Наука и богословие. Введение

Квантовая теория

Первый намек на квантовую теорию появился в 1900 году, когда Макс Планк понял, что досадный парадокс в поведении электромагнитной энергии (технически форма спектра излучения абсолютно черного тела) может быть успешно разрешен опытным путем, если предположить, что излучение испускается или поглощается импульсами, которые он назвал «квантами». В 1905 году Альберт Эйнштейн показал, что то, каким образом луч света выбивает электроны из металла (фотоэлектрический эффект), позволяет предположить, что эти кванты остаются стабильными после испускания (они скорее напоминают пули, выпущенные из ружья, чем капли из крана, которые потом сливаются в общую массу жидкости). Величайшая революция в физике со времен Ньютона была уже близка. Она завершилась в 1925 году блистательными и не зависимо друг от друга предложенными формулировками квантовой теории Вернера Гейзенберга и Эрвина Шредингера. Позднее важность их научного открытия была разъяснена Максом Борном и Полем Дираком под руководством Нильса Бора, бывшего тогда отцом–основателем этого направления физики.

Когда пыль улеглась, стали очевидными две вещи: на одном уровне существует абсолютно ясное формальное различие между классической физикой Ньютона и квантовой физикой Хайзенберга и Шредингера, на более же глубоком уровне интерпретация новой теории слишком туманна, какой и остается по сей день.

На формальном уровне различие коренится в основном принципе квантовой теории, который Дирак назвал «принципом суперпозиции», или «принципом наложения». Он предполагает возможность совмещения состояний вещества, которые в классической физике никак не могут быть совмещены. Это положение можно проиллюстрировать важнейшим для квантовой теории экспериментом, получившим название «опыт двух отверстий». Как показано на рисунке, электроны (или любые другие квантовые частицы) испускаются источником S и сталкиваются с экраном, имеющим два отверстия: А и В. За первым экраном имеется второй, детекторный, экран D, на котором регистрируется столкновение с ним электронов. Для ясности предположим, что D — фотографическая пластинка, на которой каждый электрон оставляет след. Частота, с которой электроны испускаются источником S, подобрана таким образом, что электроны ударяются об экран D строго по одному, причем с достаточным интервалом. Если все действительно происходит так, то можно наблюдать, что метки, оставляемые электронами, накапливаются постепенно, одна за другой. Это означает, что электроны в данном случае ведут себя, как отдельные частицы. Однако когда меток становится достаточно много, они образуют некую «кривую распределения», которая характеризуется различной интенсивностью в разных своих частях. Она схематично изображена на рисунке. Эта «кривая распределения», интерференционная картина, как она называется в науке, имеет все характеристики волны. Это видно из того факта, что на некоторых участках D волна от А и волна от В будут «идти в ногу» (пик совпадает с пиком), давая увеличение пика, а на некоторых участках они будут «идти не в ногу» (пик совпадет со впадиной), давая понижение пика. Таким образом, данный эксперимент иллюстрирует знаменитый квантовый парадокс: один и тот же объект может обладать одновременно свойствами частицы и свойствами волны. А поскольку мы знаем, что частица есть нечто, сходное с пулей, а волна — нечто гибкое, колеблющееся и распространяющееся в пространстве, такое поведение совершенно необъяснимо в терминах классической механики.

Тот, кто задаст вопрос: «А через какое именно отверстие влетел электрон?», попадет «в яблочко». Действительно, если некий электрон влетел через отверстие А, то отверстие В для нас в данном случае не важно, и оно могло бы быть и закрытым. Но тогда электрон должен был бы попасть в D где–то в районе А¹, тогда как на самом деле он ударяется об экран D где–то в районе О. Таким образом, получается, что он не мог влететь через А. Но по той же логике он не мог влететь и через В. Единственное логичное решение этой дилеммы — предположить, что один и тот же неделимый электрон умудрился влететь одновременно через А и В! Другими словами, состояние его движения равно сумме «влет через А + влет через В». В терминах классической механики — это полная бессмыслица, но в терминах квантовой механики — это как раз то, что позволяет «принцип наложения». Вот тут мы и встретились на опыте с необъяснимой, с точки зрения повседневности, загадкой квантового мира.

Как ни странно, это физики более или менее понимают. Сложности начинаются, когда мы пытаемся проникнуть дальше в суть дела и ввести в эксперимент специальную аппаратуру, контролирующую, через какое же все–таки отверстие влетает тот или иной электрон. И тогда происходят следующие странные вещи. Во–первых, больше не удается зарегистрировать интерференционную картину на экране D. Во–вторых, электроны влетают либо через отверстие А, либо через отверстие В, причем, это происходит случайно и с абсолютно одинаковой степенью вероятности — 50/50.

Эффект, производимый введением в вышеописанный эксперимент специальной детекторной аппаратуры, заставляет нас задуматься о роли, которую измерение вообще играет в квантовой механике. Вместо того чтобы получить от точнейшего измерительного прибора какой–то определенный численный результат, мы просто получаем вероятность, причем абсолютно одинаковую (50% вероятности А, 50% вероятности В). Это привело большинство физиков к уверенности, что квантовая теория не поддается обсчету, и мы только можем экспериментально показать, что квантовые частицы обладают такими–то и такими–то свойствами, заявленными в том или ином эксперименте. Поставив перед собой конкретную задачу, мы получаем конкретный ответ (проход электрона через отверстие А или отверстие В). Нерешенной в квантовой физике остается теоретическая проблема, а именно как возможно то, что каждый раз, когда мы ставим конкретный эксперимент, мы получаем конкретный экспериментальный результат, хотя сама квантовая теория может только подсчитать вероятности того или иного результата. Эту загадку называли «проблемой измерения». Иногда ее также называют «свертыванием волны». Если электрон влетает через А, тогда только A–часть этой волны в данный момент присутствует, и наложение (суперпозиция) сводится к одному элементу. Иначе говоря, В–часть волны в это время «свертывается». Именно эта дискретность приводит к исчезновению интерференционной картины с центром в С¹, оставляя только незначительный разброс в районе А¹.

Никакого удовлетворительного решения, с которым все могли бы единодушно согласиться, проблема измерения так до сих пор и не имеет. Ниже мы описываем принципиальные подходы к ее решению, которые были предложены учеными.

Оригинальное решение предложил Нильс Бор. Оно обычно называется «копенгагенской интерпретацией». Измерение есть вторжение повседневности (то есть принципов классической физики) в квантовый мир. Однако благодаря этому мы имеем ясные экспериментальные данные о свойствах квантовой системы, полученные с помощью классических измерительных приборов. В двух словах, Бор просто предлагает принять за аксиому то, что измерительная способность — онтологическое свойство классической измерительной аппаратуры. Есть квантовые частицы, и есть измерительные приборы. Сложите вместе две эти реальности — и вы получите ясный экспериментальный результат.

Сложность состоит в том, что мы получаем здесь своеобразную дуалистическую картину физического мира (квантовые частицы/измерительная аппаратура), чего на самом деле в природе не существует. Сама измерительная аппаратура, как и все остальные физические объекты мира, тоже состоит из квантовых частиц. В природе не существует двух разновидностей физического мира, существует только один. На самом деле, в интерпретации нуждается другой феномен: каким образом получается, что крупные комплексные системы макромира (измерительные приборы), состоящие из не поддающихся измерению частиц, могут сами обладать измерительными свойствами? Впрочем, существуют некоторые особенности поведения этих систем, дающие исследователям надежду, что эта загадка может быть разрешена. Например, мы можем сказать, что эти системы необратимы во времени (см.: глава 2 раздел «Время», подраздел Обратимость). Другими словами, у них есть «до» и «после», что роднит их с феноменом измерения («после» мы знаем то, чего мы не знали «до»). И все же четко сформулированной современной версии «копенгагенской интерпретации» не существует.

