Эволюция научной картины мира

Рассмотрим, как изменялись ключевые представления о мироздании и его законах по мере эволюции научной картины мира. Помимо че­тырех научных картин мира, мы будем обращаться и к картинам ми­ра античных натурфилософов.

6.2.1. Представления о материи

Представление о единой субстанции, являющейся первоосновой все­го сущего и ведущей себя в соответствии с определенными объектив-

10 Зак. 1033

290 Глава 6. Научная картина мира

6.2. Эволюция научной картины мира 291

ными законами, которые можно и должно познать, возникло в Древ--ней Греции. Впервые отчетливую форму это представление приня-;. ло у мыслителей ионийской школы — Фалеса и его последователей.' В античной Греции лежит также начало многовекового противостоя­ния корпускулярной (атомистической) и континуальной программ описания мира.

В механической картине мира под материей понималось вещест­во, состоящее из частиц, вечных и неизменных. Основная абстракция < ньютоновской механики, материальная точка, — это как раз абст­ракция дискретной неделимой частицы.

В электромагнитной картине мира появилось представление еще об одной форме материи — физическом поле, непрерывном в про­странстве, не имеющем определенных границ и тем самым принци-. пиально отличающемся от вещества.

В неклассической картине мира непреодолимая граница между' полем и веществом исчезает. Согласно концепции корпускулярно-волнового дуализма, все поля квантуются, т. е. могут рассматривать­ся как совокупность частиц; с другой стороны, каждая элементарная частица может рассматриваться как квант некоторого поля.

В неклассической картине появляется, а в постнеклассическои. окончательно утверждается представление о том, что вакуум, кото­рый ранее рассматривался как абсолютная пустота, лишенное мате­рии пространство, на самом деле также представляет собой форму' материи, обладающую сложными и нетривиальными свойствами, ко-' торые во многом определяют динамику развития Вселенной.

6.2.2. Представления о движении

В античности наиболее глубокие и разработанные представления о| движении принадлежат Аристотелю. Движение он понимал предель-.-но широко — как возникновение или уничтожение определенных* тел, их рост или уменьшение, как изменение качества и, наконец, как| перемену места, перемещение. Аристотель доказывал вечность дви-f жения, однако отвергал идею о самодвижении материи. Все движу'-л щееся движимо другими телами, а мир в целом приводится в движе-'-f ние неким перводвигателем. Перводвигатель, согласно Аристотелю,! неподвижен (в противном случае был бы первоперводвигатель) и веч чен (ибо движение, вызываемое им, вечно).

та

В неклассической картине мира признается невозможность исчер­пывающего описания движения (принцип дополнительности). Для микрочастиц не имеет смысла понятие траектории движения, по­скольку ее задание предполагает точное знание координаты и скоро­сти частицы в каждый момент времени, а это запрещено соотноше­ниями неопределенности. По аналогичным причинам невозможно абсолютно точно (в классическом смысле) описать изменение элек­тромагнитного поля. Закон сохранения энергии оказывается спра­ведливым лишь в той степени, в которой квантовомеханические ограничения позволяют проконтролировать его выполнение. Выяс­няется фундаментальная роль принципиально непредсказуемых, хао­тических форм движения (тепловые и квантовые флуктуации, дина­мический хаос, мутации).

В постнеклассическои картине мира Вселенная предстает не про­сто в движении, а в развитии. Особое внимание уделяется необра­тимости движения, невозможности возврата в однажды пройденное состояние. Необратимые процессы деградации (в соответствии со вторым законом термодинамики) и эволюции рассматриваются как необходимые диалектические противоположности, движущие миро­выми процессами. Формулируются универсальные для любых уров­ней организации материи законы развития.

6.2.3. Представления о пространстве и времени

Натурфилософы античности заложили основы двух подходов к по­ниманию пространства и времени (п. 2.2.1) — субстанциального (пространство-пустота и время-длительность обладают собствен­ным, не зависящим от материи бытием) и реляционного (пространст-

292 Глава 6. Научная картина мира

6.2. Эволюция научной картины мира 293

во и время — всего лишь система отношений между материальны* телами).

В механической картине мира господствует субстанциальное пс. нимание пространства и времени. Абсолютное пространство и Абсс лютное время Ньютона бесконечны, однородны, находятся вне мате риальных тел и не зависят от них.

Однако эти представления и следствия из них (классический зг кон сложения скоростей) входят в противоречие с теоретическим соображениями (неинвариантность уравнений электродинамики от носительно преобразований Галилея) и экспериментальными данны'| ми (опыт Майкельсона-Морли). Поэтому электромагнитная кар го­на мира становится внутренне согласованной лишь после создания Эйнштейном специальной теории относительности (СТО) — новое, системы физических представлений о свойствах пространства и вре-ji мени. В СТО пространство и время рассматриваются в рамках рИ ляционного подхода как система отношений между материальными телами. Отсюда вытекает относительность одновременности, про-? странственных и временных промежутков. Непротиворечивость при-! чинно-следственных связей в нашем мире обеспечивается невозмож^ ностью перемещения со сверхсветовыми скоростями. Пространстве' и время оказываются симметричными сторонами единого простран­ственно-временного континуума. Отсюда вытекают естественные свя"4 зи между энергией и импульсом, массой и энергией, электрически? и магнитным полями.

Дальнейшее углубление научных представлений о пространстве-времени связано с развитием общей теории относительности (ОТО)? которое шло хронологически параллельно становлению неклассиче­ской картины мира, до поры до времени не будучи слишком тесн(' связанной с ней.

