К вопросу о тонкой настройке Вселенной

Что такое тонкая настройка? 

Антропный принцип: ансамбль мировых констант, совместимый с разумной биологической формой жизни.

С древнейших времен человек понимал, что окружающий нас мир находится в упорядоченном состоянии: всё в мироздании удивительно слаженно взаимодействует друг с другом и поэтому составляет единое целое. Однако развитие представлений о физико-химических процессах в природе, особенно в результате проникновения науки внутрь атома и открытия элементарных частиц в XX веке,  добавило нашему пониманию физической реальности существенные детали. Оказалось, что чрезвычайно малых отклонений целого ряда параметров (так называемых мировых  постоянных) было бы достаточно для того, чтобы мир не смог возникнуть или моментально прекратил свое существование. Этот феномен носит название тонкой настройки (англ. fine-tuning) Вселенной.

Перечислим некоторые из тонко настроенных параметров. Это соотношения величин ядерного (сильного и слабого), гравитационного и электромагнитного взаимодействий, отношение масс электрона и протона, скорость света в вакууме, величина неопределенности в соотношении Гейзенберга, полярность молекулы воды и др. (более полный перечень см. в [GodAndScience.Org], хотя, по-видимому, не все из них являются независимыми). Величины флуктуаций этих параметров, совместимые с существованием известных нам форм материи, включая жизнь, имеют чрезвычайно малые порядки. Например, изменение отношения K величин электромагнитного и гравитационного взаимодействия

K = Э / Г

не должно превышать 10^-40. Иными словами,

| dK / K | <= 10^-40.

Справедливости ради нужно отметить, что феномен тонкой настройки признается не всем научным сообществом. Одним из распространенных контраргументов является утверждение, что теоретическую возможность иного функционального набора параметров, отличных от  параметров нашего мира, нельзя опровергнуть, так как в нашем распоряжении имеется лишь одна Вселенная. Тем не менее, такую аргументацию нельзя признать:

• строгой именно потому, что у нас имеется лишь одна Вселенная.
• удовлетворяющей принципу Оккама (принципу выбора наиболее простого объяснения наблюдений) как вследствие ни к чему практически не ведущего допущения множественности миров, так и вследствие отсутствия каких бы то ни было наблюдений, позволяющих говорить о допустимости иных функциональных наборов параметров. Напротив, результаты наблюдений говорят именно в пользу тонкой настройки. См. напр., [UncommonDescent, "Warning: Before you “dismantle” fine-tuned universe, read directions"], а также обзорный анализ [там же, статья Introducing the Cosmological Design Inference].

Существуют и иные попытки оспорить феномен тонкой (дружественной) настройки, см. напр., т.наз. аргумент Икеды-Джеффериса, заявляющий о некорректности утверждения о более вероятном сценарии настройки параметров, благоприятной для возникновения и поддержания жизни на Земле, по сравнению со сценарием, в котором такие настройки изначально отсутствуют. На наш взгляд, такие попытки при всей их внешней привлекательности чрезмерно упрощают реальное положение вещей и могут приводить к неверным выводам. Вот что говорит об этом Википедия в статье "Креационизм" (в главе "Теория разумного замысла"):

• "Количественным подходом «от противного» является аргумент Икеды — Джеффериса: введение «дружественности настроек» (слабый антропный принцип) повышает вероятность естественности возникновения Вселенной. Тем не менее, этот аргумент может быть использован и в защиту идей разумного замысла, многие сторонники которых подчёркивают, что несмотря на то, что многочисленные свойства мира — от определяющих физику фундаментальных взаимодействий до размеров и состава Солнца, Земли, а также радиуса земной орбиты — благоприятны для поддержания жизни на Земле, некоторые законы природы (в частности, необходимость возникновения достаточно больших макромолекул или спонтанное нарушение хиральной чистоты биологически активных молекул) являются как раз «неблагоприятными» для возникновения живой материи из неживой (во всяком случае, детальные модели этого процесса в современной биологии не разработаны)."

Заметим при этом, что Википедию в целом нельзя заподозрить в симпатиях по отношению к теории разумного замысла.

