Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили
Когда физики говорят о «детерминированном» процессе, они обычно имеют в виду концепцию причинного детерминизма, предполагающего, что прошлые события предопределяют будущие. Но если это так, то не может быть ничего случайного; все, что происходит, имеет под собой веское основание – то, что произошло раньше; причина порождает следствие. Поэтому в принципе состояние Вселенной на настоящий момент можно отследить, шаг за шагом, до самого момента Большого взрыва. А если это правда, то события в настоящем предопределяют события в будущем таким образом, что в принципе мы должны быть способны прогнозировать будущее. При этом термин «событие» в данном случае включает в себя разряды нейронов нашего мозга, которые обусловливают мыслительный процесс и принятие нами определенных решений. В конечном счете мозг ведь тоже состоит из атомов. Нет никакого волшебного компонента, который выводил бы его из-под действия законов физики.
Во Вселенной, где все предопределено, у нас не было бы выбора в отношении наших действий и решений, поскольку у нас был бы только один вариант будущего, как и один вариант прошлого. (Помните, в главе 3 я уже говорил о блок-вселенной Эйнштейна.) Однако ход событий, при котором прошлое определяет будущее, а не наоборот, обусловлен вторым законом термодинамики, без действия которого события, которые мы называем «будущими», с тем же успехом могли бы предопределять «прошлые».
Но если это так, как же получилось, что мы не можем хоть с малой долей уверенности прогнозировать будущее? В конце концов, даже самые мощные суперкомпьютеры не способны точно сказать, будет ли на следующей неделе дождь. В случае с погодой причина очевидна. Если представить себе сложность того явления, которое мы хотим смоделировать, и количество переменных, которые нам необходимо знать для точного прогноза, – от колебаний температуры в атмосфере и океанах до атмосферного давления, направления и скорости ветра, солнечной активности и прочего, – вы поймете, что эта задача будет тем труднее, чем дальше в будущее вы захотите заглянуть. Таким образом, хотя метеорологи могут с уверенностью предсказать, будет ли завтра солнечно или облачно, невозможно спрогнозировать, будет ли в этот день через год идти дождь. Что интересно, это не значит, что данная информация недоступна в принципе, поскольку в детерминированной Вселенной будущее предопределено. На практике нам необходимо знать текущие условия на Земле с поразительной степенью точности и иметь фантастические компьютерные мощности, чтобы загрузить соответствующие данные и разработать точную модель, которую затем развить с помощью математического аппарата для получения надежного прогноза.
Именно эта хаотическая непредсказуемость лежит в основе знаменитого эффекта бабочки, когда мельчайшее, несущественное движение воздуха от взмаха крыльев бабочки на одном конце света может постепенно нарастать, пока не станет решающим на другом конце света – и вызовет разрушительный ураган. Это не значит, что существует определенная бабочка, которой мы можем приписать причину возникновения урагана. Скорее, любое незначительное изменение первоначальных условий при развитии данной системы во времени может привести к широкому ряду самых разных последствий.
Физические уравнения описывают детерминированно развивающийся мир. Если бы мы знали изначальные условия в системе (где находится каждая составная частица и как она движется в каждый момент времени, а также все силы, действующие между частицами), то мы могли бы рассчитать, как развивается эта система с точки зрения абсолютного детерминизма. Причина и следствие. Перед нами могло бы раскрыться все наше будущее.
Конечно, проблема в том, что нам никогда не осуществить этого на практике. Эта неспособность с абсолютной точностью знать или контролировать изначальные условия в системе, а также дальнейшие воздействия на эту систему наблюдается даже для гораздо более простых систем, чем погода. Нельзя подбросить монетку точно так же, как в предыдущий раз, чтобы снова и снова добиваться одного и того же результата. Если я подбросил монетку и выпала решка, мне будет чрезвычайно трудно повторить этот трюк и заставить монетку вращаться одно и то же количество раз, чтобы уж точно выпала решка. В нашей детерминированной Вселенной наша судьба совершенно предопределена, и все же мы не можем ее предсказать хоть с какой-то степенью уверенности.
Но как же насчет квантовой механики? Разве здесь на самом фундаментальном уровне не работает истинная случайность или неопределенность? Разве квантовая механика не освобождает нас от скучного детерминизма и предопределенного будущего, в котором, как нам кажется, уже нет места для свободного выбора, а мы просто колесики в упорядоченном часовом механизме? Правда в том, что четкого ответа на этот вопрос еще нет. Кроме того, следует различать понятия непредсказуемости и индетерминизма. Безусловно, вероятностная природа квантового мира означает, что события непредсказуемы, что мы заранее точно не знаем, где окажется электрон, или в каком направлении он движется, или когда точно распадется радиоактивный атом. Все, что можно сделать с помощью квантовой механики, – определить вероятность результатов различных измерений. Однако, хотя непредсказуемость может свестись к истинному индетерминизму, математика квантовой теории этого не предполагает. Индетерминизм – это интерпретация, которую мы накладываем на математику, чтобы описать то, что мы измеряем. Например, большинство космологов выступают за интерпретацию квантовой механики в виде множества вселенных, где все полностью детерминировано.
Есть еще одна точка соприкосновения между непредсказуемостью, кажущейся произвольностью и физикой – феномен хаотичного поведения. В природе хаос наступает там, где в системе существует нестабильность, так что крохотные изменения в процессе ее развития во времени могут нарастать как снежный ком. И вот опять перед нами эффект бабочки. Иногда даже простые системы, развивающиеся по простым, детерминированным законам физики, ведут себя крайне непредсказуемо и сложно, что кажется абсолютно произвольным. Однако, в отличие от квантовой области, где мы не знаем, связана ли эта непредсказуемость с истинным индетерминизмом[25], непредсказуемость хаотичной системы, несмотря на все внешние признаки, не связана с истинной произвольностью.
У теории хаоса есть еще интересная оборотная сторона: простые правила, если их применять неоднократно, могут привести к внешне произвольному поведению, а потом вдруг образуют великолепные структуры и модели поведения, которые выглядят в высшей степени упорядоченными. Там, где не было