В ОТО устанавливается физическая эквивалентность материаль­ного объекта — гравитационного поля - определенным геометриче-; ским свойствам пространства-времени. Таким образом, размывается грань между реляционным и субстанциальным подходами. Связь жду материей и пространством-временем оказалась более тесной взаимной, чем обычная связь между объектом и его свойствами. С факт присутствия и движения материальных тел искривляет р странство и изменяет темп течения времени; и наоборот, искривлен ние пространства-времени определяет характер движения тел. Воз­никает идея, что не только гравитация, но и другие фундаментальные взаимодействия сводятся к геометрическим свойствам пространст-

ва-времени (программа геометризации физики). Для реализации этой идеи рассматриваются модели дополнительных пространственных измерений (теория Калуцы-Клейна пятимерного пространства-вре­мени, ее усовершенствование Эйнштейном, дальнейшие современные разработки). Исследование геометрии пространства-времени стано­вится основой научной космологии.

В постнеклассической картине мира тенденция к признанию про­странства-времени полноправным, активным, сложно устроенным структурным элементом Вселенной получила дальнейшее развитие, особенно благодаря пониманию вакуума как особой формы материи. В физических статьях последних лет уже без кавычек употребляется термин «энергия пространства», под которой понимается энергия фи­зического вакуума, описываемая Л-членом в уравнениях Эйнштейна (п. 5.1). Общепризнанным становится положение о том, что в ультра­микроскопических масштабах (КИ⁵ м, 1(И³ с) квантовые флуктуа­ции вакуума делают непригодными обычные понятия «до-после», «ближе-дальше», «точка пространства», «момент времени»; образ­ное представление о пространственно-временной ткани в этих мас­штабах дает распространенное выражение «квантовая пена». Рассмат­риваются модели возникновения Вселенной в результате квантовых флуктуации пространства-времени.

6.2.4, Представления о взаимодействии

В механической картине мира впервые формируется понятие взаи­модействия как взаимного действия, в то время как у Аристотеля, на­пример, взаимодействие понималось как действие движущего на движимое, но не наоборот. Рассматривался единственный тип взаи­модействия — гравитация. В духе концепции дальнодействия счита­лось, что взаимодействие передается мгновенно и без какого-либо материального посредника.

В электромагнитной картине мира возникает совершенно иной, полевой механизм взаимодействия. Передача взаимодействия от од­ной точки пространства к другой осуществляется материальным по­средником — полем {концепция близкодействия). Изменение состоя­ния одного из взаимодействующих тел вызывает возмущение созда­ваемого им поля. Это возмущение, распространяясь со скоростью не более скорости света, достигает второго тела, и лишь тогда состояние последнего начинает меняться. Признается два типа взаимодейст­вия — гравитационное и электромагнитное, и нет особых причин считать этот перечень исчерпывающим.

294 Глава 6. Научная картина мира

6.2. Эволюиия научной картины мира 295

В неклассической картине мира полевой механизм передачи взаи- \ модействий расширяется с учетом корпускулярно-волнового дуа­лизма и превращается в квантово -полевой механизм. Взаимодействие теперь можно рассматривать не только как результат порождения полей, но и как результат обмена виртуальными частицами — кванта­ми соответствующего поля. Фундаментальных взаимодействий на­считывается уже четыре; их свойства определяются свойствами час­тиц — переносчиков взаимодействия.

В постнеклассической, эволюционной картине мира повышенное внимание уделяется таким проявлениям взаимосвязи между матери­альными объектами, которые возникают не в силу их непосредствен­ного взаимодействия, а в силу общности происхождения. Наиболее яркий пример — антропный принцип (п. 4.7.4), утверждающий, что физические свойства Вселенной определяются фактом существова­ния в ней разумного (т. е. сложно устроенного) наблюдателя. Сами фундаментальные взаимодействия- рассматриваются как гомологич­ные, произошедшие в первые мгновения существования Вселенной из единого универсального взаимодействия в результате цепочки на­рушений симметрии.

6.2.5. Представления о причинности и закономерности

В любой рационалистической и тем более научной картине мира ка­ждое явление должно иметь естественную причину. Допущение о возможности событий беспричинных или вызванных сверхъестест­венными причинами означает отказ от программы рационального объяснения мира, в рамках которой только и имеет смысл научная деятельность. Однако связь между причиной и следствием понима­лась по-разному, порождая разные представления о природных зако­номерностях и отражающих их научных теориях.

В механической картине мира считалось, что следствие из причи­ны вытекает однозначно и определяется в конечном счете законами механики. Сформировалась концепция механического детерминиз­ма, согласно которой в принципе возможно дать точное механиче­ское описание любого будущего или прошлого состояния Вселенной по ее современному механическому состоянию.

Уравнения электродинамики, так же как и уравнения механики, дают возможность точного и однозначного расчета значений элек­трического и магнитного полей в любой будущий или прошедший

момент времени при условии, что абсолютно точно известно их ис­ходное распределение в пространстве. Поскольку выполнение по­следнего условия считалось в принципе достижимым, электромаг­нитной картине мира, так же как и механической, свойствен жесткий детерминизм.

Классическая механика и электродинамика — это динамические теории, для которых характерна однозначная связь между значения­ми физических величин, характеризующих исследуемую систему. Благодаря их успехам (прежде всего механики) они рассматривались как образец построения любой научной теории вообще. Однако уже в XIX в. возникают первые статистические теории (молекулярно-кинетическая теория газов, дарвиновская теория эволюции), в кото­рых однозначная причинно-следственная связь устанавливается не между самими величинами, характеризующими систему, а между ве­роятностями значений, принимаемых этими величинами.

