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

• Это рассуждение также приводит к проблеме меры – научному кризису, который ставит под вопрос способность физики предсказывать что-либо.

Глава 12. Мультиверс IV уровня

Что вдыхает огонь в уравнения и создает Вселенную, чтобы они описывали ее?

Почему я верю в мультиверс IV уровня

Почему эти уравнения, а не другие?

Предположим, что вы физик и нашли, как объединить физические законы в «теорию всего». Пользуясь ее математическими уравнениями, вы можете ответить на трудные вопросы, которые лишают физиков сна, например, как действует квантовая гравитация или как решить проблему меры. Футболка с вашими уравнениями стала бестселлером. Вас наградили Нобелевской премией. Вы ликуете, но в ночь перед церемонией не можете уснуть, поскольку так и остался без ответа вопрос, поставленный Джоном Уилером: почему именно эти уравнения, а не другие?

В двух предыдущих главах я обосновывал гипотезу математической Вселенной (ГМВ), согласно которой наша внешняя физическая реальность является математической структурой, и это лишь заостряет вопрос Уилера. Математики открыли много математических структур, и прямоугольники на рис. 12.1 изображают некоторые простейшие из них. Ни одна из этих структур не совпадает с нашей физической реальностью целиком. В 1916 году прямоугольник, помеченный словами «Общая теория относительности», был серьезным кандидатом на точное совпадение, поскольку он охватывал не только пространство и время, но и различные формы материи. Однако открытие квантовой механики вскоре сделало очевидным, что физическая реальность обладает такими свойствами, которых у этой математической структуры нет. К счастью, теперь вы можете дополнить этот рисунок, добавив открытую вами математическую структуру, за которую вам присуждается премия, и твердо зная, что именно этот новый прямоугольник – тот самый, соответствующий нашей физической реальности.

На этом месте я слышу, как дружелюбный голос Джона Уилера вставляет: «А что можно сказать о других прямоугольниках?» Если ваш прямоугольник соответствует физически существующей реальности, то почему не другие?

Все прямоугольники имеют равноценный математический фундамент, соответствующий различным математическим структурам, почему же некоторые из них оказываются «равнее» других, когда дело доходит до физического существования? Может ли существовать фундаментальная необъясненная экзистенциальная асимметрия в сердцевине реальности, разделяющая математические структуры на два класса – обладающие и не обладающие физическим существованием?

Математическая демократия

Этот вопрос глубоко встревожил меня вечером 1990 года, когда мне впервые пришла в голову идея математической Вселенной и я изложил ее своему другу Биллу Пуарье на пятом этаже общежития в Беркли, в коридоре. И лампочка у меня в голове не гасла, пока я не понял, что из этого философского парадокса есть выход. Я сказал Биллу, что соблюдается полная математическая демократия: математическое и физическое существование эквивалентны, так что все структуры, которые существуют математически, существуют также и физически. Каждый прямоугольник на рис. 12.1 описывает реальную вселенную – просто отличную от той, где довелось жить нам. В этом можно усмотреть своего рода радикальный платонизм, согласно которому все математические структуры в платоновском царстве идей существуют где-то в физическом смысле.

Рис. 12.1. Взаимосвязи между фундаментальными математическими структурами. Стрелки, как правило, указывают на добавление новых понятий и (или) аксиом. Сходящиеся стрелки указывают на объединение структур, например алгебра – это векторное пространство, которое также является кольцом, а группа Ли – это группа, которая также является многообразием. Это “фамильное древо”, по-видимому, имеет бесконечную протяженность: на рисунке показана лишь небольшая его часть, у самого основания.

