Ուղեղը` վակուումում. Անլուրջ փիլիսոփայական փնտրտո՞ւք, թե` գիտական լուրջ խնդիր
Մենք սովորել ենք, որ գիտությունը մեծամասամբ զբաղվում է, չնայած հաճախ սովորական մարդկանց համար անհասկանալի, սակայն մեր աշխարհի հետ կապ ունեցող երևույթներով։ Ու երբ խոսք է գնում տարօրինակ, առաջին հայացքից՝ աշխարհից կտրված հասկացությունների մասին, միանգամից մտքներիս են գալիս տորսիոնային հոսանքների ու լուսակիր եթերի նման հակագիտական կամ վաղուց հերքված ֆիզիկական երևույթները։
Բայց արի ու տես, որ տարօրինակ կատեգորիայի մեջ կարելի է գտնել բաներ, որոնք ցանկացած խելամիտ մարդու մոտ կարող են միայն ծիծաղ առաջացնել, սակայն որոնք լրջորեն քննարկվել ու քննարկվում են հարգանքի արժանի շատ գիտնականների կողմից, անգամ` խաթարում նրանց քունը։ Խոսքը վերաբերում է այսպես կոչված Բոլցմանի ուղեղի պարադոքսին ու դրանից բխող հետևանքներին։ PAN-ը պատմում է պարադոքսի մասին իսկական գիտական սկեպտիկի տեսանկյունից։
Ջերմադինամիկայի հայր Լյուդվիգ Բոլցմանը հանճարեղ գիտնական էր։ Հենց Բոլցմանը, օգտվելով ստատիստիկ ֆիզիկայի կանոններից, բացատրեց էնթրոպիայի հասկացությունն ու Ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքը, համաձայն որի փակ համակարգերի էնթրոպիան կամ մնում է նույնը, կամ էլ աճում է, սակայն երբեք չի նվազում։ Բայց մինչև առաջ անցնելը, եկեք հասկանանք, ինչ է էնթրոպիան։
Ի՞ՆՉ Է ԷՆԹՐՈՊԻԱՆ
Քանի որ մենք ինքներս ծանր, անթիվ մասնիկներից բաղկացած, անընդհատ անթիվ մասնիկներ կլանող ու արտազատող, տաք դասական ջերմադինամիկ համակարգեր ենք, շրջապատված նույնպիսի այլ համակարգերով, մեզ համար անհնար ու անիմաստ է իմանալ դրանցից յուրաքանչյուրի կառուցվածքը մասնիկների մակարդակով, մասնիկներից յուրաքանչյուրի կոորդինատներով ու իմպուլսներով հանդերձ։ Խոսքը դասական մասնիկների մասին է, սակայն իրավիճակը ավելի է բարդանում քվանտային մասնիկների պարագայում, երբ կոորդինատները ու իմպուլսները ոչ թե թվեր են, այլ օպերատորներ։
Եթե մարդիկ կարողանային ցանկացած պահի իմանալ ցանկացած մակրոսկոպիկ մարմնի մասնիկների կոորդինատներն ու իմպուլսները, էնթրոպիա հասկացությունը կվերանար։ Նույն կերպ, ինչպես կվերանար ջերմաստիճան հասկացությունը, որը բազում մասնիկների իմպուլսների հավաքական միջինն է։ Բայց մենք դա չենք կարող անել։
Լավ, իսկ ի՞նչ է էնթրոպիան։ Դա այն հնարավոր միկրոսկոպիկ վիճակների քանակն է, որոնցով նկարագրվում է տվյալ մակրոսկոպիկ համակարգը։ Բերենք պարզագույն օրինակ։ Դուք ունեք մեծ պարկ` լցված տասը հազար զառով։ Սովորական նարդու զառեր են։ Պարկը մի լավ խառնելուց հետո պարունակությունը լցնում եք փողոցում, բարակ շերտով, որ զառերը իրար վրա չլինեն։ Զառի յուրաքանչյուր թիվ եկեք փոխարինենք գույներով, որ ավելի ակնհայտ լինի. 1-կանաչ, 2-դեղին, 3-կարմիր, 4-սպիտակ, 5-սև, 6-կապույտ։
