Эволюция «истинна»
Роджер Хайфилд
Директор по внешним связям Science Museum Group. Соавтор (с Мартином Новаком) книги Super Cooperators («Суперкооператоры»).
Политики, поэты, философы и религиозные люди любят рассуждать об Истине. По контрасту с ними большинство ученых сочли бы преувеличением описывать область своих исследований как «истинную», хотя все они ищут истину в математическом смысле этого слова. Например, квантовая теория истинна в том смысле, что один эксперимент за другим подтверждают ее предсказания о том, как устроен мир, – и это несмотря на ее странность, нестройность и алогичность. Подобным же образом, когда я изучал химию в университете, мне никогда не говорили об «истинности» периодической таблицы, хотя я и восхищался тем, как Менделеев уловил электронную структуру атомов. Но почему же некоторые биологи начинают так много говорить об истине, как только речь заходит об эволюции? В конце концов, вряд ли абсолютно все, что написано об эволюции, можно назвать истинным. Это ошибочно – пытаться противопоставить иррациональной вере риторику об Истине.
От концепции разумного замысла и других креационистских аргументов ученым удалось легко отбиться, а факты эволюции надежно подтверждены лабораторными исследованиями, ископаемыми останками, данными ДНК и компьютерным моделированием. Если биологи-эволюционисты действительно являются Искателями Истины, то они должны больше сосредоточиться на поиске математических закономерностей биологии, следуя по стопам таких гигантов, как Сьюэл Райт, Дж. Б. С.Холдейн, Рональд Фишер, и других.
Беспорядочность биологии делает довольно трудным выяснение математических основ эволюции. Возможно, законы биологии являются дедуктивным следствием законов физики и химии. Возможно, естественный отбор – это не статистическое следствие физики, а новый и фундаментальный физический закон. Как бы то ни было, но в биологии не очень просматриваются те универсальные истины – «законы», – на которые опираются физика и химия.
Мало что изменилось с тех пор, как десять лет назад покойный и великий Джон Мэйнард Смит написал главу о теории эволюционной игры для книги о самых мощных уравнениях науки: в этой главе не было ни единого уравнения. Однако имеется уже много математических формулировок биологических процессов, и в эволюционной биологии наверняка наступит тот день, когда студенты в дополнение к законам движения Ньютона будут изучать уравнения жизни.
Более того, если физика являет собой пример того, как должна выглядеть зрелая научная дисциплина – которая не тратит время и силы на борьбу с идеями креационистов, – мы также должны отказаться от слепой привязанности к мысли, что механизмы эволюции – это истины, которые не подлежат обсуждению. Тяготение, как и эволюция, существует, но ньютоновский взгляд на тяготение был затем поглощен другой концепцией, которую 100 лет назад сформулировал Эйнштейн. Однако даже и сегодня продолжаются дебаты о том, не придется ли нам вновь модифицировать свое понимание гравитации, когда мы наконец разгадаем природу темной Вселенной.
В квантовом мире нет реальности
Антон Цайлингер
Физик, Венский университет и Институт квантовой оптики и квантовой информации. Президент Австрийской академии наук. Автор книги Dance of the Photons («Танец фотонов»).
От чего нам следует отказаться, так это от идеи, что в квантовом мире нет никакой реальности. Эта идея возникла, возможно, по двум причинам: (1) потому что мы не всегда можем точно оценить то или иное физическое свойство; (2) потому что в широком спектре интерпретаций квантовой механики есть такие, которые предполагают, что квантовое состояние не описывает внешней реальности и что ее свойства, скорее, появляются в сознании наблюдателя. Поэтому сознание играет решающую роль.
Давайте рассмотрим знаменитый эксперимент с интерференцией на двойной щели. Такие или подобные эксперименты проводились не только с отдельными фотонами (или с другими видами частиц – нейтронами, протонами или электронами), но даже с пучками очень больших частиц, таких как сферические молекулы углерода C 60 или C 70, известных как фуллерены. В правильно поставленном эксперименте вы увидите на экране позади двух щелей картину распределения фуллеренов с характерными максимумами и минимумами, возникающими из-за интерференции волн вероятности при их прохождении через обе щели. Но (вслед за Эйнштейном в его знаменитом споре с Нильсом Бором) мы можем спросить: «Через какую же щель проходит данная конкретная молекула-фуллерен?» Разве не естественно было бы предположить, что каждая молекула должна проходить либо через одну щель, либо через другую?
