Революции-близнецы

Четыреста лет назад был изобретен телескоп, и буквально на следующий день этот новый чудесный инструмент позволил ученым заглянуть в сердце небесных тел. Его можно назвать одним из наиболее революционных инструментов всех времен. С его помощью люди на деле убедились в ошибочности мифов и догм прошлого — они улетучились, как утренний туман. Луна, вместо того чтобы служить совершенным образцом божественной мудрости, явила изрезанную кратерами поверхность; Юпитер оказался обладателем собственных лун; у Венеры обнаружились фазы, а у Сатурна — кольца. За 15 лет после изобретения телескопа человек узнал о Вселенной больше, чем за всю предыдущую историю человечества.

Подобно изобретению телескопа, появление в середине 1990–2000-х гг. аппаратов МРТ и еще нескольких методов сканирования мозга полностью преобразило нейробиологию. За те же 15 лет мы и о мозге узнали больше, чем за все наше существование, и разум, прежде считавшийся непознаваемым, наконец выходит на авансцену.

Нобелевский лауреат Эрик Кандел из Института Макса Планка в Тюбингене (Германия) пишет: «Самые ценные озарения, связанные с проникновением в человеческое сознание, в этот период времени исходят отнюдь не из тех дисциплин, которые традиционно занимались сознанием, — философии, психологии или психоанализа. Нет, они исходят из соединения этих дисциплин с биологией мозга…»

Решающую роль в этих достижениях сыграли физики; именно они обеспечили ученых целым набором новых инструментов, получивших названия МРТ (магнитно-резонансная томография), ЭЭГ (электроэнцефалография), ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография), КТ (компьютерная томография), ГСМ (глубокая стимуляция мозга), ТЭС (транскраниальное электромагнитное сканирование), нейростимуляция и др., которые кардинально изменили процесс исследования мозга. Внезапно мы получили возможность видеть при помощи этих аппаратов движение мыслей в живом работающем мозге. Как заметил нейробиолог Вилейанур Рамачандран из Калифорнийского университета в Сан-Диего, «все то, чем философы занимались на протяжении тысячелетий, мы, ученые, можем теперь исследовать напрямую, сканируя мозг, изучая пациентов и задавая нужные вопросы».

Оглядываясь назад, могу сказать, что уже первые робкие мои путешествия в мир физики пересекались с теми технологиями, которые сегодня позволяют исследовать разум. В старших классах школы, к примеру, я познакомился с новой для себя формой вещества, известной как антивещество, и решил провести небольшой эксперимент. Поскольку речь шла об одном из самых экзотических элементов на земле, то за получением крохотного количества натрия-22 — вещества, испускающего положительно заряженные электроны (позитроны), мне пришлось обратиться в Комиссию по атомной энергии. Получив на руки небольшой образец, я смог построить камеру Вильсона и поместить ее в мощное магнитное поле, что позволило мне сфотографировать следы конденсированного пара, оставленные частицами антивещества. Тогда я этого не знал, но прошло немного времени, и натрий-22 нашел применение в новой технологии, получившей название ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) и позволившей ученым узнать поразительные вещи о процессе мышления.

Еще одной технологией, с которой я экспериментировал в школьные годы, был магнитный резонанс. Я присутствовал на лекции Феликса Блоха из Стэнфордского университета, получившего в 1952 г. вместе с Эдвардом Пёрселлом Нобелевскую премию по физике за открытие ядерного магнитного резонанса. Доктор Блох объяснил нам, школьникам, что в мощном магнитном поле атомы выстраиваются по силовым линиям, как стрелки компаса. Направив на них радиоимпульс определенной (резонансной) частоты, можно заставить их повернуться в конкретном направлении; а потом, разворачиваясь обратно, они выдадут импульс, напоминающий эхо, что позволит исследователям идентифицировать эти атомы. (Позже я использовал принцип магнитного резонанса при сооружении в мамином гараже ускорителя частиц на 2,3 МэВ.)

Года два спустя на младших курсах Гарвардского университета я имел честь изучать электродинамику под руководством доктора Пёрселла. Примерно в тот же период мне повезло устроиться на лето в лабораторию к доктору Ричарду Эрнсту, который пытался обобщить работы Блоха и Пёрселла по магнитному резонансу. Результаты оказались весьма впечатляющими, и много позже, в 1991 г., Эрнст получил Нобелевскую премию по физике за то, что заложил основы МРТ (магнитно-резонансной томографии). Этот метод позволил сделать фотографии живого мозга, еще более детальные, чем ПЭТ-сканирование.

КНИГА I РАЗУМ И СОЗНАНИЕ

Мозг Брока

В 1861 г., всего через год после смерти Гейджа, эта точка зрения нашла новое подтверждение в работе парижского врача Пьера Поля Брока. Он описал пациента, который выглядел нормальным во всех отношениях, кроме одного: у него было серьезное нарушение речи. Этот пациент прекрасно понимал и воспринимал речь, но сам мог произнести всего один звук, напоминающий треньканье струны. После смерти пациента доктор провел вскрытие и убедился в том, что у него была поражена левая височная доля мозга — область возле левого уха. Позже доктору Брока удалось наблюдать еще 12 случаев повреждения данной области мозга. Сегодня про пациентов с травмой височной доли мозга, обычно в левом полушарии, говорят, что они страдают от афазии Брока. (Как правило, пациенты с таким расстройством понимают речь, но сами ничего сказать не могут или как минимум теряют при речи слова.)

Вскоре после этого, в 1874 г., немецкий врач Карл Вернике описал пациентов, страдавших противоположным недугом. Они могли внятно говорить, но не понимали ни письменную, ни устную речь. Часто речь таких пациентов была достаточно беглой, с соблюдением правил грамматики и синтаксиса, но произносили они бессмысленные несуществующие слова. Печально, что они, как правило, даже не понимали, что изрекают абсолютную чушь. После нескольких вскрытий Вернике подтвердил, что у этих пациентов была повреждена немного другая часть левой височной доли мозга.

Работы Брока и Вернике стали этапными в нейробиологии и установили четкую связь между поведенческими проблемами, такими как нарушение речи или языковых способностей, и повреждением конкретных областей мозга.

Еще один прорыв произошел в годы войны. На протяжении истории человечества религия неоднократно накладывала вето на анатомирование человеческих тел; понятно, что это сильно тормозило развитие медицины. Однако в военное время, когда на поле боя умирают десятки тысяч истекающих кровью солдат, врачи чувствуют себя обязанными разрабатывать — и как можно быстрее — действенные методы лечения. В 1864 г., во время прусско-датской войны, немецкому врачу Густаву Фричу пришлось лечить множество солдат с открытыми ранениями мозга, и он заметил, что при прикосновении к одному из полушарий мозга часто дергается противоположная сторона тела. Позже Фрич доказал, что при электрической стимуляции мозга правое полушарие управляет левой стороной тела, и наоборот. Это поразительное открытие наглядно продемонстрировало, с одной стороны, что работа мозга имеет электрическую природу, а с другой — что конкретные участки мозга управляют противоположной стороной тела. (Забавно, но первыми воздействовать на мозг электричеством попробовали римляне около 2000 лет назад. Хроники свидетельствуют, что в 43 г. н.э. придворный медик императора Клавдия прикладывал к голове пациента, страдавшего сильными головными болями, электрического ската.)

Представление о том, что мозг с телом соединяют электрические пути, систематически не исследовалось вплоть до 1930-х гг., когда доктор Уайлдер Пенфилд начал работать с двумя больными эпилепсией, часто страдавшими от изнурительных судорог и приступов, любой из которых мог их погубить. Последним шансом для таких пациентов была операция на головном мозге, при которой удалялись части черепа, а мозг обнажался. (Поскольку мозг лишен болевых рецепторов, человек все это время мог быть в сознании, и доктор Пенфилд использовал во время операции лишь местное обезболивание.)

Доктор Пенфилд обратил внимание, что на стимуляцию определенных частей коры мозга при помощи электрода реагируют различные части тела. И внезапно понял, что может нарисовать приблизительный план соответствия участков коры мозга телу человека (рис. 1). Рисунки у него получились настолько точными, что их до сих пор используют почти в неизменном виде. И на ученое сообщество, и на публику они произвели очень сильное впечатление. На одной из схем можно видеть, какая приблизительно область мозга отвечает за какую функцию и насколько важна для организма эта функция. К примеру, кисти рук и рот для человека жизненно важны, на их управление отводится значительная доля мозга, тогда как нервные рецепторы спины на схеме почти незаметны.

Далее Пенфилд обнаружил, что при стимулировании электричеством височной доли его пациенты неожиданно вспоминают с кристальной ясностью и заново переживают давно забытые эпизоды. Он испытал настоящий шок, когда в ходе операции на мозге пациент вдруг воскликнул: «Я будто… стоял в дверях школы… я слышал, как мама говорит по телефону с тетей и приглашает ее зайти к нам вечером». Пенфилд понял, что прикасается к воспоминаниям, погребенным глубоко внутри мозга. В 1951 г., когда он опубликовал свои результаты, представления о мозге кардинально изменились.