О правдоподобии научных гипотез

При научном анализе тонкой настройки очень важным представляется следующий момент.  Дело в том, что существуют т. наз. универсальные вероятностные границы практического правдободобия научных гипотез (англ. universal plausibility bounds) [Abel 2009].

Принцип вычисления этих границ довольно прост. Устанавливается оптимистическая верхняя граница возможного числа Nmax некоторого класса событий в рассматриваемой системе (Земля, солнечная система, галактика, видимая часть Вселенной). Если вероятность P(A) какого-либо события A, лежащего в основании рассматриваемой гипотезы, удовлетворяет:

P(A) >= 1 / Nmax,                                                                (1)

то утвержается, что это событие (гипотеза) правдоподобны. В противном случае  данная  гипотеза должна быть отвергнута при проведении исследований, претендующих на научную строгость и обоснованность. Таким образом, (1) представляет собой критерий практической фальсификации гипотез. Разумеется, при вычислении вероятности интересующих исследователя событий должны быть корректно учтены все факторы, влияющие на результат, а также характер их влияния (условные вероятности, вероятности групп событий).

• Примером подобных вычислений служит работа [Axe 2004], в которой получена оценка вероятности  того, что последовательность аминокислотных остатков в домене белковой молекулы бактерий будет обеспечивать определенную функциональность. Функциональность понимается как степень гидрофильности белка, отвечающей за пространственную конфигурацию белковой молекулы в контексте выработки сопротивления воздействию антибиотиков. Указанная оценка составляет порядка 10^-64. Другими словами, в смысле обеспечения нужной пространственной конфигурации в среднем всего 1 последовательность аминокислотных остатков из 10⁶⁴ обеспечит функционирование защитного механизма бактерии. В этой же работе была оценена и вероятность случайного получения какого-либо белка  с использованием  всевозможных комбинаций 150 аминокислотных остатков (максимальная длина белкового домена). Эта вероятность составляет порядка 10^-77. В литературе популярна следующая яркая иллюстрация того, насколько мала эта величина. Как известно, число атомов в наблюдаемой части Вселенной составляет около 10⁸⁰. Представим себе, что каждый атом в наблюдаемой части мира соответствует фиксированной последовательности аминокислотных остатков в домене белковой молекулы. Тогда определенной последовательности остатков, отвечающей реализации какой-либо функции в организме бактерии, будет соответствовать всего одна тысяча атомов Вселенной, в то время как остальные будут бесполезным "шумом", не несущим никакой информации!

Класс событий С зависит от рассматриваемой системы. Например, класс событий C_U в масштабах Вселенной соответствует прохождению фотоном в вакууме расстояния, равного планковской длине L_P (граница применимости традиционных представлений о пространстве-времени, порядка 10^-35 м; радиус наблюдаемой части Вселенной составляет порядка 10⁶¹ L_P, см. [Wikipedia, планковская длина]). Таким образом, имея оценку возраста вселенной, можно оценить число элементарных событий за всю историю мира и затем получить универсальные пороговые значения правдоподобия. К примеру, Nmax в масштабах Вселенной составляет 10¹⁴⁰. Рассмотрение класса событий C_E молекулярно-химического уровня в масштабах Земли дает 10⁷⁰.

• Отсюда видно, что если бы мы выдвинули гипотезу о случайной генерации белка из первичной структуры размером в 150 аминокислотных остатков, основываясь на рассмотрении лишь событий класса С_E (события молекулярно-химического плана в масштабах Земли), наша гипотеза была бы неправдоподобной, так как вероятность случайного получения белка составляет 10^-77 [Axe 2004], что меньше отношения 1/Nmax, равного в данном случае 10^-70.

Понятие правдоподобия (англ. plausibility) события отличается от понятия вероятности события. С точки зрения теории вероятности, например, событие А, при котором брошенный камешек полетит не вниз, а вверх, характеризуется хоть и чрезвычайно малой, но все же ненулевой вероятностью. Однако А не удовлетворяет предложенному в [Abel 2009] практическому критерию правдоподобия.

То же справедливо в отношении случайных величин при малом размере выборки, которые, как известно, могут сильно отличаться от ожидаемых значений, полученных в результате достаточно большого числа измерений (см. [Wikipedia, закон больших чисел]).

