«Хто здесь?» или Вопросы, не отвеченные человечеством до сих пор...
Ещё тайны науки, , в т.ч. физика и человек, в т.ч. сознание
Четыре вопроса, поднятые философами, на которые ещё отвечать и отвечать
Философия и социальные науки / Исследования материи
Если вы в университете не прогуливали занятия по философии, то наверняка помните, что античные философы «на серьёзных щах» часто утверждали разные смешные вещи (например, что у мух четыре лапки, а у женщин меньше зубов, чем у мужчин). ©
Научные ответы на философские вопросы. Рисунок автора
Несмотря на такую несуразицу, вопросы, которые ставили философы, часто хорошо сформулированы, и ответы на них лежат в основе науки. А какие последние версии ответов на такие вопросы у нас есть?
Не секрет, что мир меняется, и вместе с миром меняется и картина мира людей, - то, как они представляют реальность. Картина мира - это, в частности, набор допущений о том, как и почему происходят те или иные события в природе. Примерами высказываний, которые опираются на картину мира, будут: «Камень падает на землю, потому что так угодно богу» или «камень падает на землю, потому что на него действует сила тяжести». Допущения здесь будут следующие: в первом случае это существование бога, во втором случае - существование физических сил.
Во времена античности не было общепринятой версии объяснения, почему предметы падают на землю. Можно было фантазировать, почему камни падают, откуда взялся человек, почему светит солнце, и т. д. В это время впервые было поставлено много вопросов, которые потом перешли в домен науки. Научная картина мира, на которую мы опираемся сейчас, содержит уже гораздо больше допущений: есть физические силы, которые определённым образом влияют на вещи, происходящие в природе; эти физические силы работают по таким-то и таким-то принципам; бога нет или его существование не важно, и т. д. Этот набор допущений - не фиксированный: когда в науке происходят революции, одни допущения, ранее считавшиеся верными, меняются на другие.
В научной картине мира простор для фантазии, которую не сочтут за безумие, значительно меньше. Мы не можем спекулировать по поводу того, почему падают вещи. Но можно, например, заняться вопросами, о которых нам ещё мало что известно. Интересно, что эти вопросы, открытые для гипотез (например, функционирует ли сознание на квантовом уровне или оно объяснимо классической физикой?), напрямую восходят к вопросам, которые задавали философы задолго до нас, а ответы на эти более специфицированные вопросы являются также ответами на более общие вопросы, обозначенные философами на ранних стадиях развития науки.
1. Из чего состоит мир?
Стародавний вопрос - из чего состоит мир. Один из философов XVII века, Готфрид Лейбниц, предполагал, что мир состоит из монад - неделимых частиц духа. Сейчас мне и многим это покажется чем-то сродни шарлатанству. Интересно, что в своей метафизике Лейбниц нашёл место и физике (которая, конечно, в его представлении является «иллюзией») - он оспаривал позицию ранних атомистов. По их мнению, мир состоит из неделимых частиц (супертвёрдых и негибких, и никакая сила не способна их разделить напополам). Лейбниц же считал, что на каждый якобы неделимый атом найдётся сила, которая его разделит на части. Он обосновывал свою точку зрения следующим мысленным экспериментом.
Мы сталкиваем две такие частицы друг с другом.
- Так как они негибкие (то есть и неупругие), они не будут отталкиваться друг от друга;
- так как они супертвёрдые, они не расколются;
- значит, они будут покоиться сразу после столкновения, а это, как подсказывала Лейбницу интуиция, абсурдно, а значит существование таких частиц - невозможно.
Лейбниц это все писал в XVII веке. В XX веке мы наконец-то столкнули две частицы, и оказалось, что в процессе столкновения образуются другие частицы. Недавно был проведён опыт - в Большом адронном коллайдере в результате столкновения двух адронов 1 июля 2012 года был получен бозон Хиггса, и это подтвердило стандартную модель элементарной физики. Она-то и представляет собой один из последних срезов ответа на вопрос «из чего состоит мир». Материя, как мы сейчас считаем, состоит из 17 элементарных частиц трёх типов: кварки, лептоны и бозоны. Однако называя частицы «элементарными», мы просто имеем в виду, что мы ещё не научились их делить, и потом, возможно, мы найдём ещё меньшие частицы.
