5. СТАТИСТИКА. Парадоксы о сериях, воронах и зелубом цвете.

Статистика, занимающаяся сбором, обработкой и анализом численной информации, приобретает все большее значение в сложном современном мире. На нас обрушиваются потоки информации — от сведений о состоянии экономики до оценок эффективности зубной пасты, и для того, чтобы разобраться в ворохе этих данных, необходимы хотя бы элементарные познания из области статистики. Без них современный человек не в состоянии принимать правильные решения. Трудно найти такую область науки, в которой статистика не играла бы жизненно важную роль, не говоря уже о неоценимых услугах, оказываемых статистикой таким областям человеческой деятельности, как страхование, здравоохранение, реклама и т. д.

Эту главу отнюдь не следует рассматривать как популярное введение в статистику. Прочитав ее, вы не усвоите даже ее элементарных основ. Перед вами выборка красочных парадоксов Буду рад, если, ознакомившись с ними, вы захотите узнать побольше об их математической подоплеке.

Открывается глава историей, в которой вводятся три фундаментальных понятия статистики: среднее, медиана и мода. За ней следуют несколько необычных примеров неправильного использования данных — великого искусства «лгать» с помощью статистики. Они должны насторожить вас и тем самым помочь вам избежать некоторых подводных камней, встречающихся на пути всякого, кому приходится пользоваться статистическими данными.

Всякого рода удивительные совпадения утрачивают свою таинственность в свете теории вероятностей и математической статистики. Взять хотя бы знаменитый парадокс с днями рождения. Среди случайно выбранной группы из 23 человек с вероятностью чуть большей, чем 1/2, найдутся по крайней мере двое людей, родившихся в один день и в один месяц! Если выбрать наугад группу из 40 человек, то вероятность совпадения возрастет до 9/10. Первая реакция на подобные столкновения — полное недоверие. Затем заядлые скептики подвергают сообщение эмпирической проверке либо путем опроса 40 знакомых, либо по 40 наугад выбранным фамилиям из биографического справочника. Третья стадия наступает, если вам захочется узнать, какая математика кроется за этим парадоксом, чтобы понять причины совпадений.

Именно в этом смысле собранные в этой главе парадоксы можно рассматривать как волшебные ступени, ведущие к серьезной математике.

В этой главе вы найдете описания нескольких карточных фокусов, в которых удивительные на первый взгляд совпадения находят естественное объяснение в рамках простых математических законов. Парадокс с выборами — одна из наиболее известных противоречащих интуиции теорем теории решений — нового раздела математики, занимающегося изучением методов принятия рациональных решений на основе статистической информации. История о Мери Лоунлихартс представляет собой беллетризованный вариант другого, не менее поразительного, но малоизвестного парадокса.

Завершается глава двумя парадоксами, которые обычно наиболее широко обсуждаются: парадоксом о вороне и парадоксом о странном свойстве быть «зелубым». Оба парадокса показывают, сколь важную роль играет статистика при оценке степени правдоподобия научных гипотез.

Обманчивое среднее.

Фирма «Гисмо продактс» владеет небольшой фабрикой по производству супергисмо.

В правление фирмы входят мистер Гисмо, его брат и 6 родственников. Рабочая сила состоит из 5 бригадиров и 10 рабочих. Дела на фабрике идут хорошо, и правление решило нанять еще одного рабочего.

Мистер Гисмо беседует с Сэмом, пришедшим справиться об условиях работы.

М-р Гисмо. Мы платим хорошо. Средний заработок — 600 долларов в неделю. За время обучения вы будете получать сначала по 150 долларов в неделю, но довольно быстро последует надбавка.

Проработав несколько дней на фабрике, Сэм пришел на прием к боссу.

Сэм. Вы обманули меня! Я опросил всех рабочих и оказалось, что никто из них не получает больше 200 долларов в неделю. Как может средний заработок достигать 600 долларов в неделю? М-р Гисмо. Успокойтесь, Сэм, никто вас не обманывал. Средний заработок на нашей фабрике действительно составляет 600 долларов в неделю. Сейчас я докажу вам это. М-р Гисмо: Взгляните, вот еженедельная ведомость. Я получаю 4800 долларов, мой брат 2000 долларов, каждый из 6 родственников по 500 долларов, каждый из 5 бригадиров по 400 долларов и каждый из 10 рабочих по 200 долларов. Всего в неделю мы выплачиваем 23 сотрудникам 13 800 долларов. Так? Сэм. Так-то так, средний заработок действительно составляет 600 долларов в неделю, но вы все равно меня обманули. М-р Гисмо. Друг мой, вы просто неверно меня поняли. Я мог бы перечислить всех сотрудников нашей фирмы, сообщить вам, кто сколько получает и затем сказать, что средний заработок составляет 400 долларов в неделю, но это был бы не средний заработок, а медиана. Сэм. А что такое 200 долларов в неделю? М-р Гисмо. 200 долларов в неделю— это так называемая мода, то есть заработок большинства сотрудников нашей фирмы. М-р Гисмо. Ваша беда в том, мой друг, что вы не знаете, чем отличается среднее от медианы и моды. Сэм. Отчего же? Теперь я отлично знаю это. Ищите себе других простачков!

Статистические утверждения могут быть весьма парадоксальными, а иногда даже вводить в заблуждение. История о фабрике мистера Гисмо показывает общий источник недоразумений — различие между средним, медианой и модой.

Слово «среднее» мы обычно понимаем как синоним «среднего арифметического». Среднее — ценный статистический показатель. Но если имеются большие выбросы, например суммы, еженедельно получаемые мистером Гисмо и его братом, то «средний» заработок может давать ложное представление об истинном положении дел.

Нетрудно привести и другие примеры того, как утверждения о «средних» способны вводить в заблуждение. Так, в заметке репортера одной из газет сообщалось о человеке, утонувшем в реке, глубина которой «в среднем» едва достигает полуметра. Создается впечатление, будто человек утонул на мелководье.

Печальное происшествие утрачивает всю загадочность после того, как вы узнаете, что человек утонул в одном из мест, где глубина превышает 3 м.

Некая корпорация сообщает, будто ее деятельность демократично контролируется общим собранием 143 держателей акций, так как на 50 держателей приходится 600 голосов, что составляет в среднем по 12 голосов па 1 держателя акций. Но если каждый из 45 держателей акций имеет лишь по 4 голоса, а 5 избранных имеют по 84 голоса, то среднее число голосов на одного держателя акций по-прежнему составляет 12 голосов, хотя пятерка избранных полностью заправляет всей деятельностью корпорации.

Еще один пример. Желая привлечь в город фирмы, занимающиеся розничной продажей товаров, торговая палата выступает в печати с заявлением о необычайно высоком среднем уровне доходов на душу населения.

Большинство людей, прочитав в газете это заявление, делают вывод, что жители города извлекают из своего рода деятельности большие доходы. Но если среди жителей города окажется лишь один миллиардер, то даже если все остальное население будет получать малые доходы, средний доход на душу населения по-прежнему останется высоким.

Иногда под «средним» понимают не среднее арифметическое, а медиану или моду, что приводит к еще большим недоразумениям. Если значения расположить в порядке возрастания или убывания, то медиана — это значение, стоящее в середине. Если число значений нечетно, то медиана — это значение, равноудаленное от концов такого упорядоченного списка. Если число значений четно, то за медиану обычно принимают среднее арифметическое двух значений, стоящих в середине.

Для Сэма медиана была бы полезнее, чем среднее арифметическое, но даже медиана дает искаженную картину истинного распределения доходов среди служащих фирмы. В действительности Сэму необходимо знать моду — значение, наиболее часто встречающееся в списке данных. На фабрике мистера Гисмо мода — это зарплата, выплачиваемая большему числу сотрудников, чем любая другая зарплата. Иногда моду называют «типичным случаем», так как она встречается чаще других. В нашем последнем примере «типичная» семья в городе (та, чьи доходы служат модой) может быть очень бедной, хотя средний доход горожан очень велик из-за небольшого числа весьма состоятельных жителей.

«Мать года».

В конце года жена Сэма получила особый приз от мэра города и почетный титул «матери года».

Местная газета поместила фотографию Сэма, его жены и 13 их детей.

Редактору очень понравился снимок. Он вызвал к себе фотографа.

Редактор. Отличная работа, Баском! Мне пришла в голову новая идея. Снимите-ка мне теперь семью, где бы число детей было средним по нашему городу.

Новое задание редактора оказалось невыполнимым. Почему? Да потому, что ни в одной семье число детей не совпадало со средним!

Среднее число детей было равно 21/2

Еще одно широко распространенное заблуждение, связанное со «средним», — убеждение, будто среднее непременно должно существовать. После того как из нашего рассказа в картинках вы узнали о том, что среднее число детей, приходящихся на одну семью, может быть равным 21/2, вам не составит труда привести другие примеры, в которых средняя величина не реализуется в действительности. Кто сумеет бросить игральную кость так, чтобы на ней выпало среднее число очков за длинную серию бросаний?

А вот еще несколько вопросов, которые помогут вам глубже понять различие между средним арифметическим, медианой и модой.

1. Предположим, что редактору пришло в голову поместить фотографию семьи, «типичной» в смысле моды. Всегда ли фотограф сумеет найти такую семью?

(Да, типичная семья в смысле моды существует.)

2. Могут ли существовать сразу несколько мод?

Например, могут ли быть одновременно образчиками моды семьи с двумя и с тремя детьми? (Да, если в городе проживает 1476 семей с двумя детьми, 1476 семей с тремя детьми, а число семей с одним ребенком или с четырьмя и более детьми меньше 1476, то в городе наиболее распространены семьи двух первых типов. Каждая из семей с двумя и с тремя детьми с полным основанием может быть названа модой.)

3. Удастся ли фоторепортеру выполнить задание, если редактору понадобится снимок семьи-медианы?

(В большинстве случаев удастся, но не всегда. Как мы уже упоминали, даже если в городе проживает четное число семей, но в двух средних семьях (в списке семей, расположенных в порядке возрастания или убывания числа детей) число детей будет различным; медиана не обязательно должна быть целым числом.)

Поспешные выводы.

Как показывает статистика, преобладающее большинство дорожно-транспортных происшествий приходится на долю машин, едущих с умеренной скоростью, и лишь незначительное число — на долю машин, мчащихся со скоростью свыше 150 км/ч. Означает ли это, что водить машину на больших скоростях безопаснее?

Нет, не означает. Статистические соотношения часто не имеют ничего общего с причинно-следственными связями. Большинство людей водят машины с умеренной скоростью, поэтому и большинство происшествий приходится на их долю.

Как показывает статистика, смертность от туберкулеза в штате Аризона выше, чем в других штатах. Означает ли это, что климат Аризоны благоприятствует развитию туберкулезной палочки?

