Подумайте о нескольких случайных числах. Такие числа, как 8, 12, 876, 93... Это случайные числа в биологии, и эти, казалось бы, простые числа содержат ключи к самым глубоким загадкам Вселенной – к нам самим. Если быть более конкретным (и менее драматичным), то серьезные последствия имеют не цифры, а процесс их получения. Например, можно задать несколько интересных вопросов, таких как Действительно ли эти числа случайны? Могу ли я получить те же числа, если меня спросят о случайных числах в будущем? Как наш мозг выдает эти случайные числа? Вероятно ли, что мозг только что пометил несколько чисел как случайные? Существует ли алгоритм, включающий случайные процессы, такие как бросок игральных костей, которые бессознательно происходят в мозгу? Свободны ли наши мыслительные процессы? Существует ли вообще такая вещь, как свобода воли? Все вы справедливо заметили, что это вопросы, на которые в данный момент у нас нет удовлетворительных ответов. Некоторые из вас полагают, что наука в конечном итоге найдет правильные ответы на эти вопросы, и до тех пор нет необходимости ходить вокруг да около и создавать шумиху. Большинство из вас, возможно, не осознают, что у науки есть несколько ответов и несколько направлений, в которых, приложив немного больше усилий, можно ответить на некоторые глубокие вопросы. В конце этой статьи я предложу эксперимент, который вы можете провести дома, чтобы проверить свои мыслительные процессы. А пока поговорим о некоторых случайных процессах. Воспринимаемая случайность не случайна Давайте поищем случайные числа в механическом мире. Это результат случайных процессов, таких как подбрасывание монеты или игральной кости. Есть и другие случайные явления, такие как количество красных машин, пересекающих развязку за день, количество метеоритов, попадающих в нашу атмосферу и т. д. Затем следует вывод (или любой другой процедуры вашего любимого компьютерного языка). Последнее, конечно, не случайно, поскольку это результат работы алгоритма. Алгоритм выдаст те же числа, если начнет вычисления с того же «начального» числа. На самом деле это псевдослучайные числа. Хорошо для всех практических целей, но совершенно предсказуемо и, следовательно, не совсем случайно. numpy.random.rand() Большая часть случайностей, с которыми мы сталкиваемся в нашей жизни, на самом деле является псевдослучайностью, вызванной недостатком информации. Возьмем другой пример — количество красных машин, пересекающих развязку. Человек, ожидающий на развязке, может счесть появление красной машины случайным процессом, но человек, имеющий прямую картину дорожного движения региона через спутник, будет знать, сколько красных машин пересекут развязку. Процесс, который кажется случайным для одного наблюдателя, полностью детерминирован для другого наблюдателя, обладающего большей информацией. Это общая черта большинства случайностей, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Кажущаяся случайность обусловлена недостатком информации. Теперь подумайте о подбрасывании монеты. Результат снова, очевидно, случайный. Но неужели вы думаете, что мы можем запустить ракету в космос и точно определить, когда и где она приземлится на Марсе, но не можем предсказать результат подбрасывания монеты? Неужели законы, управляющие движением ракеты, настолько отличаются от тех, которые определяют движение монеты? На самом деле это не так. В двух случаях действуют одни и те же законы физики. Единственная разница состоит в том, что нам не хватает точной информации о динамике монеты, когда ее подбрасывают. Не то чтобы информации там не было. Мы просто не утруждаем себя попытками вернуть ее и притворяемся, что природа приняла случайное решение, для какой цели была брошена монета. Действительно, видеозапись первых нескольких долей секунды только что брошенной монеты через светосильную кинокамеру может расшифровать динамику монеты и предсказать результат броска. То же самое верно и для броска игральной кости, вашей любимой лотереи или большинства случайных процессов, о которых вы только можете подумать (каламбур). Это потому, что законы природы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни (для простоты, законы Ньютона, которые мы изучаем в средней школе), детерминированы. Если вы знаете начальные условия (положения, скорости) интересующих объектов и силы, действующие на эти объекты, вы можете точно определить будущую динамику объектов. Все, что кажется случайным в этой области, происходит из-за отсутствия у нас доступа к информации. Информация есть. Нам просто нужны более совершенные технологии для записи и обработки этой информации. Казино могут прекратить свою деятельность в ближайшем будущем, когда наши смартфоны начнут предсказывать исход игральных костей, пока они еще катятся. Это означает, что через пару десятилетий в будущем подбрасывание монеты и игральных костей может принести не больше пользы, чем сегодняшние счеты. В наших смартфонах будет необходимая технология, способная определять динамику монеты за доли секунды и предсказывать результат. Несколько быстрых снимков броска игральной кости, и наши телефоны предскажут результат броска. Возможно, сейчас есть люди, создающие такие приложения. Возможно, сейчас есть люди, которые зарабатывают таким образом деньги. Но для более скромных людей, таких как мы, возникает естественный вопрос: как мы будем играть в казино в будущем? Или начинать матчи? Или выиграть в лотерею? А для тех из вас, что я представляю чистую голую случайность — квантовую механику. Встречайте настоящую случайность — это теория, которая занимается описанием природы на самом фундаментальном уровне. Это уровень, на котором мы имеем дело со строительными блоками материи и энергии, атомами, молекулами, электронами, фотонами и т. д. На этом уровне природа ведет себя совсем не так, как она проявляется в нашей повседневной