что в нашем мире существует
Хокинг, математика и струны: три ключевых теории о параллельных мирах
Параллельные вселенные — это миры, которые гипотетически существуют одновременно с нашим, но не обязательно похожи на него. Есть предположения, что там действуют другие законы природы или события принимают альтернативные исходы: если в нашем мире подброшенная монета упала орлом вверх, то в другой реальности — решкой.
Научные гипотезы, содержащие конкретные обоснования существования параллельных вселенных, появились только в XX веке, но философы рассуждали на эту тему еще в античности. В V веке до нашей эры в Древней Греции возникла теория атомизма. Согласно этой теории любая материя состоит из химически неделимых частиц — атомов, хаотичное столкновение которых образует параллельные миры. Философ Хрисипп, живший в III веке до нашей эры, предполагал, что Вселенная постоянно умирает и возрождается, то есть одновременно существует бесконечное множество ее состояний.
Первым физиком, который высказал предположение о существовании параллельных реальностей, стал австрийский ученый Эрвин Шредингер. В 1952 году в Дублине он прочел лекцию по квантовой механике и ввел понятие суперпозиции — явления, при котором частица одновременно находится в нескольких разных состояниях.
Позже идею о мультивселенных стали использовать писатели-фантасты. Одна из первых книг на эту тему — роман Майкла Муркока «Расколотые миры» (1963). Чтобы разобраться, могут ли параллельные миры существовать на самом деле, а не только в литературе и кино, мы рассмотрели основные теории и поговорили с российскими физиками.
Теории параллельных Вселенных
Теория Хартла — Хокинга
В 1983 году физики Стивен Хокинг и Джеймс Хартл выпустили научную работу, посвященную новой теории возникновения Вселенной. С помощью квантовой механики ученые пытались объяснить, как мир мог появиться из ничего и что было до Планковской эпохи — самого раннего этапа в его развитии.
Стивен Хокинг посвятил почти всю свою научную карьеру космологии — разделу астрономии, изучающему появление и эволюцию Вселенной. Помимо исследовательских работ, он выпустил несколько научно-популярных книг на эту тему — «Краткая история времени», «Черные дыры и молодые вселенные», «Мир в ореховой скорлупке».
Согласно теории Хартла — Хокинга изначально наш мир находился в космологической сингулярности. Это состояние, для которого характерны бесконечно высокие плотность и температура вещества. В результате Большого взрыва Вселенная расширилась, образовались галактики, звезды, планеты. Она продолжает безгранично расширяться до сих пор.
Описывая мир, Хокинг и Хартл рассматривали Вселенную как квантовую систему, которая одновременно находится в бесконечном множестве состояний. Наша реальность — лишь одно из них. Помимо нее существуют параллельные миры, которые отображают все возможные исходы любых происходивших событий.
Идея, согласно которой система может находиться в нескольких состояниях в одно и то же время, объясняется мысленным экспериментом Эрвина Шредингера — одного из основателей квантовой механики. Ученый привел пример с кошкой в непрозрачном ящике рядом с атомом радиоактивного вещества, который с одной и той же вероятностью может распасться или не распасться, и устройством, которое убивает или не убивает животное в зависимости от состояния частицы. Для наблюдателя, пока тот не откроет ящик, кошка будет в равной степени живой и мертвой, то есть одновременно находиться в двух состояниях.
Математическая гипотеза Тегмарка
Астрофизик и профессор Массачусетского технологического института **Макс Тегмарк выдвинул гипотезу о том, что наш физический мир — это математическая структура: набор физических постоянных (например, число Авогадро, массы элементарных частиц) и уравнений, описывающих фундаментальные законы природы.
Ученый считает, что все непротиворечивые математические структуры, которые можно вычислить, существуют физически. Например, в нашем мире гравитационная постоянная равна 6,67430 (15) × 10−11 Н × м² / кг−2. В параллельной вселенной это значение может быть другим, а значит, меняются решения связанных с ним уравнений.
