Книга: Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Состояние физической теории

Состояние физической теории

Что нам нужно знать о законах природы, чтобы понять, какая роль в ней может быть отведена сознанию? Насколько важно представлять себе для этого принципы организации и взаимодействия, которым подчиняются элементы, составляющие тело и мозг? Если осознанное восприятие — всего лишь результат выполнения алгоритмов (как нас пытаются убедить многие приверженцы ИИ), то вопрос о конкретном виде и действии этих принципов не имеет особого значения. Любое устройство, способное просчитать алгоритм, будет ничуть не хуже любого другого. Но, быть может, наше чувство осознания не сводится полностью к работе алгоритмов. И возможно, что детальное знание нашего внутреннего устройства и точных физических законов, управляющих той субстанцией, из которой мы состоим, может оказаться достаточно важным. Вероятно, нам понадобиться понять те фундаментальные физические свойства, которые лежат в основе самой природы вещества и определяют его поведение. Сегодня физика не достигла пока такого уровня, и ей предстоит еще раскрыть множество тайн и испытать немало глубоких озарений. Тем не менее большинство физиков и физиологов склонны считать, что мы уже сейчас располагаем достаточным знанием тех физических законов, которые управляют работой такого объекта средних размеров, как наш мозг. Хотя никто не оспаривает исключительную сложность головного мозга человека как физической системы и не отрицает существования значительного числа пробелов в наших знаниях о его детальной структуре и принципах работы, — все же лишь немногие осмелились бы утверждать, что мы испытываем существенную нехватку знаний именно в области физических основ функционирования мозга.

Ниже я приведу пример, свидетельствующий как раз об обратном, — то есть о том, что мы еще не знаем физику настолько, чтобы (даже в принципе) иметь возможность адекватно использовать ее язык для описания работы человеческого мозга. Но прежде мне потребуется дать хотя бы в общих чертах представление о достижениях и состоянии современной физической теории. В этой главе речь пойдет главным образом о той области, которую принято называть «классической физикой» и которая включает в себя механику Ньютона и теорию относительности Эйнштейна. По существу, термин «классическая» в данном случае означает, что обе теории достигли расцвета задолго до рождения (примерно в 1925 году, вдохновенными трудами таких физиков, как Планк, Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, Шредингер, де Бройль, Борн, Иордан, Паули и Дирак) квантовой теории — загадочной теории, опирающейся на вероятности и индетерминизм и описывающей поведение молекул, атомов и субатомных частиц. В отличие от квантовой теории, классическая теория является детерминистской, поэтому будущее в ее рамках всегда полностью определяется прошлым. Но даже и в классической физике есть еще много загадок, несмотря на то, что знания, накопленные за несколько веков, позволили нам построить феноменально точную картину мира. Мы также должны будем рассмотреть и квантовую теорию (в главе 6), ибо я убежден, что — несмотря на мнение, разделяемое большинством физиологов — квантовые явления могут играть важную роль в функционировании головного мозга человека. Но к этой теме мы обратимся в последующих главах.

К сегодняшнему дню наука достигла поразительных успехов. Достаточно бросить хотя бы беглый взгляд вокруг, чтобы воочию убедиться в невероятном могуществе, которое мы обрели благодаря нашему пониманию законов природы. Конечно, при создании современных технологий существенно использовались обширнейшие эмпирические данные. Однако куда более важна физическая теория, лежащая в основе этих технологий, и сейчас нас будет интересовать именно она. Теории, существующие в настоящее время, отличаются удивительной точностью. Но сила их заключается не только в способности правильно описывать соответствующие явления и процессы. Не меньшее значение имеет и то, что они, как оказывается, прекрасно поддаются точному и скрупулезному математическому анализу. Взятые вместе, эти обстоятельства позволили нам создать науку, обладающую поистине впечатляющей силой.

Физическая теория, о которой идет речь, имеет богатую историю. Но одно событие можно особенно выделить: это публикация в 1687 году Математических начал натуральной философии Исаака Ньютона. В этой работе, имеющей непреходящее значение, было показано, как, исходя из весьма немногих физических принципов, можно понять (причем зачастую с поразительной точностью) реальное поведение многих физических объектов. (Значительная часть Начал посвящена разработке математических методов, хотя более удобный для практического использования аппарат был создан позднее Эйлером и другими физиками и математиками.) Собственные труды Ньютона, как он охотно признавал, во многом опирались на труды его предшественников, выдающихся мыслителей, среди которых были Галилео Галилей, Рене Декарт и Иоганн Кеплер. Некоторые из основополагающих идей Ньютон заимствовал у еще более древних мыслителей. Упомяну в частности геометрические идеи Платона, Евдокса, Евклида, Архимеда и Аполлония. Об этих математиках я еще расскажу более подробно в дальнейшем.