Здесь следует сказать следующее. Каждый эксперимент, в котором мы получаем результат, связан с мыслящим человеческим сознанием. Может быть, именно сознание, та загадочная связка, существующая между материей и разумом, и играет роль определяющего начала? Такой подход есть реальная попытка связать одну тайну (феномен измерения) с другой (феномен сознания). Однако здесь тоже возникает масса проблем. Разве любой процесс на квантовом уровне не имел никогда результата до того, как через миллионы лет после начала космической истории человеческий разум не научился регистрировать такие результаты? Если представить, например, что компьютер, подсоединенный к измерительному прибору, выдал распечатку экспериментальных результатов и эта распечатка была положена в ящик, разве на бумаге не существует результатов до того момента, пока, возможно, месяцы спустя, на эту бумагу кто–то случайно не взглянет? И чей же разум будет определять результат в этом случае? Этот пример можно проиллюстрировать душераздирающей притчей о кошке Шредингера. Несчастное животное заперто в ящике, в котором имеется источник радиоактивности, у которого есть 50% вероятности начала распада в течение следующего часа. Если это произойдет, то распад инициирует испускание ядовитого газа, который моментально убьет кошку. Можем ли мы сказать, что в конце указанного срока, еще до того, как кто–нибудь заглянет в ящик, состояние кошки будет совмещением вероятностей «50% (живая) + 50% (мертвая)», или что ее сознание вызвало «свертывание волны»? Трудно поверить, что кошка настолько лишена сознания, чтобы не узнать о собственной смерти. Но если это так, то где мы можем остановиться в этих допущениях? Могут ли, допустим, черви делать то же самое?

Одно из самых причудливых объяснений проблемы измерения называется «интерпретацией множества миров». Определенные экспериментальные данные представляют собой одну случайно выбранную возможность из нескольких (А, а не Б). В самой формулировке квантовой теории (технически, уравнения Шредингера) нет ни намека на такую случайность. «Свертывание волны» происходит не из–за некого внутреннего свойства квантового мира, а каким–то образом привносится извне.

Здесь имеется в виду следующее. Некоторые физики считают, что все, что теоретически может случиться, случается на самом деле. С их точки зрения, кажущаяся реализация всего одной из возможностей происходит только из–за нашего несовершенного восприятия. По их мнению, в момент каждого квантового измерения происходит как бы разделение мира на несколько параллельных миров, и в каждом реализуется одна из возможностей. Таким образом, существует мир, где кошка Шредингера выживает, а существует мир, где она умирает. Мне может казаться, что я вижу живую кошку в ящике, но мой двойник в параллельном мире будет в тот же момент видеть ее мертвой. А поскольку такие измерения делаются постоянно, количество таких предполагаемых миров уже должно быть ошеломляющим. Эту точку зрения поддерживает небольшая группа физиков, которых называют квантовыми космологами. Они смело пытаются распространить квантовую теорию на законы существования всей вселенной, и в таком случае уже не остается места ни для больших измерительных приборов, ни для сознательных наблюдателей. Однако квантовая космология представляется весьма неправдоподобной. Если мы не понимаем, как микроскопический квантовый мир соотносится с макроскопическим миром нашей повседневности, то можно предположить, что его отношения с законами существования вселенной в целом и того сложнее.

И, наконец, есть еще одно объяснение, строящееся на том, что никакой проблемы, собственно, говоря, и нет. Существование квантовых частиц настолько объективно, что и Ньютон не мог бы пожелать лучшего. Видимые противоречия в квантовой теории можно объяснить тем фактом, что не все действующие силы квантового мира доступны нашему опыту. Эти не доступные нашему исследованию возможности называются «скрытыми переменными». Дэвид Бом был первым, кто выстроил стройную теорию, основанную на этом объяснении. Ее экспериментальные подтверждения полностью совпадают с опытными данными традиционной квантовой механики. Теория Бома охватывает как частицы (объективную физическую реальность), так и волну, которая заключает в себе информацию о среде и которая также направляет движение частиц, хотя зарегистрировать ее непосредственно не удается. Существование этого последнего объяснения показывает, что пресловутая неопределенность квантовой теории в общем–то не объективна, а зависит в основном от метафизического выбора того или иного ученого. Таким образом, возможно вполне определенное, хотя и не очень детальное ее описание. Однако большинство физиков все же склоняются на сторону Бора, а не на сторону Бома. Те, кто делает это на основе серьезных размышлений, а не просто повинуясь мнению большинства, чувствуют, что теория Бома, будучи полезной практически, слишком запутанна, чтобы быть убедительной. Этот выбор делается учеными не на эмпирических основаниях, но это не значит, что он безоснователен, потому что наука — это больше, чем чистый эмпиризм.

Величайший парадокс квантовой теории — то, что, несмотря на успешное ее применение уже в течение более чем семидесяти лет, такой фундаментальный аспект ее интерпретации, как природа измерения, остается неясным и продолжает быть предметом дискуссий.

Существует много других аспектов квантовой теории, относящихся скорее к метафизике, чем непосредственно к физике, но которые, тем не менее, заслуживают нашего внимания.

Принцип неопределенности. Гейзенберг показал, что существование квантов налагает определенные ограничения на то, насколько точно мы можем одновременно определять различные свойства квантовых объектов. Выражаясь простыми словами, если вы знаете, где находится в данный момент электрон (его положение в пространстве), то вы не знаете, что с ним происходит (количество его движения), и наоборот. Такие ограничения могут быть представлены в виде ясных и четких правил. Эти правила вытекают из того факта, что существование квантов устанавливает минимальный уровень количества энергии обмена при взаимодействии (она не может быть меньше, чем 1 энергия одного кванта), из чего следует, что существует несократимое количество неконтролируемой энтропии, появляющейся при вмешательстве в систему во время процедуры измерения.

В своей исходной форме принцип Гейзенберга был эпистемологическим (основанным на познавательной способности, то есть на том, что мы можем узнать, в данном случае — измерить). Однако очень скоро Гейзенберг и большинство его коллег сформулировали этот принцип уже как онтологический, то есть основанный не на том, что мы можем или не можем знать о квантовой реальности, а на гипотезе о ее принципиальной неопределенности. Гейзенберг считал, что квантовые объекты просто не обладают такими характеристиками, как точное положение в пространстве и точное количество движения, обладая только потенциальной возможностью реализации этих характеристик, что и происходит при выполнении процедуры измерения. Существование альтернативной объективной интерпретации Бома показывает, что взгляды Гейзенберга, будучи широко распространенными, не стали, однако, нормативными для квантовой физики, хотя и приняты большинством физиков как метафизическая позиция. Этот выбор соответствует реалистической стратегии поиска настолько выверенного баланса между эпистемологией (человеческим познанием) и онтологией (сущностными характеристиками реальности), насколько это возможно. Выражаясь словами Полкинхорна, «Эпистемология служит моделью для онтологии», то есть, выясняя, что мы можем и что мы не можем знать, мы получаем заслуживающий доверия ориентир на то, что существует в реальности.

