На протяжении многих поколений ученые, изучавшие классическую механику, делали это на примере простых систем, например качающегося маятника или непрерывно вращающейся планеты. Такие динамические системы достаточно грубы: незначительное нарушение ведет лишь к незначительным изменениям в их работе. Их поведение предсказуемо и подконтрольно, другими словами, оно механическое. Предположили, что именно таково типичное классическое поведение, и, таким образом, весь ньютоновский мир считался работающим, как часовой механизм. В XX веке, и особенно в течение последних сорока лет, стало понятно, что это отнюдь не так.

Существует множество классических систем, которые чрезвычайно чувствительны к нюансам в условиях своего существования. Вследствие этого малейшее изменение совершенно изменяет их поведение. Согласно фразе, приписываемой Попперу, они «скорее облака, чем часы». Если образно описывать эту ситуацию, можно обратиться к эффекту бабочки: погодная система на Земле настолько чувствительна к малейшим колебаниям, что последствия колыхания воздуха крылышками бабочки где–то в джунглях Африки сегодня могут привести к шторму над Лондоном или над Нью–Йорком недели через три.

Теория хаоса

Теория таких сверхчувствительных систем была названа «теорией хаоса». Надо отметить, что название это неудачно, хотя теперь его уже не изменишь. Будущее, созданное непредсказуемым характером подобных систем, только представляется случайным: на деле оказывается, что это не совсем так. Совокупность возможностей находится строго в пределах так называемого «странного аттрактора».

Выражаясь математическими терминами, уравнения, описывающие хаотические системы, обладают свойствами рефлективности (результат имеет обратное воздействие на причину) и нелинейности (удвоение причины приводит не к простому удвоению результата, а к чему–то совершенно иному). Геометрический характер решения подобных уравнений совпадает не с непрерывными плавными кривыми, характеризующими примитивные системы, но с зубчатой формой фракталов (зубья пилы, сделанные из зубьев пилы, сделанных из зубьев пилы… — бесконечная пролификация структуры, сходной на каждой ступени, на которой она исследуется). Ньютон изобрел систему исчисления для работы с непрерывными плавными колебаниями. Оказалось, что описание физического мира требует того, чтобы наше математическое воображение поднялось над упорядоченной вероятностью. Общая форма, которую должна принять такая новая математика, еще не выработана. Ее изучение все еще находится на «естественно–исторической» стадии рассмотрения множеств конкретных примеров, предоставленных исследованием компьютерных моделей. Хаос есть ныне объект, управляемый компьютером.

Его часто называют «детерминированным хаосом», поскольку уравнения, из которых выводятся его модели, — это превосходно детерминированные и «послушные» уравнения. Если исходные данные заданы достаточно точно (строго определена начальная точка), они приводят к совершенно уникальной цепи событий. Однако малейшая неточность в исходных данных (хоть немного «плавающая» начальная точка) вскоре приведет к большой неточности в результатах, поскольку небольшие вариации вырастут экспоненциально и определят поведение.

Рассмотрим, например, воздух в комнате. То, как молекулы воздуха сталкиваются друг с другом, показано на адекватной современным задачам модели миниатюрных бильярдных шаров. Дано: в Ю'10секунды каждая молекула имела около 50 столкновений с соседними молекулами. Возникает вопрос: насколько точно необходимо знать исходные условия, если нужно вычислить с приемлемой точностью, будет ли 10'10секунды спустя какая–то конкретная молекула двигаться к стене или от стены? Столкновение бильярдных шаров — прекрасно определяемое событие (сам Ньютон первым выработал эту теорию). Но небольшая ошибка в деталях того, как сталкиваются два шара, оказывает очень большое влияние на то, в каких направлениях они разлетаются, что хорошо известно игрокам в пул и снукер. После 50 столкновений этот эффект увеличивается экспоненциально. Таким образом, в прогнозе будет допущена серьезная ошибка, если не было принято во внимание воздействие электрона (мельчайшей частицы материи), находящегося на другом конце обозримой вселенной (так далеко, как только можно) и взаимодействующего с молекулами воздуха в комнате через силу гравитации (самая слабая сила в природе). Этот поразительный вывод говорит не только о непредсказуемости хаотических систем, но также и о том, что их чувствительность к условиям требует необходимости рассматривать их всецело в контексте их окружения. Даже такая простая система, как молекулы воздуха, в таком коротком промежутке времени, как Ю'10секунды, требует буквально глобальных знаний для своего полного описания.

