Формула нашей вселенной
Ох, друзья мои! Крепче держитесь за свои мозги! Сегодня вы получите убойную дозу мозгового шока! И если вы что-то всё же не поймете, хотя я постараюсь всё объяснять предельно понятно, то рекомендую потом еще раз погрузиться в этот материал, пока мысль повествования вам не откроется полностью! Итак… Для начала я хочу рассказать вам про проект, который потенциально позволит открыть фундаментальное понимание физики или понимание всего! Звучит помпезно, но и теория, о которой сегодня пойдет речь, весьма впечатляет. Живет на свете британский физик, математик, программист, писатель и по совместительству доктор философии по имени Стивен Вольфрам. Занимается много чем, но последние 11 лет своей жизни посвятил одному Open Source проекту, о котором мы для начала подробно и поговорим.
Как известно, в области астрофизики и принципах работы нашей протовселенной известно уже достаточно много. За последнее тысячелетие произошел невероятный прорыв в этом направлении. Мало того, идет непрерывное ускорение в понимании многих аспектов, к которым раньше было просто не подступиться. И хотя мне лично всегда казалось, что мы всё ещё бесконечно далеки от полного понимания, похоже, есть нечто, что может открыть такие завесы, что нам и не снилось!
В 80-х годах Стивен Вольфрам начал изучать теорию клеточных атомов, которые, работая по весьма простым правилам, демонстрируют невероятно сложное поведение. В какой-то момент он вдруг подумал, что это может быть ключом к разгадке тайны нашей вселенной. Порядка 20 лет Стивен потратил на то, чтобы разглядеть, что из этих простейших правил можно получить знания о пространстве, времени, гравитации и других физических явлениях. Знания не склеивались в единую конструкцию, но сама идея постепенно начала выстраивать некий порядок. Она была простой и очевидной, хотя и очень абстрактной. И вот, пройдя длинный путь переосмысления и, как ни парадоксально, упрощения, в 2019 году Стивен, совместно с двумя молодыми физиками Джонатаном Горардом и Максом Пискуновым, запустил “Проект физики Вольфрама”, и из маленьких прежде бесструктурных правил начали проявляться пространство, время, относительность, гравитация и правила квантовой механики.
Звучит сомнительно и странно, но сейчас мы всё разберем по полочкам. Итак, существует некое эмпирическое правило: самые сложные эффекты всегда объясняются простыми законами. Целые разделы естественных наук выходят из простейших формул. В основе модели, придуманной Стивеном Вольфрамом, лежат максимально простые правила, которые могут быть записаны всего лишь в одну строчку. Для записи этих правил был придуман язык Wolfram Language. Сама запись очень похожа на запись математических структур. Если посмотреть на результаты многократного и рекурсивного применения этих правил, то несложно увидеть, насколько сильно они связаны с современной математикой и физикой. Базовая структура моделей выглядит совершенно уникально и не похожа ни на что, из того, что было сделано в физике за последние несколько столетий. Однако многие современные теории в области физики, отлично ложатся на эту модель.
Помимо языка для записи фундаментальных правил, площадки с открытым доступом для изучения проекта и расчета моделей, Стивен создал и выложил публично Реестр Замечательных Вселенных, заполненный приблизительно тысячей уже созданных правил. Он сомневается, что какое-либо из них является правилом формирования нашей протовселенной, однако, есть вероятность, что скоро оно всё же появится. И это будет правило, полностью описывающее наш мир! А теперь давайте рассмотрим, как это всё работает. И действительно ли оно так просто? И правда ли, что можно создать правило, которое опишет целую протовселенную?
Все модели Стивена Вольфрама начинаются с самого простого множества абстрактных отношений между абстрактными элементами, которые всегда можно представить в виде графа. Например, берем такое множество отношений: {{1, 2}, {2, 3}, {3, 4}, {2, 4}}, которое в виде графа будет выглядеть так…
…это просто отношения между элементами, где играют роль только соединения элементов между собой и всё. Здесь нет ни топологии, ни координат, ничего — только векторы и абстракции. Берем другое простое правило {{x, y}, {x, z}} → {{x, z}, {x, w}, {y, w}, {z, w}}, применяем рекурсивно много-много раз и получаем такую картинку:
Рекурсивное многократное применение простого правила порождает структуру, которая выглядит очень сложно. Казалось бы, как такое вообще возможно? Однако подобное спонтанное зарождение сложности происходит в нашем мире абсолютно везде.