Отклонения от основных положений динамики Ньютона появились позднее. Первым из них оказалась электромагнитная теория Джеймса Клерка Максвелла, разработанная в середине XIX века. Она охватывала не только классическое поведение электрического и магнитного полей, но и поведение света[95]. Эта замечательная теория будет рассмотрена нами чуть позднее. Теория Максвелла имеет первостепенное значение для современной технологии, равно как и для понимания принципов функционирования нашего головного мозга, в котором электромагнитные явления играют очень важную роль. Менее ясно, имеют ли какое-нибудь отношение к процессам нашего мышления две поистине великие теории относительности, связанные с именем Альберта Эйнштейна. Специальная теория относительности, возникшая из исследований уравнений Максвелла, была создана Анри Пуанкаре, Хендриком Лоренцем и Эйнштейном (позднее элегантное геометрическое описание специальной теории относительности предложил Герман Минковский) для объяснения необычного поведения тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Частью этой теории стало знаменитое соотношение Эйнштейна Е = mc². Но влияние специальной теории относительности на технологию до сих пор остается весьма слабым (если не считать ядерной физики), а отношение к функционированию нашего мозга — в лучшем случае косвенным. С другой стороны, специальная теория относительности затрагивает фундаментальные вопросы физической реальности, связанные с природой времени. В последующих главах мы увидим, что это приводит нас к ряду «загадок» из области квантовой теории, которая может иметь принципиальное значение для понимания наших механизмов восприятия «течения времени». Кроме того, нам необходимо понять специальную теорию относительности прежде, чем мы сможем должным образом оценить общую теорию относительности Эйнштейна — теорию, которая использует для описания гравитации искривленное пространство-время. До сих пор эта теория не оказывала на технологию почти никакого влияния[96] так что предположение о возможной связи между общей теорией относительности и процессами, происходящими в нашем мозге, потребовало бы немалой смелости воображения.

Интересно, что в наших дальнейших размышлениях общая теория относительности будет играть существенную роль, особенно в главах 7 и 8, где нам придется отправиться в самые удаленные области пространства и времени, чтобы собрать «по зернышку» сведения о тех изменениях, которые, как я считаю, необходимы для создания полностью непротиворечивой картины квантовой теории — но об этом позже!

Все, что мы до сих пор упоминали, относится к области классической физики. А как обстоит дело с квантовой физикой? В отличие от теории относительности, квантовая теория начинает оказывать существенное влияние на технологию. Отчасти это объясняется тем вкладом, который квантовая теория внесла в столь технологически важные области, как химия и металлургия. Действительно, для многих эти области теперь срослись с физикой именно благодаря тем новым знаниям, которые дала нам квантовая теория. Помимо этого существуют и совершенно новые явления, появление которых без квантовой теории было бы невозможным (самым известным из таких явлений, думаю, будет справедливо назвать лазер). Тогда что же мешает нам предположить, что некоторые существенные аспекты квантовой теории могут играть решающую роль в той физике, которая лежит в основе наших процессов мышления?!

А как обстоит дело с относительно новыми физическими теориями? Возможно, некоторым читателям приходилось встречаться с возбуждающими идеями, использующими такие понятия, как «кварки» (см. ниже эту подглаву), теории великого объединения, «инфляционный сценарий»[97], «суперсимметрия», теория «(супер)струн» и т. д. Как такие новые течения согласуются с теми теориями, о которых шла речь выше? Насколько нам важно уделять внимание их изучению? Чтобы выработать ясное понимание подобных вопросов, было бы полезно разбить основные физические теории на три широкие категории. Я назову их следующим образом:

1. ПРЕВОСХОДНАЯ.

2. ПОЛЕЗНАЯ.

3. ПРОБНАЯ.

