Глава 4
Смежные возможности
Понятие Б-пространства (сокращенно от Библиотекопространства) встречается в нескольких романах о Плоском мире. Один из ранних примеров – книга «Дамы и Господа», в которой рассказывается по большей части об эльфийском зле. В ней упоминается о том, что Думминг Тупс является специалистом по неписаным текстам, и этот факт требует пояснения и получает его в сноске:
«Исследование невидимых писаний было новой дисциплиной, связанной с открытием двухмерной природы Библиотекопространства. Волшебная математика – крайне сложная наука, но в упрощенном виде может быть представлена утверждением, что все книги, где бы они ни находились, действуют на другие книги. Это очевидный факт. Книги стимулируют написание книг в будущем, используют цитаты из книг, написанных в прошлом. Общая Теория Б-пространства предполагает, что в таком случае содержание книг, еще не написанных, может быть выведено из книг, уже существующих».
Б-пространство служит типичным примером привычки Плоского мира брать метафорические понятия и воплощать их в реальности. У нас же это понятие известно как «фазовое пространство». Оно введено французским математиком Анри Пуанкаре около ста лет назад, чтобы открыть возможность применения геометрических суждений в динамике. К настоящему времени метафора Пуанкаре успела проникнуть во все области науки, а то и за ее пределы, и мы постараемся найти ей разумное применение в нашей дискуссии о роли рассказия в эволюции разума.
Пуанкаре был типичным рассеянным ученым – хотя если подумать, его разум просто находился где-то в другом месте, а именно в его математических рассуждениях, и его легко понять. Пожалуй, он был наиболее одаренным математиком XIX столетия. Будь у вас такой разум, вы бы тоже проводили бо́льшую часть своего времени где-то не здесь, наслаждаясь красотой матвселенной.
Пуанкаре прошелся почти по всем областям математики и написал несколько успешных и популярных научных книг. В одном из исследований, в ходе которого он в одиночку создал новый «качественный» способ мышления в динамике, им указано, что при изучении какой-либо физической системы, существующей в различных состояниях, разумно учитывать не только состояние, в котором она находится, но и состояния, в которых она может находиться. Это и есть связь «фазового пространства» с системой. Каждое возможное состояние – это точка в этом пространстве. По прошествии времени состояние меняется, и эта точка вычерчивает кривую, или траекторию, системы. Правило, определяющее последовательность траектории, и есть динамика системы. В большинстве областей физики динамика точно определена раз и навсегда, но мы можем расширить эту терминологию для случаев, в которых правило предоставляет нам выбор из нескольких вариантов. В качестве примера приведем игру. Так, фазовое пространство – это пространство возможных позиций, динамика – правила игры, а траектория – стандартная последовательность ходов, которые делают игроки.
Для нас не столь важны начальные условия и терминология фазовых пространств, как точки, которые к ним привязаны. К примеру, вы задаетесь вопросом, почему поверхность воды в бассейне такая ровная в отсутствие ветра и иных внешних воздействий. Она просто ровная и даже ничего не делает. Но вы тут же решите пойти дальше и спросите: «А что случилось бы, не будь она ровной?» Почему, например, воду нельзя собрать в горку посередине бассейна? Представьте, будто можно. Представьте, что вы можете контролировать положение каждой молекулы воды – вы собирали ее в горку, и каждая молекула чудесным образом остается именно в том месте, куда ее положили. А потом вы ее «отпустили». Что произойдет? Горка воды обрушится, и волны будут плескаться о стенки бассейна, пока все не успокоится до того приятного, ровного состояния, к которому мы привыкли. Или предположите, что вы устроили так, чтобы вода в бассейне приняла форму с большим углублением посередине. И тогда, если вы ее отпустите, она хлынет от стенок, чтобы заполнить это углубление.
С точки зрения математики эту идею можно рассмотреть в виде пространства всех возможных форм водной поверхности. В данном случае «возможные» формы подразумевают не физическую возможность: единственная форма, которая встречается в реальном мире при отсутствии внешних воздействий, это ровная поверхность. «Возможные» – значит «концептуально возможные». Поэтому нельзя представить пространство всех возможных форм поверхности в виде простой математической конструкции – это и есть фазовое пространство нашей задачи. Каждая «точка», или местоположение, представляет допустимую в нем форму поверхности. Лишь одна из этих точек, лишь одно состояние, представляет ровную поверхность.
Определив соответствующее фазовое пространство, мы должны понять динамику: каким образом естественный поток воды под воздействием гравитации влияет на возможную форму поверхности. Здесь возникает простой принцип, сразу решающий всю задачу: вода ведет себя так, чтобы сделать свою полную энергию минимальной. Если привести воду к какому-либо определенному состоянию вроде той горки, а потом отпустить, ее поверхность будет опускаться по «энергетическому градиенту», пока не придет к минимальной энергии. Затем (после нескольких всплесков, которые постепенно стихнут из-за силы трения) она будет оставаться в этом состоянии с наименьшей энергией.
Под энергией в данном случае подразумевается «потенциальная энергия», зависящая от гравитации. Потенциальная энергия массы воды равна ее высоте над некоторым произвольным уровнем, помноженной на соответствующую ей массу. Допустим, поверхность воды не плоская. Тогда одни ее участки будут выше других, и мы сможем переместить воду с более высоких участков на низкие, разравнивая бугорки и заполняя углубления. Сделаем это, и вода будет двигаться вниз, то есть ее энергия уменьшится. Отсюда вывод: если поверхность отлична от плоской, значит, энергия не минимальна. Иначе говоря, минимальное значение энергии достигается лишь при условии плоской поверхности.
Другой пример – это мыльный пузырь. Почему он круглый? Ответить на этот вопрос можно, сравнив его реальную круглую форму и гипотетическую некруглую. В чем между ними различие? Кроме того, что один круглый, а другой нет? Согласно греческой легенде, Дидоне предложили участок земли (в северной Африке) такой площади, какой она могла обложить бычьей шкурой. Она разрезала шкуру на длинную и тонкую полосу и выложила ее кругом. Позже на том месте был основан Карфаген. Почему она выбрала круг? Потому что из всех фигур с равным периметром именно круг обладает наибольшей площадью. А сфера точно так же имеет наибольший объем среди фигур с равной площадью поверхности. Или, другими словами, это фигура с наименьшей площадью поверхности при равном объеме. Пузырь имеет ограниченный объем воздуха, а площадь поверхности дает мыльной пленке энергию для растяжения этой поверхности. В пространстве всех возможных форм пузырей наименьшей энергией обладает сфера. У других форм энергия больше, и поэтому все они исключаются.
Вероятно, вам кажется, что пузыри – это не столь важная проблема. Но аналогичный принцип объясняет, почему Круглый мир (планета, а не вселенная, хотя, возможно, и вселенная тоже), собственно, круглый. Будучи когда-то расплавленным камнем, он принял сферическую форму, так как она имела наименьшую энергию. По той же причине тяжелые материалы, такие как железо, осели внутрь ядра, а более легкие, такие как континенты и воздух, всплыли наружу. На самом деле Круглый мир – это не совсем сфера, ведь он вращается, в результате чего центробежные силы привели к утолщению в районе экватора. Величина этого утолщения составляет всего треть процента, и для жидкой массы, вращающейся с такой же скоростью, с какой вращалась Земля, когда начала затвердевать, эта утолщенная форма обладает наименьшей энергией.
Для основной идеи настоящей книги физика не столь важна, как применение различных фазовых пространств с позиции «А что, если…». Обсуждая форму воды в бассейне, мы совсем проигнорировали ту плоскую поверхность, которую и пытались объяснить. Все наши аргументы основывались на неплоских поверхностях, горках, углублениях и гипотетических перемещениях воды с одного места на другое. Почти во всех рассуждениях мы подразумевали то, чего на самом деле произойти не может. Лишь в самом конце, исключив все неплоские поверхности, мы обнаружили, что осталась всего одна возможность, которой вода и пользуется в действительности. То же касается и мыльных пузырей.
На первый взгляд такой способ изучения физики кажется слишком косвенным. Он исходит из того, что для понимания реального мира его нужно игнорировать и акцентировать внимание на альтернативных нереальных мирах. Затем находить некий принцип (в конкретном случае им послужила минимальная энергия), который позволяет исключить все нереальные миры и рассматривать то, что осталось. Не легче ли сразу начать с реального мира и сосредоточиться лишь на нем? Нет, не легче. Как мы уже выяснили, реальный мир слишком ограничен, чтобы давать убедительные доказательства. От него можно получить лишь объяснение вроде «мир таков, каков он есть, и больше тут не о чем говорить». Однако если совершить воображаемый скачок к осмыслению нереальных миров, их можно сравнить с реальным и найти принцип, выделяющий его среди остальных. Тогда вы найдете ответ на вопрос «почему мир таков, каков он есть, а не какой-нибудь другой?».
Сравнивать и исключать альтернативные варианты – прекрасный способ искать ответы на все эти «почему». «Почему вы припарковали машину в переулке за углом?» – «Потому что если бы я припарковал ее прямо перед воротами на двойной желтой линии, инспектор выписал бы мне штраф». Это типичное «почему» является частью истории, кусочком вымысла – гипотетическим осмыслением возможных последствий действия, которое никогда не было совершено. Люди придумали собственный рассказий, чтобы было легче исследовать В-пространство, или пространство «вместо». Благодаря повествованию у В-пространства появляется своя география: если бы я сделал это вместо того, то произошло бы…
В Плоском мире фазовые пространства реальны. Вымышленные альтернативы к единственному действительному состоянию тоже существуют, можно даже попасть внутрь фазового пространства и побродить там – если, конечно, знаете нужные заклинания, секретные входы и прочую магическую атрибутику. Б-пространство наглядно это демонстрирует. В Круглом мире мы можем притвориться, будто фазовые пространства существуют, и даже вообразить, будто используем его географию. Это притворство в результате оказалось весьма поучительным.
То, что связано с любой физической системой, становится фазовым пространством, или пространством возможностей. Если рассматривать Солнечную систему, то ее фазовое пространство включает в себя все возможные способы расположить одну звезду, девять планет, значительное количество звезд и огромное множество астероидов. Если рассматривать кучу песка, то ее фазовое пространство включает в себя все возможные варианты расположения миллионов песчинок. Если рассматривать термодинамику, то ее фазовое пространство включает в себя все возможные расположения и скорости большого количества молекул газов. В действительности у каждой молекулы имеется по три координаты места и по три координаты скорости, так как они находятся в трехмерном пространстве. То есть у N молекул получается 6N координат. Если взять партию в шахматы, то фазовое пространство будет состоять из всех возможных положений фигур на доске. Если взять все возможные книги, то фазовым будет Б-пространство. А если же взять все возможные вселенные, то это будет В-пространство. Каждая его «точка» – это целая вселенная (и чтобы вместить ее, вам нужно придумать мультивселенную).
Когда космологи думают об изменении естественных постоянных – как мы описывали во второй главе, касаясь углеродного резонанса, возникающего на звездах, – они думают лишь об одном крошечном и довольно очевидном кусочке В-пространства, который можно извлечь и из нашей вселенной, изменив фундаментальные постоянные, но сохранив в силе законы. Существует бесконечное множество способов создать альтернативную вселенную: от вселенных со 101 измерением и абсолютно иными законами до идентичных нашей, только с шестью атомами диспрозия в ядре звезды Процион, которые превращаются в йод по четвергам.
Из этого примера становится очевидным, что фазовые пространства, прежде всего, имеют достаточно крупные размеры. В действительности же вселенная – это лишь крошечная частичка того, чем могла быть вместо этого. Представьте на мгновение, что на парковке сто мест, а машины на ней могут быть красными, синими, зелеными, белыми или черными. Сколько тогда окажется машин каждого из цветов, если все места будут заняты? Неважно, каких они марок, хорошо ли или плохо припаркованы, – сконцентрируйтесь только на их цвете.
Математики называют данный тип задач «комбинаторикой» и для их решения используют несколько разумных способов. Грубо говоря, комбинаторика – это искусство считать без фактических подсчетов. Много лет назад один наш знакомый математик случайно заметил, как ректор считает лампочки на потолке лекционного зала. Те были расположены в форме идеальной прямоугольной сетки, 10 на 20. Ректор смотрел на потолок и считал: 49, 50, 51…
– Их двести, – сказал математик.
– Откуда вы знаете?
– Ну, они составляют прямоугольник 10 на 20. Если перемножить, то получается 200.
– Нет, нет, – ответил ректор. – Я хочу знать точно.
Но вернемся к нашим машинам. У нас пять цветов, и каждое место на парковке может быть занято только одним из них. Значит, первое место имеет пять вариантов цветов, второе – тоже пять и так далее. Любой вариант заполнения первого места может сочетаться с любым вариантом заполнения второго, тогда первые два места могут быть заняты 5×5=25 вариантами. Каждый из них может сочетаться с любым из пяти вариантов заполнения третьего места, таким образом уже получается 25×5=125 возможностей. В итоге получится, что количество вариантов, которыми можно занять парковку, будет составлять 5×5×5 … ×5, со ста пятерками. Это 5100, что отнюдь не мало. Если быть точным, то это
78886090522101180541172856528278622
96732064351090230047702789306640625
(мы разбили это число на две строки, чтобы оно поместилось на ширине страницы), то есть состоит из 70 цифр. Кстати, компьютеру понадобилось около пяти секунд, чтобы получить это число, и примерно 4,999 из них потребовалось на ввод соответствующей команды. Остальное время занял вывод результата на экран. Так что теперь вы понимаете, почему комбинаторику называют искусством считать без фактических подсчетов. Если бы вы просто начали считать: 1, 2, 3, 4 …, то вы бы не скоро закончили. Так что ректору повезло, что он не был начальником парковки.
Насколько велико Б-пространство? Библиотекарь сказал, что оно бесконечно, и это утверждение истинно, если под бесконечностью вы подразумеваете «число, гораздо большее того, что можно представить», если вы не ставите верхнего предела для объема книг или если вы допускаете все возможные алфавиты, слоговые азбуки и пиктограммы. Если же принимать во внимание только книги стандартного размера на английском языке, то их предположительное количество можно снизить.
Средняя книга содержит около 100 000 слов или 600 000 символов (букв и пробелов, знаки препинания учитывать не будем). В английском алфавите 26 букв плюс пробел, то есть 27 символов, которые занимают 600 000 возможных позиций. Принцип подсчета, который мы применили в задаче о парковке, свидетельствует о том, что максимальное количество букв с такими параметрами составит 27600000, а это, грубо говоря, 10860000 (или 860000-значное число). Разумеется, большинство этих «книг» будет иметь мало смысла, потому что мы не поставили условия, чтобы буквы складывались в понятные слова. Если допустить, что словарный запас книги будет составлять 10 000 слов, и попробовать посчитать способы расположения 100 000 слов, то книг останется 10 000100000, что равняется 10400000, а это хоть и значительно меньше, но по-прежнему невероятно много. При этом большинство из них все равно будут лишены смысла, в них было бы написано что-то наподобие: «Капустный патроним забыл запрещать вражеская сущность». Поэтому, наверное, стоит еще просчитать с учетом возможных предложений… Но даже если мы это сделаем, получится, что на то, чтобы вместить все эти книги в физическом виде, не хватит всей вселенной. Зато здесь на помощь приходит Б-пространство, и мы теперь знаем, почему на полках никогда не бывает достаточно места. Нам приятно думать, что наши видные библиотеки, такие как Британская библиотека или Библиотека Конгресса, достаточно велики. Но на самом деле объем ныне существующих книг – это лишь крошечная часть Б-пространства, всех книг, которые могут существовать. И вообще, мы никогда не напишем все эти книги.