Были предложены различные метафизические интерпретации присущей теории хаоса комбинации детерминированных уравнений и видимой непредсказуемости поведения.

Детерминизм.Согласно самому распространенному предложению, уравнения принимаются на веру, и делается вывод о том, что сложное и внешне случайное поведение может корениться во внутренней простоте и детерминизме. В этой позиции есть определенная доля эпистемологического пессимизма, поскольку в таком случае невозможно отличить действительную случайность от видимой.

Открытость.Альтернативное предложение, выдвинутое Полкинхорном, заключается в том, чтобы первенство в интерпретации было отдано наблюдаемому поведению. Подобно тому, как принцип неопределенности Гейзенберга заставляет большинство физиков верить в непредсказуемость квантов, теория хаоса должна поддерживать уверенность в существовании реальности более тонкой и гибкой, чем подобный часам мир Ньютона. (То есть облака реальны, они не просто «разболтанные часы».)

Полкинхорн утверждает, что этот шаг естествен для критического реализма. Если у будущего есть причины, то такое предположение могло бы значить, что в числе этих причин не только действие силы энергообмена между компонентами. Поскольку пути через странный аттрактор различаются скорее в моделях поведения, чем в энергии, эти новые принципы имели бы больше отношения к структуре будущего поведения, чем к затраченной энергии. Поскольку хаотические системы не поддаются изоляции, эти новые каузальные принципы имели бы глобальный характер. Термин «активная информация» был придуман для описания такого нового вида причинности («активная» — из–за своей каузальной эффективности, «информация» — поскольку относится к формированию моделей поведения). Детерминированные уравнения, с которых начались математические исследования, в таком случае рассматриваются как аппроксимации, действующие лишь при том особом условии, что воздействием среды на систему можно безболезненно пренебречь. Это последнее условие ограничивает создание определенных режимов, тех, которые предназначены на самом деле для проведения экспериментальных исследований. Существование таких специальных изолированных условий — единственное, что делает возможным эмпирическую науку, потому что если бы необходимо было знать все до того, как что–то узнать, прогресс науки был бы невозможен. Таким образом, в предположении, что проверенные уравнения ньютоновской динамики приблизительны, нет конфликта с экспериментальным знанием.

Можно надеяться, что дальнейший прогресс в этой области будет достигнут с помощью сочетания динамики хаоса с квантовой теорией. В конце концов поведение хаотических систем, похоже, зависит от степени подробности на уровне неопределенности Гейзенберга и ниже.

Однако в понимании взаимодействия хаоса и квантовой реальности существуют большие технически сложности, и эти вопросы пока не имеют решения.

Порядок из хаоса

Дальнейшее расширение горизонтов научного воображения произошло благодаря исследованию диссипативных систем, далеких от равновесия, предпринятому Ильей Пригожиным и его коллегами. Это системы, которые поддерживаются благодаря притоку энергии извне. Второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия (единица измерения неупорядоченности) изолированной системы не может быть понижена, в этом случае не действует. Благодаря своему взаимодействию со средой, диссипативные системы способны экспортировать свою энтропию, что позволяет им генерировать и поддерживать высокоупорядоченную внутреннюю структуру. Формирование такой структуры может происходить спонтанно через рост небольших флуктуаций.