Поначалу статистические теории рассматривались как трюк, при­ем, позволяющий найти приближенное решение задачи в условиях, когда мы либо не знаем всех факторов, влияющих на поведение при­родной системы, либо в силу ограниченности своих возможностей не в состоянии учесть эти факторы должным образом. Однако с те­чением времени появлялось все больше указаний на то, что приме­нимость динамических теорий ограничена не техническими, а прин­ципиальными причинами. Обнаружились простые системы (в том числе механические), точное предсказание поведения которых тре­бует точности задания начальных условий, не достижимой никакими практическими средствами. В генетике появилось понятие мутации как принципиально случайного, непредсказуемого события, и, опи­раясь на этот постулат, генетика добивается в XX в. огромных успе­хов. В квантовой механике было установлено, что точное задание состояния физической системы в смысле механики или электроди­намики невозможно даже теоретически (соотношения неопределен­ностей), и тем самым была выбита основная опора из-под концепции механического детерминизма. Согласно квантовой механике, вся до­ступная информация о состоянии системы заключена в ее волновой функции, но последняя позволяет рассчитать лишь вероятность тех или иных значений параметров системы. Таким образом, в некласси­ческой картине мира тезис о фундаментальной роли динамических теорий окончательно дискредитируется.

В постнеклассический период развития естествознания постепен­но становится понятно, что статистические закономерности не про-

296 Глава 6. Научная картина мира

6.2. Эволюиия научной картины мира 297

сто равноправны с динамическими, но более фундаментальны. Они; точнее и детальнее отражают свойства реального мира. Более того,' случайные флуктуации, хаос, предстают не как неизбежное зло, а как| бесконечно мощный источник разнообразия, из которого рождаются \ все упорядоченные структуры Вселенной. Развитие, эволюция, воз-^; никновение нового осуществляется в момент выбора развивающейся \ системой одной из бесконечного спектра возможностей, предоставь:| ляемых ей игрой случайностей. Будущее в постнеклассической кар­тине мира причинно связано с прошлым, но не предопределяется им, а лишь направляется.

Одним из важнейших источников случайности, непредсказуемо-^ сти нашего мира является принципиальная невозможность отделить объект от его окружения. Чтобы предсказать будущее системы, мы должны ее изучить, но любое исследование оказывается неизбежно связанным с воздействием исследователя на изучаемый объект, при­чем воздействием неконтролируемым. Неконтролируемо и влияние на систему тепловых, квантовых или иных флуктуации. Лишь в тех а случаях, когда в силу конкретных особенностей системы влиянием | на нее действий исследователя и флуктуации можно пренебречь, ста-, новятся применимыми динамические закономерности и возможны-' ми — точные прогнозы.

6.2.6. Космологические представления

В античной культуре авторитет Аристотеля был столь велик, что на
века утвердилась предложенная им и математически оформленная
Птолемеем следующая картина мироздания. В центре мира находит­
ся неподвижная шарообразная Земля. Вокруг нее вращаются сферы,
к которым прикреплены небесные светила. Самая удаленная — сфера •
неподвижных звезд, которая является границей космоса. Ближайшая,
к Земле — сфера Луны, отделяющая надлунный мир совершенных
круговых движений от несовершенного подлунного мира. Надлунные
тела построены из вечного, неуничтожимого эфира, не подверженно­
го никаким изменениям и превращениям. Вне сферы неподвижных..
звезд нет ни времени, ни пространства, ни пустоты, а есть только не-^ч
подвижный вечный перводвигатель, в понимании Аристотеля — Бог. \
Устройство Вселенной в целом мыслилось статичным. \

В механической картине мира также считалось, что Вселенная на- \ ходится в стационарном состоянии, т. е. с течением времени ее общие свойства не изменяются. Кроме того, она мыслилась бесконечной во. времени и в пространстве.

Уже в XVTH-XIX вв. появляются первые сомнения в справедливо­сти такой картины. Так, астроном Ольберс в начале XIX в. сформули­ровал знаменитый парадокс, получивший название фотометрическо­го. В бесконечной, вечной и неизменной Вселенной линия взгляда, устремленного в любую точку небесной сферы, должна рано или позд­но упереться в поверхность какой-нибудь звезды. Поэтому во Вселен­ной, устроенной по Ньютону, все ночное небо должно светиться, как поверхность Солнца, в то время как непосредственное наблюдение обнаруживает лишь отдельные светящиеся точки ближайших звезд.

Гипотеза Канта-Лапласа о происхождении Солнечной системы стала первой попыткой описать на основе научных представлений направленное, поступательное развитие по крайней мере ограничен­ной части Вселенной. С другой стороны, открытие в середине XIX в. второго закона термодинамики поставило на повестку дня проблему тепловой смерти Вселенной: можно ли считать, что мир неумолимо движется к некоторому конечному состоянию, однородному и бес­структурному? Однако средств для того, чтобы объективно описы­вать состояние Вселенной в целом, тогда еще не было.

Создание общей теории относительности положило начало раз­витию научной космологии. Уравнения ОТО позволяли создавать математические модели Вселенной, предсказания которых могли быть проверены наблюдениями. Из моделей вытекало, что Вселен­ная в принципе не может находиться в стационарном состоянии — и открытие Э. Хабблом разбегания галактик блестяще подтвердило этот теоретический вывод. Более того, из результатов Хаббла и тео­ретических соображений следовало, что Вселенная имела начало, от­деленное от нашего времени несколькими миллиардами лет.

Дальнейший прогресс в развитии космологических представле­ний связан с развитием квантовой физики элементарных частиц, необходимой для понимания процессов, происходивших на заре су­ществования Вселенной, и с успехами наблюдательной астрономии, позволившими отбросить множество разработанных теоретиками мо­делей эволюции Вселенной и тем самым укрепить доверие к немно­гим оставшимся, которые выдержали все проверки.

