Повернення гіпотези про Бога: три наукові відкриття, які виявляють розум, що стоїть за Всесвітом

Кувалда
Редактор
Повідомлень: 5735
З нами з: Сер травня 27, 2009 8:33 pm

Re: Повернення гіпотези про Бога: три наукові відкриття, які виявляють розум, що стоїть за Всесвітом

Повідомлення Кувалда »

6
Кривина космосу і початок Всесвіту

Життя Стівена Гокінга (рис. 6.1) – це історія надзвичайних наукових досягнень перед лицем гострого фізичного випробування. З 1979 по 2009 рік Гокінг обіймав престижну посаду лукасівського професора математики в Кембридзькому університеті, яку колись займав сам Айзек Ньютон. Коли він був аспірантом Кембриджу, у нього вперше почали проявлятися тривожні симптоми нервово-м’язового захворювання, відомого як бічний аміотрофічний склероз (або БАС), захворювання, яке врешті привело його до інвалідного візка і змусило до кінця життя використовувати синтезатор голосу. Дарма що після того, як йому поставили діагноз БАС, він майже відмовився від аспірантури, та все ж вирішив продовжити роботу. У той час він розвинув глибоко навідне розуміння походження Всесвіту.

Рисунок 6.1. Молодий Стівен Гокінг, у чиїй докторській дисертації 1966 року розроблено перше початкове доведення теореми про космологічну сингулярність.

Під час свого докторського дослідження Гокінг ознайомився з роботою британського фізика Роджера Пенроуза. Пенроуз працював над фізикою чорних дір, місць у космосі, де матерія так густо сконцентрована, що навіть світло не може уникнути гравітаційної тягової сили маси. Відповідно до загальної теорії відносності, густа концентрація матерії в чорній дірі деформує або згинає тканину просторочасу, створюючи туго вигнуту, самозакриту область простору. Така густа концентрація матерії утворює своєрідну гравітаційну пастку, що не дає вийти назовні будь-чому всередині сильно вигнутого простору – навіть світлу. Отже, звідси назва «чорна діра».
Гокінг зрозумів, що робота Пенроуза над чорними дірами мала наслідки для розуміння походження Всесвіту. Він почав думати про те, як з часом зміниться густина і об’єм розширного Всесвіту. Він зрозумів, що в будь-який момент минулого маса Всесвіту була б густіше зосереджена. Це означало, що простір дедалі тугіше викривлявся б у кожному послідовному місці все далі й далі назад у часі. Екстраполюючи назад у часі він усвідомив, що в якийсь момент кривина Всесвіту досягне межі, тобто досягне нескінченно тугої просторової кривини, що відповідає нульовому просторовому об’ємові. Це називається «сингулярністю», де відомі закони фізики порушилися б і з якої Всесвіт почав би своє розширення.
У свою докторську дисертацію Гокінг вніс один розділ про наслідки загальної теорії відносності та відкриття розширного Всесвіту для нашого розуміння його походження. Там він надав попереднє математичне доведення виникнення просторової сингулярності на початку Всесвіту, «за умови, – сказав він, – виконання деяких дуже загальних умов». Він уперше математично показав, що будь-який «часоподібний» або «світлоподібний» шлях між двома точками викривленого простору розширного Всесвіту повинен закінчуватися в якійсь кінцевій точці минулого. Потім він показав, що, враховуючи таку кінцеву точку завершення світла і часу в минулому, «існуватиме фізична сингулярність... де густина і, отже, кривина [Всесвіту] нескінченні».
Фільм 2014 року «Теорія всього» розповідає історію життя Гокінга та містить пам’ятну сцену, що зображує його докторський іспит. На ній сам докторант Гокінг стоїть за простим дерев’яним столом. Навпроти нього – троє видатних фізиків, які будуть судити його дисертацію, Кіп Торн, Деніс Сіама (Dennis Sciama) та Роджер Пенроуз. На початку розгляду вони критикують його розділи. Виявивши, що кожен з його перших трьох розділів якимось чином недосконалий, троє фізиків починають оцінювати його четвертий і кульмінаційний розділ, у якому Гокінг стверджує, що дедалі густіші концентрації маси та енергії в зворотному напрямку часу вказують на сингулярність.
Коли фільм зображує цю сцену, Торн вголос розмірковує над головною ідеєю Гокінга: «Чорна діра на початку часів?». Потім Сіама коротко висловлює своє розуміння концепції Гокінга: «Просторочасова сингулярність». Потім троє фізиків обмінюються поглядами, бо Гокінг хвилювався про свою долю. Тоді Сіама вигукує: «Блискуче. Блискуче, Стівене. ... Молодець. Або слід сказати, молодець, докторе. Надзвичайна теорія». Гокінг полегшено зітхає. Коли сцена закінчується, Сіама, керівник Гокінга, запитує Гокінга: «Що далі?». Гокінг обіцяє розробити подальше математичне доведення ідеї того, що «час має початок».

Загальна теорія відносності та теореми про сингулярність
У попередньому розділі ми бачили, як фізик Жорж Леметр вніс докази спостерігальної астрономії в структуру Айнштайнової нової теорії гравітації для розроблення теорії Великого вибуху. Ми також бачили, як Айнштайнова загальна теорія відносності, здавалося, найприродніше припускала як динамічний, так і кінцевий Всесвіт. З кінця 1960-х років подальший розвиток теоретичної фізики надав додаткову підтримку ідеї про те, що Всесвіт, а також простір і час – або просторочас – мали початок. (Існують два типи сингулярностей: просторові сингулярності, в яких матерія і простір під впливом гравітації сходяться до точки нескінченно тугої просторової кривини, і сингулярності в часі, в яких світлові промені, частинки або події простежуються до абсолютного початкового моменту в часі.)
Стівен Гокінг із двома видатними співробітниками, зокрема Роджером Пенроузом, одним з екзаменаторів його докторської дисертації, відіграв центральну роль у цих теоретичних досягненнях. Через чотири роки після того, як його екзаменував Пенроуз, Гокінг і Пенроуз разом розробили додаткові математичні аргументи для просторочасової сингулярності. Потім через три роки, у 1973, Гокінг далі розвинув свою справу з південноафриканським фізиком Джорджем Елісом (George Ellis) (рис. 6.2). Еліс навчався з Гокінгом у Кембриджі під керівництвом Деніса Сіами. Після того, як Еліс здобув ступінь доктора філософії, він залишився науковцем та викладачем університету до 1974 року, а потім обійняв посаду викладача в Кейптаунському університеті. Наприкінці 1960-х і на початку 1970-х років ці три фізики випустили серію наукових публікацій, у яких викладено наслідки Айнштайнової загальної теорії відносності для походження простору і часу. Їхні розв’язки Айнштайнових рівнянь поля передбачали сингулярність на початку Всесвіту, де густина матерії і кривина простору наближалися б до нескінченності (рис. 6.3).

Рисунок 6.2. Фізик Джордж Еліс, який співпрацював зі Стівеном Гокінгом у їхній класичній праці «Великомасштабна структура простору-часу», щоб довести теореми про космологічну сингулярність на основі загальної теорії відносності.

Рисунок 6.3. У міру розширення Всесвіту простір (або «просторочас») сплощуються, а кривина простору зменшується і наближається до нуля. Кривина збільшується, однак, у зворотному напрямі часу, зрештою досягаючи межі нескінченної кривини. Нескінченна кривина відповідає нульовому просторовому об’ємові, так позначаючи початок Всесвіту.

Раніше, у 1920-х роках, Леметр підкреслював, що густина Всесвіту наблизилася б до нескінченного значення, якщо екстраполювати назад до найранішого стану Всесвіту. Отже, він зобразив Всесвіт, що починається зі свого роду космічного яйця або первісного атома. Насправді, Фрідманові та Леметрові розв’язки польових рівнянь також означали сингулярність (зокрема нескінченно туго викривлений простір у кінцевому минулому), але вони зробили нереалістичне спрощувальне припущення про ранній стан Всесвіту.
Вони припускали абсолютно однорідний розподіл матерії та енергії і всесвіт, який був «ізотропний». В однорідному всесвіті розподіл матерії скрізь однаковий, тобто в усіх місцях; в ізотропному Всесвіті розподіл матерії та енергії виглядає однаково в усіх напрямах незалежно від спостережної позиції спостерігача. Пізніше Леметр відмовився від припущення про ізотропію, але продовжував припускати однорідність. Проте пізніше космологи зрозуміли, що для пояснення походження та еволюції галактик потрібно постулювати незначні відмінності в густині та розподілі матерії та енергії на найраніших стадіях Всесвіту.
Через те що Фрідман і Леметр проігнорували ці відмінності, припустивши ідеальну однорідність – і через те що припущення про однорідність дало правдоподібне пояснення виникнення сингулярності в їхніх розв’язках польових рівнянь – фізики знехтували наслідком часової та просторової сингулярності, що виникала, у розв’язках. Справді, багато фізиків припускали, що сингулярність у Леметрових розв’язках була штучним об’єктом його спрощувального припущення про однорідність, а не справжньою картиною початку Всесвіту.
І тут з’явилися Гокінг, Пенроуз та Еліс. У працях, опублікованих між 1966 і 1973 роками, їм вдалося розв’язати рівняння поля, не роблячи нереалістичного припущення про ідеальну однорідність. Як написали Гокінг і Еліс у передмові до своєї книжки 1973 року «Великомасштабна структура простору-часу»: «Довгий час вважалося, що ці сингулярності можуть бути просто результатом високого ступеня симетрії [тобто однорідності] і їх не буде в реалістичніших моделях. Одним з наших головних завдань буде показати, що це не так».
Рівняння поля дають змогу фізикам описати відмінності в просторовій конфігурації Всесвіту (і системах координат, що їх описують), які випливають із можливих відмінностей і нерівномірностей у початковому (і теперішньому) розподілі матерії. Врахування цих нерівностей дає змогу фізикам точніше описати початковий стан Всесвіту, але математично ускладнює розв’язання рівнянь поля. Однак Гокінг і його колеги розв’язали рівняння, не припускаючи ідеальної однорідності. Роблячи це, вони продемонстрували, спираючись на загальну теорію відносності, що Всесвіт почався в «просторочасовій» сингулярності «нескінченної кривини». Дійсно, загальна теорія відносності передбачає, як писали Гокінг та Еліс, «що існує сингулярність у минулому, яка в певному сенсі становить початок Всесвіту».
У 1973 році Гокінг і Еліс, ґрунтуючись на Гокінговій дисертації та статті Гокінга та Пенроуза 1970 року, показали, по-перше, що Всесвіт «геодезично минулий неповний» (geodesically past incomplete) [! Є сумніви щодо належного перекладу сполуки. – Прим.]. «Геодезичний» – це термін із геометрії, що позначає найкоротшу відстань між двома точками на криволінійній поверхні. Гокінг і Еліс стверджували, що траєкторія будь-якого променя світла або часової лінії через викривлений простір обов’язково закінчиться в якийсь момент кінцевого минулого в розширному Всесвіті. Або, як вони сказали, «гравітаційний ефект матерії завжди має тенденцію викликати зближення часоподібних і нульових [світлоподібних] кривих». Потім вони застосували кілька потужних математичних теорем, які розробили Гокінг, Еліс і Пенроуз, щоб. показати, що в такому «геодезично минулому неповному Всесвіті» виникли б певні математичні невідповідності, якби не було сингулярностей. Через те що вони вже довели минулу неповноту (тобто, що Всесвіт має початок у часі), випливало, що Всесвіт почався з сингулярності, в якій гравітаційне поле було б нескінченно сильним, а кривина простору – нескінченно тугою. Як вони сказали: «Ми показуємо, що в загальному просторі-часі спостерігач, який подорожує по одній із цих неповних [в часі скінченних] кривих, відчуватиме нескінченні кривинні сили».
Як не дивно, але нескінченно туго вигнутий простір відповідає радіусові кривини нульових одиниць довжини і, отже, нульовому просторовому об’ємові. У 1978 році британський фізик Пол Дейвіс з великою ясністю описав наслідки теорем про сингулярність:
Якщо ми екстраполюємо це передбачення до його крайності, то досягнемо точки, коли всі відстані у Всесвіті мають зменшитися до нуля. Отже, початкова космологічна сингулярність утворює минулий в часі край Всесвіту. Ми не можемо продовжувати фізичні міркування або навіть концепцію просторочасу через такий край. З цієї причини більшість космологів вважає початкову сингулярність початком Всесвіту. З цього погляду Великий вибух представляє подію створення; створення не лише всієї матерії та енергії у Всесвіті, а й самого простору-часу.
Щоб змусити своїх студентів усвідомити глибину цього результату, я запитував їх: «Скільки матеріалу ви можете помістити там, де нема простору?» Вони швидко усвідомлять, що відповідь на це запитання: «Ніскільки» або «Ніяких речей». Якби в якийсь момент у минулому простір перестав існувати, то в цей момент не стало б місця, куди можна було б помістити щось, чи то матерію, чи то енергію. Справді, ні матерія, ні енергія не можуть існувати, якщо нема простору і часу. Отже, доведення сингулярності Гокінга, Еліса та Пенроуза (інтерпретовані як реалістичне зображення історії та просторової геометрії Всесвіту) означали, що матеріальний всесвіт нескінченної густини почав існувати деякий скінченний час тому, стартуючи з нічого – або принаймні з нічого просторового, часового, матеріального чи фізичного.
Звісно, роздуми про космологічну сингулярність можуть привести до парадоксальних або, здавалося б, суперечливих висновків. Можна також стверджувати, наприклад, що Всесвіт почався з величезної маси енергії та нескінченно сильного гравітаційного поля, бо в сингулярності густина маси-енергії та сила гравітаційного поля також наближалися б до нескінченності. Попри це, теореми про сингулярність не дають змоги сформулювати масу-енергію або гравітаційне поле як вічний, самосущий об’єкт, бо «до» сингулярності в нашому Всесвіті не існувало ні часу, ні простору. А без простору маса-енергія (і відповідне гравітаційне поле) не мала б де бути. Іншими словами, хоч би скільки маси-енергії існувало від початку Всесвіту, вона повинна була виникнути з початком часу і простору, що обидва почалися скінченний час тому. Отже, просторова або часова сингулярність запобігає, як зазначив Дейвіс, «будь-яким фізичним міркуванням» про попередній стан Всесвіту «через такий край», і, отже, цей край (або сингулярність) дійсно знаменує початок самого фізичного всесвіту.
Приймаючи за чисту монету, філософські наслідки космологічної сингулярності вражають. Принаймні Всесвіт, який починається в просторочасовій сингулярності, робить гострий виклик будь-якій матеріалістичній теорії походження Всесвіту. Справді, сингулярність означає, що не тільки простір і час, а й матерія та енергія вперше виникли на початку Всесвіту, до якого не існувало б таких сутностей, які могли б спричинити виникнення Всесвіту (матерії та енергії).
Ба більше, через те що просторочасова сингулярність позначає точку початку Всесвіту з нічого фізичного, космологічні моделі, засновані на розв’язках польових рівнянь загальної теорії відносності, здається, дивним чином нагадують про те, що теологи довго описували в доктринальних термінах як creatio ex nihilo – «створення з нічого» (тобто нічого фізичного). Самі Гокінг і Еліс розглянули питання створення Всесвіту в кінці своєї книжки 1973 року. Як вони розмірковували: «Створення Всесвіту з нічого стверджувалося, нерішуче, з давніх часів; див., наприклад, першу антиномію чистого розуму Канта. ... Отримані нами результати підтверджують ідею про те, що Всесвіт виник скінченний час тому. Однак справжня точка створення, сингулярність, – поза відомими нині законами фізики».

Умови, умови, умови
Але чи варто інтерпретувати космологічну сингулярність Гокінга – Пенроуза – Еліса як реалістичне зображення просторової геометрії Всесвіту аж до початку в часі? Самі Гокінг та Еліс розглянули це питання у своїй роботі 1973 року. Вони визнали, що доведення просторочасової сингулярності застосовуються до нашого Всесвіту, лише якщо виконуються певні умови. По-перше, всі теореми про сингулярність передбачають загальну теорію відносності як нашу найкращу теорію гравітації. І справді, численні експериментальні підтвердження передбачень загальної теорії відносності надали фізикам високий ступінь довіри до теорії, що стосується великомасштабної структури Всесвіту. Сюди входять дедалі точніші перевірки, проведені за допомогою водневого мазерного детектора на ракеті НАСА в 1980 і 1994 роках. Такі експерименти дали точне кількісне підтвердження передбачень теорії, навіть з точністю до п'ятого десяткового знака. Отже, загальна теорія відносності тепер виглядає як одна з найкраще підтверджених теорій сучасної фізики.
Однак питання про застосовність загальної теорії відносності виникають для надзвичайно малих субатомних і квантових явищ. У субатомній сфері (10-12 см або менше) можуть відбуватися дивні явища, такі як світло або електрони, що діють одночасно як хвилі та частинки. Недетерміновані флюктуації енергії також можуть відбуватися на цьому масштабі. А що загальна теорія відносності не описує такі ефекти, то багато фізиків висловлює думку про необхідність квантової теорії гравітації, хоча жодна така теорія ще остаточно не створена (розширене обговорення див. у розділах 17–19).
Нездатність загальної теорії відносності описати гравітаційні явища на надзвичайно малих субатомних масштабах привела до питання про застосовність теорії протягом найдавнішої історії Всесвіту, перших часток секунди після Великого вибуху. Справді, коли фізики екстраполюють назад, щоб уявити Всесвіт у різні часи в далекому минулому, вони розуміють, що в якийсь момент Всесвіт був би достатньо малим, так що фізикам було б потрібно використовувати квантову механіку для опису поведінки матерії та енергії в цій субатомній ділянці.
Гокінг, Пенроуз та Еліс визнали це обмеження у своїх доведеннях космологічної сингулярності. Вони підтвердили, що, строго кажучи, можуть встановити лише просторочасове стиснення назад до моменту в часі, коли Всесвіт мав би радіус кривини від 10-12 до 10-33 см. Отже, строго кажучи, вони не змогли довести, що Всесвіт почався з абсолютної просторової сингулярності, дійшовши лише дуже, дуже, дуже крихітно близько до сингулярності. У цьому зникомо малому просторі гравітація може функціонувати не так, як описує загальна теорія відносності.
Ба більше, можливість флюктуацій енергії в крихітній квантовій ділянці створювала особливу технічну перешкоду для теорем про сингулярність. Усі доведення про сингулярність підпадають під так звані енергетичні умови різного роду, зокрема «слабкі», «домінантні» та/або «сильні» енергетичні умови. Різні енергетичні умови описують різні можливі характеристики маси-енергії Всесвіту. Припускаючи загальну теорію відносності, Всесвіт повинен відповідати інакшим енергетичним умовам, щоб генерувати сингулярності, або на початку Всесвіту, або у вигляді чорних дір у Всесвіті. Наприклад, умова слабкої енергії вказує, що густина маси-енергії Всесвіту повинна бути додатною або нульовою (тобто невід’ємною), щоб виникла сингулярність. Домінантна енергетична умова вимагає цього критерію, але також стверджує, що тиск, створений рухом енергії у Всесвіті, не перевищує значення густини енергії. (Сильна енергетична умова [strong energy condition] означується ще технічнішим математичним способом, але також описує необхідні властивості енергії у Всесвіті.)
Для наших цілей ключовий момент такий: виконання однієї або кількох із цих енергетичних умов забезпечує справедливість доведень про сингулярність. Але недетерміновані квантові флюктуації енергії іноді породжують ситуації, які порушують одну або кілька з цих умов, особливо сильну енергетичну умову. І, як це буває, необхідно виконати сильну енергетичну умову, щоб довести, що Всесвіт почався з абсолютної просторочасової сингулярності. (Квантова флюктуація – це випадкова локальна зміна в енергії, пов’язаній з частинкою або полем, що відбувається в субатомному масштабі. У квантовій фізиці такі флюктуації можуть генерувати від’ємні значення енергії, так порушуючи одну або кілька енергетичних умов.)
1973 року Гокінг і Еліс визнали ці обмеження в застосовності своїх доведень. Вони розуміли, що Всесвіт може не відповідати сильній енергетичній умові «в кожній точці» своєї історії, зокрема, протягом найперших і найкрихітніших часток секунди після передбачуваного початку Всесвіту – коли Всесвіт був зникомо малим. Отже, вони визнали, що загальна теорія відносності дала змогу їм лише екстраполювати назад з абсолютною впевненістю до точки в минулому, коли Всесвіт мав радіус кривини десь між трильйонною (10-12) часткою сантиметра і мільярд трильйонів трильйонною (10-33) часткою сантиметра. Зрозуміло, однак, що вони розглядали всесвіт такий крихітний, як фактично просторова сингулярність. Як вони казали: «Така кривина була б така екстремальна, що цілком могла б вважатися сингулярністю».
Справді, навіть якщо теореми про сингулярність не довели початок Всесвіту з абсолютної просторової нульової точки, ці теореми для всіх практичних цілей забезпечили сильний індикатор або вказівник на такий початок. Отже, до кінця 1970-х і початку 1980-х років більшість астрономів, астрофізиків і космологів стала вважати спільне свідчення спостерігальної астрономії і теоретичної фізики потужним підтвердженням моделі Великого вибуху.

Інфляційна космологія
Однак інші досягнення в теоретичній фізиці та космології невдовзі поставили під сумнів стандартну модель Великого вибуху та посилили занепокоєння щодо застосовності теорем про сингулярність до раннього Всесвіту. Пізніше вже, у дивно несподіваному повороті, ці самі події врешті-решт привели фізиків-теоретиків до відкриття, що у Всесвіту все-таки мав бути початок. Ось ця історія.
Протягом 1980-х років фізики Алан Ґут з Масачусетського технологічного інституту, Андрей Лінде зі Стенфорду та Пол Стайнгардт з Принстону розробили альтернативну версію космології Великого вибуху, відому як інфляційна космологія (або просто «інфляція»). Інфляційна космологія стверджує, що незабаром після Великого вибуху космос пережив короткочасне, але експоненційно швидке розширення. Це розширення було пов’язане з від’ємним гравітаційним тиском, створеним постульованим «інфлятонним полем» – полем, яке фізики задумали як породжувальний спрямований назовні, або відштовхувальний, тиск на простір, що спричиняє розширення Всесвіту. (Поля у фізиці – це області простору, які операційно означені через те, що вони роблять – часто силами, які вони породжують, або рухами, які вони викликають у частинках або промінні, що контактують з ними.)

Рисунок 6.4. Фізик з Масачусетського технологічного інституту Алан Ґут, що розробив інфляційну модель Великого вибуху.

Як спочатку запропонував Алан Ґут (рис. 6.4), інфляція передбачала початок Всесвіту, після чого простір Всесвіту швидко розширюватиметься протягом короткого періоду часу. Однак згодом інші фізики запропонували моделі «вічної хаотичної інфляції», що передбачали не початок, а нескінченну кількість початків (рис. 6.5). Ці моделі вічної хаотичної інфляції набули популярності серед прихильників інфляції, бо багато хто думав, що постульоване «інфлятонне поле» піддаватиметься дії квантових флюктуацій енергії цього поля. Як результат, вони вважали, що ці флюктуації обов’язково приведуть до причиново роз’єднаних областей космосу – фактично, окремих «бульбашкових всесвітів».

Рисунок 6.5. Вгорі: Як сформульовано вперше, модель інфляційної космології стверджує, що Всесвіт мав початок, і спочатку він розширювався надзвичайно швидко, а потім уповільнився до спокійнішого темпу розширення. Внизу: Пізніші космологи сформулювали модель вічної хаотичної інфляції. Згідно з цією моделлю, у міру розширення Всесвіту різні області космосу перестануть роздуватися, викликаючи появу нових бульбашкових всесвітів. Потім цей процес триватиме нескінченно, створюючи нескінченну кількість «бульбашкових всесвітів», відокремлених один від одного океаном розширного простору.

Відповідно до сучасних моделей вічної хаотичної інфляції, після початкової фази розширення квантова флюктуація енергії інфлятонного поля спричинила його розпад локально, що створило наш Всесвіт. Інфлятонне поле також продовжувало діяти за межами нашої локальної області, що створило ширше розширення простору, в якому народжувалися інші всесвіти, бо інфлятонне поле розпадалося в інших місцях. Інфляційні космологи бачили інфляцію як таку, що діяла нескінченно тривалий час у минулому і продовжувалася нескінченно в майбутньому. Тому вони передбачали, що ширше інфлятонне поле породить нескінченну кількість інших всесвітів, коли воно розпадеться в локальних осередках постійно зростного простору. Крім того, через те що інфлятонне поле продовжує розширюватися зі швидкістю, значно більшою, ніж бульбашкові всесвіти, що розширюються всередині нього, ніякі з цих бульбашкових всесвітів, імовірно, ніколи не заважатимуть один одному. Отже, одне інфлятонне поле породжує нескінченні бульбашкові всесвіти – «багато світів в одному», як описав це російський [так у тексті. – Прим.] фізик Александр Віленкін.
Через те що інфляційні космологи вважали, що наш Всесвіт один із багатьох бульбашкових всесвітів, яких постійно породжує інфлятонне поле, вони не думали – принаймні спочатку – що докази розширення та початку нашого Всесвіту говорять нам про те, чи час і простір має остаточний початок у більшому інфлятонному полі. Справді, у нас не було б способу дізнатися, скільки інших всесвітів за межами нашого існувало в більшому інфлятонному полі або як довго вони, або інфлятонне поле, існували.

Інфляція та енергетичні умови

Різні моделі вічної хаотичної інфляції тепер замінили оригінальну модель Ґута. Ці нові моделі кидають виклик ідеї початку – і космологічної сингулярності – ще з іншої причини. Інфляційні космологічні моделі підтверджують квантові флюктуації як механізм, що створює бульбашкові всесвіти. Отже, ці моделі тягнуть за собою порушення різних енергетичних умов, необхідних для доведення теорем про космологічну сингулярність.
Як передбачили архітектори вічної хаотичної інфляційної космології, інфлятонні поля можуть відчувати випадкові квантові флюктуації корисної енергії, що іноді приводить до короткочасних, але від’ємних густин мас-енергії, зокрема тимчасових від’ємних густин у масі-енергії Всесвіту. Такі від’ємні густини порушували б різні енергетичні умови, зокрема сильну енергетичну умову, що вимагають доведення теорем про сингулярність. Отже, інфляційна космологія мала тенденцію підривати впевненість у релевантності теорем про сингулярність для моделювання початку Всесвіту. Як нещодавно сказав мені Джордж Еліс в інтерв’ю, фізики, які приймають інфляційну космологію, тепер зазвичай розглядають теореми про сингулярність як цікаву частину чистої математики, але не як доведення початку нашого справжнього Всесвіту.

Пояснювальна сила інфляції

Те, що інфляційна космологія означає щодо теорем про сингулярність, може здатися незначущим, враховуючи її явно спекулятивний характер. Проте, попри роль, яку в інфляційній космології відіграють такі гіпотетичні сутності, як «інфлятонні поля» та «бульбашкові всесвіти», багато космологів вважає інфляцію найкращою поточною космологічною моделлю. Зазвичай вони роблять це завдяки її здатності пояснити три основні особливості Всесвіту – його однорідність, його «плоскість» і те, що у видному Всесвіті нема так званих «магнетних монополів». Ці особливості спантеличують або з погляду стандартної космології Великого вибуху або, в останньому випадку, з погляду популярних теорій великого об’єднання – теорій, які намагаються звести чотири фундаментальні сили фізики до одного фізичного закону, що лежить в основі.
Під однорідністю космологи мають на увазі, що Всесвіт має однаковий склад і розподіл матерії в усіх місцях. Один з ключових аспектів цієї однорідності – рівномірність космічного фонового проміння, яке має майже однакову температуру в усьому спостережному космосі. Це проблема в стандартній космології Великого вибуху, якщо тільки космологи не постулюють неймовірно конкретні, тонко настроєні початкові умови.
Як ми бачили в розділі 5, це проміння має однакову температуру в усіх напрямах, приблизно 1 частка на 100 000. Цю спостережувану майже рівномірність можна пояснити в стандартній космології Великого вибуху, лише постулюючи, що ранній (приблизно до 380 000 років) стан плазми Всесвіту характеризувався майже ідеальною рівномірністю температури та розподілу маси-енергії.
Інфляційна космологія намагається пояснити відносну однорідність фонового проміння не як результат тонко настроєного початкового розподілу маси-енергії (хоча він викликає свої особливі умови), а як наслідок раннього, експоненційно швидкого темпу космічного розширення. Згідно з багатьма інфляційними моделями, протягом перших часток секунди після Великого вибуху температура і густина маси-енергії в крихітному об’ємі простору, який став би нашим Всесвітом, уодноріднювалися в процесі змішування, або «термалізації». Потім швидке розширення простору, яке стане нашим видним Всесвітом, розподілило цю однорідну енергію по ньому, що врешті привело до майже однорідності космічного фонового проміння, яке тепер спостерігається. Будь-яка залишкова неоднорідність – очікуваний залишок початку Всесвіту згідно зі стандартною моделлю Великого вибуху (без екстремально тонкого настроєння) – була б витіснена за межі видного Всесвіту внаслідок раннього інфляційного розширення космосу.
Інфляційна космологія також пропонує пояснення «плоскості» Всесвіту. В ідеально плоскому Всесвіті простір не мав би кривини, так що два паралельні пучки світла ніколи не сходилися б або розходилися. Такий Всесвіт буде розширюватися необмежено, але швидкість його розширення (через початкову швидкість і густину маси) з часом наблизиться до нуля. Наш Всесвіт відносно плоский, бо його початковий темп розширення ледве подолав гравітаційне притягання, створене його густиною маси-енергії. Іншими словами, багато фізиків вважають, що наш Всесвіт має густину маси трохи меншу, ніж «критична густина маси», необхідна для зупинки його розширення. Отже, простір, імовірно, має дуже невелику загальну кривину, тобто він відносно плоский. Прихильники стандартної теорії Великого вибуху не очікували б такої відносної плоскості, якби кількість маси-енергії та початкова швидкість розширення не були точно збалансовані (або тонко настроєні) від самого початку Всесвіту.
Інфляція пояснює майже плоскість Всесвіту, як і його однорідність, як наслідок гіперрозширення простору під час раннього Всесвіту. Подібно до того, як надування повітряної кулі до все більших і більших розмірів робить будь-яку її невелику ділянку плоскішою і плоскішою, так і надування всього Всесвіту зробить просторову кривину Всесвіту і будь-яку меншу ділянку простору-часу (наприклад, наш спостережний Всесвіт) плоскішими і плоскішими.
Крім того, інфляція пояснює, чому фізики не спостерігали так званих магнетних монополів. Магнетний монополь – це постульована (але ще не спостережена) елементарна частинка, яка теоретично діятиме як магнет лише з одним полюсом – із північним або південним, але не з обома. Магнетні монополі передбачені у видному Всесвіті на основі популярних (хоча й неадекватних) теорій великого об’єднання. Інфляція нібито пояснює очевидний брак магнетних монополів, знову покликаючись на швидке розширення простору, яке витіснило докази монополів (наприклад, неоднорідності) за межі видного Всесвіту.

