Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Чтобы реализовать потенциал этого материала, мы должны уметь собирать из него структуры. Мы хотим, чтобы наши атомные строительные элементы так же, как игрушечные кубики Lego, или блоки конструктора Tinker, или используемые на уроках химии модели атомов и молекул в виде шариков и палочек, легко соединялись друг с другом, легко разбирались, но не рассыпались. Это ключевое свойство, то есть условная стабильность , требует правильного баланса стабильности и изменчивости.

Химики изучают вопрос, что именно осуществимо с точки зрения молекулярной сложности, а биологи — вопрос, что же реализовано на деле . Их работа бесконечна и увлекательна. Идя на радикальные упрощения, я надеюсь на их снисходительность и чувство юмора. Здесь я опишу только то, чего достаточно просто для понимания, а именно как во Вселенной и, в частности, в системе Солнце — Земля «объединяются усилия» и как это делает создание причудливых структур материи возможным.

У условной стабильности три важнейших «ингредиента»: высокая температура, низкая температура и масштаб промежуточной энергии. Высокая температура — на поверхности Солнца, около 6000°C. Низкая — на поверхности Земли, примерно 20°C. Промежуточная энергия — это количество энергии, необходимое для образования или разрыва типичной химической связи. Оно составляет примерно один электронвольт.

При температурах около 20°C молекулы остаются гибкими, но химические связи разрываются нечасто, поскольку соответствующая тепловая энергия редко достигает электронвольта. С другой стороны, фотоны, приходящие с поверхности Солнца, концентрируют в себе энергию, часто превышающую электронвольт. Они способны разрывать химические связи. Взаимодействие между этим в меру холодным, но не замораживающим фоном и доступной, но не чрезмерной концентрированной энергией позволяет перестраивать молекулярные структуры, хотя и не слишком легко. Такая условная стабильность, доступная нам на Земле, — как раз то, что с точки зрения физики нужно для образования динамической сложности.

Чтобы завершить разговор об огромном потенциале для образования динамической сложности и о том, как она реализуется на Земле, нам нужно понять, основываясь на фундаментальных принципах, как Солнцу удается выполнять свою роль. Но сначала давайте сделаем паузу и откалибруем нашу собственную динамическую сложность.

Основные блоки, из которых состоит человеческий мозг, — нейроны. Их число составляет примерно сто миллиардов, то есть 100 000 000 000, или 10 11. Это намного меньше октиллиона, но все еще невообразимо много. Примерно столько в нашей Галактике звезд.

Каждый нейрон представляет собой очень эффективное маленькое устройство, обрабатывающее информацию, и связан с другими. Типичные нейроны могут образовывать сотни и даже тысячи таких связей. Б о льшая часть информации, которую мы получаем, кодируется путем изменения силы этих связей — те, которые соответствуют полезным шаблонам поведения, усиливаются, а бесполезным — ослабляются. Максимальное количество связей возникает в возрасте от двух до трех лет, а максимальная сложность — позже, после селективного отбора связей.

Если мы рассмотрим возможные способы соединения такого количества нейронов, то получим головокружительные цифры, намного превышающие октиллионы. В наших черепах происходят взрывающие мозг комбинаторные взрывы. Так что нас не должно поражать, что это невообразимое количество нейронов, образующих такие причудливые шаблоны, во взаимодействии может создавать удивительные вещи.

В Уолте Уитмене действительно было множество миров [87]. И во мне тоже. И в вас.

Солнце работает на ядерном топливе. Это гигантский термоядерный реактор. Процесс ядерного горения [88], благодаря которому Солнце существует, состоит в превращении водорода в гелий. Атом водорода содержит один протон и один электрон. Атом гелия содержит два протона, два нейтрона и два электрона. На Солнце цепочка реакций приводит к превращению четырех атомов водорода в один атом гелия плюс два нейтрино, при этом высвобождается энергия.

Если вы вспомните наше обсуждение распада нейтрона в предыдущей главе, то можете подумать, что только что нашли опечатку. Там мы видели, что изолированные нейтроны хотят превратиться в протоны. Этот процесс высвобождает энергию, потому что нейтроны немного тяжелее протонов. В нашем описании реакций горения на Солнце происходит обратное — протоны превращаются в нейтроны. Но это не опечатка. В ядре гелия протоны и нейтроны притягиваются друг к другу из-за сильного взаимодействия. Собирая вместе эти частицы, можно получить много энергии. Таким образом, протоны могут превращаться в связанные нейтроны с выделением энергии.

Превращение протонов в нейтроны и наоборот требует участия слабого взаимодействия. Как мы обсуждали ранее, это делает распад нейтрона медленным процессом по стандартам физики элементарных частиц. При ядерных реакциях на Солнце действие слабого взаимодействия сильно замедляется. В этом процессе перед превращением частиц необходимо сначала их сблизить. Но такие «встречи» редки, поэтому время превращения накапливается медленно — в среднем протоны на Солнце превращаются в связанные нейтроны за миллиарды лет. Именно поэтому, к счастью, топлива на Солнце хватит еще надолго. С другой стороны, количество водорода так велико, что даже при медленном его сжигании Солнце продолжит светить.

Завершим разговор о том, как на Земле возникает динамическая сложность, соотнеся этот процесс с основными физическими принципами. Хорошо понимая общую картину материальной реальности, мы видим, что динамическая сложность лежит в основе биологии и в конечном счете психологии и экономики.

Каждая из четырех фундаментальных сил играет в этой истории свою роль, и все они решающие. Гравитация удерживает Землю на оптимальном расстоянии от Солнца — таком, где достигается равновесная температура. Электромагнитная сила — квантовая электродинамика — соединяет атомы в молекулы. Сильное взаимодействие — квантовая хромодинамика — обеспечивает притяжение, делающее возможным ядерное горение. А благодаря слабому взаимодействию ядерное горение происходит медленно.

Новые места, новые технологии, новые разумные существа

Принцип, согласно которому человеческая деятельность выражается через потоки информации в динамически сложной системе, а не через детальные химические и физиологические описания, расширяет кругозор и освобождает сознание. Он наталкивает на мысль, что разумные существа могут появиться и в других уголках Вселенной, и подготавливает к тому, что мы должны включить их в свой круг эмпатии.