Как физики понимают Вселенную

Когда физик пытается в чем-то разобраться, он первым делом собирает данные, а затем предлагает «модель» — упрощенный вариант изучаемого объекта, отражающий его основные черты. В физике модель описывается набором параметров (к примеру, это могут быть температура, энергия, время). Затем физик при помощи этой модели предсказывает (моделирует) будущее развитие объекта. Крупнейшие суперкомпьютеры мира используются именно для моделирования развития систем, которые могут описывать протоны, ядерные взаимодействия, погодные явления, Большой взрыв и поведение черных дыр. После многочисленных расчетов и экспериментов на модели вы создаете новую, лучшую модель с более хитроумными параметрами и вновь запускаете процесс моделирования во времени, уже с использованием этой модели.

К примеру, Исаак Ньютон, пытаясь разобраться с движением Луны, создал простую модель, которой со временем суждено было изменить ход человеческой истории: он представил, что бросает яблоко. Чем быстрее движется яблоко, рассуждал он, тем дальше оно улетит. Более того, если бы можно было бросить яблоко достаточно быстро, оно полностью обогнуло земной шар и даже вернулось в ту же точку. Получается, утверждал Ньютон, что эта модель представляет путь Луны; следовательно, силы, управляющие летящим вокруг Земли яблоком, идентичны силам, управляющим движением Луны.

Но сама по себе эта модель оставалась бесполезной. Ключевой рывок был сделан, когда Ньютон сумел при помощи своей теории смоделировать будущее, т.е. научился рассчитывать положение движущихся объектов. Для решения этой сложной задачи ему пришлось придумать совершенно новую область математики, получившую название интегрального исчисления. При помощи этой математики Ньютон смог предсказать будущую траекторию не только Луны, но и кометы Галлея и других планет. С тех пор ученые используют законы Ньютона для расчета траекторий самых разных движущихся предметов — от пушечных ядер, автомобилей и ракет до астероидов и метеоров, а также до звезд и галактик.

Степень достоверности модели зависит от того, насколько точно она воспроизводит основные характеристики оригинальной системы. В данном случае основным параметром было положение яблока и Луны в пространстве и времени. Разрешив этому параметру меняться (т.е. запустив поступательное движение времени), Ньютон смог наблюдать движение тел в развитии, что стало одним из наиболее значительных открытий в истории физики.

Любая модель полезна до тех пор, пока ее не сменит новая, еще более точная модель, лучше отражающая параметры системы. Эйнштейн предложил вместо ньютоновой модели сил, действующих на яблоко и Луну, собственную модель, основанную на новом параметре — кривизне пространства-времени. Яблоко в его модели движется не потому, что Земля действует на него силой притяжения, а потому, что Земля растягивает ткань пространства и времени, а яблоко просто движется вдоль поверхности этого искривленного пространства-времени. Исходя из этого, Эйнштейн моделировал будущее Вселенной. Сегодня ученые, имея в своем распоряжении мощные компьютеры, могут просчитывать эту модель далеко в будущее и получать величественные картины столкновения черных дыр.

Попробуем включить эту базовую стратегию в новую теорию сознания.

КНИГА II СОЗНАНИЕ ПРЕВЫШЕ МАТЕРИИ

Видеозаписи разума

Центром значительной части этих исследований является Калифорнийский университет в Беркли, где я много лет назад получил степень доктора в области теоретической физики. Мне повезло побывать в лаборатории доктора Галланта, группа которого добилась, казалось бы, невозможного: им удалось записать мысли людей на видео. «Это серьезный шаг к полному распознаванию внутренних образов. Мы открываем окно в кинозал нашего рассудка», — говорит Галлант.

Когда я попал в лабораторию, мне сразу же бросилась в глаза команда энтузиастов — аспирантов и молодых ученых. Они не отрывались от компьютерных экранов и внимательно вглядывались в видеоизображения, восстановленные по результатам сканирования чьего-то мозга. Вообще, разговаривая с сотрудниками Галланта, ощущаешь себя свидетелем научной истории.

Галлант объяснил, что сначала испытуемого на каталке медленно ввозят в громадный современный МРТ-аппарат, стоимость которого превышает $3 млн. Затем ему показывают несколько видеоклипов (таких, как трейлеры к фильмам, которые несложно найти на YouTube). Чтобы собрать достаточно данных, испытуемому приходится часами сидеть неподвижно и смотреть эти клипы — довольно непростая задача. Я спросил у одного из исследователей, доктора Синдзи Нисимото, как им удалось найти добровольцев, готовых лежать неподвижно по несколько часов и смотреть видеоклипы. Он сказал, что сами участники группы вызвались быть подопытными свинками в собственных исследованиях.

Пока испытуемый смотрит кино, аппарат МРТ создает трехмерное изображение тока крови у него в мозгу. Оно представляет собой набор из 30 000 точек, или вокселов. Каждый воксел представляет энергию в конкретной точке, а его цвет соответствует интенсивности сигнала и, соответственно, кровотока. Красные точки отражают высокую нервную активность, белые — меньшую. (Окончательное изображение очень похоже на гирлянду из тысяч новогодних огоньков в форме мозга. Очевидно, что во время просмотра видеозаписей большая часть ментальной энергии мозга сосредоточена в зрительной зоне коры, расположенной в задней части мозга.)

МРТ-аппарат Галланта настолько мощный, что способен различать две-три сотни отдельных участков мозга; в среднем на снимках на каждый участок приходится по сто точек. (Одна из целей дальнейшего усовершенствования технологии МРТ состоит в достижении еще более высокого разрешения и увеличении числа точек, приходящихся на каждый участок мозга.)

Поначалу трехмерная коллекция цветных точек выглядит полной бессмыслицей, но несколько лет исследований позволили доктору Галланту и его коллегам разработать математическую формулу, которая ищет связи между определенными характеристиками изображения (линиями, текстурами, яркостью и т.п.) и вокселами МРТ-изображения. К примеру, если рассматривать границу, разделяющую более светлые и более темные области, то становится ясно, что грань образует определенную закономерность в расположении вокселов. Заставляя каждого испытуемого просматривать последовательно всю огромную коллекцию видеоклипов, исследователи совершенствовали и перестраивали математическую формулу; компьютер сам анализировал, как те или иные изображения превращаются в МРТ-вокселы. Со временем ученые смогли установить непосредственную корреляцию между определенными паттернами МРТ-вокселов и особенностями просматриваемого изображения.

В конце испытуемым показывают еще один видеоклип. Компьютер анализирует вокселы, полученные при его просмотре, и воссоздает в грубом приближении первоначальное изображение. (Компьютер выбирает изображения из сотни видеороликов, наиболее близких к только что просмотренному, а затем смешивает изображения, чтобы получить максимальное сходство.) Таким образом компьютер получает возможность сконструировать нечеткое видео тех визуальных образов, которые проходят чередой перед мысленным взором. Математическая формула доктора Галланта настолько универсальна, что можно взять набор МРТ-вокселов и превратить его в картинку, а можно сделать и наоборот — взять картинку и пересчитать ее в МРТ-вокселы.

У меня была возможность посмотреть видеозапись, созданную группой доктора Галланта, и она произвела на меня очень сильное впечатление. Лица, животные, уличные сценки — словно ролик смотришь сквозь темные очки. Разглядеть подробности на лицах или фасадах зданий невозможно, но характер объекта угадывается легко.

Но эта программа способна расшифровать не только то, что вы реально видите, но и то, что вы зрительно себе представляете. Например, вас попросили представить «Мону Лизу». Из МРТ-сканов мы знаем, что, хотя перед глазами в этот момент нет картины, зрительная кора вашего мозга включается. Пока вы думаете о «Моне Лизе», программа доктора Галланта сканирует ваш мозг и проводит поиск по своей базе данных, пытаясь отыскать наиболее близкое соответствие. В одном из экспериментов, свидетелем которых я был, компьютер в качестве ближайшего соответствия «Моне Лизе» выбрал фотографию актрисы Сальмы Хайек. Разумеется, средний человек легко распознает сотни различных лиц, но сам факт того, что компьютер проанализировал образ в голове человека и выбрал фотографию из миллионов случайных изображений, имеющихся в его распоряжении, впечатляет.

Цель этой работы — создать точный словарь, который позволил бы быстро находить соответствие между объектами окружающего мира и МРТ-паттерном, считанным с человеческого мозга. Очевидно, что установить подробное и точное соответствие чрезвычайно трудно и на эту работу, скорее всего, уйдет не один год. Однако некоторые категории изображений распознаются достаточно легко, для этого достаточно просто провести поиск по готовой базе изображений. К примеру, когда доктор Станислас Деэн из парижского Коллеж де Франс работал с МРТ-сканами теменной доли головного мозга, где происходит распознавание чисел, один из его помощников небрежно заметил, что может определить по виду МРТ-снимка, на какое число смотрит испытуемый. И правда, оказалось, что определенные числа порождают на МРТ-снимках вполне распознаваемые паттерны. Доктор Деэн отмечает: «Если взять 200 вокселов, относящихся к этой области, и посмотреть, какие из них активны, а какие нет, то можно построить самообучающееся устройство, способное читать числа, которые в данный момент удерживаются в памяти».

