Шон Кэрролл - Вселенная

Учитывая такую ситуацию, специалисты по физике конденсированных состояний давно настаивают, что эмерджентные феномены по праву следует считать новыми, а не просто «смазанными» версиями каких-либо более глубоких описаний. В 1972 году Андерсон опубликовал авторитетную статью под названием «More Is Different» («Большее есть другое»), в которой доказывал, что любое описание природы, которое можно дать на том или ином уровне, заслуживает самостоятельного изучения и постижения, а сосредотачиваться на наиболее фундаментальном уровне неверно. Он по-своему прав. Знаменитая проблема физики конденсированных состояний — поиск теории, которая бы успешно описывала высокотемпературные сверхпроводники — такие вещества, через которые электрический ток проходит без сопротивления при температурах существенно выше абсолютного нуля. Все, кто занимается этой проблемой, считают, что такие вещества состоят из обычных атомов, подчиняющихся обычным законам микромира; при этом они понимают, что подобное объяснение фактически никак не помогает нам понять, почему вообще возникает высокотемпературная сверхпроводимость.

* * *

Здесь возникает сразу несколько взаимосвязанных, но логически самостоятельных вопросов.

1. Являются ли наиболее детализированные (микроуровневые, исчерпывающие) описания интересными или важными?

2. Если мы планируем исследование, в рамках которого стремимся понять макроскопические феномены, то следует ли при этом сначала понять микроскопические феномены, а затем на их основе вывести эмерджентное описание?

3. Узнаем ли мы при изучении эмерджентного уровня нечто такое, чего не смогли бы понять, изучая микроуровень, будь мы даже настолько умны, как демон Лапласа?

4. Является ли поведение системы на макроуровне несовместимым с теми свойствами системы, которые мы ожидали бы в ней встретить, зная лишь её законы на микроуровне, и может ли идти речь не просто о несовместимости, а о прямом противоречии?

Первый вопрос, конечно, субъективен. Если вы интересуетесь физикой частиц, а ваш друг интересуется биологией, то никто из вас не будет правее другого; просто вы смотрите на вещи по-разному. Второй вопрос несколько более практичен, и ответ на него достаточно очевиден: нет. Почти во всех интересующих нас случаях мы можем немного подробнее разобраться в макроуровнях, изучая микроуровни, но узнаем больше (и быстрее), если станем изучать сами макроуровни.

Именно на третьем вопросе всё становится неоднозначным. С одной точки зрения можно сказать: если мы полностью понимаем микроуровень, область применения которого полностью охватывает область применения эмерджентной теории, то знаем всё необходимое. В принципе любой вопрос, который может у вас возникнуть, можно сформулировать в контексте микроуровня и в этом же контексте на него ответить.

Однако под этим «в принципе» скрывается множество пороков, в том числе один очень существенный. Принимая эту точку зрения, мы фактически говорим: «Хотите знать, будет ли завтра дождь? Тогда сообщите мне координаты всех молекул в земной атмосфере, и я это вычислю». Мало того, что такой вариант вопиюще нереалистичен, так он ещё и игнорирует тот факт, что эмерджентная теория описывает истинные свойства системы, которые могут полностью ускользать от нас на микроуровне. Возможно, у вас будет самодостаточная и исчерпывающая теория о взаимодействиях вещей, но это ещё не означает, что вам известно всё; в частности, вы не знаете всех вариантов рационального рассуждения о системе. (Даже если вы знаете, как ведёт себя атом в сосуде с газом, от вас, возможно, ускользнёт тот важный факт, что эту систему также можно описать как флюид.) На самом деле мы действительно узнаём нечто новое, изучая эмерджентные теории как таковые, даже если все теории целиком и полностью согласуются друг с другом.

Переходим к четвёртому вопросу — и тут перед нами воцарится настоящий хаос.

* * *

Здесь мы вступаем в пределы так называемой сильной эмерджентности . До сих пор мы обсуждали «слабую эмерджентность»: даже если эмерджентная теория позволяет понять вещи под новым углом, а также гораздо более практична при вычислениях, вы, в принципе, можете заложить в компьютер теорию микроуровня, сымитировать её и таким образом в точности выяснить, как будет функционировать система. При сильной эмерджентности — если она вообще существует — подобное невозможно. С такой точки зрения, когда много компонентов объединяются и образуют единое целое, мы должны ожидать не просто новых знаний , которые позволили бы нам точнее описать систему, но и быть готовы к открытию новых функций . При сильной эмерджентности поведение многочастной системы даже в принципе несводимо к суммарному поведению всех её элементов.

Феномен сильной эмерджентности на первый взгляд немного озадачивает. Для начала требуется признать, что в определённом смысле большой макроскопический объект — например, человек — состоит из более мелких элементов, скажем, из атомов. Как вы помните, в квантовой механике бывает невозможно отделить одни составляющие от других, но сторонники сильной эмерджентности не всегда учитывают такую тонкость. Далее признаётся, что существует микроуровневая теория, описывающая, как поведёт себя атом в конкретных обстоятельствах. Но после этого заявляется, что атом испытывает воздействие той макроскопической системы, в состав которой он входит, и нельзя считать, что этот эффект обусловлен суммарным воздействием всех остальных атомов. Единственный вариант — считать такой феномен воздействием целого на отдельные составляющие.

Представлю себе, что я всматриваюсь в отдельный атом, который сейчас входит в состав кожи, обтягивающей кончик моего пальца. По идее, я мог бы подумать, что, руководствуясь правилами атомной физики, я могу спрогнозировать поведение атома в соответствии с законами природы и свойствами той среды, которая окружает атом, — а в этой среде он подвергается воздействию других атомов, электрических и магнитных полей, силы тяготения и т. д. Сторонник сильной эмерджентности возразит мне: «Нет, не сможете. Атом — часть вас, то есть человека, и вам не удастся спрогнозировать поведение этого атома без дополнительной информации о более крупной системе, то есть о человеке. Знаний об атоме и окружающей его среде ещё недостаточно».

Разумеется, мир может быть устроен и так. Если мир действительно устроен именно так, то наша гипотетическая микроуровневая теория атома попросту ошибочна . Физические теории хороши именно тем, что они очень чётко описывают, какая информация нужна, чтобы спрогнозировать поведение объекта, а также чётко поясняют, что представляет собой спрогнозированное поведение. Наша наилучшая физическая теория не предполагает никакой неопределённости в том, как должен вести себя атом. Если существуют ситуации, в которых атом ведёт себя иначе, например, будучи на кончике моего пальца, то наша теория неверна и нам нужно разработать более качественную.