Новый уровень фундаментальной материи?
Хаим Харари
Физик‑теоретик, бывший президент Института Вейцмана; автор книги The View from the Eye of the Storm («Вид из эпицентра бури »)
Научная идея может быть элегантной. Она также может быть верной. Если вам приходится выбирать, выбирайте верную. Но лучше, если идея сочетает оба качества.
Элегантность идеи определяется взглядом исследователя. Верность – окончательным судом науки, матери‑природы, обсуждением результатов экспериментов. В отличие от телевизионного конкурса талантов ни элегантность, ни верность не могут быть установлены путем голосования публики или скептически настроенного жюри. Но впечатление элегантности идеи часто зависит от того, решение какого вопроса она предлагает.
Вся материя состоит из 6 типов кварков и 6 типов лептонов, видимо, со случайными необъяснимыми значениями масс, различающимися на десять порядков. Никто не знает, почему в этих 12 строительных блоках трижды повторяется одна и та же структура. При определенных обстоятельствах эти объекты могут превращаться друг в друга в необъяснимых соотношениях, называемых «углами смешивания». Создается впечатление, что двадцать с лишним значений этих масс и соотношений выбраны кем‑то (природой или Богом) произвольным образом. Все это сообщает нам Стандартная модель физики частиц. Это элегантно? Не очень.
Но то, что горы и змеи, океаны и помойки, люди и компьютеры, гамбургеры и звезды, алмазы и слоны, а также все остальное во Вселенной создано из дюжины типов фундаментальных объектов, действительно поражает воображение. Именно это сообщает нам та же Стандартная модель. Так это элегантно? Очень даже.
|
|
|
Я надеюсь, что природа на самом деле еще более элегантна. Двенадцать фундаментальных кварков и лептонов и их античастицы имеют электрические заряды 0, 1 3, 2 3 и 1 или такие же негативные значения. Каждое значение повторяется в точности три раза.
На многие вопросы нет удовлетворительных ответов. Почему все заряды кратны 1 3 заряда электрона? Почему представлены все значения от 0 до 1, причем несколько раз? Почему не встречается более трех повторов одного значения? Почему одна и та же структура повторяется три раза? Почему лептоны имеют целые значения зарядов, а кварки – дробные? Почему заряды кварков и лептонов связаны друг с другом простыми соотношениями?
Причиной, по которой москиты, стулья и томатный сок электрически нейтральны, служит необъяснимое равенство величины электрических зарядов протонов и электронов, в результате чего атомы нейтральны. Это следствие простого и точного соотношения зарядов кварков и лептонов. Но почему заряд электрона не составляет, скажем, 0,8342 от заряда протона? Почему значение заряда у них в точности одинаковое? Элегантное объяснение этих головоломок может появиться, если все кварки и лептоны (следовательно, и вся материя во Вселенной) состоят только из двух строительных блоков, один из которых имеет электрический заряд, составляющий 1 3 от заряда электрона, а второй не заряжен. Тогда комбинации из этих объектов будут в точности соответствовать известному набору кварков и лептонов и четко отвечать на поставленные выше вопросы. Странный комплект масс и соотношений кварков и лептонов так и останется необъяснимым, но будет переведен в рамки обсуждения динамических сил, связывающих два фундаментальных объекта в множество целостных образований, вместо попытки разобраться в данном природой или Богом списке более двадцати фундаментальных параметров.
|
|
|
Элегантное объяснение? Безусловно. Верное? Не обязательно, как мы теперь понимаем. Но вы никогда не докажете, что частицы не состоят из более простых первичных объектов. Это может быть обнаружено в будущем и не вызвать противоречий с имеющимися данными, особенно если новые структуры окажутся на меньшем расстоянии и с более высокими энергиями, чем все, что нам до сих пор известны, или подчиняются странному набору новых физических законов. Не стоит и говорить, что такая простая гипотеза нуждается в решении множество дополнительных проблем, с одними из которых она легко справляется, а с другими оказывается несостоятельной. Возможно, это отчасти оправдывает общее негативное отношение большинства физиков частиц к такому простому объяснению.
|
|
|
На мой взгляд, идея, что вся Вселенная создана из двух типов строительных блоков (которые я назвал ризонами, или первичными), – элегантное и привлекательное объяснение известных фактов. В начале «Книги Бытия» сказано, что Вселенная «бесформенна и пуста», или в оригинале на иврите «Tohu Vavohu» . Почему бы не дать двум фундаментальным объектам обозначения T (Tohu , «бесформенность») и V (Vohu , «пустота»)? Тогда каждый кварк и лептон будут состоять из различных комбинаций трех таких ризонов, например TTV или TTT.