В современном представлении Вселенная — это эволюциониру­ющая целостность, история которой состоит из нескольких этапов. Каждый из этапов эволюции Вселенной отличается от других осо­бым состоянием и динамикой ее вещества, излучения и пространст­ва-времени, а также степенью сформированности космических струк­тур (например, галактик, звезд и планет). Удивительно, но оказалось,

298 Глава 6. Научная картина мира

6.3. Естественнонаучная информационная картина мира 299

что свойства мира как целого зависят от свойств элементарных час­тиц и взаимодействий между ними. Небольшое изменение любой из фундаментальных констант, таких как заряд и масса электрона, по­стоянная G в законе всемирного тяготения, постоянная Планка, ско­рость света, удельная энергия вакуума Лит. д., направило бы разви­тие Вселенной совершенно по иному пути.

6.3. Естественнонаучная информационная картина мира¹

Как отмечалось в п. 1.9, современный этап развития науки отмечен выдвижением на ведущие роли полидисциплинарных наук — эколо­гии и синергетики. В том же ряду стоит и информатика, однако ее обычно не относят к естественнонаучным дисциплинам.

В отличие от традиционных новые полидисциплинарные науки, по выражению одного из создателей синергетики И. Р. Пригожи-на, изучают не столько существующее, сколько возникающее. Дейст­вительно, для синергетики природа систем, в которых происходит самоорганизация, не слишком важна: она интересуется общими за­кономерностями порождения упорядоченных структур. Для эколо­гии предметом интереса служат не сами элементы экосистем, а уста­навливающиеся между ними взаимосвязи и изменение этих взаи­мосвязей — естественное и антропогенное. Как следствие, может возникнуть ложное впечатление, что эти науки изучают нечто ис­кусственное. Но гораздо чаще такое впечатление возникает по отно­шению к информатике.

Главное понятие информатики — это, естественно, информация. Однако представления о сущности этого фундаментального понятия часто не поднимаются выше обыденного уровня. Сравните, напри­мер, определение из энциклопедического словаря «Информатика», согласно которому «информация — это содержание сообщения, сиг­нала, памяти, а также сведения, содержащиеся в сообщении, сигнале или памяти», со статьей из «Словаря русского языка» С. И. Ожегова: «ИНФОРМАЦИЯ... 2. Сообщения, осведомляющие о положении дел, о состоянии чего-н.». Эти и подобные им определения подразумевают, что информация (т. е. сообщение) имеет личного автора и целевую аудиторию, к которой он обращается. В результате возникает широко

Раздел написан совместно с Е. И. Свиридовой по материалам ее диссертации.

распространенное убеждение в искусственной природе информа­ции — своего рода концепция «информационного креационизма».

В ходе развития наук о природе сформировалась естественнона­учная информационная картина мира, в которой все мировые процес­сы — в том числе происходившие до возникновения человека и происхо­дящие без его участия — сопряжены с порождением, преобразованием и утратой информации.

Информация в этой картине есть категория столь же фундамен­тальная, как энергия или энтропия, и столь же универсальная для описания любых процессов, искусственных или естественных. Имен­но в силу фундаментальности понятия информации существует столь­ко разных ее определений. Но на самом деле оно первично, как поня­тия точки и прямой в геометрии, и потому не может быть выражено через более общие, а лишь пояснено, проиллюстрировано в своих бо­лее или менее частных проявлениях. Не зря Большая советская эн­циклопедия избегает общего определения информации.

Естественнонаучная информационная картина мира выступает как подсистема общенаучной картины мира, дополняющая и уточ­няющая практически все важнейшие элементы последней.

6.3.1. Информация и материя

♦♦♦ Информация есть свойство, атрибут, характеристика материальных объектов и взаимодействий между ними.

Подобно тому как энергия не существует сама по себе, «в чистом ви­де» (с. 64), как не являются самостоятельными субстанциями про­странство и время (п. 6.2.3), так нет информации без материального носителя.

Формула Шеннона А/ = -AS (с. 153), лежащая в основе теории информации, устанавливает связь информации с энтропией — фи­зической величиной, характеризующей процессы превращений энер­гии в природе, — и делает возможным объективное определение ко­личества информации. Информация, согласно формуле Шеннона, выступает как антипод энтропии. Она отражает степень структури­рованности, неоднородности, упорядоченности и сложности матери­ального объекта или системы. Важность этих характеристик в совре­менной научной эволюционной картине мира трудно переоценить.

♦ Переработка информации любого происхождения связана с измене­нием состояния ее материальных носителей и требует затрат энергии.

300 Глава 6. Научная картина мира

6.3. Естественнонаучная информационная картина мира 301

Точнее говоря, она сопряжена с рассеянием энергии, переводом ее в менее качественные формы (теплоту). Из термодинамики и теории информации следует, что для обработки или передачи одного би­та информации требуется рассеять не менее kT- 1п2 Дж энергии, где k — постоянная Болъцмана (с. 149), Т — температура. Наглядная ил­люстрация этому — проблема охлаждения мощных процессоров в персональных компьютерах. Конечно, пока что нагрев процессоров обусловлен в гораздо большей степени неоптимальностью (в термо­динамическом смысле) их конструкции, но как бы ни совершенство­валась конструкция, сделать тепловыделение ниже указанного пре­дела невозможно.

♦!♦ Информационные характеристики материи явно или неявно исполь­зуются в формулировке многих законов природы.

Например, второй закон термодинамики может быть представлен как утверждение о неизбежности убывания с течением времени ин­формации о состоянии замкнутой системы (п. 4.4.5).