Именно из таких простых структур потенциально возможно вывести принципы работы нашей протовселенной и всего, что в ней есть. Еще раз: простые правила рождают объекты, который приобретают некую сложную форму, в которую не вкладывается никакого сложного смысла.
Двигаемся дальше. Рассмотренный пример работает со множеством бинарных отношений, содержащих пары элементов. Но что будет, если увеличить количество элементов? Вот например, множество из двух троичных отношений: {{1, 2, 3}, {3, 4, 5}}. Это множество невозможно представить в виде обычного плоского графа, но можно использовать гиперграф с обобщением ребер, соединяющих пары точек:
Опять же, если это простое правило {{x, y, z}} → {{w, w, y}, {w, x, z}} применять рекурсивно много-много раз, то после каждого нового запуска мы будем получать нечто вроде этого:
Ничего не напоминает? Главный вопрос, который задает теория Вольфрама, звучит следующим образом: если подобные простые правила запускать достаточно долго, могут ли они выдать результат, воспроизводящий нашу физическую протовселенную? Возможно ли вывести правило, по которому формируется наш мир? И даже если получится его найти, то как в этом убедиться, что это именно оно? Ведь при помощи компьютеров мы можем провести тысячи итераций, но для формирования нашего мира было произведено 10⁵⁰⁰ итераций или даже больше.
Даже изобретенные человечеством уравнения и формулы, которые позволяют прогнозировать, как система поведет себя без описания каждого отдельного шага, не дают возможности построить далекий прогноз. Это связано с тем, что не существует алгоритма расчета состояния системы после определенного количества итераций с вычислительной сложностью меньшей, чем вычислительная сложность осуществления всех этих итераций. Говоря в лоб и простым языком — нельзя «обогнать» вычисление. Но можно и нужно пробовать!
Если вам кажется, что простыми правилами можно создать только красивые абстрактные картинки, то давайте рассмотрим еще несколько примеров, прежде чем мы перейдем к общему осмыслению теории Вольфрама и к весьма непривычному пониманию нашей протовселенной.
Вот еще одно правило из библиотеки проекта:
{{x, y, y}, {z, x, u}} → {{y, v, y}, {y, z, v}, {u, v, v}}
…а вот что оно порождает на ранней стадии:
…и вот что получается при многократном повторении:
Похоже на кусок пространства. Если продолжить применять правило дальше, то сетка будет становиться все тоньше и тоньше, пока в конце концов не станет неотличима от сплошной плоскости.
Вот другое правило из библиотеки проекта, которое порождает визуализацию объемного пространства и выглядит, как полноценный трехмерный объект:
{{x, y, z}, {u, y, v}} → {{w, z, x}, {z, w, u}, {x, y, w}}
А вот так будет выглядеть граф:
Если вы продолжите изучение теории моделей Вольфрама, то увидите, как изящно при помощи всё тех же простых правил можно создавать пространство, время, энергию, массу, причинно-следственные инвариантности, подтверждение релятивистской и ньютоновской механик, эффект наблюдателя и даже наглядное разделение пространства и времени, объясняющее, что это вовсе не одно и то же. Простые правила демонстрируют всё наглядно и чрезвычайно понятно.
Получаемые в рамках проекта модели позволяют рассмотреть такие понятия, как “ноль энергии”, или, например, “движение наблюдателя быстрее скорости света”, или ускорение и замедление пространственного направления относительно временного и наоборот. То есть фактически вживую можно провести эксперименты, которые провести вживую, казалось бы, невозможно. Но оказывается, что их можно не только посчитать, но и наглядно посмотреть!
