Закони природи - скелет Всесвіту. Вони служать їй опорою, надають форму, пов'язують воєдино. Всі разом вони втілюють у собі запаморочливу і величну картину нашого світу. Проте найважливіше, мабуть, те, що закони природи роблять наш Всесвіт пізнаваною, підвладної силі людського розуму. В епоху, коли ми перестаємо вірити у свою здатність керувати людьми, які нас речами, вони нагадують, що навіть самі складні системи коряться простим законам, зрозумілим звичайній людині. Але перш, ніж приступити до огляду законів природи, подумаємо, звідки вони беруться і яку роль відіграють в підприємстві, іменованому наукою.
Про науку
Більшість з нас майже все своє життя прожила в XX столітті. Задумайтеся над простим питанням: що так сильно відрізняє цей вік, тільки що залишений нами позаду, від усього, що було до нього? Звичайно, він був століттям руйнування старих політичних укладів і приходу нових, але те ж можна сказати майже про будь-яке століття з часів появи перших письмових джерел. Він був століттям великих письменників і художників, але і в цьому немає нічого нового. Він дав світові нові види мистецтва (на думку спадають джаз і кіно). Може бути, з часом вони займуть своє місце поряд з класичною оперою і симфонічною музикою. Я в цьому сумніваюся, але, як би там не було, це не перший і не останній випадок народження нових видів мистецтва.
Мені здається, саме розвиток науки і технології наклало печатку унікальності на XX століття. Якщо скласти список важливих досягнень століття, в нього могли б увійти: антибіотики, висадка астронавтів на Місяці, комп'ютери, Інтернет, операції на відкритому серці, реактивні літаки, морожені продукти, хмарочоси.
Неймовірний зростання населення та світової економіки за останні сто років - прямий наслідок неймовірного зростання обсягу накопичених нами знань про Всесвіт.
У певному сенсі, в цьому немає нічого особливо нового. Все по-справжньому глибокі зміни в житті людства відбувалися завдяки новим знанням. Наприклад, близько 10 000 років тому комусь - ймовірно, жінці, яка жила на Близькому Сході - спало на думку, що замість того, щоб харчуватися зібраними дикими рослинами, їх можна вирощувати і культивувати. Так з'явилося сільське господарство - нововведення (незалежно відтворене в багатьох частинах світу), без якого неможлива сучасна цивілізація. Кілька століть тому шотландський інженер по імені Джеймс Уатт створив придатний до використання паровий двигун, що став невід'ємним елементом промислової революції. Можливо, коли-небудь учені поставлять в один ряд з ним винайдений в 1947 році транзистор і нещодавно завершений проект «Геном людини» як найважливіші віхи історії людства.
Звичайно, при такому погляді на науку нас цікавить перш за все принесена їй практична користь, поліпшення здоров'я людей і зростання життєвого комфорту. Але є у науки й інший вимір. Покращуючи якість нашого життя, вона в той же час відкриває для нашого інтелекту чудове вікно у Всесвіт. Вона показує нам, що весь навколишній світ існує за загальними правилами і принципами, і ці правила і принципи можна виявити за допомогою наукових методів. Правила, випробувані і перевірені самим ретельним чином, зведені в ранг «законів природи», хоча, як ми побачимо, вчені та філософи далекі від згоди щодо використання цього терміна. З законів природи складається інтелектуальна структура, в якій є місце для будь-якого явища у Всесвіті.
Люди завжди відчували цікавість по відношенню до оточуючого їх світу - не в останню чергу тому, що виживання людини часто залежало від його здатності прогнозувати розвиток тієї чи іншої ситуації. Фермери давним-давно виробили систему знань про погоду і клімат, що дозволяла їм отримувати хороші врожаї, мисливці вивчили звички своєї здобичі, а моряки навчилися знаходити в морі і на небі ознаки насуваються штормів. Але особливі прийоми і методики, сукупність яких ми називаємо наукою, з'явилися лише кілька сотень років тому. Чому це сталося саме тоді і саме в Європі, а не десь ще - на ці питання хай відповідають історики. Нам же важливо зрозуміти, що таке наука і яким чином вона підводить нас до того, що ми називаємо законами природи.
Перш ніж ми почнемо, хочу вас попередити про одну річ. Вам часто доводиться стикатися, особливо в підручниках, з послідовністю дій, званої «науковим методом». Зазвичай пояснюють, що «спочатку учений виконує крок X, потім Y, а потім Z і так далі. Можна подумати, ніби займатися наукою - все одно що випікати печиво за рецептом. Проблема з цим підходом не в тому, що він абсолютно невірний - вчені дійсно часто виконують кроки X, Y і Z. Біда в тому, що в ньому не передбачено місце для творчості, винахідливості і простого людського впертості - одвічних і невід'ємних складових наукової праці. Визначати науковий процес як «метод» - те ж, що, описуючи картину Рембрандта чи Ван Гога, говорити лише про те, де які фарби нанесені на полотно. Наука - не книжка для розфарбовування, де кожному кольору відповідає номер.
Тому, коли мова заходить про те, як влаштована наука і як вчені відкривають закони природи, я вважаю за краще використовувати аналогію з юридичною практикою. Я маю на увазі, що описані нижче елементи треба розглядати не як частина жорстко заданої послідовності кроків, а як ступені процесу, здійснюваного вченими. Іншими словами, думаючи про науку, треба мати на увазі всі ці складові, при цьому кожен раз вирішуючи, наскільки важлива кожна складова в даному контексті (і взагалі чи всі вони присутні). Інакше кажучи, немає фіксованої, жорсткої послідовності дій, що дозволяє прийти до висновку, чи є щось наукою чи ні.
У цілому, більшість вчених використовують більш-менш одну і ту ж послідовність кроків (ми її описуємо нижче), і в підручниках, як правило, фігурує саме вона. Але іноді трапляються інтуїтивні прозріння і прориви, які у вашому поданні, може бути, не асоціюються з образом розсудливих вчених у білих халатах. Це добре, тому що більше всього мені хочеться, щоб ви винесли з цієї книги уявлення про те, що наука, як і мистецтво, - один з головних шляхів реалізації тяги людини до творчості, і що вчені поділяють з усіма нами людські схильності і слабкості. Пам'ятаючи про це застереження, розглянемо тепер складові наукового процесу.
Спостереження або експеримент?
Щоб дізнатися, що являє собою світ, подивіться, і ви побачите, яка вона є. Це твердження здається абсолютно очевидним, і ви, можливо, здивувалися тому, що я потрудився привести його тут, але справа в тому, що воно являє собою наріжний камінь науки. І все ж воно досі не здобуло загального визнання, і вже точно не визнавалося всіма на протязі історії.
Протягом більшої частини документованої історії люди, стикаючись з протиріччям між наглядом реального світу і тлумаченням релігійної доктрини, послідовно виходили з положень доктрини, а не результатів спостережень. Наприклад, через невірне тлумачення Біблії ієрархи Католицької церкви в XVII столітті змусили Галілея відректися від уявлення про те, що Земля обертається навколо Сонця. Щось схоже можна спостерігати сьогодні в США, де шкільні комітети часто ігнорують величезну кількість даних, що підтверджують теорії еволюції і «великого вибуху», вважаючи за краще дотримуватися тлумачення Книги Буття, з яким не згодна більшість християнських та іудейських дослідників.
