Код жизнь вселенная (стр. 3 )

3.4.8. Восприятие смысла символов

Выше мы говорили об отличиях мозга человека от мозга животного. Ещё более интригует вопрос о том, где проходит водораздел между человеческим разумом и “разумом” вычислительной машины. От этого зависит – угрожает ли будущему человечеству конфликт с истинно разумными роботами? В чём принципиальное отличие человеческого мышления от мышления машин?

Многие учёные видят главное отличие в том, что человек понимает смысл воспринимаемой информации, тогда как машина манипулирует символами, не вникая в их смысл.

Действительно, встретив свастику, пятиконечную или шестиконечную звезду, знак бога Осириса и т. д., сегодняшняя ЭВМ выполнит предусмотренные программой операции над этими символами, не учитывая их сложный подтекст, не отвлекаясь на кроющееся за ними смысловое содержание. Для мозга же почти вся информация, получаемая из внешнего мира, наполнена смыслом, имеет яркую смысловую окраску. Не случайно, при встрече с непонятными символами, знаками неизвестного языка, врождённая любознательность толкает человека расшифровать эти знаки, докопаться до их сути.

Подойдя к этой главе, мы уже знаем принципы работы мозга, знаем, какие процессы лежат в основе мышления и какие особенности анатомии обеспечивают их протекание. Можно ли на такой базе сформулировать материалистическое объяснение этого странного феномена – осмысленного восприятия информации? Или осмысленность останется неким нераскрываемым мистическим свойством, сродни средневековой „душе”, свойством, органически присущим живому мозгу и принципиально недоступным для машины?

Оказывается и здесь уже можно избежать мистики. Можно указать вполне материалистические элементы процесса мышления, определяющие осмысленное восприятие и использование информации. Отсюда можно выяснить, что же в данном аспекте отличает сегодняшнюю машину от мозга и может ли, в перспективе, исчезнуть такое различие.

Сведения, связывающие данную информацию с известными объектами, качествами или явлениями окружающего мира, сведения, дополняющие воспринимаемую информацию и тем наполняющие её смыслом, каким-то образом оказываются неразрывно связанными с ней и в нашей памяти, в наших воспоминаниях.

Иначе говоря, любой символ, будь то произнесенное или написанное слово, нарисованный знак, определённый звук или даже лицо знакомого (доброго или враждебного) человека, воспринимается нами в органической связи, в контексте с остальной информацией, характеризующей этот символ в субъективном мире данного мыслящего существа и описывающей связи символа с миром. Именно контекстность воспринимаемого символа и определяет его осмысленность.

Одновременно с произнесением слова, мы осознаём его смысл. Это позволяет говорить, что в памяти человека хранится не просто набор слов, а своеобразный толковый словарь – набор слов-символов вместе с информацией иной природы (зрительной, слуховой, обонятельной, эмоциональной и пр.), придающей им смысл. Неразрывность символа и связанной с ним обширной информации, разнообразной по своей сенсорной природе и придающей символу смысловое содержание, определяет осмысленное восприятие символов мозгом.

Когда мы вспоминаем пикник на природе, как бы оживают голоса друзей, аромат липы, весёлое, приподнятое настроение и т. д.. Если что-то напомнило увиденную катастрофу – невольно сжимается сердце, пересыхает во рту. Каждая сцена, каждый символ, удивительным образом, хранятся в нашей памяти не сами по себе, а в контексте обширной сопровождающей информации, придающей им смысл. И извлекаются они из памяти совместно.

Какие же физиологические особенности мозга определяют контекстность операций с символами и, следовательно, их осмысленное восприятие?

Здесь действуют два фактора. Первый связан с пирамидальным построением системы нейрокорреляторов мозга. Поскольку в корреляторах нижнего уровня раздельно обрабатывается информация разных сенсорных систем, а по мере перехода на верхние уровни, наряду с абстрагированием, уменьшается количество корреляторов, отсюда следует, что ручейки информации постепенно сливаются в единый поток, и верхние уровни „пирамиды” оперируют уже полисенсорными образами, узор каждого из которых формируется сигналами разных сенсорных систем. В таком узоре отражается не только новая информация, но и информация, почерпнутая из памяти корреляторов, т. е. накопленная за предшествующую жизнь.