жизни, как мы вскоре увидим. Квантовая механика Квантовая монета Подумайте еще раз о подбрасывании монеты. Но на этот раз это квантовая монета, например, спин электрона. Электроны являются частью строительных блоков материи. Это джинн, которого мы выпустили из волшебного чайника с той разницей, что можем загадывать более трех желаний. Все вокруг вас, что движется, издает шум и не является ребенком, бегает на электронах. Электроны обладают свойством, называемым спином. Измерить спин электронов довольно легко. Все, что вам нужно сделать, это провести электрон возле клиновидного магнита. Магнитное поле такого магнита действует на электрон с силой, и электрон отклоняется в ту или иную сторону в зависимости от его спина. Когда проводится эксперимент по измерению спина электрона, мы обнаруживаем, что он имеет только два возможных значения. Мы обозначим их как «голову» (вращение вверх) и «хвост» (вращение вниз), и у нас получится квантовая монета. Если вы сейчас бросите квантовую монету, вы снова получите случайный результат: орел или решка. Но отличие от классического (того, о котором мы говорили ранее) состоит в том, что неопределенность возникает не из-за недостатка информации. Мы знаем все, что нужно знать об электроне, и до сих пор нет способа предсказать, приведет ли измерение спина к увеличению спина (голова) или к падению (хвост). Каждое событие в квантовом мире — это бросок игральных костей. В этом отличие от классической монеты, где случайность была обусловлена недостатком информации. Это первая загадка природы на квантовом уровне. Природа не позволяет нам знать, когда и какое фундаментальное взаимодействие между строительными блоками материи и энергии произойдет. Каждое событие, происходящее на этом уровне, — это бросок игральных костей. Фактически, этот аспект квантовой механики был частью оживленных дискуссий с момента появления теории. Многих людей, включая Альберта Эйнштейна, не устраивало недетерминированное описание событий на квантовом уровне. Вы наверняка слышали его знаменитую цитату: « ». Он считал, что теория неполна и, вероятно, в ней отсутствуют некоторые скрытые переменные, которые могли бы восстановить классический мир, например детерминизм в квантовом мире, если их добавить в описание. Бог не играет в кости Однако бесчисленные эксперименты за последние 100 лет исключили возможность существования этих теорий скрытых переменных. А наше лучшее понимание природы на квантовом уровне дает квантовая механика, которая в принципе не позволяет нам предсказать результат подбрасывания квантовой монеты. Ключевым моментом на данный момент является то, что для классического случайного процесса информация присутствует, но может быть недоступна, но квантовый процесс по своей сути случайен. Никакой недостающей информации нет. Вооружившись этим пониманием случайных процессов в классическом и квантовом мирах, мы готовы исследовать действительно важные вопросы биологического мира. Во-первых, вы можете понять, что свобода воли, отсутствующая в детерминированном мире классических законов, может быть восстановлена благодаря индетерминизму в квантовом мире. Единственное, что нам предстоит исследовать, — это искать квантовые сигнатуры в функционировании мозга. Многие люди предполагали это раньше, но современные технологии обещают экспериментальную проверку. Возможно, вскоре мы услышим фантастические новости от людей, занимающихся квантовой биологией. Скрытый дизайн? Есть еще один вопрос, о котором я хочу поговорить. Подумайте о жизни. Существуют две доминирующие теории относительно возникновения жизни на этой планете. Либо мы являемся частью какого-то разумного замысла, либо жизнь возникла на планете случайно и в результате случайных мутаций развилась во все формы жизни, свидетелями которых мы являемся сегодня (и, к сожалению, в те, которые мы искоренили с планеты). Наука, естественно, отдает предпочтение второй точке зрения. Но большинство людей, которые отдают предпочтение научному взгляду, не осознают, что в их мировоззрении все еще существует возможность замысла. Это потому, что нам еще предстоит определить, управляются ли процессы, вызывающие мутации в геноме, классическими или квантовыми законами. Если классические законы могут удовлетворительно моделировать эти мутации, то они не случайны. Это детерминированные процессы, для которых информация, то есть дизайн, уже присутствовала. Была ли у кого-то эта информация (Всемогущий Бог?) или нет – это отдельный вопрос, на который можно ответить субъективно. Что можно объективно установить, так это то, что проект был доступен. Это уникальный взгляд на дебаты о естественном отборе и разумном замысле, который предлагает физик. Дальнейшие исследования в области квантовой биологии и изучение квантовых сигнатур генетических мутаций покажут, являемся ли мы частью замысла или результатом действительно случайных случайностей. Квантовая биология покажет, созданы ли мы. Наконец, я хочу предложить эксперимент по изучению мыслительных процессов, как я и обещал. Проявив немного терпения и смелости, вы легко сможете провести этот эксперимент дома. Возьмите лист бумаги и напишите на нем несколько случайных чисел. Сложите бумагу и положите ее в коробку. Отложите коробку в сторону. Теперь подождем пару недель. При этом не пытайтесь вспомнить написанные вами цифры. Разумеется, не открывайте коробку. Через пару недель возьмите еще один лист бумаги, снова напишите на нем несколько случайных чисел и положите в ту же коробку. Опять подождите пару недель и повторите. В течение длительного периода времени (скажем, года или шести месяцев) у вас в коробке будет много сложенных бумаг. Теперь откройте коробку и посмотрите на все случайные числа, которые вы написали с течением времени. Они все случайны? Есть ли какие-нибудь любимые случайные числа? Есть ли шаблоны? Есть ли дизайн?
