Объясняя мир. Истоки современной науки

Вайнберг Стивен

Стандартная модель выражается в уравнениях, описывающих различные поля, но ее нельзя вывести только математически, кроме того, она не следует непосредственно из наблюдения природы. В самом деле, кварки и глюоны притягивают друг друга силами, которые возрастают с расстоянием, поэтому эти частицы никогда не удается наблюдать отдельно. Стандартную теорию невозможно вывести и из философских первоначал. Она, скорее, является продуктом умозаключений, ведомых эстетическим суждением и подкрепленных множеством успешных предсказаний. Хотя в Стандартной модели есть много неразрешенных вопросов, мы рассчитываем, что по крайней мере некоторые из них будут объяснены в любой более проработанной теории, которая ее сменит.

Старинная тесная связь между физиками и астрономами сохраняется и по сей день. Теперь мы понимаем ядерные реакции так хорошо, что можем не только высчитать, как Солнце и другие звезды светят

и эволюционируют, но и понять, как в первые несколько минут расширяющейся Вселенной образовались легчайшие элементы. И, как и в прошлом, астрономы сегодня бросают физикам интеллектуальный вызов: расширение Вселенной ускоряется, что, как предполагают, связано с темной энергией, которая содержится не в массах частиц и их движении, а в самом космосе.

Существует одна сторона исследования окружающего мира, которую, на первый взгляд, затруднительно воспринимать с помощью любой физической теории, не имеющей цели, вроде Стандартной модели. Мы не можем избежать телеологии, когда речь идет о живых существах: мы описываем сердце и легкие, корни и цветы в зависимости от цели, которой они служат. Эта тенденция только набирала силу, когда во времена после Ньютона поток информации о живой природе возрастал благодаря таким натуралистам, как Карл Линней и Жорж Кювье. Не только теологи, но и ученые, такие как Роберт Бойль и Исаак Ньютон, видели в чудесных особенностях растений и животных волю всемогущего Творца. Даже если мы избежим сверхъестественного объяснения особенностей живой природы, понимание жизни, кажется, еще долго будет базироваться на телеологических принципах, отличающихся от принципов физических теорий, таких как Стандартная модель.

Объединение биологии с остальными науками впервые стало возможно в середине XIX в., после того, как Чарльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес независимо предложили теорию эволюции, основанную на естественном отборе. Эволюция к тому времени была уже знакомой идеей, ключ к которой содержался в палеонтологических летописях. Многие ученые, принимавшие реальность эволюции, объясняли ее как результат фундаментального принципа биологии – свойственного всем живым существам стремления к совершенству, – принципа, который не допускал никакого объединения биологии с физикой. Дарвин и Уоллес вместо этого предположили, что эволюция действует через появление наследственных изменений; при этом благоприятные изменения ничем не отличаются по вероятности от неблагоприятных, но неизбежно распространяются только те изменения, которые повышают шансы на выживание и размножение {290} .

290

Здесь я смешиваю половой отбор с естественным отбором и «прерывистым равновесием» наряду с постоянной эволюцией и не делаю разделения между мутациями и генетическим дрейфом как средством неизбежной изменчивости. Эти различия очень важны для биологов, но не имеют никакого влияния на мысль, которой я уделяю внимание, о том, что не существует никакого независимого биологического закона, который делает наследственные изменения улучшениями.

Потребовалось много времени для того, чтобы естественный отбор был принят как механизм эволюции. Во времена Дарвина никто не знал о механизмах наследования или о проявлении наследуемых изменений, поэтому у биологов оставалась возможность надеяться на более осмысленную теорию, в которой будет присутствовать цель. Особенно неприятно было представлять себе, что люди являются результатом естественного отбора, длящегося миллионы лет и управляемого случайными наследственными изменениями. В конечном счете в XX в. открытие законов генетики и частотности мутаций привело к «неодарвиновской синтетической теории», которая укрепила дарвиновскую теорию эволюции на более устойчивых основаниях. В конце концов эта теория оказалась связана с химией и через нее с физикой, когда выяснилось, что генетическая информация переносится в двойных спиралях молекул ДНК.