Точка зрения Пуанкаре о фазовом пространстве оказалась настолько полезной, что сегодня ее можно обнаружить в любой области науки – и не науки тоже. Больше всего фазовых пространств приходится на экономику. Допустим, национальная экономика охватывает миллионы различных товаров, включающих сыры, велосипеды, крыс на палочке и так далее. У каждого из них есть своя цена: скажем, кусок сыра стоит 2,35 фунта, велосипед – 499,99, крыса на палочке – 15. То есть состояние экономики представляет собой список из миллиона чисел. Фазовое пространство состоит из всех возможных списков, включая те, у которых вообще нет никакого экономического смысла. Например, список, согласно которому велосипед стоит 2 пенса, а крыса 999 999 999,95 фунта. Экономисты занимаются тем, чтобы определять принципы, по которым выбираются действительные списки из пространства всех возможных.
Классическим принципом этого выбора является закон спроса и предложения, который гласит: если товар дефицитен, а вы очень-очень хотите его приобрести, то цена на него повышается. Иногда так и происходит, впрочем, нередко случается наоборот. Поиски таких законов напоминает черную магию, а их результаты не вполне убедительны, но это свидетельствует лишь о сложности экономической науки. И, несмотря на неутешительные результаты, образ мыслей всякого экономиста представляет собой точку зрения фазового пространства.
Следующая коротенькая история демонстрирует, насколько экономическая теория далека от реальности. Основой общепринятой экономики является представление о рациональном агенте, обладающем самой точной информацией и максимизирующем полезность. Согласно такому предположению, таксист, например, будет организовывать свою работу так, чтобы заработать максимальную сумму денег, приложив минимальные усилия.
Доход таксиста зависит от нескольких обстоятельств. В лучшие дни, когда у него много пассажиров, он зарабатывает хорошо. В плохие дни – нет. Следовательно, рациональный таксист должен дольше работать в хорошие дни и пораньше заканчивать в плохие. Однако исследование работы нью-йоркских таксистов, проведенной Колином Кэмерером, дало совершенно противоположные результаты. Похоже, таксисты устанавливают для себя дневную норму и прекращают работу, как только достигают нужной отметки. Поэтому они меньше работают в хорошие дни и больше – в плохие. Если бы они работали одинаковое количество часов каждый день, то могли бы увеличить свой доход на 8 %, не увеличивая средней продолжительности рабочего дня. А если бы работали дольше в хорошие дни и меньше в плохие, то их доход вырос бы на 15 %. Но у них не столь хорошо развита интуиция для выбора экономического фазового пространства, чтобы так поступать. Им, как и многим другим людям, свойственно придавать слишком большое значение настоящему и мало заботиться о будущем.
Насыщена фазовыми пространствами и биология. Первым широкое распространение получило ДНК-пространство. Связанное с каждым живым организмом, оно является его геномом, цепочкой химических молекул, называющихся ДНК. Молекула ДНК имеет форму двойной спирали, то есть представляет собой две спирали, закрученные вокруг общего ядра. Каждая спираль состоит из цепочек «оснований», или «нуклеотидов», которые могут быть четырех видов: цитозин, гуанин, аденин, тимин. Как правило, они обозначаются буквами Ц, Г, А и Т, соответственно. Последовательности двух цепочек комплеменарны: если Ц оказывается в одной спирали, то во второй обязательно будет Г, и то же самое с А и Т. То есть ДНК содержит две копии последовательностей, так сказать, одну положительную и одну отрицательную. Говоря абстрактно, геном можно представить последовательностью этих четырех букв типа ААТГГЦЦТЦАГ… которая может быть достаточно длинной. Геном человека, к примеру, содержит порядка трех миллиардов букв.
