Целостность мироздания

«Итак, когда нас что-либо не удовлетворяет в ходе вещей, то возникает это из недостатка нашего понимания. Ибо невозможно, чтобы всякий ум всё понимал отчетливо, и для наблюдающего только некоторые части целого (преимущественно перед остальными) не может быть видна гармония этого целого» (Готфрид Лейбниц: «Порядок есть в природе»).

«Как прекрасно почувствовать единство целого комплекса явлений, которые при непосредственном восприятии кажутся разрозненными» (Альберт Эйнштейн).

«Неразрывное единство мироздания проявляется не только в мире бесконечно малого, но и в мире сверхбольшого» (Эрнст Мах).

С формальной точки зрения, нейронаука (англ. neuroscience), или наука о мозге, и современная космология относятся к двум очень далеким друг от друга областям научного знания. Но с холистической позиции, все явления и объекты мира существуют и имеют смысл только как части целого. На фундаментальном уровне мир един и неделим, но мы воспринимаем его дискретно, как будто он состоит из отдельных частей. Принципу холизма не противоречит и общепринятая в науке теория большого взрыва, согласно которой мир, каким мы его знаем сейчас, возник из состояния сингулярности (от лат. singularis «единственный, особенный»). То есть из этого изначального сверхплотного состояния произошло всё, что мы называем Вселенной, включая человека, его мозг, разум и сознание. Если это так, то все организованные структуры в мире (от нейрона и нейронных сетей до галактики и галактических скоплений) формируются и развиваются по общим законам.

Группа ученых из Калифорнийского университета (Сан-Диего, США), возглавляемая Дмитрием Крюковым, занимается исследованием разных сетевых структур. С помощью компьютерного моделирования им удалось выяснить, что социальные сети и интернет формируются на основе тех же принципов, что и головной мозг. Затем ученые решили узнать, характерно ли это для всех сетей вообще, вне зависимости от их вида и размера. Объектом их исследования стала самая большая и самая древняя сетевая структура – наша Вселенная. Компьютерная симуляция развития ранней Вселенной показала, что по мере ее расширения увеличивалось и количество связей между частицами материи в галактиках. Сравнив картину формирования компьютерной Вселенной с моделями устройства социальных сетей и роста отдельных участков головного мозга, исследователи с удивлением обнаружили принципиальное сходство процессов их развития. Во всех сетевых структурах, будь это интернет, головной мозг или Вселенная, отдельные элементы связываются прежде всего не между собой, а с уже имеющими многочисленные связи крупными узлами. Результаты этой научной работы были опубликованы в 2012 году. Ученые уверены, что поразительное сходство разных по виду и размеру сетей не может быть просто совпадением. Вероятнее всего, что все сетевые структуры развиваются по одним и тем же неизвестным науке законам.

Несколько ранее, в 2011 году, иранские ученые Сейед Хади Анамруз, Дуглас Макконнелл и Хассан Азари из Университета медицинских наук города Керман опубликовали в международном журнале Physical Sciences итоги своего совместного исследования. Их работа представлена в виде сравнительного обзора теоретических и наблюдательных концептуализаций космической истории. Ученые попытались сформулировать основные законы космологии в рамках единой биологической системы, то есть предложили описание Вселенной с точки зрения клеточной биологии. Сейед Хади Анамруз и его коллеги утверждают, что черная дыра, расположенная в центре галактики, напоминает ядро клетки. А горизонт событий вокруг черных дыр напоминает ядерную мембрану. Он двухслойный, как и ядерная мембрана, не позволяет ничему, что вошло в дыру, выйти из нее. А ядерная мембрана защищает клетку и регулирует обмен веществ между ядром и его окружением. Черные дыры и клетки организма имеют еще одно общее свойство – электромагнитное излучение. «Почти всё, что существует в макромире, – заявляют исследователи, – отражается в биологической клетке как микромир. Проще говоря, Вселенная может быть изображена как клетка». Ученые допускают возможность существования неисчислимого множества вселенных, каждая из которых обладает своим набором физических законов. Они возникают из черных дыр, достигших пределов массы и плотности и перешедших в состояние сингулярности или «генома» будущей вселенной. Сначала новая вселенная расширяется, а после завершения цикла своего существования разрушается. «Возможно, – предполагают ученые, – согласно известной формуле Эйнштейна E=mc², метафизические и физические судьбы, воплощенные в энергии и материи, являются двумя обратимыми формами одного и того же». По мнению иранских ученых, современная космология нуждается в разработке новых исследовательских стратегий. Наиболее перспективной стратегией, способной сыграть революционную роль в развитии космологии, они считают голографическое моделирование. Статья исследователей под красноречивым названием «Сотовая вселенная: новая космологическая модель, основанная на голографическом принципе» посвящена раскрытию и обоснованию идеи голографического устройства Вселенной.