Остается открытым вопрос о том, когда мы сможем получить качественную видеозапись наших мыслей (и сможем ли вообще). Увы, при визуализации образа часть информации теряется, и исследования мозга это подтверждают. Если сравнить МРТ-снимок мозга, сделанный, когда человек смотрит на цветок, с МРТ-снимком, сделанным, когда он всего лишь думает о цветке, разница будет очевидна: на втором снимке информативных точек будет меньше, чем на первом. Так что эта технология, хотя и улучшится кардинально в ближайшие годы, никогда не достигнет совершенства. (Я когда-то читал рассказ, в котором дух предлагает человеку выполнить три его желания — создать все, что этот человек сможет вообразить. Герой рассказа просит шикарный автомобиль, самолет и миллион долларов. Какое-то время после этого он счастлив. Но стоит ему взглянуть на волшебные вещи поближе, как выясняется, что в машине и в самолете нет двигателей, а изображение на долларовых бумажках нечетко и размыто. Все ненастоящее, ведь наши воспоминания о вещах лишь приблизительно отражают реальность.)

Однако, учитывая скорость, с которой ученые начали расшифровку МРТ-снимков мозга, можно задаться вопросом: а не получим ли мы в самое ближайшее время реальную возможность считывать слова и мысли непосредственно из головы человека?

Лечение травм спинного мозга

В настоящее время к этим исследованиям присоединяются и другие группы ученых. Еще одним прорывом мы обязаны ученым из Северо-Западного университета, сумевшим связать мозг обезьяны с ее рукой напрямую, в обход поврежденного спинного мозга. В 1995 г. произошла грустная история. Актер Кристофер Рив, сыгравший Супермена в одноименном фильме, в результате травмы позвоночника оказался полностью парализованным. Он упал с лошади головой вниз, и его спинной мозг оказался поврежден у самой головы. Если бы он прожил немного дольше, то мог бы увидеть усилия ученых, которые стремятся заменить поврежденный спинной мозг компьютером. Только в США от последствий травм спинного мозга страдают более 200 000 человек. В прежние времена такие люди в большинстве своем, вероятно, умирали вскоре после травмы, но сегодня благодаря успехам травматологии число выживших неуклонно растет. Кроме того, нам не дают покоя образы раненых воинов, пострадавших от мин в Ираке и Афганистане. А если добавить сюда же пациентов, парализованных в результате инсульта или другого заболевания (к примеру, бокового амиотрофического склероза), то число потенциальных пациентов вырастет до двух миллионов.

Ученые из Северо-Западного университета поместили микросхему с сотней электродов непосредственно на поверхность мозга обезьяны. Затем обезьяне показали, что нужно взять мячик, поднять его и опустить в трубу; при этом сигналы ее мозга тщательно записывались, а поскольку каждое действие соответствует срабатыванию конкретных нейронов, ученые смогли постепенно расшифровать эти сигналы.

Когда обезьяна хотела двинуть рукой, компьютер обрабатывал сигналы в соответствии с этим шифром и, вместо того чтобы направлять механическую руку, направлял их непосредственно к нервам настоящей обезьяньей руки. «Мы записываем естественные электрические сигналы мозга, посылающего приказ руке и кисти двигаться определенным образом, и передаем эти сигналы непосредственно в мышцы», — говорит доктор Ли Миллер.

Методом проб и ошибок обезьяна научилась координировать движения мышц руки. «Это процесс моторного обучения, очень похожий на то, что делает человек, осваивая новый прибор, компьютерную мышь или нестандартную теннисную ракетку», — добавляет доктор Миллер.

(Удивительно, кстати, как много движений сумела освоить обезьяна, учитывая, что чип у нее в мозгу имел всего лишь сто электродов. Доктор Миллер указывает, что в управлении движениями руки задействованы миллионы нейронов. Но если сотни электродов хватает для разумной аппроксимации результата действия миллионов нейронов, то только потому, что микросхема контактирует с выходными нейронами уже после того, как мозг провел сложную обработку и подготовку данных. Сложнейший анализ идет как обычно, поэтому остается за скобками, а задача ста электродов — только передать готовые сигналы мозга руке.)

Это устройство — одно из нескольких разработанных в Северо-Западном университете, их задача — заменить поврежденный участок спинного мозга. Другой нейронный протез позволяет человеку управлять рукой при помощи движений плеча. Поднять плечо означает сжать пальцы, опустить — разжать. Кроме того, пациент получает возможность взять пальцами объект вроде чашки или открыть дверь ключом, зажав его между большим и указательным пальцами протеза.

Доктор Миллер поясняет: «Не исключено, что прямая связь между мозгом и мышцами когда-нибудь поможет пациентам, парализованным в результате спинномозговой травмы, заниматься повседневными делами, и тогда они смогут стать более независимыми».

Как мы помним

Как и случай Финеаса Гейджа, странный случай Генри Густава Моллисона, известного в научной литературе просто как пациент H. M., произвел настоящую сенсацию в неврологии и повлек за собой множество невероятных открытий; он помог ученым осознать важность гиппокампа в формировании воспоминаний.

В возрасте девяти лет H. M. получил серьезную травму головы, результатом которой стали изматывающие судороги и припадки. В 1953 г., когда ему было 25 лет, он перенес операцию, которая благополучно устранила эти симптомы. Но возникла другая проблема: хирурги по ошибке удалили у молодого человека часть гиппокампа. Поначалу казалось, что с Генри все в порядке, но очень скоро стало очевидно, что с ним что-то не так: он не мог ничего запомнить. Он жил исключительно в настоящем, здоровался с одними и теми же людьми по несколько раз на дню, причем в одних и тех же выражениях, как будто видел их впервые. Все, что попадало в его память, удерживалось в ней не более нескольких минут, а затем бесследно исчезало. Подобно Биллу Мюррею в фильме «День сурка», H. M. был обречен всю оставшуюся жизнь проживать один и тот же день снова и снова. Но, в отличие от героя Билла Мюррея, он не помнил предыдущих итераций. При этом его долговременная память почти не пострадала, и он прекрасно помнил жизнь до операции, но из-за отсутствия гиппокампа был не в состоянии записывать в память новые впечатления. К примеру, он приходил в ужас, посмотрев в зеркало, ведь видел там лицо старика, хотя считал себя по-прежнему двадцатипятилетним. К счастью, память о пережитом ужасе быстро улетучивалась, сменяясь привычным туманом. В каком-то смысле H. M. был подобен животному с сознанием уровня II, не способному ни вспомнить недавнее прошлое, ни смоделировать будущее. Без работающего гиппокампа человек деградировал с третьего уровня сознания до второго.

Сегодня с учетом успехов нейробиологии мы получили ясную картину того, как формируются, хранятся и извлекаются воспоминания. «Все это собралось воедино в последние несколько лет благодаря двум техническим новинкам — компьютерам и современному сканированию мозга», — говорит нейробиолог из Гарварда доктор Стивен Косслин.

Как нам известно, сенсорная (т.е. зрительная, тактильная, вкусовая) информация сначала должна пройти через мозговой ствол в таламус, который играет роль коммутатора, направляя сигналы в различные доли мозга, где они оцениваются. Обработанная информация поступает в префронтальную кору, где попадает в наше сознание и образует то, что мы называем кратковременной памятью; срок хранения информации в такой памяти составляет от нескольких секунд до нескольких минут (рис. 11).

Чтобы заложить эту информацию на более длительное хранение, она должна пройти через гиппокамп, где воспоминания разбиваются на несколько категорий. Вместо того чтобы складывать все воспоминания в одной области мозга, как будто записывая на кассету или жесткий диск, гиппокамп перенаправляет фрагменты в разные отделы коры. (Хранение воспоминаний таким образом на самом деле более эффективно, чем их последовательная укладка. Если бы человеческие воспоминания записывались последовательно, как на магнитной пленке, для их хранения требовался бы громадный объем памяти. В будущем, возможно, даже цифровые устройства хранения информации, вместо того чтобы укладывать данные целиком и последовательно, станут пользоваться методикой живого мозга.) К примеру, эмоциональные воспоминания хранятся в мозжечковой миндалине, а слова записываются в височной области. В то же время цвет и другая визуальная информация собирается в затылочной доле, а тактильные ощущения и движение — в теменной. На данный момент ученые различают более 20 категорий воспоминаний, хранимых в различных частях мозга, среди них фрукты и овощи, растения, животные, части тела, цвета, числа, буквы, существительные, глаголы, имена собственные, лица, гримасы, эмоции и звуки.

Любое воспоминание — возьмем, к примеру, воспоминание о прогулке в парке — содержит информацию, которая разбивается на части и складывается на хранение в различные области мозга, но любая часть этого воспоминания (к примеру, запах свежескошенной травы) может внезапно потянуть за собой сцепленные фрагменты, восстанавливая воспоминание целиком. Таким образом, конечная цель исследований памяти — разобраться в том, как отдельные фрагменты, лежащие в разных местах, собираются вместе, когда мы вспоминаем соответствующее событие. Решение этой проблемы, известной как «проблема связанности», могло бы объяснить множество загадочных аспектов памяти. Так, доктор Антонио Дамасио наблюдает за перенесшими инсульт пациентами, которые не способны узнавать впечатления какой-то одной категории, хотя все остальное вспоминают без труда. Дело в том, что инсульт поразил у них какую-то одну область мозга — именно ту, в которой хранятся воспоминания данной категории.

Проблема связности дополнительно осложняется тем, что все наши воспоминания и переживания носят очень личный характер. Воспоминания, скорее всего, четко настроены на их носителя, так что даже категории воспоминаний у разных людей могут не совпадать. К примеру, у дегустаторов вин может быть множество категорий для тонких оттенков вкуса, а у физиков — столько же, но совершенно других — для конкретных уравнений. Категории, в конце концов, возникают в процессе накопления опыта, и у разных людей они могут быть разными.

