Великий замисел
Стивен Уильям Хокинг

Леонард Млодинов

Книжка написана живою мовою й розрахована на широке коло читачiв без академiчних знань з фiзики. Це iсторiя Всесвiту, в контекстi якоi автори спростовують традицiйну теорiю його появи, по-новому осмислюють теорiю Великого вибуху та заперечують думку про те, що Земля – едина планета, на якiй е життя. Що, як окрiм нашоi галактики та всесвiту iснуе безлiч iнших унiкальних космiчних об’ектiв?

Стивен Хокинг, Леонард Млодинов

Великий замисел

© Stephen Hawking and Leonard Mlodinow, 2010

© Peter Bollinger, original art, 2010

© Sciencecartoonsplus.com, cartoons

© Hemiro Ltd, видання украiнською мовою, 2018

© Книжковий Клуб «Клуб Сiмейного Дозвiлля», переклад i художне оформлення, 2018

* * *

1. Загадка життя

Життя людське коротке, i, поки живемо, ми зможемо пiзнати тiльки крихiтну частину Всесвiту. Але люди – створiння допитливi. Ми ставимо питання. Шукаемо вiдповiдей. Прийшовши у величезний свiт, то добрий, то злий до нас, вглядаючись у неозоре небо над головою, люди завжди замислювалися над питаннями: як зрозумiти свiт, у якому ми опинилися? Як влаштовано Всесвiт? Що е реальнiстю? Звiдки все взялося? Чи можливий Всесвiт без Бога? Ми не думаемо про це постiйно, але кожна людина час вiд часу задаеться такими питаннями.

Заведено, що цими питаннями займаеться фiлософiя, але вона мертва. Фiлософiя безнадiйно вiдстала вiд сучасноi науки, особливо вiд фiзики. Естафету знань тепер несуть науковцi, а не фiлософи. Мета нашоi книжки – дати вiдповiдi на цi питання, спираючись на останнi науковi вiдкриття й теорii[1 - Слово «теорiя» у повсякденному життi та в науцi мае рiзнi смисловi обертони. У звичному лексиконi теорiя – це щось «вiдмiнне вiд практики», «недоведене», синонiм гiпотези. Теорiя в науцi – це система найбiльш достовiрних уявлень про свiт, яка виростае з гiпотез, перевiрена експериментально i дае надiйнi передбачення; тобто наукова гiпотеза – не синонiм науковоi теорii. Простих людей збивае з пантелику слово «закон»: у Ньютона закон (щось твердо установлене), а в Дарвiна теорiя (читай – щось недоведене). Тим часом закони Ньютона – це окремий випадок квантово-механiчноi теорii, а теорiю Дарвiна (вона лежить в основi синтетичноi теорii еволюцii) пiдтверджуе маса доказiв, вiд палеонтологiчних до молекулярно-генетичних. (Тут i далi прим. перекл.)]. Вони приводять нас до новоi картини свiту, яка дуже вiдрiзняеться вiд традицiйноi, навiть тiеi, що ми малювали десять-двадцять рокiв тому.

Однак першi ескiзи цiеi картини накреслено майже столiття тому.

У традицiйнiй концепцii Всесвiту всi тiла рухаються по чiтких траекторiях i мають конкретну iсторiю. Ми можемо визначити iхне точне розташування в будь-який момент часу. Такий пiдхiд цiлком задовольняе нашi повсякденнi потреби, але у 1920-х роках з’ясувалося, що в «класичну» картину не вписуються дивнi явища, якi спостерiгаються на атомному i субатомному рiвнях. Довелося сформулювати iншу теорiю, яку назвали квантовою фiзикою. Квантовi теорii дивовижно точно передбачали подii у мiкросвiтi й водночас давали тi самi прогнози, що й старi класичнi теорii, коли йшлося про звичайний макроскопiчний свiт. Та квантова й класична фiзика спираються на абсолютно рiзнi уявлення про фiзичну реальнiсть.

«…І це моя фiлософiя».

Квантовi теорii можна формулювати по-рiзному, але найбiльш влучно iх пiдсумував Рiчард Фейнман, дуже колоритна особистiсть. Вiн працював у Калiфорнiйському технологiчному iнститутi й любив пограти на барабанах у мiсцевому стрип-клубi. Згiдно з Фейнманом, будь-яка система мае не одну iсторiю, а всi можливi iсторii. У пошуках вiдповiдей на нашi питання, ми докладно пояснимо, що Фейнман мав на увазi, i розглянемо iдею, що у Всесвiту немае однiеi-единоi iсторii, немае навiть незалежного iснування. Навiть для багатьох фiзикiв це звучить радикально. Багато iдей у сучаснiй науцi, здаеться, суперечать здоровому глузду, так i ця. Але здоровий глузд спираеться на повсякденний досвiд; у Всесвiту, про який ми дiзнаемося завдяки дивовижним технологiям, що дозволяють зазирнути всередину атома або в початки часiв, глузд зовсiм iнший.

До виникнення сучасноi фiзики вважалося, що джерело знань про свiт – спостереження, тобто речi такi, якими виглядають, якими ми iх сприймаемо через органи чуття. Але успiхи сучасноi фiзики, яка спираеться на концепцii типу фейнманiвськоi i, здаеться, суперечить здоровому глузду, показали, що це не так. Простодушне сприйняття реальностi не узгоджуеться з сучасною фiзикою. Щоб якось дати раду таким парадоксам, ми будемо триматися пiдходу, який назвемо модель-залежним реалiзмом. Рiч у тому, що наш мозок iнтерпретуе сигнали органiв чуття i будуе модель свiту. Коли така модель задовiльно пояснюе подii, ми схильнi надiляти ii, а також елементи й концепцii, з яких ця модель складаеться, властивостями реальностi, абсолютноi iстини. Але ж одне фiзичне явище можна змоделювати по-рiзному, виходячи з рiзних фунд

ментальних засад i концепцiй. Якщо двi фiзичнi теорii однаково точно передбачають однi й тi самi подii, то чому одна реальнiша за iншу? Ми цiлком можемо використовувати ту, що зручнiша.

Історiя науки – це ланцюжок дедалi кращих теорiй: вiд Платона до класичноi фiзики Ньютона i сучасних квантових теорiй. Виникае питання: чи дiйдемо ми коли-небудь до кiнця ланцюжка, до фiнальноi теорii Всесвiту, яка охопить усi фiзичнi взаемодii i передбачить усi спостереження, чи будемо нескiнченно покращувати теорii та наближатися до досконалоi? Остаточноi вiдповiдi поки що немае, але е кандидат на фiнальну теорiю всього, якщо така iснуе, – це так звана М-теорiя. Наразi це тiльки модель, але вона мае всi властивостi, якi мусить, на нашу думку, включати в себе фiнальна теорiя, – саме на М-теорiю спираеться бiльша частина цiеi книжки.

М-теорiя – не теорiя у звичному значеннi цього слова. Це комплект рiзних теорiй, кожна з яких добре описуе окремий клас фiзичних явищ. Щось схоже на карту. Всi знають, що достовiрно показати земну поверхню на однiй картi неможливо. Звична проекцiя Меркатора, яку використовують на картах свiту, перебiльшуе площi (що далi на пiвнiч або пiвдень, то бiльше), а полюсiв i зовсiм не показуе. Щоб правильно показати земну поверхню, знадобиться набiр карт – за фрагментами. Аркушi перекриватимуться i в мiсцях стикiв показуватимуть один i той самий ландшафт. Так само й М-теорiя: хай там як сильно вiдрiзняються ii складовi, можна вважати, що все це рiзнi iпостасi однiеi загальноi теорii, справедливi тiльки в певному дiапазонi величин, наприклад при малих енергiях. Цi теорii теж перекриваються, мов аркушi в проекцii Меркатора, i передбачають однаковi явища. Але як пласка карта не може правильно показати всю поверхню землi, так i одна теорiя не може описати всi можливi спостереження.

Карта свiту. Щоб адекватно описати Всесвiт, може знадобитися низка теорiй, якi перекриватимуться, мов аркушi в атласi свiту.