Концепцию голографической Вселенной предложил более сорока лет назад Дэвид Бом, специалист в области квантовой физики и любимый ученик Эйнштейна. В отличие от Нильса Бора, он не считал квантовую теорию завершенной и удивлялся, что Бор и его коллеги не уделяют должного внимания вопросу взаимосвязанности в микромире. В начале сороковых годов, еще будучи студентом Калифорнийского университета в Беркли, Дэвид Бом работал в Лоренсовской радиационной лаборатории (Lawrence Berkeley Radiation Laboratory). Там он занимался исследованием плазмы – газа, состоящего из большого количества электронов и положительно заряженных ионов и атомов. Поведение электронов в плазме его крайне озадачило: они вели себя не как отдельные частицы, а как организованные части единой системы. Плазма напоминала живой организм, она регенерировала себя и окружала оболочкой все попадающие в нее инородные тела. Спустя несколько лет, в период работы в Принстонском университете, Дэвид Бом, исследуя поведение электронов в металлах, обнаружил, что их движение только кажется хаотичным, а на самом деле в целом имеет высокоорганизованный характер. Он столкнулся с такой же ситуацией, как и при изучении плазмы: наблюдалась согласованность не только двух электронов, но целого океана электронов, каждый из которых будто знал, что делают остальные электроны. Коллективные движения элементарных частиц Бом назвал плазмонами. Это открытие поставило его в один ряд с выдающимися физиками.

После нескольких лет преподавания квантовой физики в Принстонском университете Дэвид Бом решил написать учебник, чтобы лучше разобраться в предмете. Его книга «Квантовая теория», вышедшая из печати в 1951 году, сразу приобрела статус классического изложения копенгагенской интерпретации квантовой механики. Она получила широкое признание среди физиков и была высоко оценена самим Эйнштейном. Но Бом понимал, что некоторые принципиальные вопросы так и остались без ответа, и поэтому продолжил поиск альтернативного объяснения связанности элементарных частиц. То, которое давала интерпретация квантовой механики, сформулированная Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, его не удовлетворяло. Дэвид Бом предположил, что субатомные частицы существуют и в отсутствие наблюдателя, а за пределами описанной Бором реальности есть не открытая наукой более глубокая реальность. Исходя из этих допущений, Бом постулировал существование поля на субквантовом уровне, которое назвал квантовым потенциалом. Это гипотетическое поле, по мнению Бома, пронизывает, как и гравитация, всё пространство, но его действие, в отличие от действия других полей, не ослабевает с расстоянием. Сила квантового потенциала, несмотря на его тонкую природу, равномерно распределена по всему пространству. Свой альтернативный взгляд на квантовую механику Дэвид Бом сформулировал и опубликовал в 1952 году. Позже его теорию, предполагающую существование более тонких уровней реальности, назвали причинной интерпретацией квантовой механики (также она известна как интерпретация Бома, квантовая теория с нелокальными скрытыми переменными, механика Бома, теория волны-пилота, теория де Бройля – Бома).

Отношение физиков к идеям Бома было в подавляющем большинстве отрицательным. Его яростно критиковали, а некоторые даже отказались рассматривать предложенную теорию, потому что точка зрения Бора настолько укоренилась в сознании физиков, что они не допускали саму возможность альтернативы ей. Подход Бома казался им непростительной ересью. В общем, это было похоже на сражение не столько физиков, сколько философов. Но, несмотря на острые атаки критиков, Бом стоял на своем. Некоторые физики, вопреки негодующему большинству, всё же заинтересовались «сумасбродными» идеями Бома. Среди них оказался и начинающий физик-теоретик Джон Стюарт Белл, ставший впоследствии известным ученым. Будучи уже знаменитым автором теоремы Белла (она же «неравенства Белла»), он вспоминал: «В 1952 г. я увидел статью Бома. В ней он предлагал ввести некоторые переменные, чтобы дополнить квантовую механику. Это было впечатляюще». Белл понял, что теория Бома предполагает наличие нелокальности. Он сразу же задумался над проблемой ее экспериментальной проверки, но только в 1964 году сумел полностью сосредоточиться на решении этой задачи. Вскоре ему удалось найти математическое обоснование эксперимента. Единственным препятствием для его осуществления был тогдашний уровень развития техники, не позволявший обеспечить необходимую точность измерения. С появлением соответствующих технических возможностей выполнение неравенств Белла многократно проверялось различными группами ученых. Первые успешные эксперименты были проведены в 1972 году Стюартом Фридманом и Джоном Клаузером. В 1981 году эксперимент осуществила группа ученых, которую возглавлял Ален Аспэ (Alain Aspect). Они использовали более совершенную технику, чтобы полностью соответствовать постановке задачи Белла. В последующие годы эксперименты усложнялись с целью добиться большей точности и чистоты. Опыты по проверке теоремы продолжаются до сих пор. Однако все они так или иначе подтверждают предположение Бома, что мир по своей природе нелокален.

