Читать книгу Велика картина - Шон Кэрролл - Страница 8

Ісаак Ньютон, найвпливовіший науковець усіх часів, був дуже релігійною людиною. Його погляди були цілком єретичні на думку англіканської церкви, в якій його виховали; він заперечував Трійцю й написав чимало праць про пророцтва і тлумачення Біблії, де можна було натрапити на заголовки розділів на кшталт «Про те, як одинадцятий ріг четвертого звіра Даниїла здатен міняти час і закони». Він не міг покладатися на існування Бога – аргумент, заснований на арістотелівському першорушієві. Його власні праці, здавалося, описували Всесвіт, що перебуває в ідеальному русі під дією притаманних йому ж сил. А втім, як Ньютон указав у «Головній схолії» – нарисі, доданому до пізніших видань його основної праці «Математичні начала натуральної філософії», – хтось мав це все улаштувати:

Таке витончене поєднання Сонця, планет і комет не могло статися інакше, як за наміром і владою могутньої та премудрої Істоти.

В іншому місці книжки Ньютон, очевидно, мав на увазі, що збурення, зумовлені впливом планет одна на одну, поступово розхитують цю систему, та в критичний момент Бог втручається й усе налагоджує.

П’єр-Симон Лаплас, французький фізик, що народився на сто сім років пізніше за Ньютона, вважав інакше. Науковці сперечаються щодо справжніх релігійних поглядів ученого: здається, вони коливалися між деїзмом (Бог створив Усесвіт, та опісля не втручався в його існування) та абсолютним атеїзмом. Це той Лаплас, який, відповідаючи на запитання імператора Наполеона, чому Бог не згадується в його книжці про небесну механіку, відповів: «Я не потребував такої гіпотези». Хай які Лаплас мав вірування, проте він, очевидно, рішуче виступав проти ідеї Творця, що коли-небудь міг би безпосередньо втручатися у функціонування світу.

Лаплас був одним із перших мислителів, що по-справжньому вивчив класичну (ньютонівську) механіку до самих підвалин, – навіть ліпше за самого Ньютона. Хтось же мав це зробити. Наука прогресує, ми дедалі більше довідуємося про наші найліпші теорії; нині чимало фізиків розуміють теорію відносності ліпше за Айнштайна, а квантову механіку – ліпше, ніж Шредінґер чи Гайзенберґ. Лаплас брався досліджувати найрізноманітніші проблеми – від стабільності Сонячної системи до основ теорії ймовірності, – мимохіть винаходячи потрібну для цього нову математику. Він припустив, що ньютонівську гравітацію слід розуміти як теорію поля, водночас постулюючи «поле гравітаційних потенціалів», яке пронизує простір, і, отже, розв’язував проблему про дистанційний вплив тіл одне на одне, що так спантеличувала Ньютона.

Мабуть, найбільший внесок Лапласа в наше розуміння механіки був не технічний чи математичний, а філософський. Він збагнув, що є проста відповідь на питання «Що визначає те, що станеться далі?». І відповідь така: «Поточний стан Усесвіту».

Дехто боїться, що такий результат потенційно загрожує існуванню свободи волі, нашій здатності вибирати, як чинити далі. Як ми побачимо потім, це не питання фізики, а, імовірніше, питання опису: як найліпше описати людину? Коли ми описуємо просту ньютонівську систему, як-от рух планет Сонячної системи, то тут не обійтися без детермінізму. Коли описуємо неймовірно складніші речі, наприклад людей, то нам бракує інформації, щоб робити залізні передбачення. Наші найліпші теорії про людей, викладені певними термінами, що не пов’язані з фундаментальним рівнем елементарних частинок і сил, залишають чимало місця для свободи вибору.

⁂

Згідно з класичною фізикою, на фундаментальному рівні світ не теологічний. Те, що станеться далі, не зумовлене впливом якихось майбутніх цілей чи кінцевих причин, через які все відбувається. Світ в основі своїй також і не історичний; передбачення майбутнього – у принципі – вимагає лише точного знання теперішнього моменту, а не відомостей про минуле. Справді, цілісність усієї історії минулого й майбутнього визначається винятково теперішнім. Усесвіт цілковито зосереджений на поточному моменті; він розвивається від миттєвості до миттєвості, у шорах непорушних фізичних законів, незважаючи ні на славетні досягнення, ні на обнадійливі перспективи. Набагато пізніше біолог Ернст Геккель назве такий підхід «дистелеологією», але термін виявиться доволі невдалим і не приживеться.

