Говорящее кресло Стивена Хокинга

За последние 40 и даже более лет в физике не сделано никаких значимых открытий и не предложено никаких интересных и стоящих идей. Попытаемся понять в чём же причина этого странного застоя. Посмотрим сперва вкратце на то что было, отмечая только отдельные “поворотные” моменты, а потом на то, что есть сейчас.

Идея пространства как континуума появилась как-бы сама собой, но была полностью отрефлексирована только в 19-ом веке. Все наверное помнят бесконечные теоремы Коши, Вейерштрасса, Кронекера и многих других. Она основанна на том, что между двумя точками всегда можно втиснуть ещё одну. То есть, между двумя бесконечно близкими точками находится бесконечно много точек. На этом представлении мира как континуума была построенна вся классическая физика. Дискретизация, конечно, тоже использовалась, но как вспомагательный инструмент. Так, например, был построен интеграл Римана с помощью сумм Дарбу, но с последующим предельным переходом. Это был достаточно логичный и удобный мир. В том, что физическое пространство непрерывно никто не сомневался.

Больцман ввел в оборот энтропию как логарифм числа состояний системы используя неявно дискретизацию фазового пространства. То, что величина энтропии зависела от способа дискретизации его смущало, но не сильно, так как он считал, что только её изменение значимо, а не абсолютная величина. Понятно, что в таком виде энтропия была “слегка диковатой". Эта диковатость не устраивала Макса Планка. Но если придать энтропии абсолютное значение, то получалось, что мир по-сути дискретен (The theory of heat radiation, 1914). Макс Планк нашёл великолепный пример продемонстрировавший со стеклянной ясностью что это так: излучение абсолютно чёрного тела. Несмотря на то, что эта идея как-то совсем выламывалась из принятых тогда представлений мира как континуума, она была загадочной, привлекательной и плодотворной. Эйнштейн сразу её применил к фотоэффекту, и так появился на свет фотон.

Резерфорд был одним тех кто действительно испытал сильнейший когнитивный диссонанс на собственной шкуре. Всем же было ясно, что природа не терпит пустоты. А оказалось, что мир пуст: Только одна из нескольких тысяч алфа-частиц рассеивалась на тяжёлых атомах золота проходя через фольгу. От этого было не просто отмахнуться после долгих ночных экспериментов. Но сама идея: "мир насквозь пустой" оказалось очень неожиданной и мощной. Более того, Резерфорд и Бор родили ещё одну ересь: "планетарная модель атома", и это несмотря на то, что она напрочь противоречила электродинамике. Знали ли они что противоречила? Конечно знали. Но несмотря на эти противоречия сторонники нашлись и много так как идея была стоящая.

Всё это хорошо укладывалось в формулу Бора: глубокая идея это такая идея, что противоположная ей - тоже глубокая идея.

Не всякий сапёр видевший как падает снаряд от гаубицы в чей-то курятник на севере Франции в августе 14-го смог бы заподозрить в его движении волновые свойства. Но Луи Виктор Пьер Раймон 7-ой герцог Брольи́ более известный как Луи де Бройль разумеется не был “всяким”. Очевидно же, возможно рассуждал он, что если фотоны проявляют свойства и частиц и волн, то почему и частицы не могут быть волнами? Можно даже посчитать длину волны. Получалась обратная зависимость: чем больше масса, тем короче длина волны. Это была очень даже здравая мысль. Но оставался вопрос: волны чего? Эфир к тому времени был уже насмерть убит Эйнштейном. Материи? Тут немцы опять поправили французов. Макс Борн и Пол Эренфест предложили вероятностную трактовку назвав эти волны “волнами вероятности”. Случайность привнесенная в классическую физику Максвеллом и Больцманом становилась фундаментом новой физики. Но всё же, какая вероятность подразумевалось?

На тот момент уже существовало две теории вероятностей. Одна из них объясняла случайность "молекулярным хаосом". Так как в микромире, как тогда считалось, творится натуральный бардак, то измерения какой-либо величины никогда не дают один и тот же результат, а имеют разброс. Хаотические столкновения молекул влияют на измерительные приборы и объект так, как-будто “черти трясут” лабораторный стол, а у кого трясут и руки тоже. Вероятность имела смысл как относительная частота попадания измеряемой величины в какой-то интервал значений после очень большого числа измерений. Здесь можно ввести и плотность вероятности: вероятность - это произведение плотности на интервал значений.