Выводы из [Abel 2009] серьезны и имеют не только научный, но и практический интерес. Оказывается, что вероятностных ресурсов вселенной за все время ее существования заведомо не хватает для реализации наблюдаемой тонкой настройки параметров, о которых мы упоминали выше. Гипотезы и теории, зависимые от событий, вероятность которых ниже универсального порога в правой части выражения (1), следует признать неправдоподобными. К числу таких построений относятся гипотеза множественных вселенных, а также, по всей видимости,  гипотеза абиогенеза и теория макроэволюции.

Действительно, утверждения о ненулевой вероятности какого-либо события, например,  развития всего многообразия жизни на Земле как следствия однократного случайного  появления самовоспроизводящихся органических структур из неорганических соединений (абиогенез), в свете представленных соображений  не могут быть признаны самодостаточными (см. также рассуждения  в [Dawkins 1976] о добиологических репликаторах). Утверждения данного плана должны быть подкреплены доказательством того, что вероятность рассматриваемых событий  удовлетворяет критерию (1).

Дерево вариантов?

В свое время я задавался таким вопросом. Может быть, Бог, желая оставить некоторую свободу твари (понятно, что абсолютно свободен только Он Сам), допустил, так сказать, реализовываться дереву всевозможных вариантов? А Сам Он, конечно, зная, когда и какой вариант реализуется, лишь наблюдает, однажды заведя гигантский "часовой механизм". И в этом, как я думал, заключается Его всеведение. Но сейчас я понимаю, что думать так было наивно. Господу не нужны никакие наши модели (вероятностные или иные). Он знает все от века без всяких деревьев вариантов. Он видит все и сразу, находясь вне времени и пребывая превыше тварного бытия.

Непредвзятому уму очевидно, что тонкая настройка действительно немыслима без Творца. Он непостижимым для нас образом содержит всю тварь в состоянии единого целого, направляя и поддерживая нас в каждый момент времени, "давая всему и жизнь, и дыхание, и все" (Деян. 17:24-25). В Церковной Традиции эти действия Творца принято именовать Божественным Промыслом. Однако несмотря на то, что порядок, структурность и тонкая настройка Вселенной свидетельствуют о вмешательстве божественного Интеллекта, человеку недоступно понимание действий Промысла в их полноте вследствие нашей ограниченности.

Необходимо отметить, что еще более важными, чем поддержание мира в жизнеспособном состоянии, являются действия Промысла по обожению твари. Обожение (греч. теосис) состоит в сообщении Богом твари, прежде всего, человеку, а через него и всему тварному космосу, божественных энергий, в чем заключается конечная цель мироздания (см., например прп. Максим Исповедник [Умозрительные главы], cвт. Григорий Палама [Триады в защиту священно-безмолвствующих]). Но этот важный вопрос мы здесь затрагивать не будем.

Если мы отведем Богу роль лишь помощника в реализации каких-то редчайших событий, то таким образом мы представим Его не всемогущим, а лишь очень могущественным демиургом. До этого поднималась языческая мысль, но почти никогда не шла дальше (за исключением египтян, насколько мне известно). Сотворение мира из ничего представляется абсолютно невероятным нашему рассудку, так как не имеет аналогов в однажды сотворенном мире, где человек или животные могут лишь создать что-то новое из наличного материала. Но даже древние египтяне, которые уже знали о сотворении мира ex nihilo, по словам св. Иоанна Златоуста [Беседы на Псалмы] были научены Авраамом, которому, несомненно, эту истину открыл Сам Бог. 

Теория вероятноятностей - это всего лишь наша несовершенная модель. Я думаю, что действия законов природы на самом деле детерминированы до определенных пределов (то есть в том, что не касается сознания и проявлений свободной воли), но мы просто-напросто не знаем  и не можем знать в нашем падшем состоянии глубинных законов бытия,  проявляющихся неукоснительно даже при малых выборках. Наши вероятностные модели не улавливают этого детерминизма. Мы теперь вынуждены анализировать явления (рассекать целое на части), прежде чем синтезировать некие теории. Адаму не нужно было такое поверхностное знание: он знал сущности вещей.

Истории естествознания известны имена ученых, которые говорили о базовой детерминированности мира. Среди них Галилей, Ньютон и Лаплас, видевший в статистических методах лишь средство преодоления недостаточности информации об объекте исследования [Wikipedia, демон Лапласа], и даже Шредингер. При этом нельзя забывать, что  вульгарное понимание детерминизма может привести к отрицанию свободы воли, к пантеизму [Шредингер 1947] и фатализму. 

Утверждение о детерминированности мира, ограниченной возможностью проявлений свободы воли, таким образом, исключает предопределение. Так понимаемый детерминизм мира, по моему мнению, лишь отражает тот факт, что в основе мироздания лежат объективные непреложные законы, данные Творцом. Действительно, отнимает ли, к примеру, действие закона всемирного тяготения мою свободную волю? Разумеется, нет. Другое дело, что разумные твари уже постольку, поскольку они ограничены, обладают лишь относительной свободой, в отличие от Творца, Который свободен абсолютно. Например, даже если я пожелаю в эту секунду оказаться на Гавайских островах, то при всем желании не смогу этого сделать, поскольку ограничен пространством-временем. Детерминизм, на мой взгляд, оканчивается там, где начинается область проявления нашей свободной воли. 

Следует признать, что  доминирующий взгляд в науке трактует недетерминизм квантовой механики как фундаментальное свойство нашего мира, утверждая что наша вселенная не является лапласовой. Однако нельзя говорить о том, что данная точка зрения единственна. (см. цитировавшиеся рассуждения Шредингера о детерминизме и свободе воли).

Так или иначе, целостное знание бытия (в отличие от научного знания, оперирующего абстрактными моделями) от нас сокрыто со времени грехопадения. В научно-популярной литературе приводится интересная аналогия [Девис 1989].  Наблюдатель живет в плоскости, секущей крону дерева. Ветви, пересекая плоскость,  в сечении дают определенные фигуры. Когда дует ветер, наблюдатель, не имея возможности видеть главный фактор, связующий поведение точек, то есть корень дерева, полагает движение фигур хаотическим.

Наука и чудо - две вещи несовместные?

Используемые наукой вероятностные модели удовлетворительно описывают наблюдаемые нами явления. Мы даже можем описывать сильно неравновесные процессы, в которых прежде хаотическое движение самоорганизуется [Пригожин & Стенгерс 1986]. В принципе, наши научные достижения ограничены областью применения научного метода как такового (возможностью измерений и корректировок прогноза). Однако сама наука, не выходящая за пределы тварного мира и не прибегающая к Откровению, что в некотором смысле было бы равносильно выходу за пределы мироздания, именно вследствие собственной ограниченности парадоксальным образом не противоречит возможности чуда, то есть явлений, принципиально не объяснимых рационально.

Некоторые математические проблемы (cм. [Wikipedia Aлгоритмически неразрешимые задачи]), квантовые эффекты, задачи комбинаторной сложности достаточно большой размерности, требующие исключительно больших вычислительных ресурсов и другие проблемы, на наш взгляд, свидетельствуют об ограниченности рассудочно-экстенсивного познания мира. Это следствия поверхностности знания, упирающегося в стену размерности.

• С этой точки зрения, на мой взгляд, весьма интересна теория Колмогорова-Шатена алгоритмической сложности. Как отмечал Грегори Шатен (Gregory Chaitin)  в статье "Пределы рационального познания" ("The limits of reason"), опубликованной в журнале Scientific American в 2006 г., сегодня мы видим, как математика подобно физике превращается в экспериментальную науку, будучи не в состоянии предложить единую теорию наблюдаемого, на что когда-то надеялся Гильберт. Все дело в том, что наблюдаемые наукой сложные феномены не могут уложиться в сколько-нибудь компактные описания и кратчайшим описанием этих эмпирических фактов являются они сами. В этом смысле, говорит Шатен, знаменитые теоремы Гёделя о неполноте - лишь верхушка айсберга.

Да, технология со временем предоставляет нам все большие возможности по решению  подобных задач. Тем не менее, само существование этих проблем говорит о неизбывном "проклятии" поверхностного знания: с каждым шагом вперед науке приходится иметь дело со всё большим объемом неизвестного. От нас сокрыто что-то существенно важное, без чего наука напоминает древнего Сизифа: каждый раз после того, как наш Сизиф взбирается на гору, число камней, которые требуется закатить, увеличивается, а гора вырастает.