Ми розкажемо, якi вiдповiдi про створення свiту дае М-теорiя. Згiдно з М-теорiею, наш Всесвiт – не единий. Вона передбачае, що з нiчого виникла величезна кiлькiсть всесвiтiв i для цього не потрiбне втручання Бога, надприродноi iстоти. Вони виникають природним шляхом за законами фiзики. Їх передбачае наука. У кожного всесвiту багато можливих iсторiй i багато можливих станiв у пiзнiшi часи, як-от нинiшнiй, тобто через тривалий час пiсля того, як вони виникли. Бiльшiсть цих станiв зовсiм не схожi на видимий нами Всесвiт i абсолютно не надаються для будь-яких форм життя. Тiльки в дуже небагатьох станах можуть теоретично iснувати схожi на людей iстоти. Сама наша присутнiсть вибирае з гiгантського набору всесвiтiв тiльки тi, якi сумiснi з нашим iснуванням. І хоча в масштабах космосу людина мiзерна, це в певному сенсi робить ii володаркою творiння.

Щоб зрозумiти Всесвiт на найглибшому рiвнi, нам треба знати не тiльки як його влаштовано, а й чому.

Чому е щось, а не нiчого?

Чому ми iснуемо?

Чому iснуе саме цей набiр законiв, а не iнший?

Ось Головне питання Життя, Всесвiту i Всякого Такого. Ми спробуемо на нього вiдповiсти. Автостопери по галактицi знають вiдповiдь – «42», але наша iнша[2 - Алюзiя на гумористичний роман британського фантаста Дугласа Адамса «Автостопом по галактицi» (1979). Штучний iнтелект на «Головне питання Життя, Всесвiту i Всякого Такого», подумавши мiльйони рокiв, вiдповiв «42». Це число в субкультурах стало мемом (безглузда вiдповiдь на риторичне питання).].

2. Влада закону

Скьоль iм’я вовка,
Вiн женеться за богом осяйним
До лiсу спасiння.
А iнший – це Хате,
Родвiтнера син,
Вiн ловить ясну наречену.

    Мова Грiмнiра, Старша Едда

У скандинавськiй мiфологii вовки Скьоль i Хате полювали на сонце й мiсяць. Коли вовк наздоганяв свою жертву, траплялося сонячне або мiсячне затемнення. Тодi люди кидалися рятувати небесне свiтило, здiймаючи галас, щоб налякати й вiдiгнати вовкiв. Схожi мiфи е й у iнших культурах. З часом люди не могли не помiтити, що сонце й мiсяць повертаються пiсля затемнення, незалежно вiд того, рятували iх криком i стуком чи нi. Мали вони помiтити й те, що затемнення трапляються не спонтанно, а регулярно, з певною перiодичнiстю. Найлегше було помiтити закономiрнiсть мiсячних затемнень – давнi вавилоняни навчилися досить точно iх передбачати, хоч i не розумiли, чому вони вiдбуваються (Земля заступае свiтло Сонця). Сонячнi затемнення передбачати важче, бо iз Землi iх добре видно тiльки у вузькiй смузi завширшки кiлометрiв п’ятдесят. Та все ж було очевидно, що затемнення залежать не вiд примхи богiв, а пiдлягають якимсь законам.

Затемнення. Люди в давнину не розумiли, чому вiдбуваються затемнення, але помiтили в них певну систему та перiодичнiсть.

Люди досить рано навчилися передбачати рух небесних тiл, але бiльшiсть природних явищ здавалися непередбачуваними. Виверження вулкана, землетрус, буря, епiдемiя, врослий у палець ноги нiготь – усе це вiдбувалося без видимоi причин

й закономiрностi. У давнину подiбнi напастi звикли приписувати волi злостивих i мстивих божеств. У катаклiзмах люди часто бачили знак того, що чимось розгнiвали богiв. Наприклад, близько 5600 рокiв до нашоi ери почалося виверження вулкана Мазама, що на територii сучасного штату Орегон. Воно тривало кiлька рокiв i спричинило невпиннi дощi, якi врештi-решт заповнили кратер, i утворилося озеро Крейтер-Лейк. В iндiанцiв племенi кламатiв е легенда, яка докладно описуе цю геологiчну подiю i додае драматичних деталей – винна у всьому людина. Люди завжди знайдуть на свою голову провину, тут у нас справжнiй талант. Легенда розповiдае, що вождь Нижнього свiту Лао закохався у доньку вождя кламатiв. Вона вiдмовила йому, i, прагнучи помсти, Лао захотiв знищити кламатiв вогнем. Та вождь Вишнього свiту Скел пожалiв людей i вступився за них: почалася велика битва. Врештi-решт поранений Лао втiк у гору Мазама, лишивши великий кратер, який заповнився водою.

Не знаючи законiв природи, стародавнi люди придумували богiв, якi керували всiма проявами людського життя. Існували боги любовi, вiйни, сонця, землi, неба, океану, рiчок, дощу, грому, були навiть боги вулканiв i землетрусiв. Коли боги в доброму гуморi, вони дають людям хорошу погоду й мир, не допускають природних катастроф i пошестей. Розгнiвавшись, вони насилають посуху, вiйну, мор та епiдемii. Люди не бачили зв’язку причин i наслiдкiв у природi, тому воля богiв здавалася незбагненною i лишалося покладатися на iхню милiсть. Та десь 2600 рокiв тому, починаючи з Фалеса Мiлетського (бл. 624 – бл. 546 до н. е.), люди почали дивитися на свiт по-iншому. З’явилася iдея, що в природi дiють певнi принципи i iх можна розшифрувати. Почався довгий процес пiзнання – божественний промисел помалу поступався мiсцем уявленню про Всесвiт, яким керують закони природи, створений за задумом, який люди колись розгадають.

Якщо взяти всю iсторiю людства, то наука – явище досить нове. Наш вид гомо сапiенс виник в африканськiй саванi близько 200 000 рокiв тому. Писемнiсть з’явилася десь за 7000 рокiв до нашоi ери в рiльничих суспiльствах. (У найстарiших зразках писемностi, якi до нас дiйшли, е згадки про денну норму пива на людину.) Найдавнiшi писемнi зразки великоi старогрецькоi цивiлiзацii сягають дев’ятого столiття до нашоi ери, але ii розквiт, «класичний перiод», почався на кiлькасот рокiв пiзнiше, у п’ятому столiттi до нашоi ери. Саме тодi, за словами Арiстотеля (384–322 до н. е.), Фалес першим припустив, що свiт пiзнаваний, а все розмаiття подiй можна звести до простих принципiв i пояснити iх без мiфiчних i божественних конструкцiй.

Вважаеться, що Фалес першим передбачив сонячне затемнення 585 року до нашоi ери, але, швидше за все, йому просто пощастило точно вгадати. Вiн волiв жити «в тiнi» й не лишив по собi текстiв. Дiм Фалеса був одним з iнтелектуальних центрiв Іонii, областi в Малiй Азii, яку колонiзували греки, – вплив Іонii сягав вiд сучасноi Туреччини до Італii. Іонiйська наука шукала фундаментальних законiв природи i стала яскравою сторiнкою в iнтелектуальнiй iсторii людства. Представники цiеi школи сповiдували рацiональний пiдхiд i в багатьох випадках дiйшли висновкiв, дивовижно схожих на сучаснi, отриманих за допомогою значно складнiшого iнструментарiю. Це був великий початок. Та з часом здобутки iонiйськоi школи пiшли в забуття – все це довелося винаходити i вiдкривати знову, iнодi не один раз.

Іонiя. Ученi стародавньоi Іонii першими пояснювали природнi явища дiею законiв природи, а не мiфами та релiгiею.

За легендою, перше математичне вираження «закону природи» дав iонiець Пiфагор (бл. 580 – бл. 490 до н. е.). Усi знають про знамениту теорему, названу його iменем: квадрат гiпотенузи (довгоi сторони) прямокутного трикутника дорiвнюе сумi квадратiв катетiв (двох iнших сторiн). Вважаеться, що Пiфагор вiдкрив математичне спiввiдношення мiж довжиною струни музичного iнструмента i висотою звука. Говорячи сучасною мовою, частота коливань струни за певноi напруги (тобто кiлькiсть вiбрацiй за секунду) обернено пропорцiйна ii довжинi. Це пояснюе, чому в бас-гiтари мають бути довшi струни, нiж у звичайноi. Цiлком може бути, що все це вiдкрив не Пiфагор i теорему Пiфагора вивiв не вiн, але е свiдчення, що про зв’язок довжини струни i висоти звука в його часи знали. У такому разi цю просту математичну формулу можна вважати першим зерном теоретичноi фiзики.