Принцип дополнительности. Сформулируйте задачу исследования квантового объекта в терминах частиц — и вы получите ответ в тех же терминах, сформулируйте ее в терминах волны — и ответ тоже будет соответствующим. Бор указывал на то, что, как ни странно, это не создает никакого логического противоречия, поскольку противоречивые ответы, на самом деле, возникают только из–за того, что вопросы взаимоисключают друг друга. Иначе говоря, их просто нельзя задавать одновременно. (Техническое замечание. Позднее Дирак выстроил теорию квантового поля, которая обеспечивает это свойство квантовой реальности ясной математической моделью, так что физики теперь понимают природу дуализма «частица–волна». Оказалось, что она напрямую связана с принципом наложения, то есть то состояние квантовой реальности, которое мы называем «волна», составлено из неопределенного количества частиц (см.: глава 2, «Квантовая теория», подраздел Принцип наложения/совмещения (суперпозиции). А поскольку мы знаем, что можно точно измерить либо положение частиц, либо количество их движения, но нельзя сделать и то и другое одновременно, значит возможно описывать квантовую систему либо в терминах «частицы», то есть положения отдельных частиц в пространстве, либо в терминах «волны», то есть количества движения этих частиц. Эти пары (волна/частица, положение/количество движения) представляют такое свойство квантовой теории, которое Бор назвал «дополнительностью». Этот принцип означает, что противоречащие друг другу описания, внутренне полные и самодостаточные сами по себе, могут быть сделаны для одного и того же явления.

Отсутствие локализации. В 30–х годах XX века Эйнштейн и его молодые коллеги Борис Подольский и Натан Розен привлекли внимание физиков к никем не отмеченному до того свойству квантовой теории, которое «противоречит интуитивному ожиданию» (вступает в противоречие с тем, что мы привыкли ожидать). Оно предполагает отсутствие локализации (то есть «единство–в–разделенности), что значит, что, если две квантовые частицы провзаимодействовали друг с другом, они сохраняют способность влиять друг на друга вне зависимости от того, насколько далеко они разошлись друг от друга после взаимодействия. Если даже частица А осталась в лаборатории, а частица Б улетела куда–то заЛуну, измерение, связанное с А, будет немедленно воздействовать на состояние Б. Необходимо понять, что этот эффект — каузальный, онтологический, а не просто эпистемологический.

В том, что наше знание о частице Б увеличивается с увеличением нашего знания о частице А, вне зависимости от того, как далеко друг от друга эти частицы находятся, еще нет ничего «противоречащего интуитивному ожиданию». Предположим, что в непрозрачной емкости лежат два шарика, и мы знаем, что один из них белый, а другой — черный. Вы берете один из них, сразу зажимая его в кулаке, так что ни вы, ни я не знаем, какого цвета ваш шарик. Я таким же образом беру оставшийся. Через некоторое время я разжимаю кулак и выясняю, что у меня черный шарик. Немедленным следствием этого знания будет абсолютно достоверное знание о том, какого цвета ваш шарик, хотя в этот момент вы, возможно, будете уже на расстоянии многих километров от меня. И в этом нет никакого парадокса и никакой загадки. Ведь у вас с самого начала был белый шарик, и все, что произошло, это то, что я об этом узнал, посмотрев, какого цвета шар у меня.

Эффект Эйнштейна–Подольского–Розена (или ЭПР–эффект, как он обычно называется) предполагает нечто гораздо более глубокое. Измерение различных свойств А предполагает различные последствие для Б. Этими последствиями будут реальные изменения в состоянии Б, произошедшие вследствие измерений А. (Кто–то может подумать, что такие немедленные последствия будут противоречить теории относительности, но эта теория говорит только о невозможности распространения информации быстрее, чем скорость света, а рассматриваемый эффект не имеет отношения к распространению информации.) Сам Эйнштейн считал, что все это настолько невероятно, что должно говорить о неполноте квантовой теории. Однако Джону Беллу удалось сформулировать некоторые экспериментально доказуемые следствия ЭПР–эффекта (так называемые «неравенства Белла»), а в 1980–х годах А. Эспектом и его коллегами были проведены блистательные эксперименты, показавшие, что отсутствие локализации действительно свойственно природе.

Открытие квантовой теории расширило поле нашего воображения в отношении природы физических процессов. А это в свою очередь повлияло на наше мышление в целом. Из открытия квантовой реальности можно сделать следующие выводы:

Физический мир полон неожиданностей. Тривиальное мышление, основанное на повседневном опыте, может служить нам руководством далеко не во всех случаях. Реальность обычно превосходит наши ожидания. Невозможно решить, что «здраво», а что нет, опираясь только на размышления и рассуждения. Для этого необходимо найти соответствующие опытные подтверждения. Так, никто не смог бы предположить дуалистичность природы квантового мира. Для обнаружения этого потребовалось непосредственное исследование физических явлений.

Реальность может не совпадать с наивно понимаемой «объективностью». Физики верят в реальность существования электронов, но они не считают, что электроны можно описывать в простых терминах повседневной объективности. Электроны обладают скорее потенциальной способностью занимать определенное положение в пространстве и иметь определенное количество движения, чем обладают этими характеристиками актуально. Долгая борьба Эйнштейна с общепринятой интерпретацией квантовой теории, несмотря на то, что он был, так сказать, дедушкой этой области физики, была мотивирована его страстной верой в реальность физического мира и его ошибочной уверенностью в том, что эта реальность предполагает классически понимаемую объективность абсолютно всех физических явлений. По мнению современных физиков, основной критерий реальности существования какого–то явления — не его прямо понимаемая объективность, а принципиальная возможность для его понимания, они верят в реальность существования электронов, поскольку с ее помощью можно объяснить множество опытно зарегистрированных физических явлений.

Невозможно установить универсальные критерии познаваемости — это следующий урок, извлеченный учеными из квантовой теории. Если квантовый мир вообще можно познать, то это возможно сделать только в пределах, устанавливаемых принципом неопределенности, и невозможно, опираясь на ясные критерии ньютоновской классической физики.

Холизм. Принцип «единства–в–разделенности», выражаемый ЭПР–эффектом, вступает в противоречие с любым положением наивного редукционизма, благодаря которому мы мыслим целое как простую и делимую сумму частей. К нашему удивлению, оказывается, что субатомный мир нельзя рассматривать атомистически. Впрочем, это положение нуждается в дальнейших исследованиях.

Предпочтение большинством физиков интерпретации Бора, а не Бома говорит о важности неэмпирических критериев в выборе научной теории.

Есть еще несколько положений, которые, несмотря на расхожее мнение, на самом деле не следуют из квантовой теории, а именно:

Квантовая теория — настолько странная штука, что уж если ее признали верной, то теперь все, что угодно, можно считать возможным. Конечно, это не всегда утверждается насколько прямо, но это порождает стиль мышления, который можно было бы назвать «квантовой вседозволенностью». Например, моментально и совершенно неправомерно был сделан вывод, что с помощью ЭПР–эфффекта можно объяснить телепатию. (Мы уже говорили, что это явление не применимо к распространению информации, так что об этом и речи быть не может.) Далее, принцип дополнительности может каким–то образом использоваться богословием, чтобы по аналогии объяснить положение о дуалистической — одновременно божественной и человеческой — природе Христа, хотя это тоже совершенно неправомерно. Нельзя забывать, что принцип комплиментарности существует в квантовой физике в строго определенном виде, специфичном для квантовой теории, и не может быть бездумно применен в какой–то другой области.

