«Архимед, или Будущее физики»

АРХИМЕД ИЛИ БУДУЩЕЕ ФИЗИКИ

СЕГОДНЯ И ЗАВТРА

Полный список книг этой серии см. в конце данной книги

АРХИМЕД

ИЛИ

БУДУЩЕЕ ФИЗИКИ

АВТОР:

Л. Л. УАЙТ

Лондон:

KEGAN PAUL, TRENCH, TRUBNER & CO., Ltd.

Нью-Йорк: E. P. Dutton & Co.

ЛОТТЕ

Изготовлено и напечатано в Великобритании компанией M. F. Robinson & Co. Ltd. в издательстве Library Press, Лоустофт

CONTENTS

CHAP.

PAGE

I The Sciences Converge 7

II A Modern Duel: Einstein and Eddington v. Bergson and Whitehead 22

III Time in Astronomy and Physics 37

IV An Evolutionary Experiment 47

V Physics and the Human Mind 66

VI The Future of the Sciences 79

Notes 95

АРХИМЕД ИЛИ БУДУЩЕЕ ФИЗИКИ

ГЛАВА I

Конвергенция наук

Одной из самых примечательных особенностей в истории мысли является то, что неоднократно важная новая идея приходила одновременно к независимым друг от друга умам. Так, после того как геометрия Евклида оставалась без соперников в течение двух тысяч лет, концепция альтернативной неевклидовой системы была независимо разработана Гауссом, Лобачевским и Бойяи в 1820–1830 годах. Отец Бойяи, не зная о том, что Гаусс уже совершил те же открытия, писал сыну, призывая его опубликовать свои результаты, и использовал следующие пророческие слова:

«Есть доля истины в том, что у многих вещей бывает своя эпоха, когда они обнаруживаются одновременно в нескольких местах, подобно тому как фиалки весной появляются повсюду».

Другой пример одновременного возникновения идеи в умах разных мыслителей приводится Дарвином во введении к «Происхождению видов». Он обращает внимание на тот факт, что в 1794–1795 годах общая идея эволюции видов — хотя и не ее причина — была одновременно сформулирована Гёте в Германии, Сент-Илером во Франции и его собственным дедом, доктором Дарвином, в Англии. Более того, сам Дарвин пережил удивительный опыт, обнаружив в эссе, представленном ему в 1858 году А. Р. Уоллесом, полное изложение своей собственной неопубликованной теории естественного отбора как главной причины эволюции видов.

Последние несколько лет представляют собой еще один критический период подобного рода, поскольку идея, которая при уточнении трансформирует научную мысль, уже независимо пришла ко многим мыслителям. С 1922 года многие ученые почувствовали, что при изучении испускания и поглощения света физика приблизилась к проблеме жизни. Другие предположили, что для решения своих атомных проблем физике придется позаимствовать подсказку у биологии, но в чем именно должна заключаться эта подсказка, пока не было указано. На следующих страницах предлагается определенный путь развития физики и интерпретируются эти отдельные вспышки интуиции как свидетельство особой ситуации в современных науках.

Мы стоим на пороге новой эпохи. Физика, биология и психология сходятся к научному синтезу беспрецедентной важности, влияние которого на мышление и социальные обычаи будет настолько глубоким, что ознаменует собой этап в человеческой эволюции. Столетиями наука концентрировала свой высший гений на изучении неживой материи; сегодня три великие науки наконец подходят к проблеме жизни. Ибо их исследования материи, жизни и разума теперь пересекаются в одном общем вопросе: природе фундаментальных электрических процессов, лежащих в основе излучения и химических соединений.

Таким образом, физика в настоящее время занята изменениями, которые происходят, когда атом испускает свет или электричество. Биология занимается той же проблемой, изучая электрические процессы, которые являются основой всего органического поведения, будь то в примитивных формах протоплазмы или в высокоразвитой центральной нервной системе человека. Тем временем психология имеет дело с идентичным процессом, когда анализирует структуру разума и рассматривает элементарные изменения сознания, возникающие, когда свет определенного цвета падает на сетчатку и посылает свое влияние в мозг.

В результате этих конвергентных исследований жизнь и сознание вскоре станут объектом первых этапов теоретически обоснованного контроля, по сравнению с которым нынешние робкие попытки медицины и психологии будут вспоминаться так же, как мы помним беспорядочную работу алхимиков до основания химии. Но это развитие человеческого знания и возможностей повлечет за собой огромную ответственность, и ученые должны подготовиться к новым задачам, которые очень скоро лягут на их плечи. Указывая на основные идеи, посредством которых может произойти этот широкий научный синтез, данное эссе стремится показать, что к этой возможности следует отнестись серьезно. Мы сначала рассмотрим ситуацию в физике, а затем перейдем к рассмотрению влияния, которое будущие разработки физической теории могут оказать на биологию и психологию.

Два основных типа процессов не поддаются интерпретации в рамках современной системы физических концепций: сама жизнь и атомные процессы излучения и построения стабильных соединений. В органических процессах, с одной стороны, и в энергетических обменах атомов, с другой стороны, мы обнаруживаем нечто происходящее, что невозможно адекватно объяснить как изменение структуры рассматриваемой системы. Под структурой понимается пространственный паттерн частиц, которые считаются постоянными и движутся подобно бильярдным шарам или планетам. Системы с такой структурой не могли бы проявлять целенаправленное качество органического поведения, и когда мы пытаемся создать структурную модель атома, мы обнаруживаем, что она не может объяснить, почему атом излучает энергию резкими порциями, называемыми «квантами», а не непрерывной волной. Мы вернемся к вопросу об организмах после попытки выяснить, почему атом нельзя описать в терминах структуры частиц.

В 1911 году Резерфорд достиг замечательного успеха в объяснении результатов своих собственных исследований радиоактивности, приняв модель атома как миниатюрной солнечной системы с планетарными электронами, быстро вращающимися вокруг ядра. Но чтобы объяснить тот факт, что спектр света, испускаемого атомом, показывает характерную серию линий, Бор предположил, что электрон внутри атома может испускать свет, только совершая прерывистый скачок с одной возможной орбиты на другую, совершенно отличную орбиту. Эта кажущаяся прерывистость в движении электронов интриговала физиков более десяти лет, и недавно были предложены следующие интерпретации этого загадочного поведения:

1. Природа состоит из электронов, но ни пространство, ни время фундаментально не являются прерывистыми. Электрон, по-видимому, обладает некоторой свободой выбора и способен неожиданно появляться в запрещенных местах.

