Какова же эта роль Мне кажется, что ниодна из рассмотренных теорий, претендующих на звание теории всего, несодержит много новогов способе объяснения. Возможно, самый передовой подход с объяснительной точки зрения— это теория суперструн, в которойэлементарнымистроительными блоками материи являются удлиненные объекты, струны, а неточечные частицы. Но ни один существующий подход не предлагает нового способаобъяснения — нового всмысле объяснения Эйнштейном сил притяжения на основе искривленногопространства ивремени. В действительности, ожидается, что теория всего унаследует практически всюобъяснительную структуру существующих теорий электромагнетизма, ядерных сил и гравитации: ихфизические концепции,их язык, их математический формализм и форму их объяснений. Значит, мы можемрассчитывать, что эта структура основной физики, которая нам уже известна изсуществующих теорий, внесет вклад в наше общее понимание.
В физике существует две теории, значительноболее глубокие, чем остальные. Первая — это общая теорияотносительности, по-моему, наша лучшая теория пространства, времени игравитации. Вторая —еще более глубокая —квантовая теория. Эти дветеории (а никакая другая существующая или ныне рассматриваемая теориядробноатомных частиц)предоставляют подробную объяснительную и формальную систему взглядов, в которойвыражаются все остальные теории современной физики, и содержат основныефизические принципы, которым подчиняются все остальные теории. Объединение общей теорииотносительности и квантовой теории — с целью получения квантовой теории относительности — стало в последние десятилетияосновным предметом поисков физиков-теоретиков и должно было бы статьчастью любой теориивсего, как в узком, так и в широком смысле этого термина. Как мы увидим вследующей главе, квантовая теория, как и относительность, предоставляетреволюционно новый способ объяснения физической реальности. Причина, по которой квантовая теорияглубже теории относительности, лежит большей частью не в физике, а вне ее,поскольку ее отрасли простираются далеко за пределы физики и даже за пределысамой науки в привычном ее понимании. Квантовая теория является одной изчетырех основных нитей1,образующих наше настоящее понимание структуры реальности2.
Прежде чем назвать три других нити, ядолжен упомянуть еще один способ искаженного представления структуры научногознания редукционизмом. Редукционизм принимает не только то, чтообъяснение всегдасостоит из разделения системы на более маленькие и простые системы, но и то, что всепоздние события объясняются на основе ранних; другими словами, единственныйспособ что-то объяснить — сформулировать причины этого. А это подразумевает, что, чемраньше произошлисобытия, на основе которых мы что-то объясняем, тем лучше объяснение, так что,в конечном счете, все лучше объяснять на основе первоначального состоянияВселенной.
Теория всего, исключающая определениепервоначального состояния Вселенной, не является полным описанием физическойреальности, потомучто она содержит только законы движения; а законы движения сами по себе делают лишьусловные предсказания. То есть они формулируют не то, что происходит, а толькото, что произойдет в какое-то время, если известно, что это происходило раньше. Толькоесли известно полное определение начального состояния, в принципеможно вывести полноеописание физической реальности. Существующие космологические теории необеспечивают полного определения начального состояния даже в принципе, ноони утверждают, что изначально Вселенная была очень маленькой, очень горячей иимела однородную структуру. Но мы также знаем, что Вселенная не могла иметьабсолютно однороднуюструктуру, потому что в соответствии с теорией это будет несовместимо сроссыпью галактик, которые мы наблюдаем сегодня в небе. Напервоначальные изменения плотности, неоднородность распределения материи,значительное влияние оказало гравитационное сжатие (то есть относительно плотные участки притянулибы больше материи и стали бы более плотными), так что сначала эти изменения,должно быть, были совсем небольшими. Но какими бы маленькими они ни были, ониимеют огромное значение для любых описаний реальности редукционистами, потомучто почти все, что мы наблюдаем вокруг от россыпи звезд и галактик в небе допоявления бронзовых статуй на планете Земля, с точки зрения основной физикиявляется следствием этих изменений. Если наше редукционное описание стремится охватить нечтобольшее, чем самые крупные свойства наблюдаемой Вселенной, нам нужна теория,определяющая те важнейшие первоначальные отклонения от однородности.