Вторая теория, Байесовская, использовала тот же математический аппарат, но придавала вероятности совсем другой смысл, который, впрочем, не был до конца понятен. Бертран Рассел сформулировал смысл байесовской вероятности в виде парадокса. Допустим, рассуждал он, какой-то историк (то есть, разведчик прошлого, а по-британски просто шпион) откопал в культурном слое Лондона свидетельство о смерти некоего мистера Бориса Джонсона. Историк с какой-то степенью уверености датировал его серединой 14-го века. Как известно в середине 14-го века в Лондоне свирепствовала чёрная смерть (пандемия бубонной чумы - да-с, не чета ковиду), то историк логично предполагал, что мистер Джонсон умер от чумы. И этому событию приписывалась вероятнось того, что оно имело место быть (belief). Другой историк начитавшись Шерлока Холмса резонно считал, что мистера Джонсона отравила его жена из ненависти (бывает). Во время чумы никто не заморачивался расследованием и ей всё сошло с рук. Так, если степень доверия к историкам a priori одинаково высокая и в начале событие "умер от чумы" имело почти единичную вероятность, то при появлении гипотезы "был отравлен" событие "умер от чумы" приобретало вероятность одной второй. Потом появлялся третий с версией, что, оказывается, мистер Джонсон был зарезан в пьяной драке и тем самым уменьшая вероятность каждого события до одной трети. По-любому получалось, что чем лучше изученно какое-то событие, то есть чем больше историков покопалось в причинах смерти мистера Джонсона, тем каждая причина смерти становилась менее вероятной. А если вдруг кто-то предложит гипотезу, что нашли труп без документов и записали Джонсоном? Ну так можно до-исследоваться и до того, что вероятность существования самого мистера Бориса Джонсона может уменьшиться до нуля. Парадокс? Да-с, насыпал Рассел историкам соли на хвост! На самом деле никакого парадокса здесь нет и вместо вероятностей надо работать с их распределением, которое становилось шире при возникновении альтернативных гипотез. Это очень необычная трактовка вероятности. Она применима к единичным и уникальным событиям. Роль многочисленных измерений играют гипотезы (на чём-то, разумеется, основанные), которые делают распределение либо шире, если противоречат, либо уже, если дополняют друг друга. Соответствущее распределение могло быть и поли-модальным.

Обе теории не годились для волн вероятности, хотя первая была физически понятна, но предполагала существование каких-то “чертей”, то есть хаос и бардак, а вторая подходила только для интерпретации мысленного эксперимента с котом Шрёдингера и всё. Сам Шрёдингер ввёл волновую функцию частицы (под которой изначально подразумевался электрон) как "половинку" плотности вероятности. "Половинку" в том смысле, что произведение двух "половинок" и давало плотность вероятности. С волновой функцией, как оказалось, работать проще, чем с самой плотностью. Более того, Шрёдингеровский формализм хорошо описывал процесс измерения физической величины. Для этого нужно было подействовать оператором, то есть математической абстракцией измерительного прибора, на ту самую волновую функцию, затем умножить на сопряжённую, проинтегрировать, и получить математическое ожидание физической величины. Можно было так же посчитать и все её статистические моменты. Величина приобретала определённое значение только после измерения, что логично. Поток вероятности получался непосредственно из уравнения Шрёдингера. Так, плотность вероятности составленная из двух “половинок” (скалярного произведения двух сопряжённых волновых функций) удовлетворяла уравнению непрерывности абсолютно такому же как и в газовой динамике для плотности газа (известному так же как уравнение переноса, i.e. transport equation), но где поток уже имел смысл потока вероятности, что и предложили Борн с Эренфестом.

Да, это было третье, альтернативное первым двум, понятие вероятности. Математики, возможно, сжевали не один галстук от зависти к такому подходу. Так как плотность вероятности теперь описывалась газодинамическим уравнением непрерывности (переноса), то в принципе уже можно было представить себе и ударные волны вероятности, и волны разрежения и даже солитоны вероятности. Всё, конечно, зависело от Гамильтониана и что из него можно было “состряпать”.

