БИТВА ЗА ХАОС
Шрифт:
Мы употребили термин «цель» для объяснения некоего отдаленного состояния к которому движется общество, но в настоящее время в естественных науках нет единого мнения относительно вопроса: идут ли процессы в живой природе под влиянием финальных или действующих причин? Иными словами, мы живем просто для того чтобы жить или для некой более сложной и высокой цели, нам пока не понятной? Теория динамического хаоса распространенная и на биологию показывает, что такая цель может быть, причем даже не одна, хотя сейчас биологи все же склоняются к той модели что и физика, т. е. модели исключающей финальные причины. Такая дихотомия привела к существованию в биологии двух противоположных течений — витализма и редукционизма. Противостояние это древнее, правда, не на биологическом, а философском уровне. Еще Аристотель высказывал мысль, что у каждого процесса есть предшествующая и финальная причина. Апологет протестантского мышления Фрэнсис Бекон, спустя две тысячи лет подверг критике это утверждение, заявив, что есть только действующие причины, от которых и нужно отталкиваться. С позиции виталистов глупо говорить «зачем идет дождь» или «для чего светит солнце». Это неживые субстанции, поэтому уместно ставить вопрос не «зачем», а «почему?» Солнце светит потому, что вследствие ядерных реакций внутри него поверхность разогревается до температуры, при которой выделяется световой поток. Закончится ядерное «топливо» и свет прекратится. Дождь выпадает потому, что создается нужное соотношение влажности и давления воздуха. Изменится соотношение и дождь прекратится. Такие же рассуждения можно привести для любого физического или химического процесса. С живыми организмами дело обстоит совсем по-другому. Пронаблюдайте, к примеру, за своей кошкой, собакой или рыбками в аквариуме. Ведь они ничего не делают просто так. Каждое их действие имеет цель, которую мы почти всегда можем объяснить. Они всё делают для чего-то. Это, так сказать, одна сторона. С другой, факт возникновения жизни из неживой материи тоже вряд ли кто-то будет опротестовывать, даже клерикалы, пусть они и будут приписывать непосредственный акт ее создания Богу. Бог ведь не из вакуума ее создал! И человек был отнюдь не первым. И здесь мы привлечем редукционистов, утверждающих что жизнь — это всего лишь сложная форма организации физико-химических систем и только это отличает ее неживой природы. Любые законы биологии — это на элементарном уровне законы физики и химии, но действующие в сложнейших системах и поэтому по-особому проявляющиеся. Т. е. кот ловит мышь не для того чтоб ее съесть и выжить, а потому что какой-то древний его предок возможно случайно обрел это «бессознательное» умение и оно помогло котам
Для полного уяснения такого весьма и весьма интересного вопроса, представим себе следующую ситуацию. Пусть имеется некий отстраненный и ни во что не верящий наблюдатель-атеист-позитивист, присутствующий при акте возникновения Вселенной (можно назвать его «Актом Творения»). Такая себе тупая внепространственная аналитическая машина, в которую, по уверениям церковников, превращаются интеллектуалы «отпавшие от веры» и решившие «стать как боги». Эмоциональная температура — абсолютный ноль. Только считывание информации и анализ. Каким-то образом ему удалось избежать влияния всех материальных процессов которые будут происходить в будущем, а задачей ему поставленной является лишь научное описание того что будет, причем про самого себя данный субъект ничего не знает. Итак, какие знания ему потребуются изначально? Никаких. Вся будущая Вселенная с ее «непостижимыми» законами и белым человеком в центре нынешнего и (при правильной организации дела) будущего мироздания — пока что область предельно малого размера, настолько малого, что бессмысленно вести разговор не то что о ее физических свойствах, но и о геометрии. Нет ничего. Ни пространства, ни времени, которое не существует вне пространства, ни остальных форм материи (например, поля) существование которых немыслимо вне пространственно-временного континуума.
