В поисках исходного кода Вселенной

Пастерски — физик-теоретик высоких энергий в Институте теоретической физики «Периметр» (Perimeter Institute for Theoretical Physics) и одна из немногих людей на планете, способных ориентироваться в математических дебрях, известных как квантовая гравитация. Её цель — то, что она называет «исходным кодом Вселенной». Это своего рода глобальный поиск мастер-файла: единого, непротиворечивого набора правил, который объясняет, почему звезды удерживаются в своих галактиках, в то время как субатомные частицы ведут себя как «кофеиновые призраки». В настоящее время наши лучшие описания реальности написаны на двух разных, несовместимых языках, и физики начинают подозревать, что единственный способ их примирить — признать, что трехмерный мир, в котором мы живем, на самом деле является сложной проекцией.

Это не теория заговора о жизни в компьютерной симуляции, хотя терминология часто пересекается. Напротив, это строгая математическая попытка разрешить парадокс, который смущал светлейшие умы науки на протяжении целого столетия. Общая теория относительности, главный труд Эйнштейна, объясняет гравитацию и крупномасштабные объекты — планеты, черные дыры и расширение космоса. Квантовая механика объясняет микромир — электроны, фотоны и странности субатомной сферы. Проблема в том, что при попытке использовать их одновременно математика «ломается». Это все равно что пытаться запустить игру для PlayStation 5 на калькуляторе 1980-х годов. Операционная система Вселенной дает сбои на границах, и теоретики ищут способ исправить эту ошибку.

Сбой в «гравитационной машине»

Физика в настоящее время пронизана противоречиями, которые позволяют предположить, что наше понимание пространства и времени — лишь грубая аппроксимация чего-то более глубокого. Одной из самых известных «ошибок» в системе является парадокс потери информации в черной дыре. Согласно общей теории относительности, все, что попадает в черную дыру, исчезает навсегда, сжимаясь в сингулярность. Но согласно квантовой механике, информация никогда не может быть полностью уничтожена. Если вы бросите книгу в черную дыру, информация, содержащаяся в расположении её атомов, теоретически должна сохраняться. Когда черная дыра в конечном итоге испаряется посредством излучения Хокинга, эта информация, по-видимому, исчезает. Это катастрофическая ошибка в логике Вселенной.

Пастерски и её коллеги работают над концепцией под названием «небесная голография» (celestial holography), чтобы исправить это. Идея основана на «голографическом принципе», который предполагает, что вся информация, содержащаяся внутри объема пространства, может быть описана данными на границе этого пространства. Представьте себе консервную банку. Всю информацию о содержимом — его температуру, количество овощей, содержание соли — теоретически можно записать на двумерной этикетке, обернутой вокруг банки. В этом представлении наша 3D-реальность — это всего лишь «объем» (bulk), в то время как настоящий «код» записан на 2D-поверхности на самом краю Вселенной.

Почему голометр не смог обнаружить «пиксели» пространства

Если Вселенная — это проекция, то само пространство должно иметь разрешение. Подобно тому, как цифровая фотография превращается в сетку пикселей, если достаточно сильно её приблизить, многие теоретики полагают, что пространство-время не гладкое, а «зернистое». На планковском масштабе — минимально возможном расстоянии, примерно 10 в минус 35-й степени метра — ткань реальности должна стать дискретной. В 2015 году исследователи из лаборатории Fermilab попытались обнаружить эту зернистость с помощью устройства под названием «Голометр» (Holometer). Это была пара массивных лазерных интерферометров, предназначенных для обнаружения «голографического шума» — легкого дрожания Вселенной, которое доказало бы, что мы живем в проекции низкого разрешения.

Эксперимент не увенчался успехом. Лазеры оставались стабильными, и при уровнях чувствительности, которые тестировались, голографического шума не было обнаружено. Для многих это стало ударом по идее о том, что мы живем в буквальной голограмме. Но для таких теоретиков, как Пастерски, этот результат не стал тупиком — он стал уточнением. Это навело на мысль, что «исходный код» не так прост, как пиксельный экран. Связь между 2D-границей и 3D-объемом более тонкая. Отсутствие доказательств «дрожащей» Вселенной не опровергло голографический принцип; оно лишь доказало, что Вселенная не «глючит» именно так, как ожидали Крейг Хоган и его команда из Fermilab.

Такова итеративная природа этого поиска. Вы строите машину, чтобы найти конкретную ошибку, не находите её и возвращаетесь к доске, чтобы понять, почему код спрятан лучше, чем вы думали. Напряжение сохраняется, потому что математика по-прежнему требует объединения. Мы знаем, что существует темная материя, например, потому что видим, как её гравитация воздействует на галактики, но мы никогда не видели «код» самой этой частицы. Мы наблюдаем за эффектами работы программного обеспечения, будучи не в состоянии увидеть строки текста, которые заставляют его работать.

Сведение Вселенной к её основам

Когда Пастерски описывает свою работу, она часто называет её «экзистенциальной головоломкой». Есть определенная ирония в том, что для понимания необъятности космоса нужно всю жизнь провести, глядя на лист бумаги, покрытый греческими символами и линейными интегралами. Но это единственный способ изучить среду, в которой никогда не побывает ни один человек или зонд. Мы не можем добраться до края Вселенной и не сможем выжить внутри черной дыры, но мы можем построить математические модели, которые описывают эти крайности с пугающей точностью.

Этот подход требует уровня концентрации, граничащего с медитацией. Пастерски рассказывает о состоянии сознания, в котором уравнения упрощенной четырехмерной Вселенной — три пространственных измерения и одно временное — «текут» часами, пока само время, кажется, не исчезает. Это процесс очистки «пользовательского интерфейса» реальности — деревьев, людей, света — чтобы обнаружить исходные переменные, лежащие в основе. Если мы сможем найти исходный код, мы не только поймем, как возникла Вселенная; мы, возможно, поймем, из чего она на самом деле состоит на самом фундаментальном уровне.

Существует также вопрос о том, что произойдет, если мы действительно преуспеем. На протяжении всей истории каждый раз, когда мы открывали новый слой кода, мы строили новый мир. Понимание законов термодинамики дало нам паровую машину. Понимание электрона дало нам компьютер. Если мы поймем код гравитации и квантовой механики, инженерные приложения могут превзойти всё, что мы видим в научной фантастике. Речь идет не просто о более совершенных ракетах; речь идет о способности манипулировать самой тканью пространства-времени.

Бремя наследия

Поиск «Теории всего» имеет обыкновение «пожирать» жизни самых блестящих людей мира. Эйнштейн провел последние три десятилетия своей жизни, пытаясь найти единую теорию поля, и потерпел неудачу. Стивен Хокинг, с которым Пастерски однажды встретилась и даже присоединилась к нему в танце «конга» на мероприятии в Гарварде, всю свою карьеру преследовал того же призрака. Это наследие давит своим весом, и это бремя может оказаться сокрушительным, но Пастерски, похоже, относится к нему с тем же прагматичным любопытством, которое она применяла к своему самолету Cessna. Это просто еще одна сложная задача, которую нужно решить.

Научное сообщество очень тесно сотрудничает, даже несмотря на свою малочисленность. Поскольку математика настолько сложна, прогресс происходит постепенно. Один исследователь находит способ описать конкретный тип взаимодействия частиц в 2D-плоскости; другой выясняет, как отобразить это на 3D-гравитационное поле. Медленно, но верно картина начинает проясняться. Они похожи на разработчиков, работающих над масштабным проектом с открытым исходным кодом, который функционирует миллиарды лет, пытаясь реконструировать замысел изначального программиста.