Все это может навсегда остаться элегантной, но неверной идеей, или однажды оказаться новым уровнем структуры материи, следующим за атомом, ядром, протоном и кварком. Спросите мать‑природу. Она знает, что такое элегантность и что такое правильность, но пока молчит.
|
|
|
Наблюдатели наблюдают
Роберт Провайн
Нейробиолог и психолог (Мэрилендский университет); автор книги Curious Behaviour: Yawning, Laughing, Hiccupping and Beyond («Странное поведение: зевота, смех, икота и прочее »)
Вопрос о лучшем глубоком, элегантном и красивом объяснении меня слегка разочаровал. «Глубокий», «элегантный» и «красивый» – эстетические категории, которые у меня ассоциируются скорее с опытом и процессом, чем с объяснением, особенно с наблюдающим наблюдателем. Наблюдение – связь между представителями эмпирических наук и рациональными физиками, которые были и среди основателей психологии. Разница между психологией и физикой в акцентах. Обе включают процесс наблюдения наблюдателями, но физика делает акцент на наблюдаемом, а психология – на наблюдателе. Как это ни противоестественно для закоренелых эмпириков, которые отрицают наблюдателя, физика – это по необходимости изучение физика, биология – биолога и т. д.
Несколько десятилетий назад я обсуждал этот вопрос с Джоном Уилером, для которого было очевидно: ничто так не ограничивает космологию, как космолог. Когда я говорю студентам моего курса «Чувство и восприятие», что мы занимаемся изучением всего на свете, я совершенно серьезен. По многим причинам изучение чувства и восприятия – самая основополагающая и универсальная наука.
Мое увлечение наблюдением носит как эстетический, так и научный характер. Моим самым запоминающимся наблюдением было ночное небо. Другие могут отдать предпочтение обнаружению останков тиранозавра или пению птиц в прекрасный весенний день. Чтобы видеть лучше и глубже, я конструировал телескопы, большие и маленькие. Я предпочитаю свои фотографии в первозданном виде, а не в компьютерной обработке. Я хочу встречаться с космосом лицом к лицу, так, чтобы он омывал мою сетчатку. Моя профессия нейробиолога предоставляет возможность удивительного приключения – приключения наблюдателя, включая уникальную возможность замкнуть круг, изучая неврологический механизм, с помощью которого наблюдатель наблюдает космос.
Гены, клауструм и сознание
В. С. Рамачандран
Нейробиолог, профессор и директор Центра мозга и когнитивных способностей Калифорнийского университета в Сан‑Диего; автор книги The Tell‑Tale Brain («Мозг рассказывает ». М., Карьера Пресс, 2012)
Какова моя любимая элегантная идея? Самая очевидная – открытие структуры ДНК, но тут я явно неоригинален. Я утверждаю, что та же самая стратегия, которая позволила взломать генетический код, может оказаться успешной в открытии «нервного кода» сознания и личности. Это долгий путь, но он того стоит.
Способность улавливать аналогии и видеть разницу между поверхностным сходством и глубокой взаимосвязью – отличительная черта многих больших ученых. Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон не были исключением. Крик сам предостерегал от стремления к элегантности в биологии, говоря, что эволюция происходит случайным образом. «Бог – не профессионал, – утверждал он и добавлял (согласно моему коллеге Дону Хоффману): многие из молодых биологов перерезали себе горло бритвой Оккама». Тем не менее его собственное решение загадки наследственности сопоставимо с естественным отбором в качестве наиболее элегантных биологических открытий. Можно ли придумать такое же элегантное объяснение проблемы сознания?
Общеизвестно, что Крик и Уотсон открыли строение молекулы ДНК в виде двойной спирали: двух комплементарных цепей нуклеотидов. Менее известна последовательность событий, приведших к этому открытию.
Прежде всего, законы Менделя утверждали, что гены дискретны (в первом приближении это остается справедливым до сих пор). Далее, Томас Морган показал, что плодовые мушки, подвергнутые рентгеновскому излучению, мутируют. Это сопровождается точечными изменениями в хромосомах, ясно указывая, где происходят мутации. Хромосомы состоят из белков, гистонов, и ДНК. Еще в 1928 году британский бактериолог Фред Гриффит обнаружил, что безвредные виды бактерий после инкубации с убитыми нагреванием болезнетворными видами становятся опасными. Это было не менее поразительно, чем если бы свинья и овца, вошедшие в хлев, превратились вдруг в двух овец. Позднее Освальд Эвери показал, что причиной трансформации послужила ДНК. В биологии знание структуры часто приводит к пониманию функции – в качестве примера достаточно истории медицины. Вдохновленные Гриффитом и Эвери, Крик и Уотсон поняли, что ответ на проблему наследственности содержится в структуре ДНК. Локализация сыграла главную роль, как может оказаться и в случае функции мозга.
