В предыдущих главах, говоря об изобилии пространства и времени, мы пришли к четырем фундаментальным выводам. Во-первых, Вселенная невероятно богата. Во-вторых, мы можем пользоваться лишь малой частью ее богатств. В-третьих, для наших целей более чем достаточно и их. В-четвертых, мы даже эти богатства используем далеко не полностью — есть еще много возможностей для развития.

В новой главе мы исследуем изобилие материи и энергии и вновь придем к этим четырем фундаментальным выводам.

Начнем с некоторых сравнений, чтобы получить меру космической энергии в человеческих масштабах. Взрослый человек потребляет в среднем 2000 калорий в день. Примерно такая же энергия требуется для непрерывной работы 100-ваттной лампочки. За год это составляет 3 миллиарда джоулей. (Один джоуль энергии обеспечивает мощность в 1 ватт в течение одной секунды, а в году около 30 миллионов секунд.) Давайте назовем это «годовой энергией человека» — ГЭЧ. Из нее около 20% используется для поддержания деятельности мозга.

В 2020 году мировое потребление энергии составило примерно 1,9 × 10¹¹, или 190 миллиардов ГЭЧ. Поскольку население Земли достигло около 7,5 миллиарда человек, на одного человека приходится примерно 25 ГЭЧ энергии. Это число — 25 — представляет собой отношение общей потребляемой энергии к количеству, используемому в процессе естественного метаболизма. Это объективная мера того, насколько далеко люди продвинулись в экономическом плане, не довольствуясь лишь прожиточным минимумом. В частности, американцы потребляют примерно 95 ГЭЧ на человека.

Энергии, которую наше Солнце вырабатывает за год, достаточно, чтобы обеспечить каждого человека примерно 500 триллионами ГЭЧ. Это намного больше, чем 25 и даже 95; таким образом, теоретически у нас остаются огромные возможности для экономического роста, если мы сможем осваивать больше энергии, вырабатываемой Солнцем.

Естественно, солнечный свет распространяется во всех направлениях. Чтобы получить больше того, что мы собираем сейчас, нам пришлось бы потратить много времени и ресурсов и разместить в космосе гигантские устройства для сбора солнечной энергии. Фримен Дайсон с коллегами предложили инженерные решения подобных устройств, которые назвали сферами Дайсона.

Если мы скромно ограничимся той частью солнечной энергии, которая попадает на Землю сейчас, то обнаружим, что даже она примерно в 10 000 раз больше всего нашего нынешнего энергопотребления. Это число позволяет более реалистично оценить резервы солнечной энергии. Даже без сфер Дайсона у нас все еще есть огромный потенциал для роста.

Здесь мы рассмотрели солнечную энергию. Ранее мы пришли к выводу, что наше Солнце — лишь одна из многих звезд. Вселенная как целое обладает гораздо большим количеством энергии, чем люди в обозримом будущем смогут потребить. Пока мы можем лишь собирать крупицы этих сокровищ, чем и занимаются астрономы. Они если и не обогащают нашу экономику, то точно развивают наш разум.

Это еще раз доказывает: утверждение, что материи и энергии много, вполне объективно. Их более чем достаточно, чтобы создавать такие сложные и динамичные объекты, как человек, и обеспечивать ресурсами его чрезвычайно обширную повестку дня.

Мы поняли, что для целей, которые ставят перед собой люди, во Вселенной достаточно энергии. Теперь рассмотрим с более фундаментальной точки зрения, почему ее достаточно.

Для этого ответим на два основных вопроса.

Первый вопрос можно рассматривать на разных уровнях. Попытавшись дать точное определение «целям человека», мы рискуем быстро утонуть в мрачных глубинах туманной метафизики. Но если мы посмотрим с физической точки зрения, что же существенного в том, что люди делают и для чего живут, то ответ будет даже более ясным, чем вопрос. На этом уровне краеугольный камень — динамическая сложность. Хотя у ученых нет консенсуса в вопросе, как именно определять сложность, мы «узнаем ее, когда увидим» на примерах наподобие следующих.