2. Природа не является прерывистой или произвольной, но, тем не менее, нечто мешает нам определить все то, что мы хотели бы знать об электроне. Например, если мы пытаемся точно определить, где он находится, он ведет себя так, что мы не можем одновременно измерить его точную скорость. (Гейзенберг.) Этот взгляд, возможно, можно интерпретировать так, что мы сделали модель атома более сложной, чем сам атом, и что, следовательно, мы использовали больше величин, чем необходимо для описания всего, что мы можем наблюдать в его поведении.

3. Природа состоит не из электронов, а из волн. Атом должен рассматриваться как система электрических волн, распределенных по всему его объему. «Электроны» — это лишь неточный способ описания некоторых свойств этих волн. Однако волновое представление атома следует рассматривать лишь как временную меру, используемую до тех пор, пока не будет изобретено более совершенное описание атома, в котором как волновые, так и корпускулярные свойства атомов будут выступать как аспекты некоторого более глубокого физического свойства. (Шрёдингер.)

Первая альтернатива — это просто крик отчаяния, поскольку она не предлагает никакого пути развития. Но две другие идеи можно объединить следующим образом:

4. Взгляд на атом как на структуру ньютоновских частиц неверен, поскольку он порождает разрывы и предоставляет больше величин, чем нам сейчас нужно. Должна быть найдена новая формулировка атомных процессов с использованием меньшего количества величин, которая объяснит, почему мы обнаруживаем волновые свойства и почему иногда электрон все же ведет себя как маленький бильярдный шар, хотя на самом деле это нечто иное.

Поскольку ньютоновская математика движущихся частиц неадекватна для описания изменений, происходящих в атоме — так же, как и для описания органических процессов, — в законах Ньютона должно быть некое неявное допущение, которое не является справедливым ни для атома, ни для организма. Такое допущение можно найти очень легко, хотя физика никогда не уделяла ему особого внимания. Оно заключается в том, что элементарные процессы в природе являются обратимыми или были бы таковыми, если бы их можно было изолировать. Под обратимостью здесь понимается то, что законы, управляющие процессом, остаются неизменными при обращении направления времени, т. е. при замене +t на -t. Если закон меняется при такой подстановке так, что обратный процесс никогда не происходит или является узнаваемо иным, то процесс называется необратимым. Следовательно, необратимый процесс можно использовать для получения объективного критерия прошлого и будущего, когда эти термины уже определены.

Приведем пример. Если я стою за живой изгородью и снимаю на кинопленку камень, который внезапно поднимается в воздух и исчезает из виду, я не смог бы по просмотру пленки сказать, в какую сторону ее крутить. Так, если ее крутить в одну сторону, кажется, что камень поднимается, а если в другую — падает с неба. Чтобы сказать, какой способ был правильным, мне пришлось бы использовать свое субъективное чувство направления времени, т. е. помнить тот факт, что я видел камень низко в воздухе до того, как увидел его высоко. Этот случай, как и любой гравитационный процесс, обратим, и движения такого рода послужили основой для современных физических концепций.

Но предположим, что вместо этого я снял на пленку чашку чая, пока она остывала. Один конец пленки показал бы пар над чашкой и изменение длины ложки по мере изменения температуры. При просмотре пленки эти эффекты становились бы менее заметными, пока последовательные кадры не перестали бы показывать изменения, когда температура чая стала почти равной температуре окружающего воздуха. Было бы очевидно, в какую сторону крутить эту пленку, без использования какого-либо субъективного критерия, почерпнутого из памяти об индивидуальном процессе, который был снят. Этот процесс необратим, но физика до сих пор предполагала, что все подобные процессы являются лишь статистическим результатом хаоса молекулярных движений, каждое из которых совершенно обратимо.

Допущение обратимости кажется некоторым физикам настолько фундаментальным, что они думают, будто без него не могло бы быть науки. Но это лишь предрассудок, возникающий из того факта, что Ньютон задумал один конкретный способ математической формулировки измеримых характеристик физических процессов. Предположив, что все законы природы могут принять форму, подобную его закону тяготения, он сделал неявное допущение, что все элементарные процессы обратимы. Гравитационные движения таковы, по крайней мере в пределах точности закона Ньютона, и вследствие подтверждения его закона и того факта, что он был взят за образец для всей системы современных физических концепций, последние подходят только для обратимых процессов.

Кажущаяся необратимость, такая как остывание чашки чая, приписывается статистическим эффектам, а второй закон термодинамики, который утверждает, что температуры стремятся к единообразию, рассматривается лишь как утверждение о том, что является высоковероятным. Это, вероятно, вполне законно, но даже там, где статистический эффект не может проникнуть и процесс явно необратим, физика обычно принимает любые меры, лишь бы не признавать, что фундаментальный элементарный процесс необратим. Мы не можем удивляться этому, поскольку, если бы физика однажды признала, что какой-либо элементарный процесс необратим, ей пришлось бы отказаться от всей системы ньютоновских концепций. Материя, сила, энергия, действие и волновые свойства — все они непригодны для описания необратимых эффектов, поскольку все они в конечном счете зависят от обратимого закона Ньютона.

Для описания процессов, которые обязательно протекают в одном направлении, так что одно конкретное состояние системы должно предшествовать другому состоянию, необходим совершенно новый набор идей. Представляется мыслимым, что альтернативный набор концепций, способный заменить ньютоновский, может быть установлен путем требования необратимости всех законов природы, наряду с требованиями, до сих пор предъявляемыми физикой, т. е. постоянства материи и сохранения энергии.

Вопрос об обратимости природных процессов дает ключ к великой интеллектуальной борьбе, которая сейчас происходит за сложностями философской и научной мысли. Проблему можно сформулировать так:

Существует ли реальный временной процесс в природе? Является ли течение необратимого времени необходимым элементом в любом взгляде на структуру природы? Или, альтернативно, является ли субъективное переживание времени лишь иллюзией в уме, которой нельзя придать объективное выражение? Это не метафизические вопросы, которыми наука может по-прежнему безнаказанно пренебрегать. Ибо подобно тому, как Эйнштейн совершил свой прорыв, анализируя концепции, такие как одновременность, которые считались адекватно понятыми для целей эмпирической науки, так и следующее развитие физической теории, вероятно, будет сделано путем продолжения анализа времени с той точки, на которой его оставил Эйнштейн. Более того, вышеуказанные вопросы могут быть поставлены в точную научную форму, если спросить, являются ли причинно-следственные связи, изучаемые наукой, симметричными и обратимыми, так что мы не можем получить из них никакого критерия, по которому можно было бы различить прошлое и будущее. Если же, с другой стороны, они асимметричны и необратимы, законы природы неизбежно ведут нас от того, что было раньше, к тому, что последует потом.

ГЛАВА II

Современная дуэль: Эйнштейн и Эддингтон против Бергсона и Уайтхеда

В этой битве за важность времени и процесса великие имена выделяются как представители двух противоположных взглядов: Эйнштейн и Бергсон со своими лейтенантами Эддингтоном и Уайтхедом. Два лидера используют очень разные методы. Эйнштейн, как физик-математик, предполагает, что физические законы лучше всего выражаются, если мы предположим, что пространство и время настолько похожи, что физика не может провести между ними абсолютного различия. Так, в теории относительности симметрия пространства влечет за собой симметрию времени, а следовательно, и обратимость физических законов, как показал Биркгоф. Бергсон, как биолог и философ, отрицает, что взгляд на время, который неявно содержится в математике относительности, является адекватным, когда принимается во внимание более широкий спектр опыта.

Эйнштейн начинает с исключения всего, кроме очень узкого круга физического опыта, и обнаруживает, что может делать успешные предсказания относительно света и гравитации, рассматривая необратимость течения времени как не имеющую значения для научных измерений. Бергсон, изучая широкий спектр биологического и субъективного опыта, приходит к утверждению существования творческого процесса, хотя присущие интеллекту и науке ограничения могут оставить сущность этого процесса вне их досягаемости.

Оба протагониста оставили свои фланги открытыми, не представив свой взгляд как последовательную логическую систему: Эйнштейн — потому что он озабочен только уравнениями, которые можно эмпирически проверить, а Бергсон — потому что его главный интерес неинтеллектуален. Именно здесь их лейтенанты выходят вперед, чтобы развить две точки зрения и тем самым усилить конфликт.

Эддингтон обеспечивает логическую основу для теории относительности и раскрывает, что значение физических законов не совсем такое, каким мы привыкли его считать. Они, утверждает он, являются тождествами, которые человеческий разум обнаруживает в своем поиске чего-то постоянного, что он может назвать материей под всеми меняющимися явлениями мира. Мы сделали материю реальной вещью, потребовав постоянства или неразрушимости в качестве основы физической реальности. Теперь, когда мы знаем, что мы это сделали, нас не должно слишком беспокоить то, что абсолютной неизменной материи не существует, поскольку это означает лишь то, что мы начали с требования, которое природа не может выполнить. К сожалению, Эддингтон не обсуждает, какое альтернативное требование мы могли бы теперь выдвинуть, чтобы построить более удовлетворительную систему научных идей. Но, несмотря на свою восторженную поддержку теории Эйнштейна с ее неявным допущением обратимости, Эддингтон по крайней мере однажды колеблется в своей защите обратимых законов, ибо появляются факты, которые предполагают, что эта необсуждаемая предпосылка может оказаться неверной.

Тем временем Уайтхед работал на другой стороне и, отточив свою логику до такой степени, что немногие могут его понять, сделал идею временного процесса основой всей интеллектуальной и научной мысли, тогда как до сих пор процесс всегда представлял много трудных проблем для интеллекта. Он предлагает, чтобы, поскольку концепция материи оказалась неудовлетворительной, мы начали с базовой идеи процесса при построении новой физической теории. В результате своего хода мыслей Уайтхед счел необходимым отвергнуть некоторые аргументы Эйнштейна и показать, что к закону Эйнштейна можно прийти из совершенно иных постулатов. Например, Уайтхед предположил, что движение света необратимо и что свет не распространяется с одинаковой скоростью в двух противоположных направлениях.

Вот и все об одном аспекте конфликта, его логической и философской основе. Но вопрос должен быть решен путем апелляции к экспериментальному подтверждению в самом широком спектре явлений. Ортодоксальная физика по-прежнему предполагает обратимость и имеет на своей стороне явное утверждение, сделанное Эйнштейном в 1925 году, но, делая это, она с самого начала исключает любую ссылку на органические процессы. Концепции, основанные на этом допущении, никогда не могли быть законно применены к жизни, и все попытки, предпринятые до сих пор для объяснения центральных контролирующих процессов организмов в терминах классической физики, неизбежно терпели неудачу. Мы знаем теперь, что эту неудачу можно было предвидеть.

То же возражение нельзя выдвинуть против основных идей Бергсона и Уайтхеда, как и против новой атомной физики в интерпретации Борна, как мы увидим через мгновение. Для Бергсона и Уайтхеда, как и для многих других, среди которых следует упомянуть Ллойда Моргана, процесс природы является творческим, т. е. он включает в себя возникновение нового, появление новых комбинаций, принципиально исключенных ранее. Это, вероятно, означает, что законы физики, которые должны описывать то, что действительно происходит в мире, должны быть представлены в необратимой форме. Ибо обратимые уравнения не делают различия между сегодня и завтра и не могут выразить тот факт, что в более поздние моменты могут возникнуть новые формы, будь то в эволюции организмов или звезд. С другой стороны, необратимые законы могут быть организованы так, чтобы показать время как активный фактор в причинности, т. е. подчеркнуть тот факт, что определенный период времени обязательно должен пройти, прежде чем может быть достигнута какая-то новая комбинация.

Сторонники реального процесса в природе могут апеллировать к фактам органической жизни, человеческой памяти, а также к биологической и звездной эволюции. Но их позиция все еще слаба, потому что фундаментальная необратимость еще не получила явной математической формулировки, пригодной для экспериментальной проверки. Когда это будет сделано, интеллектуальная битва будет решена, и если необратимость победит, биология и психология окажутся в обладании физической базой, хорошо подходящей к фактам, с которыми им приходится иметь дело.

Есть основания полагать, что решение будет принято очень скоро. Мы видели, что неявное допущение обратимости лежит в основе всех ньютоновских концепций. Поэтому может быть, что причина, по которой мы не можем интерпретировать атомное поведение в терминах движений частиц, заключается в том, что электрические и радиационные процессы по сути необратимы. Движение частиц и распространение волн — две идеи, на которых основаны все современные теории материи, — представлены математическими выражениями, которые по сути обратимы, поскольку время входит только через квадрат «dt». Если квантовые процессы окажутся необратимыми, мы уже нашли причину, по которой старые концепции частиц и волн должны быть неадекватными.

Эта спекуляция действительно может оказаться верной, поскольку Борн, один из ведущих экспертов в квантовой динамике, утверждает, что все квантовые процессы необратимы и что кажущаяся обратимость классических процессов является лишь приближением, обусловленным тем фактом, что их необратимость оказывается пренебрежимо малой. Мы можем поэтому надеяться, что атомные физики вскоре сформулируют квантовые законы в четко необратимой форме, которая допускает точную экспериментальную проверку.

Но это может занять несколько лет, а тем временем мы должны оглядеться и посмотреть, как этот вопрос влияет на текущую мысль. Мы находим сомнение по поводу процесса, представленное г-ном Салливаном (в «Галлионе»), который еще не решил, какой стороне наука отдаст победу. Так, на одной странице он пишет: «по-видимому, верно, что события на самом деле не происходят, мы наталкиваемся на них» и предполагает, что процесс может быть «совершенно нерелевантной идеей при применении к реальности». Но позже мы с удивлением узнаем, что «по-видимому, вероятно, что (в научной теории) мир придется рассматривать как эволюционный процесс, в котором возникают паттерны ценности». Однако эта непоследовательность не должна нас беспокоить, поскольку нам говорят, что «учения науки, насколько это касается духовных проблем человека, просто нерелевантны».

Эти взгляды идеально отражают неопределенность времени и будут вспоминаться как драгоценная запись состояния ума, которое предшествовало научному синтезу. Пожалуй, самая интересная черта эссе — это нерешительность, которую оно демонстрирует в отношении духовной важности науки. Это реликт тех дней, когда существовало два мира: мир науки и мир религии и искусства. Никто никогда не знал, в каком из этих миров он живет, и это неудивительно. Ибо разделение было сделано только потому, что одно время казалось, будто научный метод может иметь дело только с величинами, и поэтому наука не может ничего сказать о ценностях или качествах. Этот взгляд больше не является состоятельным. Например, существует качество в органической интеграции, которое большинство из нас ценит, и без этого и многих других подобных концепций биология и психология не смогли бы далеко продвинуться.

Прежде чем идти дальше, необходимо исправить распространенное недопонимание относительно значения теории относительности Эйнштейна. Эта теория является математической и основана на ряде постулатов, которые исключают любую претензию на представление окончательной теории пространства и времени. Один из этих постулатов утверждает, что все наше физическое знание может быть сведено к пространственно-временным совпадениям пар точечных событий, или, другими словами, к пересечению мировых линий электронов. Никакое уважение к величайшему гению, который предсказал два экспериментальных результата и устранил главные несоответствия, остававшиеся в ньютоновской теории, не должно удерживать ученых от указания на то, что этот постулат предполагает нечто, что никогда не наблюдалось и не имеет ценного отношения к миру физического эксперимента. Подтверждение окончательных уравнений Эйнштейна не может придать никакой силы этому постулату. Ибо трудно придумать какой-либо физический опыт, рассматриваемый теоретической физикой, который не включал бы восприятие света или цвета, и нельзя предполагать, что восприятие света — это восприятие совпадений. Свет варьируется по цвету и интенсивности; совпадение в пространстве слишком абстрактно, чтобы объяснить эффект, который подвержен вариациям. Более того, весь физический опыт требует определенного количества времени, и этот факт игнорируется, если восприятие сводится к распознаванию мгновенных совпадений. Даже если оставить эти два критических замечания в стороне, мы все равно должны заметить, что постулат Эйнштейна исключает из сферы физики важный факт, что многие процессы необратимы. Например, если мы принимаем определение физического опыта Эйнштейна, то интересный факт, что радиоактивность наблюдается только в форме распада, а не также как обратный процесс спонтанного построения более тяжелых элементов из более легких, должен быть оставлен физикой для рассмотрения какой-то другой наукой.

Почти всегда случается, что формулировки гениев преувеличиваются и становятся основой пагубной ортодоксии, и это, безусловно, случилось с теорией относительности. Против потока преувеличенных похвал Уайтхед, Лармор и Бриджмен, а также некоторые континентальные астрономы обсуждали общее допущение о том, что теория относительности адекватна своей задаче, но те, в чьих руках находится власть ортодоксии, еще не ответили на их критику в печати. Пренебрежение всегда было оружием, с помощью которого ортодоксия неосознанно препятствовала продвижению новых идей. Но хотя это пренебрежение легко понять, действительно примечательно, что постулаты теории относительности не были подвергнуты более тщательному изучению, прежде чем она была сделана основой широких философских спекуляций. Экспериментальное подтверждение закона тяготения Эйнштейна не гарантирует его постулаты, поскольку Уайтхед пришел к аналогичному закону (идентичному в пределах точности наблюдений) из других предположений.

Глубокая творческая интуиция Эйнштейна и использование сложной техники вызывают наше глубочайшее уважение, но его работа никогда не должна была рассматриваться как общая теория времени и пространства. Он не только игнорирует вопрос необратимости, но и очень сомнительно, что периодические процессы могут быть вписаны в его схему, как было отмечено Расселом и Бриджменом в течение последнего года. Вероятно, сам Эйнштейн никогда не рассматривал свою теорию как нечто большее, чем этап в попытке создать еще более широкий физический синтез, и мы не должны интерпретировать в широком смысле его утверждение о том, что одно из требований его теории «отнимает у пространства и времени последний остаток физической объективности». Это могло бы быть правдой только в том случае, если бы физическое время разделяло абсолютную симметрию пространства, т. е. если бы физические процессы были все обратимыми. Но существуют процессы, из которых мы можем получить объективный критерий направления времени, и, следовательно, время действительно сохраняет элемент физической объективности, отличный от абсолютной симметрии пространства. Одной из самых интересных особенностей будущего физики будет объяснение того факта, что Эйнштейн пришел к правильному закону из постулатов ограниченной применимости, и в этой связи альтернативный вывод Уайтхеда может оказаться важным.

