Читать книгу Великий замисел - Стивен Хокинг - Страница 4

Кілька років тому влада італійського містечка Монца заборонила тримати рибок в акваріумах сферичної форми. Ініціатори постанови пояснили, що тримати рибок у таких акваріумах жорстоко, бо, дивлячись назовні, рибка бачить спотворену картинку. А звідки нам самим знати, що наша картина реальності справжня, неспотворена? Може ми теж існуємо всередині величезного сферичного акваріума й бачимо все крізь гігантське вигнуте скло? Реальність акваріумної рибки виглядає не так, як наша, але як ми знаємо, що вона менш реальна?

Рибка бачить світ не так, як ми, але вона теж могла б сформулювати наукові закони, які керують рухом об’єктів, спостережуваних поза акваріумом. Наприклад, для нас об’єкт рухається по прямій, а для рибки через викривлення, що його створює вигнуте скло, – по кривій. Однак ніщо не заважає рибці сформулювати наукові закони у своїй, викривленій системі координат – вони завжди виконуватимуться, і на основі цих законів можна буде робити надійні передбачення про рух об’єктів поза акваріумом. Ці закони будуть складніші, ніж наші, але простота – справа смаку. Якби рибка сформулювала таку теорію, нам довелося б визнати, що її картина реальності нічим не гірша за нашу.

Знаменитий приклад іншої картини реальності – модель небесної механіки Птолемея (85–165), сформульована близько 150 року нашої ери. Птолемей написав трактат з астрономії у тринадцяти частинах, його найчастіше згадують під арабською назвою «Альмагест». Птолемей починав із пояснення, чому Землю слід вважати нерухомою сферою в центрі Всесвіту, крихітно малою, порівняно з відстанню до небес. Попри те, що існувала геліоцентрична модель Арістарха, більшість освічених греків прийняли ідеї Птолемея, принаймні з часів Арістотеля, який з містичних резонів вважав, що Земля має бути центром Всесвіту. У моделі Птолемея Земля стояла в центрі, а планети й зорі рухалися довкола неї по складних орбітах-епіциклах, мов рухоме колесо в рухомому колесі.

Всесвіт за Птолемеєм. Він вважав, що люди живуть у центрі Всесвіту.

Ця модель здавалася достовірною, адже ми не відчуваємо, що Земля під ногами рухається (хіба що під час землетрусу або в моменти сильних емоцій). Пізніша європейська освіта спиралася на вцілілі грецькі джерела, тож ідеї Арістотеля і Птолемея лягли в основу західної думки. Птолемеївську модель космосу прийняла католицька церква, і чотирнадцять століть вона лишалася офіційною доктриною Ватикану. Альтернативна модель з’явилася аж 1543 року, коли було опубліковано трактат польського астронома і священика Миколая Коперніка «Про обертання небесних сфер» (це сталося у рік смерті Коперніка, а розвивав він свою теорію кілька десятиліть). Через тисячу сімсот років після Арістарха Копернік описав світ, у центрі якого стоїть Сонце, а планети обертаються довкола по кругових орбітах. Ідея була не нова, але зустріли її шаленим опором. Коперніківська модель нібито суперечила Біблії, і хоч у ній ніде прямо не написано, що планети обертаються довкола Землі, саме так витлумачували Святе Письмо. (А насправді-то в біблійні часи люди вважали, що Земля пласка.) Ідеї Коперніка породили запеклі дискусії – рухається Земля чи ні. Кульмінацією цих гарячих суперечок став суд над Галілео Галілеєм 1633 року. Галілея звинуватили в єресі за те, що він захищав погляди Коперніка і вважав, що можна обстоювати думку навіть після того, як було офіційно визнано, що вона суперечить Святому Письму. Галілея визнали винним, присудили довічний домашній арешт і змусили зректися своїх поглядів. За легендою, він прошепотів: «Eppur si muove» («Та все ж вона рухається»).

1992 року католицька церква визнала суд над Галілеєм помилкою.