Вторым фактором оказалось то, что для мозга минимальной воспринимаемой и обрабатываемой порцией информации является не бит, и даже не тысяча бит, а большой двумерный информационный массив – волна-образ. Это позволило сливать (на верхних уровнях „пирамиды”) в единый образ большие объёмы сжатых (т. е. абстрагированных) данных, относящихся к определённому понятию. Мнение, будто человек мыслит словами, близко к истине, но неточно – мы мыслим не словами, а понятиями.

Волна-образ, соответствующая в информационной системе мозга определённому понятию, будучи дискретной единицей нашего словаря, содержит не только звучание нужного слова и его написание, не только его грамматические, синтаксические, эмоциональные формы и характеристики, но и обширный, разнохарактерный комментарий, раскрывающий его смысл. Здесь же хранится контекстная информация, определяющая связи данного понятия с другими понятиями, словосочетаниями, оборотами речи и т. д.. Вся эта информация хранится на равноправной основе в качестве разных деталей одного и того же образа. Она и обрабатывается коррелятором соответствующего уровня одновременно, не как слово, а как целостное понятие, вместе со своим смыслом, своей формой записи на бумаге, своими фонемами в разговоре.

Используемая мозгом система адресации не может вызывать из памяти часть образа, отвечающего понятию. Образ обрабатывается, заносится в память и извлекается из памяти только как единое целое. Поэтому, в отличие от ЭВМ, мы принципиально не можем вызвать из памяти слово в отрыве от пакета информации, характеризующего смысловую наполненность данного слова.

Но здесь следует оговориться. Было бы неверно считать, будто вся информация, относящаяся к конкретному понятию, сосредоточена в единственном двумерном массиве. Картина сложнее.

Непосредственно в сенсорной информации понятия не содержатся. У основания пирамиды корреляторов их ещё нельзя обнаружить. Они формируются лишь на верхних уровнях пирамиды. Чтобы огромные объёмы информации, связанные с понятием, приобрели компактную форму и могли быть слиты в единый образ, они должны предварительно подвергнуться абстрагированию, сжатию на нижних уровнях пирамиды.

На каждом уровне отсеивается информация, не существенная для дальнейшего использования, для формирования понятия, например, информация о рисунке литер печатного текста. Без знания рисунка литер нужная литература не была бы прочитана, понятие не было бы сформировано. Но внутри самого понятия рисунок печатных или рукописных литер не имеет никакого значения.

Поэтому каждый двумерный массив (образ) понятия, сформированный на верхних уровнях „пирамиды”, поддерживается, обслуживается сложной системой информационных массивов в памяти более низких уровней.

Вот почему при обдумывании любой информации из памяти всплывает обширный комментарий, создающий для неё смысловое и эмоциональное обрамление, окраску. Уже сам способ регистрации связывает в мозге каждый образ с сопутствующими звуками, запахами, тактильными ощущениями, с нашей эмоциональной реакцией в момент его восприятия. Новый образ связывается также с другой информацией, хранящейся в памяти, но имеющей к нему какое-то отношение (коррелирующей с ним). Всё это в совокупности и позволяет говорить об осмысленном восприятии информации мозгом.

Когда природа осмысленного восприятия информации мозгом стала ясна, нет нужды решать, возможно ли придать такую способность кибернетическому устройству. Теперь ясно, что это принципиально возможно. Вопрос лишь в технических трудностях. Проблема в другом – нужно ли это делать? Вероятно, подходить к ответу на этот вопрос нужно очень осторожно, так как подобным путём мы придём к появлению мыслящих машин, способных осознать своё отличие от людей, свою зависимость от них и различие интересов.

В то же время, нежелание придать машинам способность осмысливать информацию, вероятно, останется пустым звуком. Граница между допустимым и недопустимым лежит поблизости от этого аспекта проблемы, но не в нём самом. Не этот фактор станет в будущем определять, что позволительно для кибернетического устройства, а что – нет.

