Жизнь — это косичка в пространстве-времени

Как увидеть себя в мире, где реальна только математика

«Простите, а сколько сейчас времени?» Полагаю, вы, как и я, не раз задавали этот вопрос, как будто для вас очевидно, что существует такая вещь, как время. Однако вы, вероятно, никогда не подходили к незнакомому человеку и не спрашивали: «Извините, а сколько сейчас пространства?». Если вы безнадёжно заблудились, то, вероятно, вместо этого скажете что-то вроде: «Извините, а где я нахожусь?», тем самым признавая, что вы спрашиваете не о свойстве пространства, а скорее о свойстве себя. Точно так же, когда вы спрашиваете о времени, вы на самом деле спрашиваете не о свойстве времени, а скорее о своём местоположении в нём.

Но обычно мы думаем об этом не так. Наш язык показывает, насколько по-разному мы думаем о пространстве и времени: Первое для нас — это статичная сцена, а второе — как текучее. Однако, несмотря на нашу интуицию, течение времени — это иллюзия. Эйнштейн научил нас, что есть два равнозначных способа думать о нашей физической реальности: либо как о трёхмерном пространстве, где всё меняется со временем, либо как о четырёхмерном пространстве, называемом пространством-временем, которое просто существует, неизменное, никогда не создаётся и не разрушается.

Я думаю о двух этих точках зрения как о разных взглядах на реальность, которые могут быть у лягушки и птицы. Птица наблюдает за ландшафтом реальности с высоты, подобно физику, изучающему математическую структуру пространства-времени, описываемую уравнениями физики. Лягушка, с другой стороны, живёт внутри ландшафта, который исследует птица. Глядя на Луну с течением времени, лягушка видит что-то вроде того, что изображено справа на рисунке ниже: пять снимков космоса, на которых Луна каждый раз находится в разных положениях. Птица же видит неизменную спиральную форму в пространстве-времени, как показано в левой части рисунка.

Для птицы — и физика — не существует объективного определения прошлого или будущего. Как сказал Эйнштейн, «различие между прошлым, настоящим и будущим — это всего лишь упорно сохраняющаяся иллюзия». Когда мы думаем о настоящем, мы имеем в виду временной срез в пространстве-времени, соответствующий моменту, когда у нас возникает эта мысль. Будущее и прошлое мы называем частями пространства-времени выше и ниже этого среза.

Это аналогично тому, как если бы вы использовали термины «здесь», «передо мной» и «позади меня» для обозначения различных частей пространства-времени относительно вашего нынешнего положения. Часть, которая находится перед вами, очевидно, не менее реальна, чем та, что позади вас — действительно, если вы идёте вперёд, то часть того, что сейчас находится перед вами, в будущем окажется позади вас, а в настоящее время находится позади различных других людей. Аналогично, в пространстве-времени будущее так же реально, как и прошлое — части пространства-времени, которые сейчас находятся в вашем будущем, в вашем будущем будут находиться в вашем прошлом. Поскольку пространство-время статично и неизменно, никакие его части не могут изменить свою
реальность, и все части должны быть одинаково реальны.

Идея пространства-времени не только учит нас переосмысливать значение прошлого и будущего. Она также знакомит нас с идеей математической Вселенной. Пространство-время — это чисто математическая структура в том смысле, что у него нет никаких свойств, кроме математических, например числа четыре, количества измерений. В своей книге «Наша математическая Вселенная» [Our Mathematical Universe] я утверждаю, что не только пространство-время, но и вся наша внешняя физическая реальность — это математическая структура, которая по определению является абстрактной, неизменной сущностью, существующей вне пространства и времени.

Что это означает на самом деле? Прежде всего, это означает, что Вселенную можно прекрасно описать с помощью математики. То, что это так для нашей Вселенной, становилось всё более очевидным на протяжении веков, а доказательства накапливались все быстрее. Последним триумфом в этой области стало открытие бозона Хиггса, который, как и планета Нептун и радиоволна, был впервые предсказан при помощи карандаша и математических уравнений.