Але не тільки релігійні люди відмовляються дивитися на дані або погоджуватися з тим, що в нашому світі часто є місце складність і неоднозначність. Наприклад, існує маса доказів того, що природних канцерогенів, що виробляються рослинами, куди більше, ніж канцерогенів у штучних пестициди. Багато захисників навколишнього середовища просто ігнорують ці докази, повторюючи засвоєне в молодості заклинання, що «природне добре, штучне погано». Обидва приклади показують, що зручніше замкнутися у власній системі переконань, ніж спробувати сприймати світ таким, яким він є.
І все ж спостереження світу - перший крок до науки, і зроблений цей крок вже дуже давно. З появою землеробства фермери стали зберігати насіння від найбільших, найбільш плідних рослин, зрозумівши, що це дозволить їм поліпшити врожай на наступний рік. Ремісники помітили і зберегли для нащадків (можливо, в усній традиції) відомості про те, як ведуть себе різні сплави металів, коли їх обробляють і нагрівають певним чином. Предтечі нинішніх медиків підмітили, що витяжки з певних рослин допомагають при деяких хворобах, і цим заклали основу сучасної фармацевтичної промисловості. У всіх цих прикладах пам'ять про спостереженнях і дослідах збереглася, тому що вони допомагали людям задовольнити свої потреби. Коротше кажучи, вони давали результат. До цієї ідеї ми повернемося, коли будемо говорити про інші шляхи пізнання.
За існуючій в народі думку, вчений повинен підходити до миру абсолютно неупереджено - без заздалегідь сформованого уявлення про те, яким буде підсумок експерименту чи спостереження. Ідею цю висловив давним-давно англійський чернець, філософ і вчений Роджер Бекон (бл. 1220-92), але, як у середньовічному Датському королівстві, «звичай цей похвальні порушити, ніж дотримуватися». За всю свою кар'єру я зустрічав лише однієї людини, соблюдавшего цей принцип, - польового геолога, який любив ходити «послухати, що скажуть камені». Всі інші, з ким я мав справу, приступали до експериментів з досить ясним уявленням про те, що з них вийде. Але вся справа в тому, що, якщо виходили не ті результати, яких вони очікували, вони були здатні залишити свої попередні ідеї та слідувати за даними. Таким чином, кажучи про неупередженість наукового співтовариства, я маю на увазі цю здатність відмовитися від сформованих уявлень і слідувати за даними, куди б вони не вели і незалежно від того, куди, як нам здається, вони повинні привести.
Існує багато прикладів того, як окремі вчені і навіть цілі наукові співтовариства пішли цим шляхом. Наприклад, в 1964 році Арно Пензіас та Роберт Вілсон (див. Великий вибух) - дослідники Лабораторій Bell в Нью-Джерсі - займалися виміром космічного мікрохвильового випромінювання. На зорі супутникового зв'язку такі вимірювання були звичайною справою - адже для того, щоб ловити сигнал від супутників на орбіті, добре б знати, що потрапляє в приймач, крім власне сигналу з супутника. Обстежуючи небесну сферу своїм наступником, Пензіас та Вілсон реєстрували перешкоди з численних відомих джерел. При цьому вони зіткнулися з абсолютно несподіваним явищем: куди б вони не направили свої прилади, приймачі незмінно ловили слабкий вхідний мікрохвильовий сигнал (він проявлявся як тихе шипіння в навушниках). Позбутися його не вдавалося, як вони не намагалися. Довелося навіть виселити пару голубів, що влаштувалися в апараті та покрили частини приймача, як тактовно говорили вчені, «білим діелектричним речовиною». Зрештою Пензиасом і Вілсона довелося просто прийняти абсолютно несподіваний факт, що Всесвіт буквально пронизана мікрохвильовим випромінюванням. Тепер ми вважаємо це так зване реліктове електромагнітне випромінювання важливим підтвердженням теорії великого вибуху - кращою на сьогоднішній день теорії про походження Всесвіту. За те, що вони повірили отриманим даними, незважаючи на їх повну несподіванка, Пензіас та Вілсон отримали Нобелівську премію з фізики за 1978 рік.
Пояснивши, чому я вважаю, що спостереження і експеримент мають для науки центральне значення, я повинен сказати, що ці два поняття, будучи схожі за змістом, мають на увазі дещо різні способи роботи. Астроном не може побудувати зірку і почекати, поки вона постаріє, щоб вивчити її поведінку. Еволюційний біолог не може створити нове хребетна і почекати кілька мільйонів років, щоб подивитися, у що воно розвинеться. Геолог не може прискорити рух тектонічних плит на поверхні Землі, щоб подивитися, як зміниться конкретна формація. У всіх цих випадках вченим доводиться задовольнятися спостереженнями над природою, оскільки предмет дослідження їм не підвладний.
Експериментатор ж намагається керувати досліджуваної системою, часто міняючи по одному параметру, щоб подивитися, до чого призведе його зміна. Ось класичний приклад використання експериментального методу. Еколог Дейвід Тілман з Університету Міннесоти розділив велику ділянку прерії на Середньому Заході США гратами, що складається з квадратів із стороною в декілька метрів. В одному зі своїх експериментів він підтримував всі умови в усіх квадратах однаковими, за винятком кількості додається азотного добрива. Це дозволило відокремити дію одного елемента - азоту - від всіх інших факторів, що впливають на ріст рослин. Інші експериментатори поступають аналогічним чином. Ядерний фізик, зіштовхує субатомні частки на величезних швидкостях, забезпечує незмінність умов всіх зіткнень, за винятком величини енергії налетающей частинки; хімік підтримує однаковим співвідношення всіх що беруть участь в реакції речовин, крім одного; дослідник раку при лікуванні пухлини у експериментальних тварин змінює лише по одному елементу і так далі. У цих та багатьох інших експериментах вчені роблять складність системи мінімальної, щоб докладно вивчити один з елементів, відокремивши його від інших.
Різниця між спостереженням і експериментом, будучи важлива, все ж не ділить науки на два різних табори. Наприклад, астрономи можуть не лише спостерігати зірки, але і використовувати експерименти з ядерними реакціями, щоб зрозуміти, звідки береться їх енергія. Еволюційним біологам експериментальні дані про мутації фруктових мушок, які живуть зовсім недовго, допомагають отримати уявлення про тривалий процес еволюції, а геологи майже незмінно користуються даними лабораторних експериментів з отримання мінеральних сполук при вивченні порід, що складають ландшафт. Експеримент не виключає спостережень, і навпаки. У будь-якій науці використовується розумне поєднання того й іншого.
Джерело багатьох, якщо не більшості нових ідей в науці - несподівані результати експериментів або спостережень, і це можна вважати відправною точкою наукового методу. Але у цього загального правила є й винятки. Початок теорії відносності, створеної в перші десятиліття XX століття, було покладено роздумами Альберта Ейнштейна про що існували в ті часи фундаментальних наукових теоріях. Як я вже говорив, наука не завжди йде стовпової дорогою, відомої наперед.
