Информация или интуиция?
Шрифт:
БИОТЕХНОЛОГИЯ
Но мы не только соревнуемся с природой, мы непрерывно учимся у нее и используем ее методы в своих целях. В качестве еще одного примера технических информационных систем рассмотрим новую, стремительно развивающуюся и чрезвычайно перспективную отрасль промышленной индустрии — иммунную биотехнологию.Для проведения химического анализа традиционными методами иногда приходится решать чрезвычайно сложные задачи. Например, чтобы с помощью химических методов отличить инсулин, взятый из поджелудочной железы свиньи, от инсулина бычьего, надо, чтобы оба препарата были абсолютно чистыми. Затем необходимо определить последовательность аминокислот в цепочке белковой молекулы и того и другого препарата, чтобы удостовериться, что в том месте молекулы свиного инсулина, где находится аминокислота треонин, в молекуле бычьего инсулина вместо нее стоит аминокислота аланин. Но так же точно выглядит и молекула инсулина овцы. Чтобы удостовериться, что это не она, надо рассмотреть еще один участок молекулы: в овечьем инсулине должна быть аминокислота глицин вместо аминокислоты серина, которая типична и для свиного и для бычьего инсулина. Легко представить себе, насколько сложен и длителен подобный анализ и какая требуется квалификация специалистов.Положение существенно упрощается, если использовать для анализа антитела. В 1890 году впервые в истории медицины американский и японский исследователи Беринг и Китазато использовали антитела на практике. Они вводили кроликам токсины (ядовитые продукты обмена веществ) возбудителя дифтерии и полученную от них сыворотку с антителами —антисыворотку-—использовали для лечения дифтерии у детей. Лечение оказалось в высшей степени успешным и применяется до сих пор. Только теперь вводят не цельную антисыворотку иммунизированных животных, а выделенные из них иммуноглобулины, которые и содержат антитела.Открытие антител и одновременное их прикладное использование было удостоено Нобелевской премии, которую Беринг и Китазато получили в 1902 году. И поныне технология получения антител—иммунная биотехнология— делится на три этапа: иммунизация животного соответствующим антигеном, получение от него кровяной сыворотки с антителами и выделение из нее максимально очищенных антител против данного антигена, будь то микроб или токсин, клетка
СУЩЕСТВУЮТ ЛИ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ?
Эту последнюю главу мы начнем с рассмотрения двух примеров, которые не подошли ни под один из заголовков предыдущих глав. Первый пример мы заимствовали из статьи Д. Киржница и В. Фролова, опубликованной в одиннадцатом номере журнала «Природа» за 1981 год.Черные дыры — эти гипотетические небесные объекты — в последние годы привлекают к себе большое внимание. Их аномально сильное тяготение действует как своего рода клапан: вещество непрерывно захватывается таким объектом и падает на него, как в дыру.В то же время никакое тело, даже квант света, не может вырваться из этих объектов наружу, поэтому любому внешнему наблюдателю они должны представляться черными.Пока с уверенностью нельзя сказать, что черные дыры открыты, хотя возможность их существования неизбежно следует из общей теории относительности.Согласно общей теории относительности вблизи тяготеющих масс пространство искривляется. Если тяготеющая масса очень велика, такое искривление пространства приводит к его замыканию. Подобное замкнутое пространство и есть черная дыра. Обнаружение черных дыр, в которые так верит большинство специалистов, имело бы чрезвычайно важное значение для астрофизики и космологии. Однако уже сегодня интерес к черным дырам выходит далеко за рамки науки о космосе. В процессе исследования этих необычных объектов обнаружилась их глубокая связь с фундаментальными проблемами физики. В частности, это связано с удивительными термодинамическими свойствами черных дыр, которые, как оказалось, в принципе не могут быть холодными телами, а обязательно должны излучать подобно нагретому до определенной температуры черному телу. Такое явление называют эффектом Хокинга.
ВТОРАЯ КОСМИЧЕСКАЯ
Чтобы как следует понять, что такое черная дыра, обратимся к космонавтике. Известно, что всякое тело, движущееся вблизи тяготеющей массы, находится под воздействием двух сил — силы тяготения и силы, вызываемой ускорением тела в его движении относительно этой массы. Характер движения определяется тем, какая из этих двух сил больше. Если больше сила тяготения, тело падает «вниз». Если больше сила, вызываемая ускорением, и, кроме того, эта сила направлена в сторону, противоположную силе тяготения, тело будет удаляться от тяготеющей массы и в конце концов покинет сферу ее воздействия.При орбитальном движении ускорение тела пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально расстоянию до центра вращения. Поэтому, чтобы преодолеть силу тяготения, тело должно приобрести определенную скорость. Самая маленькая скорость, при которой тело может преодолеть путы земного притяжения, получила название второй космической скорости. В настоящее время вторая космическая скорость — это не предмет научных спекуляций, а совершенно реальная величина, используемая в расчетах траекторий космических кораблей, направляющихся к Марсу, Венере и более отдаленным небесным телам солнечной системы,При орбитальном движении сила, противодействующая силе тяготения, зависит не только от скорости, но и от радиуса орбиты: чем меньше радиус, тем больше вторая скорость. Существует такая величина радиуса (она называется гравитационным радиусом), при которой вторая космическая скорость оказывается равной скорости света. Поскольку никакой физический объект не может двигаться быстрее, чем со скоростью света, попав внутрь сферы с радиусом, равным гравитационному радиусу, объект никогда уже не сможет выйти наружу. Для этого необходимо, конечно, чтобы вся тяготеющая масса была сосредоточена внутри сферы с гравитационным радиусом.
ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ
Для Солнца гравитационный радиус равен примерно трем километрам. Это означает, что сфера с гравитационным радиусом (ее называют также горизонтом событий) целиком расположена внутри материи Солнца. Поэтому Солнце и излучает различные частицы, главным образом фотоны, в окружающее его пространство.Если масса небесного тела превышает некоторую критическую величину, под воздействием собственных сил тяготения оно начинает сжиматься и сжимается до тех пор, пока целиком не окажется сосредоточенным внутри сферы — горизонта событий.Такой процесс называется коллапсом, и так рождается черная дыра.Если наблюдатель, двигаясь по направлению к черной дыре, пересекает сферу горизонта событий и продолжает двигаться дальше, он не наблюдает ничего особенного. Просто ускорение силы тяжести непрерывно увеличивается, формально обращаясь в бесконечность в центре черной дыры. Для наблюдателя же, находящегося вне черной дыры, она просто не существует, поскольку, как уже отмечалось, никакой физический объект, в том числе и квант электромагнитного излучения, не может покинуть черную дыру и быть зарегистрированным в каком-либо физическом эксперименте. Черная дыра как бы вычеркивается из пространства, изучаемого внешним наблюдателем.Любой физический объект, упавший на черную дыру, исчезает. Исчезает не в том смысле, что он перестает быть доступным для наблюдателя, а исчезает совсем, то есть перестает каким бы то ни было способом влиять на любые процессы, происходящие в рассматриваемой области пространства. Конечно, при падении объекта в черную дыру его энергия (масса) прибавляется к общей энергии черной дыры.То же самое происходит с количеством движения, моментом количества движения и электрическим зарядом.Казалось бы, все только что сказанное неотвратимо свидетельствует об одном: черная дыра должна восприниматься внешним наблюдателем как тело, находящееся при температуре абсолютного нуля. Ведь понятиетеплоты неразрывно связано у нас с понятием из лучения, а черная дыра ничего не излучает и ничего не отражает. Но вот американский ученый С. Хокинг в 1975 году показал обратное
ПУСТОТА — ИСТОЧНИК ЧАСТИЦ
Чтобы сделать рассуждения понятными, необходимо сейчас напомнить читателю, что окружающий нас физический вакуум — это совсем не абсолютная пустота, как считалось, скажем, сто лет назад. По многим своим свойствам физический вакуум материален. Это проявляется, в частности, в том, что в физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и взаимного уничтожения пар так называемых виртуальных частиц. Такими парами могут быть электрон и позитрон или пары различных квантов электромагнитного излучения. Поскольку эти пары рождаются все же «из ничего», они должны отвечать обязательному условию: если энергия (масса) одной из частиц такой пары положительна, то энергия (масса) второй частицы должна быть отрицательной и равной по абсолютной величине энергии первой частицы. При таком условии частицы, взаимно уничтожаясь, исчезают бесследно и средняя энергия, распределенная в физическом вакууме, как и следует быть, оказывается равной нулю.Иначе обстоит дело, если рождение пар виртуальных частиц происходит вблизи горизонта событий. Тогда частица, обладающая отрицательной энергией, падает внутрь черной дыры и исчезает. А частица, обладающая положительной энергией, подчиняясь закону сохранения количества движения, улетает в сторону от черной дыры, Легко показать, что внутрь должны падать именно частицы с отрицательной энергией. Если бы было наоборот, то энергия черной дыры непрерывно увеличивалась бы за счет энергии падающих на нее виртуальных частиц. Энергия бралась бы из ничего, что запрещено законом сохранения. Наоборот, если внутрь черной дыры падают частицы с отрицательной энергией, ее энергия постепенно уменьшается и это уменьшение в точности равно положительной энергии частиц, улетающих в космическое пространство. Вот и получается, что черная дыра излучает, то есть представляется для внешнего наблюдателя горячим телом. Рассуждения С. Хокинга полностью подтвердились сделанными им расчетами.