Мы увидели, что осмысленное восприятие информации не является отдельным свойством, оторванным от других характеристик, свойством, которое можно независимо вложить в информационное устройство или изъять из него. Осмысленное восприятие информации вытекает из двух особенностей построения мозга – из обработки информации в виде больших информационных пакетов, двумерных информационных массивов, и из постепенного объединения сигналов разных сенсоров по мере перемещения мыслительных процессов на всё более высокие уровни пирамиды корреляторов. Значит, если при создании систем искусственного интеллекта мы используем эти два технических решения, то тем самым автоматически наделим устройство способностью к осмысленному восприятию информации.

Допускать это или не допускать? В данном случае проблема не ограничена одним параметром. Она относится к комплексу характеристик. Каждая отдельная сторона искусственного интеллекта, вероятно, не является решающей. Важен общий уровень интеллекта машины, сложно зависящий от совокупности её свойств. Принципиально недопустимо создание искусственного Разума, близкого или превышающего по мощи ум человека. Но их очень трудно сравнивать. Вероятно, искусственный мозг будет в чём-то уступать человеку, но вместе с тем, будет обладать более высоким быстродействием. Компенсируется ли одно другим? Как их сопоставлять?

3.4.9. Гипотеза о памяти музыканта

Очень часто смысл получаемой мозгом сенсорной информации зависит от взаимного расположения сигналов во времени, тогда как вне связи со временем эта же информация в значительной мере теряет смысл. Можно представить себе, например, отдельные, вырванные из контекста и представленные в произвольном порядке звуки музыкального произведения. Они превратятся в какофонию. То же произойдёт при восприятии коротких перемешанных фрагментов литературного произведения, особенно – стихов. Столь же бессмысленным станет балет, если разбить его на отдельные, не связанные между собой позы.

Но не следует думать, что связное осмысливание распределённых во времени событий существенно только при восприятии художественных произведений. Совсем наоборот! Почти все события, происходящие во внешнем мире (да и внутри человеческого организма), выстроены в цепочки причинно-следственных связей, осознание которых составляет одну из важнейших сторон мышления. Можно выделить лишь очень малую часть сенсорной информации (изображение картины, здания и т. п.), не теряющей смысловой нагрузки в отрыве от предшествующих и последующих событий.

При всём том, работа мозга выше описывалась вне связи с обработкой информации, распределённой во времени. Это объясняется сложностью выяснения соответствующего нейрофизиологического механизма. Трудно сказать, как Природа в действительности решает эту проблему. Можно высказать лишь робкие предположения о принципах действия подобного механизма. Но даже формулировка первых предположений является шагом вперёд, так как даёт пищу для обсуждений, проверок и выдвижения более глубоких гипотез.

Принципиально важным моментом при обработке мозгом информации о распределённых во времени событиях (назовём её протяжённой информацией), должен быть строго однотипный характер изменений в памяти мозга адреса каждого нового сенсорного образа по отношению к предыдущему, что требует однотипности пространственной организации этой информации в памяти.

Действительно, если закон изменений адреса при записи протяжённой информации (последовательности сенсорных образов) не будет постоянным, раз навсегда заданным, если он начнёт варьировать во времени, то станет невозможным сопоставление вновь приходящей информации с информацией, хранящейся в памяти. Между тем, такое сопоставление, как правило, обеспечивается. Даже глубокий старик помнит и узнаёт мелодию колыбельной, которой его убаюкивали в детстве. В его музыкальной памяти звуки оказываются всё ещё правильно расположенными на шкале времени.

Люди способны запоминать очень длинные последовательности событий, весьма протяжённые художественные произведения (например, поэмы Гомера), что исключает предположение о линейном размещении последовательных сенсорных образов в памяти мозга. Столь длинная последовательность образов, будучи, при записи в память, вытянутой в линейку, никак не разместилась бы в пределах черепа. Нет, здесь Природа, безусловно, использовала другой, более компактный, но строго закономерный способ укладки образов.