Далее, безосновательна мысль о том, что квантовый мир совершенно неопределен по своей сути, что позволяет провести аналогию между ним и восточной концепцией майа. Квантовая теория основана на положении о существовании двух определенных вещей: частиц и несколько менее определенного, но вполне реального явления, названного «волной». Одним из первых следствий квантовой теории было объяснение того, почему атомы сравнительно стабильны (для потери стабильности им нужен так называемый «квантовый скачок», тогда как в классической физике потеря стабильности может быть достигнута постепенным изменением). Квантовые процессы контролируются теми же законами сохранения (а именно энергии и количества движения, которые не могут просто так взять и исчезнуть), что и процессы в классической физике. Квантовая теория может быть названа туманной, но она имеет под собой почву. Кроме того, в ней есть структура, представленная принципами симметрии, на которых базируется любая современная теория элементарных частиц. Именно на основе этих принципов выработаны закономерности организации всех составляющих атомного ядра.

То, что можно сказать о влиянии наблюдателя на реальность, напрямую зависит от того, какому решению проблемы измерения будет отдано предпочтение. С одной стороны имеются интерпретация Бома и никак с ней не связанная «интерпретация множества миров», свободные от концепции влияния наблюдателя настолько же, насколько от нее свободна классическая физика, с другой стороны — «разумная» интерпретация, говорящая о важности роли наблюдателя, но сводящая эту роль к выбору одного из ограниченного количества принципиально возможных результатов. В целом, видимо, лучше всего будет сказать, что квантовая теория может послужить источником теории о существовании «реальности, испытывающей влияние наблюдателя». Но в любом случае следует воздержаться от разговоров о «реальности, создаваемой наблюдателем».

Космология

В 20–х годах XX века Эдвин Хаббл обнаружил, что вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга со скоростями, пропорциональными их расстоянию друг от друга. Это открытие было применено к прошлому, и таким образом появилась известная теория Большого взрыва. Она утверждает, что несколько (15, согласно последним предположениям) миллиардов лет назад вселенная возникла путем взрыва из некой точки (условно, поскольку считается, что она практически не имела протяженности), или, лучше сказать, некоего состояния одновременно бесконечной энергии и бесконечной плотности. И с тех пор галактики — продукты этого взрыва — продолжают удаляться друг от друга. Эта теория получила поддержку после открытия фонового космического излучения. Холодный эфирный шум, наполняющий всю вселенную, обычно считается неким космическим реликтом, многократно отраженным звуком, доносящимся из тех времен, когда вселенной было всего какие–то полмиллиона лет и она еще только–только остыла до той степени, чтобы излучение и материя разделились.

Можно попытаться проследить космическую историю до как можно более ранней стадии образования. С одной стороны, задача облегчается тем, что на самой ранней стадии вселенная практически однородна по своему составу и почти лишена структуры, поэтому она представляет собой очень простую для изучения физическую систему. С другой стороны, правда, задача осложняется тем, что чрезвычайно высокие энергии, преобладающие в ранний период развития космоса, создают реальность такого рода, которая лежит за пределами нашего достоверного знания, поэтому мы лишь можем строить гипотезы на эту тему. Можно сказать, что о периоде истории вселенной с момента, примерно равного одной миллиардной доли секунды от начала ее существования, до нескольких миллионов лет мы что–то знаем с достаточной степенью уверенности и понимаем важнейшие физические процессы, происходившие в то время. После окончания этого периода вселенная становится структурно более сложной. Теории, касающиеся времени до начала этого периода, гораздо более уязвимые и в основном умозрительные. Наибольшую неуверенность вызывает период времени, прошедший с начала космической истории, сравнимый с временем Планка, то есть 10^–43 секунды. В ту эпоху вселенная, по–видимому, была столь мала, что квантовые эффекты должны были быть важны для мироздания. И все же полной согласованности между квантовой теорией и общей теорией относительности (современной теорией гравитации — базой для всех теоретических построений в области космологии) не наблюдается. Многочисленные рассуждения на тему квантовой космологии, встречающиеся в популярной литературе, необходимо воспринимать с осторожностью. Нужно помнить фразу великого советского физика–теоретика Льва Ландау о том, что космологи «часто ошибаются, но никогда не сомневаются». Однако в общих чертах такая теория достаточно правдоподобна и важна, чтобы послужить материалом для обсуждения.

Поскольку квантовая теория склонна затемнять реальность, это вполне может случиться и с тезисом о первоначальном единстве. В таком случае можно будет говорить о том, что у вселенной, видимо, есть конец, но нет вполне определенного во времени начала. Также правдоподобно предположение о том, что очень молодая вселенная — примерно через 10^–35 секунды после взрыва — подверглась своеобразному «вскипанию пространства» (технически, фазовому изменению), что привело к огромному увеличению ее размеров в неправдоподобно короткое время. Этот гипотетический процесс был назван «раздуванием», и с помощью него стало возможным объяснить такие черты мироздания, как практически полное единообразие в распределении на макрокосмическом уровне и баланс между эффектами расширения вселенной и гравитационного притяжения, которые иначе сложно было бы понять.

Квантовый вакуум — не пустое «ничто», а активная среда, полная флуктуирующей энергией. В таком случае не таким уж невероятным будет предположение, что причиной образования космоса могла быть вакуумная флуктуация, невероятным образом увеличенная «вздутием». (Техническое замечание. Ее долгое существование в таком случае позволило бы космосу иметь фактически нулевую суммарную энергию благодаря тому, что положительная энергия материи и движения аннулируется отрицательной потенциальной энергией гравитации.) Но объективно не существует научного свидетельства того, что космос образовался именно таким образом.

Ни одно из этих научных положений не было проработано достаточно удовлетворительно. Все они существуют на правах гипотез с разной степенью правдоподобия и обоснованности. Какое значение, при своей истинности, они могут иметь для богословия, мы поговорим в одной из следующих глав, когда будем рассматривать доктрину о сотворении?

Мы уже говорили о том, что сглаживающий процесс «вздутия» должен был послужить балансом между расширяющим эффектом Большого взрыва, благодаря которому галактики разлетаются в разные стороны, и связывающим эффектом гравитации, стягивающим материю вместе. В результате получается вселенная, которая, с одной стороны, не стала в очень короткий срок слишком разреженной, но, с другой стороны, не свернулась обратно в первоначальное состояние. Только в таком сбалансированном мире возможно достаточно интенсивное взаимодействие между его компонентами, и только он способен обеспечить взаимодействие, достаточно длительное, чтобы обеспечить плодотворное развитии, впоследствии приведшее к появлению жизни на Земле.

В первые три минуты своего существования вселенная была достаточно активной, чтобы стать ареной для ядерных реакций. Когда остывание положило конец этому периоду, макроскопическая ядерная структура космоса была зафиксирована в том виде, в котором она существует сейчас, то есть на три четверти — водородная, на одну четверть — гелиевая. Изобилие водорода говорит о том, что когда, примерно через 1 миллиард лет, силы гравитации притянули обратно массы материи, уже сконденсировавшиеся в звезды и галактики, постоянное снабжение энергией, осуществляемое водородными звездами типа Солнца, оказалось пригодно и для развития жизни. Другие безымянные звезды тоже сыграли важнейшую роль в том, что наше существование стало возможным. Химические строительные материалы жизни (углерод, кислород и т. п.) могли образоваться только в «ядерной топке» внутренней части звезды. Изящная цепочка ядерных реакций превращает первоначальные водород и гелий в эти более тяжелые элементы, что позволяет некоторым звездам закончить свое существование путем «взрыва сверхновой». Их ядерный материал выбрасывается в окружающее пространство, где он может создать пригодную химическую среду на одной из планет второго поколения типа Земли.

