Чтение онлайн

Поскольку сущность любой измеримой величины не может зависеть от произвольного выбора единиц измерения, сделанного человеком, не могут от него зависеть и законы физики. Следовательно, все они – и вообще все научные законы – должны быть выражаемы в виде соотношений между масштабно-инвариантными безразмерными величинами, даже если обычно мы записываем их в другой форме для собственного удобства. В этом состоял основной посыл эпохальной статьи Рэлея.

В его работе приводятся изящные иллюстрации применения этой методики на многочисленных, тщательно подобранных примерах, в том числе и научное объяснение одной из величайших загадок жизни, о которой в тот или иной момент задумывался каждый из нас: почему небо синее? Используя изящное рассуждение, основывающееся исключительно на безразмерных величинах, Рэлей показывает, что интенсивность рассеяния световых волн на мелких частицах должна спадать пропорционально четвертой степени длины волны. Поэтому, когда солнечный свет, представляющий собой сочетание всех цветов радуги, рассеивается на микроскопических частицах, взвешенных в атмосфере, наиболее интенсивным оказывается свет с самой короткой длиной волны, то есть синий.

Собственно говоря, Рэлей вывел этот потрясающий результат гораздо раньше, в блестящей работе, основанной на мастерском математическом анализе этой задачи, давшем подробное механистическое объяснение происхождения сдвига к синему краю спектра. Он привел простой вывод этого решения в статье, посвященной подобию, чтобы продемонстрировать, что тот же самый результат можно было получить, по его словам, «всего за несколько минут размышлений» и без применения подробных и замысловатых математических построений, если использовать логику масштабирования, которую он называет «великим принципом подобия». Его рассуждение о масштабировании показывает, что сдвиг в сторону коротких волн является неизбежным результатом любого анализа, проведенного с правильным выбором существенных переменных. Чего в этом выводе недостает, так это более глубокого понимания того механизма, который обеспечивает получение результата. Это характерно для многих рассуждений, касающихся масштабирования: в них можно получить общие результаты, но подробности причин их возникновения иногда остаются неясными.

Проведенный Рэлеем математический анализ рассеяния волн заложил основы так называемой теории рассеяния. Ее приложения ко многим задачам, от волн в воде до волн электромагнитных, в особенности радиолокационных, а в более недавнее время – в области компьютерной связи, имели чрезвычайно большое значение, но не менее важной была и роль, которую она сыграла в развитии квантовой механики. Именно на основе этой теории был построен аппарат, позволяющий извлекать информацию из «экспериментов по рассеянию», которые проводятся на крупных ускорителях элементарных частиц, например в Европейском центре ядерных исследований (CERN) в Женеве, в котором недавно был открыт знаменитый бозон Хиггса.

Если посмотреть на исходную статью, которую он опубликовал в 1870 г., в возрасте всего двадцати восьми лет, можно увидеть, что имя ее автора – вовсе не лорд Рэлей. Тогда он носил гораздо более прозаическое имя Джона Стретта, больше подходящее персонажу из романа Томаса Харди, чем заслуженному профессору физики из Кембриджа. Так звали Рэлея до того, как в 1873 г. он унаследовал свой титул от отца; после этого он и стал называться лорд Рэлей. Фамилия Стретт более всего известна общественности по его младшему брату Эдварду, основавшему знаменитую фирму по торговле недвижимостью под названием Strutt & Parker: сейчас эта компания является одним из крупнейших коллективных собственников недвижимости в Великобритании. В следующий раз, когда будете в Лондоне, обратите внимание на ее фирменные знаки на дорогих зданиях в центре города.

Рэлей был замечательным ученым-универсалом. В число множества его великих достижений входят разработка теории звука и открытие аргона, за которое он получил в 1904 г. одну из первых в истории Нобелевских премий (точнее говоря, четвертую).

Как подчеркивалось в первой главе, все живые системы, от мельчайших бактерий до крупнейших городов и экосистем, являются, по сути, адаптивными сложными системами, действующими в широчайшем диапазоне множественных пространственных, временных, энергетических и массовых масштабов. Лишь в том, что касается массы, общий масштаб форм жизни охватывает более тридцати порядков величины (1030), считая от молекул, обеспечивающих работу обмена веществ и генетического кода, до целых экосистем и городов. Этот диапазон значительно превышает соотношение массы Земли и массы всей нашей галактики, Млечного Пути, составляющее «всего» восемнадцать порядков, и сравним с соотношением массы электрона с массой мыши.

Во всем этом огромном спектре жизнь создает поразительное разнообразие форм, функций и видов динамического поведения, используя, по сути дела, одни и те же основные элементы. Это дает убедительное доказательство силы естественного отбора и эволюционной динамики. Все формы жизни существуют за счет преобразования энергии, получаемой из физических или химических источников, в органические молекулы, метаболизируемые для строительства, содержания и воспроизводства сложных, высокоорганизованных систем. Этот процесс реализуется благодаря работе двух раздельных, но тесно взаимодействующих систем: генетического кода, хранящего и обрабатывающего информацию и «инструкции» по сборке и содержанию организма, и системы обмена веществ, которая принимает, преобразует и распределяет энергию и материалы для его содержания, роста и воспроизводства. В понимании обеих этих систем на разных уровнях, от молекул до целых организмов, были достигнуты большие успехи, и ниже мы поговорим о том, как эти результаты можно распространить на случаи городов и компаний. Однако понимание того, как обработка информации («геномика») объединяется для поддержания жизни с переработкой энергии и ресурсов («метаболикой»), остается весьма затруднительным. Выявление универсальных принципов, лежащих в основе структуры, динамики и интеграции этих систем, является ключом к пониманию жизни и управлению биологическими и социально-экономическими системами в столь разных сферах, как медицина, сельское хозяйство и экология.