Объединяя свою и другие теории, Тегмарк предлагает четырехуровневую классификацию миров:
Теория струн
В 1970 году Йоитиро Намбу, Хольгер Нильсен и Леонард Сасскинд независимо друг от друга выдвинули предположение о том, что не все физические частицы можно считать точечными из-за нетипичного характера их взаимодействия. Исследователи предложили рассматривать некоторые элементарные частицы (например, пионы, которые по массе меньше атома) как тонкие протяженные нити — так называемые квантовые струны.
В 1984–1986 годах произошла суперструнная революция: физики поняли, что теорией струн гипотетически можно описать взаимодействие всех элементарных частиц, а не только пионов. Возникла идея, что квантовые нити колеблются с разными частотами и задают свойства материи, как привычные нам атомы.
Согласно общепринятой теории относительности Вселенная включает в себя четыре измерения, среди которых длина, ширина, глубина и время. По теории струн измерений может быть 6, 10 и даже 26. Но мы осознаем только четыре из них. Остальные измерения сворачиваются, но в них могут помещаться параллельные вселенные. Эта концепция в упрощенной визуальной форме отражена в фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар» (2014).
Михаил Иванов, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики МФТИ:
«Тема параллельных миров-вселенных в художественной и научной литературе переплетена с темой множественности миров-областей в пределах одной вселенной. Если рассматривать область якобы нашей вселенной, но отстающую от нас более чем на 14 млрд световых лет (это больше расстояния, которое свет может пройти с момента Большого взрыва к настоящему времени), тут уже возможно говорить о параллельных мирах.
Исторически одним из первых источников идеи мультивселенных была многомерная геометрия. Если в пространстве больше трех измерений, в нем можно представить несколько параллельных или пересекающихся гиперплоскостей, на каждой из которых действует обычная трехмерная физика. Восходят эти идеи минимум к XIX веку.
В современной науке основные источники идеи о мультивселенных — общая теория относительности и квантовая теория.
Общая теория относительности (ОТО) описывает, как геометрия пространства-времени, которая проявляется в виде гравитационных полей, изменяется со временем и взаимодействует с материей. В ней можно сконструировать решения основных уравнений так, чтобы черная дыра оказалась воротами в параллельный мир. Но это требует существования экзотических видов материи, которые едва ли возможны.
Можно применить обобщения ОТО к многомерному пространству и прийти к допущению, что в нем живут трехмерные браны (от слова мембрана), на поверхности которых размещаются параллельные вселенные. Можно модифицировать теорию так, чтобы пространство эволюционировало, порождая практически не связанные друг с другом области, в которых законы физики будут различаться.
В квантовой теории есть концептуальные проблемы, связанные с тем, что она состоит из двух разных частей. Первая — физика того, что происходит в замкнутой системе, обособленной от внешних взаимодействий. Вторая — теория измерений, описывающая взаимодействия системы с измерительным прибором.
Последнюю старались свести к физике замкнутых систем, включая в нее измерительный прибор. Но каждый раз теория измерений возникала снова, на другом уровне: вместо измерения состояния квантовой частицы приходилось рассматривать измерение состояния стрелки прибора или даже экспериментатора. В 1957 году американский физик Хью Эверетт III заметил, что теорию измерений можно исключить из квантовой механики, но тогда окажется, что в каждом эксперименте реализуются одновременно все возможные исходы. Это позволило проинтерпретировать теорию так, что Вселенная ветвится на варианты. В них происходит все, что в принципе могло бы произойти».
Существуют ли параллельные вселенные
Идею о существовании других реальностей в научном сообществе воспринимают неоднозначно. Сторонники этой концепции — Стивен Хокинг, американские физики-теоретики Брайан Грин и Ли Смолин, американский космолог Александр Виленкин.
Аргументы за:
Против идеи о параллельных вселенных выступают британский космолог Джордж Эллис, американские физики-теоретики Стивен Вайнберг и Дэвид Гросс. Их главный аргумент в том, что она ненаучна в целом. Ни одну из описанных выше теорий невозможно опровергнуть экспериментально, а значит, и доказать.
