ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ЦЕЛОСТНОЙ ТЕОРИИ ВСЕГО
Как информация связывает все со всем

2. О загадках и мифах. Движущие силы грядущей смены парадигмы в науке


Мы начнем наш поиск истинной целостной теории всего с рассмотрения факторов, которые приближают науку к смене парадигмы. Ключевыми факторами являются загадки, которые появляются и накапливаются в ходе научного исследования: аномалии, которые существующая парадигма объяснить не в состоянии. Это подталкивает научное сообщество к поиску новых подходов к аномальным феноменам. Такие исследовательские попытки (мы будем называть их «научными мифами») содержат много идей. Некоторые из таких идей могут содержать ключевые концепции, которые приведут ученых к новой парадигме — к парадигме, которая сможет прояснить загадки и аномалии и послужить основой для истинной целост ной теории всего.

Ведущие ученые стремятся расширить и углубить свое понимание исследуемого сегмента реальности. Они понимают все больше и больше о соответствующей части или аспекте реальности, но не могут изучить эту часть или аспект непосредственно — они способны постичь его только через концепции, превращенные в гипотезы и теории. Концепции, гипотезы и теории недостаточно вески, они могут быть и ошибочными. По сути, отличительной чертой по-настоящему научной теории (по мнению философа науки сэра Карла Поппера) является опровергаемость. Теории опровергаются, когда предсказания, сделанные на их основе, не подтверждаются наблюдениями. В этом случае наблюдения аномальны, и рассматриваемая теория либо считается ошибочной и отвергается, либо нуждается в пересмотре.

Опровержение теорий — это двигатель настоящего научного прогресса. Когда все работает, прогресс может существовать, но он частичен (представляет собой доработку существующей теории для того, чтобы она соответствовала новым наблюдениям). Настоящий прогресс происходит тогда, когда это невозможно. Рано или поздно наступает момент, когда вместо того, чтобы пытаться пересмотреть существующие теории, ученые предпочитают начать поиск более простой и многое объясняющей теории. Открывается путь к фундаментальному обновлению теории: к смене парадигмы.

Смена парадигмы запускается накоплением наблюдений, которые не вписываются в принятые теории и не могут вписаться в них после простой доработки таких теорий. Приходит этап появления новой и более приемлемой научной парадигмы. Задача состоит в том, чтобы найти фундаментальные новые концепции, которые станут основой новой парадигмы.

Существуют строгие требования к научной парадигме. Теория, основанная на ней, должна позволять ученым объяснять все открытия, которые могла объяснить предыдущая теория, а также аномальные наблюдения. Она должна объединять все относящиеся к делу факты в более простую и в то же время более полную концепцию. Именно это сделал Эйнштейн на рубеже XX столетия, когда прекратил искать причины странного поведения света в рамках физики Ньютона и вместо этого создал новую концепцию физической реальности — теорию относительности. Как сказал он сам, нельзя решить проблему на том же уровне, на котором она возникла. За неожиданно короткое время физическое сообщество отказалось от классической физики, основанной Ньютоном, и ее место заняла революционная концепция Эйнштейна. В первом десятилетии XX века наука пережила смену парадигмы. Сейчас, в первом десятилетии века XXI, загадки и аномалии накапливаются снова, и научное сообщество стоит перед лицом следующей смены парадигмы — такой же фундаментальной и революционной, как переход от механистического мира Ньютона к относительной Вселенной Эйнштейна.

Современная смена парадигмы уже некоторое время назревала в передовых научных кругах. Научные революции — это не мгновенные процессы, когда новая теория сразу же занимает свое место. Они могут быть быстрыми, как в случае с теорией Эйнштейна, или же более растянутыми во времени, как, например, переход от классической теории Дарвина к более широким биологическим концепциям постдарвинизма.

