Радиометр Крукса — вертушка с четырьмя лопастями, которая вращается под действием света.
На основании подобных наблюдений Эйнштейн сделал вывод, что импульс зависит от массы: импульс равен массе тела, помноженной на скорость его движения. Таким образом, паровоз, идущий со скоростью 50 км/ч, обладает гораздо большим импульсом, чем, скажем, насекомое, передвигающееся с той же скоростью. Однако как объяснить наличие положительного импульса у частицы, масса которой равна нулю?
Мысленный эксперимент Эйнштейна состоял в исследовании поведения коробки, находящейся в космосе. Внутри коробки происходит испускание фотона, который движется слева направо. Суммарный импульс системы должен сохраняться, поэтому при испускании фотона коробка смещается влево. Через какое-то время фотон ударяется о правую стенку коробки, возвращая импульс коробке. И вновь общий импульс системы должен сохраняться, так что коробка перестает двигаться.
До сих пор все нормально. Но что видит господин Эйнштейн, находящийся снаружи? Он не видит ничего, что происходит внутри коробки. Никакие частицы (с массой или без массы) в нее не попадают, и никакие частицы из нее не выходят. В соответствии с описанным выше сценарием видно только, что коробка какое-то время движется влево, а затем останавливается. В рассмотренной нами ситуации каждый фотон должен сдвигать коробку влево. Поскольку на коробку не производится никакого внешнего воздействия и ее содержимое не оказывает никакого влияния на внешнюю среду, центр массы коробки не должен смещаться. И движущийся внутри коробки фотон не может сместить центр массы коробки, поскольку он не имеет массы.
Или имеет? Эйнштейн пришел к выводу, что, поскольку фотон определенно обладает энергией и импульсом, он должен иметь массу. Энергия движущегося фотона пропорциональна его массе. Рассчитать коэффициент пропорциональности можно, если учесть, что при перемещении фотона центр массы системы не смещается. Математическим путем Эйнштейн показал, что энергия и масса связаны между собой простым коэффициентом. Но в том-то и дело, что простым, но огромным: этот коэффициент равен скорости света в квадрате (примерно 1,7 х 1017 м2/с2, то есть 17 с шестнадцатью нулями). Так получается[25] знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2 Это означает, что одна унция (14 г) массы эквивалентна 6 млн т тротила. Письмо Эйнштейна президенту США Рузвельту, отправленное 2 августа 1939 г., в котором ученый сообщал о возможности создания атомной бомбы, обозначило начало атомного века[26].
Возможно, вы думаете, что это было очевидно и ранее, учитывая эксперименты с радиоактивными веществами, масса которых уменьшается в процессе радиации. Однако считалось, что радиоактивные элементы содержат некое специфическое высокоэнергетическое «топливо», которое сгорает. Это предположение нельзя назвать в корне неверным. Просто дело в том, что этим «сгорающим топливом» является масса.
Почему я начал книгу с описания мысленных экспериментов Дарвина и Эйнштейна? Во-первых, по той причине, что они раскрывают фантастическую мощь человеческого мозга. Без помощи каких-либо инструментов, за исключением пера и бумаги для изображения схем этих простых мысленных экспериментов и выведения из них простых формул, Эйнштейн перевернул формировавшиеся столетиями представления о физическом мире, оказал глубокое влияние на ход истории (включая Вторую мировую войну) и открыл двери в атомный век.
Безусловно, Эйнштейн опирался на некоторые экспериментальные открытия XIX в., но и эти эксперименты были проведены с использованием достаточно простого оборудования. Также справедливо, что последующие экспериментальные доказательства теорий Эйнштейна потребовали использования более современных технологий, и если бы этого не было сделано, мы не имели бы доказательств справедливости и значимости его идей. Однако все эти замечания не умаляют того факта, что эти знаменитые мысленные эксперименты раскрывают всю мощь человеческого разума.
Эйнштейна многие считают самым выдающимся ученым XX в. (а Дарвин был бы прекрасным кандидатом на это звание в XIX в.), хотя математический аппарат в основе его теорий достаточно прост. Более важную роль в создании его теорий сыграли сами мысленные эксперименты. Поэтому можно задать вопрос: в чем именно заключалась необычайная способность Эйнштейна? Позже мы обсудим, что происходило в его голове, когда он создавал свои теории, и где именно базируются эти замечательные способности.
