Мозг – повелитель времени - читать онлайн

1:00 РАЗНОВИДНОСТИ ВРЕМЕНИ

Что общего в этих словах?

Возможно, вы узнали в них пять наиболее часто употребляемых слов английского языка2. Но обратите внимание, что в начале списка стоит слово «время», а потом еще два слова, обозначающих единицы времени. Это говорит о том, что понятие времени играет в нашей жизни чрезвычайно важную роль. Мы говорим о времени не только тогда, когда хотим узнать, который сейчас час. Мы постоянно говорим о том, как бы сэкономить время, убить время, использовать время, сохранить время… Мы говорим о потерях времени, о времени ложиться спать, об оттягивании времени, о хороших временах, о путешествиях во времени, о дополнительном времени, свободном времени и, конечно, о моем любимом обеденном времени.

А ученые и философы толкуют о субъективном времени, объективном времени, собственном времени, координированном времени, звездном времени, эмерджентном времени, о восприятии времени, о времени кодирования, об относительности времени, о клетках времени, о растяжимости времени, о времени реакции, о модели пространства и времени и даже о синхронизации времени.

При этом забавно, что хотя слово «время» относится к числу наиболее часто употребляемых слов, общепринятого определения этого понятия не существует. Известно, что уже 1600 лет назад христианский философ Блаженный Августин подметил сложность определения времени: «Что такое время? Если меня об этом не спрашивают, я знаю, что это такое. Но если я попытаюсь ответить на этот вопрос, у меня нет ответа».

На свете не так много вопросов, которые обладают такой глубиной и сложностью, как вопрос о сути времени. Философы размышляют над тем, что такое время, и над тем, является ли эта категория характеристикой одного конкретного момента или целого измерения. Физиков волнует, что у времени есть только одно направление, их интересует возможность перемещений во времени, а некоторые и вовсе сомневаются в существовании времени. Нейробиологи и психологи пытаются понять, что значит «чувствовать» ход времени, как мозг определяет время, и почему люди обладают уникальной способностью предвидеть развитие ситуации во времени. Кроме того, понятие времени занимает важнейшее место в концепции свободы воли: свободен ли наш путь в будущее или предопределен прошлым?

Цель данной книги – проанализировать эти вопросы и по возможности найти на них ответы. Но приступая к решению этой задачи, необходимо признать, что возможность ответить на вопросы относительно времени определяется природой того органа, который ставит перед нами эти вопросы. Хотя заключенная в черепную коробку желеобразная масса, состоящая из 100 млрд клеток, представляет собой самое сложное устройство во всей вселенной, это устройство не было «спроектировано» для понимания природы времени – как ваш компьютер не был спроектирован для создания собственного программного обеспечения. Таким образом, по мере изучения проблемы времени мы постоянно будем осознавать, что наши представления и теории о времени отражают особенности строения и ограниченность возможностей нашего мозга.

Время – понятие сложное, сложнее понятия пространства.

Это верно, что у пространства больше измерений: для определения положения какой-либо точки в пространстве требуется указать три координаты (например, широту, долготу и высоту), тогда как любой момент времени задается лишь одним числом. Поэтому в каком-то смысле пространство сложнее, но я имею в виду, что человеческому мозгу понять смысл времени намного труднее, чем смысл пространства.

Рассмотрим в качестве примера позвоночных животных, поскольку устройство нервной системы человека во многом аналогично устройству нервной системы всех позвоночных. Позвоночные животные способны ориентироваться в пространстве, создавать собственные внутренние карты окружающего мира и в каком-то смысле «понимать» концепцию пространства. Животные перемещаются на дальние расстояния с совершенно четкой целью достичь определенного места; они помнят, где спрятали еду; и даже детеныши домашних животных знают, что если за диван упало что-то вкусное, диван можно обойти слева, справа, сверху или снизу. Нам известно, что в мозге млекопитающих существует чрезвычайно сложная карта окружающего пространства; об этом нам рассказали находящиеся в гиппокампе так называемые клетки места, о существовании которых ученые знают уже более 40 лет. Клетки места – это нейроны, которые возбуждаются, когда животное оказывается в определенном месте – в конкретной точке пространства. Все вместе эти клетки формируют в головном мозге сеть, отражающую структуру окружающего пространства – как система GPS, только гораздо более гибкая. Например, наши внутренние карты, по-видимому, постоянно обновляются по мере изменения границ помещений или перестановки предметов.

Но животные не только перемещаются в пространстве, но и «видят» его3. Стоя на вершине горы, мы видим небо над головой, лес под ногами и ленту реки, впадающей в океан, – все на своих местах в пространстве. Мы можем также «слышать» пространство – то есть локализовать участок пространства, из которого доносится звук. Осязательная способность (соматосенсорная функция) позволяет получать информацию не только о положении и форме предметов, но и о положении важнейших измерительных инструментов – наших собственных конечностей.

Со временем все обстоит иначе. Животные не могут физически перемещаться во времени. На дороге времени нет перекрестков, разветвлений, съездов или поворотов. Возможно, именно по этой причине нет заметного эволюционного давления, которое заставило бы животных создавать карту времени и ориентироваться в нем с такой же легкостью, как в пространстве. Далее мы поговорим о том, что животные умеют определять время и предвидеть различные события, но у нас нет оснований утверждать, что наши братья позвоночные понимают разницу между прошлым, настоящим и будущим в такой же степени, как они понимают разницу между движением вверх, вниз, влево или вправо. Наши органы чувств напрямую не регистрируют течение времени4. В отличие от трафальмадорцев из фантастического романа Курта Воннегута «Бойня номер пять», мы не можем видеть сквозь время, одним взглядом охватывая прошлое, настоящее и будущее.

Мозг всех животных, включая человека, лучше оснащен для того, чтобы перемещаться, ориентироваться и разбираться в пространстве, чем во времени. Одна из теорий, объясняющих осознание человеком понятия времени, утверждает, что для восприятия времени мозг использует те же сети нейронов, с помощью которых он воспринимает и оценивает пространство (глава 10). Как мы увидим далее, возможно, именно по этой причине в культуре многих народов для обсуждения времени используются пространственные метафоры (был длинный день; мы с надеждой смотрим вперед; задним числом я понимаю, что лучше было промолчать).

