Это упражнение имеет больше отношения к математике, чем к физике. Нетрудно представить себе новые теории нелокальности. Можно смастерить любое их количество, просто изобретая силы, которые действуют между частицами, находящимися на расстоянии друг от друга. Однако большинство таких теорий нарушают принципы относительности, допуская распространение сигналов быстрее света. Нетрудно измыслить и теории, уважающие критерий ограничения скорости сигнала. К примеру, для этого пригодна любая теория, в которой причины носят сугубо локальный характер. Но нас интересуют теории, которые одновременно подразумевают и нелокальность, и ограничение скорости сигнала. Много ли таких? Или квантовая теория – единственная в своем роде?
Попеску и Рорлиху не пришлось далеко ходить за ответом. Как они полагают, квантовая теория – не единственная, где нелокальность сочетается с ограничением скорости сигнала. Чтобы это доказать, они построили модель мира, где частицы могут «сцепляться» еще сильнее, чем в квантовом мире. Такая «суперсцепленность» приводит к «суперкорреляциям» между измерениями спина. И физика этих процессов все-таки не нарушает критерий ограничения скорости сигнала. Этот гипотетический мир доказывает справедливость утверждения: в той причудливой теоретической стране, где нелокальность и ограниченность скорости могут сосуществовать, есть и другие теории-обитатели (помимо квантовой теории).
Это не значит, что квантовую теорию вот-вот вытеснит какая-то из этих альтернатив: нет сомнений, что в нашем мире квантовая теория владычествует безраздельно. Однако уже само существование таких теорий подразумевает, что необходимость одновременно полагаться и на нелокальность, и на причинность еще недостаточна для того, чтобы связать Господу руки и жестко зафиксировать законы физики. Для такой фиксации нужно что-то еще.
«Из наших моделей следует неизбежный вопрос, – говорит Попеску. – Каков минимальный набор принципов (нелокальность плюс ограниченность скорости сигнала плюс что-то еще простое и фундаментальное) – набор, из которого можно вывести квантовую механику?» Существует ли нечто, о чем мы еще не знаем, какой-то другой глубинный и всеобъемлющий принцип вроде причинности или нелокальности?
Может, теперь мы и знаем, почему Бог играет в кости, но пока нам неизвестно, почему он бросает их именно так. Почему это именно квантово-механические кости? Что еще связывает Ему руки? Физикам и философам еще предстоит как следует углубиться в эти дерзкие вопросы.
Глава 5. Биологическое казино
Случайность в природе
Биологическое везение не просто сделало нас такими, какие мы есть. Оно формирует и грядущие черты мира, в котором мы существуем. Выживание наиболее приспособленных нетрудно представить как умение порождать случайность – может быть, чтобы избежать хищника, а может, чтобы предсказать вероятные пути развития болезнетворного агента. Без гибкости, что обеспечивают нам случайные мутации, жизнь не справится с тяготами, которые сулит нам будущее Земли. Что же касается вас, читатель, то уже сам факт, что вы способны рационально мыслить, объясняется тем, что ваш мозг стимулируется случайными сигналами. Так уж случилось, что без помощи случая вы, возможно, вообще не смогли бы думать.
Шанс в жизни
Эволюция часто приводит к неблагоприятным последствиям для кого-то или для чего-то. Лучше застраховать себя от этого. Освойте случайные мутации, и вы сможете защититься от опасных поворотов судьбы. Разберитесь в них получше – и не исключено, что вы сумеете получить некоторое представление о жизни на других планетах. Нас обнадеживает Боб Холмс.
Возьмем 100 только что образовавшихся планет массой с Землю. Поместим каждую в обитаемую зону возле звезды спектрального класса G, принадлежащей к главной последовательности, то есть возле звезды, подобной нашему Солнцу. Поставим таймер на 4 миллиарда лет. Что мы получим? Сотню планет, кишащих формами жизни, похожими на земные? Даже, возможно, с доминированием безволосых прямоходящих обезьян? Или же эволюция будет всякий раз давать совершенно иной результат – если жизнь вообще зародится хоть где-нибудь?
По мнению некоторых биологов, эволюция – процесс детерминированный, и сходные условия среды, вообще говоря, будут стремиться породить сходные результаты. Другие ученые (наиболее известный представитель этого лагеря – Стивен Джей Гулд) полагают, что течение эволюции претерпевает непредсказуемые повороты, а значит, одна и та же отправная точка способна привести к весьма различным результатам.
Ответ на этот вопрос очень важен. Если правы сторонники Гулда, изучение эволюции походит на изучение истории – то есть чего-то такого, что мы способны понять только в ретроспективе, задним числом. Если же причуды случая играют здесь лишь минимальную роль, то получается, что биологи могут в значительной степени предсказывать дальнейший ход эволюции. Разница принципиальна: предсказание эволюции способно сыграть ключевую роль в борьбе с опухолями, вырабатывающими сопротивляемость действию лекарств, или с бактериями, приспосабливающимися к антибиотикам, или с постельными клещами, приобретающими иммунитет к пестицидам, или с вирусами, которые убивают тех, кому сделали против них прививку, и т. д., и т. п.
