Почему существует наш мир? Экзистенциальный детектив - Джим Холт

Интерлюдия:

Все из бита

Математический платонизм в конце концов оказался неподходящим объяснением Бытия, однако его недостатки наводят на более глубокие размышления о природе реальности. Из чего состоит реальность на самом фундаментальном уровне? Классический ответ на этот вопрос дал Аристотель:

реальность = материя + форма.

Эта доктрина Аристотеля известна под названием «гилеморфизм», от греческого «гиле» (материя) и «морфе» (форма, структура). Она утверждает, что в действительности существует лишь то, что состоит из формы и материи. Материя без формы есть хаос – что для древних греков было равнозначно Ничто. А форма без материи есть лишь призрак бытия, онтологическая улыбка Чеширского кота.

Но верно ли это?

На протяжении последних нескольких веков наука неустанно подкапывала под основание аристотелевского понимания реальности. Чем лучше становятся наши научные теории, тем меньше «материи» в них остается. Дематериализация природы началась с Исаака Ньютона, чья теория гравитации использует кажущееся сверхъестественным понятие «действия на расстоянии». В теории Ньютона Солнце дотягивается до Земли силой своего гравитационного притяжения, хотя между ними нет ничего, кроме пустого пространства. Чем бы ни был этот механизм влияния тел друг на друга, никакой промежуточной «материи» он не включает. Сам Ньютон по этому поводу скромно заявил: Hypotheses non fingo, гипотез не измышляю.

Если Ньютон дематериализовал природу на самых больших расстояниях, от Солнечной системы и дальше, то современные физики сделали то же самое на самых маленьких возможных расстояниях – от размера атома и меньше. В 1844 году Майкл Фарадей заметил, что материю можно распознать только по силам, действующим на нее, и спросил: «Почему мы вообще должны считать, что она существует?»130 Физическая реальность, по мнению Фарадея, на самом деле состоит не из материи, а из полей – то есть является чисто математическими структурами, заданными точками и числами. В начале XX века атомы, которые долго считались образцом твердости, оказались состоящими в основном из пустоты. А квантовая теория показала, что составляющие их субатомные частицы (электроны, протоны и нейтроны) ведут себя скорее как сгустки абстрактных свойств, чем как маленькие бильярдные шарики. На каждом более глубоком уровне то, что считалось материей, оказывалось чистой структурой. Последним достижением в этом многовековом процессе дематериализации природы является теория струн, которая строит материю из чистой геометрии.

Само понятие непроницаемости, на котором основано наше повседневное понимание материального мира, оказывается чем-то вроде математической иллюзии. Почему мы не проваливаемся сквозь пол? Почему камень отскакивает, когда доктор Джонсон его пинает? Потому что два твердых объекта не могут проникнуть друг в друга, вот почему. Однако причина, по которой они этого не могут, не имеет никакого отношения к некой присущей материи внутренней твердости – скорее, дело в числах. Чтобы сжать два атома вместе, нужно поместить электроны в этих атомах в идентичные квантовые состояния, а в квантовой теории это запрещено принципом Паули, который разрешает двум электронам сидеть друг на друге, только если их спины противоположны.

Что касается устойчивости отдельного атома, то это тоже в основном математическая проблема. Что не позволяет электронам в атоме упасть на ядро? Если бы электроны находились на ядре, мы бы знали точное местоположение каждого из них (прямо в центре атома), а также их скорость (нулевую). И это нарушило бы принцип неопределенности Гейзенберга, который не позволяет одновременно определить координаты и количество движения частицы.

Таким образом, твердость обычных материальных объектов вокруг нас – столов, стульев, камней и так далее – является следствием принципа запрета Паули и принципа неопределенности Гейзенберга. Другими словами, она сводится к паре абстрактных математических отношений.

На самом фундаментальном уровне наука описывает элементы реальности в терминах их отношений друг с другом, игнорируя любые «материальные» черты, которыми могут обладать эти элементы. Например, наука говорит нам, что электрон имеет определенную массу и заряд, но они являются всего лишь свойствами, позволяющими другим частицам и силам действовать на электрон определенным образом. Наука говорит нам, что масса эквивалентна энергии, но не объясняет, что такое энергия – помимо того, что это некое число, которое, будучи правильно вычисленным, сохраняется во всех физических процессах. Как заметил Бертран Рассел в своей книге «Анализ материи», изданной в 1927 году, когда дело доходит до истинной природы сущностей, составляющих мир, наука хранит молчание. Она дает нам только гигантскую паутину взаимоотношений – только структура и никакой материи. Сущности, из которых состоит физический мир, подобны шахматным фигурам: значение имеет не материал, из которого она сделана, а роль, предопределенная для каждой фигуры системой правил, согласно которым она может двигаться.