Однако эта история также демонстрирует ограниченность человеческого разума. Эйнштейн смог прокатиться и удержаться на солнечном луче (хотя и пришел к выводу, что это невозможно), но ведь тысячи других наблюдателей и мыслителей оказались неспособны выполнить столь простые мыслительные упражнения. Одна из общечеловеческих проблем заключается в том, что большинству людей трудно отбросить идеи современников и переступить через границы этих идей. Но есть и другие недостатки, которые мы обсудим подробнее после того, как рассмотрим механизмы функционирования новой коры головного мозга.
Унифицированная модель новой коры
Основная причина, заставившая меня в качестве вступления рассмотреть наиболее известные мысленные эксперименты в истории человечества, заключается в том, что я хочу использовать такой же подход в изучении головного мозга. Вы увидите, что мы сможем продвинуться очень далеко в анализе функционирования человеческого мозга с помощью собственных несложных мысленных экспериментов. Учитывая тему нашего исследования, мысленные эксперименты мне кажутся очень удачным методом анализа.
Если праздных мыслей молодого человека, ручки и бумаги было достаточно для совершения революционного переворота в физике, мы должны суметь достаточно далеко продвинуться в привычном упражнении — мы ведь упражняем наш мозг постоянно, в каждый момент реальной жизни и во сне.
Затем мы создадим модель мыслительного процесса и посмотрим, до какой степени можем подтвердить ее справедливость, наблюдая за реальным мозгом и самыми совершенными машинами, воспроизводящими мыслительный процесс.
Глава вторая
Мысленные эксперименты над мышлением
Я вообще редко думаю словами. Мысль приходит, и потом я могу попытаться выразить ее в словах.
Альберт Эйнштейн
Мозг, который весит три фунта и который вы можете удержать в руке, способен постичь Вселенную размером в сотни миллиардов световых лет.
Мариан Даймонд[27]
Кажется невероятным, что объект весом менее трех фунтов, состоящий из тех же атомов, что и все остальные объекты в этом мире, отвечает практически за все, что делает человек: летает на Луну и отбивает до семидесяти хоум-ранов[28], пишет «Гамлета», и строит Тадж-Махал, и даже открывает секреты самого мозга.
Жоэпь Хейвманн[29]
Я начал задумываться о мышлении примерно в 1960-х гг., тогда же, когда открыл для себя компьютер. Сегодня трудно найти двенадцатилетнего ребенка, не использующего компьютер, но в то время в моем родном Нью-Йорке таких, как я, было совсем немного. Конечно, те первые экземпляры никак не могли поместиться на ладони, а тот, на котором мне позволили поработать, занимал целую большую комнату. В начале 1960-х гг. на компьютере IBM 1620 я выполнил несколько задач по анализу вариаций данных (статистический тест), собранных при подготовке образовательной программы для младших школьников. Работа над программой складывалась весьма драматично. Алгоритмы и анализируемые данные были достаточно сложны, так что мы не могли предугадать, какие ответы выдаст компьютер. Конечно, ответы определялись нашими данными, но предсказать результат было невозможно. Следует заметить, что детерминированность и предсказуемость — далеко не одно и то же, и мы еще поговорим об этом позднее.
Я помню тот волнующий момент, когда непосредственно перед окончанием расчетов лампочки на передней панели тускнели, как будто компьютер впадал в глубокую задумчивость. Когда приходили люди, ожидавшие новой серии результатов, я показывал пальцем на слабо мерцающие огоньки и говорил: «Он думает». Это было шуткой и правдой одновременно — действительно казалось, что компьютер ищет ответ, и сотрудники лаборатории в какой-то степени относились к машине как к личности. Наверное, это можно назвать антропоморфизмом, но именно тогда я начал серьезно задумываться о связи между мышлением и вычислением.
Чтобы понять, в какой степени мой собственный мозг похож на знакомую мне компьютерную программу, я начал думать о том, что должен делать мой мозг в процессе обработки информации. Я занимался этим вопросом на протяжении пятидесяти лет. Все, что я расскажу дальше о наших современных представлениях относительно функционирования мозга, будет очень сильно отличаться от стандартной концепции компьютерной обработки информации. Однако на самом деле мозг действительно хранит и обрабатывает информацию, а ввиду универсальности вычислительного процесса между мозгом и компьютером гораздо больше общего, чем может показаться на первый взгляд.
