Discover Interview What Makes You Uniquely "You"?
Nobel laureate Gerald Edelman says your brain is one-of-a-kind in the history of the universe.
by Susan Kruglinski
From the February 2009 issue, published online January 16, 2009
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
Some of the most profound questions in science are also the least tangible. What does it mean to be sentient? What is the self? When issues become imponderable, many researchers demur, but neuroscientist Gerald Edelman dives right in.
A physician and cell biologist who won a 1972 Nobel Prize for his work describing the structure of antibodies, Edelman is now obsessed with the enigma of human consciousness—except that he does not see it as an enigma. In Edelman’s grand theory of the mind, consciousness is a biological phenomenon and the brain develops through a process similar to natural selection. Neurons proliferate and form connections in infancy; then experience weeds out the useless from the useful, molding the adult brain in sync with its environment.
Edelman first put this model on paper in the Zurich airport in 1977 as he was killing time waiting for a flight. Since then he has written eight books on the subject, the most recent being Second Nature: Brain Science and Human Knowledge. He is chairman of neurobiology at the Scripps Research Institute in San Diego and the founder and director of the Neurosciences Institute, a research center in La Jolla, California, dedicated to unconventional “high risk, high payoff” science.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
MOST READ - ADVERTISEMENT -
News From The Worlds Of History, Gemology,
And Science.
1. World's most famous diamond found inside toaster
2. Official Watch of Rock and Roll.
3. Cache Of Giant Raw Diamonds Found
4. 1930's Antique Speedometer Found On A Wrist
5. $200 Reward Offered for Giant Pear
6. Over 100,000 sets of pearls given away
7. U.S. Clock Loses 1 Second in 20 Million Years
8. Chemist shocks Diamond Trade
9. The curse of the perfect gift
www.stauer.com
--------------------------------------------------------------------------------
In his conversation with DISCOVER contributing editor Susan Kruglinski, Edelman delves deep into this untamed territory, exploring the evolution of consciousness, the narrative power of memory, and his goal of building a humanlike artificial mind.
This year marks the 150th anniversary of The Origin of Species, and many people are talking about modern interpretations of Charles Darwin’s ideas. You have one of your own, which you call Neural Darwinism. What is it?
Many cognitive psychologists see the brain as a computer. But every single brain is absolutely individual, both in its development and in the way it encounters the world. Your brain develops depending on your individual history. What has gone on in your own brain and its consciousness over your lifetime is not repeatable, ever—not with identical twins, not even with conjoined twins. Each brain is exposed to different circumstances. It’s very likely that your brain is unique in the history of the universe. Neural Darwinism looks at this enormous variation in the brain at every level, from biochemistry to anatomy to behavior.
How does this connect to Darwin’s idea of natural selection?
If you have a vast population of animals and each one differs, then under competition certain variants will be fitter than others. Those variants will be selected, and their genes will go into the population at a higher rate. An analogous process happens in the brain. As the brain forms, starting in the early embryo, neurons that fire together wire together. So for any individual, the microconnections from neuron to neuron within the brain depend on the environmental cues that provoke the firing. We have the extraordinary variance of the brain reacting to the extraordinary variance of the environment; all of it contributes to making that baby’s brain change. And when you figure the numbers—at least 30 billion neurons in the cortex alone, a million billion connections—you have to use a selective system to maintain the connections that are needed most. The strength of the connections or the synapses can vary depending on experience. Instead of variant animals, you have variant microcircuits in the brain.
What has gone on in your own brain and its consciousness over your lifetime is not repeatable, ever—not with identical twins, not even with conjoined twins.Before talking about how this relates to consciousness, I’d like to know how you define consciousness. It’s hard to get scientists even to agree on what it is.
William James, the great psychologist and philosopher, said consciousness has the following properties: It is a process, and it involves awareness. It’s what you lose when you fall into a deep, dreamless slumber and what you regain when you wake up. It is continuous and changing. Finally, consciousness is modulated or modified by attention, so it’s not exhaustive. Some people argue about qualia, which is a term referring to the qualitative feel of consciousness. What is it like to be a bat? Or what is it like to be you or me? That’s the problem that people have argued about endlessly, because they say, “How can it be that you can get that process—the feeling of being yourself experiencing the world—from a set of squishy neurons?”
What is the evolutionary advantage of consciousness?
The evolutionary advantage is quite clear. Consciousness allows you the capacity to plan. Let’s take a lioness ready to attack an antelope. She crouches down. She sees the prey. She’s forming an image of the size of the prey and its speed, and of course she’s planning a jump. Now suppose I have two animals: One, like our lioness, has that thing we call consciousness; the other only gets the signals. It’s just about dusk, and all of a sudden the wind shifts and there’s a whooshing sound of the sort a tiger might make when moving through the grass, and the conscious animal runs like hell but the other one doesn’t. Well, guess why? Because the animal that’s conscious has integrated the image of a tiger. The ability to consider alternative images in an explicit way is definitely evolutionarily advantageous.
I’m always surprised when neuroscientists question whether an animal like a lion or a dog is conscious.
There is every indirect indication that a dog is conscious—its anatomy and its nervous system organization are very similar to ours. It sleeps and its eyelids flutter during REM sleep. It acts as if it’s conscious, right? But there are two states of consciousness, and the one I call primary consciousness is what animals have. It’s the experience of a unitary scene in a period of seconds, at most, which I call the remembered present. If you have primary consciousness right now, your butt is feeling the seat, you’re hearing my voice, you’re smelling the air. Yet there’s no consciousness of consciousness, nor any narrative history of the past or projected future plans.
Next Page » [1] 2 3
Related Articles
Discover Interview Roger Penrose Says Physics Is Wrong, From String Theory to Quantum Mechanics
One of the greatest thinkers in physics says the human brain—and the universe itself—must function according to some theory we haven't yet discovered. October 06, 2009
Discover Interview Thanks, Evolution, For Making the Great Building Material Called DNA
Electronic computers are great at what they do. But to accomplish really complicated physical tasks—like building an insect—Erik Winfree says you have to grow them from DNA. August 11, 2009
Discover Interview The Man Who Found Quarks and Made Sense of the Universe
Murray Gell-Mann had a smash success with particles, notorious dustups with Feynman, and a missed opportunity with Einstein. March 17, 2009
Discover Interview DNA Agrees With All the Other Science: Darwin Was Right
Molecular biologist Sean Carroll shows how evolution happens, one snippet of DNA at a time February 19, 2009
Discover Interview Why Did Western Drs. Promote Tobacco While the Nazis Fought Cancer?
Robert Proctor looks at the way knowledge advances—and sometimes takes great leaps backwards. January 08, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
How does this primary consciousness contrast with the self-consciousness that seems to define people?
Humans are conscious of being conscious, and our memories, strung together into past and future narratives, use semantics and syntax, a true language. We are the only species with true language, and we have this higher-order consciousness in its greatest form. If you kick a dog, the next time he sees you he may bite you or run away, but he doesn’t sit around in the interim plotting to remove your appendage, does he? He can have long-term memory, and he can remember you and run away, but in the interim he’s not figuring out, “How do I get Kruglinski?” because he does not have the tokens of language that would allow him narrative possibility. He does not have consciousness of consciousness like you.
How did these various levels of consciousness evolve?
About 250 million years ago, when therapsid reptiles gave rise to birds and mammals, a neuronal structure probably evolved in some animals that allowed for interaction between those parts of the nervous system involved in carrying out perceptual categorization and those carrying out memory. At that point an animal could construct a set of discriminations: qualia. It could create a scene in its own mind and make connections with past scenes. At that point primary consciousness sets in. But that animal has no ability to narrate. It cannot construct a tale using long-term memory, even though long-term memory affects its behavior. Then, much later in hominid evolution, another event occurred: Other neural circuits connected conceptual systems, resulting in true language and higher-order consciousness. We were freed from the remembered present of primary consciousness and could invent all kinds of images, fantasies, and narrative streams.
So if you take away parts of perception, that doesn’t necessarily take away the conceptual aspects of consciousness.
I’ll tell you exactly—primitively, but exactly. If I remove parts of your cortex, like the visual cortex, you are blind, but you’re still conscious. If I take out parts of the auditory cortex, you’re deaf but still conscious.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
MOST READ - ADVERTISEMENT -
News From The Worlds Of History, Gemology,
And Science.
1. World's most famous diamond found inside toaster
2. Official Watch of Rock and Roll.
3. Cache Of Giant Raw Diamonds Found
4. 1930's Antique Speedometer Found On A Wrist
5. $200 Reward Offered for Giant Pear
6. Over 100,000 sets of pearls given away
7. U.S. Clock Loses 1 Second in 20 Million Years
8. Chemist shocks Diamond Trade
9. The curse of the perfect gift
www.stauer.com
--------------------------------------------------------------------------------
But consciousness still resides in the brain. Isn’t there a limit to how much we can lose and still lay claim to qualia—to consciousness—in the human sense?
The cortex is responsible for a good degree of the contents of consciousness, and if I take out an awful lot of cortex, there gets to be a point where it’s debatable as to whether you’re conscious or not.
For example, there are some people who claim that babies born without much cortex—a condition called hydranencephaly—are still conscious because they have their midbrain. It doesn’t seem very likely. There’s a special interaction between the cortex and the thalamus, this walnut-size relay system that maps all senses except smell into the cortex. If certain parts of the thalamocortical system are destroyed, you are in a chronic vegetative state; you don’t have consciousness. That does not mean consciousness is in the thalamus, though.
If you touch a hot stove, you pull your finger away, and then you become conscious of pain, right? So the problem is this: No one is saying that consciousness is what causes you to instantly pull your finger away. That’s a set of reflexes. But consciousness sure gives you a lesson, doesn’t it? You’re not going to go near a stove again. As William James pointed out, consciousness is a process, not a thing.
Can consciousness be artificially created?
Someday scientists will make a conscious artifact. There are certain requirements. For example, it might have to report back through some kind of language, allowing scientists to test it in various ways. They would not tell it what they are testing, and they would continually change the test. If the artifact corresponds to every changed test, then scientists could be pretty secure in the notion that it is conscious.
At what level would such an artifact be conscious? Do you think we could make something that has consciousness equivalent to that of a mouse, for example?
I would not try to emulate a living species because—here’s the paradoxical part—the thing will actually be nonliving.
Yes, but what does it mean to be alive?
Living is—how shall I say?—the process of copying DNA, self-replication under natural selection. If we ever create a conscious artifact, it won’t be living. That might horrify some people. How can you have consciousness in something that isn’t alive? There are people who are dualists, who think that to be conscious is to have some kind of special immaterial agency that is outside of science. The soul, floating free—all of that.
There might be people who say, “If you make it conscious, you just increase the amount of suffering in this world.” They think that consciousness is what differentiates you or allows you to have a specific set of beliefs and values. You have to remind yourself that the body and brain of this artifact will not be a human being. It will have a unique body and brain, and it will be quite different from us.
If you could combine a conscious artifact with a synthetic biological system, could you then create an artificial consciousness that is also alive?
Who knows? It seems reasonably feasible. In the future, once neuroscientists learn much more about consciousness and its mechanism, why not imitate it? It would be a transition in the intellectual history of the human race.
Do you believe a conscious artifact would have the value of a living thing?
Well, I would hope it would be treated that way. Even if it isn’t a living thing, it’s conscious. If I actually had a conscious artifact, even though it was not living, I’d feel bad about unplugging it. But that’s a personal response.
« Previous Page Next Page » 1 [2] 3
Related Articles
Discover Interview Roger Penrose Says Physics Is Wrong, From String Theory to Quantum Mechanics
One of the greatest thinkers in physics says the human brain—and the universe itself—must function according to some theory we haven't yet discovered. October 06, 2009
Discover Interview Thanks, Evolution, For Making the Great Building Material Called DNA
Electronic computers are great at what they do. But to accomplish really complicated physical tasks—like building an insect—Erik Winfree says you have to grow them from DNA. August 11, 2009
Discover Interview The Man Who Found Quarks and Made Sense of the Universe
Murray Gell-Mann had a smash success with particles, notorious dustups with Feynman, and a missed opportunity with Einstein. March 17, 2009
Discover Interview DNA Agrees With All the Other Science: Darwin Was Right
Molecular biologist Sean Carroll shows how evolution happens, one snippet of DNA at a time February 19, 2009
Discover Interview Why Did Western Drs. Promote Tobacco While the Nazis Fought Cancer?
Robert Proctor looks at the way knowledge advances—and sometimes takes great leaps backwards. January 08, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
By proposing the possibility of artificial consciousness, are you comparing the human brain to a computer?
No. The world is unpredictable, and thus it is not an unambiguous algorithm on which computing is based. Your brain has to be creative about how it integrates the signals coming into it. And computers don’t do that. The human brain is capable of symbolic reference, not just syntax. Not just the ordering of things as you have in a computer, but also the meaning of things, if you will.
There’s a neurologist at the University of Milan in Italy named Edoardo Bisiach who’s an expert on a neuropsychological disorder known as anosognosia. A patient with anosognosia often has had a stroke in the right side, in the parietal cortex. That patient will have what we call hemineglect. He or she cannot pay attention to the left side of the world and is unaware of that fact. Shaves on one side. Draws half a house, not the whole house, et cetera. Bisiach had one patient who had this. The patient was intelligent. He was verbal. And Bisiach said to him, “Here are two cubes. I’ll put one in your left hand and one in my left hand. You do what I do.” And he went through a motion.
And the patient said, “OK, doc. I did it.”
Bisiach said, “No, you didn’t.”
He said, “Sure I did.”
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
MOST READ - ADVERTISEMENT -
News From The Worlds Of History, Gemology,
And Science.
1. World's most famous diamond found inside toaster
2. Official Watch of Rock and Roll.
3. Cache Of Giant Raw Diamonds Found
4. 1930's Antique Speedometer Found On A Wrist
5. $200 Reward Offered for Giant Pear
6. Over 100,000 sets of pearls given away
7. U.S. Clock Loses 1 Second in 20 Million Years
8. Chemist shocks Diamond Trade
9. The curse of the perfect gift
www.stauer.com
--------------------------------------------------------------------------------
So Bisiach brought the patient’s left hand into his right visual
field and said, “Whose hand is this?”
And the patient said, “Yours.”
Bisiach said, “I can’t have three hands.”
And the patient very calmly said, “Doc, it stands to reason, if you’ve got three arms, you have to have three hands.” That case is evidence that the brain is not a machine for logic but in fact a construction that does pattern recognition. And it does it by filling in, in ambiguous situations.
How are you pursuing the creation of conscious artifacts in your work at the Neurosciences Institute?
We construct what we call brain-based devices, or BBDs, which will be increasingly useful in understanding how the brain works and modeling the brain. They may also be the beginning of the design of truly intelligent machines.
What exactly is a brain-based device?
It looks like maybe a robot, R2-D2 almost. But it isn’t a robot, because it’s not run by an artificial intelligence [AI] program of logic. It’s run by an artificial brain modeled on the vertebrate or mammalian brain. Where it differs from a real brain, aside from being simulated in a computer, is in the number of neurons. Compared with, let’s say, 30 billion neurons and a million billion connections in the human cortex alone, the most complex brain-based devices presently have less than a million neurons and maybe up to 10 million or so synapses, the space across which nerve impulses pass from one neuron to another.
Our brain-based device learned to pick up a ball and kick it back to a human colleague. It did not just execute algorithms.What is interesting about BBDs is that they are embedded in and sample the real world. They have something that is equivalent to an eye: a camera. We give them microphones for the equivalent of ears. We have something that matches conductance for taste. These devices send inputs into the brain as if they were your tongue, your eyes, your ears. Our BBD called Darwin 7 can actually undergo conditioning. It can learn to pick up and “taste” blocks, which have patterns that can be identified as good-tasting or bad-tasting. It will stay away from the bad-tasting blocks, which have images of blobs instead of stripes on them —rather than pick them up and taste them. It learns to do that all on its own.
Why is this kind of machine better than a robot controlled by traditional artificial intelligence software?
An artificial intelligence program is algorithmic: You write a series of instructions that are based on conditionals, and you anticipate what the problems might be. AI robot soccer players make mistakes because you can’t possibly anticipate every possible scenario on a field. Instead of writing algorithms, we have our BBDs play sample games and learn, just the way you train your dog to do tricks.
At the invitation of the Defense Advanced Research Projects Agency, we incorporated a brain of the kind that we were just talking about into a Segway transporter. And we played a match of soccer against Carnegie Mellon University, which worked with an AI-based Segway. We won five games out of five. That’s because our device learned to pick up a ball and kick it back to a human colleague. It learned the colors of its teammates. It did not just execute algorithms.
It’s hard to comprehend what you are doing. What is the equivalent of a neuron in your brain-based device?
A biological neuron has a complex shape with a set of diverging branches, called dendrites, coming from one part of the center of the cell, and a very long single process called an axon. When you stimulate a neuron, ions like sodium and potassium and chloride flow back and forth, causing what’s called an action potential to travel down the neuron, through the axon, to a synapse. At the synapse, the neuron releases neurotransmitters that flow into another, postsynaptic neuron, which then fires too. In a BBD, we use a computer to simulate these properties, emulating everything that a real neuron does in a series of descriptions from a computer. We have a set of simple equations that describe neuron firing so well that even an expert can’t tell the difference between our simulation spikes and the real thing.
All these simulations and equations sound a lot like the artificial intelligence ideas that haven’t been very successful so far. How does your concept for a conscious artifact differ?
The brain can be simulated on a computer, but when you interface a BBD with the real world, it has the same old problem: The input is ambiguous and complex. What is the best way for the BBD to respond? Neural Darwinism explains how to solve the problem. On our computers we can trace all of the simulated neuronal connections during anything the BBD does. Every 200 milliseconds after the behavior, we ask: What was firing? What was connected? Using mathematical techniques we can actually see the whole thing converge to an output. Of course we are not working with a real brain, but it’s a hint as to what we might need to do to understand real brains.
When are we going to see the first conscious artifact emerge from your laboratory?
Eugene Izhikevitch [a mathematician at the Neurosciences Institute] and I have made a model with a million simulated neurons and almost half a billion synapses, all connected through neuronal anatomy equivalent to that of a cat brain. What we find, to our delight, is that it has intrinsic activity. Up until now our BBDs had activity only when they confronted the world, when they saw input signals. In between signals, they went dark. But this damn thing now fires on its own continually. The second thing is, it has beta waves and gamma waves just like the regular cortex—what you would see if you did an electroencephalogram. Third of all, it has a rest state. That is, when you don’t stimulate it, the whole population of neurons stray back and forth, as has been described by scientists in human beings who aren’t thinking of anything.
In other words, our device has some lovely properties that are necessary to the idea of a conscious artifact. It has that property of indwelling activity. So the brain is already speaking to itself. That’s a very important concept for consciousness.
« Previous Page 1 2 [3]
Related Articles
Discover Interview Roger Penrose Says Physics Is Wrong, From String Theory to Quantum Mechanics
One of the greatest thinkers in physics says the human brain—and the universe itself—must function according to some theory we haven't yet discovered. October 06, 2009
Discover Interview Thanks, Evolution, For Making the Great Building Material Called DNA
Electronic computers are great at what they do. But to accomplish really complicated physical tasks—like building an insect—Erik Winfree says you have to grow them from DNA. August 11, 2009
Discover Interview The Man Who Found Quarks and Made Sense of the Universe
Murray Gell-Mann had a smash success with particles, notorious dustups with Feynman, and a missed opportunity with Einstein. March 17, 2009
Discover Interview DNA Agrees With All the Other Science: Darwin Was Right
Molecular biologist Sean Carroll shows how evolution happens, one snippet of DNA at a time February 19, 2009
Discover Interview Why Did Western Drs. Promote Tobacco While the Nazis Fought Cancer?
