Стивен Хокинг, Леонард Млодинов – Великий замысел



страница1/4
Дата30.07.2018
Размер1.88 Mb.
  1   2   3   4

Стивен Хокинг, Леонард Млодинов – Великий замысел

ТАКЖЕ ОТ СТИВЕНА ХОКИНГА

Краткая История Времени

Кратчайшая История Времени

Чёрные Дыры и молодые Вселенные и Другие Эссе

Иллюстрированная Краткая История Времени

Мир в Ореховой Скорлупке

ДЛЯ ДЕТЕЙ Секретный Ключ Джоржа от Вселенной (с Люси Хокинг)

Джорж в Поисках Космических Сокровищ (с Люси Хокинг)

ТАКЖЕ ОТ ЛЕОНАРДА МЛОДИНОВА

Кратчайшая История Времени Прогулка Дранкарда: Как Случайность Управляет Нашими Жизнями Окно Евклида: История Геометрии от

Параллельных Линий до Гиперпространства Радуга Фейнмана: Поиск Прекрасного в Физике и в Жизни

ДЛЯ ДЕТЕЙ Последний Динозавр (с Мэттом Костелло) Титаник Кот (с Мэттом Костелло)
ВЕЛИКИЙ ЗАМЫСЕЛ



ВЕЛИКИЙ ЗАМЫСЕЛ

СТИВЕН ХОКИНГ И ЛЕОНАРД МЛОДИНОВ




Ігіпа73 & DrSergl979

free release

Все права принадлежат Стивену Хокингу и Леонарду Млодинову Оригинальное оформление Питера Боллинджера

Все права защищены.

Опубликовано в США издательством Bantam Books, напечатано The Random House Publishing Group, подразделением Random House, Inc., New

York.

Рисунки Сиднея Харриса Sciencecartoonplus.com

BANTAM BOOKS и the rooster colophon являются торговыми марками Random House, Inc.





Переведено http://notabenoid.com/
Переводчики: cosinus,lwiil,Edgewalker (модератор), Irina73 (главный), aleva,kasir,die m,justafake (модератор), anne bale,mslasm,KVP1248,Alien Girl (модератор), icori,Kotische,grooz,bloshkyn,morozoffnick (модератор), CyberTm,lem,Dasha1234,AterLux, mea john (модератор), uraveselov (модератор), ingersol, antilia,Beata,Zlae4ka,CrabGaze,veste,anton13666, vitema,mulheres,Tehhy,SweetCat

Редактирование, вёрстка, оформление и релиз: DrSerg1979 v1.0

ДЛЯ НЕКОММЕРЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ!
СОДЕРЖАНИЕ

1 • Тайна Бытия

2 • Власть Закона

3 • Что Есть Реальность?

4 • Альтернативные Истории

5 • Теория Всего

6 • Выбирая Нашу Вселенную

  1. Несомненное Чудо

  2. Великий Замысел

Глоссарий

Благодарности

Алфавитный указатель



ТАЙНА БЫТИЯ

ВСЕ МЫ СУЩЕСТВУЕМ ЛИШЬ НЕПРОДОЛЖИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД ВРЕМЕНИ и на его протяжении способны исследовать лишь небольшую часть мироздания. Но люди - существа любопытные. Мы задаемся вопросами, мы ищем на них ответы. Живя в этом огромном мире, который бывает то добрым, то жестоким, и вглядываясь в бесконечное небо, люди постоянно задаются множеством вопросов: Как мы можем понять мир, в котором оказались? Как ведёт себя Вселенная? Какова природа реальности? Откуда всё это возникло? Нуждалась ли Вселенная в создателе? Многие из нас не тратят много времени на эти вопросы, но почти все из нас когда-либо об этом задумывались.

Традиционно это философские вопросы, но философия мертва. Она отстала от современной науки, особенно физики. Теперь ученые приняли эстафету первооткрывателей в нашем поиске знаний. Цель этой книги - дать ответы, которые предлагают недавние открытия и достижения в теоретических исследованиях. Они подводят нас к новой картине Вселенной и нашего места в ней, отличной от традиционной и даже той картины, которую мы могли нарисовать всего лишь десятилетие или два назад. Однако первые наброски новой концепции можно отследить почти столетие назад.

Согласно традиционным представлениям о Вселенной, объекты перемещаются по четко определённым траекториям и имеют определённые предыстории. Мы можем определить их точное положение в любой момент времени. Хотя этот подход был успешным для повседневных задач, в 1920-х было установлено, что эти "классические" представления не могут объяснить, казалось бы, странное поведение, наблюдаемое на атомном и субатомном масштабах бытия. Вместо них было необходимо принять другую концептуальную модель, названную квантовой физикой. Квантовые теории оказались удивительно точными в предсказании событий на этих масштабах, а также в повторении предсказаний старых классических теорий применительно к макроскопическим миру повседневной жизни. Но квантовая и классическая физика основаны на очень различных концепциях физической реальности.







Квантовые теории можно сформулировать по- разному, но, наверное, наиболее интуитивное определение было дано Ричардом (Диком) Фейнманом, колоритным персонажем, который работал в Калифорнийском Технологическом университете и играл на барабанах «бонго» в придорожном стриптиз-клубе. Согласно Фейнману, система имеет не только какую-то одну историю, но все возможные истории. В процессе поиска наших ответов мы детально разъясним Фейнмановский подход и используем его, чтобы рассмотреть идею о том, что сама Вселенная не имеет не только одной истории, но даже свободного бытия. Эта идея кажется радикальной даже для многих физиков. Несомненно, как и множество точек зрения в современной науке, эта выглядит нарушающей всякий здравый смысл. Однако, здравый смысл основан на повседневном опыте, а не на проявлениях Вселенной посредством чудес технологий, подобных тем, что позволяют устремить взор в глубины атома или охватить им Вселенную целиком.

До появления современной физики было принято думать, что все знания мира могут быть получены путём непосредственного наблюдения, что вещи являются такими, какими выглядят и воспринимаются нашими органами чувств. Но волнующий успех современной физики, базирующейся на концепциях, подобных Фейнмановской, вступающей в противоречия с повседневным опытом, продемонстрировал, что это не так. Наивный взгляд на реальность, таким образом, не сочетается с современной физикой. Чтобы разрешить подобные парадоксы, нам следует применить подход, который мы называем модельно-зависимым реализмом. В его основе лежит идея, что наш мозг интерпретирует исходные данные, получаемые нашими органами чувств, посредством построения модели окружающего мира. Когда подобная модель позволяет успешно объяснить те или иные события, мы стремимся приписать ей, равно как и составляющим её элементам и концепциям, качество реальности или абсолютной истины. Но возможно существование различных способов, когда можно смоделировать такую же физическую ситуацию, но с использованием отличных фундаментальных составляющих и концепций. Если две такие физические теории или модели с достаточной степенью точности позволяют предсказать одни и те же события, одна из них не может считаться более реальной, нежели другая; более того, мы вольны использовать ту модель, которую сочтём наиболее подходящей.

В истории науки мы обнаруживаем последовательность совершенствующихся теорий или моделей, от Платона к классической теории Ньютона и далее к современным квантовым теориям. Возникает естественный вопрос: Достигнет ли эта последовательность конечной точки, сформировав абсолютную теорию Вселенной, включающую все силы и предсказывающую каждое наблюдение, которое мы сможем сделать, или же мы будем вечно продолжать открывать всё лучшие теории, так и не найдя ту, что не подлежит дальнейшему улучшению? Определённого ответа на этот вопрос у нас пока нет, однако есть кандидат на абсолютную теорию всего, если таковая в самом деле существует, и называется он M-теория. М-теория это единственная модель, обладающая всеми качествами, которые, по нашему мнению, должна иметь окончательная теория и это та теория, на которой основаны многие наши дальнейшие рассуждения.

М-теория не является теорией в обычном смысле этого слова. Это целое семейство различных теорий, каждая из которых способна описывать результаты наблюдений только в границах конкретных физических ситуаций. Это чем-то похоже на карту. Общеизвестно, что нельзя показать земную поверхность целиком на единственной карте. Обычная Меркаторская проекция, используемая для составления карт мира, заставляет области казаться все более крупными ближе к северу и югу и не распространяется на Северный и Южный полюсы. Чтобы получить точную карту всей земной поверхности, необходимо использовать набор карт, каждая из которых покрывает ограниченную область. Карты частично покрывают друг друга и в местах, где это происходит, они демонстрируют одинаковый ландшафт. М-теория подобна. Различные теории, составляющие семейство М-теории, могут выглядеть весьма несхожими, но все они могут рассматриваться как аспекты одной основной теории. Они являются версиями теории, применимыми только в ограниченных рамках - например, когда определённые величины, такие как энергия, малы. Подобно наложению карт в Меркаторовской проекции, там, где рамки различных версий накладываются друг на друга, они предсказывают то же самое явление. Но как не существует плоской карты, содержащей качественное представление земной поверхности целиком, так и не существует единственной теории, содержащей качественное представление результатов наблюдений для всех ситуаций.