С точки зрения физики реальность очень похожа на то, как Фердинанд де Соссюр, отец современной лингвистики, представлял себе язык больше века назад. Соссюр утверждал, что язык является лишь системой отношений, слова не имеют внутренней сущности. Сам по себе характер издаваемых нами звуков не имеет отношения к общению – важна система контрастов между этими звуками. Именно это имел в виду Соссюр, когда писал: «В языке существуют лишь различия без положительных элементов»131.

Утверждение Соссюром превосходства структуры над материей вдохновило движение структуралистов, которое смело экзистенциализм во Франции в конце 50-х годов. В антропологии сторонником этой идеи был Клод Леви-Стросс, в литературной теории – Ролан Барт. Ее расширение на Вселенную в целом вполне можно назвать «космическим структурализмом». Если реальность в самом деле лишь чистая структура, то ее можно описывать совершенно другими способами – например, способом Пенроуза и Тегмарка. С их точки зрения, реальность по сути своей является математической: ведь математика – это наука о структуре, она ничего не знает о материи и абсолютно в ней не нуждается. Структурно одинаковые миры, сделанные из разных субстанций, для математика идентичны. Такие миры называются изоморфными, от греческого «изос» (одинаковый) и «морф» (форма). Если Вселенная снизу доверху есть лишь структура, то она может быть полностью описана с помощью математики. И если математические структуры существуют объективно, то Вселенная должна представлять собой одну из таких структур. По крайней мере, именно это, видимо, имеет в виду Тегмарк, когда говорит, что «все математические структуры существуют физически»132. Если в действительности никакой материи нет, то математическая структура равнозначна физическому существованию. Кому нужна плоть, если достаточно костей?

Есть несколько отличающийся от этого взгляд на безматериальную реальность: мир состоит не из математики, а из информации. Этот взгляд физик Джон Арчибальд Уилер выразил чеканным лозунгом: «Все из бита». Уилер, который работал с Альбертом Эйнштейном и преподавал Ричарду Фейнману, обладал даром чеканить подобные фразы – именно он придумал «черную дыру», «кротовую нору» и «квантовую пену».

Теория «все из бита» выглядит следующим образом. В самом основании наука нам говорит только о различиях: как различия в распределении массы/энергии связаны с различиями в форме пространства-времени, например, или как различия в заряде частицы связаны с различиями в силах, которые она испытывает и прилагает. Таким образом, состояния Вселенной могут рассматриваться как чисто информационные состояния. Как сказал однажды британский астрофизик сэр Артур Эддингтон: «Наши знания о природе объектов, изучаемых физикой, полностью состоят из показаний стрелок на циферблатах приборов»133. «Среда», в которой реализуются эти информационные состояния, чем бы она ни была, не играет никакой роли в объяснении физических явлений. Поэтому о ней можно полностью забыть – отрезать ее бритвой Оккама. Мир представляет собой лишь поток чистых различий, безо всякой подлежащей субстанции. Информации («бита») достаточно для существования («всего»).

Некоторые сторонники теории «все из бита» заходят еще дальше и рассматривают Вселенную как гигантскую компьютерную симуляцию. Эд Фредкин и Стивен Вольфрам, разделяющие эту точку зрения, считают, что Вселенная является «матричным автоматом», который использует простую программу для создания сложных физических результатов. Пожалуй, самый радикальный из сторонников идеи космоса как компьютера – это американский физик Фрэнк Типлер. Удивительная особенность представлений Типлера в том, что в них нет никакого реального компьютера: весь космос есть лишь программа, без устройства. В конце концов, компьютерная симуляция – это работа программы, а программа, по сути, является правилом преобразования цепочки чисел на входе в цепочку чисел на выходе. Таким образом, любая компьютерная симуляция (например, симуляция физической Вселенной) соответствует последовательности чисел – то есть является чисто математической сущностью. И если математические сущности обладают вечным платоновским бытием, то, по мнению Типлера, существование мира полностью объяснено: «на самом фундаментальном онтологическом уровне физическая Вселенная является концепцией»134.