Когда живой материи пришлось, при создании клеточного ядра, повысить компактность упаковки ДНК, двойная спираль этой длинной молекулы была намотана на нуклеосомы и с ними уложена в спираль соленоида. Укладка в виде спирали, вероятно, является вообще наиболее эффективным способом компактного размещения протяжённых образований. Не случайно в спираль свёрнуты фотоплёнка и кинофильмы, магнитофонная лента и обычные нитки, тросы и паруса. Не случайно мы видим спираль на грампластинке и на валике фонографа. Весьма вероятно, что спираль используется и при размещении протяжённой во времени информации в памяти мозга, что общим принципом изменения адреса в последовательности сенсорных образов является изменение по закону спирали.

Простейшими вариантами являются плоская и цилиндрическая спирали. Если для ядерной ДНК наиболее подошла цилиндрическая спираль, то система адресации образов в памяти мозга, вероятно, использует плоскую спираль, раскручивающуюся от центра.

Предположение о начале последовательности сенсорных образов именно в центре спирали, подтверждается свойствами памяти. Центр спирали определяется и отыскивается легче, чем последующие точки. Соответственно, человек легче вспоминает первые такты музыкальных произведений, первые куплеты песен, а чем дальше от начала – тем труднее вспомнить.

Как правило, все любители музыки помнят первые аккорды фортепианного концерта Чайковского, но мало кто напоёт заключительную музыкальную фразу. Точно так же, большинство знает первые строки „Евгения Онегина” или „Руслана и Людмилы”, но трудно найти тех, кто вспомнит последние куплеты. А ведь дело не в том, что по ходу концерта или чтения книги падает интенсивность запоминания (хотя прочность фиксации в памяти, действительно, непостоянна). Важнее то, что по мере продвижения от центра спирали к периферии, по мере удаления от начала последовательности образов, всё труднее точно адресовать считывающие волны нервной импульсации, без чего нельзя правильно вызвать, прочесть, вспомнить записанную информацию.

* * *

Итак, подавляющая часть получаемой мозгом информации растянута во времени и, следовательно, фиксируется памятью в виде спиралей голографических образов. Такие спирали разбросаны по всему пространству памяти. Они накладываются друг на друга, пересекаются, и потому неискажённое раздельное считывание разных последовательностей оказывается возможным только благодаря голографическому принципу записи. В этом факте – разгадка так называемых „неиспользованных резервов мозга”.

В нейробиологической литературе встречается мнение авторитетных учёных о том, что память человеческого мозга реально используется лишь на единицы процентов. Это и верно, и неверно. Верно в том смысле, что голографическая память не имеет резкой границы ёмкости, как, скажем, магнитофонная лента, и в неё можно записывать всё новую информацию, ухудшая лишь отношение сигнал/шум да уровень перекрёстных помех. Поэтому, даже весьма заполненный информацией мозг способен фиксировать всё новую информацию.

Неверно же мнение о слабом использовании памяти мозга оттого, что для высококачественной работы голографической памяти как раз нужен значительный резерв неиспользованной ёмкости. Резерв обеспечивает то, что обычно называют ясностью памяти – способность быстрого отыскания в памяти нужных сведений, чёткость образов, активное сопоставление образов друг с другом и т. д. Перегруженность голографической памяти не останавливает её работу, но существенно затрудняет её.

3.4.10. Другие гипотезы

Животные, наделённые мозгом, используют два варианта организации нервных связей:

– все нервные связи, идущие к мозгу, обязательно перекрещиваются в хиазме; в результате, нервные волокна, начинающиеся или оканчивающиеся в левой части организма, связаны с правым полушарием мозга и наоборот;

– нервные связи, соединяющие медленные рецепторы с внутренними органами (см. гл. 2.5.1., 2.5.3., 2.5.4.), напротив, не перекрещиваются; медленные рецепторы левой части организма связаны с левыми же внутренними органами, и наоборот.