Robert Proctor looks at the way knowledge advances—and sometimes takes great leaps backwards. January 08, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
воскресенье, 20 декабря 2009 г.
Discover Interview Roger Penrose Says Physics Is Wrong, From String Theory to Quantum Mechanics
Discover Interview Roger Penrose Says Physics Is Wrong, From String Theory to Quantum Mechanics
One of the greatest thinkers in physics says the human brain—and the universe itself—must function according to some theory we haven't yet discovered.
by Susan Kruglinski; photography by Oliver Chanarin
From the September 2009 issue, published online October 6, 2009
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
Roger Penrose could easily be excused for having a big ego. A theorist whose name will be forever linked with such giants as Hawking and Einstein, Penrose has made fundamental contributions to physics, mathematics, and geometry. He reinterpreted general relativity to prove that black holes can form from dying stars. He invented twistor theory—a novel way to look at the structure of space-time—and so led us to a deeper understanding of the nature of gravity. He discovered a remarkable family of geometric forms that came to be known as Penrose tiles. He even moonlighted as a brain researcher, coming up with a provocative theory that consciousness arises from quantum-mechanical processes. And he wrote a series of incredibly readable, best-selling science books to boot.
And yet the 78-year-old Penrose—now an emeritus professor at the Mathematical Institute, University of Oxford—seems to live the humble life of a researcher just getting started in his career. His small office is cramped with the belongings of the six other professors with whom he shares it, and at the end of the day you might find him rushing off to pick up his 9-year-old son from school. With the curiosity of a man still trying to make a name for himself, he cranks away on fundamental, wide-ranging questions: How did the universe begin? Are there higher dimensions of space and time? Does the current front-running theory in theoretical physics, string theory, actually make sense?
Because he has lived a lifetime of complicated calculations, though, Penrose has quite a bit more perspective than the average starting scientist. To get to the bottom of it all, he insists, physicists must force themselves to grapple with the greatest riddle of them all: the relationship between the rules that govern fundamental particles and the rules that govern the big things—like us—that those particles make up. In his powwow with DISCOVER contributing editor Susan Kruglinksi, Penrose did not flinch from questioning the central tenets of modern physics, including string theory and quantum mechanics. Physicists will never come to grips with the grand theories of the universe, Penrose holds, until they see past the blinding distractions of today’s half-baked theories to the deepest layer of the reality in which we live.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
--------------------------------------------------------------------------------
You come from a colorful family of overachievers, don’t you?
My older brother is a distinguished theoretical physicist, a fellow of the Royal Society. My younger brother ended up the British chess champion 10 times, a record. My father came from a Quaker family. His father was a professional artist who did portraits—very traditional, a lot of religious subjects. The family was very strict. I don’t think we were even allowed to read novels, certainly not on Sundays. My father was one of four brothers, all of whom were very good artists. One of them became well known in the art world, Sir Roland. He was cofounder of the Institute of Contemporary Arts in London. My father himself was a human geneticist who was recognized for demonstrating that older mothers tend to get more Down syndrome children, but he had lots of scientific interests.
How did your father influence your thinking?
The important thing about my father was that there wasn’t any boundary between his work and what he did for fun. That rubbed off on me. He would make puzzles and toys for his children and grandchildren. He used to have a little shed out back where he cut things from wood with his little pedal saw. I remember he once made a slide rule with about 12 different slides, with various characters that we could combine in complicated ways. Later in his life he spent a lot of time making wooden models that reproduced themselves—what people now refer to as artificial life. These were simple devices that, when linked together, would cause other bits to link together in the same way. He sat in his woodshed and cut these things out of wood in great, huge numbers.
So I assume your father helped spark your discovery of Penrose tiles, repeating shapes that fit together to form a solid surface with pentagonal symmetry.
It was silly in a way. I remember asking him—I was around 9 years old—about whether you could fit regular hexagons together and make it round like a sphere. And he said, “No, no, you can’t do that, but you can do it with pentagons,” which was a surprise to me. He showed me how to make polyhedra, and so I got started on that.
Are Penrose tiles useful or just beautiful?
My interest in the tiles has to do with the idea of a universe controlled by very simple forces, even though we see complications all over the place. The tilings follow conventional rules to make complicated patterns. It was an attempt to see how the complicated could be satisfied by very simple rules that reflect what we see in the world.
The artist M. C. Escher was influenced by your geometric inventions. What was the story there?
In my second year as a graduate student at Cambridge, I attended the International Congress of Mathematicians in Amsterdam. I remember seeing one of the lecturers there I knew quite well, and he had this catalog. On the front of it was the Escher picture Day and Night, the one with birds going in opposite directions. The scenery is nighttime on one side and daytime on the other. I remember being intrigued by this, and I asked him where he got it. He said, “Oh, well, there’s an exhibition you might be interested in of some artist called Escher.” So I went and was very taken by these very weird and wonderful things that I’d never seen anything like. I decided to try and draw some impossible scenes myself and came up with this thing that’s referred to as a tri-bar. It’s a triangle that looks like a three-dimensional object, but actually it’s impossible for it to be three-dimensional. I showed it to my father and he worked out some impossible buildings and things. Then we published an article in the British Journal of Psychology on this stuff and acknowledged Escher.
Escher saw the article and was inspired by it?
He used two things from the article. One was the tri-bar, used in his lithograph called Waterfall. Another was the impossible staircase, which my father had worked on and designed. Escher used it in Ascending and Descending, with monks going round and round the stairs. I met Escher once, and I gave him some tiles that will make a repeating pattern, but not until you’ve got 12 of them fitted together. He did this, and then he wrote to me and asked me how it was done—what was it based on? So I showed him a kind of bird shape that did this, and he incorporated it into what I believe is the last picture he ever produced, called Ghosts.
Next Page » [1] 2
Related Articles
Discover Interview Thanks, Evolution, For Making the Great Building Material Called DNA
Electronic computers are great at what they do. But to accomplish really complicated physical tasks—like building an insect—Erik Winfree says you have to grow them from DNA. August 11, 2009
Discover Interview The Man Who Found Quarks and Made Sense of the Universe
Murray Gell-Mann had a smash success with particles, notorious dustups with Feynman, and a missed opportunity with Einstein. March 17, 2009
Discover Interview DNA Agrees With All the Other Science: Darwin Was Right
Molecular biologist Sean Carroll shows how evolution happens, one snippet of DNA at a time February 19, 2009
Discover Interview What Makes You Uniquely "You"?
Nobel laureate Gerald Edelman says your brain is one-of-a-kind in the history of the universe. January 16, 2009
Discover Interview Why Did Western Drs. Promote Tobacco While the Nazis Fought Cancer?
Robert Proctor looks at the way knowledge advances—and sometimes takes great leaps backwards. January 08, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
Is it true that you were bad at math as a kid?
I was unbelievably slow. I lived in Canada for a while, for about six years, during the war. When I was 8, sitting in class, we had to do this mental arithmetic very fast, or what seemed to me very fast. I always got lost. And the teacher, who didn’t like me very much, moved me down a class. There was one rather insightful teacher who decided, after I’d done so badly on these tests, that he would have timeless tests. You could just take as long as you’d like. We all had the same test. I was allowed to take the entire next period to continue, which was a play period. Everyone was always out and enjoying themselves, and I was struggling away to do these tests. And even then sometimes it would stretch into the period beyond that. So I was at least twice as slow as anybody else. Eventually I would do very well. You see, if I could do it that way, I would get very high marks.
You have called the real-world implications of quantum physics nonsensical. What is your objection?
Quantum mechanics is an incredible theory that explains all sorts of things that couldn’t be explained before, starting with the stability of atoms. But when you accept the weirdness of quantum mechanics [in the macro world], you have to give up the idea of space-time as we know it from Einstein. The greatest weirdness here is that it doesn’t make sense. If you follow the rules, you come up with something that just isn’t right.
In quantum mechanics an object can exist in many states at once, which sounds crazy. The quantum description of the world seems completely contrary to the world as we experience it.
It doesn’t make any sense, and there is a simple reason. You see, the mathematics of quantum mechanics has two parts to it. One is the evolution of a quantum system, which is described extremely precisely and accurately by the Schrödinger equation. That equation tells you this: If you know what the state of the system is now, you can calculate what it will be doing 10 minutes from now. However, there is the second part of quantum mechanics—the thing that happens when you want to make a measurement. Instead of getting a single answer, you use the equation to work out the probabilities of certain outcomes. The results don’t say, “This is what the world is doing.” Instead, they just describe the probability of its doing any one thing. The equation should describe the world in a completely deterministic way, but it doesn’t.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
--------------------------------------------------------------------------------
Erwin Schrödinger, who created that equation, was considered a genius. Surely he appreciated that conflict.
Schrödinger was as aware of this as anybody. He talks about his hypothetical cat and says, more or less, “Okay, if you believe what my equation says, you must believe that this cat is dead and alive at the same time.” He says, “That’s obviously nonsense, because it’s not like that. Therefore, my equation can’t be right for a cat. So there must be some other factor involved.”
When you accept the weirdness of quantum mechanics, you have to give up the idea of space-time as we know it from Einstein. You come up with something that just isn’t right.So Schrödinger himself never believed that the cat analogy reflected the nature of reality?
Oh yes, I think he was pointing this out. I mean, look at three of the biggest figures in quantum mechanics, Schrödinger, Einstein, and Paul Dirac. They were all quantum skeptics in a sense. Dirac is the one whom people find most surprising, because he set up the whole foundation, the general framework of quantum mechanics. People think of him as this hard-liner, but he was very cautious in what he said. When he was asked, “What’s the answer to the measurement problem?” his response was, “Quantum mechanics is a provisional theory. Why should I look for an answer in quantum mechanics?” He didn’t believe that it was true. But he didn’t say this out loud much.
Yet the analogy of Schrödinger’s cat is always presented as a strange reality that we have to accept. Doesn’t the concept drive many of today’s ideas about theoretical physics?
That’s right. People don’t want to change the Schrödinger equation, leading them to what’s called the “many worlds” interpretation of quantum mechanics.
That interpretation says that all probabilities are playing out somewhere in parallel universes?
It says OK, the cat is somehow alive and dead at the same time. To look at that cat, you must become a superposition [two states existing at the same time] of you seeing the live cat and you seeing the dead cat. Of course, we don’t seem to experience that, so the physicists have to say, well, somehow your consciousness takes one route or the other route without your knowing it. You’re led to a completely crazy point of view. You’re led into this “many worlds” stuff, which has no relationship to what we actually perceive.
The idea of parallel universes—many worlds—is a very human-centered idea, as if everything has to be understood from the perspective of what we can detect with our five senses.
The trouble is, what can you do with it? Nothing. You want a physical theory that describes the world that we see around us. That’s what physics has always been: Explain what the world that we see does, and why or how it does it. Many worlds quantum mechanics doesn’t do that. Either you accept it and try to make sense of it, which is what a lot of people do, or, like me, you say no—that’s beyond the limits of what quantum mechanics can tell us. Which is, surprisingly, a very uncommon position to take. My own view is that quantum mechanics is not exactly right, and I think there’s a lot of evidence for that. It’s just not direct experimental evidence within the scope of current experiments.
In general, the ideas in theoretical physics seem increasingly fantastical. Take string theory. All that talk about 11 dimensions or our universe’s existing on a giant membrane seems surreal.
You’re absolutely right. And in a certain sense, I blame quantum mechanics, because people say, “Well, quantum mechanics is so nonintuitive; if you believe that, you can believe anything that’s nonintuitive.” But, you see, quantum mechanics has a lot of experimental support, so you’ve got to go along with a lot of it. Whereas string theory has no experimental support.
I understand you are setting out this critique of quantum mechanics in your new book.
The book is called Fashion, Faith and Fantasy in the New Physics of the Universe. Each of those words stands for a major theoretical physics idea. The fashion is string theory; the fantasy has to do with various cosmological schemes, mainly inflationary cosmology [which suggests that the universe inflated exponentially within a small fraction of a second after the Big Bang]. Big fish, those things are. It’s almost sacrilegious to attack them. And the other one, even more sacrilegious, is quantum mechanics at all levels—so that’s the faith. People somehow got the view that you really can’t question it.
A few years ago you suggested that gravity is what separates the classical world from the quantum one. Are there enough people out there putting quantum mechanics to this kind of test?
No, although it’s sort of encouraging that there are people working on it at all. It used to be thought of as a sort of crackpot, fringe activity that people could do when they were old and retired. Well, I am old and retired! But it’s not regarded as a central, as a mainstream activity, which is a shame.
After Newton, and again after Einstein, the way people thought about the world shifted. When the puzzle of quantum mechanics is solved, will there be another revolution in thinking?
It’s hard to make predictions. Ernest Rutherford said his model of the atom [which led to nuclear physics and the atomic bomb] would never be of any use. But yes, I would be pretty sure that it will have a huge influence. There are things like how quantum mechanics could be used in biology. It will eventually make a huge difference, probably in all sorts of unimaginable ways.
In your book The Emperor’s New Mind, you posited that consciousness emerges from quantum physical actions within the cells of the brain. Two decades later, do you stand by that?
In my view the conscious brain does not act according to classical physics. It doesn’t even act according to conventional quantum mechanics. It acts according to a theory we don’t yet have. This is being a bit big-headed, but I think it’s a little bit like William Harvey’s discovery of the circulation of blood. He worked out that it had to circulate, but the veins and arteries just peter out, so how could the blood get through from one to the other? And he said, “Well, it must be tiny little tubes there, and we can’t see them, but they must be there.” Nobody believed it for some time. So I’m still hoping to find something like that—some structure that preserves coherence, because I believe it ought to be there.
When physicists finally understand the core of quantum physics, what do you think the theory will look like
I think it will be beautiful.
« Previous Page 1 [2]
Related Articles
Discover Interview Thanks, Evolution, For Making the Great Building Material Called DNA
Electronic computers are great at what they do. But to accomplish really complicated physical tasks—like building an insect—Erik Winfree says you have to grow them from DNA. August 11, 2009
Discover Interview The Man Who Found Quarks and Made Sense of the Universe
Murray Gell-Mann had a smash success with particles, notorious dustups with Feynman, and a missed opportunity with Einstein. March 17, 2009
Discover Interview DNA Agrees With All the Other Science: Darwin Was Right
Molecular biologist Sean Carroll shows how evolution happens, one snippet of DNA at a time February 19, 2009
Discover Interview What Makes You Uniquely "You"?
Nobel laureate Gerald Edelman says your brain is one-of-a-kind in the history of the universe. January 16, 2009
Discover Interview Why Did Western Drs. Promote Tobacco While the Nazis Fought Cancer?
Robert Proctor looks at the way knowledge advances—and sometimes takes great leaps backwards. January 08, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
One of the greatest thinkers in physics says the human brain—and the universe itself—must function according to some theory we haven't yet discovered.
by Susan Kruglinski; photography by Oliver Chanarin
From the September 2009 issue, published online October 6, 2009
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
Roger Penrose could easily be excused for having a big ego. A theorist whose name will be forever linked with such giants as Hawking and Einstein, Penrose has made fundamental contributions to physics, mathematics, and geometry. He reinterpreted general relativity to prove that black holes can form from dying stars. He invented twistor theory—a novel way to look at the structure of space-time—and so led us to a deeper understanding of the nature of gravity. He discovered a remarkable family of geometric forms that came to be known as Penrose tiles. He even moonlighted as a brain researcher, coming up with a provocative theory that consciousness arises from quantum-mechanical processes. And he wrote a series of incredibly readable, best-selling science books to boot.
And yet the 78-year-old Penrose—now an emeritus professor at the Mathematical Institute, University of Oxford—seems to live the humble life of a researcher just getting started in his career. His small office is cramped with the belongings of the six other professors with whom he shares it, and at the end of the day you might find him rushing off to pick up his 9-year-old son from school. With the curiosity of a man still trying to make a name for himself, he cranks away on fundamental, wide-ranging questions: How did the universe begin? Are there higher dimensions of space and time? Does the current front-running theory in theoretical physics, string theory, actually make sense?
Because he has lived a lifetime of complicated calculations, though, Penrose has quite a bit more perspective than the average starting scientist. To get to the bottom of it all, he insists, physicists must force themselves to grapple with the greatest riddle of them all: the relationship between the rules that govern fundamental particles and the rules that govern the big things—like us—that those particles make up. In his powwow with DISCOVER contributing editor Susan Kruglinksi, Penrose did not flinch from questioning the central tenets of modern physics, including string theory and quantum mechanics. Physicists will never come to grips with the grand theories of the universe, Penrose holds, until they see past the blinding distractions of today’s half-baked theories to the deepest layer of the reality in which we live.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
--------------------------------------------------------------------------------
You come from a colorful family of overachievers, don’t you?
My older brother is a distinguished theoretical physicist, a fellow of the Royal Society. My younger brother ended up the British chess champion 10 times, a record. My father came from a Quaker family. His father was a professional artist who did portraits—very traditional, a lot of religious subjects. The family was very strict. I don’t think we were even allowed to read novels, certainly not on Sundays. My father was one of four brothers, all of whom were very good artists. One of them became well known in the art world, Sir Roland. He was cofounder of the Institute of Contemporary Arts in London. My father himself was a human geneticist who was recognized for demonstrating that older mothers tend to get more Down syndrome children, but he had lots of scientific interests.
How did your father influence your thinking?
The important thing about my father was that there wasn’t any boundary between his work and what he did for fun. That rubbed off on me. He would make puzzles and toys for his children and grandchildren. He used to have a little shed out back where he cut things from wood with his little pedal saw. I remember he once made a slide rule with about 12 different slides, with various characters that we could combine in complicated ways. Later in his life he spent a lot of time making wooden models that reproduced themselves—what people now refer to as artificial life. These were simple devices that, when linked together, would cause other bits to link together in the same way. He sat in his woodshed and cut these things out of wood in great, huge numbers.
So I assume your father helped spark your discovery of Penrose tiles, repeating shapes that fit together to form a solid surface with pentagonal symmetry.
It was silly in a way. I remember asking him—I was around 9 years old—about whether you could fit regular hexagons together and make it round like a sphere. And he said, “No, no, you can’t do that, but you can do it with pentagons,” which was a surprise to me. He showed me how to make polyhedra, and so I got started on that.
Are Penrose tiles useful or just beautiful?
My interest in the tiles has to do with the idea of a universe controlled by very simple forces, even though we see complications all over the place. The tilings follow conventional rules to make complicated patterns. It was an attempt to see how the complicated could be satisfied by very simple rules that reflect what we see in the world.
The artist M. C. Escher was influenced by your geometric inventions. What was the story there?
In my second year as a graduate student at Cambridge, I attended the International Congress of Mathematicians in Amsterdam. I remember seeing one of the lecturers there I knew quite well, and he had this catalog. On the front of it was the Escher picture Day and Night, the one with birds going in opposite directions. The scenery is nighttime on one side and daytime on the other. I remember being intrigued by this, and I asked him where he got it. He said, “Oh, well, there’s an exhibition you might be interested in of some artist called Escher.” So I went and was very taken by these very weird and wonderful things that I’d never seen anything like. I decided to try and draw some impossible scenes myself and came up with this thing that’s referred to as a tri-bar. It’s a triangle that looks like a three-dimensional object, but actually it’s impossible for it to be three-dimensional. I showed it to my father and he worked out some impossible buildings and things. Then we published an article in the British Journal of Psychology on this stuff and acknowledged Escher.
