Мы узнаем прекрасное, когда видим его, ведь так? Давид Микеланджело, Мачу-Пикчу, восход солнца над океаном. Но можем ли мы сказать то же самое о космосе? Профессор физики Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) из Массачусетского технологического института считает, что можем. И должны. В своей новой книге A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design («Вопрос о прекрасном: поиски глубинной схемы природы») Вильчек излагает доводы в пользу изящества математики и взаимосвязанности основных законов природы.
В 2004 году Вильчек получил Нобелевскую премию, открыв совместно с Дэвидом Гроссом (David Gross) и Дэвидом Политцером (David Politzer) уравнения, описывающие одну из фундаментальных сил в физике — сильное взаимодействие, которое удерживает вместе кварки и глюоны, а также отвечает за притяжение между протонами и нейтронами. Открытая ими «асимптотическая свобода» в теории сильных взаимодействий показала, что когда кварки сближаются, ядерные силы между ними ослабевают.
Специализация Вильчека — квантовая теория, однако влияние его работы значительно и в космологии: в области исследования черных дыр, темной материи — и многовековой загадки о том, как что-то может возникнуть из ничего. Сейчас Вильчеку 64 года, но поиском схемы природы он занимается со студенческой скамьи, где изучал математику. «Мне нравилось возиться с образцами и закономерностями, думая о такого рода абстракции, — говорит он. — Меня очень интересовала математическая логика, которая является отраслью философии, а также теория о том, как работает разум. Я немного изучал нейробиологию и кибернетику, пытаясь понять, как абстрактные схемы и закономерности накладываются на работу сознания».
Вильчек не просто ведущий физик-теоретик. Он изучает философию и является поклонником поэта Уильяма Блейка и итальянского архитектора эпохи Возрождения Филиппо Брунеллески. Во время беседы со мной он часто смеется и с очевидным удовольствием переходит от одной идеи к другой, говорим ли мы о теории струн, о фильме «Матрица», о природном интеллекте животных или об ошибочных взглядах философии, которых придерживается такой ученый как Нил Деграсс Тайсон (Neil DeGrasse Tyson).
***
— Вы говорите, что в строении природы есть красота. Похоже, это дело вкуса. Или это научный вопрос?
— Это научный вопрос. Если конкретно, то вопрос, на который я пытаюсь найти ответ, состоит в том, олицетворяет ли собой мир прекрасные идеи. Это вопрос о мире с одной стороны, и о красоте с другой. Хорошо известно, что красота весьма субъективна и существует во многих формах, но в искусстве и философии есть исторические данные, ознакомившись с которыми, можно понять, что люди считают объективно прекрасным. Мы можем проконсультироваться с наукой и на основе сравнения определить, есть ли что-то общее между идеями, возникающими из фундаментальных законов природы и тем, что люди считают прекрасным.
— Имеет ли для ученого какое-то значение то, прекрасен мир или нет?
— Я думаю, наука ограждена стеной от остальной жизни. Так что, конечно, мне очень важно, прекрасен мир или нет. Это также практический вопрос для физиков, инженеров и конструкторов. На передних рубежах физики мы имеем дело с областью очень малого, очень большого и очень странного. Повседневный опыт это не очень хороший советчик, а эксперименты порой трудны и дороги. Поэтому интуиция не всегда появляется за счет повседневного опыта или масштабного накопления фактов. Порой ее формируют ощущения того, что придает законам природы больше внутренней согласованности и гармонии. Главное и определяющее в моей работе — попытка сделать эти законы более красивыми.
— А что такое красивый закон?
— Выделяются две вещи как общие черты законов и равенств, которые люди находят красивыми. Одну из них я называю избытком продуктивности, когда мы получаем больше, чем вкладываем. Ты находишь некое равенство или закон, соединяя подсказки и догадки, и затем ты уже в состоянии объяснить еще семь каких-нибудь вещей, зная при этом, что находишься на правильном пути. Ты получаешь больше, чем вкладываешь. В фундаментальных законах природы особо заметна симметрия. В своем обычном виде симметрия понятие несколько неопределенное, но она каким-то образом ассоциируется с гармонией и красотой. В научном применении она более точна и исключительно продуктивна. Это изменение без изменений. Вы можете осуществлять изменения в физических предметах или изменения в законах, которые могут изменить эти предметы, но не изменяют. Круг симметричен в том смысле, что вы можете вращать его вокруг центра под любым углом, но круг как единое целое неизменен. Большинство фигур, например, треугольник, выглядят иначе, если их вращать.