Закономірності
Наступний елемент наукового процесу вступає в гру після того, як проведена серія експериментів або спостережень і вчені отримали перше уявлення про певний аспекті пристрої природи. Це нове розуміння зазвичай приймає форму тієї чи інше закономірності, притаманною природі. Наприклад, у згаданих вище екологічних експериментах з вивчення впливу азоту Тілман виявив, що в міру додавання азоту кількість рослинного матеріалу (біомаса) на ділянці збільшується, у той час як число видів (біологічне різноманіття) зменшується. По суті, кілька видів, скориставшись більшою доступністю азоту, витісняють ті види, яким це не вдалося.
Іноді знову відкриті закономірності можна описати простими словами, як ми це зробили вище, але частіше вдаються до математичних термінів («при збільшенні кількості азоту на x% біомаса виростає на y%») або формулами. Як викладач наукових дисциплін, я звик боятися моменту, коли мені доведеться відмовитися від зручності англійської мови, написавши на дошці рівняння. Можна без перебільшення сказати, що, вдаючись до математики, вчені починають говорити іншою мовою. Може бути, якщо ви будете пам'ятати, що рівняння - лише спосіб коротко висловити те, що на звичайному мовою можна описати лише складно або громіздко, це допоможе вам змиритися з необхідністю користуватися математичним апаратом.
Наведемо важливий історичний приклад, який ілюструє роль закономірностей. У XVII столітті одним із центральних питань, які займали вчених, було місце Землі у світобудові. Чи є вона центром, як вчили давньогрецькі вчені, або рухається по орбіті навколо Сонця (див. Принцип Коперника), як припустив Микола Коперник у 1543 році? Це питання має глибоке релігійне і філософське значення, у чому на своє горе переконався Галілей (див. Рівняння рівноприскореного руху). Але з наукової точки зору, отримати відповідь на нього можна тільки одним способом. Вченому слід подивитися на небо і визначити, якому з двох випадків краще відповідає рух небесних тіл - коли планета, з якої ведеться спостереження, стаціонарне або коли вона рухається по орбіті.
Людиною, які витратили все життя на створення інструментів і проведення необхідних вимірювань, був датський астроном Тихо Браге (1546-1601). До кінця життя він склав величезний список положень планет на небі, визначених у результаті точних вимірювань. Список цей, до речі, мав величезну комерційну цінність, тому що його можна було використовувати для розрахунку гороскопів. Після смерті Браге його помічник, німецький математик Йоганн Кеплер, блискуче застосувавши математичну дедукцію, використовував результати цих вимірів, щоб показати, що всі дані можна пояснити за допомогою трьох простих правил. Ці правила руху планет, звані тепер законами Кеплера, свідчать, що:
- Всі планети обертаються навколо Сонця по еліптичним орбітам,
- Перебуваючи ближче до Сонця, планети рухаються швидше, ніж коли вони знаходяться далі від нього, і
- Чим сильніше віддалена від Сонця орбіта планети, тим повільніше планета рухається і тим довший її «рік».
У цих законів є і математична формулювання, і якщо ви знаєте, наприклад, на якій відстані дана планета знаходиться від Сонця, третій закон дозволить вам обчислити тривалість її року. Закони Кеплера, до речі, - хороший приклад, який ілюструє зроблене вище зауваження: отриману з спостережень інформацію можна узагальнити за допомогою декількох простих правил, що вміщується на звороті конверта, замість того щоб пробиватися крізь томи даних.
Тут треба відзначити ще ось що: вчені дуже недбало звертаються зі словом «закон». У книзі, присвяченій роз'ясненню законів природи, цю проблему не можна випускати з уваги. Було б дуже зручно, якби існувало просте правило, що визначає використання в науці таких слів, як «теорія», «принцип», «ефект» і «закон». Наприклад, можна було б перевірене тисячу разів називати «ефектом», перевірене мільйон разів іменувати «принципом», а те, що перевірили 10 мільйонів разів, - «законом». Але так просто не надходять. Використання цих термінів засноване на історичних прецедентах і не має відношення до того, наскільки вчені переконані у вірності кожного конкретного затвердження.
Наприклад, закон всесвітнього тяжіння Ньютона - одне з найбільш ретельно перевірених наукових тверджень. Він, однак, входить до складу теорії відносності Ейнштейна. Кожне підтвердження закону Ньютона - це одночасно і підтвердження теорії Ейнштейна. Але існують і підтвердження загальної теорії відносності, що виходять за рамки закону всесвітнього тяжіння. Таким чином, ми маємо справу з «теорією», що має більше підтверджень, ніж «закон». І це далеко не одиничний приклад. Деякі аспекти поведінки ідеального газу описуються законом Шарля і законом Бойля-Маріотта, але ці закони можна вивести з (відповідно, більш загальної) теорії - молекулярно-кінетичної теорії газів. Одна з найбільш перевірених наукових ідей, на якій грунтуються всі біологічні науки, описує розвиток життя на нашій планеті. Незважаючи на всі підтвердження, учені все ж говорять про теорію еволюції.
Таким чином, слово «теорія» може відноситися до нової концепції, яку ще потрібно буде як слід перевірити, а може позначати ідею, що була колись новою, але з тих пір настільки ретельно перевірену, що її можна вважати однією з найбільш достовірних істин про Всесвіт . Вчені просто не особливо цікавляться тим, як ідеї називаються і якими словами їх позначають. Важлива лише суть ідей і те, наскільки вони вірні. У результаті такої неуважності до термінологічним умовностям ви зіштовхнетеся в цій книзі з самими різними заголовками. Мова йде про коктейль з «ефектів», «теорій», «законів» і «принципів», складеному без оглядки на висоту положення. Це, так само як і той факт, що закони часто називають іменами тих, хто їх не відкривав, можна вважати свідченням ставлення вчених до своєї справи.
Гіпотеза
Коли експерименти проведені і нові закономірності природи відкриті, це означає, що вченим пора зупинитися і підвести підсумок. Чи говорять щось знову відкриті закономірності про те, як влаштована природа? Узгоджуються вони з уже відомими закономірностями, що розширюють уявлення про якійсь області науки? Поставивши собі за подібними питаннями, вчені приступають до формулювання гіпотез - здогадок чи припущень про будову Всесвіту. Ось тут і заводяться величні ідеї про правлячих Всесвіту силах.
Саме на цьому етапі мова математики вступає у свої права. Коли закономірності сформульовані у вигляді рівнянь, їх можна перетворювати за стандартними правилами математики, граючим, якщо хочете, роль граматики мови. Часто такі перетворення приводять до приголомшливих відкриттів. Наприклад, Ісаак Ньютон поєднав закон всесвітнього тяжіння Ньютона і закони механіки Ньютона, отримавши при цьому абсолютно нову модель Сонячної системи, в якій планети обертаються навколо Сонця, а сила тяжіння Сонця не дозволяє їм полетіти в космічний простір. Як ми побачимо далі, ця подія справила великий вплив на уми. З одного боку, закони Кеплера, які колись вважалися узагальненням даних спостережень, самі стали наслідками - твердженнями, виведеними логічним шляхом з більш глибокої теорії Ньютона. З іншого, стало можливо раціонально міркувати про рух комет, до цього вважався непередбачуваним, і ця обставина дозволила Едмунду Галлею (1656-1742) відкрити в 1705 році орбіту комети, що носить тепер його ім'я.