Escher saw the article and was inspired by it?
He used two things from the article. One was the tri-bar, used in his lithograph called Waterfall. Another was the impossible staircase, which my father had worked on and designed. Escher used it in Ascending and Descending, with monks going round and round the stairs. I met Escher once, and I gave him some tiles that will make a repeating pattern, but not until you’ve got 12 of them fitted together. He did this, and then he wrote to me and asked me how it was done—what was it based on? So I showed him a kind of bird shape that did this, and he incorporated it into what I believe is the last picture he ever produced, called Ghosts.
Next Page » [1] 2
Related Articles
Discover Interview Thanks, Evolution, For Making the Great Building Material Called DNA
Electronic computers are great at what they do. But to accomplish really complicated physical tasks—like building an insect—Erik Winfree says you have to grow them from DNA. August 11, 2009
Discover Interview The Man Who Found Quarks and Made Sense of the Universe
Murray Gell-Mann had a smash success with particles, notorious dustups with Feynman, and a missed opportunity with Einstein. March 17, 2009
Discover Interview DNA Agrees With All the Other Science: Darwin Was Right
Molecular biologist Sean Carroll shows how evolution happens, one snippet of DNA at a time February 19, 2009
Discover Interview What Makes You Uniquely "You"?
Nobel laureate Gerald Edelman says your brain is one-of-a-kind in the history of the universe. January 16, 2009
Discover Interview Why Did Western Drs. Promote Tobacco While the Nazis Fought Cancer?
Robert Proctor looks at the way knowledge advances—and sometimes takes great leaps backwards. January 08, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
Is it true that you were bad at math as a kid?
I was unbelievably slow. I lived in Canada for a while, for about six years, during the war. When I was 8, sitting in class, we had to do this mental arithmetic very fast, or what seemed to me very fast. I always got lost. And the teacher, who didn’t like me very much, moved me down a class. There was one rather insightful teacher who decided, after I’d done so badly on these tests, that he would have timeless tests. You could just take as long as you’d like. We all had the same test. I was allowed to take the entire next period to continue, which was a play period. Everyone was always out and enjoying themselves, and I was struggling away to do these tests. And even then sometimes it would stretch into the period beyond that. So I was at least twice as slow as anybody else. Eventually I would do very well. You see, if I could do it that way, I would get very high marks.
You have called the real-world implications of quantum physics nonsensical. What is your objection?
Quantum mechanics is an incredible theory that explains all sorts of things that couldn’t be explained before, starting with the stability of atoms. But when you accept the weirdness of quantum mechanics [in the macro world], you have to give up the idea of space-time as we know it from Einstein. The greatest weirdness here is that it doesn’t make sense. If you follow the rules, you come up with something that just isn’t right.
In quantum mechanics an object can exist in many states at once, which sounds crazy. The quantum description of the world seems completely contrary to the world as we experience it.
It doesn’t make any sense, and there is a simple reason. You see, the mathematics of quantum mechanics has two parts to it. One is the evolution of a quantum system, which is described extremely precisely and accurately by the Schrödinger equation. That equation tells you this: If you know what the state of the system is now, you can calculate what it will be doing 10 minutes from now. However, there is the second part of quantum mechanics—the thing that happens when you want to make a measurement. Instead of getting a single answer, you use the equation to work out the probabilities of certain outcomes. The results don’t say, “This is what the world is doing.” Instead, they just describe the probability of its doing any one thing. The equation should describe the world in a completely deterministic way, but it doesn’t.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
--------------------------------------------------------------------------------
Erwin Schrödinger, who created that equation, was considered a genius. Surely he appreciated that conflict.
Schrödinger was as aware of this as anybody. He talks about his hypothetical cat and says, more or less, “Okay, if you believe what my equation says, you must believe that this cat is dead and alive at the same time.” He says, “That’s obviously nonsense, because it’s not like that. Therefore, my equation can’t be right for a cat. So there must be some other factor involved.”
When you accept the weirdness of quantum mechanics, you have to give up the idea of space-time as we know it from Einstein. You come up with something that just isn’t right.So Schrödinger himself never believed that the cat analogy reflected the nature of reality?
Oh yes, I think he was pointing this out. I mean, look at three of the biggest figures in quantum mechanics, Schrödinger, Einstein, and Paul Dirac. They were all quantum skeptics in a sense. Dirac is the one whom people find most surprising, because he set up the whole foundation, the general framework of quantum mechanics. People think of him as this hard-liner, but he was very cautious in what he said. When he was asked, “What’s the answer to the measurement problem?” his response was, “Quantum mechanics is a provisional theory. Why should I look for an answer in quantum mechanics?” He didn’t believe that it was true. But he didn’t say this out loud much.
Yet the analogy of Schrödinger’s cat is always presented as a strange reality that we have to accept. Doesn’t the concept drive many of today’s ideas about theoretical physics?
That’s right. People don’t want to change the Schrödinger equation, leading them to what’s called the “many worlds” interpretation of quantum mechanics.
That interpretation says that all probabilities are playing out somewhere in parallel universes?
It says OK, the cat is somehow alive and dead at the same time. To look at that cat, you must become a superposition [two states existing at the same time] of you seeing the live cat and you seeing the dead cat. Of course, we don’t seem to experience that, so the physicists have to say, well, somehow your consciousness takes one route or the other route without your knowing it. You’re led to a completely crazy point of view. You’re led into this “many worlds” stuff, which has no relationship to what we actually perceive.
The idea of parallel universes—many worlds—is a very human-centered idea, as if everything has to be understood from the perspective of what we can detect with our five senses.
The trouble is, what can you do with it? Nothing. You want a physical theory that describes the world that we see around us. That’s what physics has always been: Explain what the world that we see does, and why or how it does it. Many worlds quantum mechanics doesn’t do that. Either you accept it and try to make sense of it, which is what a lot of people do, or, like me, you say no—that’s beyond the limits of what quantum mechanics can tell us. Which is, surprisingly, a very uncommon position to take. My own view is that quantum mechanics is not exactly right, and I think there’s a lot of evidence for that. It’s just not direct experimental evidence within the scope of current experiments.
In general, the ideas in theoretical physics seem increasingly fantastical. Take string theory. All that talk about 11 dimensions or our universe’s existing on a giant membrane seems surreal.
You’re absolutely right. And in a certain sense, I blame quantum mechanics, because people say, “Well, quantum mechanics is so nonintuitive; if you believe that, you can believe anything that’s nonintuitive.” But, you see, quantum mechanics has a lot of experimental support, so you’ve got to go along with a lot of it. Whereas string theory has no experimental support.
I understand you are setting out this critique of quantum mechanics in your new book.
The book is called Fashion, Faith and Fantasy in the New Physics of the Universe. Each of those words stands for a major theoretical physics idea. The fashion is string theory; the fantasy has to do with various cosmological schemes, mainly inflationary cosmology [which suggests that the universe inflated exponentially within a small fraction of a second after the Big Bang]. Big fish, those things are. It’s almost sacrilegious to attack them. And the other one, even more sacrilegious, is quantum mechanics at all levels—so that’s the faith. People somehow got the view that you really can’t question it.
A few years ago you suggested that gravity is what separates the classical world from the quantum one. Are there enough people out there putting quantum mechanics to this kind of test?
No, although it’s sort of encouraging that there are people working on it at all. It used to be thought of as a sort of crackpot, fringe activity that people could do when they were old and retired. Well, I am old and retired! But it’s not regarded as a central, as a mainstream activity, which is a shame.
After Newton, and again after Einstein, the way people thought about the world shifted. When the puzzle of quantum mechanics is solved, will there be another revolution in thinking?
It’s hard to make predictions. Ernest Rutherford said his model of the atom [which led to nuclear physics and the atomic bomb] would never be of any use. But yes, I would be pretty sure that it will have a huge influence. There are things like how quantum mechanics could be used in biology. It will eventually make a huge difference, probably in all sorts of unimaginable ways.
In your book The Emperor’s New Mind, you posited that consciousness emerges from quantum physical actions within the cells of the brain. Two decades later, do you stand by that?
In my view the conscious brain does not act according to classical physics. It doesn’t even act according to conventional quantum mechanics. It acts according to a theory we don’t yet have. This is being a bit big-headed, but I think it’s a little bit like William Harvey’s discovery of the circulation of blood. He worked out that it had to circulate, but the veins and arteries just peter out, so how could the blood get through from one to the other? And he said, “Well, it must be tiny little tubes there, and we can’t see them, but they must be there.” Nobody believed it for some time. So I’m still hoping to find something like that—some structure that preserves coherence, because I believe it ought to be there.
When physicists finally understand the core of quantum physics, what do you think the theory will look like
I think it will be beautiful.
« Previous Page 1 [2]
Related Articles
Discover Interview Thanks, Evolution, For Making the Great Building Material Called DNA
Electronic computers are great at what they do. But to accomplish really complicated physical tasks—like building an insect—Erik Winfree says you have to grow them from DNA. August 11, 2009
Discover Interview The Man Who Found Quarks and Made Sense of the Universe
Murray Gell-Mann had a smash success with particles, notorious dustups with Feynman, and a missed opportunity with Einstein. March 17, 2009
Discover Interview DNA Agrees With All the Other Science: Darwin Was Right
Molecular biologist Sean Carroll shows how evolution happens, one snippet of DNA at a time February 19, 2009
Discover Interview What Makes You Uniquely "You"?
Nobel laureate Gerald Edelman says your brain is one-of-a-kind in the history of the universe. January 16, 2009
Discover Interview Why Did Western Drs. Promote Tobacco While the Nazis Fought Cancer?
Robert Proctor looks at the way knowledge advances—and sometimes takes great leaps backwards. January 08, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
Darwin Plays Game Theory—and Wins
Darwin Plays Game Theory—and Wins
A computer simulation predicts that ravens should have evolved a behavior called "gang foraging," which is then observed in real ravens.
by Andrew Grant
From the June 2009 issue, published online May 22, 2009
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
Image: iStockphoto
Game theory, the branch of mathematics best known for exploring economics, has for the first time successfully predicted animal behavior in nature. It forecast a foraging strategy for ravens that was later observed in the wild.
Game theory analyzes how people (or animals) act in situations where an individual’s success depends on both his own decisions and those of others. In 2002 Sasha Dall, a mathematical ecologist at the University of Exeter in England, used a game theory model to explain why young ravens scout for carrion alone but then recruit other birds to join the feast. This apparently altruistic behavior is evolutionarily sensible, he found, because it helps the scout fight off territorial adults and secure dominance over recruits.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
MOST READ - ADVERTISEMENT -
News From The Worlds Of History, Gemology,
And Science.
1. World's most famous diamond found inside toaster
2. Official Watch of Rock and Roll.
3. Cache Of Giant Raw Diamonds Found
4. 1930's Antique Speedometer Found On A Wrist
5. $200 Reward Offered for Giant Pear
6. Over 100,000 sets of pearls given away
7. U.S. Clock Loses 1 Second in 20 Million Years
8. Chemist shocks Diamond Trade
9. The curse of the perfect gift
www.stauer.com
--------------------------------------------------------------------------------
Dall’s model predicted another successful strategy, one that had never been observed in ravens: gang foraging, in which a large group of birds scavenge together. Within a year, behavioral ecologist Jonathan Wright of the Norwegian University of Science and Technology discovered this very behavior in the field. He tracked ravens in North Wales by implanting carcasses with different-colored beads that the birds ingested and later coughed up. Analysis of the beads indicated that ravens in some roosts were searching, eating, and benefiting together, just as Dall anticipated. Wright and Dall merged their mathematical and field-based work in a paper published in February.
Charles Darwin noticed that animal teamwork could make evolutionary sense for groups, but Wright’s research shows that joint efforts can pay off even in situations that emphasize the role of individual success. “Ravens are smart and selfish,” Wright says, “but there’s a lot more stability to cooperation.”
Related Articles
#87: Mockingbirds Know Who You Are... And They Hold a Grudge
The birds learned to identify an aggressive researcher and ignore the others—and eventually they dive-bombed the malefactor. December 19, 2009
Monkey See, Monkey Do, Monkey Connect
The most profound bonds between people begin in our bodies with imitation and synchronized movements. November 19, 2009
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
New research suggests that math has evolved its way right into our neurons—and monkeys', too. November 17, 2009
The Pentagon’s Beetle Borgs
Researchers create what may be the perfect scout: a bug controlled remotely through a chip implanted in its optic lobes and flight muscles. April 30, 2009
20 Things You Didn't Know About... Time
The beginning, the end, and the funny habits of our favorite ticking force. March 12, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
A computer simulation predicts that ravens should have evolved a behavior called "gang foraging," which is then observed in real ravens.
by Andrew Grant
From the June 2009 issue, published online May 22, 2009
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
Image: iStockphoto
Game theory, the branch of mathematics best known for exploring economics, has for the first time successfully predicted animal behavior in nature. It forecast a foraging strategy for ravens that was later observed in the wild.
Game theory analyzes how people (or animals) act in situations where an individual’s success depends on both his own decisions and those of others. In 2002 Sasha Dall, a mathematical ecologist at the University of Exeter in England, used a game theory model to explain why young ravens scout for carrion alone but then recruit other birds to join the feast. This apparently altruistic behavior is evolutionarily sensible, he found, because it helps the scout fight off territorial adults and secure dominance over recruits.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
MOST READ - ADVERTISEMENT -
News From The Worlds Of History, Gemology,
And Science.
1. World's most famous diamond found inside toaster
2. Official Watch of Rock and Roll.
3. Cache Of Giant Raw Diamonds Found
4. 1930's Antique Speedometer Found On A Wrist
5. $200 Reward Offered for Giant Pear
6. Over 100,000 sets of pearls given away
7. U.S. Clock Loses 1 Second in 20 Million Years
8. Chemist shocks Diamond Trade
9. The curse of the perfect gift
www.stauer.com
--------------------------------------------------------------------------------
Dall’s model predicted another successful strategy, one that had never been observed in ravens: gang foraging, in which a large group of birds scavenge together. Within a year, behavioral ecologist Jonathan Wright of the Norwegian University of Science and Technology discovered this very behavior in the field. He tracked ravens in North Wales by implanting carcasses with different-colored beads that the birds ingested and later coughed up. Analysis of the beads indicated that ravens in some roosts were searching, eating, and benefiting together, just as Dall anticipated. Wright and Dall merged their mathematical and field-based work in a paper published in February.
Charles Darwin noticed that animal teamwork could make evolutionary sense for groups, but Wright’s research shows that joint efforts can pay off even in situations that emphasize the role of individual success. “Ravens are smart and selfish,” Wright says, “but there’s a lot more stability to cooperation.”
Related Articles
#87: Mockingbirds Know Who You Are... And They Hold a Grudge
The birds learned to identify an aggressive researcher and ignore the others—and eventually they dive-bombed the malefactor. December 19, 2009
Monkey See, Monkey Do, Monkey Connect
The most profound bonds between people begin in our bodies with imitation and synchronized movements. November 19, 2009
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
New research suggests that math has evolved its way right into our neurons—and monkeys', too. November 17, 2009
The Pentagon’s Beetle Borgs
Researchers create what may be the perfect scout: a bug controlled remotely through a chip implanted in its optic lobes and flight muscles. April 30, 2009
20 Things You Didn't Know About... Time
The beginning, the end, and the funny habits of our favorite ticking force. March 12, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
The Biocentric Universe Theory: Life Creates Time, Space, and the Cosmos Itself
The Biocentric Universe Theory: Life Creates Time, Space, and the Cosmos Itself
Stem-cell guru Robert Lanza presents a radical new view of the universe and everything in it.
by Robert Lanza and Bob Berman
From the May 2009 issue, published online May 1, 2009
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
NASA/ESA/A. Schaller (for STScI)
Adapted from Biocentrism: How Life and Consciousness Are the Keys to Understanding the True Nature of the Universe, by Robert Lanza with Bob Berman, published by BenBella Books in May 2009.
The farther we peer into space, the more we realize that the nature of the universe cannot be understood fully by inspecting spiral galaxies or watching distant supernovas. It lies deeper. It involves our very selves.
This insight snapped into focus one day while one of us (Lanza) was walking through the woods. Looking up, he saw a huge golden orb web spider tethered to the overhead boughs. There the creature sat on a single thread, reaching out across its web to detect the vibrations of a trapped insect struggling to escape. The spider surveyed its universe, but everything beyond that gossamer pinwheel was incomprehensible. The human observer seemed as far-off to the spider as telescopic objects seem to us. Yet there was something kindred: We humans, too, lie at the heart of a great web of space and time whose threads are connected according to laws that dwell in our minds.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
--------------------------------------------------------------------------------
Is the web possible without the spider? Are space and time physical objects that would continue to exist even if living creatures were removed from the scene?
Figuring out the nature of the real world has obsessed scientists and philosophers for millennia. Three hundred years ago, the Irish empiricist George Berkeley contributed a particularly prescient observation: The only thing we can perceive are our perceptions. In other words, consciousness is the matrix upon which the cosmos is apprehended. Color, sound, temperature, and the like exist only as perceptions in our head, not as absolute essences. In the broadest sense, we cannot be sure of an outside universe at all.
For centuries, scientists regarded Berkeley’s argument as a philosophical sideshow and continued to build physical models based on the assumption of a separate universe “out there” into which we have each individually arrived. These models presume the existence of one essential reality that prevails with us or without us. Yet since the 1920s, quantum physics experiments have routinely shown the opposite: Results do depend on whether anyone is observing. This is perhaps most vividly illustrated by the famous two-slit experiment. When someone watches a subatomic particle or a bit of light pass through the slits, the particle behaves like a bullet, passing through one hole or the other. But if no one observes the particle, it exhibits the behavior of a wave that can inhabit all possibilities—including somehow passing through both holes at the same time.
Some of the greatest physicists have described these results as so confounding they are impossible to comprehend fully, beyond the reach of metaphor, visualization, and language itself. But there is another interpretation that makes them sensible. Instead of assuming a reality that predates life and even creates it, we propose a biocentric picture of reality. From this point of view, life—particularly consciousness—creates the universe, and the universe could not exist without us.
MESSING WITH THE LIGHT
Quantum mechanics is the physicist’s most accurate model for describing the world of the atom. But it also makes some of the most persuasive arguments that conscious perception is integral to the workings of the universe. Quantum theory tells us that an unobserved small object (for instance, an electron or a photon—a particle of light) exists only in a blurry, unpredictable state, with no well-defined location or motion until the moment it is observed. This is Werner Heisenberg’s famous uncertainty principle. Physicists describe the phantom, not-yet-manifest condition as a wave function, a mathematical expression used to find the probability that a particle will appear in any given place. When a property of an electron suddenly switches from possibility to reality, some physicists say its wave function has collapsed.
What accomplishes this collapse? Messing with it. Hitting it with a bit of light in order to take its picture. Just looking at it does the job. Experiments suggest that mere knowledge in the experimenter’s mind is sufficient to collapse a wave function and convert possibility to reality. When particles are created as a pair—for instance, two electrons in a single atom that move or spin together—physicists call them entangled. Due to their intimate connection, entangled particles share a wave function. When we measure one particle and thus collapse its wave function, the other particle’s wave function instantaneously collapses too. If one photon is observed to have a vertical polarization (its waves all moving in one plane), the act of observation causes the other to instantly go from being an indefinite probability wave to an actual photon with the opposite, horizontal polarity—even if the two photons have since moved far from each other.
In 1997 University of Geneva physicist Nicolas Gisin sent two entangled photons zooming along optical fibers until they were seven miles apart. One photon then hit a two-way mirror where it had a choice: either bounce off or go through. Detectors recorded what it randomly did. But whatever action it took, its entangled twin always performed the complementary action. The communication between the two happened at least 10,000 times faster than the speed of light. It seems that quantum news travels instantaneously, limited by no external constraints—not even the speed of light. Since then, other researchers have duplicated and refined Gisin’s work. Today no one questions the immediate nature of this connectedness between bits of light or matter, or even entire clusters of atoms.
Before these experiments most physicists believed in an objective, independent universe. They still clung to the assumption that physical states exist in some absolute sense before they are measured.
All of this is now gone for keeps.
WRESTLING WITH GOLDILOCKS
The strangeness of quantum reality is far from the only argument against the old model of reality. There is also the matter of the fine-tuning of the cosmos. Many fundamental traits, forces, and physical constants—like the charge of the electron or the strength of gravity—make it appear as if everything about the physical state of the universe were tailor-made for life. Some researchers call this revelation the Goldilocks principle, because the cosmos is not “too this” or “too that” but rather “just right” for life.
Next Page » [1] 2
Related Articles
A Fish-Eye View of the Cosmos
Two new projects aim to soak in—and analyze—the entire visible sky. November 30, 2009
Monkey See, Monkey Do, Monkey Connect
The most profound bonds between people begin in our bodies with imitation and synchronized movements. November 19, 2009
A Tumultuous Year at the LHC
Physicist Lisa Randall describes the turbulent first year after the collider's premature celebration. November 12, 2009
A Yardstick for the Universe
The Hubble Space Telescope is helping to improve our understanding of the expansion of space, dark energy, and the fate of the cosmos. November 10, 2009
Will Our Universe Collide With a Neighboring One?
Our universe may be one of a multitude—and it may bear the scars of past run-ins with its neighbors. November 04, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
Stem-cell guru Robert Lanza presents a radical new view of the universe and everything in it.
by Robert Lanza and Bob Berman
From the May 2009 issue, published online May 1, 2009
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
NASA/ESA/A. Schaller (for STScI)
Adapted from Biocentrism: How Life and Consciousness Are the Keys to Understanding the True Nature of the Universe, by Robert Lanza with Bob Berman, published by BenBella Books in May 2009.
The farther we peer into space, the more we realize that the nature of the universe cannot be understood fully by inspecting spiral galaxies or watching distant supernovas. It lies deeper. It involves our very selves.
This insight snapped into focus one day while one of us (Lanza) was walking through the woods. Looking up, he saw a huge golden orb web spider tethered to the overhead boughs. There the creature sat on a single thread, reaching out across its web to detect the vibrations of a trapped insect struggling to escape. The spider surveyed its universe, but everything beyond that gossamer pinwheel was incomprehensible. The human observer seemed as far-off to the spider as telescopic objects seem to us. Yet there was something kindred: We humans, too, lie at the heart of a great web of space and time whose threads are connected according to laws that dwell in our minds.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
--------------------------------------------------------------------------------
Is the web possible without the spider? Are space and time physical objects that would continue to exist even if living creatures were removed from the scene?
Figuring out the nature of the real world has obsessed scientists and philosophers for millennia. Three hundred years ago, the Irish empiricist George Berkeley contributed a particularly prescient observation: The only thing we can perceive are our perceptions. In other words, consciousness is the matrix upon which the cosmos is apprehended. Color, sound, temperature, and the like exist only as perceptions in our head, not as absolute essences. In the broadest sense, we cannot be sure of an outside universe at all.
For centuries, scientists regarded Berkeley’s argument as a philosophical sideshow and continued to build physical models based on the assumption of a separate universe “out there” into which we have each individually arrived. These models presume the existence of one essential reality that prevails with us or without us. Yet since the 1920s, quantum physics experiments have routinely shown the opposite: Results do depend on whether anyone is observing. This is perhaps most vividly illustrated by the famous two-slit experiment. When someone watches a subatomic particle or a bit of light pass through the slits, the particle behaves like a bullet, passing through one hole or the other. But if no one observes the particle, it exhibits the behavior of a wave that can inhabit all possibilities—including somehow passing through both holes at the same time.
Some of the greatest physicists have described these results as so confounding they are impossible to comprehend fully, beyond the reach of metaphor, visualization, and language itself. But there is another interpretation that makes them sensible. Instead of assuming a reality that predates life and even creates it, we propose a biocentric picture of reality. From this point of view, life—particularly consciousness—creates the universe, and the universe could not exist without us.
MESSING WITH THE LIGHT
Quantum mechanics is the physicist’s most accurate model for describing the world of the atom. But it also makes some of the most persuasive arguments that conscious perception is integral to the workings of the universe. Quantum theory tells us that an unobserved small object (for instance, an electron or a photon—a particle of light) exists only in a blurry, unpredictable state, with no well-defined location or motion until the moment it is observed. This is Werner Heisenberg’s famous uncertainty principle. Physicists describe the phantom, not-yet-manifest condition as a wave function, a mathematical expression used to find the probability that a particle will appear in any given place. When a property of an electron suddenly switches from possibility to reality, some physicists say its wave function has collapsed.
What accomplishes this collapse? Messing with it. Hitting it with a bit of light in order to take its picture. Just looking at it does the job. Experiments suggest that mere knowledge in the experimenter’s mind is sufficient to collapse a wave function and convert possibility to reality. When particles are created as a pair—for instance, two electrons in a single atom that move or spin together—physicists call them entangled. Due to their intimate connection, entangled particles share a wave function. When we measure one particle and thus collapse its wave function, the other particle’s wave function instantaneously collapses too. If one photon is observed to have a vertical polarization (its waves all moving in one plane), the act of observation causes the other to instantly go from being an indefinite probability wave to an actual photon with the opposite, horizontal polarity—even if the two photons have since moved far from each other.
In 1997 University of Geneva physicist Nicolas Gisin sent two entangled photons zooming along optical fibers until they were seven miles apart. One photon then hit a two-way mirror where it had a choice: either bounce off or go through. Detectors recorded what it randomly did. But whatever action it took, its entangled twin always performed the complementary action. The communication between the two happened at least 10,000 times faster than the speed of light. It seems that quantum news travels instantaneously, limited by no external constraints—not even the speed of light. Since then, other researchers have duplicated and refined Gisin’s work. Today no one questions the immediate nature of this connectedness between bits of light or matter, or even entire clusters of atoms.
Before these experiments most physicists believed in an objective, independent universe. They still clung to the assumption that physical states exist in some absolute sense before they are measured.
All of this is now gone for keeps.
WRESTLING WITH GOLDILOCKS
The strangeness of quantum reality is far from the only argument against the old model of reality. There is also the matter of the fine-tuning of the cosmos. Many fundamental traits, forces, and physical constants—like the charge of the electron or the strength of gravity—make it appear as if everything about the physical state of the universe were tailor-made for life. Some researchers call this revelation the Goldilocks principle, because the cosmos is not “too this” or “too that” but rather “just right” for life.
Next Page » [1] 2
Related Articles
A Fish-Eye View of the Cosmos
Two new projects aim to soak in—and analyze—the entire visible sky. November 30, 2009
Monkey See, Monkey Do, Monkey Connect
The most profound bonds between people begin in our bodies with imitation and synchronized movements. November 19, 2009
A Tumultuous Year at the LHC
Physicist Lisa Randall describes the turbulent first year after the collider's premature celebration. November 12, 2009
A Yardstick for the Universe
The Hubble Space Telescope is helping to improve our understanding of the expansion of space, dark energy, and the fate of the cosmos. November 10, 2009
Will Our Universe Collide With a Neighboring One?
Our universe may be one of a multitude—and it may bear the scars of past run-ins with its neighbors. November 04, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
20 Things You Didn't Know About... Time
20 Things You Didn't Know About... Time
The beginning, the end, and the funny habits of our favorite ticking force.
by LeeAundra Temescu
From the March 2009 issue, published online March 12, 2009
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
iStockphoto
1 “Time is an illusion. Lunchtime doubly so,” joked Douglas Adams in The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy. Scientists aren’t laughing, though. Some speculative new physics theories suggest that time emerges from a more fundamental—and timeless—reality.
2 Try explaining that when you get to work late. The average U.S. city commuter loses 38 hours a year to traffic delays.
3 Wonder why you have to set your clock ahead in March? Daylight Saving Time began as a joke by Benjamin Franklin, who proposed waking people earlier on bright summer mornings so they might work more during the day and thus save candles. It was introduced in the U.K. in 1917 and then spread around the world.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
--------------------------------------------------------------------------------
4 Green days. The Department of Energy estimates that electricity demand drops by 0.5 percent during Daylight Saving Time, saving the equivalent of nearly 3 million barrels of oil.
5 By observing how quickly bank tellers made change, pedestrians walked, and postal clerks spoke, psychologists determined that the three fastest-paced U.S. cities are Boston, Buffalo, and New York.
6 The three slowest? Shreveport, Sacramento, and L.A.
7 One second used to be defined as 1/86,400 the length of a day. However, Earth’s rotation isn’t perfectly reliable. Tidal friction from the sun and moon slows our planet and increases the length of a day by 3 milliseconds per century.
8 This means that in the time of the dinosaurs, the day was just 23 hours long.
9 Weather also changes the day. During El Niño events, strong winds can slow Earth’s rotation by a fraction of a millisecond every 24 hours.
10 Modern technology can do better. In 1972 a network of atomic clocks in more than 50 countries was made the final authority on time, so accurate that it takes 31.7 million years to lose about one second.
11 To keep this time in sync with Earth’s slowing rotation, a “leap second” must be added every few years, most recently this past New Year’s Eve.
12 The world’s most accurate clock, at the National Institute of Standards and Technology in Colorado, measures vibrations of a single atom of mercury. In a billion years it will not lose one second.
13 Until the 1800s, every village lived in its own little time zone, with clocks synchronized to the local solar noon.
14 This caused havoc with the advent of trains and timetables. For a while watches were made that could tell both local time and “railway time.”
15 On November 18, 1883, American railway companies forced the national adoption of standardized time zones.
16 Thinking about how railway time required clocks in different places to be synchronized may have inspired Einstein to develop his theory of relativity, which unifies space and time.
17 Einstein showed that gravity makes time run more slowly. Thus airplane passengers, flying where Earth’s pull is weaker, age a few extra nanoseconds each flight.
18 According to quantum theory, the shortest moment of time that can exist is known as Planck time, or 0.0000000000000000000000000000000000000000001 second.
19 Time has not been around forever. Most scientists believe it was created along with the rest of the universe in the Big Bang, 13.7 billion years ago.
20 There may be an end of time. Three Spanish scientists posit that the observed acceleration of the expanding cosmos is an illusion caused by the slowing of time. According to their math, time may eventually stop, at which point everything will come to a standstill.
Related Articles
20 Things You Didn't Know About... Sugar
We eat it, we love it, and it may have been a chemical precursor to life on Earth. October 30, 2009
20 Things You Didn't Know About... Hurricanes
A typical hurricane releases some 600 trillion watts of heat energy, equivalent to 200 times the world’s total electrical generating capacity. August 18, 2009
20 Things You Didn't Know About... Eclipses
July 30, 2009
20 Things You Didn't Know About... Movies
The first skin flicks, setting actors on fire (safely), the great bluff that turned into IMAX, and more. June 03, 2009
20 Things You Didn't Know About... Tunnels
New York has a forgotten one, Texas has a $2 billion wasted one, and Switzerland's building the longest. April 29, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
The beginning, the end, and the funny habits of our favorite ticking force.
by LeeAundra Temescu
From the March 2009 issue, published online March 12, 2009
Yahoo! BuzzShareThisShareThis
iStockphoto
1 “Time is an illusion. Lunchtime doubly so,” joked Douglas Adams in The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy. Scientists aren’t laughing, though. Some speculative new physics theories suggest that time emerges from a more fundamental—and timeless—reality.
2 Try explaining that when you get to work late. The average U.S. city commuter loses 38 hours a year to traffic delays.
3 Wonder why you have to set your clock ahead in March? Daylight Saving Time began as a joke by Benjamin Franklin, who proposed waking people earlier on bright summer mornings so they might work more during the day and thus save candles. It was introduced in the U.K. in 1917 and then spread around the world.
--------------------------------------------------------------------------------
advertisement | article continues below
--------------------------------------------------------------------------------
4 Green days. The Department of Energy estimates that electricity demand drops by 0.5 percent during Daylight Saving Time, saving the equivalent of nearly 3 million barrels of oil.
5 By observing how quickly bank tellers made change, pedestrians walked, and postal clerks spoke, psychologists determined that the three fastest-paced U.S. cities are Boston, Buffalo, and New York.
6 The three slowest? Shreveport, Sacramento, and L.A.
7 One second used to be defined as 1/86,400 the length of a day. However, Earth’s rotation isn’t perfectly reliable. Tidal friction from the sun and moon slows our planet and increases the length of a day by 3 milliseconds per century.
8 This means that in the time of the dinosaurs, the day was just 23 hours long.
9 Weather also changes the day. During El Niño events, strong winds can slow Earth’s rotation by a fraction of a millisecond every 24 hours.
10 Modern technology can do better. In 1972 a network of atomic clocks in more than 50 countries was made the final authority on time, so accurate that it takes 31.7 million years to lose about one second.
11 To keep this time in sync with Earth’s slowing rotation, a “leap second” must be added every few years, most recently this past New Year’s Eve.
12 The world’s most accurate clock, at the National Institute of Standards and Technology in Colorado, measures vibrations of a single atom of mercury. In a billion years it will not lose one second.
13 Until the 1800s, every village lived in its own little time zone, with clocks synchronized to the local solar noon.
14 This caused havoc with the advent of trains and timetables. For a while watches were made that could tell both local time and “railway time.”
15 On November 18, 1883, American railway companies forced the national adoption of standardized time zones.
16 Thinking about how railway time required clocks in different places to be synchronized may have inspired Einstein to develop his theory of relativity, which unifies space and time.
17 Einstein showed that gravity makes time run more slowly. Thus airplane passengers, flying where Earth’s pull is weaker, age a few extra nanoseconds each flight.
18 According to quantum theory, the shortest moment of time that can exist is known as Planck time, or 0.0000000000000000000000000000000000000000001 second.
19 Time has not been around forever. Most scientists believe it was created along with the rest of the universe in the Big Bang, 13.7 billion years ago.
20 There may be an end of time. Three Spanish scientists posit that the observed acceleration of the expanding cosmos is an illusion caused by the slowing of time. According to their math, time may eventually stop, at which point everything will come to a standstill.
Related Articles
20 Things You Didn't Know About... Sugar
We eat it, we love it, and it may have been a chemical precursor to life on Earth. October 30, 2009
20 Things You Didn't Know About... Hurricanes
A typical hurricane releases some 600 trillion watts of heat energy, equivalent to 200 times the world’s total electrical generating capacity. August 18, 2009
20 Things You Didn't Know About... Eclipses
July 30, 2009
20 Things You Didn't Know About... Movies
The first skin flicks, setting actors on fire (safely), the great bluff that turned into IMAX, and more. June 03, 2009
20 Things You Didn't Know About... Tunnels
New York has a forgotten one, Texas has a $2 billion wasted one, and Switzerland's building the longest. April 29, 2009
Latest News Blogs Most Popular
The Bizarre and Brilliant World of Knitted Science
How Autistic Artists See the World
Eye Color Explained
Each Grain of Sand a Tiny Work of Art
The Brain: What Is the Speed of Thought?
#91: The Strange Ancient Process That Made Earth's Oxygen
#93: Re-Analyzing One of the Greatest Brains in History
The Brain: Humanity's Other Basic Instinct: Math
#92: Nowhere to Hide From the Buzz of Civilization
#95: Hidden Caribou-Hunting Civilization Found Under Lake Huron
Video for Owning the Weather Panel in Copenhagen
Easy-reading chiropractic libel for young readers
Create your own tour of the Universe!
Geek culture
Republicans Thrash Climate Scientists in the Court of Public Opinion
Terroreidolia
New Especially Bad Heroin Can Give You an Overdose—or Anthrax
From Tibet to Infinity and back again
Ocean Volcano Eruption!!
Furious Fanboys Plan “Operation Stranglehold” to Take Down AT&T
Lab-Created Platelets Slow Bleeding in Rodents
Physicists Find Hints of Dark Matter But No Clear Discovery
The Mutations That Kill: 1st Cancer Genomes Sequenced
Copenhagen Roundup: Protests, Walkouts, and the Money Wars
A Hack of the Drones: Insurgents Spy on Spy Planes With $26 Software
Study: Like Earthquakes & Financial Markets, Terrorist Attacks Follow Laws ...
New Super-Earth: Hot, Watery, and Nearby
Injured Vet Receives Transplanted Pancreas Grown From a Few Cells
Scientist Smackdown: Are Unnecessary CT Scans Killing People?
Gravity Satellites Show a Huge Groundwater Loss in California
Name
Address
Address
City State Zip Code
Email Address
(U.S. orders only) DISCOVER is published monthly except two double issues which count as two each. Savings based on a $29.95 annual subscription rate.
суббота, 28 ноября 2009 г.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ 11). ЗАКЛЮЧЕНИЕ
<<< ОГЛАВЛЕHИЕ >>>
--------------------------------------------------------------------------------
11. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы живем в удивительном мире. Нам хочется понять то, что мы видим вокруг, и спросить: каково происхождение Вселенной? какое место в ней занимаем мы, и откуда мы и она – все это взялось? почему все происходит именно так, а не иначе?
Для ответа на эти вопросы мы принимаем некую картину мира. Такой картиной может быть как башня из стоящих друг на друге черепах, несущих на себе плоскую Землю, так и теория суперструн. Обе они являются теориями Вселенной, но вторая значительно математичнее и точнее первой. Ни одна из этих теорий не подтверждена наблюдениями: никто никогда не видел гигантскую черепаху с нашей Землей на спине, но ведь и суперструну никто никогда не видел. Однако модель черепах нельзя назвать хорошей научной теорией, потому что она предсказывает возможность выпадения людей через край мира. Такая возможность не подтверждена экспериментально, разве что она окажется причиной предполагаемого исчезновения людей в Бермудском треугольнике!
Самые первые попытки описания и объяснения Вселенной были основаны на представлении, что событиями и явлениями природы управляют духи, наделенные человеческими эмоциями и действующие совершенно как люди и абсолютно непредсказуемо.
Эти духи населяли такие природные объекты, как реки, горы и небесные тела, например, Солнце и Луну. Полагалось задабривать их и добиваться их расположения, чтобы обеспечить плодородие почвы и смену времен года. Но постепенно люди должны были подметить определенные закономерности: Солнце всегда вставало на востоке и садилось на западе независимо от того, была или не была принесена жертва богу Солнца. Солнце, Луна и планеты ходили по небу вдоль совершенно определенных путей, которые можно было предсказать наперед с хорошей точностью. Солнце и Луна все же могли оказаться богами, но богами, которые подчиняются строгим, по-видимому, не допускающим исключений законам, если, конечно, отвлечься от россказней вроде легенды о том, как ради Иисуса Навина остановилось Солнце.
Сначала закономерности и законы были обнаружены только в астрономии и еще в считанных случаях. По по мере развития цивилизации, и особенно за последние триста лет, открывались все новые и новые закономерности и законы. Успешное применение этих законов в начале XIX в. привело Лапласа к доктрине научного детерминизма. Ее суть в том, что должна существовать система законов, точно определяющих, как будет развиваться Вселенная, по ее состоянию в один какой-нибудь момент времени.