Զառերը գետնին լցնելուց հետո մեծ հավանականությամբ ի՞նչ կտեսնենք դիմացի շենքի հինգերորդ հարկից։ Այո, այո, խայտաբղետ գորգ։ Իսկ ինչո՞ւ։ Ինչո՞ւ, օրինակ, բոլոր զառերը մի կողմի վրա չեն ընկնում՝ առաջացնելով միագույն կարմիր գորգ։ Հիշում ենք հավանականությունների տեսությունը. եթե երկու իրադարձություն վիճակագրական առումով անկախ են, այսինքն՝ մի իրադարձության արդյունքը չի ազդում մյուսի արդյունքի հավանականության վրա, ապա երկու իրադարձությունների՝ միասին տեղի ունենալու հավանականությունը հավասար է դրանց հավանականությունների բազմապատկմանը։ Օրինակ, եթե մեր գունավոր զառերից մեկի վրա կարմիր ընկնելու հավանականությունը 1/6 է, ու նույն հավանականությունն ունի նաև երկրորդ զառի վրա կարմիր ընկնելը, ապա հավանականությունը, որ երկու զառերը նետելիս երկուսն էլ կարմիրի վրա կընկնեն, հավասար է 1/6 x 1/6 = 1/36: Ու դա միայն երկու զառի դեպքում։ Դրանց քանակի աճի հետ հավանականությունը երկրաչափական պրոգրեսիայով նվազում է, իսկ տասը հազար զառի դեպքում հավանականությունը շատ մոտ է զրոյին (բայց զրո չէ, ու սա շատ կարևոր է հիշել հետագա ընթերցանության համար)։
Բնականաբար, շատ ավելի հավանական է, որ պարկը դատարկելուց հետո զառերը խիստ պատահական կընկնեն՝ ձևավորելով խայտաբղետ գորգ։ Լուսանկարեք գորգը, հավաքեք զառերը պարկի մեջ, մի լավ խառնեք, նորից լցրեք փողոցում հավասար շերտով, բարձրացեք հինգերորդ հարկ ու կրկին լուսանկարեք։ Եթե համեմատեք երկու լուսանկարները, դրանք գրեթե չեն տարբերվի։ Նույն խայտաբղետ գորգն է։ Հինգերորդ հարկից հնարավոր չէ տեսնել միկրոսկոպիկ տարբերությունները, ու դրանք ոչ մի կերպ չեն ազդում ընդհանուր պատկերի վրա։ Հազար անգամ նույնը անելուց հետո կրկին նույն պատկերն եք ստանալու։ Սա նշանակում է, որ խայտաբղետ գորգը՝ զառերի պատահական գույներով, ունի շատ մեծ էնթրոպիա, որովհետև լուսանկարներում դետալների տարբերությունները չեն փոխում ընդհանուր պատկերը։ Մեր զառերի համակարգը շատ ավելի մեծ հավանականությամբ հենց նման բարձր էնթրոպիայով կոնֆիգուրացիա կընդունի։
Բայց պատկերացրեք, որ հերթական նետումից հետո բարձրանում եք հինգերորդ հարկ ու ապշում. զառերը ոչ թե խայտաբղետ գորգ են, այլ միատարր կապույտ։ Չնչին հավանականությամբ իրադարձությունը տեղի է ունեցել (իրականում, այն տեղի կունենա, եթե փորձերի քանակը սահմանափակ չլինի)։ Եթե կապույտ գորգի գոնե մեկ զառ էլ կարմիր լինի, մենք դա կնկատենք, հետևաբար՝ կապույտ գորգն ունի շատ ցածր էնթրոպիա, որովհետև ցանկացած փոփոխություն փոխում է ընդհանուր պատկերը։
Համակարգերի վիճակը նկարագրելու ու հաշվարկների համար գիտնականները օգտվում են մաթեմատիկական գործիքից, որը կոչվում է կոնֆիգուրացիոն տարածություն։ Այն փոխակերպում է համակարգի վիճակները այդ տարածության կոորդինատների։ Եթե զառերի ազատության աստիճանները նրա վեց կողերն են, ուրեմն մեկ զառի կոնֆիգուրացիոն տարածությունը վեցաչափ է, որի յուրաքանչյուր կետ համապատասխանում է զառի կողերի դիրքին տարածության մեջ։ Երկու զառի համար կոնֆիգուրացիոն տարածությունը 12-չափ է, երեքինը՝ 18-չափ, 10 հազար զառի համար կոնֆիգուրացիոն տարածությունը 60000-չափ է։ Այդ տարածության յուրաքանչյուր կետ նկարագրում է 10 հազար զառերից յուրաքանչյուրի դիրքը։