Сучасною мовою ми б сказали, що Лаплас вважав Усесвіт чимось схожим на комп’ютер. Вводяться дані (поточний стан Всесвіту), Всесвіт їх обчислює (закони фізики) та видає результат (стан Всесвіту наступної миті). До Лапласа схожі ідеї висловлювали Ґотфрід Вільгельм Ляйбніц і Руджер Бошкович, а ще двома тисячами років раніше це робили прихильники адживіки – неортодоксальної школи давньоіндійського філософського вчення. Комп’ютерів за часів Лапласа ще не існувало, проте він уявляв «безмірний інтелект», який знав положення і швидкість усіх частинок у Всесвіті, розумів усі сили, яким вони підкоряються, і володів достатньою обчислювальною потужністю для застосування законів ньютонівської механіки. У такому разі, як писав Лаплас, «для такого інтелекту не було б нічого непевного і майбутнє було б відкрите для нього так само, як і минуле». Назва «безмірний інтелект» одразу видалася сучасникам занадто нудною, й вони перейменували її на «демон Лапласа».

Зручно казати «наступної миті», але для Ньютона й Лапласа, а також відповідно до найповніших сучасних уявлень теоретичної фізики, потік часу швидше безперервний, ніж дискретний. А втім ця проблема невелика: вона розв’язується за допомогою диференціального числення, розробленого саме для цієї мети Ньютоном і Ляйбніцом. Під «станом» Всесвіту чи будь-якої його підсистеми ми розуміємо положення і швидкість кожної його частинки. Швидкість – це лише темп зміни (похідна) положення із плином часу; закони фізики теж дозволяють вивести прискорення – темп зміни швидкості. Отже, ви повідомляєте мені поточний стан Всесвіту, а я завдяки законам фізики зможу довідатися про його стан у будь-який інший момент часу в майбутньому (або минулому).

Ми послуговуємося мовою класичної механіки – «частинки», «сили», однак сама ця ідея значно потужніша й універсальніша. Лаплас запропонував поняття «по´ля» як центральної концепції фізики, і це поняття закріпилося у ХІХ столітті в працях Майкла Фарадея і Джорджа Максвелла з електрики й магнетизму. На відміну від частинки, що має положення у просторі, поле володіє значенням у кожній окремо взятій точці простору. В принципі, це і є поле. Проте ми можемо трактувати поле як «положення», а темп його зміни як «швидкість», тож весь мисленнєвий експеримент Лапласа не втрачає цінності. Те саме стосується загальної теорії відносності Айнштайна, рівняння квантової механіки Шредінґера чи сучасних припущень на кшталт теорії суперструн. З часів Лапласа кожна серйозна спроба збагнути поведінку Всесвіту на його найглибшому рівні припускала, що минуле й майбутнє визначаються поточним станом системи. (Один можливий виняток – колапс хвильової функції у квантовій механіці, про що буде докладніше йти мова в розділі 20.)

Цей принцип має просту, хай, можливо, й оманливу назву – «збереження інформації». Так само, як і збереження імпульсу передбачає, що Всесвіт може просто залишатися в русі, не маючи потреби в прихованому нерухомому рушієві; збереження інформації означає, що кожен момент містить досить інформації для визначення будь-якого іншого моменту.

У цьому разі до терміну «інформація» слід підходити з обережністю, бо цим словом вчені позначають різні речі в різних контекстах. Інколи «інформація» означає відомі вам знання про стан справ. В інших випадках це легкодоступна вам інформація, втілена в тій чи іншій макроскопічній системі (байдуже, вивчаєте ви цю систему й одержуєте інформацію чи ні). Ми використовуємо третє можливе визначення інформації, яке можна назвати «мікроскопічною» інформацією: повний опис стану системи, себто все, що тільки можна про неї довідатися. Говорячи про збереження інформації, ми, власне, маємо на увазі буквально всю інформацію.

Ці два закони збереження – імпульсу й інформації – передбачають море змін у нашій найліпшій онтології. Старий арістотелівський світогляд був зручним і в певному сенсі особистісним. Коли тіла рухаються, отже, існують рушії; коли щось відбувається, то цьому є причини. Якщо відбувається певна подія, ми знаємо, до якої наступної події вона неминуче приведе, і таку послідовність описують закони фізики. Але чому так? А тому, що ми спостерігаємо саме таку закономірність.

⁂

Демон Лапласа – це той мисленнєвий експеримент, який ми не відтворимо в лабораторії. У реальності немає й ніколи не буде такого безмірного й обізнаного інтелекту, здатного передбачити майбутнє Всесвіту, виходячи з його теперішнього стану. Якщо замислитися і спробувати уявити собі такий комп’ютер, то зрештою зрозумієш, що він має бути таким же великим і потужним, як і сам Усесвіт. Щоб із прийнятною точністю змоделювати весь Усесвіт, ним, по суті, треба бути. Тому нас не цікавить це питання в контексті практичної інженерії; такого ніколи не станеться.

У такому разі нам важливіший сам принцип: той факт, що теперішній стан Всесвіту визначає його майбутнє, а не уявна можливість скористатися цим фактом для прогнозування. Ця властивість, детермінізм, дратує деяких людей. Тож варто докладніше розглянути її обмеження й перспективи.

Класичну механіку – систему рівнянь, що її досліджували Ньютон і Лаплас, – не можна вважати повністю детерміністичною. Відомі випадки, коли окремий результат не можна передбачити на основі поточного стану системи. Більшість людей це не хвилює, бо такі випадки надзвичайно рідкісні – у принципі, вони безкінечно рідкісні на тлі безлічі речей, що можуть відбуватися в системі. Це штучні ситуації, про які кумедно розмірковувати, однак вони не справляють великого впливу на те, що відбувається в навколишньому хаотичному світі.

