Наше ставлення до фізики досить практичне. Одні хочуть зрозуміти, що таке чорні діри, інші - розібратися, які виникають ефекти від зіткнення частинок, треті взагалі зайняті дослідженням впливу яблук, що падають, на роботу квантових комп'ютерів.
Але це все нецікаво. Сьогодні невелика група фізиків працює над теорією, яка пояснює не тільки окремо взяті явища. Йдеться про абсолютно новий спосіб опису Всесвіту. Такий підхід обіцяє розв'язати широке коло проблем, наприклад, чому можлива біологічна еволюція і як абстрактні речі, такі, як ідеї та інформація, здаються такими, що мають властивості, незалежні від будь-якої фізичної системи.
Спостерігач
Існують непогані передумови для появи теорії конструкторів, але, як завжди, є одна очевидна проблема: верифікація.
"Коли я вперше дізнався про теорію конструкторів, це здавалося надто сміливим, щоб бути правдою", - каже Абель Янсма, аспірант з фізики та генетики Единбурзького університету.
За його словами, початкові розробки стосувалися життя, термодинаміки та інформації, що здавалося занадто великою підставою для молодої теорії. Однак сам підхід, запевняє вчений, природний. У тому сенсі, що заперечує поняття незалежного спостерігача.
К'яра Марлетто, будучи молодим дослідником-фізиком у 2010-х роках, цікавилася проблемами біологічних процесів. Закони фізики нічого не говорять про можливість життя, проте навіть невелика зміна будь-якої з констант робить звичне нам розуміння життя неможливим. Тож і постає питання: як узагалі можлива еволюція, якщо ми мислимо рамками природного відбору? Скажімо так: як фізичні формули допускають біологічну еволюцію?
Марлетто має намір пояснити, чому виникнення й еволюція життя ймовірна, коли закони фізики не містять жодних натяків на те, як це має статися. Вона натрапила на статтю 2013 року, написану оксфордським фізиком і піонером квантових обчислень Девідом Дойчем, де він заклав основи теорії конструкторів, фундаментальний принцип якої говорить:
"Усі інші закони фізики повністю виражаються в термінах тверджень про те, які фізичні трансформації можливі й неможливі, і чому".
Тобто теорія конструкторів говорить про те, що може статися, а не те, що ми бачимо в даний момент часу.
Марлетто стверджує, що "теорія конструкторів має корисний набір інструментів для розв'язання цієї проблеми" - біологія і фізика не тільки описуються одним набором інструментів, а й переходять у сферу ймовірнісного майбутнього.
І знову про реальність
Більшість теорій пов'язані з не цілком операбельною категорією "реальності", тоді як теорія конструкторів говорить, що якась реальність може бути або виникне. У сучасній парадигмі фізики людина прагне передбачити траєкторію, скажімо, блукаючої комети, з огляду на її початковий стан і за допомогою рівняння руху загальної теорії відносності.
Тим часом теорія конструкторів має більш загальний характер і намагається пояснити, які траєкторії зазначеної комети в принципі можливі.
Переважаючі сьогодні теорії фізики можуть описати неймовірно фантастичні речі, наприклад, зіткнення двох чорних дір, але їм важко пояснити, як і чому існує дерево. Оскільки теорія конструкторів опікується тим, що може трапитися, вона тим самим пояснює закономірності, причому в галузях, що за своєю природою непередбачувані, - тієї ж еволюції.
Ця ж теорія фіксує властивості інформації, які не залежать від фізичної системи, де вони існують: одні й ті самі тексти пісень можна надіслати радіохвилями, виголосити подумки або написати на аркуші паперу. Необхідні нові принципи, що пояснюють, які перетворення інформації можливі, а які неймовірні і чому.
Закони термодинаміки також точно виражені в теорії конструкторів; раніше вони були заявлені тільки як наближення, застосовні в певних масштабах.