Для ученых концепция времени тоже сложнее концепции пространства. Различные сферы науки, как и люди, проходят через несколько стадий развития: они созревают и меняются по мере роста. И одним из признаков взросления многих областей науки является постепенное обращение к изучению вопроса времени.

Первой истинной наукой, безусловно, была геометрия. Отправной точкой для ее развития стали работы Евклида в III в. до н.э. Геометрию часто называют «разделом математики, изучающим свойства точек, линий, поверхностей и твердых тел и связей между ними»5. Евклидова геометрия замечательна не только тем, что является одной из наиболее изящных и трансформируемых теорий в истории науки, но и тем, что этот высокий статус она получила при полном отсутствии внимания к вопросу времени. Геометрию следовало бы называть «пространствометрией» – изучением вещей, которые «заморожены» во времени и никогда не меняются. Именно по этой причине геометрия была одной из первых истинно научных дисциплин – все оказывается гораздо проще, если можно игнорировать фактор времени.

Математический аппарат греческих ученых и философов не был приспособлен для изучения временны́х изменений. Более того, в античный период люди гораздо лучше умели измерять расстояние, чем время. Сегодня ситуация изменилась, и мы измеряем время с гораздо большей точностью, чем расстояние (глава 7). Только через почти 2000 лет после Евклида математика и физика стали по-настоящему оперировать понятием времени. Важный шаг в этом направлении был сделан в конце XVI в., когда скучавший в пизанском соборе Галилео Галилей заметил, что люстра под потолком совершает полное колебание за одно и то же время вне зависимости от амплитуды колебания (позднее выяснилось, что период колебаний все же слегка увеличивается с увеличением амплитуды)6. Возможно, это вымышленная история, однако, изучая изменения положения предметов во времени, Галилей способствовал рождению динамики. Но, как и греки, Галилей не имел возможности математическим образом описать связь между силами, скоростью и ускорением. Математический аппарат для описания временны́х изменений – методы исчисления7 – позднее создали Ньютон и Лейбниц. Используя эти методы, Ньютон смог сформулировать законы, управляющие падением яблока и вращением планет.

Ньютон верил в абсолютное время, которое «по самой своей сущности протекает само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему». Он считал, что время универсально для всех точек пространства. Вселенная Ньютона была детерминированной: состояние такой системы в любой момент времени, как в прошлом, так и в будущем, теоретически можно установить, исходя из настоящего. Но история науки на этом не остановилась. Для нас наиболее важно отметить два момента. Во-первых, ученые постепенно начали приходить к (печальному для некоторых) заключению, что даже если вселенная подчиняется прекрасным законам Ньютона, на практике не представляется возможным предсказать будущее (или изменить прошлое). Работы многих ученых, включая французского математика Анри Пуанкаре и американского метеоролога Эдварда Лоренца, показали, что минимальные различия в состоянии системы в настоящий момент могут приводить к абсолютно разным результатам в будущем (самый известный пример – эффект бабочки в предсказаниях погоды). Такая ситуация называется хаосом, и мы увидим, что именно эта ситуация наблюдается, когда речь заходит об изучении самой сложной известной динамической системы – человеческого мозга (глава 6). Вторым важным шагом было устранение Альбертом Эйнштейном ньютоновского понятия абсолютного времени. Эйнштейн показал, что вопреки человеческой интуиции время – параметр относительный (глава 9). Мы поговорим об этом подробнее, сейчас лишь замечу, что по мере взросления физики проблема времени постепенно стала всеобъемлющей и основополагающей (возможно, с некоторыми исключениями). Забавно, что периодически происходят попытки полностью вытеснить параметр времени из физики8 и вернуться к геометрически статичной вселенной, которую физик Джулиан Барбур называет Платонией: намек на идею Платона о том, что геометрические формы являются реальными сущностями, находящимися в безвременно́м пространстве.

Многие другие области науки тоже проходят через аналогичные стадии созревания. Например, современная биология зародилась в XVIII в., как описательная и статичная классификация живых организмов, но постепенно, по мере взросления, биология включила в себя концепцию времени в форме динамических и эволюционных представлений. Здесь роль Галилея сыграл Дарвин: он увидел, что все виды организмов на Земле находятся в постоянном «движении» – мутируют, исчезают и эволюционируют.

Нейробиология и психология тоже эволюционировали и постепенно включили в себя проблему времени. Можно все что угодно говорить о псевдонауке френологии, но специалисты в этой области признают важность восприятия времени. Они связывают нашу способность чувствовать время с участками лобных долей, находящимися между зонами, ответственными за модуляцию и локализацию (рис. 1.1). В одном трактате по френологии говорится, что «функция этой способности заключается в регистрации течения времени, длительности и очередности событий и т. д. Она также позволяет запоминать даты, поддерживать такт в музыке и танце, а также способствует пунктуальности и выполнению принятых на себя обязанностей»9.

Один из создателей современной психологии, Уильям Джеймс, также признавал важность концепции времени для понимания функционирования мозга. Восприятию времени он посвятил целую главу своего знаменитого трактата «Принципы психологии», опубликованного в 1890 г. Как ни странно, после него этот вопрос затрагивался лишь в нескольких важных книгах по психологии или нейробиологии10. В целом на протяжении большей части XX в. проблема времени в учебниках по психологии практически не упоминалась.

Рис. 1.1. Френологическая карта XIX в.

Согласен, я слегка упрощаю ситуацию. Во-первых, проблема времени в психологии и нейробиологии – это не одна проблема, а целый набор связанных между собой вопросов о том, как мозг отсчитывает время, создает сложные временны́е образы, осознает течение времени, вспоминает прошлое и предвидит будущее. Во-вторых, в нескольких направлениях психологии и нейробиологии все же были достигнуты значительные успехи в изучении восприятия времени. Например, в XX в. расцвела такая область исследований, как хронобиология, занимающаяся изучением биологических ритмов, особенно циклов сна и бодрствования (глава 3). В этот же период было выполнено множество важнейших работ, способствовавших значительному расширению нашего понимания того, как мозг воспринимает время. Но в целом на проблему времени редко обращали внимание. Возьмите, к примеру, библию современной нейробиологии – учебник «Основы нейробиологии» – и попытайтесь в предметно-именном указателе найти наиболее часто встречающееся слово английского языка. Его там нет. Но если вы попробуете найти слово «пространство», вы встретите его многократно в самом разном контексте11.