Фазовое пространство для геномов, или ДНК-пространство, состоит из всех возможных последовательностей заданной длины. Если говорить о человеке, то ДНК-пространство будет включать в себя все возможные последовательности из трех миллиардов букв Ц, Г, А и Т. Насколько оно велико? Выражаясь математическим языком и по аналогии со случаем с машинами на парковке, ответ таков: 4×4×4 × … ×4, с тремя миллиардами четверок. То есть 43000000000. Это число гораздо больше того 70-значного, что мы получили в задаче о парковке. И гораздо больше количества стандартных книг в Б-пространстве. В нем около 1 800 000 000 цифр. Если вы запишете его, помещая на каждой странице по 3000 цифр, вам понадобится тетрадь с 600 000 листами, чтобы все это вместить.
Представление о ДНК-пространстве весьма полезно для генетиков, занимающихся изучением возможных изменений в последовательностях ДНК, таких как «точечные мутации», при которых меняется всего одна буква кода, скажем, в результате ошибки при копировании. Или воздействия высокоэнергетического космического луча. В частности, вирусы мутируют так стремительно, что нет смысла говорить о зараженных особях как о чем-то постоянном. Вместо этого биологи называют их квазивидами и представляют их как группы родственных последовательностей в ДНК-пространстве. Эти группы по прошествии времени перемещаются, но держатся вместе, что позволяет вирусу сохранить свою индивидуальность.
За всю историю человечества жило не более десяти миллиардов людей – всего лишь 11-значное число. Это неимоверно крошечная часть от всех тех возможностей. То есть люди использовали лишь крупинку ДНК-пространства, как и книги использовали лишь крупинку Б-пространства. Разумеется, самые интересные вопросы не столь просты. Большинство буквенных последовательностей не складывается в книгу, начиненную смыслом, а большинство цепочек ДНК не подходят для жизнеспособного организма, не говоря уже о человеке.
Вот мы и подошли к критической точке фазовых пространств. В физике разумно допускать, что имеющее смысл фазовое пространство можно «предопределить», прежде чем задаваться вопросом, насколько оно отвечает системе. В воображаемом фазовом пространстве мы можем представить себе любую расстановку небесных тел в Солнечной системе. У нас нет технической возможности, чтобы это осуществить, но представить такое нам не составляет труда, к тому же у нас нет физических причин, чтобы исключать какую-либо расстановку из нашего рассмотрения.
Когда дело касается ДНК, важнейший вопрос заключается не в этом огромном пространстве всех возможных последовательностей. Почти все они не подходят какому-либо организму, пусть даже мертвому. Что нам действительно нужно рассмотреть, это «жизнеспособное ДНК-пространство», то есть пространство всех цепочек ДНК, которые могут принадлежать жизнеспособным организмам. Это невероятно сложная, но очень маленькая часть ДНК-пространства, и нам не известно, что она из себя представляет. Мы понятия не имеем, как можно рассмотреть гипотетическую последовательность ДНК и определить, подходит ли она для жизнеспособного организма или нет.
Та же проблема возникает в отношении Б-пространства, но здесь одна особенность. Грамотный человек, взглянув на последовательность букв и пробелов, может определить, содержит ли она историю или нет; он знает, как «прочитать» код и понять заключенный в нем смысл, если владеет языком, на котором тот написан. Он даже может попытаться решить, хорошая она или плохая. Однако мы не знаем, как развить эту способность для компьютеров. Правила, которыми руководствуется наш разум, чтобы распознавать истории, заложены в сети нервных клеток в наших мозгах. Никому еще не удавалось эти правила выразить. Мы не знаем, как охарактеризовать параметры читаемых книг в Б-пространстве.
В случае с ДНК проблема усугубляется еще и тем, что нет никакого определенного правила, которое «переводило» бы код ДНК в организм. Раньше биологи считали, что такой должен существовать, и возлагали большие надежды на изучение этого «языка». Тогда ДНК реального (потенциального) организма представляла бы собой закодированную последовательность, сообщавшую связную историю о биологическом развитии, а все остальные последовательности были бы просто тарабарщиной. В действительности же биологи предполагали, что смогут посмотреть на цепочку ДНК тигра и увидеть в ней фрагменты, отвечающие за полоски, когти и так далее.