С другой стороны, невозможность существования неформализуемого ниоткуда не следует.  К примеру,  что есть интеллект и интуиция? Что такое сознание и красота? Почему я должен думать, что мое отношение к тем, кого я люблю, должно быть сведено к определенному набору физико-химических взаимодействий в тканях моего организма?

Из существования научного метода еще не следует утверждение о его исключительности в познании реальности, равно как и не следует утверждение о том, что именно и только рацио делает человека человеком. Точно также из этого не следует утверждение о том, что истина есть лишь научная истина.

Более того, религиозный опыт всего человечества свидетельствует о существовании умопостигаемой реальности - воспользуемся терминологией прп. Максима Исповедника, - то есть мира, объемлющего материальное, но не исчерпывающегося им. Для познания духовной реальности методы науки и рацио неприменимы. Здесь необходимы иной инструментарий и начальные условия: чистота сердца и желание обретения истины (Мф. 5:3-12).  Наука же, на наш взгляд, вообще не предназначена для решения вопроса: "зачем?", так как отвечает лишь на вопрос: "как?".

Проблематика смысла лежит за гранью научного метода. Редукционистский натурализм вообще не способен видеть смысл явлений, выходящий за пределы материального, тогда как жизненный опыт нас повсеместно убеждает в том, что причины и смысл явлений лежат именно вне их. Орудие труда, например, имеет внешнюю причину, то есть создавшего его человека. Кто или что мешает предположить то же самое по отношению к нашей собственной жизни, да и ко всему миру?

По неисповедимой Премудрости Бога, с одной стороны, для неверующих все выглядит так, как будто все само собой организовалось [Dawkins 1976]. И в этом для них есть свобода. Фактически, это свобода верить в реализацию научно не правдоподобных сценариев с чрезвычайно низкой вероятностью (ниже универсального порога правдоподобия). С другой стороны, "из рассматривания творений" человек должен увидеть действия Творца (ср. Римл. 1:20). И в этом должна проявиться наша ответственность, ответственность выбора веры, или системы аксиом. Иначе, по словам св. ап. Павла, перед Тем, кто сотворил этот мир, мы окажемся безответными (там же).

Автор благодарен за обсуждение данной статьи в блоге sciencefreaks неизвестными рецензентами. Некоторые замечания коллег incognito оказались особенно ценными и повлияли на окончательную редакцию текста. Спасибо.

Первоначальный вариант статьи был опубликован на Русской Народной Линии. 

Литература

1. Cвт. Иоанн Златоуст. Беседы на Псалмы. Псалом 4. М.: Свято-Тихоновский богосл. ин-т, 2003. 
2. Прп. Максим Исповедник. Умозрительные и деятельные главы. //Добротолюбие в русском переводе, дополненное: В 5 т. 2-е изд. М., 1900. Т. 3. Гл. 69. с. 246. 
3. Свт. Григорий Палама. Триады в защиту священно-безмолвствующих. //пер. В. Вениаминова. М.: Канон, 1996. Триада 2. Ответ 3. Гл. 25. с. 213. 
4. Пол Девис. Суперсила: Поиски единой теории природы.- М.:Мир, 1989, 272 с.
5. Портал Wikipedia.org 
6. Портал GodAndScience.org 
7. Портал UncommonDescent.com 
8. Илья Пригожин, Изабелла Стенгерс. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой: Пер. с англ./ Общ. ред. В. И. Аршинова, Ю. Л. Климонтовича  и  Ю. В. Сачкова. - М.: Прогресс, 1986.- 432 с. 
9. Эрвин Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? О детерминизме и свободе воли, М.: Иностранная литература, 1947.
10. David Abel. The Universal Plausibility Metric (UPM) & Principle (UPP). Theoretical Biology and Medical Modelling 2009, 6:27.
11. Douglas Axe. Estimating the prevalence of protein sequences adopting functional enzyme folds. Journal of Molecular Biology 2004, 341:1295-1315. 
12. Richard Dawkins. The Selfish Gene. Oxford University Press, 1976.