Основные тенденции развития естествознания

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ В КОНЦЕ ХХ ВЕКА
(Статья опубликована в сборнике: Рождественские чтения. Христианство и наука, 1999г. С.147)

1. МЕТАФОРЫ-КОНЦЕПТЫ И НАУЧНЫЕ РЕВОЛЮЦИИ

С момента выхода книги Томаса Куна «Структура научных революций» — книги, вдруг ставшей бестселлером и оказавшейся в центре внимания не только профессиональных историков науки, но и всей научной общественности — мы стали понимать, что развитие естествознания отнюдь не постепенный и гладкий процесс накопления фактов и теорий, а скорее циклический процесс, в котором кумулятивные стадии закономерно сменяются резкими структурными перестройками, скачкообразными изменениями подходов и общих представлений о природе вещей. Прогресс научных знаний — это не процесс роста, а процесс развития сложной открытой самоорганизующейся системы, а такие системы не могут развиваться бескризисно. Вот о таком идейном кризисе естествознания, который оно переживает в наши дни, мне и хочется сегодня рассказать.

Общие представления учёных-естественников о мире всегда формируются под влиянием наиболее развитой, продвинутой дисциплины, как бы навязывающей всем другим свои подходы и познавательные установки. Начиная с Ньютона, такой наукой была физика, и в первую очередь механика, она и задавала тон всем другим наукам. Соответственно символом-концептом мироздания, его метафорой в XVII–ХVIII столетиях были часы или планетарий. Вращение небесных сфер, однажды установленных и запущенных Творцом: образец совершенства и регулярности, — таким представлялся в позднем средневековье и в век просвещения образ Вселенной. Неудивительно, что эта механическая парадигма проявлялась также и в архитектуре: самое почётное, видное место в облике городов того времени занимали башенные часы.

Наука в целях экономии мышления всегда старается свести нерешённые задачи к решённым, непонятное — к объяснённому. Свет, теплота, электричество, магнетизм, химические превращения — всё это хотелось сделать понятным, сведя и эти явления к уже понятым механическим. На решение этой сверхзадачи были нацелены усилия выдающихся умов, и постепенно, шаг за шагом, были построены механические теории всех перечисленных выше явлений. Но наибольшее впечатление на современников произвела механическая теория теплоты Больцмана и Гиббса — высшее достижение физики XIX века.

Это был век угля и пара, и паровая машина Уатта совершила своё победное шествие по всем морям и континентам; именно эта машина стала символом прогресса, промышленной революции, цивилизации вообще. Создание термодинамики, увенчанное больцмановской механической теорией теплоты, объяснило и работу теплового двигателя. Это привело к смене парадигмы — место часов заняла паровая машина, и весь мир стал рассматриваться как некий тепловой двигатель: Солнце — его топка, океан — резервуар воды; превращение энергии из высшей формы — света — в низшую, тепловую, это и есть механизм самодвижения Вселенной; отсюда изменилась и научная эсхатология: если прежде «порча» понималась как трение и износ, приводящий в негодность «мировые часы», то теперь учёные заговорили о «тепловой смерти» Вселенной в результате стремления энтропии к максимуму. Эту вторую метанаучную парадигму Нового времени можно назвать термодинамической. Её суть в признании второго начала термодинамики таким же фундаментальным и универсальным, как закон сохранения энергии.

Но за первой промышленной революцией грянула вторая. Если раньше культурными героями, благодетелями человечества были Уатт, Стефенсон и Больцман, то теперь, когда на смену паровой машине пришла динамомашина, а линии электропередач и телеграфно-телефонных проводов преобразили городской и сельский пейзаж промышленно развитых стран, в сознании миллионов культурными героями стали Эдисон, Белл, Маркони и Максвелл. Всё, что делало жизнь удобной и интересной — электрическое освещение, радио, новости, со скоростью света пересекающие океан по трансатлантическому кабелю, — всё это подготовило и новую, информационную метанаучную парадигму. Её суть — в признании информации такой же фундаментальной категорией, как вещество и энергия.

