Есть ли у научного познания границы?

Мы способны проводить измерения чёрных дыр, но не в состоянии излечить простуду

Альберт Эйнштейн сказал, что «самое непостижимое свойство Вселенной состоит в том, что она постижима». И удивлялся он недаром. Мозг человека в результате эволюции выработал систему адаптации, но его основная нейронная архитектура едва ли изменилась с тех пор, как наши предки рассекали саванны и справлялись с трудностями жизни. И на самом дел поразительно, что этот же мозг позволяет нам находить смысл в квантовом мире и в космосе, в понятиях, крайне далеко ушедших от того «здравого смысла» повседневного мира, где происходила наша эволюция.

Но я думаю, что в какой-то момент наука нажмёт на тормоза. И произойти это может по двум причинам. Оптимистичная — мы подчистим и схематично обрисуем определённые области (например, атомную физику) так, что там уже нечего будет добавить. Другая, более тревожная — мы достигнем ограничений способности нашего мозга. Могут существовать концепции, необходимые для полного понимания физической реальности, о которых у нас будет представления не больше, чем у обезьяны по поводу дарвинизма или метеорологии. И некоторым открытиям придётся ждать послечеловеческого интеллекта.

Вообще, научное знание удивительно фрагментарное — а глубочайшие загадки часто находятся где-то рядом. Сегодня мы можем убедительно интерпретировать результаты измерений, показывающих столкновение двух чёрных дыр, находящихся более чем в миллиарде световых лет от Земли. Тем временем мы мало чего достигли в лечении насморка, несмотря на огромные продвижения эпидемиологии. То, что мы можем быть уверены в существовании загадочного и удалённого космического явления, одновременно оказываясь в затруднительном положении из-за повседневных вещей, не настолько парадоксален, как сначала кажется. Астрономия гораздо проще биологии и других наук о человеке. Чёрные дыры, кажущиеся нам экзотическими, одни из самых простых объектов природы. Их можно точно описать простыми уравнениями.

Как нам определить сложность? Вопрос того, как далеко способна зайти наука, частично зависит от ответа. Что-то, состоящее всего из нескольких атомов, не может быть слишком сложным. Крупные вещи тоже не обязаны быть сложными. Несмотря на огромный размер, звезда — объект довольно простой. Её ядро настолько горячее, что сложные молекулы разрушаются и никаких химических соединений там нет, так что остаётся, по сути, аморфный газ из атомных ядер и электронов. А можно рассмотреть кристалл соли, состоящий из атомов натрия и хлора, упакованных вместе очень плотно так, чтобы создавать повторяющуюся кубическую решётку. Если взять большой кристалл и порубить его, то его структура практически не меняется до тех пор, пока его не разберёшь до отдельных атомов. Даже если он будет крупным, кусок соли нельзя назвать сложным.

Атомы и астрономические явления — очень большие и очень маленькие — могут быть довольно простыми. А вот между ними начинаются сложности. Самое сложное из всего — это живые существа. У животного есть внутренние структуры на всех масштабах, от белков в отельных клетках до конечностей и основных органов. Оно не может существовать порубленным на куски так, как кристалл соли продолжает существовать, когда его разрежут. Оно умирает.

Научное понимание иногда представляют в виде иерархии, упорядоченной на манер этажей здания. Всё, что связано с более сложными системами, располагается выше, а всё, что попроще — ниже. Математика сидит в подвале, над ней идёт физика частиц, потом остальная физика, потом химия, потом биология, потом ботаника и зоология, и наконец, бихевиоризм и социальные науки (экономика, наверняка, предъявляет права на пентхауз).

Сортировка наук не оспаривается, но встаёт вопрос, действительно ли науки первого этажа — в частности, физика частиц — более глубокие или всеобъемлющие, чем другие. В каком-то смысле так и есть. Как поясняет физик Стивен Вайнберг в книге «Мечты об окончательной теории» (1992) [Dreams of a Final Theory], все объясняющие ответы указывают вниз. Если вы, как упрямый ребёнок, повторяете «почему, почему, почему?», вы оказываетесь на уровне частиц. С точки зрений Вайнберга все учёные — редукционисты. Они уверены, что всё, сколь угодно сложное, является решением уравнения Шрёдингера — основного уравнения, управляющего поведением системы согласно квантовой теории.