Стандартная модель элементарной физики
2. Как чувственные входные данные объединяются в нашем сознании?
Представьте - перед вами собака. Она лает, она большая и пятнистая, её классно гладить. Вы воспринимаете её как единое целое. А вы когда-нибудь задумывались, почему вы можете смотреть на деревья вдалеке, в это же время гладить собаку и понимать, что это именно собака вызывает у вас приятные ощущения в ладони, а не лес и не что-то другое? Когда вы видите эту собаку, как вы понимаете, что лай исходят от неё, а не от сосны напротив? Эти «глупые» вопросы не кажутся глупыми как нейрофизиологам, так и философам.
Вопрос «мультисенсорной интеграции» (в англоязычной литературе - crossmodal binding, иногда также multisensory integration) впервые поставил Аристотель. Правда, ответ, который он дал, нас сейчас не очень устроит: он предполагал, что есть некое шестое, т. н. общее чувство (common sense), которое отвечает за связывание аудиального, кинестетического, визуального, вкусового и олфакторного (обоняние) сенсорного входа.
Другое объяснение мультисенсорной интеграции дал Декарт - он предполагал, что информация с различных сенсорных входов попадает на обработку душе человека, и она уже решает, как эти данные комбинировать.
Гомункул, который сидит в голове и обрабатывает наши чувства«Картезианский театр». Если в версии мультисенсорной интеграции Декарта заменить душу маленьким гомункулом, который сидит в голове и обрабатывает наши чувства, получится такая картина.
Что касается науки в области мультисенсорной интеграции - мы пока знаем только несколько вещей. Например, на уровне физиологии различают мономодальные нейроны (которые реагируют на один тип стимула) и полимодальные нейроны (способные воспринимать разные стимулы), последние в основном сосредоточены в верхних колликулах (средний мозг), а также в коре мозга.
Среди вопросов, на которые учёные сейчас пытаются ответить, следующие: зачем нейроны с одинаковыми функциями существуют и в коре, и в колликулах; могут ли связи между нейронами объяснить мультимодальное восприятие; как работает «суммирование» входных стимулов в мультимодальных нейронах.
В целом, можно сказать, что мы пока находимся на уровне изучения отдельных нейронов (часто даже нейронов мозга не человека, а обезьян или других более простых видов, которые обладают мультисенсорной интеграцией). Чтобы достичь уровня изучения более сложного восприятия - сознательного восприятия, потребуется ещё много исследований.
3. Какова природа субъективного восприятия?
Природу субъективного восприятия философы часто иллюстрируют с помощью мысленного эксперимента под названием «Комната Мэри». Мэри с рождения заперта в комнате, в которой все вещи только белого, серого и чёрного цвета. Мэри дают литературу про цвет, она становится лучшим экспертом по физике цвета, по восприятию цвета и т. д. И вот, наконец, её выпускают из комнаты, она видит мир в красках и восклицает «ага, значит вот как это - видеть цвет!»
Комната Мэри. Мысленный эксперимент
Увидев цвет, Мэри приобрела новое знание. Философы называют такое знание, которое, возможно, даётся только в опыте и которое нельзя полностью описать словами, «квалиа». А действительно ли квалиа невозможно хорошо описать в теории? Над этим, помимо нейробиологов, размышляют и философы-феноменологи. Есть две философские школы: представители одной считают, что нет, невозможно, а другой - что да, возможно.
Главным представителем теории «невозможности» считается Дэвид Чалмерс (David John Chalmers), который назвал проблему описания квалиа «трудной проблемой сознания». Основной аргумент Чалмерса - отсутствие полного нумерического соответствия между физическими процессами и восприятием. Например, известно, что люди могут воспринимать графические образы как с помощью глаз, так и с помощью тактильного воздействия на кожу (сенсорная субституция). Если показать вам треугольник, а потом прислонить его к спине, то вы будете испытывать квалиа треугольника. То есть, получается, есть два физических состояния, которые ведут к одному переживанию, и это, по мнению некоторых философов, подтверждает реальность квалиа.