Психология и нейробиология – новые научные направления, так что они только начинают в полной мере оценивать роль временно́го и динамического фактора. Психолог Ричард Иври из Калифорнийского университета в Беркли писал в 2008 г.: «Еще поколение назад исследования восприятия времени были ограниченными и включали в себя лишь поведенческие реакции с явными временны́ми закономерностями. Но недавно интерес к изучению восприятия времени появился вновь, и исследователи начали заниматься широким спектром явлений, протекающих во времени»12.

В качестве примера, отражающего этот сдвиг, рассмотрим отношение к одному из важнейших вопросов психологии и нейробиологии: как мозг хранит воспоминания? Поскольку воспоминания касаются опыта из прошлого, память в обязательном порядке связана со временем. Но при этом проблему памяти редко рассматривали во временном контексте. Только в XXI в. ученые начали полностью отдавать себе отчет в том, что «информация о прошлом имеет смысл только в том случае, если позволяет предвидеть, что произойдет в будущем»13. Механизм памяти эволюционировал не для того, чтобы мы могли предаваться воспоминаниям. Единственная эволюционная функция памяти заключается в том, что она позволяет животным предсказывать, что и когда может произойти, и как следует реагировать, если что-то произойдет. Благодаря таким концептуальным сдвигам и множеству методологических достижений, нейробиология и психология гораздо больше внимания начали уделять вопросу времени. Более того, мы начинаем осознавать, что без понимания механизмов восприятия и отсчета времени в мозге мы не сможем понять, как функционирует человеческий мозг.

Эта книга в основном рассматривает вопрос времени в рамках нейробиологии и психологии, но нам также придется уделить некоторое внимание физике времени. Наша задача будет заключаться не только в том, чтобы понять важнейшие принципы природы времени, которые раскрывает физика, но также найти точки пересечения – или, точнее, столкновения – идей физики и нейробиологии (главы 8 и 9). Чтобы продвинуться в этом направлении, необходимо вспомнить две важнейшие философские теории, касающиеся природы времени: презентизм и этернализм14.

Как следует из названия, в рамках теории презентизма утверждается, что реально только настоящее. В таком случае прошлое – это конфигурация вселенной, существовавшая в какой-то момент, а будущее – некая конфигурация, которую предстоит определить. Напротив, этернализм постулирует, что прошлое и будущее реальны в той же степени, что и настоящее. В настоящем нет ничего особенного: в рамках этернализма «сейчас» имеет для категории времени такой же смысл, как «здесь» для категории пространства. В настоящий момент вы находитесь в каком-то одном конкретном месте в пространстве, но вы прекрасно знаете, что существует множество других, столь же реальных, мест – комнат, городов, планет и галактик. Аналогичным образом, даже если вы ощущаете себя в некоей временно́й точке, называемой «сейчас», существуют другие – прошлые и будущие – моменты времени, где находятся другие существа, а также вы сами – более молодой и более старый (рис. 1.2).

Возможно, объяснить разницу между этими двумя концепциями проще всего на примере путешествий во времени15. В рамках презентизма истинное путешествие во времени (перемещение назад и вперед, в прошлое и в будущее) невозможно. Такие технические детали, как возможность построения машины времени в рамках законов физики, просто не имеют смысла, поскольку нельзя перенестись в несуществующее время, как нельзя перенестись в несуществующее место. В рамках этернализма ось времени отчасти (но не полностью) аналогична пространственным осям, так что вселенная представляет собой четырехмерный «блок», в котором прошлое и будущее так же реальны, как север и юг по отношению к нашему местоположению в пространстве. Хотя сам этернализм не зависит от того, являются ли перемещения во времени возможными, сама постановка вопроса невозможной не является, поскольку на оси времени имеются «места» (моменты), в которые можно стремиться попасть.

Рис. 1.2. Две концепции природы времени: презентизм и этернализм

Постулаты презентизма совпадают с нашим интуитивным представлением о том, что каждый момент нашей жизни, переходящий в прошлое, просто исчезает. Вне зависимости от того, сохраняется ли этот момент в нашей памяти или нет, сам момент прекращает существование. Презентизм также подкрепляет наше ощущение контроля над ситуацией: наши решения и поступки формируют будущее. Нейробиологи редко сопоставляют теории презентизма и этернализма, но на практике они являются презентистами. В прошлом, настоящем и будущем они видят совершенно разные категории: мозг принимает решения в настоящем, основываясь на воспоминаниях о прошлом, чтобы создать благоприятную ситуацию в будущем. Однако, несмотря на привлекательность для нас на интуитивном уровне, в физике и философии презентизм – неудачная теория.

Некоторые версии этернализма уходят корнями в прошлое как минимум на два с половиной тысячелетия – к греческому философу Пармениду, который считал, что мы живем в вечном мире, в котором не происходит никаких изменений. Сегодня, по вполне разумным причинам, большинство физиков и философов принимают этерналистский тезис о том, что все моменты времени в некотором смысле «уже» включены в некий «блок вселенной». И представление о времени как о четвертом измерении – не просто удобная математическая абстракция, как ось времени на графике, но прошлое, настоящее и будущее действительно существуют на равных основаниях.

В этом-то и заключается камень преткновения между физикой и нейробиологией: если все моменты времени одинаково реальны, и все события прошлого и будущего навсегда вписаны в «блок вселенной», наше ощущение течения времени оказывается иллюзией (глава 9). Другими словами, если все моменты времени «уже есть», время не может идти или протекать в обычном смысле этих слов. Философ Джек Смарт однажды заметил: «Ход времени или опережающее сознание – опасные метафоры, которые нельзя воспринимать буквально»16. Так что одно из самых очевидных и универсальных субъективных ощущений, а именно, ощущение хода времени, следует воспринимать как некую проделку сознания. Вообще говоря, это широко распространенная точка зрения. Например, философ Хью Прайс в книге «Стрела времени и точка Архимеда» пишет: «По этому вопросу философы всегда разделялись на два лагеря. На одной стороне те, кто считают поток времени и настоящее объективной реальностью мира [презентизм]; на другой – те, кто утверждают, что это лишь артефакты нашего субъективного восприятия мира [этернализм]… Лично я отношусь ко вторым».