Крiм «закону струн» Пiфагора, у правильному виглядi стародавнi люди знали тiльки три фiзичнi закони. Їх вивiв Архiмед (бл. 287 – бл. 212 до н. е.), поза сумнiвом найвидатнiший фiзик античностi. Сучасне вираження «закону важеля»: мала сила може пiдняти велику вагу тому, що важiль збiльшуе силу пропорцiйно вiдстанi вiд плеча до точки опори. Згiдно iз «законом плавучостi», на будь-яке тiло, занурене в рiдину, дiе виштовхувальна сила, яка дорiвнюе вазi витисненоi цим тiлом рiдини. А «закон вiдбиття» стверджуе, що кут мiж променем свiтла i дзеркалом дорiвнюе куту мiж дзеркалом i вiдбитим променем свiтла. Утiм,

рхiмед не називав iх законами i не пояснював на основi спостережень i вимiрювань. Вiн розумiв iх як математичнi теореми, елементи аксiоматичноi системи по типу тiеi, що Евклiд сформулював у геометрii.

З утвердженням iонiйського впливу з’являлися й iншi вченi, якi теж вважали, що у Всесвiтi iснують внутрiшнi принципи, порядок, який можна зрозумiти через спостереження i умовиводи. Анаксiмандр (бл. 610 – бл. 546 до н. е.), друг i, можливо, учень Фалеса, говорив, що раз людське немовля безпорадне, то перша людина не могла з’явитися немовлям, бо не вижила б. На думку Анаксiмандра, люди мали розвинутися з iнших тварин, якi дають бiльш загартоване потомство – у цiй думцi можна побачити перший натяк на теорiю еволюцii.

На Сицилii чоловiк на iм’я Емпедокл (бл. 490 – бл. 430 до н. е.) спостерiгав, як працюе клепсидра, цей iнструмент iнодi використовували як черпак. Клепсидра – це сферична посудина з вiдкритою горловиною i дрiбними дiрочками у днi. Якщо клепсидру занурити у воду, вона набереться, а якщо потiм закрити горловину, то вода при пiдйомi не витече. Емпедокл помiтив: якщо закрити горловину до того, як занурити клепсидру, вона не набереться. Вiн зробив висновок, що водi заважае увiйти в дiрочки щось невидиме – i вiдкрив матерiальну субстанцiю, яку ми називаемо повiтрям.

Приблизно в той самий час Демокрiт (бл. 460 – бл. 370 до н. е.) з iонiйськоi колонii в Пiвнiчнiй Грецii мiркував, що вiдбуваеться, коли предмет дiлять на частини. Вiн дiйшов висновку, що нескiнченно дiлити неможливо i все, навiть живi iстоти, складаеться з елементарних частинок, якi далi вже не дiляться. Вiн назвав цi частинки «атомами», що грецькою означае «неподiльний». Демокрiт вважав, що всi явища матерiального свiту – це результат взаемодii атомiв. У його теорii, названiй атомiзмом, усi атоми рухаються у просторi i, якщо iх не чiпати, можуть рухатися по прямiй нескiнченно. Зараз ми називаемо це «законом iнерцii».

Революцiйну думку, що люди – звичайнi собi iстоти, а не якiсь суперстворiння, надiленi привiлеем жити в центрi Всесвiту, вперше висловив Арiстарх (бл. 310 – бл. 230 до н. е.), один з останнiх учених iонiйськоi школи. Зберiгся тiльки один його розрахунок – складний геометричний аналiз спостережень розмiру тiнi Землi на Мiсяцi пiд час мiсячного затемнення. Із цих спостережень вiн робив висновок, що Сонце мае бути значно бiльшим за Землю. Арiстарх першим висловив думку, що Земля – не центр свiту, а разом з iншими планетами обертаеться довкола Сонця; можливо, його надихала iдея, що маленькi об’екти мають рухатися довкола великих, а не навпаки. Вiд усвiдомлення, що Земля – звичайна планета, лишався один крок до iдеi, що й у Сонцi немае нiчого особливого. Арiстарх щось таке й припускав i вважав, що зорi на небi – це просто дуже далекi сонця.

Крiм iонiйськоi, iснували й iншi школи грецькоi фiлософii – кожна мала свою думку про свiт. На жаль, вплив iонiйських поглядiв на природу (що ii можна пояснити загальними законами i звести до кiлькох принципiв) протримався недовго, столiття-два. Зокрема тому, що в iонiйських теорiях не лишалося мiсця для таких понять, як «свобода волi», «призначення», «божественний промисел», а саме вони, як здавалося давнiм людям, правлять свiтом. Грецьких мислителiв цi лакуни непокоiли так само, як i багатьох наших з вами сучасникiв. Наприклад, фiлософ Епiкур (341–270 до н. е.) заперечував атомiзм на тiй пiдставi, що «краще триматися мiфiв про богiв, нiж стати “рабом” долi натурфiлософiв». Арiстотель теж не прийняв концепцiю атомiв – йому здавалася дивною думка, що людина складаеться з мертвих неодухотворених частинок. Здогадка iонiйських мудрецiв, що людина не е центром Всесвiту, – важлива вiха в розумiннi космосу, але вона не знайде вiдгуку в сучасникiв, забудеться i повернеться аж через двадцять столiть, в епоху Галiлея.

Давнi греки висловили багато проникливих припущень про свiт, але бiльшiсть iхнiх iдей у нашi днi не вважалися б науковими. По-перше, греки не сформулювали наукового методу i iхнi теорii не передбачали експериментальноi перевiрки. Якщо один учений говоритиме, що атом рухаеться по прямiй, поки не зiштовхнеться з iншим атомом, а опонент заперечить, що атом рухаеться по кривiй, поки не зiштовхнеться з циклопом, то не iснувало об’ективного способу визначити, хто мае рацiю. По-друге, греки не розрiзняли природних i людських законiв. Наприклад, у п’ятому столiттi до нашоi ери Анаксiмандр писав, що все суще виникае з першооснови i повертаеться в неi, щоб «заплатити належне i прийняти кару за кривди своi». А iонiйський фiлософ Гераклiт (бл. 535 – бл. 475 до н. е.) вважав, що Сонце «поводиться» так, а не iнакше, через страх перед богинею справедливостi. Школа стоiкiв, яка сформувалася у третьому столiттi до нашоi ери, провела нарештi рiзницю мiж законами природи i людськими установленнями, але до законiв природи стоiки зарахували норми поведiнки, якi здавалися iм унiверсальними, наприклад шанування богiв або синiвський послух. І навпаки, вони мислили природнi процеси в «юридичному» ключ

та вважали, що до законiв природи можна примусити, навiть якщо об’екти «примусу» неодухотворенi. Тут людей до правил дорожнього руху не привчиш, а уявiть примусити астероiд рухатися по елiпсу!

Ця традицiя впливала на вчених упродовж багатьох столiть. У тринадцятому столiттi християнський фiлософ Тома Аквiнський (бл. 1225–1274) у схожому ключi доводив iснування Бога: «Очевидно, що [тiла неодухотворенi] рухаються до своеi мети не випадково, а згiдно з певним намiром… А отже, iснуе розумна iстота, яка направляе усе в природi». Ще в кiнцi шiстнадцятого столiття великий нiмецький астроном Йоганн Кеплер (1571–1630) вважав, що планети «сприймають» i свiдомо дотримуються законiв руху, якi засвоiли «умом».

Уявлення про те, що законам природи слiд свiдомо коритися, пов’язане з тим, що стародавнi люди передусiм замислювалися над питанням, чому природа поводиться саме так, а не iнакше, а не питанням, як саме поводиться природа. Одним iз головним пропагандистiв такого пiдходу був Арiстотель – вiн заперечував науку, яка на перше мiсце принципово ставить спостереження. У кожному разi точнi вимiрювання i математичнi обрахунки у давнi часи були справою непростою. Зручна i звична нам десяткова система числення склалася аж у сьомому-восьмому столiттях нашоi ери, коли iндiйцi придумали, як зробити з чисел потужний iнструмент обрахунку. Знаки «плюс» i «мiнус» виникли аж у п’ятнадцятому столiттi. А знак «дорiвнюе» i годинник iз секундною стрiлкою у шiстнадцятому.