Одна из новых гипотез, имеющих отношение к проблеме связности, предлагает обратиться к тому факту, что в мозгу существуют электромагнитные колебания с частотой около 40 Гц, охватывающие его целиком. Их можно зарегистрировать при ЭЭГ-сканировании. Возможно, один фрагмент воспоминания излучает на конкретной частоте, стимулируя при этом остальные его фрагменты, хранящиеся в других отделах мозга. Ранее считалось, что эти фрагменты хранятся близко друг к другу, но новая теория утверждает, что они связаны между собой не пространственными, а скорее временны́ми узами — они колеблются в унисон. Если теория подтвердится, это будет означать, что в мозгу непрерывно возникают электромагнитные импульсы, которые связывают различные его области и таким образом воссоздают воспоминания целиком. Следовательно, непрерывный поток информации между гиппокампом, префронтальной корой, таламусом и разными отделами коры может представлять собой не только обмен импульсами между нейронами. Часть информации может передаваться в форме резонанса между различными структурами мозга.

Ведь рядом их поставь —

КНИГА III ИЗМЕНЕННОЕ СОЗНАНИЕ

Природа сновидений

Сновидения, какими бы загадочными они ни были, — это вовсе не излишняя роскошь и не бесполезные навязчивые воспоминания бездействующего мозга. Строго говоря, сновидения необходимы для выживания. Методы сканирования мозга позволяют показать, что у некоторых животных такая активность мозга тоже наблюдается. Лишенные сновидений, эти животные часто умирают даже быстрее, чем умерли бы от голода, поскольку подобная депривация серьезно подрывает их метаболизм. Увы, наука до сих пор не знает в точности, почему так происходит.

Кроме того, сновидения — существенная часть цикла сна. Мы проводим за сновидениями примерно два часа каждую ночь, когда спим, причем каждое сновидение длится от пяти до двадцати минут. Если разобраться, то в среднем за жизнь мы примерно шесть лет занимаемся только тем, что смотрим сны.

Кроме того, известно, что сновидения универсальны для всего рода человеческого. Ученые находят общие темы сновидений в самых разных культурах. За сорок лет профессор психологии Кельвин Холл записал 50 000 сновидений; к ним он добавил тысячу рассказов о сновидениях, написанных студентами колледжа. Он обнаружил, и это не удивительно, что большинство видит во сне примерно одно и то же: к примеру, сюжеты на темы личных переживаний предыдущих дней или недель. (Однако животные, судя по всему, видят другие сны. Так, у дельфина полушария мозга спят по очереди и никогда не спят одновременно, чтобы не потерять контроля и не утонуть, — ведь дельфин млекопитающее и дышит легкими, а не жабрами, как рыба. Так что если дельфины и видят сны, то тоже, вероятно, только одним полушарием.)

Мозг, как вы понимаете, не цифровой компьютер, скорее, это нейронная сеть определенного типа, которая перекоммутируется при усвоении новой информации и освоении новых навыков. Но ученые, работающие с нейронными сетями, заметили кое-что интересное. При избытке информации такие системы часто переходят в режим насыщения и вместо того, чтобы и дальше обрабатывать информацию, входят в состояние «сновидения», в котором, пока нейронная сеть пытается переварить весь новый материал, случайные воспоминания могут плавать, сходиться, смешиваться и иногда объединяться. Так что сновидения, возможно, отражают процесс «уборки», при котором мозг пытается более рационально организовать воспоминания. (Если это так, то, вполне возможно, все нейронные сети всех способных к обучению организмов время от времени впадают в режим сна, цель которого — привести в порядок память. Вероятно, сновидения служат именно этой цели. Некоторые ученые даже предполагают, что самообучающиеся роботы со временем тоже будут видеть сны.)

Похоже, что неврологические исследования подтверждают такую точку зрения. Эксперименты показали, что сохранность воспоминаний можно повысить, если между событием и испытанием уделять достаточно времени сну. На снимках можно было видеть, что во время сна активны те же области мозга, что и при освоении новых навыков. Возможно, сновидения полезны для консолидации и закрепления этой новой информации.

Сновидения могут также включать события, имевшие место несколько часов назад, непосредственно перед сном. В основном, однако, в них фигурируют воспоминания давностью в несколько дней. К примеру, эксперименты показали, что если человек станет носить розовые очки, то его сновидения окрасятся в розовый цвет лишь через несколько дней.

Управление сознанием и холодная война

Еще одной причиной, по которой работа доктора Дельгадо была встречена с неприязнью, был политический климат того времени. Холодная война была в разгаре, а воспоминания о том, как во время Корейской войны пленных американских солдат выводили к журналистам и снимали на телекамеры, были свежи в памяти и весьма болезненны. Пленные с остановившимся взглядом признавались в страшных военных преступлениях и выполнении шпионских заданий, проклинали американский империализм.

Чтобы как-то объяснить происходящее, пресса придумала термин «промывание мозгов»: идея состояла в том, что коммунисты якобы изобрели секретные препараты и методики, позволяющие превращать американских солдат в зомби. В этой напряженной политической обстановке Фрэнк Синатра в 1962 г. снялся в триллере «Манчжурский кандидат», в котором его герой пытался разоблачить тайного «спящего» агента коммунистов, получившего задание убить президента США. Но в сюжете есть неожиданный поворот. На самом деле убийца — не внушающий никаких подозрений американский солдат, герой войны; но он побывал в плену, и коммунисты «промыли» ему мозги. У семьи этого «крота» хорошие связи, да и сам он на первый взгляд вне всяких подозрений, поэтому его почти невозможно остановить. «Манчжурский кандидат» отразил тревоги многих американцев того времени.

Эти страхи, помимо прочего, подпитывались пророческим романом Олдоса Хаксли «О дивный новый мир» (Brave New World), написанным в 1931 г. В этой антиутопии рассказывалось о громадных фабриках по выращиванию детей, точнее, клонов, где, избирательно ограничивая подачу кислорода зародышам, «создают» людей с различной степенью повреждения мозга. На вершине местной социальной лестницы находятся альфы, получавшие достаточно кислорода и развивавшиеся полноценно; их с самого детства готовят к управлению обществом. На самом дне общества — эпсилоны, чей мозг серьезно пострадал; они используются как покорные безответные работники, расходный материал. В промежутке есть еще несколько уровней рабочих и чиновников. Элита управляет обществом, наводняя его изменяющими сознание препаратами, стимулируя свободную любовь и постоянно промывая мозги. Таким образом в обществе поддерживаются мир, спокойствие и гармония, но роман задает тревожный вопрос, который звучит актуально даже сегодня: какую часть своей свободы и основных человеческих прав мы готовы принести в жертву во имя мира и социального порядка?

Кипят мозги: воображенье их

Любимая страшилка СМИ — роботы идут

Вскоре после того, как Watson выиграл состязание, некоторые «эксперты» уже ломали руки, заранее оплакивая тот страшный день, когда машины возьмут над нами верх. Кен Дженнингс, один из игроков, уступивших первенство компьютеру, заметил в разговоре с представителем прессы: «Я, к примеру, приветствую наших новых компьютерных владык». «Эксперты» задавались вопросом: если Watson смог победить в очном состязании опытных и закаленных участников шоу, то какие шансы имеем мы, простые смертные, устоять перед машинами? Дженнингс наполовину в шутку сказал: «Брэд (второй участник шоу. — Авт.) и я стали первыми работниками индустрии знаний, которые лишились работы по милости нового поколения “думающих” машин».

Комментаторы, однако, забыли упомянуть, что человек не может подойти к компьютеру и поздравить его с победой. Невозможно похлопать его по спине или выпить с ним шампанского. Он не поймет, что это значит; более того, Watson вообще не подозревает, что выиграл. Если отбросить фантазии падких на сенсацию журналистов, получится, что Watson — это сложнейшая счетная машина, способная проводить вычислительные операции (или поиск данных) в миллиарды раз быстрее, чем человеческий мозг, у которой полностью отсутствует самосознание и здравый смысл.

С одной стороны, в области искусственного интеллекта достигнут поразительный прогресс, особенно если смотреть чисто по вычислительной мощности. Человек, живший в начале XX в., посмотрев на сегодняшние компьютерные вычисления, счел бы машины чудом. Но с другой стороны, если говорить о создании машин, способных думать самостоятельно (т.е. настоящих мыслящих автоматов, для которых не нужен ни кукловод, ни оператор с джойстиком или пультом дистанционного управления), то прогресс невелик. Роботы пока еще не имеют представления о том, что они роботы.

Поскольку вычислительные мощности компьютеров в соответствии с законом Мура последние 50 лет удваиваются каждые два года, кое-кто считает, что это лишь дело времени и что когда-нибудь машины обретут самосознание, способное соперничать с человеческим. Никто не знает, когда именно это произойдет, но человечество должно быть готово к тому моменту, когда машинное сознание покинет пределы лабораторий и выйдет в мир. От того, как мы поступим с машинным сознанием, будет зависеть, возможно, будущее рода человеческого.