Мы опишем, как М-теория может предложить ответы на вопросы сотворения мира. Согласно М- теории, наша Вселенная не является единственной в своём роде. Напротив, М-теория предсказывает существование огромного множества вселенных, созданных буквально из ничего. Их создание не требовало вмешательства какого-либо сверхъестественного существа или Бога. Скорее, эти множественные вселенные возникли естественным образом, как следствие физических законов. Они являются научным предположением. Каждая Вселенная имеет множество предысторий и множество возможных будущих состояний, то есть времена подобные настоящему, спустя долгий срок после их возникновения. Большинство из этих состояний будут значительно отличаться от условий той Вселенной, которую мы можем наблюдать, а также будут слабо подходить для существования любой формы жизни. Только малая часть из них позволит созданиям, подобным нам, существовать. Таким образом, наше присутствие выбирает из этого огромного массива только те вселенные, которые совместимы с условиями нашего существования. Это даёт нам ощущение себя как венцов творения, хотя мы слабы и незначительны.

Чтобы понять поведение Вселенной на самом глубоком уровне, нам необходимо понять не только как ведёт себя Вселенная, но и почему.

Почему что-либо присутствует, вместо того, чтобы отсутствовать?

Почему мы существуем?

Почему имеет место именно такой набор законов, а не какой-либо иной?

Это и есть Абсолютный Вопрос Жизни, Вселенной и Всего. Мы должны попытаться дать на него ответ в этой книге. И в отличие от ответа, данного в книге "Автостопом по Галактике”, наш не будет являть собой число 42.

ВЛАСТЬ ЗАКОНА
Сколль, волк, который должен пугать Луну, пока она летит к Древу Скорби

Хати, волк из рода Хродвитнира, который должен преследовать Солнце.

РЕЧИ ГРИМНИРА, Старшая Эдда
В МИФОЛОГИИ ВИКИНГОВ Сколль и Хати преследуют Солнце и Луну. Когда хотя бы один из волков ловит свою добычу, происходит затмение. Когда подобное случается, люди на Земле спешат освободить Солнце или Луну, производя как можно больше шума в надежде испугать волков. Похожие мифы существуют и в других культурах. Но по прошествии времени люди, должно быть, заметили, что Луна и Солнце вскоре выходят из состояния затмения, безотносительно к тому, бегают ли они с криками или пляшут с бубнами. Спустя какое-то время они должно быть также заметили, что затмения не происходят случайным образом, в их появлении имели место повторяющиеся закономерности. Наиболее очевидными подобные закономерности были для лунных затмений, что позволило древним вавилонянам предсказывать их достаточно точно, хотя они и не осознавали, что причиной лунных затмений была Земля, преграждающая путь лучам Солнца. Солнечные затмения было сложнее предсказать, поскольку их можно было видеть, только находясь на Земле в границах коридора шириной около 30 миль. Тем не менее, будучи однажды подмеченными, эти закономерности сделали понятным тот факт, что затмения не зависели от своевольных капризов сверхъестественных существ, а скорее подчинялись неким законам.






Не смотря на некоторые ранние успехи в предсказании движения небесных тел, наши предки считали, что большинство природных явлений невозможно предсказать. Вулканические извержения, землетрясения, штормы, эпидемии, а также вросшие ногти - всё это, казалось, случается без очевидных причин или закономерностей. В древние времена считалось естественным приписывать причины неистовства природы пантеону злых или недоброжелательных богов. Бедствия часто воспринимались как знак того, что мы чем-то прогневали богов. Например, около 5600 лет до нашей эры, извергся вулкан горы Мазама в Орегоне, выбрасывая камни и горящий пепел годами, повлекший многолетние дожди, заполнившие в итоге вулканический кратер, называющийся сейчас Озеро Кратер. У орегонских индейцев племени Кламат есть легенда, в которой описаны данные события, вплоть до геологических деталей, однако с добавлением драматических элементов, выставляющих человека виновником данной катастрофы. Способность человека чувствовать вину такова, что люди всегда изыскивают способы обвинить себя. Как гласит легенда, Лао, вождь Нижнего Мира, влюбился в красивую человеческую девушку, дочь вождя племени Кламат. Она отвергла его, и в отместку Лао попытался с помощью огня уничтожить племя Кламат. К счастью, согласно легенде, Скелл, вождь Верхнего Мира, пожалел людей и вступил в битву со своим подземным оппонентом. В конечном счете, израненный Лао упал на гору Мазама, оставив огромную дыру, кратер, со временем заполнившийся водой.

Незнание законов природы приводило людей в древние времена к изобретению богов, распространяющих своё влияние на каждый аспект человеческой жизни. Были боги любви и войны, Солнца, земли и неба, океанов и рек, дождя и бурь, даже землетрясений и вулканов. Когда боги были довольны, человечество наслаждалось хорошей погодой, миром. а также свободой от природных катастроф и болезней. Будучи расстроенными и недовольными, они вызывали засухи, войны, мор и эпидемии. Поскольку причинно-следственные связи, лежащие в основе природных явлений, оставались невидимы человеческому глазу, пути богов представлялись непостижимыми и люди должны были уповать на их милость. Но с появлением Фалеса Милетского (прим.624 до РХ - прим.546 до РХ) около 2600 лет назад, положение дел начало меняться. Появилась идея, что природа следует непротиворечивым принципам, которые могут быть разгаданы. И вот так начался долгий процесс замещения представлений о власти богов концепцией Вселенной, управляемой законами природы и созданной по чертежам, которые мы когда-нибудь научимся читать.

С точки зрения хронологии человеческой истории, научные исследования являются весьма новым видом деятельности. Наш вид, человек разумный, зародился к югу от пустыни Сахара в Африке около 200000 лет до РХ. Около 7000 лет до РХ появился письменный язык, как продукт развития обществ, занимающихся выращиванием зерновых культур. (В некоторых из старейших надписей речь идёт о дневной норме пива, дозволенной каждому гражданину). Наиболее ранние записи великой древнегреческой цивилизации датируются 9 веком до РХ, но расцвет этой цивилизации, известный как "классический период", наступил несколькими веками позже, начавшись незадолго до 500 года до РХ. Согласно Аристотелю (384 - 322 до РХ), это произошло примерно в то время, когда Фалес впервые разработал гипотезу о том, что мир может быть познан, что сложность событий, происходящих вокруг нас, может быть сведена к простым принципам и объяснена без использования мифологических или теологических толкований.

Фалесу приписывают первое предсказание солнечного затмения в 585 году до РХ, хотя высокая точность его предсказания, была, скорее всего, удачным совпадением. Он был загадочной личностью, не оставив после себя никаких своих письменных трудов. Его дом, являясь одним из интеллектуальных центров региона, колонизированного греками и называемого "Иония", оказывал влияние, распространившееся от Турции на запад, до Италии. Ионийская наука была предприятием, отмеченным значительным интересом к раскрытию основополагающих законов с целью получения объяснений природных явлений, знаменательной вехой в истории человеческих идей. Их подход был рационален и во многих случаях приводил к заключениям, удивительным образом совпадающим с теми, к которым наши, более изощрённые методы, приводят нас сегодня. Он представлял собой великое начинание. Но спустя столетия большинство ионийских научных знаний будут забыты - только для того, чтобы быть открытыми или изобретёнными заново, иногда не единожды.

Согласно легенде, первая математическая формула того, что сегодня мы могли бы назвать законом природы, восходит к ионийцу по имени Пифагор (прим.580 до РХ - 490 до РХ), известному теоремой, названной в его честь и гласящей, что квадрат гипотенузы (длинная сторона) прямоугольного треугольника равен сумме квадратов двух других сторон. Говорят, что Пифагор обнаружил числовую связь между длиной струн, используемых в музыкальных инструментах, и гармоническими сочетаниями звуков. Говоря сегодняшним языком, мы могли бы описать эту связь, сказав, что частота - количество колебаний в секунду - для струны, колеблющейся при постоянной величине натяжения, обратно пропорционально длине струны. С практической точки зрения это объясняет, почему бас- гитары должны иметь более длинные струны, нежели обычные гитары. Возможно, и не Пифагор открыл это он также не открывал теорему, носящую его имя - ведь существует свидетельство, что зависимость между длинной струны и высотой звука была известна в его время. Если это так, то можно назвать эту простую математическую формулу первым примером того, что нам в настоящее время известно, как теоретическая физика.







Отдельно от закона струн Пифагора единственными физическими законами, которые точно были известны древним, являются три закона, подробно описанные Архимедом (прим. 287 до РХ - прим. 212 до РХ), гораздо более известным физиком античности. В сегодняшней терминологии закон рычага объясняет, что малыми силами может быть поднят большой вес, потому что рычаг увеличивает силу согласно отношению расстояний от точки опоры рычага. Закон плавучести гласит, что любой объект, помещённый в жидкость, будет испытывать выталкивающую силу, равную весу вытесненной объектом жидкости. И закон отражения утверждает, что угол между лучом света и зеркалом будет равен углу между зеркалом и отражённым лучом. Однако сам Архимед не называл их законами, он также не объяснял их со ссылками на результаты наблюдений и измерений. Вместо этого он рассматривал их как чисто математические теоремы, являющиеся частью, не требующей доказательств системы, весьма схожей с той, что Эвклид создал для геометрии.

