Если бы вы могли парить высоко в небе, как это часто делают красные коршуны в поисках добычи, и смотреть вниз на область всего известного и еще неизведанного, вы бы увидели кое-что очень любопытное: обширный класс вещей, которыми занимается наука. до сих пор почти полностью игнорируется. Эти вещи занимают центральное место в нашем понимании физической реальности, как на повседневном уровне, так и на уровне самых фундаментальных явлений в физике, однако традиционно считалось, что их невозможно включить в фундаментальные научные объяснения. Это факты не о том, что есть — «настоящее», — а о том, что могло или не могло быть. Для того чтобы отличить их от реальных, их называют контрфактуальными.
Предположим, что какая-то будущая космическая миссия посетила далекую планету в другой солнечной системе и оставила там ящик из нержавеющей стали, в котором, среди прочего, находилось критическое издание, скажем, стихов Уильяма Блейка. То, что поэтическая книга впоследствии находится где-то на этой планете, является ее фактическим свойством. То, что слова в нем могут быть прочитаны, является контрфактическим свойством, которое верно независимо от того, будут ли эти слова когда-либо прочитаны кем-либо. Коробку можно никогда не найти; и все же то, что эти слова можно было прочитать, все равно было бы правдой — и нагружено значением. Например, это означало бы, что планету посетила цивилизация, и многое о степени ее развития.
Чтобы лучше понять важность вымышленных свойств и их отличие от реальных свойств, представьте себе компьютер, запрограммированный на вывод на экран строки нулей. Это фактическое свойство компьютера, связанное с его фактическим состоянием — с тем, что есть. Тот факт, что он может быть перепрограммирован для вывода других строк, является контрфактическим свойством компьютера. Компьютер может никогда не быть запрограммирован таким образом; но тот факт, что он мог, является существенным фактом, без которого он не мог бы считаться компьютером.
Контрфакты, имеющие значение для науки и физики и которыми до сих пор пренебрегали, — это факты о том, что может или не может произойти с физическими системами; о том, что возможно или невозможно. Они фундаментальны, потому что выражают существенные черты законов физики — правил, управляющих каждой системой во Вселенной. Например, контрфактическое свойство, навязанное законами физики, состоит в том, что невозможно построить вечный двигатель. Вечный двигатель — это не просто объект, который движется вечно после того, как его привели в движение: он также должен генерировать какое-то полезное движение. Если бы это устройство могло существовать, оно производило бы энергию из никакой энергии. Его можно использовать, чтобы заставить вашу машину работать вечно без использования какого-либо топлива.
Мы не можем осуществить преобразования, которые законы физики объявляют невозможными.
Другое важное контрфактическое свойство физических систем, центральное для термодинамики, состоит в том, что паровой двигатель возможен. Паровой двигатель — это устройство, которое преобразует энергию одного вида в энергию другого вида и может выполнять полезные задачи, такие как перемещение поршня, никогда не нарушая этого принципа сохранения энергии. Настоящие паровые двигатели (те, что были построены до сих пор) — это фактические свойства нашей вселенной. Возможность построить паровую машину, которая существовала задолго до того, как была построена первая машина, является контрфактической.
Таким образом, в физике встречаются фундаментальные типы контрфактуалов двух видов: первый — невозможность выполнить трансформацию (например, построить вечный двигатель); другой — возможность выполнения преобразований (например, создание паровой машины). Оба являются кардинальными свойствами законов физики; и, среди прочего, они имеют решающее значение для наших усилий: как бы мы ни старались и как бы изобретательно ни думали, мы не можем добиться преобразований, которые законы физики объявляют невозможными. Но, подумав хорошенько, мы можем придумать больше и лучшие способы выполнения возможного преобразования — например, создания парового двигателя, — которые затем могут улучшаться с течением времени.
В преобладающем научном мировоззрении контрфактические свойства физических систем несправедливо рассматриваются как второсортные или даже полностью исключаются. Почему? Это из-за глубокого заблуждения, которое, как это ни парадоксально, возникло в моей собственной области, теоретической физике. Заблуждение состоит в том, что, как только вы определили все, что существует в физическом мире, и что с ним происходит — все фактические вещи, — вы объяснили все, что можно объяснить. Это звучит бесспорно? Вполне может. Легко втянуться в этот образ мышления, даже не осознавая, что проглотил ряд необоснованных существенных предположений. Вы не можете объяснить, что такое компьютер, просто указав, какие вычисления он выполняет в данный момент времени; вам нужно объяснить, какие возможные вычисления он может выполнять, если бы он был запрограммирован возможными способами. В более общем смысле вы не можете объяснить наличие спасательной шлюпки на борту пиратского корабля только с точки зрения фактического кораблекрушения. Все знают, что спасательная шлюпка там из-за кораблекрушения, которое может произойти (объяснение контрфактическое). И это все равно было бы причиной, даже если бы корабль не затонул!