Дэвид Бом был не только выдающимся физиком, но и глубоким мыслителем. Он понимал, что мировоззренческая позиция большинства ученых оказывает серьезное влияние на общий ход развития науки. Многие постулаты классической науки создавали препятствия новым идеям. Одним из таких постулатов было допущение, что любая теория, квантовая в том числе, может быть законченной. Но если природа бесконечна в своих проявлениях, рассуждал Бом, то ни одна теория не способна объяснить ее до конца. Поэтому отказ от подобных допущений пошел бы только на пользу научному поиску. Пытаясь обосновать конкретное следствие, наука ограничивается одной или несколькими причинами и игнорирует при этом множество остальных. Тогда как любое следствие может быть обусловлено огромной вереницей причин. Бом считал, что ученый всегда должен помнить, что ни одно из причинно-следственных отношений не возникает и не существует само по себе, все они взаимосвязаны и взаимозависимы. В действительности ничего нельзя отделить от Вселенной. На эту тему Дэвид Бом написал книгу под названием «Причинность и вероятность в современной физике», которая была опубликована в 1957 году.

Физики в целом сдержанно отреагировали на идеи Бома, дополняющие общепринятую интерпретацию квантовой механики. Большинство ученых отвергало существование нелокального взаимодействия. Оно не вписывалось в классическую картину мира и казалось абсурдным в контексте проверенных физических законов. Бом вынужден был приостановить дальнейшие исследования в этом направлении. В шестидесятые годы он сосредоточился на изучении порядка. Есть две категории классических объектов: упорядоченные и неупорядоченные. Упорядоченными называют объекты, части которых находятся в упорядоченном состоянии, а неупорядоченными – части которых находятся в неупорядоченном состоянии. Например, снежинки, какие-либо механические или электронные устройства, живые организмы – это упорядоченные объекты, а разбитая тарелка на полу, разобранный автомобиль или обрушенное здание – это неупорядоченные объекты. Углубившись в изучение закономерностей порядка, Бом обнаружил различные степени его проявлений. Всегда есть что-то более упорядоченное, чем остальное, и эта иерархия порядка продолжается до бесконечности. Он пришел к заключению, что вещи, которые кажутся нам неупорядоченными, могут таковыми и не являться. Возможно, порядок этих вещей имеет недоступную для нашего восприятия величину, и поэтому для нас они становятся неупорядоченными.

Как-то в одной из телевизионных передач Дэвид Бом увидел демонстрацию интересного опыта, который удивительным образом подтверждал его собственные умозаключения о природе порядка. В цилиндрический прозрачный сосуд, наполненный глицерином, помещали каплю чернил. Сосуд был устроен таким образом, чтобы его можно было вращать вокруг собственной оси. Вращение в одну сторону приводило к тому, что капля расползалась и исчезала, но вращение в обратном направлении восстанавливало исчезнувшую каплю. «Странный» эффект возвращения капли в исходное состояние показался Бому замечательным примером того, что порядок может быть как проявленным (явным), так и скрытым (имплицитным). «Этот опыт, – писал он, – поразил меня тем, что в точности соответствовал моим представлениям о порядке, то есть когда чернильное пятно расползалось, оно все-таки имело «скрытый» (то есть непроявленный) порядок, который проявлялся, как только капля восстанавливалась. С другой стороны, на нашем обычном языке мы сказали бы, что чернила были в состоянии «беспорядка», растворившись в глицерине. Этот опыт привел меня к новому определению порядка».

Поведение чернильной капли подтверждало все предыдущие выводы Дэвида Бома, к которым он пришел, изучая движение электронов в плазме и металлах. Он понимал, что все эти явления подчиняются какому-то общему принципу, и искал способ объяснить свою догадку, не вступая в противоречие ни с общей теорией относительности, ни с квантовой механикой. Бом заинтересовался методом объемной фотографии, который был предложен Деннисом Габором в 1947 году. Этот необычный фотографический метод, который назвали голографией, стал интенсивно развиваться уже после создания в 1960 году первых лазеров. Первоначально в качестве источника света использовались газоразрядные лампы, которые, в отличие от лазеров, не обладали стабильной длиной электромагнитной волны в достаточном временном диапазоне и поэтому не могли обеспечить приемлемое качество изображения. Голографический метод позволяет с помощью лазера регистрировать, а затем восстанавливать с очень высокой степенью точности изображения трехмерных объектов. Интерференционные изображения на голографической фотопластинке кажутся хаотичными для невооруженного глаза. Однако голограмма обладает скрытым порядком, как и расплывшаяся в глицерине чернильная капля, и плазма, в которой движения электронов кажутся случайными, но на самом деле имеют высокоорганизованный характер.