Помимо этого Вольфрам сделал несколько удивительных выводов относительно природы нашей вселенной. Например, что элементарные частицы, такие как электрон, не являются фундаментальными. Они скорее всего являются “большими” и включают в себя гораздо меньшие и гораздо более легкие, поэтому для нынешних элементарных частиц ученым вводится новое понятие — олигоны, то есть частицы объединяющие в себя несколько еще “более элементарных” частиц.
Другое его предположение заключается в том, что изначально Вселенная была бесконечномерной, а уже позже «расслабилась» до конечномерной. И что возможно «путешествовать повсюду в пространстве» или очень быстро влиять на каждое событие, поскольку пространство почти бесконечномерно, хотя уже и конечномерно.
Однако, чтобы получить окончательную фундаментальную теорию нашего-всего-вокруг, нужно найти вполне конкретное правило. Это должно быть правило, дающее около трех измерений пространства, конкретную скорость расширения нашей вселенной, определенные массы и свойства элементарных частиц и прочие схожие параметры, которые мы способны оценить каким-либо способом. Но есть вопрос: если бы подобное правило было найдено, можно ли было понять, что это именно оно? Ведь потенциально возникнет проблема с вычислительной несократимостью, о которой шла речь выше. И еще: почему именно это правило выбрано нашей протовселенной в момент ее запуска, а не какое-нибудь другое? Даст ли нам подсказку к решению само это правило, если оно будет обнаружено?
Кстати, а что если в момент инфляции нашей протовселенной при помощи всё тех же простых правил произошло определение вектора для формирования именно нашего простого правила, именно нашей протовселенной? То есть, например, если инфляция — это как остановка бесконечного множества правил, находящихся в суперпозиции. А что если полученное правило по мере развития образует постоянно новые правила, то есть формируется пространство правил? Или даже не так! Что если наша протовселенная — это одна ветка в бесконечной череде рекурсий по формированию новых пространств правил? Исключить такую вероятность нельзя. Получается, что даже эта математическая теория предполагает, а не исключает возможность математических рекурсивных или нерекурсивных мультивселенных.
Всякого рода гипотезы о существовании так называемой мультивселенной высказывались как научными и религиозными деятелями, так и фантастами. Возможность существования мультивселенной порождает различные научные, философские и теологические вопросы и споры. Самое интересное, что при любом последовательном анализе все приходят к одной и той же мысли, как путем философских размышлений, так и при помощи математики. Теорию мультивселенных невозможно фальсифицировать или верифицировать, также как и теорию единой вселенной: они обе, по сути, являются ненаучными, то есть не более, чем просто гипотезами.
Космолог Макс Тегмарк четко классифицировал все возможные варианты потенциально возможных конструкций мультивселенной:
- Существование миров за пределами нашего космологического горизонта.
- Параллельное существование миров с другими физическими константами.
- Существование миров, возникающих в рамках многомировой интерпретации квантовой механики.
- И конечный ансамбль, который включает в себя все вселенные, реализующие те или иные математические структуры.
Вообще, с появлением концепции инфляционной космологии, появилась теория, что наша протовселенная образовалась из пространства-времени уже существовавшей Вселенной и не является единственной физической реальностью, а представляет собой лишь невообразимо крохотную часть Мультивселенной. При этом каждая метавселенная внутри Мультиверса имеет свое начало во времени, но при этом вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной. Для подобной модели нет момента образования той или иной метавселенной, однако есть некая математическая модель распаковки каждой отдельной ветви.
Есть один весьма посредственный сериал с красивой картинкой и глубокой, но нераскрытой мыслью, под названием “Разрабы”. Мысль, на которую, как на шампур, насадили авторы сериала свою историю, очень проста: располагая полными данными о настоящем, возможно пошагово восстановить всю картину прошлого. Если толкнуть карандаш, значит, можно определить, что и когда его толкнуло, а дальше по цепочке восстановить всё, вплоть до начала времен. Однако это лишь наше интуитивное убеждение, что существует исключительно единственно определенное прошлое. Современная квантовая физика утверждает, что при самом детальном наблюдении настоящего ненаблюдаемое прошлое неопределенно и представляет собой сумму предысторий. И поскольку ненаблюдаемое прошлое неопределенно, то наблюдая за системой, мы меняем не только ее настоящее, но и прошлое. Так можно ли распаковать нашу протовселенную обратно?