Ученые очень неплохо понимают физику этих процессов. Оказывается, все они в той или иной мере зависят от сил природы, понимаемых в точности так, как они существуют в нашей вселенной. Очень незначительные изменения в количественных показателях, определяющих физическое строение мира, таких как внутренняя сила тяготения или электромагнитного взаимодействия, сделали бы космическую историю скучной и нерезультативной. Другими словами, вселенная, способная породить жизнь, основанную на углероде, — весьма специфическая вселенная, «очень точно настроенная», так сказать, в отношении характера своих физических процессов. Такая поразительная точка зрения получила название «антропный принцип». Не всякий старый мир способен произвести на свет антропоидов, то есть существа, сравнимые по сложности с человеком.

В пользу этого подхода говорит изучение земных биологических процессов. Гомеостатические механизмы, поддерживающие содержание кислорода в атмосфере Земли, ее температуру и соленость морей в допустимых границах, очень тонко сбалансированы. Многие замечательные свойства воды кажутся необходимыми, если говорить о возможности развития жизни, а ведь они — следствие именно такого, а не иного строения нашего мира. Столь огромный размер видимой вселенной — сотни тысяч миллионов галактик, в каждой из которых сотни тысяч звезд — необходим для развития жизни на хотя бы одной из планет. Этот процесс занимает 15 миллиардов лет, и космологи знают, что только вселенная размером, по крайней мере, как наша, могла бы просуществовать так долго.

Несмотря на то что у нас есть прямой научный опыт наблюдения только нашей вселенной, ученые могут в своем воображении мысленно посещать другие возможные миры, близкие нашему. В том смысле, что они похожи на нашу вселенную, но, скажем, физические константы в них имеют другие численные значения. Вывод, который можно сделать из такого рода путешествий, таков: наша вселенная — всего лишь крохотный плодородный участок в том, что можно было бы назвать бесплодной пустыней потенциально возможного. Для развития столь продуктивной и сложной структуры необходимы подходящие законы (не слишком строгие, чтобы что–то все же могло произойти, но и не слишком мягкие, чтобы не порождать хаос, и квантовая механика кажется идеальной с этой точки зрения), подходящие конституирующие элементы (вселенная, состоящая только из электронов и фотонов, не имела бы достаточного потенциала для построения разнообразной структуры), подходящие числовые значения сил (например, ядерных сил, способных порождать элементы внутри звезд), подходящие обстоятельства (достаточно большая вселенная). В этом научном смысле антропный принцип очень широко известен. Существует огромное количество разнообразных мнений по поводу того, насколько большое значение можно приписывать этому принципу.

Так называемый слабый антропный принцип просто констатирует, что наше присутствие во вселенной предполагает, что ее природа должна быть приспособлена для жизни, основанной на углероде. К примеру, не случайно, что нашей вселенной 15 миллиардов лет, потому что вселенная 10 миллиардов лет отроду не смогла бы произвести на свет антропоидов. Антропный принцип в такой форме просто констатирует очевидное, но не может объяснить поразительного характера тех конкретных обстоятельств, которые необходимы, чтобы это было именно так. С другой стороны, так называемый сильный антропный принцип, утверждающий, что наша вселенная должна была быть способна породить жизнь (что это одна из ее онтологических характеристик), не может считаться полностью научным. Его телеологический характер явно предполагает то, что он должен идти дальше науки и становиться уже на почву веры, чтобы предоставить необходимые объяснения.

Одним из философов, занимавшихся этими вопросами, был Джон Лесли. Он придумал следующее иносказание. Предположим, что вас собираются казнить. Вы привязаны к столбу, ваши глаза завязаны, и на вашу грудь направлены ружья десяти прекрасно обученных стрелков. Офицер командует: «Огонь!», раздаются выстрелы… Но в следующий момент вы обнаруживаете, что остались живы! Что вы делаете? Вы просто уходите, говоря: «А ведь я был почти уже мертв»? Разумеется, нет. Ведь такое замечательное событие требует объяснения. Лесли говорит, что возможны только два рациональных объяснения тому, что вам так повезло. И сегодня случается множество подобных казней, но даже очень хорошо обученные стрелки иногда промахиваются, так что ваша казнь могла оказаться тем самым случаем, когда они промахнулись. Другое объяснение состоит в том, что вы на самом деле чего–то не знали. Стрелки могли быть на вашей стороне и промахнуться специально.

Видно, как эта притча перекликается с размышлением над антропным принципом. Апелляция к его слабой форме была бы эквивалентна простому пожиманию плечами по поводу того, что вы остались живы. Но ведь такое замечательное событие просто требует объяснения, адекватного значительности произошедшего. Необходимо признать, что поиски метанаучного понимания антропного принципа необходимы не только из–за простой очевидности очень небольшого шанса существования именно таких физических законов из огромного числа возможных, но и из–за сочетания такого неправдоподобного своеобразия с его глубокой значимостью. Мы обычно не ищем смысла в раскиданных на траве белых камешках, поскольку слишком много вариантов того, каким образом они могут лежать. Они заинтересуют нас только в том случае, если узор, которые они составляют, несет какой–то более высокий смысл, например если это сигнал SOS.

Объяснения, предлагаемые Лесли, интерпретируются в рамках антропного принципа либо через «множество миров», либо через «волю Создателя». В первом случае, если существует очень много миров, и в каждом из них существуют разные законы, может случиться так, что в одном из них случайно образовались именно такие условия, какие необходимы для возникновения жизни, основанной на углероде. Это и есть тот мир, в котором мы живем, потому что мы не смогли бы появиться нив каком другом. В другом случае, возможно, что вселенная всего одна, и ее физические составляющие очень тонко подобраны именно для того, чтобы послужить плодородной почвой для осуществления воли Создателя по произведению на свет жизни.

Оба эти объяснения — метафизические по сути. Они идут дальше того, что наука сама по себе могла бы нам предложить. Объяснение «множества миров» иногда преподносится как чисто научное, но на самом деле набор этих миров может быть только умозрительным, а это значительно больше того, что с чистой совестью одобрила бы здравомыслящая наука. В качестве примера такой метанаучной идеи можно привести гипотезу о том, что вселенная вечно вибрирует, и Большой взрыв, следующий за каждым кризисом, порождает мир с совершенно другими физическими законами. (Квантовая теория «множества миров», даже если предположить, что она верна, совсем не то же самое, поскольку ее «многие миры» отличаются друг от друга только результатами квантовых процессов, а не базовыми физическими законами.) Метафизическая гипотеза о существовании Создателя будет рассмотрена подробнее в четвертой главе.

Эволюция: случайность и необходимость

При рождении вселенная была очень проста, но за 15 миллиардов лет ее существования в ней образовался избыток сложных структур. Это произошло благодаря эволюции, которую часто характеризуют как заключающую в себе одновременно случайность и необходимость. «Случайность» понимается как то, что некое событие произошло так, а не иначе по воле случая. Под «необходимостью» понимается то, что нечто происходит строго по законам природы. Продуктивная история эволюции космоса заключала в себе взаимодействие между этими двумя аспектами, и это касается не только биологической эволюции на Земле, но и физического развития самой вселенной.