То, что наша Вселенная приблизительно описывается математикой, означает, что некоторые, но не все её свойства являются математическими. То, что она математическая, означает, что все её свойства математические; что у неё вообще нет никаких свойств, кроме математических. Если я прав и это правда, то это хорошая новость для физики, потому что все свойства нашей Вселенной в принципе можно понять, если мы будем достаточно умны и креативны. Это также означает, что наша реальность гораздо больше, чем мы думали; она содержит разнообразную коллекцию вселенных, подчиняющихся всем математически возможным законам физики.

Этот новый взгляд на пространство-время и на то, что в нём находится, предполагает и новый взгляд на нас самих. Наши мысли, наши эмоции, наше самосознание и глубокое экзистенциальное чувство «я есть» — всё это не кажется мне ни капли математическим. Однако мы тоже состоим из тех же самых элементарных частиц, из которых состоит всё остальное в нашем физическом мире, который, как я утверждал, является чисто математическим. Как мы можем примирить эти две точки зрения?

Первый шаг — рассмотреть, как мы выглядим в качестве пространственно-временной структуры. Пионер космологии Георгий Гамов озаглавил свою автобиографию «Моя мировая линия» [My World Line] — фраза, которую Эйнштейн также использовал для обозначения путей в пространстве-времени. Однако ваша собственная мировая линия, строго говоря, не является линией: она имеет ненулевую толщину и не является прямой. Примерно 10²⁹ элементарных частиц (кварки и электроны), из которых состоит ваше тело, образуют в пространстве-времени трубообразную форму, аналогичную спиральной форме орбиты Луны (на рисунке «Орбита Луны»), но более сложную. Если вы плаваете кругами в бассейне, то часть вашей пространственно-временной трубки имеет зигзагообразную форму, а если вы катаетесь на качелях на детской площадке, то часть вашей пространственно-временной трубки имеет змеевидную форму.

Однако самым интересным свойством вашей пространственно-временной трубки является не её объёмная форма, а внутренняя структура, которая удивительно сложна. В то время как частицы, из которых состоит Луна, «приклеены» друг к другу в довольно статичном положении, многие из ваших частиц находятся в постоянном движении относительно друг друга. Рассмотрим, например, частицы, из которых состоят ваши красные кровяные тельца. Когда ваша кровь циркулирует по телу, доставляя необходимый вам кислород, каждый эритроцит прокладывает в пространстве-времени свою уникальную трубку, соответствующую сложному маршруту по артериям, капиллярам и венам с регулярным возвращением к сердцу и лёгким. Эти пространственно-временные трубки различных красных кровяных телец переплетаются между собой, образуя косу, как показано на рисунке «Сложность и жизнь», более замысловатую, чем та, которую вы увидите в парикмахерской: в то время как классическая коса состоит из трёх прядей, возможно, с тридцатью тысячами волосков каждая, переплетённых в простой повторяющийся узор, эта коса в пространстве-времени состоит из триллионов прядей (по одной на каждый эритроцит), каждая из которых состоит из триллионов похожих на волоски траекторий элементарных частиц, переплетающихся в сложный узор, который никогда не повторяется. Другими словами, если представить, что вы потратите целый год на то, чтобы сделать другу поистине безумную причёску, заплетая волосы, переплетая по отдельности все их отдельные волоски, то узор, который вы получите, всё равно будет очень простым по сравнению с ним.

Однако сложность всего этого меркнет по сравнению со схемами обработки информации в вашем мозге. Примерно 100 миллиардов нейронов постоянно генерируют электрические сигналы, что предполагает перемещение миллиардов триллионов атомов, в частности ионов натрия, калия и кальция. Траектории движения этих атомов образуют чрезвычайно сложный жгут в пространстве-времени, замысловатые переплетения которого соответствуют хранению и обработке информации, что каким-то образом приводит к появлению знакомого нам ощущения самосознания. Научное сообщество единодушно считает, что мы до сих пор не понимаем, как это работает, поэтому справедливо будет сказать, что мы, люди, ещё не до конца осознали, что мы собой представляем. Однако в общих чертах мы можем сказать следующее: Вы — паттерн в пространстве-времени. Математический узор. Точнее, вы — коса в пространстве-времени, причём одна из самых сложных косичек, какие только известны.