Математик и физик Герман Вейль подметил несоответствие между нашим восприятием времени и моделью «блока вселенной», высказав ставшую знаменитой фразу: «Объективный мир просто есть, он не случается. Лишь для взора моего сознания, карабкающегося по мировой линии жизни моего тела, порождается часть мира как образ, плывущий в пространстве и непрерывно меняющийся во времени»17 18.

Обсуждение проблемы времени, будь то в рамках нейробиологии, философии или физики, неизбежно затрудняется еще и тем, что слово «время» используется для обозначения множества разных вещей. Одна из причин, почему это слово является наиболее часто употребляемым словом английского языка, как раз и связана со множественностью его смыслов. Использование слова «время» различно в разных языках. По-английски мы говорим, что скорость – это расстояние, поделенное на время, и задаем вопрос: сколько сейчас времени? А у португальцев для этих случаев есть два разных слова. В определении скорости фигурирует слово tempo, но вопрос звучит иначе: que horas săo (который сейчас час)? Однако, в отличие от англичан, португальцы используют слово tempo еще и для обозначения погоды.

В каждодневной жизни мы без труда используем слово «время» в самых разных значениях, однако эта легкость обращения скрывает сложность данного понятия. Поэтому будет небесполезно если не определить, то хотя бы разграничить различные смыслы этого слова. Давайте разберем такое предложение: «Доклад Минковского19 о природе времени закончился вовремя, но казалось, что он продолжался много времени».

В этом немного неестественном предложении слово «время» использовано в трех разных смыслах, которые важны для нашего рассказа. В порядке появления в предложении они соответствуют естественному времени, часовому времени и субъективному времени.

Интуитивно мы воспринимаем время как некую среду, в которой протекает наша жизнь. Для обозначения времени в качестве этой среды или «измерения» я использую термин «естественное время». Именно естественное время находится в центре спора между сторонниками презентизма и этернализма. На практике большинство ученых не интересуются проблемами естественного времени, но, вообще говоря, что может волновать нас сильнее, чем возможность существования других «версий» нас самих на временно́й оси «блока вселенной» или реальность (или иллюзорность) нашего ощущения течения времени?

На практике под временем иногда понимают показания часов. Это определение может показаться бессмысленным тождеством, но оно чрезвычайно важно. Однако оно неизбежно поднимает другой вопрос: что такое часы? В самом общем смысле часы – это устройство, которое воспроизводимым образом подвергается определенным изменениям и позволяет на количественном уровне измерить эти изменения. Изменения могут выражаться в движении маятника, вибрации кристалла кварца или даже соотношении радиоактивных изотопов углерода в окаменелостях. Чаще всего в научных сферах под временем понимают именно часовое время. Впрочем, Эйнштейн подчеркивал, что «подобное определение приемлемо только тогда, когда мы говорим о времени в той точке, где находится наблюдатель; но оно неприемлемо, если нужно сопоставить по времени события, происходящие в разных местах»20. Часовое время – локальная мера изменений, но ни в коем случае не абсолютная и не универсальная. И, тем не менее, именно часовое время управляет нашей жизнью: оно не только подсказывает нам, когда нужно вставать, идти на работу и ложиться спать, но, поскольку само тело тоже представляет собой часы, часовое время определяет момент нашего старения и ухода.

Субъективное время описывает наше подсознательное ощущение времени: как ощущение хода времени, так и ощущение количества времени. Как любой субъективный опыт, субъективное время – порождение мозговой деятельности. И оно не существует за пределами человеческого черепа. Аналогично тому, как наше субъективное восприятие цвета позволяет нам изучать физические свойства видимого света (света с разной длиной волны), наше субъективное восприятие времени – это продукт деятельности головного мозга, который в каком-то смысле позволяет нам «чувствовать» как естественное, так и часовое время.

Философы и ученые на протяжении тысячелетий ломали головы над тайной времени. И до сих пор, спустя 1600 лет после того, как Блаженный Августин рассуждал о сложностях определения времени, мы все еще не знаем ответа на такие важнейшие вопросы, как равноценность реальности прошлого, настоящего и будущего или иллюзорность нашего ощущения хода времени.

Чтобы найти ответы на эти вопросы, нейробиология должна еще созреть и принять тот факт, что понимание устройства человеческого мозга невозможно без описания того, как мозг определяет, воспринимает и отражает время. Дело в том, что, как я покажу в следующей главе, мозг представляет собой машину времени, которая не только определяет время и предсказывает будущее, но и позволяет нам мысленно перемещаться в будущее. Часто мы оставляем без внимания тот факт, что без способности мысленного путешествия в будущее наш вид никогда не смог бы изготовить из вулканического стекла орудия труда или понять, что посев зерна сегодня обеспечит выживание завтра.

Однако наша уникальная способность воспринимать концепцию времени и вглядываться в отдаленное будущее является одновременно и даром, и наказанием. В ходе эволюции мы перестали следовать за непредсказуемыми капризами матери-природы и начали управлять ею: мы научились манипулировать настоящим, чтобы обеспечить себе выживание в будущем. Однако способность предвидения неизбежно привела нас к пониманию конечности и быстротечности собственной жизни. Получив этот великий дар или великое наказание, мы стоим перед удивительной тайной: Что же такое время?

2:00 ЛУЧШАЯ НА СВЕТЕ МАШИНА ВРЕМЕНИ

С идеей о путешествиях во времени нас познакомил Голливуд. «Терминатор», «День сурка», «Назад в будущее», «Жена путешественника во времени», «Петля времени», «Полночь в Париже», «Интерстеллар» и многие серии «Звездного пути» – лишь некоторые примеры из длинного списка фильмов, в которых мы сталкиваемся с парадоксами, возникающими в результате игр со временем, таких как убийство собственных предков при перемещении в прошлое.