В квантовой механике известен принцип Паули, согласно которо­му никакие два электрона, принадлежащие одной системе, не могут находиться в одинаковых квантовых состояниях. Принцип Паули определяет своеобразие свойств металлов, природу ковалентной хи­мической связи и многие другие черты нашего мира. Однако он — лишь следствие более общего принципа, гласящего, что любые две элементарные частицы одного сорта (два электрона, два фотона, два нейтрино и т. д.) не различимы никакими измерениями: если мы по­меняем их местами, ничто в мире от такой перестановки не изменит­ся. Принцип неразличимости по своей природе очевидно информа­ционный: он фактически утверждает, что

♦ принципиально невозможно получить информацию о том, какую
именно частицу (из всех подобных ей) мы наблюдаем.

Из законов квантовой механики и принципа неразличимости эле­ментарных частиц вытекает еще более далеко идущий вывод:

♦ передача информации может быть полностью эквивалентна физиче­
скому перемещению материального обьекта (так называемая «кванто­
вая телепортаиия»)¹.

Квантовую телепортацию предсказали Эйнштейн, Подольский и Розен в их знаменитой работе 1935 г. Они обратили внимание, что

ZeilingerA. Quantum teleportation // Scientific American. 2000. № 4. P. 32-41.

квантовая механика допускает такие состояния многочастичной си­стемы (впоследствии получившие название «сцепленных¹ состоя­ний»), в которых система ведет себя как единое целое независимо от того, насколько разнесены в пространстве ее составные части. Тогда манипуляции с одной из частиц системы (например, измерение ка­кой-либо ее характеристики) мгновенно отражаются на состоянии всех других, как бы далеко от первой они ни находились. Это каза­лось противоречащим закону о невозможности передачи взаимодей­ствия со сверхсветовой скоростью (п. 2.5.1) и потому рассматрива­лось Эйнштейном с его соавторами как пример доведения до абсурда, демонстрирующий противоречивость или неполноту квантовой ме­ханики.

Однако в 1997 г. группа австрийского физика А. Цайлингера про­демонстрировала квантовую телепортацию экспериментально². Они создавали два фотона в сцепленном состоянии, таком, что поляриза­ция каждого из них (до измерения) не определена, но обязательно должна отличаться от поляризации второго члена пары. Тогда если через некоторое время после создания пары один фотон попадает в прибор наблюдателя А и обнаруживает горизонтальную поляриза-

Досветовой сигнал Рис. 5.3. Схема экспериментов группы Цайлингера

¹ Англ. entangled.

² BouwmeesterD., PanJ.W., MattleK., EMM., ZeilingerA. Experimental quantum teleporta-'
tion // Nature, 390. P. 575-579 (December 11, 1997); Компьютерра, 2001, № 8(385).
О. 22— 23.

302 Глава 6. Научная картина мира

цию, то второй фотон, где бы он ни был, переходит в такое состояние, что при попадании в прибор наблюдателя Б обязательно обнаружит вертикальную поляризацию (рис. 5.3). Если же А измерения не про­изводит, то Б с некоторой вероятностью увидит свой фотон поляри­зованным вертикально, а с некоторой — горизонтально.

Несколькими годами ранее, до проведения экспериментов Цай-лингера, было теоретически показано, что если природа вообще до­пускает такую мгновенную корреляцию на расстоянии, то в прин­ципе возможно с помощью этой пары фотонов перевести любую элементарную частицу, находящуюся у Б, в то же самое состояние, в котором находится аналогичная частица у А. Но поскольку сами по себе элементарные частицы неразличимы, а их состояния мы воспро­извели точно, это означает появление у Б абсолютно точной копии частицы А. Перенос информации о состоянии фотона оказывается равнозначен перемещению материальной частицы.

6.3.2. Информация и пространственно-временные соотношения

Современные научные представления о пространстве-времени осно­ваны на эйнштейновской теории относительности, одним из основ­ных принципов которой является невозможность движения матери­альных тел и соответственно передачи сигналов со скоростью, пре­вышающей скорость света. Информационное видение мира вносит важные уточнения в наше понимание сути этого принципа.

В экспериментах по квантовой телепортации изменение состоя­ния одной частицы мгновенно изменяет состояние другой, удален­ной от нее. Но как же быть с невозможностью сверхсветовых скоро­стей? Оказывается, что

♦ сверхсветовые скорости остаются невозможными, если иметь в виду скорость перелачи солержательной информации.

Предположим, экспериментаторы А и Б договорились, что полу­чение одним из них фотона с вертикальной поляризацией означает окончание рабочего дня. Через- некоторое время Б улавливает верти­кально поляризованный фотон (рис, 5.3). Однако уверенности в том, что пора снимать лабораторный халат, у него еще нет: он ведь не знает, является ли это следствием манипуляций А с первым фото­ном пары или же Б опередил его с началом измерений. Чтобы такая уверенность появилась, Б должен знать, что А уже приступил к рабо-

6.3. Естественнонаучная информационная картина мира 303

те и перевел свой фотон в горизонтально поляризованное состоя­ние — но эта информация не может быть передана с помощью кван­товой телепортации, поскольку с ее истолкованием возникнет точно такая же проблема! В конечном счете какую-то часть информации от А к Б придется передавать обычным образом, с досветовой скоро­стью, и именно этот этап определит скорость всего процесса обмена информацией.