Физике, например, известно, что вакуум неустойчив, поскольку в нем спонтанно возникают частицы. То есть вакуум — это уже часть нашей вселенной, поскольку возникающие частицы сразу же действуют по законам нашей протовселенной. Поэтому предлагаю разделить понятный каждому — физический вакуум, а также некую полную пустоту, которая не рождает ничего. Получается, что полная пустота — это лишь описание некоего маловероятного состояния. Возникновение любой флуктуации, мысли или просто абстрактного бита данных, тут же станет катализатором нового Большого Взрыва и формирования новой метавселенной, такой, например, как наша.
Здесь хочется процитировать Стивена Хокинга:
«Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия Земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»
К чему я это всё? Идея и проект Стивена Вольфрама при всей своей простоте и кажущемся примитиве может стать ключом к величайшей загадке: как Пустота рождает Всё. Если целая вселенная может возникнуть из бита информации, значит всё, что мы видим вокруг — это вполне может быть цифровая математическая модель. Нет, не иллюзия! Нет, не пустота! Нет, не ничто! Вполне реально, что вся наша протовселенная — это, например, своего рода компьютерная игра внутри Мультиверса, созданная каким-то одним информационным импульсом в некоем специальном объекте пустоты.
Это совершенно не значит, что надо перестать следить за собой, потому что всё тлен. Что можно бухать до цирроза. Что надо перестать дзюбить или чистить зубы. Это не значит, что надо перестать уважать чужую жизнь и чужие права. Что можно убивать и насиловать. Нет! Это говорит лишь о том, что нам невероятно повезло! Мы настолько малы, незначительны и нереальны, но всё же обладаем осознанностью и самосознанием. Конечно, примитивным, но всё же! Мы неизбежно научимся жить очень долго, но явно не доживем до черных карликов, которые возникнут только через квадриллион лет. Но вы только вдумайтесь, насколько крутой у нас квест и какие возможности распаковать настолько огромный мир! Первую полную карту Земли мореплаватель и картограф Пири-рейс создал лишь в XVI веке! Человечеству уже было 100 с лишним тысяч лет! А всего лишь 500 лет спустя у нас есть точные карты Марса и Луны!
Мы явно разгоняемся, несмотря на войны, болезни, конфликты, проблемы, короновирусы и прочее-прочее. Нам есть, что открывать фактически бесконечно! Невольно вспоминается сравнение всего периода существования нашей планеты с одной неделей, когда один день становится равным 660 миллионам лет.
Весь понедельник и вторник абсолютно ничего не происходит. В районе полудня в среду появляются первые формы жизни, которые тусят на планете до воскресенья. Казалось бы, неделя почти закончилась — столько времени профукано в никуда! Но не тут-то было! В районе 16:00 в воскресенье появляются динозавры, однако к 21:00 уже исчезают. Потом пару часов не особо много что происходит, но в 23:57 появляется человек! И лишь за четверть секунды до следующего понедельника возникают города. За сороковую долю секунды до наступления полночи мы высаживаемся на Луну. Мы только-только начали свое шествие в этой сверх-огромной компьютерной игре!
Если у кого-то, кто запустил этот бит информации, который так хорошо бабахнул, — время движется с подобной скоростью, когда 4.5 миллиарда лет выглядят, как неделя, тогда можно уверенно сказать, что у нас еще дохрена времени, чтобы успеть по этому миру побегать. Главное — не погибнуть на начальном уровне, или чтобы не случился какой-нибудь нелепый телефраг нашей протовселенной с другой метавселенной. Но еще круче, чем просто побегать: распаковать код и выйти на связь с тем, кто этот код запустил. Вот эта задачка — это не фунт изюму, а самый большой вызов, который только можно придумать!
А теперь для тех, кто не любит читать, а любит слушать или смотреть:
Если вам понравился материал, не забудьте поделиться с теми, кому он также может понравится. А я буду делиться с вами и впредь всяким разным забористым и не очень! 😈
Ну, и ключевое: “Всем добра!”
Мой Telegram-канал: https://t.me/PavelMuntyanPosts