Нервные связи без перекрещивания интуитивно понятны без объяснений. Существование же хиазма, перекрест подавляющего большинства нервных связей организма – выглядит странно и даже расточительно. Поскольку перекрест нервных путей характерен для организмов, обладающих мозгом, и анатомически связан с мозгом, напрашивается предположение, что хиазм играет принципиальную роль именно в процессах мышления. Какова же его роль?

Есть основания полагать, что перекрещивание в хиазме всех нервов, идущих к мозгу, выработано Природой ради того, чтобы дать организмам ощущение трёхмерности окружающего пространства и собственного тела. В хиазме встречаются и интерферируют между собой нервные импульсы от левых и правых рецепторов, что создаёт стереоскопичность восприятия, при чём не только для зрения и слуха, но и для других сенсорных систем. Обоняние не может конкурировать в процессе формирования трёхмерной картины мира со зрением, слухом или осязанием, но единый принцип организации нервных связей оказался удобным и для этой сенсорной системы.

Было бы грубой ошибкой полагать, что объёмности восприятия мира мы обязаны только зрению и слуху. Большой вклад вносит трёхмерность восприятия собственного тела, возникающая благодаря тактильным, тепловым и другим типам рецепторов.

Может возникнуть вопрос – не является ли трёхмерное восприятие мира исключительной прерогативой человека, подобно членораздельной речи? Обладают ли трёхмерным восприятием другие животные, наделённые мозгом? Здесь нет причин для сомнений – животные демонстрируют отличное восприятие объёмности мира и своего тела. Вспомним прыгающих с ветки на ветку обезьян или дерущихся оленей – как точно они оценивают пространство! Отличное осознание объёмности мира и собственного тела демонстрирует корова, заслоняющая собой от жгучих лучей лежащего телёнка, и меняющая положение в соответствии с движением Солнца.

Как отмечалось в главах 2.5.1., 2.5.3., 2.5.4., система медленных рецепторов, вероятнее всего, обслуживает циркадные ритмы организма. Эта задача не требует учёта объёмности мира или собственного тела. Для управления циркадными ритмами трёхмерность восприятия внешних раздражителей несущественна. Именно поэтому нервные волокна медленных рецепторов не перекрещиваются.

* * *

Выше мы столкнулись (см. гл. 2.5.1., 2.6.1.) с фактом возникновения в ходе эволюции анатомической связи между главнейшими информационными системами организма – генетической и нервной. Нервные волокна периферической нервной системы оказались удобными путями распространения химических структурогенных волн, и были использованы системой волнового управления активностью генов. Такая связь не была обязательным условием существования одной или другой системы, и в этом смысле её можно считать случайной. Но связь закрепилась естественным отбором, потому что дала живой материи весомые преимущества – позволила (благодаря малой потере энергии структурогенных волн при распространении по нервным волокнам) увеличить предельные размеры животных.

Подобная связь говорит о возможности и других случайных увязок между генетической и нервной системами, заставляя внимательнее присматриваться к непонятным свойствам нашего организма. Одним из них является удивительная способность ладоней человека бесконтактно диагностировать и лечить недуги других людей.

Известно, что кисти рук, особенно – пальцы, очень богато иннервированы. Поскольку периферические нервы, по совместительству, служат путями распространения химических волн, а переносимый каждой волной скачок электрического потенциала соответствует частотам порядка десятков гигагерц (см. гл. 2.2.12. и 2.4.5.), легко представить себе, что электромагнитная составляющая этих колебаний способна преодолеть сантиметры, отделяющие руку целителя от пациента, и воздействовать на волновые процессы в его теле. Ладонь может играть роль передающей антенны, удачно согласованной с особенностями излучаемых колебаний.

Волны химических реакций возникают как проявление автоволнового процесса. Это значит, что протоплазма клеток постоянно подпитывается энергией биохимических реакций, и подводится ими к порогу самовозбуждения или даже к генерированию химических волн. С таких позиций, биологическая ткань является активной средой, всегда близкой к самовозбуждению, отчего обладает чрезвычайно высокой, почти бесконечной чувствительностью. Её чувствительность ограничивают только шумы, а в данной ситуации – редкие, случайные реакции молекул, излучающих в том же диапазоне частот – порядка десятков гигагерц.