Наоборот, климат Аризоны необычайно полезен для больных туберкулезом, и они тысячами стекаются в Аризону. Это, естественно, приводит к повышению здесь смертности от туберкулеза.

Как показало статистическое исследование, дети, носящие обувь больших размеров, более сильны в правописании, чем дети, носящие обувь малых размеров. Означает ли это, что размер обуви может служить показателем грамотности?

Нет, не означает. Исследование проводилось на группе детей, которые продолжают расти. Чем старше ребенок, тем больше у него размер обуви и тем грамотнее он пишет.

Три эпизода, рассказанные нами в «картинках», показывают, как важно не делать поспешных выводов о причине и следствии, когда речь идет о статистической закономерности. Вот еще несколько примеров.

1. Нередко приходится слышать, будто большинство дорожно-транспортных происшествий приходится на начальный отрезок пути, едва автомобилист успевает отъехать от дома. Означает ли это, что езда по скоростному шоссе за много километров от дома безопаснее, чем езда по родному городу?

Разумеется, не означает. Статистика просто отражает тот факт, что близкие поездки автомобилисту приходится совершать чаще, чем дальние.

2. Как показали исследования, в некоторых штатах наблюдается высокий процент людей, пьющих молоко, и высокий уровень смертности от рака. Означает ли это, что молоко вызывает рак?

Нет. В этих штатах высок процент людей пожилого возраста, а поскольку раковые заболевания обычно удел престарелых людей, более высокий уровень смертности от рака связан с тем, что старшая возрастная группа составляет значительную долю населения.

3. Как показали исследования, в некотором городе отмечено резкое увеличение количества смертей от сердечной недостаточности и потребления пива.

Может ли потребление пива увеличивать вероятность сердечного приступа? Нет, увеличение обоих показателей вызвано быстрым ростом численности населения этого города. Причиной повышения вероятности можно считать возросшее потребление кофе, жевательной резинки, увеличение доли населения, играющего в бридж, смотрящего многочасовые телепередачи и т. п.

4. Как показали исследования, в одном европейском городе отмечено резкое увеличение численности населения и аистов, гнездящихся в черте города.

Можно ли считать это подтверждением распространенного поверья, будто аисты приносят младенцев?

Нет, нельзя. Отмеченный параллелизм в росте численности населения и аистов обусловлен тем, что с увеличением числа зданий в городе появляется больше мест, пригодных для гнездовий аиста.

5. Как показало недавно проведенное исследование, большинство математиков были старшими сыновьями. Означает ли это, что существует большая вероятность обнаружить математические способности у старшего сына, чем у кого-нибудь из младших? Нет, статистика просто отражает тот удивительный факт, что большинство сыновей старшие.

В связи с последним примером вы можете провести несколько интересных опытов. Вспомните знакомых мужского пола. Проверьте, будет ли больше половины из них старшими сыновьями. Повторите тот же эксперимент со знакомыми женского пола. Какая доля из них будет старшими дочерьми?

Проведем мысленный эксперимент. Рассмотрим 100 двухдетных семей. Какая доля мальчиков (девочек) будет старшими сыновьями (дочерями)? (Ответ: 3/4.) Вычислите долю старших сыновей (дочерей) в 100 трехдетных семьях. (Ответ: 7/12.) Вряд ли нужно говорить о том, что в однодетных семьях единственный ребенок всегда старший.

Точная доля старших сыновей или дочерей изменяется в зависимости от числа детей в семьях, но всегда больше 1/2 и в большинстве случаев значительно больше 1/2.

Приведенных примеров достаточно, чтобы побудить вас к самостоятельному поиску других примеров статистических утверждений, которым неправильно приписывается несуществующая причинно-следственная связь. Богатым источником такого рода утверждений служит коммерческая реклама, в особенности передаваемая по телевидению.

Мир тесен.

Многие склонны думать, что всякого рода совпадения вызваны действием звезд и другими таинственными силами.

Предположим, например, что в салоне самолета разговорились два незнакомых прежде пассажира.

Джим. Так вы из Бостона! Моя добрая знакомая Люси Джонс работает в Бостоне адвокатом. Том. Подумать только, как тесен мир! Люси лучшая подруга моей жены!

Есть ли основания считать подобные совпадения маловероятными?

Статистики доказали, что таких оснований нет.

Многие очень удивляются, когда при встрече с незнакомым человеком (в особенности вдали от дома) обнаруживают, что у них есть общий знакомый. Группа социологов из Массачусетского технологического института под руководством Итиль де Сола Пул исследовала этот парадокс, который условно можно было бы назвать «Мир тесен». Они обнаружили, что если выбрать наугад двух жителей США, то каждый из них знает в среднем около 1000 людей. Это означает, что они знают друг друга с вероятностью около 1/100000.

Вероятность того, что у них есть общий знакомый, значительно больше и составляет примерно 1/100. Вероятность того, что они связаны между собой (как в диалоге, приведенном в подписи к нижнему рисунку) через цепочку из двух посредников, больше, чем 99/100!

Иначе говоря, если Браун и Смит — два выбранных наугад жителя США, то с вероятностью, почти равной единице, можно утверждать, что Браун знает кого-то, кто знает Смита.

Психолог Стенли Милгрэм подошел к решению парадокса «Мир тесен» с другой стороны: он отобрал наугад группу «отправителей». Каждому из отправителей Милгрэм вручил некий документ с просьбой передать его незнакомому «получателю», живущему в отдаленном штате. Получив документ, отправитель пересылал его по почте тому из своих близких знакомых, кто, по его мнению, с наибольшей вероятностью мог знать получателя. Знакомый в свою очередь пересылал документ своему знакомому и т. д., пока наконец документ не доходил до получателя. Милгрэм обнаружил, что число посредников между отправителем и получателем колебалось от 2 до 10 с медианой, равной 5. (На вопрос о том, сколько посредников понадобится для пересылки документа, люди обычно отвечали, что около 100.)

Исследование Милгрэма показало, сколь тесно связаны между собой люди сетью общих знакомых.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что двое людей, впервые видящих друг друга, встретившись далеко от дома, обнаружили общего знакомого. Сеть общих знакомых позволяет объяснить и другие странные на первый взгляд статистические явления, например необычайную скорость, с которой распространяются слухи, сенсационные новости, конфиденциальная информация и анекдоты.

Под каким знаком зодиака вы родились?

Эти четверо людей встретились впервые. Разве не удивительно, что по крайней мере двое из них родились под одним знаком зодиака?

Возможно, совпадение покажется вам удивительным, но в действительности оно случается в 4 случаях из 10. Предположим, что каждый из четырех людей мог с равной вероятностью родиться под любым из 12 знаков зодиака. Какова вероятность того, что по крайней мере двое из четырех родились под одним знаком зодиака?

Рассмотрим задачу на модели — специально подготовленной колоде карт. Извлечем из колоды и отложим в сторону четырех королей. В колоде останется по 12 карт каждой из четырех мастей. Каждая масть соответствует одному из четырех людей, каждое значение карты — одному из знаков зодиака.

Извлечем наугад по одной карте каждой масти.

Какова вероятность, что значения по крайней мере двух карт будут совпадать? Найти эту вероятность означает найти вероятность того, что по крайней мере два из четырех незнакомых между собой людей родились под одним знаком зодиака.

Эту задачу проще всего решить, вычислив вероятность того, что значения любых двух карт не совпадают. Если вычисленную вероятность вычесть из единицы, то получится вероятность того, что значения по крайней мере двух карт совпадают, которую и требуется найти.

Если мы возьмем карты двух мастей, например червовой и пиковой, то вероятность того, что значения любых двух карт не совпадают, равна 11/12, так как существует лишь 1 шанс против 12, что какая-то карта червовой масти совпадает по значению с картой пиковой масти. Вероятность того, что трефовая карта отличается по значению от червовой и пиковой, равна 10/12, а вероятность того, что бубновая карта отличается по значению от червовой, пиковой и трефовой, равна 9/12. Произведение этих трех дробей дает нам вероятность того, что никакие две из четырех карт не совпадают. Она равна 55/96.

Вычитая ее из единицы, получаем 41/96. Следовательно, вероятность того, что по крайней мере двое из четырех незнакомых между собой людей родились под одним знаком зодиака, составляет около 4/10, то есть почти 1/2, поэтому совпадение знаков вряд ли можно считать столь удивительным.

Парадокс со знаками зодиака — вариант хорошо известного парадокса с днями рождения. Выберем наугад 23 человека. С вероятностью чуть больше 1/2, по крайней мере двое из них родились в один и тот же день одного и того же месяца. Вычисления аналогичны проделанным выше, только умножать на этот раз приходится 22 дроби:

Вероятность того, что по крайней мере 2 из 23 людей родились в один и тот же день одного и того же месяца, равна разности 1 минус произведение 22 дробей, или 0,5073…, то есть чуть больше 1/2. В правильности этого утверждения нетрудно убедится с помощью микрокалькулятора. Если число выбранных наугад людей больше 23, то вероятность совпадения дней рождения по крайней мере у двоих из них быстро возрастает. Так, если наугад выбрано 30 человек, то эта вероятность равна 7/10. Если же выбрано 100 человек, то шансы на совпадение повышаются примерно до 3 000000 против 1.

Предлагаем вам несколько вопросов для размышления.

1. Выбрано наугад n человек. Начиная с какого n вероятность того, что по крайней мере двое из них родились в одном месяце, больше 1/2? (Ответ: начиная с n = 5, когда вероятность совпадения месяца равна 89/144 примерно = 0,62.)

2. Выбрано наугад n человек. Начиная с какого n вероятность того, что по крайней мере двое из них родились в один день недели, больше 1/2? (Ответ: начиная с 4, когда вероятность совпадения дня недели равна 223/343 примерно = 0,65.)

3. Выбрано наугад n человек. Начиная с какого n вероятность того, что по крайней мере у одного из них день рождения совпадает с вашим? (Ответ: начиная с n = 253, а не с n = 183, как было бы в том случае, если бы у всех вабранных наугад людей дни рождения не совпадали.)

Скрытые закономерности в числе π

Цифры в десятичном разложении числа π кажутся расположенными в полном беспорядке, но что это?

Начиная с 710100-го знака после запятой в разложении π идут подряд 7 троек!

Цифры в десятичном разложении числа π не случайны в том смысле, что они не порождены датчиком случайных чисел, но «случайны» в том смысле, что расположены беспорядочно. Математики неоднократно подвергали десятичное разложение числа π всевозможным проверкам в надежде открыть какой-нибудь порядок в расположении цифр, но безуспешно. В этом смысле цифры в разложении числа π следуют одна за другой в таком же беспорядке, как цифры, получаемые при запуске десятиугольного волчка, который останавливается на одной из цифр от 0 до 9.