А от Арiстотель не бачив у вимiрюваннях i обрахунках великоi проблеми для розвитку фiзики, спроможноi давати кiлькiснi передбачення. Вiн вважав, що без цього можна обiйтися. Арiстотель будував свою фiзику на принципах, якi приваблювали його iнтелектуальною красою – вiдкидав «несуттевi» факти та цiкавився передусiм причинами того, що вiдбуваеться, нiж з’ясуванням, що ж саме вiдбуваеться. Вiн поправляв своi висновки, тiльки якщо вони надто явно розбiгалися з результатами спостережень, i дуже часто цi поправки стосувалися одного конкретного випадку i просто згладжували суперечнiсть, а не знiмали ii. Хоч як сильно його теорiя вiддалялася вiд реальностi, завжди можна було «пiдкрутити» ii так, щоб вона виглядала адекватною i несуперечливою. Наприклад, арiстотелiвська теорiя руху стверджувала, що тiла падають зi сталою швидкiстю, яка пропорцiйна вазi тiла. На пояснення очевидного факту, що з падiнням тiло явно набирае швидкiсть, Арiстотель вивiв новий простий принцип: наближаючись до природного стану спокою, тiла рухаються бiльш радiсно, а тому прискорюються. Прекрасне пояснення, але воно бiльше пiдходить людям, анiж неживим предметам. Теорii Арiстотеля погано передбачають, що не завадило iм грати в науцi першу скрипку майже двi тисячi рокiв.

Наступники античних грекiв християни вiдкинули iдею, що у Всесвiтi панують байдужi закони природи. Думка, що людина не пуп Всесвiту, iм теж не подобалася. І хоч доба Середньовiччя не народила одноi послiдовноi фiлософськоi системи, тодiшнi люди вважали, що Всесвiт – творiння Господа, а вивчати краще теологiю, нiж явища природи. І справдi, 1277 року епископ паризький Темп’е за велiнням папи римського Йоана ХХІ опублiкував список iз 219 богопротивних ересей. У списку значилася й вiра в те, що в природi iснують закони, бо це суперечило уявленню про всемогутнiсть Господа. Цiкаво, що через кiлька мiсяцiв понтифiк став жертвою закону земного тяжiння – на нього обвалився дах палацу.

Нинiшне уявлення про закони природи сформувалося в сiмнадцятому столiттi. У сучасному сенсi першим це поняття розумiв, напевно, Кеплер, хоч, як ми вже говорили, вiн сповiдував анiмiстичнi погляди на свiт (тобто вважав фiзичнi об’екти одухотвореними). Галiлео Галiлей (1564–1642) не вживав поняття «закон» у наукових трактатах (хоч воно фiгурувало в деяких перекладах його творiв). Та саме вiн вiдкрив дуже багато законiв i захищав важливi принципи, що суть науки – спостереження, а мета – пiзнати кiлькiсний вимiр фiзичних явищ. Чiтко i строго концепцiю законiв природи, як ми розумiемо ii сьогоднi, першим висловив Рене Декарт (1596–1650).

«За все свое довге правлiння я зрозумiв одне: стае спекотнiше».

Декарт вважав, що всi фiзичнi явища треба пояснювати через зiткнення рухомих мас, якi пiдлягають трьом законам – предтечам знаменитих ньютонiвських законiв руху. Вiн стверджував, що цi закони дiють завжди i скрiзь, i прямо заявляв, що рухомим тiлам не треба мати розум, аби iм пiдлягати. Декарт також зрозумiв значення того, що ми називаемо «початковими умовами» – тобто стану системи на початку промiжку часу, на який ми хочемо зробити прогноз. Знаючи початковi умови та закони природи, можна визначити, як система буде розвиватися в часi, але без початкових умов вивести це неможливо. Якщо, наприклад, у нульовий момент часу голуб прямо над головою зайнявся «точковим бомбометанням», то падiння «бомби» визначають закони Ньютона. Але результат буде дуже рiзний, залежно вiд того, що робив голуб у нульовий момент – сидiв на телеграфному дротi чи прол

тав зi швидкiстю двадцять кiлометрiв за годину. Щоб застосувати фiзичнi закони, треба знати, з чого починала система, принаймнi ii стан у певний момент часу. (Цi ж закони дозволяють простежити стан системи назад у часi.)

Коли бiльш-менш утвердилася вiра в iснування законiв природи, з’явилися спроби якось узгодити iх iз поняттям Бога. На думку Декарта, Бог мiг на власний розсуд мiняти iстиннiсть або хибнiсть етичних положень i математичних теорем, але не законiв природи. Декарт вважав, що Бог установив порядок у природi, але не мiг вибирати ii законiв, бо вони едино можливi. Може здаватися, що це замах на всемогутнiсть Господа, але Декарт викрутився, заявивши, що закони природи незмiннi, бо вони вiдображають внутрiшню природу самого Бога. Якщо так, то Господь мiг створити багато рiзних свiтiв – у кожному свiй набiр законiв, але Декарт i це заперечив. Незалежно вiд стану матерii на початку часiв, доводив вiн, з часом неодмiнно мав виникнути свiт, iдентичний нашому. Мало того, Декарт вважав, що, запустивши свiт у рух, Господь полишив його самого по собi.

Схожi погляди (за деякими винятками) сповiдував Ісаак Ньютон (1643–1727). Вiн вiдкрив три закони руху i закон гравiтацii, якi описували рух Землi, Мiсяця i планет та пояснювали такi явища, як морськi припливи i вiдпливи. Завдяки Ньютону у свiтi утвердилося сучасне поняття наукового закону. Рiвняння Ньютона i розроблений ним математичний апарат лягли в основу сучасноi науки, iх досi вивчають у школi та повсюдно використовують: без них архiтектор не збудуе будинку, iнженер не спроектуе автомобiля, фiзик не розрахуе траекторiю запуску марсохода. Як написав англiйський поет Александр Поуп:

Закони Всесвiту пiтьма густа ховала.

«Хай буде Ньютон!» – Бог сказав. – І свiтло стало.

Сучаснi вченi скажуть так: закон природи – це виведене на основi повторюваних спостережень регулярне правило, яке дае прогнози, що виходять за межi безпосереднiх ситуацiй, з яких його вивели. Наприклад, можна помiтити, що сонце щоранку сходить на сходi, i вивести правило: «сонце завжди сходить на сходi». Це узагальнення виходить за межi наших спостережень i дае перевiрюваний прогноз на майбутне. А твердження «комп’ютери в нашiй конторi чорнi» не буде законом природи, бо воно стосуеться тiльки комп’ютерiв у нашiй конторi та не забезпечуе прогнозiв типу такого: «Якщо контора купить новий комп’ютер, вiн буде чорний».

Сучасний сенс поняття «закон природи» – предмет давнiх фiлософських дискусiй, це питання набагато тонше, нiж може здаватися. Наприклад, фiлософ Джон Керол порiвняв твердження «всi золотi сфери – дiаметром менше кiлометра» з твердженням «всi сфери з урану-235 – дiаметром менше кiлометра». Нашi спостереження кажуть, що не бувае золотих сфер такого дiаметра, i можна бути впевненим, що нiколи не буде. Але немае пiдстав думати, що iх не бувае в принципi, тому таке твердження не вважаеться законом. З iншого боку, твердження «всi сфери з урану-235 – дiаметром менше кiлометра» можна вважати законом природи, бо, судячи з того, що нам вiдомо про ядерну фiзику, сфера з урану-235 вибухне i знищить себе, якщо ii дiаметр перевищить певний порiг, сантиметрiв п’ятнадцять. Отже, можна бути впевненим, що таких сфер не iснуе. (І що зробити таку сферу – iдея погана!) Це важливий момент: вiн показуе, що не всi узагальнення, виведенi зi спостережень, е законами природи; що бiльшiсть законiв природи – елемент великоi взаемопов’язаноi системи.

Сучасна наука формулюе закони природи мовою математики. Вони бувають точнi й приблизнi, але неодмiнно спираються на спостереження i строго виконуються – якщо не скрiзь i всюди, то принаймнi за чiтко окреслених умов. Наприклад, ми знаемо, що закони Ньютона не виконуються, якщо об’екти рухаються зi швидкостями, близькими до швидкостi свiтла. Та все ж це закони, бо вони прекрасно виконуються у повсякденному свiтi, де швидкостi набагато нижчi.

Якщо природою керують закони, то постае три питання:

1. Звiдки взялися закони?

2. Чи бувають винятки з цих законiв, тобто дива?

3. Чи iснуе тiльки один набiр законiв?