На даному етапі наукового процесу ми стикаємося з ще однією варіацією на нашу лінгвістичну тему - ще одним відтінком значення слова «теорія». У фізичних науках це слово часто позначає математичне опис ідей про будову Всесвіту. Воно може означати як пояснення абсолютно незначного феномену - зноски на сторінці Всесвіту, - так і величну і масштабну конструкцію, яка пояснює цілий ряд відомих результатів. Знову ж таки, це слово може описувати (і описує) ідеї, визнані настільки, наскільки це тільки можливо. Теорія квантової хромодинаміки, наприклад, - одна з найбільш скрупульозно підтверджених експериментом фізичних теорій. Деякі з передбачених нею явищ перевірені експериментаторами з точністю до 16 знаків після коми. Відомо, що вона може бути застосовна до найширшого діапазону структур, від одиночних електронів до скупчень галактик. Чудово, що вчені використовують одне й те ж слово, кажучи і про настільки серйозно перевіреної концепції, і про нову непідтвердженою гіпотезі якого-небудь аспіранта.
Передбачення
Наскільки б складною або елегантною не була теорія, її якість визначається лежать в її основі даними, отриманими в результаті експериментів і спостережень. Але хороша теорія не просто об'єднує вже відомі факти - вона пророкує явища, які до цих пір не спостерігалися. Іншими словами, хороша теорія «ручається за себе головою», даючи ясні, які можна перевірити передбачення. Таким чином, замикаючи коло, що становить науковий метод, ми можемо, повернувшись до експерименту і спостереженнями, з'ясувати, чи мають місце передбачені теорією факти. Якщо так, ми шукаємо нові факти, виведені з теорії та підтверджують її вірність. Якщо ні, повертаємося до креслень, міняємо теорію і пробуємо знову. У будь-якому випадку, якість теорії визначається успішністю її прогнозів.
Іноді теорії дуже точно пророкують факти. Приміром, Галлей, розрахувавши з допомогою теорії Ньютона орбіти комет, піддав ці теорії суворій перевірці, передбачивши, що в 1758-м або 1759 комета знову з'явиться на небі. Тут не могло бути ніяких відмовок або виправдань - якби комета не з'явилася, теорія звалилася б. Тепер-то ми знаємо, що повернення комети Галлея в ніч на Різдво 1758 являє собою одне з найбільших підтверджень ньютонівського уявлення про Всесвіт, але важливо пам'ятати, що все могло бути інакше. У наші дні, звичайно, повернення періодичних комет можна передбачити куди точніше.
Теорії можуть передбачати і загальні закономірності. Наприклад, історія еволюції вперше була відновлена по викопних органічних залишках. Це дало вченим уявлення про те, як різні організми пов'язані між собою, як давно у них були спільні предки і так далі. Не так давно був знайдений новий спосіб виявлення зв'язків між живими організмами - молекулярні годинник. Ця методика заснована на аналізі ДНК: чим більша різниця між ДНК двох організмів, тим раніше повинні були розійтися їх еволюційні шляхи. Теорія еволюції передбачає наявність єдиного генеалогічного древа для всіх живих організмів, тому ДНК і викопні залишки повинні розповідати одну і ту ж історію. Це одне з недвозначних передбачень теорії, яке, однак, не привернуло до себе великої уваги. Збіг двох історій минулого - один з отриманих в результаті спостережень фактів, що підтверджують теорію еволюції.
Ця опора на перевірку досвідом, як мені здається, і є те, що відрізняє науку від інших видів інтелектуальної діяльності. Сформулюємо різницю самим прямим і неоригінальним чином: в науці є вірні відповіді. Не має значення, наскільки елегантна теорія і наскільки високе положення займають її творці. Якщо теорія не працює, треба від неї відмовитися або змінити її. І тільки так. Ця опора на перевірку досвідом служить демаркаційною лінією, що розділяє природні і гуманітарні науки. У таких дисциплінах, як філософія чи літературна критика, немає зовнішнього об'єктивного арбітра, який грає роль природи. Наприклад, тлумачення твори мистецтва так порівнювати неможливо. Відповідно, представникам гуманітарних і природничих наук буває важко зрозуміти образ думок один одного. До цього питання ми скоро повернемося.
З опорою на експериментальну перевірку ідей в науковому співтоваристві пов'язаний цікавий соціологічний феномен. Часто трапляється, що, коли теорія виявляється неспроможною, невелика група, іноді навіть одна людина, ще довго намагається її оживити. З мого досвіду, ні один вчений не відчуває такого самотності, як ті, хто намагається оживити теорії, що не витримали перевірку експериментом. Покинуті колегами, вони не відступають, часто протягом всього життя безуспішно намагаючись заперечити винесений природою вирок. Наука буває суворим вихователем, тому що вона невблаганно вимагає піддавати ідеї сумніву, змушує судити їх трибуналом спостереження перш, ніж прийняти.
У цього факту є важлива слідство. Якщо ідею неможливо перевірити експериментально, зіштовхнути її обличчям до обличчя з природою, то це просто не наука. Використовуючи термін, популяризувати філософом Карлом Поппером (1902-94), наукові ідеї повинні бути фальсифицируема (тобто спростовні) - з них повинні виводитися піддаються перевірці затвердження. Іншими словами, має бути можливо уявити собі результат експерименту або спостереження, що демонструє невірність теорії (наприклад, закону всесвітнього тяжіння), навіть якщо на практиці такі результати і не будуть отримані. Комета Галлея могла не з'явитися знову. Той факт, що вона з'явилася, звичайно, підтвердив теорію Галлея, але те, що це могло не статися, показує, що теорія була фальсифицируема. Таким же чином, могло виявитися, що ДНК риб ближче до людської ДНК, ніж ДНК шимпанзе. Це спростувало б теорію еволюції. Результат, звичайно, був іншим - ДНК шимпанзе і людей збігаються на 98%, - але в принципі він міг бути і таким. Це показує, що теорія еволюції фальсифицируема.
Для порівняння розглянемо теорію, популярну останнім часом серед креаціоністів, - доктрину створеної давнини. Відповідно до цієї теорії, Земля створена кілька тисяч років тому, і в ній вже тоді були закладені свідоцтва значно більшого віку. Наприклад, гірські породи створені разом з розташованими в них викопні рештки, дерева створені з річними кільцями, світло від зірок, що знаходяться на відстані тисяч світлових років, створений по дорозі до Землі, і так далі. Перша (і вельми елегантна) ілюстрація цього принципу вміщена у книзі «Омфалос», написаній незабаром після виходу роботи Дарвіна. По-грецьки «Омфалос» означає пупок, і головна ідея книги полягає в тому, що Адам був створений з пупком, хоча він не був в утробі і, відповідно, не потребував пуповині.
Головне в цій теорії те, що неможливо уявити собі опровергающий її експеримент чи спостереження. Від будь-якого свідоцтва її невірності можна відмахнутися, сказавши, що такою була створена Земля. Ця теорія не фальсифицируема (не опровержімая), тому як би вона не була приваблива, вона просто не наукова. Чимала частина того, що прийнято називати альтернативної наукою, страждає цим недоліком - вона не проходить тест на спростовності. У телесеріалі «Секретні матеріали» (гарячим шанувальником якого я, до речі, є) мова йде про масштабний змові, єдина мета якого - знищити свідчення присутності на Землі інопланетян. Відсутність доказів завжди пояснюється одним і тим же: «Вони не хочуть, щоб ти це побачив». Це хороший серіал, але погана наука.