По мере распространения ионийского влияния появлялись и другие люди, способные увидеть, что во Вселенной присутствует определённого рода порядок, который может быть понят посредством наблюдений и формирования умозаключений. Анаксимандр (прим. 610 до РХ - прим. 546 до РХ), друг и, возможно, ученик Фалеса, утверждал, что поскольку человеческие младенцы при рождении абсолютно беспомощны, то если бы первый человек каким-либо образом появился бы на Земле, будучи младенцем, то не смог бы выжить. В дальнейшем, и это можно отметить как первый в истории человечества намёк на эволюцию, Анаксимандр обосновывал, что люди должны были, таким образом, развиться из других животных, чьи детёныши более выносливы. На Сицилии Эмпедокл (прим. 490 до РХ - прим. 430 до РХ) наблюдал за использованием инструмента, называющегося клепсидра. Иногда используемый в качестве черпака, он представляет собой сферу с открытым горлышком и небольшими отверстиями в дне. Будучи погружён в воду, он наполняется и, если затем закрыть горловину, клепсидру можно поднять без вытекания воды через отверстия на дне. Эмпедокл заметил, что если закрыть горловину перед погружением, то клепсидра не заполняется. Он аргументировал это тем, что нечто невидимое должно быть препятствует поступлению воды через отверстия в сферу - таким образом он открыл материю, которую мы называем воздухом.

Приблизительно в то же время Демокрит (прим. 460 до РХ - прим. 370 до РХ), проживающий в ионийской колонии в северной Греции, размышлял, что происходит, когда предмет ломают или разрезают на части. Он утверждал, что вы не сможете продолжать этот процесс бесконечно. Вместо этого он постулировал, что всё сущее, включая всех живых существ, состоит из элементарных частиц, которые не могут быть разрезаны или разломаны на части. Он назвал эти предельные частицы атомами, от греческого прилагательного, означающего "неделимый". Демокрит полагал, что даже материальные явления являются результатом взаимодействия атомов. С его точки зрения, получившей название атомизм, все атомы в пространстве движутся и, до тех пор, пока на них не оказывается воздействие, продолжают своё движение неопределённое время. Сегодня эта гипотеза называется законом инерции.

Революционная идея о том, что мы всего лишь обычные жители Вселенной, а не особые существа, призванные служить её центром, впервые отстаивалась Аристархом (прим. 310 до РХ - прим. 230 до РХ), одним из последних ионийских учёных. До наших дней дошло только одно из его вычислений, сложный геометрический анализ тщательных наблюдений, которые он производил, замеряя размер земной тени на поверхности Луны во время лунного затмения. Из своих наблюдений он сделал вывод, что Солнце должно намного превосходить размерами Землю. Возможно, вдохновлённый идеей о том, что малые объекты должны обращаться вокруг гигантских, а не наоборот, он стал первым человеком, утверждающим, что Земля не является центром нашей планетарной системы, а напротив, она и другие планеты вращаются по орбитам вокруг Солнца. Малый шаг от понимания того, что Земля это всего лишь одна из планет до идеи о том, что наше Солнце также не является чем-то особенным. Аристарх думал, что дело обстоит именно так и полагал, что звезды, которые мы видим на ночном небе, на самом деле не что иное как далёкие Солнца.

Ионийцы были одной из многих школ древнегреческой философии, каждая из которых имела отличающие её и зачастую противоречивые традиции. К сожалению, ионийский взгляд на природу - что она может получить объяснение посредством общих законов и сведения к простому набору принципов - оказывал мощное влияние лишь на протяжении нескольких столетий. Одним из объяснений этого, является то, что в ионийских теориях, часто казалось, нет места для понятий свободной воли, целеполагания или концепции того, что боги вмешиваются в происходящее на Земле. Это было поразительным упущением, весьма тревожащим как древнегреческих мыслителей, так и многих людей сегодня. Философ Эпикур (341 - 270 до РХ), к примеру, выступал против атомизма основываясь на том, что "лучше следовать мифам о богах, чем стать рабом в судьбе натурфилософов". Аристотель также отвергал концепцию атомов, поскольку не мог принять тот факт, что человеческие существа состоят из бездушных неживых объектов. Ионийская идея о том, что человек не является центром Вселенной, была ключевой вехой в нашем понимании космоса, но стоит отметить, что, будучи высказанной, эта идея не стала распространённой и общепризнанной, до появления Галилея, почти двадцатью столетиями позже.

Какими бы проницательными порой не были их размышления о природе, большинство идей древних греков не могли бы соответствовать требованиям, предъявляемым к научным теориям в наше время. Например, поскольку греки не изобрели научный метод, разработка их теорий не предполагала получения экспериментального подтверждения. Таким образом, если один учёный утверждал, что атом движется прямолинейно до тех пор, пока не столкнётся с другим атомом, а другой учёный заявлял, что атом движется по прямой до тех пор, пока не столкнётся с циклопом, не существовало объективного способа разрешить подобное противоречие. Также, отсутствовали чёткие различия между человеческими и физическими законами. В пятом веке до РХ, к примеру, Анаксимандр писал, что все вещи появляются из некоей первичной субстанции и возвращаются в неё, чтобы "заплатить штраф и претерпеть наказание за их недостойное поведение". Согласно ионийскому философу Гераклиту (прим. 535 до РХ - прим. 475 до РХ), Солнце ведёт себя так, а не иначе, потому что, в противном случае, оно станет объектом преследования со стороны богини правосудия. Несколькими столетиями спустя, стоики - греческая философская школа, возникшая около третьего века до РХ, ввели различие между состояниями, свойственными человеку и законами природы. Однако они включили правила человеческого поведения, считавшиеся ими универсальными, такими как поклонение Богу и почитание родителей, в категорию законов природы. И наоборот, они часто описывали физические процессы в юридических терминах и полагали, что на эти процессы может быть оказано таким образом воздействие, несмотря на то, что объекты, от которых требовалось "повиновение" законам, являлись неодушевлёнными. Если вам представляется сложной задача заставить людей соблюдать правила дорожного движения, представьте себе процесс убеждения, направленный на астероид, с целью заставить его двигаться по эллиптической орбите.

Эта традиция продолжала оказывать влияние на мыслителей, преемников греков, на протяжении многих столетий. В тринадцатом веке раннехристианский философ Фома Аквинский (прим. 1225 - 1274) принял эту точку зрения и использовал её для доказательства существования Бога, написав, "Является несомненным, что [неодушевлённые тела] достигают своего конца не случайно, но намеренно... Существует, таким образом, разумное существо, чьей волей всё в природе направляется к завершению. Даже в конце шестнадцатого века, великий немецкий астроном Кеплер (1571-1630) полагал, что планеты обладают чувством восприятия и сознательно следуют законам движения, заложенным в их рассудок.

Понятие о законах природы как о том, чему следует неукоснительно повиноваться отражает тот факт, что внимание древних было сосредоточено на том, почему природа ведёт себя тем или иным образом, а не на том как она это делает. Аристотель был одним из ведущих сторонников такого подхода, отвергая идею науки, основывающейся преимущественно на наблюдениях. В любом случае, производить точные измерения и математические вычисления в древние времена было затруднительно. Десятичная система, которую мы находим столь удобной для арифметических вычислений, датируется примерно 700 годом нашей эры, когда индусы достигли первых успехов в превращении данного метода в мощный инструмент. Обозначение знаков "плюс" и "минус" не было известно до пятнадцатого века. Также до шестнадцатого века не были известны знак равенства и часы, которые позволили бы измерить время с точностью до секунды.

Аристотель, однако, не видел проблем в измерении и вычислении как препятствия для развития физики, которая могла произвести количественные предсказания. Скорее он не видел потребности делать их. Вместо этого Аристотель построил свою физику на принципах, которые привлекали его интеллектуально. Он исключал факты, которые находил непривлекательными и сосредотачивал усилия на выявлении причин, по которым происходят события, уделяя относительно мало внимания тому, что именно происходит. Аристотель только тогда корректировал свои заключения, когда их вопиющее расхождение с результатами наблюдений уже нельзя было игнорировать. Однако вносимые исправления зачастую являлись специальным образом подобранными объяснениями, которые были не более чем попытками скрыть суть противоречия. Таким образом, независимо от степени расхождения его теории с действительным положением дел, он всегда мог внести в неё правки в объёме, достаточном для устранения противоречий. К примеру, его теория движения определяла, что тяжёлые тела падают с постоянной скоростью, пропорциональной их весу. Для объяснения того факта, что скорость объектов при падении очевидным образом возрастала, он изобрёл новый принцип, декларирующий, что поведение тел приобретает "ликующий" характер и, следовательно, они ускоряются, приближаясь к месту обретения покоя. Сегодня подобный принцип выглядит применимым для описания скорее отдельной категории людей, нежели неодушевлённых объектов.

Хотя теории Аристотеля зачастую имели низкую прогнозную ценность, его подход к науке преобладал в западном мышлении почти две тысячи лет.

