Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Естественно, солнечный свет распространяется во всех направлениях. Чтобы получить больше того, что мы собираем сейчас, нам пришлось бы потратить много времени и ресурсов и разместить в космосе гигантские устройства для сбора солнечной энергии. Фримен Дайсон [83]с коллегами предложили инженерные решения подобных устройств, которые назвали сферами Дайсона.

Если мы скромно ограничимся той частью солнечной энергии, которая попадает на Землю сейчас, то обнаружим, что даже она примерно в 10 000 раз больше всего нашего нынешнего энергопотребления. Это число позволяет более реалистично оценить резервы солнечной энергии. Даже без сфер Дайсона у нас все еще есть огромный потенциал для роста.

Здесь мы рассмотрели солнечную энергию. Ранее мы пришли к выводу, что наше Солнце — лишь одна из многих звезд. Вселенная как целое обладает гораздо б о льшим количеством энергии, чем люди в обозримом будущем смогут потребить. Пока мы можем лишь собирать крупицы этих сокровищ, чем и занимаются астрономы. Они если и не обогащают нашу экономику, то точно развивают наш разум.

Это еще раз доказывает: утверждение, что материи и энергии много, вполне объективно. Их более чем достаточно, чтобы создавать такие сложные и динамичные объекты, как человек, и обеспечивать ресурсами его чрезвычайно обширную повестку дня [84].

Динамическая сложность

Мы поняли, что для целей, которые ставят перед собой люди, во Вселенной достаточно энергии. Теперь рассмотрим с более фундаментальной точки зрения, почему ее достаточно.

Для этого ответим на два основных вопроса.

Какое именно свойство физической Вселенной делает возможным формирование «целей человечества»?

Почему для их достижения требуется так мало энергии по сравнению с той, что излучает наше Солнце?

Первый вопрос можно рассматривать на разных уровнях. Попытавшись дать точное определение «целям человека», мы рискуем быстро утонуть в мрачных глубинах туманной метафизики. Но если мы посмотрим с физической точки зрения, что же существенного в том, что люди делают и для чего живут, то ответ будет даже более ясным, чем вопрос. На этом уровне краеугольный камень — динамическая сложность . Хотя у ученых нет консенсуса в вопросе, как именно определять сложность, мы «узнаем ее, когда увидим» [85]на примерах наподобие следующих.

• Чтобы учиться и думать, мы меняем схемы связей, секреции и электрических импульсов в мозгу. Чтобы воспринимать мир, мы конвертируем входящие последовательности сигналов электромагнитного излучения (зрение), колебания давления воздуха (слух), локальную химию окружающих объектов (вкус и запах) и некоторые другие потоки данных в «единую валюту» мозговой активности. Чтобы двигаться и воздействовать на окружающие объекты, мы используем силу мышц, работающих за счет синхронизированного сокращения упорядоченных белковых молекул.

• При возведении храмов, синагог и мечетей люди составляют планы, собирают материалы, используют инструменты и оборудование, а также нанимают строителей и художников для создания сложной, «искусственной», «духовной» среды.

• Музыка и обряды — выражения динамической сложности в чистом виде.

В основе всего этого лежат сложные материальные структуры, меняющиеся во времени. В разных случаях структурированная материя принимает разные формы, начиная от нейронных сетей и заканчивая колебаниями воздуха, и включает разные элементы: инструментарий, символы, воспоминания, сигналы, инструкции, а также нас самих. Динамическая сложность — глубинная структура, лежащая в основе всего этого.

На протяжении большей части биологической и человеческой истории физическая реализация динамической сложности зависела от образования и разрыва огромного количества химических связей с использованием энергии Солнца. Сегодня открываются другие возможности, о которых я расскажу позже. Но образование и разрыв химических связей с помощью солнечной энергии — по-прежнему главный способ, и мы должны начать обсуждение с него.

У атомов множество функций, делающих их отличными строительными блоками для самых замысловатых творений.

• Существует много видов атомов, по одному на каждый химический элемент. Все атомы конкретного элемента практически идентичны [86]. Таким образом, в нашем распоряжении есть широкий ассортимент взаимозаменяемых деталей.

• Атомы доступны в огромном количестве. Напомню, человеческое тело содержит примерно октиллион (10 27) атомов, то есть больше, чем звезд в видимой Вселенной.

• Согласно правилам квантовой теории и законам электродинамики, атомы могут объединяться в более крупные единицы — молекулы и соединяться химическими связями.

Чтобы понять, как эти фундаментальные факты при благоприятных условиях могут привести к динамической сложности в больших масштабах, нам нужно осмыслить две важные концепции: комбинаторный взрыв и условную стабильность.

Комбинаторный взрыв в своей простейшей форме — резкий рост числа возможных вариантов, когда делается несколько независимых выборов. Например, заполнив девять разных клеточек любыми из десяти цифр, я могу получить числа 000 000 000, 000 000 001, 000 000 002… 999 999 999 — всего миллиард, то есть 10 9различных комбинаций. Десять и девять — маленькие числа, но 10 9 — уже довольно большое. Такова сущность комбинаторного взрыва.

В ДНК мы можем выбрать любое из четырех азотистых оснований нуклеотидов (гуанин, аденин, тимин, цитозин, сокращенные обозначения — G, A, T, C) и прикрепить его в любом месте вдоль длинного сахаро-фосфатного остова (таких мест много тысяч). Точно так же при строительстве белков двадцать различных аминокислотных оснований прикрепляются к стандартным полипептидным цепям разной длины. Подобная архитектура обеспечивает возможность комбинаторных взрывов того же типа, что и при комбинациях из десяти чисел, только теперь элементов или 4, или 20. Таким образом, в последовательностях ДНК могут записываться невероятные объемы информации. Существует огромное количество белков, которые обеспечивают структурные и функциональные строительные блоки для живых организмов. Эти белки очень разнообразны по размерам и форме, и, соответственно, разнятся их механические и электрические свойства.

Молекулы других видов, как органические, так и неорганические, могут разветвляться, собираться в мембраны, образовывать петли или регулярные кристаллические структуры и проделывать многое другое. Это богатство возможностей приводит к комбинаторному взрыву комбинаторных взрывов. Всего один грамм вещества содержит миллиарды миллиардов атомов — и материала для обеспечения сложности в больших масштабах более чем достаточно. Поэтическая метафора Уильяма Блейка с «бесконечностью на ладони» имеет вполне научную основу.