Прежде чем начинающиеся революции приводят к окончательному результату, науки, в которых существуют аномалии, проходят через период неустойчивости. Принадлежащие к общепринятому направлению ученые защищают существующие теории, в то время как ученые-вольнодумцы в передовых областях исследуют альтернативы. Последние выдвигают новые идеи, предлагающие по-иному взглянуть на феномены, знакомые традиционным ученым. На некоторое время альтернативные концепции, существующие изначально в форме рабочих гипотез, кажутся если не фантастичными, то странными. Они иногда напоминают мифы, придуманные исследователями с богатым воображением. Однако таковыми они не являются. «Мифы» серьезных исследователей основаны на тщательно выверенной логике; они объединяют то, что уже известно о сегменте мира, который исследует определенная дисциплина, с тем, что пока ставит в тупик. Это не обычные мифы, это «научные мифы» — продуманные гипотезы, которые открыты проверке и, следовательно, могут быть подтверждены или опровергнуты при помощи наблюдений и экспериментов.

Изучение аномалий, которые обнаруживаются при наблюдениях и в экспериментах, и измышление проверяемых мифов, которые могут объяснить их, являются главными компонентами фундаментального научного исследования. Если аномалии продолжают существовать несмотря на все усилия ученых, придерживающихся старой парадигмы, и если тот или иной научный миф, выдвинутый учеными-вольнодумцами, предлагает более простое и логичное объяснение, критическая масса ученых (в основном, молодых) перестает придерживаться старой парадигмы. Так начинается смена парадигмы. Концепция, которая до сего момента была мифом, начинает считаться надежной научной теорией.

Существуют бесчисленные примеры как успешных, так и провалившихся мифов в истории науки. Подтвержденные мифы — считающиеся надежными, хоть и не абсолютно истинными научными теориями, — включают предположение Чарльза Дарвина, что все живые виды произошли от общих предков, и гипотезу Алана Гута и Андрея Линде, что Вселенная появилась при сверхбыстром «расширении», последовавшем за ее рождением во время Большого взрыва. Провалившиеся мифы (те, которые предлагали не точное или не лучшее объяснение соответствующих феноменов) включают идею Ханса Дриша, что эволюция жизни следует предопределенному плану в направляемом определенной целью процессе, называемом энтелехия, и гипотезу Эйнштейна, что дополнительная физическая сила, называемая космологической константой, не дает Вселенной погибнуть из-за силы гравитации. (Интересно, что, как мы узнаем, некоторые из этих положений в наше время подвергаются сомнениям: возможно, что теория расширения Гута и Линде будет заменена более широкой концепцией циклической Вселенной, а космологическая константа Эйнштейна все же не была ошибочной...)

Примеры современных научных мифов Здесь представлены три рабочие гипотезы — «научных мифа» — выдвинутых высокоуважаемыми учеными. Все три, хотя и кажутся невероятными, привлекли к себе серьезное внимание со стороны научного сообщества.

10100 вселенных
В 1955 году физик Хью Эверетт предложил поразительное объяснение квантового мира (ставшее впоследствии основой для одного из самых популярных романов Майкла Крайтона «Стрела времени»). Гипотеза параллельных вселенных Эверетта связана с загадочным открытием в квантовой физике: пока частицу не наблюдают, не измеряют и никак на нее не воздействуют, она находится в любопытном состоянии, которое является суперпозицией всех возможных состояний. Однако когда частицу наблюдают, измеряют или воздействуют на нее, это состояние суперпозиции исчезает: частица находится в единственном состоянии, как и любой «обычный» предмет. Так как состояние суперпозиции описывается как сложная волновая функция, связанная с именем Эрвина Шредингера, то, когда состояние суперпозиции исчезает, говорят, что происходит коллапс волновой функции Шредингера.

Проблема в том, что невозможно сказать, какое из множества возможных виртуальных состояний примет частица. Выбор частицы кажется непредопределимым — совершенно не зависимым от условий, которые запускают коллапс волновой функции. Согласно гипотезе Эверетта, неопределимость коллапса волновой функции не отражает существующих в мире условий. Здесь нет неопределенности: каждое виртуальное состояние, избранное частицей, определенно — оно просто присутствует в мире само собой!

