Так было сделано великое открытие. Ньютон предложил ряд понятных и неизменных математических выражений, которые описывали, без преувеличения, механику всех физических объектов во вселенной, – от мячей для игры в бочче до планет. Это универсальные и непреложные законы. Они не зависят ни от самого Ньютона, который их изучал, ни от Кеплера, ни от кого другого. Есть наблюдатели или нет, вселенная и все системы в ней послушно следуют этим законам, управляющим пространством, временем, материей и энергией. Если дерево падает в лесу, где никто этого не видит, звуковые волны все равно распространяются. Услышит кто-нибудь шум или нет – это другой вопрос, и, как мы скоро поймем, это принципиальное отличие прекрасно иллюстрирует суть нашей проблемы происхождения жизни.
Ньютон взбудоражил не только научную мысль. Считалось, что раз его законы универсальны, то теоретически они позволяют при известных начальных условиях предсказать любое событие в материальной вселенной. Следовательно, все предопределено, в том числе и ваши действия, поскольку вы тоже физический объект вселенной. Подставьте в уравнение нужные исходные параметры, и вы узнаете, что произойдет в будущем – даже то, чем вы займетесь вечерком после работы в следующий четверг. Но при таком подходе ускользает от внимания один важный момент. Как мы увидим в скором времени, исходные параметры в формулу подставляет экспериментатор по своему усмотрению, и его субъективный выбор – это что-то вроде волка в овечьей шкуре. Тут все не так уж просто.
Получается, что законы Ньютона идут вразрез со свободной волей и, таким образом, снимают с человека ответственность за его действия. Поначалу детерминизм овладел умами физиков, но довольно быстро под его влияние попали и многие другие. Тем не менее, хотя к ньютоновской точке зрения на мир еще надо было привыкнуть, открытые Ньютоном законы хорошо описывали большинство наблюдаемых в природе событий и в течение следующих двух столетий считались незыблемыми. Однако вскоре ньютоновская физика подверглась серьезному испытанию – ей пришлось иметь дело с новым изобретением, а именно с паровой машиной. В 1698 году военный инженер Томас Севери запатентовал первый промышленный механизм, предназначенный для откачки воды из затопленных угольных шахт. Со временем конструкцию паровых машин усовершенствовали, но у них остался весьма досадный недостаток – их производительность была ничтожно мала по сравнению с количеством сжигаемой в качестве топлива древесины.
Первые паровые машины рассеивали и забирали чересчур много энергии, поэтому работали крайне неэффективно. В полностью детерминированном мире, концепцию которого представил Ньютон, это казалось бессмысленным, и в итоге физики-теоретики столкнулись с загадкой явно потерянной энергии. Так родилась новая область науки – термодинамика, а вместе с ней изменились и представления о природе. Это касалось связи тепла и температуры с энергией и работой. Когда об этом задумались всерьез, физика изменилась навсегда, а детерминистский ньютоновский мир стал выглядеть несколько иначе.
Рождение квантовой механики и статистическая точка зрения на причинно-следственные связи
Прошло немного времени, и проблема паровой машины привела к формулировке двух законов термодинамики. Первый из них гласит, что внутренняя энергия изолированной системы всегда постоянна. По сути, это вариант закона сохранения энергии, согласно которому энергию нельзя создать и ликвидировать, но одна ее форма может перейти в другую. Это утверждение полностью соответствует ньютоновскому детерминизму, но применимо в ограниченных условиях, так как справедливо только для закрытых и изолированных систем.
Со вторым законом термодинамики все гораздо интереснее и не так однозначно; в нем участвует новое понятие – энтропия. Второй закон говорит о том, что, скажем, тепло не может самопроизвольно перетекать оттуда, где холодно, туда, где теплее. Помню, как однажды я лично столкнулся с этой проблемой. Был морозный зимний день в Дартмуте, и я ждал у себя в кабинете одного физика, чтобы с ним побеседовать. Он шел ко мне через весь кампус Грин, по открытому всем ветрам пространству, и даже куртка его промерзла. Поздоровавшись, я весело заметил, что от одежды гостя, вошедшего с улицы, всегда веет холодом и мне самому становится холодно. Он посмотрел на меня и сказал: «Давайте-ка разберемся с физикой. Холод вам не передается. Это тепло вашего тела передается мне. Вы начинаете мерзнуть, потому что из вашего тела уходит тепло». Напомнив, что второй закон термодинамики может оказаться весьма кстати даже для объяснения явлений повседневной жизни, коллега добавил, что нам, пожалуй, следует взять на работу еще одного физика-теоретика.
Термин «энтропия» ввел немецкий физик XIX века Рудольф Клаузиус для описания «потерянного тепла». Это мера тепловой энергии, которая не может быть потрачена на полезную работу. Холодная куртка того физика увеличила мою энтропию, а вместе с тем уменьшилось и количество энергии, которая поддерживает тепло моего тела[11]. Второй закон – это область, где пропадает ясность. Если коротко, то теплообмен с участием курток и паровых машин необратим. Поборников ньютоновской теории и детерминизма в физике это известие шокировало. Время вдруг перестало быть обратимым – стрела времени летела только в одну сторону. Таким образом, термодинамика вошла в противоречие с универсальными законами Ньютона, которые гласили, что все в принципе обратимо. И вот эта подрывающая все устои мысль мало-помалу просочилась в другие концепции – даже, как мы увидим, в концепцию многослойной архитектуры и стратегию подхода к проблеме разрыва между психикой и мозгом.
Как ни странно, к середине XIX века химики уже приняли и взяли на вооружение атомную теорию, согласно которой все вещества состоят из атомов, а физики по-прежнему спорили о ней. Среди прочих ломал над этим голову и австрийский физик Людвиг Больцман. Его главной заслугой считается создание кинетической теории, где газ определяется как совокупность множества атомов или молекул, которые находятся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения – постоянно перемещаются, сталкиваясь друг с другом и стенками сосуда. Больцман преобразовал идеи Гассенди XVII века в точную науку – сейчас этот раздел называется статистической механикой. С учетом типов и положения молекул кинетическая теория объясняла наблюдаемые макроскопические свойства газов – давление, температуру, объем, вязкость и теплопроводность.
Одним словом, Больцман сделал открытие огромной важности, что позволило впоследствии определить неупорядоченность системы (энтропию) как совокупный результат движения молекул. Он утверждал, что при таком неконтролируемом хаотическом движении атомов второй закон имеет смысл не в прямолинейном детерминистском толковании, в только в статистическом. Иначе говоря, перемещения той или иной частицы предвидеть невозможно. От сближения с той курткой моя система в целом стала менее упорядоченной. Как говорил Майкл Корлеоне, «ничего личного, только бизнес».
Больцман спровоцировал бурные дискуссии в сообществе физиков, по-прежнему полагавших, что во вселенной все предопределено и подчинено законам Ньютона. Они были твердо убеждены в нестатистической природе вселенной, где отлично работают простые прогнозы. В итоге теория Больцмана не раз подвергалась жесткой критике. К большому сожалению, это ввергло его в состояние фрустрации и в депрессию, и в 1906 году, поехав с семьей отдохнуть в окрестностях Триеста, он свел счеты с жизнью – незадолго до того, как его теория получила полное и безоговорочное признание.
