Суперсила

Случайный набор клеток, не говоря уже о случайном наборе атомов, никогда не смог бы сотворить «чудо» зрения.

Биологи не отрицают невероятно высокого уровня адаптации глаза или любого другого органа. Тем не менее, у них не возникает необходимости предполагать, что глаз был заранее «сконструирован» и собран какими-либо сверхъестественными силами. Теория эволюции вполне удовлетворительно объясняет, как возник глаз человека. Изучение ископаемых останков и сравнительная анатомия дают детальную картину поэтапного развития столь сложного органа, как глаз, в течение многих поколений. Случайные генетические изменения – дело слепого случая – порождают произвольный набор возможностей, из которых природа отбирает только то, что дает преимущество организму в его непрерывной борьбе за выживание. Лишь путем перебора чрезвычайно широкого диапазона возможных изменений орган совершенно случайно находит вариант, который способствует его адаптации в условиях окружающей среды.

Таким образом, сложная организация может возникать спонтанно и не нуждается в заранее предписанном плане. Однако для успеха описанной выше процедуры отбора необходимо существование ансамбля, под которым понимается набор большого числа сходных систем. В биологии этот ансамбль составляют миллиарды организмов и миллионы поколений, существовавших на протяжении истории Земли. Огромный фонд сходных генов, которые поставляют многочисленные организмы, дает природе возможность испробовать все возможные варианты, прежде чем случайно не встретится благоприятная мутация. В дальнейшем в результате естественного отбора эта мутация закрепляется в генофонде. Постепенное накопление бесчисленного множества благоприятных малых изменений приводит к медленному прогрессу столь сложных систем, как глаз.

Кроме понятия порядка как сложной организации существует понятие порядка, заключающееся в простоте и симметрии, причем этот порядок может возникать как в пространстве, так и во времени. Хорошим примером пространственного порядка служит кристаллическая решетка. В кристалле атомы удерживают друг друга, образуя правильную структуру простого геометрического вида, обладающую высокой степенью симметрии. В основе кри­сталлической структуры лежит атомная ячейка определенного типа, отражающегося в симметричной форме, которая характерна для кристалла (например, кристалл поваренной соли обладает кубической формой). Именно атомной симметрией в конечном счете обусловлена правильная форма снежинок. Другим примером пространственного порядка является строение Солнечной системы, в которой планеты почти сферической формы обращаются по почти круговым орбитам вокруг почти сферического Солнца.

В обоих этих примерах мы можем обнаружить, что причины пространственного порядка лежат в симметрии законов физики, управляющих рассматриваемыми системами. Многие физические системы обладают устойчивыми состояниями, которые демонстрируют высокую степень простоты и симметрии. Разумеется, предстоит еще объяснить, каким образом системы приходят в такие состояния. Одна из причин заключается в том, что сложные состояния неустойчивы. Например, состояние атома водорода с наинизшей энергией сферически симметрично, тогда как большинство возбужденных состояний не обладает этим свойством. Аналогично жидкое гравитирующее тело принимает в состоянии равновесия (в отсутствие вращения) форму идеальной сферы. Мы убедились в том, что физические системы стремятся занять положение с минимальной энергией, это универсальный закон природы. Если система первоначально обладает избытком энергии, т.е. находится в возбужденном состоянии, то включаются всевозможные механизмы, стремящиеся освободить ее от этого избытка. Рано или поздно система переходит в состояние с наинизшей энергией, которое, как правило, является простейшим. По этой причине пространственный порядок представляет собой общее свойство нашего мира. Важно, однако, иметь в виду, что этот порядок обусловлен пространственным порядком, присущим законам физики. Если бы, например, сила тяжести оказалась более сложной и зависела не только от расстояния между двумя телами, но и от их взаимной ориентации, планеты двигались бы по гораздо более запутанным орбитам.

Обратимся теперь к временному порядку. Его можно увидеть в регулярном течении многих естественных процессов: тиканье часов, колебаниях атома, смене дня и ночи, зимы и лета. Вновь, как и при пространственном порядке, причины подобной регулярности можно отыскать в законах физики, которые часто допускают простое периодическое поведение. Периодическое движение (колебания) представляет собой, вероятно, самый распространенный в физике пример порядка. Волнообразные колебательные движения составляют существо всех квантовых движений; электромагнитные волны переносят теплоту и свет во Вселенной; планеты, звезды и галактики содержат объекты, движущиеся в пространстве по периодическим орбитам.

