Независимый бостонский альманах

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА И КРИЗИС ОБЩЕСТВА

14-07-2013

Святослав Петрович Габуда - доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Института неорганической химии Сибирского Отделения РАН. Лауреат Гос. премии РФ ("За развитие квантовомеханических и радиоспектроскопических методов в химии твердого тела")

 

 

1. Введение

Что делает
науку привлекательной? «Учись, мой сын, наука сокращает нам опыты быстротекущей жизни…» – таков аргумент Царя Бориса в поэме А.С. Пушкина. И действительно, именно наука позволяет выявлять причины явлений и на их основе предсказывать следствия и строить планы, что может иметь решающее значение для практической деятельности.

Способы, с помощью которых науке удается выявлять «причины», базируются на использовании и анализе специфических видов информации, характеризующих явления. К числу важнейших относится количественная характеризация информации, идея которой, вероятно, восходит к утверждению Пифагора: «Все есть число». Можно отметить исключительную плодотворность этой идеи, позволившей Архимеду найти решение относительно подлинности золотых корон, основанное на числовом определении плотности (равном отношению веса вещества к его объему). По большому счету, тот же самый подход позволил Д.И. Менделееву открыть важнейший Периодический закон и Систему химических элементов Вселенной.

Идеи «рационализма», то есть подходов, постулирующих универсальность причинно– следственных связей, послужили основой как для создания новых суперценностей нашего материального мира и возникновения современной высокотехнологичной цивилизации, так и правовой и экономической систем «развитых стран».

Но ведь есть же еще и «развивающиеся» страны, где зачастую не принято обращать внимание на логику связей между причинами и следствиями. Здесь в практической деятельности важнейшую роль отводят интуиции, чувствам и предчувствиям, инстинктам, откровениям одержимых и гадалок, вере и т. п. Подобный подход – это иррационализм, который за видимыми причинами ищет их «истинную подоплеку», второе дно, например, вмешательство «высших сил».

В современных «развитых странах» иррациональные представления и поступки трансформируются в совокупность философских концепций и учений, ограничивающих или просто отрицающих решающую роль науки и информации в мире. Это – так называемый «философский иррационализм», оправдываемый, между прочим, тем, что такие сложнейшие явления, как жизнь, психика, общественные и исторические процессы – пока не могут быть выведены из каких-то объективных причин, и, следовательно, неподвластны простым («вульгарным») научным законам и закономерностям.

Вместе с тем, совершенно неожиданным откровением для «философского иррационализма» оказалось обнаружение в наиболее элементарных физических процессах строго документированных явлений, характеризуемых как «индетерминированные», для которых связи между причинами и следствиями также не могут быть установлены «в принципе». На первых этапах данный факт тревожил только узкий круг профессионалов – по преимуществу Нобелевских лауреатов – и оставался «внутренним делом» фундаментальной науки. Но – сюрприз – уже в самом начале 21 века «фундаментальный индетерминизм» стал непреодолимой преградой на пути развития новейших компьютерных технологий, и тем самым затрагивает все общество.

Проблемой является тот факт, что экономические и правовые рычаги управления технологическими секторами экономики в развитых странах находятся в руках специалистов с «гуманитарным» уклоном образования. Данный аспект структуры современного высокотехнологичного общества впервые описал Чарльз Перси Сноу в нашумевшей книге «Две культуры» [1]. По мнению этого автора, «технократы», несмотря на все их достижения, в современном обществе практически не могут влиять на решения «гуманитариев», поскольку те и другие говорят на «разных языках». Новые вызовы, как проблема «индетерминизма», они воспринимают как абсурдную уловку, угрожающую их собственным сверхдоходам и финансовому благополучию.

В итоге, именно «гуманитарный» аспект данной проблемы привлекал самое пристальное внимание. Его рассмотрение может быть полезным для прояснения существа возникших фундаментальных технологических, философских и экономических затруднений.

2. Информация как продукт и предмет науки

Одним из наиболее острых стимулов дискуссий 60-70 гг. прошлого века были актуальные в то время проблемы под условным наименованием «Кибернетика», уровень которых задавали как прославленные книги Н. Винера [2,3], так и отечественные публикации на эту тему [4,5]. Согласно Винеру [2], кибернетика – это наука о законах управления и об оптимальном использовании информации в сложных динамических системах управления. При этом термин «кибернетика» связывался с др. греч. кибернетеке, что по Платону означало управление кораблем, колесницей, или людьми. Физик Ампер (19 в.) продолжил этот ряд и назвал кибернетикой науку о «государственном управлении» [2].

Конечно, интерес подогревали споры о несправедливости тогдашнего пропагандистского слогана «кибернетика – буржуазная лженаука». Но молодые интеллектуалы также не могли согласиться с почти очевидной абсурдностью уравнивания «управления» колесницей и с управлением людьми. Первое еще можно отнести к науке, поскольку существовали школы колесничих (ныне – школы автовождения), а сам процесс «управления» колесницей или авто поддается алгоритмизации (например, в форме «Правил уличного движения»). Управление же людьми трудно относить к науке, это скорее относится к понятию «искусства». Губернатор, например, должен обладать артистизмом, плюс некоей «харизмой», не поддающейся научному определению. А ведь «харизма» объективно существует, иначе народ не ходил бы на субботники…

Еще больше споров вызывало определение информации как «обозначения содержания, полученного нами из внешнего мира в процессе приспосабливания к нему нас и наших чувств», и «информация — это не материя и не энергия, информация — это информация» (!) [2]. Возможно, что в отношении растительного существа (например, дерева) такое определение и имеет смысл. Действительно, дерево приспосабливается к смене времен года: когда наступает весна – зеленеет и цветет, а когда наступает осень – сбрасывает листья. Но уже на уровне амебы информация из окружающей среды подвергается анализу, на основании которого это одноклеточное не приспосабливается, а принимает решение о съедобности или несъедобности встретившегося представителя внешнего мира.