То яка ж система реальна – Коперніка чи Птолемея? Іноді кажуть, що Копернік довів помилку Птолемея, але це не зовсім так. Тут та сама дилема, що між людиною і рибкою: обидві системи можуть бути моделлю Всесвіту, бо пояснити астрономічні спостереження можна, як допустивши, що Земля обертається довкола Сонця, так і навпаки – що Сонце довкола Землі. Крім того, що коперніківська система спонукала до філософських дискусій про природу Всесвіту, у неї була ще одна незаперечна перевага – якщо припустити, що в центрі Сонце, то рівняння руху виходять набагато простіші.

Інший тип реальності показано у фантастичному фільмі «Матриця» – люди не усвідомлюють, що живуть у віртуальній реальності, створеній комп’ютерами для того, щоб підкорити людей і живитися біоелектричною енергією їхніх тіл (що б це не означало). Не таке вже й перебільшення, якщо врахувати, скільки людей зависають на сайтах типу Second Life. Як знати, що ми не персонажі згенерованого комп’ютером серіалу? Якби ми жили у створеному, уявному світі, то подіям не обов’язково розвиватися за певною логікою або підлягати законам. Уявімо, що таким світом керують інопланетяни: їм було б цікаво й весело спостерігати нашу реакцію, якби, наприклад, Місяць розколовся навпіл, або всіх, хто сидить на дієті, охопило нездоланне бажання з’їсти шоколадний торт. А от якби вони задали сувору систему законів, то ми не змогли б визначити, що за межами штучно створеної існує ще якась реальність. Легко сказати, що світ, у якому живуть інопланетяни, «реальний», а створений ними – «примарний». Та якщо істоти у створеному світі не можуть подивитися на свій Всесвіт збоку, то в них не буде причин сумніватися у власній картині реальності, – так само й людина. Так сучасними словами можна висловити ідею, що всі ми персонажі чужого сну.

Ці приклади підводять до висновку, дуже важливого в контексті нашої книжки: не існує концепції реальності, незалежної від теорії або картини світу. Ми натомість будемо триматися погляду, який назвемо «модель-залежним реалізмом»: будь-яка фізична теорія або картина світу – це модель (зазвичай математична) і набір правил, які поєднують елементи моделі з даними спостережень. Саме в таких концептуальних рамках функціонує сучасна наука.

З часів Платона філософи дискутують про природу реальності. Класична наука виходить із того, що існує реальний зовнішній світ, властивості якого чітко визначені й не залежать від спостерігача. Згідно з класичною наукою, у світі існують об’єкти і в них є фізичні властивості з конкретними значеннями, наприклад швидкість і маса. Відповідно, наші теорії – це спроби описати об’єкти і визначити їхні властивості, для цього люди проводять вимірювання і спостереження. Спостерігач і спостережуване – частини одного світу, який існує об’єктивно, будь-яка різниця між ними не має вирішального значення. Іншими словами, якщо ви бачите, як дві зебри б’ються за місце на парковці, то за місце на парковці справді б’ються дві зебри. Всі інші спостерігачі побачать те саме, а зебри матимуть певні властивості, незалежно від того, дивиться на них хтось чи ні. У філософії подібні погляди називають реалізмом.

Реалізм може здаватися очевидним і спокусливим, але якщо врахувати те, що каже сучасна фізика, то обороняти його позиції непросто. Наприклад, згідно з постулатами квантової фізики, а вона точно описує природу, у частинки немає ні положення, ні швидкості, поки їх не виміряв спостерігач. А отже, твердження, що вимірювання дає такий-то результат тому, що вимірювана величина в момент вимірювання має таке-то значення, неправильне. Насправді у деяких випадках окремі об’єкти навіть не існують самі по собі, а тільки в складі певного ансамблю. Якщо теорія, яка називається голографічним принципом, виявиться правильною, то ми і наш чотиривимірний світ будемо тінями на краю більшого п’ятивимірного часопростору. У такому разі становище людини у Всесвіті нічим, по суті, не відрізнятиметься від становища рибки в акваріумі.