Но объяснение редукционистов не всегда лучшее или самое полезное. «Больше — значит, по-другому», — как сказал физик Филип Андерсон. Всё сколь угодно сложное — тропические леса, ураганы, человеческие сообщества — состоит из атомов и подчиняется законам квантовой физики. Но даже если эти уравнения можно было бы решать для огромных скоплений атомов, они не дали бы нам того просветления, которое ищут учёные.

Макроскопические системы, содержащие огромное количество частиц, демонстрируют возникающие свойства, которые лучше всего понимать в терминах новых, неуменьшаемых концепций, подходящих для данного уровня системы. Валентность, гаструляция (дифференциация клеток при развитии эмбриона), импринтинг, естественный отбор служат примерами таких явлений. Даже настолько не загадочное явление, как течение воды в трубах или реках, лучше понимать в терминах вязкости и турбулентности, чем в виде отношений отдельных атомов. Специалисты по механике жидкостей не обращают внимания на то, что вода состоит из молекул H₂O; они могут понимать, как разрушаются волны и когда поворот приводит к сбиванию потока только потому, что представляют жидкость в виде непрерывного вещества.

Новые концепции особенно важны для нашего понимания особенно сложных вещей — к примеру, миграции птиц или человеческого мозга. Мозг — это набор клеток; картина — это набор химических пигментов. Но важно и интересно то, как появляются структуры и закономерности, когда мы двигаемся вверх по уровням — то, что можно назвать проявляющейся сложностью.

Так что редукционизм в каком-то смысле верен. Но он редко верен в полезном смысле. Лишь 1% учёных изучают физику частиц или космологию. Остальные 99% работают на более высоких уровнях иерархии. Их сдерживает сложность их темы, а не недостаток понимания субъядерной физики.

Вот так на самом деле получается, что аналогия между наукой и зданием — плохая. Слабый фундамент подвергает опасности структуру здания. И наоборот, науки высших уровней, работающие со сложными системами, не страдают от ненадёжных основ. Каждый уровень науки обладает своими, отдельными объяснениями. Явления разных уровней сложности необходимо понимать в терминах различных, неуменьшаемых концепций.

Можно ожидать больших прорывов на трёх фронтах: очень малое, очень крупное, и очень сложное. И тем не менее, рискну предположить, что нашему пониманию есть пределы. Первыми, кто может достичь этих пределов, могут стать попытки понять очень сложные системы — такие, как наш мозг. Возможно, сложные скопления атомов, будь то мозг или электронные машины, неспособны узнать всё о себе самих. И мы можем столкнуться с другим барьером, если попытаемся последовать по стрелочкам Вайнберга ещё ниже: если они приведут к той геометрии многих измерений, которую рисуют себе специалисты по теории струн. Физики могут никогда не понять основы пространства и времени потому, что их математика окажется слишком сложной.

Моё заявление об ограничениях человеческого познания оспаривал Дэвид Дойч, выдающийся физик-теоретик, придумавший концепцию «квантовых компьютеров». В его провокационной и прекрасной книге «Начало бесконечности» (2011) [The Beginning of Infinity], говорится, что любой процесс в принципе вычислим. Это так. Однако, возможность что-то подсчитать не равна возможности это понять. Прекрасный фрактальный рисунок, множество Мандельброта, описывается алгоритмом в несколько строчек. Его форму можно построить даже на компьютере скромной мощности.



Но ни один человек, имея перед собой один лишь алгоритм, не сможет представить себе этот чрезвычайно сложный рисунок так, как он может представить себе квадрат или круг.

Чемпион мира по шахматам Гарри Каспаров пишет в книге «Глубокая мысль» (2017), что «человек вместе с машиной» могут сделать больше, чем по отдельности. Возможно, новые открытия будут сделаны при помощи усиливающего симбиоза двух этих сущностей. К примеру, в разработке лекарств и в материаловедческих исследованиях использование компьютерных симуляций даёт всё больше возможностей, чем лабораторные эксперименты. Смогут ли машины в итоге качественно превзойти нас — и стать разумными — пока вопрос спорный.

Абстрактное мышление, доступное биологическому мозгу, предопределило появление культуры и науки. Но эта активность, идущая на протяжении не более нескольких десятков тысячелетий, возможно, служит кратким предшественником более мощных послечеловеческих разумов — появившихся благодаря не дарвиновскому отбору, а «разумной разработке». Можно спорить о том, принадлежит ли будущее органическим послелюдям или электронным суперумным машинам. Но мы будем неуместно антропоцентричными, считая, что исчерпывающее понимание физической реальности подвластно человеку, и что на долю наших далёких потомков не останется никаких тайн.

Источник: geektimes.ru

Комментарии: