"Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы" - читать интересную книгу автора (Вайнберг Стивен)

Глава III. Похвала редукционизму

Если вы начнете спрашивать всех окружающих, почему вещи такие, а не иные, и получите в ответ объяснение, основанное на каких-то научных принципах, а затем станете снова спрашивать, почему эти принципы верны, и наконец, как плохо воспитанный ребенок, будете после любого ответа спрашивать: «Почему? Почему? Почему?», то рано или поздно кто-нибудь обзовет вас редукционистом. Под этим словом разные люди понимают разные вещи, но думаю, что в любых рассуждениях о редукционизме есть нечто общее, а именно идея иерархии, когда некоторые истины считаются менее фундаментальными, чем другие, и первые могут быть сведены ко вторым, например химия – к физике. Редукционизм давно превратился в стандартное пугало в научной политике. Так, Научный совет Канады атаковал недавно Координационный комитет по сельскому хозяйству этой страны за то, что в нем засели редукционисты[39]. (По-видимому, Научный совет имел в виду то, что комитет уделяет слишком много внимания химии и биологии растений.) Физики, занимающиеся элементарными частицами, особенно часто подвергаются обвинениям в редукционизме, так что частой причиной их испорченных отношений с другими учеными является неприятие последними этой идеи.

Взгляды оппонентов редукционизма образуют широкий идеологический спектр. На его наиболее разумном крае находятся те, кто отрицает самые наивные формы редукционизма. Я отношусь к таким взглядам с уважением. Сам я считаю себя редукционистом, но все же не думаю, что единственными интересными и глубокими проблемами в науке или даже в физике являются проблемы физики элементарных частиц. Я совершенно не думаю, что химики должны бросить все, что они делают, и вместо этого заняться решением уравнений квантовой механики для разных молекул. Я также не считаю, что биологи должны перестать размышлять о растениях и животных как целостных организмах и думать только о клетках и ДНК. С моей точки зрения, редукционизм это не руководство для программы исследований, а способ отношения к самой природе. Я имею в виду лишь то ощущение, что наши научные принципы являются следствиями более глубоких научных принципов[40] (и, возможно, исторических случайностей) и что все эти принципы можно свести к простому набору связанных между собой законов. На данном этапе истории науки ученые полагают, что наилучший способ приблизиться к этим законам заключается в изучении физики элементарных частиц, хотя это и случайный аспект редукционизма, который может измениться со временем.

На другом краю спектра находятся те оппоненты редукционизма, которых приводят в ужас унылые перспективы развития современной науки. Чем в большей степени они и мир, в котором они живут, могут быть сведены к частицам, полям и их взаимодействиям, тем больше они чувствуют себя униженными этим знанием. Герой повести Достоевского «Записки из подполья» представляет себе ученого, говорящего ему: «…природа нас не спрашивается; нужно принимать ее так, как она есть, а не так, как мы фантазируем, и если мы действительно стремимся к табличке и к календарю, ну, и… ну хоть бы даже и к реторте, то что же делать, надо принять и реторту!» и отвечает: «Эх, господа, какая уж тут своя воля будет, когда дело доходит до таблички и до арифметики, когда будет одно только дважды два четыре в ходу? Дважды два и без моей воли четыре будет. Такая ли своя воля бывает!»[41] Уж совсем экстремистами являются те, кто помешался на холизме10), так что их реакция на редукционизм принимает форму веры в психическую энергию, жизненные силы и т.п. явления, не имеющие объяснения с помощью обычных законов неодушевленной природы. Я не буду даже пытаться отвечать этим критикам с помощью занудных разговоров о красотах современной науки. Редукционистское мировоззрение обязательно предусматривает холодный рассудок и беспристрастность. Это мировоззрение надо принимать таким, каким оно есть, и не потому, что оно нам нравится, а потому, что так устроен мир.

В средней части спектра антиредукционистов находится группа более влиятельных и менее бескорыстных людей. Это те ученые, которые приходят в ярость, когда слышат, что их разделы науки основываются на более глубоких законах физики элементарных частиц.

В течение ряда лет я ожесточенно спорил по поводу редукционизма со своим хорошим другом, биологом-эволюционистом Эрнстом Майром. Среди прочих заслуг этого ученого – лучшее из имеющихся определений понятия биологических видов. Споры начались, когда в статье, написанной в 1985 г.[42], он набросился на одну фразу из моей статьи в журнале Scientific American за 1974 г.[43], посвященной совершенно другим проблемам. Я заметил в этой статье, что в физике мы надеемся открыть несколько простых общих законов, которые объяснили бы, почему мир такой, какой он есть, и что сейчас при описании элементарных частиц и их взаимодействий мы ближе всего подошли к единому взгляду на природу. В своей статье Майр назвал это «чудовищным примером способа мышления физиков» и обозвал меня «бескомпромиссным редукционистом». Я возразил ему в Nature[44], что я не бескомпромиссный редукционист, а напротив, редукционист, готовый к компромиссам.

Затем последовало разгромное письмо[45], в котором Майр привел классификацию разных типов редукционизма и идентифицировал мою личную версию этой ереси. Я не понимаю этой классификации; все ее категории звучат для меня одинаково, причем ни одна не соответствует моим собственным взглядам. В свою очередь, Майр (как мне кажется) не понимает того различия, которое я провожу между редукционизмом как общим требованием, необходимым для прогресса в науке, что не совпадает с моими взглядами, и редукционизмом как утверждением порядка в природе, с чем я безусловно согласен11). Мы с Майром остаемся в хороших отношениях, но прекратили попытки обратить другого в свою веру.

С точки зрения национальных планов научных исследований наиболее серьезной является оппозиция редукционизму в рядах самих физиков. Редукционистские притязания физики элементарных частиц глубоко раздражают некоторых ученых, работающих в других областях, например в физике твердого тела, и чувствующих себя участниками соревнования с физиками, занимающимися частицами, за финансирование исследований. Все это в особенно болезненной форме проявилось тогда, когда возникло предложение истратить миллиарды долларов на ускоритель частиц ССК. В 1987 г. руководитель отдела по связям с общественностью Американского физического общества заявил, что проект Суперколлайдера «возможно, сеет самые большие раздоры, которые когда-либо сотрясали физическое сообщество»[46]. За то время, что я входил в состав комиссии наблюдателей за проектом ССК, все члены комиссии, включая меня, множество раз публично разъясняли цели проекта. Один из членов комиссии все время повторял, что мы не должны создавать впечатления, будто думаем что физика элементарных частиц более фундаментальна, чем другие разделы физики, так как это будет только бесить наших коллег. Причина, почему мы давали повод думать, что физика элементарных частиц более фундаментальна, чем другие разделы физики, заключается просто в том, что так оно и есть. Я не знаю, каким образом можно обосновывать расходы на физику частиц, не будучи совершенно искренним. Но утверждение, что физика элементарных частиц более фундаментальна, не означает, что она математически более глубока, более необходима для прогресса в других областях и т.п., а означает лишь, что она ближе всего к точке схождения всех наших стрелок объяснений.

Ученых, огорченных претензиями физики частиц, возглавляет Филипп Андерсон из Принстона, физик-теоретик, высказавший много глубоких идей, лежащих в основе современной физики твердого тела (сюда относятся физика полупроводников, сверхпроводников и многое другое). Андерсон выступил против проекта ССК на тех же слушаниях в комитете конгресса в 1987 г., что и я. Андерсон считал (и я с ним согласен), что исследования в области физики твердого тела недостаточно финансируются Национальным научным фондом. Он высказал мысль (с которой я также согласен), что многие студенты старших курсов соблазняются призрачным блеском физики элементарных частиц, в то время как они могли бы сделать значительно более успешную научную карьеру, занимаясь физикой твердого тела или связанными с ней проблемами. Но далее Андерсон заявил, что «…они [результаты физики частиц] ни в каком смысле не более фундаментальны, чем то, что сделал Алан Тьюринг для создания компьютеров, или Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон для открытия секрета жизни»[47]. Ни в каком смысле не более фундаментальны? Это-то и есть главный пункт наших с Андерсоном разногласий. Я просматривал работы Тьюринга и других основоположников науки о компьютерах, и все эти работы показались мне принадлежащими больше математике или технологии, а не обычным разделам естественных наук. Математика сама по себе никогда ничего не объясняет – это лишь средство, с помощью которого мы используем совокупность одних фактов для объяснения других, и язык, на котором мы выражаем наши объяснения. В то же время описание Андерсоном открытия Криком и Уотсоном двойной спиральной структуры молекулы ДНК (обеспечивающей механизм сохранения и передачи генетической информации) как открытия секрета жизни только укрепляет мои позиции. Такое объяснение открытия ДНК повлечет обвинение некоторых биологов в таком же дурном редукционизме, каким представляются Андерсону притязания физиков, занимающихся частицами. Например, Гарри Рубин писал несколько лет тому назад, что «революция, вызванная открытием ДНК, привела к тому, что целое поколение биологов поверило, будто секрет жизни полностью сокрыт в структуре и функциях ДНК[48]. Эта вера сейчас поколеблена и редукционистская программа должна быть дополнена новыми концепциями». Мой друг Эрнст Майр в течение многих лет борется против редукционистского направления в биологии, которое, как он опасается, пытается свести все, что мы знаем о жизни, к изучению ДНК, и добавляет, что «хотя благодаря открытию ДНК, РНК и т.п. была раскрыта химическая природа ряда черных ящиков классической генетики, все же это ни в коей мере не раскрыло суть передачи наследственности»[49].

Я не собираюсь вступать в эту полемику среди биологов, по крайней мере на стороне антиредукционистов. Нет сомнений, что открытие ДНК оказалось необычайно важным для многих областей биологии. И все же есть некоторые биологи, работу которых непосредственно не затронули открытия в молекулярной биологии. Знание структуры ДНК приносит мало пользы специалисту в области популяционной экологии, пытающемуся объяснить разнообразие видов растений в тропических дождевых лесах, или биомеханику, пытающемуся понять полет бабочек. Я полагаю, что даже если ни один биолог не получил бы никакой пользы от открытий в молекулярной биологии, все же существует один важный аспект этих открытий, который и дает право Андерсону говорить о секрете жизни. Дело не в том, что открытие ДНК было фундаментальным для всех наук о жизни, а в том, что ДНК сама есть основа всей жизни. Живые существа таковы, каковы они есть, потому что они прошли долгий путь эволюции к теперешнему виду, а эта эволюция оказалась возможной благодаря свойствам ДНК и связанных с ней молекул, позволяющим организму передавать свой генетический код потомству. Точно так же, независимо от того, полезны или нет открытия в физике элементарных частиц всем другим ученым, принципы физики элементарных частиц являются фундаментом всей природы.

Оппоненты редукционизма часто ссылаются на то, что открытия в физике элементарных частиц вряд ли могут пригодиться ученым из других областей. Это не согласуется с историческими свидетельствами. Физика элементарных частиц в первой половине ХХ в. была главным образом физикой электронов и фотонов, и она оказала огромное и бесспорное влияние на наше понимание всех форм материи. Открытия в сегодняшней физике элементарных частиц уже значительно влияют на космологию и астрономию. Так, мы используем наши знания о количестве сортов элементарных частиц для расчетов образования химических элементов в первые несколько минут существования Вселенной. Никто не может сказать, какие еще последствия могут иметь эти открытия.

Но предположим на мгновение, что в дальнейшем никакие открытия в физике элементарных частиц не будут оказывать никакого влияния на работу ученых в других областях. Все равно работа физиков в области элементарных частиц будет иметь особое значение. Мы знаем, что эволюция живых существ оказалась возможной благодаря свойствам ДНК и других молекул, а свойства любой молекулы определяются свойствами электронов, атомных ядер и электрическими силами, действующими между ними. А почему эти объекты такие, как они есть? Частично это объяснила стандартная модель элементарных частиц, а теперь мы хотим совершить следующий шаг и объяснить стандартную модель и принципы теории относительности и других симметрий, на которых эта модель основана. Я не понимаю, как может все это казаться неважным всякому, кто интересуется тем, как устроен мир, совершенно независимо от любой возможной пользы, которую физика элементарных частиц может принести любому другому ученому.

Вообще говоря, элементарные частицы сами по себе не очень интересны, их даже сравнивать нельзя в этом смысле с людьми. Если не считать импульса и спина, каждый электрон во Вселенной похож на любой другой электрон – если бы вы увидели один электрон, считайте, что вы видели все. Но именно из этой простоты вытекает, что электроны, в противоположность людям, не состоят из множества более фундаментальных составляющих, а сами представляют собой нечто, близкое к фундаментальной составляющей всего остального. Элементарные частицы интересны именно потому, что они так однообразны; благодаря простоте их изучение приближает нас к исчерпывающему пониманию природы.

Пример с высокотемпературной сверхпроводимостью помогает уяснить тот специфический и ограниченный смысл, вкладываемый в слова, что физика элементарных частиц более фундаментальна, чем любые другие области физики. Именно в наши дни Андерсон и другие специалисты в области физики твердого тела пытаются понять загадочное возникновение сверхпроводимости в ряде соединений меди, кислорода и более экзотических элементов при температурах, много больших тех, которые считались возможными. В то же время физики, занимающиеся элементарными частицами, пытаются понять происхождение масс кварков, электронов и других частиц, входящих в стандартную модель. (Обе задачи, оказывается, связаны математически; как мы увидим ниже, обе они сводятся к вопросу, каким образом определенные симметрии, которыми обладали исходные уравнения, теряются в решениях этих уравнений.) Нет сомнений, что специалисты по твердому телу рано или поздно решат проблему высокотемпературной сверхпроводимости без всякой прямой помощи со стороны физиков, занимающихся частицами[50], а когда последние поймут происхождение массы, это скорее всего произойдет без непосредственного участия физиков, занимающихся твердым телом. Разница между этими двумя задачами заключается в том, что когда твердотельщики наконец объяснят явление высокотемпературной сверхпроводимости, то какими бы ослепительными ни были новые идеи, которые будут при этом использованы, все равно в конце концов объяснение примет форму математической выкладки, в которой существование этого явления будет выведено из известных свойств электронов, протонов и атомных ядер. В противоположность этому, когда ученые, занимающиеся физикой частиц, поймут наконец происхождение массы в стандартной модели, объяснение будет основано на тех свойствах стандартной модели, которые нам сегодня совершенно неведомы и которые мы не можем узнать (хотя и можем догадываться) без новых экспериментальных данных, полученных на установках типа ССК. Поэтому физика элементарных частиц представляет собой границу нашего знания в том смысле, который отсутствует в физике твердого тела.

Само по себе это не решает проблемы распределения денег на исследования. Имеется множество побудительных мотивов научных исследований – применения в медицине и технологии, национальный престиж, любовь к математическим упражнениям, неподдельная радость от того, что стало понятным красивое явление, – которые могут быть удовлетворены при занятиях другими науками точно так же, как и физикой частиц (а иногда и лучше). Физики, занимающиеся элементарными частицами, не считают, что уникальный фундаментальный характер их работы дает им право первыми залезать в общественный кошелек, но они полагают также, что нельзя просто игнорировать это обстоятельство, принимая решения о поддержке научных исследований.

Возможно, наиболее известная попытка установить стандарты для принятия подобных решений принадлежит Альвину Вайнбергу12). Еще в статье 1964 г. он предложил такую схему: «Я хотел бы сформулировать критерий научной ценности, предложив, что, при прочих равных условиях, те исследования имеют наибольшую научную ценность, которые наибольшим образом изменяют и делают более ясными соседние научные дисциплины»[51] (выделено им). Прочитав мою статью на ту же тему[52], Альвин написал мне и напомнил о своем предложении. Я его и не забывал, но с ним не согласен. В ответе Альвину я написал, что рассуждения такого рода могут быть использованы для оправдания траты миллиардов долларов на классификацию бабочек Техаса, так как это могло бы прояснить классификацию бабочек, встречающихся в Оклахоме, а также бабочек вообще. Этот глупый пример призван только показать, что ничего не стоит в обоснование неинтересного научного проекта сказать, что он важен для других неинтересных научных проектов. (Похоже, что после этих слов у меня будут проблемы с лепидоптеристами, которые хотели бы истратить миллиарды долларов на классификацию всех бабочек Техаса.) Но вот чего я действительно не вижу в критерии Альвина Вайнберга, так это редукционистской перспективы, а именно того, что одной из главных причин, делающих столь интересной научную работу, является надежда приблизиться к точке сближения всех наших объяснений.

Существуют фундаментальные законы, управляющие поведением сложных систем, но они не похожи на обычные. Это законы структуры, организации и масштаба, и они просто исчезают, когда мы фокусируем внимание на отдельных составляющих сложной системы, точно так же, как теряет смысл разговор о психологии толпы куклуксклановцев, если вы берете интервью у отдельного ее участника»[54].

Я возразил бы на это, во-первых, что разные вопросы интересны по-разному. Несомненно, проблемы творчества и возникновения жизни интересны, так как мы живы и хотели бы творить. Но есть и другие вопросы, интересные потому, что они подводят нас все ближе к точке сближения наших объяснений. А открытие истоков Нила – оно ведь ничего не дало для лучшего понимания проблем сельского хозяйства в Египте, но кто скажет, что это открытие было неинтересно?

Во-вторых, здесь упускается из виду, что суть подобных вопросов состоит в объяснении целого «через свои составные части»; однако изучение кварков и электронов фундаментально не потому, что все обычное вещество из них состоит, а потому, что мы думаем, что их изучение позволит нам узнать что-то о принципах, на которых все построено. (Именно эксперимент, в котором электронами обстреливали кварки внутри атомных ядер, решил дело в пользу современной единой теории двух из четырех фундаментальных сил в природе – слабых и электромагнитных сил.) На самом деле физик, занимающийся в наши дни частицами, уделяет больше внимания не содержащимся там кваркам и электронам, а экзотическим частицам, не входящим в обычное вещество, потому что нам кажется, что изучая именно эти частицы, мы быстрее получим ответы на интересующие нас вопросы. Когда Эйнштейн в своей общей теории относительности объяснил природу тяготения, это произошло не «через составные части», а через геометрию пространства-времени. Может так случиться, что физики двадцать первого века обнаружат, что изучение черных дыр или гравитационного излучения дает больше для понимания законов природы, чем физика элементарных частиц. Наша нынешняя сосредоточенность на элементарных частицах основана на тактическом соображении, что в данный момент истории науки именно этот путь ведет нас к окончательной теории.

Наконец, нужно еще установить, действительно ли существуют новые законы, управляющие сложными системами? Да, конечно, это так в том смысле, что разные уровни восприятия требуют разного языка для описания и анализа. Это в равной степени относится и к химии, и к хаосу. Но фундаментальны ли новые законы? Контрпримером является упомянутая Глейком толпа линчевателей. Можно попытаться сформулировать все, что мы знаем о толпах, в форме законов (таких, например, как старое изречение, что революции всегда пожирают своих детей), но если мы попросим объяснить, почему эти законы действуют, нас вряд ли удовлетворит ответ, что это – фундаментальные законы, не имеющие объяснений через что-то другое. Мы скорее будем искать редукционистское объяснение, основанное на психологии отдельных людей. Это же верно и в отношении установления хаоса. Поразительный прогресс, достигнутый в последние годы в этой области, заключался не только в наблюдении хаотических систем и формулировке эмпирических законов, управляющих ими; что значительно важнее, законы, которым подчиняется хаотическое поведение, были математически выведены из законов микрофизики, управляющих теми системами, в которых возникает хаос.

Я подозреваю, что все работающие ученые (и, возможно, вообще большинство людей) являются на практике такими же редукционистами, как я, хотя некоторые из них, вроде Эрнста Майра или Филиппа Андерсона, не любят употреблять этот термин. Например, медицинские исследования имеют дело с проблемами столь неотложными и трудными, что часто предложения новых методов лечения вынуждены опираться только на медицинскую статистику а не на понимание того, почему этот метод приносит плоды. Но даже если новая методика предложена на основании проверки на многих пациентах, к ней, скорее всего, будут относиться со скептицизмом до тех пор, пока не удастся понять, как можно объяснить новый метод на основе редукционизма с помощью таких наук, как биохимия или биология клетки. Представьте, что медицинский журнал поместил две статьи, описывающие два новых способа лечения золотухи: с помощью приема внутрь куриного бульона и с помощью прикосновения короля. Даже если статистические данные, представленные в каждой из статей, одинаково убедительны, я полагаю, что медики (да и кто угодно) по-разному прореагируют на эти статьи. В том, что касается куриного бульона, думаю, что большинство людей отнесется к этому методу непредвзято, сохранив право на окончательное суждение до тех пор, пока он не будет независимо проверен. В конце концов, куриный бульон – это смесь очень полезных веществ, и кто знает, какой эффект могут оказывать его составные части на микобактерию, вызывающую золотуху? С другой стороны, какие бы статистические данные ни приводились, чтобы доказать, что прикосновение руки короля помогает излечить золотуху, читатели статьи остались бы в глубоком сомнении, подозревая обман или случайное совпадение, так как они не смогли бы представить себе, как можно было бы хоть когда-нибудь редуктивно объяснить такой метод лечения. Какое дело микобактерии, был ли человек, прикасающийся к больному, должным образом коронован и помазан на царство, или это просто старший сын предыдущего монарха? (Даже в средние века, когда все считали, что прикосновение короля излечивает золотуху, сами короли, похоже, сильно в этом сомневались. Насколько я знаю, во всех средневековых битвах между соперничавшими династиями, например между Плантагенетами и Валуа или Йорками и Ланкастерами, ни один из претендентов на трон ни разу не пытался доказать, что он истинный король, путем демонстрации излечивающей силы своего прикосновения.) Те нынешние биологи, которые попытались бы утверждать, что подобное лечение не требует объяснения, так как сила королевского прикосновения является автономным законом природы, не встретили бы понимания со стороны коллег с редукционистским мировоззрением, так как в его рамках таким автономным законам нет места.

То же самое верно и в отношении всех наук. Мы не должны серьезно относиться к предлагаемым автономным законам макроэкономики, которые не могут быть в принципе объяснены поведением отдельных личностей, или к гипотезам о происхождении сверхпроводимости, которые не могут быть в принципе объяснены свойствами электронов, фотонов и ядер. Редукционистская позиция является хорошим фильтром, позволяющим ученым во всех областях знания не тратить время на обсуждение малообещающих идей. В этом смысле мы все сейчас редукционисты.