Стефан Вольфрам: возможно это путь к фундаментальной теории физики

Это неожиданно, удивительно—и для меня невероятно волнующе. Честно говоря, на каком-то уровне я работал над этим почти 50 лет. Но только в последние несколько месяцев все, наконец, сошлось воедино. И это гораздо чудеснее и прекраснее, чем я когда-либо мог себе представить. Во многих отношениях это главный вопрос естествознания: как устроена наша Вселенная? Существует ли фундаментальная теория? За последние несколько сотен лет в физике было выяснено невероятное количество вещей. Но даже несмотря на все, что было сделано — и это очень впечатляет, — у нас все еще, по прошествии всего этого времени, нет по-настоящему фундаментальной теории физики.

Раньше, когда я зарабатывал на жизнь теоретической физикой, я должен признать, что не очень задумывался о том, чтобы попытаться найти фундаментальную теорию; меня больше беспокоило то, что мы могли бы выяснить, основываясь на имеющихся у нас теориях. И мне почему-то кажется, что я вообразил, что если бы существовала фундаментальная теория, она неизбежно была бы очень сложной.

Но в начале 1980-х, когда я начал изучать вычислительную вселенную простых программ, я сделал то, что было для меня очень удивительным и важным открытием: даже когда базовые правила для системы чрезвычайно просты, поведение системы в целом может быть по существу произвольно богатым и сложным.

И это заставило меня задуматься: может ли Вселенная работать таким образом? Может ли на самом деле быть так, что под всем этим богатством и сложностью, которые мы видим в физике, существуют просто простые правила? Вскоре я понял, что если бы это было так, то нам, по сути, пришлось бы проникнуть в пространство и время. Наши правила должны были бы действовать на каком-то более низком уровне, и вся физика просто должна была бы появиться из математики.

К началу 1990—х у меня было определенное представление о том, как могут работать правила, а к концу 1990-х я довольно много понял об их последствиях для пространства, времени, гравитации и других вещей в физике-и, в основном, в качестве примера того, что можно было бы сделать с наукой, основанной на изучении вычислительной вселенной, я посвятил этому почти 100 страниц в своей книге "Новый вид науки".

Я всегда хотел создать большой проект, чтобы развить свои идеи дальше. Я попытался начать примерно в 2004 году. Но довольно скоро я увлекся созданием Wolfram|Alpha, языка Wolfram и всего, что с ним связано. Время от времени я встречался со своими друзьями-физиками и рассказывал о своем физическом проекте. Был проявлен вежливый интерес, но в основном возникало ощущение, что найти фундаментальную теорию физики было слишком сложно, и только чудаки попытались бы это сделать.

Не помогало и то, что в моих идеях было что-то, что беспокоило меня. Тот особый способ, которым я установил свои правила, казался слишком негибким, слишком надуманным. В своей жизни как разработчик вычислительных языков я постоянно думал об абстрактных системах правил. И время от времени я задавался вопросом, могут ли они иметь отношение к физике. Но я так ничего и не добился. Пока внезапно, осенью 2018 года, у меня не появилась небольшая идея.

В некотором смысле это было просто и очевидно, хотя и очень абстрактно. Но что было для меня самым важным в нем, так это то, что он был таким элегантным и минималистичным. Наконец-то у меня появилось что-то, что показалось мне правильным как серьезная возможность того, как может работать физика. Но с языком Вольфрама происходили удивительные вещи, и я был занят размышлениями обо всех последствиях того, что наконец-то появится полномасштабный вычислительный язык.

Но затем, в нашей ежегодной летней школе в 2019 году, были два молодых физика (Джонатан Горард и Макс Пискунов), которые сказали: “Вы просто должны продолжать это!” Физика была моей большой страстью, когда я был молод, и в августе 2019 года у меня был день рождения, я понял, что да, после всех этих лет я действительно должен посмотреть, смогу ли я заставить что-то работать.

Итак, вместе с двумя молодыми физиками, которые поддерживали меня, я начал всерьез в октябре 2019 года. Помогло то, что—после целой жизни их разработки—у нас теперь были отличные вычислительные инструменты. И это было незадолго до того, как мы начали находить то, что я мог бы назвать “очень интересными вещами". Мы воспроизвели, более элегантно, то, что я сделал в 1990-х годах. И из крошечных, бесструктурных правил выходили пространство, время, теория относительности, гравитация и намеки на квантовую механику.

Мы проводили миллионы компьютерных экспериментов, развивая интуицию. И постепенно все становилось яснее. Мы начали понимать, как работает квантовая механика. Тогда мы поняли, что такое энергия. Мы нашли набросок интеграла пути моего покойного друга и наставника Ричарда Фейнмана. Мы начали видеть некоторые глубокие структурные связи между теорией относительности и квантовой механикой. Все просто начало вставать на свои места. Все эти вещи, о которых я знал в физике почти 50 лет—  у нас появился способ увидеть не только то, что было правдой, но и почему.