Մեր զառերի պարագայում բարձր էնթրոպիայով վիճակները (խայտաբղետ գորգերը) զբաղեցնում են նշված կոնֆիգուրացիոն տարածությունը գրեթե ամբողջությամբ (որովհետև քանի անգամ էլ նետեք, գրեթե միշտ բարձր էնթրոպիայով արդյունք կստանաք), ու միայն այդ տարածության չնչին մասն են զբաղեցնում ցածր էնթրոպիայով կոնֆիգուրացիաները։
Պատկերացրեք, որ դուք անմահ եք ու հնարավորություն ունեք անվերջ անգամներ նետել զառերը։ Նետման յուրաքանչյուր արդյունք համապատասխանում է որևիցե կետի կոնֆիգուրացիոն տարածությունում, ու այդ պահին զառերի համակարգը գտնվում է նշված կետում։ Հաջորդ նետումը այն տեղափոխում է մեկ այլ կետ և այլն։ Այսինքն, ձեր նետումների շնորհիվ համակարգը անընդհատ շարժվում է կոնֆիգուրացիոն տարածությունում՝ ուսումնասիրելով դրա կետերը։ Քանի որ կոնֆիգուրացիոն տարածության ծավալի մեծ մասը զբաղեցնում են բարձր էնթրոպիայով կոնֆիգուրացիաները (խայտաբղետ գորգերը), համակարգը ժամանակի մեծ մասը անցկացնում է հենց բարձր էնթրոպիայով մասում ու միայն խիստ հազվադեպ է կարողանում կարճ ժամանակով հայտնվել ցածր էնթրոպիայով փոքր հատվածում։
Այսպիսով, մենք կարող ենք վերաձևակերպել ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքը։ Ինչպես նշեցինք, ըստ այդ օրենքի, փակ համակարգի էնթրոպիան կամ մնում է նույնը, կամ աճում է, սակայն չի նվազում։ Այդուհանդերձ, պետք է հաշվի առնել, որ ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքը ստատիստիկ օրենք է, այսինքն` ստատիստիկ առումով համակարգը գրեթե միշտ գտնվում է բարձր էնթրոպիայով հատվածում, սակայն դա չի նշանակում, որ էնթրոպիայի նվազումը բացարձակ անհնար է։ Դրա հավանականությունը այնքան փոքր է, որ այն կարելի է հաշվի չառնել։
ԲՈԼՑՄԱՆԻ ՈՒՂԵՂԸ
Հիմա արդեն կարող ենք անցնել Բոլցմանին։ Մեծ գիտնականի ժամանակներում Էյնշթեյնի հարաբերականության տեսությունները դեռ չէին ստեղծվել, իսկ Տիեզերքը նկարագրվում էր Նյուտոնի պատկերացումներով` հավերժական ու ստատիկ։ Ու այս իրավիճակն անհանգստացնում էր Բոլցմանին։ Տիեզերքը փակ համակարգ է, որն ունի էնթրոպիա։ Եթե այն գոյություն ունի հավերժ, անդադար աճող էնթրոպիայի վիճակում, ապա այն վաղուց պիտի գտնվեր առավելագույն էնթրոպիայի` ջերմային մահվան պայմաններում։ Ինչո՞ւ գոյություն ունեն աստղեր, մոլորակներ, կյանք։