К категории ПРЕВОСХОДНАЯ надлежит отнести все теории, которые я рассматривал в предыдущих разделах. Для того, чтобы теорию можно было причислить к разряду ПРЕВОСХОДНЫХ, совершенно не обязательно, по-моему, требовать от нее полного согласия со всеми явлениями в мире — однако диапазон явлений и точность их описания должны быть в определенном смысле феноменальными[98]. Принимая во внимание такую трактовку термина «превосходная», остается только удивляться тому, что в эту категорию вообще попадают какие-то теории! Я не знаю ни одной фундаментальной теории в любой другой естественной науке, которую можно было бы с достаточным основанием отнести к этой категории. Возможно, больше всех других название «превосходной» заслуживает теория естественного отбора, выдвинутая Дарвином и Уоллисом, — но и ей далеко до идеала.

Самой древней из ПРЕВОСХОДНЫХ теорий по праву можно считать евклидову геометрию, с отдельными положениями которой мы познакомились еще в школе. Возможно, древние вообще не рассматривали евклидову геометрию как физическую теорию, но в действительности она была таковой: тонкой и в высшей степени точной теорией физического пространства — и геометрии твердых тел. Почему я упоминаю о евклидовой геометрии как о физической теории, а не как о разделе математики? Причина проста: по иронии судьбы евклидова геометрия — как нам стало теперь известно — не вполне точна в качестве инструмента для описания того физического пространства, в котором мы все обитаем! Общая теория относительности Эйнштейна говорит нам, что пространство-(время) в действительности «искривлено» (т. е. не является в точности евклидовым) в присутствии гравитационного поля. Но этот факт отнюдь не лишает евклидову геометрию права называться ПРЕВОСХОДНОЙ теорией. Действительно, в метровом диапазоне отклонения от евклидовой плоскостности чрезвычайно малы, и ошибки, связанные с заменой геометрии реального пространства на евклидову, составляют величину меньшую, чем диаметр атома водорода!

С полным основанием можно утверждать, что статика — теория, занимающаяся изучением неподвижных тел — превратившаяся в красивую науку благодаря Архимеду, Паппу и С. Стевину — может быть смело отнесена к категории ПРЕВОСХОДНЫХ теорий. В настоящее время статика входит в ньютоновскую механику. Глубокие идеи динамики (занимающейся изучением движущихся тел) были заложены примерно в 1600 году Галилеем и позднее превращены Ньютоном в величественную и широкую по своему охвату теорию. Динамика несомненно должна быть включена в категорию ПРЕВОСХОДНЫХ теорий. Применительно к движению планет и лун экспериментальная точность динамики поистине превосходна — выше одной десятимиллионной. Одна и та же ньютоновская схема применима и здесь, на Земле, и за пределами звезд и галактики, причем примерно с одинаковой точностью. Аналогичным образом, теория Максвелла применима с высокой точностью в необычайно широком диапазоне, примыкающем с одного конца к микроскопическим масштабам атомов и субатомных частиц, а с другого — к масштабам галактик, т. е. в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов раз больших! (На микроскопическом конце шкалы уравнения Максвелла необходимо надлежащим образом сочетать с правилами квантовой механики.) Так что теорию Максвелла по праву можно тоже отнести к ПРЕВОСХОДНЫМ теориям.

Специальная теория относительности Эйнштейна (предтечей которой выступил Пуанкаре, а изящную формулировку предложил Минковский) дает удивительно точное описание явлений, в которых скорости объектов могут приближаться к скорости света, т. е. при таких скоростях, когда ньютоновские описания начинают «не срабатывать». Изящная и оригинальная теория общей относительности Эйнштейна обобщает динамическую теорию (гравитации) Ньютона и повышает ее точность, наследуя при этом все достоинства теории Ньютона во всем, что касается движения планет и лун. Кроме того, общая теория относительности Эйнштейна объясняет различные необычные наблюдаемые явления, не укладывающиеся в более старую ньютоновскую схему. Рассмотрение одного из таких явлений (а именно, «двойного пульсара», см. конец подглавы «Релятивистская причинность и детерминизм») показывает, что теория Эйнштейна справедлива с точностью до 10^-14. Обе теории относительности, вторая из которых включает в себя первую, с полным основанием могут быть отнесены к категории ПРЕВОСХОДНЫХ теорий (по причинам их математического изящества, почти не уступающего их точности).

Диапазон явлений, объясняемых необычайно красивой и революционной квантовой механикой, и точность, с которой она согласуется с экспериментом, ясно указывают на то, что квантовая теория вне всяких сомнений может быть отнесена к категории ПРЕВОСХОДНЫХ. Никаких расхождений между наблюдениями и квантовой механикой не известно — но сила ее простирается еще дальше, проявляя себя в ряде ранее необъяснимых явлений, которые ныне получили обоснование в рамках этой теории. Законы химии, стабильность атомов, четкость спектральных линий (см. гл.6, подглавы «Проблемы с классической теорией» и «Начало квантовой теории») и их весьма специфическое расположение в наблюдаемых спектрах; удивительное явление сверхпроводимости (нулевого электрического сопротивления) и поведение лазеров — таков далеко не полный перечень явлений, объясняемых квантовой механикой.