Всё это создаёт благоприятные условия для воздействий сильного и высоко упорядоченного структурогенного волнового поля одного человека (целителя) на ослабленное и в какой-то мере дезорганизованное волновое поле химических реакций другого человека (пациента). В этом смысле, целительство путём „наложения рук” выглядит вполне реальным, материалистически обоснованным явлением, хотя нельзя забывать, что это всё ещё гипотеза, требующая глубокого экспериментального изучения.

Есть не меньше оснований полагать, что нервные окончания ладоней и пальцев рук являются эффективными антеннами для приёма и передачи не только структурогенных волн, но также волн нервного возбуждения. Если и это предположение справедливо, то, вероятно, влияние на пациента афферентных (идущих от сенсорных клеток к мозгу) и эфферентных (идущих от мозга к мышцам) потоков нервных импульсов в нервах пальцев рук обладает разной спецификой, что может быть использовано целителем.

Анализ сигналов сенсорных клеток собственной ладони может, по-видимому, дать целителю обширные сведения о состоянии тела и отдельных органов пациента. С другой стороны, противоположно направленный поток нервной импульсации – от мозга к мышцам пальцев и ладони – надо думать, способен излучаться в тело пациента, становиться энергетическим и информационным продолжением руки целителя.

В обоих случаях, при использовании пальцев в качестве приёмо-передающих антенн как структурогенного волнового поля, так и волн нервного возбуждения, конечно, не всё столь ясно, как хотелось бы. Например, известно, что химические структурогенные волны распространяются только по протоплазме клеток и потому не переходят от одного организма к другому. Но так ли уж непреодолим этот запрет?

Не могут ли структурогенные волны при распространении менять на каком-то участке свою природу, подобно тому, как нервный импульс перескакивает от нейрона к нейрону через синаптическую щель, временно приобретая форму группы молекул нейромедиатора? Возможно, и структурогенные волны способны переходить от организма к организму, временно изменяя свою природу с электрохимической на сугубо электромагнитную, а затем снова возвращаться в организме пациента к электрохимической форме. Кроме того, не возникает ли здесь эффект, подобный известному туннельному перескоку электрона через энергетический барьер?

Наконец, совсем уж дерзкое предположение – если возможно совместное использование периферических нервов генетической и нервной системами, т. е. „сотрудничество” между ними на анатомическом уровне, то почему не подумать, что эти системы могут где-то взаимодействовать и более тесно, на уровне физиологических процессов? Например, не могут ли нервные импульсы, посылаемые мозгом целителя, достигать его кончиков пальцев, „прорываться” с них внутрь тела пациента и воздействовать, скажем, на активность генов последнего? Иначе говоря, нельзя ли обойти видимый запрет, нельзя ли допустить возможность прямого воздействия мозга целителя на генетическую систему пациента?

Причём, если это оказалось бы возможным в паре „целитель-пациент”, то, нужно думать, то же самое, тем более, возможно в пределах одного организма. Можно было бы мечтать о развитии потенциальной способности человека самостоятельно диагностировать отклонения в активности генов и усилием мозга лечить их!..

3.4.11. Мозг и „Дао физики”

С деятельностью мозга связана ещё одна удивительная загадка. Речь идёт о непонятной параллели между неожиданными, парадоксальными выводами современной физики элементарных частиц – с одной стороны, и мистическими учениями Востока, сформировавшимися тысячелетия назад – с другой. На такую аналогию обратил внимание Фритьоф Капра в своей книге „Дао физики” [Капра, 1994].

Несмотря на различия многочисленных философско-религиозных школ Индии, Тибета, Китая, Японии и других стран[2], сведения об устройстве мироздания восточные мистики во всех случаях получали (и получают) в процессе медитации, т. е. при особом состоянии мозга, когда обычное логическое мышление оказывается выключенным. Поскольку наша речь тоже является продуктом логического мышления, мир, воспринятый при медитации, очень трудно выразить словами. Каждый мистик, передающий своё восприятие „увиденного”, подчёркивает, что такие описания всегда неточны и приблизительны.

