Jednoduchost a složitost

J. O.: Ve své přednášce na Karlově univerzitě jste se zabýval velmi zajímavým problémem složitosti a jednoduchosti, a především tím, co jste označil jako „funkční složitost“. Co tímto pojmem rozumíte?

G.-M.: Hrubou, netechnickou definicí funkční složitosti nějaké entity je délka velmi stručného a výstižného popisu pravidelností této entity. Pro techničtější definici je nutno vyjasnit, co se rozumí „pravidelnostmi“ na rozdíl od nepravidelných či nahodilých jevů. A také co se považuje za „velmi stručný popis“. Velkou část přednášky jsem proto věnoval upřesnění těchto pojmů.

J. O.: Jakou roli hrála složitost ve vývoji celého kosmu? Základní fyzikální zákony, které panovaly v počátku vesmíru, ve chvíli velkého třesku, byly totiž velmi jednoduché. Kosmos se však rozvinul do velké složitosti. Jakou roli při tom hrály základní fyzikální zákony a jakou roli hrála funkční složitost a nepravidelné, nahodilé jevy?

G.-M.: Máme za to, že základní fyzikální zákony jsou velmi jednoduché. Proto je velmi dobré ptát se, kde má původ ona veliká složitost vesmíru, kterou kolem sebe vidíme. Je však důležité si uvědomit, že tyto základní fyzikální zákony nejsou zcela deterministické. Tím základním důvodem, proč nejsou plně deterministické, je, že kvantová mechanika dává pouze pravděpodobnosti pro alternativní historie vesmíru. Možných historií s odlišnými pravděpodobnostmi přitom existuje mnoho. Kromě toho je však pro neurčitost mnoho dalších důvodů, jelikož nepozorujeme nejdetailnější, nejpodrobnější možný popis historie. Kterémukoli pozorovateli kdekoli ve vesmíru – ať už je to člověk nebo ne – je přístupných pouze pár informací o tom, k čemu dosud ve vesmíru došlo. Většina z věcí, které se odehrály, je skrytá. Buď jsou daleko, nebo jsou ukryty hluboko uvnitř planet či v nitrech hvězd. Existují všemožné podrobnosti, které jsou nedostupné. To znamená, že každý pozorovatel bude popisovat historii pouze z velmi hrubozrnného pohledu, což vede k obrovskému množství dodatečné neurčitosti. Vezmeme-li tedy v úvahu toto vše – kvantovou mechaniku a všechny další důvody pro neurčitost – musíme říci, že historii vesmíru spoluurčují jak základní zákony, tak nepředstavitelně dlouhý sled náhodných událostí, které mohou rozhodovat různým způsobem, s různými pravděpodobnostmi. Právě nahromadění výsledků takových náhodných událostí vytváří „funkční složitost“. Jinými slovy, pro popis této historie je spolu s jednoduchými základními zákony důležitý i sled podrobností náhod, k nimž v průběhu dějin došlo. Složitost je však téměř výhradně výsledkem historických náhod. Ve vědě je nutno si uvědomit, že většina věd – kromě základní fyziky – je rozhodující měrou závislá na řadě náhod. Geologie například závisí na náhodách působících při utváření sluneční soustavy, při formování různých planet či při vývoji hornin na konkrétních planetách apod. Náhodné události přitom mohly rozhodovat různými způsoby s různými pravděpodobnostmi. Totéž platí o biologii, jež závisí na všech náhodách, kterými vznikl život na Zemi a jimiž postupovala biologická evoluce. Samozřejmě zde kromě náhod existují i pravidelnosti. Máme tu například přirozený výběr, který, jak každý ví, hrál v biologickém vývoji velmi důležitou roli. Hrálo ji však i obrovské množství historických náhod. Totéž platí pro evoluci člověka a pro dějiny lidí, pro jejich vzájemné vztahy a tak dále. Proto antropologie a sociologie výrazně závisejí na náhodách.

J. O.: Jestliže tolik aspektů ve světě kolem nás závisí na těchto náhodných událostech, jak je možné, že se – pokud víme – velmi vzdálená místa ve vesmíru jeví stejně? Hvězdy, galaxie vypadají stejně ve všech směrech, které můžeme pozorovat, i hluboko v minulosti vesmíru. Může to znamenat, že se tyto – řekněme – velké objekty a formování zmíněných velkých struktur řídí v první řadě základními fyzikálními zákony a pouze menší, detailnější jevy a objekty jsou určovány náhodnými událostmi?