Інфляція та теорема Борде – Ґута – Віленкіна
Хоча модель вічної хаотичної інфляції викликала сумніви щодо того, чи справді Всесвіт мав початок, вона врешті спонукала ще одне дослідження в теоретичній фізиці, яке привело до нового і ще переконливішого доведення початку – справді, такого, що визначає, виявиться інфляційна космологія правильною чи ні. (У розділі 16 ми побачимо, що деякі провідні фізики, разом з Полом Стайнгардтом, одним із творців інфляційної космології, тепер вважають, що існують серйозні причини сумніватися в усіх інфляційних космологічних моделях.)
У будь-якому разі, до початку 1990-х років багато фізиків сприйняли вічну хаотичну інфляцію як найкращу модель походження Всесвіту. Популярність моделі змусила двох фізиків, Арвінда Борде та Александра Віленкіна з Університету Тафтса, дослідити, що означає інфляція щодо того, чи має Всесвіт початок. Вони намагалися дослідити, чи могло інфлятонне поле діяти нескінченно довгий час назад у минулому, тобто чи могло воно бути «вічним минулим» (past eternal), як вони це висловлювали. Протягом десяти років Борде, Віленкін і третій фізик, Алан Ґут, один із перших прихильників інфляції, прийшли до разючого висновку: у Всесвіту мав бути початок, навіть якщо інфляційна космологія правильна.
Ми бачили, що попередні спроби довести космологічну сингулярність на початку Всесвіту були засновані на Айнштайновій загальній теорії відносності. Це мало сенс, враховуючи дуже інтуїтивну основу початкового розуміння Гокінга: якщо Всесвіт розширюється, густина маси і, отже, кривина Всесвіту врешті досягнуть межі в зворотному напрямі часу. Можна стверджувати, що це розуміння та математичні аргументи, засновані на ньому, залишаються сильними індикаторами початку, навіть якщо ці аргументи не можуть остаточно довести справедливість екстраполяції аж до абсолютної просторової нульової точки.
Однак у 2003 році Борде, Ґут і Віленкін розробили доведення початку Всесвіту, який не залежав від використання Айнштайнових польових рівнянь загальної теорії відносності або будь-яких енергетичних умов. Натомість, теорема Борде – Ґута – Віленкіна (БҐВ) заснована лише на геометричних аргументах і Айнштайновій спеціальній теорії відносності. Згадайте з розділу 5, що спеціальна теорія відносності розглядає взаємозв’язок між швидкістю світла і часом. Теорема БҐВ застосовується до будь-якого всесвіту, який відповідає дуже загальним умовам, зокрема тим, які мають на увазі інфляційні космологічні моделі. Як пояснив Александр Віленкін, «чудова річ у цій теоремі – її широка загальність. Ми не робили ніяких припущень щодо матеріального вмісту Всесвіту. Ми навіть не припускали, що гравітація описується Айнштайновими рівняннями. Отже, якщо Айнштайнова гравітація потребує деякої модифікації, наш висновок все одно буде справедливий. Єдине припущення, яке ми зробили, полягало в тому, що темп розширення Всесвіту ніколи не опускається нижче від деякого відмінного від нуля значення, незалежно від того, яке воно мале».
Отже, теорема застосовується майже до всіх правдоподібних і реалістичних космологічних моделей. У ній стверджується, що будь-який Всесвіт, який у середньому розширюється, є «неповне минуле» (past incomplete). Іншими словами, якщо іти будь-якою просторочасовою траєкторією назад у часі, будь-який розширний всесвіт, зокрема той, що розширюється внаслідок «інфлятонного поля», повинен був мати відправну точку для свого розширення, що вказує на початок.
Висновок теореми про початок випливає з напрочуд інтуїтивного набору міркувань. Уявіть, що людина рухається до вас, коли простір розширюється. Наприклад, футболіст може бігти до вас по футбольному полю, тоді як саме поле розтягується, а ярдові лінії на полі віддаляються від вас. Коли ви стоїте в одному кінці поля і намагаєтеся оцінити швидкість, з якою наближається гравець, вам потрібно буде врахувати, як швидко відступають ярдові лінії. Якщо гравець біжить до вас швидше, ніж ярдові лінії віддаляються в іншому напрямі, здається, він наближається з деяким обчисленним темпом. З іншого боку, якщо гравець біжить повільніше, ніж ярдові лінії віддаляються, здається, він віддаляється. У будь-якому разі, гравець буде наближатися до вас повільніше, ніж було б інакше, якби ярдові лінії на футбольному полі не відходили від вас. Говорячи мовою фізики, «позірна» або «спостережувана швидкість» гравця буде повільніша, ніж вона була б без «рецесійної швидкості» ярдових ліній.
Ця ж логіка діє і в космологічному випадку. Якщо Всесвіт розширюється, то будь-який об’єкт, скажімо, космічний корабель (рис. 6.6), який рухається до спостерігача на Землі, буде рухатися повільніше, ніж це було б, якби Всесвіт не розширювався. Ба більше, якщо космічний корабель продовжує літати зі сталою швидкістю в межах області космосу, в якій він перебуває, але ця область космосу сама віддаляється від земного спостерігача через розширення Всесвіту, швидкість космічного корабля відносно Землі виглядатиме такою, що стає все повільнішою, бо Всесвіт продовжує розширюватися, а простір навколо космічного корабля віддаляється все швидше й швидше. (Згадайте, що в розширному тривимірному Всесвіті – подумайте про аналогію з повітряною кулею – що далі два об’єкти будуть віддалені один від одного, то швидше вони будуть віддалятися один від одного. Отже, якщо космічний корабель рухається до Землі зі сталою швидкістю в його системі відліку, але одночасно віддаляється від Землі через розширення Всесвіту, рецесійна швидкість усієї області простору навколо корабля буде зростати. Але якщо швидкість корабля в цьому локальному просторі залишається сталою, позірна швидкість корабля до Землі буде з часом зменшуватися.)
Рисунок 6.6. Теорема БҐВ. Теорема Борде – Ґута – Віленкіна (БҐВ) стверджує, що будь-який Всесвіт, який у середньому розширюється, повинен був мати початок. Теорему можна зрозуміти, уявивши космічний корабель, який рухається до Землі. Позірна швидкість (Va) для космічного корабля, виміряна спостерігачем на Землі, дорівнює фактичній швидкості космічного корабля мінус швидкість локального простору, в якому перебуває космічний корабель, коли цей простір віддаляється від Землі внаслідок розширення Всесвіту. Але що, якщо ми подумаємо про позірну швидкість космічного корабля в минулому, екстраполюючи назад у часі? Через те що в прямому напрямі часу простір розширюється і переміщує космічний корабель далі від Землі (ніж був би інакше), якщо ми екстраполюємо в зворотному напрямі часу, космічний корабель буде ближче до Землі (ніж був би інакше). Рецесійна швидкість простору була б меншою в той момент у минулому, бо рецесійна швидкість збільшується з віддаленням від Землі в розширному Всесвіті, але була б повільнішою в минулому, коли Всесвіт ще не розширювався так сильно. Отже, Va, швидкість космічного корабля відносно Землі, буде більша. Якщо рухатися ще далі в часі, то позірна швидкість знову збільшуватиметься. З додатковими зворотними екстраполяціями позірна швидкість космічного корабля, Va, врешті дорівнюватиме швидкості світла, що представляє абсолютну межу швидкості будь-якого об'єкта відповідно до спеціальної теорії відносності. У цей момент подальші екстраполяції назад у часі були б неможливими (або фізично значущими), що означає, що Всесвіт і його розширення мали початок.
Борде, Ґут і Віленкін зрозуміли, що ця динаміка також працює в зворотному порядку. У зворотному напрямі часу позірна швидкість космічного корабля відносно спостерігача (виміряна в будь-який момент у минулому) буде поступово зростати відносно його швидкості в сьогоденні. Це тому, що будь-які дві точки в просторі були б ближчі одна до одної, ніж тепер, тож ми можемо вважати, що простір ефективно стискався в минулому. А що відстань між нашим гіпотетичним космічним кораблем, що рухається до Землі, і Землею також ставала б все коротшою й коротшою, позірна швидкість, з якою космічний корабель наближається, поступово зростала б (виміряна в послідовних точках все далі й далі назад у часі). Коротше кажучи, у розширному Всесвіті, що далі йде шлях об’єкта назад у часі, то більшою була б його позірна швидкість відносно спостерігача, відокремленого від нього в просторі.
Але є заковика. Відповідно до спеціальної теорії відносності, об’єкт у будь-якій системі відліку (тобто відносно будь-якого спостерігача) не може рухатися швидше, ніж швидкість світла. Тому, якщо ми продовжимо екстраполювати назад у минуле, космічний корабель, відносно спостерігача, зрештою досяг би граничної швидкості – швидкості світла. Тоді було б неможливо зайти далі в минуле. Справді, через те що існує межа того, як швидко об’єкт може рухатися відносно будь-якого спостерігача, існує обмеження на те, як далеко назад цей шлях можна простежити, перш ніж досягнеться граничної швидкості світла. Тоді ця точка в минулому представляла б абсолютний початок шляху космічного корабля і позначала б точку, в якій простір більше не міг би скорочуватися. Отже, це також означало б точку, в якій почалося розширення космосу — іншими словами, початок Всесвіту.
Борде, Ґут і Віленкін показали, що всі космологічні моделі, в яких відбувається розширення, зокрема інфляційна космологія, багатосвіт, а також моделі осцилівних і космічних яєць, підпорядковуються теоремі БҐВ. Отже, Віленкін стверджує, що докази початку тепер майже неуникні. Як він пояснює: «З наявним доведенням космологи більше не можуть ховатися за ймовірністю вічного в минулому всесвіту. Цього не уникнути; вони повинні зіткнутися з проблемою космічного початку». А що наш Всесвіт розширюється, а теорема Борде – Ґута – Віленкіна не залежить ні від яких енергетичних умов, то вона посилила один з основних висновків початкового результату Гокінга – Пенроуза – Еліса (тобто, що Всесвіт мав початок у часі), хоча й на відмінних теоретичних підставах.
Про постулати і доведення
Звісно, всі доведення, зокрема ті, що підтримують космічний початок, залежать від деяких припущень, постулатів, аксіом та/або умов. Як зазначалося, теореми про сингулярність Гокінга – Пенроуза – Еліса залежать від різних енергетичних умов. Теорема Борде – Ґута – Віленкіна не вимагає ніяких енергетичних умов, але робить припущення (хоча і менш обмежувальне) як умову своєї справедливості, тобто це припущення, що Всесвіт у середньому розширюється. З цієї причини Алан Ґут визнав можливість космологічних моделей, які не відповідають цій умові. Наприклад, він зазначає: «Можуть існувати моделі з областями стиснення [простору], внутрішні в розширеній області, які могли б уникнути нашої теореми». Попри це, моделі, які він цитує, що можуть уникнути теореми БҐВ, зазвичай суперечать емпіричним доказам космічного розширення та/або вони залежать від надзвичайно складних і цілком гіпотетичних математичних конструкцій. Отже, як правдоподібнішу альтернативу, він допускає, що «була б потрібна якась нова фізика (тобто, не інфляція), щоб пояснити минулі межі інфляційної області. Однією з можливостей міг би бути якийсь тип події квантового створення».
Ґут має на увазі популярні натепер квантові космологічні ідеї, які описують Всесвіт, що виникає не з попереднього часового або матеріального стану, а з гіпотетичного «простору ймовірностей», описаного математикою квантової механіки. У розділах 17–19 я розгляну ці квантові космологічні моделі. У розділі 17 я покажу, що цим моделям насправді не вдається усунути космічний початок. Ба більше, спекулятивний характер цих альтернативних моделей та їхня нездатність усунути часову сингулярність лише підсилюють відчуття того, що теореми про сингулярність дійсно забезпечують принаймні сильний вказівник початку. У будь-якому разі, я показую, що, якщо вони істинні, ці моделі самі мають несподівані теїстичні наслідки.
Жодне доведення не може встановити будь-який висновок з певненістю, бо всі доведення повинні містити певні припущення. Наразі, однак, варто зазначити, що доведення (у разі теореми БҐВ) і сильний індикатор (у разі теорем про сингулярність Гокінга – Пенроуза – Еліса) підкріпили свідчення спостерігальної астрономії: все, що ми можемо сказати, – у Всесвіту був початок.
Кувалда
Редактор
Повідомлень: 5735
З нами з: Сер травня 27, 2009 8:33 pm

Re: Повернення гіпотези про Бога: три наукові відкриття, які виявляють розум, що стоїть за Всесвітом

Повідомлення Кувалда »

7
Всесвіт Золотоволоски

Астрофізик сер Фред Гойл (рис. 7.1) став піонером-дослідником того, як ядерні реакції в зорях перетворюють водень на численні хемічні елементи, зокрема вуглець і кисень, необхідні для життя. Він починав свою наукову кар’єру як переконаний атеїст, який не бачив ніяких доказів проєкту у Всесвіті. Як він казав у ранні роки своєї наукової діяльності, «Релігія – це лише відчайдушна спроба знайти вихід із справді жахливої ситуації, в якій ми опинилися. ... Тож не дивно, що багато людей відчувають потребу в якійсь вірі, яка дає їм відчуття безпеки, і не дивно, що вони дуже зляться на таких, як я, які кажуть, що це оманно».

Рисунок 7.1. Астрофізик сер Фред Гойл. У процесі визначення того, як елемент вуглець міг утворитися всередині зір, Гойл виявив багато параметрів тонкого настроєння.

Його атеїзм відіграв важливу роль у його підході до науки, підштовхнувши відкинути ідею про те, що Всесвіт має початок. Насправді, як ми бачили, він ввів термін «великий вибух», щоб висміяти ідею космічного початку, а пізніше розробив модель стаціонарного стану як альтернативу. На жаль для Гойла, після відкриття космічного мікрохвильового фонового проміння (КМФП), підтримка його моделі стаціонарного стану зменшилася, бо все більше і більше астрономів приймали теорію Великого вибуху.
Однак не відкриття КМФП, а інше відкриття зрештою похитнуло атеїзм Гойла, до того ж яке допоміг зробити сам Гойл. Гойл зіграв важливу роль у розкритті одного набору того, що сьогодні фізики називають параметрами «тонкого настроєння» Всесвіту.
Тонке настроєння у фізиці належить до відкриття того, що багато властивостей Всесвіту потрапляють у надзвичайно вузькі й неправдоподібні діапазони, які виявляються абсолютно необхідними для існування складних форм життя або навіть складної хемії, а отже будь-якої мислимої форми життя. Тепер фізики називають випадкові значення цих параметрів/факторів «антропними збігами» (від anthros, грецьким означає «людина»), а сприятлива конвергенція всіх цих збігів – «антропним тонким настроєнням» Всесвіту.
Дійсно, з 1950-х років фізики виявили, що життя у Всесвіті залежить від надзвичайно неправдоподібного набору сил і особливостей, а також від надзвичайно неймовірного балансу між багатьма з них. Точні інтенсивності фундаментальних сил фізики, розташування матерії та енергії на початку Всесвіту та багато інших специфічних особливостей космосу здаються тонко збалансованими, щоб забезпечити можливість життя. Якби будь-яка з цих властивостей була хоч трохи змінена, складної хемії та життя просто б не існувало.
Тонке настроєння цих властивостей спантеличило фізиків не тільки через їхню надзвичайною неймовірність, але й через те, що не існує жодної необхідної фізичної чи логічної причини, чому вони повинні бути такими, які вони є. Філософи науки називають такі характеристики тонкого настроєння «випадковими» властивостями, бо вони могли б бути відмінними, не порушуючи при цьому ні фундаментальних законів фізики, ні будь-якого необхідного принципу логіки чи математики.
Мабуть, ми живемо у свого роду «всесвіті Золотоволоски», де фундаментальні сили фізики мають потрібні інтенсивності, випадкові властивості Всесвіту мають правильні характеристики, а первісний розподіл матерії та енергії на початку демонстрував лише правильну конфігурацію, щоб зробити життя можливим. Ці факти, разом узяті, так спантеличують, що фізики дали їм назву — проблема тонкого настроєння.

Таємнича поширеність вуглецю у Всесвіті
Внесок Гойла у відкриття тонкого настроєння почався в 1950-х роках. Те, що він відкрив, приголомшило його і зрештою похитнуло його атеїзм. Гойл знав, що у Всесвіті міститься дивовижна кількість вуглецю. Він також знав, що виробництво елемента вуглецю має вирішальне значення для всіх відомих форм життя. Вуглець утворює довгі ланцюгові молекули, які можуть переносити інформацію та зберігати енергію, необхідну живим клітинам для виживання. Люди припускали життя на основі інших елементів, таких як кремній, що існує десь у космосі. Але фізики здебільшого відкидали цю можливість протягом десятиліть. Як, наприклад, Роберт Діке іронічно сказав у 1961 році: «Добре відомо, що вуглець необхідний для створення фізиків».
Справді, життя на основі вуглецю – єдина відома форма життя, і вуглець має особливості, які роблять його унікально придатною основою для складної хемії та життя. Наприклад, вуглець необхідний для утворення достатньо стабільних, довгих ланцюгових молекул, здатних зберігати та опрацьовувати генетичну інформацію. Вуглець також з’єднується з киснем, утворюючи діоксид вуглецю (вуглекислий газ) у важливих хемічних реакціях. Діоксид вуглецю – газ, тому він може легко виходити з клітин у вигляді відходів і легко перемішуватися по всій біосфері. Навпаки, діоксид кремнію — тверда речовина (знайома нам у вигляді піску), і вона не може брати участі в біохемії.
Сам Гойл певний час дотримувався думки, що інші хемічні елементи можуть бути основою життя. У якийсь момент він написав роман, припускаючи, що хмароподібні істоти могли самоорганізуватися з міжзоряного пилу, що складається, ймовірно, з різноманітних елементів. Проте пізніше Гойл усвідомив абсолютну необхідність вуглецю, зробивши те, що він відкрив про його синтез, ще разючішим.
Гойл знав, що вуглець утворюється внаслідок ядерних реакцій, що відбуваються всередині зір. Він та інші фізики вважали, що найвірогідніший шлях для створення важчих елементів (наприклад, вуглецю) з легших елементів (таких як водень і гелій) вимагатиме поступового нарощування. Іншими словами, вони уявляли, що окремі протони або нейтрони (відомі разом як «нуклони») стикаються з легшими елементами, утворюючи послідовно важчі елементи. Вони думали, що цей процес може створювати важчі елементи по одному протону або нейтрону за раз, починаючи з найлегшого елемента, водню, що має один протон.
Їхні моделі того, як це могло статися, породжували очікувані співвідношення легших елементів до важчих – і ці співвідношення відповідали спостережуваним співвідношенням у Всесвіті, принаймні для дуже легких елементів. Наприклад, фізики-ядерники Ралф Алфер, Ганс Бете і Джордж Ґамов продемонстрували, що реакції синтезу в ранньому Всесвіті привели до того ж відносного вмісту найлегших елементів, що спостерігається сьогодні, – приблизно 90 відсотків водню і 10 відсотків гелію за кількістю атомів (на відміну від маси).

Рисунок 7.2. Астрофізик Фред Гойл спочатку вважав, що найвірогідніший шлях до створення важчих елементів (наприклад, вуглецю) з легших елементів (таких як водень і гелій) – поступове нарощування окремих протонів або нейтронів (відомих разом як «нуклони»). Але Гойл виявив, що будування елементів, важчих за гелій, таким способом вимагає проходження через атомні структури з п’ятьма загалом протонами та нейтронами. Фізики-ядерники знають, що ці п’ять «нуклонних» конфігурацій нестабільні, і називають цей бар’єр між легшими і важчими елементами «5-нуклонним провалом».

Але для злиття цих легших елементів, щоб утворилися елементи, важчі за гелій, потрібно пройти через атомні структури з більш ніж чотирма протонами та нейтронами, зокрема, ядра з п’ятьма загалом протонами та нейтронами. Фізики-ядерники знають, що вони нестабільні, і називають цей бар’єр між легшими і важчими елементами «5-нуклонним провалом» (рис. 7.2).
Цей бар’єр – результат неймовірно короткого періоду напіврозпаду – близько однієї трильйон трильйонної частки секунди (1/1024 секунди) – конфігурацій із 5 нуклонів. До них належать літій-5 (з трьома протонами і двома нейтронами) і гелій-5 (з двома протонами і трьома нейтронами). Те, що вони зіткнулися б, – щось на зразок 20-футової драбини зі сходами внизу і вгорі, але лише однією сходинкою посередині, що унеможливлює піднімання. Але ситуація була гірша. Мало того, що не можна було б досягти сходинки в середині (що представляє стан з 5 нуклонами), але й якби її можна було досягти, вона зникла б лише через одну трильйон трильйонну частку секунди!
Зокрема, Гамов і Алфер довго думали над цією проблемою і розглядали різні ідеї щодо того, як обійти нестабільні 5-нуклонні конфігурації субатомних частинок. Вони уявляли, що три атоми гелію з двома протонами і двома нейтронами кожен (гелій-4) об’єднуються, щоб утворити найпоширенішу форму вуглецю (вуглець-12) з характерними шістьма протонами та шістьма нейтронами. Однак вони відкинули цей шлях як неправдоподібний після того, як оцінили неправдоподібну ймовірність того, що три атоми гелію зіткнуться одночасно.

Рисунок 7.3
. Утворення вуглецю та кисню всередині зорі. Астрофізик Фред Гойл зрозумів, що утворення вуглецю з простіших елементів берилію та гелію може відбуватися лише за умови існування версії атома вуглецю з вищим енергетичним станом (або «резонансом»). Те, що атом вуглецю з таким точним резонансним рівнем дійсно існує, означало безліч інших попередніх тонконастроєних параметрів для утворення вуглецю. Утворення кисню з вуглецю та гелію також вимагає багатьох попередніх тонконастроєних параметрів.

Гамов і Алфер виявили своєрідну космічну дилему: зіткнення між меншими елементами, які пропускали 5-нуклонний етап, були неймовірно малоймовірні; зіткнення, що утворювали 5-нуклонний перехідний елемент, негайно розпадалися. Не уявлявся жоден правдоподібний шлях від попередніх умов Всесвіту до важчих елементів, здатних підтримувати життя, незалежно від того, припускався це кінцевий і динамічний Всесвіт чи концепція «безперервного створення» Гойла у стаціонарному стані.
Тоді Гойл розглянув радикальніший альтернативний шлях. На основі квантовомеханічних принципів він припустив, що одне ядро гелію (з двома нейтронами і двома протонами) може легко поєднатися з ядром берилію-8 (містить чотири нейтрони і чотири протони) і утворити вуглець (який має шість протонів і шість нейтронів) (рис. 7.3). Хоча атоми берилію-8 також дуже нестабільні, вони мають період напіврозпаду достатньо довший, ніж елементи з п’ятьма нуклонами, щоб сталося зіткнення з одним атомом гелію, достатньо ймовірне, щоб забезпечити вірогідний шлях для створення вуглецю.
Або ж так здавалося спочатку. Незабаром Гойл усвідомив проблему, для розв’язання якої потрібно було суттєво тонке настроєння. Він підрахував, що сумарна енергія атома берилію-8 і атома гелію-4 перевищує повну енергію атома вуглецю-12. Отже, два менші атоми легко злилися б, утворюючи вуглець, лише якби існувала версія вуглецю з вищою енергією, з точним збудженим станом (вищим енергетичним станом), який відповідає «резонансові», допасованого до об’єднаних енергій берилію-8 і гелію-4 і кінетичній енергії, що генерується всередині масивних зір. Резонанс – це енергетичний рівень, на якому два ядра можуть – відповідно до принципів квантової механіки – легко об’єднатися, утворюючи нове ядро. Гойл розрахував об’єднану енергію для гелію та берилію і визначив, що збуджений стан вуглецю повинен мати точно на 7,65 мегаелектронвольт (МеВ) більшу енергію, ніж «основний енергетичний стан» для вуглецю-12 (загальна форма вуглецю).
А що Гойл знав, що Всесвіт містить велику кількість вуглецю, і що він не міг придумати іншого вірогідного шляху його виробництва, то передбачив існування точного збудженого енергетичного стану, який він розрахував. Пізніше він відвідав Радіаційну лабораторію Келоґа в Калтеху і зумів переконати спочатку скептично налаштованого фізика-ядерника на ім’я Вілі Фаулер виконати необхідну перевірку, щоб визначити, чи існував вуглець з таким збудженим станом. У дивовижному прикладі теорії, що привела до конкретного емпіричного відкриття, Фаулер пізніше підтвердив існування вуглецю з енергетичним рівнем саме з резонансом, який передбачив Гойл. Так Гойл продемонстрував правдоподібний шлях до вуглецю від легших елементів – такий, який міг би обійти 5-нуклонний провал.
Проте була одна проблема. Рівень вуглецевого резонансу мав бути саме таким, інакше весь процес не спрацював би. І це викликало питання, як таке відбувалося.
Рівні резонансу різних елементів – наслідок багатьох факторів і можуть бути розраховані за допомогою рівнянь квантової хромодинаміки, підгалузі квантової механіки. Тож рівні резонансу вуглецю були б різними, якби діяли різні фактори. І якби ці рівні резонансу були різними, то берилій-8 і гелій-4 не могли б об’єднатися, щоб утворити вуглець-12. Тоді життя, найпевніше, не виникло б у нашому Всесвіті. Усе це Гойла здивувало, бо вуглець дійсно виявився у формі з точним рівнем енергії, необхідним для того, щоб менші елементи берилію та гелію могли об’єднатися, щоб утворити його. Але це також спонукало його та інших фізиків дослідити, які умови необхідні для того, щоб вуглець мав належний рівень резонансу, що уможливлювало б його утворення.

Відкриття перших параметрів тонкого настроєння
Питання про те, як вуглець набув свій точний, сприятливий резонанс, виявилося лише верхівкою айсберга. Щоб відповісти на це питання, Гойл сформулював теорію про те, як колапсуючи або «вмираючи» зорі можуть синтезувати вуглець із легших елементів за певних умов. Його теорія передбачала, що те, чи можуть берилій і гелій легко поєднуватися, щоб утворити вуглець, своєю чергою, залежало б від безлічі випадкових факторів і сил, багато з яких, так сталося, мали бути тонконастроєні і збалансовані.
Точні рівні енергії берилію та гелію, з одного боку, та вуглецю – з іншого залежать від кількох факторів: точної інтенсивності двох із чотирьох фундаментальних сил фізики, сильної ядерної сили та електромагнітної сили, а також маси елементарних частинок, які називаються легкими кварками. Крім того, інша фундаментальна фізична сила, гравітація, повинна мати потрібну силу, щоб вуглець та інші елементи могли утворюватися всередині зір.
У природі існують чотири різні фундаментальні сили: гравітаційна сила, електромагнетна сила (ЕМС), сильна ядерна сила (СЯС) і слабка ядерна сила (СлЯС). Слабка ядерна сила спричиняє ядерне випромінювання (тобто радіоактивний розпад атомів). Сильна ядерна сила, притягальна сила, утримує протони і нейтрони разом; електромагнетна сила притягує частинки з протилежними зарядами і відштовхує частинки з однаковим зарядом. СЯС діє на невеликій відстані, а ЕМС – на всіх відстанях.
Крім того, вплив цих сил у певних атомах різний (наприклад, їхні ефекти в берилії та гелії відрізняються). І ці ефекти пов’язані з кількістю і конфігурацією їх елементарних частинок (протонів і нейтронів). Сучасні суперкомп’ютерні розрахунки показують, що ЕМС і СЯС повинні мати точну інтенсивність у межах приблизно 0,5–4 відсотка їх поточних рівнів, щоб уможливити виробництво вуглецю.
Набагато разючіше те, що маси «верхніх кварків» і «нижніх кварків», складових частин протонів і нейтронів, повинні мати точні значення, щоб уможливити виробництво елементів, зокрема вуглецю, необхідних для життя Всесвіту. Справді, маси цих кварків повинні одночасно відповідати дев’яти різним умовам, щоб у ранньому Всесвіті відбулися правильні ядерні реакції (рис. 7.4). «Правильні» реакції – це реакції, які вироблятимуть потрібні елементи (наприклад, вуглець і кисень) потрібної кількості, необхідної для життя. Тонке настроєння мас цих двох наявних у природі кварків стосовно діапазону очікуваних можливих значень маси будь-якої фундаментальної частинки чудове. Фізики вважають, що цей діапазон простягається між нульовою масою і так званою планківською масою, важливою одиницею вимірювання в квантовій фізиці. Але значення «верхнього кварка» повинно мати точну масу між нулем і однією мільярд трильйонною часткою планківської маси, що відповідає тонкому настроєнню – приблизно 1 частина на 1021. Маса «нижнього кварка» повинна мати аналогічне точне тонке настроєння.

Рисунок 7.4. Кожна точка на графіку відповідає можливим значенням мас верхніх і нижніх кварків (Mu, Md). Маси масштабуються за планківською масою Mpl, бо одиниці Планка найприродніші в космології. Кожна з дев’яти ліній на графіку відокремлює області, що відповідають життєдопускним (life-permitting) всесвітам, і життєнедопускним всесвітам, за певним критерієм, таким як можливість існування стабільних протонів. У всесвіті, здатному підтримувати життя, усі дев'ять критеріїв мають бути виконані одночасно, тому життєдопускна область, – перетин усіх дев'яти життєдопускних областей, позначених сірим. Ця область відповідає малесенькій частці всіх правдоподібних значень.

Крім того, чи будуть конкретні атоми берилію та гелію об’єднуватися, утворюючи вуглець, також залежить від їхньої кінетичної (або теплової) енергії, і ця енергія змінюється залежно від температури зір, у яких ці елементи ковані. Щоб вуглець утворився від взаємодії берилію і гелію, їхні ядра повинні досягти достатньо високих швидкостей, щоб подолати електромагнетну силу відштовхування між ними. Але ця умова може бути виконана, лише якщо зорі досить гарячі, щоб породжувати критичні швидкості атомів. Здатність виробляти таку кількість теплової енергії, своєю чергою, залежить від інших факторів, найважливіший з яких – сила гравітації, бо вона стягує атоми разом у гарячу густу кулю упродовж зоряного нуклеосинтезу.
Взагалі кажучи, якби гравітаційна сила була слабша, зорі не нагрівалися б достатньо, щоб ядра з’єднувалися, утворюючи вуглець. Крім того, дещо нижче значення константи гравітаційної сили (G) перешкодило б розвиткові теплового шарування всередині зір. Таке шарування потрібне для виробництва багатьох різних типів елементів (зокрема вуглецю і кисню), необхідних для життя. Слабша загалом гравітаційна сила в більшості випадків також перешкодить зорям стати надновими і викидати елементи, необхідні для життя, у Всесвіт. Якщо зорі не вибухнуть і не перетворяться на наднові, елементи, необхідні для життя, будуть замкнені всередині їхніх ядер. З іншого боку, якби гравітаційна сила була надто сильною, температура всередині зір стала б занадто гарячою, і нуклеосинтез виробляв би лише важчі елементи, ніж вуглець і кисень. Нуклеосинтез також відбувався б занадто швидко, і не утворилися б довговічні зорі. У цьому разі зорі згоряли б занадто швидко, позбавляючи життя придатного місця мешкання.
Фізики визначили, що значення G тонко настроєне до 1 частини на 1035 стосовно «природного» діапазону значень, які G може мати (у можливих альтернативних всесвітах). Якщо припустити, що СЯС, найсильніша з чотирьох основних сил, встановлює розумну верхню межу для цього діапазону, можливий діапазон чотирьох різних фундаментальних сил можна консервативно встановити між нулем і СЯС. Сила гравітації приблизно в 1040 разів слабша, ніж у СЯС, тому гравітація могла простягатися від 0 до 1040 G. Значення константи гравітаційної сили могло бути в 100 000 (або 105) разів більше, ніж його фактичне значення без втрати зорями стабільності, хоча будь-яке подальше збільшення приведе до такої нестабільності. Попри це, через те що G може прийнятно простягатися від 0 до 1040 його поточного значення, діапазон G, що відповідає стабільним зорям, усе ще становить невелику частку цього діапазону, 1 частину на сто мільярдів трильйонів трильйонів (1 на 1035).
З роками, коли Гойл більше замислювався про відкриття точного рівня резонансу вуглецю, який він передбачив, і особливо про всі фактори, які мали бути правильні, щоб зробити вуглець відносно легко утворюваним усередині зір, він переконався, що деякий інтелект організував точний баланс сил і факторів у природі, щоб у Всесвіті було можливе життя. Інтенсивність сильних ядерних і електромагнетних сил, співвідношення між фундаментальними силами, точна кінетична енергія берилію та гелію, а отже інтенсивність гравітаційних сил усередині зір, а також енергія збудження вуглецю все це повинно бути витончено налаштоване і скоординоване в межах дуже вузьких допусків, щоб сприяти синтезові великої кількості вуглецю всередині зір. А без вуглецю життя було б неможливе.
Гойл був приголомшений цими та іншими «космічними збігами», які фізики почали відкривати після 1950-х років. Тоді як раніше він стверджував атеїзм і заперечував будь-які докази проєкту, то тепер почав розглядати тонке настроєння як очевидний доказ розумного проєкту. Як він сказав у 1981 році, «Здорове тлумачення фактів припускає, що суперінтелект бавився фізикою, а також хемією та біологією, і що в природі немає сліпих сил, про які варто говорити. Числа, які можна підрахувати на основі фактів, здаються мені такими разючими, що ставлять цей висновок майже поза сумнівом».
Параметри тонкого настроєння, які виявив Гойл, аж ніяк не були єдиними такими параметрами, необхідними для створення сприятливого до життя (life-friendly) всесвіту. Справді, космологи та фізики виявили, що існування життя залежить від десятка або близько того цих дуже неправдоподібних, тонконастроєних параметрів. Багато хто також відзначає, що це тонке настроєння сильно вказує на проєкт пресущого інтелекту. Як сказав британський фізик Пол Дейвіс у 1988 році: «Враження щодо проєкту приголомшливе». Так само астрофізик Люк Барнз зазначає: «Тонке настроєння вказує на те, що на найглибшому рівні, якого досягла фізика, Всесвіт добре поєднаний. ... Уся система виглядає добре продуманою, чимось, що хтось спланував і створив».
Щоб зрозуміти чому, варто трохи більше довідатися про різні типи тонкого настроєння, які виявили фізики, і надзвичайні масштаби цього тонкого настроєння.

Тонке настроєння законів і констант фізики
Найфундаментальніший тип тонкого настроєння належить до законів фізики та хемії. Зазвичай, коли фізики кажуть, що закони фізики демонструють тонке настроєння, вони мають на увазі константи в цих законах. Але що саме таке «константи» законів фізики?
Закони фізики зазвичай пов’язують один тип змінної величини з іншим. Фізичний закон міг би сказати нам, що коли одна змінна (скажімо, сила) збільшується, інша (скажімо, пришвидшення) також збільшується пропорційно на певний множник. Фізики описують цей тип відносин, кажучи, що одна змінна величина пропорційна іншій. І навпаки, фізичний закон може передбачати, що при збільшенні одного множника інший зменшується на той самий множник. Фізики описують цей тип відносин, кажучи, що перша змінна величина обернено пропорційна іншій.
Ньютонів класичний закон тяжіння, як і більшість законів фізики, має форму, що виражає такі зв’язки. Рівняння гравітаційної сили стверджує, що сила тяжіння між двома тілами пропорційна добуткові мас цих тіл. Він також передбачає, що сила тяжіння обернено пропорційна відстані між тілами в квадраті. Але навіть якщо фізики знають точні маси тіл і відстань між їх центрами, це саме по собі не дає змогу їм обчислити точну силу тяжіння.
Натомість спочатку має бути визначений шляхом ретельних експериментальних вимірювань додатковий множник (фактор), відомий як константа гравітаційної сили. Константа гравітаційної сили – свого роду таємничий «Х-фактор», який дає змогу фізикам вийти за межі простого знання пропорційності, тобто що певні множники збільшуються або зменшуються в міру збільшення або зменшення інших множників. Натомість це дає змогу фізикам точно обчислити силу тяжіння, якщо вони знають значення цих інших змінних величин (маси та відстані) та значення константи пропорційності. Фізики пишуть Ньютонове рівняння гравітаційної сили з буквою G, що представляє силову константу, з m для маси і d для відстані, як показано нижче: F= G (M1 M2)/d2 .
Щоб пояснити ідею константи пропорційності, ось уявний експеримент, який я використовував зі своїми студентами. Був російський [! Так в оригіналі. – Прим.] стрибун із жердиною, яким я захоплювався, Сергій Бубка. У 1980–1990-х роках Сергій встановив численні рекорди у стрибках з жердиною. А тепер уявіть, що ви м’язистий стрибун, як Сергій. Ви рушаєте доріжкою, ставите свою жердину і починаєте злітати, сподіваючись подолати, скажімо, 20 футів 3 дюйми і встановити новий світовий рекорд. Але коли ви перебуваєте на висоті 10 футів у повітрі, якийсь злий демон раптом шахраює зі шкалами в космічній диспетчерській, яка встановлює силові константи для всіх законів фізики. При цьому демон змінює константу гравітаційної сили. Ваша маса все ще становить 100 кілограмів, Земля все ще має ту саму масу (5,9736 x 1024 кілограми), і в цей момент ви все ще перебуваєте приблизно на відстані 10 футів від землі, як і мить раніше. Але тепер, через те що константа гравітаційної сили змінилася, різко змінилася сила гравітації, що діє на вас (рис. 7.5).
На основі Ньютонового рівняння гравітаційної сили, зі старою константою гравітаційної сили, ви повинні взяти 20-футову 3-дюймову планку без жодної проблеми. (Так, ви такі моцні!) Але тепер, завдяки цьому примхливому космічному шахраєві, сила між вами і землею стає набагато потужнішою. Тому ваша жердина ламається, а ви падаєте на землю.