Явления жизни и психики прежде стояли как бы особняком, серьёзным учёным была просто очевидна невозможность их механического или термодинамического объяснения. Но теперь физиолог Павлов прямо попробовал объяснить психические явления распространением сигналов по нервным волокнам, мозг стали сравнивать с телефонной станцией, теософы заговорили о «космических энергиях», имея в виду некие информационные потоки, а эмбриологи — об «информационных полях» и «митогенетических лучах». До уровня массового сознания современного обывателя эти донельзя опошленные концепции дошли ныне в виде мифической «биоэнергетики», страшилок о «психотронном оружии» и прочих нелепостей. А наука и техника осуществили тем временем третью промышленную революцию — появление компьютеров.

Компьютер стал играть такую же роль универсальной метафоры-концепта, символа переживаемого нами сейчас этапа развития цивилизации, каким были часы в эпоху Просвещения, паровая машина в XIX и телефонная станция в первой половине ХХ века. Мозг — это компьютер; развитие Вселенной от момента Большого взрыва — запрограммированный мировыми константами процесс космогенеза; информационная матрица ДНК — аналог программы, создающей виртуальные миры, в которых проводят своё время десятки миллионов подростков. Бог не часовщик, не скульптор, лепящий из глины, а программист, иногда вмешивающийся и подправляющий процесс развития, но в целом законы природы — это просто программы, «речения», запрограммировавшие возникновение всего, и в том числе материи, пространства и времени. Таков чаще всего образ мира в сознании современного учёного-естественника, так он, как правило, интерпретирует пресловутый «антропный принцип». Это можно назвать парадигмой запрограммированного развития.

2. ИСЧЕЗНОВЕНИЕ ФИЗИКИ

Развитие науки характеризуется не только сменой общенаучных парадигм, но и сменой лидеров — дисциплин, эти парадигмы формирующих. Некоторые дисциплины прекращают структурно развиваться, из исследовательских программ становятся завершёнными, застывшими сводками знаний, необходимых для образованного человека, но уже не служащими полем интенсивного научного поиска, т.е. просто учебными дисциплинами. Это означает, что они достигли теоретической зрелости и более не нуждаются в экспериментах и наблюдениях для установления своих основных принципов, а самих этих принципов уже стало вполне достаточно для удовлетворительного объяснения соответствующего круга явлений. Такие разделы можно уподобить скелетным частям живого организма — раковинам моллюска, одеревеневшим тканям растений или костяку взрослого позвоночного, тогда как растущие разделы — мягким тканям или камбию.

Теоретическая механика, например, некогда была экспериментальной наукой и частью физики; ныне это раздел математики, причём чисто учебный раздел. Активных исследований с целью обнаружения новых фактов и принципов здесь не ведётся, разве что иногда уточняют форму подачи материала для лучшего усвоения студентами. Это филогенетический реликт развития физики.

Та же участь постигла ныне и квантовую механику. Она, конечно, используется, как и классическая, в поисковых исследованиях, но к ней самой уже почти нечего добавить. Степень математической формализации этой (в основном уже учебной) дисциплины также позволяет сегодня считать её скорее разделом математики, чем собственно физики.

Фундаментальная физика ныне выходит на такие энергии, которые невозможно воспроизвести в лабораторных условиях. Есть естественный предел размеров и стоимости ускорителей заряженных частиц, и общество просто не может финансировать слишком амбициозные проекты. Многие построенные суперколлайдеры почти не дают принципиально новой информации, другие остались в чертежах, так как не находится источников финансирования их строительства; натурный эксперимент всё чаще заменяется вычислительным. Хотя суперкомпьютеры тоже недёшевы, но на многие порядки дешевле суперколлайдеров, а ценной для теоретиков научной информации позволяют получить больше.

Относительная роль эксперимента и теории в физике постоянно меняется в пользу расчётов и развития математического формализма. В самом деле, интересующие современную физику энергии для теорий Великого Объединения столь велики, что нет никакой надежды в обозримом будущем воспроизвести их экспериментально. Значит, остаётся лишь сравнивать теоретические модели по их эстетическим достоинствам и способности воспроизвести те факты, что известны нам по уже поставленным экспериментам; новых эффектов, важных для фундаментальных исследований, ждать неоткуда.

В результате физика как таковая исчезает у нас на глазах: она превращается либо в математику, либо в инженерно-прикладные исследования, которые, разумеется, ведутся и будут продолжаться вестись, но к науке в собственном смысле слова это уже имеет второстепенное отношение. Химия с появлением суперкомпьютеров также превращается в квантовую химию — по сути, в раздел вычислительной математики, и, с другой стороны, в чисто прикладные разработки.