Таким образом, получается, что информация информации рознь. В одном случае «приспосабливание» строго детерминировано, и информация – это просто сигнал для переключателя. В другом – информация подвергается какому-то анализу, изучается, а результаты анализа используются для принятия решения, в том числе на основе понятия о некоей «свободе выбора». Но более практичными оказываются решения на основе анализа информации, полученной в соответствии с требованиями к надежности и точности научно-технических данных, квалификации и компетенции самих аналитиков – что и есть основа успешности управления современными технологическими процессами и бизнесом.

3. Машиностроение – продукт «чистой науки»

В качестве яркого примера можно привести машиностроение как фундамент промышленности и экономики «развитых» стран. Этот вид деятельности возник вовсе не как результат приспособления чьих-либо чувств к условиям внешнего мира, но как результат чисто научной (даже кабинетной) деятельности одного-единственного человека – Исаака Ньютона, величайшего ученого, автора книги «Математические начала натуральной философии» [6], вышедшей еще в 1687 г. В этой книге впервые было дано логически строгое доказательство справедливости гелиоцентрической модели нашей Солнечной системы. Но более важным было то, что разработанные Ньютоном методы анализа давали алгоритм для построения любых механических устройств, от мостов и небоскребов до машин и механизмов, избавивших современного человека от ручного труда.

Но когда спросили – как удалось этому автору выполнить титаническую научную работу – тот ответил, что «весь секрет в том, что я стоял на плечах гигантов». Имена этих гигантов – Тихо Браге и Иоганн Кеплер – не столь звучны, как имена их современников – например, Галилея и Коперника. Однако, вклад в науку этих гигантов оказался наиболее значительным на тот момент времени. И этот вклад оказался связанным с двумя почти случайными обстоятельствами: (а) точностью измерений Тихо Браге, то есть с точностью полученной им информации; (б) высоким качеством математической обработки результатов измерений, выполненной И. Кеплером.

Ради интереса можно пояснить, о какой точности здесь идет речь. Т. Браге разработал специальные инструменты, позволявшие точно измерять положение звезд и планет на небесной сфере. Эта точность составляла около одной угловой минуты, или примерно 1/30 видимого диаметра солнечного диска, что в 10-20 раз превышало точность приборов предыдущих поколений. Этой точности оказалось достаточно для того, чтобы поколебать не только античную (птолемеевскую) модель движения планет, но и заметить недостатки новейшей на тот момент Коперниковской модели. Более того, после более внимательного изучения данных наблюдений Т. Браге (историки упоминают 78 рукописных томов) математик И. Кеплер выяснил, что траектории движения планет представляют собой вовсе не круги, а эллипсы , один из фокусов которых всегда центрирован на Солнце . Дальнейший анализ показал, что движение планет по эллиптической орбите неравномерно – при удалении планеты от Солнца (в афелии) ее скорость замедляется, а в перигелии – ускоряется. И еще: квадраты периодов обращения планет вокруг солнца относятся как кубы их средних расстояний от солнца [7]. Это были абсолютно новые и очень точные (благодаря измерениям Т. Браге) результаты, известные как «Законы Кеплера».

Природа этих законов осталась бы в числе множества астрономических загадок, если бы с ними не познакомился другой математик – И. Ньютон. В рамках созданного им нового языка математического анализа Ньютон показал, что данные Тихо Браге и все три закона Кеплера являются следствием одного единственного Закона Всемирного тяготения, выведенного в упомянутой выше книге [6]. Заодно там были сформулированы три общеизвестные «твердые» закона механики, позволяющие с определенной точностью «рассчитывать будущее» – траекторию движения материальных тел типа теннисного мяча, космических тел и аппаратов, а также динамику высотных сооружений, мостов, механических устройств.

Из рассмотренного примера можно сделать вывод, что изобретенный Ньютоном новый язык – это нечто большее, чем информация, содержавшаяся в таблицах наблюдений Тихо Браге, и нечто большее, чем информация, полученная в результате их анализа Иоганном Кеплером. Ведь тяготение в явном виде не присутствовало ни в данных измерений, ни в данных их обработки. Отсюда можно предположить, что уровень сложности языка теории Ньютона выше, чем уровень сложности исходной научной информации в том смысле, как это трактует известная теория о «неполноте» логических систем, основанных на законах арифметики [8].

4. Всеобщая электрификация и телекоммуникация – тоже продукты «чистой науки»

Как ни парадоксально, А. Эйнштейн, величайший физик ХХ века, полагал наиболее значимым представление И. Ньютона о физических величинах как о «функциях». В книге «Эволюция физики», опубликованной в 1940 г. (в соавторстве с Л. Инфельдом [9]) он в первую очередь детально проанализировал именно данный аспект. Столь же важное значение в книге придается другой парадигме – представлению Дж.К. Максвелла о физических величинах как о «полях» введенному уже в 19 веке, а также об идее самого А. Эйнштейна – о «тензорных полях», приводящей к удивительным выводам об «относительности времени» и даже о возникновении Вселенной «из ничего»...

Детальная информация о взаимодействии электрических токов и магнитных полей была получена в результате исследований целого ряда ученых, и прежде всего - Майкла Фарадея, впервые установившего законы электромагнитной индукции. Современники отмечали трудолюбие Фарадея, методичность, тщательность исполнения экспериментов. Как и Тихо Браге, Фарадей вёл аккуратные лабораторные дневники своих измерений, последний эксперимент по электромагнетизму номером 16041, а всего Фарадей провёл за свою жизнь около 30000 экспериментов. В частности, Фарадей установил, что, при движении проводника между полюсами магнита, возникает разность электрического напряжения между концами этого проводника, что и привело к созданию электрогенератора, а впоследствии – и электродвигателя.

