Университет ИТМО. Александр Чирцов.

Физик о физике: мы изучаем мир, которого нет

В Петербурге стартовал научно-образовательный проект «Прогресс-школа», в рамках которого Информационный центр по атомной энергии приглашает петербуржцев на серию лекций, посвященных современному состоянию науки. Первую лекцию в ИЦАЭ о том, как «хакеры»-физики пытаются восстановить «исходный код» Вселенной, и почему нам стоит сомневаться в существовании мира вокруг нас, прочитал Александр Чирцов – руководитель международной лаборатории «Нелокальная плазма в нанотехнологиях и медицине» Университета ИТМО.

Быть или не быть?

Я начну со спорного тезиса о том, что наши мозги устроены ужасно примитивно, и в них невозможно впихнуть даже то, что человечество своими несовершенными мозгами успело понять за время своего существования. Когда я говорю это студентам в начале учебного года, они начинают спорить, правда, на экзамене они уже не пытаются доказать, что у них не примитивные мозги.

Ресурсы достаточно малы, и возникает проблема классификации знаний, накопленных человечеством. Мы привыкли делить все знания на естественнонаучные и гуманитарные. То есть на то, что мы знаем о вещах, существующих независимо от человеческого сознания, и что выдумал отдельный индивид или человечество в целом. Но эта классификация ущербна, получается, что физика лазеров – гуманитарная наука, ведь лазеры тоже придуманы человеком. Я бы ввел в эту классификацию технику, и еще есть область знаний, которую физики любят называть «противоестественной». Официальное ее название – «лженаука».

Фото: soocurious.com
Фото: soocurious.com

Не думайте, что в естественнонаучных дисциплинах нет лженауки. Например, я когда-то видел в продаже книгу «Лазер выходит в поле». Автор писал, что если посевы пшеницы облучать лазером – причем не каким-то специальным, а гелий-неоновым, который можно купить в магазине – то урожайность вырастает чуть ли не в два раза. Я сперва решил, что автор, видимо, не врет, но, как мне кажется, я понял, как получился такой результат. Представьте: глухая деревня, в ней два поля, на одно из них приезжают какие-то странные люди с какими-то приборами и облучают пшеницу. С какого поля вы бы стали воровать на месте местных жителей, где пшеницы останется больше?

Деление знаний на субъективные и объективные неоднозначно. Самое сложное в этой схеме – определиться, существует ли вообще объективный мир за пределами нашего сознания.

Необъективная реальность и неправильные фотоны

Как у вас возникает мой образ? Есть объект (я), есть Солнце, от которого на меня падает свет. В XIX веке вы сказали бы, что свет – это электромагнитная волна, в середине XX – поток фотонов; остановимся на этом определении, хотя на самом деле никаких фотонов нет, это тоже выдумка. Фотоны попадают на объект, взаимодействуют с его атомами и переизлучаются. Закон сохранения энергии никто не отменял, поэтому рассеянные фотоны будут немного другой энергии. То есть получается, что от меня рассеивается уже «неправильный» свет. Дальше он попадает в глаз, и там начинают происходить еще более жуткие вещи.

Фото: ateko.ru
Фото: ateko.ru

Частот, или энергий, или цветов, в свете бесконечно много. Изначально к нам в глаз поступает бесконечномерная картинка, у каждого цвета – своя интенсивность.  А типов колбочек, которые распознают цвета, у нас всего три: одни более чувствительны к фиолетово-синему спектру, вторые – к зелено-желтому, третьи – к желто-красному. Если в глаз поступает красный свет, он дает сигнал «красным» колбочкам, и так далее. Но если свет оранжевый, он будет давать слабый сигнал «красным» и слабый сигнал «зеленым» колбочкам. Но подождите, получается, если мы будем подавать не оранжевый свет, а смесь красного с зеленым, глаз все равно будет считать, что свет оранжевый. Конечно, можно пропустить эту смесь через призму, и тогда она разделится, но мы своими глазами сделать это не можем. Мы видим очень убогие картинки – трехмерное цветовое пространство вместо бесконечномерного.

Мы говорим на разных языках

Мы получаем на сетчатке три двумерных плоских распределения – красного, зеленого и синего цветовых сигналов. Дальше происходит что-то вроде аналогового преобразования Фурье, и в мозг транслируются амплитуды этих двумерных гармоник, сперва медленные, потом более быстрые. У нас никудышная нервная система, мы жутко медлительные, мы даже не видим мерцание при смене кадров в кино. В мозгу у нас есть некая «папка» образов, которые мы усвоили еще в детстве. Допустим, мы идем в лес собирать грибы, видим объект, получаем немного гармоник низкой частоты, сверяемся с папкой, и перед нашим сознанием возникает образ гриба. Но потом поступают гармоники более высокой частоты, мозг открывает следующую папку, потом следующую, и только где-то через секунду понимает, что перед нами никакой не гриб, а упавший осиновый лист.