Рисунок 7.5. Якби гравітаційна константа G різко збільшилася під час стрибка стрибуна з жердиною, сила гравітації, що діє на стрибуна, збільшилася б пропорційно, хоча маса стрибуна, маса Землі та відстань від центру Землі (у цей момент) не змінилися б. Така примхлива зміна значення G може призвести до того, що стрибун зламає жердину і впаде на землю.

Усі рівняння, що описують фундаментальні сили фізики, містять такі силові константи. По суті, вони вимірюють чи кількісно оцінюють чистий ефект усіх інших факторів (не представлених конкретно в змінних у відповідних рівняннях), які впливають на величину відповідних сил. І це найцікавіше. Ці силові константи мають один з рідкісних наборів значень, які роблять можливим життя у Всесвіті. Іншими словами, константи в рівняннях, що описують фундаментальні сили фізики, виявляються витончено добре настроєними в межах надзвичайно тонких допусків. Як дивувався Пол Дейвіс (рис. 7.6): «Насправді дивовижне не те, що життя на землі врівноважується на лезі ножа, а те, що весь Всесвіт врівноважений на лезі ножа, і був би повний хаос, якби якась із природних «констант» навіть незначно відхилилася». Або, як зазначив Стівен Гокінг, «Чудовий факт – те, що значення цих чисел, здається, були дуже тонко допасовані, щоб зробити можливим розвиток життя».

Рисунок 7.6. У своїх численних чудових книжках британський фізик Пол Дейвіс пояснив і популяризував докази тонкого настроєння Всесвіту.

Згадаймо з нашого обговорення відкриття Гойлом резонансного рівня вуглецю, коли точна сила гравітаційного притягання була важлива принаймні з двох ключових причин: сила гравітації впливає на кінетичну енергію, пов’язану з берилієм і гелієм, і їх здатність об’єднуватися, утворюючи вуглець, і це визначає, чи проживуть зорі достатньо довго, щоб утворити сонцеві системи, здатні підтримувати життя.
Тепер ми знаємо, що багато інших констант фізики також демонструють тонке настроєння як умову життєдопускного всесвіту. Константа електромагнетної сили демонструє помірне тонке настроєння 1 частини до 25. Константа сильної ядерної сили тонко настроєна як 1 частина до 200. Крім того, відношення значень різних силових констант також потребують значного тонкого настроєння. Наприклад, відношення константи слабкої ядерної сили до константи сильної ядерної сили мало бути встановлене з точністю 1 частина до 10 000. Якби слабка сила була слабкішою або сильнішою на цю малу частку, зір, живлених синтезом водню, необхідних для життя, не існувало б.
Разючіше те, що відношення електромагнетної сили до сили гравітації має бути з точністю до 1 частини на 1040. Якби це відношення було трохи вищим, гравітаційне притягання було б надто сильним проти супротивної сили електромагнетизму, що розштовхує ядра. У цьому разі зорі горіли б занадто швидко і нерівномірно, що унеможливило б утворення довговічних зір і стабільних сонцевих систем. Якби це співвідношення було трохи нижчим, гравітаційне притягання було б занадто слабким проти електромагнетизму. Це завадило б зорям розгорітися так, щоб утворилися важчі елементи, необхідні для життя.
Дійсно, незначні відмінності в силі будь-якої з цих констант або їх співвідношень унеможливлювали б життя. Мартін Різ, заслужений професор космології та астрофізики Кембридзького університету, королівський астроном Сполученого Королівства, підсумував це з характерною британською стриманістю: «Можливість життя, як ми його знаємо, залежить від значень кількох основних фізичних констант і в деяких аспектах надзвичайно чутлива до їх числових значень. Природа проявляє дивовижні збіги».

Всесвітоутворювальна машина?
Коли я був аспірантом, то скористався можливістю познайомитися з кембридзьким фізиком Джоном Полкінґгорном. Сер Джон вийшов у відставку з посади професора математичної фізики кількома роками раніше і наразі обіймав посаду президента Квінз-коледжу в Кембриджі (рис. 7.7). Я пам’ятаю, як відчував невеликий страх перед зустріччю в його офісі, коли проходив довгим коридором, прикрашеним зображеннями колишніх президентів та інших корифеїв коледжу. Я попросив зустрітися частково тому, що він багато писав про проблему тонкого настроєння, і я хотів запитати, чи буде він виступати перед групою аспірантів, до якої я належав. Він погодився, а пізніше виголосив чудову та надзвичайно чітку прмову перед нами про те, чому, на його думку, тонке настроєння – переконливий доказ проєкту.

Рисунок 7.7. Кембридзький фізик-теоретик сер Джон Полкінґгорн, який стверджував, що космічне тонке настроєння тепер забезпечує основу для відродженої програми природної теології.

У своїх виступах на цю тему він часто використовував пам’ятну ілюстрацію, щоб пояснити, чому він прийшов до такого висновку. Полкінґгорн пропонував студентам уявити, що вони подорожували в глибокому космосі і потрапили на космічну станцію, на якій знайшли «всесвітоутворювальну машину» – ту саму машину, що відповідає за тонке настроєння Всесвіту (рис. 7.8). Полкінґгорн попросив свою авдиторію уявити, що його гіпотетична всесвітоутворювальна машина, демонструє ряд різних шкал, ручок або регульовних повзунів, кожен з яких представляє один з багатьох космологічних тонко настроєних параметрів. Він також просив авдиторію уявити, що кожна з цих шкал була закріплена за певним налаштуванням з величезної кількості інших можливих налаштувань.

Рисунок 7.8. Гіпотетична всесвітоутворювальна машина, що ілюструє тонке настроєння законів і констант фізики та початкових умов Всесвіту.

Пізніше я використовував прикрашену версію ілюстрації Полкінґгорна зі своїми студентами. Я просив їх уявити, що вони блискучі фізики, які можуть, виконавши кілька ключових розрахунків, швидко визначити, що ці точні налаштування шкали на всесвітоутворювальній машині і майже без інших налаштувань, дозволяли створити сприятливий для життя всесвіт. «А що, коли, – запитав я, – після цих розрахунків ви виявите, що навіть незначні зміни в налаштуванні шкал – одним клацанням у той чи інший бік – призвели б до катастрофічних наслідків, які завадили б Всесвітові підтримувати життя. Що б ви виснували з цього?»
З дещо меншим розробленням Полкінґгорн запитав свою авдиторію про те саме. Через роки я мав можливість взяти в нього інтерв’ю на камеру про те, що він з цього виснував. Він відповів, що, хоча він не думав, що докази тонкого настроєння доводять існування Бога, але вважав, що теїстичний проєктувальник надавав набагато краще пояснення тонкого настроєння, ніж будь-яка матеріалістична гіпотеза. Як він сказав: «Ну, я не кажу, що атеїст дурний. Я просто кажу, що теїзм дає задовільніше пояснення».
Я обговорював проблему тонкого настроєння з багатьма фізиками та філософами науки, починаючи з мого першого ознайомлення з доказами тонкого настроєння на конференції в Даласі, про яку я згадував раніше. Рання можливість зробити це з’явилася через рік після цієї конференції, коли я відвідав подібну конференцію в Єльському університеті, якраз перед тим, як поїхати до Англії для навчання в аспірантурі. Там я мав можливість взяти інтерв’ю в іншого кембридзького фізика, Браяна Джозефсона, лавреата Нобелівської премії.
У нашій розмові Джозефсон пояснив, чому, на його думку, вибір попереднього розумного розуму надає природне пояснення доказів тонкого настроєння. Як він пояснив: «Могло бути [що був] якийсь розум до того, як виник Всесвіт, який ми знаємо. І якби це було так, цей розум міг би, так би мовити, мати наміри щодо Всесвіту і зміг настроїти його так, щоб кінцевий результат вийшов правильним». Цікаво, що в інтерв’ю для програми Пі-Бі-Сі «Ближче до істини» (Closer to Truth) Джозефсон пізніше оцінив власну впевненість у розумному проєкті як найкраще пояснення умов, які зробили б еволюцію можливою «десь відсотків на 80».
Інший фізик, у якого я брав інтерв’ю, покійний Генрі Марґенау (Henry Margenau), видатний професор квантової фізики Єльського університету, поставив крапку ще рішучіше. Коли я запитав його, як він пояснює тонке настроєння законів і констант фізики, він просто сказав: «Є розум, який відповідає за закони природи та існування природи та всього Всесвіту. І це узгоджується з усім, що ми знаємо».
Так сталося, навіть фізики, які підтримували матеріалістичну перспективу, вважали докази тонкого настроєння такими, що свідчать про розумний проєкт. Фізик і самоозначений атеїст Джордж Ґрінстайн (George Greenstein) зізнався, що, попри його матеріалістичні схильності, «настійно виникає думка, що мусить бути залучена якась надприродна агенція, точніше Агенція. Чи можливо, що ми раптом, без наміру, натрапили на наукове підтвердження існування вищої істоти? Чи був це Бог, який провідеційно ступив і створив космос на нашу користь?»

Соломинки і мавпяча справа
Приблизно в той самий час, коли я вперше зустрів Полкінґгорна, в лондонській газеті «Таймз» з’явилася стаття наукового журналіста Кліфорда Лонглі. Лонглі, як і Полкінґгорн і Гойл, стверджував, що гіпотеза теїстичного проєкту надала очевидне і розумне пояснення доказам антропного тонкого настроєння. Спроби пояснити докази, покликаючись на можливість одного або кількох інших всесвітів (докладніше про це в розділі 16), здавалися йому певними метафізичними особливими благаннями, навіть розпачем. Як пояснив Лонглі, аргумент антропного проєкту «такого порядку певності, що в будь-якій іншій сфері науки він буде вважатися залагодженим». Він продовжив: «Наполягати на протилежному — це все одно, що наполягати на тому, що Шекспіра написав не Шекспір, тому що його могли написати мільярд мавп, які сидять за мільярдом клавіатур і друкують упродовж мільярда років. Так, це можливо. Але вид наукових атеїстів, які хапаються за такі безнадійні соломинки, додали ентузіазму теїстам».
У дальшому розділі я поясню, що саме стосується доказів тонкого настроєння, які спонукали багатьох фізиків розглянути гіпотезу проєкту. Питання не таке очевидне, як може здатися на перший погляд. Я також обговорю інші типи тонкого настроєння, які в багатьох випадках демонструють навіть витонченішу точність, ніж приклади, які ми розглядали до цього моменту. Наразі варто зазначити, що принаймні одна версія аргументу щодо проєкту повернулася до наукового обігу і що відкриття у фізиці, астрономії, космології та хемії сприяли цьому несподіваному розвиткові подій.
Кувалда
Редактор
Повідомлень: 5735
З нами з: Сер травня 27, 2009 8:33 pm

Re: Повернення гіпотези про Бога: три наукові відкриття, які виявляють розум, що стоїть за Всесвітом

Повідомлення Кувалда »

8
Надзвичайне тонке настроєння – за проєктом?

«Розумний проєкт», як сказав лавреат Нобелівської премії фізик Чарлз Таунз (Charles Townes), «як можна побачити з наукового боку, здається цілком реальним. Це дуже особливий Всесвіт: дивно, що він виник саме таким. Якби закони фізики не були такими, які вони є, нас би взагалі тут не було. Сонця не могло б бути, закони гравітації, ядерні закони, теорія магнетизму, квантова механіка тощо повинні бути такими, які вони є, щоб ми були тут». Такі фізики, як Таунз, що також викладав у Каліфорнійському університеті, Берклі, до своєї смерті в 2015 році, часто говорять про тонке настроєння законів і констант фізики як про основний тип тонкого настроєння у Всесвіті, як описано в попередньому розділі.
Попри це, існують принаймні два інші загальні типи тонкого настроєння: тонке настроєння первинних умов матерії та енергії на початку Всесвіту та тонке настроєння інших випадкових властивостей Всесвіту. Вони не так часто згадуються, як тонке настроєння законів і констант фізики, але вони так само важливі для існування та підтримки життя у Всесвіті. Насправді деякі з цих інших властивостей Всесвіту виявляють навіть більший ступінь тонкого настроєння, ніж приклади, які ми вже досліджували.

Тонке настроєння первинних умов Всесвіту
Розгляньмо первинне тонке настроєння розподілу чи конфігурації матерії та енергії на початку Всесвіту. Ви, можливо, пам’ятаєте, що знамените Айнштайнове рівняння E = mc2 говорить нам, що матерія та енергія взаємоперетворні; тобто матерія пов’язана з енергією, і енергія може проявлятися у вигляді матеріальних частинок.
Згадайте з попереднього розділу, що неоднорідний розподіл маси-енергії на початку Всесвіту пояснював наявність галактик в одних частинах Всесвіту і нестачу матерії – в інших. Фізики визначили, що якби матерія на початку Всесвіту була сконфігурована навіть трохи інакше, відбулося б екстремальне грудкування матерії, що призвело б до всесвіту, в якому існували б лише чорні діри, або, навпаки, дуже розсіяне розташування матерії взагалі без будь-яких масштабних структур. Обидві ці альтернативи запобігли б утворенню стабільних галактик і зір, у яких згодом могли б виникнути сприятливі для життя сонцеві системи.
Ось ілюстрація, яку я часто використовував зі студентами, щоб пояснити ідею тонкого настроєння первинних умов. До винаходу тунельно-бурових машин інженери, які хотіли побудувати тунель крізь схил гори, використовували динаміт, щоб пробити діру в її боці. Вони ретельно планували, як «розташувати заряд», бо знали, що крихітні відмінності в орієнтації та розміщенні вибухівки можуть спричинити величезні відмінності в напрямку та формі отвору, що залишався від вибуху (рис. 8.1). Тобто вони знали, що первинна конфігурація матерії та енергії разом визначить структуру та форму отриманої діри в горі.
Так само конфігурація матерії та енергії на початку Всесвіту визначила розподіл матерії та енергії пізніше в історії космосу. Лише надзвичайно тонке настроєння цієї первинної конфігурації уможливило формування галактик, зір та планетарних систем.

Рисунок 8.1. Під час створення тунелю точний кут і сила зарядів динаміту визначать результат. Таким же чином первинна конфігурація матерії та енергії на початку Всесвіту визначатиме, чи вийде життєдопускний всесвіт.

Тонке настроєння первинної ентропії
Фізики називають первинний розподіл маси-енергії тонким настроєнням «ентропії» (або «первинної ентропії»). Ентропія вимірює кількість безладу в матеріальній системі (наприклад, молекул, атомів або субатомних частинок). Зменшення ентропії відповідає збільшенню порядку. Збільшення ентропії відповідає зростанню безладу. Всесвіт, у якому можуть виникнути впорядковані структури, такі як галактики та сонцеві системи, вимагатиме на початку низькоентропійної (високоспецифічної) конфігурації маси та енергії. У Всесвіті з більшою первинною ентропією стали б домінувати чорні діри.
Щоб оцінити ентропію, необхідно визначити кількість конфігурацій матерії та енергії, які породжують або узгоджуються з певним станом речей. Якщо існує багато конфігурацій, що відповідають заданому стану речей, то фізики кажуть, що цей стан має високу ентропію і дуже невпорядкований. Якщо існує лише кілька конфігурацій, що відповідають заданому станові речей, то фізики кажуть, що цей стан має низьку ентропію і він високовпорядкований. Наприклад, існує набагато менше способів розташувати книги, папір, олівці, одяг та меблі в кімнаті, щоб вона виглядала акуратною, ніж способів розставити ті ж предмети, які призведуть до того, що вона виглядатиме безладною. Тоді ми могли б сказати, що охайна кімната представляє низькоентропійний, високовпорядкований стан, тоді як безладна кімната, безсумнівно, представляє невпорядкований високоентропійний стан.
Або розгляньмо іншу ілюстрацію цих понять. Рідка вода – приклад високоентропійного стану. Це тому, що при температурах від 32 до 212 градусів за Фаренгайтом можливо багато різних розташувань молекул води, які відповідають H2O в рідкому стані. Іншими словами, існує багато різних способів (тобто конфігурацій молекул) отримати воду як рідину. І, навпаки, вода в твердому стані, а саме лід, – приклад низькоентропійного стану, бо лід має жорстко впорядковану структуру ґратки. Така структура обмежує кількість способів упорядкування молекул води. Отже, існує відносно мало способів (тобто конфігурацій) мати воду у твердому стані.
У Всесвіті чорна діра представляє дуже невпорядкований (високоентропійний) стан, як надзвичайно безладна кімната. Це тому, що інтенсивні гравітаційні сили, що діють в чорній дірі, забезпечують, що матерія та енергія можуть набувати багатьох різних хаотичних конфігурацій. Проте незалежно від того, яка з цих конфігурацій буде результатом інтенсивних гравітаційних сил, великомасштабна структура чорної діри залишиться приблизно такою самою. І, навпаки, галактика представляє низькоентропійний стан, як прибрана кімната, тому що існує відносно мало способів розташувати елементи, з яких складаються галактики, що приведуть до впорядкованих структур, які вони демонструють. Всесвіт загалом також представляє систему з нижчою ентропією, бо галактики рівномірно розподілені в просторі. З іншого боку, якби Всесвіт характеризувався великими нерівномірно розподіленими згустками матерії (наприклад, у вигляді безлічі чорних дір), він демонстрував би високу ентропію.
Отже, як малоймовірно, що наш Всесвіт матиме низькоентропійне, високовпорядковане розташування матерії, яке він має сьогодні? Колега Стівена Гокінга Роджер Пенроуз (рис. 8.2) знав, що якби він міг відповісти на це запитання, то мав би міру тонкого настроєння первинного розташування матерії та енергії на початку Всесвіту.

Рисунок 8.2. Оксфордський фізик сер Роджер Пенроуз, який співпрацював зі Стівеном Гокінгом у доведенні теорем про космологічну сингулярність, а потім розрахував витончене і гіперекспоненційне тонке настроєння первинної ентропії Всесвіту.

Пенроуз визначив, що отримання всесвіту, такого як наш, із високовпорядкованими конфігураціями матерії вимагає витонченого ступеня первинного тонкого настроєння – неправдоподібно неймовірного низькоентропійного набору початкових умов. Його аналіз почався з припущення, що ні наш Всесвіт, ні будь-який інший, імовірно, не демонстрував би більше безладу (або ентропії), ніж чорна діра, структура з найвищою відомою ентропією. Потім він розрахував ентропію чорної діри, використовуючи рівняння, засноване на загальній теорії відносності та квантовій механіці. Розраховане ним значення ентропії встановило підставову верхню межу, або максимально можливе значення ентропії, для розподілу маси-енергії в нашому видному Всесвіті.
Потім Пенроуз запитав: враховуючи широкий діапазон можливих значень ентропії раннього Всесвіту, яка ймовірність, що Всесвіт матиме точну ентропію, яку має сьогодні? Щоб відповісти на це питання, йому потрібно було знати ентропію нинішнього Всесвіту. Пенроуз зробив кількісну оцінку цієї величини. Потім він припустив, що ранній Всесвіт мав би значення ентропії не більше, ніж значення нинішнього Всесвіту, бо ентропія (безлад) зазвичай збільшується, коли енергія рухається через систему, як мало б відбуватися в міру розширення Всесвіту. (Уявіть собі торнадо, що рухається через сміттєзвалище, або малюка – через кімнату.)
Потім він порівняв кількість конфігурацій маси-енергії, що відповідає ранньому Всесвітові чорних дір, з кількістю, що відповідає впорядкованішим всесвітам, як наш. Математично він порівнював кількість конфігурацій, пов’язаних з максимально можливим ентропійним станом (чорна діра), з кількістю, пов’язаною з низькоентропійним станом (наш спостережний Всесвіт). Порівнюючи це максимально очікуване значення ентропії Всесвіту зі спостережуваною ентропією, Пенроуз визначив, що спостережувана ентропія була надзвичайно малоймовірна щодо всіх можливих значень ентропії, які вона могла мати. Зокрема, він показав, що існує 1010101 конфігурацій маси-енергії — величезна кількість — які відповідають високовпорядкованому Всесвіту, як наш. Але він також показав, що існує набагато більше конфігурацій — 1010123 — які створять всесвіти, де домінують чорні діри. А що 1010101 — це невелика частка від 1010123, то він дійшов висновку, що умови, які могли б створити сприятливий для життя Всесвіт, надзвичайно рідкісні проти загальної кількості можливих конфігурацій, які могли існувати на початку Всесвіту. Дійсно, поділивши 1010101 на 1010123 [так в оригіналі! Насправді має бути не 10 у степені 10101 і 10123, а 10 у степені 10 у степені, відповідно, 101 і 123; і ділити треба друге число (зі степенем 10 у 123 степені) на перше (зі степенем 10 у 101 степені). – Прим. перекл.], знову отримаємо число 1010123. А що менше експоненційне число становить такий неймовірно малий відсоток від більшого експоненційного числа, то менше число можна ігнорувати, бо значно більше експоненційне число фактично поглинає менше.
У будь-якому разі число, яке обчислив Пенроуз – 1 на 1010123 [див. вище примітку] – дає кількісний показник неймовірно точного тонкого настроєння первинних умов Всесвіту. Іншими словами, його обчислена ентропія означала, що з багатьох можливих способів, якими доступні маса та енергія Всесвіту могли бути сконфігуровані на початку, лише кілька конфігурацій привели б до створення Всесвіту, як наш. Тож, як зауважує Пол Дейвіс, «сучасне розташування матерії вказує на дуже особливий вибір первинних умов».
Це м’яко кажучи. Математичний вираз 1010123 [див. вище примітку] представляє те, що математики називають гіперекспоненційним числом – 10 у 10-му степені (або 10 мільярдів) у 123-му степені. Щоб представити це число в перспективі, можна було б відзначити, що фізики підрахували, що весь Всесвіт містить «лише» 1080 елементарних частинок (велике число – 1 і 80 нулів). Але це число, тим не менш, становить малесеньку частку від 1010123 [див. вище примітку]. Насправді, якби ми спробували записати це число з 1, а потім з усіма нулями, які знадобилися б для його точного представлення без використання показників ступеня, в отриманому числі нулів було б більше, ніж елементарних частинок у всьому Всесвіті. Отже, розрахунок Пенроуза припускає неправдоподібно неймовірне розташування маси-енергії — ступінь первинного тонкого настроєння, який насправді не адекватно відображається словом «витончений» (exquisite). Я не знаю жодного слова в англійській мові, яке передає ту точність, яку ми обговорюємо.

Тонке настроєння темпу розширення Всесвіту та/або космологічної константи
На додаток до тонкого настроєння законів і констант фізики та розташування матерії та енергії на початку Всесвіту, фізики відкрили багато інших випадкових, тонко настроєних властивостей Всесвіту. Наприклад, життєдопускний Всесвіт дуже залежить від його точного темпу розширення. З моменту відкриття червоного зсуву світла, що надходить від далеких галактик, астрономи виявили, що якби Всесвіт спочатку розширювався навіть трішечки швидше чи повільніше, у Всесвіті або не утворилися б стабільні галактики, бо матерія розсіялася б занадто швидко, щоб галактики змогли застигнути, або інакше Всесвіт швидко сколапсував би сам у себе. Перший сценарій космологи називають «тепловою смертю Всесвіту», а другий — «великим стиском». Жоден результат не сприятливий для життя.
Хоча багато провідних фізиків називають темп розширення Всесвіту хорошим прикладом тонкого настроєння, деякі ставлять під сумнів, чи слід вважати його незалежним параметром тонкого настроєння, бо темп розширення – наслідок інших фізичних факторів. Однак ці фізичні фактори самі по собі незалежні один від одного й, імовірно, тонко настроєні. Наприклад, темп розширення на найперших етапах історії Всесвіту залежав би від густини маси та енергії в ті ранні часи. А густина Всесвіту через одну наносекунду (мільярдну частку секунди) після початку мала мати точне значення 1024 кілограми на кубічний метр. Якби густина була більшою або меншою лише на 1 кілограм на кубічний метр, галактики ніколи б не розвинулися. Це відповідає тонкому настроєнню 1 частини на 1024.
Космологічна константа вимагає ще більшого ступеня тонкого настроєння. (Пам’ятайте, що космологічна константа – константа в Айнштайнових рівняннях поля. Вона представляє густину енергії простору, що бере участь в розширенні простору назовні на противагу гравітаційному притяганню.) Найконсервативніша оцінка для цього тонкого настроєння — 1 частина на 1053, але 1 на 10120 цитується частіше. Тепер фізики зазвичай погоджуються, що ступінь тонкого настроєння космологічної константи становить не менше ніж 1 частина на 1090.
Щоб зрозуміти, що означає це число, уявіть, що шукаєте в просторах видного Всесвіту одну спеціально позначену субатомну частинку. Тоді подумайте, що видний Всесвіт містить близько 200 мільярдів галактик, кожна з яких містить близько 100 мільярдів зір, а також безліч астероїдів, планет, супутників, комет і міжзоряного пилу, пов’язаних з кожною з цих зір. Тепер припустімо, що у вас є особлива здатність миттєво переміщатися в будь-яку точку Всесвіту, щоб вибрати — із зав’язаними очима й навмання — будь-яку субатомну частинку, яку ви бажаєте. Ймовірність того, що ви знайдете спеціально позначену субатомну частинку — 1 на 1080 — все ще в 10 мільярдів разів вища, ніж ймовірність — 1 на 1090 — того, що Всесвіт мав би життєдопускну інтенсивність для космологічної константи.

Інші можливі фактори тонкого настроєння

Прикладів тонкого настроєння можливих властивостей Всесвіту багато. Наприклад, щоб зробити життя можливим, маси фундаментальних частинок повинні відповідати точній комбінації обмежень. У попередньому розділі я обговорював тонке настроєння мас двох наявних у природі кварків, верхнього і нижнього, що стосується діапазону очікуваних можливих значень. Нагадаємо, що тонке настроєння мас цих кварків значне — 1 на 1021. Крім того, різниця в масах між кварками не може перевищувати одного мегаелектронвольта, що еквівалентно тисячній частці 1 відсотка маси найвідомішого кварка, щоб не створився тільки нейтронний чи тільки протонний всесвіт, надзвичайно нудний і несумісний з життям і навіть із простою хемією.
Так само проблематично, збільшення маси електронів у 2,5 раза приведе до того, що всі протони в усіх атомах захоплять усі орбітові електрони і перетворяться на нейтрони. У цьому разі не могло б існувати ні атомів, ні хемії, ні життя. Ба більше, маса електрона має бути меншою, ніж різниця між масами нейтрона і протона, і ця різниця представляє тонке настроєння приблизно 1 на 1000. Крім того, якби маса особливої частинки, відомої як нейтрино, була більша в 10 разів, зорі та галактики ніколи не утворилися б. Маса нейтрино становить приблизно одну мільйонну від маси електрона, тому допустима зміна незначна проти можливого діапазону.
Поєднання всіх цих тонконастроєних умов — зокрема тонке настроєння законів і констант фізики, первинне розташування матерії та енергії та різні інші можливі властивості Всесвіту — представляє надзвичайно обмежувальний набір критеріїв. Багатьом фізикам здавалося, що ці вимоги для існування життя, які знову кидають виклик нашій здатності описати їхню надзвичайну неймовірність, потребують певного пояснення.

Слабкий антропний принцип
У 1974 році фізик Брендон Картер (Brandon Carter) запропонував спочатку найпопулярнішу натуралістичну (або нетеїстичну) інтерпретацію тонкого настроєння. Як сказав Картер: «Те, що ми можемо спостерігати, мусить бути обмежене умовами, необхідними для нашої присутності як спостерігачів».
Отже, Картер та інші прихильники того, що стало широко відомим як «слабкий антропний принцип» (САП), стверджували, що ми, люди, не повинні дивуватися, виявивши, що живемо у Всесвіті, придатному для життя, бо якби Всесвіт був інакший, нас би не було тут, щоб спостерігати його. А що немає нічого дивного в тому, щоб жити у Всесвіті, де є умови, необхідні для нашого власного існування, прихильники САП стверджують, що тонке настроєння не потребує пояснень.
Однак САП наразився на величезну критику з боку філософів фізики та космології. Як стверджував філософ Джон Леслі (John Leslie), всупереч тому, що стверджують прихильники САП, походження тонкого настроєння насправді потребує пояснень. Він зазначає, що хоча ми, люди, не повинні дивуватися, виявивши, що живемо у всесвіті, придатному для життя (бо ми живі), ми повинні бути здивовані, дізнавшись, що умови, необхідні для життя, такі неймовірні.
Щоб проілюструвати облудність САП, Леслі порівняв нашу ситуацію в нашому тонко настроєному Всесвіті з ситуацією людини із зав’язаними очима, яка виявила, що, попри всі труднощі, вона пережила розстріл від сотні досвідчених стрільців. Хоча те, що вона виявилася живою, безумовно, узгоджується з тим фактом, що всі стрільці промахнулися, але це не пояснює, чому насправді вони промахнулися. Натомість Леслі стверджує, що в’язень повинен здивувати тому, що він усе ще живий, бо стрільці, як відомо, відмінно стріляють, і ймовірність того, що всі вони промахнуться (якщо вони мали намір його вбити), надзвичайно мала.
Очевидно, що САП робить логічну помилку. Він трактує констатацію необхідної умови настання події (у цьому разі нашого існування) так, ніби усуває необхідність причинового пояснення умов, які роблять подію можливою. Щоб побачити частину недоліку в цьому міркуванні, розгляньмо таке. Уявіть собі, що страхова компанія посилає страхового слідчого, щоб з’ясувати, чому в дощову ніч згорів склад. Оглянувши обгорілі залишки будівлі, слідчий подає свій протокол. Будівля згоріла, впевнено пояснює він, через кисень в атмосфері.
Страхова компанія негайно звільняє слідчого і наймає когось іншого. У чому була його помилка? Слідчий сплутав необхідну умову пожежі з причиною конкретної розслідуваної пожежі. У цьому випадку кисень не був «відмінністю, що змінила» — тобто причиною пожежі. У повітрі навколо складу весь час був кисень. Його наявність сама по собі була недостатня для виникнення пожежі, і тому не пояснює, чому будівля раптово згоріла. Газові балончики та сірникові коробки, залишені біля місця обгорілої будівлі, дали б доречнішу інформацію, якби слідчий не був таким буквально «нетямущим».
Кисень справді необхідна умова пожежі, але це не дає причинового пояснення конкретної пожежі, про яку йдеться. Аналогічно, тонке настроєння фізичних констант – необхідна умова для життя, але це не дає причинового пояснення та не усуває потреби пояснювати саме по собі тонке настроєння.
Зауважте також, що прихильники САП зосереджують увагу на хибному феномені, який цікавить. Вони думають, що потрібно пояснити (або знайти підтвердження поясненню) те, чому ми спостерігаємо Всесвіт, що відповідає нашому існуванню. Правда, таке спостереження не дивне. Проте, що потребує пояснення, так це те, що спричинило тонке настроєння Всесвіту, а не наше подальше спостереження його. Отже, прихильники САП пропонують як причину події, що потребує пояснення, констатацію необхідної умови іншої події, яка не потребує пояснення.