Строительство мозга

Подобно многим другим, я в детстве обожал разбирать часы, постепенно развинчивая их, чтобы потом посмотреть, как там все устроено и работает. Я понимал, что пружина поворачивает главное колесико, которое, в свою очередь, передает движение на мелкие колесики, а они поворачивают стрелки.

Сегодня компьютерщики и нейробиологи пытаются сделать примерно то же самое с самым сложным из известных нам объектом во Вселенной — с человеческим мозгом. Мало того, они хотят потом собрать его заново, нейрон за нейроном.

Благодаря стремительным успехам в области автоматизации, робототехники, нанотехнологий и нейробиологии обратная разработка (т.е. расшифровка, а затем и воспроизведение структуры) мозга перестала быть только темой для пустого светского разговора. Очень скоро в США и Европе миллиарды долларов будут вложены в проекты, которые прежде считались абсурдными. Сегодня лишь небольшая группа ученых-мечтателей готова посвятить свою профессиональную жизнь проекту, завершения которого они могут и не увидеть. Завтра этот отряд может превратиться в настоящую армию, щедро финансируемую США и Европой.

Если все получится, эти ученые смогут изменить историю человечества. И дело, скорее всего, не ограничится новыми лекарствами и методами лечения психических заболеваний; не исключено, что им удастся открыть секрет сознания, а может быть, и загрузить сознание в компьютер.

Невероятно сложная задача. Человеческий мозг состоит из более чем 100 млрд нейронов (примерно столько же звезд включает в себя наша Галактика). Каждый нейрон, в свою очередь, соединен с примерно 10 000 других нейронов, так что всего в мозгу имеется 1015 возможных связей (и мы еще не считали пути, по которым может пройти сигнал в толще нейронной массы). Таким образом, число «мыслей», которые могут возникнуть в человеческом мозгу, поистине астрономическое и исчислению не поддается.

Все это не остановило небольшую группку увлеченных ученых от попытки воспроизвести структуру мозга с нуля. Старая китайская поговорка гласит: «Путь в тысячу ли начинается с первого шага». Таким первым шагом стала расшифровка, нейрон за нейроном, нервной системы червя-нематоды. У этого крохотного существа под названием C. elegans 302 нейрона и 7000 синапсов, и все они теперь известны наперечет. Точную схему нервной системы этого червя можно найти в Интернете. (На сегодня это единственный живой организм, нервная структура которого полностью расшифрована.)

Поначалу казалось, что полная расшифровка этого организма откроет путь к аналогичному исследованию человеческого мозга. Получилось, по иронии судьбы, строго наоборот. Хотя число нейронов у нематоды конечно, их сеть оказалась настолько сложной и запутанной, что разбираться даже в простых принципах поведения червя (скажем, какой нервный путь отвечает за какое поведение) пришлось не один год. Но если даже низкоорганизованная нематода ускользает от нашего понимания, то что говорить о человеческом мозге! Простой пример помог ученым оценить всю сложность стоящей перед ними задачи.

Внетелесные переживания

Представление о сознании без тела — может быть, самое древнее из человеческих суеверий, глубоко вошедшее в мифы, фольклор, мечты и даже, вероятно, в гены. Похоже, в каждом обществе есть истории о духах и демонах, способных по собственной воле входить в тело и покидать его.

Известно, что немало невинных людей подвергалось преследованиям, целью которых было изгнание демонов, будто бы завладевших их телами. Вероятно, они страдали от шизофрении, при которой страдальца часто мучают голоса, возникающие в сознании. Историки считают, что одна из салемских ведьм, повешенных в 1692 г. за одержимость, вероятно, страдала редким генетическим заболеванием, известным как болезнь Хантингтона, вызывающим неконтролируемое подергивание конечностей.

Сегодня некоторые утверждают, что им доводилось входить в трансоподобное состояние, при котором сознание покидает тело и может свободно путешествовать в пространстве и даже видеть собственное тело со стороны. Из 13 000 опрошенных европейцев 5,8% заявили, что им случалось испытывать внетелесные переживания. Опросы людей в США показывают сходные результаты.

Нобелевский лауреат Роберт Фейнман, всегда с любопытством относившийся ко всему новому, однажды использовал камеру сенсорной депривации, чтобы попытаться покинуть свое физическое тело. Ему это удалось. После эксперимента он написал, что чувствовал, что вышел из тела, поплыл в пространство и, посмотрев назад, увидел свое неподвижное тело. Позже, однако, Фейнман пришел к выводу, что внетелесное переживание, скорее всего, было рождено его воображением в результате сенсорной депривации.

У неврологов, изучавших это явление, есть более прозаическое объяснение. Доктору Олафу Бланке и его коллегам из Швейцарии удалось, судя по всему, определить точное место в мозгу, где возникают внетелесные переживания. Среди его пациентов была 43-летняя женщина, страдавшая от изнурительных приступов, начинавшихся в области правого виска. Чтобы определить, какой именно участок мозга виноват в приступах, на ее мозг поместили сетку из примерно ста электродов. При стимуляции области между теменной и височной долями мозга пациентка сразу же почувствовала, что покидает свое тело. «Я вижу себя лежащей в постели, вижу сверху, но только ноги и нижнюю часть туловища!» — воскликнула она. Она чувствовала, что плавает примерно в двух метрах над телом.

Однако, когда ток в электродах выключили, внетелесные ощущения мгновенно пропали. Более того, доктор Бланке обнаружил, что может по желанию включать и выключать внетелесные ощущения пациентки, стимулируя именно эту область мозга. Как мы показали в главе 9, эпилептическое расстройство височной доли может вызывать ощущение, что за каждой неудачей стоят злые духи, так что сама концепция духов, покидающих тело, возможно, органично входит в наше нервное устройство. (Возможно, этим объясняется и присутствие сверхъестественных существ. Когда доктор Бланке работал с 22-летней женщины, страдавшей от припадков непонятного происхождения, выяснилось, что стимуляция височно-затылочной области мозга порождает у пациентки ощущение призрачного присутствия позади нее. Она подробно описывала этого человека и чувствовала, что он даже хватал ее за руки. Появлялся он каждый раз в новом месте, но всегда был сзади.)

Я считаю, что человеческое сознание — это процесс непрерывного формирования мира с целью моделирования будущего и достижения цели. В частности, чтобы смоделировать свое положение в пространстве, мозг получает информацию от глаз и внутреннего уха. Однако, если сигналы от глаз и ушей противоречат друг другу, мы начинаем путаться; при этом мы нередко испытываем тошноту. Так, многие люди в качающейся лодке страдают от морской болезни, потому что глаза видят стенки каюты и сообщают мозгу, что находятся на одном месте, а внутреннее ухо сигнализирует, что тело раскачивается. Несоответствие сигналов и вызывает тошноту. Чтобы побороть ее, нужно смотреть на горизонт — тогда зрительный сигнал станет соответствовать данным от внутреннего уха. (Надо сказать, что то же ощущение тошноты может появиться и в другом случае. Если смотреть на вращающийся шар с нарисованными на нем яркими вертикальными полосами, то кажется, что полосы перед глазами движутся горизонтально, и возникает ощущение, что сам ты движешься. Но внутреннее ухо говорит, что ты неподвижен. Из-за возникающего несоответствия через несколько минут у вас начнется морская болезнь, даже если вы при этом сидите в кресле.)

В сигналы, получаемые от глаз и внутреннего уха, можно внести электронные помехи на границе между височной и теменной долями мозга, и именно в них причина внетелесных переживаний. Если затронута эта область, мозг начинает путаться в своем пространственном положении. (Отметим, что временная потеря крови или кислорода, а также повышенное содержание двуокиси углерода в крови тоже может вызвать в височно-теменной области нарушения и породить внетелесные переживания; возможно, именно этим объясняется тот факт, что чаще всего подобные ощущения возникают при несчастных случаях и сердечных приступах, а также в чрезвычайных ситуациях и т.п.)

13. РАЗУМ КАК ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ

Идею о том, что когда-нибудь разум может распространиться по всей Вселенной, физики рассматривают серьезно. Сэр Мартин Риз, королевский астроном Великобритании, написал: «Кротовые норы, дополнительные измерения и квантовые компьютеры открывают перед нами гипотетические сценарии, способные со временем превратить всю нашу Вселенную в “живой космос”!»

Но сможет ли разум когда-нибудь освободиться от материального тела, чтобы постичь всю Вселенную? Именно эта тема исследовалась в научно-фантастическом рассказе Айзека Азимова «Последний вопрос». (Сам Азимов говорил, что это самый любимый из написанных им рассказов.) По сюжету когда-то в будущем, через миллиарды лет, люди поместили свои физические тела в коконы на какой-то незаметной планете и освободили свой разум для управления чистой энергией всей Галактики. Они тоже воспользовались суррогатами, но это не роботы из стали и силикона, а существа из чистой энергии, способные без труда посещать самые отдаленные уголки Вселенной, пролетая мимо взрывающихся звезд, сталкивающихся галактик и других чудес. Но какого бы могущества ни достигало человечество, оно по-прежнему беспомощно перед конечной тепловой смертью Вселенной. В отчаянии человечество строит суперкомпьютер, который ответил бы на последний вопрос: можно ли избежать тепловой смерти Вселенной? Этот компьютер настолько сложен, что даже размещать его приходится в гиперпространстве. Тем не менее он отвечает просто, что информации для ответа недостаточно.