ТЕМПЕРАТУРА БИЛЬЯРДА
К тем же выводам, что и С. Хокинг, можно прийти, исходя из совершенно иных соображений. И снова, в который раз, вернемся к бильярду. Когда шары на бильярдном столе неподвижны и составлены в пирамидку, можно сказать, что температура бильярда равна нулю. Ведь температура определяется средней скоростью движения частиц. Разбивая пирамидку, мы «нагреваем» бильярд до определенной температуры. При этом шары «забывают» свое первоначальное положение в пирамидке и движутся так, что все положения на столе для них равновероятны. Можно сказать, что процесс нагревания — это то же самое, что процесс забывания. Раньше мы строго сформулировали ту же мысль, сказав, что информация суть энтропия, взятая с обратным знаком, чем выше энтропия системы, тем меньшее количество информации может быть от нее получено.Но должно быть справедливо и обратное. Чем меньше информации может быть получено от системы, тем выше должна быть ее энтропия. Мы уже сталкивались с подобным положением в главе четвертой и подчеркивали там, что существенное значение имеет именно принципиальная возможность получать информацию, а не то, хотим мы получать эту информацию и располагаем ли мы при этом соответствующими приборами или нет.Перенося эти рассуждения на случай черных дыр, приходим к непосредственному выводу. Поскольку возможность получать какую-либо информацию о черной дыре отсутствует, значит, энтропия ее должна быть велика. Черная дыра полностью «забыла» как о своем собственном происхождении, так и о всех тех объектах (в том числе и виртуальных частицах), которые она поглотила. А подобное забывание эквивалентно тому, что черная дыра ведет себя как тело, нагретое до достаточно высокой температуры.Все эти рассуждения, может быть, и не имели бы особой цены, если бы, будучи облаченными в математические формулы, они не дали бы в точности тот же результат, который получается при выводе математических зависимостей на основе представления о виртуальных частицах.До открытия эффекта Хокинга мы знали единственный механизм появления тепловых свойств у динамической системы. Он состоит в превращении упорядоченного движения частиц в хаотическое, проявляясь и при трении двух кусков дерева, с помощью которых наши предки добывали огонь, и в современных установках по нагреву плазмы. Физика черных дыр указала нам новый механизм появления тепла, который происходит по схеме: черная дыра — черный ящик (то есть объект, который можно изучить только по его внешним проявлениям) — черное тело.Черные дыры помогли нам увидеть новые и неожиданные аспекты термодинамики, обогатив наше понимание природы теплоты. Поэтому независимо от того, существуют эти объекты в природе или нет, они уже с лихвой оправдали себя как предмет теоретического исследования и, можно думать, надолго останутся в истории естествознания.
КУДА ПОЙТИ РАБОТАТЬ!
Второй пример, который мы хотели бы рассмотреть в этой главе, взят нами из области социологии. Представьте себе такую ситуацию. Имеются два однотипных предприятия, расположенные в противоположных районах большого города. Если речь идет о Москве, то одно такое предприятие может быть расположено, скажем, в Медведкове, а второе — возле метро «Калужская». С каждым предприятием связан определенный контингент рабочих и служащих. Разумно предположить, что многие из числа работников данного предприятия живут где-то поблизости. Многие, но не все. Встречаются и такие, которые живут, к примеру, вблизи предприятия А, а работают на предприятии Б, и наоборот.Еще одно предположение состоит в том, что производство на обоих предприятиях весьма специфично и специалист, работающий на предприятии А, может работать не только там, но и на предприятии Б, а на других уже не может. Последнее предположение несколько натянуто, однако ясно, что если бы мы взяли не два, а двадцать предприятий, то такое предположение уже вполне соответствовало бы некоторой реальной ситуации. В то же время увеличение числа предприятий никак не изменит существа последующих рассуждений. Кроме того, проницательный читатель уже предчувствует аналогию с двумя половинками бильярда.