Над цими важливими питаннями замислювалися науковцi, фiлософи, теологи. Традицiйна вiдповiдь на перше питання (вiдповiдь Кеплера, Галiлея, Декарта i Ньютона): закони установив Господь. По сутi, це означае, що Бог – втiлення законiв природи. Якщо не надiляти його деякими iншими рисами, як-от у старозавiтного Бога, то вважати Бога вiдповiддю на перше питання означае замiнити одну загадку на iншу. Тодi виникне заковика з другим питанням: чи iснують дива, тобто винятки iз законiв?

Вiдповiдi на друге питання дуже роздiлилися. Платон i Арiстотель, найвпливовiшi мислителi античностi, вважали, що закони не мають виняткiв. Але якщо йти за Бiблiею, то Господь не тiльки установив закони, але й може у вiдповiдь на молитву робити з них винятки: вилiкувати смертельно хворого, зупинити посуху, повернути крокет в олiмпiйську програму. На вiдмiну вiд Декарта, майже всi християнськi мислителi вважали, що Господь здатен призупиняти дiю законi

i являти чудеса. У чудеса вiрив навiть Ньютон. Вiн вважав, що орбiти планет мають бути нестабiльнi, бо гравiтацiйне тяжiння однiеi планети до iншоi впливатиме на орбiти, i з часом планети або впадуть на Сонце, або розлетяться з Сонячноi системи. Вiн вiрив, що Господь поправляе орбiти, «заводить небесний годинник». А от П’ер-Сiмон, маркiз де Лаплас (1749–1827), якого зазвичай називають просто Лапласом, доводив, що порушення орбiт мають не накопичуватися, а бути перiодичними, йти повторюваними циклами. Вiдповiдно, Сонячна система здатна перезапускатися i без божественного втручання – це й пояснюе, чому вона досi iснуе.

Вважаеться, що саме Лаплас першим сформулював принцип наукового детермiнiзму: якщо врахувати стан Всесвiту в конкретний момент часу, то повний набiр законiв природи визначить як його майбутне, так i минуле. Цей принцип не передбачав iснування див i активноi ролi Бога. Сформульований Лапласом принцип наукового детермiнiзму i е вiдповiддю сучасного науковця на питання номер два. Власне, це фундамент усiеi сучасноi науки, на ньому грунтуеться i книжка, яку ви читаете. Закон науки – не закон науки, якщо вiн виконуеться, тiльки допоки яка-небудь надприродна iстота не вирiшить утрутитися. Кажуть, нiби Наполеон, все зрозумiвши, спитав Лапласа, як же в його картину вписуеться Господь.

«Сiр, ця гiпотеза менi не знадобилася», – вiдповiв Лаплас.

Раз люди живуть у Всесвiтi та взаемодiють з iншими об’ектами, то принцип наукового детермiнiзму мае стосуватися й людей. Однак багато хто вважае, що науковий детермiнiзм охоплюе тiльки фiзичнi явища, бо люди, на iхню думку, мають свободу волi. Наприклад, Декарт, захищаючи iдею свободи волi, стверджував, що людський розум i фiзичний свiт – це рiзнi речi й розум не пiдлягае законам природи. На його думку, людина складаеться з двох сутностей – душi й тiла. Тiло – це просто механiзм, а от душа не пiдпорядковуеться науковим законам. Декарт дуже цiкавився анатомiею та психологiею i вважав, що душа мiститься у крихiтнiй дiлянцi мозку, яку медики називають епiфiзом, або шишкоподiбною залозою – в епiфiзi, мовляв, виникають думки, там джерело свободи волi.

Чи е в людей свобода волi? Якщо е, то на якому етапi еволюцii виникае? А в бактерiй або синьо-зелених водоростей? Чи iхнi реакцii «автоматичнi» i пiдлягають законам природи? Може, свободу волi мають тiльки багатоклiтиннi органiзми? Або тiльки ссавцi? Можна припустити, що свободу волi проявляе шимпанзе, коли вирiшуе з’iсти банан, або кiт, коли починае дерти диван. А круглий черв Caenorhabditis elegans – просте створiння, в якому 959 клiтин? Навряд чи вiн думае: «О, яка смачна бактерiя трапилася менi вчора на обiд», але все одно мае певнi харчовi вподобання i, залежно вiд недавнього досвiду, полiзе шукати смачнiшу iжу або вдовольниться тим, що е пiд боком. Чи можна це вважати проявом свободи волi?

«По-моему, другий крок якийсь нечiткий».

Людинi здаеться, що вона робить усвiдомлений вибiр, але, наскiльки ми розумiемо молекулярнi основи бiологii, бiологiчними процесами керують закони фiзики й хiмii, а отже, вони детермiнованi так само, як орбiти планет. Новiтнi експерименти в неврологii i когнiтивiстицi пiдтвердили, що нашими дiями керуе мозок, який пiдлягае вiдомим законам науки, а не якiйсь силi, що iснуе поза сферою юрисдикцii цих законiв. Наприклад, дослiдження, проведенi над пацiентами з ураженнями головного мозку, показали, що електричною стимуляцiею певних дiлянок мозку можна викликати бажання поворушити пальцями, рукою, ступнею або вiдкрити рот i щось сказати. Важко уявити собi свободу волi, якщо нашi дii визначаються фiзичними законами; схоже, що люди – це просто бiологiчнi машини, а свобода волi – iлюзiя.

Та навiть якщо визнати, що поведiнку людини визначають закони природи, доведеться зробити висновок, що спрогнозувати ii все одно неможливо: надто багато змiнних i надто складний механiзм. Для цього треба знати початковий стан усiх мiрiад молекул людського тiла i розв’язати стiльки ж рiвнянь. На це пiде не один мiльярд рокiв, так що людина трохи запiзно ухилиться вiд суперника, який зiбрався зарядити iй у пику.

Оскiльки практичного сенсу прогнозувати людську поведiнку за допомогою основних фiзичних законiв немае, ми вдаемося до так званоi «ефективноi теорii». Ефективна теорiя у фiзицi – це концептуальна основа, достатня для того, щоб змоделювати спостережуванi явища в цiлому, не вдаючись у дрiбнi деталi процесiв, якi лежать у iхнiй основi. Наприклад, ми не можемо розв’язати всiх рiвнянь, якi описують гравiтацiйну взаемодiю кожного атома людського тiла з кожним атомом Землi. Але, щоб описати дiю земного тяжiння на людину, на практицi цiлком вистачить кiлькох чисел, тут достатньо загальноi маси тiла людини. Так само ми не можемо розв’язати рiвнянь, якi описують поведiнку атомiв i молекул, але сформулювали ефективну теорiю, яка називаеться хiмiею, – вона цiлком адекватно описуе суть i перебiг хiмiчних реакцiй без потреби враховувати всi деталi цього процесу. Так само й iз людиною:

розв’язати рiвняння, що описують ii поведiнку, нам не до снаги, тому ми керуемося ефективною теорiею, що людина мае свободу волi. Свободу волi та пов’язану з нею людську поведiнку вивчае наука психологiя. Економiка – це теж ефективна теорiя, яка виходить iз того, що люди мають свободу волi та оцiнюють гiпотетичнi варiанти дiй, обираючи той, що здаеться найвигiднiшим. Ця ефективна теорiя не дозволяе успiшно спрогнозувати поведiнку, бо, як ми всi знаемо, людина не завжди рацiональна i бувае неправильно оцiнюе ситуацii. Ось чому у свiтi такий гармидер.

Трете питання: чи унiкальнi закони, яким пiдпорядковуеться Всесвiт i поведiнка людини? Іншими словами, якщо на перше питання, звiдки взялися закони, ви сказали, що iх придумав Бог, то питання – був у нього вибiр чи нi. Арiстотель, Платон, Декарт, а згодом i Ейнштейн вважали, що закони природи iснують «з необхiдностi», бо це единi закони, якi мають логiчний сенс. Арiстотель i його послiдовники вiрили в те, що закони природи логiчнi, i вважали, що iх можна «вивести» умоглядно, не переймаючись спостереженням за тим, як насправдi веде себе природа. Арiстотель бiльше думав над тим, чому об’екти пiдпорядковуються законам, а не над тим, у чому цi закони полягають, i формулював здебiльшого якiснi положення, часто помилковi; i хоч вони домiнували в захiднiй науцi багато столiть, користi з них виходило мало. Минуло багато часу, поки люди типу Галiлея наважились поставити пiд сумнiв авторитет Арiстотеля i почали спостерiгати, що насправдi робиться у природi, а не сушити голову над тим, що велить iй робити абстрактна «причина».