Я попытаюсь заново сформулировать последнеетребование, не принимая во внимание предубеждения редукционистов. Законыдвижения любойфизической системы дают только условные предсказания и, следовательно, совместимысо многими возможными вариантами развития этой системы. (Это не зависит от ограниченийпредсказания, которыенакладывает квантовая теория и о которых я расскажу в следующей главе).Например, законы движения, которым подчиняется ядро, выпущенное из пушки,совместимы с многими возможными траекториями, каждая из которых соответствуетодному из возможных направлений и подъемов ствола пушки при выстреле (рис.1.2).
Рис. 1.2.Некоторые возможные траектории движения пушечного ядра. Каждая траектория совместима сзаконами движения, но только одна из траекторий относится к конкретномуслучаю |
Математически законы движения можновыразить системой уравнений, которые называют уравнениямидвижения. Существует много различных решений этихуравнений, каждое из которых описывает какую-то возможную траекторию. Чтобыопределить, какое решение описывает действительную траекторию, необходимообеспечить дополнительные данные - некоторую информацию о том, что происходит в действительности.Один из способов осуществить это заключается в определении начальногосостояния, в данном случае направления ствола пушки. Однако существуют и другиеспособы. Например, мы точно также могли бы определить конечное состояние— положение инаправление движения пушечного ядра в момент его приземления. Или мы могли быопределить положение самой высокой точки траектории. Мы можем давать любыедополнительные данные, если они помогают выбрать одно конкретное решениесистемы уравнений движения. Объединение любых дополнительных данных такого родас законами движения равноценно теории, которая описывает все, что происходит спушечным ядром с момента выстрела до удара.
Точно также законы движения для физическойреальности в целом будут иметь много решений, каждое из которых соответствуетконкретному случаю.Для завершения описания нам придется определить, какой случай произошел вдействительности, предоставляя достаточно дополнительных данных дляполучения одного из многих решений уравнений движения. В простыхкосмологических моделях, по крайней мере одним из способов получения таких данных являетсяопределениеначального состояния Вселенной. Но, кроме того, мы могли бы определить конечноесостояние или состояние в любой другой момент времени: или мы могли быпредоставить некоторую информацию о начальном состоянии, какую-то информацию оконечном состоянии и о промежуточных состояниях. В общем, объединив достаточноеколичестводополнительных данных разного рода с законами движения, мы, в принципе,получили бы описание физической реальности.
Как только мы определим, скажем, конечноесостояние пушечногоядра, мы сможем непосредственно вычислить его начальное состояние, и наоборот, поэтому междуразличными методами определения дополнительных данных не существуетпрактической разницы. Однако большую часть таких вычислений для Вселеннойтрудно обработать. Я сказал, что мы делаем вывод о существованиилнеоднородности распределения материи в начальных состояниях из сегодняшнихнаблюдений этойлнеоднородности. Но это исключение: большая часть нашего знания о дополнительныхданных — о том, чтоконкретно происходит,— существует в форметеорий высокого уровня об исходящих явлениях и, следовательно, по определениюпрактически не поддается выражению в виде формулировок начального состояния. Например, вбольшей части решений уравнений движения Вселенная в своем начальном состоянии не обладаетсвойствами, необходимыми для появления жизни. Следовательно, наше знание того, что жизнь появилась, — значительная часть дополнительныхданных. Возможно, мы никогда не узнаем, что это ограничение значит дляподробной структуры Большого Взрыва, но мы можем сделать выводы непосредственно из него.Например, первая точная оценка возраста Земли была сделана на основе биологической теорииэволюции, которая противоречила самым выдающимся достижениям физики тоговремени. Только предубеждение редукционистов могло заставить нас считать, что этидоказательства былипо какой-то причине менее вескими или, в общем, теории о начальном состояниибыли более фундаментальны, чем теории об исходящих особенностяхреальности.
Даже в области основной физики идея о том,что теории начальногосостояния содержат наши самые глубокие знания, весьма ошибочна. Одна из причин этого состоит втом, что она логически исключает возможность объяснения самого начальногосостояния: почему было начальное состояние, каким оно было, — однако в действительности у насесть объяснения многих аспектов начального состояния. В общем, ни одна теория времени не способна давать объяснения наоснове чего-то более раннего; тем не менее, благодаря общей теорииотносительности, атакже квантовой теории (см. главу 2) у нас есть глубокие объяснения природывремени.