Лапласовский детерминизм был неполным но двум причинам. В нем ничего не говорилось о том, как следует выбирать законы, и никак не определялось начальное состояние Вселенной. И то и другое предоставлялось решать Богу. Бог должен был решить, каким быть началу Вселенной и каким законам ей подчиняться, но с возникновением Вселенной его вмешательство прекратилось. Практически Богу были оставлены лишь те области, которые были непонятны науке XIX в.
Сейчас мы знаем, что мечты Лапласа о детерминизме нереальны, по крайней мере в том виде, как это понимал Лаплас. В силу квантово-механического принципа неопределенности некоторые пары величин, например, положение частицы и ее скорость, нельзя одновременно абсолютно точно предсказать.
Квантовая механика в подобных ситуациях обращается к целому классу квантовых теорий, в которых частицы не имеют точно определенных положений и скоростей, а представляются в виде волн. Такие квантовые теории являются детерминистскими в том смысле, что они указывают закон изменения волн со временем. Поэтому, зная характеристики волны в один момент времени, мы можем рассчитать, какими они станут в любой другой момент времени. Элемент непредсказуемости и случайности возникает лишь при попытках интерпретации волны на основе представлений о положении и скорости частиц. Но в этом-то, возможно, и заключается наша ошибка: может быть, нет ни положений, ни скоростей частиц, а существуют одни только волны. И ошибка именно в том, что мы пытаемся втиснуть понятие волны в наши заскорузлые представления о положениях и скоростях, а возникающее несоответствие и есть причина кажущейся непредсказуемости.
И вот мы поставили иную задачу перед наукой: найти законы, которые позволяли бы предсказывать события с точностью, допускаемой принципом неопределенности. Однако все равно остается без ответа вопрос: как и почему производился выбор законов и начального состояния Вселенной?
В этой книге я особо выделил законы, которым подчиняется гравитация, потому что, хотя гравитационные силы самые слабые из существующих четырех типов сил, именно под действием гравитации формируется крупномасштабная структура Вселенной. Законы гравитации были несовместимы с еще недавно бытовавшей точкой зрения, что Вселенная не изменяется со временем: из того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, вытекает, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Согласно общей теории относительности, в прошлом должно было существовать состояние с бесконечной плотностью – большой взрыв, который и стал эффективно началом отсчета времени. Аналогичным образом, если вся Вселенная испытает повторный коллапс, то в будущем должно обнаружиться еще одно состояние с бесконечной плотностью – большой хлопок, который станет концом течения времени. Даже если вторичный коллапс Вселенной не произойдет, во всех локализованных областях, из которых в результате коллапса образовались черные дыры, все равно возникнут сингулярности. Эти сингулярности будут концом времени для любого, кто упадет в черную дыру. В точке большого взрыва и в других сингулярностях нарушаются все законы, а поэтому за Богом сохраняется полная свобода в выборе того, что происходило в сингулярностях и каким было начало Вселенной.
При объединении квантовой механики с общей теорией относительности возникает, по-видимому, новая, доселе неизвестная возможность: пространство и время могут вместе образовать конечное четырехмерное пространство, не имеющее сингулярностей и границ и напоминающее поверхность Земли, но с большим числом измерений. С помощью такого подхода удалось бы, наверное, объяснить многие из наблюдаемых свойств Вселенной, например, ее однородность в больших масштабах и одновременно отклонения от однородности, наблюдаемые в меньших масштабах, такие, как галактики, звезды и даже человеческие существа. С помощью этого подхода можно было бы объяснить даже существование наблюдаемой нами стрелы времени. Но если Вселенная полностью замкнута и не имеет ни сингулярностей, ни границ, то отсюда вытекают очень серьезные выводы о роли Бога как Создателя.
Однажды Эйнштейн задал вопрос: "Какой выбор был у Бога, когда он создавал Вселенную?" Если верно предположение об отсутствии границ, то у Бога вообще не было никакой свободы выбора начальных условий. Разумеется, у него еще оставалась свобода выбора законов, которым подчиняется Вселенная. Но их на самом деле не так уж много; существует, возможно, всего одна или несколько полных единых теорий, например, теория гетеротической струны, которые были бы непротиворечивы и допускали существование таких сложных структур, как человеческие существа, способных исследовать законы Вселенной и задавать вопросы о сущности Бога.
Даже если возможна всего одна единая теория – это просто набор правил и уравнений. Но что вдыхает жизнь в эти уравнения и создает Вселенную, которую они могли бы описывать? Обычный путь пауки – построение математической модели – не может привести к ответу на вопрос о том, почему должна существовать Вселенная, которую будет описывать построенная модель. Почему Вселенная идет на все хлопоты существования? Неужели единая теория так всесильна, что сама является причиной своей реализации? Или ей нужен создатель, а если нужен, то оказывает ли он еще какое-нибудь воздействие на Вселенную? И кто создал его?
Пока большинство ученых слишком заняты развитием новых теорий, описывающих, что есть Вселенная, и им некогда спросить себя, почему она есть. Философы же, чья работа в том и состоит, чтобы задавать вопрос "почему", не могут угнаться за развитием научных теорий. В XVIII в. философы считали все человеческое знание, в том числе и науку, полем своей деятельности и занимались обсуждением вопросов типа: было ли у Вселенной начало? Но расчеты и математический аппарат науки XIX и XX вв. стали слишком сложны для философов и вообще для всех, кроме специалистов. Философы настолько сузили круг своих запросов, что самый известный философ нашего века Виттгенштейн по этому поводу сказал: "Единственное, что еще остается философии, – это анализ языка". Какое унижение для философии с ее великими традициями от Аристотеля до Канта!
Но если мы действительно откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы станут доступны пониманию каждого, а не только нескольким специалистам. И тогда все мы, философы, ученые и просто обычные люди, сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная. И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога.
Альберт Эйнштейн
Как был связан Эйнштейн с политикой, основанной на ядерном оружии, хорошо известно: он подписал знаменитое письмо к президенту Рузвельту, которое заставило Соединенные Штаты серьезно оценить положение, а после войны он включился в движение за предотвращение ядерной войны. Это не было отдельными эпизодами в жизни ученого, втянутого в политику. Жизнь Эйнштейна, но его собственным словам, "делилась между политикой и уравнениями".
Ранняя политическая активность Эйнштейна возникла еще во время Первой мировой воины, когда он был профессором и Берлине. Убитый тем, что он считал напрасной потерей человеческих жизней, он примкнул к антивоенным демонстрациям. Его выступления в защиту гражданского неповиновения и публичное одобрение тех, кто отказывался от службы в армии, не могли снискать ему популярности среди коллег. После войны Эйнштейн направил свои усилия на примирение сторон и улучшение международных отношений. Такого рода деятельность тоже не способствовала популярности Эйнштейна и через некоторое время привела к тому, что ему стало трудно посещать Соединенные Штаты даже для чтений лекций.
Вторым важнейшим делом в жизни Эйнштейна был сионизм (в то время это означало борьбу за государственное объединение евреев, поддержанное ООН, и в частности, СССР. – прим. ред.).
Будучи сам евреем по происхождению, Эйнштейн отрицал библейскую идею Бога. Но нарастающая волна антисемитизма как перед Первой мировой войной, так и после нее постепенно привела Эйнштейна к отождествлению себя с еврейской общиной, и он превратился в полного сторонника сионизма. В который раз падение популярности не остановило Эйнштейна перед открытым высказыванием своих взглядов. Его теории преследовались; возникла даже антиэйнштейновская организация. Один человек был предан суду за подстрекательство к убийству Эйнштейна (и оштрафован всего на шесть долларов). Но Эйнштейн сохранял спокойствие, а когда вышла книга "Сто авторов против Эйнштейна", он заметил: "Хватило бы и одного, если я был бы неправ!"
В 1933 г. к власти пришел Гитлер. Эйнштейн, который был в это время в Америке, заявил, что не вернется в Германию. Когда нацистские войска окружили его дом, а его банковский счет был конфискован, в одной из берлинских газет появился заголовок: "Хорошие новости – Эйнштейн не вернется". Перед лицом нацистской угрозы Эйнштейн отошел от пацифизма и в конце концов, опасаясь того, что немецкие ученые создадут атомную бомбу, предложил Соединенным Штатам разрабатывать свою собственную бомбу. Но еще до взрыва первой атомной бомбы он публично предупреждал об опасностях ядерной войны и предлагал создать международный контроль за ядерными вооружениями.
На протяжении всей жизни Эйнштейна его миротворческие усилия не давали, по-видимому, прочных результатов и уж во всяком случае не прибавляли ему друзей. Однако публичные выступления Эйнштейна в защиту сионизма были по достоинству оценены в 1952 г., когда ему было предложено стать президентом Израиля. Эйнштейн отказался, заявив, что, пo его мнению, он слишком наивен в политике. Но действительной причиной отказа, наверное, была другая. Процитируем его еще раз: "Для меня важнее уравнения, потому что политика нужна настоящему, а уравнения – это для вечности".
Галилео Галилей
Галилей, пожалуй, больше, чем кто-либо другой из отдельных людей, ответствен за рождение современной науки. Знаменитый спор с Католической Церковью занимал центральное место в философии Галилея, ибо он одним из первых объявил, что у человека есть надежда понять, как устроен мир, и, более того, что этого можно добиться, наблюдая наш реальный мир.
Галилей с самого начала верил в теорию Коперника (о том, что планеты обращаются вокруг Солнца), но начал ее публично поддерживать лишь тогда, когда нашел ее подтверждения. Работы, посвященные теории Коперника, Галилей писал по-итальянски (а не на принятой академической латыни), и вскоре его представления распространились далеко за пределы университетов. Это не поправилось приверженцам учения Аристотеля, которые объединились против Галилея, пытаясь заставить Католическую Церковь предать анафеме учение Коперника.
Взволнованный происходящим, Галилей отправился в Рим, чтобы посоветоваться с церковными авторитетами. Он заявил, что в цели Библии не входит какое бы то ни было освещение научных теорий и что надо принимать за аллегорию те места в Библии, которые вступают в противоречие со здравым смыслом. Но, боясь скандала, который мог помешать ее борьбе с протестантами, Церковь перешла к репрессивным мерам. В 1616 г. учение Коперника было провозглашено "ложным и ошибочным", а Галилею было навеки запрещено выступать в защиту или придерживаться этой доктрины. Галилей сдался.
В 1623 г. один из старых друзей Галилея стал Римским Папой. Галилей сразу начал добиваться отмены указа 1616 г. Он потерпел неудачу, но зато сумел получить разрешение написать книгу, обсуждающую как теорию Аристотеля, так и теорию Коперника. Ему было поставлено два условия: он не имел права принимать ни одну из сторон и должен был сделать вывод, что человек никогда не сможет узнать, как устроен мир, потому что Бог умеет вызывать одни и те же эффекты способами, не доступными воображению человека, который не может налагать ограничения на всемогущество Бога.
Книга Галилея "Диалог о двух главнейших системах мира" была завершена и издана в 1632 г. при полном одобрении цензуры и была сразу же отмечена по всей Европе как литературный и философский шедевр. Вскоре, однако, Папа понял, что эта книга воспринимается как убедительная поддержка теории Коперника, и пожалел, что разрешил ее издать. Папа заявил, что, несмотря на официальное благословение цензуры, Галилей все же нарушил указ 1616 г. Галилей предстал перед судом инквизиции и был приговорен к пожизненному домашнему аресту и публичному отречению от учения Коперника. Галилею пришлось покориться опять.
Оставаясь преданным католиком, Галилей не поколебался в своей вере в независимость науки. За четыре года до смерти, в 1642 г., находясь все еще под домашним арестом, он тайно переправил в голландское издательство рукопись своей второй крупной книги "Две новые науки". Именно эта работа, в большей степени, чем его поддержка Коперника, дала рождение современной науке.
Исаак Ньютон
Исаака Ньютона нельзя назвать симпатичным человеком. Широкую известность получили его плохие отношения с другими учеными, и последние годы своей жизни он провел в основном в резких спорах. После издания книги "Математические начала", оказавшейся, безусловно, самой влиятельной из всех когда-либо написанных книг по физике, Ньютон быстро приобрел общественное положение. Он был назначен президентом Королевского общества и стал первым ученым, посвященным в рыцарское звание.
Вскоре Ньютон поссорился с королевским астрономом Джоном Флэмстидом, который раньше снабжал Ньютона данными для "Математических начал", а теперь задерживал информацию, которая требовалась Ньютону. Ньютон не потерпел такого положения и сам включил себя в руководство королевской обсерватории, а затем начал добиваться немедленной публикации результатов. В конце концов ему удалось заполучить работу Флэмстида и договориться о ее издании со смертельным врагом Флэмстида Эдмондом Галлеем. Однако Флэмстид передал дело в суд, и суд успел принять решение в его пользу, запретив распространение украденной работы. Ньютона разозлило такое решение, и, чтобы отомстить Флэмстиду, он систематически снимал в более поздних изданиях "Начал" все ссылки на работы Флэмстида.
Более серьезный спор разгорелся у Ньютона с немецким философом Готтфридом Лейбницем. Лейбниц и Ньютон независимо друг от друга развили область математики, называемую дифференциальным исчислением, составляющую основу большей части современной физики. Хотя, как мы теперь знаем, Ньютон открыл это исчисление на несколько лет раньше Лейбница, свою работу он опубликовал значительно позже. Возник грандиозный спор по поводу того, кто же был первым. Ученые рьяно защищали обоих соперников. Замечательно, что почти все статьи в защиту Ньютона были написаны им самим и лишь опубликованы под именами его друзей! Спор разгорался, и тут Лейбниц совершил ошибку, обратившись в Королевское общество с просьбой разрешить противоречие. Ньютон, будучи президентом общества, назначил для разбора дела "незаинтересованную" комиссию, "случайно" составленную целиком из друзей Ньютона! Но это было еще не все: затем Ньютон сам написал отчет комиссии и заставил общество его опубликовать, официально обвинив таким образом Лейбница в плагиате. Все еще не чувствуя себя удовлетворенным, Ньютон анонимно опубликовал сжатый пересказ этого отчета в газете Королевского общества. Говорят, что после смерти Лейбница Ньютон заявил, что oн получил большое удовлетворение от того, что ему удалось "разбить сердце Лейбница".
Пока шли оба диспута, Ньютон покинул и Кембридж, и кафедру. Он принимал активное участие в антикатолическом движении сначала в Кембриджском университете, а затем в парламенте и был вознагражден за это назначением на доходную должность хранителя Королевского монетного двора. Здесь он нашел более социально оправданное применение своему коварству и желчности, успешно проведя широкомасштабную кампанию по борьбе с фальшивомонетчиками и даже отправив нескольких человек на виселицу.
--------------------------------------------------------------------------------
<<< ОГЛАВЛЕHИЕ >>>
--------------------------------------------------------------------------------
Библиотека Фонда содействия развитию психической культуры (Киев)
--------------------------------------------------------------------------------
11. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы живем в удивительном мире. Нам хочется понять то, что мы видим вокруг, и спросить: каково происхождение Вселенной? какое место в ней занимаем мы, и откуда мы и она – все это взялось? почему все происходит именно так, а не иначе?
Для ответа на эти вопросы мы принимаем некую картину мира. Такой картиной может быть как башня из стоящих друг на друге черепах, несущих на себе плоскую Землю, так и теория суперструн. Обе они являются теориями Вселенной, но вторая значительно математичнее и точнее первой. Ни одна из этих теорий не подтверждена наблюдениями: никто никогда не видел гигантскую черепаху с нашей Землей на спине, но ведь и суперструну никто никогда не видел. Однако модель черепах нельзя назвать хорошей научной теорией, потому что она предсказывает возможность выпадения людей через край мира. Такая возможность не подтверждена экспериментально, разве что она окажется причиной предполагаемого исчезновения людей в Бермудском треугольнике!
Самые первые попытки описания и объяснения Вселенной были основаны на представлении, что событиями и явлениями природы управляют духи, наделенные человеческими эмоциями и действующие совершенно как люди и абсолютно непредсказуемо.
Эти духи населяли такие природные объекты, как реки, горы и небесные тела, например, Солнце и Луну. Полагалось задабривать их и добиваться их расположения, чтобы обеспечить плодородие почвы и смену времен года. Но постепенно люди должны были подметить определенные закономерности: Солнце всегда вставало на востоке и садилось на западе независимо от того, была или не была принесена жертва богу Солнца. Солнце, Луна и планеты ходили по небу вдоль совершенно определенных путей, которые можно было предсказать наперед с хорошей точностью. Солнце и Луна все же могли оказаться богами, но богами, которые подчиняются строгим, по-видимому, не допускающим исключений законам, если, конечно, отвлечься от россказней вроде легенды о том, как ради Иисуса Навина остановилось Солнце.
Сначала закономерности и законы были обнаружены только в астрономии и еще в считанных случаях. По по мере развития цивилизации, и особенно за последние триста лет, открывались все новые и новые закономерности и законы. Успешное применение этих законов в начале XIX в. привело Лапласа к доктрине научного детерминизма. Ее суть в том, что должна существовать система законов, точно определяющих, как будет развиваться Вселенная, по ее состоянию в один какой-нибудь момент времени.
Лапласовский детерминизм был неполным но двум причинам. В нем ничего не говорилось о том, как следует выбирать законы, и никак не определялось начальное состояние Вселенной. И то и другое предоставлялось решать Богу. Бог должен был решить, каким быть началу Вселенной и каким законам ей подчиняться, но с возникновением Вселенной его вмешательство прекратилось. Практически Богу были оставлены лишь те области, которые были непонятны науке XIX в.
Сейчас мы знаем, что мечты Лапласа о детерминизме нереальны, по крайней мере в том виде, как это понимал Лаплас. В силу квантово-механического принципа неопределенности некоторые пары величин, например, положение частицы и ее скорость, нельзя одновременно абсолютно точно предсказать.
Квантовая механика в подобных ситуациях обращается к целому классу квантовых теорий, в которых частицы не имеют точно определенных положений и скоростей, а представляются в виде волн. Такие квантовые теории являются детерминистскими в том смысле, что они указывают закон изменения волн со временем. Поэтому, зная характеристики волны в один момент времени, мы можем рассчитать, какими они станут в любой другой момент времени. Элемент непредсказуемости и случайности возникает лишь при попытках интерпретации волны на основе представлений о положении и скорости частиц. Но в этом-то, возможно, и заключается наша ошибка: может быть, нет ни положений, ни скоростей частиц, а существуют одни только волны. И ошибка именно в том, что мы пытаемся втиснуть понятие волны в наши заскорузлые представления о положениях и скоростях, а возникающее несоответствие и есть причина кажущейся непредсказуемости.
И вот мы поставили иную задачу перед наукой: найти законы, которые позволяли бы предсказывать события с точностью, допускаемой принципом неопределенности. Однако все равно остается без ответа вопрос: как и почему производился выбор законов и начального состояния Вселенной?
В этой книге я особо выделил законы, которым подчиняется гравитация, потому что, хотя гравитационные силы самые слабые из существующих четырех типов сил, именно под действием гравитации формируется крупномасштабная структура Вселенной. Законы гравитации были несовместимы с еще недавно бытовавшей точкой зрения, что Вселенная не изменяется со временем: из того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, вытекает, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Согласно общей теории относительности, в прошлом должно было существовать состояние с бесконечной плотностью – большой взрыв, который и стал эффективно началом отсчета времени. Аналогичным образом, если вся Вселенная испытает повторный коллапс, то в будущем должно обнаружиться еще одно состояние с бесконечной плотностью – большой хлопок, который станет концом течения времени. Даже если вторичный коллапс Вселенной не произойдет, во всех локализованных областях, из которых в результате коллапса образовались черные дыры, все равно возникнут сингулярности. Эти сингулярности будут концом времени для любого, кто упадет в черную дыру. В точке большого взрыва и в других сингулярностях нарушаются все законы, а поэтому за Богом сохраняется полная свобода в выборе того, что происходило в сингулярностях и каким было начало Вселенной.