И уже здесь проявилась параллель с ситуацией в атомной физике. Например, Вернер Гейзенберг писал:

„Проблемы, связанные с языком, действительно серьезны. Мы хотим как-то рассказать о строении атома... Но мы не можем описать атом при помощи обычного языка … Сложнее всего говорить обычным языком о квантовой теории. Непонятно, какие слова нужно употреблять вместо соответствующих математических символов. Ясно одно: понятия обычного языка не подходят для описания строения атома.” [Heisenberg, 1958]

Но при всех языковых трудностях, сумма неточных и приблизительных описаний мира, „увиденного” восточными мистиками во время медитации, описаний, переданных древними рукописями, легендами, поэтическими образами, парадоксальными лаконизмами, театрализованными танцами божеств и т. п., вырисовывает ряд достаточно определённых положений, которые вполне могут быть сопоставлены с выводами современной физики. Сопоставления оказываются довольно-таки впечатляющими.

Для начала, вспомним основные особенности микромира, отличающие его от окружающего нас мира так называемой „зоны средних измерений” или области нашего обыденного опыта.

* * *

Все началось с открытия Макса Планка, показавшего, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек. Эйнштейн назвал их „квантами” и увидел в них фундаментальный аспект природы. Он был достаточно смел, чтобы утверждать, что электромагнитное излучение имеет две ипостаси – оно проявляется и в виде электромагнитных волн, и в виде квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как подлинные частицы и называются фотонами. Это частицы особой разновидности, лишенные массы и всегда движущиеся со скоростью света.

Так, непредвиденным образом, разрешилось противоречие между волновой и корпускулярной природой света. Но революция во взглядах физиков не ограничилась природой света, она распространилась на строение атома. Была поставлена под вопрос сама основа механистического мировоззрения – понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определённых местах, а, скорее, „может существовать”. Атомные явления не происходят в определённых местах и определённым образом, а, скорее, „могут происходить”. Язык квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн.

Вот почему частицы могут в то же время быть волнами! Это не „настоящие” трехмерные волны, как волны на поверхности воды. Это „вероятностные волны” – абстрактные математические величины с характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определённых точках пространства в определённые моменты времени. Однако эта картина распределений вероятностей проявляется в физических экспериментах как вполне реальные волновые свойства элементарных частиц. Все законы атомной физики выражаются в терминах вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.

Квантовая теория вышла за рамки существующих в мире „средних измерений” представлений о твердых телах и о строгом детерминизме природных законов. В субатомном мире на смену твёрдым материальным объектам классической физики пришли волноподобные вероятностные модели, которые, к тому же, отражают вероятность существования не объектов, а, скорее, взаимосвязей.

Современная теория говорит, что атомы, образующие твёрдую материю, если рассматривать их с точки зрения распределения массы, состоят из почти пустого пространства. Но если всё вокруг, да и мы сами, состоим из пустоты, то почему мы не можем проходить сквозь запертые двери? Что придаёт веществу непроницаемость?

Другая загадка – невероятная механическая прочность атомов. Атомы газа миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом, но после каждого столкновения сохраняют прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. Электронные оболочки атома кислорода всегда одинаковы, сколько бы он ни сталкивался с другими атомами. Два атома железа в двух железных брусках абсолютно идентичны, независимо от того, где они находились и как с ними обращались.

Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов – результат типичного „квантового эффекта”, обусловленного двойственной (квантово-волновой) природой материи, и не имеющего аналогов в макроскопическом мире.

Когда частица находится в ограниченном объёме, она начинает усиленно двигаться, и чем меньше объём, тем выше скорость. В атоме на электрон действуют две противоположные силы. Одна из них стремится оторвать электрон от атома и унести в окружающее пространство. Другая – электрическая сила – притягивает отрицательный электрон к положительному ядру. Чем ближе электрон к ядру, тем сильнее притяжение, и одновременно – выше скорость электрона. Она может достигать тысячи километров в секунду. Атом становится похожим на непроницаемую сферу, подобно вращающемуся пропеллеру, который выглядит как сплошной диск. Очень трудно ещё сильнее сжать электронную оболочку атома. Именно поэтому материя оказывается твёрдой и непроницаемой.