Фарадей вёл непритязательный образ жизни. Он отклонил   почетное предложение возвести его, как ранее Ньютона и Дэви, в рыцарское достоинство, и дважды отказался стать президентом Британского Королевского общества (в 1848 и 1858 годах), поскольку новые обязанности мешали бы ему заниматься более важным для него делом – научными исследованиями. Еженедельно, по пятницам, Фарадей читал  лекции  в Королевском институте. Современники чрезвычайно высоко оценивали преподавательские качества Фарадея, умевшего сочетать наглядность и доступность с глубиной рассмотрения предмета. В числе его слушателей были высокопоставленные персоны, в том числ королева Виктория. В 1848 году королева предоставила Фарадею в пожизненное пользование дом, входящий в дворцовый комплекс Хэмптон-Корт. Все домовые расходы и налоги королева взяла на себя. В 1858 году Фарадей ушёл в отставку с большинства своих постов и поселился в Хэмптон-Корте, где провёл последние 9 лет жизни.

Блестящий физик-экспериментатр, Фарадей не владел высшей математикой. Максвелл изложил идеи Фарадея математически, скромно указав, что он всего лишь «одел в изысканные математические одежды» теорию Фарадея. Первую статью на эту тему - «О фарадеевских силовых линиях» (1857)  Максвелл опубликовал в 26-летнем возрасте. Анализируя совокупность обнаруженных явлений и законов электроманетизма, Максвелл распространил логику функциональных зависимостей на область взаимодействий электрического и магнитного полей. Эти поля можно только «почувствовать», но их непосредственно нельзя увидеть – в отличие от физических тел, рассматривавшихся Ньютоном. В процессе создания нового языка, внутренняя логика которого включала строгий численный анализ этих невидимых физических объектов, важнейшую роль сыграл «Трактат об электричестве и магнетизме» Дж. К. Максвелла [10], опубликованный в Оксфорде в 1873 г. «Этот Трактат произвёл на меня, пожалуй, одно из самых сильных впечатлений в жизни: толкование света как электромагнитного явления по своей смелости превзошло всё, что я до сих пор знал. Но книга Максвелла была не из лёгких!» – так выразил свое впечатление об этой книге Г.А. Лоренц, один из основателей теории относительности.

Остается привести замечание Л.Д. Фаддеева, академика-секретаря отделения математических наук РАН, директора Международного математического института им. Л.Эйлера (Санкт-Петербург): «Хрестоматийный пример – Фарадей, крутивший рамочку в магните. А в результате мы получили электричество. Так что Фарадей и Максвелл оплатили фундаментальную науку на все времена».

5. Субатомные процессы. Появление информации с элементами неопределенности (индетерминизма)

Одним из итогов разработки языка, в рамках которого можно прояснить все аспекты явлений электромагнетизма, оказалось распространившееся в конце 19 в. мнение о «завершенности» научных представлений об окружающем мире. Оставались лишь незначительные неясности (по высказыванию Дж. Дж. Томсона), среди них – проблема излучения «черного тела». Суть этой проблемы достаточно простая: стенка теплого камина излучает невидимые электромагнитные волны с большой длиной волны, тогда как раскаленные угли светятся в видимом (более коротковолновом) диапазоне. По закону Вина, частота излучения пропорциональна температуре излучателя, а ведь это никак не следовало из теоретических выкладок Максвелла.

Парадоксальное решение проблемы нашел Макс Планк, а именно, он показал, что все экспериментальные закономерности, касающиеся излучения, однозначно свидетельствуют о корпускулярной природе электромагнитных волн! Иными словами, эксперименты как бы доказывали наличие дискретных порций, или квантов электромагнитного излучения, рассмотрению которых в книге «Эволюция физики» была посвящена заключительная глава. По имени первооткрывателя, коэффициент пропорциональности между энергией кванта и частотой электромагнитного излучения называется постоянной Планка, и это – одна из важнейших Мировых констант, наряду с массой электрона, скоростью света, гравитационной постоянной закона Всемирного тяготения, и другими.

Открытие квантов представлялось своего рода катастрофой для почти совершенной картины электромагнетизма. Последствия этой катастрофы удалось смягчить только в рамках модели о «двойственной природе света», рассматривавшей электромагнетизм в качестве лишь одной из сторон как бы двусторонней, но единой картины. Но – как и в более обыденных делах, - навалившаяся беда оказалась не единственной. При изучении электронных пучков было обнаружено, что электроны, равно как и электромагнитное излучение (в частности, свет), могут давать картину дифракции.

Но еще раньше Э. Резерфорд открыл атомное ядро и выдвинул «планетарную» модель атома. Оказалось, что ядро расположено в центре, а расстояние от центра атома до его периферии примерно в 10 тысяч раз больше, чем размер самого ядра. Примерно таким же является соотношение между размерами нашей планетной системы и нашей звезды – Солнца: расстояние до Земли – это примерно 150 Солнечных радиусов, а до окраин – примерно 6 тысяч Солнечных радиусов - это расстояние до орбиты Плутона. Геометрически все очень похоже, разница только в характере сил притяжения. В планетной системе – это гравитация – по закону Ньютона, в атоме – электростатическая сила притяжения – по закону Кулона.

Вместе с тем, было установлено качественное, глубинное различие двух внешне похожих систем. Анализируя огромные массивы спектральных данных, Нильс Бор в 1913 году, то есть ровно 100 лет назад, сумел в них разглядеть свидетельства о том, что в атоме энергия электрона квантована, то есть, пропорциональна некоторым числам, причем в основе квантования – все тот же закон Планка. Закон квантования оказался прямо связанным с двойственным – корпускулярно-волновым поведением электрона в атоме. Данное обстоятельство резко отличает атом от планетной системы, где энергия любой «частицы» – планеты, астероида, космического аппарата – может быть любой…

6. Отступление: кому информация открывает свои тайны?

При переходе к обсуждению проблем анализа информации, включающей принципиально неустранимые элементы неопределенности, много внимания было посвящено проблеме чисто личностных характеристик аналитиков, то есть авторов «расшифровок» сложнейшей научной информации, способных видеть детали, ускользающие от поверхностного взгляда.