Это было довольно оптимистично. На данный момент мы можем увидеть кусок ДНК, отвечающий за белки, из которого сделаны когти, или кусок, отвечающий за оранжевые, черные и белые пигменты, которые окрашивают шерсть полосками – но все это очень далеко от нашего понимания истории ДНК. Сейчас становится ясно, что в развитии организма также участвуют многие факторы, не имеющие отношения к генетике, поэтому «языка», который переводил бы ДНК в живые создания, не может существовать в принципе. К примеру, ДНК тигра превращается в тигренка только при наличии яйцеклетки матери. При такой же ДНК и яйцеклетке мангуста никакого тигра не получится.
Хотя, возможно, это лишь техническая проблема: что для каждого кода ДНК существует уникальный вид материнского организма, который превращает его в живое создание, поэтому форма этого создания все же заложена в коде. Но теоретически, по крайней мере, один и тот же код ДНК может создать два абсолютно разных организма. Пример этого мы приводим в книге «Гибель хаоса», в которой развивающийся организм впервые «видит», в чреве какой матери находится, а затем выбирает путь развития в зависимости от увиденного.
Гуру сложных задач Стюарт Кауффман поставил эту проблему еще на один уровень выше. Он указывает, что если в физике мы можем предопределить фазовое пространство системы, то в биологии этого никогда не будет возможным. Биологические системы более креативны, чем физические: организация материи внутри живых созданий имеет иную качественную природу, чем в неорганических материях. В частности, организмы способны эволюционировать, после чего, как правило, они становятся еще более сложными. Например, рыбоподобные предки людей были гораздо проще, чем мы. (Мы не устанавливали мер сложности, но это утверждение верно в случаях с большинством таких разумных мер, поэтому давайте не будем углубляться в понятия.) Эволюция не всегда сопровождается повышением сложности, но когда так случается, это совсем сбивает нас с толку.
Кауффман противопоставляет две системы. Первая – традиционная для физики термодинамическая модель, состоящая из N молекул газа (имеющих вид жестких сфер), перемещающихся в 6N-мерном фазовом пространстве. Это пространство известно нам заранее, и мы можем точно определить его динамику и вывести основные законы. Среди них присутствует и второй закон термодинамики, который утверждает, что с высочайшей долей вероятности по прошествии времени система станет менее упорядоченной и молекулы равномерно распространятся по вмещающему их пространству.
Вторая система – это «биосфера», или эволюционирующая экология. В этом случае с используемым фазовым пространством не все ясно. Потенциальные возможности либо слишком велики, либо слишком ограниченны. Допустим на мгновение, что давняя мечта биологов сбылась и язык ДНК живых организмов оказался правдой. Тогда мы могли бы использовать пространство ДНК как наше фазовое пространство.
Однако, как мы только что увидели, лишь крошечная и запутанная часть этого пространства представляет реальный интерес – правда, нам не известно, какая именно это часть. Если сюда добавить то, что такого языка, возможно, и не существует вовсе, то весь этот метод рассыпается в прах. С другой стороны, если фазовое пространство слишком мало, то обоснованные изменения могли бы вообще вывести организмы за его пределы. Например, пространство тигра можно было определить по количеству полосок на теле большой кошечки. Но если котик однажды эволюционирует и вместо полосок у него появятся пятна, для этого не останется места в тигрином фазовом пространстве. Конечно, это уже не тигр… хотя его мать и была тигрицей. Мы не можем разумно исключать такие новшества, если хотим понять реальную биологию.
Организмы эволюционируют, претерпевают изменения. Иногда эволюцию можно рассматривать как открытие новых участков фазового пространства, которые просто сидели и ждали этого, не занятые другими организмами. Если окрас и узор на теле насекомого чуть-чуть изменятся, то мы увидим открытие новых участков определенного «пространства насекомого». Но если у него появится совершенно новая особенность, например крылья, то кажется, что само фазовое пространство претерпело изменения.
Отразить феномен новшества в математической формуле весьма непросто. Математики любят предопределять пространство возможностей, но вся суть новшеств состоит в открытии новых возможностей, которые ранее были скрыты из виду. Поэтому Кауффман считает, что ключевым свойством биосферы является невозможность предопределения его фазового пространства.