До слова, ентропія ізольованої системи ніколи не зменшується з часом, а тому ймовірна кінцева рівновага (максимум ентропії), бо так "працює" система.
Але масштаб, у якому вимірюються ці конфігурації, традиційно довільний. Чи підійдуть використовувані моделі для систем на нанорівні або для систем, що складаються тільки з однієї частинки?
Вимагаємо перегляду законів термодинаміки з погляду ймовірнісних перетворень, а не з погляду часової еволюції фізичної системи, без побічних ефектів.
Фізика пройшла довгий шлях з моменту виникнення наукової революції. У 1687 році Ісаак Ньютон запропонував свою універсальну фізичну теорію, засновану на знаменитих трьох законах руху. Щоправда, самі формулювання прописали в першій третині 19 століття, прибравши з ньютонівської концепції бога як джерела руху.
Але наука - це завжди зручно і практично. Зокрема, заведено стверджувати, що якщо є сила, яка діє на систему протягом деякого проміжку часу, то можна використовувати рівняння руху класичної механіки, щоб передбачити швидкість і положення системи в будь-який наступний момент часу.
Однак у першій третині 20-го століття класичну механіку визнали помилковою. Квантова теорія переписала ньютонівський світ, принаймні, на мікрорівні. Загальна теорія відносності Ейнштейна витіснила ньютонівську інтерпретацію, перевизначила гравітацію і наше розуміння маси, простору і часу. Проте всі три теорії виходять зі спільних, напівфілософських термінів "початкові умови" і "динамічні закони руху", які дають змогу передбачати стан траєкторії системи в часі. Концептуального розвороту з часів діда Ісаака не відбулося.
Але є багато галузей, у яких прийняті усталені теорії виходять за межі початкових умов і законів руху. Ті ж квантові обчислення в основному стосуються не того, що відбувається в системі після деякого початкового стану, а того, які перетворення взагалі можливі. Квантовий комп'ютер чужий концепції "початкові умови плюс закони руху".
У космології добре відома проблема пояснення початкових умов Всесвіту: ми змушені працювати у зворотному напрямку, щоб зрозуміти, що сталося в перші частки секунди після Великого вибуху. Інакше не пояснити, чому Всесвіт був у такому, а не іншому початковому стані.
Водночас теорія конструкторів може показати, що початкові умови Всесвіту виводяться із загальних принципів квантової механіки, космології та біології.
Основні поняття теорії конструкторів:
- Конструктор - це будь-який об'єкт, здатний викликати певне фізичне перетворення, який зберігає здатність робити це знову.
- Вхідний субстрат - це фізична система, яка надається конструктору.
- Вихідний субстрат - це фізична система, яка виникає в результаті перетворення вхідних даних конструктором.
Як простий приклад того, як теорія конструкторів описує фізичну систему, розглянемо блендер для смузі. Цей пристрій приймає такі інгредієнти, як молоко, фрукти і цукор, а видає напій у готовій гомогенізованій формі. Блендер - це конструктор, оскільки він здатний повторювати це перетворення знову і знову. Вхідний субстрат - це набір інгредієнтів, а вихідний субстрат - смузі.
Більш космологічний приклад - наше Сонце. Зірка працює як термоядерний реактор, який використовує водень як вхідну підкладку і перетворює його на гелій, а світло з'являється "на виході". Саме Сонце є конструктором, оскільки зберігає здатність викликати відповідні перетворення впродовж тривалого часу.
Згідно з переважною концепцією, можна було б узяти початковий стан Сонця і прогнати його через відповідний алгоритм, який опише його загибель, коли закінчиться паливо.
У теорії конструкторів натомість стверджується, що перетворення водню на гелій і світло можливе. Як тільки стає відомо, що перетворення водню на гелій і світло можливе, виходить, що конструктор, який викликає термоядерні реакції, також можливий.