Вот как происходит коллапс: когда квант измеряют, существует некоторое количество возможностей, каждая из которых связана с наблюдателем или измерительным прибором. Мы воспринимаем только одну из возможностей в кажущемся случайным процессе выбора. Но, по мнению Эверетта, выбор не случаен, так как этого выбора не происходит: все возможные состояния кванта реализуются каждый раз, когда его измеряют или наблюдают; они просто не реализуются в одном мире. Многие возможные состояния кванта реализуются в таком же количестве вселенных.

Предположим, что, когда такой квант, как электрон, измеряют, существует пятидесятипроцентная вероятность того, что он направится вверх, и такая же вероятность того, что он направится вниз. Тогда у нас есть не одна Вселенная, в которой квант может с вероятностью 50 на 50 направиться вверх или вниз, а две параллельных. В одной из вселенных электрон действительно движется вверх, а в другой направляется вниз. В каждой из этих вселенных есть также наблюдатель или измерительный прибор. Два исхода существуют одновременно в двух вселенных, так же как и наблюдатели или измерительные инструменты.

Конечно, когда многочисленные состояния суперпозиции частицы сходятся в одно, существуют не только два, а большее количество возможных виртуальных состояний, которые эта частица может принять. Таким образом, должно существовать множество вселенных, возможно, около 10100, в каждой из которых существуют наблюдатели и измерительные инструменты.

Созданная наблюдателем Вселенная
Если существует 10100 или даже 10500 вселенных (притом, что в большинстве из них жизнь возникнуть не могла никогда), как же получилось, что мы живем в такой Вселенной, где существуют сложные формы жизни? Может ли это быть простой случайностью? Многие научные мифы посвящены этому вопросу, включая антропный космологический принцип, который утверждает, что наше наблюдение за этой Вселенной имеет отношение к такому счастливому стечению обстоятельств. Недавно Стивен Хокинг из Кембриджа и Томас Хертог из ЦЕРН (Европейской организации по ядерным исследованиям) предложили математически оформленный ответ. Согласно их теории Вселенной, созданной наблюдателем, не отдельные вселенные ответвляются во времени и существуют сами по себе (как предполагает теория струн), а все возможные вселенные существуют одновременно в состоянии суперпозиции. Наше существование в этой Вселенной избирает путь, который ведет именно к такой Вселенной, среди всех других путей, ведущих ко всем другим вселенным; все остальные пути исключаются. Таким образом, в этой теории причинная цепь событий перевернута: настоящее определяет прошлое. Это было бы невозможно, если бы Вселенная имела определенное изначальное состояние, так как из определенного состояния родилась бы определенная история. Но, утверждают Хокинг и Хертог, у Вселенной нет изначального определенного состояния, нет точки отсчета — такой границы просто не существует.

Голографическая Вселенная
Этот научный миф утверждает, что Вселенная является голограммой (или, по крайней мере, может считаться таковой). (В голограмме, о чем мы подробнее поговорим чуть позже, двухмерная модель создает картину в трех измерениях.) Считается, что вся информация, которая составляет Вселенную, находится на ее периферии, являющейся двухмерной поверхностью. Эта двухмерная информация возникает внутри Вселенной в трех измерениях. Мы видим Вселенную трехмерной, несмотря на то, что нечто, делающее ее такой, какая она есть, является двухмерным полем информации. Почему же эта кажущаяся нелепой идея стала темой споров и исследований? Проблема, которую устраняет теория голографической Вселенной, относится к сфере термодинамики. Согласно ее твердо установленному второму закону, уровень хаоса никогда не может снизиться в закрытой системе. Это означает, что уровень хаоса никогда не может снизиться во Вселенной в целом потому, что, если мы рассматриваем космос во всей его полноте, он является закрытой системой (нет внешнего и, следовательно, нет ничего, что могло бы стать открытым). То, что уровень хаоса не может снизиться, означает, что порядок, который может быть представлен как информация, не способен увеличиться. Согласно квантовой теории, информация, которая создает или поддерживает порядок, должна быть постоянной, ее не может стать больше или меньше.