Երկար մտորումներից հետո Բոլցմանը եկավ հետևյալ եզրակացությանը։ Նա ենթադրեց, որ ամբողջ Տիեզերքը գտնվում է ջերմային մահվան վիճակում (թափառում է բարձր էնթրոպիայով կոնֆիգուրացիոն տարածությունում), բայց երբեմն նրա որոշ հատվածներում տեղի է ունենում անցում ավելի ցածր էնթրոպիայով հատվածի ու առաջանում են աստղեր, գալակտիկաներ, մարդիկ։ Բայց այս հատվածները հետո շատ արագ լքում են ցածր էնթրոպիայով հատվածը ու կրկին հայտնվում բարձր էնթրոպիայով հատվածում։ Կարճ ասած, ըստ Բոլցմանի, այն, ինչ մենք տեսնում ենք, հավերժական խավարում թաղված անվերջ մեծ տիեզերքում ժամանակ առ ժամանակ պատահական առաջացող կարգ ու կանոնի կղզյակներից մեկն է, որը ժամանակի հետ անխուսափելիորեն տարրալուծվելու է նույն հավերժական խավարում։
Այսօր արդեն Տիեզերքի ջերմային մահվանը քչերն են հավատում, որովհետև իր ժամանակներում Բոլցմանը հաշվի չէր առել բազմաթիվ (այն ժամանակ անհայտ) հանգամանքներ։ Սակայն այս էլեգանտ պատկերացման վրա սառը ջուր լցրեց մեկ այլ լեգենդար գիտնական` Արթուր Էդինգտոնը։
Մինչև հասկանալը, թե ինչ էր ասում Էդինգտոնը, վերադառնանք էնթրոպիային ու կոնֆիգուրացիոն տարածությանը։ Բարձր էնթրոպիայի անցումը դեպի ավելի ցածր էնթրոպիայի անվանում են ջերմադինամիկ տատանում կամ ֆլուկտուացիա։ Ու այդ ֆլուկտուացիաները կարող են լինել մեծ կամ փոքր։ Երբ անվերջ մեծ Տիեզերքում առաջանում է ֆլուկտուացիա ընդամենը մի քանի մասնիկի տեսքով, դա փոքր ֆլուկտուացիա է։ Իսկ եթե պատահաբար առաջանում են այնքան շատ փոխազդող մասնիկներ, որ դրանք ձևավորում են միլիարդավոր գալակտիկաներ, աստղեր, մոլորակներ ու այնպիսի կանոնակարգված երևույթ, ինչպին է կյանքը, դա շատ մեծ ֆլուկտուացիա է։ Ակնհայտ է, որ փոքր ֆլուկտուացիայի առաջացման հավանականությունը շատ անգամներ ավելի մեծ է, քան մեծ ֆլուկտուացիայի առաջացման հավանականությունը։
Էդինգտոնի արգումենտը շատ պարզ էր։ Ջերմային մահվան վիճակում գտնվող Տիեզերքում շատ ավելի հավանական է, որ կառաջանան փոքր ֆլուկտուացիաներ, քան, որ կառաջանան մեծերը։ Օրինակ, փոքր ֆլուկտուացիա կարող է լինել պատահաբար առաջացած ուղեղը, որին թվում է, թե ինքը շրջապատված է մոլորակներով ու աստղերով։ Այսինքն, ըստ Էդինգտոնի, եթե Բոլցմանի պատկերացումը ճիշտ է, ապա շատ ավելի հավանական է, որ այդ պատկերացման կրողը տիեզերական անհունում միայնակ թափառող ուղեղ է, քան որ գալակտիկաներով շրջապատված աշխարհում էվոլյուցիայի արդյունքում առաջացած բանական արարած։ Ուղեղը ստացավ Բոլցմանի ուղեղ անվանումը, Բոլցմանի մոդելն էլ հաջողությամբ մոռացվեց Էյնշթեյնի հայտնագործությունից ու մեծ պայթյունի հաստատումից հետո։ Տիեզերքը ոչ հավերժական է, ոչ էլ ստատիկ` Բոլցմանի ուղեղի մասին անհանգստանալու համար։
ԲՈԼՑՄԱՆԻ ՈՒՂԵՂԻ ԱՆԵԾՔԸ