— Итак, если вести речь о самых глубинных структурах вселенной — о законах физики — то на ваш взгляд, там есть абсолютная симметрия?
— Да. Возьмем тот факт, что законы вечны. Это не похоже на симметрию, но лишь из-за того, что законы не меняются по мере старения вселенной. Так что мы получаем изменения без изменений.
Предположим, вселенная не заключает в себе прекрасные идеи и изящные математические структуры. Можно ли вообще представить себе законы природы, полные асимметрий и несовершенств?
Я думал над этим, и провел мысленный эксперимент, который меня вполне удовлетворил. Сегодня, когда совершенствуются компьютеры и развивается искусственный интеллект, можно проводить весьма достоверные мысленные эксперименты по образу и подобию «Матрицы», где разум заключен внутри компьютера, а его представление об окружающем мире является на самом деле запрограммированным.
— Получается, что мы живем просто в компьютерной модели?
— Представим себя в игре «Мир Супер Марио». Там законы физики не кажутся особо прекрасными. Они меняются со временем и с местом. В них есть странности, которые логически последовательны, но там все очень сильно отличается от того, как работает наш мир, где законы со временем и с местом не меняются. А еще там есть своего рода воспроизводимость. Когда тебе становятся понятны мелкие детали, ты методом дедукции можешь вычислить, как работают большие детали. А в запрограммированном мире все зависит от прихоти программиста. Ему не нужно быть рациональным, логичным и прекрасным. Поэтому я не думаю, что есть какая-то логическая необходимость в красоте законов. Конечно, не будь они прекрасны, открыть их было бы намного труднее, поэтому для меня постижимость законов еще большая загадка, чем их красота. Так может и не быть, но оно именно так.
— Важна ли была красота для Эйнштейна и прочих основателей современной физики?
— Несомненно, хотя они не всегда думали о ней явным образом. Эйнштейн, [Джеймс Клерк] Максвелл и далее до Ньютона — у них у всех был своего рода инстинкт — раскладывать проблемы на маленькие составные части, поскольку они полагали, что в таком виде эти проблемы будут доступны для восприятия. После этого из них можно собирать более сложные вещи, обладающие своего рода избытком. Эйнштейн был ключевой фигурой, поднявшей на новые высоты этот второй аспект красоты природы, каким является симметрия. Теория относительности во многом укладывается в рамки изменений без изменений. Можно смотреть на мир с движущейся платформы, но в этом случае будут действовать те же самые законы, что и на неподвижной конструкции. В этом суть теории относительности. Можно менять внешний вид вещей, однако законы все равно сохранят свою силу.
— Эйнштейну не нравилась идея квантовой запутанности, где две частицы взаимодействуют друг с другом с противоположных сторон вселенной. Нарушало ли это его чувство прекрасного?
— Это нарушало его чувство детерминизма, говорящее о том, что законы всегда должны вызывать одни и те же последствия. Известна его знаменитая фраза о том, что безумие делать одно и то же, и каждый раз ожидать иного результата. Однако именно так работает квантовая механика. Поэтому она ему не нравилась. Но родители не всегда одобрительно относятся к тому, кем становятся их дети. Квантовая механика это конструкция, которая не заключает в себе симметрию, хотя мне кажется, на более глубоком уровне это именно так. Оказалось, что квантовая механика это чудесная платформа, если строить уравнения, подчиняющиеся ее принципам. Эти уравнения могут обосновать огромное количество изменений без изменений, которые выходят далеко за пределы классической физики и по-настоящему объясняют мир.
— Мы можем предсказать, что та или иная частица будет делать на квантовом уровне. Беспокоят ли вас те несоответствия, которые тревожили Эйнштейна?
— Нет. Мне нравится их странность и таинственность, как и то, что именно так работает наш мир.
— Это не нарушает ваше чувство порядка?