На эту тему было известно одно хорошо документированное высказывание Нильса Бора. На семинаре в Институте физических проблем АН СССР (май 1961 г.) его спросили о причине «невероятной успешности участников научной школы Бора», многие выходцы из которой стали лауреатами Нобелевских премий по физике первой половины 20 в. Последовал ответ Н. Бора: «Вероятно, дело в том, я никогда не боялся показать своим сотрудникам, что я чего-то не понимаю». Переводчик (Е.М. Лифшиц, соавтор Л.Д. Ландау по курсу «Теретическая физика») ошибочно перевел, что докладчик «не боялся сказать своим сотрудникам, что они … не понимают», но потом извинился и исправил фразу (при участии И.Е. Тамма).

В процесс исправления вмешался ведущий – П.Л. Капица, который язвительно заметил, что «ошибка не случайная, так как именно в этом и состоит разница между двумя школами (Бора и Ландау). В первой руководитель не стесняется показывать свое непонимание, а во второй – не стесняется третировать своих сотрудников за их непонимание». Могу предположить, что во втором случае доминирующую роль играла завышенная самооценка руководителя, тогда как в первом случае успешность школы была прямо связана со способностью руководителя к «выключению» самонадеянности и самомнения. Более того, вполне возможно, что те же качества играют роль и при распознавании параметров научной информации, относящихся как к явным характеристикам, так и к глубинным, неявным свойствам вещей, ведущим к новой, часто неожиданной информации!

Стоит подчеркнуть, что сам Лев Давидович Ландау был блестящим физиком-теоретиком, выходцем из школы Н. Бора, и пользовавшимся непререкаемым авторитетом в нашей науке 40-50-х годов. Ему принадлежали открытие диамагнетизма металлов, построение микроскопической теории сверхтекучести жидкого гелия, разработка «теорминимума» для будущих теоретиков и создание курса теоретической физики для профессионалов. Л.Д. Ландау принимал участие в обсуждении всех научных событий, в том числе в открытии магнитного спинового резонанса, того самого явления, благодаря которому ныне существует компьютерная магнитно-резонансная томография (МРТ). Открытие состоялось в Казани (в годы войны туда переехали многие Московские учреждения), автор открытия – Евгений Константинович Завойский. Парадоксальность явления состояла в том, что спин (электрона или атомного ядра) – это квантовый волчок, который сам по себе перевернуть невозможно. Только в большой массе таких же спинов, по закону магнитной индукции, суммарную намагниченность образца можно переполяризовывать, что и обнаружил Е.К. Завойский. Но Л.Д. Ландау, видимо, забыл про магнитную индукцию, и отверг принципиальную возможность наблюдения подобного резонанса…

Заминкой воспользовался Феликс Блох, американский физик и коллега Ландау по школе Бора. Ф. Блох не забыл про магнитную индукцию и, узнав об измерениях Завойского, сам провел кое-какие измерения и опубликовал статью под названием «Ядерная индукция». В итоге Нобелевская премия по физике за открытие данного явления уплыла в США…. Подобный оборот событий чем–то напоминает явления из области спорта, где для победы нужна не только сила, но и ловкость, изворотливость, умение. Не избежал этой участи и сам И. Ньютон, которому приходилось «сражаться» за приоритет со своим современником Р. Гуком: «Гук имеет лишь отдаленное представление о всемирном тяготении, основанное лишь на догадке. Одно дело изобретать гипотезы, другое – доказывать их... Гук имеет не большее право на закон обратных квадратов, чем Кеплер имеет право на закон эллипсов: догадки не считаются, а доказательств у Кеплера не было». Как видим, Ньютон отказывал в авторстве не только Гуку, но и Кеплеру, который вывел три своих закона на основе обобщения и обработки прямых экспериментальных измерений.

7. Принцип неопределенности – или утрата определенности ?

Последнее замечание Ньютона о необходимости «доказывать гипотезы» может иметь отношение к модели Нильса Бора о «волнах вероятности», которые описывают поведение мельчайших частиц материи – электронов. Волны вероятности в некотором смысле точно описывают поведение электронов, равно как и закон эллипсов Кеплера, который точно описывает движение планет. Но закон эллипсов вытекает из закона Всемирного тяготения, тогда как «волны вероятности» как бы повисают в пустоте…. При этом точность описания поведения электронов фактически ограничена тем, что вводится постулат … о неопределенности в поведении отдельного электрона!

На V Сольвеевском конгрессе (1927 г.) состоялась широко известная дискуссия между Эйнштейном, пытавшимся спасти детерминизм классической (Ньютоновской) механики, и Нильсом Бором, принявшим постулат о невозможности возврата к детерминизму. По словам Эйнштейна, «принцип неопределенности … не соответствует требованию определённости состояний макрообъектов независимо от их наблюдения и, следовательно, «препятствует нам принять таким наивным образом „модель размытости“ (то есть стандартную интерпретацию квантовой механики) в качестве картины реальности». В свою очередь, невозможность возврата к детерминизму Бор оправдывал тем, что Планк «открыл универсальный квант действия, обнаруживший черты целостности в атомных процессах, совершено чуждые идеям классической физики и превосходящие доктрину древних о предельной делимости материи».

Таким образом, в обращение было впервые введено утверждение о наличии неопределенности, или индетерминизма на субатомном уровне. Как уже отмечалось выше, тем самым совершался переворот, существенный для научной информологии 20-го века. В одном из часто цитируемых писем Эйнштейн писал: «Квантовая механика действительно впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это ещё не идеал. Эта теория говорит о многом, но всё же не приближает нас к разгадке тайны Всевышнего. По крайней мере, я уверен, что Он (то есть Бог – наше прим.) не играет в кости!».

