Макс Тегмарк - Наша математическая вселенная

Квантовая теория поля утверждает ( гл. 7 ), что свет состоит из частиц, называемых фотонами. Грубо говоря, числа, составляющие электрическое и магнитное поля, могут рассматриваться как информирующие о числе фотонов в каждый момент в каждом месте. Так же, как есть электромагнитное поле, напряжённость которого соответствует числу фотонов в каждый момент в каждом месте, существуют и другие поля, соответствующие прочим известным элементарным частицам. Например, напряжённость электронного поля и напряжённость кваркового поля связаны с числом электронов и кварков в каждый момент времени в каждом месте. В классической физике все движения всех частиц в пространстве-времени соответствуют набору чисел в каждой точке четырёхмерного математического пространства — математической структуре. В квантовой теории поля волновая функция задаёт степень, в которой является реальной любая возможная конфигурация каждого из этих полей.

Физики ещё не нашли математическую структуру, которая описывала бы все аспекты реальности, включая гравитацию ( гл. 7 ). Но пока нет признаков того, чтобы теория струн или другой кандидат на роль такого описания был бы менее математическим, чем квантовая теория поля.

Описание или эквивалентность?

Прежде чем идти дальше, необходимо разобраться с важным семантическим моментом. Большинство моих коллег-физиков скажет, что внешняя физическая реальность (по крайней мере приближённо) описывается математикой. Я же утверждаю, что внешняя физическая реальность является математикой, точнее, математической структурой.

Всё, о чём до сих пор шла речь в этой главе, предполагает, что нашу внешнюю физическую реальность можно описать математической структурой. Если в учебнике физики появится долгожданная «теория всего» (ТВ), её уравнения будут полностью описывать математическую структуру, которая является внешней физической реальностью. Я использую здесь слово «является», а не «соответствует», поскольку, если две структуры эквивалентны, то (как подчёркивал израильский профессор Мариус Коэн) [74]не существует осмысленного контекста, в котором они не являются одним и тем же. Вспомните мощное математическое понятие эквивалентности из гл. 10, которое охватывает самую суть математических структур: если два полных описания эквивалентны, то они описывают одну и ту же вещь. [75]Это означает, что если некие математические уравнения описывают и нашу внешнюю физическую реальность, и математическую структуру, то наша внешняя физическая реальность и эта математическая структура есть одно и то же. И тогда верна гипотеза математической Вселенной: наша физическая реальность является математической структурой.

Вспомните, что две математические структуры эквивалентны, если можно попарно связать их сущности так, чтобы сохранялись все отношения. Если вы можете таким образом спарить каждую сущность нашей внешней физической реальности с соответствующей сущностью в математической структуре (например, «данное значение напряжённости электрического поля в данной точке физического пространства соответствует данному числу в математический структуре»), то наша внешняя физическая реальность соответствует определению того, что значит быть математической структурой. Фактически она и есть эта математическая структура.

В гл. 10 мы видели, что если хочется избежать принятия гипотезы математической Вселенной, то можно отбросить гипотезу внешней реальности, утверждающую, что существует внешняя физическая реальность, полностью независимая от людей. Можно затем утверждать, что Вселенная почему-либо оказалась состоящей из материи, идеально описываемой математической структурой, но она имеет и другие свойства, которые этой структурой не описываются и вообще не могут быть описаны абстрактным, свободным от «багажа», независимым от человека способом. Однако, думаю, эта точка зрения заставила бы перевернуться в гробу Карла Поппера ( гл. 6 ), который подчёркивал: научные теории должны иметь наблюдаемые проявления. В то же время, поскольку математическое описание по нашему допущению является идеальным, отвечающим за всё, что может наблюдаться, все дополнительные украшения, которые могли бы сделать нашу Вселенную нематематической, по определению не имели бы наблюдательных проявлений и поэтому были бы совершенно ненаучны.

Итак, мы видим, что пространство-время и находящаяся в нём материя могут рассматриваться как часть математической структуры. Но что можно сказать о нас ? Наши мысли, эмоции, самосознание и это глубокое экзистенциальное чувство я существую — ни одно из этих ощущений не является для меня ни в малейшей степени математическим. И всё же мы сложены из элементарных частиц тех же типов, что и всё остальное в нашем физическом мире, который является чисто математическим. Как всё это увязать?

Я думаю, мы ещё не вполне понимаем, что представляем собой. Более того, нам не требуется полностью раскрывать загадку сознания ( гл. 9 ) для того, чтобы понять внешнюю физическую реальность. Тем не менее в современной физике есть соблазнительные возможности изучения самих себя.

Георгий Гамов озаглавил автобиографию «Моя мировая линия». Этим выражением пользовался и Эйнштейн для обозначения пути по пространству-времени. Однако ваша собственная мировая линия, строго говоря, не является линией: она не прямая и имеет ненулевую толщину.

Рассмотрим сначала около 10 29элементарных частиц (кварков и электронов), из которых состоит ваше тело. Вместе они образуют в пространстве-времени трубкообразную фигуру, наподобие спиральной траектории Луны ( рис. 11.1 ), но более сложную (ваши передвижения от рождения до смерти гораздо сложнее, чем у Луны). Так, если вы плаваете по дорожке в бассейне, часть вашей пространственно-временной трубки будет иметь зигзагообразную форму. А если вы носитесь по детской площадке, часть вашей пространственно-временной трубки будет напоминать серпантин.

Однако самое интересное свойство вашей пространственно-временной трубки — не многочисленные изгибы, а её удивительно сложная внутренняя структура. В то время как частицы, составляющие Луну, скреплены более или менее жёстко, многие из ваших частиц находятся в постоянном движении друг относительно друга.

Рассмотрим, например, частицы, которые составляют красные кровяные тельца (эритроциты). Каждый эритроцит прокладывает собственную уникальную трубку в пространстве-времени, соответствующую сложному маршруту по артериям, капиллярам и венам с регулярным возвращением к сердцу и лёгким. Пространственно-временные трубки эритроцитов переплетаются и образуют нечто, напоминающее косу, только гораздо более сложную, чем всё виденное вами в парикмахерской. Обычная человеческая коса состоит из трёх чередующихся прядей примерно по 30 тыс. волос каждая. А пространственно-временная «коса» сложена из триллионов «прядей» (по одной на эритроцит), переплетённых в никогда не повторяющемся орнаменте, и каждая «прядь» состоит из триллионов волосоподобных траекторий элементарных частиц. Иными словами, если представить, что вы потратите целый год, делая подруге по-настоящему сумасшедшую причёску и переплетая отдельные волоски, а не пряди, то паттерн всё равно окажется гораздо проще.