Я никогда не предполагал, что произойдет что-то подобное. Я ожидал, что мы начнем изучать простые правила и постепенно, если нам повезет, мы получим намеки здесь или там о связях с физикой. Я подумал, что, возможно, мы сможем создать возможную модель для первых секунд Вселенной, но мы потратили бы годы, пытаясь понять, действительно ли она может быть связана с физикой, которую мы видим сегодня.

В конце концов, если мы хотим иметь полную фундаментальную теорию физики, нам придется найти конкретное правило для нашей Вселенной. И я не знаю, насколько это будет трудно. Я не знаю, займет ли это месяц, год, десятилетие или столетие. Несколько месяцев назад я бы также сказал, что даже не знаю, есть ли у нас правильные рамки для его поиска.

Но я бы больше так не говорил. Слишком многое сработало. Слишком многое встало на свои места. Мы не знаем, верны ли точные детали того, как установлены наши правила, или насколько простыми могут быть окончательные правила. Но на данный момент я уверен, что базовая структура, которая у нас есть, в основном говорит нам о том, как и почему работает физика.

Проверка научных моделей состоит в том, чтобы сравнить, что вы имеете на входе, с тем, сколько вы получаете. И я никогда не видел ничего подобного нашим моделям, что было бы близко к реальности. То, что мы имеем на входе, настолько мало, насколько это возможно. Но то, что мы получаем, - это огромные куски самых сложных вещей, которые известны в физике.

И что для меня самое удивительное, так это то, что, по крайней мере, до сих пор мы не сталкивались ни с одной вещью, где нам пришлось бы сказать: “О, чтобы объяснить, что мы должны что-то добавить к нашей модели”. Иногда нелегко понять, как все работает, но до сих пор всегда просто возникал вопрос понимания того, что уже говорит модель, а не добавления в модель чего-то нового.

На самом низком уровне - правила, которые у нас есть, настолько минимальны, насколько это вообще возможно. (Забавно, что их базовая структура может быть выражена в части строки символического кода языка Вольфрама.) И в своей сырой форме они на самом деле не связаны со всеми богатыми идеями и структурой, которые существуют, например, в математике.

Но как только мы начинаем рассматривать последствия правил, когда они применяются миллионы раз, становится ясно, что они очень элегантно связаны со многими замечательными новейшими математическими разработками.

Нечто подобное происходит и с физикой. Базовая структура наших моделей кажется чуждой и странно отличной почти от всего, что было сделано в физике, по крайней мере, за последнее столетие или около того. Но по мере того, как мы продвигались в исследовании наших моделей, произошло нечто удивительное: мы обнаружили, что не только одна, но и многие популярные теоретические основы, которые разрабатывались в физике в последние несколько десятилетий, на самом деле имеют непосредственное отношение к нашим моделям.

Я беспокоился, что это будет один из тех случаев, когда говорят - “вы должны выбросить старые” достижения в науке. Это не тот случай. Да, базовая структура наших моделей отличается. Да, первоначальный подход и методы разные. И, да, нужна куча новых идей. Но чтобы все заработало, нам придется опираться на многое из того, над чем мои друзья-физики так усердно работали в течение последних нескольких десятилетий.

А потом будут физические эксперименты. Если бы вы спросили меня хотя бы пару месяцев назад, когда мы получим что-нибудь экспериментально проверяемое от наших моделей, я бы сказал, что это далеко. И что этого, вероятно, не произойдет, пока мы в значительной степени не найдем окончательное правило. Но, похоже, я был неправ. И на самом деле у нас уже есть несколько хороших намеков на странные новые вещи, которые, возможно, стоит поискать.

Хорошо, так что же нам теперь нужно делать? Я рад сообщить, что, по-моему, мы нашли путь к фундаментальной теории физики. Мы создали парадигму и структуру (и, да, мы также создали множество хороших, практичных вычислительных инструментов). Но теперь нам нужно закончить работу. Нам нужно проработать множество сложных вычислений, математику и физику. И посмотрим, сможем ли мы наконец дать ответ на то, как фундаментально устроена наша Вселенная.

Это волнующий момент, и я хочу поделиться им. Я с нетерпением жду возможности принять в этом активное участие. Но это не просто проект для меня или нашей маленькой команды. Это проект для всего мира. Это будет большим достижением, когда это будет сделано. И я хотел бы, чтобы она была распространена как можно шире. Да, многое из того, что должно быть сделано, требует первоклассных знаний в области физики и математики. Но я хочу раскрыть все как можно шире, чтобы каждый мог быть вовлечен—и я надеюсь, вдохновлен—в то, что, по моему мнению, станет великим и историческим интеллектуальным приключением.

Сегодня мы официально запускаем наш физический проект. С этого момента мы будем транслировать в прямом эфире то, что мы делаем,—делиться всем, что мы обнаруживаем, в режиме реального времени со всем миром. (Мы также скоро выпустим более 400 часов видео, которые мы уже накопили.) Я публикую все свои рабочие материалы, начиная с 1990-х годов, и мы выпускаем все наши программные инструменты. Мы будем выпускать бюллетени о прогрессе, и в рамках проекта будут организованы образовательные программы.