Но с другой стороны такая вероятность приобретала фундаментальные свойства. Без волновой функции теперь стало никак. И вот почему: Процесс измерения забирал из системы фотон или несколько. Вроде бы энергия фотона известна, а значит известна и энергия системы после измерения. Однако, определённой энергии системы могло соответствовать несколько различных её состояний. То есть, имело место вырождение. Что бы определить в каком именно состоянии находится система в данный момент надо было снова отобрать у неё фотон и ситуация повторялась. Оказалось, что существует принципиальная невозможность узнать в каком именно состоянии находится система. Только вероятность какого-то состояния системы можно было посчитать (что в общем-то неплохо). Стали говорить о суперпозиции состояний, которая до сих пор многим не даёт покоя. Шрёдингер придумал свой мысленный эксперимент с котом чтобы внести ясность в этот вопрос, но на самом деле всё только запутал. Тем более его кошак объяснялся и с позиций байесовской теории.

Недостатка новых идей не ощущалось. Скорее наоборт. Релятивиское уравнение Дирака оказалось очень значимым и нужным в спектроскопии и в теории магнитного резонанса электронных оболочек (где нужно учитывать взаимодействие спинов электронов), тем самым подтверждая Эйнштейновскую теорию относительности. Волновое уравнение, описывающее волновую функцию, наконец-то стало гиперболическим. Очень много интересного произошло и в физике твёрдого тела, да и в других областях несомненно тоже. Но всё это придётся опустить, так как “портянка” получилась и так слишком длинной.

Начались и неудачи. Так, например, было предложено несколько квантовых электродинамик. В одной из них фотон имел спин 1, а в другой не имел никакого (поляризация не в счёт). В одной фотон имел волновую функцию хоть и в импульсном пространстве, в другой говорилось, что если вам так уж нужна волновая функция фотона, то пусть ей будет векторный потенциал и отстаньте, и тд. Проблему расходимостей не удалось решить. В конце концов все эти теории остались незавершёнными. Похоже, что научная мысль здесь сильно тормознула несмотря на то, что всё же оставила кое-что интересное.

Детерминированный хаос. Звучало неплохо. Да и по Бору обратная идея: "хаотичный детерминизм" тоже была разумной за которой без труда угадывалась классическая термодинамика. Что же обещала новая анти-термодинамика? А как раз обратное термодинамике: давала уникальный шанс плюнуть на энтропию. Притом смачно так, по-Пригожински. Идея казалась привлекательной. Появилась теория катастроф, теория самоорганизации систем, да и фазовые портреты научились рисовать по-Ван-Гоговски стильно. Теория стохастических дифференциальных уравнений, в основе которой лежит “первая версия” вероятности, получила хорошую порцию первитина. Блэк и Шоулз (Black-Scholes) переписав старенькое уравнение Фоккера-Планка в Винеровском формализме получили Нобеля. А чо? разве так нельзя? Нобель, правда, был по экономике и это-то понятно: уж где-где, а на фондовом рынке черти точно есть. В целом, драйв очевидно был. Но революции не случилось.

Протухло что-то в “Датском королевстве” и с 70-ых пошли идеи-пустышки. Их много, всех не перечислишь. Но некоторые были действительно выдающимися как оглушительный пук в вакууме.

Чёрные дыры. Где-то далеко-далеко ходят-бродят по Вселенной чёрные-пречёрные дыры безжалостно сжирающие всё на своём пути. Звучит как детская страшилка, не правда ли? А по-сути ей и является. В далёком Советском Союзе была такая “библиотечка квант”, где учёные дяди объясняли советским детишкам, что ни один наблюдатель не может наблюдать чёрную дыру не только потому, что она не излучает, но и так же потому, что в чудовищном гравитационном поле время замедляется (для удалённого наблюдателя) и фактически останавливается. Во втором томе ветхого завета русской библии можно так же прочитать (стр. 402-403, 1988), что чёрные дыры - это асимптотические решения. То есть, чёрные дыры формируются за бесконечно длинный промежуток времени и ни один сторонний наблюдатель никогда не дождётся их образования. Вроде бы всё ясно? Более того, нейтронные звёзды, которым до чёрных дыр ещё далеко, - это уже массивные квантовые объекты и их эволюция одной дифференциальной геометрией не описывается никак хотя бы потому, что она самая, дифференциальная геометрия, построена на идее континуума. А может волнам вероятности в таком объекте становится очень тесно? А какому распределению подчиняются нейтроны в ядре звезды? Ферми-Дирака или какому-то другому? Куда исчезает магнитное поле при коллапсе? И тд и тп. Что ж, вопросы были и много. Но тут инициативу перехватили Холливуд (Hollywood) и БиБиСи (BBC): Какая разница, есть чёрные дыры или нет, если можно делать по десятку научно-пропагандистких фильмов в год. Обществу “ням-ням” они нравятся. А ещё про Big Bang люди обожают смотреть. В общем, Вселенная - это такой “Парк Юрского Периода”, где вместо динозавров резвятся чёрные дыры.