G.-M.: Myslím, že to tak lze říci. Ve velmi velkém měřítku existují pravidelnosti, a tyto pravidelnosti jsou většinou závislé na základních zákonech. U většího detailu je bezpochyby nutné se spoléhat na náhody. To je, myslím, celkem pravda. Obecně ale platí, že když se používá hrubozrnné měřítko patřičným způsobem, dají se objevit pravidelnosti, které nejsou zřetelné při jemnozrnném, detailním popisu, neboť hrubozrnné měřítko tyto podrobnosti vyrovná na průměrnou hodnotu, nivelizuje. Příkladem je počasí: Meteorologové mohou studovat, jak se liší počasí místo od místa v sousedících oblastech, jak se odlišuje v průběhu dne nebo několika dnů. Avšak teprve když vypočítáte průměr těchto údajů za dlouhé období a pro velké oblasti, všimnete si pravidelnosti klimatu. Když se soustředíte na počasí, neuvědomíte si klima, jež závisí na určení průměru z dostatečně velkých časových úseků a dostatečně velkých oblastí prostoru. Totéž platí o setkání, které se nyní koná v Praze. Já samozřejmě nejsem odborník na ekologii – ostatní účastníci jsou. Dokonce i mně je však jasné, že pro poznání pravidelností, které jsou pro ekology nejzajímavější (poněvadž se musí zabývat společenstvími mnoha druhů rostlin, zvířat i nejrůznějších mikrobů, aby porozuměli ekologickým pravidelnostem na úrovni společenství), je potřeba vyrovnat, nivelizovat nejrůznější detaily u jednotlivých druhů, jednotlivých organizmů apod. To není neobvyklý jev.

J. O.: Jestliže musíme zde na Zemi zkoumat větší struktury, sledovat je ve větším měřítku, abychom pochopili zdejší jevy, můžeme v tom případě očekávat někde v dalekém vesmíru podmínky natolik podobné, že se tam mohl vyvinout život ne snad přímo podobný našemu, ale v takové podobě, abychom ho vůbec poznali?

G.-M.: Jsem toho názoru, že život může být na mnoha a mnoha různých místech ve vesmíru, poněvadž počet hvězd je obrovský – a nyní už víme, že planety nejsou neobvyklým jevem. Před mnoha lety, když jsem byl ještě student, se soudilo, že planety snad vznikly při velice vzácné trojnásobné srážce hvězd. Nyní však víme, že vznikají kondenzací prapůvodního prachu, tedy stejným způsobem jako hvězdy, pouze jsou menší. To není řídký jev. Postupně skutečně pozorujeme planety, dosud většinou obří, jako je Jupiter, obíhající kolem cizích sluncí. Brzy ale budou k dispozici přístroje pro pozorování planet velikosti Země a jsem si jist, že jich bude obrovské množství. Je tedy téměř jisté, že život musí být na mnoha a mnoha místech.

J. O.: Ano, ale nemohou náhodné události, o nichž jste hovořil, posunout vývoj života nějakým podstatně odlišným směrem, než probíhal na Zemi a ve sluneční soustavě?

G.-M.: Ve své knize „The Quark and the Jaguar“ (Kvark a jaguár) jsem nastolil otázku: Kolik vlastností života na Zemi je výsledkem základních zákonů, omezení diktovaných základní fyzikou, a kolik rysů je výsledkem historických náhod? Nevíme. Zabývá se tím ale mnoho lidí, je to velmi důležitý projekt v našem ústavu v Santa Fe v Novém Mexiku. Někteří tuto otázku zkoumají velice inteligentními způsoby. Snaží se porozumět omezením, jež určují fyzikální zákony takových jevů, jakým je život. Zejména biochemickým procesům, které tvoří podstatu života. Možná se ukáže, že neexistuje mnoho možných odlišných biochemií, že je biochemie téměř determinována fyzikálními zákony. Nebo se možná ukáže, že zde hraje roli mnoho historických náhod. Zatím to není jasné, je to ovšem velmi důležitá a zajímavá otázka.

J. O.: Bude podle vašeho názoru další vývoj vesmíru záviset na těchto složitých událostech do té míry, že nakonec vše bude určovat spíše náhodnost než vámi zmiňovaná funkční složitost?

