Време за четене: 9 минути
Стивън Волфрам се опитва да намери правило, което диктува Вселената. И като прави това, той може дори да стане първият човек, който най-накрая създава пълна, фундаментална теория на физиката.
В годината на чумата 1665-1666 Исак Нютон промени научния свят, откривайки универсалния закон на гравитацията и математиката на смятането. Сега, в чумната година 2020-2021, историята ще се повтори ли?
Стивън Волфрам мисли така. Роденият във Великобритания учен, който живее в САЩ, твърди, че е намерил път към фундаментална теория на физиката, която отговаря на някои от най-големите въпроси, като например какво е космосът? Колко е часът? И защо съществува Вселената?
„За да бъда честен, голяма част от работата беше свършена през 2019 г. и щяхме да започнем да говорим за това през март 2020 г., но всичко беше заключено за COVID“, казва Волфрам. „Но е вярно да се каже, че сме постигнали повече напредък към намирането на фундаментална теория на физиката, отколкото смеех да повярвам, че е възможно.“
Отправната точка на Wolfram беше да попита: Какво е пространство? „Физиците не задават често този въпрос“, казва той. „Те просто мислят за космоса като за фон, на който се разиграват събитията във Вселената.“
Според Волфрам пространството е направено от мрежа от „възли“, които са свързани помежду си. Естеството на връзките – как всеки възел е свързан с близки и далечни възли – може да създаде пространство с всякакви измерения. Така че, ако броят на възлите нараства като квадрат на разстоянието от даден възел – като повърхността на сфера – мрежата има свойствата на познато 3D пространство.
„Всъщност вярвам, че Вселената е започнала с безкрайно много измерения и постепенно е охладена до трите, които имаме днес“, казва Волфрам. „Но все още не знам защо са точно три.“
Волфрам се интересува от това какви са минималните „неща“, необходими за създаването на Вселената. И в допълнение към мрежата от възли – „атомите на пространството“ – има още една съставка, „правилата“, които променят мрежата. Така, например, едно правило ще казва: „където има конкретен модел от възли, заменете го с друг конкретен модел от възли“.
„Прилагането на такива правила, отново и отново – непрекъснатото актуализиране на космическата мрежа – обединява пространството“, казва Волфрам. „Чудото е, че този процес може също да създаде цялата материя във Вселената и всички закони на физиката, които сме открили през последните 350 години.“
Преди да разгледаме това забележително твърдение, струва си да разгледаме как Wolfram стигна до този момент. Роден в Лондон през 1959 г., той публикува статии по физика на 15-годишна възраст. Като аспирант в Калифорнийския технологичен институт в Пасадена, той работи с Ричард Фейнман, може би най-забележителният следвоенен американски физик. Но решаващо събитие за Волфрам беше откритието, което направи през 1981 г., когато използва компютър, за да изследва последствията от прости компютърни програми – такива, чийто изход многократно се връща обратно като техен вход, като змия, която яде собствената си опашка.
Най-простите компютърни програми, за които можеше да се сети по това време, бяха клетъчни автомати. Това са едномерни линии от квадрати, всеки от които може да бъде празен или запълнен. Прилага се правило, което заменя определен модел от квадрати с друг. По този начин се създава нова линия от квадрати. И още една нова линия. И така нататък.
През повечето време Волфрам откриваше, че не се е случило нищо интересно. В някои случаи обаче имаше постоянни характеристики, които се движеха през развиващата се клетъчна решетка, напомняйки субатомни частици в реалния свят. Но голямата изненада беше, че имаше няколко правила, които създаваха безкрайна новост и сложност.
Това беше момент на електрическа крушка за Wolfram. Обикновено простите програми имат прости изходи, а сложните програми имат сложни изходи. Но Волфрам беше открил прости програми със сложни резултати. Незабавната му мисъл беше: „Така ли Вселената създава роза или новородено бебе или галактика? Просто прилагане на проста програма отново и отново ли е?“
През 2002 г. Wolfram публикува Нов вид наука, том от 1200 страници с 1000 черно-бели снимки и половин милион думи. В него, наред с други неща, той изследва последствията от всичките 256 възможни правила за едномерни клетъчни автомати, сред които е правило 30, което генерира неограничена сложност. Книгата беше посрещната враждебно от общността на физиците. Отчасти това беше, защото той сам го беше публикувал, без да премине през обичайния процес на партньорска проверка. Но друга причина беше, че други физици не виждаха как да използват неговите идеи, за да предскажат нещо полезно.
Имаха право. По принцип Волфрам казваше, че по-голямата част от това, което Вселената прави, е „изчислително нередуцируемо“ – тоест, резултатът може да бъде открит само чрез стартиране на компютърната програма за 13,82 милиарда години, през които Вселената съществува. За много други физици това беше много добро.