Большой взрыв. Возникает Вселенная, в первые пикосекунды ее радиус ничтожен, он только-только вышел из «планковских» координат, [164] но уже можно говорить о рождении геометрии, ведь есть пространство и время! В этом пространстве-времени одновременно с геометрией появляется и физика, ведь между составными частями материи возникают взаимодействия, говоря проще — обмен энергиями. Для полного описания процессов нашему наблюдателю понадобилось бы умение описывать происходящее, т. е. знание математики, причем сразу «всей», а ее не существует до сих пор, во всяком случае, устраивающей всех математической модели первых секунд жизни Вселенной пока не создано. Несовершенен именно математический аппарат. Итак, геометрия, физика и математика (сугубо как инструмент отображения физико-геометрических процессов) были бы первыми знаниями необходимыми наблюдателю для полного описания картины мира. Такое положение дел просуществовало бы всего лишь три минуты, ибо в конце третьей минуты жизни Вселенной появляется вещество, точнее — первые вещества: дейтерий, тритий, гелий. [165] А описанием вещества у нас занимается химия. Так что химия по «возрасту» на три минуты младше нашей «троицы» (сложно сказать кто в ней «отец», а кто «сын», но то что математика это «дух» — не вызывает сомнений). Вообще числа «три» и «четыре» в подобных рассуждениях будут встречаться довольно часто. Три минуты — три науки. Четвертая минута — появление химии, четвертой науки. В геометрии три пространственных измерения и четвертое — временное. В физике всё можно описать семью величинами составляющими систему СИ, но чисто физических величин тоже четыре: масса, температура, сила тока и сила света. Единица длины (метр) и времени (секунда) введены как раз для привязки физики к геометрии, а единица количества вещества (моль) для привязки к химии. Вот собственно и всё. Этого языка хватит для описания всего что есть, по крайней мере, в неживой природе. Но в физике не только четыре «чисто физические» величины. Физика — это система, а система — это взаимодействия. Нет ничего удивительного, что таких взаимодействий тоже четыре: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Связь между ними безусловно существует и будет найдена, обозначив границу между старой и новой физикой. Ведь интуитивно ясно, что все начиналось как раз с какого-то одного вида взаимодействия. [166]
164
Планковскими называют единицы измерений длины, массы, времени, заряда и их производных, составленные из фундаментальных мировых постоянных — гравитационной постоянной, постоянной Планка, скорости света в вакууме, зарядом электрона и постоянной тонкой структуры. Из этих констант выводится т. н. «планковская длина» и «планковское время» — минимальные значения на которых работает современная функция. Именно эти величины нужны для рассмотрения физических процессов в экстремальных условиях (в нашем случае — на ранних этапах расширения Вселенной). На расстояниях или временах меньших чем планковские современная физика не работает, требуется оперировать законами пока не созданной теории квантовой гравитации. Астрофизики проследили эволюцию Вселенной от «планковского времени» — 10–43 с. В этот момент вся наша «бесконечная» Вселенная еще была «запихана» в «планковский радиус» — 10–35 м. Этот ничтожный «шарик» весил примерно 1092 кг, а его температуры была 1033 К. В течении незначительного промежутка времени — от 10–43 до 10–33 с. Вселенная расширяется в 10 раз. От размера с атом она увеличивается до размера грейпфрута (ок. 10 см. в диаметре). Заканчивается «инфлакционный период». В этот момент существуют только так называемые «частицы Х», задача которых — переносить энергию. Пока что, по-видимому, существует только один вид взаимодействия. Этот «грейпфрут» — силовое поле, в котором пока нет материи в собственном смысле. Начиная с момента в 10–31 с. образуются первые частицы материи: кварки, электроны, фотоны, нейтроны и их античастицы. Вселенная достигает объёма баскетбольного мяча. Дальше энергии начинают дифференцироваться, под их воздействием Вселенная расширяется до 300 м в диаметре. Разделяются кварки, глюоны и лептоны. Возникают основные взаимодействия: гравитационное, сильное и слабое. Между 10–11 и 10-5 с. кварки соединяются в нейтроны и протоны; исчезают почти все античастицы, полностью доминирует вещество, образуются субатомные элементы нынешней Вселенной.
165
Стивен Вайнберг «Первые три минуты» Научно-Исследовательский Центр «Хаотическая Динамика». 2000
166
В принципе, связь между электромагнитным, сильным и слабым взаимодействием можно считать детерминированной, даже несмотря на то, что окончательная теория связывающая эти три взаимодействия (Теория Великого Объединения) полностью не закончена. Но гравитация, гравитация пока что выглядит непреодолимой стеной! Она как время: люди чувствовали ее действие всегда, но что это такое — не объяснили до сих пор.