Сильний антропний принцип
Інша версія антропного принципу, відома як сильний антропний принцип (СиАП) або антропний принцип участі (АПУ), викликала заслужену зневагу своєю дивною логікою. Деякі фізики означують сильний антропний принцип як просто ідею про те, що «Всесвіт мусить мати ті властивості, які роблять можливим розвиток життя в ньому на певному етапі його історії», не кажучи вже, що спричинив розвиток цих тонко настроєних властивостей. Однак добре відоме розширення цієї ідеї також називається, дещо заплутано, під такою ж назвою, «сильний антропний принцип». І він намагається пояснити походження тонкого настроєння.
Згідно з цією версією СиАП, потреба через спостерігачів надавати реальність Всесвітові означає, що Всесвіт повинен бути тонко настроєний, щоб створити людей-спостерігачів для спостереження за ним. Це пояснення тонкого настроєння засноване на інтерпретації дивного явища у сфері квантової фізики. На початку двадцятого століття фізики виявили, що електрони і фотони світла будуть поводитися як хвилі або частинки залежно від того, як їх спостерігати. У відомому нині експерименті, який називається «двощілинний експеримент» (докладніше див. у розділі 17), просторово нелокалізовані хвилі світла, які створюють характерні інтерференційні картинки, будуть — при попаданні на пластину детектування — проявлятися як частинки в просторово дискретних місцях. У квантовій фізиці це явище відоме як «колапс хвильової функції». Деякі фізики інтерпретували явище — хвилі, що проявляються як частинки при детектуванні — як результат хвилі, що спостережувана.
Прихильники сильного антропного принципу стверджували, що так само, як конкретне розташування фотона світла або електрона залежить від спостереження та спостерігача, існування самого Всесвіту може залежати від спостерігача. Але це означає, стверджують вони, що Всесвіт мав би бути тонко настроєний від самого початку, щоб він взагалі існував, бо лише Всесвіт, тонко настроєний для свідомого життя, створював би спостерігачів, здатних надати Всесвітові існування. Фізики Джон Бароу (John Barrow) та Френк Тіплер (Frank Tipler) характеризують цю добре відому версію сильного антропного принципу так, що: (1) «Всесвіт повинен мати ті властивості, які роблять можливим розвиток життя всередині нього на певному етапі його історії»; (2) «існує один можливий Всесвіт, «спроєктований» з метою створення та підтримки «спостерігачів»»; і (3) «для створення/ виникнення (bring into being) Всесвіту необхідні спостерігачі».
Це міркування має явно проблематичний аспект. Спостерігачі, які нібито спричиняють тонке настроєння Всесвіту, проводять спостереження за тонким настроєнням через мільярди років після, а не раніше від події, яку вони нібито спричинили. І все ж зрозуміло, що саме поняття «причини» має на увазі подію, яка викликає наступний наслідок. Навіть у разі нібито спричинених спостерігачем квантових явищ наслідок — колапс хвильової функції — виникає після причини, тобто детектування хвилі світла. Відверта нелогічність цього формулювання змусила відомого запального автора «Саєнтіфік Амерікен» Мартіна Ґарднера висловити роздратування. Він назвав СиАП і подібні спроби пояснити походження тонкого настроєння «АСАП, абсолютно смішний антропний принцип». Тепер майже всі фізики та філософи погоджуються з цією заслуженою, хоча й різкою, відмовою.

Випадок і природні закони
Неймовірність багатьох індивідуальних параметрів тонкого настроєння, не кажучи вже про неймовірність всього ансамблю, видається, виключає пряме звернення до випадковості. (Я розгляну менш прямі звернення до випадковості, пов’язані з постулюванням інших всесвітів, у розділі 16.) Проте закони фізики, здається, теж не можуть пояснити тонке настроєння.
Справді, закони фізики не пояснюють, чому закони фізики такі, які вони є, тобто чому вони мають точно тонконастроєні властивості, які вони мають. Щоб зрозуміти чому, подумайте, що кілька ключових параметрів тонкого настроєння – зокрема, значення констант фундаментальних законів фізики – властиві для структури цих законів. Іншими словами, точні «налаштування шкал» різних констант фізики представляють специфічні властивості самих законів фізики — наприклад, яким сильним буде гравітаційне або електромагнетне притягання. Ці специфічні та випадкові значення не можуть бути пояснені законами фізики, бо вони частина логічної структури цих законів. Науковці, які стверджують протилежне, просто кажуть, що закони фізики пояснюються самі собою. Але це приймання причини за наслідок.
Так само жоден відомий закон фізики не може пояснити первинний розподіл матерії та енергії на початку Всесвіту, бо закони описують, як різні сили або поля діють на конкретні матеріальні умови, коли ці умови є. Вони не пояснюють, як взагалі виникли умови; вони їх наперед припускають. Дійсно, рівняння, що виражають фундаментальні закони фізики, неможливо розв’язати, якщо інформація про первинні умови не буде надана з іншого джерела. Самі закони не дають цієї інформації і не пояснюють, чому первинні умови мають такі значення.
Отже, що ж пояснює тонке настроєння?

Космічні підказки
Може здатися інтуїтивно очевидним, що тонконастроєний всесвіт передбачає «тонкого настроювача» — або якийсь «суперінтелект». Але що саме з тонкого настроєння вказало на проєкт — розумний проєкт — для багатьох фізиків? Чому багато хто думає, що гіпотеза теїстичного проєкту дає «задовільніше пояснення» тонкого настроєння, ніж різні матеріалістичні теорії?
Математик і філософ Вільям Дембскі (William Dembski) (рис. 8.3) розробив теорію про те, як ми виявляємо активність розумних агентів ув ефектах, які вони залишають після себе. Його теорія допомагає пояснити, чому докази тонкого настроєння вказують на проєкт для багатьох фізиків. Це також підкріплює висновок про те, що тонке настроєння законів, констант і первинних умов Всесвіту справді вказує на проєктувальний розум.
У своїй новаторській книжці «Висновок про проєкт» (The Design Inference) Дембскі пояснив критерії, за якими раціональні агенти розпізнають ефекти інших раціональних агентів і відрізняють їх від наслідків нерозумних природних причин. За Дембскі, системи, послідовності або події, які виявляють дві характеристики одночасно — надзвичайну неймовірність і особливий тип патерна, який називається «специфікацією/технічними даними» (specification), — вказують на попередню розумну діяльність. За словами Дембскі, надзвичайно малоймовірні події, які також виявляють «незалежно розпізнаваний патерн» або набір функціональних вимог, які він називає «специфікацією», завжди результат розумних причин, а не випадкових чи фізико-хемічних законів.

Рисунок 8.3. Математик і філософ Вільям Дембскі. У своїй новаторській книжці «Висновок про проєкт» Дембскі встановив строгий метод виявлення активності розумних агентів і відмежування такої діяльності від чисто природних причин.

Я часто пояснював теорію Дембскі, просячи студентів подумати про обличчя на горі Рашмор у Південній Дакоті. Якщо ви подивитеся на цю знамениту гору, то швидко впізнаєте обличчя американських президентів, вписані там як продукт розумної діяльності. Чому? Що в цих обличчях вказує на те, що їх створив ремісник чи скульптор? Ви можете сказати, що це неймовірність форм. Навпаки, ми не схильні робити висновок, що розумний агент відіграв роль у формуванні, наприклад, звичайного V-подібного ерозійного патерна між двома горами, створеного великими об’ємами води. Натомість обличчя на горі кваліфікуються як надзвичайно неймовірні структури, бо вони містять багато детальних особливостей, які природні процеси зазвичай не створюють. Звісно, наприклад, вітер та ерозія навряд чи створять впізнавані обличчя Вашингтона, Джеферсона, Лінколна та Рузвелта.
Однак, як зазначає Дембскі, точне розташування скель внизу гори також представляє вкрай малоймовірну конфігурацію, особливо якщо врахувати всі інші можливі шляхи осідання цих порід. Отже, крім неймовірності форм, що́ допомагає нам усвідомити, що розумна діяльність відіграла роль у створенні облич?
Відповідь – наявність особливого виду патерна. На додаток до неймовірної структури, ми бачимо форму або патерн, що відповідає тому, який ми знаємо з незалежного досвіду, а саме бачимо людське обличчя і навіть конкретні обличчя президентів на грошах або в підручниках з історії. Тож Дембскі припускає, що сама по собі неймовірність цієї структури не запускає наше усвідомлення попереднього розумного проєкту. Натомість розумні агенти розпізнають розумну діяльність кожного разу, коли вони спостерігають дуже неймовірний об’єкт або подію, які також відповідають незалежно впізнаваному чи змістовному патернові. Купа каміння внизу скелі не утворює такого патерна, але обличчя на горі утворюють.
Розгляньмо інший приклад. На рисунку 8.4 зображено патерн із квітів на схилі пагорба гавані міста Вікторії на канадському острові Ванкувері. Час від часу я добирався на швидкісному поромі з Сіетлу, який причалював у гавані Вікторії. Одного разу, стоячи на носі порома, який заходив у гавань, я помітив цей патерн із червоних і жовтих квітів на схилі пагорба. Поки я ще був на певній відстані, патерн привернув мою увагу та викликав цікавість, тому я одягнув окуляри. Коли я це зробив, то відразу зробив висновок про проєкт. Чому? Я зрозумів, що червоно-жовті квіти означають «Ласкаво просимо до Вікторії» — очевидно, робота розумних садівників, а не лише природних процесів.

Рисунок 8.4. Конкретна складність або функціональна інформація як індикатор або «підпис» інтелекту. У внутрішній гавані Вікторії, Канада, є клумби, на яких можна прочитати фразу «Ласкаво просимо до Вікторії». Композиція з квітів передає «конкретну» або функціональну інформацію, безпомилкову ознаку інтелекту. Ніхто, наприклад, не віднесе цей патерн квітів до ненаправленого процесу, наприклад, птахів, які літаючи над гаванню, випадково кинули насіння.

Теорія Дембскі та два його критерії пояснюють, чому я мав рацію, зробивши такий висновок. Враховуючи багато інших способів розташування квітів і враховуючи, як очікується, що вітер, дощ та інші природні сили розкидають насіння для їх зростання, специфічне розташування квітів кваліфікувалося як вкрай малоймовірний патерн. Але на додаток до цього розташування були прикладом кількох патернів, які я розпізнав незалежно, а саме форми кількох англійських літер. Композиція з квітів також демонструвала функціонально значний патерн у тому сенсі, що вона відповідала наборові вимог, які робили можливим композиції як цілого передавати повідомлення. У цьому разі композиції квітів містили слова з відомими значеннями, розташовані відповідно до незалежних синтаксичних умов і граматичних правил для передавання повідомлення англійською мовою.
Цей приклад ілюструє, що поняття специфікації Дембскі вводить ідею «незалежно заданого патерна» (відповідності до патерна), а також ідею «розпізнаваного чи значного результату» або «набору функціональних вимог». Один зі способів означення специфікації допомагає пояснити цю еквівалентність. Справді, ми можемо думати про специфікацію як стислий опис того, що ми розпізнаємо або робимо. Це може містити опис розпізнаваного патерна, який ми можемо описати коротко, наприклад «обличчя президентів». Або він може містити набір функціональних вимог, таких, що наведені в частині англійського тексту, вираженого, наприклад, у квітковій композиції. У цьому разі ми можемо коротко описати, що робить композиція: «квіти передають вітальне повідомлення». У будь-якому разі, з нашого досвіду, малоймовірна подія, що демонструє патерн, розпізнаний з незалежного досвіду, або набір функціональних вимог надійно вказують на розумний проєкт.
І це повертає нас до тонкого настроєння. Згадайте ілюстрацію Джона Полкінґгорна про всесвітоутворювальну машину. Його гіпотетична машина мала безліч шкал і ручок, кожна з яких має безліч можливих настроєнь. Проте кожна шкала чи ручка були настроєні саме так, щоб зробити можливим значний результат, тобто життя. Полкінґгорн використав цю ілюстрацію, щоб привернути увагу до проєкту, який стоїть за тонким настроєнням. Теорія Дембскі пояснює, чому це так. Гіпотетична машина Полкінґгорна проілюструвала, як наш Всесвіт проявляє (а) надзвичайно неймовірний ансамбль значень і умов, які також (б) служать прикладом набору функціональних вимог — тих, які ми можемо коротко описати як «набір параметрів, необхідних для утворювання життєпідтримного всесвіту».

Виявлення проєкту в режимі реального часу: неможливість плюс
Коли я викладав, я ілюстрував теорію Дембскі та її застосування до доказів тонкого настроєння, використовуючи кляп із кодовим замком. Спочатку я не казав своїм студентам те, що намагався донести. Натомість я починав із того, що казав їм, що використаю замок, щоб проілюструвати, що сама по собі випадковість не правдоподібний спосіб пояснити тонке настроєння Всесвіту.
Спочатку я просив студентів спробувати відімкнути замок, вгадавши цей код. Я навіть казав їм, що потрібно повернути лімб спочатку праворуч, потім ліворуч, а потім знову праворуч за другу цифру. У міру того як я обходив авдиторію, а студент за студентом не знаходив код трьома випадковими випробуваннями, я поводився дедалі самовдоволеніше, ніби демонстрація доводила мою думку про неадекватність випадкових процесів як пояснення вкрай малоймовірних результатів. Потім, ніби за сигналом і якраз коли я став нестерпним, студентка (ми назвемо її Пейдж) тричі безтурботно повернула лімб — праворуч, ліворуч, праворуч — і відімкнула замок. Авдиторія відреагувала передбачувано сміхом і глузуванням. Ну, принаймні на деякий час.
У цей момент я удавав шок від результатів демонстрації. Я був неправий. Випадковий пошук дав неймовірний і тонконастроєний результат і то досить швидко.
Чи так? Неодмінно хтось запитував, чи справді студентка, яка відімкнула замок, випадково вгадала комбінацію. Потім починалися звинувачення.
– Це було по-справжньому?
– Вона підсадна качка?
– Ви намагаєтеся нас обдурити?
– Хто? Я? – відповідав я. – Нащо це мені?
Тоді як усе більше і більше студентів висловлювали скептицизм, я запитував, чому вони підозрюють мене. Зрештою, хоча й малоймовірно, що студентка вгадала комбінацію, вона все одно могла це зробити. — Шанс був, — казав я.
«Я розумію це, — зауважувала одна студентка, — але все одно здається набагато ймовірнішим, що вона вже знала комбінацію». Формувався консенсус, коли інші студенти починали підозрювати те саме. Зрештою я підходив до студентки, яка відімкнула замок, і просив її сказати правду. «Я сказав вам комбінацію перед початком заняття?»
Студентка вставала, посміхалася, а потім витягала з кишені невеликий аркуш паперу. Ще більше сміху вибухало, коли вона піднімала комбінацію, щоб усі її побачили.
Після відновлення порядку я пояснював справжню суть демонстрації. «Коли ви думали про те, що бачили, — сказав я, — більшість із вас почала підозрювати щось сумнівне. Ви відкидали гіпотезу випадковості й натомість починали підозрювати, що розумний проєкт відіграв певну роль — як з боку Пейдж, яка використала свої знання про комбінацію, щоб відімкнути замок, так і з мого боку, щоб змусити її до цього».
Потім я просив студентів подумати про те, свідками чого вони щойно стали, що спонукало їх запідозрити змову — тип проєкту/задуму. Багато хто спочатку припускав, що неймовірність Пейджиного відімкнення замка виправдовує їхню підозру. Але я зазначив, що всі інші студенти також повернули лімб для трьох різних налаштувань (праворуч-ліворуч-праворуч) і що кожне обертання трьох чисел має однакову ймовірність: 1 на 64 000 (або 1/40 × 1/ 40 × 1/40).
«То що було інакше, що викликало у вас підозру в цьому випадку?» – запитував я. Після хвилини бентежної тиші зазвичай один або два студенти говорили щось на кшталт: «Усі обертання були однаково малоймовірні, але Пейдж просто повернула лімб правильно, щоб відімкнути замок. Це здалося досить підозрілим, бо є багато інших комбінацій, які б до цього не привели».
«Саме так», – вигукував я. Потім я пояснював, що крім засвідчення малоймовірної події, вони засвідчили конкретну подію зіставлення патернів. Пейдж крутила лімб саме так, щоб відповідати незалежно встановленим функціональним вимогам — тому, що ми називаємо комбінацією — для відімкнення замка. А, з нашого досвіду, події чи системи, які демонструють як надзвичайну неймовірність, так і функціональну специфічність, незмінно результат діяльності проєктувального розуму.
Деякі студенти глибше розглядали моє твердження. Вони запитували, чому ці спільні критерії неймовірності та специфікації вказують на розумну діяльність. «Зрештою, — стверджували вони, — кожна послідовність із трьох обертів однаково малоймовірна. То чому б нам не було б виправдано приписувати те, що зробила Пейдж, випадковості?»
Це давало мені можливість глибше пояснити ймовірнісну логіку, що лежить в основі проєктувальних висновків. Я пояснював, по-перше, що порівняння ймовірності будь-якого одного компоновання з іншим не найважливіше порівняння. Натомість, щоб оцінити вірогідність гіпотези щодо проєкту, нам потрібно порівняти ймовірність отримання будь-якого нефункціонального результату з ймовірністю отримання конкретного функціонального результату (або впізнанного патерна).
З ілюстрації із замком, через те що лише один із 64 000 можливих наборів із трьох оборотів відповідає комбінації, найімовірніший результат випадкового чи нескерованого випробування – невідімкнений замок. Отже, очікуваним результатом такого випробування буде невідімкнений замок. Проте, якби обертання лімба були розумно спрямовані знаннями про комбінацію, ми очікували б побачити подію, що відповідає впізнанному патернові (тобто комбінації) і функціональному результатові (тобто відімкнення замка). У нас, безсумнівно, було б більше підстав очікувати відімкненню замка в разі інтелектуально скерованої спроби, ніж якби спроба була нескерована або випадкова.

Відроджена природна теологія?
Теорія Дембскі — а також міркування й повторюваний досвід, що лежать в її основі, — допомагають пояснити, чому видатні фізики говорили, що такі речі, як суперінтелект», надають «розумне тлумачення» тонкого настроєння; «настійно виникає думка, що якась надприродна сила... має бути залучена»; а теїстичний проєкт дає «задовільніше пояснення», ніж конкурентні матеріалістичні гіпотези. Завдяки надзвичайно тонкому настроєнню фундаментальних фізичних параметрів фізики відкрили явище, яке демонструє точно два критерії — надзвичайну неймовірність і функціональну специфікацію — які, з нашого досвіду, незмінно вказують на діяльність проєктувального розуму. Ба більше, якби фізичні параметри Всесвіту були створені випадковим або бездумним процесом, ми б очікували виявити життєзаборонний (life-prohibiting) (нефункціональний) всесвіт, бо значна більшість можливих комбінацій фізичних параметрів унеможливлює життя. Інакше, якби проєктувальний розум встановив фізичні параметри Всесвіту, такий розум цілком міг би вибрати сприятливий, тонко настроєний набір. Отже, космологічне тонке настроєння здається очікуванішим обумовлене діяльністю проєктувального розуму, ніж обумовлене випадковим чи бездумним процесом. Тонке настроєння, принаймні на перший погляд, не такий доказ, якого ми очікували б, якби Всесвіт виник з абсолютно безцільного процесу — із «сліпої, безжалісної байдужості», як висловився Річард Докінз.
У дальших розділах я показую, чому ця невідповідність до очікувань щодо доказів тонкого настроєння наводить на думку про розумний проєкт, справді трансцендентного розумного проєктувальника як кращого пояснення доказів, ніж будь-яка чисто матеріалістична чи натуралістична гіпотеза. У процесі я також оцінюю недавні спроби пояснити тонке настроєння, не залучаючи наглядовий інтелект, зокрема популярну (хай екзотичну) нову ідею, відому як «гіпотеза про багатосвіт».
Наразі варто зазначити, що науковці виявили ще один клас несподіваних доказів, які, принаймні для багатьох провідних фізиків, вказують на необхідність відродити гіпотезу про Бога чи проєкт. Як зазначає Джон Полкінґгорн: «Ми живемо в епоху, коли відбувається велике відродження природної теології. Це відродження природної теології відбувається загалом не серед теологів, які втратили сміливість у цій галузі, а серед науковців». Полкінґгорн далі зауважує, що хоча ця нова природна теологія загалом має скромніші амбіції, ніж природна теологія Середньовіччя, однак почався глибокий інтелектуальний зсув.
Кувалда
Редактор
Повідомлень: 5735
З нами з: Сер травня 27, 2009 8:33 pm

Re: Повернення гіпотези про Бога: три наукові відкриття, які виявляють розум, що стоїть за Всесвітом

Повідомлення Кувалда »

9
Походження життя і загадка ДНК

Питання походження тісно пов’язані з первинними питаннями про те, що, у будь-якому разі, лежать поза природним світом, який ми бачимо. Спостерігачі неба з давніх часів дивувалися видовищу зір, що повертаються, мандрівних планет, сонця, яке зігріває нас вдень, і місяця, що забезпечує холодний маяк вночі. Цей разючий порядок спричиняв інтуїцію про якусь керівну мету, яку сучасна наука почала б з’ясовувати. Але це було ще не все. Переводячи очі з вищих сфер на нижчі, люди не могли не помітити організовані структури в живих організмах. Вони також виглядали так, ніби були розроблені для певної мети — елегантна форма й захисне покриття спірального навтилуса; взаємозалежні частини ока хребетних; з’єднані між собою кістки, м’язи та пір’я пташиного крила. Зараз наша увага також зосередиться на появі проєкту в житті.
З приходом дарвінізму, а пізніше неодарвінізму, еволюційні біологи стверджували, що пояснили цю появу разючими новими термінами. Замість того щоб пояснювати цей зовнішній вигляд як продукт проєкту, вони стверджували, що нові форми життя виникли внаслідок суто ненаправленого процесу. У праці «Про походження видів», опублікованій 1859 року, Дарвін стверджував, що пристосування організмів до їхніх середовищ, яке раніше вважали переконливим доказом проєкту, можна пояснити природним добором, що діє на основі випадкових змін, процесом, який лише імітує сили проєктувального розуму.
Отже, починаючи з 1859 року, появу проєкту в живих істотах сприймало багато біологів як потужну ілюзію, що наводить на роздуми, але, втім, ілюзію. Як стверджував еволюційний біолог Франсіско Аяла (Francisco Ayala), «теорія природного добору Дарвіна пояснює «проєкт» організмів і їхнє дивовижне різноманіття як результат природних процесів, поступового накопичення спонтанно виниклих варіацій (мутацій), відсортованих природним добором... процесом, що творчий, хоча й несвідомий». Річард Докінз ще пряміший, означуючи біологію як «вивчення складних речей, які створюють враження, що вони спроєктовані для якоїсь мети».
Отже, якщо недавно багато фізиків розглядало проєкт через «суперінтелект» як пояснення походження тонконастроєних властивостей, які роблять можливим життя у Всесвіті, то біологи довго опиралися гіпотезі про проєкт. Ще з часів Дарвіна вони припускали, що, за словами Аяли, можуть пояснити «проєкт без проєктувальника». Так само Френсіс Крік, який разом з Джеймзом Вотсоном у 1953 році з’ясував структуру ДНК, приписував біологам «постійно мати на увазі, що те, що вони бачать, не спроєктоване, а скорше розвинене».
Проте матеріалістичне розуміння життя почало розкриватися значною мірою завдяки відкриттю Кріком і Вотсоном властивостей ДНК нести інформацію. Науковці все більше, а в деяких колах навіть незручно, усвідомлюють, що в біології існує принаймні одна поява проєкту, яка не була пояснена природним добором чи будь-яким іншим суто природничим механізмом: інформація, що міститься навіть у найпростіших живих клітинах.

Загадка ДНК
Коли Вотсон і Крік виявили структуру ДНК, вони зробили шокове відкриття. ДНК могла зберігати інформацію у вигляді чотирисимвольного цифрового коду. Їхня структурна модель ДНК показала, що ланцюжки точно секвенованих хемічних субодиниць, які називаються «нуклеотидними основами», — прикріплених уздовж внутрішньої частини подвійної спіралі ДНК, — можуть зберігати та передавати інформацію (рис. 9.1). Крік розвинув цю ідею далі в 1958 році своєю нині відомою «гіпотезою послідовності», згідно з якою хемічні субодиниці ДНК (нуклеотидні основи) функціонують так само як літери в письмовому тексті або цифрові символи в частині комп’ютерного програмного забезпечення (рис. 9.2). Подібно до того, як літери або цифрові символи можуть передавати інформацію залежно від їх розташування, певні послідовності хемічних основ уздовж хребта молекули ДНК передають точні інструкції щодо розташування амінокислот, з яких складаються білки.

Рисунок 9.1. Вотсон і Крік представляють свою модель подвійної спіралі ДНК.
Рисунок 9.2. Гіпотеза послідовності Френсіса Кріка. Згідно з гіпотезою послідовності, чотири нуклеотидні основи аденіну, гуаніну, цитозину та тиміну функціонують як символи алфавіту в письмовому тексті або цифрові знаки в частині машинного коду. Зокрема, їх точне розташування дає інструкції для створення білків і білкових машин, які необхідні клітинам для підтримки життя. Хемічні формули цих чотирьох основ зображені у верхній частині рисунка. Під ними скручена спіраль ДНК показує серію цих нуклеотидних основ (тобто «генетичні літери»), що передають інструкції генетичного складання.

Крік знав, що білки виконують більшість важливих функцій підтримання життя в клітинах. Наприклад, білки функціонують як ензими, що каталізують важливі метаболічні реакції з темпом, набагато швидшим, ніж було б інакше (рис. 9.3); вони опрацьовують генетичну інформацію; і вони утворюють структурні частини крихітних молекулярних машин у клітинах. Крік підозрював, що конкретні послідовності основ на ланцюзі ДНК забезпечують інструкції для побудови білкових молекул і білкових машин, які необхідні клітині для виживання. До середини 1960-х років серія блискучих досліджень і експериментів з молекулярної біології підтвердила гіпотезу Кріка (рис. 9.4).

Рисунок 9.3. Тривимірна специфічність білків. Інструкції в ДНК спрямовують виробництво функціональних білків, зокрема ензимів. На цій діаграмі показано, як ензим розщеплює двокомпонентну молекулу цукру (дисахарид). Зверніть увагу на жорстку тривимірну специфічність між ензимом і дисахаридом в активному центрі, де відбувається реакція.
Рисунок 9.4. Спрощена схема експресії генів, що показує процес, за допомогою якого генетична інформація, що зберігається в ДНК, спрямовує виробництво білків у клітині.
До кінця 1960-х років молекулярні біологи знали, де зберігається інформація для побудови білків і навіть як ця інформація використовувалася для їх побудови. Але вони не знали, звідки ця інформація. Я називаю цю таємницю «загадкою ДНК», загадкою, що тісно пов’язана з питанням, як виникло перше життя на Землі.

З чого все почалося
Вперше я зіткнувся з науковими сумнівами щодо еволюційних теорій походження життя на конференціях у Даласі та Єлі, на яких я був присутнім у середині 1980-х. Обидві події викликали в мене захоплення відкриттями в космології та фізиці — відкриттями, завдяки яким провідні науковці заново розглянули переваги теїстичного бачення. Дарма що до того моменту мій досвід був переважно у фізиці (і геофізиці), мене ще більше зацікавило обговорення відкриттів у молекулярній біології, одне з яких спонукало до повідомлення наукового навернення на конференції в Даласі, такого драматичного, як оголошення Аланом Сендейджом релігійних переконань.
Під час сесії, присвяченої походженню життя, розгорнулася жвава дискусія про значення інформації, що зберігається в ДНК. Усі науковці в групі визнали, що сучасні теорії хемічної еволюції не змогли пояснити походження генетичної інформації, необхідної для появи першого життя. Деякі з цих науковців вважали, що дослідження походження життя просто потребують більше часу, щоб знайти пояснення в стандартних матеріалістичних рамках. Інші, однак, вважали, що науковці повинні розглянути радикально новий підхід до пояснення, який визнає зв’язок між інтелектом і виробництвом інформації.
Особливо виділяється свідчення одного з науковців, які дотримувалися цього останнього погляду. Професор Дін Кеньйон був авторитет у галузі хемічної еволюційної теорії та наукового дослідження походження життя. Він здобув ступінь доктора біофізики в Стенфорді, проводив дослідження в НАСА і опублікував численні наукові роботи про походження життя. У 1969 році він також став співавтором засадничої книги на тему «Біохемічне приречення» (Biochemical
Predestination), книги, яка до 1985 року зарекомендувала себе як високорівневий бестселер з теорії хемічної еволюції.
У книзі «Біохемічне приречення» Кеньйон та його співавтор Ґарі Стайнмен (Gary Steinman) стверджували, що життя могло виникнути як найважливіші білкові молекули, які спочатку «самоорганізувалися» без допомоги ДНК внаслідок чисто природних сил хемічного притягання між меншими субодиницями амінокислот, з яких складаються білки. Багато провідних біохеміків з питань походження життя вітали цю сміливу гіпотезу як найправдоподібніший хемічний еволюційний підхід до пояснення походження життя.
Проте наприкінці 1970-х сам Кеньйон почав сумніватися в правдоподібності своєї власної теорії. Експерименти все більше суперечили ідеї, що функціональні білки могли скластися зі своїх амінокислотних будівельних блоків без попередньої генетичної інформації в ДНК, що керує процесом. Це змусило Кеньйона переглянути важливість ДНК для побудови білків і шукати пояснення походження інформації, яку вона містить. У міру того як він більше вивчав структуру молекули ДНК, Кеньйон зрозумів, що інформація в ній не могла «самоорганізуватися». Говорити інакше було б все одно, що казати, що газетний заголовок може виникнути внаслідок хемічного притягання між чорнилом і папером.
У Даласі Кеньйон публічно і різко спростував свою теорію «біохемічного приречення». Він також висловив побоювання щодо інших хемічних еволюційних теорій і стверджував, що наявність інформації в молекулі ДНК не піддається поясненню всіма поточними природничими теоріями походження життя, а не лише його власною.
Кеньйон був не єдиним науковцем у групі, який прийшов до такого висновку. За рік до конференції, у 1984 році, хемік Чарлз Такстон (Charles Thaxton), науковець з полімерів Волтер Бредлі (Walter Bradley) та геохемік Роджер Олсен (Roger Olsen) опублікували книжку, яка кидає виклик сучасним хемічним еволюційним теоріям походження життя. Книжку під назвою «Таємниця походження життя» (The Mystery of Life’s Origin) опублікувала «Філософська бібліотека» (Philosophical Library), на той час престижне нью-йоркське наукове видавництво, яке раніше публікувало роботи понад двадцяти нобелівських лавреатів. У «Таємниці» Такстон та його колеги викрили багато недоліків у різних хемічних еволюційних теоріях, але особливо їхню нездатність пояснити походження генетичної інформації, необхідної для створення першої живої клітини. Вони стверджували, що з різних причин перехід від хемії до коду без допомоги інтелекту становив непереборну труднощі.
Після конференції спільний друг познайомив мене з Такстоном, який запросив мене зайти до нього в офіс, щоб детальніше обговорити ідеї, викладені в його книжці. Такстон жив у Даласі в той самий час, коли я працював геофізиком, займаючись цифровим опрацюванням сигналів, ранньою формою прикладних інформаційних технологій. Мені було цікаво дізнатися, що така глибока таємниця, як походження першого життя, може відкрити розуміння походження інформації та систем опрацювання інформації всередині клітин.
Після роботи я почав регулярно проводити час в офісі Такстона в довгих обговореннях. Ми говорили про різні хемічні еволюційні теорії, молекулярну біологію клітини, термодинаміку живих систем, хемію ранньої земної атмосфери, логіку імітаційних експериментів і особливо застосування теоретико-інформаційних концепцій до ДНК і молекулярної біології.
Через рік, коли пішов до Кембридзького університету, я мав на думці тему для дисертації. Перебуваючи в Кембриджі, я врешті написав свої магістерську та докторську дисертації з біології походження життя, присвятивши частину кожної критичному питанню походження генетичної інформації. Те, що я дізнався під час свого перебування в Кембриджі про молекулярну біологію та хемічні еволюційні теорії, переконало мене, що біологія походження життя справді зайшла в глибокий глухий кут.

Ранні теорії походження життя
Мало хто усвідомлює, що теорія біологічної еволюції Дарвіна не пояснювала і не намагалася пояснити, як перше життя — імовірно, простий одноклітинний організм — могло спочатку виникнути. Натомість теорія Дарвіна намагалася пояснити походження нових форм життя з простіших пресущих форм життя. Однак у 1860-х і 1870-х роках багато біологів думали, що вони можуть досить легко знайти матеріалістичне еволюційне пояснення походження першого життя. Чому? Вони припустили, що життя складалося з досить простої речовини, яка називається протоплазмою, яку можна легко сконструювати шляхом поєднання та рекомбінації простих хемічних речовин, таких як вуглекислий газ, кисень та азот.
Німецький біолог-еволюціоніст Ернст Гекель назвав цей процес клітини «автогенією» і порівняв його з процесом неорганічної кристалізації. Англійський колега Гекеля, Т. Г. Гакслі, запропонував простий двоетапний метод хемічної рекомбінації, щоб пояснити походження першої клітини. Подібно до того, як сіль може бути спонтанно утворена шляхом додавання натрію до хлориду, так, як думали Гекель і Гакслі, можна було б утворити живу клітину, об’єднавши кілька хемічних складників, а потім уможлививши спонтанним хемічним реакціям утворити просту протоплазматичну речовину, яку вони вважали сутністю життя.
У 1920–1930-х роках досконалішу версію цієї «хемічної еволюційної теорії» запропонував російський біохемік Александр Іванович Опарін. Він також припустив, що життя могло спочатку розвинутися внаслідок низки хемічних реакцій. Але він передбачав ще багато хемічних перетворень і реакцій за сотні мільйонів років. Опарін постулював ці додаткові етапи та додатковий час, тому що він розумів більше про складність клітинного метаболізму, ніж Гекель чи Гакслі. Однак ні він, ні хтось інший у 1930-х роках повністю не оцінювали складність — та властивості інформаційного носіння — ДНК, РНК і білків, які роблять можливим життя.
Хоча теорія Опаріна була експериментально підтримана в 1953 році, коли Стенлі Мілер (Stanley Miller) змоделював виробництво амінокислотних «будівельних блоків» білків у нібито пребіотичних атмосферних умовах (рис. 9.5), його хрестоматійна версія хемічної еволюційної теорії незабаром зіткнулася з багатьма труднощами. Дослідники походження життя тепер знають, що симуляційний експеримент Мілера має малий, якщо взагалі має, стосунок до пояснення того, як амінокислоти — не кажучи вже про їх точну послідовність, необхідну для виробництва білків — могли виникнути в реальній атмосфері ранньої Землі. Ба більше, Опарін не запропонував жодного пояснення походження інформації в ДНК (або РНК), яку сучасні клітини використовують для побудови білків.

Рисунок 9.5. Експеримент Мілера – Юрі, що моделює виробництво амінокислот із суміші газів, яка нібито відповідає пребіотичній атмосфері.