• Чтобы учиться и думать, мы меняем схемы связей, секреции и электрических импульсов в мозгу. Чтобы воспринимать мир, мы конвертируем входящие последовательности сигналов электромагнитного излучения (зрение), колебания давления воздуха (слух), локальную химию окружающих объектов (вкус и запах) и некоторые другие потоки данных в «единую валюту» мозговой активности. Чтобы двигаться и воздействовать на окружающие объекты, мы используем силу мышц, работающих за счет синхронизированного сокращения упорядоченных белковых молекул.

• При возведении храмов, синагог и мечетей люди составляют планы, собирают материалы, используют инструменты и оборудование, а также нанимают строителей и художников для создания сложной, «искусственной», «духовной» среды.

• Музыка и обряды — выражения динамической сложности в чистом виде.

В основе всего этого лежат сложные материальные структуры, меняющиеся во времени. В разных случаях структурированная материя принимает разные формы, начиная от нейронных сетей и заканчивая колебаниями воздуха, и включает разные элементы: инструментарий, символы, воспоминания, сигналы, инструкции, а также нас самих. Динамическая сложность — глубинная структура, лежащая в основе всего этого.

На протяжении большей части биологической и человеческой истории физическая реализация динамической сложности зависела от образования и разрыва огромного количества химических связей с использованием энергии Солнца. Сегодня открываются другие возможности, о которых я расскажу позже. Но образование и разрыв химических связей с помощью солнечной энергии — по-прежнему главный способ, и мы должны начать обсуждение с него.

У атомов множество функций, делающих их отличными строительными блоками для самых замысловатых творений.

• Существует много видов атомов, по одному на каждый химический элемент. Все атомы конкретного элемента практически идентичны. Таким образом, в нашем распоряжении есть широкий ассортимент взаимозаменяемых деталей.

• Атомы доступны в огромном количестве. Напомню, человеческое тело содержит примерно октиллион (10²⁷) атомов, то есть больше, чем звезд в видимой Вселенной.

• Согласно правилам квантовой теории и законам электродинамики, атомы могут объединяться в более крупные единицы — молекулы и соединяться химическими связями.

Чтобы понять, как эти фундаментальные факты при благоприятных условиях могут привести к динамической сложности в больших масштабах, нам нужно осмыслить две важные концепции: комбинаторный взрыв и условную стабильность.

Комбинаторный взрыв в своей простейшей форме — резкий рост числа возможных вариантов, когда делается несколько независимых выборов. Например, заполнив девять разных клеточек любыми из десяти цифр, я могу получить числа 000 000 000, 000 000 001, 000 000 002… 999 999 999 — всего миллиард, то есть 10⁹ различных комбинаций. Десять и девять — маленькие числа, но 10⁹ — уже довольно большое. Такова сущность комбинаторного взрыва.

В ДНК мы можем выбрать любое из четырех азотистых оснований нуклеотидов (гуанин, аденин, тимин, цитозин, сокращенные обозначения — G, A, T, C) и прикрепить его в любом месте вдоль длинного сахаро-фосфатного остова (таких мест много тысяч). Точно так же при строительстве белков двадцать различных аминокислотных оснований прикрепляются к стандартным полипептидным цепям разной длины. Подобная архитектура обеспечивает возможность комбинаторных взрывов того же типа, что и при комбинациях из десяти чисел, только теперь элементов или 4, или 20. Таким образом, в последовательностях ДНК могут записываться невероятные объемы информации. Существует огромное количество белков, которые обеспечивают структурные и функциональные строительные блоки для живых организмов. Эти белки очень разнообразны по размерам и форме, и, соответственно, разнятся их механические и электрические свойства.

Молекулы других видов, как органические, так и неорганические, могут разветвляться, собираться в мембраны, образовывать петли или регулярные кристаллические структуры и проделывать многое другое. Это богатство возможностей приводит к комбинаторному взрыву комбинаторных взрывов. Всего один грамм вещества содержит миллиарды миллиардов атомов — и материала для обеспечения сложности в больших масштабах более чем достаточно. Поэтическая метафора Уильяма Блейка с «бесконечностью на ладони» имеет вполне научную основу.