Кроме упорядоченного движения материальных тел существует и более глубокое проявление временного порядка, заключенное в самой сути законов природы (часто порядок такого рода считают само собой разумеющимся). Тот факт, что в природе вообще существуют законы, обеспечивает определенную последовательность эволюции Вселенной от данного момента времени к последующему. На фундаментальном уровне эта самосогласованность означает просто, что мир продолжает существовать. Более того, законы не изменяются от одной эпохи к другой (иначе их нельзя было бы назвать законами). Земля сегодня движется по эллиптической орбите вокруг Солнца так же, как и на протяжении миллионов лет.

Пространственный и временной порядки – это не просто случайные особенности мира: оба этих порядка присущи фундаментальным физическим законам. Именно законы, а не конкретные физические системы заключают в себе поразительную упорядоченность мира. Эти законы вдвойне замечательны, поскольку допускают как порядок, выражающийся в пространственной и временной простоте, так и порядок, проявляющийся в сложной организации. Один и тот же набор законов обусловливает и простую форму кристаллов, и возникновение столь сложных систем, как живые организмы. Вполне можно представить и такую Вселенную, в которой законы допускали бы лишь простые типы поведения (например, регулярные движения планет), а чрезвычайно сложные структуры (например, полимеры, не говоря уже о ДНК) там не могли бы существовать. Действительно, кажется совершенно необычным, что столь простые законы современной физики обеспечивают все разнообразие и сложность реального мира. Но дело обстоит именно так.

Имеет ли существование какой-то смысл?

Интересно поставить вопрос о том, насколько вероятно с точки зрения законов физики существование сложных систем или сколь точно эти законы должны быть согласованы между собой?

В своей знаменитой статье в журнале Nature английские астрофизики Бернар Карр и Мартин Рис пришли к выводу, что мир чрезвычайно чувствителен даже к самым малым вариациям законов физики, так что, если бы известный нам конкретный набор законов как-то изменился, Вселенная также изменилась бы до неузнаваемости.

Карр и Рис обнаружили, что существование сложных систем, по-видимому, критически зависит от численных значений, которые природа присвоила так называемым фундаментальным постоянным; именно эти значения определяют масштаб физических явлений. К числу фундаментальных постоянных относятся скорость света, массы субатомных частиц и несколько «констант связи», таких, как элементарный электрический заряд, от которых зависит величина различных взаимодействий с веществом. Фактические численные значения этих постоянных определяют основные особенности мира в целом – размеры атомов, ядер, планет и звезд, плотность вещества во Вселенной, время жизни звезд и даже размер животных.

Большинство встречающихся в природе сложных систем возникают в результате противоборства или баланса различных взаимодействий. Звезды, например, кажутся внешне спокойными; однако они представляют собой «поле битвы» четырех взаимодействий. Гравитация стремится сдавить звезды. С ней борется электромагнитная энергия, создавая внутреннее давление. Сама эта энергия высвобождается в ходе ядерных процессов, которыми управляют сильные и слабые ядерные взаимодействия. В этих условиях из-за переплетения конкурирующих процессов структура системы критически зависит от величины взаимодействий, а тем самым – от численных значений фундаментальных постоянных.

Астрофизик Брендон Картер, детально изучив звездное «поле битвы», обнаружил, что равновесие между гравитационными и электромагнитными взаимодействиями внутри звезд соблюдается почти с немыслимой точностью. Вычисления показывают, что изменение любого из взаимодействий всего лишь на 10-40 его величины повлекло бы за собой катастрофу для звезд типа Солнца.

Многие другие важные физические системы крайне чувствительны к самым малым изменениям относительной величины взаимодействий. Например, совсем небольшое относительное увеличение сильного взаимодействия привело бы к тому, что все ядра водорода во Вселенной были бы израсходованы в ходе Большого взрыва, оставив тем самым космос без важнейшего звездного топлива.