Почему нечто лучше, чем ничего?

Почему мы существуем?

Почему существует именно этот набор законов, а не другой?

 

Некоторые ответят на эти вопросы, что существует Бог, который решил создать мироздание именно таким. Резонно спросить, кто или что создало Вселенную, но если ответом будет – Бог, тогда естественно возникает вопрос, а кто создал Бога? Если принять ту точку зрения, то есть некоторая сущность, которая не нуждается в создателе, и эта сущность называется Богом. Это приводится, как главный аргумент того, что Бог существует. Мы хотим, однако, получить ответ на этот вопрос исключительно внутри сферы науки, без привлечения божественных сил.

В соответствие с идеей модельно‑зависимого реализма, представленного в Главе 3, наш мозг интерпретирует поступающую через наши органы чувств информацию, создавая модель внешнего мира. Мы формируем внутреннее представление о нашем доме, деревьях, других людях, электричестве в розетках, атомах, молекулах и других сущностях. Это внутреннее представление является единственной реальностью, которую мы можем понимать. Не существует модельно независимого подтверждения реальности. Из этого следует, что хорошо сконструированная модель создает свою собственную реальность. Примером того, что может помочь нам понять о реальности и создании, является Игра Жизни, изобретенная в 1970 году молодым математиком из Кембриджа по имени Джон Конвей.

Слово «игра» в Игре Жизни является обманчивым термином. Там нет ни победителей ни проигравших, фактически, там нет игроков. Игра Жизни – не настоящая игра, а набор законов, которые управляют двумерной Вселенной. Это детерминированная Вселенная: Единожды вы устанавливаете начальную конфигурацию или условия, а законы помогут точно определить, что произойдет в будущем.

Воображаемый мир Конвея является квадратной матрицей, по типу шахматной доски, но простирающейся по всем сторонам бесконечно. Каждая клетка может находиться в одном из двух состояний. Живая (зеленый цвет) или мертвая (черный). Каждая клетка имеет восемь соседних клеток: сверху, снизу, слева, справа и четыре клетки по диагонали. Время в этом «мире» не непрерывное, а дискретное. Дается некоторое начальное расположение мертвых и живых клеток, число живых соседних клеток определяет, что произойдет дальше в соответствие со следующими законами:

 

Живая клетка, рядом с которой находятся две или три живые клетки выживает.

Мертвая клетка, имеющая ровно три живых соседа, становится живой клеткой (рождается).

Во всех других случаях клетки либо умирают, либо остаются мертвыми. В случае, если живая клетка имеет ноль или одного живого соседа, считается, что она умерла от одиночества; если же она имеет более трех живых соседей, то считается, что она умерла от перенаселения.

 

Это все правила, приступим. Дается начальное условие, и законы начинают порождать поколение за поколением. Изолированные одна живая клетка или две соседние живые клетки умирают при следующем дискретном шаге времени, поскольку они не имею достаточное количество живых соседей. Три живые клетки, расположенные по диагонали живут чуть дольше. После первого временного шага умирают конечные клетки, на следующем шаге умирает уже средняя клетка. Любая диагональная линия живых клеток «испаряется» таким вот образом. Но если три живых клетки располагаются горизонтально в ряд, снова центральная клетка имеет двух соседей и выживает, а две конечные – умирают, но в этом случае клетки, находящиеся выше и ниже центральной рождаются согласно закону. Поэтому ряд превращается в колонку. Аналогично, при следующем шаге колонка превращается в ряд и так далее. Такая колеблющаяся конфигурация называется «реле».

Если три живые клетки расположены углом (в форме L), происходит следующее. При следующем шаге рождается недостающая до квадрата 2х2 клетка и получается квадрат. Блок, принадлежащий к такому типу названному «образцом», продолжает жить, потому что он с течением времени будет неизменным. Многие типы «образцов» являются трансформерами, поскольку их соседние клетки то умирают, то рождаются, и в итоге через некоторое количество шагов «образец» принимает свою первоначальную форму.

