2012. május 19., szombat

Komplexitások és pingponglabdák


Daniel C. Dennett evolúcióbiológus szerint az ember élete folyamán mintegy százezer könyvnyit „gondol el”, és ez elsőre nagyon nagy számnak látszik – de persze nem ő az első, aki efféle problémákkal foglalkozott. Robert Hooke már valamikor a 17. században úgy kalkulálta, hogy életünk során 3,155,760,000 különböző dolog juthat az eszünkbe, ám minden bizonnyal jócskán alábecsülte valós lehetőségeinket – miként Dennett is, hiszen ha egy átlagos könyvet 400 ezer leütésnek tekintünk, akkor a Dennett-féle szám mindössze 4x10^10 karakter, vagyis úgy  10 milliárd szó, ami 80 évre lebontva naponta 1 – másfél millió szónyi információnak felel meg (ami egyébként durván három nagyságrenddel több, mint amennyit naponta kimondunk). Ehhez képest egy Mike Holderness nevű szerző az ezredfordulón azt számolta ki, hogy ha egy neuron egyszerre ezer másikkal tud kapcsolatban lenni az agyunkban, és eközben a neuronok ezres csoportokban képesek „működni”, akkor 10^70,000,000,000,000 (!) különböző behuzalozás képzelhető el. Összehasonlításképpen: amikor Dirac a fizikai valóság „nagyon nagy számaival” foglalkozott, akkor úgy tippelte, hogy a (látható) univerzumban csupán mintegy 10 a ^ 80 proton található...
Másként fogalmazva: az univerzum története a rendezetlenség növekedése mellett mintha a komplexitás növekedésének története is lenne, ahol az első fázis az anyag volt; a második az élet megjelenése; a harmadik pedig az értelemé. Úgyhogy akár az is felmerülhet, hogy vajon lesz-e egy negyedik szint – és ha igen, akkor ez milyen lesz. Illetve, hogy lesznek ezt a hipotetikus negyedik szintet követő ötödik, hatodik... sokadik szintek is. Az, hogy létezzen ez a lehetőség, egyáltalán nem szükségszerű. Amennyiben a megváltoztathatatlan alaptörvényekbe bele lenne írva, hogy „minden pingponglabdákból áll”, úgy csillagok sem alakulhattak volna ki; és elképzelhető, hogy a „negyedik szintnél” (vagy egy másiknál) valamilyen hasonló elvi akadályba ütközünk.
De ezzel még nincs vége. A tudományok hierarchiáját nagyjából úgy szoktuk elképzelni, hogy „alulról fölfelé” haladva fizika, kémia, biológia, pszichológia, társadalomtudományok (leginkább szociológia) követik egymást (mint ahogy a komplexitás szintjeinél az előbb az anyagot, életet és intelligenciát említettük), és az alul lévők alapozzák meg a felül lévőket: tehát a fizika a kémiát, a pszichológia pedig visszavezethető a biológiára – és így tovább.
Ám ez egyáltalán nem szükségszerűen „van így”, hanem Comte 19. századi elképzeléseire megy vissza, és elképzelhetőek lennének más felosztások is. Mondjuk olyanok, ahol nem külön fizika és kémia van, hanem csak „élettelen természettudományok”; vagy éppen ahol az időbeli kiterjedés/élettartam alapján soroljuk be a dolgokat/jelenségeket stb. Sőt, akár olyan is, ahol nem a fizika alapozza meg az összes többit – hiszen miért is tenné –, hanem mintegy egymás mellett léteznek mondjuk a fizikára és a biológiára vonatkozó törvények. Vagy éppen – ad absurdum – az élet, sőt, az értelmes élet felől indulunk el, miként az erős antropikus elv is teszi, mely szerint az univerzum mintegy finomra van hangolva az intelligencia megjelenéséhez.