G.-M.: Myslím, že ve velmi dlouhém časovém měřítku není vyloučeno, že většina pravidelností, jež jsou nám dnes důvěrně známy, nakonec zmizí. Nicméně jde o velmi dlouhý časový úsek. Ve své přednášce jsem se například zmínil o názoru většiny teoretických fyziků, že se proton nakonec ukáže jako nestabilní, třebaže zatím o rozpadu protonu nejsou žádné přímé experimentální důkazy. Věříme však, že s poločasem rozpadu někde v rozmezí 10³³ až 10³⁴ let se protony pravděpodobně rozpadnou. To se neliší o mnoho řádů od toho, co dnes dokážeme měřit – nyní, myslím, můžeme vyloučit poločasy rozpadu kratší než asi 10³¹ nebo 10³² let. To není tak velký rozdíl. Ovšem pokud je skutečně pravda, že se proton rozpadá, pak jsou všechna atomová jádra nakonec nestabilní – a pak ani atomy a molekuly nejsou trvalými strukturami. Jestliže řekněme za 10³⁶ nebo 10³⁷ let téměř všechny atomy zmizí, nebudou existovat takové pravidelnosti, jaké dnes běžně známe. Budou možná nějaké jiné pravidelnosti, ale nikoli ty, jež důvěrně známe a které jsou ve své většině založeny na hmotě uspořádané do atomů a molekul.

J. O.: Vědecké poznatky o světě elementárních částic v současné době shrnuje standardní model částicové fyziky, který však má řadu neznámých parametrů. Může podle vašeho názoru nový urychlovač LHC, který se právě staví v CERN u Ženevy, pomoci některé tyto záhady vyřešit a určit některé z neznámých parametrů?

G.-M.: Ano, samozřejmě v to doufáme. S tímto urychlovačem dosáhneme na daleko vyšší energie, než jaké jsou dostupné pro experimenty dnes, a také s rozumnými intenzitami. Má proto velmi dobré šance pomoci. Je však nezbytné pokročit zároveň i v teorii. Lidé, kteří pracují na nalezení sjednocené teorie všech sil a všech elementárních částic, tak činí hlavně na základě zobecňování teorie superstrun. Je nezbytné nalézt odpovídající ucelené zobecnění, a pak vypracovat teoretické předpovědi na něm založené. Někteří lidé říkají – zcela mylně – že nikdy nebude možné takovou teorii experimentálně ověřit. To však rozhodně není pravda. K faktickému sjednocení různých druhů sil dojde jen za velmi, velmi vysokých energií, jichž nikdy, alespoň v dohledné budoucnosti, nebudeme moci dosáhnout v laboratoři. To však neznamená, že neexistují předpovědi jevů při menších energiích. Ty samozřejmě jsou, je však potřeba zlepšovat teorii a předpovídat. Již máme řadu predikcí, konkrétně narušenou supersymetrii. Narušení supersymetrie vyžaduje, aby pro každou známou elementární částici existovala jiná s opačným statistickým chováním, kterou je třeba objevit. Možná bude řada z nich objevena v novém urychlovači. Určitě v to doufáme.

J. O.: Považujete teorii strun, o níž jste se zmiňoval, za dobrého kandidáta pro nalezení sjednocené teorie?

G.-M.: Ano. Osobně považuji za pravděpodobné, že bude základem sjednocené teorie. Věřím v to už velmi dlouhou dobu, protože v samých začátcích, když se s teorií strun začínalo, tedy v roce 1971 nebo 1972, jsem okamžitě vzal do své skupiny na Kalifornské technice těch několik málo badatelů, kteří se o ni tehdy zajímali. V prvních několika letech se s touto teorií pokročilo z velké části právě zde. Já nikoli, váhal jsem a k výzkumu jsem se nepřipojil, ale přivedl jsem tam lidi, kteří jej prováděli. Ve své přednášce jsem řekl, že jsem před více než 30 lety na Kalifornské technice vytvořil přírodní rezervaci pro ohrožené teoretiky strun. A později se ukázalo, že teorie založená na superstrunách předpoví Einsteinovu obecnou relativistickou teorii gravitace – a předpoví ji navíc v rámci kvantové mechaniky a bez všech těch absurdních oprav v podobě nekonečen, která sužují jiné pokusy o sjednocení obecné relativity a kvantové mechaniky. To je podle mého názoru velmi důležité vítězství teorií založených na myšlence superstrun. Myslím, že to je známka toho, že možná bude opravdu nalezena teorie, která bude onou sjednocenou teorií.

/Otázky kladla a rozhovor zpracovala redaktorka Českého rozhlasu 3 – stanice Vltava Jana Olivová/