Определенная цепочка небольших случайных несоответствий в почти однородном распределении материи в молодой вселенной была усилена действием гравитации, действующей строго по законам природы, и благодаря этому образовались галактики, которые мы можем наблюдать сегодня. Другой набор несоответствий выразился бы в таком распределении галактик, которое отличалось бы деталями. Таким образом, то конкретное строение, которое мы наблюдаем, получилось случайно (оно с тем же успехом могло бы быть другим), но то, что галактики вообще образовались, видимо, не случайно (это то, что случается в почти однородном мире, состоящем из не слишком разреженной материи). Таким же образом, по воле случая, генетическая мутация направила течение жизни в одном направлении, а не в другом, и при этом сравнительно точная передача генетической информации от поколения к поколению сохранила чистоту видов, позволив им впоследствии участвовать в процессе естественного отбора, действующего в среде, регулируемой законами природы.

Можно прокомментировать природу этих универсальных эволюционных процессов.

И случайность, и необходимость — неразделимые партнеры в продуктивной истории вселенной. Всецело «случайный» мир был бы слишком бессистемным, чтобы быть продуктивным, всецело «необходимый» (полностью предопределенный) мир был бы слишком однородным, чтобы быть продуктивным.

Роль случая не превращает эволюцию в мировую лотерею. Его наличие не обязательно предполагает «раскрытие пустых лотов». Его значение скорее в том, что, поскольку только часть возможного становится действительным, он служит механизмом случайного отбора из всей совокупности возможностей. Эта «выборная» функция случая может быть понята как способ изучения и реализации какой–то части потенциальных возможностей, заложенных в физической структуре мира.

Необходимость — не только неотъемлемый контрагент случайности, но, как напоминает нам точка зрения антропного принципа, эта необходимость должна принимать очень специфическую форму в продуктивной вселенной. Эволюционные поиски случая были бы бесполезны, если бы характер физического закона не был бы настроен на потенциальную возможность появления человека. И наоборот, если имеется мир, способный произвести человека, развитие в нем какого–либо вида жизни, основанной на углероде, есть естественная вероятность. То, что на свете существуют жирафы и средняя длина их шеи равняется такой–то величине, — разумеется, случайность, но то, что сейчас где–то во вселенной есть некие живые существа, — возможность, которая кажется заложенной в механизме этой вселенной с самого начала. До сих пор не разрешен спор между специалистами по поводу того, каковы были шансы этой возможности реализоваться. Некоторые из них (Эйген, ДеДюв) считают, что любая планета с приемлемыми условиями температуры, радиации, химического состава и т. д. может дать начало какой–либо форме жизни. Другие (Френсис Крик) считают трудным для понимания то, как появление жизни было возможно хотя бы раз. Пока мы остаемся в неведении относительно биохимических путей возникновения на самом деле жизни на Земле, этот спор не может быть разрешен. Неопровержимое доказательство того, что жизнь независимо возникла на Марсе или в другом месте галактики, послужило бы защитой точки зрения тех, кто полагает, что вселенная «засеяна» семенами жизни.

Хаос и теория сложности

На протяжении многих поколений ученые, изучавшие классическую механику, делали это на примере простых систем, например качающегося маятника или непрерывно вращающейся планеты. Такие динамические системы достаточно грубы: незначительное нарушение ведет лишь к незначительным изменениям в их работе. Их поведение предсказуемо и подконтрольно, другими словами, оно механическое. Предположили, что именно таково типичное классическое поведение, и, таким образом, весь ньютоновский мир считался работающим, как часовой механизм. В XX веке, и особенно в течение последних сорока лет, стало понятно, что это отнюдь не так.

Существует множество классических систем, которые чрезвычайно чувствительны к нюансам в условиях своего существования. Вследствие этого малейшее изменение совершенно изменяет их поведение. Согласно фразе, приписываемой Попперу, они «скорее облака, чем часы». Если образно описывать эту ситуацию, можно обратиться к эффекту бабочки: погодная система на Земле настолько чувствительна к малейшим колебаниям, что последствия колыхания воздуха крылышками бабочки где–то в джунглях Африки сегодня могут привести к шторму над Лондоном или над Нью–Йорком недели через три.

Теория таких сверхчувствительных систем была названа «теорией хаоса». Надо отметить, что название это неудачно, хотя теперь его уже не изменишь. Будущее, созданное непредсказуемым характером подобных систем, только представляется случайным: на деле оказывается, что это не совсем так. Совокупность возможностей находится строго в пределах так называемого «странного аттрактора».

Выражаясь математическими терминами, уравнения, описывающие хаотические системы, обладают свойствами рефлективности (результат имеет обратное воздействие на причину) и нелинейности (удвоение причины приводит не к простому удвоению результата, а к чему–то совершенно иному). Геометрический характер решения подобных уравнений совпадает не с непрерывными плавными кривыми, характеризующими примитивные системы, но с зубчатой формой фракталов (зубья пилы, сделанные из зубьев пилы, сделанных из зубьев пилы… — бесконечная пролификация структуры, сходной на каждой ступени, на которой она исследуется). Ньютон изобрел систему исчисления для работы с непрерывными плавными колебаниями. Оказалось, что описание физического мира требует того, чтобы наше математическое воображение поднялось над упорядоченной вероятностью. Общая форма, которую должна принять такая новая математика, еще не выработана. Ее изучение все еще находится на «естественно–исторической» стадии рассмотрения множеств конкретных примеров, предоставленных исследованием компьютерных моделей. Хаос есть ныне объект, управляемый компьютером.

Его часто называют «детерминированным хаосом», поскольку уравнения, из которых выводятся его модели, — это превосходно детерминированные и «послушные» уравнения. Если исходные данные заданы достаточно точно (строго определена начальная точка), они приводят к совершенно уникальной цепи событий. Однако малейшая неточность в исходных данных (хоть немного «плавающая» начальная точка) вскоре приведет к большой неточности в результатах, поскольку небольшие вариации вырастут экспоненциально и определят поведение.

Рассмотрим, например, воздух в комнате. То, как молекулы воздуха сталкиваются друг с другом, показано на адекватной современным задачам модели миниатюрных бильярдных шаров. Дано: в Ю'¹⁰ секунды каждая молекула имела около 50 столкновений с соседними молекулами. Возникает вопрос: насколько точно необходимо знать исходные условия, если нужно вычислить с приемлемой точностью, будет ли 10'¹⁰ секунды спустя какая–то конкретная молекула двигаться к стене или от стены? Столкновение бильярдных шаров — прекрасно определяемое событие (сам Ньютон первым выработал эту теорию). Но небольшая ошибка в деталях того, как сталкиваются два шара, оказывает очень большое влияние на то, в каких направлениях они разлетаются, что хорошо известно игрокам в пул и снукер. После 50 столкновений этот эффект увеличивается экспоненциально. Таким образом, в прогнозе будет допущена серьезная ошибка, если не было принято во внимание воздействие электрона (мельчайшей частицы материи), находящегося на другом конце обозримой вселенной (так далеко, как только можно) и взаимодействующего с молекулами воздуха в комнате через силу гравитации (самая слабая сила в природе). Этот поразительный вывод говорит не только о непредсказуемости хаотических систем, но также и о том, что их чувствительность к условиям требует необходимости рассматривать их всецело в контексте их окружения. Даже такая простая система, как молекулы воздуха, в таком коротком промежутке времени, как Ю'¹⁰ секунды, требует буквально глобальных знаний для своего полного описания.

Были предложены различные метафизические интерпретации присущей теории хаоса комбинации детерминированных уравнений и видимой непредсказуемости поведения.