Невероятный диапазон жизни, от сложных молекул и микробов до китов и секвой, в сравнении с галактическим и субатомным масштабами

Мы разработали единую систему понимания генетики, которая может объяснить самые разные явления, от репликации, транскрипции и трансляции генов до эволюционного происхождения видов. Однако сравнимая единая теория метаболизма, которая связала бы процессы, благодаря которым преобразования энергии и материалов, вызываемые биохимическими реакциями внутри клетки, масштабируются для поддержания жизни, обеспечения работы биологических механизмов и определения временных масштабов жизненных процессов на всех уровнях, от организмов до экосистем, формируется медленнее.

Поиск фундаментальных принципов, управляющих возникновением сложности жизни из лежащих в ее основе простых элементов, является одной из главных задач науки XXI в. Хотя эта задача относится и будет относиться главным образом к сфере деятельности биологов и химиков, другие дисциплины, в частности физика и информатика, играют в ней все более важную роль. В самом общем смысле, понимание механизмов образования сложности из простоты, важного элемента адаптивных развивающихся систем, – это один из краеугольных камней новой науки, называемой теорией сложности.

Физика занимается фундаментальными принципами и концепциями на всех уровнях организации, количественно измеримыми и «математизируемыми» (то есть поддающимися вычислению), которые поэтому позволяют получать точные предсказания, проверяемые опытами и наблюдениями. С этой точки зрения естественно спросить, существуют ли математизируемые «универсальные законы жизни», которые позволили бы сформулировать положения биологии в виде предсказательной, количественно измеримой науки наподобие физики. Можно ли представить себе, что существуют еще ждущие своего открытия «биологические законы Ньютона», дающие хотя бы принципиальную возможность точного расчета любых биологических процессов – так, чтобы, например, можно было точно предсказать, сколько нам с вами осталось жить?

Это кажется крайне маловероятным. В конце концов, жизнь – это поистине сложная система, проявляющая на самых разных уровнях множество эмерджентных явлений, вызываемых многочисленными случайными последовательностями событий. Тем не менее вполне разумным могло бы быть предположение о том, что общие, грубые черты поведения живых систем могут подчиняться неким универсальным законам, отражающим их основные черты и поддающимся выражению в численном виде. Такая, более умеренная, точка зрения предполагает, что на каждом уровне может быть построена усредненная, идеализированная биологическая система, общие свойства которой можно вычислить. Тогда мы должны быть в состоянии рассчитать среднюю и максимальную продолжительность человеческой жизни, даже если вычислить длительность своей собственной жизни нам никогда не удастся. Это дает нам отправную точку, основу для численного понимания реальных биологических систем, которые можно считать вариациями или возмущениями относительно идеализированных норм, вызванными местными различиями в состоянии окружающей среды или расхождениями в истории эволюционного развития. Ниже я буду гораздо более подробно говорить об этой перспективе, так как она образует идеологическую основу стратегии подхода к разрешению большинства из вопросов, заданных в первой главе.

Прежде чем мы займемся некоторыми из упомянутых великих вопросов, я хочу сделать небольшое отступление и описать ту последовательность счастливых случайностей, которая привела меня от исследования фундаментальных проблем физики к фундаментальным проблемам биологии, а затем и к фундаментальным проблемам социально-экономических наук, касающимся основополагающих вопросов глобальной жизнеспособности.

В октябре 1993 г. конгресс США с согласия президента Билла Клинтона официально закрыл крупнейший из когда-либо задуманных научный проект, на реализацию которого уже было потрачено почти три миллиарда долларов. Этот необычайный проект предполагал создание гигантского Сверхпроводящего суперколлайдера (Superconducting Super Collider, SSC). Некоторые считали этот ускоритель в совокупности с детекторами, которые планировалось установить на нем, величайшей инженерной задачей в истории. SSC должен был быть гигантским микроскопом, предназначенным для исследования расстояний до сотен триллионных микрона с целью выявления структуры и динамики фундаментальных составляющих элементов материи. Он мог дать жизненно важные свидетельства для проверки предсказаний, полученных из нашей теории элементарных частиц, возможно, привести к открытию новых явлений и заложить основы так называемой теории Великого объединения всех фундаментальных сил природы. Этот грандиозный проект мог не только дать нам более глубокое понимание того, из чего состоит весь окружающий нас мир, но и открыть важные аспекты эволюции Вселенной с момента Большого взрыва. Во многих отношениях этот проект олицетворял высочайшие идеалы человечества как единого существа, обладающего достаточно высоким уровнем сознания и разумности для проявления интереса к бесконечной задаче раскрытия некоторых из глубочайших тайн Вселенной – а может быть, даже и для определения самого смысла нашего существования, роли человека как проводника самопознания Вселенной.