Иными словами, IV уровень параллельных вселенных, соответствующий различным математическим структурам, неизмеримо обширнее тех, с которыми мы до сих пор встречались. Первые три уровня соответствуют некоммуницирующим параллельным вселенным внутри одной математической структуры: I уровень означает просто далекие области, из которых свет еще не успел дойти до нас, II уровень охватывает области, которые навсегда останутся недосягаемыми из-за космологической инфляции в разделяющем нас пространстве, а III уровень, эвереттовская Мультивселенная, включает некоммуницирующие части гильбертова пространства квантовой механики. В то время как параллельные вселенные на I, II и III уровнях подчиняются одним и тем же уравнениям (описывающим квантовую механику, инфляцию и т. д.), IV уровень касается выбора уравнений, отвечающих разным математическим структурам. На рис. 12.2 показана четырехуровневая иерархия мультиверсов, которая является стержневой идеей моей книги.

Как из гипотезы математической Вселенной вытекает мультиверс IV уровня?

Если теория о существовании мультиверса IV уровня верна, то, поскольку у нее нет свободных параметров, все свойства всех параллельных вселенных (включая субъективные восприятия самосознающих структур в них) могут, в принципе, быть выведены бесконечно умным математиком. Но верна ли эта теория? Действительно ли существует мультиверс IV уровня?

Рис. 12.2. Описываемые в этой книге параллельные вселенные образуют четырехуровневую иерархию, где каждый мультиверс является одним из многих элементов на следующем уровне.

Интересно, что в контексте гипотезы математической Вселенной (ГМВ) существование мультиверса IV уровня не является факультативным. ГМВ утверждает, что математическая структура является самой нашей внешней физической реальностью, а не просто ее описанием. Эта эквивалентность между физическим и математическим существованием означает, что если математическая структура содержит самосознающую субструктуру, та будет воспринимать себя как существующую в реальной физической вселенной так же, как мы с вами (хотя, вообще говоря, во вселенной, отличающейся свойствами от нашей). Стивен Хокинг задал знаменитый вопрос: «Что вдыхает огонь в уравнения и создает Вселенную, чтобы они описывали ее?» В рамках ГМВ никакого огня не требуется, поскольку суть не в том, что математические структуры описывают Вселенную, а в том, что они являются Вселенной. Более того, и создавать ничего не требуется. Нельзя образовать математическую структуру – она просто существует. Но не она существует в пространстве и времени – пространство и время могут существовать в ней. Иными словами, все структуры, которые существуют математически, имеют одинаковый онтологический статус, и самый интересный вопрос не в том, какие из них существуют физически (все они существуют), но какие из них содержат жизнь и, возможно, нас. Многие математические структуры – додекаэдр, например, – недостаточно сложны, чтобы поддерживать самосознающие субструктуры какого-либо вида. Так что скорее всего мультиверс IV уровня напоминает огромную, по большей части необитаемую пустыню, где жизнь заключена в редких оазисах дружественных к биологии математических структур, вроде той, в которой живем мы. Аналогично (гл. 6), мультиверс II уровня по большей части бесплоден, а самосознание заключено в нем в крошечную долю пространства, которой повезло иметь как раз подходящие для жизни значения плотности темной энергии и других физических параметров. В мультиверсе I уровня история, похоже, повторяется и жизнь процветает в основном в крошечной доле пространства у самой поверхности планет. Так что мы, люди, находимся в чрезвычайно привилегированном месте!

Исследование мультиверса IV уровня

Наши ближайшие соседи

Потратим немного времени на знакомство с мультиверсом IV уровня и «зоопарком» содержащихся в нем математических структур. Начнем с ближних окрестностей. Хотя мы еще не знаем точно, в какой математической структуре живем, нетрудно представить себе множество небольших ее модификаций, дающих другие корректные математические структуры. Стандартная модель физики элементарных частиц включает определенные симметрии, которые математики обозначают так: SU(3) × SU(2) × U(1), и если заменить их иными симметриями, получится другая математическая структура с частицами иных типов и силами, где кварки, электроны и фотоны заменены иными сущностями с новыми свойствами. В некоторых математических структурах нет света, а в других отсутствует гравитация. В эйнштейновском математическом описании пространства-времени числа 1 и 3, соответственно задающие количество временных и пространственных измерений, могут быть заменены иными значениями по выбору.