Христианские последователи древних греков отвергли гипотезу о том, что Вселенная управляется беспристрастными законами природы. Также они отвергли идею о том, что люди не занимают во Вселенной привилегированную позицию. И хотя в средние века не существовало единой связной философской системы, объединяющим моментом было представление о Вселенной как о игровой площадке Бога, а изучать религию представлялось значительно более ценным, нежели природные явления. В самом деле, в 1277 году парижским епископом Темпьером, действующим по указанию Папы Иоанна XXI, был опубликован список 219 ошибок или ересей, которые считались неприемлемыми. В числе ересей, как вступающая в противоречие с идеей всемогущества Бога, находилась и гипотеза о природе, подчиняющейся законам. Интересно, что Папа Иоанн пал жертвой закона гравитации несколькими месяцами спустя, когда крыша его дворца обрушилась на него.







Современная концепция законов природы появилась в семнадцатом веке. Кеплер, похоже, был первым учёным, в значении, которое вкладывает в этот термин современная наука, хотя, как было сказано ранее, он сохранял анимистический взгляд на природу физических объектов. Галилей (1564 - 1642)

не использовал термин "закон" в своих наиболее известных научных трудах (хотя такой термин появлялся в некоторых переводах этих работ). Использовал он этот термин или нет, но Галилей открыл огромное множество законов и отстаивал значение принципов, согласно которым наблюдение лежит в основе науки и предназначением науки является исследование количественных связей, существующих между физическими явлениями. Однако, человеком, который недвусмысленно и чётко сформулировал понятие законов природы в их современном понимании, был Рене Декарт (1596 - 1650).

Декарт полагал, что все физические явления должны быть объяснены в терминах столкновения движущихся масс, управляемых тремя законами - предшественниками знаменитых Ньютоновских законов движения. Он утверждал, что эти законы природы выполняются в любом месте и в любое время и недвусмысленно указывал, что подчинение этим законам не подразумевает разумности движущихся тел. Декарт также понял значимость того, что мы сегодня называем "исходными условиями". Они описывали состояние системы в начале произвольного промежутка времени, в течение которого наблюдатель строит прогнозы. При заданном наборе исходных условий законы природы определяют, как система будет развиваться с течением времени, но без заданных исходных условий характер развития определить невозможно. Если, к примеру, в момент начала отсчёта времени голубь, находящийся непосредственно над наблюдателем, роняет вниз свой "гостинец", траектория данного падающего объекта определена законами Ньютона. Но результат может весьма различаться, в зависимости от того, сидит ли в момент начала отсчёта времени голубь неподвижно на телефонном проводе или же находится в состоянии полёта со скоростью 20 миль в час. Для применения законов природы наблюдатель должен знать о состоянии системы в момент начала наблюдений или, по меньшей мере, о её состоянии в определённый момент времени. (Наблюдатель может также использовать законы природы, чтобы определить состояние системы в прошлом).

По мере возрождения веры в существование законов природы имели место и новые попытки примирить эти законы с концепцией существования Бога. Согласно Декарту, Бог может по желанию изменять истинность или ложность этических суждений или математических теорем, но не природа. Он полагал, что Бог предопределил законы природы, но не имел возможности выбора в этом процессе; напротив, он выбрал их потому, что законы, влияние которых мы испытываем, являлись единственно возможным выбором. Это могло показаться посягательством на власть Бога, но Декарт обошёл этот момент, утверждая, что неизменность этих законов является отражением присущих самому Богу качеств. Если бы это было правдой, можно было бы предположить, что у Бога всё ещё есть возможность создания многообразных различных миров, каждый из которых характеризовался бы различным набором исходных условий. Однако Декарт это также отрицал. Независимо от способов организации материи в момент появления Вселенной, утверждал он, спустя время, в процессе развития появится мир идентичный нашему. Более того, Декарт предполагал, что Бог, единожды сотворив мир, оставил его в полном одиночестве.

Подобное положение (с некоторыми исключениями) было принято Исааком Ньютоном (1643-1727). Ньютон был человеком, добившимся со своими тремя законами движения и законом земного притяжения принятия современной концепции физического закона. Его законы позволяли производить расчёты орбит Земли, Луны и планет, а также объясняли такие явления, как приливы. Небольшое количество уравнений, разработанных им, а также развитая нами на из основе математическая база, всё ещё изучаются сегодня и применяются как архитектором при проектировании здания, так и инженером, проектирующим автомобиль или физиком, производящим расчёты, для точного нацеливания ракеты, предназначающейся к посадке на Марс. Как писал поэт Александр Поуп:

"Был этот мир извечной тьмой окутан;

Да будет свет!и вот явился Ньютон".

Сегодня большинство учёных сказали бы, что закон природы это правило, опирающееся на результаты регулярных наблюдений и позволяющее делать прогнозы, распространяющиеся за пределы наблюдаемой ситуации. К примеру, мы могли бы заметить, что Солнце восходит на востоке каждое утро нашей жизни и постулировать закон, гласящий "Солнце всегда восходит на востоке". Данное утверждение является обобщением, распространяющимся за пределы наших наблюдений за восходящим Солнцем, и формирует проверяемый прогноз на будущее. С другой стороны, заявление "Компьютеры в этом офисе - чёрные" не является законом природы, поскольку относится только к компьютерам, находящимся внутри офисного помещения и не позволяет делать прогнозы вроде "Если в мой офис купят новый компьютер, он будет чёрным".

Наше современное понимание термина "закон природы" является предметом спора философов с момента появления и это более тонкий вопрос, нежели может показаться на первый взгляд. К примеру, философ Джон У. Кэрролл сравнивал утверждение "Все золотые шары - менее мили в диаметре" с утверждением "Все шары, состоящие из урана-235 - менее мили в диаметре". Наши наблюдения окружающего мира подтверждают, что не существует золотых шаров в милю шириной и, с достаточной степенью уверенности, можно считать, что их никогда и не будет. Тем не менее, у нас нет причин полагать, что появление такого шара невозможно и, следовательно, данное утверждение не может считаться законом. С другой стороны, утверждение, что "Все шары, состоящие из урана-235 - менее мили в диаметре" могло бы считаться законом природы, потому, что согласно нашим знаниям о ядерной физике, если шар, состоящий из урана-235, превысит диаметр шесть дюймов, он уничтожит себя в процессе ядерного взрыва. Таким образом, мы можем быть уверены, что подобные шары не существуют. (Предпринимать попытки создания такого шара - не самая лучшая идея!) Это различие важно, поскольку показывает, что не все обобщения, которые мы формируем в процессе наблюдений, могут считаться законами природы и что большинство законов природы являются компонентами более объёмной, взаимосвязанной системы законов.

В современной науке законы природы обычно записываются посредством математических формул. Они могут быть точными или приблизительными, но всегда без исключения должны обеспечивать возможность проверки посредством наблюдения, если и не в любом случае то, как минимум, для заданного набора условий. Например, нам теперь известно, что законы Ньютона должны быть изменены в случае, если объекты движутся со скоростями, близкими к скорости света. И всё же, мы считаем законы Ньютона законами, поскольку они обеспечивают как минимум очень высокое приближение результатов получаемых при измерениях, для условий повседневного мира, в котором скорости, с которыми мы имеем дело, гораздо ниже скоростей света.

Если природа управляется законами, возникает три вопроса:

  1. Что является первоисточником этих законов?

  2. Существуют ли исключения из законов, например, чудеса?

  3. Единственный ли комплект законов существует?

Эти важные вопросы различным образом рассматривались учёными, философами и теологами.

Ответ, традиционно даваемый на первый вопрос - ответ Кеплера, Галилея, Декарта и Ньютона - гласил, что законы это дело рук божьих. Однако это есть не что иное, как определение Бога, являющегося воплощением законов природы. И если только исследователь не наделяет Бога иными атрибутами, присущими, к примеру, Богу Ветхого Завета, использование Бога в качестве ответа на первый вопрос есть не что иное, как замена одной загадки другой. Таким образом, включив Бога в ответ на первый вопрос, мы услышим отчётливый хруст в основании второго вопроса: существуют ли чудеса, исключения из законов?

Различия во мнениях касательно ответа на второй вопрос имеют чётко выделенный характер. Платон и Аристотель, наиболее влиятельные древнегреческие авторы, придерживались мнения, что из законов не существует исключений. Если же принять библейскую точку зрения, то Бог не только создал законы, но также может быть подвигнут посредством молитв на создание исключений, таких как исцеление неизлечимо больного, досрочное прекращение засухи или восстановления крокета как олимпийского вида спорта. В противоположность декартовской точке зрения, почти все христианские мыслители придерживались мнения, что Бог должен обладать возможностью временно приостанавливать действие законов для совершения чудес. Даже Ньютон в некотором роде верил в чудеса. Он думал, что орбиты планет могли быть нестабильны потому, что гравитационное притяжение одной планеты к другой могло вызывать нарушение орбит, которое, увеличиваясь со временем, могло иметь результатом как падение планет на Солнце, так и выбрасывание их за пределы солнечной системы. Бог, полагал он, должен постоянно регулировать орбиты или, другими словами, "подводить небесные часы, не позволяя им останавливаться". Однако Пьер-Симон, маркиз де Лаплас (1749-1827), более известный как Лаплас, утверждал, что указанные возмущения могли быть периодическими, что являлось, скорее, свидетельством повторяющихся циклов, нежели кумулятивного эффекта. Солнечная система, таким образом, могла сама восстанавливать своё состояние и, чтобы объяснить, как она смогла дожить до сегодняшнего дня, в божественном вмешательстве необходимости не было.