При объединении квантовой механики с общей теорией относительности возникает, по-видимому, новая, доселе неизвестная возможность: пространство и время могут вместе образовать конечное четырехмерное пространство, не имеющее сингулярностей и границ и напоминающее поверхность Земли, но с большим числом измерений. С помощью такого подхода удалось бы, наверное, объяснить многие из наблюдаемых свойств Вселенной, например, ее однородность в больших масштабах и одновременно отклонения от однородности, наблюдаемые в меньших масштабах, такие, как галактики, звезды и даже человеческие существа. С помощью этого подхода можно было бы объяснить даже существование наблюдаемой нами стрелы времени. Но если Вселенная полностью замкнута и не имеет ни сингулярностей, ни границ, то отсюда вытекают очень серьезные выводы о роли Бога как Создателя.
Однажды Эйнштейн задал вопрос: "Какой выбор был у Бога, когда он создавал Вселенную?" Если верно предположение об отсутствии границ, то у Бога вообще не было никакой свободы выбора начальных условий. Разумеется, у него еще оставалась свобода выбора законов, которым подчиняется Вселенная. Но их на самом деле не так уж много; существует, возможно, всего одна или несколько полных единых теорий, например, теория гетеротической струны, которые были бы непротиворечивы и допускали существование таких сложных структур, как человеческие существа, способных исследовать законы Вселенной и задавать вопросы о сущности Бога.
Даже если возможна всего одна единая теория – это просто набор правил и уравнений. Но что вдыхает жизнь в эти уравнения и создает Вселенную, которую они могли бы описывать? Обычный путь пауки – построение математической модели – не может привести к ответу на вопрос о том, почему должна существовать Вселенная, которую будет описывать построенная модель. Почему Вселенная идет на все хлопоты существования? Неужели единая теория так всесильна, что сама является причиной своей реализации? Или ей нужен создатель, а если нужен, то оказывает ли он еще какое-нибудь воздействие на Вселенную? И кто создал его?
Пока большинство ученых слишком заняты развитием новых теорий, описывающих, что есть Вселенная, и им некогда спросить себя, почему она есть. Философы же, чья работа в том и состоит, чтобы задавать вопрос "почему", не могут угнаться за развитием научных теорий. В XVIII в. философы считали все человеческое знание, в том числе и науку, полем своей деятельности и занимались обсуждением вопросов типа: было ли у Вселенной начало? Но расчеты и математический аппарат науки XIX и XX вв. стали слишком сложны для философов и вообще для всех, кроме специалистов. Философы настолько сузили круг своих запросов, что самый известный философ нашего века Виттгенштейн по этому поводу сказал: "Единственное, что еще остается философии, – это анализ языка". Какое унижение для философии с ее великими традициями от Аристотеля до Канта!
Но если мы действительно откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы станут доступны пониманию каждого, а не только нескольким специалистам. И тогда все мы, философы, ученые и просто обычные люди, сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная. И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога.
Альберт Эйнштейн
Как был связан Эйнштейн с политикой, основанной на ядерном оружии, хорошо известно: он подписал знаменитое письмо к президенту Рузвельту, которое заставило Соединенные Штаты серьезно оценить положение, а после войны он включился в движение за предотвращение ядерной войны. Это не было отдельными эпизодами в жизни ученого, втянутого в политику. Жизнь Эйнштейна, но его собственным словам, "делилась между политикой и уравнениями".
Ранняя политическая активность Эйнштейна возникла еще во время Первой мировой воины, когда он был профессором и Берлине. Убитый тем, что он считал напрасной потерей человеческих жизней, он примкнул к антивоенным демонстрациям. Его выступления в защиту гражданского неповиновения и публичное одобрение тех, кто отказывался от службы в армии, не могли снискать ему популярности среди коллег. После войны Эйнштейн направил свои усилия на примирение сторон и улучшение международных отношений. Такого рода деятельность тоже не способствовала популярности Эйнштейна и через некоторое время привела к тому, что ему стало трудно посещать Соединенные Штаты даже для чтений лекций.
Вторым важнейшим делом в жизни Эйнштейна был сионизм (в то время это означало борьбу за государственное объединение евреев, поддержанное ООН, и в частности, СССР. – прим. ред.).
Будучи сам евреем по происхождению, Эйнштейн отрицал библейскую идею Бога. Но нарастающая волна антисемитизма как перед Первой мировой войной, так и после нее постепенно привела Эйнштейна к отождествлению себя с еврейской общиной, и он превратился в полного сторонника сионизма. В который раз падение популярности не остановило Эйнштейна перед открытым высказыванием своих взглядов. Его теории преследовались; возникла даже антиэйнштейновская организация. Один человек был предан суду за подстрекательство к убийству Эйнштейна (и оштрафован всего на шесть долларов). Но Эйнштейн сохранял спокойствие, а когда вышла книга "Сто авторов против Эйнштейна", он заметил: "Хватило бы и одного, если я был бы неправ!"
В 1933 г. к власти пришел Гитлер. Эйнштейн, который был в это время в Америке, заявил, что не вернется в Германию. Когда нацистские войска окружили его дом, а его банковский счет был конфискован, в одной из берлинских газет появился заголовок: "Хорошие новости – Эйнштейн не вернется". Перед лицом нацистской угрозы Эйнштейн отошел от пацифизма и в конце концов, опасаясь того, что немецкие ученые создадут атомную бомбу, предложил Соединенным Штатам разрабатывать свою собственную бомбу. Но еще до взрыва первой атомной бомбы он публично предупреждал об опасностях ядерной войны и предлагал создать международный контроль за ядерными вооружениями.
На протяжении всей жизни Эйнштейна его миротворческие усилия не давали, по-видимому, прочных результатов и уж во всяком случае не прибавляли ему друзей. Однако публичные выступления Эйнштейна в защиту сионизма были по достоинству оценены в 1952 г., когда ему было предложено стать президентом Израиля. Эйнштейн отказался, заявив, что, пo его мнению, он слишком наивен в политике. Но действительной причиной отказа, наверное, была другая. Процитируем его еще раз: "Для меня важнее уравнения, потому что политика нужна настоящему, а уравнения – это для вечности".
Галилео Галилей
Галилей, пожалуй, больше, чем кто-либо другой из отдельных людей, ответствен за рождение современной науки. Знаменитый спор с Католической Церковью занимал центральное место в философии Галилея, ибо он одним из первых объявил, что у человека есть надежда понять, как устроен мир, и, более того, что этого можно добиться, наблюдая наш реальный мир.
Галилей с самого начала верил в теорию Коперника (о том, что планеты обращаются вокруг Солнца), но начал ее публично поддерживать лишь тогда, когда нашел ее подтверждения. Работы, посвященные теории Коперника, Галилей писал по-итальянски (а не на принятой академической латыни), и вскоре его представления распространились далеко за пределы университетов. Это не поправилось приверженцам учения Аристотеля, которые объединились против Галилея, пытаясь заставить Католическую Церковь предать анафеме учение Коперника.
Взволнованный происходящим, Галилей отправился в Рим, чтобы посоветоваться с церковными авторитетами. Он заявил, что в цели Библии не входит какое бы то ни было освещение научных теорий и что надо принимать за аллегорию те места в Библии, которые вступают в противоречие со здравым смыслом. Но, боясь скандала, который мог помешать ее борьбе с протестантами, Церковь перешла к репрессивным мерам. В 1616 г. учение Коперника было провозглашено "ложным и ошибочным", а Галилею было навеки запрещено выступать в защиту или придерживаться этой доктрины. Галилей сдался.
В 1623 г. один из старых друзей Галилея стал Римским Папой. Галилей сразу начал добиваться отмены указа 1616 г. Он потерпел неудачу, но зато сумел получить разрешение написать книгу, обсуждающую как теорию Аристотеля, так и теорию Коперника. Ему было поставлено два условия: он не имел права принимать ни одну из сторон и должен был сделать вывод, что человек никогда не сможет узнать, как устроен мир, потому что Бог умеет вызывать одни и те же эффекты способами, не доступными воображению человека, который не может налагать ограничения на всемогущество Бога.
Книга Галилея "Диалог о двух главнейших системах мира" была завершена и издана в 1632 г. при полном одобрении цензуры и была сразу же отмечена по всей Европе как литературный и философский шедевр. Вскоре, однако, Папа понял, что эта книга воспринимается как убедительная поддержка теории Коперника, и пожалел, что разрешил ее издать. Папа заявил, что, несмотря на официальное благословение цензуры, Галилей все же нарушил указ 1616 г. Галилей предстал перед судом инквизиции и был приговорен к пожизненному домашнему аресту и публичному отречению от учения Коперника. Галилею пришлось покориться опять.
Оставаясь преданным католиком, Галилей не поколебался в своей вере в независимость науки. За четыре года до смерти, в 1642 г., находясь все еще под домашним арестом, он тайно переправил в голландское издательство рукопись своей второй крупной книги "Две новые науки". Именно эта работа, в большей степени, чем его поддержка Коперника, дала рождение современной науке.
Исаак Ньютон
Исаака Ньютона нельзя назвать симпатичным человеком. Широкую известность получили его плохие отношения с другими учеными, и последние годы своей жизни он провел в основном в резких спорах. После издания книги "Математические начала", оказавшейся, безусловно, самой влиятельной из всех когда-либо написанных книг по физике, Ньютон быстро приобрел общественное положение. Он был назначен президентом Королевского общества и стал первым ученым, посвященным в рыцарское звание.
Вскоре Ньютон поссорился с королевским астрономом Джоном Флэмстидом, который раньше снабжал Ньютона данными для "Математических начал", а теперь задерживал информацию, которая требовалась Ньютону. Ньютон не потерпел такого положения и сам включил себя в руководство королевской обсерватории, а затем начал добиваться немедленной публикации результатов. В конце концов ему удалось заполучить работу Флэмстида и договориться о ее издании со смертельным врагом Флэмстида Эдмондом Галлеем. Однако Флэмстид передал дело в суд, и суд успел принять решение в его пользу, запретив распространение украденной работы. Ньютона разозлило такое решение, и, чтобы отомстить Флэмстиду, он систематически снимал в более поздних изданиях "Начал" все ссылки на работы Флэмстида.
Более серьезный спор разгорелся у Ньютона с немецким философом Готтфридом Лейбницем. Лейбниц и Ньютон независимо друг от друга развили область математики, называемую дифференциальным исчислением, составляющую основу большей части современной физики. Хотя, как мы теперь знаем, Ньютон открыл это исчисление на несколько лет раньше Лейбница, свою работу он опубликовал значительно позже. Возник грандиозный спор по поводу того, кто же был первым. Ученые рьяно защищали обоих соперников. Замечательно, что почти все статьи в защиту Ньютона были написаны им самим и лишь опубликованы под именами его друзей! Спор разгорался, и тут Лейбниц совершил ошибку, обратившись в Королевское общество с просьбой разрешить противоречие. Ньютон, будучи президентом общества, назначил для разбора дела "незаинтересованную" комиссию, "случайно" составленную целиком из друзей Ньютона! Но это было еще не все: затем Ньютон сам написал отчет комиссии и заставил общество его опубликовать, официально обвинив таким образом Лейбница в плагиате. Все еще не чувствуя себя удовлетворенным, Ньютон анонимно опубликовал сжатый пересказ этого отчета в газете Королевского общества. Говорят, что после смерти Лейбница Ньютон заявил, что oн получил большое удовлетворение от того, что ему удалось "разбить сердце Лейбница".
Пока шли оба диспута, Ньютон покинул и Кембридж, и кафедру. Он принимал активное участие в антикатолическом движении сначала в Кембриджском университете, а затем в парламенте и был вознагражден за это назначением на доходную должность хранителя Королевского монетного двора. Здесь он нашел более социально оправданное применение своему коварству и желчности, успешно проведя широкомасштабную кампанию по борьбе с фальшивомонетчиками и даже отправив нескольких человек на виселицу.
--------------------------------------------------------------------------------
<<< ОГЛАВЛЕHИЕ >>>
--------------------------------------------------------------------------------
Библиотека Фонда содействия развитию психической культуры (Киев)
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ 10). ОБЪЕДИНЕНИЕ ФИЗИКИ
<<< ОГЛАВЛЕHИЕ >>>
--------------------------------------------------------------------------------
10. ОБЪЕДИНЕНИЕ ФИЗИКИ
Как уже говорилось в гл. 1, совсем не просто сразу строить полную единую теорию всего, что происходит во Вселенной. Поэтому мы продвигаемся вперед, создавая частные теории, описывающие какую-то ограниченную область событий, и либо пренебрегаем остальными эффектами, либо приближенно заменяем их некоторыми числами. (Например, в химии можно рассчитывать взаимодействия атомов, не зная внутреннего строения атомного ядра). Но можно надеяться на то, что в конце концов будет найдена полная, непротиворечивая единая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений и которую не нужно будет подгонять под эксперимент подбором значений входящих в нее произвольных величин. Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Последние годы своей жизни Эйнштейн почти целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло: существовали частные теории гравитации и электромагнитных взаимодействий, но о ядерных силах было мало что известно. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую он сам сыграл в ее развитии. Но принцип неопределенности является, по-видимому, фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем. Поэтому он обязательно должен быть составной частью правильной единой теории.
Дальше я покажу, что надежды на построение такой теории сильно возросли, ибо мы сейчас значительно больше узнали о Вселенной. Но не нужно быть чересчур уверенным – мы уже не раз сталкивались с миражами! Например, в начале века считалось, что все можно объяснить с помощью свойств, характеризующих непрерывное вещество, скажем, таких, как упругость и теплопроводность. Открытие строения атома и принципа неопределенности навсегда покончило с подобным подходом. Затем в 1928 г. физик, лауреат Нобелевской премии Макс Борн, выступая перед гостями Гёттингенского университета, сказал: "Физика в том смысле, в котором мы ее понимаем, через полгода кончится". В своей уверенности Борн основывался на недавно открытом Дираком уравнении для электрона. Все думали, что аналогичное уравнение должно существовать и для протона – второй из двух известных тогда частиц, и тогда теоретическая физика кончится. Но открытие нейтрона и ядерных сил развеяло и эти предсказания. И все же я уверен, что сейчас есть основания для осторожного оптимизма: мы, пожалуй, близки к завершению поисков окончательных законов природы.
В предыдущих главах я говорил об общей теории относительности, которая представляет собой частную теорию гравитации, и о частных теориях, описывающих слабые, сильные и электромагнитные взаимодействия. Последние три теории могут быть объединены в так называемые теории великого объединения, которые нельзя считать достаточно удовлетворительными, потому что они не включают гравитацию и содержат величины, например относительные массы разных частиц, которые не вычисляются теоретически и должны подбираться из условия наилучшего согласия с экспериментом. Основная трудность построения теории, которая объединяла бы гравитацию с остальными силами, связана с тем, что общая теория относительности представляет собой классическую теорию, т. е. не включает в себя квантово-механический принцип неопределенности. Другие же частные теории существенно связаны с квантовой механикой. Поэтому прежде всего общую теорию относительности необходимо объединить с принципом неопределенности. Мы знаем, что результатом такого объединения станет ряд удивительных следствий: черные дыры перестанут быть черными, а из Вселенной исчезнут сингулярности, и она станет полностью замкнутой и не имеющей границ. Но, как уже объяснялось в гл. 7, здесь возникают затруднения, связанные с тем, что в силу принципа неопределенности даже пустое пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Эти пары обладают бесконечной энергией, а потому в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc^2 их масса тоже должна быть бесконечна. Следовательно, под действием создаваемого ими гравитационного притяжения Вселенная должна, искривляясь, сворачиваться до бесконечно малых размеров.
Такие же нелепые бесконечности возникают и в других частных теориях, но их всегда можно устранить с помощью процедуры, которая называется перенормировкой. Метод перенормировок предписывает введение новых бесконечностей для компенсации старых. Несмотря на свою неполную математическую обоснованность, этот метод успешно применяется, и полученные с его помощью предсказания частных теорий чрезвычайно точно согласуются с результатами наблюдений. Однако в плане поиска завершенной теории метод перенормировок обладает одним серьезным недостатком: он не позволяет теоретически предсказать действительные значения масс и сил; их приходится подбирать путем подгонки к эксперименту.
При попытках включить принцип неопределенности в общую теорию относительности имеются только два числа, которые можно подгонять: величина гравитационной силы и космологическая постоянная. Но их изменением невозможно устранить все бесконечности. Значит, мы имеем теорию, согласно которой некоторые величины, например кривизна пространства-времени, должны быть бесконечными, несмотря на то что эти величины можно наблюдать, и из измерений вытекает, что они конечны! Эта проблема, возникающая при объединении общей теории относительности с принципом неопределенности, какое-то время считалась сомнительной, но в конце концов ее реальность была, наконец, подтверждена детальными расчетами в 1972 г. Через четыре года появилось одно из возможных ее решений, названное теорией супергравитации. Суть этой теории в том, что гравитон (частица со спином 2, являющаяся переносчиком гравитационного взаимодействия) объединяется с некоторыми новыми частицами, имеющими спины 3/2, 1, 1/2 и 0. Тогда все эти частицы в каком-то смысле можно рассматривать как разные виды одной и той же "суперчастицы", осуществив таким образом объединение частиц материи, имеющих спины 1/2 и 3/2, с частицами – переносчиками взаимодействия, спины которых равны 0, 1 и 2. Виртуальные пары частица-античастица со спином 1/2 и 3/2 обладают при этом отрицательной энергией, компенсирующей положительную энергию виртуальных пар со спином 2, 1, 0. В результате многие бесконечности будут устранены, но есть подозрения, что какая-то их часть может все же остаться. Однако выяснение того, все ли бесконечности устранены, требовало столь громоздких и сложных расчетов, что ими никто не собирался заниматься. Оценки показали, что даже с помощью компьютера работа заняла бы никак не меньше четырех лет, и при этом очень велика вероятность хоть раз ошибиться. Следовательно, в ответе можно быть уверенным лишь в том случае, если кто-нибудь другой повторил бы все вычисления и получил тот же результат, а на это трудно рассчитывать.
Рис. 10.1 и 2
Несмотря на все эти проблемы и на то, что частицы в теориях супергравитации, по-видимому, отличались от наблюдаемых частиц, большинство ученых считало, что супергравитация может привести к правильному решению задачи об объединении физики. Но в 1984 г. общее ученое мнение сильнейшим образом изменилось в сторону так называемых струйных теорий. Основными объектами струнных теорий выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры вроде бесконечно тонких кусочков струны, не имеющих никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободны (так называемые открытые струи), либо соединены друг с другом (замкнутые струи) (рис. 10.1 и 10.2). Частица в каждый момент времени представляется одной точкой в пространстве. Следовательно, ее историю можно изобразить линией в пространстве-времени (мировая линия). Но струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Следовательно, ее история в пространстве-времени изображается двумерной поверхностью, которая называется "мировым листом". (Любую точку на таком мировом листе можно задать двумя числами, одно из которых – время, а другое – положение точки на струне). Мировой лист открытой струны представляет собой полосу, края которой отвечают путям концов струны в пространстве-времени (рис. 10.1). Мировой лист замкнутой струны – это цилиндр или трубка (рис. 10.2), сечением которой является окружность, отвечающая положению струны в определенный момент времени.