Таким образом, биология присоединилась к химии в обобщенном взгляде на природу, основанном на физике. Но важно признавать и границы этого обобщения. Никто не собирается замещать язык и методы биологии описанием живых существ так, как описывают отдельные молекулы, не говоря уж о кварках и электронах. С одной стороны, живые существа слишком сложны для такого описания, гораздо сложнее огромных молекул в органической химии. Что более важно, даже если бы мы могли проследить движение каждого атома в животном или растении, то при таком исследовании мы утратили бы огромное количество информации, которая нас интересует. Было бы неясно, что перед нами: лев, охотящийся

на антилопу, или цветок, привлекающий к себе пчел.

В отличие от химии, в биологии, как и в геологии, существует другая проблема. Живые существа стали тем, что они есть, не только благодаря законам физики, но также благодаря огромному количеству случайных исторических событий, начиная с падения метеорита, который врезался в Землю 65 млн лет назад, с мощью, достаточной, чтобы уничтожить динозавров, и заканчивая тем, что Земля оказалась на определенном расстоянии от Солнца и изначально имела определенный химический состав. Мы можем изучать некоторые из этих событий статистическими методами, но только в комплексе. Кеплер был не прав: никто никогда не мог бы вычислить расстояние от Земли до Солнца, используя только лишь законы физики. То, что мы называем объединением биологии с остальными науками, значит только то, что законы биологии не могут существовать обособленно, так же как и в еще большей мере законы геологии. Любой общий принцип биологии стал таким, каков он есть, благодаря действию фундаментальных законов физики в совокупности с фактором случайных событий прошлого, которые по определению не могут быть объяснены.

Точку зрению, описанную здесь, называют (часто с неодобрением) редукционизмом, или упрощенчеством. Даже среди физиков существует оппозиция редукционизму. Физики, которые изучают жидкости или твердые тела, очень часто ссылаются на эмерджентность, то есть случаи появления в описании макроскопического явления таких концепций, как теплота или фазовый переход, которым нет соответствия в физике элементарных частиц и которые не зависят от особенностей элементарных частиц. Например, термодинамика, наука о теплоте, имеет приложение ко многим системам (не только к тем, о которых говорили Максвелл и Больцман, – состоящим из огромного количества молекул, но и к поверхностям гигантских черных дыр. Но она не приложима ко всему, и, когда мы спрашиваем, можно ли применить ее к данной системе и, если да, то почему, мы должны обращаться к более глубоким, в действительности фундаментальным принципам физики. Редукционизм в этом смысле – не программа по реформированию научной практики. Это точка зрения на то, почему мир является таким, каков он есть.

Мы не знаем, как долго наука будет двигаться по этому редукционному пути. Мы можем дойти до точки, где дальнейший прогресс станет невозможным для нашего вида. В настоящий момент представляется, что может существовать масса примерно в миллион триллионов раз больше, чем масса атома водорода, в котором гравитация и другие силы, в том числе и еще не изученные, сливаются воедино силами, представленными в Стандартной модели (эта единица называется планковской массой; это масса, которой должны были бы обладать частицы, чтобы их взаимное гравитационное притяжение было таким же, как электрическое отталкивание между двумя электронами на тех же расстояниях). Даже если бы все экономические ресурсы человеческой цивилизации были бы полностью в распоряжении физиков, мы сейчас не можем и мечтать о том, чтобы каким-то образом создать частицы с такой огромной массой в наших лабораториях.

В другом случае у нас могут исчерпаться интеллектуальные ресурсы – человечество может оказаться недостаточно умным, чтобы понять в действительности фундаментальные законы физики. Или мы можем наткнуться на явление, которое в принципе не может быть включено в унифицированную общую структуру всех наук. Например, хотя мы, возможно, придем к пониманию процессов в головном мозге, отвечающих за работу сознания, едва ли когда-нибудь мы сможем описать мысли и чувства в физических терминах.

Как бы то ни было, мы прошли длинный путь по этой дороге и все еще не добрались до ее конца {291} . Прошлое хранит память и великие истории о том, как небесная и земная физика были объединены Ньютоном, как единая теория электричества и магнетизма поднялась в развитии до объяснения природы света, как квантовая теория электромагнетизма расширилась до того, что включила в себя слабые и сильные взаимодействия внутри атомного ядра и как химия и даже биология были включены в обобщенную, хотя и неполную картину мира, основанную на физике. Теперь дело за более фундаментальной физической теорией, которая упростит огромное количество научных принципов, которые мы уже открыли и открываем сейчас.

291

Чтобы избежать обвинений в плагиате, я хочу упомянуть, что этот последний абзац моей книги является переработкой последнего абзаца из книги Дарвина «Происхождение видов».