Вероятность встретить серию из семи троек в любом наугад выбранном месте десятичного разложения числа π очень мала: шансы не встретить ее составляют 9 999 995 против 1. То, что такая серия троек встречается среди первых 710106 знаков после запятой в десятичном разложении π, на первый взгляд кажется удивительным. Но если мы займемся поиском в том же разложении серий из идущих подряд семерок, то окажется, что они встречаются с большей вероятностью, чем серии из троек. Не менее удивительно, что с ненулевой вероятностью в десятичном разложении числа π можно встретить и такие серии, как 4444444, 8888888, 1212121, 1234567 или 7654321. Поскольку заранее не известно, какую именно закономерность мы ищем, какую-нибудь серию нам удастся найти с ненулевой вероятностью.

Единственное, от чего зависит успех, — наша изобретательность в поиске скрытых закономерностей.

Как некогда сказал Аристотель, невероятно то, что особенно вероятно.

Ясон и Солнце.

Этот человек выписал первые буквы английских названий месяцев: J — вместо January (январь), F — вместо February и т. д. Можно ли считать случайным совпадением, что первые буквы названий месяцев с июля по ноябрь сложились в имя похитителя золотого руна Ясона? (JASON)?

Перед вами первые буквы английских названий планет Солнечной системы, выписанные в том порядке, в каком располагаются планеты, считая от Солнца: М — Меркурий, V — Венера и т. д.

Можно ли считать еще одним случайным совпадением, что первые буквы названий планет от Сатурна до Нептуна сложились в слово SUN, что означает по-английски «Солнце»?

Эти два забавных совпадения как нельзя лучше подтверждают правильность высказывания Аристотеля. Доказать вероятность невероятного вы можете и с помощью волчка, позволяющего наугад выбирать буквы алфавита. Выбрав какое-нибудь трехбуквенное слово и поспорив с кем-нибудь на пари, что оно составится из трех идущих подряд букв, полученных в результате 100 последовательных запусков волчка, вы скорее всего проспорите. Но если вы поспорите на пари, что из 100 случайно выбранных букв три идущие подряд буквы образуют какое-нибудь слово, например дом, зуб, нос и т. д., то вы скорее всего выиграете.

Запуская волчок и записывая, на каких буквах он останавливается, вы сможете выяснить, долго ли ждать, пока не появится первое трехбуквенное слово. Попробуйте выяснить также, долго ли ждать появления четырех- или пятибуквенного слова. Поразительно, как часто в случайной последовательности букв возникают осмысленные слова!

Связывая получающиеся слова с текущими событиями, вы можете придать эксперименту ореол таинственности. Сочетание букв «Ева» напомнит о ком-то из знакомых, слово «Бах» — о недавнем концерте и т. д. В некоторых сочетаниях букв вы сможете распознать известные сокращения (ГУМ, ДЛТ, ТЮЗ), инициалы и т. д. Это поможет вам понять, как легко при желании усмотреть в этих сочетаниях букв проявление неких таинственных сил!

Эксперимент с буквами объясняет, почему в повседневной жизни так много замечательных совпадений. Всякий раз, когда случается совпадение и оно кажется сверхъестественным, то с точки зрения человека, сведущего в статистике, его отнюдь нельзя считать невероятным. Во множестве событий, происходящих за день, то или иное совпадение может произойти миллионами различных способов. Поскольку характер совпадения заранее не определен, оно не более удивительно и не менее вероятно, чем появление какой-то серии цифр в десятичном разложении числа π или какого-то осмысленного слова в случайной последовательности букв. Когда совпадение происходит, оно кажется слишком невероятным для того, чтобы быть случайным. При этом мы забываем о том, что на одно совпадение приходятся миллиарды возможных совпадений, которые могли бы произойти, но так и не произошли.

Странные скопления.

Совпадения случаются даже в колоде перетасованных карт. Например, почти всегда вы обнаружите скопление из шести-семи красных или черных карт.

Взглянув в телескоп, вы обнаружите скопление звезд. Горошины, брошенные на поверхность стола, рассыпаются не равномерно, а собираются в кучки. Старая поговорка гласит: «Беда не приходит одна».

Тенденция случайных событий «скапливаться» — явление хорошо известное, и его теории посвящены целые книги. Серия из семи троек в десятичном разложении числа π — лишь один из примеров случайного скопления. Если вы будете бросать монету или вращать колесо рулетки, записывая каждый раз исход бросания или выпавший номер и цвет, то без труда обнаружите, что аналогичные примеры довольно длинных серий встречаются с удивительной частотой.

Поразительный эксперимент по изучению скоплений был предложен инженером из Мичиганского университета А. Д. Муром. Свой эксперимент Мур назвал «нонпарельной мозаикой» (небольшие конфетки в виде разноцветных шариков, с которыми Мур проводил свой опыт, называются нонпарелями). Засыпьте в бутыль из прозрачного стекла поровну круглых бусин красного и зеленого цвета.

Встряхнув бутыль, перемешайте шарики. Если вы посмотрите на бутыль сбоку, то увидите не однородную смесь красных и зеленых бусин, как можно было бы ожидать, а красивую мозаику из довольно крупных скоплений красных бусин вперемежку с крупными скоплениями зеленых бусин. Скопления имеют неправильную форму. Образуемая скоплениями мозаика настолько неожиданна, что даже математики, когда впервые видят ее, считают, что одноцветные шарики слипаются вследствие какого-то электростатического эффекта. В действительности мозаику формирует случай. Узор из красных и зеленых пятен не более чем проявление случайного скапливания.

Если вам трудно в это поверить, попробуйте провести следующий простой эксперимент. На листе бумаги в клеточку начертите квадратную рамку размером 20 клеток на 20. Затем раскрасьте каждую клетку в красный или зеленый цвет, выбирая цвета в зависимости от исхода бросания монеты. Раскрасив все 400 клеток, вы увидите такую же мозаику из красных и зеленых скоплений, какая видна через стенки бутыли.

При образовании скоплений в игру нередко вступают нематематические факторы. Если за автомашинами, случайным образом распределенными на шоссе, вы будете наблюдать с вертолета, то увидите, что они распределяются вдоль шоссе неравномерно, образуя скопления. Реально наблюдаемое скопление сильнее случайного, поскольку водитель стремится не пропускать вперед машины, движущиеся примерно с той же скоростью, и прибавлять скорость на свободных участках дороги. «Пятнистость» в расположении городов на карте, дождливых дней в календаре, куртин клевера и других дикорастущих растений на лугу и т. д. обнаруживает более сильную тенденцию к скоплению, чем та, которая объясняется только игрой случая.

Поразительный карточный фокус.

Перед вами удивительный парадокс, связанный с теорией скопления. Разложите колоду карт так, чтобы карты черных и красных мастей чередовались.

Разделите колоду на равные части, убедившись при этом, что нижние карты в каждой половине различных цветов.

Перетасуйте колоду. Для этого, отогнув вверх углы каждой из частей колоды, отпускайте по одной карте поочередно из каждой части так, чтобы карты ложились внахлест, после чего подровняйте все карты, не тасуя.

Снимая по две карты сверху, вы обнаружите в каждой паре по одной красной и по одной черной карте, словно не вы своими собственными руками делили колоду на две части и не тасовали их внахлест!

Этот замечательный карточный фокус — пример того, как скрытая математическая структура, вступая в игру, порождает скопления, кажущиеся загадочными и непонятными. Фокусники называют положенный в его основу трюк принципом Гилбрейта в честь первооткрывателя — математика и большого любителя фокусов Нормана Гилбрейта, придумавшего его в 1958 г. С тех пор на основе принципа Гилбрейта фокусники-профессионалы изобрели не одну сотню хитроумнейших карточных фокусов.

Докажем по индукции, что принцип Гилбрейта действует безотказно. Итак, колода делится на две части. В одной части снизу оказывается черная карта, в другой — красная. После того как при тасовании внахлест на стол падает первая карта, в обеих частях колоды снизу оказываются карты одного цвета. Если первой на стол упала красная карта, то обе нижние карты черные. Если первой на стол упала черная карта, то обе нижние карты красные. Следовательно, независимо от того, какая из нижних карт упадет второй, поверх первой карты на столе непременно ляжет карта другого цвета. Итак, в первую пару карт на столе войдет одна красная и одна черная карта.

После того как на стол сброшены две первые карты, мы возвращаемся к исходной ситуации: снизу в одной части окажется черная карта, в другой — красная. Какая бы из них ни упала на стол, снизу двух частей снова будут две карты одного цвета, поэтому и во вторую пару на столе непременно войдет одна красная и одна черная карта, после чего все опять повторится сначала.

Если вы захотите показать кому-нибудь этот фокус, то сначала вам необходимо подготовить колоду так, чтобы черные и красные карты чередовались.

Попросите кого-нибудь из зрителей сдать на стол по одной карте примерно половину колоды (после того, как зритель положит на стол верхнюю карту, нижние карты в обеих частях колоды заведомо будут различного цвета), а затем, взяв одну часть колоды в правую, а другую в левую руку, сбросить карты по одной на стол так, чтобы они легли внахлест.

Держа «перетасованную» колоду под столом так, чтобы ее не видели ни зрители, ни вы сами, объявите зрителям, будто вы можете на ощупь определять 164 цвет карт, и «в доказательство» начните выкладывать на стол карты парами — по одной красной и одной черной. Для этого вам необходимо лишь каждый раз брать по две карты сверху.

Можно ли обобщить принцип Гилбрейта и положить более широкий вариант в основу новых карточных фокусов? Попробуем проделать следующую процедуру. Подготовим колоду так, чтобы карты шли четверками — по одной карте каждой масти, например в последовательности ПЧБТ, ПЧБТ, ПЧБТ и т. д. (П — пики, Ч — червы, Б — бубны, Т — трефы).

Снимая по одной карте сверху, сдайте примерно половину колоды (точное число сданных карт не имеет значения). При сдаче последовательность мастей автоматически изменяется на обратную. Взяв в правую руку одну часть колоды (например, сданные карты), а в левую — другую часть колоды, сбросьте карты по одной из каждой части на стол так, чтобы они легли внахлест. После этого начните снимать карты с верха перетасованной колоды четверками.

В каждой четверке непременно будет по одной карте каждой масти.

А вот еще один не менее эффективный фокус.

Разложите карты четырьмя сериями по 13 карт в каждой. Карты в серии независимо от масти расположите в следующем порядке: туз, двойка, тройка, четверка, пятерка, шестерка, семерка, восьмерка, девятка, десятка, валет, дама, король. Проделайте с колодой ту же процедуру, что и в предыдущем фокусе. Отсчитайте сверху четыре серии по 13 карт.

В каждой серии непременно будет по одной карте всех значений от туза до короля!