Можно задаться вопросом – откуда берется такая уверенность относительно Божественного досуга? Ответ простой – жизнь – по определению – божественное явление, корни которого гнездятся на атомарном уровне. И жизнь не знает индетерминизма, она строго детерминирована – от кошки родятся только котята, а от вируса гриппа – только частицы вируса гриппа того же типа. Палеогеологи обнаружили отпечатки древнейших аммиачных бактерий, возраст которых достигает почти 4 млрд. лет, причем по форме эти отпечатки почти идентичны отпечаткам современных аммиачных бактерий [11]. Таким образом, получается, что наследственная информация столь же устойчива, как, например, свет, то есть фотоны. Родившись где-то на краю Вселенной, фотоны могли провести более10 млрд. лет в космосе, прежде чем они попали в наш телескоп и безошибочно показали, какие именно атомы их породили.

Ясности не добавила и разработка строгого алгоритма расчета процессов в субатомных структурах, основанная на фундаментальных представлениях о физических величинах как об «операторах, действующих в бесконечномерном Гильбертовом пространстве» [12, 13]. Эти представления были разработаны крупнейшими авторитетами науки 20 века – Э. Шредингером, В. Гейзенбергом, П.Дираком, И. Фон-Нейманом, Е. П. Вигнером и другими корифеями, и по праву относятся к числу важнейших достижений науки ХХ века. Наряду с этим, в работах тех же авторов получил дальнейшее подтверждение и скептицизм А. Эйнштейна относительно проблемы «индетерминизма» на атомном уровне:

А) Э. Шредингер, знаменитый австрийский физик, автор «волновой механики», Нобелевский лауреат. Важнейший аспект указанной проблемы он проанализировал в книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика» [14], изданной еще в 1944 г. В этой небольшой, но содержательной книге, Шредингер рассмотрел конкретные вопросы применения физических идей в биологии. С позиции теоретической физики он обсуждает общие проблемы физического подхода к различным явлениям жизни, причины макроскопичности, многоатомности организма, механизма наследственности и мутаций.

В частности, в книге было показано, что законы волновой механики, разработанной самим Э. Шредингером, не допускают возможности хранения и передачи наследственной информации в клетках живых организмов в молекулярной форме. Обсуж­дая возможные наименьшие размеры живых существ, Шредингер устанавливает важный для теоретической биологии результат. Оказывается, имеется опреде­ленная граница, или предел для миниатюризации как живых, так и искусственных систем, способных к автономному размножению, поскольку индетерминизм, или действие квантово-механических флуктуаций в этом случае разрушает необходимую для жизнедеятель­ности укладку атомов и наследственную информацию. По этой причине Э. Шредингер сделал вывод о том, что гены не могут быть молекулами, это должны быть какие-то надмолекулярные образования. Но именно этот вывод не оправдался, так как уже в 1952 году было выяснено, что в действительности генетический код является именно молекулярным в форме двойной спирали ДНК.

И. Фон-Нейман, крупнейший математик 20 в., автор математического обоснования квантовой механики и теории «самовоспроизводящихся автоматов» [12,15]. Он детально показал, что так называемый «линейный автомат», то есть устройство, функционирующее по законам обычной алгебры, может производить только устройства более низкого уровня сложности. Иными словами, линейность взаимодействий и связей в сложных системах неизбежно влечет за собой их неспособность к самокопированию и самовоспроизведению. Высказывалось мнение, что секрет аутокопирования ДНК (и нанотехнологий будущего), вероятно, может быть в нелинейном характере каких-то взаимодействий, которые, в конечном итоге, могут быть промоделированы современными методами компьютерной химии. Е.П. Вигнер, Нобелевский лауреат «за разработку симметрийных методов в квантовой механике». В математической работе "Вероятность существования самовоспроизводящейся системы" (Русский перевод содержится в книге: Е.П. Вигнер. Этюды о симметрии. Мир, 1971, с.160-169 [16]). В этой работе дано математически строгое доказательство того, что симетрийные свойства квантово-механических систем не допускают возможности аутокопирования любых молекулярных систем, включая ДНК, а вероятность самовоспроизведения равна нулю, как в искусственных, так и в живых системах. В заключительной части своей работы Е.П. Вигнер отмечает, что данный вывод противоречит очевидным фактам самовоспроизведения живых организмов, получивших описание в рамках классических представлений модели репликации ДНК по Уотсону и Крику [11].

Общий итог состоит в том, что существующая квантовая теория недостаточна для описания механизма самовоспроизведения, имеющего место естественных (живых) систем, а также для проектируемых искусственных («нанотехнологических») систем. Чаще всего выдвигается предположение, что мы пока еще не можем оценить роль всех особенностей структуры молекул углеводов, аминокислот и нуклеотидов, из которых построены белки, сахара, РНК, ДНК и другие биомолекулы [17].

8. Индетерминизм и научно-технологический кризис

Таким образом, усилия крупнейших авторитетов ХХ века (Э. Шредингер, 1944; И. Фон-Нейман,1952; Е. Вигнер, 1962) не только не разрешили проблему детерминизма в микромире, но даже увеличили количество контраргументов. Но данное обстоятельство никак не могло повлиять на развитие крайне важных работ в области полупроводниковой микроэлектроники. Одним из достижений в данной области была, в частности, широко известная работа Жореса Алферова, отмеченная Нобелевской премией.