Но что происходит с информацией, когда материя исчезает в черных дырах? Может показаться, что черные дыры уничтожают информацию, содержащуюся в материи. Это, однако, бросает вызов квантовой теории. Чтобы разрешить эту загадку, Стивен Хокинг вместе с Якобом Бекенштейном, работавшим тогда в Принстонском университете, вместе вывели, что хаос в черной дыре пропорционален площади ее поверхности. Внутри черной дыры есть гораздо больше места для порядка и информации, чем на поверхности. В одном кубическом сантиметре, например, есть место для 1099 планковских объемов и всего для 1066 битов информации на поверхности (планковский объем — это почти непостижимо малое пространство, ограниченное сторонами в 10–35 метров). Леонард Сасскинд из Стэндфорда и Герард ‘т Хоофт из Утрехского университета выдвинули предположение, что информация внутри черной дыры не потеряна — она голографически сохранена на ее поверхности.

Математика обнаружила неожиданное применение для голограмм в 1998 году, когда Хуан Малдасена, будучи тогда в Гарвардском университете, попытался поработать с теорией струн в условиях квантовой гравитации. Малдасена выяснил, что со струнами легче работать в пятимерных пространствах, чем в четырехмерных. (Мы воспринимаем пространство в трех измерениях: две плоскости вдоль поверхности и одна вертикально. Четвертое измерение будет располагаться перпендикулярно этим трем, но его нельзя воспринять. Математики могут добавлять любое число измерений, все дальше уходя от воспринимаемого мира.) Решение казалось очевидным: предположим, что пятимерное пространство внутри черной дыры в действительности является голограммой четырехмерного пространства на ее поверхности. Тогда можно производить относительно легкие подсчеты в пяти измерениях, работая с четырехмерным пространством.

Подойдет ли прием уменьшения количества измерений для Вселенной в целом? Как мы видели, ученые, работающие в рамках теории струн, бьются со множеством дополнительных измерений, выяснив, что трехмерного пространства недостаточно для того, чтобы выполнить их задачу: связать вибрации различных струн во Вселенной в единое уравнение. Голографический принцип мог бы помочь, так как Вселенную можно было бы считать многомерной голограммой, хранящейся в меньшем количестве измерений на своей периферии.

Голографический принцип мог бы облегчить подсчеты в рамках теории струн, но он несет в себе фантастические предположения касательно природы мира. Даже Герард ‘т Хоофт, бывший одним из основоположников этого принципа, уже не считает его неоспоримым. Он сказал, что в данном контексте голография является не принципом, а проблемой. Возможно, предположил он, квантовая гравитация могла бы быть выведена из более основополагающего принципа, не подчиняющегося законам квантовой механики. Во времена научных революций, когда существующая пара- дигма находится под давлением, выдвигаются новые научные мифы, но не все из них находят подтверждение. Теоретики укрепились в убеждении, что, как сказал Галилео, «книга природы написана на языке математики», и забыли, что не все в языке математики существует в книге природы. В результате множество математически оформленных мифов остаются всего лишь мифами. Другие, однако, несут в себе зародыши значительного научного прогресса. Изначально никто не знает наверняка, какие из семян прорастут и принесут плоды. Поле бурлит, находясь в состоянии творческого хаоса.

Таково положение дел сегодня во множестве научных дисциплин. Множится число аномальных феноменов в физической космологии, квантовой физике, в эволюционной и квантовой биологии и в новой сфере исследований сознания. Они создают все больше неопределенности и заставляют открытых новому ученых раздвигать границы принятых теорий. В то время как консервативные исследователи настаивают, что научными могут считаться только идеи, опубликованные в известных научных журналах и воспроизведенные в учебниках, передовые исследователи ищут фундаментально новые концепции, включая те, что считались выходящими за рамки их дисциплин всего несколько лет назад. Все больше научных дисциплин описывают мир все более невероятным образом. Космология добавила в него темную материю, темную энергию и многомерные пространства; квантовая физика — частицы, которые мгновенно связаны в пространстве-времени на более глубоких уровнях реальности; биология — живую материю, которая демонстрирует целостность квантов; а исследования сознания — независимые от пространства и времени трансперсональные связи. Это лишь немногие из уже подтвержденных научных теорий, которые теперь считаются полноправными.


Страницы:
[1] [2] [3] [4] | 5 | [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]
[18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] »»»»

Яндекс.Метрика