Рис. 10.3 и 4
Два куска струны могут соединиться в одну струну; в случае открытых струн они просто смыкаются концами (рис. 10.3), а соединение замкнутых струн напоминает соединение двух штанин в брюках (рис. 10.4). Аналогичным образом кусок струны может разорваться на две струны. То, что раньше считалось частицами, в струнных теориях изображается в виде волн, бегущих по струне так же, как бегут волны по натянутой веревке, если ее дернуть за конец. Испускание и поглощение одной частицы другой отвечает соединению и разделению струн. Например, гравитационная сила, с которой Солнце действует на Землю, в теориях частиц изображалась как результат испускания какой-нибудь частицей на Солнце гравитона и последующего его поглощения какой-нибудь частицей на Земле (рис. 10.5). В теории струн этот процесс изображается Н-образным соединением трубок (рис. 10.6). (Теория струн в каком-то смысле подобна технике водопроводчика). Две вертикальные стороны соответствуют частицам, находящимся на Солнце и на Земле, а горизонтальная поперечина отвечает летящему между ними гравитону.
Рис. 10.5 и 6
Теория струн имеет очень необычную историю. Она возникла в конце шестидесятых годов при попытках построить теорию сильных взаимодействий. Идея была в том, чтобы частицы типа протона и нейтрона рассматривать как волны, распространяющиеся по струне. Тогда сильные силы, действующие между частицами, соответствуют отрезкам струн, соединяющим между собой, как в паутине, другие участки струп. Для того чтобы вычисленная в этой теории сила взаимодействия имела значение, отвечающее эксперименту, струны должны быть эквивалентны резиновым лентам, натянутым с силой около десяти тонн.
В 1974 г. парижанин Джоэль Шерк и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали работу, в которой было показано, что теория струн может описывать гравитационное взаимодействие, но только при значительно большем натяжении струны – порядка тысячи миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью девятью нулями) тонн. В обычных масштабах предсказания такой струнной модели и общей теории относительности совпадали, но начинали различаться на очень малых расстояниях, меньших одной тысяча миллион миллион миллион миллион миллионной доли сантиметра (один сантиметр, деленный на единицу с тридцатью тремя нулями). Однако эта работа не привлекла особенного внимания, потому что как раз в то время многие отказались от первоначальной струнной теории сильного взаимодействия, обратившись к теории кварков и глюонов, результаты которой значительно лучше согласовались с экспериментом. Шерк трагически умер (у пего был диабет, и во время комы рядом не оказалось никого, кто бы сделал ему укол инсулина), и Шварц остался почти единственным сторонником струнной теории, но со значительно более сильным натяжением струн.
В 1984 г. интерес к струнам неожиданно возродился. На то было, по-видимому, две причины. Во-первых, никто не мог ничего добиться, пытаясь показать, что супергравитация конечна или что с ее помощью можно объяснить существование всех разнообразных частиц, которые мы наблюдаем. Второй причиной была публикация статьи Джона Шварца и Майка Грина из Лондонского Куин-Мэри колледжа, в которой было показано, что с помощью теории струн можно объяснить существование частиц с левой спиральностью, как у некоторых из тех частиц, что мы наблюдаем. Какими бы ни были побудительные мотивы, вскоре очень многие обратились к теории струн, в результате чего появилась ее новая разновидность – теория так называемой гетеротической струны, которая дает надежду на объяснение разнообразия видов наблюдаемых частиц.
Рис. 10.7
В теориях струн тоже возникают бесконечности, но есть надежда, что в тех или иных теориях гетеротической струны эти бесконечности сократятся (хотя пока это еще не известно). Но струнные теории содержат значительно более серьезную трудность: они непротиворечивы, по-видимому, лишь в десяти или двадцатишестимерном пространстве-времени, а не в обычном четырехмерном! Лишние измерения – это обычное дело в научной фантастике; там без них и в самом деле почти невозможно обойтись, потому что иначе, из-за того что, согласно теории относительности, нельзя двигаться быстрее света, путешествия среди звезд и галактик происходили бы немыслимо долго. Идея научной фантастики заключается в том, что можно как-то сократить путь, пройдя через лишнее измерение. Эту мысль можно следующим образом пояснить на рисунке. Представьте себе, что пространство, в котором мы живем, имеет только два измерения и искривлено, как поверхность бублика, или тора (рис. 10.7). Если вы находитесь в какой-то точке на внутренней стороне тора и хотите попасть в противоположную точку, вам придется обойти тор по внутреннему кольцу. А если бы вы умели перемещаться в третьем измерении, вы могли бы срезать, пойдя напрямик.
Но почему же мы не замечаем все эти дополнительные измерения, если они действительно существуют?
Почему мы видим только три пространственных и одно временное измерение? Возможно, причина кроется в том, что другие измерения свернуты в очень малое пространство размером порядка одной миллион миллион миллион миллион миллионной доли сантиметра. Оно так мало, что мы его просто не замечаем: мы видим всего лишь одно временное и три пространственных измерения, в которых пространство-время выглядит довольно плоским. То же самое происходит, когда мы смотрим па поверхность апельсина: вблизи она выглядит искривленной и неровной, а издали бугорки не видны и апельсин кажется гладким. Так же и пространство-время: в очень малых масштабах оно десятимерно и сильно искривлено, а в больших масштабах кривизна и дополнительные измерения не видны. Если это представление верно, то оно несет дурные вести будущим покорителям космоса: дополнительные измерения будут слишком малы для прохода космического корабля. Но возникает и другая серьезная проблема. Почему лишь некоторые, а не все вообще измерения должны свернуться в маленький шарик? На очень ранней стадии все измерения во Вселенной были, по-видимому, очень сильно искривлены. Почему же одно временное и три пространственных измерения развернулись, а все остальные остаются туго свернутыми?
Рис. 10.8
Один из возможных ответов дается антропным принципом. Двух пространственных измерений, по-видимому, недостаточно для того, чтобы могли развиться такие сложные существа, как мы. Живя, например, на одномерной Земле, двумерные животные, чтобы разойтись при встрече, были бы вынуждены перелезать друг через друга. Если бы двумерное существо питалось чем-нибудь таким, что не переваривается до конца, то остатки должны были бы выводиться по тому же пути, по которому входит пища, так как при наличии сквозного прохода через все тело животное оказалось бы разделенным на две отдельные половины, и наше двумерное существо развалилось бы на две части (рис. 10.8). Точно так же трудно представить себе, как у двумерного существа происходила бы циркуляция крови.
Трудности возникали бы и в том случае, если бы число пространственных измерений было больше трех. Гравитационная сила между двумя телами быстрее возрастала бы с расстоянием, чем в трехмерном пространстве. (Когда расстояние удваивается, то в трех измерениях гравитационная сила уменьшается в четыре раза, в четырех измерениях – в восемь раз, в пяти – в шестнадцать раз и т. д.). Это значит, что орбиты планет, например, Земли, вращающихся вокруг Солнца, были бы нестабильны: малейшее отклонение от круговой орбиты (возникшее, допустим, изза гравитационного притяжения других планет) привело бы к тому, что Земля стала бы двигаться но спирали либо от Солнца, либо к Солнцу. Мы бы тогда либо замерзли, либо сгорели. На самом деле, если бы зависимость гравитационной силы от расстояния была одинаковой в пространствах с размерностью выше трех, то Солнце не могло бы существовать в стабильном состоянии, в котором сохраняется равновесие между давлением и гравитацией. Оно либо распалось бы на части, либо, сколлапсировав, превратилось в черную дыру. В обоих случаях от него уже было бы мало пользы как от источника тепла и света для поддержки жизни на Земле. На меньших масштабах электрические силы, под действием которых электроны обращаются в атоме вокруг ядра, вели бы себя так же, как гравитационные. Следовательно, электроны либо все вместе вылетели бы из атома, либо по спирали упали бы на ядро. В том и другом случае не существовало бы таких атомов, как сейчас.
Тогда, казалось бы, очевидно, что жизнь, по крайней мере так, как мы ее себе представляем, может существовать лишь в таких областях пространства-времени, в которых одно временное и три пространственных измерения не очень сильно искривлены. Это означает, что мы имеем право призвать на помощь слабый антропный принцип, если сможем показать, что струнная теория по крайней мере допускает (а она, по-видимому, действительно допускает) существование во Вселенной областей указанного вида. Вполне могут существовать и другие области Вселенной или другие вселенные (что бы под этим ни подразумевалось), в которых либо все измерения сильно искривлены, либо распрямлено больше четырех измерений, но в подобных областях не будет разумных существ, которые могли бы увидеть это разнообразие действующих измерений.
Кроме определения числа измерений, которыми обладает пространство-время, в теории струн есть еще и другие задачи, которые надо решить, прежде чем провозглашать теорию струн окончательной единой теорией физики. Мы пока не знаем, все ли бесконечности компенсируют друг друга, и не умеем точно находить соответствие между волнами на струне и определенными типами частиц, которые мы наблюдаем. Тем не менее ответы на эти вопросы будут, по-видимому, найдены в ближайшие несколько лет, и к концу века мы узнаем, является ли теория струн той долгожданной единой теорией физики.
Но может ли единая теория реально существовать? Или мы просто гоняемся за миражом? Возможны, по-видимому, три варианта.
Полная единая теория действительно существует, и мы ее когда-нибудь откроем, если постараемся.
Окончательной теории Вселенной нет, а есть просто бесконечная последовательность теорий, которые дают все более и более точное описание Вселенной.
Теории Вселенной не существует: события не могут быть предсказаны далее некоторого предела и происходят произвольным образом и беспорядочно.
В пользу третьего варианта некоторые выдвигают тот довод, что существование полной системы законов ограничило бы свободу Бога, если бы он передумал и решил вмешаться в наш мир. Ситуация сродни старому доброму парадоксу: может ли Бог сотворить такой камень, который Он сам не смог бы поднять. Но мысль о том, что Бог может передумать, – это пример заблуждения, на которое указывал еще Блаженный Августин; оно возникает, если считать Бога существом, живущим во времени; время же – свойство только Вселенной, которая создана Богом. Запуская Вселенную, Бог, вероятно, знал что делает!
С появлением квантовой механики пришло понимание того, что событие невозможно предсказывать абсолютно точно и в любом предсказании всегда содержится некоторая доля неопределенности. При желании эту неопределенность можно было бы отнести на счет вмешательства Бога, но вмешательства, носящего очень странный характер: нет никаких свидетельств его хоть какой-нибудь целевой направленности. Разумеется, оказавшись направленным, оно по своему понятию не было бы случайным. В наш век мы практически исключили третий возможный вариант, предопределив цель, стоящую перед наукой: найти систему законов, которые давали бы возможность предсказывать события в пределах точности, устанавливаемой принципом неопределенности.
Вторая возможность, связанная с существованием бесконечной последовательности все более и более точных теорий, пока целиком согласуется с нашим опытом. Во многих случаях мы повышали чувствительность аппаратуры или производили эксперименты нового типа лишь для того, чтобы открыть новые явления, которые еще не были предсказаны существующей теорией, и для их предсказания приходилось создавать новую, более сложную теорию. Поэтому не будет ничего особенно удивительного, если окажется неверным предсказание, сделанное в рамках современных теорий великого объединения, о том, что не должно быть никаких существенно новых явлений в промежутке от значения энергии электрослабого объединения 100 ГэВ до энергии великого объединения, равной примерно тысяче миллионов миллионов гигаэлектронвольт. На самом деле можно ожидать, что будут открыты какие-то новые слои структуры, более элементарные, чем кварки и электроны, которые мы сейчас считаем элементарными.
Но гравитация может, по-видимому, наложить ограничение на эту последовательность вложенных одна в другую "матрешек". Если бы существовала частица, энергия которой превышала бы планковское значение – десять миллионов миллионов миллионов (единица с девятнадцатью нулями) гигаэлектронвольт, – то ее масса была бы столь сильно сжата, что частица выдавилась бы из Вселенной, образовав черную дыру. Таким образом, последовательность все более точных теорий должна, по-видимому, иметь предел при переходе ко все более и более высоким энергиям, а потому при каких-то энергиях должна существовать окончательная теория Вселенной.
Планковская энергия, конечно, отделена пропастью от энергий порядка сотни гигаэлектронвольт – того максимума, который сейчас можно достичь в лаборатории, и с помощью ускорителей вряд ли удастся возвести мост через эту пропасть в обозримом будущем! Но столь высокие энергии могли возникнуть на очень ранних стадиях развития Вселенной. Мне кажется, что изучение ранней Вселенной и требования математической согласованности приведут к созданию полной единой теории, и произойдет это еще при жизни кого-то из нас, ныне живущих, если, конечно, мы до этого сами себя не взорвем.
Что бы это означало, если бы нам действительно удалось открыть окончательную теорию Вселенной? Как уже говорилось в гл. 1, мы никогда не могли бы быть уверенными в том, что найденная теория действительно верна, потому что никакую теорию нельзя доказать. Но если открытая теория была бы математически непротиворечива и ее предсказания всегда совпадали с экспериментом, то мы могли бы не сомневаться в ее правильности. Этим завершилась бы длинная и удивительная глава в истории интеллектуальной борьбы человечества за познание Вселенной. Кроме того, открытие такой теории произвело бы революцию в представлениях обычных людей о законах, управляющих Вселенной. Во времена Ньютона образованный человек мог, по крайней мере в общих чертах, охватить весь объем знаний, которыми располагало человечество. Но с тех пор развитие науки происходит в таком темпе, что подобный охват стал невозможным. Теории непрерывно видоизменяются для согласования с результатами наблюдений, и никто не занимается переработкой и упрощением теорий для того, чтобы их могли понять неспециалисты. Даже будучи специалистом, можно надеяться понять лишь малую часть научных теорий. Кроме того, развитие идет так быстро, что все, чему учат в школе или университете, всегда немного устарелое. Лишь единицы могут двигаться вперед наравне с быстро растущим объемом информации. Им приходится посвящать этому все свое время и специализироваться лишь в какой-то узкой области. Остальные мало что знают о том, чего достигла наука и как это переживают ученые. Если верить Эддингтону, семьдесят лет назад лишь два человека понимали общую теорию относительности. Сейчас ее знают десятки тысяч выпускников университетов, а многие миллионы людей по крайней мере знакомы с лежащей в ее основе идеей. Если бы была открыта полная единая теория, то ее систематизация и упрощение, а потом и преподавание в школе, по крайней мере в общих чертах, оказались бы просто делом времени. Тогда все смогли бы получить некоторое представление о законах, управляющих Вселенной и ответственных за наше существование.
Если нам действительно удастся открыть полную единую теорию, то это не будет означать, что мы сможем предсказывать события вообще. На то есть две причины. Во-первых, наши предсказательные возможности ограничены квантово-механическим принципом неопределенности, и с этим ничего не поделаешь. Правда, на практике второе ограничение сильнее первого. Второе ограничение связано с тем, что, если не считать очень простых случаев, мы не умеем находить точные решения уравнений, описывающих теорию. (Мы не в состоянии точно решить даже уравнения движения трех тел в ньютоновской теории гравитации, а с ростом числа тел и усложнением теории трудности еще более увеличиваются). Мы уже знаем те законы, которым подчиняется поведение вещества во всех условиях, кроме экстремальных. В частности, мы знаем самые важные законы, лежащие в основе химии и биологии. Тем не менее мы, конечно же, не причисляем эти науки к решенным проблемам; мы пока не добились почти никаких успехов в предсказании поведения человека на основе математических уравнений! Таким образом, если мы и найдем полную систему основных законов, перед нами на много лет вперед будет стоять вызовом нашему интеллекту задача разработки новых приближенных методов, с помощью которых мы могли бы успешно предсказывать возможные результаты в реальных сложных ситуациях. Полная, непротиворечивая единая теория – это лишь первый шаг: наша цель – полное понимание всего происходящего вокруг нас и нашего собственного существования.
--------------------------------------------------------------------------------
<<< ОГЛАВЛЕHИЕ >>>
--------------------------------------------------------------------------------
Библиотека Фонда содействия развитию психической культуры (Киев)
--------------------------------------------------------------------------------
10. ОБЪЕДИНЕНИЕ ФИЗИКИ
Как уже говорилось в гл. 1, совсем не просто сразу строить полную единую теорию всего, что происходит во Вселенной. Поэтому мы продвигаемся вперед, создавая частные теории, описывающие какую-то ограниченную область событий, и либо пренебрегаем остальными эффектами, либо приближенно заменяем их некоторыми числами. (Например, в химии можно рассчитывать взаимодействия атомов, не зная внутреннего строения атомного ядра). Но можно надеяться на то, что в конце концов будет найдена полная, непротиворечивая единая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений и которую не нужно будет подгонять под эксперимент подбором значений входящих в нее произвольных величин. Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Последние годы своей жизни Эйнштейн почти целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло: существовали частные теории гравитации и электромагнитных взаимодействий, но о ядерных силах было мало что известно. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую он сам сыграл в ее развитии. Но принцип неопределенности является, по-видимому, фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем. Поэтому он обязательно должен быть составной частью правильной единой теории.
Дальше я покажу, что надежды на построение такой теории сильно возросли, ибо мы сейчас значительно больше узнали о Вселенной. Но не нужно быть чересчур уверенным – мы уже не раз сталкивались с миражами! Например, в начале века считалось, что все можно объяснить с помощью свойств, характеризующих непрерывное вещество, скажем, таких, как упругость и теплопроводность. Открытие строения атома и принципа неопределенности навсегда покончило с подобным подходом. Затем в 1928 г. физик, лауреат Нобелевской премии Макс Борн, выступая перед гостями Гёттингенского университета, сказал: "Физика в том смысле, в котором мы ее понимаем, через полгода кончится". В своей уверенности Борн основывался на недавно открытом Дираком уравнении для электрона. Все думали, что аналогичное уравнение должно существовать и для протона – второй из двух известных тогда частиц, и тогда теоретическая физика кончится. Но открытие нейтрона и ядерных сил развеяло и эти предсказания. И все же я уверен, что сейчас есть основания для осторожного оптимизма: мы, пожалуй, близки к завершению поисков окончательных законов природы.
В предыдущих главах я говорил об общей теории относительности, которая представляет собой частную теорию гравитации, и о частных теориях, описывающих слабые, сильные и электромагнитные взаимодействия. Последние три теории могут быть объединены в так называемые теории великого объединения, которые нельзя считать достаточно удовлетворительными, потому что они не включают гравитацию и содержат величины, например относительные массы разных частиц, которые не вычисляются теоретически и должны подбираться из условия наилучшего согласия с экспериментом. Основная трудность построения теории, которая объединяла бы гравитацию с остальными силами, связана с тем, что общая теория относительности представляет собой классическую теорию, т. е. не включает в себя квантово-механический принцип неопределенности. Другие же частные теории существенно связаны с квантовой механикой. Поэтому прежде всего общую теорию относительности необходимо объединить с принципом неопределенности. Мы знаем, что результатом такого объединения станет ряд удивительных следствий: черные дыры перестанут быть черными, а из Вселенной исчезнут сингулярности, и она станет полностью замкнутой и не имеющей границ. Но, как уже объяснялось в гл. 7, здесь возникают затруднения, связанные с тем, что в силу принципа неопределенности даже пустое пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Эти пары обладают бесконечной энергией, а потому в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc^2 их масса тоже должна быть бесконечна. Следовательно, под действием создаваемого ими гравитационного притяжения Вселенная должна, искривляясь, сворачиваться до бесконечно малых размеров.