ГЛАВА III

Время в астрономии и физике

Реальное несоответствие между миром физики и миром жизни заключается в том, что физика никогда не признавала необратимость времени, в то время как это фундаментально для жизни. Мы можем даже усомниться, имеет ли «t» физики то же значение, что и время биологии, эволюции, истории и человеческого опыта. Физическая концепция времени возникла из практической полезности часов для описания природных процессов и в конечном итоге приняла форму определения астрономического времени в терминах вращения Земли. День фактически был принят как абсолютная мера времени, и это оставалось вполне удовлетворительным до тех пор, пока законы физики находили простую форму по отношению к времени, определенному таким образом.

Но затем возникло осложнение. Изучение движения Луны подсказало астрономам, что вращение Земли замедляется, т. е. чтобы объяснить кажущееся движение Луны, они должны были предположить, что день увеличивается в продолжительности. Теория приливов выявила возможную причину этого замедления в приливном трении о дно мелководных бассейнов, например, напор атлантических приливов в Ирландское море обеспечивает заметную силу трения, замедляющую вращение Земли. В дополнение к этому замедлению, по-видимому, существует очень медленное периодическое изменение продолжительности дня, которое можно было бы объяснить ритмическим расширением и сжатием земной коры.

Астрономы заявляют, что наша старая мера времени не только становится все медленнее и медленнее, она даже меняется ритмически! Ясно, что они отбросили Землю как свое определение равных интервалов времени и тайно заменили ее чем-то другим. Однако нельзя обнаружить никакого официального объявления об этом или выяснить, осознают ли они, что, делая это, они изменили теоретическое значение всех физических измерений. В прежние времена физика определяла время в терминах выбранных часов, а затем приступала к поиску законов природы. Но старые способы не годятся для современного астронома, который дает нам наше время и устанавливает часы в наших физических лабораториях. У него есть причины не одобрять Землю, и он почти перевернул процедуру. Чтобы спасти законы инерции и гравитации в связи с движением Луны — и в меньшей степени в случаях планет и Солнца, — он сделал эти законы своим стандартом равных интервалов времени вместо вращения Земли.

Это любопытная ситуация, особенно в свете того факта, что закон Эйнштейна, который заменил закон Ньютона, не очень подходит для использования в качестве астрономических часов, как было отмечено Лармором. Возможно, физик вскоре сможет использовать атом в качестве теоретических часов для физики, а мы сможем продолжать использовать скорректированное вращение Земли в качестве нашего практического стандарта. Существует слабый шанс, например, что если физика сможет изобрести какой-то способ измерения малых интервалов времени вдоль пути электрона, то электроны можно было бы использовать как дающие фундаментальную меру времени. Так, если бы скорость электрона была сначала измерена каким-то косвенным методом, то сам электрон можно было бы затем использовать как часы. Но тем временем астрономы должны сделать официальное заявление Королевскому обществу о том, чем они занимались. Тогда, возможно, возникнет необходимость назначить комиссию, чтобы выяснить, чем именно сейчас занимается физика. Ибо, используя астрономические часы нового типа, она предполагает классические законы, исследуя процессы, которые, как уже известно, подрывают абсолютную справедливость этих законов. Теоретическая физика не может надеяться прояснить свои фундаментальные проблемы, пока не рассмотрит, что именно вовлечено в эту подозрительную процедуру.

Как и большинство профессий, физика включает в себя изрядную долю блефа, но, в отличие от других, физика сейчас занята кампанией по избавлению от всякого притворства. Например, учебники физики двадцать лет были заполнены фразами такого рода: «электрон со скоростью столько-то см в сек.». Тем не менее профессора забыли рассказать своим студентам ужасный секрет, что эта гипотеза скоростей электронов — та, которая еще не получила прямого экспериментального подтверждения. Сегодня наступила реакция, и выдвигается требование, чтобы физическая теория не использовала концепции, которые не соответствуют непосредственно наблюдаемым величинам. Так, новейшие теории атома исключили идею электронных орбит, потому что было осознано, что это не более чем математический трюк для вычисления чего-то совершенно иного: длины волны света, который может испустить атом. Вместо орбит надеются подставить нечто, что использует только непосредственно наблюдаемые характеристики атома, но эта новая картина не является полной.

Тем не менее физика все еще использует идеи, которые не были адекватно обоснованы. Ибо, хотя идея движущихся электронов была удалена из новейшей модели атома, никакой замены для нее еще не было предложено для случая электронов вне атома. Поэтому становится очень важным для физика-экспериментатора выяснить, может ли он измерить расстояние, пройденное электроном за измеренную долю секунды. У нас пока нет доказательств того, что природа не запутала нас, заставив электроны вести себя скорее как движущиеся частицы, хотя на самом деле они — нечто иное. Фактически мы еще не провели достаточно прямых экспериментов, чтобы знать даже, правильна ли размерная система, используемая для электронов. Поскольку ни одна скорость электрона никогда не была измерена напрямую, мы не можем быть уверены, что размерности новой константы «h» — называемой постоянной Планка — действительно такие, как мы предполагаем: энергия, умноженная на время. Пока не будет изобретен способ прямого измерения какого-либо времени, вовлеченного в электронные движения, физическая теория не может знать, как ей следует обращаться с квантовыми процессами.

Когда мы осознаем, насколько неопределенны концепции, на которых основана вся теория электронов, мы можем задаться вопросом, что на самом деле известно об атоме. Тем не менее возможно, что мы знаем об атоме больше, чем думаем, и что то, о чем говорят как о фактах, касающихся электронов и излучения, может на самом деле лучше рассматриваться как информация об отдельных атомах и о том, как они влияют друг на друга. Испускание света — это атомный процесс, и мы узнаем о свете только тогда, когда он достиг какого-то атома и был по крайней мере частично поглощен. Некое непонятое изменение состояния происходит в атоме, когда он излучает и передает это измененное состояние другому атому. Поглощенная энергия может вызвать химическое изменение, как на фотопластинке. Но если человеческий разум должен осознать это изменение состояния, то рано или поздно, прямо или косвенно, его влияние должно быть передано атому в сетчатке. Мы очень мало знаем об этом изменении атомного состояния, и хотя его обычно называют изменением внутренней электрической энергии атома, это предполагает больше, чем мы действительно знаем, пока какая-то скорость электрона не была измерена напрямую. Размерности электрической энергии принимаются как размерности кинетической энергии, т. е. масса, умноженная на квадрат скорости, но мы еще не знаем, правильно ли это описывает атомные изменения. Поскольку никто никогда не измерял время, вовлеченное в электронный процесс, шкала времени в атоме может быть совершенно иной, чем та, что дана нашими расчетами.