Популярніше заперечення проти детермінізму – феномен хаосу. Зловісна назва приховує його простоту: у багатьох видах систем щонайменші неточності в наших знаннях про початковий стан системи можуть привести до серйозних кінцевих варіацій. Утім, у контексті детермінізму існування хаосу не грає значної ролі. Лаплас вважав, що досконала інформація завжди гарантує досконалий прогноз. Теорія хаосу каже, що трохи неточна інформація призводить до дуже неточного прогнозу. Усе правильно, але картина від цього аніяк не змінюється. Ніхто в здоровому глузді ніколи не вважав, що можна скористатися логікою Лапласа та змайструвати корисний прогностичний пристрій – його мисленнєвий експеримент завжди мав теоретичний, а не практичний характер.

Справжня проблема класичної механіки полягає не в тому, як побудований світ. Нині ми прекрасно розуміємо: квантова механіка, сформована на початку ХХ століття, – це цілком інакша онтологія. У квантовій механіці немає ні «положень», ні «швидкостей» – є лише «квантовий стан», відомий як «хвильова функція», на основі якої ми можемо обраховувати результати експериментів зі спостереження системи.

Тепер квантова, а не класична механіка – найліпший відомий нам спосіб опису Всесвіту на глибинному рівні. На жаль і на превеликий смуток фізиків усього світу, ми ще не до кінця усвідомлюємо суть цієї теорії. Ми знаємо, що сам по собі квантовий стан системи розвивається ідеально детерміністичним способом, позбавленим рідкісних, хоч і прикрих випадків недетермінізму, що трапляються нам у класичній механіці. Проте коли ми спостерігаємо систему, вона, імовірніше, поводиться випадково, ніж детерміністично. Хвильова функція «колапсує», і ми з великою точністю можемо прогнозувати відносну ймовірність спостереження різних результатів, але ніколи не будемо знати, яким саме той результат буде.

Є декілька конкурентних підходів до того, як найліпше зрозуміти проблему вимірювання у квантовій механіці. Деякі з них пов’язані з чистою випадковістю; інші (як-от моя улюблена «евереттівська», або «багатосвітова» інтерпретація) дотримуються повного детермінізму. Ми поговоримо про альтернативи в розділі 21. Однак у всіх популярних версіях квантової механіки, хай навіть їм не властива досконала прогнозованість, простежується базова філософія лапласівського аналізу: для передбачення того, що станеться далі, важливий поточний стан Всесвіту. Не якась майбутня мета чи пам’ять про попередній стан системи. Як нам дозволяють судити найсучасніші знання з фізики, кожен момент плину часу настає за попереднім згідно з чіткими, об’єктивними, кількісними правилами.

⁂

Між лапласівським визначенням детермінізму і тим змістом, який люди чують у вислові «наперед визначене майбутнє» є певна відмінність. Цей вислів викликає в уяві образи долі, або фатуму, – ідеї про те, що «лихая доля і під землею надибає», ніби все кимось або чимось уже вирішено.

Фізичне поняття детермінізму відрізняється від долі (фатуму) одним делікатним, але важливим аспектом: якщо демона Лапласа дійсно не існує, то майбутнє може бути визначене теперішнім, але достеменно ніхто не знає, яким воно буде. Розмірковуючи про долю, ми зазвичай уявляємо собі трьох мойр (богинь долі з грецької мітології) чи трьох відьом із шекспірівського «Макбета» – старезних пророчиць, що, промовляючи загадками, показують наш майбутній шлях, якого ми намагаємося уникнути, але зазнаємо невдачі. Справжній Всесвіт зовсім не такий. Він більше схожий на докучливе дитинча, яке любить казати людям: «Я знаю, що з вами невдовзі станеться!» Коли ви захочете подробиць, дитинча відповість: «Не можу вам розповісти». А після того, як усе станеться, ви почуєте: «Бачите? Я ж знав, що це станеться!» Оце такий наш Всесвіт.

Моментальна, або лапласівська, природа фізичної еволюції не грає значної ролі під час вибору, що нам доводиться робити в повсякденному житті. Для поетичного натуралізму все очевидно. Можна висловлюватися про Всесвіт, описуючи його як сукупність елементарних частинок чи квантових станів, де господарює Лаплас, а наступні події залежать тільки від поточного стану системи. Є й інший спосіб висловлюватися, коли ми розглядаємо Всесвіт у більшому масштабі, вводячи, наприклад, категорії «люди» чи «вибір». На відміну від наших найліпших теорій про планети чи маятники, наші найліпші теорії поведінки людей недетерміністичні. Ми ніяк не можемо передбачити, що вчинить людина, виходячи з її спостережуваного на ту мить стану. Наші уявлення про детермінованість людської поведінки залежать від того, що нам відомо.