Информация или интуиция? - Алексей Шилейко

О ВНУТРЕННЕМ СОВЕРШЕНСТВЕ

Чтобы некоторую физическую теорию можно было признать верной, она должна обладать внутренним совершенством и внешним оправданием, писал Эйнштейн. Что же такое внутреннее совершенство? Конечно, под этим нельзя понимать всего лишь простоту — физика выглядела бы тогда уж слишком примитивной. В связи с затронутым нами вопросом представляет интерес высказывание Ричарда Фейнмана. Наука начинается со сбора фактов, считает Р. Фейнман. Затем эти факты обобщаются и устанавливаются математические закономерности. Однако истинного величия наука достигает тогда, когда предлагается способ рассуждений, из которого все известные факты следуют естественным образом.Способ рассуждений… Но ведь способ рассуждений не может быть абстрактным, во всяком случае применительно к точным наукам. Если наука описывает природу, то предложить способ рассуждений — это то же самое, что и предложить описание некоторого механизма, вызывающего к действию те или иные явления природы. Значит, перефразируя Р. Фейнмана, можно сказать: истинного величия наука достигает тогда, когда ей удается вскрыть наиболее общие механизмы природы.Имея в виду только что сделанное утверждение, обратимся к физике. Всем известно, что современная релятивистская квантовая физика достигла величайших за всю историю науки успехов, дала человечеству совершенно новое понимание мира. Эти дифирамбы можно продолжать сколь угодно долго. Кроме понимания мира, современная физика подарила человечеству множество практически полезных вещей, таких, как атомная энергия, электроника, наконец, кибернетика, замахивающаяся на создание искусственного интеллекта.Но при всем при том нельзя не заметить, что как раз для современной физики характерно наличие очень большого количества утверждений, которые ни из чего не вытекают и никак не доказываются. Скорость распространения взаимодействий в природе ограничена и ни при каких условиях не может превышать величины скорости распространения света в вакууме, то есть примерно 300 000 километров в секунду. Это одно из наиболее фундаментальных утверждений, на котором базируется вся современная релятивистская физика. Но возникает вопрос: почему? Почему именно 300 000? Не станем же мы утверждать, что существуют магические числа, числа-божества, управляющие миром, и 300 000 — одно из таких чисел. Заметим к тому же, что ведь 300 000 получилось совершенно произвольно, только потому, что за единицу длины мы приняли километр. Выбери мы в качестве единицы длины милю или, скажем, фут, получилось бы совсем другое число. Почему же какое-то число, которое к тому же не имеет определенного значения, играет роль фундаментальной мировой константы?Дело даже не в самом числе. Почему именно такая физическая величина, как скорость, приобретает столь исключительное значение? Ведь согласно тому же принципу относительности равномерное прямолинейное движение неотличимо от состояния покоя. А это значит, что далеко не всегда вообще можно судить, движется тело или не движется. Возьмем знаменитый парадокс близнецов. Были два брата-близнеца. Один из них отправился в далекий космический полет, другой остался на Земле. Вернувшись из путешествия молодым человеком, космонавт застал своего брата глубоким стариком. Сейчас это знает каждый школьник, и подобные факты никого не удивляют. Более того, неодинаковое течение времени в различных инерциальных системах отсчета давно доказано многими экспериментами.Порассуждаем, однако, еще немного. Вот Земля, а вот космический корабль. Если корабль летит прямолинейно и равномерно (он уже успел разогнаться до скорости, близкой к скорости света), то у космонавтов есть все основания утверждать, что они вместе с кораблем неподвижны, а Земля со всем ее населением отдаляется от них (приближается, если речь идет об обратном пути) со скоростью, близкой к скорости света. Но если так, то течение времени должно замедлиться именно на Земле и космонавты, вернувшись из путешествия, длившегося по корабельным бортовым часам, скажем, двадцать лет, застанут своих родственников и знакомых постаревшими всего на каких-нибудь несколько секунд. Так где же должно происходить замедление времени? На корабле или на Земле?Конечно, на корабле, потому что, разгоняясь или тормозя, космический корабль испытывает ускорение. В отличие от скорости ускорение — величина абсолютная. Она может быть измерена прибором, расположенным внутри корабля и никак не связанным с какими-либо внешними объектами. Именно ускорение воздействует на часы, замедляя или ускоряя их ход. Но роль физической константы играет почему-то не ускорение, а скорость.Все те же соображения можно высказать применительно к какой-нибудь другой физической константе, например постоянной Планка. И опять-таки сильнее всего раздражает не то, что имеется какое-то число, которое в отличие от многих других чисел определяет протекание весьма большого количества процессов в окружающей нас природе. Непонятно другое. Почему это число (постоянная Планка) имеет физическую размерность момента количества движения? В чем исключительность именно такой физической величины? Современная физика не только не может ответить на эти вопросы, она не подготовлена даже к тому, чтобы корректно их поставить.Вот и приходится школьникам, а затем студентам зазубривать утверждения вроде следующего: мир устроен так, что любая физическая система может излучать или поглощать энергию лишь целыми порциями — квантами, причем для каждого такого кванта величина энергии не может быть меньше произведения их частоты на постоянную Планка.— Но почему? — вопит обиженный ученик.— Так уж устроен мир! — Это единственный ответ, который может дать современный физик, будь он хоть трижды академик. Надеемся, читатель согласится с нами, что вряд ли утверждение, основанное на «так уж устроен мир», можно считать обладающим внутренним совершенством.