Михаил Иванов:
«В обозримом будущем мы едва ли сможем доказать существование параллельных вселенных. Многие теории основаны больше на игре ума, чем на экспериментальных фактах. Доказательство других порой требует ускорения элементарных частиц до энергии Планка (500 кг в тротиловом эквиваленте) или наблюдения за ними в течение миллиардов лет.
Более важный вопрос — удастся ли нам сформулировать квантовую теорию гравитации. Есть вероятность, что с ней мы сможем создавать параллельные вселенные, даже если раньше их не существовало».
В интервью для журнала Scientific American Джордж Эллис объяснил, что, по его мнению, ученые предложили идею о параллельных вселенных как универсальное объяснение природы нашего существования. Эту концепцию нельзя назвать неправильной, но она носит чисто философский, а не научный характер.
Станислав Алексеев, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела релятивистской астрофизики Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга:
«У идеи о существовании параллельных вселенных есть несколько причин. Например, наличие черных дыр — каналов, через которые гипотетически энергия попадает из нашего мира в другой. Противоположные им белые дыры, существование которых не доказано, но допускается, могут быть источниками излучения из параллельных вселенных.
С точки зрения космологии, наличие других вселенных — возможность нарушить закон сохранения энергии, показав каналы, через которые она может убывать и прибывать. Это могло бы объяснить проблему космических лучей, энергия которых выше теоретического верхнего предела, без нарушения лоренц-инвариантности — свойства физической величины оставаться неизменной при преобразованиях.
Для доказательства или выбора одной из вышеописанных теорий не хватает экспериментальных, наблюдательных данных. В настоящее время во всех проектах общая теория относительности (ОТО) подтверждается с высокой точностью, но возможно, что в будущем удастся экспериментально выйти за ее границы».
Как современная наука изучает возможность существования параллельных Вселенных
В 1998 году во время наблюдения за сверхновыми звездами была обнаружена темная энергия. Это форма энергии, которая заполняет пустое пространство и действует противоположно гравитации, то есть отталкивает тела, а не притягивает их. За счет нее Вселенная расширяется с ускорением.
Ученые из Даремского и Сиднейского университетов создали компьютерную модель развития Вселенной и пришли к выводу, что в нашем мире относительно мало темной энергии. Согласно теориям возникновения Вселенной, ее должно было быть настолько много, что галактики и звезды не могли сформироваться, а жизнь не появилась бы.
В 2015 году в научном издании The International Journal of Physics вышла статья ученого А. А. Антонова о том, что темная энергия может быть признаком существования других вселенных. Для проверки этой и других теорий, связанных с темной энергией, ученые Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, США, создали прибор Dark Energy Spectroscopic Instrument, который исследует электромагнитные спектры далеких галактик. Впервые он начал работу в 2019 году.
Гипотеза симуляции — ответ на все наши вопросы или очередная религия?
Реален ли окружающий мир? — даже человек с нормальной психикой и отсутствием синдрома дереализации порой воспринимает мир, как вымышленный или игрушечный и задает себе подобный вопрос. Еще в древности на основании этого переживания сложилось философское положение о том, что наш мир представляет собой чью-то идею или фантазию, модель, которая подстраивается под восприятие наблюдателя, формируя материю и сознание. Еще до нашей эры светлейшие умы человечества думали над тем, существует ли что-то в нашем мире в действительности или все нами обозримое находится лишь в пределах нашего сознания. Философ Рене Декарт еще в XVI веке предположил, что весь мир — обман злого гения, который управляющет нашими чувствами и восприятием, создавая для человека вымышленный им мир.
Я мыслю, следовательно, я существую. Есть только одна вещь, в которой я могу быть уверен, и это мой собственный разум.
— Рене Декарт, «Рассуждения о методе», 1637 год.