Крик и Уотсон не только описали структуру ДНК, но и объяснили ее смысл. Они разглядели аналогию между комплементарностью молекулярных цепей и комплементарностью родителей и потомства – почему свиньи рождают поросят, а не ягнят. Тогда и возникла современная биология. Существуют похожие взаимосвязи между структурой мозга и функцией мышления, между нейронами и сознанием. (Я утверждаю здесь очевидное только потому, что некоторые философы, называющие себя «новыми мистиками», верят в прямо противоположное.)
После своего триумфа с наследственностью Крик обратился, по его словам, ко «второй великой загадке» биологии – сознанию. Многие отнеслись к этому скептически. Я помню семинар по проблемам сознания, который Крик проводил в Институте Салка здесь, в Ла‑Хойе. Не успел он начать, как какой‑то джентльмен в аудитории поднял руку и сказал: «Позвольте, доктор Крик, вы даже не потрудились дать определение сознанию, прежде чем взяться за дело». Ответ Крика был запоминающимся: «Вынужден вам напомнить, что не было такого в истории биологии, чтобы компания ученых собралась за столом и решила: “Давайте сначала определим, что мы подразумеваем под жизнью”. Мы просто двигались вперед и выясняли, что она собой представляет. Оказалось – двойную спираль. Давайте оставим вопросы семантической гигиены философам».
На мой взгляд, Крик не добился успеха в решении проблем сознания (чтобы это ни значило). Тем не менее он двигался в правильном направлении. Крик был щедро вознагражден ранее в своей карьере за обнаруженную им аналогию между биологическими комплементарностями – структурной логикой молекулы и функциональной логикой наследственности. Учитывая его феноменальный успех в использовании структурно‑функциональной аналогии, неудивительно, что он применил тот же стиль мышления в изучении сознания. Крик и его коллега Кристоф Кох сосредоточились на относительно малопонятной структуре, которая называется клауструмом.
Клауструм – это пластинка серого вещества, тонкий слой клеток, расположенный под островковой корой мозга в каждом полушарии. Она более однородна гистологически, чем большинство структур мозга, и в отличие от них (посылающих и принимающих сигналы от небольшого количества других структур) взаимосвязана практически с каждым участком коры. Структурно‑функциональное взаимодействие гарантирует, что, когда волны информации проходят через клауструм, его нейроны воспринимают входящие сигналы.
Как все это связано с сознанием? Вместо того чтобы сосредоточиться на философских разногласиях, Крик и Кох положились на свою наивную интуицию. Сознание обладает множеством качеств – продолжительностью во времени, «свободой воли», рекурсивностью, самоанализом и т. д. Но одно из этих качеств выделяется среди прочих – это субъективное единство. Вы воспринимаете все разнообразные чувственные ощущения – мысли, осознанные действия и воспоминания – не по отдельности, а как единое целое. Это качество сознания вместе с чувством непосредственного присутствия – «здесь и сейчас» – настолько очевидно, что мы обычно не задумываемся над ним, принимая как само собой разумеющееся.
Соответственно, главное свойство сознания – это его целостность, а мы располагаем структурой мозга, которая посылает и получает сигналы практически от всех остальных мозговых структур, включая правую теменную долю (ответственную за сенсорное восприятие) и переднюю поясную кору (ответственную за «свободную волю»). Таким образом, пластинка серого вещества, видимо, унифицирует все анатомически, а сознание – мысленно. Крик и Кох заподозрили, что это не случайность: клауструм, тонкая пластинка серого вещества, занимает ведущее положение в сознании и в самом деле может воплощать идею картезианского театра, запретную тему среди философов, или, по меньшей мере, играть роль дирижера оркестра. Такого рода «детские» рассуждения часто ведут к открытиям. Очевидно, что подобные аналогии не заменяют строгую науку, но служат хорошей отправной точкой. Идея Крика и Коха может быть правильной или нет, но она элегантна. Если она верна, то они указали путь решения величайшей тайны биологии. Но даже если она ошибочна, студенты, изучающие эту область знания, будут правы, копируя их стиль мышления. Крик слишком часто бывал прав, чтобы его игнорировать.
Я навестил его дома, в Ла‑Хойе в июле 2004 года. Когда я собрался уезжать, он проводил меня до дверей и, прощаясь, лукаво и заговорщически подмигнул: «Я думаю, это клауструм, Рама. Вот где собака зарыта». Через неделю его не стало.