В заключение приведем еще одно обобщение принципа Гилбрейта. Возьмите две колоды и расположите в них карты в одной и той же последовательности. Положите одну колоду на другую и сдайте сверху столько карт, чтобы осталось около 52 листов. Перетасуйте обе части удвоенной колоды внахлест и разделите 104 карты на две строго равные части. Каждая половина окажется полной колодой!

Парадокс с выборами.

Предположим, что три кандидата— Абель, Берне и Кларк (А, В и С) — выставили свои кандидатуры на президентских выборах.

Как показали итоги выборов, 2/3 избирателей отдали предпочтение Абелю перед Бернсом и 2/3 избирателей отдали предпочтение Бернсу перед Кларком. Означает ли это, что большинство избирателей отдало предпочтение Абелю перед Кларком?

Не обязательно. Если голоса избирателей разделились так, как показано на рисунке слева, то возникла парадоксальная ситуация.

Предоставляем объяснить ее самим кандидатам.

М-р Абель. Две трети избирателей предпочли меня Бернсу. М-р Бернс. Две трети избирателей предпочли меня Кларку. М-р Кларк. Две трети избирателей предпочли меня Абелю!

Этот парадокс, известный еще в XVIII в., представляет собой пример нетранзитивных отношений, которые могут возникнуть при попарном выборе.

Понятие транзитивности применимо к таким отношениям, как «выше, чем» (х выше, чем у), «больше, чем», «меньше, чем», «раньше, чем», «тяжелее, чем».

Вообще, отношение R называется транзитивным, если из того, что истинны утверждения xRy и yRz следует, что истинно утверждение xRz.

Парадокс с выбором кажется столь неожиданным потому, что мы ошибочно полагаем, будто отношение «быть предпочтительнее, чем» всегда транзитивно.

Если кто-то отдает предпочтение А перед В (то есть для него А предпочтительнее, чем В), а В перед С, то естественно ожидать, что этот кто-то отдает предпочтение А перед С. Но как показывает парадокс, это верно далеко не во всех случаях. Большинство избирателей отдало предпочтение кандидату А перед кандидатом В, большинство избирателей отдало предпочтение кандидату В перед кандидатом С, и большинство избирателей отдало предпочтение кандидату С перед кандидатом А. Ситуация заведомо не транзитивная! Этот парадокс иногда называют парадоксом Эрроу в честь лауреата Нобелевской премии экономиста Эрроу, показавшего с помощью такого рода логических парадоксов принципиальную невозможность абсолютно демократической избирательной системы.

Парадокс может возникать также в любой ситуации, в которой требуется произвести выбор одной из трех альтернатив, попарно упорядоченных по трем свойствам. Предположим, что А, В и С — три претендента на руку и сердце одной и той же невесты.

Пусть строки некой матрицы 3хЗ содержат оценки, даваемые невестой каким-нибудь трем качествам кандидатов в женихи, например их уму, внешности и обеспеченности. Сравнивая оценки попарно, невеста может оказаться в довольно затруднительном положении, если выяснится (а такое легко может случиться), что кандидату А она отдает предпочтение перед В, В — перед С и С — перед А!

Последуем математику Полу Халмошу и будем считать, что А означает пирожки с абрикосовым вареньем, В — с вишневым и С — со сливовым. Предположим, что в буфете в продаже всегда есть пирожки с вареньем только двух сортов. Матрица показывает, как посетитель оценивает пирожки по вкусу, свежести и размерам. По вполне разумным мотивам посетитель может предпочесть пирожки с абрикосовым вареньем пирожкам с вишневым вареньем, пирожки с вишневым вареньем — пирожкам со сливовым вареньем и пирожки со сливовым вареньем — пирожкам с абрикосовым вареньем.

Более подробно парадоксы с нетранзитивными отношениями рассмотрены в моей статье (Scientific American, октябрь 1974), а также в статье «Выбор избирательной системы» Рихарда Ниемы и Уильяма Райкера (там же, июнь 1976) и Линн Стин об избирательных системах (там же, октябрь 1980).

Мисс Лоунлихартс.

Мисс Лоунлихартс по профессии статистик, ей надоело коротать вечера в одиночестве.

Мисс Лоунлихартс. Хорошо бы познакомиться с одиноким интеллигентным мужчиной. Говорят сейчас есть какие-то клубы встреч. Вступлю-ка я в один из них.

Мисс Лоунлихартс записалась сразу в два таких клуба. Однажды оба клуба проводили вечер в великолепном дворце «Парадокс».

Члены одного клуба встречались в Восточной комнате, члены другого— в Западной.

Мисс Лоунлихартс. Одним мужчинам нравится носить усы, другие предпочитают бриться. Одни остроумные, приятные собеседники, другие — страшные зануды и сухари. Я бы предпочла сегодня провести вечер с приятным собеседником. Следует ли мне остановить свой выбор на мужчине с усами?

Мисс Лоунлихартс провела статистическое исследование тех мужчин, которые должны были собраться в Восточной комнате. Оказалось, что среди приятных собеседников 5/11, или 35/77, составляют усатые, а 3/7, или 33/77, — гладко выбритые.

Мисс Лоунлихартс. Решено: в Восточной комнате я все внимание уделяю усатым.

Как показано аналогичное статистическое исследование, среди приятных собеседников, которые должны были собраться в Западной комнате, усатые составляли большинство — 34/126, приходившихся на долю гладко выбритых.

Мисс Лоунлихартс. Как все просто! И в Восточной, и в Западной комнате у меня больше шансов встретить приятного собеседника среди усатых мужчин.

К тому времени, когда мисс Лоунлихартс добралась до дворца «Парадокс», оба клуба встреч решили объединиться, и все перешли в Северную комнату.

Мисс Лоунлихартс. Как быть? Если в каждом клубе у меня больше шансов встретить интересного собеседника среди усатых мужчин, то и в объединенной группе он скорее всего окажется с усами. Впрочем, расчеты превыше всего. Подсчитаю-ка я шансы.

Результаты вычислений удивили мисс Лоунлихартс. Шансы встретить интересного собеседника среди усатых мужчин на объединенной встрече оказались ниже, чем среди гладко выбритых!

Мисс Лоунлихартс. Мне пришлось изменить тактику, но зато я была вознаграждена, хотя, признаться, до сих пор не пойму, почему так произошло.

Этот любопытный парадокс можно продемонстрировать на карточной модели. Пусть красные карты соответствуют приятным собеседникам, черные — унылым сухарям, крест, поставленный карандашом на рубашке карты, — усам, а отсутствие креста — гладко выбритому лицу.

Пометим крестами 5 красных и 6 черных карт.

Добавим к ним 3 красные и 4 черные карты без крестов на рубашках. Всего у нас наберется 18 карт.

Это мужчины, собравшиеся в Восточной комнате.

Перетасуйте 18 карт и разложите их на столе вверх рубашкой. Какую карту вам следует выбрать— с крестом или без креста на рубашке, если вы хотите с наибольшей вероятностью вытянуть красную карту? Нетрудно подсчитать, как это сделано на рисунках, что вероятность вытащить красную карту максимальна, если вы выберете карту, помеченную крестом.

Аналогичным образом постройте модель компании, собравшейся в Западной комнате. Пометьте крестами рубашки 6 красных и 3 черных карты. Добавьте к ним 9 красных и 5 черных карт, не помеченных крестом. Всего у вас наберется 23 карты. Перетасуйте их и разложите вверх рубашкой. Нетрудно доказать, что и в этом случае ваши шансы вытянуть красную карту максимальны, если вы выберете карту, помеченную крестом.

Объедините теперь обе группы карт в одну колоду из 41 карты. Перетасуйте ее и разложите карты вверх рубашкой. Трудно поверить, но, проделав все вычисления, вы обнаружите, что наибольший шанс вытащить красную карту будет у вас в том случае, если вы выберете карту, не помеченную крестом.

С подобными парадоксами статистики сталкиваются, например, при анализе действия лекарств. Обратимся снова к той же карточной модели. На этот раз карты будут изображать две группы пациентов, на которых испытывалось действие лекарственного препарата. Карты, помеченные крестом, пусть означают пациентов, получивших лекарство, карты, не помеченные крестом, — пациентов, получивших «плацебо», или «пустышку», — вещество, не оказывающее никакого действия на организм, красные карты — пациентов, состояние которых улучшилось от приема лекарства, черные — пациентов, состояние которых не улучшилось от приема лекарства. При анализе действия лекарства на каждую группу пациентов в отдельности мы пришли бы к заключению, что лекарство более благоприятно сказывается на состоянии пациента, чем «плацебо». При анализе действия того же лекарства на объединенную группу вывод был бы прямо противоположным: прием «плацебо» оказывает более благоприятное действие на состояние пациента, чем лекарство! Этот парадокс показывает, как трудно придумать схему испытаний, которая давала бы надежные статистические результаты.

Примером того же парадокса может служить подлинное происшествие, приключившееся в 1978 г. при анализе статистических данных о результатах приема в Калифорнийский университет в Беркли.

Исследователей интересовало, не отдается ли при вступительных экзаменах предпочтение юношам перед девушками. В тот год в университет было зачислено около 44 % абитуриентов и около 33 % абитуриенток.

Поскольку юноши и девушки были подготовлены примерно одинаково, казалось, что приемная комиссия не отличалась беспристрастием и отдавала явное предпочтение юношам. Но при попытке установить, на каком из факультетов девушки подвергались дискриминации, выяснилось, что на каждом из факультетов университета процент принятых абитуриенток был выше, чем процент принятых абитуриентов! Как это объяснить? Парадокс возник из-за того, что гораздо больший процент абитуриенток подали заявление на более трудные факультеты, где отсев был значительно больше. Если же сравнить абитуриентов и абитуриенток, поступавших на один и тот же факультет, то доля абитуриенток, успешно сдавших вступительные экзамены и зачисленных в университет, оказывалась выше доли абитуриентов. «Дискриминация» юношей превратилась в «дискриминацию» девушек, когда все данные по факультетам свели в единые данные по всему университету. Был ли Калифорнийский университет реабилитирован после того, как парадокс разрешился? По-видимому, был. А что, если какой-то женоненавистник придумал более трудные вопросы и задачи на вступительных экзаменах именно на те факультеты, на которые особенно охотно подавали заявления абитуриентки?

Вороны Гемпеля.

Этот знаменитый парадокс о черных воронах показывает, что мисс Лоунлихартс далеко не одинока и находится в хорошей компании.

Решить его пока оказалось не по силам даже лучшим современным логикам.

Если орнитологи наблюдали лишь трех-четырех черных ворон, то их вывод о том, что «все вороны черные», мягко говоря, не слишком подкреплен фактами. Иное дело, если орнитологи (и не только орнитологи) наблюдали миллионы черных ворон. В этом случае вывод о том, что все вороны черные, основательно подкреплен фактами.

Ворона. Кар, кар! Я не черная ворона. Пока меня никто не видел, никто не знает, что утверждение «Все вороны черные» ложно.

А как насчет желтой гусеницы? Можно ли считать, что она подтверждает утверждение «Все вороны черные»?

Чтобы ответить на этот вопрос, сформулируем исходное утверждение в иной, но логически эквивалентной форме; «Все, что не черно, неворона».

Ученый. Я обнаружил нечто нечерное — желтую гусеницу. Гусеница — явно не ворона, и ее можно рассматривать как пример, подкрепляющий правильность утверждения «Все, что не черно, неворона» и, следовательно, эквивалентного утверждения «Все вороны черные».

Нетрудно найти миллионы нечерных объектов, каждый из которых не является вороной. Можно ли рассматривать их как примеры, подкрепляющие правильность утверждения «Все вороны черные»?

По мнению изобретателя этого парадокса профессора Карла Гемпеля, рыжая корова увеличивает вероятность того, что все вороны черные. Другие философы придерживались иного мнения. А как по-вашему?

Парадокс Гемпеля — наиболее известный из открытых сравнительно недавно парадоксов, связанных с подтверждением истинности того или иного утверждения. «Заманчивая перспектива, открываемая перед нами возможностью решать орнитологические проблемы, не выходя под дождь, — замечает Нельсон Гудмен (см. следующий парадокс), — настолько заманчива, что не может не таить в себе какого-то подвоха».

Проблема состоит в том, чтобы указать, где именно скрыт подвох. По мнению самого Гемпеля, наблюдение нечерного объекта, не являющегося вороной, может рассматриваться как пример, подкрепляющий утверждение «Все вороны черные», но лишь в бесконечно малой мере. Предположим, что мы проверяем гипотезу о небольшом числе объектов, например о 10 игральных картах, разложенных на столе вверх рубашкой. Пусть наша гипотеза состоит в том, что все черные карты пики. Начнем переворачивать карты одну за другой вверх картинкой. Каждый раз, когда перевернутая карта окажется пиковой масти, мы получим пример, подкрепляющий нашу гипотезу.

Сформулируем ту же гипотезу несколько иначе: «Все карты непиковой масти красные». Ясно, что каждая перевернутая нами карта непиковой масти и к тому же красная подтверждает первоначальный вариант гипотезы. Действительно, если первая карта окажется пиковой масти и, следовательно, черной, а остальные 9 карт окажутся красными и непиковой масти, то наша гипотеза блестяще подтвердится.

Эта же процедура, применяемая к нечерным неворонам, считает Гемпель, кажется нам столь странной потому, что множество неворон на Земле неизмеримо больше множества ворон, поэтому нечерная неворона подтверждает нашу гипотезу лишь в пренебрежимо малой мере. Если мы, находясь у себя дома и заведомо зная, что никаких ворон у нас нет, оглядим свое жилище в поисках неворон, то не приходится удивлятся тому, что у нас дома не окажется ни одной нечерной вороны.

Тем не менее если мы, не располагая дополнительными сведениями об отсутствии в нашем доме всяких ворон, обнаружим нечерную неворону, то в теоретическом плане такая находка подтверждает гипотезу о том, что все вороны черные.

Противники Гемпеля ссылаются на то, что открытие, например, желтой гусеницы или рыжей коровы с тем же основанием можно рассматривать как пример, подтверждающий гипотезу «Все вороны белые».

Но как может один и тот же объект подтверждать правильность и гипотезы «Все вороны черные», и гипотезы «Все вороны белые»? Парадоксу Гемпеля посвящена обширная литература. Этот парадокс играет основную роль в дискуссии о подтверждении знания, которой посвящена статья Весли Солмона «Подтверждение» (Scientific American, май 1973).

«Зелубой» цвет Нельсона Гудмена.

Вот еще один знаменитый парадокс теории подтверждения, основанный на том, что многие предметы со временем изменяют свой цвет. Зеленые яблоки, созревая, становятся красными, волосы к старости седеют, серебро со временем чернеет.

Нельсон Гудмен называет предмет «зелубым», если тот удовлетворяет двум условиям: во-первых, остается зеленым до конца века и, во-вторых, становится голубым после 2000-го года.

Рассмотрим два различных высказывания: «Все изумруды зеленые» и «Все изумруды зелубые». Какое из них надежно?

Как ни странно, оба утверждения подкреплены одинаково надежно! Каждое когда-либо сделанное наблюдение изумруда может рассматриваться как пример, подкрепляющий оба утверждения, в то время как ни один контрпример не известен! Объяснить сколько-нибудь вразумительно, почему одно утверждение следует принять, а другое отвергнуть, не так-то просто.

Парадоксы Гемпеля и Гудмена показывают, как мало мы понимаем истинную роль, отводимую статистике в научном методе. Мы лишь знаем, что без статистических методов наука не могла бы продолжать извечный поиск законов, действующих в нашей загадочной Вселенной.

6. ВРЕМЯ. Парадоксы о движении, сверхзадачах, путешествиях во времени и обращении времени.

От мельчайших субатомных частиц до гигантских галактик наша Вселенная находится в состоянии непрестанного изменения; ее чудесная мозаика каждую микросекунду трансформируется в неумолимом «потоке» времени. (Слово «поток» я взял в кавычки потому, что в действительности течет Вселенная. Утверждать, будто время течет, так же бессмысленно, как утверждать, что длина простирается.)

Трудно представить себе реальный мир без времени. Объект, существующий лишь в течение нулевого времени 0 секунд), не существовал бы вообще. Или существовал бы? Во всяком случае, течение Вселенной достаточно равномерно для того, чтобы мы могли производить измерения, а измерения порождают числа и уравнения. Можно считать, что время не входит в чистую математику, но в прикладной математике от элементарной алгебры до математического анализа и далеко за его пределами имеется немало проблем, в которые время входит как фундаментальная переменная.

В этой главе собрано множество известных парадоксов о времени и движении. Некоторые из них, например парадоксы Зенона, оживленно обсуждались еще древними греками. Другие парадоксы, такие, как «замедление» времени в теории относительности и так называемые «машины бесконечности», способны решать «сверхзадачи». Все они еще больше разохотят вас к парадоксам и к математике.

Упомянем лишь о некоторых связях, ведущих прямиком от собранных в этой главе парадоксов к серьезной математике и науке.

Парадокс с велосипедным колесом знакомит вас с циклоидой и служит великолепным введением в геометрию кривых, более сложных, чем конические сечения. История о разочаровании, постигшем лыжника, дает наглядное представление о мощи методов элементарной алгебры, позволяющей доказать неожиданный результат. Парадоксы Зенона о резиновом канате, сверхзадачах и собаке, бегающей от одного хозяина к другому, знакомят с понятием предела, весьма существенным для понимания дифференциального и интегрального исчисления и всей высшей математики. Решение этих парадоксов связано с теорией бесконечных множеств Георга Кантора, с которой мы уже встречались в главе 2. Задача о червяке, ползущем по резиновому канату, решается с помощью знаменитого так называемого гармонического ряда.

Парадоксы о времени, идущем назад, тахионах и путешествиях во времени затрагивают фундаментальные понятия теории относительности. Трюк, позволяющий избегать путешествий во времени с помощью разветвляющихся путей и параллельных миров, познакомит вас с необычным подходом к квантовой механике, известным под названием «подход многих миров».

Заключительный парадокс о конфликте между детерминизмом и индетерминизмом позволяет читателю бросить беглый взгляд на одну из извечных и наиболее глубоких проблем философии.

«Сумасшедшие» часы Льюиса Кэрролла.

Какие часы точнее показывают время: те, которые отстают за сутки на 1 мин, или те, которые совсем не идут?

Льюис Кэрролл рассуждал следующим образом.

Кэрролл. Часы, отстающие на 1 минуту в сутки, показывают точное время раз в 2 года. Часы, которые совсем не идут, показывают точное время дважды в сутки. Вы согласны?

Алиса задумалась.

Алиса. Я знаю, что остановившиеся часы показывают точное время ровно в 8 часов утра и ровно в 8 часов вечера, но как узнать, когда именно наступает ровно 8 часов утра или ровно 8 часов вечера? Кэрролл. Очень просто, дитя мое. Встань лицом к циферблату остановившихся часов и возьми в руки заряженный пистолет. Кэрролл. Не своди глаз со стрелок часов. И в тот момент, когда часы покажут точное время, выстрели из пистолета. Всякий, кто услышит твой выстрел, будет знать, что наступило ровно 8 часов.

Льюис Кэрролл — псевдоним скромного преподавателя математики из колледжа Крайст Черч в Оксфорде Чарлза Лютвиджа Доджсона. Ему принадлежит заметка «Какие часы лучше?» о «сумасшедших» часах[23].

Каким образом Кэрролл определил, как часто часы, отстающие ежесуточно на 1 мин, показывают точное время? Поскольку часы каждые сутки отстают на 1 мин, они покажут точное время, когда отстанут на 12 часов, то есть через 720 суток.

Загадочное колесо.

Парадокс Льюиса Кэрролла с часами — не более чем шутка, выдержанная в лучших традициях английского нонсенса. А вот «серьезный» парадокс, заслуживающий самого пристального внимания. Знаете ли вы, что верхняя часть велосипедного колеса движется быстрее, чем нижняя?

Именно поэтому спицы в верхней половине катящегося велосипедного колеса сливаются в сплошной блестящий диск.

Взгляните на два последовательных положения колеса. Точка А вблизи вершины проделала гораздо больший путь, чем точка В вблизи основания. Скорость — это расстояние, проходимое в единицу времени. Следовательно, точка А движется быстрее точки В. Верно?

О каких скоростях идет речь, когда говорят, что верхняя часть катящегося колеса движется быстрее нижней? Разумеется, о скоростях относительно земли.

Парадокс легко решается, если рассмотреть кривую, известную под названием «циклоида». Любая точка на ободе колеса, катящегося по прямой, описывает циклоиду. В точке касания колеса с поверхностью земли скорость равна нулю. Оторвавшись от земли при качении колеса, точка на ободе начинает разгоняться и в верхней точке движется с максимальной скоростью.

Затем по мере приближения к земле движение точки на ободе замедляется, и в новую точку касания она приходит с нулевой скоростью. На колесах железнодорожных вагонов имеются выступы — реборды. Когда колесо катится по рельсу, точка на ободе реборды, описывая небольшую петлю, расположенную ниже уровня рельса, какое-то время движется назад.

Циклоида обладает множеством красивых математических и механических свойств. Одна из глав моей «Шестой книги математических забав» из журнала Scientific American называется «Циклоида — Елена Прекрасная геометрии». В ней, в частности, рассказывается, как начертить циклоиду с помощью катящейся банки из-под кофе. Построим циклоиду и выведя ее уравнение, вы сможете лучше оценить изящество этой кривой и ее необычные свойства.