Інформація в ДНК: Шенон плюс
Щоб зрозуміти, чому було так важко пояснити походження інформації в ДНК та інших біомакромолекулах у живих клітинах, важливо уважніше розглянути, яку саме інформацію містять ДНК, РНК та білки. Роблячи це, ми побачимо, що ДНК не містить інформації лише в тому математичному сенсі, яку описує сучасна теорія інформації, розроблена в кінці 1940-х років науковцем MIT Клодом Шеноном (рис. 9.6). Теорія Шенона прирівнювала кількість інформації з кількістю невизначеності, яка була зменшена за допомогою ряду символів або знаків. У теорії Шенона, що неймовірніша подія або послідовність, то більше невизначеності вона усуває, а отже то більше інформації вона передає.

Рисунок 9.6. Клод Шенон, математик і теоретик інформації з Масачусетського технологічного інституту.

Наприклад, уявіть, що ви підкидаєте монету і випадає «орел». А тепер уявіть, як крутите колесо рулетки, куля потрапляє в лузу, позначену чорне 33. Перед підкиданням монети було два можливі результати. Перед тим, як крутити колесо рулетки, було тридцять вісім можливих результатів. Отже, обертання колеса усуває більше невизначеності і, за теорією Шенона, передає більше інформації, ніж підкидання монети. Зауважте також, що більш неймовірна подія (куля, що потрапила в лузу з позначкою 33) передає більше інформації, ніж менш неймовірна подія (монета, яка повертається «орлами»).
Шенон узагальнив це співвідношення, заявивши, що кількість інформації, яку передає подія або послідовність символів, обернено пропорційна ймовірності її появи. Що більше можливостей, то більша неймовірність того, що будь-яка з них буде реалізована, а отже то більше інформації передається, коли виникає певна можливість.
Проте, як пояснив сам Шенон, його математичний формалізм не міг визначити, чи передає послідовність символів значення чи виконує комунікаційну функцію. Щоб побачити відмінність між просто неймовірною послідовністю символів (тою, що володіє лише інформацією Шенона) і послідовністю, що володіє як інформацією Шенона, так і функціональною специфічністю, розглянемо ці дві послідовності:
inwehnsdysk]ifhsnmcpew,m.sa
Time and tide wait for no man (Час і приплив нікого не чекають).
Очевидно, що між цими двома рядками символів є якісна відмінність. Тоді як нижній рядок виконує комунікаційну функцію, верхній – ні. Отже, хоча верхній рядок містить «інформацію Шенона» і має вимірну ймовірність (або «складність»), нижній рядок містить як інформацію Шенона, так і «функціональну» або «задану» (specified) інформацію (іноді її називають «заданою складністю»).
Виявляється, що специфічне розташування основ у ДНК, як розташування букв в англійському реченні або цифрових знаків у комп’ютерному програмному забезпеченні, не просто демонструють високий ступінь математичної неймовірності. Натомість специфічні розташування нуклеотидних основ (особливо в кодувальних ділянках ДНК) дає змогу основам ДНК виконувати якусь функцію в клітині. Основи в ДНК передають інструкції для побудови білків — і роблять це через їх специфічність розташування. Як пояснив Френсіс Крік у 1958 році, «інформація тут означає точне визначення послідовності або основ в нуклеїновій кислоті [тобто в ДНК], або амінокислотних залишків у білку».
Отже, ДНК має не тільки інформацію Шенона; вона також містить «задану» або «функціональну» інформацію. Тому вона також містить інформацію у звичайному розумінні «альтернативних послідовностей чи розташування знаків, які справляють певний ефект», як у словнику означено термін «інформація».
Річард Докінз зазначає, що «машинний код генів надприродно схожий на комп’ютер». А розробник програмного забезпечення Біл Ґейтс зауважує, що «ДНК схожа на комп’ютерну програму». Так само спеціаліст з біотехнології Лерой Гуд (Leroy Hood) описує інформацію, що зберігається в ДНК, просто як «цифровий код». Після початку 1960-х років подальші відкриття показали, що цифрова інформація в ДНК і РНК становить лише частину складної системи пересилання та опрацювання інформації — передової форми нанотехнології, яка віддзеркалює і перевершує нашу власну за складністю, логікою проєктування та щільністю зберігання інформації.
Але якщо це правда, то як взагалі виникла функціонально задана інформація в ДНК? І що створило складні системи опрацювання інформації в живих клітинах, які неодмінні для роботи ДНК? Чи є ці разючі прояви проєкту продуктом справжнього проєкту чи природним процесом, який просто імітує сили проєктувального розуму?
Давнє питання про походження першого життя обертається на ці питання. Після відкриття Вотсона і Кріка науковці все більше розуміли центральне значення інформації навіть для найпростіших живих систем. ДНК зберігає інструкції зі складання для створення багатьох важливих білків і білкових машин, які обслуговують і підтримують навіть найпримітивніші одноклітинні організми. Звідси випливає, що для створення живої клітини передусім потрібні інструкції зі складання, що зберігаються в ДНК або якійсь еквівалентній молекулі.
1859 року Дарвін не намагався дати пояснення походження першого життя. Сьогодні питання про те, як уперше виникло життя, все ще вважається глибокою і нерозв’язаною науковою проблемою, багато в чому через таємницю походження функціонально заданої біологічної інформації. Дійсно, починаючи з 1950-х років запропоновано три широкі типи природничих пояснень — ті, що ґрунтуються на випадковості, ті, що спираються на закони фізики та хемії, і ті, що поєднують природний закон і випадковість. Кожен із цих підходів зіткнувся з серйозними труднощами.

Поза межами можливостей
Спочатку багато науковців вважали, що походження інформації в ДНК може пояснити чисто випадкова взаємодія між молекулами в земних океанах або в якомусь сприятливому середовищі. Проте з кінця 1960-х років небагато серйозних науковців підтримало цю думку. Через те що молекулярні біологи почали розуміти, як цифрова інформація в ДНК спрямовує побудову білків у клітині, зроблено багато розрахунків, щоб визначити ймовірність випадкового формування функціональних білків або нуклеїнових кислот (молекул ДНК або РНК). Навіть за умови надзвичайно сприятливих пребіотичних умов (реалістичних чи ні) і теоретично максимальних темпів реакцій, такі розрахунки незмінно підкреслювали неправдоподібність теорій, заснованих на випадковості. Ці розрахунки показали, що ймовірність отримання функціонально послідовних, багатих на інформацію біомакромолекул випадковим чином, за словами фізика Іллі Пріґожина та його колег, «зникомо мала... навіть на масштабі... мільярдів років».
У своїй книжці «Підпис у клітині» я виконую оновлені розрахунки ймовірності походження навіть одного функціонального білка або відповідного функціонального гена (ділянки молекули ДНК, яка керує синтезом певного білка) тільки випадково. Мої розрахунки базуються на останніх експериментах з молекулярної біології, які встановлюють надзвичайну рідкість функціональних білків відносно загальної кількості можливих розташувань амінокислот, що відповідають білкові заданої довжини. Беручи до уваги це та кілька інших відповідних незалежних факторів, я показую, що ймовірність випадкового вироблення навіть одного функціонального білка помірної довжини (150 амінокислот) у пребіотичному середовищі не перевищує «зникомо малого» 1 шансу на 10164, неймовірно мала ймовірність. Щоб представити це число в перспективі, згадаймо, що фізики підрахували, що в усьому Всесвіті є лише 1080 елементарних частинок.
У «Підписі» я також показую, що ймовірність створення одного функціонального білка надзвичайно мала відносно всіх можливостей для цієї події з початку часів (те, що називають «імовірнісними ресурсами» Всесвіту). Навіть якби кожна подія за всю історію Всесвіту (де подія мінімально означується як взаємодія між елементарними частинками) була присвячена створенню комбінацій амінокислот заданої довжини (екстравагантно щедре припущення), кількість створених так комбінацій все одно представлятиме лише крихітну частину – менше від однієї з трильйон трильйонів – від загальної кількості можливих комбінацій амінокислот, що відповідають функціональному білку – будь-якому функціональному білку – цієї довжини.
Коротше кажучи, вкрай неправдоподібно думати, що навіть один білок виник випадково на ранній Землі, навіть беручи до уваги «імовірнісні ресурси» всього Всесвіту за його 13,8 мільярда років історії. І пам’ятайте, що один білок не створює живої клітини з її сотнями спеціалізованих білків.
З цих та інших причин серйозні дослідники походження життя тепер вважають «випадковість» неадекватним поясненням походження біологічної інформації. Нобелівський лавреат Крістіан де Дюв, провідний біохемік походження життя до своєї смерті в 2013 році, категорично відкинув гіпотезу випадковості саме тому, що він вважав необхідну випадкову конвергенцію подій неправдоподібною до крайності. У пам’ятному уривку з його статті 1995 року «Початки життя на Землі» де Дюв чітко пояснив логіку, за допомогою якої він відкинув гіпотезу випадковості. Як він сказав: «Може відбутися одна, дивна, дуже малоймовірна подія. Багато дуже малоймовірних подій — розіграш виграшного лотерейного номера або роздача гральних карт у бриджі — відбуваються постійно. Але низка неймовірних подій – двічі розіграш одного й того самого лотерейного номера або двічі поспіль однієї і тієї ж роздачі – не відбувається природно».

Сценарії самоорганізації
Через ці труднощі після середини 1960-х років багато теоретиків походження життя почали розглядати проблему походження біологічної інформації по-іншому. Замість того щоб покликатися на випадкові події чи «заморожені аварії», теоретики хемічної еволюції, такі як Дін Кеньйон, припустили, що закони природи або законоподібні (lawlike) сили хемічного притягання могли генерувати інформацію в ДНК і білках. Прихильники таких самоорганізаційних моделей припустили, що прості хемічні речовини можуть володіти властивостями, здатними організовувати складові частини білків, ДНК і РНК у специфічні структури, якими вони тепер володіють. Подібно до того, як електростатичні сили зближують іони натрію (Na+) і хлориду (Cl-) у високовпорядковану структуру в кристалі солі (NaCl), так само амінокислоти, які мають особливу спорідненість одна з одною, можуть утворювати білки. Це була теза Кеньйона у його книжці «Біохімічне приречення».
Для багатьох сучасних дослідників походження життя самоорганізаційні моделі все ще пропонують найперспективніший підхід до пояснення походження біологічної інформації. Однак існують серйозні наукові та концептуальні підстави сумніватися в цих моделях.
Сумніви Кеньйона щодо його самоорганізаційної теорії вперше виникли під час дискусії з одним його студентом у Сан-Франциському державному університеті на вищерівневому курсі еволюції. Студент, якого, що іронічно, звали Соломон Дарвін, змусив Кеньйона перевірити, чи може його самоорганізаційна модель пояснити походження інформації в ДНК. Кеньйон міг би відхилити цю критику, стверджуючи, що його «перша білкова» модель самоорганізації обійшла необхідність пояснювати інформацію в ДНК. Але сам Кеньйон почав підозрювати, що ДНК має відігравати центральнішу роль у його розповіді про походження життя. У якийсь момент ДНК, мабуть, виникла як носій інформації для побудови білків — і як це сталося, потрібно було пояснити.

Рисунок 9.7. Модель хемічної будови молекули ДНК із зображенням основних хемічних зв’язків між складовими її молекулами. Зауважте, що ніякі хемічні зв’язки не пов’язують основи (позначені літерами в квадратах) на поздовжній осі молекули, що несе повідомлення. Зауважте також, що один і той самий тип хемічних зв’язків зв’язує різні нуклеотидні основи з цукрово-фосфатним хребтом молекули (позначений п’ятикутниками і кружечками). Ці дві властивості молекули гарантують, що будь-яка нуклеотидна основа може з однаковою легкістю прикріпитися до хребта в будь-якому місці, так показуючи, що властивості зв’язку хемічних складників ДНК не визначають її послідовності основ.
Проте пояснення того, як з’явилася інформація в ДНК, становило величезні труднощі для самоорганізаційного підходу. Цю складність можна проілюструвати, дослідивши структуру молекули ДНК. На рисунку 9.7 показано, що структура ДНК залежить від кількох хімічних зв’язків. Існують зв’язки, наприклад, між молекулами цукру (позначені п’ятикутниками) і молекулами фосфату (позначені обведеними колами P), які утворюють скручені хребти спіралі ДНК. Існують зв’язки, що закріплюють окремі (нуклеотидні) основи на цукрово-фосфатних хребтах з кожного боку молекули. Зауважте, однак, що між основами, які проходять уздовж хребта спіралі, немає хемічних зв’язків, а отже і сил притягання. Проте саме вздовж цієї осі молекули закодовані генетичні інструкції в ДНК.
Далі, подібно до того, як магнетні літери можна комбінувати та рекомбінувати будь-яким способом, щоб утворити різноманітні послідовності на металевій поверхні, так само може приєднатися кожна з чотирьох основ, аденін, тимін, гуанін і цитозин, — A, T, G і C – до будь-якого місця на хребті ДНК з однаковою легкістю, що робить усі послідовності однаково ймовірними (або неймовірними). Один і той же тип хемічного зв’язку (N-глікозидний зв’язок) виникає між основами та хребтом незалежно від того, яка основа приєднується. Всі чотири основи прийнятні; немає переважних (див. рис. 9.7). Отже, відмінності в спорідненості зв’язування не визначають розташування основ. Іншими словами, сили хемічного притягання не пояснюють інформацію в ДНК.
Кеньйон зрозумів, що ці елементарні факти молекулярної біології мають руйнівні наслідки. Найлогічніше місце для пошуку самоорганізаційних властивостей, щоб пояснити походження генетичної інформації, – складові частини молекул, що несуть цю інформацію. Але біохемія та молекулярна біологія дають зрозуміти, що сили притягання між складниками ДНК, РНК та білка не пояснюють специфічність послідовності (інформацію), наявну в цих великих молекулах, що несуть інформацію.
На це є вагома причина. Якби хемічна спорідненість між компонентами в тексті повідомлення ДНК визначала розташування тексту, така спорідненість різко зменшила б здатність ДНК переносити інформацію. Поміркуйте, що сталося б, якби окремі нуклеотидні «літери» (A, T, G, C) у молекулі ДНК дійсно взаємодіяли одна з одною через хемічну необхідність. Припустимо, що кожного разу, коли аденін (A) з’являвся в зростній генетичній послідовності, він тягнув би за собою гуанін (G). Або щоразу, коли з’являвся цитозин (С), йшов би тимін (Т). У цьому разі текст повідомлення ДНК буде приправлений повторюваними послідовностями A-мів, за якими ідуть G-и і C-и, а потім T-и.
Замість того щоб мати генетичну молекулу, здатну на необмежену новизну, з усіма непередбачуваними та аперіодичними послідовностями, які характеризують інформативні тексти, ми мали б дуже повторюваний текст, наповнений зайвими послідовностями — так, як це відбувається в кристалах. Справді, у кристалі сили взаємного хемічного притягання цілком пояснюють послідовне впорядкування складових частин. Отже, кристали не можуть передавати нову інформацію. Спорідненість зв’язку, якщо вона існує, не може бути використана для пояснення походження інформації. Хемічна спорідненість самоорганізації породжує дуже повторюваний «порядок», але не інформацію; вони створюють мантри, а не повідомлення (рис. 9.8). Що потребує пояснення, то це не походження порядку — чи то в кристалах, закручених торнадо чи «очах» ураганів, — а походження інформації.

Рисунок 9.8. Поняття порядку, складності та заданої складності проілюстровані вище. На цьому малюнку показано три якісно різні типи послідовностей, визначених інформаційними науками. Зауважте, що ДНК містить послідовності, які демонструють задану складність, а не простий надлишковий порядок.

Шанс і необхідність: пребіотичний природний добір
Інші теорії хемічної еволюції не покладалися лише на випадковість або законоподібну необхідність. Натомість вони спробували поєднати обидва. Наприклад, після 1953 року Опарін переглянув свою початкову теорію хемічної еволюції. Він намагався пояснити походження біологічної інформації як продукт законоподібного процесу природного добору, що діє на випадкові взаємодії простих неживих молекул. Проте уявлення Опаріна про пребіотичний природний добір незабаром зіткнулося з очевидними труднощами.
По-перше, процес природного добору передбачає диференційне розмноження (reproduction) вже живих організмів і, отже, пресущий механізм самовідтворення (self-replication). Однак самовідтворення в усіх наявних клітинах залежить від функціональних (і, отже, специфічних щодо послідовності, багатих на інформацію) білків і нуклеїнових кислот. І походження таких багатих на інформацію молекул — це саме те, що Опарінові потрібно було пояснити. Тому багато хто відкидав його постулювання про пребіотичний природний добір як хибне коло. Як наполягав еволюційний біолог Теодосій Добжанський, «пребіологічний природний добір — це суперечність у термінах». Або, як пояснив Крістіан де Дюв, теорії пребіотичного природного добору «потребують інформації, яка означає, що вони мають припускати те, що має бути пояснене насамперед.”

Світ РНК
Зовсім недавно деякі стверджували, що інший сценарій — гіпотеза про РНК-світ, що поєднує випадковість і пребіотичний природний добір — може розв’язати проблему походження життя, а разом з нею, ймовірно, і проблему походження генетичної інформації. Світ РНК був запропонований як пояснення походження взаємозалежності ДНК і білків у системі опрацювання інформації клітини. У наявних клітинах для створення білків потрібна генетична інформація, яка зберігається в ДНК, але інформація в ДНК не може бути опрацьована без багатьох специфічних білків і білкових комплексів. Це створює проблему курка-чи-яйце. Відкриття того, що РНК (нуклеїнова кислота, яка містить генетичну інформацію) також володіє деякими обмеженими каталітичними властивостями, подібними до властивостей білків, запропонувало шлях розв’язання цієї проблеми. Прихильники «РНК-перша» запропонували ранній стан, у якому РНК виконувала як ензематичні функції сучасних білків, так і функцію зберігання інформації сучасної ДНК, так нібито роблячи взаємозалежність ДНК і білків непотрібною в найранніших живих системах. Вони також передбачають примітивні самокопіювальні молекули РНК, або «реплікатори РНК», які можуть виробляти молекулярне потомство, здатне конкурувати за виживання і, отже, викликати процес пребіотичного природного добору.
Однак зі сценарієм РНК-світу виникло багато фундаментальних труднощів. По-перше, синтез (або підтримка) багатьох основних будівельних блоків молекул РНК у реалістичних умовах виявився або складним, або неможливим. По-друге, природна РНК володіє дуже малою кількістю специфічних ензиматичних властивостей білків, необхідних для наявних клітин. Дійсно, РНК-каталізатори не функціонують як справжні ензимні каталізатори. Наприклад, багато ензимів здатні поєднувати енергетично сприятливі та енергетично несприятливі реакції (тобто реакції, які в противному разі не відбувалися б спонтанно). РНК-каталізатори, так звані рибозими, нездатні на це.
По-третє, спроби підвищити обмежені каталітичні властивості молекул РНК в експериментах «інженерії рибозимів» неминуче вимагали значних маніпуляцій дослідника, отже, імітування, якщо на те пішло, потреби в розумному проєктуванні. По-четверте, прихильники світу РНК не пропонують жодного правдоподібного пояснення того, як примітивні реплікатори РНК могли еволюціонувати в сучасні клітини, які покладаються майже винятково на білки для опрацювання та трансляції генетичної інформації та регулювання метаболізму.
Найважливіше те, що гіпотеза про РНК-світ передбачає, але не пояснює походження специфічності послідовності або інформації в оригінальних функціональних реплікаторах РНК. На сьогодні науковцям вдалося розробити каталізатори РНК, які будуть копіювати лише близько 10 відсотків самих себе. Щоб ланцюги РНК виконували навіть цю обмежену функцію самовідтворення, вони повинні мати дуже специфічне розташування складових нуклеотидних будівельних блоків. Далі ланцюги повинні бути достатньо довгими, щоб складатися в складні тривимірні форми (так звані третинні структури). Отже, будь-яка молекула РНК, здатна виконувати навіть обмежені функції, повинна мати значний заданий інформаційний вміст. Проте пояснити, як будівельні блоки РНК розташовуються у функціонально задані послідовності, виявилося не легшим, ніж пояснити, як складові частини ДНК могли це зробити. Як зазначив де Дюв у критиці гіпотези про світ РНК, «правильне з’єднання компонентів створює додаткові проблеми такого масштабу, що ще ніхто не намагався зробити так у пребіотичному контексті».

Безвихідь поглиблюється
Починаючи з 1980-х років, криза в дослідженнях походження життя лише поглиблюється. Як скаржився Френсіс Крік у 1981 році: «Чесна людина, озброєна всіма знаннями, доступними нам тепер, може лише стверджувати, що в певному сенсі походження життя в цей момент видається майже дивом, так багато умов, які мали б бути задоволеними, щоб запустити його». 2008 року у фільмі «Вигнаний» (Expelled) Річард Докінз публічно визнав, що «ми не знаємо», як спочатку виникло життя, і навіть припустив, що інформація в ДНК може представляти «підпис якогось проєктувальника». Проте не божественного проєктувальника. Він запропонував як «інтрижну можливість» те, що інопланетна цивілізація еволюціонувала деінде в космосі, а потім «спроєктувала» та «посіяла» перше життя на Землі.
Роками раніше, 1973-го, у науковій роботі в астрономічному журналі «Ікарус» (Icarus) Френсіс Крік та його колега Леслі Орґел висунули цю саму гіпотезу, яку вони назвали «направленою панспермією». Пізніше Крік детальніше переглянув цю гіпотезу в книжці «Саме життя» (Life Itself). Те, що такі відомі фігури, як Докінз і Крік, палкі захисники еволюційної теорії та матеріалістичного підходу до науки, висувають такі спекулятивні гіпотези, лише підкреслює глибину проблеми походження життя та тісно пов’язану загадку походження генетичної інформації.

«Таємниця походження життя» та гіпотеза «розумної причини»
Саме ця ростуча криза змусила Чарлза Такстона (рис. 9.9), Волтера Бредлі та Роджера Олсена написати «Таємницю походження життя». У ній вони не тільки критикували сучасні тоді еволюційні теорії, а й запропонували радикально новий підхід. У філософському епілозі вони запропонували «розумну причину» як пояснення походження генетичної інформації, необхідної для створення життя спочатку. Вони також стверджували, що положення такої причини може становити цілком законну та відповідну наукову гіпотезу в рамках історичних наук, метод дослідження, який вони назвали «наукою про походження».

Рисунок 9.9. Американський хемік і співавтор «Таємниці походження життя» Чарлз Такстон.

Спираючись на роботу фізичного хеміка Мігая Полані та інших, вони стверджували, що хемія та фізика самі по собі можуть створити інформацію не більш ніж чорнило та папір можуть створити інформацію в книжці. Натомість наш єдиний досвід показує, що інформація завжди виникає як продукт розуму або те, що вони назвали «розумною причиною».
До середини 1980-х років Дін Кеньйон розглянув цю саму можливість. Для нього цифрова інформація в ДНК була «доказом розумних цілей у космосі, або проєкту», і, як результат, він припустив, що «природне теологічне питання тепер має бути перевідкрите філософами».

Абдуктивно, мій дорогий Ватсоне
Моє знайомство з Кеньйоном та його ідеями в 1985 році та мої маратонські дискусії з Такстоном полонили мій філософський і науковий інтерес і залишили мене, хоча ще не повністю переконаним, глибоко заінтригованим їхнім баченням. Отже, після переїзду до Кембриджу я досліджував питання, які виникали під час моїх дискусій з Такстоном. Яка інформація міститься в ДНК? Чи використовують науковці особливий метод історичного наукового дослідження для вивчення біологічного та космологічного походження? Після завершення докторської дисертації я взявся до тісно пов’язаного питання: чи може інтуїтивний зв’язок між інформацією та попередньою діяльністю проєктувального розуму обґрунтувати строгий науковий аргумент на користь розумного проєкту, заснований на наявності функціонально заданої цифрової інформації в ДНК?
Коли я почав вивчати міркування, які історичні науковці використовують для визначення причин, відповідальних за події в далекому минулому, то виявив, що науковці, які використовують ці міркування, часто роблять висновки з особливою логічною формою, технічно відомою як «абдуктивні висновки». Геологи, палеонтологи, еволюційні біологи та інші історичні науковці міркують як детективи, виводячи минулі умови або причини з теперішніх підказок. Як зазначив Стівен Джей Ґулд, історичні науковці зазвичай «виводять історію з її результатів».
Однак таке міркування може бути проблематичним. Це тому, що більше ніж одна причина часто може пояснити той самий ефект. Щоб розв’язати цю проблему в геології, геолог XIX століття Томас Чемберлін розробив метод міркування, який він назвав «метод множинних робочих гіпотез».
Під час свого останнього року в Кембриджі я зустрів запрошеного американського філософа науки на ім’я Пітер Ліптон (мал. 9.10), який детально охарактеризував цей метод міркування під час навчання в докторантурі в Оксфорді. Ліптон назвав цей метод міркування «висновуванням до найкращого пояснення». Він відвідував коледж Вільямза в штаті Масачусетс як кандидат на посаду на катедрі історії та філософії науки в Кембриджі — посаду, яку він згодом зайняв, щоб врешті піднятися до посади керівника катедри. Навесні 1990 року Ліптон залишив мені копію рукопису, який незабаром буде опублікований, під назвою «Висновування до найкращого пояснення». У ньому він пояснив, що коли науковці використовують цей метод міркування, щоб пояснити виникнення події або структури (зокрема події з минулого), вони часто порівнюють різні гіпотези, щоб побачити, яка, якщо істинна, найкраще пояснить відповідні докази (рис. 9.11).

Рисунок 9.10. Пітер Ліптон, кембридзький філософ науки, який написав «Висновування до найкращого пояснення» (Inference to the Best Explanation).

Рисунок 9.11. У методі множинних конкурентних гіпотез або висновування до найкращого пояснення науковці висувають кілька можливих гіпотез, а потім вибирають ту гіпотезу, яка, якщо істинна, найкраще пояснює подію або дані, про які йдеться. Історичні науковці визначили причинову адекватність як ключовий критерій для визначення того, яка гіпотеза чи пояснення кваліфікуються як найкращі. На рисунку вище зображено процес міркування, в якому історичні науковці запропонували чотири потенційні причинові пояснення, вилучили три з розгляду та вибрали четверте. На схемі ця четверта причинова гіпотеза, імовірно, представляла б причину, що, як відомо, достатня для виникнення розглянутої події — іншими словами, причиново адекватна гіпотеза.

Детальний філософський захист Ліптоном цього відмінного методу заклав нову основу. Але що саме робить пояснення найкращим? Згодом я дізнався, що історичні науковці ХІХ століття вже розробили практичні критерії для відповіді на це питання. Найважливіший із цих критеріїв називається «причинова адекватність».
Цей критерій вимагає, щоб історичні науковці визначали причини, що, як відомо, здатні викликати відповідний вид ефекту, властивості чи події. Роблячи ці визначення, вони оцінюють гіпотези з своїми теперішніми знаннями про причини та наслідки. Причини, що, як відомо, викликають відповідний ефект, вважаються кращими кандидатами, ніж ті, що не викликають. Наприклад, виверження вулкана дає краще пояснення шару білого попелу в землі, ніж землетрус або повінь, бо спостерігалося, що виверження вулканів утворюють шари попелу, тоді як землетруси та повені — ні.
Одним із перших науковців, які розробили цей принцип, був геолог Чарлз Лаєл (Charles Lyell), який вплинув на Чарлза Дарвіна. Дарвін прочитав великий опус Лаєла «Принципи геології» під час подорожі на «Біглі» і використав його принципи міркування в «Походженні видів». Підзаголовок Лаєлових «Принципів» узагальнив методологію геолога: «Спроба пояснити колишні зміни поверхні Землі, посилаючись на причини, що діють тепер». Лаєл стверджував, що коли науковці намагаються пояснити події в минулому, вони не повинні посилатися на невідомі типи причин. Замість цього вони повинні посилатися на причини, відомі з нашого єдиного досвіду, які здатні викликати відповідний ефект. Історичні науковці повинні наводити «причини, які діють тепер». Це була ідея його знаменитого «уніформістського» вислову: «Сьогодення – це ключ до минулого».
Сам Дарвін прийняв цей методологічний принцип, прагнучи продемонструвати, що природний добір кваліфікується як vera causa, тобто справжня, відома або фактична причина значних біологічних змін. Він прагнув показати, що природний добір був причиново адекватним для створення наслідків, які він намагався пояснити.
Філософи науки також відзначають, що оцінки пояснювальної сили ведуть до переконливих висновувань лише тоді, коли можна показати, що існує лише одна відома причина відповідного ефекту або даних. Коли науковці можуть зробити висновок про однозначно вірогідну причину, вони можуть уникнути помилки підтвердження консеквентом — помилки ухвалення рішення про одне причинове пояснення, ігноруючи інші можливі причини. (Див. розділ 11.)
Який стосунок усе це мало до походження біологічної інформації, яку я назвав «загадкою ДНК»? Мені було цікаво, чи аргумент на користь розумної причини інформації в ДНК можна було б сформулювати й виправдати так само, як історичні науковці виправдовували б будь-яке інше причинове твердження про подію в минулому. Я почав формулювати серію запитань. Якщо ні випадковість, ні фізико-хемічна необхідність, ні обидві дії разом, не створюють заданої інформації, то що? Чи знаємо ми про будь-яку «активну причину», яка може створювати велику кількість заданої інформації?
Розглядаючи ці питання, я натрапив на книжку, яку написав Генрі Квастлер, один із ранніх науковців, які вперше почали застосовувати інформаційні концепції до молекулярної біології. У ній Квастлер зробив майже зроблене експромтом і, здавалося б, очевидне спостереження. За його словами, «створення нової інформації звично пов’язане зі свідомою діяльністю».
Зауваження Квастлера було для мене, як грім серед ясного неба. Він запропонував радикальну можливість, спосіб сформулювати строге наукове обґрунтування розумного проєкту як висновування до найкращого пояснення, зокрема найкращого пояснення походження біологічної інформації.
Творча дія свідомого й розумного агента чітко представляє відому й адекватну причину («тепер у дії») для походження заданої інформації. Уніфікований і повторюваний досвід підтверджує, що розумні агенти можуть виробляти великі обсяги функціональної або заданої інформації, чи то в системних програмах, стародавніх написах, чи Шекспірових сонетах.
Задана інформація в клітині також вказує на розумний проєкт не просто як на адекватне пояснення, а як на найкраще пояснення (рис. 9.12). Чому? Досвід показує, що велика кількість заданої інформації незмінно походить з розумного джерела.
Це особливо очевидно, коли інформація виражається в цифровій або алфавітній формі. Користувач комп’ютера, який відстежує інформацію на екрані до її джерела, незмінно приходить до розуму інженера-програміста. Так само інформація в книжці чи газетній статті врешті походить від письменника — з розумової, а не суто матеріальної причини.

Рисунок 9.12. У «Підписі у клітині» та в цьому розділі я роблю висновок, що розумна агенція або проєкт – найкраще, найадекватніше пояснення походження функціональної інформації або заданої складності, необхідної для створення першої живої клітини.