Перш, ніж піти далі, я хотів би згадати, що звинувачення у неможливості фальсифікації іноді доводиться чути в суперечках про ефективність класичної фрейдистської психотерапії. Деякі критики стверджують, що фрейдистська теорія може пояснити результат лікування незалежно від його результату. Якщо це так (у чому я не впевнений), то ця теорія також виходить за рамки науки.
Великий цикл
Отже, наукове дослідження утворює цикл: експерименти, потім виявлення закономірностей, створення теорій, передбачення на їх основі нових фактів і, нарешті, повернення до експерименту для перевірки вірності передбаченого. Більшість вчених значну частину життя водять свою область знань з цього кола. Це те, що філософи називають «нормальною наукою». Іноді, як ми бачили, що відбувається, не вкладається в цю зручну схему, але нічого іншого і не можна очікувати від справи, якою займаються люди. Таким чином, на будь-якому етапі свого розвитку кожна наукова галузь намагається перейти від одного етапу до іншого. Один із способів порівняти різні науки - з'ясувати, на якому етапі циклу вони знаходяться в даний момент. Іншими словами, яким чином представники даної області намагаються просунути її вперед?
Я починав свою кар'єру у фізиці елементарних частинок - розділі науки, присвяченому вивченню фундаментальних складових матерії. У даний момент цей розділ знаходиться на етапі між прогнозом фактів та їх перевіркою. У наявності кілька правдоподібних теорій, і багато хто з них передбачають поведінку частинок дуже високих енергій при зіткненні. На жаль, ми не можемо перевірити вірність передбаченого, тому що у нас немає машин, здатних прискорити частинки до досить високих енергій. У 1993 році Конгрес США з властивою йому мудрістю прийняв рішення про припинення будівництва машини, названої «Надпровідний суперколайдер», забезпечивши таким чином неможливість послідовного розвитку теорії та експерименту в цій галузі. Машина поменше під назвою «Великий адронний коллайдер» повинна вступити в дію в Європейському центрі ядерних досліджень (CERN) у Женеві (Швейцарія) до 2005 року, і, може бути, фізика елементарних частинок знову зможе розвиватися.
У той час як деякі галузі науки зголодніли за даними, інші, навпаки, страждають від пересичення. Наприклад, у багатьох областях молекулярної біології нова інформація надходить таким потоком, що його неможливо переварити. Живі організми - найскладніші структури у Всесвіті, і тільки тепер у нас з'явилася можливість дослідження такого рівня складності. Багато напрямів в науках про життя затрималися на етапі переходу від експерименту до виявлення закономірностей, і дослідники докладають великі зусилля, намагаючись знайти молекулярний аналог законів Кеплера.
Хороший приклад цього - так звана проблема укладання білка. Серед іншого, білки - це робочі конячки, керуючі хімічними процесами в живих організмах. Це великі молекули, що мають складну просторову форму. Саме ця форма дозволяє білку виступати на молекулярному рівні в ролі своєрідного посередника - сприяти протіканню хімічних реакцій, не беручи участь в них (див. Каталізатори і ферменти). Білок будується з менших за розміром молекул, що називаються амінокислотами. Побудова білка нагадує процес нанизування намистинок на нитку. Після того як амінокислоти з'єднані в ланцюжок, під дією складних електростатичних взаємодій між атомами в сусідніх амінокислотах, а також між цими атомами і навколишнього їх водою білок укладається в складну тривимірну форму, що дозволяє йому виконувати свою функцію.
Проблему укладання білка можна сформулювати так: чи можна передбачити форму молекули і, відповідно, виконувану їй хімічну функцію, знаючи послідовність амінокислот у складовій білок «ланцюжку»? На даний момент відповідь на це питання - «ні», тому що ця проблема надто складна, щоб вирішити її за допомогою навіть самого швидкого комп'ютера. Ймовірно, існують правила - молекулярний аналог законів Кеплера, - які допоможуть нам зрозуміти, як влаштований процес укладання, але через складність проблеми нам поки не вдалося їх знайти. Це класичний приклад нездатності побачити ліс за деревами.
Складність проблем гальмує просування і в інших наукових галузях. Наприклад, джерелом більшої частини ведуться зараз спорів про парниковий ефект і глобальне потепління служить нездатність кліматологів чітко передбачити наслідки надходження в атмосферу таких речовин, як вуглекислий газ. Головна причина цієї невизначеності не в тому, що неясні основні фізико-хімічні процеси, що визначають поведінку атмосфери. Справа в тому, що реальна атмосфера настільки складна, що ми не можемо ввести всю необхідну інформацію в комп'ютерну програму. Наприклад, на даний момент два важливих кліматичних фактора - хмари й океанські течії - погано піддаються аналізу за допомогою таких програм. Можна сказати, що, з точки зору нашого розуміння наукового методу, ця область знаходиться між етапами теорії і передбачення.
Завершуючи обговорення прикладів, поговоримо про еволюційної теорії. Дані в цій області накопичуються протягом сотень років, і багато закономірностей відомі. Увага деяких послідовників еволюційної теорії тепер спрямоване на більш широку проблему визначення загальних принципів, яким підкоряється вся історія життя. Наприклад, одна справа знати, як протягом конкретного періоду часу змінювався конкретний вид плоских хробаків або птахів, і зовсім інше - зрозуміти, як цілі екосистеми реагують на зміни, вміти передбачити долю кожного виду. У контексті нашої розмови можна сказати, що еволюційні біологи намагаються перейти в своїй області від закономірностей до теорії.
Як ми побачили, вчені постійно працюють над просуванням своєї галузі науки від етапу до етапу циклу - від експерименту до пошуку закономірностей, далі до теорії, завбачення нових фактів і знову до експерименту. Програма діяльності варіюється від однієї дисципліни до іншої залежно від предмета вивчення і ступеня зрілості дисципліни. На кожному новому витку циклу теорії стають все точніше і докладніше, а наше уявлення про природу - повніше. І хоча філософи можуть не погодитися (і не погоджуються) зі мною, я вважаю, що з кожним витком ми стаємо все ближче до істини про наш Всесвіт.
Слід зробити кілька зауважень щодо намальованої мною впорядкованої картини наукового прогресу. Одне вже зроблено вище: іноді при появі нових даних або теорій вся система зазнає докорінних змін. Мені здається, що філософи надають цьому дуже великого значення (такі «революції» можна порахувати на пальцях однієї руки), але такі речі трапляються, і про них треба знати. Друге зауваження: ми маємо справу з нескінченним процесом. Не можна дійти до кінця кола, як не можна отримати у природи остаточні підтвердження своїх ідей. Це означає, що в науці завжди є місце новим ідеям і розширенню горизонтів пізнання в нових напрямках. Через п'ятдесят чи сто років у новинах напевно буде так само багато звісток про новинки науки, як і зараз. Нарешті, у циклу немає фіксованих тимчасових рамок. Розвиток науки кориться власною логікою і залежить від появи нових інструментів і ідей, так що не завжди можна передбачити, коли вдасться вирішити ті чи інші проблеми та отримати відповіді на ті чи інші питання. Іноді прогрес рухається семимильними кроками, а іноді він раптом застопорівается. Іноді відкриття в одній області глибоко впливають на інші, даючи їм нові інструменти - як приклад можна навести лазер. У кінцевому рахунку, прогрес важко передбачуваний, і це позбавляє сну керівників дослідницьких проектів і державних діячів.