Наше невежество относительно того, что на самом деле означает это изменение атомного состояния, настолько глубоко, что некоторые авторы начали рассматривать атом так, как если бы он был организмом, живым, когда атом возбужден, и мертвым, когда он находится в состоянии минимальной энергии. Так, Уайтхед предлагает называть атом организмом, хотя это, конечно, может только запутать нас, поскольку мы знаем о жизни еще меньше, чем об атоме.

Тем не менее мы знаем одну очень интересную вещь об этом изменении, которое происходит с атомами, но не может быть сведено к изменению структуры. Когда свет достигает атома в сетчатке, электрический стимул проходит по нерву и изменяет состояние протоплазмы где-то в мозгу. Это изменение в состоянии мозга известно нам непосредственно как восприятие цвета. Поэтому в некотором смысле мы знаем об этом изменении атомного состояния больше, чем когда-либо знали об «электрических полях», «гравитационном потенциале» или любых других математических удобствах, используемых физикой при корреляции наблюдаемых величин. Изменение в атоме натрия, когда мы добавляем соль в пламя, — это не изменение в сознании атома натрия, потому что он не является частью сложной нервной системы с такой же высокой координацией, как та, что найдена у человека, и поэтому атом не обладает сознанием. Но когда атом в мозгу претерпевает то же изменение, мы можем осознать его, и изменения в материи, которые происходят при поглощении света, несомненно, связаны с проблемой сознания.

Таким образом, мы приходим к вопросу: как отдельные атомы выстраиваются в сложные системы, обладающие характеристиками жизни, и, наконец, в еще более сложные системы, обладающие человеческим сознанием?

ГЛАВА IV

Эволюционный эксперимент

Вопросы часто делаются излишне трудными из-за того, что они выражены в абстрактной или теоретической форме, и вместо того чтобы спрашивать «Что такое жизнь?», будет более ценно выдвинуть для обсуждения практический вопрос: мог бы бесконечно мудрый физик заказать необходимые химикаты сегодня, а завтра собрать синтетического человека? Если нет, то почему? С чем мы на самом деле сталкиваемся, что, кажется, ставит некоторые аспекты жизни вне нашего контроля?

Давайте понаблюдаем за этим амбициозным физиком, когда он входит в свою лабораторию. Он начал довольно легко и за мгновение приготовил несколько простых молекул из их элементов. Теперь он закончил первый коллоид, который ему потребуется, и начинает свой первый органический синтез. Но его бесконечная мудрость не дает ему вечности за минуту, и мы замечаем, что он продвигается медленнее. В то время как фактическое соединение первых молекул заняло всего около тысячной доли секунды, как только у него был готов аппарат, простейший коллоид занял около секунды. Органический коллоид занял у него около минуты; кажется, природа не будет работать быстрее этого. У нее свой ритм, и ее нельзя торопить. Если мы терпеливо подождем до конца дня, у нашего друга может появиться первая крупица протоплазмы, и все мастерство в мире помогло бы ему только сделать ее больше, а не продвинуться дальше в его игре эволюции.

Но посмотрите на него сейчас! Он делает поспешный расчет, как будто только что осознал какой-то великий секрет природы и знал, что никогда не сможет создать своего гомункула. Мы заглядываем ему через плечо и читаем:

Оценочное минимальное время, необходимое синтетическим процессам природы для достижения различных эволюционных стадий.

Starting from the elements, to Minimum Time

Simple inorganic compound ¹⁄₁₀₀₀ sec.

Simple colloid 1 sec.

Protein 1 hour

Primitive protoplasm 1 month

Simplest uni-cellular organism 10 years

Flagellate 1,000 years

Mammal, including Homo sapiens 1,000,000 years

Эта в высшей степени спекулятивная оценка основана на наводящих фактах. Определенное количество времени необходимо для того, чтобы два атома приблизились друг к другу и образовали молекулу. Время, необходимое для этого, будет больше, если многим атомам приходится усаживаться вместе в какое-то особое расположение. Например, металл серебро обычно кристалличен, но если пары серебра конденсируются слишком быстро, у атомов не будет времени расположиться, и обнаруживается, что они сваливаются как попало в аморфную массу.

Коллоидные процессы требуют еще более длительных периодов, потому что большие неуклюжие молекулы должны расположиться на поверхности коллоидных частиц. В элементарных формах протоплазмы молекулярные паттерны еще сложнее, и все же необходимо еще больше времени, чтобы правильно настроить молекулы.

Вероятно, только наше невежество мешает нам строить протоплазму, но нам потребуется быстро возрастающее количество времени для каждой последующей стадии эволюции. Это, безусловно, будет так, когда мы достигнем организмов, которые могут быть сделаны более сложными только путем контроля их среды, пока они воспроизводят себя в течение многих поколений. Высший организм не может быть построен напрямую; молекулярные расположения в его теле могут быть достигнуты только через синтез какой-то простой формы жизни, которой затем нужно позволить эволюционировать в течение бесчисленных поколений. Органическая наследственность заключается в молекулярных паттернах, которые могут быть построены только этим очень медленным процессом повторного воспроизводства. Таким образом, именно нехватка времени — это то, с чем сталкивается наш амбициозный ученый в своей спешке создать гомункула. Только синтетическая алхимия времени может строить организмы, каждый из которых несет в себе долгую наследственность.

Оценки, данные для минимального времени, необходимого в каждом случае, составляют около тысячной доли фактического времени, затраченного в лабораторном эксперименте или в истории эволюции, как известно из геологических записей. Возможно, потребовался миллион лет или больше, чтобы первые подвижные клетки развились из неорганических материалов, и тысяча миллионов лет для млекопитающих. И все же, возможно, эти процессы могли бы идти быстрее. Данные времена — лишь предположения о минимальном времени, которое может потребоваться при идеальных условиях. Мы тратим много времени на настройку аппаратуры в лабораторном эксперименте, и в эволюции могли быть стационарные периоды с малым или отсутствующим новым развитием. Но кажется вероятным, что когда мы узнаем об этом больше, мы обнаружим, что определенное время требуется для формирования органических систем данной сложности. В этом смысле мы можем сказать, что человеческий сперматозоид и яйцеклетка несут в себе синтез по крайней мере миллиона лет.