Существует так же модель, названная «глиссером», которая меняет свою форму и после нескольких трансформаций принимает свою первоначальную форму, но в позиции, смещенной относительно первоначальной на одну клетку по диагонали. Если вы понаблюдаете некоторое время, то «глиссер» будет медленно ползти по диагонали. Когда «глиссеры» сталкиваются, могут произойти любопытные вещи, в зависимости от формы каждого «глиссера» на момент столкновения.

Почему нам интересен этот виртуальный мир? Хотя его фундаментальная «физика» очень проста, его «химия» может быть довольно сложна. Композитные объекты можно рассматривать с разных уровней. На первом уровне фундаментальная физика сообщает нам, что существуют только живые и мертвые клетки. На следующем уровне существуют «глиссеры», «реле» и «образцы». На следующем уровне существуют даже более сложные объекты, такие как «производитель глиссеров»: Неподвижные объекты, которые периодически порождают новые «глиссеры», которые покидают свое «гнездо» и устремляются вниз по диагонали.

Если вы понаблюдаете за виртуальным миром Игры Жизни на некотором уровне, вы сможете сформулировать законы, по которым ведут себя объекты на этом уровне. Например, на этом уровне объектов вы можете открыть законы такие, как «Блоки никогда не двигаются», «Глиссеры перемещаются по диагонали» и различные законы для того случая, когда объекты сталкиваются. Можно создать целостную физику для любого уровня композитных объектов. Эти законы повлекут за собой новые сущности и концепции, которых не было среди первоначальных законов. Например, в первоначальных законах не было таких понятий, как «столкновение» и «движение». Первоначальные законы описывали только жизнь и смерть отдельных неподвижных клеток. В нашем виртуальном мире, в Игре Жизни, ваша реальность зависит от модели, которую вы используете.

Конвей и его студенты создали этот мир, потому что они хотели узнать, может ли некий виртуальный мир (с начальными простыми законами, которые они установили), содержать достаточно сложные объекты, способные к воспроизводству. В этом мире Игры Жизни существуют ли композитные объекты, которые на основе первоначальных законов на некоторой стадии начнут воспроизводить новые объекты? Конвей и его студенты не только продемонстрировали, что это возможно, но они даже показали, что такой объект является, в некотором смысле, разумным! Что мы подразумеваем под этим? Если точнее, то они показали, что огромная конгломерация клеток, которые самовоспроизводятся, является универсальной Тьюринговой машиной. Для нас это может означать, что некоторые вычисления компьютер в нашем физическом мире может, в принципе, выполнить, если ему предоставить четкие входные данные – обеспечить соответствующую виртуальному миру Игры Жизни среду – тогда через некоторое время компьютерный мир будет находиться в том состоянии, которое можно сравнить с предсказанными результатами компьютерного расчета.

Чтобы почувствовать, как это работает, подумайте, что произойдет, когда «глиссер» сталкивается с простым 2x2 блоком живых клеток. Если «глиссеры» приближаются нормальным образом, то блок, который является стационарным, начнет двигаться к источнику «глиссера», либо от него. Таким образом, блок может имитировать компьютерную память. Фактически, все основные функции современного компьютера, такие как логические элементы AND и OR, также могут быть воспроизведены «глиссерами». Таким образом, как электрические сигналы используются в физических компьютерах, поток «глиссеров» может использоваться для посылки и обработки информации.

В Игре Жизни, как и в нашем мире, самовоспроизводящиеся объекты являются сложными объектами. По оценке, основанной на ранних работах математика Джона фон Неймана, минимальный размер самовоспроизводящегося объекта в Игре Жизни – десять триллионов клеток – приблизительно равно количеству молекул в одной человеческой клетке.