Чтобы реализовать потенциал этого материала, мы должны уметь собирать из него структуры. Мы хотим, чтобы наши атомные строительные элементы так же, как игрушечные кубики Lego, или блоки конструктора Tinker, или используемые на уроках химии модели атомов и молекул в виде шариков и палочек, легко соединялись друг с другом, легко разбирались, но не рассыпались. Это ключевое свойство, то есть условная стабильность, требует правильного баланса стабильности и изменчивости.

Химики изучают вопрос, что именно осуществимо с точки зрения молекулярной сложности, а биологи — вопрос, что же реализовано на деле. Их работа бесконечна и увлекательна. Идя на радикальные упрощения, я надеюсь на их снисходительность и чувство юмора. Здесь я опишу только то, чего достаточно просто для понимания, а именно как во Вселенной и, в частности, в системе Солнце — Земля «объединяются усилия» и как это делает создание причудливых структур материи возможным.

У условной стабильности три важнейших «ингредиента»: высокая температура, низкая температура и масштаб промежуточной энергии. Высокая температура — на поверхности Солнца, около 6000°C. Низкая — на поверхности Земли, примерно 20°C. Промежуточная энергия — это количество энергии, необходимое для образования или разрыва типичной химической связи. Оно составляет примерно один электронвольт.

При температурах около 20°C молекулы остаются гибкими, но химические связи разрываются нечасто, поскольку соответствующая тепловая энергия редко достигает электронвольта. С другой стороны, фотоны, приходящие с поверхности Солнца, концентрируют в себе энергию, часто превышающую электронвольт. Они способны разрывать химические связи. Взаимодействие между этим в меру холодным, но не замораживающим фоном и доступной, но не чрезмерной концентрированной энергией позволяет перестраивать молекулярные структуры, хотя и не слишком легко. Такая условная стабильность, доступная нам на Земле, — как раз то, что с точки зрения физики нужно для образования динамической сложности.

Чтобы завершить разговор об огромном потенциале для образования динамической сложности и о том, как она реализуется на Земле, нам нужно понять, основываясь на фундаментальных принципах, как Солнцу удается выполнять свою роль. Но сначала давайте сделаем паузу и откалибруем нашу собственную динамическую сложность.

Основные блоки, из которых состоит человеческий мозг, — нейроны. Их число составляет примерно сто миллиардов, то есть 100 000 000 000, или 10¹¹. Это намного меньше октиллиона, но все еще невообразимо много. Примерно столько в нашей Галактике звезд.

Каждый нейрон представляет собой очень эффективное маленькое устройство, обрабатывающее информацию, и связан с другими. Типичные нейроны могут образовывать сотни и даже тысячи таких связей. Большая часть информации, которую мы получаем, кодируется путем изменения силы этих связей — те, которые соответствуют полезным шаблонам поведения, усиливаются, а бесполезным — ослабляются. Максимальное количество связей возникает в возрасте от двух до трех лет, а максимальная сложность — позже, после селективного отбора связей.

Если мы рассмотрим возможные способы соединения такого количества нейронов, то получим головокружительные цифры, намного превышающие октиллионы. В наших черепах происходят взрывающие мозг комбинаторные взрывы. Так что нас не должно поражать, что это невообразимое количество нейронов, образующих такие причудливые шаблоны, во взаимодействии может создавать удивительные вещи.

В Уолте Уитмене действительно было множество миров. И во мне тоже. И в вас.

Солнце работает на ядерном топливе. Это гигантский термоядерный реактор. Процесс ядерного горения, благодаря которому Солнце существует, состоит в превращении водорода в гелий. Атом водорода содержит один протон и один электрон. Атом гелия содержит два протона, два нейтрона и два электрона. На Солнце цепочка реакций приводит к превращению четырех атомов водорода в один атом гелия плюс два нейтрино, при этом высвобождается энергия.