За іронією долі, узагальнення про те, що інтелект – єдина відома причина заданої інформації (принаймні, починаючи з небіологічного джерела), дістало підтримку з боку спеціалізованої наукової дисципліни дослідження походження життя. Протягом останніх сімдесяти років жодна запропонована матеріалістична модель не змогла пояснити походження функціонально заданої генетичної інформації, необхідної для побудови живої клітини. Ба більше, експерименти з моделювання походження життя досягають успіху лише у створенні важливої для життя хемії чи багатих на інформацію молекул — наприклад, у симуляціях світу РНК — внаслідок втручань розумних біохеміків з походження життя або «інженерів із рибозимів». Отже, інтелект або розум, або те, що філософи називають «агентною причиною» (agent causation), тепер єдина відома причина, здатна генерувати велику кількість заданої інформації, зокрема кількість, необхідну для створення нової згортки білка, мінімальної одиниці біологічної інновації. (Див. розділ 10.)
Науковці багатьох галузей визнають зв’язок між інтелектом та інформацією і роблять відповідні висновки. Археологи припускають, що писар зробив написи на розетському камені. Пошук позаземного інтелекту (SETI) передбачає, що задана інформація, закладена в електромагнетні сигнали, що надходять з космосу, буде вказувати на розумне джерело. Досі радіоастрономи не знайшли ніяких подібних інформаційних сигналів. Але ближче до дому молекулярні біологи виявили задані багаті інформацією послідовності та системи в клітині, припускаючи, за тією ж логікою, існування розумної причини цих ефектів у минулому.
Наш єдиний досвід підтверджує, що задана або функціональна інформація — чи то вписана ієрогліфами, чи то в книжці, чи закодована радіосигналом, чи отримана в експерименті «інженерії рибозимів» у світі РНК — завжди виникає з розумного джерела, з розуму, не суто матеріального процесу. Отже, відкриття функціональної цифрової інформації в молекулах ДНК і РНК навіть у найпростіших живих клітинах дає вагомі підстави для висновку, що інтелект відіграв якусь роль у походженні інформації, необхідної для створення першого живого організму.
У своїй книжці «Підпис у клітині» я розвиваю цей аргумент і докладно відповідаю на різні заперечення проти розумного проєктування, як це коротко описано в цьому розділі. Я звертаюся до заперечень, що розумний план – релігія, не наука, не перевірний, заснований на дефектних аналогічних міркуваннях, помилковий аргумент через незнання тощо. Я також надаю розгорнуту документацію наукової дискусії, представленої тут. Але докази та логіку, що підтримують розумний проєкт, можна зрозуміти без усіх цих технічних деталей.
Справді, коли я вперше зауважив підзаголовок книжки Лаєла, який посилається на «причини, які тепер діють», мені прояснилося. Я поставив собі запитання: «Яка причина, що тепер діє, виробляє цифровий код чи задану інформацію?» Чи є відома причина — vera causa — походження такої інформації? Що говорить нам наш однорідний досвід? Мені спало на думку, що, за власним критерієм Лаєла та Дарвіна обґрунтованого наукового пояснення, розумний проєкт кваліфікується як найкраще пояснення походження біологічної інформації. Чому? Тому що в нас є незалежні докази — «однорідний досвід» — того, що розумні агенти можуть виробляти задану чи функціональну інформацію, і ми не знаємо жодної іншої причини (принаймні починаючи з чисто фізичного чи хемічного стану).
Звісно, науковці кінця дев’ятнадцятого століття нічого не знали про важливість інформації для живих систем. Вони припускали, що Всесвіт складається з двох основних сутностей: матерії та енергії. Але протягом 1950-х і 1960-х років молекулярні біологи відкрили третю фундаментальну сутність в основі життя — інформацію. Ба більше, функціональна цифрова інформація в «машинному коді генів», як сказав Докінз, не здається (виходячи з нашого досвіду) «такою якістю, яку нам слід очікувати спостерігати», якщо не було «ні проєкту, ні мети… нічого, крім сліпої, нещадної байдужості», у роботі над зародженням життя.
Натомість наш досвід інформаційної революції двадцять першого століття, не кажучи вже про століття використання та генерування інформації, свідчить про те, що наявність функціональної інформації, особливо якщо вона в алфавітній або цифровій формі, одна з тих якостей, яких нам слід очікувати лише в тому разі, якщо розумний проєкт і ціль зіграли роль у виникненні життя.
Проте аргументи щодо розумного проєкту в біології стають ще сильнішими, коли ми розглядаємо не лише інформацію, необхідну для створення першого життя, а й інформаційні вибухи, які знаменують подальшу історію життя. Дальший розділ присвячений цій темі.
Кувалда
Редактор
Повідомлень: 5735
З нами з: Сер травня 27, 2009 8:33 pm

Re: Повернення гіпотези про Бога: три наукові відкриття, які виявляють розум, що стоїть за Всесвітом

Повідомлення Кувалда »

10
Кембрійський та інші інформаційні вибухи


Викопні рештки на нашій планеті документують походження основних новацій у біологічній формі та функціях. Ці епізоди — якщо ми сприймаємо літопис кам’янин за щиру монету — часто відбуваються раптово або переривно, що означає, що новопосталі форми мало схожі на те, що існувало раніше. У своїй книжці «Дарвінів сумнів» — продовженні «Підпису у комірці» — я писав про одну з найдраматичніших із тих переривних подій — кембрійський вибух. Під час цієї події, що почалася приблизно 530 мільйонів років тому, більшість основних груп тварин вперше з’явилася в літописі кам’янин геологічно різко.
Хоча кембрійський вибух тварин особливо разючий, це далеко не єдиний «вибух» нових форм життя. Перші крилаті комахи, птахи, квіткові рослини, ссавці та багато інших груп також раптово з’являються в літописі кам’янин, без очевидного зв’язку з передбачуваними предками в нижніх, давніших шарах осадових порід, що містять кам’янини. Еволюційний теоретик Євґеній Кунін описує це як патерн «біологічного великого вибуху». Як він зазначає, «Основні переходи в біологічній еволюції демонструють той самий патерн (схему) раптової появи різноманітних форм на новому рівні складності. Зв’язки між основними групами... здається, не відповідають патернові, який, дотримуючись оригінальної пропозиції Дарвіна, залишається домінантним описом біологічної еволюції».
У «Походженні видів» Дарвін зобразив історію життя як гіллясте дерево, що поступово розгортається, де стовбур представляє перші одноклітинні організми, а гілки представляють усі види, що еволюціонували з цих перших форм. З цього погляду, нові види тварин і рослин виникли з серії простіших попередників і проміжних форм протягом величезних відрізків геологічного часу. Дарвін рішуче обстоював цей погляд. Водночас він визнав, що раптова поява багатьох основних груп організмів у літописі кам’янин нелегко вписується в його картину поступових еволюційних змін.
Натомість цей патерн поставив під сумнів твердження Дарвіна про те, що природний добір, діючи на випадкових змінах, породив усі нові форми життя. Як розумів це Дарвін, процес природного добору, що діє на випадкові варіації, обов’язково діяв повільно й поступово, так роблячи будь-який патерн раптової появи загадковою аномалією.
Дарвін вважав природний добір повільним і поступовим через внутрішню логіку процесу. Значні біологічні зміни в будь-якій популяції відбуваються лише тоді, коли випадково виниклі варіації особливостей або рис організмів надають функціональні переваги в змаганні за виживання та розмноження. Ті організми, які набувають нових переваг, мають тенденцію переважати в конкурентній боротьбі, що дає змогу їм передати ці ознаки наступному поколінню. А що природа «добирає» вдалі варіації, то особливості популяції змінюються.
Проте, згідно з уявленнями Дарвіна про процес, варіації, відповідальні за постійні зміни, повинні бути відносно скромними або «незначними» в будь-якому конкретному поколінні. Великі чи великомасштабні варіації — те, що еволюційні біологи пізніше назвали б «макромутаціями» — неминуче спричинили б дисфункцію, деформації або навіть смерть. Лише незначні варіації будуть життєздатні й, отже, спадкові.

Рисунок 10.1. Представники деяких основних груп тварин, які вперше раптово з’явилися в осадових породах у кембрійському періоді.

Рисунок 10.2. Походження тварин. Дарвінівська теорія (вгорі) передбачає поступові еволюційні зміни на відміну від кам’янин (внизу), які демонструють раптову появу основних груп тварин.

Будь-які масштабніші зміни мали б будуватися повільно з довгої серії дрібніших спадкових варіацій. Отже, для істотних змін у формі та функціях організму знадобляться багато сотень мільйонів років. Це саме те, чого, здається, бракує у випадку багатьох помітних епізодів еволюційних новацій, таких як кембрійський вибух (рис. 10.1), «великий розквіт» квіткових рослин (покритонасінних) під час крейдяного періоду (130 мільйонів років тому) і радіація ссавців у період еоцену (близько 55 мільйонів років тому).
Дарвін сподівався, що таємниця зниклих кам’янин предків буде розкрита завдяки майбутнім геологічним відкриттям, які задокументують поступові переходи, передбачені його теорією. Але сталося навпаки. За 160 років після публікації «Походження» палеонтологи прочесали геологічні шари по всьому світу, шукаючи очікуваних попередників багатьох основних груп організмів і не знайшли патерна поступової зміни (рис. 10.2), що передбачав Дарвін. Натомість нові відкриття часто показували, що вибухи нової біологічної форми були навіть драматичніші, ніж уявляв Дарвін.

Глибша таємниця: як будувати тварин

У своїй книжці «Дарвінів сумнів» я показав, що те, що я назвав «таємницею забраклих кам’янин», видає ще глибшу та фундаментальнішу таємницю. Ця загадка полягає в такому: що стало причиною виникнення нових форм життя тварин? Чи міг неодарвінівський процес випадкових мутацій і природного добору побудувати кембрійських та інших тварин і зробити так досить швидко, щоб пояснити патерни в літописі кам’янин? Це питання постало набагато гостріше в останній половині двадцятого століття, а тепер і в двадцять першому, бо біологи дізналися більше про те, що потрібно, щоб побудувати тварину.
Подібно до того, як створення першого життя з простіших неживих хемічних речовин вимагає нової генетичної інформації, побудова нових форм життя з простіших попередніх форм вимагає додаткових джерел генетичної (та інших типів біологічної) інформації. Під час кембрійського вибуху стався вибух нових планів тіл тварин. Але побудова нових планів тіла вимагає нових органів, тканин і типів клітин. А нові типи клітин потребують багатьох видів спеціалізованих білків. Наприклад, тваринам із кишковими клітинами потрібні нові травні ензими — різновид білка. Але для створення нових білків потрібна генетична інформація, що зберігається в молекулі ДНК.
Пізніше багато інших подібних вибухів нових біологічних форм — перші комахи, черепахи, динозаври, морські рептилії, птахи, квіткові рослини, ссавці та інші основні групи організмів — також раптово з’явилися в літописі кам’янин. У кожному разі, будування цих нових форм життя з їхніми анатомічними новинками вимагали б масштабних «вибухів» нової генетичної інформації.
Ми побачили, що хемічна еволюційна теорія не пояснила походження функціональної цифрової інформації та систем опрацювання інформації в найпростіших живих клітинах — це разюче явище проєкту, як визнали навіть провідні прихильники еволюції. Чи пояснював неодарвінізм чи будь-яка інша еволюційна теорія походження інформації, необхідної для створення нових форм життя, без залучення до проєктування розуму?
У 1959 році мало кого в еволюційній біології хвилювало це питання.

Столітня ейфорія
У 1959 році відзначали сторіччя «Про походження видів». Сучасна версія теорії Дарвіна, відома як неодарвінізм, була поза конкуренцією — і загальновизнана — за своїм науковим статусом. У попередні десятиліття біологи-еволюціоністи сформулювали цю нову теорію еволюції, синтезуючи класичний дарвінізм і генетику Менделя. Тоді як класичний дарвінізм пропонував природний добір і випадкові варіації як головний механізм еволюційних змін, неодарвінівський синтез передбачав природний добір, що діє на певний тип варіацій, відомий як «генетична мутація». Ці мутації були уявлені як помилки або зміни в спадковому матеріалі, що забезпечують незначні варіації, на які міг діяти природний добір.
Як ми бачили в попередньому розділі, молекулярні біологи в 1950-х роках виявили, що молекула ДНК зберігає генетичну інформацію як лінійний масив точно послідовних хемічних субодиниць. Цей прогрес прояснив, де і як виникали випадкові мутації та як вони можуть створювати нові варіації та генетичні риси. Подібно до того, як випадкова перестанова літер у тексті може створити нові слова чи речення, так само випадкові зміни або перегрупування генетичного тексту в ДНК можуть створити нові гени і, зрештою, нові білки. Такі зміни, відсіяні природним добором, можуть надати нову генетичну інформацію для створення нових форм життя без будь-якого розумного спрямування. Для біологів-еволюціоністів ці розвитки усунули будь-які сумніви щодо творчої сили природного добору, що працює над випадковими варіаціями. Відповідно до неодарвінівського синтезу, маломасштабні «мікроеволюційні» зміни можна екстраполювати нескінченно, щоб пояснити великомасштабний «макроеволюційний» розвиток.
Отже, тон основного зібрання з нагоди сторіччя, 1959 року, що відбулося в Чиказькому університеті, був нічим іншим, як тріумфальним. Як проголосив британський еволюційний біолог Джуліан Гакслі: «Майбутні історики, можливо, сприймуть цей Тиждень Століття як втілення важливого критичного періоду в історії цієї землі... коли процес еволюції в особі допитливої людини почав справді усвідомлювати себе».

Не обчислюється
Проте невдовзі почали виникати сумніви. Ці сумніви спочатку виникли з несподіваного боку — в групи математиків, фізиків і комп’ютерників, серед яких були викладачі Масачусетського технологічного інституту. 1966 року вони разом із провідними еволюційними біологами взяли участь у фундаментальній конференції «Математичні виклики неодарвінівській інтерпретації еволюції». Конференція, що відбулася в Інституті Вістара у Філадельфії, мала на меті оцінити математичну правдоподібність природного добору та випадкових мутацій як засобів виробництва нових генів і білків — і, отже, нової генетичної інформації.
Для математично схильних науковців з Вістару сумніви щодо творчої сили механізму випадкових мутацій і природного добору виникли внаслідок з’ясування природи генетичної інформації та підтвердження гіпотези послідовності Френсіса Кріка на початку 1960-х років. Відкриття того, що ДНК зберігає інформацію як чотирисимвольний цифровий код, поставило питання про ефективність випадкових мутаційних змін у виробництві такої інформації — чи принаймні достатньої кількості для створення нової білкової структури і, отже, будь-яких серйозних новацій в історії життя.
Марі Іден (Murray Eden) (рис. 10.3), один із професорів Масачусетського технологічного інституту, який скликав захід, підкреслив, що в усіх комп’ютерних кодах і письмових текстах специфічність послідовності визначає функцію. Отже, випадкові зміни в послідовності постійно погіршують функцію або значення. Дійсно, жоден комп’ютерний програміст не хоче випадкових змін, внесених у програму, яку він чи вона написали. Такі зміни неминуче погіршать і зрештою зруйнують функцію наявної програми задовго до того, як внаслідок такого процесу з’явиться нова програма. Як пояснив Іден, «жодна наявна формальна мова не може витримувати випадкових змін у послідовності символів, які виражають її твердження. Сенс майже незмінно знищується». Він підозрював, що потреба в специфічності в розташуванні основ ДНК також зробить будь-який випадковий мутаційний «пошук» нового функціонального гена чи білка неминуче невдалим.

Рисунок 10.3. Колишній професор комп’ютерної техніки Масачусетського технологічного інституту Марі Іден. 1966 року Іден допоміг скликати відому конференцію Інституту Вістара «Математичні виклики неодарвінізму».

Пізніше занепокоєння щодо неодарвінізму поширилося на самих еволюційних біологів. Протягом останніх трьох десятиліть багато еволюційних біологів поставили під сумнів ключовий принцип неодарвінівського синтезу, а саме ідею про те, що невеликі мікроеволюційні зміни можна екстраполювати для пояснення масштабних макроеволюційних новацій. Здебільшого мікроеволюційні зміни (такі як зміна кольору) просто використовують або виражають наявну генетичну інформацію, тоді як макроеволюційні зміни, необхідні для складання нових органів або всього тіла, вимагають виробництва нової генетичної інформації.
Визнаючи цю та інші проблеми, у 2008 році група з шістнадцяти еволюційних біологів зустрілася в Альтенберзі, Австрія, щоб обговорити свої сумніви щодо творчої сили механізму випадкових мутацій і природного добору. Відомі як «Альтенберг 16», вони та інші закликали до нової теорії еволюції — такої, що ґрунтується на якомусь механізмі, відмінному від — або на додаток до — випадкової мутації та природного добору.

Рисунок 10.4. Австрійський еволюційний біолог Ґерд Мюлер (Gerd Müller). На конференції Королівського товариства в Лондоні 2016 року Мюлер виступив із помітною доповіддю на тему «Пояснювальні недоліки неодарвінізму».

У листопаді 2016 року Королівське товариство, найстаріша і, мабуть, найавторитетніша наукова установа у світі, яку колись очолював Айзек Ньютон, організувало подібну конференцію в Лондоні, щоб розглянути очевидні недоліки в стандартній неодарвінівській теорії еволюції. Австрійський еволюційний біолог Ґерд Мюлер (рис. 10.4) розпочав розгляд, окресливши «пояснювальні недоліки» неодарвінізму, зокрема його нездатність пояснити походження «фенотипної складності» та «анатомічної новизни» в історії життя.
Я був присутній на цій зустрічі 2016 року, і мені було зрозуміло, що авдиторія Мюлера в Королівському товаристві розуміла серйозне значення його звинувачення, хоча безбарвні технічні терміни «фенотипна складність» і «анатомічна новизна» могли приховати це значення для неспеціалістів. Що саме не може пояснити неодарвінізм? Фенотип належить до видної форми анатомії тварини чи рослини. Отже, Мюлер казав, що стандартна неодарвінівська теорія не змогла пояснити походження нових і складних анатомічних особливостей і структур, які виникли протягом історії життя. Це охоплювало б нові архітектури тварин, такі як плани тіла членистоногих, хордових і молюсків; нові анатомічні структури, такі як крила, кінцівки, очі, нервова система та мозок; і нові спеціалізовані органи, такі як печінка, травна система та нирки хребетних. Коротше кажучи, неодарвінізм не в змозі пояснити походження найважливіших визначальних особливостей живих організмів, насправді тих самих особливостей, які еволюційна теорія, починаючи з Дарвіна, претендувала пояснити.
Виступ Мюлера повторив його попередні технічні публікації, в яких висловлювалися ті самі думки. У провокаційній технічній книжці «Походження організмової форми» Мюлера і біолога Стюарта Ньюмена стверджувалося, що неодарвінізм «не має теорії породжувального». Іншими словами, неодарвінізм не може пояснити, що спричинило появу нових форм життя. У цій книжці, опублікованій майже через 150 років після «Походження видів», Мюлер і Ньюмен охарактеризували «започаткування організмової форми» як нерозв’язану проблему для еволюційної теорії. Проте, знову ж таки, походження біологічної форми — це саме те, що пояснював дарвінізм, а пізніше неодарвінізм.
Інші еволюційні біологи повторюють це занепокоєння. Тепер багато хто повторює старий афоризм, який стверджує, що мутації та природний добір можуть пояснити «виживання найпристосованіших, але не прихід найпристосованіших», тобто маломасштабні варіації, але не великомасштабні новації в біологічній формі.
Біологи-еволюціоністи, а особливо публічні промоутери теорії, такі як Річард Докінз і Юджині Скот (Eugenie Scott), колишня виконавча директорка Національного центру наукової освіти, іноді визнають, що теорії хемічної еволюції досі не змогли пояснити походження першої живої клітини. Однак вони зазвичай розглядають походження першого життя як різновид ізольованої аномалії — цікавої головокрутки, що виступає як викид супроти всебічної пояснювальної сили матеріалістичної еволюційної теорії. Отже, вони продовжують стверджувати, що еволюційна теорія може (або з часом пояснить) походження всіх нових форм життя. Роблячи це, вони замовчують проблему походження генетичної інформації, бо вона протистоїть біологічній, а також хемічній еволюційній теорії.

Проблема походження біологічної інформації
Під час навчання в докторантурі я зрозумів глибину інформаційної проблеми, з якою стикається хемічна еволюційна теорія. Але незабаром я дізнався, що проблема набагато глибша. Зокрема, вона також кидає величезний виклик неодарвінізмові та іншим теоріям біологічної еволюції — теоріям, які намагаються пояснити не походження першого життя, а основні новації, які відбулися протягом подальшої історії життя.
Влітку 1988 року я повернувся додому з Кембриджу, щоб відвідати конференцію в районі Сіетлу на тему «Джерела інформаційного вмісту в ДНК». Там я познайомився з ширшою мережею біологів та інших науковців, які сумнівалися в творчій силі механізму випадкових мутацій і природного добору. До них належав Майкл Дентон (рис. 10.5), австралійський молекулярний біолог британського походження. За рік до того я прочитав його новаторську книжку «Еволюція: теорія в кризі». І ось, у липні 1988 року, ми з ним прибули до Сіетлу, змінивши часові пояси, з двох протилежних місць на карті — Австралії та Англії. Після того, як були представлені, і коли наші біологічні годинники вийшли з ладу, ми завершили розмову глибокої ночі перед першим днем конференції. Під час нашої розмови він розповів мені більше про те, чому математики та інформатики з Вістару так глибоко скептично ставилися до здатності випадкових мутацій і природного добору виробляти нову генетичну інформацію.

Рисунок 10.5. Австралійський молекулярний біолог Майкл Дентон, чия книжка 1985 року «Еволюція: теорія в кризі» підбадьорила низку молодих науковців висловити їхні зростні сумніви щодо неодарвінізму.

Відповідно до неодарвінівської теорії, нова генетична інформація виникає внаслідок випадкових мутацій у ДНК. «Випадкові» означає, що мутації відбуваються без урахування функціональних потреб організму — мутації не мають внутрішньої спрямованості. Попри це, природний добір може лише «дібрати» те, що випадкові мутації спершу створять. І щоб еволюційний процес створив нові форми життя, випадкові мутації повинні спочатку створити — принаймні — нову генетичну інформацію для створення нових білків.
І це, як сказав мені Дентон, проблема. Коли справа доходить до створення нової генетичної інформації, неодарвінівський механізм, який покладається на випадкові мутації, стикається з дилемою «голки в стозі сіна», або тим, що математики називають «комбінаторною проблемою».

Білки в комбінаторному стозі сіна

У математиці термін «комбінаторний» стосується кількості можливих способів, якими множина об’єктів може бути розташована або скомбінована. Наприклад, прості велосипедні замки зазвичай мають чотири шкали з десятьма налаштуваннями на кожній шкалі. Велосипедний злодій, який натрапляє на один із цих замків (і без кусачок для засувів), стикається з комбінаторною задачею, бо існує 10 × 10 × 10 × 10, або 10 000, можливих способів комбінування можливих налаштувань на кожній з чотирьох шкал і лише одна комбінація, що відімкне замок. Якщо злодій не має багато часу, щоб спробувати різні комбінації, випадковий пошук (перебирання) можливих комбінацій навряд чи дасть правильну.
У пам’ятному розділі своєї книжки (розділ 13) «Поза межами досяжності випадку» Дентон пояснив, чому механізм випадкової мутації та природного добору також стикається з комбінаторною задачею. Він зробив це, провівши аналогію з англійським текстом. Як зазначив Дентон, лінгвісти підрахували, що на кожну змістовну послідовність англійських символів завдовжки 12 літер припадає сто трильйонів (тобто 100 000 000 000 000, або 1014) відповідних безглуздих послідовностей однакової довжини — фактично замок із чотирнадцятьма шкалами та десятьма цифрами, але лише однією комбінацією.
Дентон попросив своїх читачів поміркувати, що, ймовірно, станеться зі значенням англійської фрази чи речення, якщо багато літер будуть випадково змінені. Через те, що існує ряд слів з подібним написанням (sample, example, trample, apple тощо), випадкові зміни можуть спочатку змінити значення початкового речення, але зберегти певне значення. Проте коли випадкові зміни накопичувалися б, вони не лише змінювали б оригінальне повідомлення до невпізнання, але й зрештою стирали б або повністю знищували б будь-який сенс.
Спираючись на висновки учасників конференції Вістару, Дентон пояснив математичну причину цього. В англійській мові набагато більше способів «дістати хибне, ніж правильне» — тобто для будь-якої послідовності будь-якої заданої довжини існує більше комбінацій англійських літер, які не створять змістовної фрази чи речення, ніж комбінацій тих самих 26 букв, які створять змістовне речення. Дійсно, кількість нефункціональних безглуздих послідовностей карликова проти кількості функціональних комбінацій. Отже, випадкові зміни в буквах з більшою ймовірністю «постачать тарабарщину» або погіршать значення, ніж створять нове змістовне речення, особливо коли кількість змін початкової змістовної послідовності зростає.
Крім того, зі збільшенням довжини необхідної фрази чи речення кількість можливих послідовностей літер такої довжини зростає експоненційно та набагато швидше, ніж кількість можливих значущих послідовностей, тому ймовірність знайти функціональну послідовність завдяки випадковому пошукові стрімко зменшується з необхідною довжиною послідовності. Дентон зауважив, що тоді як на кожну змістовну послідовність завдовжки 12 англійських букв припадає сто трильйонів (або 1014) відповідних тарабарщин, на кожну змістовну послідовність завдовжки 100 англійських букв припадає 10100 відповідних тарабарщин – неймовірно велика кількість. Математик Дейвід Берлінскі (рис. 10.6) назвав цю проблему «комбінаторною інфляцією» у своєму плідному есе 1996 року під назвою «Спростовний Дарвін».

Рисунок 10.6. Математик і філософ Дейвід Берлінскі, який переконливо писав про проблему «комбінаторної інфляції» та неправдоподібність випадкового мутаційного пошуку, що створює нові функціональні гени та білки.

Подібно до математиків і комп’ютерників Вістару, Дентон сказав мені, що він підозрював (але не міг довести в 1988 році), що механізм випадкової мутації та природного добору стикається з такою ж грізною проблемою комбінаторного пошуку. Для послідовності основ у ДНК будь-якої значної довжини, ймовірно, існувало набагато більше способів упорядкування нуклеотидних основ, які не створювали б функціонального білка, ніж існувало способів упорядкування нуклеотидних основ, які могли б це зробити. А що і англійський текст, і ДНК зберігають інформацію у довгих послідовностях алфавітних символів (або, точніше, у випадку ДНК, у довгих послідовностях чотирьох різних хемічних субодиниць, що функціонують як такі), то він підозрював, що обидві форми інформації підлягають проблемі комбінаторної інфляції, що робить випадковий пошук функціональних послідовностей твердженням «голка-в-стозі-сіна». Отже, випадкові мутаційні зміни з надзвичайно більшою ймовірністю мали призвести до погіршення біологічної функції, ніж до створення нового функціонального гена чи білка.
Однак, коли я вперше зустрів Дентона, він сказав мені, що поки неможливо зробити переконливе математичне визначення правдоподібності випадкового мутаційного пошуку нових функціональних генів і білків. Він сказав мені, що молекулярні біологи ще не можуть кількісно визначити, які рідкісні функціональні послідовності ДНК (гени) і білки серед усіх можливих послідовностей нуклеотидних основ і амінокислот певної довжини. Тому вони ще не могли розрахувати відповідні ймовірності — і, отже, оцінити правдоподібність випадкової мутації та природного добору як засобу отримання нової генетичної інформації.
Ще в 1950-х і 1960-х роках молекулярні біологи зрозуміли, що розмір «простору послідовностей» можливого розташування нуклеотидних основ і амінокислот надзвичайно великий. Дійсно, коли необхідна довжина послідовності гена або білка зростає, кількість можливих комбінацій послідовності основ або амінокислот такої довжини зростає експоненційно.
Наприклад, для білкових ланцюгів існує 202 або 400 способів створення комбінації з двох амінокислот, бо кожна позиція може містити будь-яку з 20 різних амінокислот. Так само існує 203 або 8000 способів створення послідовності з трьох амінокислот і 204 або 160 000 способів створення послідовності з чотирьох амінокислот і так далі. Проте більшість функціональних білків складається із сотень амінокислот. Навіть відносно короткий білок із, скажімо, 150 амінокислот представляє одну послідовність серед астрономічно великої кількості інших можливих комбінацій послідовностей — приблизно 10195. Це величезна кількість, цифра 1, за якою ідуть 195 нулів. Інтуїтивно, це свідчить про те, що ймовірність виявлення хоча б однієї функціональної послідовності — робочого гена чи білка — внаслідок випадкових генетичних мутацій може бути надзвичайно малою, навіть беручи до уваги час, наявний для еволюційного процесу.
Але знання загальної кількості альтернативних можливих комбінацій, пов’язаних із послідовністю будь-якої заданої довжини, саме по собі не дає змоги науковцям остаточно кількісно оцінити правдоподібність випадкового пошуку нової функціональної послідовності, багатої на інформацію. Натомість молекулярні біологи також повинні мати можливість визначати дві інші змінні. І найважливіша з цих змінних була визначена лише нещодавно.

Відмикання загадки інформації
У «Дарвіновому сумніві» я використав приклад велосипедного замка, щоб проілюструвати, чому оцінка правдоподібності успішного випадкового пошуку вимагає знання розміру простору послідовностей, а також двох інших змінних.
По-перше, ми повинні знати, скільки є можливостей відімкнути замок. Згадайте простий замок для велосипеда з чотирма шкалами, описаний вище. Звичайний викрадач велосипедів має мізерно малий шанс знайти правильну комбінацію для такого замка, якщо в нього є лише одна можливість відімкнути його. А тепер уявіть, що ми зіткнулися з дійсно цілеспрямованим злодієм. Цей злодій готовий шукати «простір послідовностей» можливих комбінацій зі швидкістю приблизно одна нова можлива комбінація за десять секунд і продовжувати це ще довго після того, як типовий злодій велосипедів здався б. Якби наш цілеспрямований злодій велосипедів мав п’ятнадцять годин і не робив перерв, він міг би згенерувати понад половину (приблизно 5400 із 10 000) загальних комбінацій замка для велосипеда з чотирма шкалами. У цьому разі ймовірність того, що він натрапить на правильну комбінацію, перевищує ймовірність того, що він зазнає невдачі. Враховуючи це, найпевніше, йому вдасться відімкнути замок шляхом випадкового пошуку. Гіпотеза про змогу, що йому вдасться відімкнути замок завдяки випадковому пошукові, отже, також імовірніше істинна, ніж хибна.
Але тепер уявіть набагато складніший замок. Замість чотирьох він має десять шкал. Замість 10 000 можливих комбінацій цей замок має 1010 або 10 мільярдів можливих комбінацій. Маючи лише одну комбінацію, яка відімкне замок, із 10 мільярдів комбінацій, — непомірно мале відношення — набагато імовірніше, що злодій зазнає невдачі, навіть якщо він присвятить цьому завданню все своє життя.
Трохи математики показує, що це правда. Якби злодій не робив нічого, крім перебирання комбінацій навмання, по одній що десять секунд протягом усього столітнього життя, він би все одно спробував лише близько 3 відсотків від загальної кількості комбінацій на замку такої складності. У цьому, безсумнівно, надуманому випадку було б набагато ймовірніше, що він не зможе відімкнути замок шляхом випадкового пошуку. У такому разі гіпотеза про змогу, що одержимому велосипедом злодієві вдасться знайти комбінацію випадковим пошуком, найпевніше, буде хибна, ніж істинна.
А як щодо використання випадкових мутацій для «пошуку» нової послідовності основ ДНК, здатної керувати конструюванням нового білка? Чи матиме такий випадковий пошук більше шансів на успіх — чи на поразку — за час, наявний для еволюційного процесу? Чи випадковий мутаційний пошук нового білка більше схожий на випадок нашого гіпотетичного злодія, який шукає комбінацію на чотиришкальному чи десятишкальному замку?
Як показують наші приклади, кінцева ймовірність успіху випадкового пошуку — і правдоподібність будь-якої гіпотези, яка підтверджує успіх такого пошуку — залежить як від розміру простору, в якому потрібно шукати, так і від кількості доступних можливостей для пошуку.
Але науковцям необхідно знати ще дещо, щоб визначити ймовірність успіху у випадку з генами та білками. Їм також необхідно знати, які рідкісні або поширені функціональні структури ДНК серед усіх можливих структур для білка певної довжини. Це тому, що для генів і білків, на відміну від нашого прикладу з велосипедним замком, існує багато функціональних комбінацій основ і амінокислот (на відміну від однієї) серед величезної кількості комбінацій загалом. Отже, їм необхідно знати загальне відношення функціональних і нефункціональних послідовностей у ДНК.
Уявіть собі, що наш гіпотетичний злодій повинен вибрати між зломом замка з чотирма шкалами та зломом замка з десятьма шкалами. Замок із чотирма шкалами, однак, має лише одну комбінацію, яка відмикає його, тоді як у замку з десятьма шкалами кожна інша комбінація (50 відсотків комбінацій) відмикає замок. Якби злодій про це знав, який замок йому слід було б вибрати? У нього може виникнути спокуса вибрати менший замок. Насправді, однак, більший замок дає йому кращі шанси (1 до 2 на відміну від 1 до 10 000).
Отже, щоб оцінити складність випадкового пошуку, необхідно знати, скільки комбінацій відімкне замок. Ключ — це не просто загальна кількість комбінацій, які потрібно знайти, а відношення кількості комбінацій, які відімкнуть замок, до загальної кількості комбінацій. Таким же чином, не тільки загальна кількість можливих комбінацій у просторі послідовностей амінокислот визначає складність випадкового пошуку нової білкової структури. Зрештою, саме відношення функціональних і нефункціональних послідовностей визначає складність.
У 1966 році на конференції Вістару — і в 1988 році, коли я познайомився з Дентоном — молекулярні біологи знали, що простір комбінаторних послідовностей, пов’язаний навіть з білком скромної довжини, був надзвичайно великий і експоненційно великий. Проте вони не знали, скільки з цих розташувань функціональні. По суті, вони не знали, скільки можливих комбінацій «відімкне замок».

Визначення золотого перетину

Через два роки після того, як я познайомився з Дентоном і почав восени 1990 року викладати, мені довелося повернутися до Кембриджу, щоб захистити свою докторську дисертацію. Під час того візиту спільний друг познайомив мене з Дуґласом Аксом (Douglas Axe) (рис. 10.7), дослідником білків, який нещодавно здобув ступінь доктора філософії в Калтеху. Акс щойно почав проводити експерименти в Кембриджі, спрямовані на те, щоб відповісти на питання про рідкісність функціональних генів і білків у просторі комбінаторних послідовностей — іншими словами, визначити релевантне відношення функціональних і нефункціональних послідовностей.
Працюючи в Кембридзькому університеті та престижній лабораторії Ради з медичних досліджень з 1990 по 2003 рік, він зрештою встановив, що базові послідовності ДНК, здатні створювати складні тривимірні структури, які називаються білковими «складками», надзвичайно рідкісні серед величезної кількості можливих послідовностей. Білкова складка — це характерна, стабільна, складна тривимірна структура, яка дає змогу білкам виконувати певні біологічні функції. А що білки мають вирішальне значення майже для всіх біологічних функцій і структур, то білкові складки становлять найменшу одиницю структурної новації в живих системах (рис. 10.8).

Рисунок 10.7. Молекулярний біолог Дуґлас Акс. Працюючи в лабораторії Ради з медичних досліджень Кембридзького університету з 1990 по 2003 рік, Акс встановив, що базові послідовності ДНК, здатні створювати білкові «складки», надзвичайно рідкісні серед величезної кількості відповідних можливих послідовностей.

Рисунок 10.8. Різні рівні структури білка. Перша панель у верхній частині показує первинну структуру білка: послідовність амінокислот, що утворюють поліпептидний ланцюг. На другій панелі двома різними способами зображено дві вторинні структури: альфа-спіраль (ліворуч) і бета-нитки, що утворюють бета-лист (праворуч). Третя панель внизу двома різними способами показує третинну структуру, тобто білкову складку. Білкові складки становлять найменшу структурну одиницю в живих системах.

Рисунок 10.9. ВЕРХ: Це описує проблему комбінаторної інфляції стосовно білків. Через те що кількість амінокислот, необхідних для виробництва білка або білкової складки, зростає, відповідна кількість можливих комбінацій амінокислот зростає експоненційно. ВНИЗУ: Тут графічно зображено питання про рідкісність білків у цьому величезному «просторі послідовностей» амінокислот.

