Вселенная

• 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.

Глава 13

Что существует, а что иллюзорно?

Благодаря Огюсту Конту появился термин «социология». Конт поместил социологию на самую вершину системы наук; он считал изучение общества венцом этой иерархии. Затем наступил ослепительный успех физики, описавшей микромир, и для некоторых мир словно перевернулся с ног на голову: им нравится рассуждать о самых глубинных, фундаментальных уровнях реальности. Эрнест Резерфорд, физик-экспериментатор родом из Новой Зеландии, тот самый, кто открыл строение атома, однажды сказал: «Вся наука — это либо физика, либо коллекционирование марок». Неудивительно, что учёные, не занимавшиеся физикой, — иными словами, абсолютное большинство учёных — осмелились с этим не согласиться.

С точки зрения эмерджентности вопрос формулируется так: в чём новизна и характерность эмерджентных феноменов? Является ли эмерджентная теория всего лишь новой трактовкой теории микромира, либо она по-настоящему новаторская? Если уж на то пошло, возможно ли (хотя бы в принципе) вывести свойства эмерджентной теории из микроскопического описания, либо фундаментальная материя на самом деле по-разному ведёт себя на микроуровне и макроуровне? Этот вопрос можно сформулировать и более остро: реальны эмерджентные феномены или всего лишь иллюзорны?

Можете себе представить, как актуальны становятся подобные вопросы, когда мы начинаем рассуждать о столь непростых проблемах, как возникновение сознания или свободной воли. Конечно, вы считаете, что сами выбираете: забрать ли последний кусочек пиццы или противостоять соблазну. Однако уверены ли вы, что здесь всё действительно зависит от вашей воли? Если основополагающие законы природы детерминистичны, то не является ли ваша воля чистой иллюзией?

В физическом контексте независимая реальность физических феноменов становится важной проблемой. Филипп Андерсон получил Нобелевскую премию по физике в 1977 году за исследование электронных свойств материалов. Андерсон — один из учёных, занимающихся физикой «конденсированных состояний», то есть работающих с твёрдыми телами, жидкостями или другими «осязаемыми» в макроскопическом масштабе формами материи, существующими здесь, на Земле, — в отличие от астрофизиков, физиков-атомщиков или специалистов по физике частиц. В 1990-е годы, когда в Конгрессе США обсуждалась судьба ускорителя частиц под названием «сверхпроводящий суперколлайдер», Андерсона пригласили выступить в качестве физика-эксперта, не занимающегося физикой частиц как таковой. Он сообщил комитету, что аппарат, несомненно, поработает на славу, но любые открытия, которые он позволит совершить, будут абсолютно несущественны для той области, в которой специализируется сам Андерсон. Это был честный и точный ответ, пусть он и мог немного разочаровать специалистов по физике частиц, надеявшихся, что всё физическое сообщество выступит на их стороне единым фронтом. В 1993 году Конгресс закрыл работы над сверхпроводящим суперколлайдером; конкурирующий проект, Большой адронный коллайдер, был запущен в Европе, и именно на нём в 2012 году открыли бозон Хиггса.

Мнение Андерсона было связано с тем фактом, что эмерджентная теория может быть полностью независима от более детализированных, исчерпывающих описаний той же самой системы. Эмерджентная теория самодостаточна (она работает сама по себе, без привязки к другим теориям) и обладает множественной реализуемостью: несколько микроуровневых теорий могут приводить к одному и тому же макроскопическому объяснению.

Андерсона могло бы, например, заинтересовать, как электрический ток проходит через ту или иную керамику. Мы знаем, что вещество состоит из атомов, знаем, по каким законам электричество и магнетизм взаимодействуют с этими атомами. Для решения вопросов, интересующих Андерсона, больше ничего знать не требуется. Можно считать эмерджентной теорию об атомах, электронах и их взаимодействиях, а любые более детализированные теории — микроуровневыми. Эмерджентная теория подчиняется собственным законам, не зависящим от каких-либо потенциальных «более глубоких» уровней. Она вполне может быть множественно реализуемой. Андерсону нет дела до кварков, носящихся в атомном ядре, или до самого бозона Хиггса; определённо его не интересует и теория суперструн, и любая другая, пытающаяся дать более полное описание вещества на микроуровне (по большей части Андерсону даже не требуется ничего знать об атомах, так как он работает с более сильным огрублением).