Սրանով, սակայն, պատմությունը չավարտվեց։ Բոլցմանի ուղեղը վերհիշեցին մութ էներգիայի ու Տիեզերքի` արագացմամբ ընդլայնման կոնտեքստում։ Արագացմամբ ընդլայնման հետևանքով Տիեզերքը հեռավոր ապագայում վերածվելու է այսպես կոչված դե Սիտերի տարածության։ Ցանկացած դիտորդի համար իրենից որոշակի հեռավորության վրա ձևավորվելու է իրադարձությունների հորիզոն, որից այն կողմ ոչ մի ազդանշան երբեք դիտորդին չի հասնի։ Ոչինչ չի՞ հիշեցնում։ Այո, այո, դա նման է սև խոռոչի իրադարձությունների հորիզոնին, որից այն կողմ ընկած ոչ իմ ինֆորմացիա դիտորդին երբեք չի հասնում. ուղղակի դե Սիտերի տարածության դեպքում դիտորդը, կարծես, սև խոռոչի ներսում է։
Ինչպես ցանկացած իրադարձությունների հորիզոն, տիեզերագիտական հորիզոնը նույնպես ճառագայթում է։ Դա ջերմային ճառագայթում է։ Ու քանի որ հեռավոր ապագայում Տիեզերքը գրեթե դատարկված, բարձր էնթրոպիայի վիճակում է լինելու, այդ ճառագայթման մեջ կարող են պատահաբար առաջանալ էնթրոպիայի ֆլուկտուացիաներ։ Այդ թվում` Բոլցմանի ուղեղներ։ Իսկ եթե Տիեզերքը հավերժ մնալու է այդ վիճակում, ապա, որքան էլ Բոլցմանի ուղեղի առաջացման հավանականությունը փոքր լինի, անվերջ ժամանակում կառաջանան անվերջ քանակի գիտակցող Բոլցմանի ուղեղներ։ Հետևաբար, ցանկացած դիտորդ, այդ թվում` մեր ընթերցողը, անվերջ անգամներ ավելի մեծ հավանականությամբ դատարկության մեջ լողացող Բոլցմանի ուղեղ է, որին թվում է, թե ինքը կարդում է այս տեքստը, քան էվոլյուցիայի արդյունքում Երկիր մոլորակի վրա առաջացած մոտ 100 մլրդ մարդկանցից մեկը։ Կարելի է ասել, որ երկրորդի հավանականությունը ձգտում է զրոյի։
Ու այստեղ էլ առաջանում է պարադոքսը։ Եթե ես ընդամենը դատարկության մեջ լողացող Բոլցմանի ուղեղ եմ, ապա իմ բոլոր մտքերն ու պատկերացումները, այդ թվում` ենթադրությունները Տիեզերքի, էնթրոպիայի, դե Սիտերի տարածության մասին, իլյուզիա են ու սխալ, հետևաբար` Բոլցմանի ուղեղի առաջացման ֆլուկտուացիան նույնպես իմ իլյուզիան է։
ԼՈՒՐՋ ՄԻ ԸՆԴՈՒՆԵՔ, ԿԱՄ՝ ԸՆԴՈՒՆԵՔ
Վերոնշյալը անհանգստացրել ու անհանգստացնում է բազմաթիվ գիտնականների, որոնք հարյուրավոր հոդվածներով փորձում են հերքել թե Բոլցմանի ուղեղի առաջացման հնարավորությունը, թե պարադոքսը։ Կան բազմաթիվ լուծումներ, կկենտրոնանանք դրանցից մի քանիսի վրա։
1) Մութ էներգիան կարող է ապահովել Տիեզերքի հավերժական, արագացմամբ ընդլայնում միայն այն դեպքում, եթե այն իրենից ներկայացնի տիեզերագիտական հաստատուն։ Չնայած գիտնականների մեծ մասը կարծում է, որ ընդլայնումն իրոք պայմանավորված է տիեզերագիտական հաստատունով, այլ հնարավորություններ ևս կան։ Օրինակ, արագացմամբ ընդլայնումը կարող է պայմանավորված լինել դինամիկ դաշտով, որի էներգետիկ խտությունը ժամանակի հետ կարող է նվազել ու անգամ դառնալ զրոյական, ինչը կբացառի հորիզոնի ու, հետևաբար, նաև ուղեղի տեսքով ջերմային ֆլուկտուացիաների առաջացումը։