— Знаете, это очень сложно и важно. В квантовой механике главное описание действительности это нечто такое, что называют волновой функцией, а уравнения волновой функции на самом деле вполне определенные и детерминированные. Это очень конкретные уравнения. Если вам известна волновая функция в один момент, то вы можете посчитать, какой она будет в другой момент, и здесь не будет никакой двусмысленности. Проблема в том, что экспериментально невозможно узнать, какова волновая функция. Поэтому определяется глубинная структура, но с того места во вселенной, где мы с вами сидим, определить ее невозможно. В оперативном отношении это означает, что все кажется непредсказуемым. Есть огромные объемы экспериментальных данных, и есть ощущения, напрямую подтверждающие данный аспект квантовой механики. По сути дела, в основе всех современных ускорителей частиц лежит многократное повторение одного и того же: они сталкивают электроны и антиэлектроны абсолютно одинаковой энергии и абсолютно одинаковой конфигурации. Но из этого получается разное. Это повторяется миллиарды раз, и всякий раз выходит нечто иное. Так что нет, дело здесь не в точке зрения.
— Люди действительно познают глубинную структуру вселенной? Или это просто наша версия действительности, учитывая то, как работает наш мозг, и как мы видим мир?
— Ну, физика работает, а не стоит на месте. Нельзя создать айфон, построить Большой адронный коллайдер или совершить полет на Плутон без подробного описания того, как работает мир. Так что это никакая не фантазия. Но мысли можно организовывать по-разному. Некоторые вещи кажутся вполне очевидными существам, произошедшим от разумных пауков, а нам они кажутся менее понятными. Так что формулировки законов могут выглядеть по-разному в важных деталях, однако я не думаю, что результаты от этого становятся предметом для торга. Мир таков, какой он есть.
— У вас есть поразительный мысленный эксперимент. Если бы у собак и птиц было современное абстрактное мышление, они могли бы достичь успехов в физике?
— Думаю, птицы —да, а собаки не очень. Собачий мир основан главным образом на запахах. Конечно, химические чувства обеспечивают насыщенную жизнь в плане общения и умения разбираться в еде. Вы почувствовали запах маминого печенья и вспомнили прошлое. Но даже если вы очень сообразительны, и у вас богатая социальная жизнь, от обоняния очень трудно перейти к ньютоновским законам движения и механики. Люди это в основном зрячие животные, а поэтому у нас есть хорошая возможность понять, как предметы перемещаются в пространстве. Нам повезло, что мы можем лицезреть планеты. Это дает нам хорошее представление об астрономии и о гравитации.
— А что такого особенного в птицах?
— У птиц есть все это и много чего еще. В наших ощущениях доминирует трение и сила земного притяжения, а это издавна создавало большие проблемы для понимания того, что есть инерция. А птица — она просто помахала немного крыльями, а потом начинает парить. Так что ей инерция хорошо знакома. У нее также есть интуитивное чувство относительности. Она понимает, что законы не меняются, если перемещаться с постоянной скоростью. Она ощущает это каждый день. Поэтому, если бы у птиц появился разум, на мой взгляд, они бы могли добиться успехов в физике быстрее человека. У пауков тоже появилось бы иное видение мира. Они общаются прикосновениями, вибрацией своей паутины. Они бы быстро усвоили теорию поля и законы электричества.
Одна из опасностей для теоретического физика заключается в том, что если он запутается в красотах своих уравнений, возрадуется тому, как у него все прекрасно сходится, то он может отдалиться от физического мира. Вам по-прежнему нужны эмпирические проверки в подтверждение этой основополагающей идеи. Для вас это профессиональный риск?
Безусловно. Великий физик Ричард Фейнман любил говорить, что у нас есть воображение, однако воображение это смирительная рубашка. У меня возникает интерес совершенно иного уровня, когда мои идеи и их следствия можно проверить опытным путем.
— А что, если нет никакой «теории всего», которая объединяет законы физики? Где в таком случае окажутся ваши доводы в пользу природы как работы красоты?
— Доводы все равно верны. Мы уже знаем, что существуют замечательные законы, во многом описывающие то, как работает материя. Мы просто еще не все поняли, не во всем разобрались. Трудно преувеличить то, насколько гармоничны, плодотворны и созидательны законы. Это великий дар. Но нас это не удовлетворяет, потому что есть некие надоедливые маленькие изъяны, как в новелле Готорна «Родимое пятно», героя которой просто изводит этот маленький недостаток. Поэтому мы стараемся найти новые явления, которые позволят нам добиться еще большей симметрии и гармонии, сделав наши уравнения еще прекраснее. Но окончательный вердикт выносит эксперимент.