Голограмма стала для Бома мощной метафорой, наглядно объясняющей его понимание порядка. Чем больше он размышлял об этом, тем сильнее утверждался в идее, что устройство Вселенной основано на голографическом принципе. Бом предположил, что наша обычная реальность представляет собой некое подобие голографического изображения. Эта иллюзорная видимость физического мира возникает из более глубокого порядка бытия. Изначальный уровень реальности Бом назвал имплицитным, или скрытым, порядком, а наш повседневный уровень существования – эксплицитным, или раскрытым, порядком. Проявление и исчезновение любых физических форм – это результат беспрерывного и бесконечного процесса развертывания и свертывания двух порядков. Поэтому Бом предпочитал говорить о Вселенной не столько как о голограмме, сколько как о голономном движении (англ. holonomic movement).

В рамках своей концепции Бом нашел объяснение многим загадкам квантовой механики, даже такому «каверзному» явлению, как квантовая запутанность. Он был уверен, что элементарные частицы мгновенно взаимодействуют на сколь угодно большом расстоянии не потому, что обмениваются информацией со сверхсветовой скоростью, а потому, что их разделённость иллюзорна. Частицы кажутся нам отдельными объектами по той причине, что мы воспринимаем лишь часть действительности, тогда как они являются продолжением, или проекцией, более фундаментального единства, которое остается для нас невидимым. Также Бом по-своему объяснил влияние наблюдателя на субатомный мир. Отвергая идею Бора, что элементарные частицы существуют только в момент их наблюдения, он всё же признавал связь сознания и физической материи. Однако он был уверен, что большинство физиков заблуждается, разделяя реальность на части и утверждая, что сознание и элементарная частица взаимодействуют как две независимые сущности. Если все вещи – это не отдельные объекты, а аспекты голономного движения, то тогда нет смысла говорить о взаимодействии сознания и материи. Скорее можно сказать, что наблюдатель и есть само наблюдаемое. Наблюдателя невозможно отделить от всего, с чем он связан в момент наблюдения: это и измерительные приборы, и сама лаборатория, и результаты эксперимента, и даже то, что он ощущает, чувствует и думает. Сознание имеет материальную природу, но это тонкая форма материи, которая взаимодействует с другими формами не на нашем уровне реальности, а на уровне имплицитного порядка. Сознание присутствует всюду и всегда, во всех степенях свертывания и развертывания материи. Как заметил Бом: «Способность формы быть динамичной – это наиболее характерный признак сознания, и мы уже видим нечто сознательное в поведении электрона».

В естественных науках принято разделять все материальные объекты на живые и неживые. Бом считал ошибочным такое деление. Жизнь, как и сознание, присутствует в скрытом или раскрытом состоянии во «всей ткани вселенной», во всём, что мы привыкли абстрактно вычленять из голодвижения и ошибочно определять как независимые объекты. Поскольку всё состоит из элементарных частиц, а их разделенность и объектность – это иллюзия, то все вещи в мире на фундаментальном уровне бесконечно взаимосвязаны. Природа являет собой неразрывную паутину, в которой всё взаимодействует со всем. А там, где ничто не отделено друг от друга, даже время и пространство теряют качество основы и становятся не более чем проекциями. На этом глубинном уровне реальности прошлое, настоящее и будущее существуют одновременно. Мало того, мы не можем быть уверенными, что на этом строение Вселенной заканчивается. Возможно, голографический уровень – это лишь одна из ступеней бесконечной эволюции. Первые статьи на эту тему Дэвид Бом опубликовал в начале семидесятых годов, а законченный труд, представляющий радикально новую картину мироздания, был издан в 1980 году под названием «Целостность и имплицитный порядок».

Грандиозная цель

«Мы всё еще живем в периоде детства человечества. Все эти горизонты начинают зажигаться в наши дни: молекулярная биология, ДНК, космология. Мы просто дети, ищущие ответа» (Джон Уилер).