Наша книжка спираеться на концепцiю наукового детермiнiзму, а отже, вiдповiдь на друге питання: нi, див не бувае – закони природи не знають виняткiв. Але ми докладно розглянемо перше i трете питання – звiдки взялися цi закони природи i чи iснують альтернативнi? Та спершу давайте розглянемо, що саме описують закони природи (про це в наступному роздiлi). Бiльшiсть учених скажуть, що закони природи – це математичне вираження зовнiшньоi реальностi, яка iснуе незалежно вiд спостерiгача, який ii бачить. Але якщо задуматися над способом, якими людина робить спостереження i будуе концепцii про довколишнiй свiт, то постане питання – чому ми вважаемо, що об’ективна реальнiсть iснуе?

3. Що е реальнiсть?

Кiлька рокiв тому влада iталiйського мiстечка Монца заборонила тримати рибок в акварiумах сферичноi форми. Інiцiатори постанови пояснили, що тримати рибок у таких акварiумах жорстоко, бо, дивлячись назовнi, рибка бачить спотворену картинку. А звiдки нам самим знати, що наша картина реальностi справжня, неспотворена? Може ми теж iснуемо всерединi величезного сферичного акварiума й бачимо все крiзь гiгантське вигнуте скло? Реальнiсть акварiумноi рибки виглядае не так, як наша, але як ми знаемо, що вона менш реальна?

Рибка бачить свiт не так, як ми, але вона теж могла б сформулювати науковi закони, якi керують рухом об’ектiв, спостережуваних поза акварiумом. Наприклад, для нас об’ект рухаеться по прямiй, а для рибки через викривлення, що його створюе вигнуте скло, – по кривiй. Однак нiщо не заважае рибцi сформулювати науковi закони у своiй, викривленiй системi координат – вони завжди виконуватимуться, i на основi цих законiв можна буде робити надiйнi передбачення про рух об’ектiв поза акварiумом. Цi закони будуть складнiшi, нiж нашi, але простота – справа смаку. Якби рибка сформулювала таку теорiю, нам довелося б визнати, що ii картина реальностi нiчим не гiрша за нашу.

Знаменитий приклад iншоi картини реальностi – модель небесноi механiки Птолемея (85–165), сформульована близько 150 року нашоi ери. Птолемей написав трактат з астрономii у тринадцяти частинах, його найчастiше згадують пiд арабською назвою «Альмагест». Птолемей починав iз пояснення, чому Землю слiд вважати нерухомою сферою в центрi Всесвiту, крихiтно малою, порiвняно з вiдстанню до небес. Попри те, що iснувала гелiоцентрична модель Арiстарха, бiльшiсть освiчених грекiв прийняли iдеi Птолемея, принаймнi з часiв Арiстотеля, який з мiстичних резонiв вважав, що Земля мае бути центром Всесвiту. У моделi Птолемея Земля стояла в центрi, а планети й зорi рухалися довкола неi по складних орбiтах-епiциклах, мов рухоме колесо в рухомому колесi.

Всесвiт за Птолемеем. Вiн вважав, що люди живуть у центрi Всесвiту.

Ця модель здавалася достовiрною, адже ми не вiдчуваемо, що Земля пiд ногами рухаеться (хiба що пiд час землетрусу або в моменти сильних емоцiй). Пiзнiша европейська освiта спиралася на вцiлiлi грецькi джерела, тож iдеi Арiстотеля i Птолемея лягли в основу захiдноi думки. Птолемеiвську модель космосу прийняла католицька церква, i чотирнадцять столiть вона лишалася офiцiйною доктриною Ватикану. Альтернативна модель з’явилася аж 1543 року, коли було опублiковано трактат польського астронома i священика Миколая Копернiка «Про обертання небесних сфер» (це сталося у рiк смертi Копернiка, а розвивав вiн свою теорiю кiлька десятилiть). Через тисячу сiмсот рокiв

пiсля Арiстарха Копернiк описав свiт, у центрi якого стоiть Сонце, а планети обертаються довкола по кругових орбiтах. Ідея була не нова, але зустрiли ii шаленим опором. Копернiкiвська модель нiбито суперечила Бiблii, i хоч у нiй нiде прямо не написано, що планети обертаються довкола Землi, саме так витлумачували Святе Письмо. (А насправдi-то в бiблiйнi часи люди вважали, що Земля пласка.) Ідеi Копернiка породили запеклi дискусii – рухаеться Земля чи нi. Кульмiнацiею цих гарячих суперечок став суд над Галiлео Галiлеем 1633 року. Галiлея звинуватили в ересi за те, що вiн захищав погляди Копернiка i вважав, що можна обстоювати думку навiть пiсля того, як було офiцiйно визнано, що вона суперечить Святому Письму. Галiлея визнали винним, присудили довiчний домашнiй арешт i змусили зректися своiх поглядiв. За легендою, вiн прошепотiв: «Eppur si muove» («Та все ж вона рухаеться»).

1992 року католицька церква визнала суд над Галiлеем помилкою.

То яка ж система реальна – Копернiка чи Птолемея? Інодi кажуть, що Копернiк довiв помилку Птолемея, але це не зовсiм так. Тут та сама дилема, що мiж людиною i рибкою: обидвi системи можуть бути моделлю Всесвiту, бо пояснити астрономiчнi спостереження можна, як допустивши, що Земля обертаеться довкола Сонця, так i навпаки – що Сонце довкола Землi. Крiм того, що копернiкiвська система спонукала до фiлософських дискусiй про природу Всесвiту, у неi була ще одна незаперечна перевага – якщо припустити, що в центрi Сонце, то рiвняння руху виходять набагато простiшi.

Інший тип реальностi показано у фантастичному фiльмi «Матриця» – люди не усвiдомлюють, що живуть у вiртуальнiй реальностi, створенiй комп’ютерами для того, щоб пiдкорити людей i живитися бiоелектричною енергiею iхнiх тiл (що б це не означало). Не таке вже й перебiльшення, якщо врахувати, скiльки людей зависають на сайтах типу Second Life. Як знати, що ми не персонажi згенерованого комп’ютером серiалу? Якби ми жили у створеному, уявному свiтi, то подiям не обов’язково розвиватися за певною логiкою або пiдлягати законам. Уявiмо, що таким свiтом керують iнопланетяни: iм було б цiкаво й весело спостерiгати нашу реакцiю, якби, наприклад, Мiсяць розколовся навпiл, або всiх, хто сидить на дiетi, охопило нездоланне бажання з’iсти шоколадний торт. А от якби вони задали сувору систему законiв, то ми не змогли б визначити, що за межами штучно створеноi iснуе ще якась реальнiсть. Легко сказати, що свiт, у якому живуть iнопланетяни, «реальний», а створений ними – «примарний». Та якщо iстоти у створеному свiтi не можуть подивитися на свiй Всесвiт збоку, то в них не буде причин сумнiватися у власнiй картинi реальностi, – так само й людина. Так сучасними словами можна висловити iдею, що всi ми персонажi чужого сну.

Цi приклади пiдводять до висновку, дуже важливого в контекстi нашоi книжки: не iснуе концепцii реальностi, незалежноi вiд теорii або картини свiту. Ми натомiсть будемо триматися погляду, який назвемо «модель-залежним реалiзмом»: будь-яка фiзична теорiя або картина свiту – це модель (зазвичай математична) i набiр правил, якi поеднують елементи моделi з даними спостережень. Саме в таких концептуальних рамках функцiонуе сучасна наука.

З часiв Платона фiлософи дискутують про природу реальностi. Класична наука виходить iз того, що iснуе реальний зовнiшнiй свiт, властивостi якого чiтко визначенi й не залежать вiд спостерiгача. Згiдно з класичною наукою, у свiтi iснують об’екти i в них е фiзичнi властивостi з конкретними значеннями, наприклад швидкiсть i маса. Вiдповiдно, нашi теорii – це спроби описати об’екти i визначити iхнi властивостi, для цього люди проводять вимiрювання i спостереження. Спостерiгач i спостережуване – частини одного свiту, який iснуе об’ективно, будь-яка рiзниця мiж ними не мае вирiшального значення. Іншими словами, якщо ви бачите, як двi зебри б’ються за мiсце на парковцi, то за мiсце на парковцi справдi б’ються двi зебри. Всi iншi спостерiгачi побачать те саме, а зебри матимуть певнi властивостi, незалежно вiд того, дивиться на них хтось чи нi. У фiлософii подiбнi погляди називають реалiзмом.