Но Волфрам също казваше, че в рамките на изчислението, генериращо Вселената, има „изчислително редуцируеми“ острови, където е възможно да се изведе резултатът, без реално да се изпълнява програмата. „Тези преки пътища не са нищо друго освен законите на физиката, които открихме“, казва Волфрам.
В крайна сметка Волфрам не преследва идеите, които е изложил в „Нов вид наука“. От една страна, казва той, нямаше търсене от страна на физиците. А от друга страна, имаше търсене на неговия софтуер като компютърния език Mathematica и интелигентната търсачка WolframAlpha, които го направиха милиардер. Затова той прекара следващите две десетилетия в тяхното разработване.
Но през 2019 г. той се срещна с няколко млади физици, които го насърчиха да продължи търсенето си на фундаментална, изчислителна теория на физиката. И на 60-годишна възраст беше сега или никога.
Проблемът с клетъчните автомати е, че те работят на предварително съществуваща мрежа. Волфрам бързо осъзна, че има нужда от нещо по-просто, дори по-основно. Така той стигна до идеята за самообновяваща се космическа мрежа. В мрежите има устойчиви характеристики, по-скоро като водовъртежи във вода, и това са материята. В крайна сметка всичко възниква от космоса. Няма нищо друго. Всъщност това не е съвсем вярно. Има още нещо. „Времето, което всички след Айнщайн са смятали, че е същото като пространството, не е“, казва Волфрам. „Времето всъщност е процесът на изчисление стъпка по стъпка.“
Един от проблемите с по-ранния подход на Волфрам беше, че ако открие програмата, която генерира Вселената – и той вярваше, че тя може да не е по-дълга от четири реда код на неговия собствен компютърен език, Mathematica – тогава ще възникне въпросът защо тази програма, а не друга? Следователно Волфрам се докосна до идеята, че Вселената се генерира от
всички възможни програми, работещи едновременно.
„На пръв поглед изглежда невероятно объркано. Как може да излезе нещо полезно от това?“ той казва. „Но чудото е, че всичко го прави, включително двойните стълбове на съвременната физика: теорията на Айнщайн за гравитацията [общата теория на относителността] и квантовата теория.“
Ключовото е да осъзнаем, че не наблюдаваме Вселената отвън. Това е невъзможно. Вместо това ние сме части от самообновяваща се космическа мрежа в рамките на цялостната самообновяваща се космическа мрежа на Вселената. Ние не само сме ограничени в количеството изчисления, които можем да направим и така неспособни да възприемем по-голямата част от нередуцируемите изчисления, които се случват навсякъде около нас, но също така сме ограничени от нашата биология, която ни кара да наложим една нишка от време върху това, което виж. „Въпреки факта, че всички възможни правила действително действат, нашата извадка ще разкрие едно правило, генериращо Вселената“, казва Волфрам.
Най-важното е, че нашите фундаментални ограничения не ни позволяват да видим атомите на космоса. Вместо това ги виждаме свързани заедно, за да образуват плавен континуум – континуум, освен това, който е описан от Общата теория на относителността. В теорията на Айнщайн маси като планети следват най-краткия път или „геодезическа линия“ през пространство-времето. Пространството-време на свой ред е изкривено от наличието на енергия (строго казано, енергия-импулс). Според Волфрам, енергията в неговата картина не е нищо повече от количеството активност, протичаща на всяко място в мрежата, и именно това изчисление в крайна сметка огъва геодезичните характеристики на масивни тела.
Квантовата теория, напротив, описва микроскопичното царство на атомите и техните съставни части и е известна с това, че изглежда фундаментално несъвместима с Общата теория на относителността. По-конкретно, няма такова нещо като уникален път през космоса. Атомите могат да следват множество пътища, всеки със свързана вероятност. Според Волфрам тази множествена история е вградена в неговата рамка, защото всеки път, когато част от космическата мрежа се актуализира, тя може да бъде актуализирана не само от едно правило, а от множество възможни правила, което води до множество истории. „Квантовата теория не е монтирана, както в стандартната физика“, казва той.
Wolfram отива по-далеч. Той си представя „разклонено пространство“, което капсулира всички тези множество истории. И това изисква инструментите на Mathematica за визуализиране, което е една от причините, поради която други физици, не само обикновените смъртни, намират за трудно да следват Волфрам. Въпреки това, ключовото нещо, което Волфрам твърди, е, че Общата теория на относителността, с нейните геодезични, изкривени от енергията-импулс в нормалното пространство, е точно същата като квантовата теория с нейните геодезични, изкривени от енергията-импулс в разклоненото пространство. „Общата теория на относителността и квантовата теория са основно една и съща теория!“ той казва. „Никога не съм очаквал да открия толкова прекрасен резултат.“
Това наистина е удивителен резултат. В основната физика само теорията на струните осигурява рамка, която обединява общата теория на относителността и квантовата теория, и има големи проблеми, не на последно място факта, че води не до една Вселена, а до мултивселена от около 10 500 вселени. Съществува обаче силен намек, известен като „холографския принцип“, че квантовата теория и общата теория на относителността са тясно свързани и че квантовата теория се проявява като обща теория на относителността в пространството с по-високи измерения. Волфрам вижда работата си като потвърждение на тази връзка.
