Шон Кэрролл - Вселенная

Воздух в комнате даёт простой и непротиворечивый пример эмерджентности. Всем понятно, что в данном случае происходит и как об этом говорить. Однако такая простота может быть обманчива. Видя, как легко можно вывести механику флюида из взаимодействий отдельных молекул, читатель может подумать, что вся суть эмерджентности — это вывод одной теории из другой. Нет — эмерджентность касается различных теорий, описываемых в разных терминах, но дающих взаимно непротиворечивые описания одних и тех же базовых феноменов, каждая в своей области применения. Если у макроуровневой теории есть область применения, являющаяся подразделом области применения некой микроуровневой теории, и обе теории согласуются друг с другом, то принято говорить, что микроуровневая теория включает в себя макроуровневую; но такие вещи зачастую принимаются как данность, продемонстрировать их на примере не удаётся. Очень хорошо, если получается поэтапно вывести одну теорию из другой, но такая возможность далеко не является определяющей для данной идеи.

* * *

По мере того как системы развиваются во времени — например, в ответ на изменение условий окружающей среды, — они могут переходить из области, предусматривающей один вариант эмерджентного описания, в другую область. Такое событие называется фазовым переходом . Наиболее известный пример — вода. В зависимости от температуры и давления, это вещество может находиться в твёрдом состоянии (лёд), жидком состоянии (вода) или газообразном состоянии (водяной пар). Базовое микроскопическое описание вещества не изменяется: оно состоит всё из тех же молекул H 2O. Однако макроскопические свойства изменяются при переходе из одной «фазы» в другую. Изменяются условия, и в зависимости от этого мы по-разному говорим о воде. Плотность, жёсткость воды, скорость звука в ней, а также другие её свойства могут полностью изменяться — при этом изменяется и наш словарь. Например, вы не скажете « налить кубик льда» или « наколоть воды».

Изменение агрегатных состояний воды по мере её нагревания: твёрдое тело, затем жидкость, затем газ. Уровни таяния и кипения напоминают плато; на данных этапах внутренняя молекулярная структура видоизменяется, хотя температура и остаётся фиксированной

Механизм фазового перехода до сих пор бесконечно занимает учёных. Некоторые такие переходы происходят стремительно, другие — медленно; в некоторых случаях субстанция полностью видоизменяется, в других случаях эти изменения происходят более поступательно. На рисунке отражена одна интересная черта фазового перехода: не все изменения заметны на первый взгляд. Когда мы нагреваем воду, она постепенно превращается изо льда в пар, по мере повышения температуры. На некотором уровне, где совершается переход, есть такой период, когда температура остаётся постоянной, но молекулярная структура вещества изменяется. При фазовом переходе субстанция приобретает совершенно новые физические свойства: твёрдость, прозрачность, электропроводимость. Либо может стать живой или сознающей.

Когда мы говорим о простых молекулярных системах, зачастую удаётся точно определить, какой теоретический словарь в данном случае уместен и где именно наступает переход от одной фазы к другой. Эта граница размывается, если говорить о биологии или о человеческих взаимоотношениях, но в принципе продолжают действовать всё те же базовые идеи. Все мы знаем, как изменяется обстановка в переполненной комнате, когда кто-то высказывает верную (или ошибочную) мысль либо когда в разговор вступает новый человек. Вот неполный список важных фазовых переходов, происходивших в истории космоса:

• образование протонов и нейтронов из кварков и глюонов на раннем этапе существования Вселенной;

• ядра обрастают электронами, образуются атомы (через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва);

• образование первых звёзд — Вселенная наполняется звёздным светом;

• возникновение жизни: самоподдерживающаяся сложная химическая реакция;

• многоклеточность: одноклеточные живые организмы образуют единое целое;

• сознание: осознание самого себя и способность построить ментальное представление о Вселенной;

• возникновение языка, способность формулировать абстрактные мысли и обмениваться ими;

• изобретение машин и других технологий.

Фазовые переходы бывают не только в мире материалов, но и в мире идей. Томас Кун, специалист по философии науки, популяризовал идею «смены парадигмы», описывая, как новые теории могут простимулировать учёных концептуализировать мир совершенно по-новому. Фазовым переходом может считаться даже такая ситуация, когда отдельный человек изменяет точку зрения о чём-либо; после этого мы будем говорить об этом человеке иначе. Люди, как и вода, могут выходить на «интеллектуальное плато»: внешне кажется, что они придерживаются прежних убеждений, но в глубине души их взгляды постепенно меняются.

* * *

Принципиален тот факт, что любая теория, или способ рассуждения, действует только в своей конкретной области применения. Опять же, пример с воздухом прост, но, пожалуй, настолько прост, что внушает нам ложное ощущение «и так всё понятно».

Хотя мы и считаем, что воздух в комнате «действительно» состоит из различных молекул, область применения этой теории не позволяет рассмотреть некоторые ситуации: например, плотность воздуха может стать столь высока, что на его месте образуется чёрная дыра. (Не волнуйтесь, практически в любой комнате, где вы могли бы оказаться, это физически невозможно.) Однако флюидное описание здесь также не работает. На самом деле область применения эмерджентной теории флюида — это строго определённый подраздел области применения молекулярной теории.

Такая ситуация — два способа рассуждения, область применения одного из которых полностью входит в состав области применения другого, — конечно, не обязательна. На схеме показаны различные способы сочетания областей применения друг с другом. Одна может быть подразделом другой; две могут различаться, но пересекаться; они могут быть совершенно разными и вообще не содержать общих ситуаций. Например, в теории струн, которая сегодня является основным кандидатом на роль теории квантовой гравитации, существуют «отношения двойственности» между теориями и складывается промежуточная ситуация: имеем две теории с пересекающимися областями применения.