Предположим теперь, что некто, работающий на предприятии А и живущий поблизости от него, по тем или иным соображениям уходит из этого предприятия. Различных причин тут может быть множество, и выбор причины мы полностью предоставляем фантазии читателя. Важно одно. В силу отмеченной выше специфики он не может работать больше нигде, кроме как на предприятии Б. Причин ухода, как уже говорилось, может быть множество, поэтому с течением времени количество живущих вблизи предприятия А и работающих на предприятии Б и, наоборот, живущих вблизи предприятия Б и работающих на предприятии А, будет увеличиваться.Читателю, дочитавшему нашу книгу до этого места, не надо даже подсказывать, что речь идет о возрастании энтропии сложной системы, состоящей из большого количества элементов — работников обоих предприятий. Причем уходы с работы далеко не единственная причина такого процесса. Вполне может быть, что, скажем, некто, живущий вблизи предприятия А, заканчивает институт по соответствующей специальности, но по той или иной причине устраивается на работу на предприятие Б. Человек может продолжать работать на своем предприятии, но переехал в другую часть города, опять-таки по тысяче возможных причин, например, по семейным обстоятельствам. Именно многообразие причин и приводит к росту энтропии нашей системы. А в данном случае рост энтропии означает то, что большое количество людей совершенно непроизводительно тратят время и энергию на переезды между станцией метро «Медведково» и станцией метро «Калужская»
МЕНЯЮ КВАРТИРУ
Положение было бы существенно иным, если бы каждый работник предприятия А знал всех работников предприятия Б, и наоборот. Тогда каждый случай перемещения мог бы сопровождаться обменом квартир. Но такое полное знание невозможно. Отсюда вывод, которого читатель ждет уже давно: энтропия системы, состоящей из сотрудников предприятий, есть мера незнания, мера недостатка информации. Напротив, если удастся ввести в систему дополнительную информацию, это понизит энтропию, а значит, повысит качество энергии системы.С этой целью во всех больших городах издаются бюллетени по обмену жилплощади. В Москве при Управлении учета и распределения жилой площади создан вычислительный центр, оснащенный самыми современными ЭВМ, одной из задач которого является подготовка таких бюллетеней.Все сказанное справедливо не только для одного рассмотренного выше случая. Читатель сам легко придумает сколько угодно примеров тому, как недостаточная информированность приводит к затратам лишней энергии и, наоборот, введение информации в социальную систему приводит к ее упорядоченности. Пример — покупка вещей, продуктов в магазине, не оборудованном информационным табло.
А КАК ЖЕ ИНТУИЦИЯ?
— А как же интуиция? — спросит читатель, который давно был заинтригован названием книги.Но разве все то, что мы говорили до сих пор, не имеет прямого отношения к интуиции? Давайте говорить серьезно. Мы не располагаем, к сожалению, строгим определением понятия интуиции. Поэтому, отвечая на поставленный выше вопрос, придется ограничиться общими рассуждениями. Мы привыкли к тому, что процессы переработки информации, независимо от того, происходят они в естественной или искусственно созданной физической системе или же в голове человека, совершаются последовательно, шаг за шагом. Как правило, удается проследить все этапы такого процесса и, более того, установить систему правил, которым подчиняются эти отдельные этапы; такие последовательности правил получили название алгоритмов.Мы говорим об интуиции всякий раз, когда сталкиваемся с действительным или кажущимся нарушением подобной последовательности. Иначе говоря, тогда, когда некий вывод возникает без видимой связи с теми посылками, на которых он основывается. При этом, если вывод в дальнейшем оказывается верным, мы говорим об интуиции, даже о гениальной интуиции его автора, но столь же охотно лишаем автора всех этих качеств, если вывод оказывается неверным.Определенная таким образом интуиция представляет собой не что иное, как частный случай нарушения закона причинности. Вернемся к тому же атому. Если атом находится в возбужденном состоянии, то рано или поздно он перейдет в основное состояние, избавившись от излишней энергии, например, испустив ее в виде кванта электромагнитного излучения. В этом проявляется одна из закономерностей атомных процессов. Но когда именно произойдет испускание кванта? Если это испускание не вынужденное, современная физики не может точно ответить на этот вопрос. Испускание кванта в данный момент времени рассматривается как случайное событие — событие, не имеющее причины. Именно с этим не мог примириться А. Эйнштейн до конца своей жизни.