Математика всё чаще становится основным инструментом познания природы; сама она также бурно развивается, но её теоретически уже исследованные разделы тоже становятся не научными, а учебными или прикладными дисциплинами. Эти тенденции, видимо, будут лишь усиливаться в наступающем тысячелетии. Сами по себе они не очень бросаются в глаза и часто не замечаются, но подготавливают ещё более радикальную научную революцию, чем все те, что упоминались до сих пор. Речь идёт об отказе от физического принципа причинности и от физикализма вообще: возможно, физика просто утратит своё место лидера естествознания, застынет, окаменев, в качестве классической учебной дисциплины, а лидерами станут кибернетика и экология (что на самом деле одно и то же).

Чем же плох физикализм и что не так с понятием физической причинности? В том виде, в котором оно существует в настоящее время, это понятие (скорее, философская категория) включает в себя следующие три основных момента:

1. Убежденность в том, что физический мир является самодвижущимся и самодостаточным, для своего развития и существования не нуждающимся ни в каких началах и принципах, ему не принадлежащих и из него невыводимых (физикализм).

2. Убежденность в том, что будущее мира всецело определяется (пусть даже неоднозначно) его прошлым. Причина всегда предшествует следствию в реальном времени как некий физический факт.

3. Отсутствие в физическом мире реальных целеполагающих начал, помимо прямого вмешательства человеческой воли, признаваемой как непосредственно доступный нашему самосознанию факт, не включаемый, однако, в физическую картину мира из-за колоссальной сложности и невозможности решения этой задачи на современном этапе развития естествознания.

Неудовлетворенность таким пониманием причинности ощущается в естествознании уже давно. Особенно ярко она проявилась в тех научных дисциплинах, которые непосредственно занимаются изучением процессов развития в живой природе — эмбриологии, палеонтологии и эволюционной биологии. Перечислим вкратце основные факты, противоречащие описанной выше парадигме физической причинности или не находящие в ней удовлетворительного объяснения.

1. Эквифинальность развития. Это явление было впервые обнаружено «отцом эмбриологии» Карлом Магнусом фон Бэром при наблюдении развития куриных эмбрионов и затем в еще более выраженной форме экспериментально показано Хансом Дришем при изучении эмбрионального развития морских ежей. Состоит в том, что в развивающихся эмбрионах весьма часто спонтанно возникают значительные отклонения от «нормального» хода развития, которые затем в большинстве случаев выправляются, так что в результате получаются вполне нормально сформированные взрослые особи. То же самое происходит, если такие нарушения вызывать искусственно, как это делал Дриш, разрезая эмбрионы пополам и затем наблюдая, как из этих половинок об-разуются нормального вида морские ежи, отличающиеся лишь меньшим размером.

2. Самонастройка и саморегуляция. Очень широкий класс физических процессов, характеризуемый выходом физической системы после некоторого переходного периода, в течение которого ее поведение выглядит хаотическим, плохо воспроизводимым или вообще невоспроизводимым, на устойчивый стационарный или колебательный режим с хорошо воспроизводимыми и прогнозируемыми характеристиками. Наблюдается при возникновении автоколебаний в механических или химических нелинейных системах (вроде системы Белоусова–Жаботинского), в различных электрических цепях и т.д.

3. Самофокусировка, самоиндуцированная прозрачность, лазерное излучение и т.п. Широкий класс явлений нелинейной оптики и нелинейных волновых процессов в сплошных средах, характеризуемый существованием решений соответствующих уравнений, обладающих корпускулярными свойствами, т.е. так называемых солитонных решений. Такие «уединенные волны», в отличие от обычных, распространяются без затухания и дисперсии, сохраняя свою индивидуальность также и в процессах взаимодействия с другими солитонами; после столкновения, в течение которого процесс выглядит хаотическим, они восстанавливают свою первоначальную форму и параметры движения (скорость распространения, импульс и проч.). Солитонные решения находят применения в некоторых калибровочных теориях поля.