Однако, несмотря на популярность этой темы в мире современного кино, телевидения, литературы и даже в серьезных физических исследованиях, концепция путешествий во времени не существовала на протяжении большей части истории человечества. В Библии и других религиозных книгах и устных преданиях есть множество историй о говорящих животных, божествах и других сверхъестественных вещах. Там есть рассказы о превращении животных в человека и человека в животных, о путешествиях в космическом пространстве, о людях вроде Мафусаила, проживших несколько столетий, о волшебстве и воскрешении. Но, что странно, ничего или почти ничего о путешествиях во времени. Даже Шекспир, который, кажется, предвосхитил практически все трюки современного кинематографа, никогда не касался темы путешествий во времени.

На этом фоне есть лишь несколько исключений. Например, в древнеиндийской поэме «Махабхарата», созданной в 800-х гг. до н.э., рассказывается о царе и его дочери, которые отправились к богу Брахме, чтобы найти достойного жениха. Позднее они узнают, что за время их отсутствия на Земле сменилось несколько поколений, и исчезли все царские сокровища. В новелле «Рип ван Винкль»22 говорится о том, что время может идти с разной скоростью, но там не происходит перемещений вперед и назад во времени. Предшественником историй о перемещении во времени можно считать повесть Чарльза Диккенса «Рождественская песнь», написанную в середине XIX в. Духи переносят героя рассказа Эбинейзера Скруджа в рождественские дни прошлого и будущего, однако эти путешествия совершаются пассивно, как бы во сне, и персонажи из разных эпох не общаются между собой. И лишь в конце XIX в. появилась идея «истинного» путешествия во времени, в частности, в повести Г. Уэллса «Машина времени», герой которой отправляется в будущее, встречается с выродившимися потомками человеческой расы и возвращается в свое время23.

Почему идея перемещений во времени не появлялась в фантастической литературе до конца XIX в.? Возможно, по той причине, что человеческие существа по своей природе являются презентистами: для нас совершенно очевидно, что прошлое ушло и поэтому не может измениться, а будущее еще не существует. Возможно, идея о том, что прошлое и будущее так же реальны, как настоящее, и поэтому являются возможным направлением для путешествия, слишком сильно противоречит интуиции и слишком фантастична даже для фантастической литературы. Так что же изменилось в конце XIX в., что позволило нам совершать воображаемые путешествия во времени? Однозначно ответить на этот вопрос сложно, но, совершенно очевидно, какую-то роль сыграла научная революция.

Кульминацией этой революции была публикация в 1905 г. специальной теории относительности Эйнштейна, которая навсегда изменила наше представление о природе времени. Эйнштейн показал, что при разной скорости перемещения часов они тикают с разной скоростью. Через два года после этого учитель Эйнштейна Герман Минковский показал, что теория Эйнштейна вполне совместима с концепцией четырехмерного пространства, т. е. пространства, в котором есть еще одно измерение – время.

Об открытиях в физике, способствовавших принятию модели четырехмерной вселенной, мы поговорим в главе 9, а сейчас только отметим, что в XX в. в среде физиков постепенно стало возможным поднимать вопрос о путешествиях во времени. Не потому, что большинство физиков поверили в реальную возможность перемещений в прошлое или будущее, но потому что никто не мог доказать, что такой возможности не существует. Многие физики соглашаются, что, в принципе, на шкале времени есть «места», куда можно попасть, но при этом считают, что по практическим или теоретическим причинам законы физики не позволяют осуществлять эти перемещения24. Дело в том, что для перемещений во времени должны выполняться весьма специфические требования. Наименее неправдоподобным способом таких перемещений, наверное, является перемещение по пространственно-временно́му туннелю («кротовой норе»). Представьте себе поверхность Земли как слой пространства и времени, а затем вообразите туннель, ведущий напрямую от Вашингтона до Пекина. Идея пространственно-временны́х туннелей не противоречит современным законам физики, но пока остается гипотетической. Для путешествий во времени не только потребуется создать или найти такой туннель, но и двигать один выход относительно другого с очень большой скоростью. А дальше остается надеяться, что такой туннель стабилен и проходим, т. е. входящий в него не подвергнется – использую научный термин – спагеттификации25.

Но я отвлекся, поскольку в этой главе я не планировал обсуждать возможность или невозможность реальных путешествий во времени, а хотел убедить вас в том, что лучшей машиной времени для каждого из нас является собственный мозг. Или, иными словами, каждый из нас – лучшая на свете машина времени.

Конечно, мозг не позволяет нам перемещаться во времени физически, но это все же своего рода машина времени по четырем взаимосвязанным причинам.

1. Головной мозг – это машина, которая запоминает прошлое, чтобы предсказать будущее. На протяжении сотен миллионов лет животные соревновались в развитии способности предсказывать будущее. Животные предвидят поведение жертвы, хищников и потенциальных половых партнеров; они готовятся к будущему путем запасания еды и строительства гнезд; они предчувствуют закат и восход, зиму и весну. Успешность предсказаний будущего определяет важнейшие факторы эволюции – выживаемость и воспроизводство. Таким образом, мозг, по сути, представляет собой аппарат для предсказаний и предвидения26. Осознаете вы это или нет, но в каждый момент времени ваш мозг автоматически пытается предсказать, что должно произойти. Эти краткосрочные предсказания, примерно на следующие несколько секунд, делаются совершенно автоматически и бессознательно. Если со стола скатывается резиновый мячик, мы автоматически выполняем движение, чтобы поймать его, когда он отскочит от пола, но реагируем совсем по-другому, если со стола падает кусок пирога.

Кроме того, человек и другие животные постоянно пытаются делать предсказания на более отдаленный период. Даже просто осмотр территории представляет собой попытку представить себе, что произойдет через несколько минут или часов. Когда волк останавливается, чтобы уловить какие-то знаки, звуки и запахи, он ищет подсказки, которые помогут обнаружить потенциальных врагов, жертв или партнера. Чтобы предсказывать будущее, мозг хранит колоссальный объем информации о прошлом; и, как программа резервного копирования Time Machine для Apple, он иногда присваивает этим воспоминаниям временны́е этикетки (даты), что позволяет воспринимать эпизоды из нашей жизни в хронологическом порядке.