Еще через несколько эпох звезды начинают гаснуть, жизнь во Вселенной еле теплится. Вот тут-то суперкомпьютер находит наконец способ остановить гибель Вселенной. Он собирает по всей Вселенной погасшие звезды, делает из них гигантский космический шар и поджигает. Шар взрывается, и компьютер объявляет: «Да будет свет!»

И стал свет.

Получается, что человечество, освободившееся от своих физических тел, способно сыграть роль Бога и создать новую Вселенную.

На первый взгляд, описанные Азимовым фантастические существа из чистой энергии, свободно путешествующие по Вселенной, представляются невозможными. Мы привыкли думать о людях как о существах из плоти и крови, которые подчиняются законам физики и биологии, живут и дышат на Земле и связаны тяготением нашей планеты. Концепция существа, представляющего собой наделенный сознанием сгусток энергии, способного свободно летать по Галактике и не связанного, в отличие от материальных тел, никакими ограничениями, кажется нам странной.

Тем не менее мечта об исследовании Вселенной, пребывая в чисто энергетической форме, ничем не противоречит законам природы. Представьте себе самую понятную форму чистой энергии — лазерный луч, способный нести громадное количество информации. Сегодня лазерный луч переносит по оптико-волоконным кабелям триллионы сигналов в виде телефонных звонков, информационных пакетов, видео- и почтовых сообщений, и никого это не удивляет. Когда-нибудь — возможно, в следующем столетии — мы научимся передавать сознание человека в виде его полного коннектома по мощному лазерному лучу в любой уголок Солнечной системы. Еще лет через сто мы, может быть, научимся отправлять наши коннектомы по световому лучу к звездам.

(Такое возможно благодаря тому, что лазерный луч имеет микроскопическую длину волны, измеряемую в миллионных долях метра. Это означает, что в его волновую структуру можно закачать огромное количество информации. Представьте себе азбуку Морзе. Ее точки и тире можно без труда наложить на волновую структуру лазерного луча. Еще больше информации можно упаковать в луч рентгеновского излучения, длина волны которого меньше размеров атома.)

Один из способов исследования Галактики в обход строгих ограничений, связанных с живой плотью и вообще с материей, состоит в том, чтобы загрузить коннектом в лазерный луч и направить его на Луну, планеты или даже на звезды. Учитывая ударные планы исследования нервных связей мозга, можно предположить, что полный коннектом человека будет получен к концу этого столетия, а коннектом, пригодный для передачи по лазерному лучу, — в следующем.

Лазерный луч, о котором идет речь, будет содержать всю информацию, необходимую для сборки разумного существа с нуля. Хотя на путешествие могут уйти годы, а то и столетия, с точки зрения человека, личность которого зашифрована в лазерном луче, перенос будет мгновенным. Сознание будет, по существу, заморожено в луче, и перенос на другой конец Галактики произойдет для него в мгновение ока.

Таким образом мы избежим всех неудобств, связанных с межпланетными и межзвездными путешествиями. Во-первых, не нужно будет строить колоссальных ракет; достаточно просто включить лазер. Во-вторых, ваше тело не будет испытывать перегрузок при ускорении; вместо этого вы как нематериальный объект мгновенно разгонитесь до скорости света. В-третьих, вам не будут грозить опасности открытого космоса (метеоры и смертельно опасное космическое излучение): астероиды и излучение будут свободно пролетать сквозь вас, не причиняя вреда. В-четвертых, вам не придется замораживать тело, чтобы проспать скучные годы путешествия в традиционной ракете; вы просто пронесетесь по космосу на максимально возможной в природе скорости и не заметите этого.

В месте назначения вас должна будет встретить приемная станция, способная перенести информацию из лазерного луча в компьютер, который вернет разумное существо к жизни. Код, записанный когда-то в структуру лазерного луча, теперь возьмет на себя контроль над компьютером и изменит его программу. Коннектом заставит компьютер начать моделирование будущего для достижения своих целей (т.е. осознает себя).

Сознание, проснувшееся внутри компьютера, направит беспроводной сигнал роботизированному суррогатному телу, которое ожидало прибывшего в месте назначения. Таким образом, мы внезапно «проснемся» на далекой планете или звезде, как будто перенос прошел в мгновение ока, в роботизированном теле нашего суррогата. При этом все сложные вычисления производятся в большом стационарном компьютере, управляющем движениями суррогата, а сами мы даже не замечаем космического переноса со всеми его опасностями; для нас как будто ничего не произошло.

А теперь представьте обширную сеть таких станций, раскиданных по всей Солнечной системе или же по всей Галактике. С нашей точки зрения прыжки со звезды на звезду будут проходить почти без усилий (по впечатлению — мгновенно, в реальности — со скоростью света). На каждой станции прибывшего будет ждать роботизированный суррогат, в тело которого можно будет вселиться, как сегодня можно, приехав в новое место, вселиться в забронированный гостиничный номер. Так что в пункте назначения мы будем появляться свежими и в сверхчеловеческом теле[19].

Тип суррогатного роботизированного тела, ожидающего нас в пункте назначения, должен зависеть от характера миссии. Если вы летите исследовать новый мир, то суррогатному телу придется работать в жестких условиях. Возможно, ему придется приспосабливаться к другому тяготению, ядовитой атмосфере, сверхнизким или сверхвысоким температурам, другому режиму смены дня и ночи или смертельно опасному излучению. Чтобы выжить в таких условиях, суррогатному телу не обойтись без сверхсилы и сверхчувств.

Если же суррогатное тело нужно вам исключительно для отдыха, то и дизайн у него должен быть совсем другой. Такое тело должно обеспечивать максимальное удовольствие от преодоления пространства на лыжах, досках для серфинга, кайтах, планерах и любых других средствах передвижения или от других видов физической активности (скажем, от удачного удара битой, ракеткой или просто ногой по мячу).

Можно предположить, что вашим заданием будет внедрение в местное общество и изучение аборигенов; тогда, конечно, суррогат должен будет точно повторять телесные особенности местного населения (как в фильме «Аватар»).

Следует признать, что для создания сети лазерных приемных станций потребуется, вероятно, сначала добраться до всех этих планет и звезд традиционным способом, на обычных ракетных кораблях. Только тогда можно будет строить первую волну приемных станций. (Может быть, самым быстрым, дешевым и эффективным способом создания межзвездной сети могла бы стать отправка во все уголки Галактики самовоспроизводящихся роботизированных зондов. Поскольку зонды эти способны к самокопированию, то, построив один, через множество поколений можно получить миллиарды зондов, разлетающихся во всех направлениях, причем каждый из них построит в конечной точке приемную лазерную станцию. Мы поговорим об этом в следующей главе.)

После того как сеть будет создана, можно представить себе, что Галактика наполнится потоками разумных существ, и в любой момент в самой отдаленной ее точке можно будет увидеть толпы прибывающих и отбывающих. Любая лазерная станция в этой сети будет выглядеть, как большой вокзал.

Как бы фантастично ни выглядела сегодня подобная картина, фундаментальная физика этой концепции уже достаточно хорошо проработана. Мы уже сегодня можем поместить в лазерный луч огромное количество информации, переслать ее через тысячи километров, а затем расшифровать. Так что основная проблема здесь не в теоретической физике, а в чисто технических инженерных препятствиях. Вероятно, только в следующем веке мы научимся отправлять полный коннектом человека по лазерному лучу, достаточно мощному, чтобы достичь других планет. На то, чтобы отправить человеческое сознание к звездам, потребуется, возможно, еще лет сто.

Чтобы посмотреть, насколько это все реально, полезно проделать несколько простых вычислений, что называется, «на салфетке». Первая проблема состоит в том, что фотоны в тонком лазерном пучке, хоть и кажутся идеально одинаковыми, движутся все же по чуть расходящимся траекториям. (В детстве я светил фонариком на Луну и гадал, доходит ли до нее мой свет. Правильный ответ: да, доходит. До 90% первоначального луча поглощает атмосфера, а что-то из оставшегося и правда доходит до Луны. Но настоящая проблема в том, что световое пятно от фонарика на Луне имеет несколько километров в поперечнике. Все дело в принципе неопределенности: даже лазерный луч должен медленно расходиться. Поскольку вы не можете знать, где в точности расположен лазерный луч, он, по законам квантовой физики, должен медленно расходиться со временем.)

Но передавать по лучу наши коннектомы на Луну особого смысла не имеет. Проще остаться на Земле и управлять лунным суррогатом по радио; задержка прохождения команды составит около секунды. Ощутимая польза от этой технологии будет при управлении суррогатами на дальних планетах, так как радиосообщение будет идти до суррогата от нескольких минут до нескольких часов. Чтобы отдать суррогату серию радиокоманд, когда после каждой команды, прежде чем отправлять следующую, нужно получить ответ, придется потратить, может быть, не один день.

Если мы захотим отправить лазерный луч на одну из дальних планет, нам сначала придется установить на Луне — далеко за пределами атмосферы, чтобы сигнал не поглощался воздухом, — батарею лазеров. Лазерный луч, отправленный на одну из планет Солнечной системы с Луны, прибудет на место через несколько минут или часов. Если он доставит туда коннектом, то управлять суррогатом можно будет непосредственно на месте, без всяких задержек.