Реалiзм може здаватися очевидним i спокусливим, але якщо врахувати те, що каже сучасна фiзика, то обороняти його позицii непросто. Наприклад, згiдно з постулатами квантовоi фiзики, а вона точно описуе природу, у частинки немае нi положення, нi швидкостi, поки iх не вимiряв спостерiгач. А отже, твердження, що вимiрювання дае такий-то результат тому, що вимiрювана величина в момент вимiрювання мае таке-то значення, неправильне. Насправдi у деяких випадках окремi об’екти навiть не iснують самi по собi, а тiльки в складi певного ансамблю. Якщо теорiя, яка називаеться голографiчним принципом, виявиться правильною, то ми i наш чотиривимiрний свiт будемо тiнями на краю бiльшого п’ятивимiрного часопростору. У такому разi становище людини у Всесвiтi нiчим, по сутi, не вiдрiзнятиметься вiд становища рибки в акварiумi.

Строгi реалiсти стверджують: критерiй того, що наукова теорiя вiдображае реальнiсть

 – успiшна практика. Але рiзнi теорii можуть однаково добре описувати одне й те саме явище в абсолютно рiзних концептуальних рамках. В iсторii науки було багато теорiй, якi вважалися адекватними, але згодом поступилися мiсцем новим, так само адекватним теорiям, що грунтувалися на цiлковито iншому розумiннi реальностi.

Тих, хто не приймае реалiзму, зазвичай називають антиреалiстами. Вони вважають, що мiж емпiричним i теоретичним знанням е рiзниця, i доводять, що на першому мiсцi мають стояти спостереження й експеримент, а теорii – це просто корисний iнструмент, який не втiлюе собою глибших iстин, що лежать в основi спостережуваних явищ. Деякi антиреалiсти навiть доводили, що наука мае займатися тим i тiльки тим, що можна спостерiгати. Так у дев’ятнадцятому столiттi багато людей заперечували iдею атомiв на тiй пiдставi, що ми iх нiколи не побачимо. А Джон Берклi (1685–1753) навiть заявляв, що iснуе нiчого, крiм свiдомостi й думок. Коли хтось iз приятелiв сказав англiйському лiтераторовi й лексикографу Самуелю Джонсону (1709–1784), що твердження Берклi неможливо спростувати, той пiдiйшов до каменя й ударив його зi словами: «Ось як я його спростовую».

Звiсно, бiль, який Самуель Джонсон вiдчув у нозi, – теж реакцiя свiдомостi, так що iдей Берклi вiн цим не спростував. Але його жест iлюстрував погляди шотландського фiлософа Дейвiда Г’юма (1711–1776) – той вважав, що, хоч i немае рацiональних пiдстав вiрити в об’ективну реальнiсть, у нас не лишаеться вибору: на практицi треба виходити з того, що вона iснуе.

«У нас багато спiльного. Доктор Дейвiн вiдкрив частинку, якоi нiхто не бачив, а професор Хiгбi вiдкрив галактику, якоi нiхто не бачив».

Модель-залежний реалiзм знiмае всi цi суперечки мiж реалiстами й антиреалiстами: немае сенсу питати, реальна модель чи нi, важливе iнше – чи вiдповiдае вона спостереженням. Якщо двi моделi однаково узгоджуються зi спостереженнями, як ото в рибки i в людини, то неможливо сказати, що одна модель реальнiша за iншу. Можна брати ту, що зручнiша в конкретнiй ситуацii. Наприклад, якщо ви всерединi сферичного акварiума, то краще працюватиме модель рибки, але якщо ви зовнi й описуете подii з погляду далекоi галактики, то «рибна» модель – ще та морока, адже акварiум разом iз Землею обертаеться довкола Сонця, а Земля довкола своеi осi.

Ми створюемо моделi не тiльки в науцi, а й у повсякденному життi. Модель-залежний реалiзм стосуеться не тiльки наукових моделей, а й свiдомих i пiдсвiдомих ментальних моделей, через якi ми iнтерпретуемо i розумiемо повсякденний свiт. Неможливо вiдокремити спостерiгача – нас самих – вiд процесу сприйняття свiту, який вiдбуваеться через вiдчуття, мислення й умовиводи. Людське сприйняття (а отже, й спостереження, на яких ми будуемо своi теорii) не безпосередне, людина сприймае все через своерiдну лiнзу – iнтерпретацiйнi структури свiдомостi та мозку.

Модель-залежний реалiзм спiввiдноситься з тим, як людина сприймае об’екти. Коли ми бачимо щось, мозок отримуе сигнали через оптичний нерв. Але цi сигнали не дають картинки, мов на екранi телевiзора. Там, де оптичний нерв поеднуеться з сiткiвкою, iснуе слiпа пляма, а поле зору чiтке тiльки у вузькiй смузi по центру сiткiвки, завширшки близько градуса, – це десь товщина великого пальця, якщо дивитися на вiдстанi витягнутоi руки. Так що необробленi данi надходять у мозок у дуже розмитому виглядi, та ще й iз дiркою. На щастя, мозок умiе обробляти цi данi: вiн об’еднуе iнформацiю вiд обох очей i заповнюе прогалини, iнтерполюючи установку, що вiзуальнi властивостi сусiднiх дiлянок схожi. Мало того, вiн зчитуе з сiткiвки двовимiрнi данi та моделюе тривимiрну картину. Іншими словами, мозок будуе ментальну картину, модель.

Вiн настiльки майстерно будуе моделi, що, коли людина надягне окуляри, якi перевертають зображення, мозок невдовзi змiнить модель так, що картинка виглядатиме «правильно». Якщо потiм зняти такi окуляри, то свiт знову стане перевернутим, але мозок ще раз переналаштуе картинку. А отже, коли хтось говорить «я бачу стiлець», це означае тiльки те, що його мозок, сприймаючи через око свiтло, яке вiдбиваеться вiд стiльця, будуе у свiдомостi образ, модель цього стiльця. Якщо модель перевернуто, то можна сподiватися, що мозок поправить ii до того, як людина сяде на цей стiлець.

Ще одна проблема, яку розв’язуе (або принаймнi знiмае) модель-залежний реалiзм – це проблема iснування. Звiдки менi знати, що стiл iснуе, навiть коли я вийшов iз кiмнати i його не бачу? Що означае, що iснують речi, яких ми не можемо побачити: наприклад, електрони або кварки – частинки, з яких складаються протони i нейтрони. Можна взяти модель, у якiй стiл зникае, коли я виходжу з кiмнати, i з’являеться на тому ж мiсцi, коли повертаюся, але в нiй е слабке мiсце: а якщо, поки мене немае, щось станеться, наприклад упаде стеля? Як тодi пояснити той факт, що, коли я повертаюся, стiл не зламаний i не завалений штукатуркою? Модель, у якiй стiл нiкуди не дiваеться, простiша й узгоджуеться зi спостереженнями. Ось i

все.

У випадку субатомних частинок, яких ми не можемо побачити, електрон – це модель, яка пояснюе результати спостережень типу слiдiв у камерi Вiльсона[3 - Пристрiй, розроблений шотландським фiзиком Чарльзом Вiлсоном у 1910–1912 роках. Являе собою камеру, наповнену перенасиченою парою води, спирту або ефiру. Пролiтаючи через камеру, зарядженi частинки залишають iони, на яких конденсуеться пара, i виникае видимий слiд.], плям свiтла на телевiзiйнiй трубцi та багато iнших явищ. Вважаеться, що електрон вiдкрив 1897 року британський фiзик Джозеф Томсон у Кавендiшiвськiй лабораторii в Кембриджi. Вiн пропускав електричний струм крiзь порожнi склянi трубки, спостерiгаючи явище, яке назвали катодними променями. Дослiди пiдштовхнули його до смiливого припущення, що загадковi променi складаються з крихiтних «корпускул», частинок атомiв, якi доти вважалися неподiльними одиницями матерii. Томсон не «бачив» атома, експеримент не показав його здогадки в якомусь безпосередньому однозначному виглядi. Але його модель довела життездатнiсть у рiзних сферах – вiд фундаментальноi науки до iнженерноi справи. І сьогоднi нiхто з фiзикiв не сумнiваеться в iснуваннi електронiв, хоч нiхто iх не бачив.

