настоящем моменте, а не о прошлом. Действительно, целостность всей истории в настоящем и будущем определяется исключительно настоящим. Вселенная абсолютно сосредоточена на текущем моменте; она развивается от мгновения к мгновению в тисках нерушимых физических законов, совершенно без учёта славных достижений или многообещающих перспектив. Гораздо позже биолог Эрнст Геккель назвал такой подход «дистелеологией», но термин оказался очень неудачным и не прижился.

Сегодня мы сказали бы, что Лаплас сближал Вселенную с компьютером. Вселенная получает ввод (текущее состояние Вселенной), производит вычисления (законы физики) и выдаёт вывод (состояние Вселенной в следующее мгновение). Аналогичные идеи до Лапласа высказывали Готтфрид Вильгельм Лейбниц и Руджер Бошкович, а ещё двумя тысячелетиями ранее эти идеи предвосхитила Адживика, неортодоксальная школа древнеиндийской философии. Поскольку во времена Лапласа компьютеров ещё не существовало, он воображал «обширный разум», знавший положение и скорость всех частиц во Вселенной, понимавший все силы, которым они подчиняются, и обладавший достаточной вычислительной мощностью для применения законов ньютоновской механики. В таком случае, по мысли Лапласа, «для такого разума ничего не было бы неясного, и будущее существовало бы в его глазах точно так же, как прошлое». Современники сразу же сочли название «обширный разум» невероятно скучным и переименовали его в «демона Лапласа».

Мы привыкли говорить «в следующий миг», но для Ньютона и Лапласа, а также согласно наиболее полным современным представлениям теоретической физики время течёт непрерывно, а не дискретно. Сама эта проблема невелика; она решается при помощи дифференциального исчисления, которое именно для этой цели разработали Ньютон и Лейбниц. Под «состоянием» Вселенной или любой её подсистемы мы понимаем положение и скорость каждой содержащейся в ней частицы. Скорость — это просто темп изменения (производная) положения с течением времени; законы физики также позволяют вывести ускорение — темп изменения скорости с течением времени. Итак, вы сообщаете мне о состоянии Вселенной, а я, используя законы физики, могу просчитать его в будущее или прошлое и узнать о состоянии Вселенной в любой другой момент времени.

Мы говорим на языке классической механики — упоминаем частицы, силы, но сама эта идея гораздо более мощная и универсальная. Лаплас ввёл идею «полей» как важнейшей физической концепции, которая закрепилась в XIX веке в трудах Максвелла и Фарадея по электричеству и магнетизму. В отличие от частицы, обладающей положением в пространстве, поле обладает значением в каждой отдельно взятой точке пространства — в принципе, это и есть поле. Но это значение поля можно трактовать как «положение», а темп его изменения как «скорость», то есть весь мысленный эксперимент Лапласа не теряет актуальности. То же касается общей теории относительности Эйнштейна, и квантовомеханического уравнения Шрёдингера, и современных построений вроде теории суперструн. Со времён Лапласа любая серьёзная попытка разобраться в глубинных механизмах Вселенной предполагала, что прошлое и будущее определяются текущим состоянием системы. (Возможное исключение — изучаемый в квантовой механике коллапс волновой функции, о чём мы поговорим позднее.)

Этот принцип имеет простое, пусть и потенциально обманчивое название: «сохранение информации». Точно так же, как сохранение импульса подразумевает, что Вселенная может просто оставаться в движении, не нуждаясь при этом в скрытом перводвигателе, сохранение информации означает, что в каждом моменте содержится достаточное количество информации, чтобы определить состояние на любой другой момент времени.

В данном случае термин «информация» нужно воспринимать осторожно, поскольку в разном контексте учёные обозначают этим словом разные вещи. Иногда «информация» означает уже имеющиеся у вас знания о положении дел. В других случаях это имеющаяся в вашем распоряжении информация, воплощённая в виде той или иной макроскопической системы (независимо от того, получаете вы информацию, рассматривая данную систему, или нет). Мы будем использовать третье возможное определение информации: полное описание состояния системы — всё, что возможно о ней узнать. Говоря о сохранении информации, мы имеем в виду как раз всю информацию о системе.

Два этих закона сохранения — импульса и информации — подразумевают массу изменений в нашей наилучшей базовой онтологии. Древнее аристотелевское мировоззрение было удобным и в некотором смысле персоналистическим. Если тела движутся, значит должен быть двигатель; если что-то происходит, то у этого должна быть причина. Лапласовское мировоззрение — сохраняющееся в науке и сегодня — основано на закономерностях, а не на натурах и целях. Если происходит определённое событие, то мы знаем, к какому другому событию оно обязательно приведёт, и такая последовательность описывается законами физики. Почему? Потому что мы наблюдаем именно такую закономерность.

* * *

Демон Лапласа — это мысленный эксперимент, который мы не собираемся воспроизводить в лаборатории. В реальной действительности нет и никогда не будет разума, столь обширного и осведомлённого, чтобы он мог спрогнозировать будущее Вселенной по её настоящему. Если задуматься и попытаться представить себе такой компьютер, то осознаёшь, что он должен быть не менее мощным и огромным, чем вся Вселенная. Чтобы с достаточной точностью смоделировать целую Вселенную, ею, в сущности, требуется быть. Поэтому данная проблема не может считаться практической инженерной задачей — подобное никогда не будет сделано.