Первые компьютерные модели нейронных сетей разрабатывались еще в середине XX века. Тогда же появился термин «нейронная сеть». Сформировалось два исследовательских направления: изучение биологических процессов в головном мозге и использование нейронных сетей для создания искусственного интеллекта. К сожалению, полвека назад компьютеры не обладали достаточной для этих целей вычислительной мощностью, и это стало серьезным препятствием в работе ученых. К концу шестидесятых годов интерес к изучению нейронных сетей значительно ослабел. Дальнейшие исследования активизировались лишь с появлением компьютеров, способных эффективно обрабатывать необходимые для больших нейронных сетей объемы данных. Несмотря на то что за последние 10–15 лет были получены обнадеживающие промежуточные результаты в обоих направлениях исследований, многие ученые настроены весьма скептически в отношении принципиальной решаемости поставленных задач в обозримой перспективе из-за технической неготовности современной науки реализовывать исследовательские проекты такого масштаба. Да, нынешние суперкомпьютеры по своим вычислительным возможностям смешно даже сравнивать с первыми ЭВМ, но даже их мощностей оказалось недостаточно для создания полноценной компьютерной модели человеческого мозга. Отобразить всю сложность его устройства и функционирования методом компьютерного моделирования, возможно, когда-нибудь в будущем и удастся, но для проведения необходимых для этого вычислений потребуются принципиально иные компьютеры. Мозг человека содержит около ста миллиардов нейронов. Их несколько сотен видов. Это сопоставимо с количеством звезд в галактике или количеством галактик в наблюдаемой Вселенной. Все нейроны создают в постоянном взаимодействии примерно тысячу триллионов синаптических связей, что равнозначно количеству секунд в тридцати миллионах лет. В целом, число состояний всей системы человеческого мозга превышает количество атомов в известной нам Вселенной. Это самый сложный и загадочный объект научных исследований. Семь десятилетий назад ученые еще не могли адекватно оценить объемы предстоящей работы. Осознание грандиозности цели вызревало долгие годы. Пожалуй, на сегодня это самое важное достижение среди всех остальных, как в области компьютерного моделирования нейронных сетей головного мозга человека, так и в исследованиях, нацеленных на создание искусственного интеллекта. Оба направления взаимозависимы. Развитие каждого из них требует одних и тех же технических условий. И успех одного невозможен без успеха другого.

Тем, кто не интересовался научной проблематикой, может показаться, что изучать мозг проще и легче, чем устройство физической Вселенной: он осязаем, его можно очень точно измерить и взвесить, можно препарировать и даже превратить в кашицу с целью скрупулезного подсчета нейронов, а вот узнать структуру и состав космических объектов таким способом нельзя. Но это некорректное представление. Во-первых, все эти манипуляции уместны лишь для тканевого уровня исследований, а во-вторых, ученые уже давно научились неплохо измерять и взвешивать космические объекты, определять их химический состав и другие характеристики без необходимости тактильного контакта с ними. В целом же, исследование мозга сопровождается ничуть не меньшим набором сложностей и препятствий, чем изучение законов Вселенной. Ведь внутренние живые процессы, происходящие на клеточном, молекулярном и атомарном уровнях мозга, настолько же удалены от наблюдающего их нейробиолога, насколько удалены от астрофизика наблюдаемые им галактики и звёзды.

В 2005 году стартовал нейрологический проект Blue Brain. Его участники поставили амбициозную цель: создать компьютерную симуляцию человеческого мозга. К 2007 году им удалось разработать самую сложную на то время компьютерную модель головного мозга в мире. Но не человеческого, а крысиного. И не всего мозга, а лишь небольшого участка соматосенсорной коры – области, которая связана с чувством осязания крысы. Модель представляет собой симуляцию 31 000 нейронов головного мозга, которые связаны между собой 37 миллионами синаптических связей. Но даже при симуляции одного небольшого участка крысиного мозга суперкомпьютер Blue Gene, использовавшийся в проекте Blue Brain, вынужден был совершать около миллиарда вычислений каждые 25 микросекунд (или 0,025 миллисекунды). Симуляция же человеческого мозга требует обеспечить в миллиард раз больше вычислений. Самые мощные в мире компьютеры на это еще не способны. Конечно, если главная цель проекта и будет достигнута, то не скоро. Большинство нейрологов сомневаются в успехе смелого начинания, но исследователей не смущает скептическое отношение коллег, они полны решимости добиться своей цели. «Это большой вызов для суперкомпьютеров, но мы работаем в тесном сотрудничестве с IBM, чтобы улучшить технологию», – заявил несколько лет назад в интервью журналу Nature нейробиолог Генри Маркрэм, который руководил проектом Blue Brain. Сейчас Генри Маркрэм возглавляет европейский мегапроект по моделированию человеческого мозга Human Brain Project (HBP). В нем принимают участие более ста научных групп со всего мира. В 2013 году HBP получил от Еврокомиссии грант на один млрд евро. К 2023 году участники проекта планируют синтезировать всё знание о человеческом мозге в единой полноценной компьютерной модели. На сегодня ученым из HBP удается моделировать активность почти миллиона нейронов.