A lényeg mindenképpen az, hogy innentől kezdve egyfelől rákérdezhetünk, hogy a jövőben melyik mai tudományok fognak egymásba olvadni vagy éppen szétválni; másfelől, hogy általában véve milyen szempontok és megfontolások mentén fognak történni ezek a szétválások és összeolvadások, és eközben milyen, a maitól eltérő viszonylatokat: alá- fölé- és mellérendeléseket fogunk közöttük feltételezni. A 21. századi komplex problématudományok kialakulása nem pontosan ugyanolyan folyamat, mint az, amely elvezetett a zoológia, természethistória stb. egybeolvadásával a 19. század elejére a biológia kialakulásához.
Annyi mindenesetre valószínűnek látszik, hogy az, ahogy a tudományok felosztását (és magukat a tudományokat is) el fogjuk képzelni néhány száz év múlva, legalább annyira fog különbözni a maitól, mint a mostani a septem artes liberalestől. És akkor azt még csak nem is érintettük, hogy a jövőben ugyanolyan, teljesen új területek is felbukkanhatnak, mint amilyen mondjuk a kvantumfizika a klasszikus mechanikához képest.
De nem kevésbé izgalmas az sem, hogy – legalábbis eddig – lehetséges volt a folyamatos komplexitásnövekedés az Ősrobbanás óta. „Ha az univerzumban – írja Sean Carroll amerikai fizikus a végső időelméletről tűnődve – minden a növekvő rendezetlenség felé halad, akkor akkor kezdetben igencsak rendezettnek kellett lennie”, és ez számunkra azt jelenti, hogy igencsak komplexitásszegény is volt.
Egy olyan univerzumban, amely – hogy visszatérjek a korábbi példához – kizárólag pingponglabdákból áll, a mostani komplexitás az élettel meg az értelemmel együtt elképzelhetetlen lenne. Az antropikus elvet tehát kiegészíthetjük azzal, hogy a „finomra hangoltság” mellett alapfeltétel az is, hogy „komplexitás-növekedés barát” legyen a minket körülvevő valóság (bármennyire is nyakatekerten hangzó kifejezés ez).
Végezetül: amennyiben mások lennének a természeti törvények, akkor elképzelhetőek lennének-e olyan világok, ahol az anyag megjelenik, de az élet nem? Az antropikus elvvel kapcsolatos viták valójában részben ezzel foglalkoznak, és ennek analógiájára most azon is eltűnődhetünk, hogy vajon lehetséges lenne-e egy olyan, életbarát univerzum, amely viszont nem teszi lehetővé az értelmes élet kialakulását. Amivel kapcsolatban nekem erősen az az érzésem, hogy: nem, de nem igazán tudnék érvelni amellett, hogy miért nem.

2012. május 5., szombat

Századik blogbejegyzés: az időfizikáig és tovább



Albert Michelson amerikai fizikus1894-ben úgy gondolta, hogy „a fizikai legalapvetőbb tényeit és törvényeit [immár] felfedeztük... a jövőbeni felfedezéseknek a hatodik tizedes jegyre kell irányulniuk”. Vagyis: már csak a már meglévők pontosítása van hátra, mert lényegében mindent tudunk. Amiben nem is csak az az érdekes, hogy Michleson nevét ma leginkább azzal a Michelson-Morey kísérlettel kapcsolatban ismerjük, amely az éter nemlétét kimutatva aztán elvezetett Einsteinhez és a 20. század egyik legnagyobb fizikai forradalmához. Hanem az is, hogy1890 körül még tényleg úgy tűnhetett, hogy Michelsonnak igaza van, hiszen alig egy-két – nem különösebben jelentősnek látszó – anomália várt már csak magyarázatra (mint amilyen pl. a Merkúr perihéliumvándorlása meg a fekete test sugárzása volt).
