SergioShpadi25 сентября 2020 в 12:09

Источник: https://habr.com/ru/post/518206/

Стивен Вольфрам: кажется, мы близки к пониманию фундаментальной теории физики, и она прекрасна

Автор оригинала: Stephen Wolfram

·  Математика,

·  Научно-популярное,

·  Физика

·  Перевод

В продолжение моего поста про вычислимую Вселенную я хочу представить вам свой перевод статьи Стивена Вольфрама, созданной в рамках его проекта The Wolfram Physics Project.

Неожиданное открытие

За прошедшие несколько веков произошел настоящий прорыв в наших знаниях о принципах работы окружающего нас мира. Но несмотря на это, у нас все еще нет фундаментальной теории физики, и мы все так же не имеем ответа на вопрос о том, как именно работает наша Вселенная. Я занимаюсь этой темой уже порядка 50-и лет, но только в последние несколько месяцев все кусочки пазла наконец-то начали складываться вместе. И получающаяся картина оказалась гораздо прекрасней, чем все, что я только мог себе представить.

В те времена, когда я зарабатывал себе на жизнь теоретической физикой, я не особо задумывался над поиском так называемой «теории всего». Я был больше озабочен тем, чтобы извлечь что-нибудь новое из тех теорий, которые у нас уже есть. И я думал, что даже если когда-нибудь и появится единая фундаментальная теория физики, то она неизбежно окажется очень сложной и запутанной.

Но когда в начале 80-х я начал изучать теорию клеточных автоматов, я осознал, что работающие даже по очень простым правилам системы могут иметь поразительно сложное поведение. И это натолкнуло меня на мысль: может быть Вселенная устроена схожим образом? Может быть под всей кажущейся сложностью и многогранностью нашей Вселенной скрываются очень простые правила?

В начале 90-х годов у меня сформировалось некоторое понимание того, как эти правила могли бы выглядеть, и ближе к концу того десятилетия я начал понимать, как из этих простейших правил мы можем вывести наши знания о пространстве, времени, гравитации и всех других физических явлениях. Этим идеям «вычисления» законов физики я посвятил около 100 страниц в своей книге A New Kind of Science.

Мне всегда хотелось начать большой исследовательский проект, чтобы продвинуться в этом направлении дальше. Я пытался начать такой проект в 2004 году, но сильно увяз в работе над Wolfram Alpha и Wolfram Language. Время от времени я встречался со своими друзьями-физиками и мы обсуждали мои идеи. Это были интересные разговоры, но мне казалось, что поиск фундаментальной теории физики — это слишком сложное занятие, доступное только реально увлеченным фанатикам.
Было что-то, что сильно беспокоило меня в моих идеях. Правила, определяемые моей теорией, казались мне слишком негибкими и надуманными. Как создатель языка для математических вычислений, я постоянно думал об абстрактных системах правил. И очень часто у меня было ощущение, что что-то подобное может быть и в физике. Но мои рассуждения никогда никуда меня не приводили. Пока внезапно осенью 2018 года у меня не появилась интересная идея.

В некотором смысле эта идея была простой и очевидной, хотя и очень абстрактной. Но кроме того, она была очень элегантной и минималистичной. Мне показалось, что я очень близок к пониманию того, как работает наша Вселенная. К сожалению, я был жутко занят развитием Wolfram Alpha, и не смог выделить времени на еще один проект. Все изменилось, когда на нашей ежегодной летней школе в 2019 году я встретил двух молодых физиков — Джонатана Горарда и Макса Пискунова, которые вдохновили меня наконец-то сесть за проработку своих идей. Физика всегда была моей страстью, и вот после своего 60-летнего юбилея в августе 2019 года я наконец-то решился сделать это.
Итак, вместе с двумя вдохновившими меня молодыми физиками в октябре 2019 года мы начали наш проект. И не успев начать наши исследования, мы сразу же стали наталкиваться на очень интересные находки. Мы воспроизвели все, что я разрабатывал в 90-х годах, но гораздо более элегантным способом. Из маленьких бесструктурных правил мы вывели пространство, время, относительность, гравитацию и намеки на квантовую механику.

Мы провели миллионы экспериментов, проверяя свои догадки. Постепенно все начало проясняться, мы начали примерно понимать как работает квантовая механика. Мы поняли, что такое энергия. Мы вывели формулировку квантовой теории через интегралы по траекториям, созданную моим покойным другом и учителем Ричардом Фейнманом. Мы увидели некоторые глубокие структурные связи между относительностью и квантовой механикой. Все встало на свои места. Мы начали понимать не только как работают законы физики, но и почему.

Я и мечтать не мог о том, что наш прогресс будет настолько стремительным. Я ожидал, что наши исследования будут идти гораздо медленнее, что если повезет, мы будем потихоньку продвигаться в понимании законов физики и того, что происходило с нашей Вселенной в первые секунды ее существования, и что мы потратим долгие годы на эти изыскания. В конце, если у нас будет полная фундаментальная теория физики, мы сможем найти конкретную единую формулу для нашей Вселенной. И даже сейчас я не знаю, как долго это займет: год, десятилетие или даже целый век. Несколько месяцев назад я не был даже уверен, что мы на верном пути. Но сегодня все изменилось. Слишком многое встало на места. Мы еще не знаем точных деталей и того как именно настроены шестеренки нашего мира, но я полностью уверен, что имеющаяся у нас модель однажды расскажет нам о том, как устроена Вселенная.