В современном мире предположение о нереальности нашего мира называется «Гипотезой симуляции» или «Simulation hypothesis» и скорее относится к футурологии и трансгуманистической теории. С развитием цифровых технологий она обрела всемирную известность благодаря культовой трилогии «Матрицы», но наиболее полное научное развитие произошло в 2001 году в виде «Аргумента о симуляции», выдвинутого шведским ученым, профессором Оксфордского университета Ником Бостромом. В своей работе «Are You Living In a Computer Simulation?», вышедшей в Philosophical Quarterly в 2001 году Бостром рассматривает предпосылки для идеи моделирования мира, анализирует необходимые для этого вычислительные мощности, оценка которых в его работе представляется достаточно обоснованной, а также демонстрирует формулу для расчета вероятности произвольным образом выбранному человеку оказаться в «симуляции». Главная идея Бострома состоит в том, что «если мы не считаем, что мы сейчас живем в компьютерной симуляции, то у нас нет оснований верить, что наши потомки станут запускать множество исторических симуляций». Работа ученого получила огромную популярность и дала начало научному рассмотрению вопроса реальности нашего мира.
Ник Бостром
В данном материале будут рассмотрены основные тезисы гипотезы. Для начала я бы хотел пояснить, что отечественная локализация термина «Simulation hypothesis», переведенная как «Гипотеза симуляции», трактуется неверно, т.к. слово «симуляция» в русском языке не тождественна англоязычному «simulation» и несет негативный окрас. Вероятно, это пошло от неверного перевода оригинальной статьи в Википедии. Для удобства я сохраню такое название полного термина на протяжении всей статьи, но, упоминая т.н. «симуляцию» буду помечать ее в скобках или использовать синонимы. Также для понимания материала я предлагаю ознакомиться читателю с основными терминами этой гипотезы:
Постчеловеческая цивилизация — цивилизация потомков человека, эволюционное развитие которых изменило их до такой степени, что их нельзя считать людьми. Обладает высокоразвитыми вычислительными технологиями, технологиями искусственного интеллекта и другими;
«Симуляция» — компьютерная программа, моделирующая разум и сознание людей, а также физическое окружение, с которым они взаимодействуют;
Историческая «симуляция» — «симуляция», моделирующая человеческое общество прошлого;
Базовая цивилизация — цивилизация, существующая не в «симуляции», а в реальном мире.
Любой вопрос или пожелание Вы можете отправить мне лично в телеграм или беседу в нашем чате. А еще у меня есть телеграм-канал о космологии и астрофизике, где выходят новости и переводы статей.
Как бы это забавно не звучало, но суть всей гипотезы в великолепном изложении, понятном даже ребенку, заключена в одной серии Смешариков.
Виды виртуальных миров
Рассматривая возможные варианты смоделированных вселенных, стоит задать себе один вопрос: а зачем ее вообще создавать? Предположив, какие потребности могут быть у базовой цивилизации, мы можем определить, какой мир они создадут. Например, это может быть историческая «симуляция», созданная постчеловеческой цивилизацией для того, чтобы узнать природу своих предков, или экспериментальная «симуляция», нацеленная на получение каких-либо научных результатов. Также наш мир может быть и развлекательной моделью подобно Sims или Grand Theft Auto. В «симуляции» осознанных персонажей может быть как один, так и множество (все), включая не только весь человеческий род, но и остальных жителей Вселенной, если таковые имеются, а также животных, если они обладают сознанием или разумом. Также модель может не содержать в себе персонажей, оставаясь без осознанных существ — вопрос того, обладает ли человек сознанием, заслуживает отдельного разговора. В общих чертах действительно напоминает какую-то игру: singleplayer с NPC (подобие солипсизма) или multiplayer, где человек является чьим-то героем и управляется непосредственно игроком базовой цивилизации или обладает свободой воли. В «симуляции» может и не быть свободы воли, а все действия ее персонажей детерминированы начальными условиями, т.н. «судьбой».
Признаки, которые указывают на реальность или виртуальность нашего мира
Дискретность
Виртуальный мир обладает дискретностью — это следует из свойств вычислительных устройств. Общая картина строится из дискретных элементов, будь то пиксель в растровой графике или вексель в трехмерной. А есть ли какие-то дискретные элементы у Вселенной? Это нам не ясно, но то, что нам уже известно, лишь усложняет решение данного вопроса. С одной стороны квантовая механика и Общая теория относительности предполагают, что в них пространство-время и протекающие процессы неразрывны в расстоянии и во времени, с другой стороны, некоторые типы квантовой гравитации квантуются, но они имеют слабую силу перед двумя ранее упомянутыми теориями.