Таким образом, вопрос: существует ли на самом деле интуиция? — представляет собой частный случай более общего вопроса: полностью ли детерминирован окружающий нас мир? Читатель хорошо знает, что спор гигантов, о котором мы говорили в четвертой главе, не закончен и по сей день. Поэтому и мы не можем здесь сказать ничего определенного. Можно лишь высказать некоторые более или менее правдоподобные предположения.Напомним, что речь идет о случаях нарушения причинности или, что то же самое, о случаях нарушения некой последовательности, которую применительно к процессам переработки информации принято называть логической. Но уже частная теория относительности учит нас, что понятия одновременности, предшествования и последования не являются абсолютными. Если наблюдателю, находящемуся в одной системе отсчета, событие А представляется как предшествующее событию Б, то в принципе может существовать другая система отсчета, такая, что находящемуся в ней наблюдателю то же самое событие А представляется следующим за событием Б. Уже отсюда следует, что случаи нарушения или кажущегося нарушения причинности совсем необязательно требуют привлечения понятия случайного.Дальнейшие рассуждения в этом направлении приводят нас к соотношению неточностей Гейзенберга. Попробуем ответить на вопрос: почему, зная с определенной точностью импульс объекта, мы не можем знать (получить информацию) координаты этого объекта точнее, чем с некоторой погрешностью, определяемой соотношением неточностей?Мы уже не раз говорили, что соотношение неточностей — это объективный физический закон. Дело не в том, что мы не можем знать, а дело в том, что такой информации попросту не существует. Один из возможных ответов на это «почему?» состоит в следующем. Объект просто не имеет координаты. Он размазан по всему участку пространства, размеры которого определяются соотношением неточностей. Такое объяснение мы встречаем в штыки. Мы к подобному не привыкли, потому что в своем повседневном жизненном опыте встречаемся с объектами, всегда имеющими пространственные координаты. Но в такой же степени мы не привыкли к искривлению пространства, вызываемому полем гравитации. С тем же успехом мы не привыкли к тому, чтобы пустота могла быть источником виртуальных частиц.А коли так, то следующий вопрос: можно ли утверждать, что в пределах неточностей, определяемых соотношением Гейзенберга, над объектом не совершается никаких процессов? Конечно, нет. Во всяком случае, у нас нет к тому никаких оснований. Просто эти процессы совершаются не в таком пространстве, к которому мы привыкли, и не в таком времени, к которому мы привыкли. Поэтому и результаты этих процессов мы с привычными нам мерками воспринимаем как случайные.Попробуем распространить сказанное на случай интуиции «человеческой». Слабому шахматисту шахматная партия представляется как последовательность ходов. Наоборот, сильный шахматист мыслит не в масштабе отдельных ходов, а более общими категориями позиций. Тогда каждый отдельный ход в известном смысле оказывается случайным, и лишь взятые вместе они могут рассматриваться как средство образования той или иной позиции. Сильный шахматист видит не отдельные фигуры, а всю доску сразу.История науки учит нас, что практически все великие открытия были подготовлены предшествующим развитием. И. Ньютон говорил, что ему удалось сделать так много в науке потому, что он стоял на плечах гигантов.К моменту оформления частной теории относительности Эйнштейна был поставлен опыт Майкельсона — Морли, появились преобразования Лоренца и многое другое. Поэтому гениальность ученого проявилась не в том, что он додумался до тех или иных результатов, а в том, что он сумел увидеть одновременно много деталей. Мир представился ему как очень сложная картина, в которую в качестве отдельных мазков оказались включенными результаты подчас весьма отдаленных областей науки. То, что представляется неискушенному наблюдателю как чудо, как событие, не имеющее причины, на самом деле есть просто результат одновременного (именно одновременного, а не последовательного) сопоставления большого количества деталей. Перефразируя известную пословицу, можно сказать, что мать интуиции — это образованность.