Организовать в Солнечной системе сеть лазерных станций станет возможно, вероятно, к концу века. Но, если мы задумаемся об отправке коннектомов к звездам, проблем прибавится. Нам, наверное, придется ставить передающие станции на астероидах и дополнительные станции по пути, чтобы усилить сигнал, очистить его от помех и переслать на следующую станцию. Потенциально для этого можно было бы использовать кометы, уходящие далеко от Солнца в направлении соседних звезд. К примеру, на расстоянии около светового года от Земли (т.е. на расстоянии, составляющем четверть расстояния до ближайшей звезды) располагается облако Оорта[20]. Это сферическая оболочка из миллиардов комет, многие из которых неподвижно висят в пустом пространстве. Вероятно, аналогичное кометное облако окружает и звездную систему в созвездии Центавра, нашем ближайшем соседе. Считая, что это облако находится от своей звезды тоже на расстоянии светового года, получим, что уже половина расстояния до ближайшей звезды содержит стационарные кометы, на которых можно построить промежуточные лазерные передающие станции.

Еще одна проблема — объем информации, которую необходимо передать по лазерному лучу. По мнению доктора Себастьяна Сеунга, полное количество информации в одном коннектоме составляет приблизительно 1 зеттабайт (1020). Это примерно соответствует всей информации, содержащейся на сегодняшний день во Всемирной паутине. А теперь представьте себе батарею лазеров, выстреливающих в пространство лучи с этакой горой информации. Оптическое волокно способно пропускать терабайты (1011) информации в секунду. За следующие 100 лет развитие техники хранения информации, сжатия данных и объединения лазерных лучей в пучок приведет, вероятно, к увеличению эффективности передачи данных в миллион раз. Это означает, что на передачу информации, содержащейся в мозге человека, будет уходить несколько часов.

Проблема не просто в количестве информации, которое можно переслать по лазерному лучу. В принципе, такой луч может нести в себе неограниченное количество информации. Узкими местами станут приемные и передающие станции на том и другом конце — они должны быть оборудованы ключами, позволяющими манипулировать информацией с невероятной скоростью. Быстродействия кремниевых транзисторов для работы с такими объемами данных может и не хватить. Вместо этого нам, возможно, придется использовать квантовые компьютеры, основой которых служат не кремниевые транзисторы, а отдельные атомы. В настоящее время квантовые компьютеры только зарождаются, но к следующему столетию они могут стать уже достаточно мощными, чтобы справиться с зеттабайтами информации.

Первый контакт еще в этом столетии

Вопросы, надо сказать, далеко не академические. Учитывая замечательные успехи астрофизиков, мы вполне можем встретиться с представителями инопланетной цивилизации уже в ближайшие десятилетия. То, как мы отреагируем на такую встречу, может в значительной степени определить будущее человечества, а сама встреча — стать одним из самых ярких поворотных событий в истории цивилизации.

Несколько недавних достижений приближают этот исторический день.

Первое. В 2011 г. научный аппарат «Кеплер» впервые в истории дал астрономам надежные данные о планетах в нашей Галактике. Проанализировав свет тысяч звезд на избранной площадке неба, «Кеплер» выяснил, что вокруг каждой двухсотой звезды может обращаться землеподобная планета, причем в пригодной для жизни зоне. Так мы впервые смогли оценить количество звезд в Галактике, у которых могут быть планеты земной группы: около миллиарда. Глядя на далекие звезды, мы имеем полное основание думать о том, не смотрит ли в этот момент кто-нибудь на нас.

На данный момент при помощи земных телескопов изучено более тысячи экзопланет. (Астрономы сейчас находят их со скоростью примерно две в неделю.) К несчастью, почти все они относятся к группе планет-гигантов, лишенных, вероятно, всякой жизни, сколько-нибудь напоминающей земную. Есть, правда, и несколько «суперземель» — каменных планет в несколько раз больше Земли. А «Кеплер» уже сейчас обнаружил в своей зоне поисков около 2500 экзопланет-кандидатов, некоторые из которых очень похожи на Землю. Эти планеты обращаются вокруг своих солнц на таком расстоянии, которое допускает существование жидких океанов. А жидкая вода — это тот самый «универсальный растворитель», в котором растворяется большинство органических веществ, таких как ДНК и белки.

В 2013 г. ученые NASA объявили о самом впечатляющем открытии «Кеплера»: двух экзопланетах, которые можно считать практически двойниками Земли. Расположены они на расстоянии 1200 световых лет в созвездии Лиры. Они крупнее Земли всего лишь на 60 и 40% и лежат, что еще важнее, в пределах обитаемой зоны своих звезд; возможно, на них есть жидкие океаны. Из всех ранее исследованных планет они больше всего подходят на роль двойников нашей планеты.

Космический телескоп им. Хаббла дал нам оценку полного числа галактик в видимой части Вселенной: 100 млрд. Соответственно, мы можем подсчитать число землеподобных планет в видимой Вселенной: миллиард раз по 100 млрд, или сто квинтильонов землеподобных планет.

Это поистине астрономическое число, так что вероятность существования жизни во Вселенной астрономически высока, особенно если учесть, что Вселенной 13,8 млрд лет, и времени на развитие — и, возможно, падение — разумных империй было вполне достаточно. Вообще, было бы чудом, если бы во Вселенной не было другой развитой цивилизации.

Ответ Биллу Джою

Задним числом понятно, что угроза со стороны роботов и нанотехнологий далеко не так близка, как считал Билл Джой, и я сказал бы, что предупрежденное человечество успеет предпринять самые разные контрмеры (к примеру, запретить некоторые направления исследований, если они ведут к созданию неуправляемых роботов, или вставить в них специальные чипы для выключения в критических ситуациях, или разработать надежные устройства для иммобилизации в случае необходимости вообще всех роботов).

Более близкую угрозу несут биотехнологии, где опасность со стороны биомикробов, «улизнувших» из лаборатории, может оказаться вполне реальной. Более того, Рэй Курцвайль и Билл Джой совместно написали статью, где раскритиковали публикацию в открытой печати полного генома вируса испанки 1918 г. — одного из самых опасных убийц современности, погубившего больше людей, чем Первая мировая война. Исследовав тела и кровь жертв эпидемии, ученые восстановили давно погибший вирус, секвенировали его гены и опубликовали результаты в Интернете.

Меры предосторожности против случайного распространения таких опасных вирусов уже принимаются, но необходимо и дальше усиливать их и добавлять новые уровни безопасности. В частности, если новый вирус внезапно проявит себя в каком-нибудь отдаленном уголке мира, у ученых должны быть готовы команды быстрого реагирования, способные изолировать вирус в природе, секвенировать его гены, а затем быстро приготовить вакцину, которая поможет остановить его распространение.

Квантовое сознание?

Несмотря на великолепные успехи в сканировании мозга и высоких технологиях, некоторые утверждают, что мы никогда не раскроем тайны сознания, поскольку сознание выходит далеко за пределы возможностей нашей жалкой техники. С их точки зрения, сознание более фундаментально, чем атомы, молекулы и нейроны, и определяет саму природу реальности. Сознание для них — фундаментальная сущность, из которой соткан материальный мир. И чтобы доказать эту точку зрения, они ссылаются на один из величайших парадоксов науки, бросающий вызов самому определению реальности: парадокс, связанный с котом Шрёдингера. Сегодня не существует общепринятой точки зрения на эту проблему, и даже нобелевские лауреаты занимают разные позиции. Но и цена вопроса велика: на кон ставится ни много ни мало природа реальности и мысли.

Парадокс кота Шрёдингера лежит практически в основании квантовой механики — области науки, благодаря которой возможны лазер, МРТ-сканер, радио и телевидение, современная электроника, GPS и телекоммуникации. От нее зависит мировая экономика. Многие из предсказаний квантовой теории проверены до точности в одну стомиллиардную долю[23].

Всю свою профессиональную жизнь я работал над квантовой теорией. Да, я понимаю, что это колосс на глиняных ногах. Очень неприятно чувствовать, что работа всей моей жизни основана на теории, фундамент которой составляет парадокс.

В свое время дебаты на эту тему начал австрийский физик Эрвин Шрёдингер, один из отцов-основателей квантовой теории. Вообще-то он пытался объяснить странное поведение электронов, которые норовили продемонстрировать свойства то волны, то частицы. Как может электрон, точечная частица, следовать двум разным моделям поведения? Иногда электроны вели себя как частицы и оставляли хорошо заметный след в камере Вильсона. В других случаях электроны вели себя как волны, проходили сквозь крохотные отверстия и создавали волноподобные интерференционные картины, подобно волнам на поверхности пруда.

В 1925 г. Шрёдингер предложил свое знаменитое волновое уравнение, которое позже было названо его именем, — одно из важнейших уравнений всех времен. Оно сразу же стало сенсацией и в 1933 г. принесло Шрёдингеру Нобелевскую премию. Уравнение Шрёдингера точно описывало волновое поведение электрона, а в приложении к атому водорода прекрасно объясняло его странные свойства. Поразительно, но приложить его можно было к любому атому, причем при помощи уравнения удавалось объяснить большую часть особенностей периодической системы Менделеева. Создавалось впечатление, что вся химия (а значит, и вся биология) является не чем иным, как решениями этого волнового уравнения. Некоторые физики даже утверждали, что вся Вселенная со всеми звездами, планетами и даже с нами не что иное, как решение этого уравнения.