Які вони рідкісні? Акс вирішив відповісти на це запитання за допомогою методу добирання проб, який називається сайт-спрямований мутагенез (рис. 10.9). Його експерименти показали, що на кожну послідовність ДНК, яка генерує коротку функціональну білкову складку завдовжки лише 150 амінокислот, існує 1077 нефункціональних комбінацій — комбінацій, які не утворюють стабільної тривимірної білкової складки, здатної виконувати певну біологічну функцію.
Іншими словами, існує значно більше способів упорядкування нуклеотидних основ, які утворять нефункціональні амінокислотні ланцюги, ніж способів упорядкування нуклеотидних основ, які утворять згорнуті та функціональні білки. Дійсно, для кожного функціонального гена, здатного кодувати білкову складку, існує майже неймовірно велика кількість відповідних нефункціональних послідовностей, серед яких еволюційному процесові потрібно було б шукати. Повертаючись до нашої ілюстрації із замком, знайдене відношення Акса означає, що складність мутаційного пошуку нового гена чи нової білкової складки еквівалентна труднощам пошуку лише однієї комбінації на замку з десятьма цифрами на кожній із сімдесяти семи шкал (рис. 10.10)!

Рисунок 10.10. Проблема комбінаторної інфляції, проілюстрована замками для велосипедів різного розміру. Зі збільшенням кількості шкал на велозамках кількість можливих комбінацій зростає експоненційно.

Зрозуміло, що 1077 — це величезне число. Для порівняння, в нашій галактиці всього 1065 атомів. Але чи можуть випадкові генетичні мутації ефективно перебирати простір можливостей, такий великий у часі, наявному для кембрійського вибуху чи навіть усієї історії життя на землі? Щоб відповісти на це запитання, нам все ще потрібно знати, скільки змоги мав би еволюційний процес, щоб перебирати цю величезну кількість можливостей, як наголошував сам Акс.

Оцінювання ймовірнісних ресурсів
Вважайте, що кожного разу, коли організм відтворює та створює новий організм, виникає змога мутувати та передати нову послідовність генів. І протягом 3,85 мільярда років історії життя, за підрахунками біологів, на нашій планеті жило близько 1040 окремих організмів — величезна кількість. Це означає, що могло виникнути щонайбільше близько 1040 таких нагод для мутації гена, який, зрештою, міг би створити нову білкову складку. Проте 1040 становить лише крихітну частку 1077 — кількості нефункціональних послідовностей, що відповідають кожній білковій складці невеликої довжини (рис. 10.11). Дійсно, частка 1040, поділена на 1077, дорівнює 1 частині на 1037, або 1 частині на десять трильйонів, помножених на трильйон, помножених на трильйон, якщо бути точним.

Рисунок 10.11. Верхня панель на цій діаграмі представляє результати експериментів Aкса з мутагенезу, які демонструють надзвичайну рідкісність функціональних білків у просторі послідовностей. На основі своїх експериментів Акс підрахував, що існує 1077 можливих послідовностей, які відповідають певній функціональній послідовності завдовжки 150 амінокислот. Друга панель показує, що функціональні амінокислотні послідовності надзвичайно рідкісні навіть проти загальної кількості можливостей, які мав би еволюційний процес для створення нових послідовностей (припускаючи, що кожен організм, який коли-небудь жив протягом історії життя, створив одну таку нову послідовність на покоління).

Це означає, що для виникнення навіть однієї відносно скромної нової білкової складки механізм випадкової мутації та природного добору мав би час для пошуку лише крихітної частки від загальної кількості відповідних послідовностей. Іншими словами, кількість спроб, доступних для еволюційного процесу, виявляється неймовірно малою відносно кількості можливих послідовностей, які потрібно перебирати. Або, інакше кажучи, розмір відповідних просторів, які потрібно перебирати еволюційним процесом, зменшує час, доступний для перебирання, навіть беручи до уваги історію життя тривалістю 3,85 мільярда років.
Звідси випливає, що механізм випадкової мутації та природного добору не мав достатньо часу для генерації або пошуку/перебирання, і лише мізерну частку (одну десяти трильйонів трильйонів трильйону, якщо бути точним) від загальної кількості можливих нуклеотидних основ або послідовностей амінокислот, що відповідають одній білковій складці.
Тому надзвичайно ймовірно, що випадковий мутаційний пошук не зміг би створити хоча б одну нову функціональну (багату на інформацію) послідовність ДНК, здатну кодувати одну нову білкову складку за всю історію життя на землі. Отже, гіпотеза про те, що такий випадковий пошук вдався, найпевніше, буде помилкова, ніж істинна. І, звісно, створення нових тварин вимагало б створення багатьох нових білків і білкових складок, а не однієї. Звідси випливає, що стандартний механізм неодарвінізму не забезпечує адекватного пояснення походження генетичної інформації, необхідної для створення основних новацій у біологічній формі, які виникли в історії життя на землі.

Проєкт: позірний чи розумний?
Відсутність творчої сили, пов’язаної з механізмом випадкової мутації та природного добору, поставила питання про проєкт у біології в новому контексті. Щоб зрозуміти чому, важливо згадати, як дарвінізм, а пізніше неодарвінізм, насамперед відмовився від ідеї розумного проєкту.
У дев’ятнадцятому столітті, до публікації «Походження видів» Дарвіна, біологи були вражені тим, як живі організми, здавалося, добре пристосувалися до свого середовища. Вони пояснювали це пристосування винахідливістю потужного проєктувального розуму.
Дарвін намагався показати, що природний добір, який діє на випадкові варіації, може пояснити таку подобу/позірність проєкту. Він зробив це, провівши аналогію з добре відомим процесом штучного добору, також відомого як селекційне розведення. Шотландський вівчар, наприклад, може вирощувати вовняніших овець, щоб підвищити їхні шанси на виживання в холодному північному кліматі або отримати більше вовни. Для цього він вибирав для розведення лише найвовняніше потомство. Якби з покоління в покоління він продовжував добирати й розводити лише найвовняніших овець, то зрештою вивів би вовнянішу породу овець — породу, яка краще пристосована до навколишнього середовища.
Як зазначав Дарвін, природа також має засоби відсіву: дефектні істоти мають меншу ймовірність виживати та розмножуватися, тоді як нащадки з корисними варіаціями мають більшу ймовірність передати свої переваги. Дарвін стверджував, що цей процес — природний добір, який діє на випадкові варіації — може змінити особливості організмів так само, як це може зробити розумний добір, який проводять селекціонери.
Уявіть собі, наприклад, що серія надзвичайно холодних зим у шотландському високогір’ї гарантує, що всі вівці, крім найвовняніших, вимирають. Тепер, знову ж таки, залишаться лише дуже вовняні вівці. Якщо холодні зими триватимуть протягом кількох поколінь, чи не стане поголів’я овець помітно вовнянішим?
Це було чудове розуміння Дарвіна. Природа може мати такий самий вплив на популяцію організмів, як і свідомі рішення розумного агента. Природа віддає перевагу збереженню одних особливостей над іншими. Вислідну зміну або підвищення пристосованості (або адаптації) тоді б спричинив не селекціонер, який вибирає ознаку чи варіацію — не «штучний добір», — а натомість цілком природний процес, «природний добір».
Так Дарвін пояснив подобу проєкту без звернення до проєктувального розуму. Як він сказав: «Здається, у мінливості органічних істот і в дії природного добору не більше проєкту, ніж у тому напрямі, в якому дме вітер». Або як сказав гарвардський еволюційний біолог Ернст Майр, архітектор сучасного неодарвінівського синтезу, пояснивши століттям пізніше: «Справжнє ядро дарвінізму ... це теорія природного добору. Ця теорія така важлива для дарвіністів, бо вона дає змогу пояснити адаптацію, «проєкт» природного теолога, природними засобами».
Але що, якщо незначні покращення в адаптації організмів до навколишнього середовища — вівці стають трохи вовнянішими або дзьоби зябликів стають трохи довшими чи коротшими — не єдиний приклад очевидного проєкту в живому світі? Що, якщо інші разючіші та фундаментальніші особливості життя — наприклад, генетична інформація, необхідна для побудови нових форм життя тварин — не були пояснені природним добором чи будь-яким іншим ненаправленим механізмом? Навіть такі переконані неодарвіністи, як Річард Докінз, визнають, що наявність цифрово закодованої інформації в ДНК живих організмів – принаймні разюча подоба проєкту. Але якщо ані Дарвінів оригінальний механізм «проєктувальника-замінника», ані оновлена неодарвінівська версія цього механізму не пояснюють цю помітну подобу проєкту, то що могло б?

Інформаційні вибухи як доказ розумного проєкту
У книжці «Дарвінів сумнів» я визнав, що еволюційні біологи нещодавно запропонували кілька нових альтернативних еволюційних механізмів, намагаючись виправити «пояснювальні недоліки» неодарвінізму. Я також зауважив, що сьогодні біологи визнають, що створення нових тварин вимагає не лише нової генетичної інформації, а й так званої «епігенетичної» або «онтогенетичної» інформації. Онтогенетична інформація зберігається не в ДНК, а в структурах вищого рівня в клітинах і організмах. Попри це, я показав, що нові постнеодарвінівські теорії еволюції — самоорганізація, еволюційна біологія розвитку, неоламарківська епігенетична спадковість, нейтральна теорія, природна генна інженерія та інші — не змогли пояснити як генетичну, так і онтогенетичну інформацію, необхідну для структурних новацій в історії життя. Дійсно, незмінно ці нові теорії еволюції або не пояснюють походження необхідної генетичної та онтогенетичної інформації, або вони просто припускають непояснені, пресущі раніше джерела такої інформації.
А що кембрійський вибух життя тварин та інші подібні події представляють вибухи інформації, а також біологічної форми, це викликає запитання. Чи можливо, що різке збільшення біологічної інформації в періодичних епізодах протягом історії життя не тільки створює труднощі для матеріалістичних теорій біологічної еволюції, а й також забезпечує позитивні докази розумного проєкту? Чи може ця непояснена (з матеріалістичного погляду) подоба проєкту вказувати на справжній розумний проєкт?
Так.

Причина тепер діє
В останньому розділі я використав метод кількох конкурентних гіпотез (або висновування до найкращого пояснення), щоб оцінити «причинову адекватність» пропонованих пояснень первинного походження біологічної інформації. Я показав, що хемічні еволюційні моделі не в змозі ототожнити причину, здатну створити цифрову інформацію в ДНК і РНК, необхідну для створення першого життя. У цьому розділі ми побачили, що основні теорії біологічної еволюції також не можуть пояснити походження інформації, необхідної для побудови нових форм життя тварин. Проте, знову ж таки, ми знаємо про причину, яка продемонструвала силу виробляти функціональну або задану інформацію. Ця причина – розумний агент.
Розумні агенти, завдяки своїй раціональності та свідомості, продемонстрували здатність виробляти функціональну інформацію у формі лінійної послідовності розташування знаків. Ми знаємо, що такі агенти генерують інформацію у формі програмного коду, стародавніх написів, змістовного тексту в книгах, зашифрованих військових кодів і багато іншого. Генерація функціональної інформації, знову цитуючи Генрі Квестлера, «звичайно пов’язана зі свідомою діяльністю». Наш єдиний досвід підтверджує цю очевидну істину. Це свідчить про те, що розумний проєкт відповідає ключовим вимогам «причинової адекватності» хорошого історично-наукового пояснення, як обговорено в попередньому розділі.
Ми також не знаємо про жодну матеріалістичну (непсихічну) «причину, що тепер діє», яка генерує великі обсяги заданої інформації (особливо в цифровій або алфавітній формі). Як я показую детальніше в «Дарвіновому сумніві», тривалим і копітким пошуком такої причини одними з найкращих умів еволюційної біології не вдалося виявити причину, здатну створити інформацію, необхідну для справжніх новацій в історії життя. Проте розумні агенти регулярно виробляють величезні обсяги заданої інформації, щоб спілкуватися та будувати різноманітні нові структури. Отже, лише розумний проєкт відповідає вимозі причинової адекватності. Іншими словами, наш однорідний досвід причини і наслідку показує, що розумний проєкт – єдина відома причина походження великої кількості функціонально заданої інформації. Звідси випливає, що велике вливання такої інформації під час кембрійського вибуху та подібних подій в історії життя найкраще пояснюється (рис. 10.12) діяльністю розумної причини — того, що великий палеонтолог дев’ятнадцятого століття Луї Аґасіз описав як «дії розуму».

Рисунок 10.12. У цьому розділі я показую, що неодарвінівський механізм випадкових мутацій і природного добору не дає правдоподібного (або «причиново адекватного») пояснення походження функціональної або заданої інформації в живих системах. У «Дарвіновому сумніві» та в інших опублікованих роботах я також показую, що нещодавно запропоновані еволюційні механізми, пов’язані з «розширеним синтезом», а також ті, що пов’язані з теоріями самоорганізації та переривної рівноваги, також не можуть пояснити походження інформації, необхідної для побудови нових форм життя. Ці нові еволюційні механізми, такі як добір видів, нейтральна еволюція, природна генетична інженерія, неоламарківська епігенетична спадковість, побудова ніш і процеси еволюційного розвитку, незмінно або не розв’язують проблеми походження генетичної та онтогенетичної інформації, або припускають попереднє походження нез'ясованих джерел такої заданої інформації. Однак, ми знаємо, що розумні агенти можуть і дійсно виробляють задану інформацію. Отже, я вважаю розумний проєкт найкращим, причиново найадекватнішим поясненням вибухів функціональної або заданої інформації, очевидних у кембрійському вибуху та інших подібних подіях в історії життя.

Розумний проєкт дає найкраще пояснення походження генетичної інформації з іншої причини: цільові агенти володіють саме тими необхідними можливостями, яких бракує природному доборові як умові його причинової адекватності. Ми бачили, що природному доборові бракує здатності генерувати нову інформацію саме тому, що він може діяти лише після появи нової функціональної інформації. Природний добір може сприяти створенню нових білків і генів, але лише після того, як вони виникнуть і нададуть функціональну перевагу (позитивно вплинуть на продуктивність розмноження). Робота з генерування нових функціональних генів, білків і систем білків повністю залежить від випадкових мутацій. Проте без функціональних критеріїв, які б керували пошуком у величезному просторі можливих послідовностей, випадкова варіація ймовірнісно приречена. Потрібне не просто джерело варіації чи спосіб добору, який може діяти після факту успішного пошуку, а засіб добору, який (а) діє під час пошуку — до досягнення успіху — і (б) керується інформацією або знаннями про функціональну ціль.
Демонстрація цієї потреби надійшла з малоймовірного боку.

Моделювання розумного проєкту
Генетичні алгоритми — це програми, які нібито імітують творчу силу випадкових мутацій і природного добору. Річард Докінз, Бернд-Олаф Кюперс (Bernd-Olaf Küppers) та інші розробили комп’ютерні програми, які гадано імітують виробництво генетичної інформації шляхом мутації та природного добору. Однак ці програми досягають успіху лише завдяки незаконному методові, коли інтелектуальний програміст надає комп’ютерові «цільову послідовність», а потім розглядають близькість до майбутньої функції (тобто цільової послідовності), а не фактичну поточну функцію, як критерій добору, так активно спрямовуючи програму до цільової послідовності. Таке завбачення не має аналогів у природі. У біології виживання залежить від збереження поточної функції. Отже, природний добір не може дивитися вперед або розробляти плани, які передбачають майбутні потреби чи бажані результати. Процес, як зазначають теоретики еволюції Андрей Родін, Ерс Сатмарі та Серґей Родін, працює суто «в теперішній момент», прямо тут і прямо зараз... без передбачення потенційних майбутніх переваг».
Те, чого не вистачає некерованим еволюційним механізмам, забезпечує розумний проєкт — цільовий, цілеспрямований добір. Раціональні агенти можуть організовувати матерію та символи, маючи на увазі віддалені цілі. Вони також регулярно розв’язують проблеми комбінаторної інфляції. Використовуючи мову, людський розум регулярно «знаходить» або генерує дуже неймовірні лінгвістичні послідовності, щоб передати заздалегідь сформульовану ідею. У процесі мислення функціональні цілі передують і обмежують вибір слів, звуків і символів для створення функціональних (і значущих) послідовностей із величезного ансамблю безглуздих альтернатив.
Подібним чином конструкція складних технологічних продуктів, таких як мости, друковані плати, двигуни та програмне забезпечення, – результат цілеспрямованих обмежень на можливі розташування матерії або символів. Справді, у всіх функціонально інтегрованих складних системах, де причина відома завдяки досвідові чи спостереженням, інженери-проєктувальники чи інші розумні агенти застосовували примус, щоб обмежити можливості, щоб створити неймовірні, але корисні форми, послідовності чи структури. Раціональні агенти неодноразово демонстрували здатність обмежувати можливі результати, щоб втілювати неймовірні, але початково нереалізовані майбутні функції. Повторюваний досвід підтверджує, що розумні агенти (розуми) унікально володіють такою причиновою силою.
Отже, аналіз проблеми походження біологічної інформації виявляє дефіцит причинових спроможностей природного добору та інших ненаправлених еволюційних механізмів, що точно відповідає спроможностям, якими, як відомо, володіють агенти — унікально в нашому досвіді. Розумні агенти можуть добирати функціональні цілі до того, як цілі будуть фізично створені. Вони можуть винайти або дібрати матеріальні засоби для досягнення цих цілей з-поміж безлічі можливостей. Потім вони можуть реалізувати ці цілі відповідно до заздалегідь розробленого проєктного плану або набору функціональних вимог.
Ці причинові потужності — ті, яких не вистачає природному доборові та іншим ненаправленим еволюційним механізмам — зазвичай асоціюються з атрибутами свідомості та раціональності — з цільовим розумом. Отже, посилаючись на розумний проєкт, щоб пояснити походження заданої інформації, яка раптово й епізодично виникає в історії життя, сучасні прихильники розумного проєкту не висувають довільний пояснювальний елемент, не вмотивований розглядом доказів. Натомість ми припускаємо сутність, що володіє якраз причиновими спроможностями, яких вимагають інформаційні вибухи в історії життя, а також усі інші переривні збільшення функціональної інформації як умову їх виробництва та пояснення.

Багаторазові дії розуму?
Отже, інформаційна проблема, пов’язана з походженням першого життя, не ізольована аномалія, а фундаментальний виклик теоріям хемічної та біологічної еволюції. Дійсно, повторювана раптова поява нової біологічної форми та інформації в історії життя – це зовсім не те, що ми повинні очікувати спостерігати, якби діяв суто матеріалістичний еволюційний процес, без «проєкту» та «мети». Натомість, якщо цільовий розум періодично діяв протягом історії життя на землі, ми цілком могли б очікувати — враховуючи наш досвід генерування інформації розумними агентами — знайти докази епізодичних спалахів нової інформації в біосфері.
Кувалда
Редактор
Повідомлень: 5735
З нами з: Сер травня 27, 2009 8:33 pm

Re: Повернення гіпотези про Бога: три наукові відкриття, які виявляють розум, що стоїть за Всесвітом

Повідомлення Кувалда »

Частина III
Висновок щодо найкращого метафізичного пояснення
11
Як оцінити метафізичну гіпотезу

У квітні 2000 року, бувши молодим професором філософії науки, я відвідав незвичайну конференцію в Бейлорському університеті. Під назвою «Природа природи» вона зібрала філософів науки та вчених, у тому числі кількох нобелівських лавреатів. На конференції, серед інших тем, були сесії, присвячені походженню Всесвіту, тонкому настроєнню законів фізики та походженню життя. Крім того, подія була задумана, щоб дослідити головне питання про те, чи природа як ціле вказує на реальність поза нею, чи природу можна краще зрозуміти як автономну, самосущу та самоорганізовувану систему. Іншими словами, конференція розглядала питання про те, чи світогляд натуралізму (або матеріалізму), з одного боку, чи щось на зразок теїзму чи деїзму – з іншого, краще пояснює ключові наукові відкриття.
Уперше на такому великому науковому форумі я представив свою тезу на користь розумного проєкту як найкращого пояснення походження генетичної інформації, необхідної для створення першого життя. Я зробив це з певним трепетом, частково тому, що організатори призначили Крістіана де Дюва (рис. 11.1), видатного біохеміка з питань походження життя та лавреата Нобелівської премії, виступити безпосередньо після мене. Де Дюв нещодавно опублікував книжку «Життєвий пил», досліджуючи можливість того, що життя виникло внаслідок самоорганізаційних процесів — процесів, які можуть зробити життя неминучим, коли на землі виникнуть відповідні умови. Я планував розкритикувати самоорганізаційний підхід як частину своєї доповіді, тож передбачав, що де Дюв цілком міг би поставити під сумнів мій науковий аналіз.

Рисунок 11.1. Біохемік і нобелівський лавреат Крістіан де Дюв.

На мій подив, де Дюв почав свою промову зі слів, що він повністю погодився з «попереднім промовцем», за винятком мого обговорення «цього останнього слайда». Мої перші тридцять з гаком слайдів представляли наукову критику здатності сучасних теорій хемічної еволюції, зокрема самоорганізаційних теорій, пояснити походження генетичної інформації. Кілька моїх останніх слайдів пояснювали логіку висновування про розумний проєкт, а останній пояснював, чому я відкинув методологічний натуралізм, принцип, згідно з яким науковці повинні обмежуватися суто натуралістичними (природничими) поясненнями.
Пізніше під час вечері де Дюв, елегантний бельгієць, люб’язно та незабутньо заспокоїв мене, похваливши мої знання з молекулярної біології. Він також визнав, попри свою підтримку самоорганізаційного підходу, що такі теорії ще не розв’язали ключової інформаційної проблеми. Проте, як і у своїй промові раніше того дня, він чітко дав зрозуміти, що віддає перевагу строго натуралістичному підходові до науки, а також натуралістичній відповіді на питання, які мотивували конференцію.
На відміну від де Дюва, багато науковців не замислюється над фундаментальними світоглядними питаннями, такими як природа природи. Натомість багато хто вже давно припускає відповідь на них. Справді, з кінця дев’ятнадцятого століття багато науковців погоджувалося з поглядом Карла Саґана, що я цитував у передмові: «Космос — це все, що є, або коли-небудь було, або коли-небудь буде».

Рисунок 11.2. Шон Керол (Sean Carroll), фізик Каліфорнійського технологічного інституту та прихильник наукового натуралізму.

Зовсім недавно астрофізик Ніл Деґрас Тайсон і космолог з Каліфорнійського технологічного інституту Шон Керол допомогли популяризувати цей світогляд (рис. 11.2). Тайсон зробив це з перезавантаженою серією «Космос», а Керол у своїх науково-популярних книжках і лекціях. Керол означує натуралізм не лише як ідею про те, що «існує лише природний світ» і «немає духів, божеств чи чогось іншого», але й також як ідею, що «існує ланцюг пояснень щодо речей, які відбуваються у Всесвіті, що врешті сягає фундаментальних законів природи і зупиняється».
Підхід Керола до цих глибоких питань освіжний. Він також не просто припускає натуралізм як єдину відповідь на питання про природу природи. Він визнає існування інших світоглядів і пропонує натуралізм як найкраще пояснення того, що наука відкрила про реальність.
У своїй книжці-бестселері «Велика картина» Керол ретельно пояснює, у що вірять натуралісти. «Ширша онтологія, яка зазвичай асоціюється з атеїзмом, – натуралізм: існує лише один світ, світ природи, демонструючи патерни, що ми називаємо «законами природи», і які можна виявити методами науки та емпіричного дослідження, – пише він. – Немає окремого царства надприродного, духовного чи божественного; також немає жодної космічної телеології чи трансцендентної мети, притаманної природі Всесвіту чи людському життю».
У попередніх розділах я описав кілька ключових наукових відкриттів про походження Всесвіту та життя. Але що вони говорять нам про природу природи? Формуючи Бейлорівську конференцію навколо цього питання, організатори припустили, як це зробив Шон Керол, що існує багато конкурентних метафізичних гіпотез про природу реальності.
Метафізика — це дисципліна філософії, яка розглядає фундаментальну природу реальності. Онтологія, піддисципліна метафізики, займається питаннями «буття» або первинної реальності. Вона запитує: «Що таке річ, сутність або процес, з якого походить усе інше?». Філософи визнають кілька основних світоглядів з різними відповідями на це первісне, або «первинної реальності», питання. «Натуралізм» (або матеріалізм) розглядає матерію, енергію та закони природи як первинні реальності. «Пантеїзм» стверджує безособове божество, присутнє в матерії та енергії, як первинну реальність. «Теїзм» стверджує особового, розумного, трансцендентного Бога, який також діє всередині творіння. А «деїзм» стверджує особового, трансцендентного, розумного Бога, який не діє у створеному порядку після його первинного початку (рис. 11.3).
Ці чотири світогляди представляють чотири можливі шляхи відповіді на три основні питання про первісну реальність: чи існує Бог? Якщо так, то Бог особовий чи безособовий? Якщо Бог особовий, чи діє Бог у створеному порядку лише на початку Всесвіту, чи також після нього?
Дерево рішень на рисунку 11.4 показує, як відповіді на ці три запитання дають змогу нам класифікувати основні світогляди. Звісно, люди притримуються варіантів цих основних поглядів, але кожен із цих варіантів зазвичай підтверджує основні принципи однієї з чотирьох щойно згаданих фундаментальних систем мислення. Наприклад, науковий матеріалізм, діалектичний матеріалізм і атеїстичний екзистенціалізм мають різні погляди на людську природу, тобто на те, чи мають люди свобідну волю чи ні, і, якщо ні, що визначає людську поведінку або розвиток людської історії. Проте всі вони представляють різні форми натуралізму. Усі заперечують існування Бога і всі вважають, що матерія й енергія становлять первинні реальності. Подібно світогляд теїзму охоплює християнські, єврейські, ісламські та нерелігійні форми теїзму, усі з яких стверджують особового Бога як головну реальність, але кожна з них має різні погляди на природу чи атрибути цього Бога.

Рисунок 11.3. Філософи визнають кілька основних світоглядів з різними відповідями на питання про «первинну реальність». Теїзм стверджує особового, розумного, трансцендентного Бога, який також діє всередині творіння. Деїзм стверджує особового, трансцендентного, розумного Бога, який не діє у створеному порядку після його первинного початку. Натуралізм (або матеріалізм) стверджує матерію, енергію та закони природи як первинні реальності. Пантеїзм стверджує безособове божество, присутнє в матерії та енергії, як первинну реальність. На цих схемах, що зображують ці чотири великі системи мислення, кола представляють фізичний Всесвіт, малюнки всередині кола зображують різні живі та неживі істоти у Всесвіті, маятник представляє закони природи, а «велике G» представляє Бога. Зверніть увагу, що в теїзмі Бог зображений як окремий, але також активний у Всесвіті; у деїзмі Бог зображений як окремий від Всесвіту, але не активний у ньому; у натуралізмі чи матеріалізмі Бог зображується як несущий, а в пантеїзмі Бог показаний присутнім у кожному аспекті матеріального Всесвіту або «супросторий» (co-extensive) із ним, але не існує жодним чином окремо від нього.

Ці конкурентні світогляди також пропонують різні відповіді на питання про природу природи. Наприклад, теїзм стверджує, що природа представляє впорядковану систему причин і наслідків у відкритій системі, в якій Бог може діяти дискретно як агент у системі природних законів, що їх Бог підтримує. Натуралізм розглядає природу як упорядковану систему причин і наслідків у закритій системі, де ніщо поза природою не може впливати на неї. Пантеїзм розглядає Бога як безособову силу або містичну єдність, що пронизує всю природу. Отже, він розглядає природу як частину Бога, а Бога як цілком присутнього в природі. Деїзм розглядає природу як створений порядок, який, однак, закритий для зовнішніх впливів, бо Бог залишив природний світ працювати самостійно після його створення.

Рисунок 11.4. Чотири світогляди: теїзм, деїзм, пантеїзм і матеріалізм представляють чотири можливі шляхи відповіді на три основні питання про первісну реальність: чи існує Бог? Якщо так, то Бог особовий чи безособовий? Якщо Бог особовий, чи діє Бог у створеному порядку лише на початку Всесвіту чи також після початку?

Багато людей набуває свого світогляду шляхом осмосу з навколишньої культури. Вони часто мають неперевірені припущення про природу природи, людей або первісної реальності. Отже, є важливе питання: чи повинні ми просто прийняти той чи інший світогляд як передумову, через яку ми інтерпретуємо реальність? Чи ми можемо раціонально оцінити різні світогляди як конкурентні метафізичні гіпотези та визначити, котра, якщо така є, найімовірніше істинна? І якщо так, чи можуть наукові докази, можливо, навіть докази біологічного та космологічного походження, допомогти нам оцінити ймовірну істинність конкурентних систем мислення (рис. 11.5)?

Рисунок 11.5. У дальших розділах оцінено, яка з конкурентних метафізичних гіпотез чи світоглядів найкраще пояснює три ключові відкриття про походження Всесвіту та життя: (1) Всесвіт мав початок (Великий вибух); (2) Всесвіт був тонко настроєний на можливість життя від самого початку; і (3) великі сплески біологічної інформації (збереженої в ДНК та в інших місцях) виникли в біосфері Землі від початку Всесвіту, що уможливило нові форми життя.

Очікування, докази та оцінювання
У попередніх розділах я цитував іншого видатного сучасного прихильника натуралізму та його твердження про те, що Всесвіт демонструє «саме ті властивості, яких ми повинні очікувати, якщо в основі немає ні проєкту, ні мети... нічого, крім сліпої, безжалісної байдужості». Я підкреслив це твердження не тому, що Річард Докінз неодмінно найгрізніший прихильник наукового натуралізму. Насправді я вважаю Шона Керола нюансованішим прибічником. Я також розумію, що багатьом науковцям-натуралістам незатишно від лобових нападів Докінза на релігію, навіть якщо вони поділяють його переконання, що нічого поза природою, зокрема Бога, не існує. Скоріше я зосередився на його заяві, тому що, незалежно від його репутації серед деяких науковців як популяризатора та провокатора, Докінз має талант чітко формулювати проблеми. Його твердження порушує важливе питання про те, що «ми повинні очікувати спостерігати» в природі, якби натуралізм або теїзм були істинними.
Докінз, звісно, вважає, що наші спостереження за природою «є саме те, чого ми очікували б», якби світогляд натуралізму був істинним. Я ціную його відвертість. Звертаючись до мови очікування, Докінз пропонує спосіб розв’язання питання про природу природи та можливе існування Бога шляхом спостереження самої природи. Дійсно, його заява передбачає, що такі спостереження можуть допомогти оцінити конкурентні метафізичні гіпотези так само, як і конкурентні наукові гіпотези.
Його використання мови очікування також значуще, бо воно узгоджується з розробками у філософії науки. Філософи науки за останні півтора століття показали, як наші очікування щодо доказів дають змогу нам оцінювати гіпотези. Вони показали, як логічні наслідки гіпотез дають змогу нам оцінювати їх шляхом проведення спостережень — чи то в лабораторії, чи в польових умовах, чи в нашому звичайному досвіді — і потім порівнювати ці спостереження з очікуваннями, які випливають із відповідних гіпотез.

Абдукція і логіка підтвердження гіпотези
У розділі 9 я коротко представив форму висновування, або міркування, відому як абдукція. Історичні науковці всіх мастей використовують її, щоб висновувати можливі причини подій у віддаленому минулому — таких подій, як походження життя — що вони робили, не маючи розкоші бути свідками, тим більше в контрольованих лабораторних умовах. Історичні науковці використовують абдукцію, щоб зробити висновок про минулі обставини чи причини на основі сучасних підказок чи доказів. Філософи науки та логіки показали, що не лише історичні науковці, але й криміналісти, детективи, фізики-теоретики, астрономи, медичні діагностики, філософи релігії та науки та будь-хто, хто робить висновки щодо неспостережуваних (або неспостережних) причин, зазвичай використовує цю форму міркування. Через те що питання про походження життя і Всесвіту та можливе існування Бога охоплюють питання первісного причинового походження, дослідження цих питань широко використовують абдуктивні міркування.

Рисунок 11.6. Чарлз Сандерз Пірс, американський філософ і логік, який розвинув абдуктивне міркування.