Несмотря на приставку «микро», в действительности микроэлектроника имеет дело с «макроэффектами», когда неопределенности в поведении отдельных электронов нивелируются за счет своего рода усреднения по достаточно большому числу атомов в конкретном транзисторе. Большое число – это тысячи, или даже десяток тысяч атомов, которые могут уместиться на отрезке в один микрометр. Для увеличения же числа транзисторов на микросхеме наиболее желанным является уменьшение размеров самих транзисторов, то есть уменьшение числа атомов на транзисторе. Предел этого уменьшения – один атом, или, примерно, нанометр. В условиях повышенного спроса, специалисты-микроэлектронщики добились выдающихся успехов – им удавалось почти ежегодно удваивать число транзисторов на новых микросхемах:

Микропроцессор Год выпуска Число транзисторов
4004 1971 2.300
8008 1972 2.500
8080 1974 5.000
8086 1978 29.000
286 1982 120.000
Intel 386™ processor 1985 275.000
Intel 486™ processor 1989 1.180.000
Intel® Pentium® processor 1993 3.100.000
Intel® Pentium® II processor 1997 7.500.000
Intel® Pentium® III processor 1999 24.000.000
Intel® Pentium® 4 processor 2000 42.000.000
Intel® Itanium® processor 2002 220.000.000
Intel® Itanium® 2 processor 2003 410.000.000

Данный «эффект удвоения», возможно, в шутку, называют «законом Мура» в честь Гордона Мура, председателя совета директоров корпорации «Intel». Можно видеть, что в течение почти четырех десятков лет соблюдался этот эффект удвоения, и только в 2007 году сам Г. Мур признал, что его закон перестаёт действовать уже из-за «атомарных ограничений и влияния скорости света». Нобелевский лауреат Андрей Гейм говорит более конкретно (http://top.rbc.ru/viewpoint/04/06/2013/860500.shtml): «Технологии, которые по всему миру используют, приходят к концу своего существования. Вспомните: десять лет назад мы меняли компьютеры каждые два года – настолько быстро они улучшались. Теперь, если мы меняем компьютер или мобильный телефон, улучшения минимальны. Они в том, как он выглядит, а не какая технология туда вложена». И в другом месте: «Мы – в начале глобального застоя. Низковисящие плоды все пожали, и мы приблизились к тому, что должны платить за ошибки последних 50 лет, что мы не вкладывали в науку и технологии, считали, что можно вкладывать в быстропожинаемые прикладные технологии, а не в фундаментальные технологии». Реакцию администраторов суммирует Майкл Фостер, директор подразделения фундаментальных исследований в области вычислений и коммуникаций NSF (Национального научного фонда США): "Если современный технологический базис теряет свою актуальность, нам необходимо найти ему замену или отказаться от движения вперед" (http://www.osp.ru/news/articles/2008/6/4784008/).

В итоге на горизонте полупроводниковой индустрии, на стремительном росте которой сегодня зиждется прогресс в экономических и гуманитарных науках, которого за последние 20 лет добились Соединенные Штаты и вся мировая экономика, немыслимая без компьютеров всех сортов, замаячил призрак «конца эпохи закона Мура» ([18]; см. также http://www.singularityweblog.com/michio-kaku-on-the-collapse-of-moores-law/ ). Хуже того, уже в первые годы нового века начали появляться предсказания некоторых аналитиков о том, что «конец эпохи закона Мура» приведет к новой великой депрессии, подобной той, что до самых основ потрясла американскую экономику в 30-е годы прошлого века (цитата из РуНета: Сергей Шашлов, 20 апреля 2005 г.).

9. Есть ли свет в конце тоннеля?

Таким образом, можно констатировать, что на сегодняшний день остается неразрешенной проблема «квантовых неопределенностей», которая как бы перекрывается проблемой реального существования невероятно устойчивой передачи информации в биологическом мире. Данный факт означает, что биологические системы владеют неким загадочным механизмом «переключения» универсального индетерминизма микромира в состояние, в котором ответы «да» и «нет» перестают быть равновероятными. Учитывая неудачные попытки решения этой проблемы классиками физики 20 в. (А. Эйнштейн, В. Гейзенберг, И. Фон-Нейман и др.) можно допускать, что ее масштаб превосходит встречавшиеся ранее, как, например, проблема взаимосвязи морских приливов с фазами луны, которую удалось решить И. Ньютону. Но разгадка не была получена путем «лобовой атаки» – как мы видели, решающая идея о Всемирном тяготении получилась как побочный результат анализа тонких особенностей движения небесных тел. Иными словами, эти особенности (сформулированные как Законы Кеплера) сыграли роль своего рода Розеттского камня, позволившего найти ключ к расшифровке Древнеегипетского письма.

Возможно, что роль подобного ключа может сыграть способность молекул биологического мира вращать плоскость поляризации света, изучавшейся еще Л. Пастером. С появлением структурного анализа было выяснено, что это свойство сопряжено с закрученностью, или с хиральностью (от греч. ceri – рука) биомолекул, обусловленной их внутренней асимметрией. Хиральные молекулы, или хиральные изомеры, похожи друг на друга как правая и левая руки, или правый и левый винты. Химический синтез всегда приводит к получению «рацемата», то есть смеси правых и левых изомеров в равных количествах. Примером может служить глюкоза и ее левый изомер – левулеза. Но в биологическом мире ничего подобного не происходит, здесь имеет место так называемая хиральная чистота – молекулы любых сахаров могут быть только правыми, а молекулы белков – только левыми, но не наоборот. Стоит отметить, что в последнее время проблема хиральности привлекает пристальное внимание как химиков, так и физиков. Тем не менее, до сих пор остается невыясненный ни внутренний смысл хиральной симметрии биологического мира, ни его природа и происхождение [19-21].

Упаковка «ротосимметричных» молекул хиральных веществ в кристаллах отличается огромным разнообразием, превосходящим разнообразие структурных типов обычных атомных упаковок типа поваренной соли или алмаза. Для последних было установлено наличие «всего лишь» 32 точечных и 230 Фёдоровских пространственных групп симметрии. Для более сложных упаковок «магнитных» атомов (например, железа) установлено наличие 90 точечных и 1421 так называемых Шубниковских пространственных групп симметрии. Для упаковок же хиральных молекул в «ротосимметричных» веществах в последнее время в Пенсильванском университете (США) было установлено существование ни много, ни мало – 624 точечных и 17 807 пространственных рото-групп симметрии [22]. Такое количество вариантов структуры может быть одним из источников огромного разнообразия биологических веществ, построенных как раз из хиральных молекул.