Но затем физики начали задавать вопрос, звучащий актуально даже сегодня: если электрон описывается волновой функцией, то что именно колеблется?

В 1927 г. Вернер Гейзенберг предложил новый принцип, расколовший физическое сообщество надвое. Знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что одновременно точно знать и положение электрона, и его импульс невозможно. Причем такая неопределенность не зависит от того, насколько грубы ваши инструменты, а изначально заложена в самой физике. Даже Бог или другое какое-нибудь небесное существо не в состоянии знать точное расположение и импульс электрона.

Так что волновая функция Шрёдингера на самом деле описывает вероятность нахождения электрона в данной точке. Ученые тысячи лет пытались устранить всякие случайности и вероятности из своей работы, а теперь вдруг Гейзенбергу вздумалось впустить их с черного хода.

Новую философию можно подытожить примерно таким образом: электрон — точечная частица, но вероятность его нахождения в данной точке задается волновой функцией. А волна эта подчиняется уравнению Шрёдингера и порождает принцип неопределенности.

Физическое сообщество раскололось. С одной стороны, собрались такие физики, как Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, и большинство атомных физиков с готовностью приняли новую формулировку. Почти ежедневно они объявляли о новых прорывах в исследовании свойств вещества. Нобелевские премии вручались, как «Оскары», и одна за другой доставались специалистам по квантовой физике. Квантовая механика потихоньку переходила в разряд руководства к действию. Не нужно было быть великим физиком, чтобы внести поистине звездный вклад: чтобы делать поразительные открытия, достаточно было просто следовать рецептам квантовой механики.

С другой стороны, нобелевские лауреаты старшего поколения, такие как Альберт Эйнштейн, Эрвин Шрёдингер и Луи де Бройль, поднимали философские вопросы. Шрёдингер, с работ которого, собственно, и начался процесс, жаловался: знай он, что его уравнение впустит в физику вероятности, никогда бы не стал вводить его.

Физики затеяли спор, который продлился 80 лет и продолжается до сих пор. С одной стороны, Эйнштейн заявил, что «Бог не играет в кости с миром». С другой стороны, Нильс Бор, как рассказывали, ответил: «Перестаньте указывать Богу, что он должен делать».

В 1935 г. Шрёдингер, пытаясь раз и навсегда покончить с квантовой физикой, предложил свой знаменитый мысленный эксперимент с котом. Помещаем кота в запечатанный ящик вместе с контейнером, содержащим ядовитый газ. Там же, в ящике, находится крохотный кусочек урана. Атом урана нестабилен и при распаде испускает частицы, которые можно зарегистрировать счетчиком Гейгера. Счетчик включает механизм, который опускает молоток на стеклянный контейнер с газом; стекло разбивается, газ выходит и убивает кота.

Как при этом можно описать кота? Специалист по квантовой физике сказал бы, что атом урана описывается волновой функцией, которая может распасться или не распасться. Поэтому нам следует сложить две волны. Если атом урана сработает, кот умрет; этот случай описывается одной волновой функцией. Если уран не сработает, кот будет жить, и этот случай тоже описывается функцией. Таким образом, чтобы описать кота, вам придется сложить волновые функции живого и мертвого кота.

Это означает, что кот и не жив, и не мертв! Он находится в промежуточном состоянии между жизнью и смертью и представляет собой сумму волновой функции, описывающей мертвого кота, и волновой функции, описывающей живого.

В этом суть проблемы, почти век гремевшей всюду, где есть физики. Как разрешить этот парадокс? Существует по крайней мере три способа (и сотни их вариантов).

Первая — это оригинальная копенгагенская интерпретация, предложенная Бором и Гейзенбергом; именно ее обычно излагают в учебниках. (Я тоже начинаю с нее, когда преподаю квантовую механику.) В ней утверждается: чтобы определить состояние кота, вы должны открыть ящик и произвести измерение. Волновая функция кота (сумма функций живого и мертвого кота) в этот момент схлопывается в единственную волновую функцию, и становится известно, жив кот в данный момент или мертв. Таким образом, наблюдение определяет существование и состояние кота. Именно процесс измерения отвечает за то, что две функции волшебным образом растворяются и превращаются в одну.

Эйнштейну это очень не понравилось. Столетиями ученые боролись с позицией, известной как «солипсизм» или «субъективный идеализм», согласно которой объекты не могут существовать, если вокруг нет никого, кто мог бы наблюдать их. Лишь сознание реально — материальный мир существует только в сознании в виде идей. Так, говорят солипсисты (к примеру, епископ Джордж Беркли), если дерево упадет в лесу, но никого не окажется рядом, чтобы это увидеть, то, может, дерево и не упадет. Эйнштейн, считавший подобные рассуждения чистой чепухой, выступал с противоположной позиции так называемой «объективной реальности», согласно которой Вселенная существует в уникальном и вполне определенном состоянии, которое не зависит ни от каких человеческих наблюдений. Именно эту точку зрения подсказывает большинству людей здравый смысл.

Объективная реальность восходит к Исааку Ньютону. В этом сценарии атом и субатомные частицы похожи на крохотные стальные шарики, существующие в определенных точках пространства и времени. Нет никакой двойственности, никакой вероятности в определении положения этих шариков, движения которых определяются соответствующими физическими законами. Объективная реальность замечательно описывала движение планет, звезд и галактик. Если добавить относительность, она может описывать также черные дыры и расширяющуюся Вселенную. Но есть одно место, где она отказывает, и это место — внутри атома.

Классические физики вроде Ньютона и Эйнштейна считали, что объективная реальность окончательно изгнала солипсизм из физики. Журналист Уолтер Липпман так описал ситуацию: «Радикальная новизна современной физики заключается именно в отрицании веры… в то, что силы, движущие звездами и атомами, согласуются в предпочтениями человеческого сердца».

Но квантовая механика впустила в физику новую форму солипсизма. В этой картине дерево до наблюдения может существовать в любом возможном состоянии (живом, сгоревшем, спиленном, сгнившем, в виде зубочисток и т.п.). Но если вы посмотрите на него, его волновая функция внезапно схлопнется и дерево станет деревом. Прежние солипсисты говорили о деревьях, которые то ли падают, то ли нет. Новые квантовые солипсисты ввели в рассмотрение все возможные состояния дерева.

Для Эйнштейна это было слишком. Он нередко задавал своим гостям вопрос: «Неужели Луна существует потому, что на нее смотрит мышь?» Для квантового физика ответ в определенном смысле может быть «да».

Эйнштейн и его коллеги нападали на Бора с вопросом: как может квантовый микромир (где коты бывают одновременно живыми и мертвыми) сосуществовать с миром здравого смысла, который все мы видим вокруг? Ответ был такой: наш мир от мира атомов отделяет «стена». По одну сторону стены правит здравый смысл. По другую — квантовая теория. Стену при желании можно передвинуть, но результат будет тот же.

Эту интерпретацию, какой бы странной она ни казалась, специалистам по квантовой физике преподавали 80 лет. Не так давно в отношении копенгагенской интерпретации возникли некоторые сомнения. Сегодня у нас есть нанотехнологии, при которых мы манипулируем отдельными атомами. На экране сканирующего туннельного микроскопа атомы похожи на пушистые теннисные мячики. (Во время съемок сюжета для BBC-TV мне довелось попасть в лабораторию Almaden фирмы IBM в Сан-Хосе (штат Калифорния) и даже подвигать отдельные атомы при помощи крохотного зонда. Сегодня мы можем играть с атомами, а ведь когда-то считалось, что они настолько малы, что даже увидеть их человеку никогда не удастся.)

Как мы уже говорили, век кремния медленно подходит к концу, и кое-кто считает, что на смену кремниевым транзисторам придут молекулярные. Если так, то парадоксы квантовой теории лягут в фундамент каждого компьютера будущего. Когда-нибудь на них, возможно, будет основана мировая экономика.

[1] Чтобы убедиться в этом, определим «сложность» через общее количество хранимой информации. Ближайшим соперником нашего мозга может считаться ДНК, т.е. информация, в ней содержащаяся. В нашей ДНК три миллиарда пар оснований, причем каждая из них содержит один из четырех нуклеотидов (обозначаемых как A, T, C, G). Таким образом, полное количество информации, которое может содержаться в ДНК человека, равно четырем в степени три миллиарда. Но мозг с его 100 млрд нейронов, каждый из которых может либо сработать, либо нет, вмещает гораздо больше информации. Следовательно, у мозга существует два в степени 100 млрд возможных начальных состояний. Но ДНК статична, а состояние мозга меняется каждые несколько миллисекунд. Простая мысль может включать в себя около 100 поколений нейронных срабатываний. Следовательно, два в степени 100 млрд нужно возвести еще в сотую степень (число последовательных срабатываний в одной мысли). Но нейроны мозга работают постоянно, днем и ночью, так что количество мыслей, способных уместиться в N поколений, составляет два в степени 100 млрд в степени N — поистине астрономическое число. Таким образом, количество информации, которую может вместить человеческий мозг, намного превышает количество информации, содержащееся в ДНК. Более того, наш мозг — самое емкое вместилище информации в Солнечной системе и, возможно, в нашем секторе Галактики. — Прим. авт.

© Michio Kaku, 2014

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2015

© Электронное издание. ООО «Альпина Паблишер», 2015