Несмотря на то, что контрфактуалы не считаются фундаментальными, наука делает быстрый и неуклонный прогресс; например, путем разработки новых мощных теорий фундаментальной физики, таких как квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна; и новые объяснения в биологии — с генетикой и молекулярной биологией — и в неврологии. Но в некоторых областях это уже не так. Предположение, что все фундаментальные объяснения в науке должны быть выражены только в терминах того, что происходит, практически без ссылок на контрфактуалы, теперь становится на пути прогресса.
Давайте рассмотрим одно из самых редких и важных свойств в нашей вселенной: устойчивость. Большинство вещей в нашей вселенной непостоянны. Скалы неумолимо стираются; страницы книг рвутся и желтеют; живые существа — от бактерий до слонов и людей — стареют и умирают. Заметными исключениями являются элементарные составляющие материи, такие как электроны, кварки и другие фундаментальные частицы. В то время как системы, которые они составляют, изменяются, эти элементарные составляющие остаются неизменными. Всю ответственность как за постоянство, так и за непостоянство несут законы физики. Они накладывают огромные ограничения на все в нашей вселенной: на все, что произошло до сих пор, и все, что произойдет в будущем.
Законы физики определяют, как планеты движутся по своим орбитам; они управляют расширением Вселенной, электрическими токами в нашем мозгу и в наших компьютерах; они также контролируют внутреннюю работу бактерии или вируса; Облака в небе; волны в океане; жидкая, расплавленная порода в светящихся недрах нашей планеты. Их власть простирается даже за пределы того, что на самом деле происходит во вселенной, и включает в себя то, что может и не может произойти. Все, что запрещают законы физики, невозможно осуществить, как бы ни старались это осознать. Нельзя построить машину, которая заставила бы частицу двигаться быстрее скорости света.
Заблуждение состоит в том, что как только вы определили все в физическом мире, вы все объяснили.
Законы физики являются основным объяснением этой естественной склонности вещей к непостоянству. Причина непостоянства в том, что законы физики не особенно подходят для сохранения вещей, кроме элементарных компонентов. Они применимы к первичным составляющим материи, не будучи специально созданы или спроектированы для сохранения определенных их особых агрегатов. Электроны и протоны притягиваются друг к другу — это фундаментальное взаимодействие; этот простой факт лежит в основе сложной химии нашего тела, но в законах физики нет и следа этой сложности. Законы физики, подобные законам нашей Вселенной, которые не разработаны специально и не приспособлены для сохранения чего-либо в частности, кроме этих элементарных вещей, я буду называть законами отсутствия замысла. В соответствии с законами отсутствия дизайна сложные агрегаты атомов,
С точки зрения сохранения структуры, большинство этих взаимодействий вносят ошибки в виде небольших сбоев, вызывающих со временем повреждение любой сложной структуры. Если что-то не вмешается, чтобы предотвратить и исправить эти ошибки, структура в конечном итоге исчезнет или рухнет. Чем сложнее и отличается от элементарных вещей система, тем труднее противодействовать ошибкам и поддерживать ее существование. Подумайте о древней практике сохранения рукописей путем их копирования вручную. Чем длиннее и сложнее рукопись, тем выше вероятность того, что при переписывании может быть допущена какая-либо ошибка, и тем труднее переписчику противодействовать ошибкам, например, дважды проверяя каждое написанное слово.
Учитывая, что законы физики не являются замыслом, способность системы поддерживать свое существование (в изменяющейся среде) является редким и заслуживающим внимания свойством нашей вселенной. Вот что я называю устойчивостью. То, что устойчивость так трудно обрести, долгое время считалось жестоким фактом природы, по поводу которого многие поэты и писатели выражали свое смиренное разочарование. Вот поучительный пример из речи Просперо в шекспировской « Буре » :
Наши пирушки теперь закончились. Все эти наши актеры
(Как я и предсказывал вам) были духами, И
растворились в воздухе, в разреженном воздухе,
И, как беспочвенная ткань этого видения,
Заоблачные башни, великолепные дворцы,
Торжественные храмы, сам великий земной шар,
Да, все, что он унаследовал, растворится,
И, подобно этому невещественному блеклому зрелищу,
Не Оставят после себя дыбы. Мы такой материал
, На котором сделаны мечты; и наша маленькая жизнь
Окружена сном.
Эти строки имеют такую восхитительную форму и ритм, что при первом чтении что-то важное может остаться незамеченным. Они представляют собой лишь узкий, односторонний взгляд на реальность, который игнорирует основные факты о ней. Если мы примем во внимание эти другие факты, мы увидим, что пессимистический тон и заключение Просперо неуместны. Но эти факты не сразу бросаются в глаза. Чтобы увидеть их, нам нужно созерцать нечто большее, чем то, что спонтанно происходит в нашей вселенной (например, непостоянство, случайную устойчивость, планеты и заоблачные башни наших городов). Мы должны рассмотреть, что может и что не может произойти: контрфактуалы, которые также в конечном счете определяются законами физики.