Разочарованный лыжник.

Лыжник. Какой великолепный день! Вот если бы только скорость подъемника была больше 5 км/ч!

Предположим, что лыжник захочет поднять среднюю скорость, развиваемую на подъеме и спуске, до 10 км/ч. С какой скоростью он должен съезжать с горы?

15 км/ч? 60 км/ч? 100 км/ч? Хотя в это трудно поверить, но единственный способ поднять среднюю скорость до 10 км/ч для лыжника состоит в том, чтобы съехать за нулевое время!

Сначала кажется, что решение парадокса как-то связано с расстоянием, проходимым лыжником при подъеме и спуске. Но в действительности оно несущественно. Лыжник преодолевает какое-то расстояние, поднимаясь на гору, и хотел бы спуститься со скоростью, при которой средняя скорость при подъеме и спуске была бы вдвое больше скорости при подъеме.

Чтобы развить такую среднюю скорость, лыжнику пришлось бы преодолеть вдвое большее расстояние (туда и обратно), чем он преодолел при подъеме, за то же время, которое он затратил на подъем. Следовательно, на спуск у нашего лыжника просто нет времени: он должен был бы преодолеть склон за нулевое время! Поскольку это невозможно, лыжник никаким способом не может поднять свою среднюю скорость с 5 до 10 км/ч, в чем вы без труда можете убедиться с помощью несложных вычислений.

Парадоксы Зенона.

Древние греки придумали множество парадоксов о времени и о движении Парадокс Зенона о бегуне («стадий») принадлежит к числу наиболее известных.

Бегун в парадоксе Зенона рассуждал следующим образом.

Бегун. Прежде чем я добегу до финиша, мне необходимо пробежать половину дистанции, затем половину оставшейся половины, то есть 3/4 всей дистанции. Бегун. Прежде чем я преодолею последнюю четверть дистанции, мне необходимо пробежать ее половину. И так всякий раз. Прежде чем преодолеть какое-то расстояние, мне необходимо пробежать половину его. Этим половинам не будет конца! Я никогда не доберусь до финиша!

Предположим, что на преодоление половины каждого расстояния бегун затрачивает 1 мин. На графике зависимости времени от пути видно, что бегун приближается к финишу, но так и не достигает его. Правильны ли рассуждения бегуна?

Нет, неправильны: бегун не затрачивает по 1 мин на преодоление половины каждого отрезка. Каждую половину очередного отрезка он пробегает за вдвое меньшее время, чем половину предыдущего отрезка. Бегун достигнет финиша через 2 мин после старта, хотя ему придется за эти 2 мин преодолеть бесконечно много половин соответствующих отрезков дистанции.

Зенону принадлежит и другой, не менее знаменитый парадокс об Ахилле и черепахе. Быстроногий Ахилл хочет поймать черепаху, которая находится на расстоянии 1 км от него.

К тому времени, когда Ахилл добегает до того места, где первоначально находилась черепаха, та успевает уползти вперед на 10 м.

За то время, которое требуется Ахиллу, чтобы пробежать эти 10 м, черепаха снова успевает уползти на какое-то расстояние.

Черепаха. Где тебе догнать меня, старина! Каждый раз, когда ты добежишь до того места, где я была, я успею уползти на какое-то расстояние вперед, хоть на толщину волоса!

Зенон, разумеется, знал, что Ахилл мог бы поймать черепаху. Свои парадоксы Зенон придумал для того, чтобы показать, к каким парадоксальным следствиям приводит представление о неделимых — «атомах» — пространства и времени, имеющих сколь угодно малые, но конечные размеры.

B обоих парадоксах Зенона бегунов следует считать точками, движущимися с постоянной скоростью вдоль прямой. Зенон знал, что если отрезок АВ имеет конечную длину, то точка, движущаяся из А в В с конечной скоростью, достигает финиша за конечное время. Свои парадоксы Зенон придумал для того, чтобы продемонстрировать, к каким трудностям приводят атомистические представления о структуре пространства и времени, согласно которым отрезок «рассыпается» на отдельные неделимые элементарные отрезки, нанизанные один за другим, наподобие бусин, а время— на отдельные неделимые промежутки (и элементарным отрезкам» и элементарным промежуткам времени атомисты приписывали конечную протяженность).

Доказать, что бегун достигнет финиша (точки В) за конечное время, поскольку на преодоление половины очередного отрезка дистанции ему потребуется вдвое меньше времени, чем на преодоление половины предыдущего отрезка (как это сделали мы), еще не означает решить парадоксы Зенона. Услышав о нашем решении, Зенон возразил бы, что, подобно тому как, прежде чем преодолеть любое расстояние, бегун сначала должен преодолеть половину этого расстояния, прежде чем истечет какой-то промежуток времени, должен истечь вдвое меньший промежуток времени.

Иначе говоря, все, что Зенон говорит о прямой, в равной мере применимо и к временной последовательности событий. Время, затрачиваемое бегуном на преодоление дистанции, будет все более приближаться к 2 мин, но до истечения 2 мин всегда будет оставаться бесконечное число мгновений («неделимых» по терминологии атомистов). To же относится и к парадоксу об Ахилле и черепахе. На каждом этапе бесконечного процесса преследования черепахи быстроногим Ахиллом впереди — и в пространстве, и во времени — неизменно будет оставаться бесконечно много «следующих» этапов.

Многие специалисты согласились со знаменитым анализом парадоксов Зенона, данным Бертраном Расселом. По мнению Рассела, парадоксы Зенона не были удовлетворительно решены вплоть до появления теории бесконечных множеств Георга Кантора.

Теория Кантора позволяет рассматривать бесконечные множества (будь то множества точек на прямой или мгновений времени) не как набор изолированных индивидуальных точек и событий, а как нечто целое. Суть парадоксов Зенона и состоит как раз в том, что ни пространственные отрезки, ни временные промежутки недопустимо рассматривать как состоящие из бесконечно большого числа дискретных членов, изолированных друг от друга, как следы на снегу. Решение парадоксов Зенона требует теории типа канторовской теории множеств, в которой наши интуитивные представления об отдельных точках и индивидуальных событиях объединены в систему — последовательную теорию бесконечных множеств.

Резиновый канат.

А вот совсем новый парадокс, о котором не знал Зенон. На одном конце резинового каната находится червяк. Длина каната — 1 км.

Червяк ползет по канату с постоянной скоростью 1 см/с. Через 1 с после того, как червяк пустился в путь, канат растянули, и его длина стала равной 2 км. Через 2 с канат снова растянули, и его длина достигла 3 км. Каждую следующую секунду канат удлиняется на 1 км. Доползет ли червяк когда-нибудь до конца каната?

Ваша интуиция подсказывает вам, что червяк никогда не доползет до конца каната, но он все же доползет! Доползет-то доползет, но когда?

Задача легко решается, если учесть, что канат растягивается равномерно, как резиновая лента. Следовательно, при каждом растяжении червяк переезжает вперед — его переносит на себе, растягиваясь, сам канат.

Путь, пройденный червяком за каждую секунду, удобно выражать в долях длины каната к концу той же секунды. Как только сумма дробей, выражающих эти доли, станет равной 1, червяк достигнет конца каната.

В одном километре 100000 см, поэтому за первую секунду червяк преодолеет 1/100000 длины каната. За вторую секунду червяк проползет еще 1 см, что составляет 1/200000 от новой длины каната, которая достигнет уже 2 км. За третью секунду червяк проползает еще 1 см, что составляет 1/300000 от длины каната, которая к этому времени достигнет 3 км, и т. д. По истечении k секунд червяк проползет расстояние, составляющее от «текущей» длины каната долю, которая представима в виде

В скобках стоит сумма первых k членов так называемого гармонического ряда. Заметим, что сумма членов, заключенных между 1/2 и 1/4, включая 1/4, то есть 1/3 + 1/4 больше, чем 2 х 1/4 = 1/2. Аналогично сумма членов, заключенных между 1/4 и 1/8, включая 1/8, то есть 1/5 + 1/6 + 1/7 + 1/8, больше, чем 4 х 1/8 = 1/2. Следовательно, сумма членов ряда, заключенных между 1/1 и 1/2k, включая 1/2k, всегда больше, чем k x 1/2 = k/2 в чем нетрудно убедиться, если члены сгруппировать: возьмите сначала сумму двух первых членов, затем сумму следующих восьми членов и т. д.

Частная сумма членов гармонического ряда может быть сделана сколь угодно большой.

Червяк доползет до конца каната, прежде чем с момента старта истекут 2200 000 с. Более точная оценка составляет е100000, где е — основание натуральных логарифмов (иррациональное число, чуть большее числа 2,7). Обе оценки дают представление о времени в пути (в с) и о пройденном червяком расстояния (в см).

Точная формула частичной суммы членов гармонического ряда приведена, например, в статье Р. П. Боаса и Дж. М. Ренча «Частичные суммы гармонического ряда»[24]. Когда червяк доползет до конца, длина каната будет во много раз превышать диаметр известной части Вселенной. На свой нелегкий путь червяк затратит время, которое во много раз превышает возраст Вселенной по оценкам современной космологии.

Разумеется, в задаче речь идет об «идеализированном» червяке и «идеализированном» канате — точке на прямой. Реальный червяк тихо скончался бы в самом начале путешествия, а реальный канат от растяжения стал бы таким тонким, что отдельные его молекулы оказались бы разделенными огромными пустыми промежутками.

Независимо от параметров задачи (начальной длины канала, скорости червяка, длины отрезка, на который увеличивается с каждой секундой длина каната) червяк всегда доползает до конца за конечное (хотя и очень большое) время. Интересные задачи возникают, если мы будем по-разному удлинять канат.

Например, что произойдет, если длина каната будет возрастать в геометрической прогрессии, скажем удваиваться в каждую секунду? В этом случае червяк никогда не достигнет конца каната.

Сверхзадачи.

Современные философы оживленно обсуждают новый класс парадоксов времени — так называемые сверхзадачи. В одном из простейших парадоксов этой серии речь идет о лампе. Нажимая на кнопку, ее можно включать и выключать.

В течение 1 мин лампа включена, в течение следующей 1/2 мин — выключена, затем 1/4 мин лампа снова включена, после чего в течение 1/8 мин снова выключена и т. д. Вся серия включений и выключений длится равно 2 мин.

Будет ли лампа по истечении 2 мин включена или выключена?

Каждое нечетное нажатие кнопки включает лампу, каждое четное — выключает ее. Если по истечении 2 мин лампа включена, то это означает, что последнее число нечетное. Если же по истечении 2 мин лампа выключена, то последнее число четное. Но последнего натурального числа не существует.

Лампа должна быть либо включена, либо выключена, но узнать, будет ли она включена или выключена, невозможно никаким способом!

