Маркус Сотой О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний
Marcus du Sautoy
WHAT WE CANNOT KNOW
Explorations at the Edge of Knowledge
Copyright © Marcus du Sautoy, 2016
© Прокофьев Д. А., перевод на русский язык, 2016
Рубеж нулевой: известное неизвестное
Наука царит над миром.
Каждую неделю заголовки новостей сообщают о новых прорывах в нашем понимании Вселенной, новых технологиях, преобразующих наш мир, новых успехах медицины, обещающих продлить нашу жизнь. Наука позволяет нам беспрецедентно глубоко проникать в суть некоторых из тех великих вопросов, которые стояли перед человечеством с тех самых пор, как мы смогли их сформулировать. Откуда мы произошли? Какая судьба ожидает Вселенную? Из чего построен физический мир? Как скопление клеток обрело сознание?
Только за последние десять лет мы посадили космический корабль на комету, разработали роботов, способных создать собственный язык, научились восстанавливать поджелудочную железу больных диабетом при помощи стволовых клеток, узнали, как управлять манипулятором робота одной лишь силой мысли, секвенировали ДНК пещерной девочки, жившей 50 000 лет назад. Научные журналы переполнены отчетами о новейших достижениях, поступающими из лабораторий всего мира. Мы знаем так много. Успехи науки опьяняют.
Наука дала нам наилучшее оружие в борьбе с фатумом. Вместо пассивного подчинения губительному действию болезней и стихийных бедствий она создала вакцины, позволяющие бороться со смертельными вирусами полиомиелита и даже лихорадкой Эбола. Именно научный прогресс в условиях стремительного роста мирового населения позволяет надеяться, что нам удастся прокормить те 9,6 миллиарда человек, которые, как ожидается, будут жить на Земле в 2050 г. Именно наука предупреждает нас о том гибельном воздействии, которое мы оказываем на окружающую среду, и дает нам шанс, пока не поздно, исправить это положение. Возможно, падение астероида и уничтожило в свое время динозавров, но наука, которую создал человек, – наша лучшая защита от любых прямых попаданий в будущем. Наука – лучший союзник рода человеческого в его непрерывной битве со смертью.
Наука царит не только там, где дело касается борьбы за выживание, но и там, где речь идет о повышении качества жизни. Мы можем общаться с друзьями и родными, находящимися на огромном расстоянии. Мы располагаем небывалыми возможностями доступа к собранию знаний, накопленных многими поколениями исследователей. Мы создаем виртуальные миры, в которые можем выбираться в свободное время. Одним нажатием кнопки мы можем заставить звучать в своей гостиной великие исполнения Моцарта, Майлза Дэвиса и «Металлики».
Это стремление к знанию запрограммировано в душе человека. Выжили, приспособились, преобразовали окружающую среду те древние люди, которые испытывали жажду знаний. Те, для кого она не была движущей силой, остались позади. Эволюция благоприятствует разуму, который хочет узнать, как устроена Вселенная. Выброс адреналина, сопровождающий открытие нового знания, – это знак, которым природа дает нам понять, что стремление к знанию не менее важно, чем стремление к воспроизводству. Как сказал Аристотель в первой строке своей «Метафизики», понимание устройства мира есть одна из основных потребностей человека.
Наука быстро заманила меня в свои объятия, еще когда я учился в школе. Я влюбился в ее необычайную мощь, позволяющую ей так много рассказать нам о мире. Фантастические истории, которые рассказывали нам учителя-естественники, были еще затейливее, чем художественная литература, которую я читал дома. Все больше подпадая под очарование науки, я поглощал ее во всех доступных мне видах.
Я уговорил родителей подписать меня на журнал New Scientist. Я заглатывал в местной библиотеке номера Scientific American. Каждую неделю я узурпировал телевизор, чтобы посмотреть очередные выпуски моих любимых научно-популярных передач, Horizon и Tomorrow’s World. Я был заворожен программами Ascent of Man Джейкоба Броновски, Cosmos Карла Сагана, Body in Question Джонатана Миллера. Рождественские лекции Королевского института добавляли солидную порцию науки к каждой рождественской индейке в нашей семье. Я находил под елкой книги Гамова и Фейнмана. Это было головокружительное время, когда каждая неделя приносила сообщения о новых достижениях.
Читая все эти истории об открытии того, что мы знаем, я постепенно начал все больше интересоваться историями, еще не рассказанными. То, что мы уже знаем, принадлежит прошлому, а то, что нам еще неизвестно, относится к будущему – моему будущему. Я был одержим книгой головоломок математика Мартина Гарднера, которую дал мне мой учитель математики. Эмоциональное напряжение борьбы с задачами и внезапные всплески эйфории от решения каждой следующей головоломки подсадили меня на наркотик открытий. Эти головоломки подготовили меня к более серьезным задачам, к решению вопросов, на которые в конце книги не было ответов. Именно вопросы, не имеющие ответов, нераскрытые математические тайны и нерешенные научные головоломки стали впоследствии источником энергии для моей жизни в науке.
То, что мы знаем
Вспоминая 1970-е, когда я ходил в школу, и сравнивая то, что мы знали тогда, с тем, что мы знаем сейчас, я поражаюсь, сколь многое мы поняли о Вселенной всего за полвека моей жизни. Технологии настолько расширили наше восприятие, что мы можем видеть вещи, которые даже не входили в круг понятий тех ученых, которые так восхищали меня в детстве.
Телескопы нового поколения открыли в ночном небе похожие на Землю планеты, на которых может существовать разумная жизнь. Они выявили тот поразительный факт, что через три четверти времени существования нашей Вселенной ее расширение начало ускоряться. Я, помнится, читал в детстве, что в будущем нас ожидает «Большое сжатие», но теперь дело выглядит так, что нам уготована совершенно другая участь.
Коллайдеры элементарных частиц, такие как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН (Европейской организации ядерных исследований, расположенной в Швейцарии), позволили нам проникнуть во внутренние механизмы самой материи и обнаружить новые частицы, например топ-кварк, открытый в 1994 г., или бозон Хиггса, открытый в 2012-м. Когда я школьником читал журнал New Scientist, эти частицы еще принадлежали к области гипотетической математики.
А в начале 1990-х появились аппараты функциональной МРТ, позволившие заглянуть внутрь мозга и открыть там такие вещи, которые в 70-х, честно говоря, даже не считались входящими в компетенцию ученых. Тогда мозг был заповедной территорией философов и богословов, а теперь техника может показать, когда вы думаете об актрисе Дженнифер Энистон, или предсказать, что вы сейчас сделаете, еще до того, как вы сами об этом узнаете.
Развитие биологии было взрывообразным. В 2003 г. было объявлено, что ученые расшифровали одну полную последовательность человеческой ДНК, состоящую из трех миллиардов букв генетического кода. В 2011 г. была опубликована полная нейронная сеть нематоды C. elegans, дающая исчерпывающую картину связей между 302 нейронами этого червя.
Химики также осваивали новые территории. В 1985 г. была открыта совершенно новая форма углерода, в которой атомы соединены в подобие футбольного мяча, а в 2003 г. химики снова удивили нас, создав первые образцы графена и продемонстрировав, как углерод может образовывать гексагональные решетки толщиной в один атом.
В течение моей жизни были наконец решены и некоторые из величайших загадок математики – той области, которой я в конце концов посвятил себя. Задачи, подобные Великой теореме Ферма и гипотезе Пуанкаре, приводили в замешательство многие поколения математиков. Новые математические методы и идеи открыли ранее скрытые пути для странствий по миру математики.
Даже уследить за всеми этими достижениями – не говоря уже о том, чтобы внести в них свой собственный вклад, – стало непростой задачей.
Профессор всех наук
Несколько лет назад я получил новую должность в дополнение к моей работе профессора математики в Оксфордском университете. Ее название меня часто смешит: «профессор популяризации науки»[2]. По-видимому, считается, что человек, занимающий эту должность, должен знать все. Мне звонят, рассчитывая, что я могу ответить на любые вопросы, касающиеся науки. Вскоре после того, как я занял эту должность, было объявлено о присуждении Нобелевской премии по медицине и биологии. Мне позвонил один журналист, который надеялся, что ему объяснят то достижение, за которое была присуждена эта премия, – открытие теломеров.
Я никогда не был особенно силен в биологии, но в тот момент я сидел за компьютером. Признаться в своем невежестве было неудобно, так что я открыл Википедию и, быстро просмотрев статью, посвященную теломерам, авторитетно объяснил, что это участки генетического кода, расположенные на концах наших хромосом, которые управляют, в частности, старением. Технология, которая имеется сейчас у нас под рукой, усилила ощущение нашей способности знать все что угодно. Стоит мне всего лишь вбить вопрос в окно поисковой программы, и машине, как кажется, удается предсказать, что именно я хочу узнать, и выдать список тех мест, в которых можно найти ответ, еще до того, как я закончу набирать свой вопрос.
Но понимание не сводится к перечню фактов. Может ли какой бы то ни было ученый знать все? Знать, как решать нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных? Знать, как группа SU(3) определяет связи между фундаментальными частицами? Знать, как космическая инфляция порождает состояние Вселенной? Как решать уравнения общей теории относительности Эйнштейна или волновое уравнение Шредингера? Как нейроны и синапсы порождают мысли? Возможно, последними учеными, знавшими все, что было известно, были Ньютон, Лейбниц и Галилей.
Должен признаться, что юношеская самонадеянность вселяла в меня веру в способность понять все, что известно человеку. Если чей-то человеческий мозг смог найти путь к новому знанию, значит, раз это доказательство работает в чьем-то мозгу, оно должно сработать и в моем. Если у меня будет достаточно времени, думал я, я смогу разгадать тайны математики и Вселенной или, по крайней мере, разобраться в нынешнем положении вещей. Но теперь я испытываю все большие сомнения в этой вере, все больше беспокоюсь, что некоторые вещи так и останутся за пределами моего понимания. Моему мозгу часто бывает трудно разобраться в уже известной нам науке. На то, чтобы узнать все, просто не хватает времени.
Даже мои собственные исследования в математике уже, кажется, доходят до предела того, что способен понять мой человеческий мозг. Более десяти лет я работаю над одной гипотезой, которая упорно сопротивляется моим попыткам доказать ее. Но моя новая роль профессора популяризации науки заставляет меня выходить из привычной области математики в дебри запутанных концепций нейробиологии, ускользающих идей философии, шатких теорий физики. Она требует иного образа мыслей, чуждого моему математическому способу мышления, работающему с несомненными фактами, доказательствами и точностью. Мои попытки понять все, что считается сейчас относящимся к научному знанию, подвергают серьезному испытанию границы моих собственных способностей к пониманию.
Чтобы обрести знание, мы неизбежно должны «стоять на плечах гигантов», если использовать знаменитое выражение, которым Ньютон объяснял собственные открытия[3]. Поэтому мое путешествие к пределам знания включает в себя чтение того, что сказано другими о современном состоянии знания, посещение лекций и семинаров специалистов в тех областях, в которых я пытаюсь разобраться, общение с теми, кто открывает новые горизонты, критическое рассмотрение противоречивых историй, знакомство с опубликованными в научных журналах свидетельствами и данными в поддержку той или иной теории и даже, время от времени, поиск каких-нибудь понятий в Википедии. Хотя мы и учим своих студентов подвергать сомнению любую информацию, которую выдает поиск в Google, исследования показывают, что статьи Википедии по темам, относящимся к менее спорной части научного спектра, – например по общей теории относительности, – считаются сравнимыми по качеству с публикациями в научной литературе. Однако стоит выбрать более спорную тему – например изменения климата, – и содержание статьи может меняться изо дня в день.
Отсюда возникает вопрос: насколько можно верить хоть каким-нибудь из этих историй? Одно то, что научное сообщество считает некое объяснение лучшим на данный момент, не значит, что оно истинно. История снова и снова дает нам примеры обратного, и они должны служить вечным напоминанием о том, что существующее научное знание никогда не окончательно. Возможно, математика несколько отличается в этом отношении, как будет обсуждаться в двух последних главах этой книги. Но следует отметить, что, даже когда я разрабатываю новую математику, я часто ссылаюсь на результаты других математиков, чьи доказательства я сам не проверял. Иначе мне приходилось бы бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте.
И главная задача, стоящая перед каждым ученым, состоит в том, чтобы не оставаться в надежном саду известного, но отважиться выйти из него в дебри неизвестного. Именно этой задаче и посвящена книга.
То, чего мы не знаем
Несмотря на все успехи, достигнутые наукой за последние столетия, многие глубокие тайны все еще остаются нераскрытыми. То, чего мы не знаем. Создается впечатление, что знание о том, чего мы не знаем, разрастается быстрее, чем список наших открытий. Известное неизвестное обгоняет известное известное. Но именно это неизвестное движет науку вперед. Ученых больше интересует то, чего они не понимают, чем пересказ уже известного. Наука остается живой и развивающейся именно благодаря тем вопросам, на которые у нас нет ответов.
Например, материя, составляющая тот физический мир, с которым мы взаимодействуем, по-видимому, составляет лишь 4,9 % всего вещества, содержащегося в нашей Вселенной. Из чего же состоят оставшиеся 95,1 % так называемой темной материи и темной энергии? Если расширение нашей Вселенной ускоряется, откуда берется вся та энергия, за счет которой происходит это ускорение?
Бесконечна ли наша Вселенная? Существует ли бесконечное число других бесконечных вселенных, параллельных нашей? Если они существуют, отличаются ли их физические законы от наших? Существовали ли эти другие вселенные до того, как возникла наша в результате Большого взрыва? Существовало ли время до Большого взрыва? Вообще, существует ли время как таковое, или оно появляется как следствие более фундаментальных концепций?
Почему в дополнение к одному семейству элементарных частиц существуют еще две почти точные копии этого семейства, но с большей массой, так называемые три поколения элементарных частиц? Существуют ли другие частицы, которые мы еще не открыли? Являются ли элементарные частицы на самом деле тончайшими струнами, вибрирующими в 11-мерном пространстве?[4]
Как объединить общую теорию относительности Эйнштейна, физику предельно большого, с квантовой физикой, физикой предельно малого? Тут речь идет о поисках так называемой квантовой гравитации, абсолютно необходимой для понимания момента Большого взрыва, в который вся Вселенная была сжата до квантовых масштабов.
А как насчет нашего понимания человеческого тела, по сравнению со сложностью которого квантовая физика – просто школьная задачка? Мы все еще пытаемся разобраться со сложным взаимодействием между экспрессией генов и окружающей средой. Сможем ли мы найти лекарство от рака? Возможно ли победить старение? Родился ли уже человек, который сможет дожить до тысячи лет?
А происхождение человека? Если эволюция – это процесс случайных мутаций, то мог ли другой бросок игральных костей эволюции также привести к возникновению организмов, имеющих глаза? Если перемотать эволюцию назад и нажать на кнопку «пуск», получим ли мы разумную жизнь – или же мы появились в результате удачного броска костей? Существует ли разумная жизнь в других точках Вселенной? А технологии, которые мы создаем? Сможет ли компьютер стать разумным? Смогу ли я когда-нибудь скопировать свое сознание и пережить смерть собственного тела?
Математика тоже еще далека от завершения. В противоположность распространенному мнению Великая, или «последняя», теорема Ферма вовсе не была последней теоремой. Математика изобилует неизвестным. Существует ли в распределении простых чисел структура, или же они разбросаны случайным образом? Сможем ли мы решить математические уравнения турбулентности? Найдем ли когда-нибудь эффективный способ разложения больших чисел на множители?
Несмотря на то что столь многое еще остается неизвестным, ученые верят, что на эти вопросы когда-нибудь будут получены ответы. Последние десятилетия позволяют полагать, что мы живем в золотом веке науки. Кажется, что скорость возникновения научных открытий возрастает экспоненциально. В 2014 г. журнал Nature сообщил, что начиная с конца Второй мировой войны число опубликованных научных статей удваивалось каждые девять лет. Компьютеры также развиваются с экспоненциальной скоростью. Законом Мура называется наблюдение, согласно которому производительность компьютерных процессоров, по-видимому, удваивается каждые два года[5]. Инженер Рэй Курцвейл полагает, что то же справедливо и для технологического прогресса: уровень изменения технологий в течение следующих ста лет будет сравним с тем, что человечество испытало за последние 20 000 лет.