Биохимия имеет дело со свойствами уже «готовых» хиральных молекул — белков, нуклеиновых кислот, сахаров, и это их свойство как бы дано от Бога. Но физики ещё интересуется взаимодействиями, которые приводят к нарушению рото-симметрий, и к механизму отбора упорядоченных гомохиральных веществ, в том числе таких, как биологические. В химических лабораториях конструируют все более сложные высокопористые координационные полимеры. Один из интересных примеров – слоистый материал (химическое наименование «терефталат цинка»). Слои этого материала, подобно углеродным слоям в структуре графита, удается «раздвигать» с помощью некоторых веществ играющих роль «лигандов», в частности таких, как «ротосимметричные» молекулы диазабициклооктана (сокращенно дабко):

Молекула дабко включает два атома азота (на рисунке – серые), шесть атомов углерода (белые шары) и 12 атомов водорода (маленькие шарики). Молекула может быть симметричной (в центре), но может и скручиваться вправо-влево (показано стрелками). А скрученные молекулы – это уже хиральные объекты, в отличие от нескрученной, ахиральной формы.

В нормальных условиях ни одна из форм не обладает каким-либо преимуществом и система в целом ведет себя как рацемат. Но при понижении температуры – вблизи абсолютного нуля температур – наблюдается спонтанная хиральная поляризация молекул дабко [23]. Иными словами, при понижении температуры не происходит «заморажива-ние» неупорядоченного рацемата, наоборот, в системе происходит некоторое упорядоче-ние, и молекулы дабко синхронно скручиваются в одну сторону. Поскольку матрица полимера ахиральна, а молекулы дабко в полимере не контактируют, приходится допускать, что причиной хиральной поляризации может быть влияние флуктуаций физического вакуума, в котором «действуют» электроны и ядра молекул дабко. Эта идея не является новой, так как уже в 60 гг. допускалась связь хиральности молекул биологи-ческого мира с так называемым несохранением четности в слабых взаимодействиях [19,20], но ранее она не находила экспериментального подтверждения.

В практическом плане полученный результат может означать, что проблема передачи информации на наиболее элементарном – молекулярном уровне сталкивается с необхо-димостью перехода к новому языку описания, который будет как-то учитывать вакуумные флуктуации и тем самым характеризоваться более высоким уровнем сложности по сравнению с постулируемыми подходами Шредингера, Неймана, Вигнера [14-16]. При этом ключевым моментом является необходимость корректного учета поведения электронов в областях межатомного пространства, в которых фаза волновой функции меняет знак (это так называемые «узлы» и «узловые поверхности» волновых функций электронов). Наглядный пример – это точка равновесия маятника, при отклонении от которой вправо-влево фаза (знак синусоиды) тоже меняет знак. Заметим также, что скорость колеблющегося маятника максимальна именно в точке равновесия, то есть в узле. Это – отдаленная аналогия состояния электрона в областях узлов и узловых поверхностей, где скорость электрона может быть очень большой, приближаясь к скорости света. В этих областях нерелятивистские теории [14-16] «не работают», а более корректная (Дираковская) волновая функция является четырехкомпонентной. В практическом плане данное состояние интересно тем, что вблизи узлов неопределенность величины импульса (Dр) электрона становится бесконечно большой, а следовательно, неопределенность координаты (Dх) стремится к нулю (в соответствии с принципом Гейзенберга (Dр) (Dх) » h, где h – постоянная Планка), что может играть решающую роль в механизме именно точной передачи информации. Отметим также, что разработка логических устройств с использованием хиральных объектов (гипотетическая «хиратроника» [23]) – это и вероятный, и перспективный путь развития нанотехнологий и их дальнейшей конвергенции с биотехнологиями.

10. Заключение

Так что может дать давно ожидаемое решение проблем "квантовых неопределенностей", которые сдерживают развитие нанотехнологий? Пока фундаментальная наука испытывает застой (слова А. Гейма), общество будоражат киносценаристы, писатели-фантасты и научные журналисты. Уже более 20 лет назад появились радужные прогнозы [24,25]: "Примерно через 15 20 лет [то есть в наши дни! - СГ] наука преодолеет фундаментальные трудности, связанные с пределами миниатюризации электронных устройств. И тогда появятся интеллектуальные роботы размером с амебу, которые по команде будут копировать самих себя, извлекать из окружающей среды необходимые элементы и "выращивать на дому" с помошью неких 3D - принтеров любые механизмы и машины, фурнитуру, и даже производить "ремонт" нашего организма, путешествуя по кровяному руслу". Все эти "воздушные замки" ближайшего будущего получили наименование "Четвертое сокровище", имея в виду, что три других - это реальные "сокровища" нашего времени - машиностроение, электрификация с телекоммуникацией и компьютерные технологии [23].

Что особенно волнует стратегов, так это постулируемая возможность "создания интеллектуальных роботов размером с муравья, запрограммированных на целенаправленное уничтожение средств "потенциала сдерживания" - от дубинок и амуниции до танков, пушек, самолетов, ракет", а также микробеспилотников размером со шмеля и меньше, но запрограмированых находить и атаковать намеченные живые цели.

К счастью, проблема пока не решена, и стратеги могут спать спокойно. Но - неровен час - решение может прийти неожиданно, в любой момент… Вопреки мнению администраторов и банкиров, здесь не играют существенной роли ни деньги, ни очень большие деньги. Как показывает исторический опыт, существенными являются только благоприятные условия, в чем-то подобные условиям деятельности классиков фундаментальной науки - Ньютона, Фарадея, Максвелла, Планка и других, большинство из которых в повседневной жизни относились к числу "разумных аскетов". Это значит, что рецепты выхода из нынешнего научно-технологического кризиса и реализации идей нанотехнологической революции обязательно должны включать меры по повышению статуса высокообразованных ученых и повышенного внимания к проблемам именно фундаментальной науки, являющейся основой научно-технического прогресса.