Детерминизм. Согласно самому распространенному предложению, уравнения принимаются на веру, и делается вывод о том, что сложное и внешне случайное поведение может корениться во внутренней простоте и детерминизме. В этой позиции есть определенная доля эпистемологического пессимизма, поскольку в таком случае невозможно отличить действительную случайность от видимой.

Открытость. Альтернативное предложение, выдвинутое Полкинхорном, заключается в том, чтобы первенство в интерпретации было отдано наблюдаемому поведению. Подобно тому, как принцип неопределенности Гейзенберга заставляет большинство физиков верить в непредсказуемость квантов, теория хаоса должна поддерживать уверенность в существовании реальности более тонкой и гибкой, чем подобный часам мир Ньютона. (То есть облака реальны, они не просто «разболтанные часы».)

Полкинхорн утверждает, что этот шаг естествен для критического реализма. Если у будущего есть причины, то такое предположение могло бы значить, что в числе этих причин не только действие силы энергообмена между компонентами. Поскольку пути через странный аттрактор различаются скорее в моделях поведения, чем в энергии, эти новые принципы имели бы больше отношения к структуре будущего поведения, чем к затраченной энергии. Поскольку хаотические системы не поддаются изоляции, эти новые каузальные принципы имели бы глобальный характер. Термин «активная информация» был придуман для описания такого нового вида причинности («активная» — из–за своей каузальной эффективности, «информация» — поскольку относится к формированию моделей поведения). Детерминированные уравнения, с которых начались математические исследования, в таком случае рассматриваются как аппроксимации, действующие лишь при том особом условии, что воздействием среды на систему можно безболезненно пренебречь. Это последнее условие ограничивает создание определенных режимов, тех, которые предназначены на самом деле для проведения экспериментальных исследований. Существование таких специальных изолированных условий — единственное, что делает возможным эмпирическую науку, потому что если бы необходимо было знать все до того, как что–то узнать, прогресс науки был бы невозможен. Таким образом, в предположении, что проверенные уравнения ньютоновской динамики приблизительны, нет конфликта с экспериментальным знанием.

Можно надеяться, что дальнейший прогресс в этой области будет достигнут с помощью сочетания динамики хаоса с квантовой теорией. В конце концов поведение хаотических систем, похоже, зависит от степени подробности на уровне неопределенности Гейзенберга и ниже.

Однако в понимании взаимодействия хаоса и квантовой реальности существуют большие технически сложности, и эти вопросы пока не имеют решения.

Дальнейшее расширение горизонтов научного воображения произошло благодаря исследованию диссипативных систем, далеких от равновесия, предпринятому Ильей Пригожиным и его коллегами. Это системы, которые поддерживаются благодаря притоку энергии извне. Второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия (единица измерения неупорядоченности) изолированной системы не может быть понижена, в этом случае не действует. Благодаря своему взаимодействию со средой, диссипативные системы способны экспортировать свою энтропию, что позволяет им генерировать и поддерживать высокоупорядоченную внутреннюю структуру. Формирование такой структуры может происходить спонтанно через рост небольших флуктуаций.

В качестве простого примера можно привести поток в жидкой среде (Бенар). Жидкость содержится между двумя горизонтальными пластинами, нижняя из которых находится под воздействием более высокой температуры, чем верхняя. Когда разница этих температур достаточно велика, происходит обмен тепла путем конвективного движения масс горячей жидкости от нижней пластины к верхней и обратного нисходящего потока остывшей жидкости. Оказывается, что такое движение высокоупорядоченно, и конвективные движения происходят в пределах шестиугольных ячеек разного размера. Этот спонтанно возникший порядок включает согласное движение триллионов молекул жидкости. Известно много примеров такого «порядка из хаоса» (по выражению Пригожина). Живые системы (организмы) поддерживают свою чрезвычайно сложную упорядоченность, будучи диссипативными системами (мы выдыхаем энтропию).

Вся история вселенной, а особенно история биологической жизни на Земле, характеризуется постоянным увеличением сложности. История развивается от первоначального космоса, который был всего лишь шаром раздуваемой энергии, к вселенной звезд и галактик. А затем, по крайней мере, на одной из планет, развитие идет к воспроизводящим молекулам, к клеточным организмам, к многоклеточной жизни, к сознательной жизни и к человечеству. Хотя это произошло больше миллиарда лет назад, когда речь идет о возникновении структуры подобной сложности, кажется, что это произошло поразительно быстро. Простое эволюционное взаимодействие случайности и необходимости, несомненно, участвовало в этом процессе. Дарвин сообщил нам нечто очень ценное об истории жизни.

И все же интересно узнать, а не могла бы наука сообщить нам что–то еще. Предположение спонтанного возникновения порядка из хаоса и активной информации в качестве возможного причинного начала позволяет думать, что могла бы. Этой мысли способствует также изучение систем нервных сетей — множеств связанных между собой центров, способных оказывать друг на друга согласованное влияние. Снова мы сталкиваемся, при соответствующих условиях, со спонтанным возникновением структурированных моделей дальнего действия и очень специфического вида. Стьюард Кауффман предположил, что могут существовать определенные типы порядка, примеры которых часто можно найти в биологических системах, и что причиной этого служит естественная склонность материи самоорганизовываться определенными сложными способами. Другими словами, на ход биологической эволюции, с точки зрения Кауффмана, мог повлиять не только критерий приспособленности, направленный на выживание в определенной экологической нише, но также и внутренне присущие материи принципы упорядочения, благоприятствующие появлению структур специфического вида. (Очень простым примером из физики могла бы послужить конвекция Бенара, где шестиугольная модель организации ячеек превалирует над квадратной.) Эти научные предположения сейчас находятся лишь на предварительной стадии изучения, но вряд ли это будет говорить о широте взглядов, если они будут просто списаны со счетов на том веском основании, что дарвинизм не нуждается в дальнейшем исследовании. Напротив, существует таинственная и заманчивая перспектива лучшего понимания той великой тенденции к усложнению, что характеризовала историю вселенной и Земли.

Святой Августин сказал, что знает, чем считалось время до того, как он стал о нем размышлять, а дальше начались его затруднения. Хотя временной процесс фундаментален для научной мысли, ученые также находятся в немалом замешательстве по поводу природы времени.

Если бы кто–то заснял на пленку столкновение бильярдных шаров, этот фильм имел бы одинаковый смысл, показали бы его в правильном порядке или в обратном. Процесс такого рода называется «обратимым во времени», у него нет внутренне определяемого «до» или «после». С другой стороны, фильм о большом количестве бильярдных шаров на качающейся поверхности, кончающийся на том, что все шары останавливаются, образуя совершенно правильный прямоугольник, такой фильм, разумеется, прокручен в обратную сторону, поскольку он показывает переход от беспорядка к упорядоченности, что противоположно нашему опыту. А наш опыт говорит нам, что скорее порядок уступает место беспорядку, чем наоборот. Это ощущение — выражение второго закона термодинамики, который гласит, что в изолированной системе энтропия не уменьшается. (Условие, что система должна быть изолированной, разумеется, обладает первостепенной важностью, поскольку с помощью постороннего вмешательства можно было бы, к примеру, без труда организовать шары в правильную фигуру.) Несмотря на обратимость во времени индивидуальных столкновений, система, состоящая из большого количества шаров, демонстрирует свойство необратимости, иначе говоря, она имеет естественно определенные «до» и «после». Не то что бы это было бы абсолютно невозможно, чтобы шары сами организовались в правильную фигуру, но это очень маловероятно, поскольку для этого необходимо, чтобы движения отдельных шаров были бы очень точно координированы. Иначе говоря, существует очень много способов достижения неупорядоченности и очень мало способов достижения упорядоченности. Беспорядок всегда доминирует благодаря этому огромному «численному преимуществу».

