Вселенная
Шрифт:
Для нас наиболее важно, что вся структура аристотелевского аргумента о перводвигателе основана на идее, согласно которой у каждого движения должна быть причина. Однако с учётом сохранения импульса эта идея выдыхается. Можно спорить о деталях — не сомневаюсь, что Аристотель смог бы каким-нибудь хитроумным способом учесть в своей теории и такие объекты, которые с постоянной скоростью движутся по поверхности, на которой трение отсутствует. Но в данном случае важно, что новая физика Галилея и его соратников предполагала совершенно новую онтологию, глубокие перемены в наших представлениях о природе реальности. «Причины» утратили то основополагающее значение, которое когда-то имели. Вселенная не нуждается в первом импульсе; она может просто существовать.
Сложно переоценить важность этой перемены. Разумеется, и сегодня мы продолжаем рассуждать о причинах и следствиях. Однако если открыть современный аналог аристотелевской «Физики», например книгу по квантовой теории поля,
Наблюдаемый мир — это проявление многоуровневой природы в наших представлениях о реальности. На самом глубинном её уровне, который нам сегодня известен, основными феноменами являются такие вещи, как «пространство–время», «квантовые поля», «уравнения движения» и «взаимодействия». И никаких причин — материальных, формальных, движущих или целевых. Но существуют более высокие уровни, описываемые уже в другой терминологии. Действительно, там, где это уместно, можно количественно восстановить элементы аристотелевской физики, равно как и элементы ньютоновской механики, где центральное место занимают трение и потеря энергии. Ведь кофейные чашки в конце концов останавливаются. Точно так мы легко можем понять, почему в повседневном опыте так удобно опираться на причины и следствия, хотя они и отсутствуют в базовых уравнениях. Чтобы освоиться в этом мире, приходится рассказывать много разных полезных историй о реальности.
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.