Строгі реалісти стверджують: критерій того, що наукова теорія відображає реальність, – успішна практика. Але різні теорії можуть однаково добре описувати одне й те саме явище в абсолютно різних концептуальних рамках. В історії науки було багато теорій, які вважалися адекватними, але згодом поступилися місцем новим, так само адекватним теоріям, що ґрунтувалися на цілковито іншому розумінні реальності.

Тих, хто не приймає реалізму, зазвичай називають антиреалістами. Вони вважають, що між емпіричним і теоретичним знанням є різниця, і доводять, що на першому місці мають стояти спостереження й експеримент, а теорії – це просто корисний інструмент, який не втілює собою глибших істин, що лежать в основі спостережуваних явищ. Деякі антиреалісти навіть доводили, що наука має займатися тим і тільки тим, що можна спостерігати. Так у дев’ятнадцятому столітті багато людей заперечували ідею атомів на тій підставі, що ми їх ніколи не побачимо. А Джон Берклі (1685–1753) навіть заявляв, що існує нічого, крім свідомості й думок. Коли хтось із приятелів сказав англійському літераторові й лексикографу Самуелю Джонсону (1709–1784), що твердження Берклі неможливо спростувати, той підійшов до каменя й ударив його зі словами: «Ось як я його спростовую».

Звісно, біль, який Самуель Джонсон відчув у нозі, – теж реакція свідомості, так що ідей Берклі він цим не спростував. Але його жест ілюстрував погляди шотландського філософа Дейвіда Г’юма (1711–1776) – той вважав, що, хоч і немає раціональних підстав вірити в об’єктивну реальність, у нас не лишається вибору: на практиці треба виходити з того, що вона існує.

«У нас багато спільного. Доктор Дейвін відкрив частинку, якої ніхто не бачив, а професор Хігбі відкрив галактику, якої ніхто не бачив».

Модель-залежний реалізм знімає всі ці суперечки між реалістами й антиреалістами: немає сенсу питати, реальна модель чи ні, важливе інше – чи відповідає вона спостереженням. Якщо дві моделі однаково узгоджуються зі спостереженнями, як ото в рибки і в людини, то неможливо сказати, що одна модель реальніша за іншу. Можна брати ту, що зручніша в конкретній ситуації. Наприклад, якщо ви всередині сферичного акваріума, то краще працюватиме модель рибки, але якщо ви зовні й описуєте події з погляду далекої галактики, то «рибна» модель – ще та морока, адже акваріум разом із Землею обертається довкола Сонця, а Земля довкола своєї осі.

Ми створюємо моделі не тільки в науці, а й у повсякденному житті. Модель-залежний реалізм стосується не тільки наукових моделей, а й свідомих і підсвідомих ментальних моделей, через які ми інтерпретуємо і розуміємо повсякденний світ. Неможливо відокремити спостерігача – нас самих – від процесу сприйняття світу, який відбувається через відчуття, мислення й умовиводи. Людське сприйняття (а отже, й спостереження, на яких ми будуємо свої теорії) не безпосереднє, людина сприймає все через своєрідну лінзу – інтерпретаційні структури свідомості та мозку.

Модель-залежний реалізм співвідноситься з тим, як людина сприймає об’єкти. Коли ми бачимо щось, мозок отримує сигнали через оптичний нерв. Але ці сигнали не дають картинки, мов на екрані телевізора. Там, де оптичний нерв поєднується з сітківкою, існує сліпа пляма, а поле зору чітке тільки у вузькій смузі по центру сітківки, завширшки близько градуса, – це десь товщина великого пальця, якщо дивитися на відстані витягнутої руки. Так що необроблені дані надходять у мозок у дуже розмитому вигляді, та ще й із діркою. На щастя, мозок уміє обробляти ці дані: він об’єднує інформацію від обох очей і заповнює прогалини, інтерполюючи установку, що візуальні властивості сусідніх ділянок схожі. Мало того, він зчитує з сітківки двовимірні дані та моделює тривимірну картину. Іншими словами, мозок будує ментальну картину, модель.