Парадоксы с «сверхзадачами», выполняемыми так называемыми «машинами бесконечности», и поныне волнуют специалистов по математической логике и философов. Парадокс с лампой известен под названием «лампа Томсона» — в честь впервые написавшего о нем Джеймса Ф. Томсона. Всякий согласится, что лампу Томсона нельзя построить реально, но дело не в этом. Главное в том, что если принять некоторые допущения, то лампа Томсона не приводит к логическим противоречиям. По мнению одних, лампа Томсона — вполне разумный «мысленный эксперимент», по мнению других, — вопиющая нелепость.

Парадокс с лампой Томсона беспокоит наш разум потому, что не существует логической причины, по которой лампу Томсона нельзя было бы бесконечно много раз включить и выключить. Если бегун Зенона успевает за 2 мин преодолеть бесконечно много отрезков дистанции, каждый из которых вдвое меньше предыдущего, то почему ровно за 2 мин нельзя успеть бесконечно много раз включить и выключить некую реально не существующую идеальную лампу? Но если лампа Томсона может за 2 мин бесконечно много раз перейти из состояния «вкл» в состояние «выкл», то это означает, что существует «последнее» натуральное число, с чем трудно согласиться.

Философ Макс Блэк сформулировал тот же парадокс несколько иначе. Он рассмотрел «машину бесконечности», переводящую шарик из лунки А в лунку В за 1 мин, затем возвращающую шарик из лунки В в лунку А за 1/2 мин, снова переводящую его из лунки А в лунку В за 1/4 мин и т. д., каждый раз вдвое быстрее, чем в предыдущий. Ряд 1 + 1/2 + 1/4… сходится, и все операции по перекатыванию шарика завершаются в течение 2 мин. Но в какой из лунок — в А или В — окажется шарик по истечении 2 мин?

В какой бы из них он ни оказался, это будет означать что последнее натуральное число либо четно, либо нечетно. Так как последнего счетного числа не существует, то обе возможности, по-видимому, исключаются.

Но если шарика нет ни в лунке А, ни в лунке В, то где же он?

Основные статьи по анализу «сверхзадач» опубликованы в сборнике «Парадоксы Зенона» под редакцией Весли Ч. Солмона. Подробному разбору такого рода парадоксов посвящена книга Адольфа Грюнбаума «Современная наука и парадоксы Зенона» [см. список литературы. — Перев.].

Мэри, Том и Фидо.

Перед вами сверхзадача, выполненная собакой. В самом начале Фидо находится рядом с хозяином на расстоянии 1 км от Мэри.

Том и Мэри начинают сближаться со скоростью 2 км/ч каждый. Фидо, одинаково любящий хозяина к хозяйку, бегает от одного к другому и обратно со скоростью 8 км/ч. Добежав до хозяина и хозяйки, Фидо мгновенно поворачивается и пускается назад.

Путь Фидо представлен на графике в координатах время — расстояние. Куда будет обращена морда Фидо — к хозяину или к хозяйке, когда Том и Мэри встретятся посредине разделявшего их километрового отрезка?

На этот вопрос, так же как на вопрос о том, будет ли включена или выключена по истечении бесконечной серии манипуляций с выключателем лампа Томсона, невозможно ответить. Но помочь Тому вычислить, какое расстояние пробежала собака, в наших силах…

Том. Сколько пробежал Фидо?

Но чтобы ответить на этот вопрос, мне нужно просуммировать длину бесконечно многих звеньев ломаной! Это очень трудная задача, Мэри!

Мэри. Совсем не трудная, милый! Мы идем со скоростью 2 км/ч. Значит, каждый из нас проходит полкилометра за 15 мин. Так как сначала нас разделяло расстояние 1 км, мы встречаемся через 15 мин. Мэри. Фидо бегает со скоростью 8 км/ч. За четверть часа он пробегает 2 км. Вот и все. Том. Здорово! Мне даже не понадобился микрокалькулятор.

Предположим теперь, что Том, Мэри и Фидо находятся там, где они встретились. Том и Мэри идут той же дорогой с той же скоростью, но в обратном направлении, а Фидо бегает от одного из них к другому со скоростью 8 км/ч. Где будет Фидо, когда расстояние между Томом и Мэри снова станет равным 1 км?

Невероятно, но факт: Фидо не может находиться нигде между Томом и Мэри! Не верите? Убедитесь сами. Пусть вначале Фидо находится в любой точке километрового отрезка, разделяющего Тома и Мэри, которые начинают идти навстречу друг другу. Где бы ни находился Фидо, через 15 мин все трое сойдутся в центре отрезка.

Первая задача (Том и Мэри идут навстречу друг другу, а Фидо бегает между ними туда и обратно) классическая. Она существует в различных вариантах.

Иногда это задача о мухе, летающей туда и обратно между двумя сближающимися локомотивами, иногда— задача о птичке, порхающей между двумя едущими во встречных направлениях велосипедистами.

Рассказывают, что когда эту задачу предложили американскому математику Джону фон Нейману, тот сразу назвал правильный ответ. «Поздравляю! — сказал собеседник фон Неймана, сообщивший ему задачу. — Большинство людей пытаются решить задачу очень трудным способом, суммируя бесконечный ряд отрезков». «Но именно это я и сделал», — с удивлением ответил фон Нейман.

Итак, в какую сторону будет обращена морда Фидо в тот момент, когда Том и Мэри сойдутся посредине разделявшего их километрового отрезка? Задать такой вопрос все равно что спросить, будет ли включена или выключена лампа Томсона по окончании всех манипуляций с выключателем, или в какой из двух лунок, А или В, окажется в конце концов шарик. Это только кажется, будто Фидо должен быть обращен мордой либо к хозояину, либо к хозяйке. В действительности же любой ответ подразумевает, что существует последнее натуральное число (звеньев ломаной, по которой бежит собака), которое либо четно, либо нечетно.

Но если мы обратим процесс сближения Тома, Мэри и Фидо во времени, заставив Мэри и Тома расходиться из середины километрового отрезка, а Фидо по-прежнему бегать между хозяином и хозяйкой, то возникнет новый парадокс. Наша интуиция подсказывает нам, что если некую однозначно определенную процедуру обратить во времени, то есть изменить направление всех движений на противоположное, то мы должны вернуться к тому, с чего начали. Однако в рассматриваемом случае процедура при обращении времени утрачивает однозначную определенность. Если события развиваются от начала к концу, то Фидо оказывается в середине километрового отрезка, разделявшего Тома и Мэри. Но если события развиваются от конца к началу, то место, где будет находиться Фидо, когда Том и Мэри разойдутся на 1 км, невозможно указать однозначно: пес может находиться в любой точке отрезка.

Более подробный анализ этого парадокса проведен Весли Солмоном (Scientific American, декабрь 1971).

И задача о двух хозяевах и их верной собаке, и парадоксы Зенона, и лампа Томсона могут служить описательным введением в теорию пределов и суммирования бесконечной геометрической прогрессии.

Ломаная, по которой бежит Фидо, похожа на траекторию прыгающего мячика Вот несложная задача о таком мячике. Предположим, что круглый мяч брошен на пол с высоты 1 м. Высота, на которую подпрыгивает мяч, каждый раз вдвое меньше предыдущей.

Если каждый подскок длился бы 1 с, то мяч прыгал бы вечно. Но как и в парадоксах с бегуном Зенона, машиной, перемещающей шарик из лунки в лунку, и Фидо, на прохождение каждого следующего отрезка траектории требуется меньше времени, чем на прохождение предыдущего. Очередной подскок занимает 1/2 от продолжительности предыдущего подскока. Последовательность времен сходится. Следовательно, по истечении конечного промежутка времени мяч остановится, хотя теоретически он подпрыгнет бесконечно много раз. Суммарная высота всех подскоков составит 1 + 1/2 + 1/3 +… + 1/n = 2 м.

Предположим, что мяч подпрыгивает каждый раз на высоту, составлявшую 1/3 от предыдущей. Какова суммарная высота всех подскоков в этом случае?

Может ли время идти вспять?

При обращении некоторых движений, например если кто-нибудь вздумает пятиться или автомашина поедет задним ходом, создается почти полное впечатление, будто время течет вспять.

Знакомый мотив

звучит так странно, если пластинку проигрывать от конца к началу.

Многие явления необратимы.

Время подобно стреле, указывающей только в одну сторону. Даже если знакомый мотив проигрывать от конца к началу, последовательность, в которой звучат ноты, располагается во времени, текущем вперед, а не назад.

Мы не можем заглянуть в будущее, но заглянуть в прошлое в наших силах. Взглянув на звезду, расположенную от нас на расстоянии в тысячу световых лет, мы увидим ее такой, какой она была тысячу лет назад.

Но видеть прошлое еще не означает перенестись в прошлое. Удастся ли когда-нибудь построить машину времени, которая позволит побывать в прошлом и в будущем?

Какие события допускают «обращение во времени», то есть изменение направления движения на противоположное, и какие не допускают? Чтобы наглядно представить себе различие между теми и другими, предположим, что мы отсняли некие события кинокамерой и просматриваем ленту на экране, прокручивая ее в обратную сторону. Какие события из числа происходящих на экране противоречат законам природы и какие согласуются с ними?

Если на экране автомашина движется задним ходом, то это не выглядит противоестественным: и в реальной жизни нам неоднократно случается видеть, как водитель ставит машину на место задним ходом. Но если на экране прыгун в воду взлетает на трамплин из бассейна, то это явный признак того, что киномеханик не перемотал киноленту и пустил фильм от конца к началу. То же можно сказать и в том случае, если разбитое яйцо на экране само собой соберется на полу в целое и прыгнет кому-то в руки. В реальной жизни так никогда не бывает.

Даже если ход события «обращен во времени» изменением направления движения на противоположное (как при проигрывании пластинки от конца к началу), он протекает во времени, продолжающем идти вперед, а не назад. Стрелы обычно летят в ту сторону, в которую обращен их наконечник. Представьте себе, что на ваших глазах стрела, описав дугу в небе оперением вперед, попадает прямо в руки стрелку из лука: на тетиву стрела ляжет позже, чем побывает в воздухе. Артур Эддингтон однажды сравнил время с символической стрелой, всегда указывающей одно и то же направление. События в нашей Вселенной неумолимо следуют одно за другим от прошлого к будущему и никогда — от будущего к прошлому.

В последние годы физики и специалисты по космологии обсуждали возможность протекания событий «в обратном направлении» в других мирах. Лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман предложил интерпретацию квантовой теории поля, в которой античастицы рассматривались как частицы, движущиеся назад во времени. Об этих фантастических теориях вы можете прочитать в четырех последних главах второго издания моей книги «Этот правый, левый мир».

Машины времени.

Профессор Браун только что вернулся на 30 лет назад и наблюдает самого себя в младенческом возрасте.