Перекрывающиеся решения
Дэвид М. Иглмен
Нейробиолог (Медицинский колледж Бейлора); автор книги Incognito: The Secret Lives of the Brain («Инкогнито: тайная жизнь мозга »)
Элегантность мозга состоит в его неэлегантности. Столетиями нейробиологи пытались аккуратно приклеить этикетки к различным областям мозга: эта отвечает за речь, а та – за мораль, использование орудий, распознавание цветов, узнавание лиц и т. д. Подобные исследования ставили целью составление правильной карты мозга, но повели по ложному следу.
Глубокая и красивая загадка мозга намного интереснее: он обладает множественными, перекрывающимися способами взаимодействия с миром. Мозг – устройство, состоящее из противоборствующих частей. Это представительная демократия, действующая на основе соревнования между партиями, каждая из которых верит, что знает верное решение проблемы.
В результате мы можем свести себя с ума, спорить сами с собой, проклинать самих себя и общаться с самими собой. Мы способны испытывать противоречивые чувства. Подобные нервные баталии служат причиной супружеской неверности, вредных привычек, отклонений от диеты, нарушений новогодний обещаний – всех ситуаций, когда одна часть личности хочет одного, а другая – другого.
Это вещи, на которые современные машины не способны. Ваш автомобиль не может сомневаться, в какую сторону повернуть: у него один руль, управляемый одним водителем, и он без колебаний следует в одном направлении. Мозги, в свою очередь, могут иметь два мнения, а часто намного больше. Мы не уверены, повернуться ли в сторону кекса или от него, потому что рулем нашего поведения управляет множество пар рук.
Обратимся к памяти. В нормальных условиях воспоминания о событиях дня объединены в участке мозга, называемом гиппокампом. Но в случае опасности – такой как автомобильная авария или ограбление – другая часть мозга, миндалевидное тело, также сохраняет независимые воспоминания. Эти воспоминания обладают специфическими особенностями: их трудно стереть из памяти, и они возвращаются в виде вспышки – сходное описание дают жертвы изнасилования и ветераны войны. Другими словами, существует более одного типа памяти. Мы говорим не о памяти о разных событиях, а о различной памяти об одном и том же событии. В соответствии с открывающейся перспективой, может быть даже более двух задействованных в памяти участков мозга, запоминающих информацию и соревнующихся в изложении событий. Единство памяти – иллюзия.
Представьте, сколько различных систем участвует в принятии решения: одни – быстрые и автоматические, находящиеся за границами осознанного понимания, другие – медленные и сознательные. И нет оснований полагать, что существуют только две системы, – их может быть целый спектр. Какие‑то системы мозга используются для долгосрочных решений, какие‑то – для краткосрочных, а также может быть целая армия промежуточных вариантов.
Внимание, как недавно выяснилось, также представляет собой конечный результат множественных конкурирующих систем. Одни ответственны за внимание, сконцентрированное на какой‑либо конкретной задаче, другие – на общем восприятии (бдительности). Они всегда конкурентно взаимосвязаны, чтобы отслеживать действия организма. Даже основные функции органов чувств, такие как контроль телодвижений, как теперь оказалось, были изобретены эволюцией неоднократно. Это обеспечивает идеальную основу для нервной демократии.
В большем, анатомическом масштабе два полушария мозга, левое и правое, могут рассматриваться как перекрывающиеся конкурирующие системы. Мы знаем это в результате изучения пациентов с нарушением связи между полушариями: практически у них работают два независимых мозга. Например, держа по карандашу в каждой руке, они могут одновременно нарисовать два несовпадающих рисунка, таких как круг и треугольник. Два полушария ведут себя по‑разному в устной речи, абстрактном мышлении, построении рассказа, умозаключениях, памяти, игровых стратегиях и т. д. Они образуют соперничающие команды с одинаковыми задачами, но различными способами их достижения.
На мой взгляд, это элегантное решение загадок мозга должно изменить предназначение нейробиологов. Вместо того чтобы годами отстаивать собственное решение, нужно рассматривать множество перекрывающихся решений: как они конкурируют, как действуют вместе и по отдельности. Существенная составляющая элегантной идеи – ее коммерциализация. Нервно‑демократическая модель может заместить искусственный интеллект. Программисты ищут наилучший способ решения задачи, чтобы в конечном счете избавиться от нее. Но эволюция, решив задачу, не вычеркивает ее из списка. Напротив, она непрестанно заново изобретает алгоритмы, программы, перекрывающиеся и конкурирующие друг с другом. Урок состоит в том, чтобы отказаться от вопроса «Каков самый разумный путь решить эту задачу?» в пользу другого – «Существует ли множество перекрывающихся путей ее решения?». Это станет отправной точкой новой эпохи элегантно неэлегантных вычислительных устройств.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 199; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!