Фундаментальний принцип теорії передбачає, що всі закони фізики - загальної теорії відносності, термодинаміки, квантової механіки і навіть інформації - можуть бути виражені у вигляді фізичних перетворень. Але може бути доведено, що такі перетворення в принципі нереальні.
Ця установка є надзвичайно загальною. Хімічна реакція за допомогою каталізатора: сам каталізатор - це конструктор, реагенти - вихідний субстрат, а продукти - вихідний субстрат. Тепловий двигун - це ще один вид конструктора, як і всі форми самовідтворюваного життя. Уявіть собі бактерію з деяким генетичним кодом. Осередок разом з його генетичним кодом, на виході якого з'являється дочірній осередок з копією коду батьківського осередку.
Оскільки пояснення того, які перетворення можливі, а які неможливі, ніколи не спирається на конкретну форму, якої набуває конструктор, його можна абстрагувати, залишаючи твердження про перетворення як основну увагу вихідної теорії конструкторів.
Чому життя?
Як можна показати, що еволюція життя з усіма її елегантними пристосуваннями і зовнішніми факторами сумісна із законами фізики, які, схоже, не містять жодного задуму? Адже жодне рівняння загальної теорії відносності та квантової механіки не призведе до моделювання життя. Теорія Дарвіна пояснює виживаність вилів, але не пояснює, чому і як відбувається еволюція.
Сьогодні біологічну еволюцію розуміють як процес, під час якого гени передаються з покоління в покоління, відтворюючи себе завдяки альтернативним генам, які називаються алелями. Ба більше, гени використовують складні "транспортні засоби", за допомогою яких вони відтворюють усе, від клітин до організмів.
Біолог Річард Докінз відомий, серед іншого, популяризацією дарвінської еволюції: гени є фундаментальною одиницею природного добору, і вони "прагнуть" безсмертя, копіюючи себе у вигляді ниток ДНК, використовуючи тимчасові захисні механізми для розмноження. Копіювання недосконале, що призводить до генетичних мутацій і, отже, до зміни здатності генів утворювати множини. Серед іншого, один із генів - це арбітр, який визначає, які гени краще пристосовані до розповсюдження, а які - ні, і, отже, є джерелом природного відбору.
(Ми, своєю чергою, зауважимо, що про жодні гени та ДНК Дарвін не підозрював, тим паче про генетичні механізми самовідтворення, але це питання до Докінза).
Використовуючи логіку реплікатора-носія, можна сформулювати проблему точніше: закони фізики не вказують, що трансформації, які вимагає біологічна адаптація, можливі. Тобто: якими властивостями повинні володіти закони фізики, щоб допустити процес самовідтворення?
На це питання не можна відповісти в рамках переважної концепції, яка змушує нас передбачати життя після виявлення початкових умов Всесвіту. Зі свого боку, теорія конструкторів переосмислює проблему: які умови говорять про можливість життя? Як пояснила Марлетто у 2014 році:
"...переважна концепція може в кращому разі передбачити точну кількість кіз, які з'являться (або ймовірно з'являться) на Землі за певних початкових умов. У теорії конструкторів замість цього стверджується, чи можливі кози і чому".
Стаття Марлетто "Теорія конструкторів життя" була опублікована всього через два роки після першої статті Дойча. У ній вона вказує, що еволюція життя сумісна із законами фізики, які самі по собі не містять задуму, але дозволяють втілювати цифрову інформацію (у формі ДНК, наприклад). Вона також говорить про те, що точний реплікатор повинен використовувати транспортні засоби, щоб розвиватися.
У цьому сенсі, якщо теорія конструкторів правильна, то тимчасові засоби пересування - це не просто випадковість життя на нашій планеті, а скоріше, припис природи. Інакше кажучи, будь-яке життя у Всесвіті спирається на реплікатори і транспортувальники. Звісно, це можуть бути не знайомі нам ДНК, клітини та організми, але реплікатори та їхні носії будуть присутні в обов'язковому порядку.
Як перевірити теорію?