С именем Лапласа обычно связывают первую четкую формулировку научного детерминизма: для данного состояния Вселенной в конкретный момент времени, существует комплект законов, позволяющий полностью определить как будущее, так и прошлое её состояния. Это могло бы исключить возможность чудес или лишило Бога возможности играть активную роль. Научный детерминизм, сформулированный Лапласом, это ответ современных учёных на второй вопрос. Это, по сути, основа всей современной науки и принцип, важность которого неизменна на всём протяжении данной книги. Научный закон не является таковым, если действует только тогда, когда некая сверхъестественная сущность принимает решение не вмешиваться. Говорят, что поняв это, Наполеон спросил Лапласа о том, какое место занимает Бог в этой картине мира. Лаплас отвечал: "Сэр, я не нуждался в этой гипотезе".

Поскольку люди живут во Вселенной и взаимодействуют с другими её объектами, научный детерминизм должен быть также применим и к людям. Многие, однако, соглашаясь с тем, что научный детерминизм определяет течение физических процессов, хотели бы сделать исключение для поведения людей, основываясь на вере в наличие у нас свободной воли. Декарт, к примеру, для защиты идеи свободной воли утверждал, что разум человека не принадлежит физическому миру и не следует его законам. По его мнению, личность состоит из двух составных частей, тела и души. Тела - это не что иное, как заурядные машины, но души не попадают в сферу действия научных законов. Декарт проявлял интерес к анатомии и физиологии и считал небольшой орган в центре мозга, носящий название шишковидного тела, местом, в котором располагается душа. Эта железа, по его мнению, был местом, где формируются все наши мысли, источник нашей свободной воли. У людей есть свобода воли?







Если мы обладаем свободной волей, то в каком месте эволюционного древа произошло её развитие? Обладают ли свободной волей сине-зелёные водоросли или бактерии, или их поведение автоматично и полностью в рамках законов науки? Только ли многоклеточные организмы обладают свободной волей, или она присуща лишь млекопитающим? Мы можем считать, что шимпанзе являет пример свободной воли, решив погрызть банан, или кошка, когда она потрошит ваш диван, но что насчёт круглого червя Caenorhabditis elegans - простого существа, состоящего всего из 959 клеток? Он, вероятно, никогда не думает, "А это была чертовски вкусная бактерия, что досталась мне на прошлый обед", хотя у него есть пищевые предпочтения и он, основываясь не недавнем опыте, либо выберет непривлекательную пищу, либо отправится на поиски чего получше.

Это ли пример свободной воли? Хотя мы и чувствуем, что можем выбирать что делать, наше понимание молекулярных основ показывает, что биологические процессы подчиняются законам физики и химии и, таким образом, также предопределены, как и орбиты планет. Недавние исследования в неврологии подтверждают точку зрения, согласно которой именно наш физический мозг, следуя известным законам науки, определяет наши действия, а вовсе не какая-то сила, существующая за пределами этих законов. К примеру, исследования пациентов, переносящих операции на мозге в состоянии бодрствования, показали, что воздействие электрическими импульсами на отдельные области мозга способно вызвать у пациента желание шевельнуть кистью, рукой, ногой, а также пошевелить губами или заговорить. Сложно представить, как свободная воля может действовать, если наше поведение определено физическими законами, так что, по-видимому, мы являемся ничем иным, как биологическими машинами, а свобода воли - это всего лишь иллюзия.

Признавая, что человеческое поведение в действительности определяется законами природы, также следует заключить, что результат, определяемый настолько сложным способом и при наличии столь многих переменных величин, является практически непредсказуемым. Для его получения потребовалось бы знание о изначальном состоянии каждой из тысяч триллионов триллионов молекул человеческого тела и решение большого числа уравнений. Это заняло бы несколько миллиардов лет, что многовато для случаев когда, например, требуется всего лишь увернуться от замахнувшегося противника.

Поскольку непрактично применять основные физические законы для предсказания поведения людей, мы принимаем то, что называется действующей теорией. В физике под действующей теорией понимается структура, созданная с целью моделирования определённых наблюдаемых явлений, без детального описания всех основных составляющих процессов. Например, мы не в состоянии точно решить уравнения, определяющие гравитационные взаимодействия каждого атома в человеческом теле с каждым атомом Земли. Но, для практических целей, гравитационная сила возникающая между человеком и поверхностью земли, может быть описана в виде всего нескольких чисел, таких, как общая масса тела человека. Подобным же образом, мы не в состоянии решить уравнения, определяющие поведение сложных атомов и молекул, но мы разработали действующую теорию, называемую химией, которая обеспечивает достаточное объяснение поведения атомов и молекул во время химических реакций, без необходимости учёта каждой детали взаимодействий. В случае же с людьми, раз уж мы не можем решить уравнения, определяющие наше поведение, мы применяем действующую теорию о наличии у людей свободной воли. Наукой, изучающей нашу волю и обусловленное ею поведение, является психология. Экономика также является действующей теорией, основанной на понятии свободной воли и допущении, что люди оценивают различные возможные варианты действий и выбирают наилучший. Действующая теория является умеренно успешной в части предсказания поведения, поскольку, как всем нам известно, решения зачастую являются нерациональными или основанными на неполном анализе последствий того или иного выбора. Вот поэтому-то в мире и царит такой беспорядок.

Третий вопрос рассматривает, являются ли законы, определяющие поведение Вселенной и человека единственными в своём роде? Если на первый вопрос вы ответили, что Бог создал законы, тогда этот звучит следующим образом: была ли у него свобода выбора? Аристотель и Платон, как и Декарт, а позднее Эйнштейн считали, что принципы, лежащие в основе природы, существуют за пределами каких-либо "требований", поскольку являются единственными законами, формирующими рациональные объяснения. Следуя убеждению в том, что своему происхождению законы природы обязаны логике, Аристотель и его последователи полагали, что таковые законы должны "выводиться" без оглядки на то, как на самом деле ведёт себя природа. Это, а также размышления на тему, почему объекты следуют законам, вместо конкретизации того, чем законы являлись, привело его к созданию по большей части законов, выражаемых в качественной форме. Законов, которые зачастую были неверны и не принесли особой пользы, несмотря на то, что доминировали в научной мысли многие века. Много позже, люди, такие как Галилей, осмелились бросить вызов авторитету Аристотеля и наблюдали за тем, как на самом деле происходят природные явления, вместо принятия на веру того, что, согласно чистой воды "соображениям", должно было происходить.

Корни этой книги лежат в концепции научного детерминизма, который подразумевает, что ответ на второй вопрос не предполагает наличия чудес или исключений из законов природы. Мы постараемся, однако, дать более глубокие ответы на первый и третий вопросы, темы которых: как возникают законы и являются ли эти законы единственно возможным выбором. Но прежде всего, в следующей главе, мы постараемся изложить, что же, собственно, описывают законы природы. Большинство учёных сказали бы, что они являются математическим отражением внешней реальности, существующей независимо от наблюдателя. Но как только мы начинаем размышлять привычным способом, наблюдая и формируя концепции о нашем окружении, то тут же упираемся в вопрос: есть ли у нас основания полагать, что объективная реальность существует?

3

ЧТО ЕСТЬ РЕАЛЬНОСТЬ?

НЕСКОЛЬКО ЛЕТ НАЗАД городской совет Монцы, Италия, запретил держать золотых рыбок в круглых аквариумах для золотых рыбок. Инициатор закона объяснил свою позицию тем, что держать рыбок в круглом аквариуме жестоко, так как реальность за его пределами будет представать для них в искаженном виде. Но как нам знать, как выглядит неискаженная реальность? Не может ли оказаться, что мы сами внутри большого аквариума и наше видение искажено гигантскими линзами? Картина реальности рыбки отличается от нашей, но можем ли мы быть уверены, что она менее реальна?

Зрительные образы золотой рыбки отличаются от наших, но она всё же могла бы формулировать научные законы движения объектов, наблюдаемых из своего аквариума. Например, из-за искажения, свободно движущийся объект, движущийся по прямой линии, за которым наблюдаем мы, для золотой рыбки будет казаться движущимся по кривой. Тем не менее, золотые рыбки могут вывести относительно их искаженной системы отсчета, свои, истинные для любых явлений научные законы, что дало бы им возможность прогнозирования движения объектов за пределами чаши. Ее законы будут сложнее, чем наши, но то, что просто для одного, может быть сложно другому. Если бы рыбка сформулировала такую теорию, то мы были бы обязаны допустить реальность ее картины мира.

Знаменитый пример разного видения реальности - модель описания движения астрономических тел, предложенная Птолемеем около 150 г н.э. Птолемей опубликовал свою работу в тринадцатикнижном трактате, более известным под своим арабским названием Альмагест. Альмагест начинается с объяснения причин полагать, что Земля шарообразна, неподвижна, находится в центре Вселенной и ничтожно мала в сравнении с расстоянием до небес. Несмотря на гелиоцентрическую модель Аристарха, эти убеждения поддерживались самыми образованными греками, как минимум, со времен Аристотеля, который верил в мистические причины нахождения Земли в центре Вселенной. В модели Птолемея Земля оставалась неподвижной в центре, а планеты и звёзды двигались вокруг неё по сложным орбитам, включающих эпициклы, подобно движению колеса по колесу.