Браун. Предположим, что я злодейски убью этого младенца. Кто же тогда вырастет и станет профессорам Брауном? Или, совершив преступление, я бы тотчас же бесследно исчез?

На этот раз профессор Браун перенесся на 30 лет в будущее и занимается тем, что вырезает свое имя на дубе, росшем под окнами лаборатории.

Профессор вернулся в настоящее и через несколько лет решил срубить дуб. Когда дерево было свалено, профессору пришла в голову идея, надолго лишившая его покоя.

Браун. Гм, 3 года назад я перенесся на 30 лет в будущее и вырезал свое имя на этом дубе. Что же произойдет теперь через 27 лет, когда я прибуду туда из прошлого? Ведь никакого дерева не будет. Куда же денется то дерево на котором я вырезал свое имя?

О путешествиях в прошлое и будущее написаны сотни научно-фантастических повестей и рассказов, снято множество кино- и телефильмов. Классический образец литературы о путешествиях во времени — «Машина времени» Герберта Уэллса.

Возможно ли логически путешествие во времени, или оно приводит к противоречиям? Из приведенных парадоксов мы видим, что если принять гипотезу о существовании единственной Вселенной, движущейся вперед во времени, то всякая попытка вернуться в прошлое может привести к логическому противоречию.

Рассмотрим первый парадокс, в котором путешественник во времени, вернувшись в прошлое, видит себя в младенческом возрасте. Убив младенца, он сам окажется и существующим, и не существующим: если убит тот, кто вырос и стал, профессором Брауном, то откуда взялся профессор Браун?

Второй парадокс более тонкий. В том, что профессор Браун отправился в будущее и вырежу свое имя на дереве нет никакого логического противоречия.

Оно возникнет после, того, как профессор Браун вернется в настоящее, то есть совершит путешествие во времени в обратном направлении. Срубив дерево, профессор Браун исключит его из будущего, и мы снова приходим к противоречию: в некоторый момент в будущем дерево будет и существовать, и не существовать.

Тахионный телефон.

В последние годы внимание физиков привлекли гипотетические частицы, получившие название тахионы. Тахионы движутся быстрее света. Согласно теории относительности, такие частицы, если бы они существовали, должны были бы двигаться в обратном направлении во времени.

Профессор Браун считает, что ему удалось успешно разрешить проблему установления связи с его коллегой доктором Гамма, живущим в другой галактике он изобрел тахионный телефон!

Профессор Браун выступает перед студентами с лекцией а своем изобретении.

Браун. Завтра ровно в полдень я позвоню доктору Гамма по тахионному телефону. Я попрошу его повесить трубку, сосчитать число вертолетов, которые он видит за окном своего кабинета, и позвонить мне в ответ, чтобы сообщить, сколько у него получится. Ассистент. Должен огорчить вас, профессор, но у вас ничего не получится. Браун. Почему вы так думаете, мой юный друг? Ассистент. Потому, что тахион движется назад во времени. Доктор Гамма позвонит вам в ответ за час до полудня, и целый час сигнал будет идти до нашей Галактики. Поэтому вы получите ответ за 2 часа до того, как зададите свой вопрос, что невозможно.

Эпизод с изобретением профессора Брауна показывает, что парадокс возникает не только, когда кто-нибудь путешествует по времени в обратном направлении. Любой сигнал или объект, отправленный против течения времени, может привести к противоречию. Например, профессор Браун мог бы сказать себе в понедельник: «В следующую пятницу я сяду в машину времени, надену галстук и отошлю его в прошлый вторник, то есть в завтра». Разумеется, во вторник профессор найдет свой галстук в машине времени и, предположим, уничтожит его. Тогда в пятницу у профессора не будет галстука для того, чтобы отослать его во вторник. Галстук был, когда профессор Браун отсылал его во вторник, но вот снова наступила пятница, и никакого галстука, который можно было бы послать в прошлый вторник, нет и в помине!

Несмотря на все эти трудности, многие физики вполне серьезно относятся к тахионам. (Дж. Фейяберг посвятил тахионам научно-популярную статью «Частицы со скоростью, большей скорости света» — Scientific American, февраль 1970.) Согласно теории относительности, скорости обыкновенных частиц ограничены сверху скоростью света. Тем не менее физики рассмотрели гипотетическую возможность существования частиц (названных Фейнбергом тахионами), скорость которых всегда гораздо больше скорости света. Для тахионов скорость света является нижним пределом. Теория относительности с необходимостью приводит к заключению, что такие частицы должны двигаться во времени так же, как мисс Антуанетт из следующего лимерика:

Шустрая мисс Антуанетт Носилась по свету быстрее, чем свет, Ей в завтра хотелось попасть, Да все втуне: Умчится теперь, прилетит накануне!

Парадокс с тахионным телефоном отнюдь не доказывает, что тахионы не могут существовать. Он показывает лишь, что если тахионы существуют, то их нельзя использовать для связи, так как в противном случае мы столкнулись бы с приведенным выше логическим противоречием. Более подробно об этом парадоксе и вытекающих из него следствиях относительно исследований тахионов рассказывается в статье Дж. А. Бенфорда, Д. Л. Бука и У. А. Ньюкома «Тахионный антителефон»[25].

Параллельные миры.

Писатели-фантасты придумали, как избежать парадоксов, связанных с путешествиями во времени.

Они вообразили, будто каждый раз, когда путешественник во времени вторгается в прошлое, наша Вселенная расщепляется на две, каждая из которых лежит в своем пространстве — времени.

Теория разветвляющихся Вселенных порождает множество странных ситуаций. Предположим, вы отправились на год назад и пожимаете самому себе руку.

Фимсетер. Привет, Фимстер. Фимстер. Рад видеть вас, Фимстер.

Позже и вы, и ваш двойник в любой момент можете вскочить снова в машину времени и, вернувшись в прошлое, встретить уже не нога, а двух своих двойников. На этот раз при встрече будут присутствовать уже три Фимстера.

Повторяя путешествия в прошлое, число Фимстеров можно сделать сколь угодно большим.

Мы изобразили в картинках фантастический способ, позволяющий совершать путешествия во времени и не впадать при этом в логические противоречия. Придумали его писатели-фантасты. Он положен в основу не менее дюжины произведений современной фантастики. Хитрость состоит в том, что когда кто-нибудь или что-нибудь попадает в прошлое, Вселенная расщепляется на параллельные миры. Но коль скоро происходит такое расщепление, исчезает противоречие между существующим и несуществующим профессором Брауном, срубленным и несрубленным деревом.

Если есть параллельные миры, то Браун (или дерево) может существовать в одном мире и не существовать в другом.

Интересно отметить, что представление о разветвляющихся мирах лежит в основе одной интерпретации квантовой механики. Она называется теорией многих миров. Ей посвящены целые книги. Согласно этой необычней теории, впервые выдвинутой в 1957 г. Хью Эвереттом III, Вселенная каждый миг расщепляется на бесчисленные параллельные миры. Каждый такой мир представляет собой одну из возможных комбинаций событий, которые могли бы произойти в момент расщепления. Возникает необозримое множество Вселенных, охватывающих все возможные комбинации мыслимых событий. Описание этой невероятной картины приведено в научно-фантастическом романе Фредерика Брауна «Что за безумный мир»:

«Если число вселенных бесконечно, то должны существовать все возможные комбинации. Следовательно, все что угодно где-то должно быть истинным. Где-то должна быть Вселенная, в которой Гекльберри Финн не литературный персонаж, а реальный человек, делающий все то, что ему предписал делать Марк Твен. Более того, где-то должны быть бессчетные вселенные, в которых бессчетные Гекльберри Финны проделывают все, о чем только мог подумать Марк Твен, сочиняя свой бессмертный роман. А в бесконечно многих вселенных происходит нечто такое, что мы не можем ни выразить словами, ни вообразить».

Замедление времени.

Путешествие в прошлое приводит к столь запутанным парадоксам, что ни один ученый не принимает его всерьез. Иное дело путешествие в будущее. Предположим, что космический корабль стартует с Земли и летит со скоростью, близкой к скорости света.

Чем быстрее летит космический корабль, тем медленнее идет время. Для самих астронавтов оно идет, как обычно, но нам они кажутся застывшими статуями.

Долетев до другой галактики, астронавты возвращаются на Землю. Самим астронавтам кажется, что полет занял 5 лет. Но для тех, кто остался на Земле, со времени старта успело пройти не одно тысячелетие.

Такого рода путешествия во времени не приводят к парадоксам. Но астронавты оказываются «запертыми» в будущем, как в мышеловке: они не могут вернуться к своим современникам.

Противоречия возникают только при путешествиях в прошлое, но не в будущее. Ведь если строго разобраться, то мы все, хотим ли того или нет, путешествуем в будущее. Отправляясь вечером спать, вы надеетесь проснуться в ближайшем будущем. Вполне мыслима такая ситуация, когда человек, погруженный в состояние анабиоза, будет реанимирован, например, через тысячу лет. Именно такое «путешествие во времени» лежит в основе многих научно-фантастических произведений, в том числе, и романа Герберта Уэллса «Когда спящий проснется».

Как показано на наших рисунках, теория относительности Эйнштейна позволяет осуществить путешествие в блюдущее на другом принципе. Согласно специальной теории относительности, чем быстрее движется объект, тем медленнее течет его время относительно наблюдателя. Например, если космический корабль движется относительно Земли со скоростью, близкой к скорости света, то время на таком корабле будет идти гораздо медленнее, чем на Земле. На борту корабля астронавты не заметят необычного. Часы астронавтов с их точки зрения будут идти нормально, сердца — биться в обычном ритме и т. д. Но если бы земные наблюдатели могли видеть их, то движения астронавтов показались бы наблюдателям настолько замедленными, словно те, окаменев, превратились в статуи. В свою очередь, если бы астронавты могли наблюдать за жителями Земли, то им показалось бы, что все события происходят в ускоренном темпе: земной год уложился бы в несколько часов.

Причина, по которой мы не наблюдаем ничего подобного в повседневной жизни, заключается в том, что все эти эффекты становятся значительными при скоростях, близких к скорости света, обозначаемой по традиции буквой с и составляющей около 300 000 км/с. Промежуток времени Т, измеренный по земным часам, связан с промежутком времени Т', измеренным по часам, находящимся на космическом корабле, который движется с постоянной скоростью v относительно Земли, простой формулой:

Подставляя любую повседневно встречающуюся скорость в выражение под радикалом, вы получите величину, столь близкую к единице, что Г и Г' можно, по существу, считать равными. Но если вы подставите v — 0,5с, v = 0,75с или v = 0,9с (такие скорости характерны для некоторых субатомных частиц), то замедление времени становится достаточно заметным, чтобы его можно было измерить в лаборатории.

Такие измерения действительно проводились и стали сильным подтверждением специальной теории относительности.