Нас в данном случае интересует сам принцип — тот факт, что настоящее Вселенной определяет её будущее, а не возможность воспользоваться этим фактом для прогнозирования. Это свойство, детерминизм, задевает некоторых людей. Поэтому стоит внимательнее изучить связанные с ним ограничения и перспективы.

Классическая механика — система уравнений, которую изучали Ньютон и Лаплас, — не является совершенно детерминистичной. Известны такие ситуации, в которых отдельный результат нельзя спрогнозировать по текущему состоянию системы. Большинство людей это не волнует, поскольку подобные случаи исключительно редки — в принципе они бесконечно редки на фоне того множества всевозможных явлений, которые могут происходить в системе. Это искусственные ситуации, о которых забавно размышлять, однако особой роли в окружающем нас беспорядочном мире они не играют.

Более популярное возражение против детерминизма связано с феноменом хаоса. Из-за зловещего названия сложно понять простоту этого феномена: во многих видах систем малейшие неточности в наших знаниях об изначальном состоянии системы могут вызывать в них очень серьёзные итоговые вариации. Однако в контексте существования детерминизма существование хаоса не играет решительно никакой роли. Лаплас считал, что исчерпывающая информация позволяет дать идеальный прогноз. Теория хаоса гласит, что слегка неточная информация приводит к очень неточным прогнозам. Именно так, но картина от этого ничуть не меняется. Ни у одного здравомыслящего человека никогда не возникало и мысли о том, что мы могли бы воспользоваться логикой Лапласа и сконструировать полезный прогностический прибор; его мысленный эксперимент всегда имел принципиальное, а не практическое значение.

Настоящая проблема классической механики заключается не в том, как устроен мир. Сегодня мы прекрасно понимаем: квантовая механика, появившаяся в начале XX века, — это совершенно особая онтология. В квантовой механике нет «положений» и «скоростей», есть только «квантовое состояние», также называемое «волновой функцией», на основании которого можно просчитывать результаты экспериментов в наблюдаемой системе.

Сегодня квантовая, а не классическая механика является наилучшим известным нам способом суждения о глубоком уровне Вселенной. К сожалению и к великому огорчению физиков во всём мире, мы не вполне представляем себе, что же представляет собой эта теория. Мы знаем, что квантовое состояние системы, не испытывающее внешних воздействий, развивается идеально детерминистическим образом, и в нём нет даже таких редких, но досадных случаев недетерминизма, какие встречаются в классической механике. Но когда мы проводим наблюдение системы, нам кажется, что она ведёт себя беспорядочно, а не детерминированно. Волновая функция «коллапсирует», и мы можем с очень высокой точностью прогнозировать вероятность наблюдения тех или иных результатов такого коллапса, но никогда не можем с определённостью сказать, каков будет результат на этот раз.

Есть несколько конкурирующих подходов к тому, как лучше всего понять проблему измерения в квантовой механике. Некоторые связаны с чистой случайностью, другие (в том числе моя любимая «эвереттовская» или «многомировая» интерпретация) сохраняют полный детерминизм. Мы поговорим об этих альтернативах в главе 21. Однако во всех популярных версиях квантовой механики прослеживается базовая философия лапласовского анализа, пусть даже приходится отказаться от абсолютной предсказуемости: при прогнозировании того, что произойдёт далее, важно только актуальное состояние Вселенной — не какая-либо будущая цель, не знание о том, в каком состоянии система была прежде. Насколько позволяют судить самые точные современные физические данные, каждый момент времени следует за предыдущим согласно чётким, объективным, количественным правилам.

* * *

Существует некоторая разница между лапласовским детерминизмом и тем смыслом, которое большинство людей вкладывают во фразу «будущее предопределено». Эта фраза связана с образами судьбы, или фатума — идеей о том, что «чему бывать, того не миновать», подразумевающей, что всё уже предрешено кем-то или чем-то.

Физическое понятие детерминизма отличается от судьбы, или фатума, в одном тонком, но важнейшем аспекте: поскольку демона Лапласа в реальности не существует, будущее может быть предопределено настоящим, но буквально никто не знает, каким оно будет. Размышляя о судьбе, можно вспомнить о трёх мойрах из греческой мифологии или о трёх ведьмах из шекспировского «Макбета» — дряхлых пророчицах, которые, говоря загадками, указывают наш будущий путь; мы пытаемся свернуть с него, но нам это не удаётся. Реальная Вселенная совершенно не такая. Она больше напоминает надоедливого ребёнка, которому нравится приставать к людям и говорить: «А я знаю, что с вами будет!». Когда мы спрашиваем, а что же, ребёнок отвечает: «Не скажу». Когда же что-то происходит, чадо говорит: «Вот видите! А я знал, что это случится!». Вселенная действует так же.

Моментальная, или лапласовская, природа физической эволюции не играет особой роли при выборе, который нам приходится делать в повседневной жизни. В случае поэтического натурализма ситуация ясна. Можно говорить о Вселенной, описывая её как совокупность частиц и квантовых состояний; в данном случае главенствует Лаплас, а последующие события зависят только от актуального состояния системы. Есть и другой способ: Вселенная рассматривается в более широком масштабе, где уже есть место для таких категорий, как «выбор» и «люди». В отличие от наших наилучших теорий о планетах и маятниках, лучшие теории о человеческом поведении недетерминистичны. Мы совершенно не можем предугадать, как поведёт себя человек, исходя из наблюдаемого состояния, в котором этот человек находится. Наши представления о детерминированности человеческого поведения зависят от того, что нам известно.