Если вы вспомните наше обсуждение распада нейтрона в , то можете подумать, что только что нашли опечатку. Там мы видели, что изолированные нейтроны хотят превратиться в протоны. Этот процесс высвобождает энергию, потому что нейтроны немного тяжелее протонов. В нашем описании реакций горения на Солнце происходит обратное — протоны превращаются в нейтроны. Но это не опечатка. В ядре гелия протоны и нейтроны притягиваются друг к другу из-за сильного взаимодействия. Собирая вместе эти частицы, можно получить много энергии. Таким образом, протоны могут превращаться в связанные нейтроны с выделением энергии.

Превращение протонов в нейтроны и наоборот требует участия слабого взаимодействия. Как мы обсуждали ранее, это делает распад нейтрона медленным процессом по стандартам физики элементарных частиц. При ядерных реакциях на Солнце действие слабого взаимодействия сильно замедляется. В этом процессе перед превращением частиц необходимо сначала их сблизить. Но такие «встречи» редки, поэтому время превращения накапливается медленно — в среднем протоны на Солнце превращаются в связанные нейтроны за миллиарды лет. Именно поэтому, к счастью, топлива на Солнце хватит еще надолго. С другой стороны, количество водорода так велико, что даже при медленном его сжигании Солнце продолжит светить.

Завершим разговор о том, как на Земле возникает динамическая сложность, соотнеся этот процесс с основными физическими принципами. Хорошо понимая общую картину материальной реальности, мы видим, что динамическая сложность лежит в основе биологии и в конечном счете психологии и экономики.

Каждая из четырех фундаментальных сил играет в этой истории свою роль, и все они решающие. Гравитация удерживает Землю на оптимальном расстоянии от Солнца — таком, где достигается равновесная температура. Электромагнитная сила — квантовая электродинамика — соединяет атомы в молекулы. Сильное взаимодействие — квантовая хромодинамика — обеспечивает притяжение, делающее возможным ядерное горение. А благодаря слабому взаимодействию ядерное горение происходит медленно.

Принцип, согласно которому человеческая деятельность выражается через потоки информации в динамически сложной системе, а не через детальные химические и физиологические описания, расширяет кругозор и освобождает сознание. Он наталкивает на мысль, что разумные существа могут появиться и в других уголках Вселенной, и подготавливает к тому, что мы должны включить их в свой круг эмпатии.

Для благополучного существования нам требуются особые условия, в том числе температура, не выходящая за пределы узкого диапазона, воздух, содержащий особую смесь молекул и свободный от токсинов, надежное обеспечение водой и питательными веществами, а также защита от ультрафиолета и космических лучей. Эти условия сошлись в тонком слое над поверхностью Земли, но очень редки в других местах Вселенной. Колонизация космоса, притом что наши изнеженные тела приспособлены лишь к земным условиям, — безумно сложный проект.

Гораздо более простая, более реальная и не менее значимая задача — расширение нашей сферы влияния и информированности. Датчики и управляющие устройства, которые мы запускаем в космос, могут исследовать его, оставаясь с нами на связи.

Глубокое понимание материи дает нам возможность создавать и свои системы крупномасштабной динамической сложности. Они сильно отличаются от возникающих путем образования и разрыва химических связей. Мы можем дополнять или даже заменять химию электроникой и фотоникой.

Хороший пример — цифровая фотография. Здесь первичные датчики — приборы с зарядовой связью, или ПЗС-матрицы, — подсчитывают электроны, выбиваемые с их поверхности фотонами, и записывают полученные числа в виде массивов нулей и единиц, зашифрованных с использованием определенного формата. Эта информация кодирует изображение. Ее можно обработать разными способами — например, удалить шум, выделить интересующие области или как-либо еще улучшить качество, — а затем преобразовать обратно в изображения, используя дисплеи. Вся обработка выполняется на компьютерах или специализированными микросхемами. Фотопластинки, проявители, закрепители и темные комнаты, использовавшиеся фотографами прошлого, создавали ауру романтики и тайны, но, увы, делали съемку намного более долгой и трудной. Сейчас их практически не применяют.

Изменяющиеся шаблоны связей и управляемая с помощью химических реакций деятельность нашего мозга сегодня кажутся апогеем динамической сложности. Но важность других вариантов ее реализации возрастает, и остается много возможностей для их развития.

Современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию не в виде упорядоченных и перегруппированных атомов или молекул, а в виде электронов. При этом требуется намного меньше энергии, как и времени на обработку. Для отображения информации в каждой из миллиардов или триллионов маленьких ячеек памяти создается либо высокая концентрация электронов (что приводит к низкому напряжению, интерпретируемому как 0), либо низкая концентрация электронов (что приводит к высокому напряжению, интерпретируемому как 1). Таким образом, мы создаем комбинаторный взрыв условно стабильных единиц. Это универсальная платформа для получения динамической сложности.

Для записи 0 и 1 также можно использовать направления спинов электронов — вверх или вниз. Управление ими — более тонкая работа, но в принципе это быстрее и эффективнее с энергетической точки зрения. Мы также можем работать с фотонами вместо электронов и контролировать их концентрацию (амплитуду), цвет (длину волны) или спин (поляризацию).

У этих новых систем, пришедших на смену химическим, много преимуществ в скорости, размере и энергоэффективности. Они также позволяют лучше использовать все многообразие квантового мира контролируемым образом. В частности, они вот уже долгое время помогают распространять экспансию человеческого разума на огромные расстояния в космосе.

Главный вывод из наших основных принципов таков: есть много пространства, много времени и много материи и энергии. Физический мир рисует нам — людям — перспективы намного более долгого и богатого будущего, чем все прежние. Если, конечно, мы его не взорвем.

Многое могло бы пойти не так. В прошлом чума, землетрясения и извержения вулканов опустошали человеческие цивилизации и вызывали жуткие катастрофы. Неудачное столкновение Земли с другим космическим телом обрекло динозавров на вымирание. Мы можем и должны уменьшать подобные риски. Но здесь, в завершение части, я кратко выделю две возможных опасности, которые, наоборот, возникли вследствие нашей же деятельности. Они тесно связаны с темами этой главы и сегодня приобретают угрожающие размеры.

Солнце снабжает Землю гораздо большей энергией, чем мы используем. Технологии, позволяющие ее улавливать, быстро развиваются, и нет сомнений, что в будущем, если не произойдет катастрофы, мы сможем обеспечить с их помощью устойчивое развитие мировой экономики.

Но в настоящее время проще и удобнее использовать энергию, которая когда-то улавливалась растениями, а теперь хранится в ископаемом топливе — угле и нефти. К сожалению, сжигание этого топлива в больших масштабах приводит к выбросу в атмосферу углекислого газа и других загрязняющих веществ. В результате ее свойства меняются. Атмосфера поглощает все больше солнечной энергии, вызывая повышение средней температуры Земли. Это первый угрожающий нам кризис.

Сестра нашей Земли — планета Венера — жемчужина ночного неба. Она тоже служит нам предупреждением. Ее атмосфера, богатая углекислым газом, чрезвычайно эффективно улавливает энергию Солнца. Температура поверхности Венеры приближается к 460°C, что больше температуры плавления свинца, и исключает сложную химию. Венера ближе к Солнцу, но если мы поместим ее на орбиту Земли, то температура все равно будет опасно высокой — около 340°C. Земля не станет такой горячей в ближайшее время, но даже повышение температуры на несколько градусов чревато серьезными, возможно катастрофическими, последствиями. Такое потепление приводит к таянию полярного льда. Из-за этого повышается уровень моря, происходят суровые катаклизмы, вызванные ростом влажности воздуха, и нарушаются условия жизни чувствительных к температуре растений и животных. Тем самым мы подвергаем опасности наши запасы пищи (и наших друзей).

Вторая рукотворная угроза — ядерное оружие. Работая над проблемами сильных и слабых взаимодействий, ученые открыли новые эффективные виды топлива, основанные на ядерном, а не химическом горении. Это позволило создать новые виды бомб, гораздо более разрушительные. Если бы они использовались в военных действиях, миллионы людей погибли бы в ужасных мучениях, а основные центры цивилизации превратились бы в необитаемую пустыню. Прогресс человечества замедлился бы катастрофически и, возможно, необратимо.

Блага экономического роста и науки идут рука об руку с серьезными опасностями. Этих опасностей можно избежать. Избежим ли мы их — вопрос открытый.