Только Международный институт эволюционных исследований при самой стабильной из Лиг Наций мог бы надеяться создать искусственного человека, и даже тогда человек вряд ли мог бы присвоить себе заслугу, ибо Время сделало бы больше, чем человек. Но при достаточной последовательности целей человек мог бы сделать это, при условии, что он научился бы использовать каждый момент творческой силы времени и никогда не совершил бы ошибки, из-за которой накопленное сокровище лет (т. е. наследственность) могло бы быть разрушено. Как человек научился бы ценить жизнь и как глубоко такой эксперимент мог бы изменить его взгляд на человеческих существ, каждое из которых — бесценное чудо, плод миллиона лет!

Через двадцать лет научное знание будет адекватным для начала этой гигантской задачи, и мы будем подписываться на наши гинеи для основания Института. Время создало человека; человек может использовать время, чтобы создать человека еще раз. С миллионом лет впереди, прежде чем мы достигнем чувствительных млекопитающих, нам вряд ли стоит бояться критики со стороны Общества по предотвращению жестокого обращения с животными. Мы просто собираемся позволить жизни эволюционировать самой при идеальных условиях, со Швейцарией в качестве государства для эволюционных исследований.

Может случиться, что при таких идеальных условиях жизнь будет эволюционировать быстрее, чем это было на этой грубой планете. Но столь же вероятно, что мы — или, скорее, наши потомки — обнаружим, что дарвиновская борьба за выживание необходима для эволюции, и тогда нациям пришлось бы спорить о морали воспроизведения «жестокости природы» внутри Мирового эволюционного зоопарка. Возможно, гневный бог попытается наказать человечество за попытку построить эту лестницу к секрету жизни, эту современную Вавилонскую башню, и развлечет себя, наблюдая за сообществом ученых, пораженным чумой непоследовательности среди их весов и мер.

Возможности таких грандиозных схем должны быть восприняты серьезно. Мы теперь высокосамосознательные существа с огромной техникой для исследований. Люди с подлинным творческим воображением, которые почитают жизнь, должны взять на себя ответственность сознания двадцатого века и использовать научную технику для творческих, а не разрушающих жизнь целей. Можно представить, как растущая доля интереса, который сейчас уделяется войне, чужому прелюбодеянию и собачьим бегам, обращается к Швейцарии, откуда в критические моменты беспроводные бюллетени объявляли бы, что первая амеба только что успешно приняла пищу. Если мы пожелаем, будущее науки может быть таким, чтобы компенсировать ее недавнее занятие порохом. Правительства были бы бессильны вести войну, если бы физики отказались делать пушки, а Королевское общество призвало бы ученых объявить забастовку до тех пор, пока каждый военный кризис не будет решен путем арбитража.

Проблема жизни может быть увидена в новом свете, если спекуляции последнего раздела будут приняты и мы предположим, что определенный период времени необходим для построения любого живого организма. Ибо если это так, законы, которые управляют жизнью, должны включать возраст организма с некоторого определенного момента в его истории. Мы могли бы выбрать для этого момента мгновение, когда родительский сперматозоид вошел в яйцеклетку в случае высшего организма, или в эволюционном эксперименте, только что описанном, возраст мог бы отсчитываться с момента, когда первые элементарные химикаты были объединены в молекулы. Суть в том, что весь этот эволюционный процесс должен быть описан законами, которые принимают во внимание возраст рассматриваемой системы.

Давайте возьмем очень простой, фактически самый простой из возможных, пример. Если два атома водорода, имеющие как раз правильную общую энергию для формирования молекулы водорода, приблизились друг к другу и соединились, закон, описывающий то, что произошло, должен указывать, что в определенный момент соединение было завершено и процесс окончен. Это пример необратимого процесса, поскольку молекула не распадается спонтанно снова. Более того, математическая формулировка этого процесса должна включать определенный возраст системы, в котором процесс был завершен, причем этот возраст измеряется с некоторого выбранного начального момента.

Этот процесс обеспечивает интересное ограничение принципа, выдвинутого Максвеллом в качестве основы физической науки. Он предположил, что законы физики должны считаться вечными и неизменными и что поэтому они должны быть выражены в форме, которая не содержит время явно. Это означает, что для физических законов не может быть никакой разницы между сегодня и завтра. Законы касаются малых изменений, которые системы претерпевают в малые интервалы времени, и не должны выражать никакого фундаментального различия между одним моментом и другим.

Такие законы не могут выразить тот факт, что происходит нечто внезапное, вызывающее существенное изменение в системе, например, когда две системы становятся одной или когда одна система распадается на две. Законы органического роста или эволюции индивидуальных систем должны отражать тот факт, что на определенном этапе жизни системы происходят особые события, такие как соединение двух атомов водорода или достижение организмом зрелости. Принцип Максвелла накладывает на форму физических законов ограничение, которое попросту исключает законы, применимые к организмам. Однако нет никаких причин, по которым более широкая физика не могла бы попытаться сформулировать этот новый тип закона, применимый к истории и развитию индивидуальных систем; вероятно, если бы это удалось, обратимые законы Ньютона, Максвелла и Эйнштейна предстали бы как приближения, справедливые лишь тогда, когда не происходит ничего примечательного, то есть когда имеют место только пространственные перемещения без синтеза, распада или излучения света.

Законы ньютоновского типа, которые имел в виду Максвелл, предполагают, что можно адекватно описать текущее состояние системы, не уточняя ее прошлую историю. Но мы не можем сказать ничего достаточно точного о внутреннем устройстве живого организма, и оказывается гораздо эффективнее описывать то, что известно о его прошлой истории. Мы не пытаемся определить, где находятся атомы в организме; вместо этого мы указываем его вид, возраст и т. д. Организмы можно определить как системы, чье будущее поведение легче оценить по их прошлой истории, чем по тому, что можно узнать об их непосредственной внутренней структуре. Поэтому наиболее удобная формулировка органических законов будет выражена через возраст организма и учитывать то, как протекала его жизнь. Эти законы неизбежно необратимы, поскольку усвоение кислорода или пищи происходит постоянно таким образом, который никогда не может быть обращен вспять. Жизнь подобна функции, которая всегда должна изменяться в одном направлении; когда это развитие прекращается, жизнь исчезает.

Контраст между живым и мертвым теперь кажется менее важным, чем следующая классификация природных процессов:

1. Процессы, которые являются обратимыми и законы которых могут быть выражены независимо от возраста системы, например, гравитационные и механические движения, не связанные со светом или теплом.