Существуют и другие проекты, моделирующие с помощью суперкомпьютера деятельность мозга в реальном времени. В 2013 году администрацией президента Обамы был одобрен проект Brain Initiative, он же Brain Activity Map Project (BAMP). В течение десяти лет на его финансирование запланировано выделить из федерального бюджета США три миллиарда долларов. До 2023 года американские ученые намереваются зафиксировать и картографировать активность всех нейронов человеческого мозга. Для достижения поставленной цели ученые собираются применять не только апробированные методы, но и совершенно новые, основанные на нанотехнолигиях. Информацию об активности нейронов и синапсов из мозга живого человека будут передавать в компьютер с помощью беспроводной связи нанороботы. К картированию мозга человека ученые приступят уже после того, как добьются успеха в составлении виртуальной карты нейронных взаимодействий (коннектома), происходящих в реальном времени в мозгу плодовой мухи дрозофилы и некоторых других насекомых и животных. Проект Human Connectome Project (HCP), инициированный в 2009 году Национальным институтом здоровья США, тоже нацелен на наиболее полное картирование связей между нейронами человеческого мозга. Термин «коннектом», который присутствует в названии этого проекта, появился в научном лексиконе в 2005 году для обозначения карты нейронных соединений в мозге или полного описания структуры связей в нервной системе организма. Первым был полностью описан коннектом червя-нематоды Caenorhabditis elegans. Длина этой свободноживущей нематоды составляет меньше одного миллиметра, а нервная система насчитывает всего триста два нейрона и около семи тысяч соединений. Тем не менее, для определения коннектома простого почвенного червя потребовалось двенадцать лет коллективного научного труда. Исследования начались в 1974 году, а результаты картирования были опубликованы в 1986 году. К концу девяностых годов был секвенирован геном Caenorhabditis elegans. Он содержит приблизительно двадцать тысяч генов, а длина его составляет примерно сто миллионов пар оснований. Сейчас круглый червь Caenorhabditis elegans считается наиболее изученным среди всех живых организмов, но и спустя тридцать лет после описания его коннектома (очень простого, кстати, по сравнению с человеческим) ученые по-прежнему не знают, как нервная система червя формирует его поведение. Учитывая эти факты, можно представить, насколько сложную задачу пытаются решить участники Human Connectome Project, Brain Activity Map Project, Human Brain Project и других подобных проектов. Некоторый оптимизм вселяет объем финансирования всех нейропроектов – примерно тридцать миллиардов долларов. И он имеет тенденцию к увеличению. Это помимо текущего финансирования нейронаук. Только в США на их развитие выделяется ежегодно семь миллиардов долларов. Так или иначе, в течение ближайших десятилетий можно ожидать серьезного прорыва в этом направлении исследований.

В 2012 году журнал Science опубликовал результаты исследования, проводившегося в рамках проекта Human Connectome Project. Ученые с помощью нового мощного сканера смогли «добраться» не только до структуры коры головного мозга, но и до более глубоких его структур. Они с удивлением обнаружили совсем не то, что предполагали: базовая структура мозга оказалась не запутанным лабиринтом поворотов и изгибов, а простой трехмерной сеткой. В сканере, которому дали амбициозное название «Connectom», задействована новая технология: диффузная спектральная томография (DSI). Это вариант магнитно-резонансной томографии (MRI), в которой магнитное поле используется для составления схемы жидкости, содержащейся в нейронных волокнах. В результате получается схема из пересекающихся паттернов. Технология DSI использовалась и ранее, но мощное магнитное поле, которым обладает сканер «Connectom», позволило существенно увеличить разрешение изображения: оно стало в десять раз больше, чем у конвенциональных сканеров. Ученые просканировали мозг у четырех умерших обезьян, относящихся к разным видам, а также мозг живого человека. После обследования основных ветвей мозга ученые, манипулируя масштабом изображения, пошагово изучали другие ветви. Выяснилось, что ветви мозга перпендикулярно пересекаются, образуя тем самым двухмерные полосы, напоминающие линии шахматной доски. В свою очередь, эти двухмерные полосы пересекаются со смежными двухмерными полосами. Таким образом формируется трехмерная сетка. И не только в коре головного мозга, но и в более глубоких его слоях, в том числе в центрах памяти и эмоций. Исследование показало, что сетчатая структура мозга наблюдается как у человека, так и у обезьян. «Схема мозга не похожа на электропроводку, которая требует лишь правильного соединения конечных точек, – объясняет Ван Веден, руководитель данного исследования. – Точнее сказать, сетчатая структура – это язык мозга; она выполняет работу по образованию нейронных соединений мозга, одновременно модифицируя его». Глубинные соединения мозга похожи на аккуратно распределенные линии «проводов». Формирование сетчатого паттерна происходит в процессе перпендикулярного пересечения параллельно расположенных групп нейронов. Предполагается, что трехмерная сетка с ее прямыми линиями и правильными углами служит простой трафаретной основой, по которой формируются под влиянием генетических, патологических или внешних факторов новые соединения нейронов.