Усилия Холливудского научпропа не прошли даром. Колличество женщин-астрофизиков в Америке закономерно превысило мужское. Что ж, девушки любят смотреть на звёзды и искать дыры во вселенной. В конце-то концов гораздо приятней смотреть на экране ТВ или макбука на молоденькую девушку жестами объясняющую Big Bang или образование чёрной дыры мимоходом машинально поправляющую лифчик, чем на старого прокуренного мухомора. Помимо научпропа появились и различные фонды поддержки женщин в науке. Их очень много. Теперь любая дура сможет сделать приличную карьеру в науке если правильно сориентируется с фондам. Да-с, не в пример Софье Ковалевской: Та пробивалась сама и была кем угодно, в том числе и любовницей Карла Вейерштрасса, но точно - не дурой. Хотя, впрочем, была бы дурой если бы не была любовницей Карла.

С этого момента можно говорить о холливудизации, а по-существу об американизации науки, которая раньше умудрялась как-то оставаться всё же европейской даже на американской почве (впрочем, понятно почему: из-за непрерывного притока европейской крови). Ковбойский наскок пришёл на смену тщательному обдумыванию проблемы. Упаковка стала важнее содержания и всё это имело смысл только если хорошо продавалось.

Для контраста с девушками-астрофизичками на экраны ТВ стали запускать парализованного уродца, инвалидное кресло которого синтетическим голосом рассказывало о набивших оскомину чёрных дырах и большом взрыве. Похоже это был намёк на карлика из Твин Пикс (Twin Peaks) жутковатый смысл которого тогда никто не понимал. Уродец уже умер, но кресло осталось. Далее началась новая тема тёмной материи и тёмной энергии. В чём их суть? А в том, что их не видно, но они есть. Холливуд теперь неусыпно следит за всеми новинками с переднего края науки.

Тогда же появился и феномен "британских учёных”, который, очевидно, был искусственно создан BBC изначально как типа “учёные шутят”. Похоже, что большинство исследований "британских учёных" генерировалось поисковиками и первыми нейронными цепями, которые выискивали смешные, курьёзные и забавные корреляции в несвязанных между собой фактах. Но рубрика на радио и колонки в таблоидах (газеты для народа) плавно шаг за шагом перетекли в “учёные глумятся над быдлом”, а потом и в свою Боровскую противоположность: теперь “быдло глумится над учёными". Дошутились.

Кроме вульгарной американизации науки наблюдается и процесс её варваризации и азиатизации. В Америку и Европу потянулись люди со всех уголков мира думать за деньги. Алгоритм успеха в общем-то ясен: надо предложить какую-нибудь парадоксальную идею типа "конца истории" или, к примеру, "диффузных волн", или что-нибудь в этом роде. Главное что-бы звучало по-Боровски провокационно. Про “конец истории” знают наверное всё (или почти все). Ну и с диффузными волнами дело обстоит в общем-то так же: Один цыганин, думающий про себя что очень хитрый, приехал из далёкой Индии в Америку за славой и нобелевкой. В силу цепкости своего восточного ума он обратил внимание на то, что методы решения уравнения диффузии и волнового в общем-то одинаковы. Да, разумеется, физически процессы очень разные. Так в этом-то и суть! Возьмем решение уравнения диффузии и назовём его диффузной волной. Никто раньше о диффузных волнах ведь не слышал (тем более американцы), так? А значит - это открытие! А чо, нельзя? Важно побольше статей настрогать используя “правильную” терминологию, с нужными людьми познакомиться и сторонников заиметь, да побольше. А если пригласят на ТВ, то и профессора точно дадут. Что ж, так и сделал хорошую карьеру в крутом университете и до сих пор ждёт звонка из Стокгольма. Один он такой? Да что вы! Имя им легион. Да уж, кто бы мог подумать даже 50 лет назад, что какие-то там теле-Kaku и прочие цыгане с аль-халилями будут с экранов мониторов и ТВ рассказывать нам, европейцам, как устроен этот мир!