Я устанавливаю высокие стандарты для категории ПРЕВОСХОДНЫХ теорий — но именно к таким стандартам мы привыкли в физике. А как обстоит дело с теориями, появившимися в последнее время? По моему мнению, только одна из них может претендовать на включение в категорию ПРЕВОСХОДНЫХ, и она не так уж нова: я имею в виду теорию, получившую название квантовой электродинамики (или КЭД). Ее основы заложили в своих трудах Иордан, Гейзенберг и Паули; сформулирована она была Дираком в 1926–1934 годах; а «рабочую форму» обрела в работах Бете, Фейнмана, Швингера и Томонаги в 1947–1948 годах. Эта теория возникла как соединение принципов квантовой механики и специальной теории относительности, совместно с уравнениями Максвелла и фундаментальным уравнением, описывающим движение и спин электронов, выведенным Дираком. В целом, квантовая электродинамика не обладает привлекательным изяществом или непротиворечивостью более ранних ПРЕВОСХОДНЫХ теорий, но я, тем не менее, считаю возможным отнести эту дисциплину к таковым в силу ее поистине феноменальной точности. Особого упоминания заслуживает хотя бы один результат, следующий из квантовой электродинамики — оценка величины магнитного момента электрона. (Электроны ведут себя как крохотные магниты, образованные вращающимися вокруг собственной оси электрическим зарядом. Термин «магнитный момент» как раз и характеризует силу такого крохотного магнита.) Величина 1,00115965246 (в соответствующих единицах и с допустимой погрешностью около 20 в двух последних знаках) была вычислена для магнитного момента электрона на основе квантовой электродинамики — в то время как самое последнее из полученных экспериментальных значений этой величины составляет 1,001159652193 (с возможной погрешностью около 10 в двух последних цифрах). Как отметил Фейнман, при столь малой погрешности расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса можно было бы определить с точностью до толщины человеческого волоса! Нам нет необходимости досконально знакомиться здесь с этой теорией, но для создания у читателя более полного представления о предмете наших рассуждений, я в конце следующей главы вкратце упомяну некоторые из принципов и существенных особенностей квантовой электродинамики[99]).

Отдельные современные теории я мог бы отнести к категории ПОЛЕЗНЫХ. Две из них не понадобятся нам в дальнейшем, но упомянуть о них все же стоит. Первая — это кварковая модель субатомных частиц Гелл-Манна — Цвейга. Субатомные частицы называются адронами. К этой группе относятся протоны, нейтроны, мезоны и т. д., образующие атомные ядра, — или, точнее, «сильно взаимодействующие» частицы. Возникшая (позднее) детальная теория их взаимодействия получила название квантовой хромодинамики, или КХД. Основная идея КХД состоит в том, что все адроны «построены» из составных частей, называемых «кварками», которые взаимодействуют между собой в соответствии с некоторым обобщением теории Максвелла (известным под названием «теории Янга — Миллса»). Во-вторых, существует теория (предложенная Глэшоу, Саламом, Уордом и Вайнбергом — также на основе теории Янга — Миллса), объединяющая электромагнитное взаимодействие со «слабым» взаимодействием, ответственным за радиоактивный распад. Эта теория включает в себя описание так называемых лептонов (электронов, мюонов, нейтрино, а также W- и Z-частиц — т. е. всех «слабо взаимодействующих» частиц). Обе теории подкрепляются солидными экспериментальными данными. Но по различным причинам эти теории не столь точно, как хотелось бы (по сравнению, например, с КЭД или другими теориями), согласуются с экспериментом, и их предсказательная сила в настоящее время еще далеко не соответствует тем феноменальным стандартам, которые требуются для их включения в категорию ПРЕВОСХОДНЫХ теорий. Взятые вместе, эти две теории (причем вторая из них — вместе с КЭД) иногда называются стандартной моделью.

Наконец, существует еще одна теория (другого типа), которая, на мой взгляд, относится по меньшей мере к категории ПОЛЕЗНЫХ теорий. Я говорю о теории Большого взрыва, в результате которого родилась Вселенная[100]). Эта теория будет играть важную роль в главах 7 и 8.