В качестве простого примера можно привести поток в жидкой среде (Бенар). Жидкость содержится между двумя горизонтальными пластинами, нижняя из которых находится под воздействием более высокой температуры, чем верхняя. Когда разница этих температур достаточно велика, происходит обмен тепла путем конвективного движения масс горячей жидкости от нижней пластины к верхней и обратного нисходящего потока остывшей жидкости. Оказывается, что такое движение высокоупорядоченно, и конвективные движения происходят в пределах шестиугольных ячеек разного размера. Этот спонтанно возникший порядок включает согласное движение триллионов молекул жидкости. Известно много примеров такого «порядка из хаоса» (по выражению Пригожина). Живые системы (организмы) поддерживают свою чрезвычайно сложную упорядоченность, будучи диссипативными системами (мы выдыхаем энтропию).

Сложность

Вся история вселенной, а особенно история биологической жизни на Земле, характеризуется постоянным увеличением сложности. История развивается от первоначального космоса, который был всего лишь шаром раздуваемой энергии, к вселенной звезд и галактик. А затем, по крайней мере, на одной из планет, развитие идет к воспроизводящим молекулам, к клеточным организмам, к многоклеточной жизни, к сознательной жизни и к человечеству. Хотя это произошло больше миллиарда лет назад, когда речь идет о возникновении структуры подобной сложности, кажется, что это произошло поразительно быстро. Простое эволюционное взаимодействие случайности и необходимости, несомненно, участвовало в этом процессе. Дарвин сообщил нам нечто очень ценное об истории жизни.

И все же интересно узнать, а не могла бы наука сообщить нам что–то еще. Предположение спонтанного возникновения порядка из хаоса и активной информации в качестве возможного причинного начала позволяет думать, что могла бы. Этой мысли способствует также изучение систем нервных сетей — множеств связанных между собой центров, способных оказывать друг на друга согласованное влияние. Снова мы сталкиваемся, при соответствующих условиях, со спонтанным возникновением структурированных моделей дальнего действия и очень специфического вида. Стьюард Кауффман предположил, что могут существовать определенные типы порядка, примеры которых часто можно найти в биологических системах, и что причиной этого служит естественная склонность материи самоорганизовываться определенными сложными способами. Другими словами, на ход биологической эволюции, с точки зрения Кауффмана, мог повлиять не только критерий приспособленности, направленный на выживание в определенной экологической нише, но также и внутренне присущие материи принципы упорядочения, благоприятствующие появлению структур специфического вида. (Очень простым примером из физики могла бы послужить конвекция Бенара, где шестиугольная модель организации ячеек превалирует над квадратной.) Эти научные предположения сейчас находятся лишь на предварительной стадии изучения, но вряд ли это будет говорить о широте взглядов, если они будут просто списаны со счетов на том веском основании, что дарвинизм не нуждается в дальнейшем исследовании. Напротив, существует таинственная и заманчивая перспектива лучшего понимания той великой тенденции к усложнению, что характеризовала историю вселенной и Земли.

Время

Святой Августин сказал, что знает, чем считалось время до того, как он стал о нем размышлять, а дальше начались его затруднения. Хотя временной процесс фундаментален для научной мысли, ученые также находятся в немалом замешательстве по поводу природы времени.

Обратимость

Если бы кто–то заснял на пленку столкновение бильярдных шаров, этот фильм имел бы одинаковый смысл, показали бы его в правильном порядке или в обратном. Процесс такого рода называется «обратимым во времени», у него нет внутренне определяемого «до» или «после». С другой стороны, фильм о большом количестве бильярдных шаров на качающейся поверхности, кончающийся на том, что все шары останавливаются, образуя совершенно правильный прямоугольник, такой фильм, разумеется, прокручен в обратную сторону, поскольку он показывает переход от беспорядка к упорядоченности, что противоположно нашему опыту. А наш опыт говорит нам, что скорее порядок уступает место беспорядку, чем наоборот. Это ощущение — выражение второго закона термодинамики, который гласит, что в изолированной системе энтропия не уменьшается. (Условие, что система должна быть изолированной, разумеется, обладает первостепенной важностью, поскольку с помощью постороннего вмешательства можно было бы, к примеру, без труда организовать шары в правильную фигуру.) Несмотря на обратимость во времени индивидуальных столкновений, система, состоящая из большого количества шаров, демонстрирует свойство необратимости, иначе говоря, она имеет естественно определенные «до» и «после». Не то что бы это было бы абсолютно невозможно, чтобы шары сами организовались в правильную фигуру, но это очень маловероятно, поскольку для этого необходимо, чтобы движения отдельных шаров были бы очень точно координированы. Иначе говоря, существует очень много способов достижения неупорядоченности и очень мало способов достижения упорядоченности. Беспорядок всегда доминирует благодаря этому огромному «численному преимуществу».