Він настільки майстерно будує моделі, що, коли людина надягне окуляри, які перевертають зображення, мозок невдовзі змінить модель так, що картинка виглядатиме «правильно». Якщо потім зняти такі окуляри, то світ знову стане перевернутим, але мозок ще раз переналаштує картинку. А отже, коли хтось говорить «я бачу стілець», це означає тільки те, що його мозок, сприймаючи через око світло, яке відбивається від стільця, будує у свідомості образ, модель цього стільця. Якщо модель перевернуто, то можна сподіватися, що мозок поправить її до того, як людина сяде на цей стілець.

Ще одна проблема, яку розв’язує (або принаймні знімає) модель-залежний реалізм – це проблема існування. Звідки мені знати, що стіл існує, навіть коли я вийшов із кімнати і його не бачу? Що означає, що існують речі, яких ми не можемо побачити: наприклад, електрони або кварки – частинки, з яких складаються протони і нейтрони. Можна взяти модель, у якій стіл зникає, коли я виходжу з кімнати, і з’являється на тому ж місці, коли повертаюся, але в ній є слабке місце: а якщо, поки мене немає, щось станеться, наприклад упаде стеля? Як тоді пояснити той факт, що, коли я повертаюся, стіл не зламаний і не завалений штукатуркою? Модель, у якій стіл нікуди не дівається, простіша й узгоджується зі спостереженнями. Ось і все.

У випадку субатомних частинок, яких ми не можемо побачити, електрон – це модель, яка пояснює результати спостережень типу слідів у камері Вільсона[3], плям світла на телевізійній трубці та багато інших явищ. Вважається, що електрон відкрив 1897 року британський фізик Джозеф Томсон у Кавендішівській лабораторії в Кембриджі. Він пропускав електричний струм крізь порожні скляні трубки, спостерігаючи явище, яке назвали катодними променями. Досліди підштовхнули його до сміливого припущення, що загадкові промені складаються з крихітних «корпускул», частинок атомів, які доти вважалися неподільними одиницями матерії. Томсон не «бачив» атома, експеримент не показав його здогадки в якомусь безпосередньому однозначному вигляді. Але його модель довела життєздатність у різних сферах – від фундаментальної науки до інженерної справи. І сьогодні ніхто з фізиків не сумнівається в існуванні електронів, хоч ніхто їх не бачив.

Катодні промені. Ми не можемо побачити електронів, але бачимо прояви їхнього існування.

Кварки, яких ми теж не бачимо, – це модель, яка пояснює властивості протонів і нейтронів у ядрі атома. Вважається, що протони і нейтрони складаються з кварків, але ми ніколи не зможемо побачити один кварк, бо сила, яка їх зв’язує, зростає при розділенні, тому окремих, незв’язаних кварків у природі не буває. Вони існують групами по три (протони і нейтрони) або парами кварк – антикварк і поводяться, ніби зв’язані гумкою.

Чи можливо сказати, що кварки існують, якщо неможливо виділити один кварк, – коли вперше сформулювали модель кварка, це питання ще довго лишалося предметом дискусій. Ідея, що деякі частинки складаються з різних комбінацій кількох субсуб’ядерних частинок, виводила на принцип, який давав просте й задовільне пояснення їхніх властивостей. Та хоч фізики і звикли мати справу з частинками, чиє існування висновували зі статистичних особливостей даних про розсіювання інших частинок, думка про існування частинки, яку неможливо спостерегти в принципі, багатьом здалася «перебором». Але з роками, коли модель кварка почала давати дедалі точніші передбачення, опиратися цій ідеї перестали. Цілком можливо, що які-небудь інопланетяни з сімнадцятьма руками, інфрачервоним зором і звичкою плюватися вершками через вуха провели ті самі спостереження, що й ми, але пояснили результати, не вдаючись до кварків. Та згідно з модель-залежним реалізмом, кварки існують у моделі, яка узгоджується зі спостереженнями поведінки субатомних частинок.

Кварки. Концепція кварків дуже важлива у фундаментальній фізиці, хоч ми й не можемо побачити окремого кварка.