В течение следующих восьми миллиардов лет никаких новых знаний нашему наблюдателю не потребовалось бы. Разве что исходные науки делились бы на подразделы. Космическая геометрия превратилась бы в астрономию, космическая физика — в астрофизику и т. п. За этим всем следил бы наш наблюдатель, уже знающий всю физику, всю геометрию, и всю математику. Но вот тут начинается самое интересное. Всю химию он бы не знал, ибо ее не было! Ее предстояло узнавать, химия эволюционировала, вещества непрерывно усложнялись и вряд ли наблюдатель бы заметил, что элемент под номером шесть, речь, как вы уже догадались, идет об углероде, образует подозрительно большое число веществ. Гораздо большее чем все остальные, причем чаще всего с водородом и рядом стоящими азотом и кислородом. Ну да, валентность четыре вроде бы предрасполагает, но никакие другие элементы с такой же валентностью ничего подобного не делают. [167] Причем каждая новая группа веществ все более и более сложнее предыдущей, но одновременна и в чём-то подобна ей. Сложные вещества как бы выстроены из простых типовых звеньев. Метан, четыреххлористый углерод, бензолы, спирты и кетоны, альдегиды, сложные эфиры, жиры, углеводы, амины, аминокислоты. И все это, по сути бесконечное многообразие, сделано опять-таки из четырех элементов — углерода, водорода, азота и кислорода, три из которых — газы. Зная всю физику, включая понятие энтропии, наблюдатель задал бы себе «виталистический» вопрос: «а к чему этот весь процесс? Какова цель? В каком направлении он развивается? До каких пор химия будет усложняться? Если ли «предел химии»?» Он бы впервые столкнулся с проблемой незнания и непонимания смысла будущего. Он бы видел, что энтропия Вселенной растет, но может ли она расти бесконечно. И почему усложняется химия? Никаких аналитических способностей не хватило бы ему чтобы предугадать финал — возникновение жизни. Его знания ничего бы ему не давали, он столкнулся бы с необходимостью их расширять. Физика здесь дала бы первый сбой. А математика сама по себе — чистая абстракция. Ведь даже сейчас невозможно логически однозначно обосновать предопределенность возникновения живой природы из неживой, а самая сложная физика — та, что была вначале расширения Вселенной, то же самое можно сказать и о математике (описывающей самую сложную физику и геометрию). А вот химия начиналась совсем с простых вещей — с изотопов водорода и гелия. Химия началась как физика валентных электронов. А сейчас ее уровень — сложнейшие белки, к синтезу которых мы, по-видимому, подойдем не скоро, но которые синтезируются в живой природе за несколько минут.
167
Валентность четыре наличествует и у родственного углероду кремния. Он в таблице элементов как раз расположен под ним. Это дает основания предполагать о возможном существовании «кремниевой биологии», т. е. жизни на кремниевой основе. Зачем это вообще нужно? А затем, что согласно вполне обоснованным рассуждениям, эта жизнь может существовать при гораздо больших температурах, скажем, в сотни градусов Цельсия. Мы же хотим обратить внимание на другое. Углерод, т. е. древесина и уголь (бывшая древесина) давали тепло человеку созданному на углеродной основе. Когда человек умирал, его закапывали в землю, т. е. в «кремний». В Библии прямо сказано что «из земли ты взят, в землю и войдешь».
Момент появления пятой науки — биологии — отследить довольно сложно, в отличии, скажем, от химии, ведущей свое рождение от времени начала нуклеосинтеза. Биология — это изучение живых организмов, а жизнь — это организация. Жизнь — это усложняющаяся с каждым днем система. Даже на уровне одной клетки эта организация и сейчас кажется настолько впечатляющей, что о создании искусственных клеток пока речь не идет. Мы можем лишь модифицировать с неясными последствиями те, что имеются в природе. И это притом, что уже средневековых алхимиков посещали правильные мысли о превращении одного химического элемента в другой, что в наше время было теоретически доказано и практически подтверждено.
Все это говорится для того, чтобы понять: обстоятельства появления жизни и то что привело к ее появлению, также неясны как и Большой Взрыв и его причины, но то что жизнь обозначила качественно новый этап противостояния хаосу — очевидно. Наше третье поколение сделало первый шаг к осознанию величины этого невиданного события в годы когда был сформулирован т. н. «антропный принцип». В 1973 году Бернард Картер [168] на съезде ученых собранном по случаю 500-летия со дня рождения Коперника прочитал доклад, где констатировал, что фундаментальные физические и космологические постоянные (гравитационная постоянная, постоянная тонкой структуры, постоянная Планка, заряд электрона, размер и время жизни Вселенной) должны иметь значения в весьма узком интервале и только при таких значениях возможно возникновение жизни. Собственно, этот доклад был частью уже давно ведущейся дискуссии о связи параметров микро- и макромира. Т. е. Вселенная устроена тем единственным способом при котором жизнь вообще возможна. Наш наблюдатель этого бы не знал. И не узнал бы вплоть до возникновения жизни, иными словами, он не знал бы главного — цели эволюции мироздания. Например, если бы постоянная тонкой структуры была бы больше чем она есть, ядра были бы нестабильны, если меньше — из элементов существовал бы только водород с изотопами. [169] Если бы отношение массы электрона к массе протона имело бы другое значение —