Чалмерсу противостоит Дэниел Деннет (Daniel Clement Dennett), который утверждает, что на какой-то стадии развития науки мы сможем объяснить квалиа с помощью средств классической физики. По-научному такая задача называется задачей поиска «нейронных коррелятов сознания» (neural correlates of consciousness). Звучит она так: если мы говорим, что мозг предоставляет функциональность сознания, то наша задача - выявить минимальный (неизбыточный) набор физиологических процессов, которые делают сознание возможным.
Что касается науки, сознание не описывается только в терминах «есть сознание - нет сознания». Один из способов говорить про сознание - говорить про уровни его интенсивности. Так, мы говорим, что человек находится в сознании, когда он не спит и способен реагировать на стимулы из внешнего мира. Во время сна активность сознания гораздо ниже, чем во время бодрствования, тем не менее, оно не отключается совсем. Далее, активность сознания во время глубокого сна ниже, чем во время быстрого сна; другая степень активности наблюдается, когда человек находится в вегетативном состоянии, в коме или под воздействием анестезии. Человек находится без сознания, когда он никак не реагирует на внешние стимулы.
Мы можем померить степень активности сознания, попросив человека, когда он воспримет стимул, нажать на кнопку, или можем измерить ширину зрачков в момент поступления стимула. Так мы можем сопоставить степень активности какой-то части мозга (на электроэнцефалограмме) и степень интенсивности сознания. Конечная цель - сделать выводы, какие части мозга больше отвечают за сознание, а какие меньше.
Другой вопрос - какие именно нейроны отвечают за сознание, какие нейроны являются необходимыми, но не достаточными для сознания, а какие функциональны только при его наличии. Например, мы знаем, что есть нейроны, отвечающие за распознавание лиц - этот тип нейронов можно отнести к нейронным коррелятам сознания.
Как мы видим, пока что до понимания квалиа, то есть, субъективного восприятия, - далеко, и только когда мы поймём, как функционируют различные кирпичики, из которых складывается сознание, мы сможем заняться поиском нейронных коррелятов квалиа.
4. Какова природа гравитации?
Начну опять с философии. Аристотель считал, что вещи падают потому, что они хотят оказаться на своём «естественном месте». Так, яблоко хочет оказаться на земле, поэтому оно падает. Почему яблоко хочет оказаться на земле? Потому что оно состоит, в определённой пропорции, из четырёх основных (в рамках физики Аристотеля) элементов: земли, воды, воздуха и огня, - и эта пропорция определяет, захочет ли яблоко полететь вверх или упасть на землю.
Мы, конечно, все привыкли, что вещи падают, потому что есть гравитационное поле Земли, которое пропорционально её массе. Но это тоже упрощённое представление - явление гравитации гораздо сложнее, чем его ньютоновское описание. В 2015 году лаборатория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) зафиксировала гравитационные волны, спровоцированные столкновением двух чёрных дыр. Эксперимент был довольно простым. Были построены два тоннеля одинаковой длины. В эти тоннели запустили лучи одного лазера так, чтобы они отражались зеркалом и приходили на экран в противофазе, как бы «выключая» друг друга. Учёные установили, когда через тоннель должны проходить гравитационные волны, и провели эксперимент в этот момент. При прохождении гравитационных волн пространство расширилось, и один тоннель стал на какой-то момент длиннее, чем другой. Соответственно, волны перестали находиться в идеально противоположных фазах, и на экран стал проходить свет.
Схема детектирования гравитационных волн
Другими словами, гравитация - это не просто такая сила, из-за которой яблоко падает на землю. Гравитация определяет пространственно-временной континуум, - может влиять на размерность и протяжённость вещей.
И в итоге…
Вряд ли научный прогресс будет стоять на месте. По мере получения ответов, новых вопросов будет становиться больше и больше. Возможно, мы даже ещё успеем побыть свидетелями пары-другой научных революций. Однако многие вопросы, заданные ещё в античности, не станут от этого менее актуальными.