Через таку специфіку наукового процесу наукова робота і державна діяльність часто погано узгоджуються між собою. Припустимо, наприклад, що в наступний вівторок має відбутися важливе голосування по якомусь питання і що народним представникам для того, щоб вирішити, як голосувати, потрібна певна наукова інформація. Однак немає ніякої гарантії, що внутрішня логіка відповідних наук дозволить отримати цю інформацію вчасно. Для вченого це не предмет для занепокоєння. Якщо з часом відповідь буде знайдено, немає особливих причин переживати про те, коли це станеться. Для політиків ж інформація, отримана після майбутнього вівторка, не просто марна, а навіть шкідлива. Вона не тільки не допоможе їм вирішити, як голосувати, але й може поставити їх у незручне становище, показавши, що вони проголосували неправильно.
Ще один приклад. Функція судів полягає в тому, щоб з'ясувати, чи мають місце певні факти, і винести рішення з проблем, що стали предметом протиріч. Якщо, наприклад, компанія постала перед судом, оскільки позивач стверджує, що її продукція викликає рак, то вирішити, чи має місце цей факт, потрібно негайно. Вчені не можуть просити суд зачекати десять років, поки вони розберуться у всіх фактах і проведуть відповідні дослідження. Рішення має бути прийнято в ході судового процесу, та інформацію необхідно представити в цей час. А якщо пізніше з'явиться нова інформація, вона навряд чи принесе сторонам користь, тому що подібні справи надзвичайно важко відновити.
Таким чином, науковий метод - дійсно прекрасний інструмент отримання відповідей на питання про фізичну будову Всесвіту. Ідеї не приймаються, поки вони не пройдуть ретельної дослідної перевірки, і це робить їх надзвичайно надійними. Але в науці на те, щоб прийти до консенсусу, потрібно багато часу, і це значить, що не завжди можливо отримати інформацію, необхідну для прийняття політичних рішень і залагодження судових спорів.
Роль законів природи
Коло об'єктів і явищ у Всесвіті неймовірно широкий - від зірок, в тридцять разів переважаючих масою Сонце, до мікроорганізмів, які не можна розглянути неозброєним поглядом. Ці об'єкти і їх взаємодії складають те, що ми називаємо матеріальним світом. У принципі, кожен об'єкт міг би існувати на свій власний набору законів, абсолютно незалежному від законів, що керують всіма іншими об'єктами. Така Всесвіт був би хаотичною і важкою для розуміння, але з точки зору логіки це можливо. Те, що ми живемо не в такій хаотичної Всесвіту, стало великою мірою наслідком існування законів природи.
Роль законів природи полягає в тому, щоб впорядковувати і вибудовувати об'єкти, пов'язувати те, що здається між собою не пов'язаним, створювати простий каркас, що з'єднує Всесвіт воєдино. У зв'язку з цим мені подобається використовувати аналогію з павутинням. На периферії павутини знаходяться всі явища у Всесвіті - травинки, гори, комети і так далі. Якщо потрапити в павутину в будь-якій точці на краю, вибравши для дослідження єдине явище, можна почати ставити про нього питання. Рухаючись у цьому напрямку, ви виявите, що все далі і далі заглиблюєтесь в павутину, знаходячи все більш глибокі пояснення досліджуваного явища. Поступово виявляються загальні закономірності, що відносяться не тільки до досліджуваного явища, але пов'язують його з іншими, хоча ці зв'язки і не видно з першого погляду. Ці глибинні пояснення ми і називаємо законами природи.
Якщо продовжити дослідження, можна виявити, що ці процеси йдуть ще далі. Виявляється, що багато законів природи самі пов'язані з іншими, ще більш глибокими законами, у цих більш глибоких законів є свої, більш глибокі зв'язки і так далі. Зрештою, в самому центрі павутини можна знайти відносно невелике число законів, що зв'язують всю конструкцію воєдино. За усталеною в науці звичкою не надавати термінології особливого значення, їх іноді називають «законами природи». Але, щоб уникнути плутанини, я буду називати їх «основоположними принципами», відрізняючи їх цим від інших законів, принципів і ефектів, про які ми будемо говорити.
Перефразовуючи відому фразу з «Скотного двору» Оруелла, «всі закони природи рівні, але деякі рівніші за інших». Звичайно, як і слід було очікувати, серед учених немає спільної думки щодо того, що саме являють собою основоположні принципи нашого ремесла, але вам довелося б попрацювати, щоб знайти вченого, незгодного з фактом їх існування. Підозрюю також, що практично ніхто не сперечається з включенням в цю елітну групу деяких принципів, наприклад першого початку термодинаміки. На периферії ж можливі здорові розбіжності в думках. Пригадую, як кілька років тому в журналі «Science» була опублікована стаття на цю тему, і в ній читачам пропонувалося надсилати свої списки кандидатів у «кращу двадцятку». Отримавши більше 800 відповідей, редакція виявила, що скласти список з десяти «найбільших ідей» неважко, а на наступні десять місць претендентів дуже багато. Нижче я, серед іншого, просто опишу область дії кожного закону і надам вам вирішувати, чи належить він до основоположним принципам.
Хочу проілюструвати павутину взаємопов'язаних законів та принципів за допомогою вже згаданої нами коротко предмета, а саме комет. Про комети можна поставити багато різних питань. Один дуже старе питання: чому вони з'являються на небі безладно - звідки вони беруться і куди зникають? Насправді, мова йде про орбіти комет або, більш загально, про вплив на їх орбіти Сонця і планет. Щоб зрозуміти, як рухається комета, треба знати, які сили на неї діють і які закони управляють цим впливом. Так сталося, що розумінням і того, і іншого ми зобов'язані Ісааку Ньютону. Його закон всесвітнього тяжіння говорить нам, з якою силою Сонце діє на комету, а закони механіки пояснюють, як ця сила впливає на рух комети. Разом ці закони показують, як буде переміщатися кожна комета, рухаючись навколо Сонця.
Вони ж являють собою першу з об'єднавчих ідей, про які ми говорили раніше (Ньютон до цього зміг таким же чином пояснити рух планет). Іншими словами, виходить, що закони, що керують рухом комет, - точнісінько ті ж самі, що управляють рухом планет. Сила тяжіння Сонця діє і на ті, і на інші, а різниця між орбітами планет і комет пов'язана зі способом утворення цих двох класів об'єктів (див. Гіпотеза газопилової хмари). Комети потрапляють всередину Сонячної системи з областей, що знаходяться далеко за межами орбіт самих далеких планет, тому вони наближаються до Сонця по дотичній. Їх можна порівняти з дітьми, що грають в знайому гру, в якій треба якомога швидше підбігти до стовпа, схопитися за нього і оббігти його. Планети ж сформувалися більш-менш там же, де знаходяться зараз, і, відповідно, рухаються навколо Сонця по розміреним, майже круглим траєкторіями.