Некоторым людям эмоционально неприятно думать о себе как о совокупности частиц. Я сильно посмеялся, когда в 20 лет мой друг Эмиль обратился к моему другу Матсу как к «атомхёгу», что по-шведски означает «куча атомов», пытаясь оскорбить его. Однако если кто-то говорит: «Не могу поверить, что я всего лишь куча атомов!», я возражаю против использования слова «просто»: сложный пространственно-временной жгут, который соответствует их разуму, — это самый сложный тип узора, который мы когда-либо встречали в нашей Вселенной. Самый быстрый в мире компьютер, Гранд-Каньон или даже Солнце — все эти пространственно-временные узоры просты по сравнению с ними.

На обоих концах вашей пространственно-временной косы, соответствующих вашему рождению и смерти, все нити постепенно расходятся, что соответствует тому, что все ваши частицы соединяются, взаимодействуют и в конце концов расходятся своими путями (как показано в правой части рисунка «Сложность и жизнь»). Таким образом, пространственно-временная структура всей вашей жизни напоминает дерево: в нижней части, соответствующей ранним временам, находится сложная система корней, соответствующих пространственно-временным траекториям множества частиц, которые постепенно сливаются в более толстые нити и заканчиваются единым стволом, похожим на трубу, соответствующим вашему нынешнему телу (с замечательным узором в виде косички внутри, как мы описывали выше). В верхней части, соответствующей поздним временам, ствол разделяется на всё более тонкие ветви, что соответствует вашим частицам, идущим своими путями, когда ваша жизнь закончится. Другими словами, узор жизни имеет лишь конечную протяжённость во временном измерении, и с обоих концов коса распадается на мелкие веточки.

Такой взгляд на себя как на математические косы в пространстве-времени ставит под сомнение предположение о том, что мы никогда не сможем понять сознание. Он оптимистично предполагает, что сознание однажды можно понять как некую форму материи, производную от самой красивой сложной пространственно-временной структуры в нашей Вселенной. Такое понимание просветило бы наши подходы к животным, не реагирующим на внешние раздражители пациентам и будущим сверхразумным машинам, что имело бы широкие этические, юридические и технологические последствия.

Именно так я это вижу. Однако, несмотря на то, что идея неизменной реальности заслуживает уважения и восходит к Эйнштейну, она остаётся спорной и является предметом оживлённых научных дебатов, причём учёные, которых я очень уважаю, высказывают самые разные мнения. Например, в своей книге «Скрытая реальность» [The Hidden Reality] Брайан Грин выражает беспокойство по поводу отказа от понятий изменения и созидания как основополагающих, написав: «Я неравнодушен к тому, что существует процесс, пусть и условный [...], который мы можем представить себе как порождающий мультивселенную». Ли Смолин идёт дальше в своей книге «Перерождённое время» [Time Reborn], утверждая, что не только изменения реальны, но и самое время может быть единственной реальной вещью. На другом конце спектра Джулиан Барбур в своей книге «Конец времени» [The End of Time] утверждает, не только что изменения иллюзорны, но и что можно даже описать физическую реальность, вообще не вводя понятие времени.

Если мы обнаружим итоговую природу времени, это даст ответ на многие из самых интересных открытых вопросов, стоящих перед физикой сегодня. Было ли у времени какое-то начало до нашего Большого взрыва? Закончится ли оно в конце концов? Возникло ли оно из некоей вневременной квантовой пены, в которой оно в конце концов растворится? Мы, физики, ещё не нашли математическую теорию квантовой гравитации, необходимую для убедительного ответа на эти вопросы, но какой бы ни оказалась эта «теория всего», время станет ключом к разгадке её тайн.