Абдукцію ототожнив як окремий вид логічного міркування логік ХІХ століття Чарлз Сандерз Пірс (рис. 11.6). Пірс описав способи висновування, які ми використовуємо, щоб отримати висновки з фактів або даних. Він зазначив, що на додаток до індуктивних і дедуктивних аргументів ми часто використовуємо абдуктивні умовиводи, або те, що він назвав «методом гіпотези». Щоб пояснити абдукцію, він прямо протиставив її дедукції. Щоб побачити відмінність між цими двома типами висновків, розгляньте такі схеми аргументів:
Дедуктивна схема:
Логіка: Якщо А істинне, тоді С само собою зрозуміле.
Дані: А задане й очевидно істинне.
Висновок: Отже, C також мусить бути істинним.
Абдуктивна схема:
Логіка: якби А було істинне, то С було б як само собою зрозуміле.
Дані: спостерігається дивовижний факт C.
Висновок: Отже, є підстави підозрювати, що А істинне.
Зауважте, що в логіці дедукції, якщо передумови істинні, висновок випливає з певністю. Логіка абдукції, однак, створює не певність, а натомість правдоподібність або можливість. На відміну від дедукції, в якій дані або другорядна передумова підтверджують антецедентну/попередню змінну (A), абдуктивна логіка підтверджує консеквентну/наступну змінну (C). У дедуктивній логіці підтвердження консеквентної змінної (з певністю) – помилка, яка походить від невизнання того, що більше ніж один антецедент/попередній елемент може пояснити або створити той самий доказ.
Щоб зрозуміти чому, розглянемо такий аргумент:
Якщо дощить, вулиці будуть мокрі.
Вулиці мокрі.
Отже, дощило.
або символічно:
Якщо Д, тоді М.
М.
Отже, Д.
Очевидно, цей аргумент має проблему. З цього не випливає, що раз вулиці мокрі, то обов'язково дощило. Можливо, вулиці намокли якось інакше. Можливо, лопнув пожежний гідрант або розтанув сніговий замет. Але те, що вулиці мокрі, може свідчити про дощ. Отже, зміна аргументації так дає змогу уникнути помилки:
Якщо дощить, тоді ми очікуємо, що вулиці будуть мокрі.
Вулиці мокрі.
Отже, можливо, дощило.
або символічно:
Якщо Д, то М.
М.
Можливо, Д.
Як показано вище, навіть якщо ніхто не може стверджувати наслідок із певністю, можна стверджувати його як можливість. І це саме те, що робить абдуктивне міркування. Це дає підстави вважати, що гіпотеза може бути істинною. Дійсно, це дає підстави вірити в гіпотезу, навіть якщо гіпотезу (або висновок) неможливо підтвердити з певністю.
Зверніть також увагу на роль наших очікувань у цьому міркуванні. Основні передумови абдуктивних висновків зазвичай залежать від наших очікувань того, що повинно випливати з попереднього стану справ. Отже, Пірс часто формулював основну передумову в абдуктивному висновку, описуючи, як, маючи деякий антецедент/попередній елемент А, якийсь консеквентний/наступний С буде випливати «як само собою зрозумілий». Однак він міг би з таким же успіхом сказати, що, враховуючи деякий антецедент А, ми повинні очікувати, що С випливатиме «як само собою зрозумілий».
Як природничі, так і історичні науки регулярно використовують таку логіку. У природничих науках, якщо у нас є підстави очікувати, що певний стан речей виникне, враховуючи істинність деякої гіпотези, і ми виявляємо, що такий стан справ відбувся, тоді ми говоримо, що наша гіпотеза була підтверджена. Цей метод «підтвердження гіпотези» функціонує, щоб забезпечити доказову підтримку багатьох наукових гіпотез, хоча, знову ж таки, явно не доведення. Враховуючи геліоцентричну теорію Сонцевої системи Коперника, астрономи сімнадцятого століття мали підстави очікувати, що планета Венера повинна демонструвати фази. Отже, відкриття Ґалілея, що Венера справді демонструє фази, підтвердило геліоцентричний погляд. Однак це відкриття не довело геліоцентричної теорії, бо інші теорії можуть — і насправді могли — пояснити той самий факт.
Пірс визнав, що абдуктивні висновки самі по собі можуть становити досить слабку форму доказової підтримки. Він зазначив: «Зазвичай, [абдукція] слабкий тип аргументу. Часто вона так слабко схиляє наше судження до свого висновку, що ми не можемо сказати, що вважаємо останнє істинним; ми лише припускаємо, що це так може бути».

Посилення абдуктивних висновків: оцінення порівняльної пояснювальної сили
Проте на практиці Пірс визнав, що абдукція часто дає висновки, у яких важко сумніватися, навіть якщо їм бракує надійної певності, яка супроводжує логіку дедукції. Наприклад, Пірс стверджував, що скептицизм щодо існування Наполеона Бонапарта був невиправданий, хоча про існування Наполеона можна було дізнатися лише через абдукцію. Як сказав Пірс, «незліченна кількість документів стосується завойовника на ім’я Наполеон Бонапарт. Хоча ми не бачили цієї людини, ми не можемо пояснити те, що ми бачили, а саме всі ці документи та пам’ятники, не припускаючи, що вона справді існувала». Отже, Пірс припустив, що, порівнюючи пояснювальну силу якоїсь гіпотези з іншими конкурентними гіпотезами, історики чи науковці часто можуть посилити певні абдуктивні висновки, зробивши їх — для всіх практичних цілей — поза розумним сумнівом.
Із часів Пірса філософи науки вдосконалювали його розуміння того, як абдуктивні висновки можуть забезпечити «епістемічну» підтримку гіпотез. Епістемологія — це субдисципліна у філософії, яка займається основою знання та питаннями про те, «як ми знаємо те, що ми знаємо». Епістемічна підтримка стосується будь-яких доказів, аксіом або ланцюжків міркувань, які забезпечують обґрунтування певної пропозиції чи переконання.
Абдуктивні рамки часто забезпечують слабку доказову підтримку, бо вони можуть залишати відкритими багато можливих пояснень для тих самих доказів. Це обмеження зазвичай змушують науковців оцінювати пояснювальну силу або прогностичний успіх конкурентних можливих гіпотез. Як зауважив Пірс у своєму обговоренні доказів існування Наполеона, міркування щодо порівняльної пояснювальної сили можуть встановити висновок поза розумним сумнівом, навіть якщо абдуктивна логічна форма висновку не може категорично відкинути всі інші можливості.
Як я зазначав у розділі 9, цей метод порівняння пояснювальної сили конкурентних гіпотез іноді називають «методом кількох конкурентних гіпотез» або «висновуванням до найкращого пояснення». Він часто зменшує невизначеність або те, що філософи науки називають «недовизначеністю теорії даними», пов’язаною з абдуктивним міркуванням. У цьому методі міркування пояснювальна сила потенційної гіпотези визначає, котре з конкурентного набору можливих пояснень найкраще. Науковці висувають гіпотезу серед конкурентної групи, яка, якщо вона істинна, забезпечить найкраще пояснення деякого набору відповідних даних.
Розглянемо просту ілюстрацію. Припустімо, місіс Джонз засне на дивані в теплий вихідний день, дивлячись телевізор. Прокинувшись, вона виходить на вулицю й бачить, що (1) під’їзд до її будинку блищить від води, а (2) машина на під’їзді також мокра. Вона вирішує провести розслідування.
З цих двох шматків доказу вона могла б зробити висновок, використовуючи наведений вище абдуктивний силогізм (якщо дощить, вулиці будуть мокрі тощо), що дощило, коли вона спала. Але на підставі двох наявних фактів вона могла б так само логічно зробити висновок, що спрацювали автоматичні спринклери або хтось помив її машину. Маючи лише дані про те, що під’їзна дорога та автомобіль мокрі, ці пояснення однаково правдоподібні.
Але припустімо, що наша дрімлива дослідниця також бачить, що (3) газон і вулиця ідеально сухі і (4) на небі немає жодної хмаринки. Який висновок вона може зробити? Хоча гіпотеза спринклера та гіпотеза зливи все ще можливі, ці пояснення здаються набагато менш вірогідними у світлі додаткових доказів (факти 3 і 4).
Тепер, нарешті, припустімо, що вона придивиться трохи уважніше і побачить (5) відро з мильною водою та губкою, що стоїть позаду автомобіля. З останньою частиною даних найкраще пояснення спостережень з 1 по 5 стає очевидним: хтось помив машину.
Цей повсякденний сценарій – хороший приклад висновування про минулу причину на основі поточних спостережень за допомогою абдуктивного міркування, посиленого методом висновування до найкращого пояснення. Міс Джонз спала, коли сталося те, що відбулося на під’їзді. Ці події були для неї неспостережуваною історією. Залишилися підказки, знаки чи вказівники: вологі місця, сухі місця, погодні умови, відро, губка, мильна вода тощо.
Наша дослідниця зважила кілька можливих пояснень, щоб побачити, яке з них буде найкраще. Вона оцінила конкурентні пояснення, використовуючи наявні докази та те, що вона знала про причиново-наслідкові зв’язки у світі (наприклад, люди часто миють машини на власних під’їздах, дощ зазвичай не падає на окремі невеликі ділянки). Потім вона повернулася в часі до того, що, ймовірно, сталося, коли її не було поряд, щоб побачити це. Найкращим поясненням було те, яке пояснювало більше доказів простіше, ніж будь-яке інше. Цей приклад також показує, що міркування причинової адекватності часто визначають, яке з набору можливих пояснень буде найкраще. Наша сонлива подруга хотіла знати, що викликало докази, які вона спостерігала. Вона зважила конкурентні можливі пояснення, посилаючись на своє знання причини та наслідку. Звісно, міг бути дощ. Але тільки над її під'їздом? Без хмаринки на небі? І чи дасть злива відро мильної води? Не схоже. Тому гіпотеза про дощ не здавалася причиново
Дійсно, зауважте, що, коли наша дослідниця використовувала метод «висновування до найкращого пояснення», вона не лише розглянула кілька можливих гіпотез, але й порівняла відомі (або теоретично правдоподібні) причинові здатності різних постульованих пояснювальних сутностей. Потім вона поступово усунула причинові неадекватні пояснення.
Цей приклад також показує, як, базуючись на наших фонових знаннях про те, як влаштований світ, ми зазвичай уникаємо непотрібно заплутаних пояснень — пояснень, які множать причинові постулювання. Наприклад, пані Джонз серйозно не подумала про те, що (а) дощило прямо над її під’їздом і (б) її син дістав відро й налив у нього мильної води лише для того, щоб залишити його там без наміру мити автомобіль. Хоча це було можливе пояснення фактів, воно здавалося надто складним і неймовірним.
Цей метод виведення найкращого пояснення має кілька переваг перед дедукцією або простою абдукцією. Дедуктивні висновування створюють певність, але лише якщо відомо, що засновки істинні. Проте головні засновки в дедуктивних аргументах зазвичай стверджують універсальні вислови або узагальнення про світ (наприклад, «Усі лебеді білі»), які залежать від деяких попередніх індуктивних висновків, які самі по собі можуть бути невизначеними. Отже, може бути важко досягти стандарту дедуктивної визначеності.
З іншого боку, абдуктивні висновування або забезпечують слабку епістемічну підтримку для просто можливого висновку, або — якщо їхні висновки підтверджені з певністю — допускають помилку/хибний висновок підтвердження наслідку. Якби пані Джонз одразу перескочила з «мокрої дороги та автомобіля» на «дощ», вона була б винна в підтвердженні наслідку, що розмовніше називають «поспішними висновками» (jumping to conclusions). Якщо абдуктивні висновування не будуть посилені за допомогою процесу елімінації/усунення, який показує, що різні альтернативні гіпотези неправдоподібні, вони залишаться непереконливими.
Але шляхом систематичного оцінювання пояснювальної сили конкурентних гіпотез і шляхом усунення тих, які не мають причинової адекватності чи правдоподібності з огляду на наші попередні знання, альтернативні гіпотези часто можна усунути, іноді залишаючи лише одне правдоподібне пояснення. У такому разі метод висновування до найкращого пояснення може допомогти науковцям дійти остаточного, якщо не абсолютно певного висновку.
Звісно, у деяких ситуаціях кілька гіпотез можуть однаково добре пояснювати наявні дані, навіть беручи до уваги міркування причинової адекватності та простоти. Пані Джонз у нашому прикладі з миттям машини спочатку зіткнулася з набором фактів, які можна однаково добре пояснити кількома різними гіпотезами. Зазвичай у таких ситуаціях слідчі шукають більше доказів, щоб вирізнити пояснювальну силу різних гіпотез, як це зробила пані Джонз, коли озирнулась і виявила не лише мокру під’їзну доріжку та автомобіль, а й сухий газон, суху вулицю, і відро з мильною водою.
Подібно, якщо навести приклад з науки, який обговорювався раніше, в історії космології двадцятого століття три різні пояснення — моделі Великого вибуху, стаціонарного стану і осцилівного всесвіту — спочатку однаковою мірою добре пояснювали докази розширного всесвіту. Однак, через те що астрономи та фізики виявили відповідніші докази, такі як космічне фонове проміння та значення густини маси Всесвіту, вони зрештою усунули стаціонарну та осцилівну моделі. Лише Великий вибух залишився як причиново адекватне пояснення основних класів релевантних доказів.

Причинові здатності теоретичних сутностей
Різні космологічні моделі, запропоновані протягом останнього століття, висвітлюють іншу проблему в оцінюванні конкурентних гіпотез, особливо щодо подій у далекому минулому. У розділі 9 я зауважив, що історичні науковці зазвичай оцінюють причинову адекватність гіпотези, посилаючись на наше основане на досвіді знання причини та наслідку. Я використав приклад того, як спостерігали, як вулкани виробляли білий попіл. Я зробив це, щоб показати, як минуле виверження вулкану могло б найкраще пояснити дещо пізніше все ще видний білий порошкоподібний попіл.
Однак науковці іноді змушені припускати існування причин, умов або сутностей, наслідки яких вони не спостерігали або не можуть безпосередньо спостерігати. У таких випадках їхні очікування щодо спостережуваних наслідків постульованої сутності будуть випливати з теоретичніших міркувань щодо постульованих властивостей або причинових здатностей цієї сутності. Як пояснив філософ науки Майкл Скрівен (Michael Scriven) у своєму описі висновування до найкращого пояснення (або того, що він назвав «ретроспективним причиновим аналізом»), коли історичним науковцям не вистачає «попереднього прямого досвіду фактичної ефективності [причини]» для створення ефекту типу, про який йдеться, «можуть існувати теоретичні підстави вважати це можливою причиною». Інші історики та філософи науки пояснюють, що екстраполяція відомих причинових здатностей «релевантно подібної» причини також може зіграти певну роль в обґрунтуванні такої постульованої причини.
Дійсно, науковці іноді посилаються на теоретичні міркування, щоб оцінити причинову адекватність. Теорія Великого вибуху постулювала початкову нескінченно гарячу густу концентрацію всієї матерії та енергії на початку Всесвіту (рис. 4.15). Зрозуміло, що ніхто ніколи безпосередньо не спостерігав, як нескінченно гаряча густа концентрація матерії викликає якийсь певний ефект. Однак фізики дещо зрозуміли про атрибути «чорних тіл». Нагадаємо, що чорні тіла — це ідеалізовані об’єкти, які ідеально поглинають електромагнетне проміння та реемітують проміння в специфічних спектральних «сигнатурах». Маючи теоретичні підстави вважати, що майже ідеальне чорне тіло мало б існувати незабаром після початку Всесвіту, науковці висновували, що вони очікували б спостерігати, якби такий гарячий густий стан існував.
Використовуючи свої теоретичні знання про спектральні сигнатури проміння чорних тіл і обчислюючи, як довжини хвилі світла будуть розтягуватися в міру розширення простору після того, як Всесвіт охолоне від початкового стану плазми, фізики передбачили, що нескінченно гаряча густа концентрація матерії на початку Всесвіт зрештою виробила б космічне фонове проміння при певній температурі чорного тіла з певною спектральною сигнатурою.
А що модель стаціонарного стану не постулювала такої початкової густої концентрації маси-енергії, то прихильники стаціонарного режиму не очікували спостерігати проникливе фонове проміння. Отже, два різні постулювання про минуле та теоретичні міркування про майже ідеальні чорні тіла (та їхні постульовані властивості) дали змогу науковцям створити два різні набори очікувань стосовно того, що має спостерігатися у Всесвіті сьогодні. Ці різні очікування дали змогу космологам, спостерігаючи за емісійною сигнатурою космічного фонового проміння, вирішити, яка з двох космологічних моделей краще пояснює докази спостерігальної астрономії.
Дарвін використовував подібну стратегію, щоб встановити — принаймні спочатку — причинову адекватність свого механізму випадкової варіації та природного добору. Провівши аналогію між штучним і природним добором, він припустив, що природний добір може викликати морфологічні зміни в організмах так само, як і штучний добір. Тоді Дарвін посилався на теоретичне міркування про те, що природний добір мав би більше часу для дії. Далі він екстраполював спостережувані причинові сили штучного добору, що діяв протягом відносно короткого часу, щоб обґрунтувати твердження, що природний добір, який діяв протягом набагато тривалішого періоду, міг викликати набагато більші морфологічні зміни. Хоча біологи не можуть безпосередньо спостерігати за природним добором, який викликає ту кількість змін, яку постулював Дарвін, його екстраполяція дала теоретичне обґрунтування для висновку, що природний добір може спричинити значні морфологічні новації.
Останні відкриття та інші нові міркування — наприклад, надзвичайна рідкісність функціональних генів і білків — відтоді поставили під сумнів вірогідність цієї конкретної екстраполяції (див. моє обговорення в розділі 10). Проте цей приклад ілюструє, як науковці часто екстраполюють здатності відомої сутності або процесу, щоб встановити причинову адекватність релевантно подібної сутності, що володіє більшими причиновими здатностями. Історичні науковці зазвичай висувають причину того самого типу, що й відома причина, але іншої величини, як спосіб демонстрації причинової адекватності пояснення. Філософи та науковці давно визнали це надійним методом для встановлення адекватності постульованої причини, коли прямі спостереження причиново-наслідкового зв’язку, що розглядається, неможливі.
Використання такої екстраполяції та теоретичних міркувань може зробити метод висновування до найкращого пояснення унікально корисним для оцінення пояснювальної сили конкурентних світоглядів метафізичних гіпотез. Дійсно, хоча метафізичні гіпотези про первинну або первісну реальність часто не дозволяють безпосередньо спостерігати сутності, що, як вони постулюють, виробляють певні ефекти, такі гіпотези зазвичай припускають (хоча й неспостережні) сутності або минулі стани з певними властивостями, які, якщо вони реальні, повинні дати нам підставу очікувати конкретних спостережних ефектів – як ми побачимо.

Баєсівський поворот
Філософи науки часто використовують математичний формалізм, відомий як обчислення ймовірностей, щоб з його допомогою оцінити правдоподібність гіпотези або порівняти правдоподібність конкурентних гіпотез. Формалізм — це просто процедура, виражена математичними або логічними символами. Обчислення ймовірностей для оцінення гіпотез базується на теоремі, яку встановив англійський священник і математик XVIII століття Томас Баєс. Вона забезпечує кількісний метод оцінення сили гіпотези або відносної ймовірності конкурентних гіпотез за певної сукупності доказів. Оцінки ймовірності, які використовуються в цьому формалізмі, зазвичай базуються на тому, що ми, враховуючи наші знання про те, як влаштований світ, очікували б спостерігати у світі, якби те чи інше з конкурентних пояснень було істинним. Отже, ці оцінки ймовірності доповнюють або покращують абдуктивне міркування, що використовується в методі висновування до найкращого пояснення.
Типово в баєсівському аналізі філософи використовують так звані умовні ймовірності. Умовна ймовірність — це ймовірність того, що одна річ задана або «обумовлена» спостереженням іншої. Два різні типи умовних імовірностей фігурують при оціненні сили гіпотези або при порівнянні сил конкурентних гіпотез.
По-перше, баєсівський аналіз імовірностей вимагає оцінення ймовірності деякого доказу E з урахуванням конкретної гіпотези H — записується P (E | H). Ця умовна ймовірність (E з урахуванням H) оцінює, скільки ми повинні очікувати від заданої частини доказу, якби певна гіпотеза була істинна. Отже, ці умовні ймовірності відповідають головній передумові в абдуктивному силогізмі — передумові, яка має форму «Якби H було істинне, тоді дивовижний факт E був би само собою зрозумілий» (або «Якби H було істинне, тоді E було б очікуване»). А що умовні ймовірності, що вимірюють ступінь очікування, також вимірюють імовірність заданої частини того, що відбувається (за умови певної гіпотези), баєсівці називають ці ймовірності «правдоподібностями».
Баєсівський аналіз часто передбачає порівняння «правдоподібностей», тобто оцінення того, чи варто нам мати більше очікувань від спостереження за деякими доказами, враховуючи одну гіпотезу проти іншої. Науковець, який вважає, що ймовірність спостереження певної частини доказу більша за гіпотези А, ніж гіпотези Б, може висловити це судження символічно, написавши P(E | A) > P(E | B).
Ми зазвичай ґрунтуємо такі судження про відносні ймовірності на нашому багатому попередньому досвіді (те, що філософи називають «фоновими знаннями») і особливо на нашому попередньому досвіді причини і наслідку. Дійсно, судження про ймовірності в баєсівському аналізі часто вмикають оцінки причинової адекватності, так само як оцінки порівняльної пояснювальної сили вмикають такі оцінки в якіснішому підході до висновування до найкращого вже представленого пояснення.
Але в баєсівському аналізі є ще одна умовна ймовірність. Цю ймовірність ми зрештою хочемо знати: ймовірність того, що конкретна гіпотеза істинна. Названа «апостеріорною ймовірністю», вона виражає ймовірність істинності гіпотези H після факту справді спостереження деяких доказів E — пишеться «ймовірність H за умови, що реалізується E», або P(H | E). Знання цієї умовної ймовірності допомагає нам вирішити, якою мірою нам слід бути впевненими в гіпотезі за наявності певних доказів або якою мірою наша впевненість повинна змінитися після спостереження за деякими новими чи неочікуваними доказами. Апостеріорні умовні ймовірності також дають змогу нам виразити відносну ймовірність однієї гіпотези проти іншої. У разі, якщо деякі докази E дають гіпотезі A набагато вищу ймовірність, ніж гіпотезі B, баєсівці виражають цей факт символічно як P(A | E) >> P(B | E).
У баєсівській ймовірності формули дають змогу філософам і науковцям обчислити, на скільки ймовірно, що гіпотез істинна (тобто ймовірність гіпотези, обумовлена доказами), якщо вони можуть оцінити, скільки ми повинні очікувати відповідних доказів (тобто ймовірність доказів), обумовлених гіпотезою. Формули в теорії ймовірностей, які роблять можливим обчислення апостеріорних ймовірностей, також іноді вимагають проведення початкового оцінення ймовірності гіпотези на основі наших попередніх знань до появи будь-яких нових доказів, записаної P(H). Ці ймовірності називаються «попередніми ймовірностями».
Хоча він може додати кількісний вимір до оцінення гіпотези, логіка баєсівського аналізу схожа на логіку абдуктивного міркування, що використовується для висновування до найкращого пояснення. Якщо ми спостерігаємо деяку частину доказу, що можна було б очікувати з огляду на конкретну гіпотезу, але не було б сильно очікуваним, якби ця гіпотеза була хибною, спостереження цього доказу підтвердить цю гіпотезу. Крім того, що більше очікування доказів, обумовлених цією гіпотезою (за інших рівних умов), то більше спостереження цього доказу збільшить нашу впевненість у цій гіпотезі. Якщо ми маємо набагато більше підстав очікувати певного доказу з огляду на одну гіпотезу (скажімо, гіпотезу А) на відміну від конкурентної гіпотези (скажімо, гіпотези Б), спостереження очікуваного доказу зробить нас відносно впевненішими в перевазі гіпотези А над Б, так припускаючи гіпотезу А як краще пояснення.
Міркування фізиків про конкурентні космологічні моделі можна пояснити в термінах Баєса. Фізики вважали, що ми маємо набагато більше підстав очікувати наявності космічного мікрохвильового фонового проміння (КМФП), обумовленого Великим вибухом, ніж стаціонарним станом. Твердження з цього приводу: «Імовірність спостережень доказів КМФП, обумовленого Великим вибухом, набагато, набагато більша, ніж імовірність цих доказів, обумовлених стаціонарним станом», виразить це судження як порівняння ймовірностей або символічно як P (EКМФП | Hвв) >> P(EКМФП | Hсс). Як наслідок цих різних очікувань, відкриття фактичних доказів КМФП привело космологів до висновку, що гіпотеза Великого вибуху стала набагато ймовірніше істинною, ніж це було раніше, на стільки, що вона по суті замінила модель стаціонарного стану. Баєсівські логіки виразили б це твердження символічно як P(Hвв | EКМФП) >> P(Hсс | EКМФП).
Ось простіша ілюстрація баєсівського аналізу. Прогулюючись лісом, я натрапив попереду на галявині на занедбану хатину. Виходячи з її зовнішнього вигляду (і моїх фонових знань), я попередньо припускаю, що хатина покинута. У термінах Баєса я рефлекторно призначаю попередню ймовірність тому, що хатина буде заселена, трохи нижчу від 50 відсотків. Але, на мій подив, увійшовши до хатини, я виявив, що на кухонному столі стоїть чашка запареного чаю. Я припускаю, що виявлення чашки чаю (доказ) набагато очікуваніше чи вірогідніше, обумовлене гіпотезою про заселену хатину, ніж гіпотезою про покинуту. Як результат, я починаю змінювати свою думку. Тепер я роблю висновок, що гіпотеза про заселену хатину (Hз) імовірніша, ніж гіпотеза про покинуту хатину (Hп). Ми могли б записати це як P(Hз | Tч) > P(Hп | Tч), де Tч означає запарений чай.
Потім я спостерігаю інші докази, які можна було б очікувати в будинку, де живуть люди, — їжу в холодильнику, посуд у зливальниці та звук протічної води у ванній. Я швидко розумію, що мені краще піти, інакше мене заарештують за вторгнення (або застрелять)! Зрозуміло, що гіпотеза про заселену хатину тепер набагато імовірніша, ніж альтернативна, і забезпечує краще пояснення доказів.
Зауважте, що, роблячи таке судження, мені насправді не потрібно знати точну ймовірність доказів, обумовлених гіпотезою про заселену хатину, а лише те, що спостережувані докази очікуваніші, обумовлені цією гіпотезою, ніж альтернативною. Це ілюструє, як баєсівський аналіз часто може давати вирішальні судження щодо відносної сили конкурентних гіпотез навіть без призначення точних числових імовірностей. Зверніть також увагу на роль, яку відіграли міркування причинової адекватності в моїх судженнях. Через те що покинута хатина означала б відсутність особистого агента, який міг би приготувати чай, купити їжу, помити посуд або ввімкнути душ, їй явно бракувало причинової адекватності.
За баєсівською термінологією, обумовлене гіпотезою покинутої хатини, жодне з цих спостережень не було б очікуваним. Натомість у нас було б більше підстав очікувати таких спостережень — через відомі причинові зв’язки людей із порожніми хатинами — обумовлені гіпотезою заселених хатин. Дійсно, хоч би як важко було кількісно визначити точну ймовірність спостереження чашки чаю або протічної води за гіпотезою про заселену хатину, ми, безперечно, маємо вагомі підстави думати, що ймовірність спостерігати ці речі вища за цією гіпотезою, ніж за альтернативною.
Зауважте, нарешті, хоча баєсівський аналіз добре описує, як ми оцінюємо гіпотези, зазвичай нам не потрібно його явно використовувати. Мені не потрібно було робити оцінки апріорної ймовірності, вірогідності, апостеріорної ймовірності, теореми Баєса чи виведених з неї формул, щоб судити про те, хатина була ймовірніше населена, чи ні. Часто наше фонове знання причини та наслідку (або наше теоретичне розуміння причинових здатностей постульованої сутності) дасть змогу нам прийти до обґрунтованої оцінки чеснот конкурентних гіпотез без явного використання баєсівського ймовірнісного обчислення, навіть якщо наші міркування також можна пояснити в баєсівських термінах.
Попри це, обчислення баєсівських імовірностей часто може прояснити наше мислення та додати до наших оцінок корисний кількісний вимір. Отже, у дальших трьох розділах інколи використовуватимуться баєсівські концепції та аналіз, щоб посилити та доповнити використання абдуктивних міркувань і методу висновування до найкращого пояснення.

Абдукція, пояснювальна сила та метафізичні гіпотези
Бувши аспірантом у Кембриджі, я виявив, що Чарлз Дарвін та інші історичні науковці робили абдуктивні висновки, а потім намагалися зміцнити їх, використовуючи метод висновування до найкращого пояснення. Моє дослідження Чарлза Сандерза Пірса чітко показало, що науковці, філософи та люди у звичайному житті постійно використовують ці міркування, часто способом, що баєсівський аналіз може прояснити чи доповнити. Мене зацікавила можливість того, що ці форми міркувань можна використовувати, щоб братися до не лише повсякденних запитань про помиті дощем вулиці чи, можливо, покинуті хатинки, чи навіть важливих наукових питань про причини різних явищ, а й справді великих питань про природу природи і можливе існування божества.
Що б використання абдуктивних міркувань і висновування до найкращого пояснення розповіло нам про статус гіпотези про Бога, якби ми використали їх для аналізу останніх відкриттів у космології, фізиці та біології? Чи можливо, щодо доказів, що теїзм може мати більшу пояснювальну силу, ніж конкурентні метафізичні гіпотези? У 1999 році, пишучи в міждисциплінарному журналі, я опублікував попередній нарис, у якому досліджував цю можливість. Відтоді я дедалі більше
Іронічно, але я знайшов підтримку цього переконання в провідних захисників наукового натуралізму. Безумовно, твердження Річарда Докінза про те, що Всесвіт має «саме ті властивості, яких ми повинні очікувати», якби «сліпий, безжальний» матеріалізм був істинним, означає, що спостереження природи можуть підтвердити метафізичну гіпотезу. Його провокаційне твердження передбачає те, що стверджувало багато філософів науки, а саме, що метафізичну гіпотезу, так само як і наукову, можна оцінити через оцінення того, чи збігаються дані, які ми спостерігаємо, з тими, що ми б логічно очікували, якби гіпотеза була істинна.
Відоме твердження Докінза насправді можна переформулювати як абдуктивне висновування. Розгляньмо:
Логіка: якщо «сліпа, безжальна» матерія та енергія, а не Розум, – основна реальність, з якої походить усе інше, тоді ми не очікуємо ніяких доказів розумного проєкту в житті та Всесвіті, а лише докази позірного проєкту.
Дані: Життя та Всесвіт не демонструють доказів реального проєкту, лише позірного проєкту.
Висновок: тому ми маємо підстави вважати, що життя і Всесвіт – продукт сліпих матеріалістичних сил, а не передсущого Розуму.
Те, як Докінз використовує свої спостереження, щоб підтвердити гіпотезу натуралізму чи матеріалізму та спростувати теїзм, виявляється корисним з іншої причини. Він не стверджує, що може абсолютно довести, що Бога не існує. Скоріше він каже, що, враховуючи наші спостереження за природним світом — і враховуючи те, що ми очікували б побачити, якби Бог справді існував або діяв, щоб привести природу до буття, — гіпотеза про Бога виглядає «неймовірно неправдоподібною».
Він також стверджує, покликаючись на лезо Окама, що гіпотеза про Бога зайва — що ключові докази щодо біологічного та космологічного походження можна пояснити краще та простіше без будь-яких покликань на трансцендентного творця чи розумного проєктувальника. Докінз — як і ті науковці дев’ятнадцятого століття, що встановили науковий матеріалізм як панівний світогляд — стверджує, що йому «не потрібна ця гіпотеза».
Використовуючи метод міркування, який шукає, як підтвердити, а не довести гіпотезу, Докінз визнає, що в нас можуть бути вагомі підстави вірити в щось, навіть якщо ми не можемо встановити гіпотезу з певністю. Ми навіть можемо мати набагато кращі підстави вірити одній гіпотезі, ніж іншій, навіть якщо ми не можемо абсолютно довести кращу.
Докінз та інші сучасні прихильники наукового матеріалізму, звісно, стверджують, що наукові докази дають вагомі підстави для твердження, що природа — це все, що існує, і для заперечення доказів цілеспрямованого або проєктувального розуму, що стоїть за Всесвітом. Дійсно, Докінз стверджує, що ми маємо набагато кращі підстави вірити, що Бог не існує, ніж вірити, що Бог існує — віра, яку він характеризує як «делюзію», бо «жодного доказу існування Бога досі не з’явилося».
Однак те, що застосовується на підтримку його аргументу проти існування Бога, можна, проте, застосувати — у світлі інших доказів — до аргументу на користь існування Бога. Дійсно, якщо можливо, що один патерн доказів може дати підставу для ствердження натуралізму над теїзмом, то також логічно можливо, що інший патерн доказів може дати нам кращі підстави для ствердження теїзму над натуралізмом. Казати інакше означало б вважати натуралізм неперевірною аксіомою чи догмою, а не справжньою метафізичною гіпотезою, яка може бути істинною чи хибною залежно від доказів — саме те, що Шон Керол, наприклад, не хоче робити.
Докази, представлені в останніх кількох розділах, могли змусити читачів очікувати формального доведення існування Бога. Хоча я не заперечую, що деякі доведення існування Бога з використанням стандартної дедуктивної логіки можуть мати переконливу силу, я не буду намагатися навести таке доведення в цій книжці. Я б не взяв на себе непотрібний і нереальний тягар доведення. Аргументи, засновані на емпіричних спостереженнях природи, на відміну від математичних аксіом, рідко, якщо взагалі, надають доведення в сенсі дедуктивної певності.
Натомість у дусі дослідження, що висунув Докінз, я оціню, чи відкриття в космології, фізиці та біології, обговорені в попередніх розділах, можуть дати добру підставу для віри в Бога або навіть кращу підставу для віри в Бога ніж, наприклад, у натуралізм чи матеріалізм. Як я вже припускав, нещодавні наукові відкриття щодо біологічного та космологічного походження могли б бути «саме тим, чого ми повинні очікувати», якби трансцендентний і розумний проєктувальник діяв, щоб створити життя та Всесвіт. А що ці самі спостереження природи можуть бути не такими, які ми б очікували, припускаючи науковий матеріалізм (або інші нетеїстичні світогляди), гіпотеза про Бога в принципі може забезпечити найкраще метафізичне пояснення відповідних наукових доказів. Іншими словами, навіть якщо ми не можемо довести існування Бога з абсолютною певністю, у нас можуть бути кращі причини для підтвердження теїстичного погляду на «природу природи» та «первинну реальність», ніж для підтвердження інших метафізичних систем мислення.
Дальші три розділи досліджують цю можливість у світлі вже представлених доказів.
Востаннє редагувалось П'ят вересня 23, 2022 3:08 pm користувачем Кувалда, всього редагувалось 1 раз.
Andriy
Адміністратор сайту
Повідомлень: 3638
З нами з: Сер травня 27, 2009 8:23 pm

Re: Повернення гіпотези про Бога: три наукові відкриття, які виявляють розум, що стоїть за Всесвітом

Повідомлення Andriy »

yього
Відповісти

Повернутись до “Пропоновані до видання книжки”