Висновок про те, що рухом планет і комет керують одні й ті ж закони, виявився революційним і зовсім несподіваним. Врешті-решт, що може бути більше несхоже на розмірене, регулярне і передбачуване просування планети по небу, ніж безладне і непередбачуване поява комет? Проте ці, здавалося б, зовсім різні небесні явища підкоряються одним і тим же законам і пов'язані з притяганням Сонця однаковим чином.
Саме це дозволило астрономам у середині XX століття зрозуміти, звідки беруться комети. Вивчивши траєкторію комет з моменту їх появи в сонячній системі, астрономи зуміли за допомогою законів Ньютона розрахувати, де почався їхній шлях. Було виявлено, що комети прийшли з двох резервуарів на холодних просторах космосу - плоского диска із зовнішнього боку орбіти Плутона, званий пояс Койпера, і величезної сфери, що тягнеться на відстані приблизно півтора світлових років від Сонця, званої Хмара Оорта. Виходить, що так само, як закони Ньютона дозволили Едмунду Галлею розрахувати орбіту комети, захопленої Сонцем, вони дали можливість продовжувачам його справи з'ясувати, звідки беруться комети. Це ще одна з несподіваних зв'язків, про які ми говорили раніше.
Якщо запитати не звідки з'явилася комета, а що вона собою являє, опинишся в зовсім іншій частині павутини. Просте запитання з цієї категорії може звучати так: «З яких хімічних елементів і сполук складаються комети?» Оскільки здебільшого дослідження комет ведеться з великої відстані, астрономи, що задають собі таке питання, що вивчають, як комета випромінює і поглинає світло, намагаючись таким чином визначити її хімічний склад. Як і всі інші матеріальні об'єкти, комети складаються з атомів, а атоми особливим чином взаємодіють зі світлом. Атоми кожного хімічного елемента й з'єднання випромінюють в характерному тільки для нього наборі довжин хвиль, який можна розглядати як своєрідний оптичний відбиток пальця (див. Спектроскопія). У разі видимого світла ми сприймаємо ці оптичні відбитки пальців як різні кольори. Яскраво-синє світло, видимий, коли шматочок міді падає в багаття, і насичений жовтий колір вуличного натрієвого ліхтаря - приклади цього явища. Атоми комети випускають світло, він проходить величезні космічні відстані до телескопа, і астрономи визначають хімічний склад комети, незважаючи на те, що не можуть отримати її фрагменти для лабораторного дослідження.
Звичайно ж, для застосування цього методу не потрібно, щоб світло проходило величезні відстані. Він дає такий же гарний результат, коли світло проходить всього кілька метрів або навіть міліметрів. У хімічній промисловості часто використовують цю властивість атомів - те, що кожен вид атомів випромінює світло характерного саме для нього набору квітів, - для контролю якості виробничих процесів. Так відчувають найрізноманітнішу продукцію - ліки, фарби, напої та багато іншого. Те, що інженер, перевіряючий якість партії бензину, і астроном, що вивчає дальню комету, використовують у своїй роботі одні й ті ж закони поведінки атомів - ще один приклад цих несподіваних зв'язків.
Я можу й далі наводити приклади, але думаю, що вам зрозуміло, про що йде мова. Коли бачиш світ як єдине ціле, кероване законами природи, а не як велика кількість розрізнених явищ, уявлення про Всесвіт стає більш зв'язковим. Починаєш бачити зв'язки між, здавалося б, непов'язаними речами, впорядкованість в усьому величезному розмаїтті природних явищ. Мені здається, що це - головний дар науки нашому інтелекту, одне з найбільших досягнень людської думки.
Наука в XX столітті
Картина, тільки що намальована мною для вас, іменована «науковим поглядом на світ», несе на собі виразну печать ньютонівських уявлень. Існує поширена помилка, що XX століття зіграв з Ісааком Ньютоном злий жарт і що вчені вже не вважають Всесвіт впорядкованим місцем, керованим законами природи. Філософи, які дотримуються подібних поглядів, часто стверджують, що завдяки теорії відносності, принципу невизначеності Гейзенберга і детерміністичних хаосу колишній науковий погляд на світ застарів. Ніщо не може бути далі від істини!
Для початку поговоримо про відносність. Як ми побачимо, Ейнштейн прийшов до своєї теорії у спробі врятувати принцип верховенства законів природи в науці. Зокрема, його цікавило одне аспект ньютонівських законів механіки - той факт, що незалежно від точки спостереження і навіть при переміщенні спостерігачів один щодо одного будь-який спостерігач побачить дію у Всесвіті одних і тих же законів. На цій простій посилці він побудував складну теоретичну структуру, не стільки витіснив закони Ньютона, скільки розширила, їх застосування на нові області. Наприклад, один з наслідків з теорії Ейнштейна полягає в тому, що переміщаються годинник йде повільніше, ніж ті, що перебувають у спокої. Для руху зі звичайними швидкостями (наприклад, в машині чи літаку) це уповільнення настільки мало, що не піддається вимірюванню, так що в повсякденному житті можна сміливо ігнорувати відносність. Але для об'єктів, що рухаються зі швидкостями, меншими швидкості світла, але порівнянними з нею, різниця може бути значною, і її необхідно враховувати.
Про так званий ефект уповільнення часу можна зробити два зауваження. По-перше, він повною мірою підтверджений експериментально, як цього вимагає науковий метод. По-друге, при використанні релятивістських рівнянь для опису повільно рухомих об'єктів відтворюються ньютонівські закони руху. Більш того, виходячи з уявлення про те, що кожен закон природи вірний в тій мірі, в якій вірні підтверджують його експериментальні дані, потрібно пам'ятати, що закони Ньютона спочатку перевірялися лише щодо звичайних об'єктів, що рухаються з нормальними швидкостями - для яких їх передбачення збігаються з прогнозами теорії відносності. Але при швидкостях, близьких до швидкості світла, для яких закони Ньютона ніколи не перевірялися, дві теорії розходяться у своїх прогнозах, причому передбачення теорії відносності перевірені експериментально. Це окреслює межі застосування законів Ньютона, але також говорить нам про те, що теорія відносності не суперечить їм, а дає можливість поширити існуючу теорію на нові області.
Уявлення про те, що ньютонівські яблука висипалися з візка, перекинутої теорією відносності, засноване на неявній посилці про те, що закони Ньютона можна поширити без змін на об'єкти, які рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Для цього немає ніякої логічної причини. Міркувати подібним чином - все одно що стверджувати, що, раз жителі Америки говорять по-англійськи, то й жителі Парижа повинні говорити по-англійськи, і потім знайти в цьому умопобудови величезна суперечність, коли виявиться, що насправді парижани кажуть по-французьки.
Відносини між теоріями Ньютона і Ейнштейна дають нам чудовий приклад того, як розвиваються досягли зрілості науки. Нова теорія не скасовує стару. Замість цього нові і більш глибокі теорії розширюють область застосування старих, включаючи їх у свій склад. Ми до цього дня використовуємо закони Ньютона при розрахунку руху космічних апаратів просто тому, що ці закони повною мірою випробувані і перевірені в подібних ситуаціях. У цьому сенсі наука росте, як дерево, весь час додаючи нові гілки, але завжди зберігаючи при цьому серцевину.