Можно определить жизнь, как комплексную систему ограниченного размера, которая стабильна и воспроизводит сама себя. Объекты, описанные выше, соответствуют условию репродуктивности, но вероятно нестабильны. Небольшое воздействие из внешнего мира вероятно разрушит этот тонкий механизм. Однако, легко представить, что немного более сложные законы позволят существовать комплексным системам со всеми атрибутами жизни. Представьте сущность такого типа, как объект в мире Конвея. Такой объект будет реагировать на внешнее воздействие, и, следовательно, принимать решения. Будет ли такая жизнь иметь сознание? Будет ли она мыслящей? Это вопрос, на который мнения резко разделились. Некоторые считают, что самосознание характерно только для человека. Это дает ему свободу воли, способность выбирать между различными вариантами действий.

Как можно определить, имеет ли существо свободную волю? Если кто‑то повстречает пришельца, как сможет он определить что это просто робот или же что у него есть разум? Поведение робота является полностью детерминированным, в отличие от обладающего свободной волей. Хотя можно, в принципе, дать определение роботу, как существу, чьи действия можно предсказать. Как мы говорили в Главе 2, это может быть практически невозможно, если существо является большим и сложным. Мы даже не можем точно решить уравнение для трех и более частиц, взаимодействующих друг с другом. Как и у пришельца, тело человека состоит из тысячи триллионов триллионов частиц, и даже если бы пришелец был бы роботом, было бы не возможно решить уравнение и предсказать его поведение. Поэтому можно сказать, что любое сложное существо имеет свободную волю – не как основополагающую особенность, а как действенный принцип, признавая нашу неспособность проделать вычисления, которые бы предсказать нам его поведение.

Пример Игры Жизни Конвея показывает, что даже очень простой набор законов может породить сложное поведение, встречающееся в разумной жизни. Должно быть, существует много наборов законов с такими свойствами. Что отличает фундаментальные законы (в противовес очевидным законам), которые управляют нашей Вселенной? Как и в «мире» Конвея, законы нашей Вселенной определяют эволюцию системы, ее состояние в любой момент времени. В «мире» Конвея мы являемся создателями – мы выбираем начальное состояние «мира», определяя объекты и их положение в начале игры.

В реальном мире аналогами объектов, таких как «глиссеры» в Игре Жизни, являются обособленное материальное тело. Любой набор законов, который описывает развитие мира, подобно нашему, будет основываться на принципе сохранения энергии, означающим, что ее величина не меняется со временем. Энергия Вселенной будет постоянной, не зависимо ни от времени, ни от состояния. Можно вычислить эту константу энергии вакуума, измеряя энергию любого объема пространства относительно такого же объема пустого пространства, таким образом, мы можем назвать постоянный ноль. Единственным требованием, которому должен удовлетворять закон природы, является то, что он устанавливает, чтобы энергия обособленного тела, окруженного пустым пространством, была положительной, что означает, что должна быть проделана работа, чтобы создать это тело. Это потому, что если бы энергия обособленного тела была отрицательной, тело могло бы быть создано в состоянии движения, так что его отрицательная энергия была бы точно уравновешена положительной энергией его движения. Если это верно, то нет никаких оснований считать, что тела не могут появляться где‑либо или везде. Пустое пространство будет поэтому нестабильным. Но если затрачивается энергия для создания обособленного тела, такой нестабильности не может быть, потому что, как мы уже говорили, энергия Вселенной должна оставаться постоянной. Именно это делает Вселенную локально стабильной – объекты не должны появляться где‑либо из ничего.

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!

Потому что гравитация создает пространство и время, она позволяет пространству‑времени быть локально стабильным, но глобально нестабильным. В масштабах целой Вселенной, положительная энергия материи может быть сбалансирована отрицательной гравитационной энергией, и поэтому не существует ограничений на создание целостных вселенных. Потому что существует закон гравитации, Вселенная может и будет создавать саму себя из ничего так же как мы описали в Главе 6. Спонтанное создание является доводом, что нечто лучше, чем ничего, почему Вселенная существует, почему мы существуем. Нет необходимости привлекать Бога, чтобы запустить Вселенную.