Нейрологам еще многое предстоит узнать о человеческом мозге, впрочем, как и космологам – о Вселенной. Нераскрытые пока тайны жизни, разума, сознания, странности и парадоксы мира субатомных частиц, загадки космоса с его невообразимыми пространственно-временными масштабами интригуют философов и психологов, побуждают к дальнейшему поиску биологов, физиков и астрономов, вдохновляют писателей-фантастов и футурологов. А всё, что уже известно о мозге и Вселенной, дает пищу к размышлению и толчок к созидательному действию пытливым, любознательным и творческим людям. Наши представления о себе и мире меняются под влиянием новых научных открытий.

Путь к изучению космоса

«Из всех заблуждений человеческого духа самым чудным казалось мне всегда то, как дошел он до сомнения в своем собственном существе, которое он один непосредственно переживает, или как попал он на мысль возвратить себе это существо в виде подарка со стороны той внешней природы, которую мы знаем только из вторых рук, именно посредством нами же отринутого духа» (Рудольф Герман Лотце).

Идея о подобии человека (микрокосма) и вселенной (макрокосма) известна с давних времен. Она отражена во многих философских и мистических учениях как Востока, так и Запада. Свами Вивекананда, индийский философ Веданты и йоги, писал: «Согласно индийской философии, условий проявления всей нашей Вселенной два – имя и форма. В человеческом Макрокосме не может быть ни одной волны умственной материи, не одаренной именем и формой. Если верно, что вся природа построена по одному и тому же плану, то это условие имени и формы должно быть также и в плане устройства всего Космоса». Еще древние мудрецы утверждали, что всё сущее (видимое и невидимое) подчиняется одним и тем же законам. «То, что находится внизу, аналогично тому, что находится вверху. И то, что вверху, аналогично тому, что находится внизу...». Это цитата из текста «Изумрудной скрижали» Гермеса Трисмегиста. У философов, эзотериков, историков этот памятник седой старины занимает достойное место среди предметов изучения. Но представители более точных наук не имеют обыкновения полагаться на такого рода источники и всерьез принимать в расчет высказывания даже самых авторитетных мудрецов далекого прошлого. Физики, как известно, – не лирики, словом их не проймешь. Они обращают внимание на вещи повесомее. Например, на факты, полученные на основе анализа наблюдаемых данных об астрономической Вселенной. По мере совершенствования методов научного исследования, эти факты становятся всё интереснее не только для физиков, но и для историков, эзотериков и философов. Ведь они скорее подтверждают, чем опровергают знания, дошедшие до нас из глубокой древности.

Появление суперкомпьютеров позволило ученым обрабатывать огромные массивы информации. А специальное программное обеспечение, установленное на этих мощных компьютерах, стало эффективным инструментом для динамического трехмерного моделирования галактик, их скоплений и сверхскоплений. К концу 2013 года международная группа ученых создала компьютерную модель, имитирующую развитие физической Вселенной с одиннадцати миллионов лет после начала ее расширения до нашей эпохи. Она получила название Illustris. Это была не первая космологическая симуляция, но наиболее полная из всех осуществленных на тот момент. Заложенная в нее физическая модель позволяла воспроизводить нигде ранее не реализованные астрофизические процессы. На прогон симуляции ушло около девятнадцати миллионов часов процессорного времени. Это примерно две тысячи лет работы обычного персонального компьютера. Результат оказался впечатляющим. В широком спектре количественных показателей виртуальной Вселенной прослеживалась согласованность с наблюдаемыми данными реальной Вселенной. Имитационные изображения сверхглубокого космоса в Illustris практически неотличимы от снимков, сделанных в рамках сверхглубокого обзора «Хаббла» (Hubble Ultra Deep Field). Группа исследователей, разработавшая симуляцию Illustris, продолжила ее развитие в новом проекте IllustrisTNG («Illustris: следующее поколение»). Ученые работают над устранением некоторых неточностей и огрехов оригинального моделирования Illustris, повышением детализации расчетов для центральных областей галактик. Уже сейчас ясно, что проект Illustris и его преемник IllustrisTNG – это большой шаг вперед для астрофизиков и космологии в целом.

Симуляция подтвердила данные астрономических наблюдений по плотности звездных образований, а также по соотношению нейтрального водорода, молекулярных газов и тяжелых элементов в галактиках. Совпало распределение по морфологическим признакам удаленных галактик с современным состоянием наиболее близкого к нам скопления галактик. Также совпадает с данными наблюдений на инфракрасных телескопах описание перехода галактик из неправильных в спиральные, затем в эллиптические. Это позволяет объяснить, почему голубые спиральные составляют большинство среди дальних галактик, а красные эллиптические – среди ближних. И еще один важный момент. Симуляция Illustris правильно и в достаточном количестве воспроизвела галактики-спутники, что лишний раз доказывает достоверность общей физической модели. Галактики-спутники – это свежая тема в астрофизике. В них иначе распределена темная материя, они влияют на скорость звездообразования в центральной галактике, могут с ней сталкиваться, вызывая образование турбулентных потоков газа. Астрономы узнали о существовании этих небольших галактик относительно недавно. Возможно, еще не открыты многие из галактик-спутников нашего Млечного Пути.