Вдобавок, квантовая физика очень противоречива, а потому говорить о даже частичной дискретности Вселенной еще рано. Мы, конечно, можем предположить, что Вселенная описываема квантовым компьютером.
Интерфейсное восприятие и сознание
В 2015 году исследователь когнитивных функций Дональд Хоффман предложил модель названную «интерфейсной теорией восприятия», основной идеей которой является предположение о том, что наше сознание специально дезориентировано на реальность. По принятой теории выживаемость организма выше, если у него лучшее восприятие реальности, соответственно, за такое количество поколений, которое пережила современная цивилизация, сознание ее индивида должно воспринимать окружающий мир очень объективно. Но Хоффман совместно с математиком Четаном Пракашем провел несколько сотен тысяч компьютерных моделирований эволюционного развития осознанных существ. Они пришли к выводу, что случаи, в которых продукты эволюции воспринимают реальность объективнее своих предков, очень редки. Если на некоторых этапах развития степень осознанности существа была выше среднего значения, то этот случай мгновенно пресекался. На самом деле такой вывод очень просто объяснить. Организм, в первую очередь, должен быть заточенным под ту «реальность», которая способствует его выживаемости и выживаемости его рода — а такая «реальность» требует восприятия, обработка информации через которое затрачивает минимальное количество ресурсов. Цели необходимой для выживаемости «реальности» не соответствуют действительной энергоемкой реальности.
Дональд Хоффман
Сам Дональд Хоффман сравнивает такое восприятие с пользовательским интерфейсом персонального компьютера, использование которого максимально упрощается для оптимизации работы с ним: вместо File Commander мы используем рабочий стол с иконками — то есть вместо нужного файла в корневой папке мы мгновенно получаем доступ к нему через упрощенный интерфейс, пропуская истинные свойства файла и тратя намного меньше как собственной энергии и времени, так и энергии, потребляемой системой. Таким образом основой продуктивной работы является эффективное использование устройства, которое может позволять нам оставаться неосведомленными о структуре устройства. Наше восприятие реальности может стать не только подоплекой к рассматриваемому в данном материале вопросу, но и к другим философским и естественнонаучным вопросам.
Здесь мы переходим к понятию сознания, и первый вопрос по этой теме напрашивается следующий: «Материя или сознание?». Вероятно, правильным ответом на вопрос будет «ни то, ни другое», ведь сознание существует неотрывно от материи — мы не можем представить себе ничего, не имея материальный образ. В какой-то степени это даже упрощает моделирование сознания. С другой стороны это сознание может быть иллюзией или, наоборот, специальной системой, существующей отдельно от мира и характеризующей для виртуального наблюдателя окружающую симуляцию.
Недавно популярным стало направление квантовой биологии — науки, которая пытается описать живые организмы квантовомеханическими законами. В ее состав, кстати, входит и квантовая нейробиология, которая рассматривает так называемую квантовую природу сознания. Это группа гипотез, в основе которых лежит предположение о том, что сознание возможно объяснить лишь с помощью квантовой механики, явлений суперпозиции, квантовой запутанности и т.п. Пожалуй, первым популярным предположением о квантовой природе сознания стала работа уважаемого сэра Роджера Пенроуза «Новый ум короля», где автор излагает свои идеи про квантовое сознание и квантовый искусственный интеллект. Пятью годами позднее, в 1994 году Стюарт Хамерофф разрабатывает «теорию квантового нейрокомпьютинга», т.н. «теорию Хамероффа-Пенроуза», которая утверждает, что активность мозга рассматривается как квантовый процесс. Квантовая природа сама по себе из определения не поддается объективному объяснению и моделированию. Компьютеры попросту неспособны анализировать абстрактную информацию. Если квантовая теория и теория квантового сознания верны, то, вероятно, гипотеза симуляции не имеет шансов быть достоверной.