Почему существуют фундаментальные законы, которые мы описали? Окончательная теория должна быть последовательна и должна предсказывать конечные результаты для величин, которые мы можем измерить. Мы поняли, что должен существовать такой закон как гравитация, и мы видели в Главе 5, что для того, чтобы теория гравитации предсказывала измеряемые величины, теория должна иметь суперсимметрию между силами природы и материей, на которую они действуют. М‑теория – самая общая симметричная теория гравитации. Таким образом, М‑теория является единственным кандидатом на законченную теорию Вселенной. Если это окончательно – и это еще надо доказать – то М‑теория будет моделью Вселенной, которая создает сама себя. Мы, должно быть, часть этой Вселенной, поскольку не существует другой совместимой модели.

М‑теория является объединенной теорией, которую Эйнштейн пытался создать. Тот факт, что мы, люди, существуем, являясь не более чем композицией из фундаментальных частиц природы, и что мы оказались в состоянии подойти к пониманию законов, действующих на нас и на Вселенную, является величайшим триумфом! Возможно, чудом является то, что абстрактные логические выводы привели к уникальной теории, которая предсказывает и описывает громадную Вселенную, полную удивительного многообразия, которое мы наблюдаем. Если эта теория подтвердится наблюдениями, это будет выдающимся умопостроением, к которому люди шли более 3000 лет. Мы откроем великий замысел.

 

Глоссарий

 

Альтернативные истории – формулировка в квантовой теории, в которой вероятность всякого наблюдения состоит из всех возможных историй, которые могли бы привести к этому наблюдению.

 

Антиматерия – всякая частица материи имеет соответствующую анти‑частицу. Когда они встречаются, они аннигилируют друг с другом, выделяя чистую энергию.

 

Асимптотическая свобода – свойство больших энергий, заставляющее их становиться слабее на коротких отрезках. Следовательно, хотя кварки и привязаны к ядру большой энергией, они могут двигаться в пределах ядра практически также, как если бы они не испытывали влияния этой силы вовсе.

 

Атом – элементарная частица простой материи, состоящая из ядра с протонами и нейтронами, окружённая летающими по орбите электронами.

 

Барион – тип элементарной частицы, такой как протон или нейтрон, состоящей из трёх кварков.

 

Безграничное условие – необходимость того, чтобы истории Вселенной были замкнуты в безграничном пространстве.

 

Бозон – элементарная частица, несущая энергию.

 

Большой взрыв – сгусток, горячее начало Вселенной. Теория Большого взрыва постулирует, что около 13 миллиардов лет назад часть Вселенной, которую мы видим, была лишь несколько миллиметров в диаметре. Сейчас же Вселенная гораздо больше и холоднее, но мы можем наблюдать следы более ранних периодов в космическом микроволновом радиационном фоне, пронизывающем всё пространство.

 

Вероятностная амплитуда – в квантовой теории множество чисел, чьё взятое в квадрат абсолютное значение, даёт вероятность.

 

Галактика – огромная система из звёзд, межзвёздного вещества и тёмной материи, сдерживаемых вместе гравитацией.

 

Гравитация – слабейшая из четырёх сил природы. Причина, по которой объекты обладающие массой притягиваются друг к другу.

 

Квантовая теория – теория, в которой объекты не имеют единственной определённой истории.

 

Кварк – элементарная частица, с незначительным электрическим зарядом, на которую воздействует большая энергия. Протон и нейтрон, каждый состоят из трёх кварков.

 

Классическая физика – любая физическая теория, в которой Вселенной предполагается иметь одну строго определённую историю.

 

Космологическя постоянная – коэффициент в уравнении Эйнштейна наделяющий пространство‑время изначальной потребностью к растяжению. Электромагнитная сила – вторая из четырёх по величине сила природы. Происходит между частицами с электрическими зарядами.

 

М‑теория – фундаментальная теория физики, претендующая на звание теории всего.