ИГРАЕМ В БИЛЬЯРД

ИГРАЕМ В БИЛЬЯРДПредыдущую главу мы закончили достаточно сильным утверждением о том, что качество энергии определяется ее информативностью, то есть количеством информации, затраченным в процессе преобразования энергии из одной формы в другую. В этой главе мы постараемся показать, что так оно и есть на самом деле. Это, в свою очередь, позволит нам утверждать, что информация суть физическая величина, такая же, как, например, масса или сила электрического тока.Изучение природы всегда связано с построением различных моделей. В данном случае наиболее удобной моделью, которая позволит нам понять связь между информацией и другими физическими величинами, а также прояснит вопрос о качестве энергии, будет бильярдный стол. Надеемся, что все наши читатели достаточно хорошо представляют себе, как выглядит бильярдный стол с шестнадцатью шарами. Поэтому мы не станем его здесь описывать, а условимся лишь о тех допущениях, которые необходимо сделать, чтобы он мог служить нам в качестве модели. Собственно говоря, нам понадобится одно-единственное допущение. Будем считать, что шары движутся по поверхности стола без трения, в том числе и о воздух. Будем считать также, что шары и борта стола идеально упругие. При таких условиях сумма кинетических энергий шаров в любые моменты времени будет одной и той же и начавшееся на столе движение никогда не прекратится. На некоторое время откажемся также от луз, а затем вернем их на свое место.А теперь — внимание! Составили шары в пирамидку, прицелились, ударили и смотрим, что будет происходить дальше. Для начала присмотримся к одному какому-нибудь шару. Вот он отскочил от пирамидки, ударился о борт, отскочил от борта, ударился о противоположный борт, снова отскочил, ударился о встречный шар, изменил направление своего движения, снова ударился о борт и так далее. Предположим, что мы наблюдаем за поведением шара после удара достаточно долго, скажем, полчаса. И зададим себе главный вопрос: можно ли каким-то образом связать исходное положение шара в пирамидке с тем положением, которое он занимает на столе в некоторый данный момент времени (у нас — через полчаса)?Конечно, если все время следить за движением шара или фиксировать это движение с помощью кинокамеры, можно восстановить всю его траекторию, и это даст возможность утверждать, что положение шара в данный момент времени в данном месте стола известным образом зависит от его положения в пирамидке в начальный момент. Однако согласитесь с тем, что достаточно нам хотя бы на несколько минут потерять бильярдный стол из виду, и мы не сможем ничего сказать о расположении шаров. Нет и не может быть никакой теории, которая позволила бы с заданной точностью (пусть даже совсем невысокой) предсказать положение шара через определенное время после удара, если даже нам известны направление и скорость битка или кия, наносящего первый удар.Объясняется это тем, что хотя, казалось бы, движения шаров, как катящихся по поверхности стола, так и отскакивающих от бортов и друг от друга, подчиняются простейшим законам механики, на самом деле точные значения углов, под которыми шары отскакивают от бортов и друг от друга, зависят от микроскопической структуры материала бортов и материала самих шаров, поверхность которых гладкая только на первый взгляд. Поверхность стола также имеет свою микроструктуру. Благодаря всему этому катящиеся шары на самом деле следуют достаточно сложным траекториям.Сложность траекторий шаров приводит к тому, что по прошествии достаточно большого количества времени после исходного удара у нас не будет никаких оснований для выделения какой-либо, даже достаточно большой области поверхности стола, в которой преимущественно должен оказаться данный шар. С совершенно одинаковыми основаниями мы можем указать любую область поверхности стола как возможное местоположение наблюдаемого шара.Здесь необходимо сделать очень важную оговорку. Мы значительно облегчили бы себе труд, если бы сразу сказали, что величина угла, под которым шары отскакивают от бортов или друг от друга, всегда содержит случайную составляющую и в результате этого по истечении достаточно большого времени после начального удара каждый шар с равной вероятностью может наблюдаться в любой области поверхности стола. Более того, у читателя, живущего в 80-х годах XX столетия, не возникло бы никаких сомнений в том, что он понимает, о чем идет речь.Однако мы потому выбрали в качестве модели бильярдный стол, чтобы рассмотреть основные закономерности поведения шаров без привлечения понятий случайной величины и вероятности. Независимо от того, имеет ли наш читатель опыт игры на бильярде или нет, он достаточно хорошо может себе представить, как ведут или как должны вести себя шары. Именно из наблюдения за их поведением он сделает вывод, что если наблюдать за некоторым шаром в течение достаточно долгого времени, то можно будет убедиться в том, что в конце концов на поверхности бильярдного стола не останется ни одной, даже самой маленькой области, где бы шар не побывал хоть однажды. А это эквивалентно утверждению о том, что у нас нет никаких оснований выделить какую-либо область стола и считать ее преимущественным местом нахождения данного шара.Суммируя сказанное, будем утверждать, что по прошествии достаточно большого времени (что значит «достаточно большого», предоставляем судить читателю) после исходного удара мы не знаем и принципиально не можем знать, где находится каждый шар. Чтобы у читателя не создалось впечатления, что мы уж очень далеко уклонились от главной темы, скажем иначе: у нас нет информации о положении шара. Заметим, однако, что сам шар прекрасно «знает», где он находится. Если вам почему-либо не нравится, что мы наделяем шар свойством «знать», можно сказать и иначе. Если поместить наблюдателя внутрь бильярдного шара и снабдить его соответствующими измерительными приборами, то в любой момент времени он будет точно знать, где находится, более того — он сможет связать свое местоположение со всеми предыдущими. Отсюда вывод: можно измерить угол, под которым отскакивает шар, но нельзя его предсказать. Нельзя предсказать, поскольку отсутствуют законы, в точности управляющие движением шаров.