Александра «Renoire» Алексеева
«XXII ВЕК», 27 марта 2018
Четыре вопроса, поднятые философами, на которые ещё отвечать и отвечать
Философия и социальные науки / Исследования материи
Если вы в университете не прогуливали занятия по философии, то наверняка помните, что античные философы «на серьёзных щах» часто утверждали разные смешные вещи (например, что у мух четыре лапки, а у женщин меньше зубов, чем у мужчин). ©
Научные ответы на философские вопросы. Рисунок автора
Несмотря на такую несуразицу, вопросы, которые ставили философы, часто хорошо сформулированы, и ответы на них лежат в основе науки. А какие последние версии ответов на такие вопросы у нас есть?
Не секрет, что мир меняется, и вместе с миром меняется и картина мира людей, - то, как они представляют реальность. Картина мира - это, в частности, набор допущений о том, как и почему происходят те или иные события в природе. Примерами высказываний, которые опираются на картину мира, будут: «Камень падает на землю, потому что так угодно богу» или «камень падает на землю, потому что на него действует сила тяжести». Допущения здесь будут следующие: в первом случае это существование бога, во втором случае - существование физических сил.
Во времена античности не было общепринятой версии объяснения, почему предметы падают на землю. Можно было фантазировать, почему камни падают, откуда взялся человек, почему светит солнце, и т. д. В это время впервые было поставлено много вопросов, которые потом перешли в домен науки. Научная картина мира, на которую мы опираемся сейчас, содержит уже гораздо больше допущений: есть физические силы, которые определённым образом влияют на вещи, происходящие в природе; эти физические силы работают по таким-то и таким-то принципам; бога нет или его существование не важно, и т. д. Этот набор допущений - не фиксированный: когда в науке происходят революции, одни допущения, ранее считавшиеся верными, меняются на другие.
В научной картине мира простор для фантазии, которую не сочтут за безумие, значительно меньше. Мы не можем спекулировать по поводу того, почему падают вещи. Но можно, например, заняться вопросами, о которых нам ещё мало что известно. Интересно, что эти вопросы, открытые для гипотез (например, функционирует ли сознание на квантовом уровне или оно объяснимо классической физикой?), напрямую восходят к вопросам, которые задавали философы задолго до нас, а ответы на эти более специфицированные вопросы являются также ответами на более общие вопросы, обозначенные философами на ранних стадиях развития науки.
1. Из чего состоит мир?
Стародавний вопрос - из чего состоит мир. Один из философов XVII века, Готфрид Лейбниц, предполагал, что мир состоит из монад - неделимых частиц духа. Сейчас мне и многим это покажется чем-то сродни шарлатанству. Интересно, что в своей метафизике Лейбниц нашёл место и физике (которая, конечно, в его представлении является «иллюзией») - он оспаривал позицию ранних атомистов. По их мнению, мир состоит из неделимых частиц (супертвёрдых и негибких, и никакая сила не способна их разделить напополам). Лейбниц же считал, что на каждый якобы неделимый атом найдётся сила, которая его разделит на части. Он обосновывал свою точку зрения следующим мысленным экспериментом.
Мы сталкиваем две такие частицы друг с другом.
- Так как они негибкие (то есть и неупругие), они не будут отталкиваться друг от друга;
- так как они супертвёрдые, они не расколются;
- значит, они будут покоиться сразу после столкновения, а это, как подсказывала Лейбницу интуиция, абсурдно, а значит существование таких частиц - невозможно.
Лейбниц это все писал в XVII веке. В XX веке мы наконец-то столкнули две частицы, и оказалось, что в процессе столкновения образуются другие частицы. Недавно был проведён опыт - в Большом адронном коллайдере в результате столкновения двух адронов 1 июля 2012 года был получен бозон Хиггса, и это подтвердило стандартную модель элементарной физики. Она-то и представляет собой один из последних срезов ответа на вопрос «из чего состоит мир». Материя, как мы сейчас считаем, состоит из 17 элементарных частиц трёх типов: кварки, лептоны и бозоны. Однако называя частицы «элементарными», мы просто имеем в виду, что мы ещё не научились их делить, и потом, возможно, мы найдём ещё меньшие частицы.