Катоднi променi. Ми не можемо побачити електронiв, але бачимо прояви iхнього iснування.

Кварки, яких ми теж не бачимо, – це модель, яка пояснюе властивостi протонiв i нейтронiв у ядрi атома. Вважаеться, що протони i нейтрони складаються з кваркiв, але ми нiколи не зможемо побачити один кварк, бо сила, яка iх зв’язуе, зростае при роздiленнi, тому окремих, незв’язаних кваркiв у природi не бувае. Вони iснують групами по три (протони i нейтрони) або парами кварк – антикварк i поводяться, нiби зв’язанi гумкою.

Чи можливо сказати, що кварки iснують, якщо неможливо видiлити один кварк, – коли вперше сформулювали модель кварка, це питання ще довго лишалося предметом дискусiй. Ідея, що деякi частинки складаються з рiзних комбiнацiй кiлькох субсуб’ядерних частинок, виводила на принцип, який давав просте й задовiльне пояснення iхнiх властивостей. Та хоч фiзики i звикли мати справу з частинками, чие iснування висновували зi статистичних особливостей даних про розсiювання iнших частинок, думка про iснування частинки, яку неможливо спостерегти в принципi, багатьом здалася «перебором». Але з роками, коли модель кварка почала давати дедалi точнiшi передбачення, опиратися цiй iдеi перестали. Цiлком можливо, що якi-небудь iнопланетяни з сiмнадцятьма руками, iнфрачервоним зором i звичкою плюватися вершками через вуха провели тi самi спостереження, що й ми, але пояснили результати, не вдаючись до кваркiв. Та згiдно з модель-залежним реалiзмом, кварки iснують у моделi, яка узгоджуеться зi спостереженнями поведiнки субатомних частинок.

Кварки. Концепцiя кваркiв дуже важлива у фундаментальнiй фiзицi, хоч ми й не можемо побачити окремого кварка.

Модель-залежний реалiзм дае змогу пiдiйти до питань типу такого: що було до моменту сотворення свiту? Святий Августин (354–430) вiдповiдав: рiч не в тому, що Господь приготував мiсце в пеклi для тих, хто ставить такi питання, а в тому, що час – це властивiсть сотвореного Господом свiту i до сотворення, яке, на думку фiлософа, вiдбулося не так давно, часу не iснувало. Це одна з можливих моделей, ii, наприклад, пiдтримують тi, хто вiрить у букву Книги Буття, хоч на планетi е скам’янiлi рештки та iншi свiдчення, що свiт набагато старший, нiж сказано у Святому Письмi. (Воiстину iх хтось пiдкинув, щоб нас обдурити!) А хтось вважае правильною iншу модель – що час тривае 13,7 мiльярда рокiв, вiд Великого вибуху. Ця модель пояснюе бiльшiсть наших нинiшнiх спостережень, зокрема iсторичнi й геологiчнi свiдчення, i найкраще описуе минуле. Вона пояснюе iснування викопних решток, радiовуглецевий розпад, те, що до нас доходить свiтло далеких галактик. Тому-то ця модель – теорiя Великого вибуху – кориснiша, нiж бiблiйна. Але не можна сказати, що одна модель реальнiша за iншу.

Дехто пiдтримуе модель, у якiй час iснуе i до Великого вибуху. Але поки що не зрозумiло, наскiльки краще вона пояснюе нинiшнi спостереження, бо, судячи з усього, в момент Великого вибуху закони розвитку Всесвiту мали кардинально змiнитися. А раз так, то немае сенсу створювати модель, у якiй час iснуе до Великого вибуху, бо все, що iснувало тодi, не матиме спостережуваних наслiдкiв зараз, тож можна спокiйно вважати, що Великий вибух – це момент створення свiту.

Модель хороша, якщо вона:

1. Елегантна.

2. Обходиться мiнiмумом довiльних i уточнювальних елементiв.

3. Узгоджуеться зi спостереженнями i пояснюе iх.

4. Дае докладнi передбачення результатiв майбутнiх спостережень, якi спростують модель, якщо не пiдтвердяться.

Наприклад, теорiя Арiстотеля, що свiт складаеться з чотирьох елементiв (земля, вода, повiтря i вогонь), а об’екти поводяться згiдно з призначенням, – елегантна i не мае уточнювальних елементiв. Але вона не давала конкретних передбачень, а коли й давала, то вони розходилися зi спостереженн

ми. Передбачення, наприклад, говорило, що важчi об’екти мають падати швидше, бо iхне призначення – впасти. І схоже, що до Галiлея нiкому не спадало на думку це перевiрити. Вважають, що вiн проводив дослiди, кидаючи предмети з нахиленоi Пiзанськоi вежi, але, найiмовiрнiше, це легенда. Однак достеменно вiдомо, що Галiлей спостерiгав, як скочуються предмети рiзноi ваги по нахиленiй дошцi, i побачив, що вони прискорюються однаково, а це суперечило передбаченню Арiстотеля.

Цi критерii якостi моделi очевидно суб’ективнi. Елегантнiсть, наприклад, не вимiряеш, але науковцi дуже ii цiнують, бо закони природи економнi – вона пiдпорядковуе багато окремих випадкiв однiй простiй формулi. Вишуканiсть стосуеться форми теорii, але важливий момент – вiдсутнiсть уточнювальних елементiв, адже теорiю, яка стоiть на милицях уточнень, не назвеш елегантною. Перифразовуючи Ейнштейна: теорiя мае бути максимально простою, але не простiшою. Птолемей додав до кругових орбiт небесних тiл епiцикли, щоб модель точно описувала iхнiй рух. Було б iще точнiше, якби додати епiцикли до епiциклiв, а тодi епiцикли до епiциклiв епiциклiв. Ускладнивши модель, можна зробити ii точнiшою, але науковцi вважають, що модель, яку «пiдкрутили» пiд спостереження, бiльше схожа на каталог даних, нiж на теорiю, яка дае корисний принцип.

У роздiлi п’ятому ми покажемо, чому багатьом людям здаеться неелегантною «стандартна модель», яка описуе взаемодiю елементарних частинок у природi. Та ця модель набагато краща, нiж епiцикли Птолемея. Вона передбачила iснування кiлькох нових частинок до того, як iх виявили, i дуже точно описала результати багатьох експериментiв, що iх ученi проводили впродовж кiлькох десятилiть. Але в нiй е десятки уточнювальних параметрiв – iхнi значення задають науковцi, щоб вписатися у спостереження, вони не випливають iз самоi теорii.

Конец ознакомительного фрагмента.

notes

Виноски

1

Слово «теорiя» у повсякденному життi та в науцi мае рiзнi смисловi обертони. У звичному лексиконi теорiя – це щось «вiдмiнне вiд практики», «недоведене», синонiм гiпотези. Теорiя в науцi – це система найбiльш достовiрних уявлень про свiт, яка виростае з гiпотез, перевiрена експериментально i дае надiйнi передбачення; тобто наукова гiпотеза – не синонiм науковоi теорii. Простих людей збивае з пантелику слово «закон»: у Ньютона закон (щось твердо установлене), а в Дарвiна теорiя (читай – щось недоведене). Тим часом закони Ньютона – це окремий випадок квантово-механiчноi теорii, а теорiю Дарвiна (вона лежить в основi синтетичноi теорii еволюцii) пiдтверджуе маса доказiв, вiд палеонтологiчних до молекулярно-генетичних. (Тут i далi прим. перекл.)

2

Алюзiя на гумористичний роман британського фантаста Дугласа Адамса «Автостопом по галактицi» (1979). Штучний iнтелект на «Головне питання Життя, Всесвiту i Всякого Такого», подумавши мiльйони рокiв, вiдповiв «42». Це число в субкультурах стало мемом (безглузда вiдповiдь на риторичне питання).

3

Пристрiй, розроблений шотландським фiзиком Чарльзом Вiлсоном у 1910–1912 роках. Являе собою камеру, наповнену перенасиченою парою води, спирту або ефiру. Пролiтаючи через камеру, зарядженi частинки залишають iони, на яких конденсуеться пара, i виникае видимий слiд.

Текст предоставлен ООО «ИТ».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию: Купить