— Вы какой-то необычный ученый. Вам явно нравится исследовать эти большие идеи. Вы когда-нибудь задумывались о том, чтобы стать философом, а не физиком?
— Конечно. В юношеском возрасте для меня героями были с одной стороны Эйнштейн, а с другой Бертран Рассел. Мне нравилось читать о философии и размышлять обо всех этих вопросах.
— В последние годы некоторые известные физики, включая Стивена Хокинга, Лоуренса Краусса и Нила Деграсса Тайсона, уничижительно говорят о философах. Суть их критики сводится к тому, что они не обладают почти никакой ценностью для реального мира науки. Что вы можете сказать об этих нападках ваших коллег на философию?
— Думаю, это говорит о недостатке воображения и знаний о том, что такое философия. В мире есть много чего еще, кроме законов физики и физических явлений. Есть многовековой опыт борьбы с этими проблемами и совершенствования этих идей. Неразумно и крайне глупо просто списывать философию со счетов. Как и Эйнштейн, я черпаю огромное вдохновение в философской литературе. Я оттачиваю свой ум на работах Дэвида Юма, Эрнста Маха и Бертрана Рассела.
— Философы не просто задаются вопросом о том, как все складывается воедино. Они спрашивают, есть ли смысл во вселенной. Для вас этот вопрос имеет значение?
— Да, конечно. Мне очень важно, что все это значит. Именно это во многом движет мною в работе.
— А что это значит?
— Думаю, это неправильный вопрос, так как не уверен, каков будет ответ. Я был чрезвычайно рад, когда придумал другую версию этого вопроса, ответить на который можно очень плодотворно. Заключает ли в себе мир прекрасные идеи? На этот вопрос можно взглянуть разумно, вспомнив историю людских идей о красоте, которые существовали до познания ими законов физики, а потом сравнить это с тем, что мы реально выяснили. Таким образом, мы получим обогащенное представление об искусстве и науке.
— Если кому-то нужна более глубокая система ценностей, чтобы на нее опереться, то стоит ли им искать ее в красоте?
— Да. Некоторые люди получают удовольствие и понимание от догматов различных религий, и это один из способов устройства нашей жизни. Я считаю это невозможным, поскольку мне кажется, что общепризнанные религии не воздают должное тому, что я выяснил о физическом мире. Дело не в том, что они ошибочны, хотя многие детали действительно неверны. Дело в том, что они не оценивают по заслугам те огромные сюрпризы, которые преподносит наука, открывая колоссальные размеры вселенной, ее возраст, и рассказывая о том, как много маленьких вещей уходит на устройство больших вещей, с которыми мы имеем дело в жизни. Это значит, что мы сами должны об этом думать и осмысливать. Для меня красота это одно из тех больших открытий, которые создают смысл. Это огромный источник радости.
Один из самых глубоких вопросов для науки и религии это вопрос происхождения, первопричин и истоков. Как началась вселенная, и есть ли вообще у нее начало? Как что-то возникло из ничего? Лоуренс Краусс утверждает, что здесь нет ничего загадочного. Он говорит, что состояние вакуума в квантовой теории поля нестабильно, а поэтому то или иное состояние вполне естественно то появляется, то исчезает.
На самом деле, мой друг Лоуренс цитировал мою работу. Я не понимаю всех последствий, но уравнения не допускают стабильных решений, в которых ничего нет. Пустота очень сильно отличается от решения фундаментальных законов природы. Поэтому, если пустота недопустима, это объясняет, почему есть что-то вместо ничего. Но мне кажется, это не ответ на вопрос, задаваемый философами.
— Они спрашивают, откуда берутся законы физики.
— Именно. Откуда появились эти уравнения? Мы знаем, что идея о пустоте неверна. Это невозможно с учетом известных нам законов.
— Так что же, нет такой вещи как пустое пространство?