Самый верный признак качества научной модели — простые законы объясняют сложные эффекты. И наша теория как никакая другая соответствует этому эмпирическому правилу. Из простейших формул мы получаем целые разделы современной физики. И что наиболее удивительно — нам до сих пор не пришлось вводить для этого никаких дополнительных параметров. Мы просто ищем объяснения физических явлений в самих свойствах нашей модели, не добавляя ничего сверх того.

В основе нашей модели лежат настолько простые правила, насколько это только возможно. Забавно, что эти правила могут быть записаны в одну строчку на Wolfram Language. В сыром виде, они не очень похожи на все те математические структуры, что мы знаем. Но как только мы смотрим на результаты многоитерационного рекурсивного применения этих правил, то становится ясно насколько элегантно они связаны с современной математикой. То же самое и с физикой. Базовая структура наших моделей выглядит абсолютно чуждой всему, что было сделано в физике за последние несколько столетий. Но то, что мы получили изучая наши модели, было изумительно: мы обнаружили, что многие теории, созданные физиками в последнии десятилетия, отлично ложатся на нашу модель.
Я боялся, что мне придется выкинуть все существующие достижения науки. Но оказалось, что несмотря на то, что наша модель, подход и методы очень сильно отличаются от всех существующих, в основе нашей теории лежит все то, над чем физики работают последние десятки лет.

После мы начнем физические эксперименты. Если бы вы спросили меня пару месяцев назад, когда мы получим какие-либо проверяемые выводы из наших моделей, я бы ответил, что нескоро и точно до того, как мы найдем финальную формулу. Но сейчас мне кажется, что я был неправ. И фактически мы уже получили некоторые догадки о неизведанных причудливых явлениях, существование которых можно экспериментально подтвердить.

Что же дальше? Я буду рад сказать, что я думаю, что мы нашли дорогу к фундаментальной теории физики. Мы построили парадигму, фреймворк и вычислительные инструменты для нее. Но теперь мы должны закончить работу. Мы должны проделать тяжелую работу по физическим, математическим и алгоритмическим расчетам и узнать, можем ли мы наконец-то ответить на мучающий нас тысячелетиями вопрос о том, как работает наша Вселенная.

Я хочу разделить с вами этот волнующий момент. Я с нетерпением жду того, чтобы многие люди приняли участие в нашем проекте. Этот проект ведь не только мой и моей маленькой команды. Это проект важный для всего мира. И когда мы закончим его, он станет нашим величайшим достижением. Поэтому я хочу, чтобы как можно больше людей поучавствовали в нем. Да, многое, что нужно сделать, требует нетривиальных познаний в физике и математике, но я хочу распространить информацию о проекте как можно шире, чтобы каждый мог внести свой вклад и вдохновиться тем, что станет величайшим в истории интеллектуальным приключением.

Мы официально запускаем наш Wolfram Physics Project. Начиная с сегодняшнего дня мы будем транслировать все, что мы делаем и делиться нашими открытиями со всем миром в реальном времени. Я публикую все наши материалы и весь наш софт для расчетов. Мы будем постоянно выкладывать сводки о нашем прогрессе и различные образовательные материалы.

Также мы выкладываем в открытый доступ Реестр Замечательных Вселенных. Он заполнен примерно тысячью правил. Я не думаю, что даже хотя бы одно из них относится к нашей Вселенной, хотя я и не могу быть полностью уверенным в этом. Но однажды, и я надеюсь это однажды наступит уже очень скоро, в нашем реестре появится правило, полностью описывающее нашу Вселенную.

Общие принципы

Так как же работает наша модель? Я написал 448-страничное техническое изложение наших идей (да, я изрядно поработал в течение предыдущих нескольких месяцев). Другой член нашей команды Джонатан Горард написал две 60-страничные технических статьи. На странице нашего проекта доступно еще несколько материалов по данной теме. Но в этой статье я собираюсь дать краткое изложение общих положений нашей теории.

Все начинается с самого простого множества абстрактных отношений между абстрактными элементами, которое также может быть представлено в виде графа.
Предположим, у нас есть множество отношений:
{{1, 2}, {2, 3}, {3, 4}, {2, 4}}
которое в виде графа выглядит так:

Все, что мы определяем здесь — это отношения между элементами (например {1, 2}). Порядок, в котором мы объявляем эти отношения, не имеет значения как и порядок элементов внутри каждого отношения. То есть {1, 2} это то же самое, что и {2, 1}, а {{1, 2}, {2, 3}} эквивалентно {{2, 3}, {1, 2}}. И при зарисовке графа имеет значение только то, что с чем соединено. Фактическое расположение элементов на рисунке выбрано только из соображений красоты и ничего другого. Также не имеет значения, как называются элементы. Я пронумеровал их на рисунках, но можно было бы этого и не делать.

Так что же мы будем делать с этими графами? Мы будем применять к ним очень простое правило много много раз. Вот пример подобного правила:
{{x, y}, {x, z}} → {{x, z}, {x, w}, {y, w}, {z, w}}

 …

(Продолжение можно прочитать по адресу:

Источник: https://habr.com/ru/post/518206/)