Литература

1. Ч.П. Сноу. Две культуры и научная революция. Прогресс, М., 1985

2. Н. Винер. Кибернетика, или управление и связь в животном и машине; или Кибернетика и общество. 2-е изд. М.: Советское радио, 1968

3. Н. Винер. Я — математик. М.: Наука, 1964

4. А. Д. Урсул. Природа информации. — М.: Политиздат, 1968

5. А. Д. Урсул. Проблема информации в современной науке. — М.: Наука, 1975

6. И. Ньютон. Математические начала натуральной философии. Перевод с латинского и примечания А. Н. Крылова. М.: Наука, 1989. 688 стр. Серия: Классики науки.

7. Пример: Плутон удален от Солнца в 3,5 раз дальше Земли, и его год равен 248  земным. Грубая проверка: 248^2=39,5^3.

8. M. Клайн. Математика. Утрата определённости. М.: Мир, 1984

9. А. Эйнштейн, Л. Инфельд. Эволюция физики. Гостехиздат, М., 1965

10. Дж. К. Максвелл. Трактат об электричестве и магнетизме. М.: Наука, 1989

11. М. Кальвин М. Химическая эволюция. М., 1971

12. И. Фон-Нейман. Математические основания квантовой механики. Наука, М., 1964

13. П. Дирак. Принципы квантовой механики. М., Наука, 1979

14. Э. Шредингер. Что такое жизнь? С точки зрения физика. Издатинлит, М., 1958;
Ижевск: РХД, 2002

15. И. Фон-Нейман. Теория самовоспроизводящихся автоматов. Мир, М., 1971

16. Е.П. Вигнер. Вероятность существования самовоспроизводящейся системы.
В книге: Е.П. Вигнер. Этюды о симметрии. Мир, 1971, с. 160-169

17. С.П. Габуда. Вопросы о нанотехнологиях. Вестник Электроники № 4(12), 2005
(httр://modernproblems.org.ru/sience/191-nanotech-interview.html)

18. С.П. Габуда. Мировой экономический кризис и фундаментальная наука. Наука в      Сибири, № 44 (2679), 6 ноября 2008 г. (http://www.courier-edu.ru/cour0811/6600.htm)

19. В.И. Гольданский, В.В. Кузьмин. Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в  природе и происхождение жизни. Усп. Физич. Наук, 157(1) 3-50, 1989

20. V. I. Goldanskij, V. V. Kuzmin, Nature (London) 356,114–119, 1991

21. С.П. Габуда, С.Г. Козлова. Неподеленные электронные пары и химическая связь в молекулярных и ионных кристаллах. Из-во СО РАН, Новосибирск, 2009. 164 с.

22. V. Gopalan, D. B. Litvin. Rotation-reversal symmetries in crystals and handed structures.
Nature Materials, 10, 376–381 (2011)

23. S.P. Gabuda, S.G. Kozlova, D.G. Samsonenko, D.N. Dybtsev, V.P. Fedin. Quantum
Rotations and Chiral Polarization of Qubit Prototype Molecules. J. Phys. Chem. С, 115  (42),
20460–20465 (2011)

24. E. Drexler. Engines of CreationFourth Estate. London, 1990

25. E. Drexler. Nanosystems (Molecular mashinery, manufactoring and computing). Wiley, N.Y., 1992

Комментарии
  • МашкИн - 10.11.2013 в 12:37:
    Всего комментариев: 8
    Заметки к статье 1. Гуманитарное и техническое Образование гуманитариев - управление сложными системами, которые не поддаются детальному анализу, людьми. Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • МашкИн - 10.11.2013 в 12:39:
    Всего комментариев: 8
    5. Понятие спина Для фотона, как объекта пространства мерностью два, можно определить модель в виде круга. Спин отражает значение характеристики вращения этого Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • МашкИн - 10.11.2013 в 12:51:
    Всего комментариев: 8
    отражает значение характеристики вращения этого круга.
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • МашкИн - 12.11.2013 в 20:55:
    Всего комментариев: 8
    Замечание к 5-му пункту. Здесь предлагается модель в виде круга, отражающая в грубом виде некоторые особенности фотона, что можно считать грубым приближением. Что Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • МашкИн - 13.11.2013 в 12:17:
    Всего комментариев: 8
    Особенности пространства мерностью два. Один из объектов, имеющий область локализации, - фотон. Свойства фотона. Энергия фотона распределена в области плоскости Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • МашкИн - 13.11.2013 в 12:59:
    Всего комментариев: 8
    6. Абсолютный ноль температуры "При понижении температуры – вблизи абсолютного нуля температур – наблюдается спонтанная хиральная поляризация Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • МашкИн - 13.11.2013 в 23:06:
    Всего комментариев: 8
    7. Информация Свойство информации в широком смысле - отображение состояния одного объекта в состояние другого объекта. Свойство информации в узком смысле - Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • МашкИн - 14.11.2013 в 09:51:
    Всего комментариев: 8
    7. Информация (дополнение) Предполагая, что наша вселенная эволюционирует из сингулярности мерностью два в сингулярность мерностью три, сохранение информации в Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0

Добавить изображение



Добавить статью
в гостевую книгу

Будем рады, если вы добавите запись в нашу гостевую книгу. Будьте добры, заполните эту форму. Необходимой является информация о вашем имени и комментарии, все остальное – по желанию… Спасибо!

Если у вас проблемы с кириллическими фонтами, вы можете воспользоваться автоматическим декодером AUTOMATIC CYRILLIC CONVERTER.

Для ввода специальных символов вы можете воспользоваться вот этой таблицей. (Латинские буквы с диакритическими знаками вводить нельзя!)

Ваше имя:

URL:

Штат:

E-mail:

Город:

Страна:

Комментарии:

Сколько бдет 5+25=?