4. Самоорганизация, или образование диссипативных структур, изучаемых в рамках синергетики. К таким процессам относят образование регулярных конвективных ячеек в термогравитационной и термокапиллярной конвекции, а также некоторые процессы, перечисленные выше в пп. 2 и 3: автоволновые процессы в реакции Белоусова–Жаботинского, в лазерной оптике и многое другое.

Как видим, классификация эта весьма условна, она характеризует в основном формальный аппарат описания, применявшийся к процессам, допускающим также описание с помощью иного математического аппарата, но определенная общность всех перечисленных выше физических и биологических явлений налицо: наблюдаемые характеристики этих процессов невыводимы из особенностей предшествующего, плохо структурированного состояния, дальний прогноз более точен и определен, чем ближний прогноз, который в ряде случаев вообще невозможен. Переходные процессы нерегулярны и невоспроизводимы, но ведут они ко вполне воспроизводимым и просто описываемым состояниям, причину которых поэтому трудно усмотреть в «начальных данных», в таких ситуациях малосущественных.

В целом подобные процессы можно охарактеризовать термином «канализация развития», или «ортогенез». Начальные, действующие причины (в аристотелевом смысле) здесь уступают место конечным и формальным причинам, с помощью которых только и можно описать эти явления и предсказать направления и итоги развития. Однако эти «конечные причины», при всей их ясности и понятности, трудно назвать физическими: это по существу условия устойчивости соответствующих форм. Они имеют явно выраженную математическую природу, не локализованы ни в пространстве, ни во времени, будучи просто теоремами существования устойчивых состояний, на которые хаотически развивающиеся процессы в результате флуктуаций, возникающих и экспоненциально нарастающих в переходном режиме (гигантских флуктуаций) неизбежно или с высокой вероятностью выходят. Выходят, чтобы затем, в силу свойственной этим режимам устойчивости, порожденные ими структуры могли наблюдаться в течение достаточно долгого времени, существенно превышающего характерные времена переходных режимов. Поэтому у нас есть все основания называть такие формальные или конечные причины формообразования не физическими, а метафизическими.

Нефизический характер подобных причин еще яснее выявляет тот факт, что аналогичные уравнения описывают установление равновесия в экономике («невидимая рука рынка» Адама Смита), формирование системы цен, производственных и распределительных структур рыночной экономики, популяционную динамику Ферхюльста и Лотки–Вольтерры и многие другие вовсе нефизические процессы. Это, скорее, элементы еще не разработанной общей теории развития систем, как физических, так и нефизических, их общих кибернетических моделей.

Вспомним теперь, что изгнание телеологии из физики было мотивировано Ф.Бэконом предпочтением индуктивно-эмпирического метода в естествознании гипотетико-дедуктивному, злоупотребление которым у перипатетиков привело к длительному догматическому застою. Вот почему начальные и действующие причины были предпочтены конечным и формальным. Но канонизация такого подхода как единственно возможного неизбежно вела к механицизму, к чисто детерминистической картине мира. Физиков это устроило, но никак не могло устроить биологов, на каждом шагу наталкивающихся на явления, необъяснимые с позиций лапласовского детерминизма.

К сожалению, построение теоретической биологии встречается со значительно большими экспериментальными и математическими затруднениями, чем построение теоретической физики. Мы не можем экспериментально изучать эволюцию жизни, для этого нужны времена, несопоставимые с краткостью человеческой жизни. Математика, доставшаяся нам в основном от античной эпохи, тоже мало приспособлена для анализа биологических форм, да и в дальнейшем ее развитие стимулировалось в основном техническими задачами, типа баллистики и небесной механики, в которых степень детерминированности была (или, вернее, считалась вплоть до недавних пор) весьма высокой. В результате физикалистская парадигма подмяла под себя мышление целой эпохи, и биологи не могли противопоставить ей что-то более вразумительное, чем чисто спекулятивные гипотезы об «энтелехии» и особом «живом веществе».

Но тут диалектическая спираль познания вышла на новый виток, маятник качнулся обратно: в самой физике и даже самой механистичной из наук — небесной механике — были обнаружены явления, не укладывающиеся в физикалистскую парадигму. Значит ли это, что теперь нужно вернуться обратно к Аристотелю, принять свойственный схоластике стиль мышления? Как мне кажется, это нас не спасет, возвращаться придется гораздо дальше, не к Аристотелю, а к Платону и Пифагору, то есть к истокам теоретической науки в подлинном смысле слова, а не к тому «вероятностному знанию», которое Аристотель считал достаточным и единственно возможным для наук о природе.