Этот пример с бильярдными шарами применим к физическому миру в целом. Кроме одного небольшого исключения (важного для молодой вселенной, но незначительного теперь), фундаментальные законы физики обратимы во времени. Необратимость появляется как свойство больших комплексных систем. Она связана с термодинамической тенденцией к повышению энтропии.

Стрела времени

Переход от «до» к «после» определяет направление того, что может быть названо «стрелой времени». На самом деле есть множество четких определений отдельных стрел.

Термодинамическая стрела.Она указывает в направлении увеличения энтропии.(Техническое замечание.В отношении применения термодинамики к целой вселенной существуют некоторые затруднения и спорные вопросы. Они возникают потому, что не вполне понятно, в каком точно смысле можно говорить, что вселенная — изолированная система, а также при учете некоторых термодинамических тонкостей, свойственных крупномасштабным гравитационным системам.)

Стрела усложнения (комплексификации).Она направлена от практически не структурированной молодой вселенной в сторону высоко структурированного современного мира. Наше предшествующее обсуждение диссипативных систем показывает, что нет никакого неразрешимого противоречия между появлением локальной структуры и вторым законом термодинамики.

Космическая стрела.Она указывает в том направлении во времени, в котором расширяется вселенная.

Психологическая стрела.Она определяется человеческим опытом изменяющегося настоящего, постоянно перемещающего нас «вперед» во времени, превращая неизвестное будущее в воспоминания прошлого.

Все эти стрелы указывают в одном и том же направлении. Такая взаимная согласованность не совсем понятна.

Одновременность

Ньютон предположил, что время абсолютно и течет постоянно, оно является тем, к чему каждый наблюдатель имеет свободный доступ. Великое прозрение Эйнштейна заключается в том, что к измерению времени необходим более инструментальный подход. Один наблюдатель может только синхронизировать свои часы с часами другого наблюдателя, если они обменяются сообщениями и будут знать, какое время затрачено на получение сообщений. (Наблюдатель получает сообщение: «Сейчас 12 часов», зная, что сообщение доходит за 5 минут, поэтому он ставит свои часы на 12.05.) Часть фундаментального основания специальной теории относительности — необходимые условия, заключающиеся, во–первых, в том, что ни одно сообщение не может дойти быстрее, чем скорость света, и, во–вторых, что скорость света одинакова для всех наблюдателей. Прямым следствием этих условий будет то, что определение одновременности отдаленных в пространстве событий зависит от состояния движения наблюдателя. Для того чтобы в этом убедиться, достаточно рассмотреть простой пример.

В центре космического корабля находится лампа, и корабль движется со скоростью, соотносимой со скоростью ближайшей планеты, что составляет ощутимую часть скорости света. Нос и корма корабля обозначены, соответственно, буквамиА и Б.Как только середина корабля проходит мимо наблюдателяН,находящегося на планете, лампа загорается. Другой наблюдатель,Н1находящийся на корабле, решит, что свет достигает пунктовА и Бодновременно, поскольку расстояние от середины корабля до них одинаково, а именно: ровно половина длины корабля. Наблюдатель Н, однако, придет к другому выводу. Свет лампы движется с одинаковой скоростью дляНиН1но для Н расстояние доБбудет меньшим, так как движение корабля, пока свет будет достигать кормы, сделает пунктБближе к Н, сократив, таким образом, время достижения этой точки. Соответственно, время для достижения пункта А для наблюдателяНувеличится. Итак, для наблюдателяНэти два события не будут одновременными. Отсюда можно сделать вывод, что абсолютной одновременности не существует: наблюдатели на планете и наблюдатели на корабле определяют ее по–разному.