168
B. Carter, в M.S. Longair (ed.), Confrontation of Cosmological Theories with Observational Data, Dordrecht 1974.
Картер сформулировал два антропных приниципа — «слабый» и «сильный». «Слабый» вариант принципа выражает предположение, что известное сочетание физических констант составляет необходимое условие жизни вообще и благодаря этому у нас есть возможность наблюдать такое сочетание: без него мы бы не существовали. «Сильная» формулировка значительно более масштабна и приобретает явно виталистический характер: согласно ей, человек, наблюдающий этот мир, есть конечная цель всей совокупности названных элементов и констант. Человек — это смысл космической эволюции. Изменив знаменитое выражение Декарта, Картер говорил: «Cogito, ergo mundus est».
169
Постоянная тонкой структуры, обычно обозначаемая как , — безразмерная фундаментальная физическая постоянная, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия. Впервые описана в 1916 г. немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом в качестве меры релятивистских поправок при описании атомных спектральных линий в рамках модели атома Бора. В системе СИ ее значение 7,29735 * 10-3 или по-другому 1/137, 035999. Сам Зоммерфельд интерпретировал ее значение как отношение скорости электрона на первой круговой орбите (в боровской модели — в атоме водорода) к скорости света.
Можно провести и обратную цепочку — в прошлое из настоящего. Возьмем, например, историю. Реальная неизбыточная наука изучающая прошлое человечества. Но по мере удаления во времени, история превращается в археологию. Она восстанавливает факты по остаткам как самой жизни, так и по найденным предметам жизнедеятельности людей и продуктам их жизнедеятельности — поселениям, могильникам, кладам. Так происходит поиск информационных следов. Но углубляясь еще дальше в прошлое, в дочеловеческую эпоху, археология «переходит» в палеонтологию — науку о вымерших древних растениях и животных, ведь они, как известно, появились раньше человека. Можно сказать что палеонтология — это история древних биологических форм. Ну и в конце концов, палеонтология становится обычной биологией, т. е. наукой изучающей жизнь. Биология как мы знаем, есть система, состоящая из элементарных звеньев — химии углеродистых соединений. Химия же, в свою очередь — это физика валентных электронов! Резерфорд, наверное, шутил когда говорил что все можно разделить на две вещи — физику и коллекционирование марок, но в этой шутке, по крайней мере в первой ее части, есть своя правда. Эволюция наук становится похожей на дерево, разветвляющееся с течением времени, но имеющее один общий ствол, причем каждая ветвь, будучи непохожей на другие, все же имеет элементы подобия.
В свою очередь, каждая наука сама по себе делится на подразделы, т. е. на такие же ветви, сохраняющие те же элементы подобия. Посмотрите, сколько разных направлений в физике, химии или биологии. Человек, великолепно освоивший одно из них, может выглядеть совершенно несведущим в другом, притом, что каждое из направлений базируется на одних и тех же законах.
Картина вырисовывается весьма интересная. Вроде бы всё шло «само по себе» (редукционизм), но факт возникновения человеческого интеллекта способного управлять мирозданием, отнюдь не выглядит лотереей, результатом некой удачной комбинации. Вспомним, что единый генетический код прекрасно обслуживает и инфузорию и человека, менять его нет никакой надобности. А это уже витализм. Но если мы предположим, что мир развивается с некой наперед заданной целью (витализм), все равно он как бы постоянно воспроизводит сам себя на более сложном уровне (редукционизм). [170] Масла в огонь подлил английский физик и философ Дикке в своей книге «Космология Дирака и принципы Маха» (Dicke R.H. Dirac's cosmology and Mach's principle // Nature. 1961. Vol. 192, № 4801) С. Д. Хайтун в своей статье «Феномен жизни на земле и антропный принцип» формулирует его концепцию следующим образом. «…1. Какой был бы смысл говорить о Вселенной, если бы не было познающего субъекта? Но: 2. Для познания требуется жизнь. 3. Для жизни требуется наличие элементов тяжелее водорода. 4. Для образования тяжелых элементов нужна реакция термоядерного синтеза. 5. Чтобы в звезде создались условия, необходимые для возникновения термоядерной реакции, требуется несколько миллиардов лет. 6. Согласно общей теории относительности, время в несколько миллиардов лет совместимо с замкнутой Вселенной лишь в том случае, если её радиус в момент максимального расширения составляет не менее нескольких миллиардов световых лет. Почему же с этой точки зрения Вселенная так велика? Потому, что только в такой Вселенной возможно существование человека». [171] Так физика элементарных и субэлементарных частиц превратилась в химию, т. е. в физику вещества, со временем химия углеродистых соединений стала биологией, — наукой изучающей функционирование самовоспроизводящихся химических систем. В свою очередь, из элементарной самовоспроизводящейся биологической системы — клетки — возникали все более и более сложные организмы, включая и человека. И при всей непохожести человеческих клеток всегда можно точно определить какая из них принадлежит данному человеку, а какая — нет, ведь его история, как и история любого сложного вида начинается с деления одной клетки. Клетки в процессе деления видоизменяются, но все же в них остается элемент подобия. В свою очередь, люди имеют подобие с животными, а в пренатальном периоде так вообще «проходят» основные стадии эволюции.