De aztán jött előbb a speciális, majd az általános relativitáselmélet, továbbá a kvantummechanika. „A legtöbb fizikusnak [ma sem] nem okoz gondot egyetlen [egységes] dolognak látni a fizikát”, jegyzi meg . W. Kilimster angol matematikus Sir Arthur Eddington „mindenségelméletéről” írva, és végső soron bármiféle „Nagy Egyesített Elmélet” is arról szólna, hogy állítsuk vissza azt a 19. századi állapotot, amikor még úgy tűnt, hogy a makro- és a mikrofizika ugyanolyan törvényeknek engedelmeskedik. Az pedig más kérdés, hogy eközben abból indulunk-e ki, hogy mondjuk ugyanúgy közvetlen kapcsolat van a gyenge, az erős meg az elektromágneses erők között, és lényegében ugyanúgy ugyanannak az éremnek a különböző oldalai-e, mint az elektromosságot és mágnességet egyesítő elektromágnesesség, vagy pedig a két végpont között  köztes elméleteket:  valamiféle elméleti hidat kell még kiépítenünk.
De mivel ez messzire vezetne, térjünk vissza inkább ahhoz, hogy amikor a 20. század elején jöttek a fentebb már érintett tudományos áttörések, akkor ezekhez többek között (sőt, talán első sorban) arra volt szükség, hogy – Lee Smolin amerikai fizikus megfogalmazásával élve – a kutatóknak Einsteintől Heisenbergig kedvük legyen „nehéz elvi kérdéseken” töprengeni. Mondjuk azon, hogy egészen kis mérettartományokban meg egészen nagy sebességeknél ugyanúgy működnek-e a dolgok, mint a klasszikus, newtoni fizikában, amelyet egyáltalán nem mellékesen a hagyományos értelemben vett matematika alapoz meg. A megoldást pedig akár a fénysebesség, akár az elemi részecskék esetében annak felismerése jelentette, hogy ami addig paradoxonnak tűnt, az valójában szabályszerűség/természeti törvény (de ettől persze nem lesz érthetőbb a számunkra:-)
Ma bizonyos szempontból hasonló a helyzet, mint Michelson idején; azzal a nem elhanyagolható különbséggel persze, hogy az akkori „apró anomáliák” helyett most olyan, első ránézésre is súlyos problémákkal van dolgunk, mint amilyen a sötét anyag és a sötét energia. Vagy mint az idővel, illetve az időutazással kapcsolatos ellentmondások, és lehet, hogy ideje lenne ismét az alapjaitól átgondolni az egészet.
Ehhez kiindulási pontként választhatjuk például a metamatematikát. Ez magát a matematika alapjait vizsgálja különböző matematikai módszerekkel (miként a talán legismertebb példa, a Gödel-tételek esetében is). De megtehetjük azt is, hogy eggyel még „hátrébb lépünk”, és rákérdezünk ezeknek a módszereknek a megalapozására meg arra, hogy mennyire szükségszerűek, és hogy elindulhatnánk-e valamilyen másik irányba az eddigiek helyett.
És itt nem is csak arra gondolok, hogy a klasszikus geometria teljesen önkényes módon a körző és a vonalzó használatán alapul (és ez egyebek között – hogy ad hoc példákat hozzak – még a descartesi, illetve a polárkoordináta-rendszerben is tetten érhető, hiszen ezekhez is vonalzóra, illetve körzőre és vonalzóra van szükségünk. Hogy a kúpszeletekről például már ne is beszéljünk). Hanem arra is, hogy könnyen lehetséges, hogy egyáltalán nem volt véletlen, hogy az ókori görögök a „tökéletes” geometriai objektumok létét tételezték fel.