Стандартная модель элементарной физики
2. Как чувственные входные данные объединяются в нашем сознании?
Представьте - перед вами собака. Она лает, она большая и пятнистая, её классно гладить. Вы воспринимаете её как единое целое. А вы когда-нибудь задумывались, почему вы можете смотреть на деревья вдалеке, в это же время гладить собаку и понимать, что это именно собака вызывает у вас приятные ощущения в ладони, а не лес и не что-то другое? Когда вы видите эту собаку, как вы понимаете, что лай исходят от неё, а не от сосны напротив? Эти «глупые» вопросы не кажутся глупыми как нейрофизиологам, так и философам.
Вопрос «мультисенсорной интеграции» (в англоязычной литературе - crossmodal binding, иногда также multisensory integration) впервые поставил Аристотель. Правда, ответ, который он дал, нас сейчас не очень устроит: он предполагал, что есть некое шестое, т. н. общее чувство (common sense), которое отвечает за связывание аудиального, кинестетического, визуального, вкусового и олфакторного (обоняние) сенсорного входа.
Другое объяснение мультисенсорной интеграции дал Декарт - он предполагал, что информация с различных сенсорных входов попадает на обработку душе человека, и она уже решает, как эти данные комбинировать.
Гомункул, который сидит в голове и обрабатывает наши чувства«Картезианский театр». Если в версии мультисенсорной интеграции Декарта заменить душу маленьким гомункулом, который сидит в голове и обрабатывает наши чувства, получится такая картина.
Что касается науки в области мультисенсорной интеграции - мы пока знаем только несколько вещей. Например, на уровне физиологии различают мономодальные нейроны (которые реагируют на один тип стимула) и полимодальные нейроны (способные воспринимать разные стимулы), последние в основном сосредоточены в верхних колликулах (средний мозг), а также в коре мозга.
Среди вопросов, на которые учёные сейчас пытаются ответить, следующие: зачем нейроны с одинаковыми функциями существуют и в коре, и в колликулах; могут ли связи между нейронами объяснить мультимодальное восприятие; как работает «суммирование» входных стимулов в мультимодальных нейронах.
В целом, можно сказать, что мы пока находимся на уровне изучения отдельных нейронов (часто даже нейронов мозга не человека, а обезьян или других более простых видов, которые обладают мультисенсорной интеграцией). Чтобы достичь уровня изучения более сложного восприятия - сознательного восприятия, потребуется ещё много исследований.
3. Какова природа субъективного восприятия?
Природу субъективного восприятия философы часто иллюстрируют с помощью мысленного эксперимента под названием «Комната Мэри». Мэри с рождения заперта в комнате, в которой все вещи только белого, серого и чёрного цвета. Мэри дают литературу про цвет, она становится лучшим экспертом по физике цвета, по восприятию цвета и т. д. И вот, наконец, её выпускают из комнаты, она видит мир в красках и восклицает «ага, значит вот как это - видеть цвет!»
Комната Мэри. Мысленный эксперимент
Увидев цвет, Мэри приобрела новое знание. Философы называют такое знание, которое, возможно, даётся только в опыте и которое нельзя полностью описать словами, «квалиа». А действительно ли квалиа невозможно хорошо описать в теории? Над этим, помимо нейробиологов, размышляют и философы-феноменологи. Есть две философские школы: представители одной считают, что нет, невозможно, а другой - что да, возможно.
Главным представителем теории «невозможности» считается Дэвид Чалмерс (David John Chalmers), который назвал проблему описания квалиа «трудной проблемой сознания». Основной аргумент Чалмерса - отсутствие полного нумерического соответствия между физическими процессами и восприятием. Например, известно, что люди могут воспринимать графические образы как с помощью глаз, так и с помощью тактильного воздействия на кожу (сенсорная субституция). Если показать вам треугольник, а потом прислонить его к спине, то вы будете испытывать квалиа треугольника. То есть, получается, есть два физических состояния, которые ведут к одному переживанию, и это, по мнению некоторых философов, подтверждает реальность квалиа.