 

Мезон – тип элементарной частицы, состоящий из кварка и анти‑кварка.

 

Мультивселенная – множество вселенных.

 

Нейтрино – чрезвычайно легкая элементарная частица, на которую воздействуют лишь слабое ядерное взаимодействие и гравитация.

 

Нейтрон – вид электрически нейтрального бариона, который вместе с протоном формирует атомное ядро.

 

Очевидные законы – законы природы, наблюдаемые нами в нашей Вселенной – законы четырёх сил и такие величины как масса и заряд, характеризующие элементарные частицы; в отличии от более фундаментальных законов М‑Теорий, эти допускают различные вселенные с различными законами.

 

Подход «от общего к частному» (подход «сверху вниз») – подход в космологии, в котором кто‑нибудь отслеживает истории Вселенной «сверху вниз», т. е. в обратном направлении от настоящего времени.

 

Подход «от частного к общему» (подход «снизу вверх») – в космологии – идея, опирающаяся на предположение, что существует лишь одна история Вселенной, с строго определённой точкой отчёта и, что нынешнее состояние Вселенной есть стадия эволюции от этой точки.

 

Принцип неопределённости Гейзенберга – закон квантовой теории, утверждающий, что пара физических величин одновременно не может быть известна с произвольной точностью.

 

Пространство‑время – математическое пространство, чьи точки должны быть определенны координатами и пространства и времени.

 

Протон – тип положительно заряженного бариона, который вместе с нейтроном формирует атомное ядро.

 

Ренормализация – математическая техника, разработанная, чтобы придать смысл бесконечностям, возникающим в квантовых теориях.

 

Сильное ядерное взаимодействие – сильнейшая из четырёх сил природы. Эта сила держит протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Также, она держит сами протоны и нейтроны вместе, что необходимо, так как они состоят из более малых частиц – кварков.

 

Сингулярность – точка пространства‑времени, в которой физическая величина становится бесконечной.

 

Слабое ядерное взаимодействие – одна из четырёх сил природы. Слабое взаимодействие в ответе за радиоактивность и играет жизненно важную роль в формировании элементов в звёздах и ранней Вселенной.

 

Супергравитация – теория гравитации, содержащая подобие симметрии, называемое суперсимметрией.

 

Суперсимметрия – особый вид симметрии, не связанный с преобразованием обычного пространства. Одними из важнейших значений суперсимметрии являются энергия частиц и материя частиц, и следовательно энергия и материя есть две стороны одной медали.

 

Теория струн – физическая теория, в которой частицы описаны как формы вибрации, имеющей долготу, но не высоту или ширину – как бесконечно тонкий отрезок струны.

 

Фаза – позиция в волновом цикле.

 

Фермион – элементарная частица составляющая материю.

 

Фотон – бозон, несущий электромагнитную энергию. Квантовая частица света.

 

Человеческий принцип – мнение о том, что мы можем выдвигать умозаключения об очевидных законах физики, основанных на факте нашего существования.

 

Чёрная дыра – участок пространства‑времени, который благодаря огромной гравитационной силе отрезан от остальной Вселенной.

 

Электрон – элементарная частица материи, имеющая отрицательный заряд и ответственная за химические свойства элементов.

 

Благодарности

 