Этот пример с бильярдными шарами применим к физическому миру в целом. Кроме одного небольшого исключения (важного для молодой вселенной, но незначительного теперь), фундаментальные законы физики обратимы во времени. Необратимость появляется как свойство больших комплексных систем. Она связана с термодинамической тенденцией к повышению энтропии.

Переход от «до» к «после» определяет направление того, что может быть названо «стрелой времени». На самом деле есть множество четких определений отдельных стрел.

Термодинамическая стрела. Она указывает в направлении увеличения энтропии. (Техническое замечание. В отношении применения термодинамики к целой вселенной существуют некоторые затруднения и спорные вопросы. Они возникают потому, что не вполне понятно, в каком точно смысле можно говорить, что вселенная — изолированная система, а также при учете некоторых термодинамических тонкостей, свойственных крупномасштабным гравитационным системам.)

Стрела усложнения (комплексификации). Она направлена от практически не структурированной молодой вселенной в сторону высоко структурированного современного мира. Наше предшествующее обсуждение диссипативных систем показывает, что нет никакого неразрешимого противоречия между появлением локальной структуры и вторым законом термодинамики.

Космическая стрела. Она указывает в том направлении во времени, в котором расширяется вселенная.

Психологическая стрела. Она определяется человеческим опытом изменяющегося настоящего, постоянно перемещающего нас «вперед» во времени, превращая неизвестное будущее в воспоминания прошлого.

Все эти стрелы указывают в одном и том же направлении. Такая взаимная согласованность не совсем понятна.

Ньютон предположил, что время абсолютно и течет постоянно, оно является тем, к чему каждый наблюдатель имеет свободный доступ. Великое прозрение Эйнштейна заключается в том, что к измерению времени необходим более инструментальный подход. Один наблюдатель может только синхронизировать свои часы с часами другого наблюдателя, если они обменяются сообщениями и будут знать, какое время затрачено на получение сообщений. (Наблюдатель получает сообщение: «Сейчас 12 часов», зная, что сообщение доходит за 5 минут, поэтому он ставит свои часы на 12.05.) Часть фундаментального основания специальной теории относительности — необходимые условия, заключающиеся, во–первых, в том, что ни одно сообщение не может дойти быстрее, чем скорость света, и, во–вторых, что скорость света одинакова для всех наблюдателей. Прямым следствием этих условий будет то, что определение одновременности отдаленных в пространстве событий зависит от состояния движения наблюдателя. Для того чтобы в этом убедиться, достаточно рассмотреть простой пример.

В центре космического корабля находится лампа, и корабль движется со скоростью, соотносимой со скоростью ближайшей планеты, что составляет ощутимую часть скорости света. Нос и корма корабля обозначены, соответственно, буквами А и Б. Как только середина корабля проходит мимо наблюдателя Н, находящегося на планете, лампа загорается. Другой наблюдатель, Н¹ находящийся на корабле, решит, что свет достигает пунктов А и Б одновременно, поскольку расстояние от середины корабля до них одинаково, а именно: ровно половина длины корабля. Наблюдатель Н, однако, придет к другому выводу. Свет лампы движется с одинаковой скоростью для Н и Н¹ но для Н расстояние до Б будет меньшим, так как движение корабля, пока свет будет достигать кормы, сделает пункт Б ближе к Н, сократив, таким образом, время достижения этой точки. Соответственно, время для достижения пункта А для наблюдателя Н увеличится. Итак, для наблюдателя Н эти два события не будут одновременными. Отсюда можно сделать вывод, что абсолютной одновременности не существует: наблюдатели на планете и наблюдатели на корабле определяют ее по–разному.

Динамические уравнения фундаментальной физики описывают то, как свойства изменяются с изменением временного параметра t, но они не содержат никакой явной связи с настоящим моментом. «Сейчас» — не есть часть современного научного описания мира, каким бы базовым ни казалось это понятие для нашего восприятия мира. Это обстоятельство привело некоторых философов и ученых к мысли, что все события, какой бы пространственной и временной локализацией они ни обладали, одинаково реальны, одинаково существующие. Тогда фундаментальной реальностью нужно считать весь пространственно–временной континиум, огромную глыбу застывшей истории, как можно было бы его назвать. Эта предполагаемая вневременная реальность носит название «блок–вселенная». Ее события имеют относительную временную последовательность («до» и «после»), но в ней нет разделения на прошлое и будущее, следующего из перемещения настоящего момента, который служит разделителем. Если мы примем такую точку зрения, то получится, что наше впечатление о том, что прошлое известно, а будущее неизвестно, — только обман психологической перспективы человека.

Также можно сказать, что наука просто не способна включить в себя понятие «сейчас», и интерпретировать этот факт как указание на то, что описание реальности только в терминах современной физической теории неполно. Тогда теорию «непрерывной вселенной» можно было бы расценить как неудачную попытку сделать метафизический империализм частью физики.

Иногда для поддержки концепции «непрерывной вселенной» призывается специальная теория относительности. Разные наблюдатели конструируют различные плоскости одновременности в пространстве–времени (они «нарезают» его по–разному своими различными версиями временного статуса отдаленных событий). Ни одна из них не может пользоваться правом преимущества перед другой, все они должны считаться одинаково реальными. Таким образом, при сложении их вместе и получается та самая вневременная реальность пространства–времени как единого целого. По зрелому размышлению, однако, выясняется, что такой аргумент некорректен. Оценка любым наблюдателем отдаленных одновременных событий — всегда ретроспективная конструкция, поскольку наблюдатель не может знать, что такое событие произошло, пока он не получит необходимого сигнала, а на получение этого сигнала всегда нужно время. А к тому моменту, как он его получит, рассматриваемое событие уже однозначно будет в прошлом (технически: это будет обратный угол зрения наблюдателя). Таким образом, аргумент не достигает намеченной цели, поскольку не имеет отношения к вневременной реальности будущего.

Конечно, если существует истинный момент «сейчас», он должен соответствовать особому определению времени, выбранному из совокупности всех физически возможных вариантов. Если говорить о физике специальной теории относительности, такой вариант будет скрытым (физически неопределяемым), но это лишь вызывает трудности для того, кто, вооружившись материалистическим редукционистским взглядом, считает, что физика сама по себе должна быть в состоянии достоверно и полностью описывать все, что происходит.

Рассуждая логически, вопрос о реальности блок–вселенной отличается от вопроса о том, какая каузальная связь может быть между пространственно–временными событиями. Для блок–вселенной не существует логической необходимости быть детерминированной вселенной. Однако между этими двумя понятиями все же существует некоторая алогичная связь. С одной стороны, в детерминированной вселенной полное знание настоящего позволило бы всецело предсказать будущее и полностью знать прошлое (на что указал Лаплас еще два столетия назад). И таким образом, в этом смысле было бы вполне естественным наделить прошлое, настоящее и будущее равным онтологическим статусом. С другой стороны, открытая, недетерминированная вселенная, обладающая множеством действующих каузальных принципов, включая выбор каждой свободно действующей личности, представляется, в отличие от мира статической вневременности, миром реального становления, в который вписывается реальность перемещающегося настоящего момента.