Самый важный элемент, которым Просперо пренебрегает, заключается в том, что даже при отсутствии законов проектирования устойчивость может быть достигнута. Нет никакой гарантии, что это будет достигнуто, так как законы не предназначены для этого; но это может быть достигнуто, потому что законы физики этого не запрещают. Непосредственный способ убедиться в этом — осмотреться немного внимательнее, чем это было возможно во времена Шекспира. Действительно, есть сущности, которые в какой-то степени устойчивы; что еще более важно, некоторые из них более устойчивы, чем другие. Некоторые из них намного больше. Вопреки тому, что могут предположить пословицы и общепринятое мнение, это не скалы и камни, а живые существа.
Живые существа в целом отличаются гораздо большей устойчивостью, чем такие вещи, как камни. Раненое животное часто может восстановить себя, тогда как камень не может; отдельное животное в конце концов умрет, но его вид может прожить гораздо дольше, чем камень.
Законы физики, выраженные в виде контрфактуалов, дают шанс на улучшение.
Рассмотрим бактерии. Они остаются почти неизменными на Земле уже более 3 миллиардов лет (при этом еще и эволюционируя!). Точнее, то, что осталось почти неизменным, — это некоторые конкретные последовательности инструкций, которые кодируют, как создать бактерию из элементарных компонентов, присутствующих в каждой бактериальной клетке: рецепт. Этот рецепт воплощен в молекуле ДНК, которая является сердцевиной любой клетки. Это ряд химических веществ четырех разных видов. Строка работает точно так же, как длинная последовательность слов, состоящая из четырех букв алфавита: каждое слово примерно соответствует инструкции в рецепте. Группы этих элементарных инструкций биологи называют генами.
Это особая структура или паттерн бактериальной ДНК, которая остается почти неизменной на протяжении столь долгого времени. Напротив, за тот же период расположение и структура горных пород на Земле сильно изменились; целые континенты были перестроены внутренними движениями, происходящими под земной корой. Предположим, какие-то инопланетяне приземлились на Земле в доисторические времена, собрали ДНК определенных организмов (скажем, синезеленых водорослей) и также сфотографировали нашу планету из космоса; и что они должны вернуться сейчас, чтобы сделать то же самое. На снимках планеты все бы изменилось. Само расположение континентов и океанов было бы совершенно иным. Но структура ДНК этих организмов почти не изменится. Итак, в конце концов, некоторые вещи в нашей вселенной, такие как рецепты, закодированные в ДНК,
Другой элемент, который игнорирует речь Просперо, заключается в том, что живые существа могут воздействовать на окружающую среду, преобразовывать ее и (что особенно важно) сохранять способность делать это снова и снова, тем самым оставляя после себя гораздо больше, чем просто «стойку». Земля все еще несет на себе следы бактериальной активности миллиардной давности (например, в виде ископаемого углерода). Растения вызвали резкое изменение состава атмосферы, выделяя газообразный кислород в качестве побочного эффекта преобразования солнечного света в химическую энергию посредством фотосинтеза. Люди тоже способны преобразовывать окружающую среду в самых разных условиях. Вопреки мнению Просперо, дворцы, храмы и башни, покрытые облаками, могут стать устойчивыми, потому что они являются продуктом цивилизации. Люди могут восстановить их, следуя плану — или, скорее, опять же, рецепт того, как они были изначально построены, гарантирующий, что они прослужат намного дольше, чем материалы, из которых они изготовлены. В принципе, 3D-принтер, снабженный таким рецептом, может воссоздать с нуля любой древний дворец, который окажется полностью разрушенным.
Продолжительность жизни человека может быть все еще ограничена, но технологии уже расширили ее далеко за пределы жизни наших предков. Изменяя естественную среду, человеческая цивилизация предположительно совершенствуется и растет. Теперь у нас есть знания для создания теплых (или охлаждаемых) домов, мощных лекарств, эффективного транспорта на Земле и даже в космос, а также инструментов, позволяющих сэкономить труд, продлить нашу жизнь и сделать ее более приятной. У нас есть величественные произведения искусства и литературы, музыки и науки. Те самые слова в речи Просперо — пример нашего литературного наследия, и они сохранились — вместе с бесчисленным множеством других удивительных результатов человеческой интеллектуальной деятельности. Таким образом, вместо того, чтобы исчезнуть, это зрелище, которое мы создали, которое поддерживает нас, продолжается веками.
Конечно, устойчивости нашей цивилизации постоянно угрожают серьезные проблемы, возникающие по мере того, как мы пытаемся двигаться вперед. Некоторые из них, такие как глобальное потепление и быстро распространяющиеся пандемии, на самом деле являются побочным продуктом того самого прогресса, который я описал. Эти проблемы создают серьезные проблемы и могут легко свести на нет некоторые аспекты достигнутого нами прогресса.
Но можно предпринять шаги для решения этих проблем, какими бы серьезными они ни казались; и законы физики не запрещают еще больших улучшений. Они не гарантируют улучшение или разрешение, но и не запрещают его: возможны как устойчивость, так и дальнейший прогресс путем решения таких проблем, как климатический кризис. Законы физики, выраженные в виде контрфактуалов, дают шанс на улучшение. Созерцая то, что возможно во Вселенной, помимо того, что происходит, мы получаем гораздо более полную картину физического мира. Мрачный вывод Просперо пристрастен и глубоко ошибочен. Это было не более чем нереальный кошмар.