Замысел есть у вселенной, есть он и у книги. Но в отличие от Вселенной, книга не возникает просто так из ничего. Книге нужен создатель, и эта ответственность ложится не только на плечи её авторов. Так что в первую и главную очередь, нам бы хотелось выразить благодарность и признательность нашим редакторам: Бет Рашбаум и Энн Харрис за их практически бесконечное терпение. Они были нам учениками, когда нам были нужны ученики, учителями, когда нужны были учителя и подгоняли нас, когда нужно было подгонять. Они держались оригинала, сохраняя при этом чувство юмора, вне зависимости от того шла ли речь о постановке запятой или о невозможности рассмотрения отрицательного искривления поверхности, симметричного относительно оси в двухмерном пространстве. Ещё нам бы хотелось поблагодарить Марка Хиллери, который любезно прочёл большую часть текста и внёс ценные замечания; Кэрол Ловенштайн, которая очень помогла с дизайном; Дэвида Стивенсона, сделавшего от начала и до конца обложку и Лорен Новэк, чьё внимание к деталям уберегло нас от опечаток, которых бы нам не хотелось увидеть напечатанными на бумаге. Питеру Боллингеру: огромная благодарность за то, что привнесли искусство в науку своими иллюстрациям, и за ваше усердие в проверке точности каждой мелочи. И Сидни Харрис: спасибо за замечательные мультики и величайшую чуткость к проблемам, с которыми сталкиваются учёные. В другой Вселенной вы могли бы быть физиком. Также мы признательны нашим агентам: Элу Цукерману и Сьюзан Гинзбург за их помощь и поддержку. Если выбирать две их самые часто повторяемые фразы, то ими были бы «Пора бы уже и закончить книгу» и «Не беспокойся о том, когда закончишь, в конце концов это случится». У них хватало мудрости, чтобы знать когда и что сказать. И наконец, наши благодарности персональному ассистенту Стивена – Юдит Крозделл; и помогавшим ему с компьютером Сэму Блэкборну и Джоан Годвин. Они не только помогали морально, но физически и технически, без чего нам бы не удалось написать эту книгу. И более того, они всегда знали лучшие пабы.

 

[1] Классическая физика – любая физическая теория, в которой Вселенной предполагается иметь одну строго определённую историю.

 

[2] Атом – элементарная частица простой материи, состоящая из ядра с протонами и нейтронами, окружённая летающими по орбите электронами.

 

[3] Гравитация – слабейшая из четырёх сил природы. Причина, по которой объекты обладающие массой притягиваются друг к другу.

 

[4] Галактика – огромная система из звёзд, межзвёздного вещества и тёмной материи, сдерживаемых вместе гравитацией.

 

[5] Протон – тип положительно заряженного бариона, который вместе с нейтроном формирует атомное ядро.

 

[6] Нейтрон – вид электрически нейтрального бариона, который вместе с протоном формирует атомное ядро.

 

[7] Большой взрыв – сгусток, горячее начало Вселенной. Теория Большого взрыва постулирует, что около 13 миллиардов лет назад часть Вселенной, которую мы видим, была лишь несколько миллиметров в диаметре. Сейчас же Вселенная гораздо больше и холоднее, но мы можем наблюдать следы более ранних периодов в космическом микроволновом радиационном фоне, пронизывающем всё пространство.

 

[8] Квантовая теория – теория, в которой объекты не имеют единственной определённой истории.

 

[9] Альтернативные истории – формулировка в квантовой теории, в которой вероятность всякого наблюдения состоит из всех возможных историй, которые могли бы привести к этому наблюдению.

 

[10] Вероятностная амплитуда – в квантовой теории множество чисел, чьё взятое в квадрат абсолютное значение, даёт вероятность.

 

[11] Бозон – элементарная частица, несущая энергию.

 

[12] Барион – тип элементарной частицы, такой как протон или нейтрон, состоящей из трёх кварков.

 

[13] Асимптотическая свобода – свойство больших энергий, заставляющее их становиться слабее на коротких отрезках. Следовательно, хотя кварки и привязаны к ядру большой энергией, они могут двигаться в пределах ядра практически также, как если бы они не испытывали влияния этой силы вовсе.

 

[14] Безграничное условие – необходимость того, чтобы истории Вселенной были замкнуты в безграничном пространстве.

 

[15] Здесь игра слов кремний – силикон (прим. перев.)

 

[16] Космологическая постоянная – коэффициент в уравнении Эйнштейна наделяющий пространство‑время изначальной потребностью к растяжению. Электромагнитная сила – вторая из четырёх по величине сила природы. Происходит между частицами с электрическими зарядами.