Аргументи, почерпнуті з теорії хаосу і квантової механіки, стосуються іншого боку ньютонівського погляду на світ - уявлення про детермінізм. Говорячи мовою фізики, система є детермінованою, якщо, знаючи початкові умови і закони, що визначають її поведінку, можна передбачити її стан в будь-який момент в майбутньому. Класичний приклад детермінованої системи - зіткнення двох більярдних куль. Знаючи їх положення і швидкості до зіткнення, за допомогою закону збереження моменту імпульсу і першого початку термодинаміки легко передбачити, де знаходитиметься кожна з куль в будь-який момент після зіткнення. Теорія відносності - абсолютно детерміністичних теорія. Годинник на рухомих більярдних кулях можуть сповільнюватися, але для того, щоб передбачити їх поведінку, можна використовувати рівняння Ейнштейна точно так само, як і закони Ньютона. Дайте мені початкове положення і швидкість кожного з куль, і я скажу вам, де яка куля виявиться в майбутньому.
З хаотичними системами ситуація дещо інша. Кінцеве стан цих систем, відкритих у другій половині XX століття перш за все завдяки використанню комп'ютерного моделювання, надзвичайно сильно залежить від початкової точки. Річкові пороги - хороший приклад хаотичної системи. Якщо у воду перед порогом покласти поруч дві тріски, то за порогом вони виявляться далеко одна від одної. Це означає, що для того, щоб передбачити майбутнє хаотичної системи, необхідно дуже точно знати її початкове положення. У дійсно хаотичної системи для того, щоб передбачити її поведінку в будь-який момент нескінченно триваючого майбутнього, необхідно знати її початковий стан з нескінченною точністю. Для проходить річковий поріг тріски це означає, що її початкове положення повинно бути відомо з нескінченною точністю. Оскільки очевидно, що в реальній системі цю вимогу виконати неможливо, майбутній стан такої системи практично неможливо передбачити з ньютонівської точністю.
Чи означає це, що хаос зруйнував ньютоновский погляд на світ? Зовсім ні. Ньютонівської детермінізм - це класичне твердження типу «якщо ..., то ...»: якщо я знаю, яке первісний стан системи, то я можу передбачити її майбутнє. Теорія хаосу зачіпає не цей головний принцип, а взаємозв'язок між величиною похибки в посилці затвердження («якщо ...») і величиною похибки в ув'язненні (« то ...»). Якщо похибка в посилці дорівнює нулю (тобто якщо первісний стан системи відомо нам з нескінченною точністю), то величина похибки в ув'язненні також дорівнює нулю (тобто можна з точністю передбачити її майбутнє поведінка). Таким чином, хаотичні системи є детермінованими в теорії, але не на практиці. Вчені віддають належне цьому факту, називаючи поведінку систем, подібних річковим порогам, детерміністичних хаосом.
Мені здається, що плутанина з хаосом і ньютоновскими уявленнями виникла через існуючої думки, що майбутнє класичних ньютонівських систем завжди можна передбачити з нескінченної точністю. Це абсолютно невірно, навіть стосовно до зовсім простим ситуацій. Описуючи вище ідеальні ньютонівські більярдні кулі, я не став звертати увагу на питанні, наскільки точно можуть бути відомі їх положення і швидкості. Насправді, в реальному світі стосовно цих чисел завжди присутня деяка невизначеність, а це значить, що і майбутнє положення куль також не може бути передбачене зовсім точно. Пам'ятаю, в аспірантурі мені довелося пропрацювати саме такий приклад, щоб засвоїти, що в реальному світі ніяка система не може бути нескінченно передбачуваною. Врешті-решт, різниця між хаотичної і класичної ньютонівської системою - справа ступеня. У прогнозі поведінки будь-якої системи - навіть ньютонівських більярдних куль - є невизначеність, якщо є невизначеність у вимірах її вихідного стану. Хаотичні системи - просто крайній випадок цього принципу.
Ситуація з квантовою механікою дещо складніше, насамперед внаслідок принципу невизначеності Гейзенберга. Суть цього принципу полягає в тому, що неможливо одночасно абсолютно точно знати і положення, і швидкість субатомній частинки. Можна точно знати одне чи інше, або і те, і інше з деяким ступенем невизначеності, але не можна безумовно знати і те, і інше одночасно. Це означає, що в світі атомів доводиться описувати стан частки зовсім інакше, ніж у ньютонівському світі. Замість того щоб вважати частку конкретним предметом (як, наприклад, бейсбольний м'яч), що знаходяться в певному місці і які йшли з певною швидкістю, доводиться розглядати її як певний різновид хвилі.
Через це у квантовій механіці можна передбачити лише ймовірності (фізики називають їх хвильовими функціями). Деякі вважають, що через це квантова механіка не є детерміністичних теорією, але в дійсності це не так. Квантова механіка говорить нам, як від початкового стану, описаного в імовірнісних термінах, прийти до кінцевого стану, також описаного в імовірнісних термінах. Практично всі труднощі, з якими стикаються люди з-за «квантових дивацтв» пов'язані зі спробами змішати квантовий світ з ньютоновским. Наприклад, іноді (не усвідомлюючи цього) виходять з того, що первинний стан електрона описується в ньютонівських термінах, і використовують той факт, що кінцевий стан описується в імовірнісних термінах, як аргумент, що підтверджує, що ми якимось чином втратили здатність робити детерміністичні прогнози.
Однак точка відліку в розмові про квантовій механіці полягає ось у чому: якщо хочеш грати в квантову гру, доведеться грати за квантовими правилами. Іншими словами, якщо кінцевий стан системи буде описано в імовірнісних термінах, доведеться і її початковий стан описувати так само. Якщо зрозуміти це, то виявиться, що квантова механіка - така ж детермінована система, обумовлена твердженнями типу «якщо ..., то ...». Якщо я знаю початковий стан системи (описане в імовірнісних термінах), то я можу точно передбачити її кінцевий стан (також описане в імовірнісних термінах). Єдина різниця між ньютонівської і квантовою механікою - це поняття «стану». З точки зору Ньютона, стан - це сукупність таких змінних, як положення в просторі і швидкість, а піонери квантової механіки під станом розуміли хвильову функцію. Вибір того чи іншого визначення робить за нас природа, але коли вибір зроблено, твердження про можливість передбачення виявиться одним і тим же.
Таким чином, три великих відкриття XX століття, перечеркнувшие, на думку багатьох, ньютоновский погляд на Всесвіт, призвели до наступного:
- Теорія відносності виходить за межі ньютонівської теорії і розширює її, поширюючись на об'єкти, які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла,
- Теорія хаосу дає нам уявлення про вплив помилок у визначенні початкових станів на точність прогнозів, і
- Квантова механіка по-новому визначає і розширює поняття фізичного стану, поширюючи його на хвильові функції.
Іншими словами, всі нові досягнення науки, здавалося б перечеркнувшие ньютонівську фізику, на ділі просто розширили і переопределили її головні положення.
Центральна ідея науки, згідно з якою можливо експериментально знайти закони, що керують явищами природи, і сформулювати теорії, що дозволяють передбачати нові явища, залишається в силі. Це добре, оскільки завдяки цьому говорити про закони природи не тільки цікаво, але й необхідно для того, щоб зрозуміти, як влаштована наша Всесвіт.