Steven Mithen amerikai őstörténész azt írja az evolúciós pszichológiából kiindulva Prehistory of Mind c. könyvében, hogy a fejünkben az alkalmazkodás során ugyanúgy különböző mentális szervek alakultak ki, mint ahogy testi szerveink is a különböző szelekciós nyomásokhoz alkalmazkodtak. Ennek megfelelően az agy nem valamiféle „általános problémamegoldó eszköz”. Ehelyett különböző „célmodulok” találhatóak benne (a nyelv; a fizikai alapmodul (amelynek köszönhetően természetes számunkra a tárgyak tehetetlensége); a többi ember viselkedését értelmező pszichológiai; valamint az a biológiai modul, amely gondoskodik róla, hogy az élőlényekkel alapvetően mások legyenek az elvárásaink, mint az élettelen dolgokkal). A törzsfejlődésben a mostanit megelőző állapotra az egyes modulok független működtetése lehetett jellemző, most pedig a „kognitív fluiditás”: a különböző elemek súrlódásmentes együttműködése.
Ami a mi problémánk felől nézve azt jelenti, hogy mivel az agyban nincs matematikai modul, ezért az ilyen funkciókat valahogy máshogy kellett végrehajtani. Alkalmasint úgy, hogy eközben a nyelvi modult használtuk (mint ahogy a számneveknél is erre van szükség), és ha helyes a feltételezésem, akkor gyakorlatilag ez volt az a szűrő, amelyen keresztül értelmeztük a matematikát(az pedig meglehetősen késői fejlemény, hogy megjelenik egy, nem a nyelvhez kötődő és nem „elmondásra való” matematikai szimbólumrendszer). A nyelv viszont szükségképpen absztrahálásra épül (hiszen nincs olyan, hogy „pont”, „ember” vagy éppen „kör”, lévén ezek is gyűjtőfogalmak), és innét talán már nem is olyan nagy ugrás a mindenkori „kör” ábrázolásban az ideális kört látni, amelynek minden (végtelenül sok) pontja ugyanolyan távolságra van a középponttól. Meg egy valóban létező pontban az ideális, kiterjedés nélküli pontot, és így tovább. Értsd: bizonyos értelemben az evolúciós múltunkból fakadó korlátok/hiányosságok vezethettek a klasszikus matematika kialakulásához.
A másik lehetőség természetesen az, hogy egy véletlennek köszönhetően alakult volna ki ilyennek a matematika, de akár az egyik, akár a másik magyarázat helytálló, mindenképpen legalább elképzelhető, hogy létezik a mostaninál jobb és hatékonyabb megoldás a matematikai problémák kezelésére.
És megpróbálkozhatunk valami hasonlóan alapvető szemléletváltással a fizika esetében is.
A metafizika eredetileg azt jelentette, ami Arisztotelésznél a Fizika című könyv után következett – ma pedig valami olyasmit, hogy „a valóság természetének általános érvényű leírása”. A metamatematika analógiájára viszont eljátszhatunk egy olyan megközelítés lehetségességével is, amelynek a fizika értelmezését biztosító keretrendszer tanulmányozása a célja.
Norman Packard amerikai káoszkutató úgy fogalmaz, hogy „a fizikus olyan matematikus, akinek van érzéke a realitáshoz”. Newton óta a matematika tökéletesen beleépült a fizikába, és ezért logikusnak tűnik, hogy a fizikai alapokat vizsgálva a matematikát is az alapoktól gondoljuk újra, és közben megvizsgáljuk, hogy ennek milyen hatása lehet a fizikára.  Illetve – a kvantumelmélet mint példa alapján – megpróbálkozhatnánk azzal is, hogy különböző, problémásnak bizonyuló területeken a helyett, hogy az eddigi módszerekkel keresnénk megoldást, inkább eltérő logikából indulnánk ki (és példának okáért az idővel kapcsolatos problémák és paradoxonok megoldására valamiféle új időfizikát próbálnánk létrehozni).  A lényeg mindenképpen az lenne, hogy nekiálljunk újfajta szemléltekkel és az eddigieknek az alapoktól újraértelmezésével kísérletezni ott, ahol a hagyományos megközelítések csődöt mondtak.
Hátha akkor többre jutunk.