Модель казалась естественной, потому что мы не чувствуем движение земли под ногами (исключая случаи вроде землетрясения или переполнения эмоциями). Позднее европейское учение было основано на греческих представлениях о мире, которые уже распространились. Так, идеи Аристотеля и Птолемея стали базисом для многих европейских мыслителей. Модели Вселенной Птолемея была принята Католической церковью и стала официальной доктриной на протяжении четырнадцати столетий. Так было до 1543 года, пока Коперник не предложил альтернативную модель в своей книге "De revolutionibus orbium coelestium" ("Об обращении небесных сфер), опубликованной лишь в год его смерти (это при том, что работал он над своей теорией несколько десятков лет).

Коперник, как и Аристарх примерно за семнадцать веков до него, описал мир, где Солнце находится в состоянии покоя, а планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. Хоть идея и не была нова, ее возрождение встретило страстный отпор. Модель Коперника противоречила Библии, которая представлялась утверждающей, что планеты обращаются вокруг Земли, даже если Библия этого никогда прямо не заявляла. В сущности, в свое время Библия была написана людьми, которые считали Землю плоской. Модель Коперника привела к бурным дебатам по поводу того, действительно ли Земля неподвижна. Они достигли накала, когда Галилей в 1633 году за защиту модели Коперника, а также за мнение о том, что "можно придерживаться противного Священному Писанию мнения и защищать его как правдоподобное", был обвинен в ереси. Его признали виновным, посадили под домашний арест на всю оставшуюся жизнь и заставили отречься от своих взглядов. Как говорят, он пробормотал: "Eppur si muove" ("И все-таки она вертится!"). В 1992 году Римская Католическая Церковь наконец признала, что приговор Галилею был несправедлив.

Так какая же модель верна: система Птолемея или система Коперника? Хотя часто можно услышать, что Коперник доказал, будто Птолемей ошибается, это не так. Как и в случае обыкновенного для нас восприятия, противоречащего восприятию золотых рыбок, каждый может использовать чужую картину в качестве модели Вселенной, ибо наши наблюдения за небесами можно объяснить как тем, что Земля находится в состоянии покоя, так и тем, что в состоянии покоя находится Солнце. Забудем о роли системы Коперника в философских дебатах по поводу природы нашей Вселенной. Реальное преимущество этой системы заключается в том, что совокупность факторов движения будет гораздо проще в той схеме, где Солнце неподвижно.

Особый вид альтернативной реальности можно встретить в научно-фантастическом фильме "Матрица", где человечество неосознанно живет в моделируемой виртуальной реальности, созданной разумными компьютерами для того, чтобы подавить и усмирить людей, в то время как компьютеры питаются их биоэлектрической энергией (что бы под этим ни подразумевалось). Возможно, это не настолько неправдоподобно, потому что много людей предпочитают проводить свое время в моделируемой действительности веб-сайтов, таких как Вторая Жизнь. Как понять, что мы не персонажи мыльной оперы, постановщиком которой является компьютер? Если бы мы жили в синтетическом воображаемом мире, события не обязательно имели бы какую-то логику или последовательность или подчинялись законам. Инопланетяне-экспериментаторы могли бы найти занятным или забавным посмотреть на наши реакции, если, например, полная Луна расколется надвое или если люди со всего мира, сидящие на диете, вдруг почувствуют непреодолимую тягу к поеданию тортов с банановым кремом. Но если бы инопланетяне навязывали нам логичные законы, то мы не могли бы сказать, что есть иная реальность за этой, имитированной. Было бы легко назвать мир инопланетян "реальным", а синтетический - "ложным". Но если существа это симулированного мира не могут, как мы, увидеть свою Вселенную извне, для них не было бы причин сомневаться в своей картине мира. Это современная версия той мысли, что все мы - лишь персонажи чьего-то сна.

Эти примеры приводят нас к заключению, которое является важной частью этой книги: нет никакой

картины (или теории) независимой концепции реальности. Вместо этого мы примем идею, которую назовем "модельно-зависимый реализм": идея, что физическая теория или картина мира - это модель (главным образом математической природы) и комплекс правил, которые соединяют элементы этой модели в наблюдении. Это создаст каркас для интерпретации современной науки.







Со времен Платона философы спорят о природе реальности. Классическая наука основана на вере, что существует настоящий внешний мир, свойства которого точны и независимы для наблюдателя, воспринимающего их. Согласно классической науки, точные объекты существуют и имеют такие физические свойства, как скорость и масса, имеющие определенную величину. С этой точки зрения наши теории - попытки описать эти объекты и их свойства, и наши измерения и ощущения соответствуют им. И наблюдатель и наблюдаемый является частями мира, у которого есть объективное существование, и какие- либо различия между ними не имеют значащего значения. Другими словами, если вы видите стадо зебр борющихся за место в гараже, это потому, что там действительно стадо зебр ведет борьбу за место в гараже. Все другие наблюдатели, которые оценивают, измерят те же самые свойства, и у стада будут те же свойства, независимо наблюдает кто-либо за ними или нет. В философии эту веру называют реализмом.

Хотя реализм может быть заманчивой точкой зрения, как мы увидим позже, но то, что мы знаем о современной физике, делает его трудным для защиты. Например, в соответствии с принципами квантовой механики, которая является точным описанием природы, частицы не имеют, как ни определенного положения в пространстве, так и ни определенной скорости и пока эти величины измеряются наблюдателем. Поэтому не будет правильным утверждение, что измерение дает определенный результат, потому что измеряемые величины не имеют смысла на момент измерения. Фактически, в некоторых случаях отдельные объекты даже не имеют независимого существования, а скорее существуют как часть ансамбля многих частиц. И, если теория, называемая "голографическим принципом", окажется верной, то мы и наш четырехмерный мир можем быть тенями на границе большего мира, пятимерного пространственного-временного континуума. В этом случае, наш статус во Вселенной аналогичен статусу золотой рыбки.

Строгие реалисты часто утверждают, что доказательство этих научных теорий представляет действительность, в чем и заключается их успешность. Но различные теории могут успешно описывать те же феномены через несоизмеримые концептуальные структуры. Фактически, многие научные теории, которые оказались успешными, позднее были заменены другими, одинаково успешными теориями, основанные на более новых понятиях реальности.

Традиционно, те, кто не принимает реализм, именуются анти-реалистами. Анти-реалисты указывают на различия между эмпирическим знанием и теорией. Как правило, они утверждают, что наблюдение и эксперимент являются содержательными, а теории являются не более, чем полезными инструментами, которые не заключают в себе каких-либо более глубоких истин, лежащих в основе наблюдаемых явлений. Некоторые антиреалисты даже хотели свести всю науку только к объективно наблюдаемым явлениями. По этой причине, в девятнадцатом веке многие отклоняли гипотезу об атомах на основании того, что нам никогда не удавалось увидеть ни один из них. Джордж Беркли (1685-1753) даже пришел к тому, что не существует ничего, кроме разума и его мыслей. Когда друг английского автора и лексикографа доктора Самюэля Джонсона (1709-1784) заметил, что утверждение Беркли не может быть опровергнуто, то Джонсон, как утверждают, ответил, подойдя к большому камню, пнув его, и объявив, "Я отвергаю это таким образом". Конечно боль в ноге, которую почувствовал доктор Джонсон, тоже была идеей в его голове, поэтому он действительно не опроверг доводов Беркли. Но его действие проиллюстрировало взгляды философа Дэвида Юма (1711-1776), который писал, что хотя мы и не имеем рациональных основ для веры в объективную реальность, мы также не имеем другого выбора, кроме того, чтобы действовать так, словно это истина.


У Вас обоих есть что-то общее. Доктор Дэвис обнаружил частицу, которую никто не видел, а профессор Хигб обнаружил галактику, которую никто не видел. "
Модельно-зависимый реализм кратко завершает весь этот спор и обсуждение между школой реалистов и анти-реалистов.
Согласно модельно-зависимому реализму, бессмысленно спрашивать является ли модель реалистичной без того, насколько она согласуется с наблюдениями. Если существуют две такие модели, которые согласуются с наблюдениями, подобно картинам золотой рыбки и нашей, тогда нельзя сказать, какая из этих моделей является более реалистичной. В этом случае можно использовать любую модель, которая является более пригодной в конкретной ситуации, в соответствии с тем или иными соображениями. Например, если бы кто-то находился внутри шара, изображение золотой рыбки было бы полезным, но для тех, кто находится снаружи, должно было бы быть очень неудобно описывать события из далекой галактики в рамках шара на Земле, особенно потому, как шар должен будет двигаться так, как Земля обращается вокруг Солнца и вращается по своей оси.

Мы строим модели не только в науке, но и в нашей повседневной жизни. Модельно-зависимый реализм относится не только к научным моделям, но также и к сознательным и подсознательным мысленным моделям, которые все мы создаем, чтобы интерпретировать и понять ежедневный мир. Невозможно убрать наблюдателя - нас - из нашего восприятия мира, которое создается с помощью наших чувственных восприятий и способа нашего мышления, рассуждения. Наше восприятие - а следовательно, наблюдения, на которых базируются наши теории - не прямое, а скорее формируется сквозь своеобразную линзу, интерпретативную структуру человеческого мозга.