Модель-залежний реалізм дає змогу підійти до питань типу такого: що було до моменту сотворення світу? Святий Августин (354–430) відповідав: річ не в тому, що Господь приготував місце в пеклі для тих, хто ставить такі питання, а в тому, що час – це властивість сотвореного Господом світу і до сотворення, яке, на думку філософа, відбулося не так давно, часу не існувало. Це одна з можливих моделей, її, наприклад, підтримують ті, хто вірить у букву Книги Буття, хоч на планеті є скам’янілі рештки та інші свідчення, що світ набагато старший, ніж сказано у Святому Письмі. (Воістину їх хтось підкинув, щоб нас обдурити!) А хтось вважає правильною іншу модель – що час триває 13,7 мільярда років, від Великого вибуху. Ця модель пояснює більшість наших нинішніх спостережень, зокрема історичні й геологічні свідчення, і найкраще описує минуле. Вона пояснює існування викопних решток, радіовуглецевий розпад, те, що до нас доходить світло далеких галактик. Тому-то ця модель – теорія Великого вибуху – корисніша, ніж біблійна. Але не можна сказати, що одна модель реальніша за іншу.

Дехто підтримує модель, у якій час існує і до Великого вибуху. Але поки що не зрозуміло, наскільки краще вона пояснює нинішні спостереження, бо, судячи з усього, в момент Великого вибуху закони розвитку Всесвіту мали кардинально змінитися. А раз так, то немає сенсу створювати модель, у якій час існує до Великого вибуху, бо все, що існувало тоді, не матиме спостережуваних наслідків зараз, тож можна спокійно вважати, що Великий вибух – це момент створення світу.

Модель хороша, якщо вона:

1. Елегантна.

2. Обходиться мінімумом довільних і уточнювальних елементів.

3. Узгоджується зі спостереженнями і пояснює їх.

4. Дає докладні передбачення результатів майбутніх спостережень, які спростують модель, якщо не підтвердяться.

Наприклад, теорія Арістотеля, що світ складається з чотирьох елементів (земля, вода, повітря і вогонь), а об’єкти поводяться згідно з призначенням, – елегантна і не має уточнювальних елементів. Але вона не давала конкретних передбачень, а коли й давала, то вони розходилися зі спостереженнями. Передбачення, наприклад, говорило, що важчі об’єкти мають падати швидше, бо їхнє призначення – впасти. І схоже, що до Галілея нікому не спадало на думку це перевірити. Вважають, що він проводив досліди, кидаючи предмети з нахиленої Пізанської вежі, але, найімовірніше, це легенда. Однак достеменно відомо, що Галілей спостерігав, як скочуються предмети різної ваги по нахиленій дошці, і побачив, що вони прискорюються однаково, а це суперечило передбаченню Арістотеля.

Ці критерії якості моделі очевидно суб’єктивні. Елегантність, наприклад, не виміряєш, але науковці дуже її цінують, бо закони природи економні – вона підпорядковує багато окремих випадків одній простій формулі. Вишуканість стосується форми теорії, але важливий момент – відсутність уточнювальних елементів, адже теорію, яка стоїть на милицях уточнень, не назвеш елегантною. Перифразовуючи Ейнштейна: теорія має бути максимально простою, але не простішою. Птолемей додав до кругових орбіт небесних тіл епіцикли, щоб модель точно описувала їхній рух. Було б іще точніше, якби додати епіцикли до епіциклів, а тоді епіцикли до епіциклів епіциклів. Ускладнивши модель, можна зробити її точнішою, але науковці вважають, що модель, яку «підкрутили» під спостереження, більше схожа на каталог даних, ніж на теорію, яка дає корисний принцип.

У розділі п’ятому ми покажемо, чому багатьом людям здається неелегантною «стандартна модель», яка описує взаємодію елементарних частинок у природі. Та ця модель набагато краща, ніж епіцикли Птолемея. Вона передбачила існування кількох нових частинок до того, як їх виявили, і дуже точно описала результати багатьох експериментів, що їх учені проводили впродовж кількох десятиліть. Але в ній є десятки уточнювальних параметрів – їхні значення задають науковці, щоб вписатися у спостереження, вони не випливають із самої теорії.