2. Мозг – это машина, которая определяет время. Человеческий мозг осуществляет множество вычислений, в том числе такие, которые необходимы для узнавания лиц или выполнения следующего хода в игре в шахматы. Определение времени – еще одна вычислительная задача мозга: он не просто отсчитывает секунды, часы и дни нашей жизни, но распознает и создает временны́е образы, такие как музыкальные ритмы или точные последовательности движений, позволяющие гимнастам выполнять акробатические трюки.

Умение определять время – важнейшая способность, необходимая для предсказаний будущего. Как знают все метеорологи, мало сообщить, что дождь будет: нужно сообщить, когда он будет. Когда кот подпрыгивает вверх, чтобы схватить пролетающую птицу, он должен знать, где птица окажется через секунду. Птицы-опылители, в свою очередь, умеют отмерять отрезок времени, прошедший с момента их последнего визита на конкретный цветок, чтобы к следующему разу цветок вновь успел наполниться нектаром27. Буквально все проявления жизни – от способности метнуть копье в движущуюся мишень, понять, когда смеяться в конце анекдота, или сыграть «Лунную сонату» Бетховена, до умения регулировать суточный цикл сна и бодрствования или месячный менструальный цикл – требуют умения определять время.

3. Мозг – это машина, создающая ощущение времени. В отличие от зрения и слуха, ощущение времени не обеспечивается каким-то определенным органом чувств. Время не является формой энергии или неотъемлемым свойством материи, которое можно проанализировать с помощью физических измерений. Однако примерно тем же путем, как мы осознанно определяем цвет предметов (длину волны отраженного электромагнитного излучения), мы воспринимаем и течение времени. Это ощущение течения времени создает мозг. Подобно большинству субъективных ощущений, наше чувство времени подвержено влиянию иллюзий и искажений. Период одной и той же длительности (измеренный с помощью внешних часов) может казаться мгновением или вечностью в зависимости от целого ряда факторов. Но с искажениями или без искажений осознанное чувство течения времени и изменения окружающего мира относится к числу наиболее обычных и очевидных наших ощущений. И вот это-то ощущение течения времени никак не согласуется с представлением о времени, широко распространенным в среде физиков и философов.

4. Мозг позволяет совершать мысленные путешествия во времени. Соревнования по предсказанию будущего были легко выиграны нашими предками гомининами, когда они постигли концепцию времени и научились мысленно переносить себя в прошлое и в будущее, т. е. научились мысленно путешествовать во времени (глава 11). Аврааму Линкольну приписывают следующую фразу: «Лучший способ предсказать будущее заключается в том, чтобы его создать». Именно это мы и научились делать благодаря способности мысленно перемещаться во времени. Мы изменили свой способ существования, перейдя от предугадывания капризов природы к созданию будущего путем ее порабощения.

Вот что писал известный канадский психолог Эндель Тульвинг: «Ранние проявления ориентированного в будущее мышления и планирования заключались в обучении использованию, поддержанию, а позднее и извлечению огня, в изготовлении орудий и их хранении. Снабжать покойников необходимыми [для загробной жизни] предметами, выращивать злаки, фрукты и овощи, приручать животных для получения пищи и изготовления одежды … – все это сравнительно новые этапы в эволюции человека. Все они подсказывались заботой о будущем»28.

Каждый из нас переживал радость или горе при воспоминаниях о событиях прошлого и пытался представить себе, что было бы, если бы события разворачивались иначе. Но мы также постоянно перескакиваем в будущее, страшась того, что может произойти, или мечтая об этом, и моделируем различные варианты развития нашей жизни в будущем, рассчитывая найти наилучший вариант действий в настоящем. Может быть, человек – не единственное существо на планете, совершающее мысленные путешествия во времени, но он, безусловно, единственное животное, которое использует эту способность для поиска способов реальных перемещений в прошлое или будущее.

Шотландский философ XVIII в. Дэвид Юм размышлял над тем, как человек воспринимает мир – как он представляет себе связь между событиями, происходящими в разных точках пространства и в разные моменты времени. Юм сформулировал три принципа, на которых строится понимание связи между событиями: сходство (предметов или событий), смежность (близость) во времени и пространстве и причинность. Кроме того, он предложил несколько правил, на основании которых можно установить наличие причинно-следственных связей между двумя событиями:

1. Причина и следствие должны быть смежными во времени и в пространстве.

2. Причина должна иметь место раньше следствия29.

К счастью, не нужно читать Юма, чтобы понять эти правила, поскольку они вписаны в наш мозг на уровне нейронов и синапсов. Временны́е связи между событиями относятся к числу наиболее важных ключей, которые мозг использует для нахождения смысла в том, что Уильям Джеймс назвал «наплывом, шумом и беспорядком» сенсорной информации, осаждающей наши органы чувств. Как ребенок усваивает, что слово «кошка» относится к пушистому четвероногому существу с острыми когтями? Дело в том, что первые десятки раз, когда ребенок видит кошку, родители сюсюкают: «Посмотри на маленькую кошечку!» Другими словами, временна́я близость между двумя событиями – появлением кошки и произнесением слова «кошка» – позволяет нейронной сети ребенка связать эти два специфических стимула.

Одна из наиболее универсальных форм обучения в царстве животных – классический условный рефлекс – учитывает важнейшую роль временно́й обусловленности и порядка событий для функционирования мозга. Собака Павлова – стандартный пример формирования классического условного рефлекса: перед появлением мяса (безусловный стимул) звенит колокольчик (условный стимул), и собака в конечном итоге начинает выделять слюну просто при звуке колокольчика. Возможно, вам ближе другой пример: если вы открываете банку с кормом для кошки с помощью открывалки, вы наверняка наблюдаете материализацию кошки на кухне каждый раз, когда пользуетесь открывалкой. Хотя колокольчик, на самом деле, не является причиной появления еды, с точки зрения собаки это возможно.

Юм, наверное, даже не мог предположить, насколько временна́я обусловленность важна для работы мозга. Давайте представим себе, какую задачу должен решить мозг ребенка, чтобы узнать лицо матери. Иногда ее лицо появляется совсем близко, и тогда оно большое, но иногда ребенок видит мать на некотором расстоянии, и тогда лицо маленькое. Каждый раз на сетчатке проецируется совершенно новое изображение (подобно тому, как при фотографировании одного и того же человека с разных расстояний в аппарате активируются разные наборы пикселей, так и в сетчатке активируется разный набор фоторецепторов). Но как же ребенок понимает, что все эти разные образы соответствуют его маме?

