Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности - Макс Тегмарк

• Некоторые физические сущности, например пустое пространство, элементарные частицы и волновая функция, кажутся чисто математическими в том смысле, что все присущие им свойства являются математическими.

• Гипотеза внешней реальности (ГВР), состоящая в том, что существует внешняя физическая реальность, совершенно независимая от людей, признаётся большинством физиков.

• При достаточно широком определении математики из ГВР вытекает гипотеза математической Вселенной (ГМВ), утверждающая, что наш физический мир является математической структурой.

• Это означает, что наш физический мир не только описывается математикой, но и является математической структурой, что делает нас самосознающими частями гигантского математического объекта.

• Математическая структура — это абстрактное множество сущностей с отношениями между ними. Эти сущности не имеют «багажа»: кроме этих отношений они не обладают никакими свойствами.

• Математическая структура может обладать интересными свойствами, например симметриями, несмотря на то, что ни входящие в неё сущности, ни отношения между ними не обладают собственными свойствами.

• ГМВ разрешает пользующуюся дурной славой проблему бесконечного регресса. Она заключается в том, что свойства природы можно объяснять лишь свойствами её частей, которые требуют дальнейшего объяснения, и так до бесконечности: свойства природы возникают не из свойств её самых фундаментальных «строительных блоков» (которые не обладают никакими свойствами), а из отношений между «блоками».

Если вы похожи на меня, вас также беспокоят вопросы без ответа. В предыдущей главе я поднял много таких, и правильно, если вы поставите сказанное мной под сомнение. Например, я убеждал вас, что наша внешняя физическая реальность — это математическая структура, но что именно означает эта фраза? Физическая реальность изменчива: ветер уносит листья, планеты обращаются вокруг Солнца. А математические структуры статичны: абстрактный додекаэдр имел, имеет и будет иметь 12 пятиугольных граней. Как нечто изменяющееся может быть неизменным? Другой острый вопрос: как вы вписываетесь в эту предполагаемую математическую структуру — то есть как ваше самосознание, мысли и чувства оказываются частью математической структуры?

Реальность, лишённая времени

Ответить на эти вопросы нам поможет Эйнштейн. Он учил, что существует два эквивалентных способа думать о физической реальности: как о трёхмерном вместилище пространстве, где всё изменяется во времени, и как о четырёхмерном вместилище, называемом пространство-время, которое просто существует — неизменное, никогда не создаваемое и никогда не уничтожаемое.[70] Эти два взгляда соответствуют «лягушачьей» и «птичьей» точкам зрения на реальность (гл. 9). Вторая соответствует взгляду физика, изучающего математическую структуру реальности, подобно тому, как птица рассматривает землю с большой высоты. А первая — это внутренний взгляд наблюдателя, живущего внутри этой структуры, подобно лягушке, живущей на участке, который охватывает взглядом птица.

Математически пространство-время — это пространство с четырьмя измерениями: первые три являются знакомыми нам измерениями пространства, а четвёртое измерение представляет собой время. На рис. 11.1 временное измерение я отложил по вертикали, а пространственные измерения по горизонтальным направлениям. Во избежание недоразумений я нарисовал только два из трёх пространственных измерений, x и y, поскольку при попытке визуализировать четырёхмерные объекты у меня из ушей начинает идти дым… На рисунке показана Луна, движущаяся вокруг Земли по круговой орбите, — ради удобства я изобразил орбиту гораздо меньше, чем она должна быть при соблюдении масштаба, и сделал ещё некоторые упрощения.[71] В правой части рисунка показана «лягушачья» точка зрения: пять снимков пространства с Луной в разных положениях и неизменным положением Земли. В левой части рисунка показана «птичья» точка зрения: то, что лягушке кажется движением, заменено неизменной формой в пространстве-времени. Поскольку Земля не движется, она всё время остаётся на одном месте в пространстве, а потому в пространстве-времени представлена вертикальным цилиндром. Луна выглядит гораздо интереснее и представляется в пространстве-времени спиралью, задающей, где находится небесное тело в разные моменты времени. Рассмотрите обе части рисунка, чтобы уяснить, как они связаны: это важно для нашего разговора. Чтобы получить мгновенный снимок пространства (справа) по пространству-времени (слева), вы делаете горизонтальный срез пространства-времени в тот момент, который вас интересует.

Рис. 11.1. Движение Луны вокруг Земли. Мы в равной мере можем думать о нём как о положении в пространстве, которое изменяется во времени (справа), и как о неизменной спиральной форме в пространстве-времени (слева), соответствующей математической структуре. Снимки пространства (справа) — просто горизонтальные сечения пространства-времени (слева).

Обратите внимание: не пространство-время существует внутри пространства и времени, а, напротив, пространство и время существуют внутри пространства-времени. Я утверждаю, что наша внешняя физическая реальность является математической структурой, то есть по определению абстрактной, неизменной сущностью вне пространства и времени. Как мы увидим, эта математическая структура соответствует «птичьей», а не «лягушачьей» точке зрения на нашу реальность, так что она должна содержать пространство-время, а не только пространство. Эта математическая структура содержит также дополнительные элементы, соответствующие материи в нашем пространстве-времени. Однако это не меняет её вневременного характера: если бы история Вселенной была шахматной партией, математическая структура соответствовала бы не одной позиции, а всей игре (рис. 10.6). Если бы история Вселенной была кинофильмом, она соответствовала бы не отдельному кадру, а целому DVD. Так что с «птичьей» точки зрения траектории объектов, движущихся в четырёхмерном пространстве-времени, напоминают клубок спагетти. Там, где лягушка видит нечто, движущееся с постоянной скоростью, птица наблюдает прямую, ещё не сваренную макаронину. Там, где лягушка видит Луну, обращающуюся вокруг Земли, птица видит спиральку-ротини (рис. 11.1). Там, где лягушка видит сотни миллиардов звёзд, движущихся вокруг Галактики, птица видит сотни миллиардов переплетающихся макаронин. Для лягушки реальность описывается ньютоновскими законами движения и гравитации. Для птицы реальность — это геометрия макарон.