В зависимости от своей энергии и скорости движения, электроны в атоме размещаются на разных орбитах, чтобы уравновесилось притяжение ядра и противодействие ему. Ядро с электронами нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Это, скорее, не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределённые по орбитам. Производя измерения, можно обнаружить электроны в каких-либо точках орбиты, но нельзя сказать, что они „вращаются вокруг ядра” в понимании классической механики.

Электронные волны формируют на орбитах замкнутые паттерны так называемых „стоячих волн”. Такие паттерны возникают всегда, когда волны ограничены в пространстве, подобно колебаниям гитарной струны или воздуха внутри флейты. В замкнутом пространстве может формироваться только целое число стоячих волн. В случае с электронами внутри атома это означает, что они могут существовать только на орбитах, имеющих определённый диаметр.

Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда находится на ближайшей к ядру орбите, и в этом случае говорят о „стационарном состоянии” атома. Получив дополнительное количество энергии, электрон может перескочить на более высокие орбиты, переводя атом в „возбужденное состояние”. Возбуждённый атом стремится вернуться в стационарное состояние, испустив дискретное количество энергии в виде кванта электромагнитного излучения.

Атомы с одинаковым количеством электронов имеют одинаковые очертания электронных орбит и расстояния между ними. Поэтому два атома, скажем, кислорода – абсолютно идентичны[3]. Приходя в возбужденное состояние из-за столкновения с другими атомами или частицами, все они со временем возвращаются в исходное состояние. Так волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов определённого химического элемента и их высокую механическую устойчивость.

Таким образом, в квантовом мире точная определённость заменяется вероятностью существования. В ответ на ограничение в пространстве, частицы увеличивают скорость движения. Становятся естественными внезапные переходы атомов из одного „квантового состояния” в другое. Все стороны явлений прочно взаимосвязаны, а все величины квантового мира – расстояния, массы, порции энергии, электрические заряды – принципиально дискретны. Таковы некоторые черты необычной для нас атомной действительности.

Сила электрического притяжения, действующая между положительно заряженными ядрами атомов и отрицательно заряженными электронами, известна и в макроскопическом мире. Её взаимодействие с электронными волнами порождает широкое разнообразие окружающих нас структур и явлений, отвечает за все химические реакции и за образование молекул – соединений, состоящих из нескольких атомов.

* * *

"Теории квантового поля" преодолели унаследованное от классической физики противопоставление между твердыми материальными частицами и окружающим их пустым пространством. Квантовому полю приписывается самостоятельная физическая природа – природа протяженной среды, пронизывающей или наполняющей всё пространство. Частицы представляют собой лишь точки „сгущения” этой среды, возникающие и исчезающие энергетические узлы. По словам А. Эйнштейна, вещество состоит из таких участков пространства, в которых поле достигает особой интенсивности ... В новой физике не нашлось места одновременному существованию понятий как поля, так и вещества – единственной реальностью оказалось понятие поля.

Герман Уэйл пишет:

"Материальная частица, скажем, электрон, представляет не что иное, как небольшой участок энергетического поля, в пределах которого мощность поля достигает фантастических величин, что свидетельствует о сосредоточении большого количества энергии в очень малом объёме пространства. Такой сгусток энергии … чётко проступает на фоне всего остального поля и, подобно волнам на поверхности водоёма, перемещается в пустом пространстве. Поэтому мы не можем утверждать. что электрон всё время состоит из какой-то определённой субстанции." [Weyl, 1949]

В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с неким неразрушимым „материалом”, из которого, как считалось, сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса может не относиться к какой-либо субстанции, а являться проявлением энергии. Но энергия – это динамическая величина, связанная с какими-то процессами. Эквивалентность массы и энергии означает, что частица является динамическим паттерном, процессом, энергия которого и проявляет себя в виде массы.