Эта проблема так называемой инвариантности восприятия достаточно сложна, но в соответствии с одной теорией она решается с помощью принципа временно́й обусловленности. У ребенка есть опыт восприятия увеличивающегося и уменьшающегося образа матери, возникающего при ее приближении и удалении. Если мозг понимает, что запечатленные на сетчатке различающиеся образы, связанные временно́й близостью, поступают от одного и того же предмета, и он в конце концов усвоит общий принцип инвариантности восприятия размера: эти возникающие одно за другим изображения соответствуют одному и тому же объекту из внешнего мира30. Иными словами, если бы не существовало такой временно́й близости – допустим, мы бы росли в стробоскопическом мире, где моментальные изображения мгновенно сменялись бы в необычном порядке от больших до маленьких – возможно, мы бы не обладали способностью распознавать один и тот же предмет, увиденный с разных расстояний, как единую сущность. Классический условный рефлекс и многие другие формы обучения учитывают асимметрию временны́х связей, определяемую вторым правилом Юма: причина предшествует следствию. Если Павлов давал собаке мясо до того, как звенел колокольчик, условный рефлекс не формировался. Аналогичным образом, классический условный рефлекс чрезвычайно чувствителен к степени временно́й близости, точнее, к интервалу между событиями. Если Павлов выдавал мясо через час после звонка, собака не чувствовала связи между звуком и появлением еды, хотя колокольчик по-прежнему предсказывал появление еды. По-видимому, животные не способны находить связь между событиями, разделенными интервалами в несколько минут или часов, не говоря уже о днях или месяцах31. Чем больше интервал между событиями, тем труднее обнаружить связь. Формирование условного рефлекса – самая «примитивная» форма обучения.

Для осознания связи между событиями, разделенными во времени сутками, месяцами и годами, требуются более совершенные умственные способности. Понимание концепции времени и умение осуществлять мысленные перемещения во времени позволяют человеку видеть связь между занятиями любовью и рождением ребенка или посевом семян и появлением растений. Но и мы достаточно близоруки в этом отношении: если бы рак появлялся через неделю после выкуривания первой сигареты, а не через несколько десятилетий, табачная промышленность никогда не заработала бы триллионов долларов (глава 11).

Процесс познания в очень большой степени зависит от понимания временны́х связей между переживаемыми нами событиями. Как заметил психолог Стивен Пинкер, мы обычно считаем само собой разумеющимся, что порядок перечисления событий соответствует порядку их совершения. Например: Они поженились и родили ребенка. Но кто сказал, что события разворачивались именно в этом порядке? В большинстве языков уловить связь между событиями гораздо легче, если они перечислены именно в том порядке, в котором совершились32. Так, намного проще переварить предложение «Она улыбнулась, прежде чем развернуть подарок», чем «Прежде чем развернуть подарок, она улыбнулась».

Предположения мозга относительно хронологии событий и временны́х интервалов между ними позволяют нам предвидеть происходящие вокруг нас события, однако эти предположения могут быть ошибочными. Представьте себе фокусника, который берет со стола монету правой рукой, затем с воодушевлением хлопает в ладоши, произносит заветное слово «абракадабра» и, наконец, демонстрирует зрителям, что монеты нет ни в одной, ни в другой руке. Этот фокус основан на неправильном восприятии нами хронологии событий33. Исчезновение монеты мы автоматически связываем с наиболее близкими по времени событиями – хлопком и абракадаброй. На самом деле, конечно же, в это время монеты в руках уже нет, и весь ловкий трюк состоит в том, чтобы незаметно сбросить монету со стола в тот момент, когда фокусник делает вид, что сжимает ее в руке. Чем больше интервал между двумя событиями, тем труднее обнаружить связь между ними. Разделяя во времени истинную причину исчезновения монеты и выявление ее исчезновения, фокусник использует особенность нашего мозга в отношении восприятия временны́х связей между событиями.

В книге «Тараканы в голове» я привел пример такого ошибочного восприятия событий из личного опыта, когда я впервые играл в «очко» в Лас-Вегасе. Как известно, суть игры заключается в том, чтобы сумма карт в руках игрока составила 21; если двух карт для этого мало, нужно решить, брать ли третью и при этом идти на риск «перебора» (когда сумма очков превышает 21). Вы играете против банкующего, который играет, как автомат, добирая дополнительные карты, пока сумма очков не составит 17 или более. Я предполагал, что если я буду действовать так же, как он, мой шанс на выигрыш будет составлять 50:50. Конечно, я знал, что казино всегда в выигрыше, но не понимал почему. Выясняется, что все очень просто: если «перебор» у нас обоих, выигрывает банкующий. Как я мог этого не понимать? Преимущество казино скрыто от нас из-за неправильного восприятия временны́х связей.

Вот как это происходит: поскольку я играю первым, как только у меня «перебор», банкующий немедленно забирает мои карты и деньги, давая понять, что для меня игра закончена. Дальше он продолжает круг с другими игроками и лишь потом открывает свои карты. В этот момент, если я все еще нахожусь за столом, я могу узнать, что у него тоже «перебор», и, значит, никто не выиграл. Я не мог обнаружить преимущество казино, поскольку оно скрыто в будущем: нормальная связь между причиной и следствием перевернута во времени. В том случае, когда у нас обоих «перебор», результат моего проигрыша наступает раньше причины: мои карты и деньги отбираются (результат) до того, как я узнаю, проиграл ли я или сыграл вничью с банкующим. Преимущество казино трудно обнаружить по той причине, что выбывший из игры игрок прекращает следить за дальнейшим развитием событий. Используя нашу недальновидность, казино скрывает от нас, как обращает результаты в свою пользу34.

Даже если мы живем в замороженном «блоке вселенной», где правят законы этернализма, и ход времени оказывается лишь иллюзией, хронология событий и длительность промежутков между ними влияют на формирование нашего мозга. Вообще говоря, сформулированные Юмом правила представляют собой алгоритмы, определяющие работу электрической схемы мозга. Например, временна́я асимметрия причины и следствия закодирована в мозге на самом базовом уровне.