Ви можете уявити теорію конструкторів як теорію теорій. Навпаки, загальна теорія відносності пояснює рух об'єктів, що взаємодіють між собою в просторі-часі. Таку теорію зазвичай називають теорією "об'єктного рівня". З іншого боку, теорія конструкторів - це теорія "метарівня": її твердження - закони про закони. Таким чином, хоча ЗТВ вимагає поведінку всіх зірок, то теорія конструкторів вимагає відповідності всіх теорій, чинних і майбутніх, загальним принципам. Збереження енергії, наприклад.
ЗТВ перевіряють, спостерігаючи за рухом зірок і галактик; квантову механіку - у таких лабораторіях, як Великий адронний колайдер. Але оскільки принципи теорії конструкторів не дають прямих передбачень про рух фізичних систем, як їх можна перевірити? Влатко Ведрал, оксфордський фізик і професор квантової інформатики, співпрацював з Марлетто, щоб підготувати лабораторні експерименти, в яких квантово-механічні системи можуть взаємодіяти з гравітацією.
Одна з найбільших невирішених проблем сучасної фізики полягає в тому, що ЗТВ і квантова механіка несумісні одна з одною: перша не пояснює рухи частинок, тоді як квантова механіка не описує гравітацію або її вплив на масивні об'єкти. Донедавна були сформульовані всілякі пропозиції, які могли б об'єднати ці два розділи в одну теорію, але такі концепції складно перевірити експериментально. Однак якщо ми розглядаємо принципи відповідності, то проблема вирішується сама собою.
У 2014 році Марлетто і Дойч у спільній статті описали такі категорії, як інформація, обчислення, вимірювання та помітність. Вони також показали, що квантова інформація випливає з конструкціоністського підходу. Носій інформації - фізична система, комп'ютер, головний мозок тощо.
Спостережуване - це вимірювана фізична величина. Крім того, є "суперінформаційне середовище" з двома і більше спостережуваними, об'єднання яких не породжує одне спостережуване. У квантовій теорії можна точно виміряти швидкість частинки або її положення, але те й інше відбувається одночасно. Квантова інформація - це приклад суперінформації, справедливої і для квантової теорії, і ЗТВ.
У березні поточного року Марлетто і Ведрал стверджували, що якщо теоретичні принципи побудови інформації вірні, то виходить, що якщо дві квантові системи "запускаються" через гравітаційне поле, тоді ця третя система має бути сама квантовою.
Отже, якби можна було побудувати експеримент, у якому гравітаційне поле локально створює зчеплення між двома кубітами, то гравітація мала б бути некласичною - вона мала б мати два спостережуваних, яких не можна одночасно виміряти з тією ж точністю, як у квантовій теорії. Якщо експеримент покаже зчеплення між двома масами, всі поточні спроби об'єднати загальну теорію відносності та квантову механіку, які передбачають класичну гравітацію, будуть виключені.
На жаль, експеримент Марлетто і Ведрала стикається з деякими серйозними технологічними проблемами. Зокрема, не можна повністю усунути будь-які джерела шуму, на зразок індукованої електромагнітної взаємодії. Інша проблема полягає в тому, що дуже складно створити майже ідеальний вакуум. Якщо є фонова група молекул навколо об'єктів, то навіть одне зіткнення між ними викликає декогеренцію. Вакуум має бути настільки близьким до ідеального, щоб гарантувати, що під час експерименту не відбудеться жодного зіткнення атомів.
За словами Ведрала, у сучасній науці немає "відповідної речі" для універсального конструктора. Проривом може бути набір аксіом, які вказують, що означає бути універсальним конструктором. Або не бути, згідно з теорією конструкторів. У всякому разі, фізики сподіваються "реформувати" загальну теорію відносності.
Але проблема в тому, що фізики звикли мати справу з "реальністю", а тут їм пропонують "ймовірність". Хоча яка реальність присутня у квантовій механіці?
За матеріалами Gizmodo