Сложность создания «симуляции»
Затрагивая данный аспект, я не имею в виду огромную по нашим меркам мощность вычислительного устройства, требуемую для описания такого количества информации — для базовой цивилизации описание Вселенной может представляться забавой по типу крестиков-ноликов, ресурсы устройства для моделирования которой будут достаточны. Профессор Массачусетского технологического института Сет Ллойд в своей книге «Программируя Вселенную» утверждает, что Вселенная является одним большим квантовым компьютером, производящим все ее содержимое. С учетом полного понимания законов физики, говорит Ллойд, и согласно закону Мура, через 600 миллионов лет мы сумеем полностью смоделировать Вселенную. Это утверждение, по моему мнению, ошибочно, так как вряд ли Вселенная за 600 млн лет перестанет расширяться (причем ускоренно), следовательно количество пространства для темной энергии будет только больше. Предположив, что темная энергия — это энергия вакуума, т.е. кипящий бульон из виртуальных частиц, будет справедливым утверждение о том, что нам потребуется еще больше мощностей для описания дополнительной информации о поведении этого бульона. Также наверняка верным будет предположение о том, что закон Мура не сможет соблюдаться такой большой промежуток времени.
Сет Ллойд
Ранее считалось, что Вселенную можно смоделировать на классическом компьютере, но в 2017 году в Science Advances вышла статья «Quantized gravitational responses, the sign problem, and quantum complexity», в которой утверждается и проверяется то, что квантовые явления, которые имеют место в нашей Вселенной, могут описываться только на квантовом компьютере. Если природа разума тоже квантовая, то и ее описание возможно произвести только на квантовом компьютере.
Возвращаясь к утверждению Ллойда стоит также задать себе очень философский вопрос: а возможно ли вообще до конца понять природу Вселенной со всеми ее законами? Существует ли это одно уравнение или их система, способная описать все на свете: от поведения виртуальных частиц до того, с какого слова я начну следующее предложение? Сможем ли мы когда-нибудь действительно создать 100%-описываемую Вселенную? Но этот вопрос уже уходит за границы нашей темы, т.к. возможности базовой цивилизации для описания нашего мира могут быть неограниченными. Намного важнее задать вопрос о том, а возможно ли описать все на свете математическим языком и смоделировать это? Вероятно, вы знаете теорему Геделя. Сможем ли мы когда-нибудь объяснить природу разума, смоделировать историю прошлого и будущего? Если обратиться к оригинальной работе Бострома, то мы можем предполагать, что базовая цивилизация действительно смогла учесть такие вещи как разум и сознание, а следовательно, описать историческую симуляцию и запустить ее. Если Вселенная — «симуляция», то, вероятнее всего, она математична, но если Вселенная — математична, то она не обязательно смоделирована. Помните, что красивые математические формулы следуют из того, что математика – человеческий язык, созданный для описания природы.
Компьютерная симуляция – новая религия
Из области науки мы, через раздел о нюансах моделирования Вселенной, переходим к абсолютно умозрительным заключениям, а именно тому, что мы вряд ли когда-нибудь придем к полному пониманию всех процессов природы. С момента того, как я узнал об этой гипотезе, я задумывался, почему все прицепились именно к компьютерам, к цифровой «симуляции»? Похожий «бум» был после открытий Ньютона в области механики, когда все вокруг начали объяснять природу только гравитационным взаимодействием. Мир тогда пронизывали шестеренки.
Вопрос о том, «симуляция» мы или нет, не имеет никакого объективного смысла и, по моему мнению, бесполезен для науки, хотя я хочу верить в то, что я ошибаюсь. Тем не менее это непаханое поле для фантастов и философов. Гипотеза симуляции нефальсифицируема — она отправляется на полку к мыслям о Боге и жизни после смерти. Буду рад вашим идеям и изъяснениям на этот счет.
Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня есть телеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. По вопросам, предложениям и пожеланиям мне в личку или наш чат. Всем добра!