К началу 2018 года lllustrisTNG стал самым масштабным проектом магнитогидродинамического моделирования космических структур. В модель формирования галактик вошло более тридцати миллиардов элементов. Для симуляции формирования миллионов галактик использовался суперкомпьютер Hazel Hen, который находится в Центре высокопроизводительных вычислений (г. Штутгарт, Германия). Только на выполнение одной симуляции потребовалось более двух месяцев непрерывной работы 24 000 процессоров. Было получено свыше 500 терабайт выходных данных, на анализ которых уйдет не один год.

Illustris, IllustrisTNG и другие проекты, имитирующие эволюцию астрономической Вселенной (например, Millennium Simulation – одно из первых и наиболее популяризированных моделирований), со всей очевидностью продемонстрировали, что распределение материи в космосе имеет упорядоченный, структурированный характер не только на уровне планетных, звёздных и галактических систем, что уже давно известно, но и на уровне скоплений и сверхскоплений галактик. Выяснилось, что скопления галактик образуют собой галактические нити, или так называемые «стены», толщина которых составляет в среднем около десяти миллионов световых лет, а длина – от ста шестидесяти до двухсот шестидесяти миллионов световых лет. Сверхскопления галактик – это не отдельные структуры, а утолщение галактических нитей в местах их пересечения. Пересекающиеся нити формируют ячейки, или войды (англ. void), свободные от звёздных скоплений. Ячеистая структура распределения галактик наблюдается на расстоянии в миллиард и более световых лет в любом направлении, а это дает основание полагать, что в масштабе нескольких сотен миллионов световых лет любой фрагмент Вселенной имеет примерно одинаковое количество вещества. Таким образом, космологические симуляции крупномасштабной структуры Вселенной наглядно показали, что материя в ней организована в виде трехмерной сети.

Исследователь и популяризатор индийской философии Сатисчандра Чаттерджи считал, что «...изучение человека открывает путь к изучению космоса. Когда мы узнаем природу человека в его различных видах и различных фазах существования, – писал он в тридцатые годы прошлого века, – мы узнаем также сферы вселенной, которым соответствуют все эти виды человеческой природы». Примерно так всё и происходит: чем шире поле наших исследований и богаче арсенал средств, чем глубже мы постигаем принципы и закономерности разнообразных жизненных процессов, присущих человеческому организму, тем больше растут наши возможности в понимании устройства Вселенной, тем масштабнее и грандиознее представляется нам общая картина бытия.

Исследованием физической и психической природы человека наука занимается уже много столетий. И в целом неплохо в этом преуспела. Наиболее сложным и трудным объектом исследования в науке был и остается человеческий мозг. Знания о нём накапливались медленно. Редкие и непродолжительные периоды достижений сменялись долгими десятилетиями бесплодного топтания на месте. Этот унылый ход развития науки о мозге продолжался почти до конца восьмидесятых годов прошлого столетия, когда технический прогресс добрался наконец до лабораторий нейробиологов и нейрофизиологов. Ученые стали получать в свое распоряжение и успешно применять в повседневном научном труде свежие плоды инженерного гения – сложнейшее специализированное оборудование, позволяющее им «заглядывать» внутрь живого человеческого мозга, и компьютеры, способные быстро обрабатывать огромные объемы данных. За последние несколько десятков лет наука узнала о мозге больше, чем за все предыдущие столетия своего существования. И всё же по-прежнему знает о нем не так уж и много.

На данном этапе проекты по компьютерным симуляциям астрономической Вселенной представляются более реализуемой задачей, чем моделирования головного мозга человека. Причина проста: мы не знаем истинных размеров Вселенной, но считаем ее однородной. А значит, моделируя какие-то ее фрагменты, мы можем экстраполировать полученные результаты на всю Вселенную, не зацикливаясь на масштабах, которые нам и представить трудно, не говоря уже о пресловутой бесконечности, удобно прикрывающей ограниченность наших когнитивных возможностей, но ничего не меняющей в нашем интуитивном понимании мироздания.

А в моделировании работы мозга прибегнуть к уловке с экстраполяцией не удастся. Знание его размера, как это ни странно, отнюдь не облегчает задачу ученых. Все мозговые процессы происходят на микроуровне, а явления микромира гораздо менее доступны для исследования, чем явления макромира. Однако нет повода сомневаться, что наука о мозге, лишь относительно недавно вошедшая в фазу активного развития, в ближайшие годы и десятилетия сумеет-таки пролить свет хотя бы на некоторые из загадок природы человека. И начало этому уже положено.