Несмотря на риск намутить воду, стоит заметить, что даже в физике предопределить его не так просто, как может казаться. Что происходит с фазовым пространством Солнечной системы, когда ее небесные тела разрушаются или соединяются? Луна, предположительно, отделилась от Земли после столкновения с телом, размер которого был близок к размеру Марса. До этого события в фазовом пространстве Солнечной системы не было координаты, соответствующей Луне – она появилась потом. То есть оно расширилось с появлением Луны. Фазовые пространства физики всегда подразумевают определенный контекст. В физике такие предположения обычно устраняются сами собой. В биологии – нет.
Есть в физике и еще одна проблема. Например, то 6N-мерное фазовое пространство в термодинамике довольно велико. Оно включает в себя состояния, не относящиеся к физике. Из-за странностей математики законы движения упругих сфер не описывают того, что происходит при одновременном столкновении трех и более из них. Поэтому мы вынуждены исключить из этого простого и красивого 6N-мерного пространства все возможные условия, при которых происходит тройное столкновение где бы то ни было – в будущем или прошлом. Об этих условиях нам известны четыре факта. Они случаются очень редко. Они могут случаться. Они образуют чрезвычайно сложное облако точек в фазовом пространстве. И наконец, решительно невозможно определить на практике, можно ли исключить заданные условия или нет. Если бы эти не относящиеся к физике состояния были хоть чуть более распространены, то предопределить фазовое пространство в термодинамике было бы так же трудно, как и в биосфере. Но они являются лишь незримо малой долей, и мы можем позволить себе их игнорировать.
Тем не менее определенный шанс приблизиться к предопределению фазового пространства биосферы существует. Пусть мы не умеем предопределять пространство всех возможных организмов, зато нам по силам взглянуть на любой конкретный организм и, по крайней мере, теоретически сказать, какие потенциальные изменения могут с ним произойти. Это называется пространством смежных возможностей, то есть локальным фазовым пространством. Тогда инновация становится процессом расширения смежных возможностей. Это вполне разумно и привычно. Но, что более спорно, Кауффман предполагает захватывающую вероятность того, что могут существовать общие законы, которые регулируют подобные расширения и совершенно противоположные известному второму закону термодинамики. На самом деле второй закон гласит, что термодинамические системы упрощаются с течением времени, и все наиболее интересные структуры «размываются» и исчезают. Согласно предположению Кауффмана, напротив, биосфера расширяется в пространстве смежных возможностей с максимальной скоростью, при которой сохраняется ее биологическая система. В биологии инновации происходят максимально быстро.
В более общем смысле Кауффман распространяет эту идею на все системы, состоящие из «автономных агентов». Автономный агент представляет собой обобщенную жизненную форму, определяемую двумя свойствами: он может размножаться и способен вынести как минимум один термодинамический рабочий цикл. Рабочий цикл проходит за время, когда система выполняет работу и возвращается в исходное положение, готовая проделать то же самое. Иными словами, система питает энергию из окружающей среды и трансформирует ее в работу, причем таким образом, чтобы в конце цикла возвращаться в свое исходное состояние.
Человек – это автономный агент. Как и тигр. А огонь – нет: он размножается, распространяясь на ближайшие горючие материалы, но не выполняет рабочий цикл. Он превращает химическую энергию в огонь, но, как только что-либо сгорает, оно не может сгореть во второй раз.
Эта теория автономных агентов вписывается в сам контекст фазовых пространств. Без этого понятия ее даже нельзя описать. И в этой теории мы видим первую возможность общего понимания принципов, как и зачем организмы усложняют себя. Мы начинаем определять лишь то, что заставляет жизненные формы вести себя совсем не так рутинно, как им предписано вторым законом термодинамики. Мы рисуем картину вселенной как источника вечно возрастающей сложности и организации, а не наоборот. Мы постигаем, почему живем в интересной, а не скучной вселенной.