170
Сдвиг от виталистических представлений к редукционистским начинает явно проявляться от первого поколения к третьему, т. е. по мере интеллектуализации и старения расы. Веллер со своим «витализмом» уже в XIX веке смотрелся старомодно, тем более что через 30 лет Дарвин дал очень мощный толчок редукционизму.
171
С.Д. Хайтун «Феномен жизни на Земле и антропный принцип». М. 2004
Резкий рост системной организации дал толчок целому ряду новых дисциплин, сводящихся к базовым наукам и в чем-то подобных им. Но не надо быть особо продвинутым, чтобы заметить сходство животных, пусть даже самых низких и человека или, например, гигантских планетарных систем вращающихся вокруг звезд, с внутренним устройством микроскопического атомного ядра. Все что имеет внутреннюю организацию, оказывается как бы созданным по некой изначальной «матрице». Люди это заметили еще на самой заре своего существования, но оформлять в научные формы начали совсем недавно — в 70-ых годах ХХ века, т. е. уже при нашей жизни, введя понятие «фрактал», сразу же ставшего по своей глобальности в один ряд с понятием «энтропия». Сам термин придумал в 1975 году французский ученый Бенуа Мандельброт в своей интереснейшей книге «Фрактальная Геометрия природы» («The Fractal Geometry of Nature»). [172] Как и в случае с энтропией, к пониманию сути фракталов подошли изучая хаос, в данном случае шум в электронных схемах, причем такой тип шума под который нельзя было подвести статистическую базу. Здесь Мандельброт опять пересекся с термодинамикой, ведь шумы-то все равно были тепловыми, т. е. обуславливались колебаниями атомов в решетках. [173] Но сейчас ситуация была иной нежели с «невидимой, но всепоглощающей энтропией». Наоборот, было обнаружено, что на элементарном уровне, даже не вписывающиеся ни в какие статистические закономерности случайные процессы, имеют некий первоначальный элемент подобия. Суть его книги видна из названия, в ней ученый не ограничивает себя рамками какой-то одной науки, хотя все же выносит в название именно геометрию, а как мы знаем, она была одной из первонаук. Это показывает правильность подхода. Итак, фрактал, в простейшем двухмерном случае, представляет ломаную линию называемую генератором. С каждым новым шагом отдельный отрезок этой линии заменяется на этот отрезок-генератор в соответствующем масштабе, и в результате бесконечного повторения этой процедуры получается рисунок иногда совершенно непохожий на изначальный, но подобный ему. [174]
172
Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Инст. комп. исследов., 2002 г. Вообще литература о фракталах довольно обширна, даже несмотря на то, что их «открыли» при жизни нашего поколения. Рекомендуем, к примеру, интересные книги Федер Е. Фракталы. Москва: Мир 1991 г. и Пайтген Х.-О., Рихтер П.Х. Красота фракталов. М.: Мир 1993 г.
173
Незадолго до того как в научный оборот вошло понятие «фрактал», американские ученые Пензиас и Уилсон исследовавшие шумы в усилителях микроволн сделали фундаментальное открытие — обнаружили космический реликтовый фон, что стало, наверное, самым весомым доказательством теории Большого Взрыва. Получили Нобелевскую премию.
174
Морозов А.Д. Введение в теорию фракталов. Н.Новгород: Изд-во Нижегород. ун-та 1999 г.
Их приведенного рисунка видно, что уже на пятом шаге кривая сильно отличается от изначальной и, тем не менее, на элементарном уровне подобна ей. Отсюда и происхождения термина «фрактал» в переводе с латыни (fractus) он обозначает «состоящий из фрагментов» геометрический фрактал, в данном случае кривой Кох.
Простейший фрактал Мальденброта
Пример мультифрактала — снежные горы