Информационное понимание тезиса о невозможности сверхсве­товых скоростей недавно получило еще одно изящное подкрепление. • Понятие «скорость световой волны» не вполне однозначно, по­скольку любой реальный световой импульс — это протяженное в пространстве, не имеющее резких границ образование, форма кото­рого к тому же изменяется с течением времени. Поэтому необходимо уточнять, скорость какой именно части импульса принимается за ско­рость всей волны. Например, «скоростью света» можно считать ско­рость перемещения в пространстве области в, заданной фазой колеба­ний электромагнитного поля. Это будет фазовая скорость световой волны, и именно о ней идет речь, когда говорится, что в среде с пока­зателем преломления п скорость света в п раз меньше скорости света в вакууме.

Известно, однако, что в некоторых ситуациях — например при рас­пространении рентгеновского излучения в металлах, — показатель преломления меньше единицы, т. е. фазовая скорость световой вол­ны превышает с = 300 тыс. км/с. Это не воспринималось как проти­воречие с теорией относительности, поскольку фаза — понятие чисто математическое, абстрактное, а эйнштейновский запрет распростра­няется на движение материальных объектов, а не абстрактных поня­тий. Считалось, что скорость световой волны всегда будет меньше или равна с, если определить ее так, чтобы она отражала скорость пе­реноса энергии. Этому требованию отвечает понятие групповой ско­рости — скорости перемещения пиковой части импульса, где колеба­ния электромагнитного поля происходят с наибольшей амплитудой а, следовательно, и энергией.

Но в 2000 г. Л. Ван и его коллеги из института NEC¹ сообщили о наблюдении светового импульса, распространяющегося с групповой скоростью больше с! В среде из специальным образом приготовлен­ных атомов цезия световой импульс деформировался таким образом, что максимум амплитуды волны по мере ее распространения сме-

Nippon Electric Company.

304 Глава 6. Научная картина мира

щался в переднюю часть импульса. В результате пик импульса выхо­дил из камеры с цезием раньше, чем если бы импульс перемещался сквозь камеру со скоростью с, сохраняя свою форму.

Рис. 5.4. Как получить сверхсветовую скорость светового импульса

Однако та же группа исследователей показала, что обнаруженный эффект невозможно использовать для передачи информации со сверх­световой скоростью. Среда (пары цезия), которая деформирует им­пульс и делает его сверхсветовым, одновременно добавляет к нему свое беспорядочное излучение — шум, обусловленный квантовыми флуктуациями. Оказалось, что «разгон» импульса до сверхсветовой скорости сопряжен с таким ростом шумов, что на их фоне сигнал, пе­реносимый импульсом, становится неразличим. И наоборот, попыт­ка сделать сигнал сильнее, чем шум, неизбежно приводит к сниже­нию его скорости ниже с.

Таким образом еще раз было продемонстрировано, что природа жестче всего контролирует нерушимость светового барьера именно по отношению к скорости передачи информации.

Связь между информационными процессами и запретом на сверх­световые скорости все же остается достаточно сложной и обременен­ной нюансами, чему служит свидетельством следующий пример.

Согласно современной космологии, доступный наблюдению кос­мос — ничтожно малая часть всей Вселенной. Дело в том, что на ста­дии инфляции (с. 208) Вселенная расширялась так чудовищно быст­ро, что расстояние практически между любыми ее точками росло во много раз быстрее скорости света. Эйнштейновский запрет на этот процесс не распространялся, поскольку происходило не движение тел в пространстве, а растяжение самого пространства.

В результате инфляции причинно-следственная связь между со­бытиями, происходившими в разных местах Вселенной, прекра­тилась: они оказались слишком далеко друг от друга. Каждая точка космоса оказалась заключенной внутри своего горизонта событий, радиус которого равен расстоянию, пройденному лучом света с мо-

6.3. Естественнонаучная информационная картина мира 305

мента окончания инфляции (в настоящее время — 13-15 млрд свето­вых лет). В силу ограниченности скорости света никакая информа­ция о состоянии областей, находящихся за горизонтом событий, не должна быть доступна. Однако та же космология дает объективную и содержательную информацию об этих областях: мы знаем, в частно­сти, что они, скорее всего, существуют.

6.3.3. Движение как эволюция и его информационные характеристики

Еще древние греки понимали, что движение — неотъемлемое свой­ство, атрибут материи. Количественной мерой движения является энергия, для которой справедлив закон сохранения. Однако, сохра­няясь количественно, движение претерпевает качественные измене­ния. Второй закон термодинамики устанавливает, что преобладаю­щее направление этих изменений — деградация: результатом любых процессов в любой системе становится рост суммарной энтропии системы и ее окружения. Однако на фоне этой общей тенденции в не­равновесных открытых системах существует противоположная тен­денция — к закономерному возникновению все более упорядочен­ных, сложных форм движения. Движение здесь выступает как раз­витие, эволюция, самоорганизация. В процессах самоорганизации энтропия системы понижается, а ее информационное наполнение возрастает.

Таким образом,

♦ информация может возникать в ходе эволюционного развития систем,

причем возникать без создателя — кто автор того текста, который ка­ждый из нас носит в своих хромосомах? А ведь этот текст обладает глубоким и сложным смыслом. Потребовалось десять лет исследова­ний в рамках международной программы «Геном человека», чтобы только прочесть его, т. е. воспроизвести последовательность нуклео-тидных «букв» в молекулах ДНК и в первом приближении сгруппи­ровать их в «слова»-гены. Выяснить же функции (т. е. смысл) каждо­го гена и всевозможных генных комплексов — это, по единодушному признанию исследователей, куда более трудная задача.

♦ Информация, возникающая в ходе эволюции, представляет собой ре­
зультат запоминания развиваюшейся системой того случайного выбо­
ра, который она делает в каждой проходимой точке бифуркации.