Такие же нелепые бесконечности возникают и в других частных теориях, но их всегда можно устранить с помощью процедуры, которая называется перенормировкой. Метод перенормировок предписывает введение новых бесконечностей для компенсации старых. Несмотря на свою неполную математическую обоснованность, этот метод успешно применяется, и полученные с его помощью предсказания частных теорий чрезвычайно точно согласуются с результатами наблюдений. Однако в плане поиска завершенной теории метод перенормировок обладает одним серьезным недостатком: он не позволяет теоретически предсказать действительные значения масс и сил; их приходится подбирать путем подгонки к эксперименту.
При попытках включить принцип неопределенности в общую теорию относительности имеются только два числа, которые можно подгонять: величина гравитационной силы и космологическая постоянная. Но их изменением невозможно устранить все бесконечности. Значит, мы имеем теорию, согласно которой некоторые величины, например кривизна пространства-времени, должны быть бесконечными, несмотря на то что эти величины можно наблюдать, и из измерений вытекает, что они конечны! Эта проблема, возникающая при объединении общей теории относительности с принципом неопределенности, какое-то время считалась сомнительной, но в конце концов ее реальность была, наконец, подтверждена детальными расчетами в 1972 г. Через четыре года появилось одно из возможных ее решений, названное теорией супергравитации. Суть этой теории в том, что гравитон (частица со спином 2, являющаяся переносчиком гравитационного взаимодействия) объединяется с некоторыми новыми частицами, имеющими спины 3/2, 1, 1/2 и 0. Тогда все эти частицы в каком-то смысле можно рассматривать как разные виды одной и той же "суперчастицы", осуществив таким образом объединение частиц материи, имеющих спины 1/2 и 3/2, с частицами – переносчиками взаимодействия, спины которых равны 0, 1 и 2. Виртуальные пары частица-античастица со спином 1/2 и 3/2 обладают при этом отрицательной энергией, компенсирующей положительную энергию виртуальных пар со спином 2, 1, 0. В результате многие бесконечности будут устранены, но есть подозрения, что какая-то их часть может все же остаться. Однако выяснение того, все ли бесконечности устранены, требовало столь громоздких и сложных расчетов, что ими никто не собирался заниматься. Оценки показали, что даже с помощью компьютера работа заняла бы никак не меньше четырех лет, и при этом очень велика вероятность хоть раз ошибиться. Следовательно, в ответе можно быть уверенным лишь в том случае, если кто-нибудь другой повторил бы все вычисления и получил тот же результат, а на это трудно рассчитывать.
Рис. 10.1 и 2
Несмотря на все эти проблемы и на то, что частицы в теориях супергравитации, по-видимому, отличались от наблюдаемых частиц, большинство ученых считало, что супергравитация может привести к правильному решению задачи об объединении физики. Но в 1984 г. общее ученое мнение сильнейшим образом изменилось в сторону так называемых струйных теорий. Основными объектами струнных теорий выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры вроде бесконечно тонких кусочков струны, не имеющих никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободны (так называемые открытые струи), либо соединены друг с другом (замкнутые струи) (рис. 10.1 и 10.2). Частица в каждый момент времени представляется одной точкой в пространстве. Следовательно, ее историю можно изобразить линией в пространстве-времени (мировая линия). Но струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Следовательно, ее история в пространстве-времени изображается двумерной поверхностью, которая называется "мировым листом". (Любую точку на таком мировом листе можно задать двумя числами, одно из которых – время, а другое – положение точки на струне). Мировой лист открытой струны представляет собой полосу, края которой отвечают путям концов струны в пространстве-времени (рис. 10.1). Мировой лист замкнутой струны – это цилиндр или трубка (рис. 10.2), сечением которой является окружность, отвечающая положению струны в определенный момент времени.
Рис. 10.3 и 4
Два куска струны могут соединиться в одну струну; в случае открытых струн они просто смыкаются концами (рис. 10.3), а соединение замкнутых струн напоминает соединение двух штанин в брюках (рис. 10.4). Аналогичным образом кусок струны может разорваться на две струны. То, что раньше считалось частицами, в струнных теориях изображается в виде волн, бегущих по струне так же, как бегут волны по натянутой веревке, если ее дернуть за конец. Испускание и поглощение одной частицы другой отвечает соединению и разделению струн. Например, гравитационная сила, с которой Солнце действует на Землю, в теориях частиц изображалась как результат испускания какой-нибудь частицей на Солнце гравитона и последующего его поглощения какой-нибудь частицей на Земле (рис. 10.5). В теории струн этот процесс изображается Н-образным соединением трубок (рис. 10.6). (Теория струн в каком-то смысле подобна технике водопроводчика). Две вертикальные стороны соответствуют частицам, находящимся на Солнце и на Земле, а горизонтальная поперечина отвечает летящему между ними гравитону.
Рис. 10.5 и 6
Теория струн имеет очень необычную историю. Она возникла в конце шестидесятых годов при попытках построить теорию сильных взаимодействий. Идея была в том, чтобы частицы типа протона и нейтрона рассматривать как волны, распространяющиеся по струне. Тогда сильные силы, действующие между частицами, соответствуют отрезкам струн, соединяющим между собой, как в паутине, другие участки струп. Для того чтобы вычисленная в этой теории сила взаимодействия имела значение, отвечающее эксперименту, струны должны быть эквивалентны резиновым лентам, натянутым с силой около десяти тонн.
В 1974 г. парижанин Джоэль Шерк и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали работу, в которой было показано, что теория струн может описывать гравитационное взаимодействие, но только при значительно большем натяжении струны – порядка тысячи миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью девятью нулями) тонн. В обычных масштабах предсказания такой струнной модели и общей теории относительности совпадали, но начинали различаться на очень малых расстояниях, меньших одной тысяча миллион миллион миллион миллион миллионной доли сантиметра (один сантиметр, деленный на единицу с тридцатью тремя нулями). Однако эта работа не привлекла особенного внимания, потому что как раз в то время многие отказались от первоначальной струнной теории сильного взаимодействия, обратившись к теории кварков и глюонов, результаты которой значительно лучше согласовались с экспериментом. Шерк трагически умер (у пего был диабет, и во время комы рядом не оказалось никого, кто бы сделал ему укол инсулина), и Шварц остался почти единственным сторонником струнной теории, но со значительно более сильным натяжением струн.
В 1984 г. интерес к струнам неожиданно возродился. На то было, по-видимому, две причины. Во-первых, никто не мог ничего добиться, пытаясь показать, что супергравитация конечна или что с ее помощью можно объяснить существование всех разнообразных частиц, которые мы наблюдаем. Второй причиной была публикация статьи Джона Шварца и Майка Грина из Лондонского Куин-Мэри колледжа, в которой было показано, что с помощью теории струн можно объяснить существование частиц с левой спиральностью, как у некоторых из тех частиц, что мы наблюдаем. Какими бы ни были побудительные мотивы, вскоре очень многие обратились к теории струн, в результате чего появилась ее новая разновидность – теория так называемой гетеротической струны, которая дает надежду на объяснение разнообразия видов наблюдаемых частиц.
Рис. 10.7
В теориях струн тоже возникают бесконечности, но есть надежда, что в тех или иных теориях гетеротической струны эти бесконечности сократятся (хотя пока это еще не известно). Но струнные теории содержат значительно более серьезную трудность: они непротиворечивы, по-видимому, лишь в десяти или двадцатишестимерном пространстве-времени, а не в обычном четырехмерном! Лишние измерения – это обычное дело в научной фантастике; там без них и в самом деле почти невозможно обойтись, потому что иначе, из-за того что, согласно теории относительности, нельзя двигаться быстрее света, путешествия среди звезд и галактик происходили бы немыслимо долго. Идея научной фантастики заключается в том, что можно как-то сократить путь, пройдя через лишнее измерение. Эту мысль можно следующим образом пояснить на рисунке. Представьте себе, что пространство, в котором мы живем, имеет только два измерения и искривлено, как поверхность бублика, или тора (рис. 10.7). Если вы находитесь в какой-то точке на внутренней стороне тора и хотите попасть в противоположную точку, вам придется обойти тор по внутреннему кольцу. А если бы вы умели перемещаться в третьем измерении, вы могли бы срезать, пойдя напрямик.
Но почему же мы не замечаем все эти дополнительные измерения, если они действительно существуют?
Почему мы видим только три пространственных и одно временное измерение? Возможно, причина кроется в том, что другие измерения свернуты в очень малое пространство размером порядка одной миллион миллион миллион миллион миллионной доли сантиметра. Оно так мало, что мы его просто не замечаем: мы видим всего лишь одно временное и три пространственных измерения, в которых пространство-время выглядит довольно плоским. То же самое происходит, когда мы смотрим па поверхность апельсина: вблизи она выглядит искривленной и неровной, а издали бугорки не видны и апельсин кажется гладким. Так же и пространство-время: в очень малых масштабах оно десятимерно и сильно искривлено, а в больших масштабах кривизна и дополнительные измерения не видны. Если это представление верно, то оно несет дурные вести будущим покорителям космоса: дополнительные измерения будут слишком малы для прохода космического корабля. Но возникает и другая серьезная проблема. Почему лишь некоторые, а не все вообще измерения должны свернуться в маленький шарик? На очень ранней стадии все измерения во Вселенной были, по-видимому, очень сильно искривлены. Почему же одно временное и три пространственных измерения развернулись, а все остальные остаются туго свернутыми?
Рис. 10.8
Один из возможных ответов дается антропным принципом. Двух пространственных измерений, по-видимому, недостаточно для того, чтобы могли развиться такие сложные существа, как мы. Живя, например, на одномерной Земле, двумерные животные, чтобы разойтись при встрече, были бы вынуждены перелезать друг через друга. Если бы двумерное существо питалось чем-нибудь таким, что не переваривается до конца, то остатки должны были бы выводиться по тому же пути, по которому входит пища, так как при наличии сквозного прохода через все тело животное оказалось бы разделенным на две отдельные половины, и наше двумерное существо развалилось бы на две части (рис. 10.8). Точно так же трудно представить себе, как у двумерного существа происходила бы циркуляция крови.
Трудности возникали бы и в том случае, если бы число пространственных измерений было больше трех. Гравитационная сила между двумя телами быстрее возрастала бы с расстоянием, чем в трехмерном пространстве. (Когда расстояние удваивается, то в трех измерениях гравитационная сила уменьшается в четыре раза, в четырех измерениях – в восемь раз, в пяти – в шестнадцать раз и т. д.). Это значит, что орбиты планет, например, Земли, вращающихся вокруг Солнца, были бы нестабильны: малейшее отклонение от круговой орбиты (возникшее, допустим, изза гравитационного притяжения других планет) привело бы к тому, что Земля стала бы двигаться но спирали либо от Солнца, либо к Солнцу. Мы бы тогда либо замерзли, либо сгорели. На самом деле, если бы зависимость гравитационной силы от расстояния была одинаковой в пространствах с размерностью выше трех, то Солнце не могло бы существовать в стабильном состоянии, в котором сохраняется равновесие между давлением и гравитацией. Оно либо распалось бы на части, либо, сколлапсировав, превратилось в черную дыру. В обоих случаях от него уже было бы мало пользы как от источника тепла и света для поддержки жизни на Земле. На меньших масштабах электрические силы, под действием которых электроны обращаются в атоме вокруг ядра, вели бы себя так же, как гравитационные. Следовательно, электроны либо все вместе вылетели бы из атома, либо по спирали упали бы на ядро. В том и другом случае не существовало бы таких атомов, как сейчас.
Тогда, казалось бы, очевидно, что жизнь, по крайней мере так, как мы ее себе представляем, может существовать лишь в таких областях пространства-времени, в которых одно временное и три пространственных измерения не очень сильно искривлены. Это означает, что мы имеем право призвать на помощь слабый антропный принцип, если сможем показать, что струнная теория по крайней мере допускает (а она, по-видимому, действительно допускает) существование во Вселенной областей указанного вида. Вполне могут существовать и другие области Вселенной или другие вселенные (что бы под этим ни подразумевалось), в которых либо все измерения сильно искривлены, либо распрямлено больше четырех измерений, но в подобных областях не будет разумных существ, которые могли бы увидеть это разнообразие действующих измерений.
Кроме определения числа измерений, которыми обладает пространство-время, в теории струн есть еще и другие задачи, которые надо решить, прежде чем провозглашать теорию струн окончательной единой теорией физики. Мы пока не знаем, все ли бесконечности компенсируют друг друга, и не умеем точно находить соответствие между волнами на струне и определенными типами частиц, которые мы наблюдаем. Тем не менее ответы на эти вопросы будут, по-видимому, найдены в ближайшие несколько лет, и к концу века мы узнаем, является ли теория струн той долгожданной единой теорией физики.
Но может ли единая теория реально существовать? Или мы просто гоняемся за миражом? Возможны, по-видимому, три варианта.
Полная единая теория действительно существует, и мы ее когда-нибудь откроем, если постараемся.
Окончательной теории Вселенной нет, а есть просто бесконечная последовательность теорий, которые дают все более и более точное описание Вселенной.
Теории Вселенной не существует: события не могут быть предсказаны далее некоторого предела и происходят произвольным образом и беспорядочно.
В пользу третьего варианта некоторые выдвигают тот довод, что существование полной системы законов ограничило бы свободу Бога, если бы он передумал и решил вмешаться в наш мир. Ситуация сродни старому доброму парадоксу: может ли Бог сотворить такой камень, который Он сам не смог бы поднять. Но мысль о том, что Бог может передумать, – это пример заблуждения, на которое указывал еще Блаженный Августин; оно возникает, если считать Бога существом, живущим во времени; время же – свойство только Вселенной, которая создана Богом. Запуская Вселенную, Бог, вероятно, знал что делает!
С появлением квантовой механики пришло понимание того, что событие невозможно предсказывать абсолютно точно и в любом предсказании всегда содержится некоторая доля неопределенности. При желании эту неопределенность можно было бы отнести на счет вмешательства Бога, но вмешательства, носящего очень странный характер: нет никаких свидетельств его хоть какой-нибудь целевой направленности. Разумеется, оказавшись направленным, оно по своему понятию не было бы случайным. В наш век мы практически исключили третий возможный вариант, предопределив цель, стоящую перед наукой: найти систему законов, которые давали бы возможность предсказывать события в пределах точности, устанавливаемой принципом неопределенности.
Вторая возможность, связанная с существованием бесконечной последовательности все более и более точных теорий, пока целиком согласуется с нашим опытом. Во многих случаях мы повышали чувствительность аппаратуры или производили эксперименты нового типа лишь для того, чтобы открыть новые явления, которые еще не были предсказаны существующей теорией, и для их предсказания приходилось создавать новую, более сложную теорию. Поэтому не будет ничего особенно удивительного, если окажется неверным предсказание, сделанное в рамках современных теорий великого объединения, о том, что не должно быть никаких существенно новых явлений в промежутке от значения энергии электрослабого объединения 100 ГэВ до энергии великого объединения, равной примерно тысяче миллионов миллионов гигаэлектронвольт. На самом деле можно ожидать, что будут открыты какие-то новые слои структуры, более элементарные, чем кварки и электроны, которые мы сейчас считаем элементарными.
Но гравитация может, по-видимому, наложить ограничение на эту последовательность вложенных одна в другую "матрешек". Если бы существовала частица, энергия которой превышала бы планковское значение – десять миллионов миллионов миллионов (единица с девятнадцатью нулями) гигаэлектронвольт, – то ее масса была бы столь сильно сжата, что частица выдавилась бы из Вселенной, образовав черную дыру. Таким образом, последовательность все более точных теорий должна, по-видимому, иметь предел при переходе ко все более и более высоким энергиям, а потому при каких-то энергиях должна существовать окончательная теория Вселенной.
Планковская энергия, конечно, отделена пропастью от энергий порядка сотни гигаэлектронвольт – того максимума, который сейчас можно достичь в лаборатории, и с помощью ускорителей вряд ли удастся возвести мост через эту пропасть в обозримом будущем! Но столь высокие энергии могли возникнуть на очень ранних стадиях развития Вселенной. Мне кажется, что изучение ранней Вселенной и требования математической согласованности приведут к созданию полной единой теории, и произойдет это еще при жизни кого-то из нас, ныне живущих, если, конечно, мы до этого сами себя не взорвем.
Что бы это означало, если бы нам действительно удалось открыть окончательную теорию Вселенной? Как уже говорилось в гл. 1, мы никогда не могли бы быть уверенными в том, что найденная теория действительно верна, потому что никакую теорию нельзя доказать. Но если открытая теория была бы математически непротиворечива и ее предсказания всегда совпадали с экспериментом, то мы могли бы не сомневаться в ее правильности. Этим завершилась бы длинная и удивительная глава в истории интеллектуальной борьбы человечества за познание Вселенной. Кроме того, открытие такой теории произвело бы революцию в представлениях обычных людей о законах, управляющих Вселенной. Во времена Ньютона образованный человек мог, по крайней мере в общих чертах, охватить весь объем знаний, которыми располагало человечество. Но с тех пор развитие науки происходит в таком темпе, что подобный охват стал невозможным. Теории непрерывно видоизменяются для согласования с результатами наблюдений, и никто не занимается переработкой и упрощением теорий для того, чтобы их могли понять неспециалисты. Даже будучи специалистом, можно надеяться понять лишь малую часть научных теорий. Кроме того, развитие идет так быстро, что все, чему учат в школе или университете, всегда немного устарелое. Лишь единицы могут двигаться вперед наравне с быстро растущим объемом информации. Им приходится посвящать этому все свое время и специализироваться лишь в какой-то узкой области. Остальные мало что знают о том, чего достигла наука и как это переживают ученые. Если верить Эддингтону, семьдесят лет назад лишь два человека понимали общую теорию относительности. Сейчас ее знают десятки тысяч выпускников университетов, а многие миллионы людей по крайней мере знакомы с лежащей в ее основе идеей. Если бы была открыта полная единая теория, то ее систематизация и упрощение, а потом и преподавание в школе, по крайней мере в общих чертах, оказались бы просто делом времени. Тогда все смогли бы получить некоторое представление о законах, управляющих Вселенной и ответственных за наше существование.
Если нам действительно удастся открыть полную единую теорию, то это не будет означать, что мы сможем предсказывать события вообще. На то есть две причины. Во-первых, наши предсказательные возможности ограничены квантово-механическим принципом неопределенности, и с этим ничего не поделаешь. Правда, на практике второе ограничение сильнее первого. Второе ограничение связано с тем, что, если не считать очень простых случаев, мы не умеем находить точные решения уравнений, описывающих теорию. (Мы не в состоянии точно решить даже уравнения движения трех тел в ньютоновской теории гравитации, а с ростом числа тел и усложнением теории трудности еще более увеличиваются). Мы уже знаем те законы, которым подчиняется поведение вещества во всех условиях, кроме экстремальных. В частности, мы знаем самые важные законы, лежащие в основе химии и биологии. Тем не менее мы, конечно же, не причисляем эти науки к решенным проблемам; мы пока не добились почти никаких успехов в предсказании поведения человека на основе математических уравнений! Таким образом, если мы и найдем полную систему основных законов, перед нами на много лет вперед будет стоять вызовом нашему интеллекту задача разработки новых приближенных методов, с помощью которых мы могли бы успешно предсказывать возможные результаты в реальных сложных ситуациях. Полная, непротиворечивая единая теория – это лишь первый шаг: наша цель – полное понимание всего происходящего вокруг нас и нашего собственного существования.
--------------------------------------------------------------------------------
<<< ОГЛАВЛЕHИЕ >>>
--------------------------------------------------------------------------------
Библиотека Фонда содействия развитию психической культуры (Киев)
Подписаться на:
Сообщения (Atom)