Модельно-зависимый реализм соответствует нашему способу восприятия объектов. В зрении мозг человека принимает серию сигналов через оптический нерв. Эти сигналы не образовывают такую картинку, которую вы бы приняли на ваш телевизор. В человеческом глазу есть слепое пятно в том месте, где оптический нерв крепится к сетчатке, а единственная часть вашего поля зрения с хорошим разрешением - это узкая площадь в 1 градус зрительного угла вокруг центра сетчатки, шириной в большой палец вытянутой вперед руки. Таким образом, исходный сигнал, поступающий в мозг, является низкокачественной картинкой с дыркой в ней. К счастью, наш мозг способен обрабатывать этот сигнал, сочетая информацию от обоих глаз, заполняя слепые промежутки (исходя из того предположения, что свойства соседних участков похожи), и собирая картинку воедино (интерполируя). Более того, он считывает двухмерный поток данных с сетчатки и создает из него ощущение трехмерного пространства. Другими словами, мозг создает мысленную картину или модель.

Наш мозг так хорошо моделирует реальность, что если бы люди, носящие очки, перевернули в них изображение вверх ногами, то их мозги через некоторое время изменили модель мира, и очкарики видели бы все так же, как и прежде. Если они снимут очки, они снова увидят перевернутый мир, а потом снова адаптируются. Это иллюстрирует то, что имеет в виду человек, когда говорит: "Я вижу кресло", и который всего-навсего использовал свет, рассеянный креслом, чтобы создать изображение или модель этого кресла у себя в голове. В случае, если модель перевернута, то если повезет, мозг исправит это до того, как человек сядет в кресло.

Другая проблема, которую модельноориентированный реализм пытается решить (или, как минимум, избежать) - это значение "существования". Как я узнаю, существует ли стол в данной комнате, если я выйду из нее и не смогу его видеть? Что будет значить утверждение о том, что предметы, которых мы не видим, такие как электроны или кварки (частицы, и которых, как считается, состоят протоны и нейтроны) - существуют? Кто-то мог бы придерживаться модели, когда стол исчезает, когда я выхожу из комнаты, появляется вновь, когда я возвращаюсь, но это было бы очень грубо. И что было бы, если бы потолок обрушился, когда я вышел из комнаты? Каким же образом в рамках модели "Стол- исчезает-когда-я-выхожу-из-комнаты" я мог бы объяснить то, что когда я вошел в комнату, стол возник заново - разломанный и под обломками потолка? Модель, в которой стол никуда не исчезает, является гораздо более простой, а также гармоничной с наблюдением. Это все, что можно спросить.

В ситуации, когда мы не можем увидеть субатомные частицы, электроны являются удобной моделью, объясняющей такие наблюдения, как следы в конденсационной камере или световые точки на экране телевизора, а также многие иные явления. Говорят, что электрон был открыт в 1897 году физиком Томпсоном в лаборатории Кавендиш в Университете Кембридж. Он экспериментировал с электрическим током в стеклянных трубках - феноменом, называемым катодные лучи. Эксперименты привели его к смелому заключению о том, что загадочные лучи состояли из мельчайших "корпускулов", которые являлись материальными составляющими частями атомов, прежде считавшимися неделимыми фундаментальными элементами материи. Томсон не "увидел" электрон, так же как и его предположение не было прямо или однозначно продемонстрировано экспериментами. Но модель оказалась ключевой в применении от фундаментальной до прикладной науки, и сегодня все физики уверены в существовании электронов, даже если вы их не видите.






Кварки, которые мы также не можем наблюдать, добавлены в модель, чтобы объяснить свойства протонов и нейтронов в ядре атома. Хотя протоны и нейтроны, как утверждается, состоят из кварков, мы никогда экспериментально не обнаружим кварки, потому что притягивающие силы между кварками увеличиваются при их отдалении друг от друга, и поэтому несвязанные, свободные кварки не могут существовать в природе. Они всегда проявляются в группах из трех (протоны и нейтроны) кварков, или парами: кварк и антикварк (пи-мезон), и ведут себя так, как если бы были соединены резинкой.

И вопрос "имеет ли смысл говорить, что кварки реально существуют, если вы никогда не сможете выделить один кварк?" был спорным долгие годы после того как кварковая модель была впервые предложена. Идея о том, что определенные частицы состоят из различных комбинаций нескольких более простых частиц, позволила создать принципы, которые в результате дали простое и привлекательное объяснение их свойств. Но не смотря на то, что физики привыкли рассматривать частицы, существование которых подразумевалось только в статистических всплесках данных по разбиению других частиц, идея представления реальности частицы, которая в принципе не поддаётся наблюдению, была чересчур невероятна для многих физиков. Однако, спустя годы, когда кварковая модель стала приводить к более и более правильным предсказаниям, противников этой модели стало меньше. Конечно возможно, что какие-нибудь инопланетные существа с семнадцатью руками, инфракрасными глазами, и привычкой выдувать взбитые сливки из ушей сделает те же экспериментальные исследования что и мы, но опишет их без использования кварков. Тем не менее, согласно моделезависимому реализму, кварки существуют в модели, которая согласуется с нашими наблюдениями поведения субатомных частиц.

Моделезависимый реализм может создать среду для вопросов, таких как: если мир был создан определенное время назад, то что происходило до этого? Философ времен раннего христианства, Св. Августин (354-430), говорил, что ответ не в том, готовил ли Бог ад для людей, задающих такие вопросы, а в том, что время принадлежит миру, который Бог создал, и время не существовало до момента сотворения, которое, как он верил, состоялось не так давно. Это одна из возможных моделей, которая одобрена теми, кто утверждает, что запись, сделанная в книге Бытия буквально верна, даже при том, что мир содержит ископаемые и другие доказательства того, что Земля гораздо старше. (Они были помещены там, чтобы одурачить нас?) Кто-то также может иметь другую модель, в которой от начала Большого Взрыва прошло 13.7 миллиардов лет. Модель, объясняющая большую часть наших современных наблюдений, включая исторические и археологические свидетельства, является лучшим представлением о прошлом из всех, что мы имеем. Вторая модель может объяснить ископаемые и радиоактивные свидетельства, и тот факт, что мы принимаем свет от галактик, до которых миллионы световых лет, так что эта модель - теория Большого Взрыва - более полезна, чем первая. До сих пор ни одну из моделей нельзя назвать более реальной, чем другая.






Некоторые придерживаются модели, где время началось даже раньше Большого Взрыва. Все еще не ясно может ли модель, в которой время шло и до Большого Взрыва, лучше объяснять текущие исследования, потому что законы развития Вселенной,

видимо, разрушаются в момент Большого Взрыва. Если это так, то нет никакого смысла создавать модель описывающую время до Большого Взрыва, потому что все что существовало тогда, не будет иметь наблюдаемых последствий в настоящем, поэтому мы можем остановиться на идее о том что Большой Взрыв был моментом создания мира.

Модель хорошая модель, если она:

  1. Изящна

  2. Содержит мало произвольных или регулируемых элементов

  3. Согласуется со всеми существующими наблюдениями и объясняет их.

  4. Делает подробные прогнозы относительно будущих наблюдений, которые могут опровергнуть или доказать ложность модели, если они не подтвердились.

Например, теория Аристотеля, о том, что мир состоит из четырех элементов: земли, воздуха, огня и воды, и что объекты стремящиеся осуществить свои назначения были изящны и не содержали изменяемых элементов. Но во многих случаях теория не давала определенных предсказаний, а если и давала, то они не всегда соответствовали наблюдениям. Одним из этих предсказаний было то, что более тяжелые объекты должны падать быстрее, потому что их цель - падение. До Галилео никто и не думал, что это нужно проверить. Существует история, что он проверял это, бросая грузы различной массы с Пизанской ("падающей") башни. Скорее всего, это легенда, но мы точно знаем, что он скатывал шары различной массы по наклонному желобу и заметил, что они скатывались с одинаковой скоростью, вопреки предсказанию Аристотеля.

Вышеупомянутый критерий очевидно

субъективный. Изящество, например, это не то что можно просто измерить, но оно высоко ценится среди ученых, потому что законы природы стремятся экономно сократить число определенных ситуаций в одну простую формулу. Изящество относится к форме теории, но оно также тесно связано с недостатком изменяемых элементов, так как теория, сжатая выдуманными коэффициентами не очень элегантна. Перефразируя Эйнштейна, теория должна быть настолько простой, насколько это возможно, но не проще. Птолемей добавлял эпициклы к круговым орбитам небесных тел для того, чтобы его модель могла точно описывать их движение. Модель можно было сделать более точной путем добавления эпициклов к эпициклам, а к ним еще эпициклов. Хотя добавленное усложнение может сделать теорию более точной, ученые рассматривают модель, искаженную чтобы совпадать с определенными наблюдениями, как неудовлетворительную, больше похожую на каталог данных, чем на теорию, удачно воплощающую какой- либо полезный принцип.