306 Глава 6. Научная картина мира

6.3. Естественнонаучная информационная картина мира 307

Поэтому движение в эволюционной форме — это исторический процесс: в современном состоянии системы отражены все перипетии ее прошлого, причем отчетливее всего они запечатлеваются в инфор­мационно насыщенных структурах. Выше отмечалось (п. 4.3.3), что наиболее полным и хорошо сохранившимся свидетелем истории жиз­ни на Земле является генетическая информация, хранимая в ДНК каждой клетки каждого живого существа.

Системы,возникающие в ходе эволюции, оказываются приспособ­ленными к условиям своего существования. Это дает возможность за­давать для таких систем осмысленные вопросы о цели и назначении: зачем ячейкам Бенара принимать именно шестигранную форму? для чего зайцы летом серые, а зимой белые? Таким образом, необходи­мым атрибутом движения в форме развития является информация о прошлом состоянии системы и цели происходивших с нею эволюци­онных изменений. Не следует только забывать, что представление о цели возникает ретроспективно, задним числом, после того как изме­нения уже произошли. Какие-либо цели эволюции, находящиеся по отношению к нам в будущем, науке неизвестны.

6.3.4. Информационные аспекты взаимодействия

В простых системах для описания взаимодействия между их компо­нентами вполне достаточно силовых или энергетических характери­стик. Так, при решении физических задач обычно исключаются из рассмотрения силы, величина которых гораздо меньше величины других сил. Однако

♦ по мере роста сложности системы все более важными становятся ин­формационные взаимолействия — слабые, но учитывающие ее осо­бенности и специфику.

Этот тезис особенно очевиден на социальном уровне организации материи, что иллюстрируется следующими примерами.

Энергии звуковых колебаний, создаваемых голосовыми связ­ками, конечно же, недостаточно для перемещения сколько-нибудь тяжелого предмета — например стула. Попробуйте, однако, негром­ко произнести в переполненной аудитории короткое слово — «по­жар!» — и посчитайте, сколько столов и стульев будет сдвинуто со своих мест, а то и сломано. Иллюстрацией той же идеи служит из­вестное высказывание, что нет такой неприступной (силовая харак­теристика!) крепости, врата которой не открылись бы перед ослом, нагруженным золотом. Следует отметить наконец, что в функцио-

нировании современного общества все большую роль приобретают криптографические технологии, гарантирующие высокую избиратель­ность доступа к государственной, личной или коммерческой инфор­мации и исключительно высокую трудоемкость получения ее лицом, не имеющим на то прав.

Информационное взаимодействие характерно не только для со­циальных систем. Универсальный механизм эволюции (с. 123), опи­санный в общих чертах Дарвином, гарантирует, что структура и спо­соб функционирования систем любого уровня, возникающих в ходе эволюции, соответствуют условиям их существования (принцип эко­логического соответствия, п. 5.10.2.3). Но взаимное соответствие между системой и окружающей средой свидетельствует об информа­ционном характере взаимодействия между ними. Именно благодаря этому по устройству частной системы можно судить о свойствах Все­ленной в целом (антропный принцип, п. 4.7.4).

Информационные взаимодействия, основанные на принципе «ключ—замок», преобладают во всем мире живого. Организмам свой­ственна чрезвычайно высокая избирательность восприятия внешних раздражителей: слабый шорох подкрадывающегося хищника важнее и потому вызывает более бурную реакцию, чем рев водопада; быстро движущийся воздушный объект может означать пищу — и глаз ля­гушки просто не видит предметов неподвижных, какими бы яркими и пестрыми они ни были. Ферменты катализируют те — и только те! — биохимические реакции, которые нужны организму. Этиловый спирт вызывает опьянение, а его ближайший химический родствен­ник, метиловый спирт — слепоту.

Именно в биологии и биофизике были наиболее подробно разра­ботаны представления о второй — после количества — важнейшей характеристике информации — ее ценности.

Ценность информации может проявляться в том, что достижение некоторой цели после получения информации требует меньших за­трат энергии, чем до того. Например, с участием белков-ферментов — типичных информационных молекул, фактически представляющих собою текст, записанный двадцатибуквенным аминокислотным ал­фавитом, — в физиологических условиях идут такие реакции, кото­рые в неживой природе требуют высоких давлений и температур.

Ценность информации может проявляться и в том, что вероят­ность достижения цели после получения определенной информации становится больше, чем до того. Например, набор врожденных стерео­типов поведения (п. 5.8.1) — ценнейшая информация, резко повы-

308 Глава 6. Научная картина мира

шающая вероятность выживания детеныша. Информация, скажем, о содержании романа «Война и мир» может иметь такой же объем, но будет обладать для этого детеныша куда меньшей ценностью.

Понятие ценности информации может быть выражено количест­венно. Соответствующие методы были разработаны отечественным биофизиком М. В. Волькенштейном, который предложил понимать ценность биологической информации (например, записанной в струк­туре ДНК, белков или организма в целом) как степень ее незамени­мости, неизбыточности.

Например, длинный текст, состоящий из повторений одной и той же буквы, несет большое количество информации, но ценность ее крайне низка, поскольку весь этот текст может быть заменен одной короткой фразой: «Повтори "А" 100 000 раз». Структура кристалла, состоящего из астрономического числа периодически расположен­ных атомов, также допускает краткое описание, состоящее из описа­ния расположения атомов в элементарной ячейке кристалла и указа­ния повторить эту ячейку в пространстве заданное число раз. А вот структура живых организмов, которые Э. Шрёдингер характеризо­вал как апериодические кристаллы, такого свернутого описания уже не допускает.

♦ Биологическая информация оказывается более ценной, более осмыс­ленной, более незаменимой, чем информация, заключенная в нежи­вых системах из сопоставимого количества структурных элементов.