— Нет. Мысль о том, что пространство это пустое и пассивное вместилище, не имеющее своей внутренней жизни, совершенно неверна. В квантовой механике пространство имеет спонтанную активность. Это так называемые «виртуальные частицы». Я получил Нобелевскую премию в том числе и за то, что объяснил, каким образом виртуальные частицы влияют на реальные частицы, которые мы видим.
— Что такое виртуальные частицы?
— Это как будто мы живем на поверхности планеты, где под землей идет мощная активность. Наверху она не видна, но она влияет на то, как устроен мир. В законах фундаментальной физики поля, такие как электрические или магнитные, обладают спонтанной активностью. Виртуальные частицы возникают на очень короткое время, а затем исчезают, даже не став тем, что можно увидеть нашим глазом или зафиксировать приборами. Но они входят в уравнение и влияют на свойства частиц, которые мы видим, которые можем рассчитать и проверить. Поэтому нет никаких сомнений, что пространство, которое я иногда называю решеткой, есть источник активности. Это одна из причин, по которым не существует пустоты. У него есть своя жизнь.
— Итак, если мы ищем нечто самое фундаментальное во вселенной, то это не частицы, не материя. Что это — пространство, о котором вы ведете речь?
— Да, у пространства есть своя собственная жизнь. Понять то, что мы ощущаем, как пустое пространство, очень важно для понимания того, как функционирует вся вселенная. Я люблю шутить перед своими студентами, что в механике Ньютона главное — решить задачу о том, как одно тело перемещается вокруг другого, например, как Земля движется вокруг Солнца. В квантовой механике главная проблема это «проблема ничего». Это пустое пространство, которое правит балом. Те частицы, которые мы наблюдаем, это своего рода сопутствующее явление, дополнение к структуре пустого пространства.
— Мы говорили о том, как трудно обеспечить увязку нематериального мира с материей. Самой большой загадкой из всех может быть проблема «разум-мозг». Как нематериальный мир нашего разума появляется из полутора килограммов липкого вещества в нашем мозгу. Это проблема физики, или ее должны решать нейробиологи?
— Законы физики распространяются и на мозг, а поэтому не нужно искать душу или что-то еще нематериальное дополнительно к тем частицам, которые составляют мозг. Хорошая рабочая гипотеза состоит в том, что мозг как компьютер, и что главное — понять, как подчиняющийся законам физики материальный объект может делать расчеты и мыслить. Далее, есть еще технический вопрос о том, можно ли те методы в физике, при помощи которых мы описываем объекты в физической вселенной, использовать для иллюстрации работы мозга, и важны ли для нейробиологии идеи о симметрии, материаловедении и электрической проводимости. Думаю, велики шансы на то, что ответ будет положительным. Доли мозга имеют постоянную форму и симметричны. Мозжечок хорошо структурирован. Нейронные сети это нечто фантастическое. Искусственные нейронные сети это схема нервной системы головного мозга, однако в них используются знакомые людям законы вычислительных операций и физики. На самом деле, многое из этого изобрели физики, так как данные технологии похожи на уравнения, лежащие в основе электрических цепей. Поэтому мне кажется, физика может многое предложить нейробиологии.
— Вы думаете, наука сумеет разгадать фундаментальную загадку, и мы поймем, как наш духовный мир появляется из материального?
— Да, я так думаю. А как еще? Я думаю, процентов 90 в этом направлении уже сделано.
— Вы оптимист!
— Нет. Просто мне кажется, я правильно истолковываю происходящее. Еще недавно большой загадкой казалось то, как при помощи единиц и нулей можно кодировать вычисления, например, при игре в шахматы. Но сейчас мы умеем конструировать системы, которые работают на единицах и нулях, и делают нечто очень похожее на мыслительный процесс. У нас все чаще будут содержательные контакты с системами типа Siri, которые просто совершают манипуляции с последовательностями единиц и нулей. Эти единицы и нули находят воплощение в физических предметах, а именно в транзисторах. Таким образом, скоро мы сможем сказать, что сознание тоже находит воплощение в физических предметах. Это те конкретные предметы, которые мы изобретаем и конструируем.
Стив Полсон — исполнительный продюсер программы To the Best of Our Knowledge, идущей на Wisconsin Public Radio и в общенациональном эфире. Он автор книги Atoms and Eden: Conversations on Religion and Science (Атомы и Эдем: Беседы о религии и науке).