Таким образом, характер многих нашихописаний, предсказаний и объяснений реальности не имеет ничего общего с теориейлначального состояния в совокупности с законами движения, к которой приводитредукционизм. Не существует причины рассматривать теории высокого уровня как второсортные. Нашитеории дробноатомной физики и даже квантовая теория относительности не имеютникаких преимуществперед теориями об исходящих свойствах. Ни одну из этих областей знания нельзя отнести кдругим. Каждая теория содержит логические выводы остальных, однако невсе эти выводы можно сформулировать, поскольку они являются исходящими свойствами области другихтеорий. В действительности, неправильно употреблять сами термины высокийуровень и низкий уровень. Законы биологии, например, — исходящие следствия высокогоуровня законов физики. Но логически некоторые законы физики являютсялисходящими следствиями законов биологии. Могло быть и так, что законы, которым подчиняютсябиологические и другие исходящие явления, полностью определяли бы законыосновной физики. В любом случае, когда две теории логически связаны междусобой, логика не заставляет рассматривать одну из них как определяющую вторую вцелом или частично. Это зависит от объяснительных отношений междутеориями. Преимущества имеют не теории, которые определяют конкретную шкалу размеров или сложности,и не теории, которые расположены на определенном уровне предсказательнойиерархии, а те, которые содержат самые глубокие объяснения. Структурареальности состоит не только из составляющих редукционизма, как-то:пространство, время и дробноатомные частицы, — но и из жизни, мыслей,вычислений и многого другого, к чему относятся эти объяснения. Теориястановится в большей степени основной, нежели производной, не из-за своейблизости к предсказывающей основе физики, а из-за своей близости к нашим самымглубоким объяснительным теориям.
Квантовая теория, как я уже говорил,является одной из таких теорий. Три другие основные нити объяснения, через которые мыстремимся понятьструктуру реальности, относятся к высокому уровню с точки зрения квантовойтеории. Это теория эволюции(первоначально эволюции живых организмов), эпистемология (теория познания) итеория вычисления (о вычислительныхмашинах и о том, что они могут вычислить, а что не могут). Как вы увидите,между основными принципами этих четырех, на первый взгляд, независимых предметов былиобнаружены такие глубокие и разнообразные связи, что наилучшим образом понятьодин из них, не понимая три оставшиеся, стало невозможно. Все четыре формируютсвязную объяснительную структуру, которая имеет настолько обширные перспективы,и охватывает значительную часть нашего понимания мира, что, на мой взгляд, ее ужеможно справедливо назвать первой настоящей Теорией Всего. Таким образом, мыподошли к знаменательному моменту в истории идей — моменту, когда масштаб нашегопонимания становится действительно универсальным. До настоящего времени всенаше понимание касалось некоторого аспекта реальности, нехарактерного дляцелого. В будущем оно охватит объединенное понятие реальности: все объяснениябудут пониматься на фоне универсальности, а каждая новая идея будетавтоматическистремиться освещать не только конкретный предмет, но в различной степени всепредметы. Понимание, которое мы в конечном итоге получим из последнегоогромного объединения, может значительно превзойти понимание, которое мыполучали от предыдущих объяснений. Мы увидим, что здесь объединяется и объясняется не толькофизика и не только наука, но и отдаленные области философии, логики и математики, этики, политики иэстетики: возможно, все, что мы понимаем в настоящее время, а может быть, имногое из того, что мы еще не понимаем.
Какой же тогда вывод я адресовал бысебе-ребенку, который отвергал то, что рост знания делает мир менее понятным Я бы согласилсяс ним, хотя сейчас я считаю, что важно не то, может ли одна из особей нашего конкретного видапонять все то, что понимает весь вид. Важно то, действительно ли едина ипонятна сама структура реальности. Существует множество причин считать,что это так. Будучи ребенком, я просто знал это: сейчас я могу этообъяснить.
Терминология.
Эпистемология— наука о природепознания и процессах, которые ее создают.
Объяснение— (грубо) утверждениео природе и причинах вещей.
Инструментализм— система взглядов, всоответствии с которой целью научной теории является предсказание результатовэкспериментов.
Pages: | 1 | ... | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ... | 58 | Книги по разным темам