2) Վակուումը, որում մենք ապրում ենք, կարող է լինել ոչ թե կայուն, այլ մետաստաբիլ` վերջավոր ժամանակում տրոհվելով ավելի ցածր էներգիայով վակուումի վիճակի, որի էներգիան կարող է լինել ինչպես զրոյական, այնպես էլ բացասական։ Եթե վակուումի տրոհման հավանականությունը ավելի մեծ է, քան Բոլցմանի ուղեղի առաջացման հավանականությունը, ապա Բոլցմանի ուղեղ չի հասցնի առաջանալ։ Վակուումի տրոհումը նման է ռադիոակտիվ միջուկի տրոհմանը։ Զրոյական կամ բացասական էներգիայով Տիեզերքում Բոլցմանի ուղեղ չի կարող առաջանալ (որոշ հետազոտությունների համաձայն, զրոյականի դեպքում հնարավոր է)։ Բացասականի դեպքում` վստահաբար, որովհետև նման Տիեզերքը կարճ ժամանակում կոլապսի կենթարկվի գրավիտացիայի հետևանքով։
3) Բոլցմանի ուղեղի տեսքով ֆլուկտուացիաների առաջացումը հիմնված է քվազիդասական նկարագրության վրա, այսինքն` այն լիարժեք քվանտային չէ։ Լիարժեք նկարագրության համար անհրաժեշտ է քվանտային գրավիտացիայի տեսություն, որը մենք դեռ չունենք ու որը ինչ-որ մեխանիզմներով կարող է բացառել Բոլցմանի ուղեղի առաջացումը։
4) Վակուումը ոչ զրոյական հավանականությամբ կարող է ոչ թե ընկնել ավելի ցածր էներգետիկ մակարդակի, այլ բարձրանալ ավելի բարձրի։ Այդ դեպքում կառաջանա ինֆլյացիոն ընդլայնման նոր օջախ։ Մոդելը կիրառելի է հավերժական ինֆլյացիայի կոնտեքստում, ու այստեղ Բոլցմանի ուղեղ կամ էվոլյուցիայի արդյունքում առաջացած ուղեղ լինելու հավանականությունները պարզելը բավականին բարդ է, որովհետև երկու դեպքում էլ գործ ունենք անվերջությունների հետ։
5) Քվանտային մեխանիկայի Բազմաթիվ աշխարհների ինտերպրետացիայում ֆլուկտուացիաների հասկացություն ընդհանրապես գոյություն չունի, ինչը բացառում է դե Սիտերի հորիզոնի ջերմային ճառագայթման մեջ Բոլցմանի ուղեղի առաջացման հնարավորությունը։
6) Ի վերջո, կենսաբանությունից բխող այս արգումենտը, ամենից համոզիչն է։ Մենք չգիտենք, ինչ է անհրաժեշտ գիտակցության ու գիտակցական փորձի առաջացման համար։ Միգուցե, միայն ուղեղի առկայությունը դեռ բավարար չէ։ Հնարավոր է, որ գիտակցության առաջացման համար անհրաժեշտ է մարդու ամբողջ մարմինն ու շրջակա միջավայրը, որը կազդի այդ մարմնի վրա։ Պարադոքսի կողմնակիցները կարող են պնդել, որ այդ դեպքում, միևնույն է, որպես ֆլուկտուացիա կարող էր առաջանալ միայն Արեգակնային համակարգը, ինչը բավարար է էվոլյուցիոն ճանապարհով գիտակից դիտորդներ ստանալու համար, այդ դեպքում` ինչո՞ւ ենք մենք տեսնում այլ աստղեր ու գալակտիկաներ. ի վերջո, Արեգակնային համակարգի տեսքով ֆլուկտուացիայի առաջացման հավանականությունը շատ ավելի մեծ է, քան միլիարդավոր գալակտիկաների կուտակման տեսքով ֆլուկտուացիայի առաջացման հավանականությունը։ Այս խնդիրը դեռ քննարկման փուլում է։
Այդուհանդերձ, պետք է հիշել, որ պարադոքսը հիմնված է բազմաթիվ անհայտների ու, մեղմ ասած, կասկածելի նախապայմանների վրա, ինչպիսին է մեր` միջին ստատիստիկ դիտորդ լինելը։ Ապագայում, վստահաբար, ի հայտ կգան բազմաթիվ, այս պահին դեռ անհայտ հանգամանքներ, որոնք թույլ կտան հանգիստ պնդել, որ մենք էվոլյուցիայի արդյունքում առաջացած բանական արարածներ ենք... կամ էլ` տիեզերական տարածությունում լողացող ուղեղներ։