Фото: shutterstock.com
Фото: shutterstock.com

Я еще не сказал о том, что все это передается через аксоны, а там нет никаких фотонов, зато есть сложнейшие электрохимические реакции. Они уже не имеют ни малейшего отношения к тем фотонам, которые прилетели с Солнца. Все заканчивается тем, что образ объекта существует только у вас в сознании. И кто сказал, что он адекватен тому, от чего отлетели фотоны? Я даже не уверен в том, что каждый из присутствующих видит меня одинаково. Не уверен, что красный свет вызывает у меня те же физиологические ощущения, что и у других людей; может быть, вы ощущаете красный, как я – зеленый. Просто мы привыкли и договорились называть это ощущение «красный цвет», но залезть в чью-то голову и посмотреть, как вы видите его на самом деле, я не могу.

Игра, которая играет в людей

Возникает вопрос, нельзя ли обмануть мозг и подменить способ возникновения образов. Конечно, можно – мы достаточно хорошо научились создавать поток фотонов, который должен был отразиться от объекта, без наличия оригинала. Это называется голографией (репортаж с открытия выставки Magic Of Light, на которой представлены оптические клоны яиц Фаберже, читайте здесь – прим. ред.) Уже сейчас мы имеем механические протезы, которые управляются сигналами нервной системы, а скоро все изменится по-страшному – если захочется поехать на море, будет достаточно сесть в ванну. Да и ванна рано или поздно будет не нужна.

Фото: 24gadget.ru
Фото: 24gadget.ru

Переведу то, о чем говорят философы, на более современный лад. Есть шикарная мультимедийная игра, в которой есть потрясающая графика, стереозвук, эмуляция обонятельных, осязательных, вестибулярных ощущений. Еще есть куча недостатков – не очень удобный интерфейс, нет стоп-кадра, нет возможности переиграть уровень. Эта игра – наша жизнь.

Я точно уверен, что в этой игре есть как минимум один игрок – я. Есть еще масса других объектов-ботов. И я не знаю, окружают меня боты или другие игроки, так же, как и вы не знаете – бот я или аватар игрока. А еще в игре есть боты (или аватары), которые пытаются угадать код игры, в которой мы находимся. Эти «хакеры» – физики-естественнонаучники.

Но смотрите, что получается. Вам дают программу – хотя бы Microsoft Word, запирают в помещении и не выпускают до тех пор, пока вы не напишете свою программу, работающую в точности как Word. Рано или поздно вам придется это сделать, но я не думаю, что исходные коды программ будут совпадать. Поэтому не надо считать, что окружающий нас суперкомпьютер работает по тем же кускам программы, которые пишут наши хакеры – вроде закона всемирного тяготения Ньютона. Это не более чем наша интерпретация того, что мы видим.

Здесь я должен сказать еще об одном: если я уроню предмет, он упадет вниз. Обычно мы говорим, что это происходит так, потому что есть закон всемирного тяготения. Но это неправильная точка зрения: не предмет падает вниз, потому что есть закон, написанный Ньютоном; это Ньютон написал закон всемирного тяготения потому, что тела падают вниз. И если завтра я отпущу предмет и он полетит вверх, что мы отменим: предмет – или закон всемирного тяготения? Природе наплевать на то, что мы придумываем, и не надо думать, что она подчиняется нашим законам; мы можем только писать уравнения, которые чуть-чуть отражают реальное положение вещей.

Так кто же царица наук?

У материального мира есть структура, он подобен матрешке, в котором простые структуры вложены в более сложные. Самый крупный объект, который мы знаем – Большой космос. Он состоит из ячеистой структуры, каждая стенка которой образована миллиардами галактик. Галактики состоят из звезд с планетарными системами. Следующее звено обычно пропускают, и от макромира переходят сразу на микромир. Но Земля состоит из гор, болот и так далее, на макроуровне тела делятся на два класса – живые и неживые. Дальше идут молекулы, если воздействовать на молекулу, то она распадется на атомы, которые состоят из элементарных частиц, – но никому не удавалось воздействовать на элементарные частицы так, чтобы они распались на отдельные кварки. Мы не знаем, есть ли границы у этой цепочки – как в одну, так и в другую сторону.

Фото: shutterstock.com
Фото: shutterstock.com

Все это примерно соответствует структуре естественных наук. Большой космос изучают космологи, большой диапазон, от галактик и до планет, изучают астрономы. Дальше идет экология. Не наука о том, как мы загрязняем планету, а экология в широком смысле – иногда это направление называют синергетикой, но правильнее будет называть его теорией сложных систем. Биологи и геологи изучают объекты следующего уровня, в зависимости от того, к живой природе они относятся или к неживой. Молекулы изучают химики, а в самом фундаменте всей этой иерархии «сидят» физики.

 

Подготовил Александр Пушкаш,
Редакция новостного портала Университета ИТМО

Архив по годам:
Пресс-служба