Наш мозг – это сеть, состоящая примерно из 100 млрд нервных клеток, взаимодействующих между собой через сотни триллионов синапсов35. Как и большинство элементов вычислительных машин, включая транзисторы в компьютере, нейроны получают входные сигналы и испускают выходные сигналы. Однако, в отличие от транзисторов, нейроны являются экстравертами. Рядовой транзистор в обычном компьютере связан с несколькими десятками других транзисторов, а рядовой нейрон связан с тысячами других нейронов. Эти связи осуществляются посредством синапсов – зон контакта между соседними нейронами: пресинаптическим нейроном, посылающим сигнал, и постсинаптическим нейроном, который его принимает. Входные сигналы для каждого нейрона складываются из сигналов его пресинаптических партнеров, отсылающих биоэлектрические импульсы. Возбуждающие синапсы заставляют постсинаптический нейрон «возбуждаться», т. е. отсылать электрический сигнал всем нижестоящим нейронам (своим постсинаптическим партнерам). Напротив, тормозные синапсы пытаются убедить постсинаптические нейроны хранить спокойствие. При таком гигантском количестве элементов электрическая схема мозга представляет собой невероятно сложную систему (рис. 2.1). Но от чего зависит, какие именно нейроны установят между собой связи?

Рис. 2.1. Нейроны и синапсы. Изображение двух корковых нейронов. Аксон нижнего пресинаптического нейрона соединяется с дендритом верхнего постсинаптического нейрона через синапс (не виден). Потенциал действия – быстрый «всплеск» напряжения – в пресинаптическом нейроне вызывает небольшое увеличение напряжения постсинаптического нейрона (так называемый возбуждающий постсинаптический потенциал, EPSP). (Изменено с разрешения Feldmeyer et al., 2002)

В качестве очень упрощенной аналогии может служить интернет – еще один пример сети связанных между собой элементов. Представьте себе, что веб-страницы – это нейроны, а однонаправленные гиперссылки – синапсы. Связи между страницами в подавляющем числе случаев устанавливаются внешними законами, точнее, программистами. Но мозг возбуждается самостоятельно, у него нет никакого программиста. Кроме того, в отличие от интернета, для мозга важно не только наличие связи между элементами, но и сила («вес») каждого соединения. Вес синапса определяет степень влияния пресинаптического нейрона на поведение постсинаптического нейрона. Наличие сильного возбуждающего синапса между нейронами A и B означает, что возбуждение A с большой вероятностью вызовет возбуждение B, а если синапс между A и B очень слабый, B почти не обращает внимания на то, что ему велит сделать A. Порядок связывания нейронов и сила синапсов между ними отчасти определяется синаптическими алгоритмами (так называемыми правилами обучения нейронных сетей), записанными в наших генах. Таким образом, гены не кодируют силу синапсов, но определяют алгоритмы ее регуляции36.

В частности, одно из правил обучения, описываемое так называемой моделью пластичности, зависимой от времени импульса (spike-timing-dependent plasticity, STDP), прекрасно иллюстрирует, как в наших синапсах зафиксирована временна́я асимметрия причины и следствия. Рассмотрим два нейрона, изображенные на рис. 2.2: нейрон A связан с нейроном B, а B, в свою очередь, с A. Таким образом, существуют два синапса: A→B и B→A. Можно сказать, что между этими нейронами существует рекуррентная связь: нейрон A подает входной сигнал на нейрон B и наоборот. Теперь давайте предположим, что действие каждого нейрона запускается различными событиями во внешнем мире. Допустим, обладателем нейронов является девочка по имени Зоя, и нейрон А возбуждается в ответ на звук «з», а нейрон B – в ответ на звук «о». Поэтому каждый раз, когда мама или папа произносят имя девочки, первым возбуждается нейрон A, а потом нейрон B, причем нейрон A возбуждается на 25 мс раньше, чем нейрон B. Задача правила обучения заключается в том, чтобы усилить или ослабить синапсы в зависимости от характера активности пре-синаптического и постсинаптического нейрона. В данном случае STDP будет усиливать синапс A→B и ослаблять синапс B→A. Нейробиологам понадобилось удивительно много времени, чтобы осознать это простое правило. Оно было доказательно продемонстрировано только в 1990-х гг.37 Но его красота очевидна: это правило позволяет синапсам устанавливать причинно-следственную связь между нейронами. Если нейрон A возбуждается раньше нейрона B, он может вносить вклад в возбуждение B, и поэтому этот синапс усиливается. А вот синапс B→A не играет важной роли – как будто кто-то постоянно напоминает вам закрыть дверь после того, как вы ее уже закрыли – и поэтому ослабевает (и в конечном итоге может полностью исчезнуть).

Рис. 2.2. Модель пластичности, зависимой от времени импульса (STDP). Два нейрона взаимосвязаны посредством двух синапсов (черные треугольники). Если нижний нейрон постоянно возбуждается раньше верхнего, синапс от нижнего нейрона к верхнему будет усиливаться (потенциация синаптической передачи), а синапс от верхнего нейрона к нижнему будет ослабевать (депрессия синаптической передачи).

Считается, что способность синапсов обучаться причинно-следственным связям между нейронами отчасти определяет способность мозга обучаться связям между событиями внешнего мира. В нашем примере правило STDP помогает нейронам реагировать на последовательность звуков з-о-я, а не на редко произносимое я-о-з, и тем самым позволяет Зое узнавать свое имя. Но STDP – лишь одно из многих правил обучения в арсенале мозга. Заметим, что STDP использует тончайшее временное разрешение, доступное нервной системе: разница во времени поступления постсинаптических импульсов всего в несколько миллисекунд может определять, будет ли синапс усиливаться или ослабевать. Но этот механизм не учитывает связи между событиями, разделенными по времени на несколько секунд или более. Для решения такого рода задач требуются более сложные механизмы, основанные на действии не двух нейронов, а целых популяций нейронов. Однако тем или иным образом нейроны и синапсы мозга обучаются связывать между собой события, разделенные короткими и длинными промежутками, и позволяют нам осмысливать происходящее вокруг нас.