3.КИБЕРНЕТИКА — ОБЩАЯ ТЕОРИЯ РАЗВИТИЯ ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ

Термин «кибернетика» ныне употребляется нечасто и понимается слишком узко, как синоним шенноновской теории информации или как набор частных инженерных дисциплин — теории использования компьютеров, методов искусственного интеллекта, теории синтеза управляющих систем, теории автоматов и тому подобного. Господствующая информационная парадигма исказила первоначальный смысл этого слова. Однако я понимаю его так, как он определён у Винера в подзаголовке его знаменитой книги 1948 г., расшифровывающем смысл этого нового, введённого им понятия: «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», и даже ещё шире — так, как кибернетический метод, ещё не получивший этого названия и называемый там «бихевиористическим», описан в ранней работе Розенблюта, Винера и Бигелоу «Поведение, целенаправленность и телеология» 1943 г.

Здесь оправданность введения телеологии в науку заявлена с самого начала: «Мы видим в целенаправленности понятие, необходимое для познания некоторых определённых способов поведения, и считаем, что телеологический подход полезен, если только не касаться проблем причинности и довольствоваться исследованием целенаправленности как таковой». Нежелание авторов напрямую обсуждать проблемы причинности в связи с изучением поведения вполне понятно: в те годы было трудно столь вызывающе порвать с физикализмом. Однако фактически именно это авторы и делают, когда провозглашают несводимость поведения системы к её физическому воплощению, возможность и даже необходимость изучать поведение системы независимо от её устройства. Именно этот принципиальный отказ от редукционизма отличает новый «бихевиористический» подход от традиционного «функционального».

Такая внешняя осторожность, прикрывающая революционную сущность новшества, — характерная черта прорывных работ, подготавливающих смену парадигмы. Новый взгляд на мир вначале всегда подаётся лишь как методический приём и лишь затем оказывается не новой методологией, а новой онтологией. Естествознание не может удовлетвориться, как предлагают авторы, одной феноменологией и отказаться от поиска причин: рано или поздно «коснуться проблем причинности» всё равно придётся. И тогда окажется, что конечные причины — это не причины, лежащие на оси времени после следствия, что, разумеется, абсурдно, а вообще не лежащие на оси времени, они вневременные и, значит, нефизические. И это будет означать не только отказ от редукционизма как обязательной методологии естествознания, но и отказ от материализма как его онтологии. Достаточно просмотреть оглавление книги Винера, чтобы понять, что речь идёт не о частном методе, а о новой метанаучной парадигме, охватывающей широкий спектр не только естественных, но и гуманитарных наук. Там есть главы «Ньютоново и бергсоново время», «Вычислительные машины и нервная система», «Гешгальт и универсалии», «Кибернетика и психопатология», «Информация, язык и общество». Несмотря на свою огромную популярность, эта книга ещё толком не понята, хотя её уже начали забывать. Она оказалась в некотором смысле преждевременной, ещё не был достаточно развит математический аппарат, необходимый для реализации многих содержащихся там расплывчатых набросков исследовательских программ. По-настоящему её прочтут, видимо, уже в будущем тысячелетии.

Вот, вкратце, суть того, что можно назвать новой, пятой по счёту, кибернетико-эволюционной парадигмой, которая должна сменить и статичную информационную парадигму, и детерминистскую парадигму запрограммированного развития: становление сложных, самонастраивающихся и саморегулирующихся систем — процесс во многом запрограммированный, канализованный, он является как бы «одеванием» в материю предустановленных форм, этот процесс во многом познаваем и прогнозируем в силу своей закономерности, но конкретные детали и сроки реализации отдельных его этапов могут быть принципиально не определены, так как они могут зависеть от множества случайностей, а также от нашего собственного поведения. В развитии таких систем неизбежны кризисы, точки бифуркации, когда утрачивается единственность продолжения эволюционной траектории и становится возможным выбор пути дальнейшего развития. Математическая теория устойчивости и бифуркаций — основа эволюционной теории, позволяющая найти критические точки и описать возможные пути и формы развития.