Квантовая физика не считает такой вопрос осмысленным. Мы не можем считать, что у частицы есть какое-то определенное положение, до тех пор пока не проведем эксперимент, позволяющий нам его однозначно определить. Пока мы этого не сделали, вопрос о положении фуллерена – и, соответственно, о том, через какую из щелей он прошел, – не имеет смысла.
Предположим теперь, что мы измерили положение конкретной частицы в пучке фуллеренов. Теперь у нас есть ответ. Мы знаем, где частица: она проходит либо через одну щель, либо через другую. В этом случае координата частицы является элементом реальности, и можно сказать, что квантовая физика описывает эту реальность. Но вот что интересно: приобретая точное знание одного рода (то есть знание координаты частицы), мы теряем знание другого рода (а именно знание, закодированное в интерференционной картине).
В какой момент тут вмешивается наше сознание? Квантовая механика говорит нам, что частица – до того как проведены какие-либо наблюдения над ней, – находится в суперпозиции состояний, соответствующих прохождению частицы через каждую из двух щелей. Если теперь установить два детектора, по одному у каждой из щелей, то либо один из них, либо другой зарегистрирует частицу. Но тут квантовая механика говорит нам, что в этом случае в момент измерения сам измерительный прибор оказывается в перепутанном состоянии с частицей, состояние которой определяется ее близостью к соответствующей щели, и следовательно, этот измерительный прибор и сам перестает быть вполне классическим – по крайней мере в принципе. Это перепутанное состояние сохраняется до тех пор, пока наблюдатель не зарегистрирует результат. Так что, если мы примем подобный ход рассуждений, получается, что это сознание наблюдателя формирует реальность.
Но нам не обязательно заходить так далеко. Достаточно допустить, что квантовая механика просто описывает вероятности возможных результатов измерений. Тогда получается, что наблюдение обращает возможность в действительность – или, в нашем случае, положение фуллерена превращается в количественную величину, о которой можно осмысленно рассуждать. Но точно определено его положение или нет, фуллерен всё равно существует. В эксперименте с двойной щелью он реален — пусть даже мы не можем точно сказать, где именно он находится.
Пространство-время
Стив Гиддингс
Физик-теоретик, Университет штата Калифорния в Санта-Барбаре.
Всегда считалось, что явления, которые описывает физика, разворачиваются на сцене пространства и времени. Специальная теория относительности объединила эти категории в единый пространственно-временной континуум, а общая теория относительности учит, что это пространство-время искривляется и растягивается, не утрачивая своей фундаментальной роли. Однако необходимость дать квантово-механическое описание реальности ставит под вопрос саму идею фундаментальности пространства и времени.
В частности, мы столкнулись с проблемой согласования принципов квантовой механики и теории гравитации. Сначала физики думали, что такое соединение приведет к появлению очень сильных флюктуаций пространства-времени, вплоть до полной утраты им какого-либо смысла, хоти и на очень малых расстояниях. Но попытки согласовать квантовую механику с теорией относительности вызвали и более основательные сомнения в фундаментальной роли пространства-времени. Эта проблема выходит на первый план, когда мы изучаем черные дыры и эволюцию вселенной. Структура пространства-времени также кажется проблематичной на очень больших расстояниях.
Квантовая механика выступает как неотъемлемый элемент физики и удивительным образом не поддается модификации. Если квантовые принципы управляют природой, то кажется вероятным, что пространство-время вырастает из более фундаментальных квантовых структур – и его возникновение, вероятно, можно грубо сравнить с возникновением поведения жидкости из взаимодействия атомов.
Проблема фундаментальности пространства-времени встает еще острее, если рассматривать ее в перспективе новых направлений науки. Среди них сто́ит особо отметить физику черных дыр: выясняется, что, если их эволюция учитывает квантовые принципы, она должна нарушать классический постулат пространства-времени, согласно которому информация не может распространяться быстрее скорости света. В стандартной картине пространства-времени что-то явно не сходится. Свидетельства этому множатся, когда мы рассматриваем крупномасштабную структуру Вселенной с учетом квантовых принципов и присутствия темной энергии. Здесь пространство-время тоже должно испытывать сильные квантовые флюктуации на очень больших расстояниях и из-за этого терять смысл. Дополнительные сложности возникают при попытках построить математическую теорию флюктуирующего пространства-времени.