В Разделе 5 мы увидим, что многие люди рассматривают "стандартную модель", описывающую взаимодействия элементарных частиц природы, как неэлегантную. Эта модель более удачная, чем Птолемеевские эпициклы. Она предсказала существование нескольких новых частиц до того как они были обнаружены, и с большой точностью описала результаты множества экспериментов в течение нескольких десятилетий. Но она содержит дюжины изменяемых параметров, чьи величины должны быть скорее установлены, чтобы совпасть с наблюдениями, чем определены самой теорией.

Согласно четвертому пункту, ученые всегда впечатлены, когда новые и ошеломляющие предсказания доказаны верно. С другой стороны, когда обнаруживается, что модель имеет недостатки, обычная реакция — это заявить, что эксперимент неверен. Если не доказывается что это случайность, люди обычно не отказываются от модели, пытаясь вместо этого сохранить ее в модифицированном виде. Хотя физики, несомненно, упорны в своих попытках спасти теории, которыми они восхищаются, стремление модифицировать теорию исчезает, отчасти из-за того что преобразования становятся неестественными или громоздкими, и, следовательно, неэлегантными.

Если модификации необходимые для приспособления новых наблюдений, становятся слишком причудливыми, это сигнализирует о потребности в новой модели. Одним из примеров старой модели, которая уступила дорогу под весом новых наблюдений, была идея статической Вселенной. В 1920-х годах, большинство физиков считали, что Вселенная была статичной, или неизменного размера. Тогда, в 1929 году Эдвин Хаббл опубликовал свои наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется. Но Хаббл не непосредственно наблюдал расширение Вселенной. Он наблюдал свет, излучаемый галактиками. Этот свет содержит характерный признак, или спектр, основанный на составе каждой галактики, который изменяется на известную заранее величину, если галактика движется относительно нас. То есть, анализируя спектр отдаленных галактик, Хаббл мог определить их скорости. Ожидалось, что он обнаружит столько же приближающихся галактик, сколько и отдаляющихся. Но вместо этого он обнаружил, что все галактики отдаляются от нас, причем, чем дальше они расположены, тем быстрее они отдаляются. Хаббл подтвердил, что Вселенная расширяется, но другие, пытаясь придерживаться ранних моделей, пытались объяснить его наблюдения в контексте теории статической Вселенной. Например, Фриц Цвики, физик из калифорнийского технологического института, предположил, что по какой-то неизвестной причине свет может терять свою энергию при прохождении огромных расстояний. Это уменьшение энергии соответствует изменению светового спектра, что по мнению Цвики может объяснить наблюдения Хаббла. В течение десятилетий после исследований Хаббла ученые продолжали придерживаться теории стабильного развития. Несмотря на это, теория расширяющейся Вселенной, подтвержденная Хабблом, становится общепризнанной.

В наших поисках законов, управляющих Вселенной были сформированы теории, или модели, такие как четырехэлементная теория, Птолемеева теория, теория флогистона, теория Большого Взрыва, и т.п. С каждой новой теорией или моделью наши представления о реальности и о фундаментальных составляющих Вселенной изменились. Например, рассмотрим теорию строения света. Ньютон полагал, что свет состоит из маленьких частиц или корпускул. Это объяснило бы, почему свет распространяется по прямой, и Ньютон также использовал это, чтобы объяснить, почему свет отклоняется или отражается, когда он проходит из одной среды к другой, как, например, из воздуха к стеклу, или из воздуха в воду.


Рефракция. Ньютоновская модель света может объяснить, почему свет преломляется, проходя из одной среды в другую, но она не может объяснять другое явление, которое мы сейчас называем кольцами Ньютона.
Не смотря на это, корпускулярная теория не смогла объяснить увиденный Ньютоном феномен, известный как круги Ньютона. Положите линзу на плоскую

отражающую поверхность и осветите её одноцветным лучом, таким как натриевый луч. Смотря сверху можно увидеть несколько светлых и темных колец, расположенных в месте соприкосновения линзы и поверхности. Это сложно объяснить, используя теорию света, но можно рассмотреть, используя волновую теорию.

Согласно волновой теории, появление светлых и темных колец вызвано феноменом называющимся интерференцией. Любая волна, так же как водяная волна, состоит из серии гребней и впадин. Если при столкновении волн гребни и впадины совпадают, они усиливают друг друга, сливаясь в волну большего размера. Это называется усиливающей интерференцией. В таком случае говорят что волны "в фазе". В противоположном случае, когда волны столкнутся, гребень одной волны может совпасть с впадиной другой волны. Тогда они гасят друг друга, попадают "не в фазу". Эта ситуация называется гасящей интерференцией.

На кругах Ньютона светлые кольца находятся на определенных расстояниях от центра линзы, где линза и отражающая плоскость отдалены так, что волна отраженная от линзы, отличается от волны отраженной плоскостью на целое(1, 2, 3, ...) число длин волн, создавая, таким образом, усиливающую интерференцию. (Длина волны - это расстояние между гребнями или впадинами соседних волн.) С другой стороны, темные кольца расположены на таких расстояниях от центра, где разница между двумя отраженными волнами равна полуцелому (1/2, 1 1/2, 2 1/2,...) числу длин волн, что создает гасящую интерференцию - волна, отраженная от линзы гасит волну, отраженную от плоскости.

В девятнадцатом веке это послужило доказательством волновой теории света, показывая, что корпускулярная теория была неверна. Тем не менее, в начале двадцатого века Эйнштейн показал, что фотоэлектрический эффект (который сейчас используется в телевидении и цифровых камерах) можно объяснить тем, что частица или квант света ударяется об атом, выбивая при этом электрон. Таким образом, свет имеет свойства как частицы, так и волны.

Концепция волн, возможно, так прочно вошла в сознание из-за того, что люди могли наблюдать океан или лужу, когда в неё бросают камень. Фактически, если вы когда-нибудь бросали два камня в лужу, вы возможно наблюдали интерференцию в действии, как на иллюстрации выше. Другие жидкости ведут себя таким же образом, кроме, разве что, вина, если выпьете его слишком много. Корпускулярная теория была сродни камням, гальке и песку. Но этот корпускулярно-волновой дуализм - идея о том, что объект может быть описан и как частица, и как волна - чужд для повседневного опыта, как идея о том, что можно выпить кусок песчаника.






Такие двойственности - ситуации, в которых две разные теории с точностью описывают один и тот же феномен - согласуются с моделезависимым реализмом. Каждая теория может описать определенные свойства, но ни одна не может сделать это точнее или реальнее чем другая. Касательно законов, управляющих Вселенной, можно сказать вот что: похоже, не существует одной математической модели или теории, которая могла бы описать каждый аспект Вселенной. Вместо этого как упомянуто во вводной главе, кажется, есть сеть теорий под названием М. теории. Каждая теория в сети М. теорий способна описывать явления в пределах определенного диапазона. Где бы ни пересекались их области, различные теории в сети соответствуют друг другу, поэтому их можно назвать частями одной теории. Но ни одна отдельная теория внутри сети не может описать каждого аспекта Вселенной - все силы природы, частицы, создающие эти силы, строение времени и пространства, где все это происходит. Хотя эта ситуация перечеркивает мечту традиционных физиков о единственной единой теории, такое приемлемо лишь в рамках модельно-зависимого реализма.

Мы будем обсуждать дуальность и М-теорию в 5 главе, но перед этим мы вернемся к фундаментальным принципам, на которых основан наш современный взгляд на природу: квантовая теория, и в частности, подход к квантовой теории назван альтернативными историями. С подобной точки зрения, Вселенная не имеет совершенно отдельного существования или истории, но скорее, каждые возможные варианты Вселенной существуют одновременно в так называемой квантовой суперпозиции. Это может звучать также возмутительно, как и теория, в которой стол исчезает каждый раз после того как мы покидаем комнату, но в этом случае теория прошла все экспериментальные проверки, которым ее когда-либо подвергали.

4

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОРИИ

В 1999 г. КОМАНДА ФИЗИКОВ в Австрии выпустила пучок шарообразных, как футбольные мячи, молекул в направлении экрана. Эти молекулы, каждая из 60 атомов углерода, иногда называют баккиболлс - мячи Бакки, потому что архитектор Бакминстер Фуллер строил здания именно такой формы. Геодезические купола Фуллера были, вероятно, самыми большими существующими объектами формы футбольного мяча. А бакиболы - самыми маленькими. Экран, в направлении которого прицелились учёные, фактически имел лишь две прорези, сквозь которые бакиболы и могли пролететь. За стеной, физики расположили аналогичный экран для обнаружения и подсчёта появляющихся молекул.



Каталог: 2016
2016 -> Методические рекомендации по изучению дисциплины «Этнография» Студентам очного отделения бакалавриата Чита 2014 (075. 4)
2016 -> [Оставьте этот титульный лист для дисциплины, закрепленной за одной кафедрой]
2016 -> Диссертация на соискание ученой степени кандидата социально-психологических наук Научный
2016 -> Программа дисциплины «Практическая философия: Что и как определяет человеческие поступки?»
2016 -> Методическое пособие по экономической социальной географии мира 10 класс. М., «Просвещение», 2007 г. Атлас «Экономическая и социальная география мира»
2016 -> Child education Игорь Всеволодович Можейко
2016 -> Область применения и нормативные ссылки


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©znate.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница