Наука Плоского Мира - Терри Пратчетт

Квантовая механика изначально ставила целью описание Вселенной в очень малых масштабах на уровне субатомных частиц, но впоследствии была привлечена и для объяснения самого крупномасштабного явления — происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва. Теория относительности, напротив, была создана для описания явлений крупного масштаба, масштаба, превышающего размеры галактик, однако затем проникла и в область мельчайших размеров, где проявляются квантовые эффекты притяжения. Несмотря на все это, две теории совершенно по-разному смотрят на фундаментальное устройство Вселенной и правила, которым она подчиняется. Ученые надеются, что Теория Всего внесет небольшие поправки в каждую из них, в результате чего обе теории естественным образом сольются в единое целое и при этом останутся правильными в своих предметных областях. Тогда все будет сведено к одному Главному Правилу, и цель редукционизма будет достигнута — мы получим полное объяснение Вселенной.

Противоположная точка зрения состоит в том, что окончательных правил нет, как нет и абсолютно точных правил. То, что мы называем законами природы, — это всего лишь наши приближения закономерностей, действующих в определенных областях Вселенной — химические молекулы, динамика галактик и так далее. Нет никакой причины, по которой закономерности, сформулированные нами для молекул, и для галактик должны быть частными случаями какой-то более глубокой закономерности, объясняющей и то, и другое. Шахматы и футбол не являются проявлениями какой-то одной большой игры. Может оказаться, что правила, действующие на разных уровнях организации Вселенной, не сводятся к какой-либо универсальной закономерности, из которой логически можно вывести все остальное. С этой точки зрения, каждый набор правил должен сопровождаться описанием своей области применимости — «используйте эти правила для молекул, которые содержат меньше сотни атомов» или «вот это правило действует для галактик при условии, что вы не задаете вопросы о звездах, из которых они состоят». Многие подобные правила не следуют духу редукционизма, а зависят от контекста: они объясняют природы вещей, исходя из того, что их окружает.

Эволюция, в особенности до того, как мы увидели ее в свете ДНК, является одним из ярчайших примеров подобного подхода. Животные эволюционируют благодаря среде обитания, в том числе и благодаря другим животным. Любопытная особенность этой точки зрения состоит в том, что система не только следует правилам, но и в значительной степени создает их сама. Это похоже на шахматную партию, в которой можно добавлять новые клетки и ставить на них новые фигуры с новыми правилами.

Может ли целая Вселенная создавать свои собственные законы по мере развития? Мы уже пару раз высказывали эту мысль, пришло время выяснить, как такое возможно. Сложно представить, как могут «существовать» правила поведения материи, когда нет самой материи, а есть только излучение — именно так обстояло дело в начале Большого Взрыва. Фундаменталисты скажут, что эти правила всегда неявно присутствовали в Теории Всего и проявились, когда возникла материя. Интересно, мог ли тот «фазовый переход», который создал материю, одновременно создать и правила ее поведения.

Возможно, это не так в физике, но биология — это совсем другое дело. До того, как появились живые организмы, не могло быть никаких правил эволюции.

Вот более обыденный пример: представьте себе камень, который катится по ухабистому склону, скользит по траве, беспорядочно отскакивает от больших валунов, шлепается в грязную лужу и, наконец, останавливается, ударившись о ствол дерева. Если прав фундаменталистский редукционизм, то каждый аспект движения камня, включая очертания помятой травы, форму всплесков грязи и причина, по которой дерево выросло именно там, а не где-нибудь еще, является следствием единой системы правил, или Теории Всего. Камень «знает», как нужно катиться, скользить, отскакивать, шлепать и останавливаться, потому что Теория Всего указывает ему, что нужно делать. Более того: поскольку Теория Всего верна, камень сам следует по цепочке логических выводов в процессе своего движения вдоль склона. В принципе, можно предсказать удар камня о конкретное дерево, просто сделав необходимые выводы из Теории Всего.

В причинно-следственной картине, которую рисует подобная точка зрения, любое явление происходит только потому, что так гласит Теория Всего. Альтернативный взгляд предполагает, что Вселенная делает то, что ей заблагорассудится, а камень в некотором смысле изучает возможные последствия. Он не «знает» о том, что будет скользить по траве до тех пор, пока не упадет на нее и не обнаружит, что скользит. Он не «знает», как шлепнуться так, чтобы грязь полетела во все стороны, но когда он падает в лужу, именно это и происходит. И так далее. А потом люди, увидев поведение камня, начинают искать закономерности. «Так, он скользит, потому что трение устроено так… Законы гидродинамики говорят нам, что грязь будет разлетаться именно так…»

Мы знаем, что эти человеческие правила — всего лишь приблизительные описания, поскольку именно для этого мы их и придумали. В грязи, например, есть комки, которые гидродинамика в расчет не принимает. Трение — это довольно сложное явление, при котором молекулы склеиваются вместе и снова разделяются, однако по большей части мы можем описать его в виде силы, противодействующей движению при контакте с поверхностью. Из-за того, что наши теории приблизительны, мы испытываем огромную радость, когда более точные результаты удается вывести из какого-нибудь общего принципа. Мы должны проявлять осторожность, чтобы не упустить из виду разницу между двумя выводами: «правила новой теории ближе к настоящим правилам Вселенной» и «результаты новой теории точнее соответствуют действительности». Первый вывод неверен: мы можем получить более точное описание, даже если наши правила отличаются от того, что на самом деле происходит во Вселенной. Может оказаться, что настоящее поведение Вселенной не имеет ничего общего с соблюдением четких и строгих правил.

Существует большая разница между простой формулировкой Теории Всего и пониманием ее последствий. Это хорошо видно на примере некоторых математических моделей. Одной из простейших является Муравей Лэнгтона, восходящая звезда в мире компьютерных программ. Муравей перемещается по бесконечному полю, состоящему из квадратных ячеек. Когда он посещает очередной квадрат, тот меняет цвет с черного на белый или наоборот. Если муравей оказывается на белом квадрате, то поворачивает направо, если же на черном — налево. Таким образом, нам известна Теория Всего для Вселенной муравья, иначе говоря, правило, которое полностью определяет ее поведение в мелком масштабе — а все остальное в этой Вселенной «объясняется» с его помощью.

Отправив муравья в путешествие, можно наблюдать три различных варианта поведения. Даже не будучи математиком, их можно легко заметить. Какая-то часть нашего разума позволяет нам чувствовать разницу, и это не имеет никакого отношения к самому правилу. Правило все время одно и то же, но на практике мы наблюдаем три различных фазы:

• Простота. Начав с полностью белого пространства, муравей в течение первых двух-трех сотен ходов создает небольшие узоры, которые очень просто устроены и обычно симметричны. А вы смотрите и думаете: «Ну конечно, у нас есть простое правило, значит, и все узоры будут простыми, и наверняка есть простой способ описать все происходящее».

• Хаос. В какой-то момент вы неожиданно осознаете, что картина изменилась.

Черные и белые области чередуются бессистемно, муравей совершает беспорядочные движения, и никакой видимой структуры обнаружить не удается. Для муравья Лэнгтона такое псевдослучайное поведение можно наблюдать в течение ближайших 10 000 ходов. Так что если ваш компьютер не слишком быстрый, вы можете довольно долго думать «Ничего интересного уже не произойдет, так будет продолжаться до бесконечности, здесь нет никакой системы». Нет, он подчиняется тому же самому правилу. Просто его поведение выглядит случайным.

• Неожиданное упорядочение. Наконец, муравей начинает повторять одно и то же поведение раз за разом — он строит «дорогу». Один цикл занимает 104 шага, после которых муравей перемещается на два шага по диагонали, а форма и цвет по краям оказываются такими же, как и в начале цикла. В результате цикл повторяется до бесконечности, и муравей просто продолжает строить диагональную дорогу без конца.

Все три варианта являются следствиями одного и того же правила, но по сравнению с этим правилом они находятся на совершенно разных уровнях. Никакое правило не упоминало строительство дороги. Дорога — это довольно простой объект, однако тот факт цикл из 104 шагов является следствием нашего правила, совсем не очевиден. На самом деле единственный способ математически доказать, что муравей действительно строит дорогу — это проследить его движение в течение 10 000 шагов. Именно тогда — не раньше — можно будет с уверенностью сказать: «Теперь нам ясно, почему муравей Лэнгтона строит дорогу».