Каков же ответ на этот вопрос? Может, у нас и нет под рукой ста землеподобных планет и машины времени, но мы в состоянии посмотреть, скажем, как проходила эволюция жизни на соседних островах, или даже снова и снова воспроизводить эволюционные процессы в лабораторных условиях. Подобные изыскания позволяют лучше оценить роль случая в природе.
Но все по порядку. Эволюция действительно начинается со случайных событий – мутаций. Однако здесь работа идет отнюдь не по принципу «все сгодится». То, какие мутации уцелеют и распространятся, зависит от естественного отбора – от выживания наиболее приспособленных. Иными словами, в воображаемом коллективе эволюционных работников случай выступает как творческая личность, фонтанирующая идеями (некоторые окажутся блестящими, некоторые – безнадежными), тогда как естественный отбор придерживается безжалостного практического подхода, выбирая лишь по-настоящему действенное.
Исходя из этого, многие биологи (известнее всего стала точка зрения Ричарда Докинза) настаивают: хотя мутации, возможно, и носят случайный характер, сама эволюция не случайна. Такая настойчивость может оказаться полезной, когда вы объясняете эволюцию тем, кто пока не понимает ее главную идею. Однако в эволюции все же есть элемент случайности, даже когда естественный отбор крепко держится за руль.
Взять хотя бы эволюцию вирусов гриппа. Можно с уверенностью предсказать, что в ближайшие несколько лет структура гемагглютинина (белка, сидящего на поверхности вируса) меняется таким образом, что иммунная система больше не сможет распознавать его, а значит, и бороться с ним. Более того, почти наверняка те мутации, которые позволят новым штаммам вируса гриппа ускользнуть от нашей иммунной системы, произойдут в одном из семи важнейших участков гена, кодирующего гемагглютинин, утверждает Тревор Бенфорд, специалист по эволюционной биологии из Центра исследования рака им. Фреда Хатчинсона в Сиэтле. В этом смысле эволюция гриппа предсказуема и не носит случайного характера.
Однако лишь случай определяет, какой из этих семи участков будет мутировать и как. Предсказать ход эволюции вируса гриппа невозможно более чем на год-два вперед, говорит Бенфорд. Вот почему производители вакцин против гриппа не всегда правильно определяют ход дальнейшей эволюции вируса. Вот почему эти вакцины иногда оказываются по большей части неэффективными.
Более того, при всей важной роли естественного отбора его влияние не безгранично. Не всегда выживают наиболее приспособленные. Напротив, течение эволюции часто формировали случайные события. К примеру, если бы не падение одного астероида, мы, млекопитающие, могли бы до сих пор сновать по Земле в смертельном страхе перед динозаврами (см. «Светлая сторона астероида»). А если бы несколько миллионов лет назад на Галапагосские острова занесло ветром другую птицу, мы говорили бы сейчас, возможно, не о видах дарвиновских вьюрков, а о видах дарвиновских ворон.
Давно известно, что новые популяции обладают сравнительно низкой генетической изменчивостью. Но, как показывает ряд исследований, этот «эффект основателя» может играть более важную роль, чем считалось раньше. К примеру, буквально несколько птичек стали прародителями нескольких популяций канарских коньков на атлантических архипелагах Селваженш и Мадейра. В этих популяциях наблюдается большой разброс форм и размеров клювов, ног и крыльев.
Когда Льюис Спарджин из Университета Восточной Англии (Норидж) стал изучать эти популяции, он ожидал найти экологические различия, которые объяснили бы такие вариации, но отыскать их ему не удалось. Более того, он пришел к выводу, что физические различия – не результат действия естественного отбора, а всего лишь следствие небольшого количества «основателей»: иными словами, исторической случайности.
«Эффект основателя» способен порождать новые виды даже вообще без естественного отбора. Дэниэл Мэтьют, ныне работающий в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилле, взял крупную популяцию дрозофил и создал тысячу новых популяций, поместив в идентичные лабораторные сосуды по паре мушек: иными словами, каждая новая популяция вначале состояла из одного самца и одной самки. Большинство таких популяций вскоре вымерли из-за близкородственного скрещивания (инбридинга). Однако в трех из уцелевших популяций основатели производили на свет достаточно «разное» потомство, менее склонное к инбридингу с более крупной «родительской» популяцией, а это первый шаг на пути к созданию нового вида.
Возможно, подобные эффекты объясняют, почему острова Гавайского архипелага отличаются таким огромным разнообразием видов дрозофил. Собственно, некоторые биологи вообще убеждены, что видообразование – почти всегда процесс случайный, а не вызванный естественным отбором.