Говорящее кресло Стивена Хокинга пока молчит. Но это не навсегда. Долго, слишком долго оно возило чучело величайшего мыслителя человечества, что бы не пропитаться его знаниями. “Математическая теория, возникнув на основе каких-то идей, почерпнутых из реальных явлений и фактов, большей частью стремится в дальнейшем к эмансипации…”, С.М. Рытов. Математические методы и идеи развитые для познания и моделирования мира вдруг зажили своей собственной жизнью. Но самое любопытное, что им стала не нужна сущность физических явлений. Не интересна она креслу и всё тут. Вот так тихой сапой произошла революция. В чем её суть?

Допустим, нам надо расчитать лунный календарь. Казалось бы, что лучший способ - это решение уравнений классической механики, тем более все параметры давно известны. Можно написать код, который будет считать фазы Луны. Универсальность этого метода в том, что на любой другой планете этот метод можно сразу использовать поменяв параметры. С другой стороны можно построить нейронную цепь и использовать всю накопленную информацию, которой уже предостаточно, для её обучения. Такой календарь возможно будет даже лучше и точнее предсказывать фазы Луны. Похожим путём был построен лунный календарь Майя проработавший пару тысяч лет. Индейцы Майя собирали и обрабатывали данные наблюдений поколениями, а современные нейронние цепи это сделают практически мгновенно (ну почти мгновенно, а уж завтра точно мгновенно).

Что в таком подходе характерно? Регрессионные модели, перцептроны, нейронные цепи, генетические алгоритмы оптимизации и тд. и тп. используют статистические методы основанные исключительно на байесовщине. Они по-сути являются научным методом угадывания правильных решений подгоняя параметры статистической модели под данные. Статистике наплевать на физическую сущность явлений: она так была задумана и построена. Если есть закономерности, то их всегда можно угадать из данных избегая ненужных интерпретаций. Какая разница: Луна - это небесное тело или это пятно от прожектора на полупрозрачном куполе над Новым Лондоном защищающим столицу нового дивного мира от испорченного китайцами воздуха и к тому же кишащем китайскими же вирусами.

А можно ли так посчитать формулу Планка? Разумеется. Нужно лишь собрать все данные лабораторий относящиеся к излучению чёрного тела и загрузить их в нейронную цепь. Результат будет заведомо лучше оригинальной формулы Планка, так как он в своё время забыл в ней двойку описывающую две поляризации фотона. Возможно новая формула Планка будет иметь несколько иной вид, но ей можно будет пользоваться безотносительно к тому дискретен ли наш мир или нет, пустой он насквозь или заполнен эфиром.

Ну а если какому-то философу совсем уж невтерпёж, то говорящее кресло порадует его пытлывый ум новой байесовской интерпретацией квантовой механики. Да, кстати, "кот Шрёдингера" легко переделывается в рекламу: В наше непростое время каждый находится в суперпозиции состояний: Ψ = |заразился> + |не заразился> ковидом. И только тесты от GlaxoSmithKline внесут в вашу жизнь ясность. Не дай себе сдохнуть!

А что с технической стороны? Да всё вроде в порядке:

«Робот "телеколум 2049" или "анасфер 6000+" на одно запрограммирован: влезть в поезд и выкинуть товар в окно. Других целей у него нет. Против живой силы роботы эти не работают. Этим они и страшны - мешочников в упор не видят, а к мешкам - тянутся жадно.

Лезут в окна роботы серебристые, безликие, крюкорукие. Рукопашная с ними бесполезна. Стрелять в упор в вагонах опасно - друг друга перебить недолго. Только кувалдой по кумполу можно робота сокрушить.

-- Кувалды!! - гремит Богдан.

Похватали припасенные. И - по кумполам сияющим.

А роботы знают свое железное дело: грабят поезд, на мешочников - ноль внимания. Будто и нет их вовсе. Летят мешки с харчами из окон. А там внизу другие роботы - хвать, и поволокли в степь. Некоторые с мешком в обнимку в окна сигают. Утаскивают муравьи блестящие масло, сало, мешки с семечкой духмяной... Шуруют роботы, шерстят бессовестно и бессловесно.

[…] Только и остается, что проводить взглядом бессильным родной мешок с воблой одесской.» (“Теллурия”, В. Сорокин).

….