Карло Ровели от университета Екс-Марсилия работи върху „примковата квантова гравитация“, съперник на теорията на струните, която се опитва да покаже, че пространство-времето, в невероятно малкия мащаб на Планк, е направено от крайни бримки, вплетени заедно в сложна движеща се мрежа . Има ли някаква връзка между работата на Волфрам и примковата квантова гравитация? „Наистина, бях любопитен за същия въпрос!“ казва Ровели.
Други намират работата на Волфрам за очарователна. Единият е Грегъри Чайтин, аржентински американец, който изобрети област на математиката – теория на алгоритмичната информация – когато беше на 15. „Аз лично смятам, че новата му работа е много интересна“, казва той. „И да, нещо като Общата теория на относителността и като квантовата механика се появява доста естествено.“
Chaitin харесва оригиналността на подхода на Wolfram. „Забавното е, че това е напълно ортогонално [различно] спрямо това, което правят всички останали. Досега теорията на струните беше единствената игра в града, която се опитваше да работи на това ниво. Сега има друга игра.”
Волфрам е насърчен от реакцията на последната му работа, която е много различна от реакцията, която е имал през 2002 г. Той казва, че много млади физици посещават неговите семинари, а по-възрастните физици изпращат своите студенти. Той предава на живо много от разработките в мрежата, така че хората да могат да видят какво прави. „Бях изненадан колко малко хора казаха, че това не може да работи“, казва Волфрам. „Беше по-скоро като „не мога да разбера това“ или „кажи ни какви явления можем да търсим“.“
Волфрам също не е сам, както беше през 2002 г. Сега с него работят шепа други физици. Чайтин смята, че това е важно. „Необичайно за Стивън, той дори признава, че е съавтор на някои“, казва той. Но една от основните разлики между сега и 2002 г. е, че идеята, че обработката на информация е в сърцето на Вселената, е много по-масова, отколкото беше преди две десетилетия. В известен смисъл нищо, което Волфрам прави, не противоречи на приетата физика. Той просто се опитва да влезе под предния капак на колата, за да разкрие изчислението, което едновременно генерира Вселената и законите на физиката, които наблюдаваме.
Едно следствие от картината на Волфрам е, че извънземни с различна биология и различни сетива могат да виждат различни части от изчисленията, генериращи Вселената, и следователно да извеждат различни закони от квантовата теория и Общата теория на относителността. Всъщност те може завинаги да бъдат невидими за нас, съществуващи в части от космическата мрежа, които нашите сетива просто не вземат. „Погледът ни е ограничен от нашия размер от около метър височина и нашето настояване да видим една нишка от време“, казва Волфрам. „Но същества с размерите на планетата и без това настояване биха видели нещо съвсем различно.“
В крайна сметка предсказанията за нови явления ще потвърдят или опровергаят изчислителната вселена на Wolfram. А в момента такива липсват. Въпреки това Волфрам вижда места, които могат да бъдат плодотворни при получаването на прогнози за наблюдение. Например, той вярва, че може да има области от нашата Вселена с различен брой измерения. И по-специално той подозира, че черните дупки може да са в състояние да се въртят по-бързо, отколкото е позволено от стандартната физика, и по този начин цели парчета пространство-време могат да се откъснат, нещо, което е невъзможно в общата теория на относителността.
Големият въпрос остава защо съществува Вселена? И тук Волфрам смята, че Вселената може да съществува в почти същия смисъл, в който съществува математиката. Математиката се състои от набор от дадености, или „аксиоми“, и последствията, или „теореми“, които могат да бъдат извлечени от тях чрез прилагане на правилата на логиката. По същия начин, Вселената е просто логично следствие от прилагането на всички възможни правила към мрежа от безплътни възли. „Неизбежно е да съществува, по същия начин е неизбежно и 1+1=2“, казва той.
Ние, разбира се, преживяваме Вселената като солидно нещо, а не като абстрактно нещо като сградата на математиката. Въпреки това, тъй като ние също сме направени от същия материал като Вселената – като виртуални същества във виртуална реалност – всичко ни се струва напълно реално.
Независимо дали Волфрам ще се окаже новият Нютон, чумната година определено се е отразила на силните страни на Волфрам. „Винаги съм работил дистанционно от моята компания“, казва той. „Последната година ми хареса.“ Той признава, че все още трябва да се извърви дълъг път за получаване на фундаментална теория на физиката. „Но аз съм изумен колко напреднаха нещата за кратко време“, казва той. „Никога не съм си представял, че ще работи толкова добре.“