Чалмерсу противостоит Дэниел Деннет (Daniel Clement Dennett), который утверждает, что на какой-то стадии развития науки мы сможем объяснить квалиа с помощью средств классической физики. По-научному такая задача называется задачей поиска «нейронных коррелятов сознания» (neural correlates of consciousness). Звучит она так: если мы говорим, что мозг предоставляет функциональность сознания, то наша задача - выявить минимальный (неизбыточный) набор физиологических процессов, которые делают сознание возможным.
Что касается науки, сознание не описывается только в терминах «есть сознание - нет сознания». Один из способов говорить про сознание - говорить про уровни его интенсивности. Так, мы говорим, что человек находится в сознании, когда он не спит и способен реагировать на стимулы из внешнего мира. Во время сна активность сознания гораздо ниже, чем во время бодрствования, тем не менее, оно не отключается совсем. Далее, активность сознания во время глубокого сна ниже, чем во время быстрого сна; другая степень активности наблюдается, когда человек находится в вегетативном состоянии, в коме или под воздействием анестезии. Человек находится без сознания, когда он никак не реагирует на внешние стимулы.
Мы можем померить степень активности сознания, попросив человека, когда он воспримет стимул, нажать на кнопку, или можем измерить ширину зрачков в момент поступления стимула. Так мы можем сопоставить степень активности какой-то части мозга (на электроэнцефалограмме) и степень интенсивности сознания. Конечная цель - сделать выводы, какие части мозга больше отвечают за сознание, а какие меньше.
Другой вопрос - какие именно нейроны отвечают за сознание, какие нейроны являются необходимыми, но не достаточными для сознания, а какие функциональны только при его наличии. Например, мы знаем, что есть нейроны, отвечающие за распознавание лиц - этот тип нейронов можно отнести к нейронным коррелятам сознания.
Как мы видим, пока что до понимания квалиа, то есть, субъективного восприятия, - далеко, и только когда мы поймём, как функционируют различные кирпичики, из которых складывается сознание, мы сможем заняться поиском нейронных коррелятов квалиа.
4. Какова природа гравитации?
Начну опять с философии. Аристотель считал, что вещи падают потому, что они хотят оказаться на своём «естественном месте». Так, яблоко хочет оказаться на земле, поэтому оно падает. Почему яблоко хочет оказаться на земле? Потому что оно состоит, в определённой пропорции, из четырёх основных (в рамках физики Аристотеля) элементов: земли, воды, воздуха и огня, - и эта пропорция определяет, захочет ли яблоко полететь вверх или упасть на землю.
Мы, конечно, все привыкли, что вещи падают, потому что есть гравитационное поле Земли, которое пропорционально её массе. Но это тоже упрощённое представление - явление гравитации гораздо сложнее, чем его ньютоновское описание. В 2015 году лаборатория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) зафиксировала гравитационные волны, спровоцированные столкновением двух чёрных дыр. Эксперимент был довольно простым. Были построены два тоннеля одинаковой длины. В эти тоннели запустили лучи одного лазера так, чтобы они отражались зеркалом и приходили на экран в противофазе, как бы «выключая» друг друга. Учёные установили, когда через тоннель должны проходить гравитационные волны, и провели эксперимент в этот момент. При прохождении гравитационных волн пространство расширилось, и один тоннель стал на какой-то момент длиннее, чем другой. Соответственно, волны перестали находиться в идеально противоположных фазах, и на экран стал проходить свет.
Схема детектирования гравитационных волн
Другими словами, гравитация - это не просто такая сила, из-за которой яблоко падает на землю. Гравитация определяет пространственно-временной континуум, - может влиять на размерность и протяжённость вещей.
И в итоге…
Вряд ли научный прогресс будет стоять на месте. По мере получения ответов, новых вопросов будет становиться больше и больше. Возможно, мы даже ещё успеем побыть свидетелями пары-другой научных революций. Однако многие вопросы, заданные ещё в античности, не станут от этого менее актуальными.
Александра «Renoire» Алексеева
«XXII ВЕК», 27 марта 2018