На этом, как мне кажется, заканчивается список теорий — претендентов на звание ПОЛЕЗНЫХ[101]. Существует много идей, пользующихся в настоящее время (или пользовавшихся до недавнего времени) широкой популярностью. Среди них «теории Калуцы — Клейна»; «суперсимметрия» (или «супергравитация»); все еще чрезвычайно модные теории «струн» (или «суперструн»); а также теории великого объединения, равно как и отдельные порожденные ими идеи, например, «инфляционный сценарий» (см. примечание 13 на с. 282). Все они, по моему твердому убеждению, относятся к категории ПРОБНЫХ теорий (см. работы Барроу [1988], Клоса [1983], Дэвиса и Брауна [1988], Сквайерса [1985]). Важное различие между категориями ПОЛЕЗНЫХ и ПРОБНЫХ теорий состоит в том, что последние не подкреплены надежными экспериментальными данными[102]. Это отнюдь не означает, что какая-нибудь из них не может неожиданно возвыситься до разряда ПОЛЕЗНОЙ и даже ПРЕВОСХОДНОЙ. Некоторые из упомянутых выше теорий содержат оригинальные и весьма многообещающие идеи, пока, правда, не получившие достаточного экспериментального подтверждения. Категория ПРОБНЫХ теорий охватывает весьма широкий диапазон. Не исключено, что концепции, встречающиеся в отдельных теориях подобного рода, несут в себе зерна новых достижений в понимании природы — но в то же время другие из них на удивление неправдоподобны и вполне могут ввести своих сторонников в заблуждение. (У меня было искушение отщепить от категории почтенных ПРОБНЫХ теорий еще одну, четвертую категорию, и назвать ее, скажем, ТУПИКОВЫЕ теории, но по зрелом размышлении я отказался от этого намерения, поскольку не хочу потерять половину своих друзей!)

Не следует удивляться тому, что основные ПРЕВОСХОДНЫЕ теории возникли довольно давно. Вероятно, на протяжении истории таких теорий существовало гораздо больше, но некоторые из них со временем перешли в категорию ПРОБНЫХ и в большинстве своем оказались забыты. Аналогичным образом, в категорию ПОЛЕЗНЫХ теорий попадало немало таких, которые впоследствии теряли свою актуальность, тогда как некоторые поглощались другими — ставшими впоследствии ПРЕВОСХОДНЫМИ теориями. Рассмотрим несколько примеров. До того, как Коперник, Кеплер и Ньютон создали новую, более совершенную теорию, существовала детально разработанная теория планетных движений, родившаяся в Древней Греции и получившая название птолемеевой системы. Согласно этой модели, движения планет описывались сложной суперпозицией круговых движений. Птолемеева система была весьма эффективной с точки зрения предсказаний, но с каждым разом становилась все сложнее и сложнее по мере повышения требований к точности. Нам, живущим ныне, птолемеева система кажется слишком искусственной. Это — хороший пример ПОЛЕЗНОЙ системы (она действительно была полезной на протяжении почти двадцати веков!), которая впоследствии, сыграв свою историческую организующую роль, сошла со сцены как физическая теория. В качестве хорошего примера ПОЛЕЗНОЙ теории, которая в конце концов доказала свою состоятельность, можно привести блестящую идею Кеплера о движении планет по эллиптическим орбитам. Другим примером могла бы стать периодическая система химических элементов Менделеева. Сами по себе эти идеи не позволяют построить модели, обладающие предсказательной силой требуемого «феноменального» характера, однако в будущем они становятся «правильными» следствиями из выросших из них ПРЕВОСХОДНЫХ теорий (соответственно, ньютоновской динамики и квантовой теории).

В последующих разделах и главах я не буду останавливаться на обсуждении существующих ныне теориях, которые всего лишь ПОЛЕЗНЫ или ПРОБНЫ. Достаточно сказать о тех теориях, которые ПРЕВОСХОДНЫ. Можно считать удачей, что у нас есть такие теории, позволяющие постигать этот мир во всей его полноте. Но в конечном счете, мы должны попытаться решить вопрос о том, достаточно ли могущественны даже эти теории, чтобы описывать функционирование нашего мозга и работу разума. В свое время я еще вернусь к этой теме — а пока мы рассмотрим ПРЕВОСХОДНЫЕ теории в том виде, в котором они нам сегодня известны, и попробуем оценить степень их применимости к интересующим нас задачам.

Оглавление книги