2. Процессы, которые являются необратимыми, причем законы для них лучше всего выражать через полное время, прошедшее с некоторого начального состояния, например, химическое соединение, рост, эволюция, радиоактивность и все изменения, связанные со светом или теплом.

Физика всегда утверждала, что процессы первого типа являются фундаментальными в природе, а астрономия предоставляла идеальный пример в виде движения планет. Именно это утверждение породило основной вопрос, лежащий в основе конфликта между механицизмом и витализмом. Но если Борн прав и фундаментальные атомные процессы необратимы, то ситуация полностью меняется. Больше не стоит вопрос о том, является ли жизнь произвольным вторжением в мир механических законов, поскольку законы гравитации и механики должны тогда рассматриваться как предельный случай, когда необратимость исчезающе мала, в рамках целого ряда необратимых процессов, составляющих наиболее важные примеры фундаментального порядка в природе. Этот ряд включал бы атомные процессы, связанные с теплом, светом и электричеством, химическое соединение, коллоидные эффекты, органический рост и эволюцию, а также высококоординированные электрические процессы, которые формируют физиологическую основу сознания.

Если этот взгляд верен, то атомные процессы излучения и химического соединения должны быть именно тем, что нужно биологу для построения организмов. Вместо хаоса маленьких частиц, подчиняющихся законам обратных квадратов, современный физик предлагает биологу новый вид атома с электрическими и магнитными свойствами, которые заставляют его образовывать стабильные соединения.

Биолог может ответить: «Да, но у организмов есть четыре главных характеристики: их поведение необратимо и проявляет рост, память и целенаправленность. Если вы говорите мне, что ваши атомы подчиняются необратимым законам, тем лучше, потому что мои организмы, безусловно, им подчиняются. Но ваши кристаллы растут совсем не так, как мои клетки и организмы, и вы не можете просто отмахнуться от очевидной целенаправленности всей жизни».

На что физик может ответить: «Предположим, что два атома водорода находятся на некотором расстоянии друг от друга, обладая общей энергией, необходимой для образования молекулы. Если они начинают двигаться навстречу друг другу под воздействием некоторого притяжения, которое они оказывают, мы не удивляемся. Но они движутся к конечному результату, который является целью, даже если они, конечно, не осознают ее; и при условии, что ничто не мешает, они достигнут друг друга, образуют молекулу, и процесс будет завершен. Атомы движутся согласно непреодолимому закону притяжения к конечному состоянию, которое неизбежно, если только внешние влияния не предотвратят его. Система из двух атомов развивается закономерно к завершению, и процесс в этом смысле обладает телеологическим качеством, хотя это не обязательно означает, что какой-либо бог или человек сознательно планировал эту цель для этих конкретных атомов водорода».

«Это качество отсутствовало в законе всемирного тяготения Ньютона именно потому, что он не говорил о том, что происходит в конце любого процесса, например, когда метеорит ударяется о Землю. Ньютоновские законы избегают ответственности за рассмотрение всех захватывающих событий, таких как соединение атомов или гибель метеорита. С другой стороны, представляется вероятным, что все необратимые законы могут быть интерпретированы как ведущие либо от, либо к некоторому критическому конечному состоянию. Так, все тепловые процессы стремятся к приблизительной однородности температуры, и химические реакции также движутся к конечному состоянию».

«Такие системы, как эти, демонстрируют зачатки бессознательной цели. Нужно представить себе эти системы гораздо более сложными, так что требуется много времени и значительное питание, прежде чем их бессознательная цель будет достигнута, будь то инстинктивное воспроизводство своего вида или любая другая биологическая функция».

«Возможно. Мне нравится бессознательная цель, которую вы обнаружили в необратимой физике, потому что меня беспокоят коллеги, которые повсюду видят сознательный разум».

«Но если я допущу, что ваш взгляд на атом, а следовательно, на молекулы и коллоиды, дает мне две из четырех особенностей, которые я нахожу в жизни, то есть необратимость и бессознательную цель, вам все еще предстоит разобраться с ростом и органической памятью».

«Да. О росте и памяти физике пока мало что есть сказать. Но мы, во всяком случае, свели проблему жизни к меньшим масштабам. Вопрос больше не в том, что такое жизнь, а в том, как коллоидные процессы выстраиваются в непрерывно активные, развивающиеся системы, которые могут реагировать на окружающую среду так, чтобы в конечном итоге могло быть достигнуто некое отдаленное состояние? Это гораздо менее сложный вопрос. Более того, поскольку проблема излучения лежит в основе всех химических процессов, связанных с поддержанием жизни, мы можем ожидать значительной помощи, когда физика прояснит эту важнейшую проблему».

ГЛАВА V

Физика и разум

Если бы психолог, не являющийся бихевиористом, слушал этот разговор, он мог бы вмешаться:

«Неужели физик всерьез предлагает нам попытаться исключить разум из нашей картины человеческого организма? Даже если мы в конечном итоге сможем объяснить бессознательные цели низших организмов как конечные состояния, к которым они движимы физическими законами, все же человек обладает высшим отличием — сознательным разумом; он может выбирать свою цель и, если захочет, отказаться от нее ради чего-то другого. Поэтому вы должны предусмотреть в своей картине появление разума в какой-то момент в ходе эволюции».

«Подождите минутку, — отвечает физик. — Весь ваш взгляд на сознание выдает не только антропоцентрическую точку зрения, но и ограниченную лишь одной стадией развития человека. Нет единого состояния, адекватно описываемого словом „сознательный“. На самом деле существует множество различных состояний осознанности, которые могут переходить друг в друга или образовывать ряд отчетливых состояний. Мы пока мало что о них знаем, но их разнообразие поразительно. Существует смутное ощущение при пробуждении от хлороформа, осознанность сновидного состояния, пассивное переживание, сопровождающее любую интенсивно ритмичную деятельность, такую как бег. Опять же, совершенно иные состояния известны при дневных грезах, интеллектуальной концентрации и тонко сбалансированном полусознании творческого мышления».

«Рассмотрите особенно состояния осознанности, связанные с любовью или с высшими творческими видами деятельности разума. Свобода воли, или сознательный выбор цели, полностью теряется в целостном влюбленном состоянии, как это происходит и в потребности художника следовать некоторой смутно осознаваемой интуиции задачи, которую он должен попытаться выполнить. В эти важные моменты свобода воли исчезает перед лицом чувства внутренней органической необходимости».