Кроме того, один из важнейших принципов теоретической био­логии утверждает, что ценность биологической информации, понима­емая как степень ее незаменимости, возрастает в ходе как индиви­дуального развития организмов (онтогенеза), так и эволюционного (филогенеза).

Информационное взаимодействие может быть эффективнее си­лового и на более низких уровнях организации материи. Как уже го­ворилось, существует множество простых динамических систем, по­ведение которых хаотично из-за их крайней чувствительности к сла­бым возмущениям (п. 3.4.3). Но та же высокая чувствительность дает возможность гибкого и эффективного управления. В теории показы­вается, что, воздействуя на систему с динамическим хаосом слабо, но точно, можно добиться появления у нее упорядоченного режима по­ведения. Иными словами, пусть невозможно предсказать погоду на­долго вперед, но зато ею в принципе можно управлять — надо только знать как. Другой пример эффективного управления с помощью сла-

6.3. Естественнонаучная информационная картина мира 309

бых сигналов — обсуждаемый в настоящее время новый метод вы­ведения сердца из состояния фибрилляции (с. 192). Существующие методы борьбы с этим смертельно опасным явлением — чисто сило­вые (высоковольтный электрический разряд, прямая инъекция силь­нодействующего вещества в сердечную мышцу). Но, как выяснилось, погасить паразитные спиральные волны в ткани сердца, которые слу­жат причиной фибрилляции, можно и слабым электрическим воздей­ствием, если только правильно подобрать его параметры.

6.3.5. Информация, случайность, флуктуации

Возможности информационного взаимодействия, однако, ограничены присущей нашему миру случайностью и неопределенностью (п. 3.6). Проиллюстрируем это известным в истории науки парадоксом о де­моне Максвелла.

ИЗВИНИТЕ, У НАС

Рис. 5.5. Демон Максвелла за работой

Максвелл в своей «Теории теплоты», вышедшей в 1871 г., пред­ложил рассмотреть существо, «способности которого настолько изо­щрены, что оно может следить за каждой молекулой на ее пути и в состоянии делать то, что в настоящее время для нас невозможно... Предположим, что имеется сосуд, разделенный йа две части А и В пе­регородкой с небольшим отверстием, и что существо, которое может видеть отдельные молекулы, открывает и закрывает это отверстие так, чтобы дать возможность только более быстрым молекулам пе­рейти из А в В и только более медленным перейти из В в А. Это суще-

310 Глава 6. Научная картина мира

6.4. Обшие выводы 311

ство, таким образом, без затраты работы повысит температуру в В и понизит в А, вопреки второму началу термодинамики» (цит. по: Бриллюэн Л. Наука и теория информации. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1960. С. 213).

Демон Максвелла представляет собой идеальное управляющее устройство. Максвелл нарисовал картину существа, которое, мани­пулируя только потоками информации, способно качественно изме­нить состояние материальной системы, сделать его более упорядо­ченным. Однако он не учел, что информация всегда сопряжена с тем или иным материальным носителем. Если этот носитель имеет мик­роскопические масштабы, его поведение все в большей степени начи­нает определяться неизбежными флуктуациями, что препятствует правильной и точной переработке информации.

Так, если заслонка, у которой сидит демон Максвелла, велика, то манипуляции с ней потребуют совершения полезной целенаправлен­ной работы — а в создании разности температур за счет совершения работы нет ничего удивительного (вспомните ваш холодильник). Если же уменьшать размеры заслонки, то уменьшатся и энергозатра­ты по ее открыванию и закрыванию, но одновременно все большее влияние на нее станут оказывать случайные удары молекул. Когда сама заслонка уменьшится до молекулярных размеров, она станет практически неуправляемой. Ее движение будет таким же непред­сказуемым, как движение окружающих молекул, и она не сможет вы­полнять сортирующие функции.

С самим демоном также возникают аналогичные проблемы. Для эффективного функционирования его собственное состояние долж­но быть высокоупорядоченным. Однако взаимодействие с окружа­ющими молекулами, которые совершают беспорядочное тепловое движение, приводит к понижению внутренней упорядоченности де­мона и утрате им способности к сортировке. Демон может в принци­пе поддерживать свою упорядоченность так, как это делают живые организмы — выбрасывая излишки энтропии в окружающую среду. Но тогда весь процесс сведется к понижению энтропии газа в ящике за счет повышения ее в окружающей среде, причем строгие расчеты показывают, что суммарное изменение энтропии оказывается поло­жительным, как и следовало ожидать.

Парадокс с демоном Максвелла рассматривали несколько поко­лений физиков, и каждое обнаруживало свои нюансы, связанные с текущим уровнем знаний.

Когда были открыты и объяснены законы теплового излучения, Л. Бриллюэн обратил внимание, что для наблюдения за молекулами демону понадобится источник света («фонарик»), качество энергии которого выше, чем у равновесного теплового излучения, заполня­ющего ящик. Тогда понижение энтропии в процессе отделения быст­рых молекул от медленных будет с лихвой компенсироваться по­вышением энтропии при поглощении излучения фонарика стенками ящика и превращения его энергии в тепловую.

Когда была разработана квантовая механика, выяснилось, что ра­боте демона будут препятствовать квантовомеханические соотноше­ния неопределенностей, обусловленные в конечном счете квантовы­ми флуктуациями.

Общий вывод из всех работ по проблеме демона Максвелла и свя­занным с ней вопросам заключается в том, что присущий нашему ми­ру принципиально неустранимый элемент, случайности в поведении материальных тел накладывает, фундаментальные ограничения на возможность получения и использования информации.