Блок–вселенная

Динамические уравнения фундаментальной физики описывают то, как свойства изменяются с изменением временного параметра t, но они не содержат никакой явной связи с настоящим моментом. «Сейчас» — не есть часть современного научного описания мира, каким бы базовым ни казалось это понятие для нашего восприятия мира. Это обстоятельство привело некоторых философов и ученых к мысли, что все события, какой бы пространственной и временной локализацией они ни обладали, одинаково реальны, одинаково существующие. Тогда фундаментальной реальностью нужно считать весь пространственно–временной континиум, огромную глыбу застывшей истории, как можно было бы его назвать. Эта предполагаемая вневременная реальность носит название «блок–вселенная». Ее события имеют относительную временную последовательность («до» и «после»), но в ней нет разделения на прошлое и будущее, следующего из перемещения настоящего момента, который служит разделителем. Если мы примем такую точку зрения, то получится, что наше впечатление о том, что прошлое известно, а будущее неизвестно, — только обман психологической перспективы человека.

Также можно сказать, что наука просто не способна включить в себя понятие «сейчас», и интерпретировать этот факт как указание на то, что описание реальности только в терминах современной физической теории неполно. Тогда теорию «непрерывной вселенной» можно было бы расценить как неудачную попытку сделать метафизический империализм частью физики.

Иногда для поддержки концепции «непрерывной вселенной» призывается специальная теория относительности. Разные наблюдатели конструируют различные плоскости одновременности в пространстве–времени (они «нарезают» его по–разному своими различными версиями временного статуса отдаленных событий). Ни одна из них не может пользоваться правом преимущества перед другой, все они должны считаться одинаково реальными. Таким образом, при сложении их вместе и получается та самая вневременная реальность пространства–времени как единого целого. По зрелому размышлению, однако, выясняется, что такой аргумент некорректен. Оценка любым наблюдателем отдаленных одновременных событий — всегда ретроспективная конструкция, поскольку наблюдатель не может знать, что такое событие произошло, пока он не получит необходимого сигнала, а на получение этого сигнала всегда нужно время. А к тому моменту, как он его получит, рассматриваемое событие уже однозначно будет в прошлом (технически: это будет обратный угол зрения наблюдателя). Таким образом, аргумент не достигает намеченной цели, поскольку не имеет отношения к вневременной реальности будущего.

Конечно, если существует истинный момент «сейчас», он должен соответствовать особому определению времени, выбранному из совокупности всех физически возможных вариантов. Если говорить о физике специальной теории относительности, такой вариант будет скрытым (физически неопределяемым), но это лишь вызывает трудности для того, кто, вооружившись материалистическим редукционистским взглядом, считает, что физика сама по себе должна быть в состоянии достоверно и полностью описывать все, что происходит.

Рассуждая логически, вопрос о реальности блок–вселенной отличается от вопроса о том, какая каузальная связь может быть между пространственно–временными событиями. Для блок–вселенной не существует логической необходимости быть детерминированной вселенной. Однако между этими двумя понятиями все же существует некоторая алогичная связь. С одной стороны, в детерминированной вселенной полное знание настоящего позволило бы всецело предсказать будущее и полностью знать прошлое (на что указал Лаплас еще два столетия назад). И таким образом, в этом смысле было бы вполне естественным наделить прошлое, настоящее и будущее равным онтологическим статусом. С другой стороны, открытая, недетерминированная вселенная, обладающая множеством действующих каузальных принципов, включая выбор каждой свободно действующей личности, представляется, в отличие от мира статической вневременности, миром реального становления, в который вписывается реальность перемещающегося настоящего момента.