Меню

Что такое теория конструкторов?

Наше отношение к физике весьма практично. Одни хотят понять, что такое черные дыры, другие — разобраться, какие возникают эффекты от сталкновения частиц, третьи вообще заняты исследованием влияния падающих яблок на работу квантовых компьютеров

.

Но это все неинтересно. Сегодня небольшая группа физиков работает над теорией, которая поясняет не только отдельно взятые явления. Речь идет о совершенно новом способе описания Вселенной. Такой подход обещает решить широкий круг проблем, например, почему возможна биологическая эволюция и как абстрактные вещи, такие, как идеи и информация, кажутся обладающими свойствами, независимыми от какой-либо физической системы.

Наблюдатель

Существуют неплохие предпосылки для появления теории конструкторов, но, как всегда, есть одна очевидная проблема: верификация.

Аьель Янсма«Когда я впервые узнал о теории конструкторов, это казалось слишком смелым, чтобы быть правдой», - говорит Абель Янсма, аспирант по физике и генетике Эдинбургского университета.

По его словам, начальные разработки касались жизни, термодинамики и информации, что казалось слишком большим основанием для молодой теории. Однако сам подход, уверяет ученый, естественен. В том смысле, что отрицает понятие независимого наблюдателя.

Кьяра Марлетто, будучи молодым исследователем-физиком в 2010-х годах, интересовалась проблемами биологических процессов. Законы физики ничего не говорят о возможности жизни, однако даже небольшое изменение любой из констант делает привычное нам понимание жизни невозможным. Поэтому и возникает вопрос: как вообще возможна эволюция, если мы мыслим рамками естественного отбора? Скажем так: как физические формулы допускают биологическую эволюцию?

Марлетто намерена объяснить, почему возникновение и эволюция жизни вероятна, когда законы физики не содержат никаких намеков на то, как это должно произойти. Она наткнулась на статью 2013 года, написанную оксфордским физиком и пионером квантовых вычислений Дэвидом Дойчем, где он заложил основы теории конструкторов, фундаментальный принцип которой гласит:

«Все другие законы физики полностью выражаются в терминах утверждений о том, какие физические трансформации возможны и невозможны, и почему».

То есть теория конструкторов говорит о том, что может произойти, а не что мы видим в данный момент времени.

Марлетто утверждает, что «теория конструкторов имеет полезный набор инструментов для решения этой проблемы» - биология и физика не только описываются одним набором инструментов, но переходят в область вероятностного будущего.

И снова о реальности

Кьяра МарлеттоБольшинство теорий связаны с не вполне операбельной категорией «реальности», тогда как теория конструкторов говорит, что некая реальность может быть или возникнет. В современной парадигме физики человек стремится предсказать траекторию, скажем, блуждающей кометы, учитывая ее начальное состояние и при помощи уравнения движения общей теории относительности. Между тем теория конструкторов носит более общий характер и пытается объяснить, какие траектории указанной кометы в принципе возможны.

Преобладающие сегодня теории физики могут описать невероятно фантастические вещи, например, столкновение двух черных дыр, но им трудно объяснить, как и почему существует дерево. Поскольку теория конструкторов занимается тем, что может случиться, она тем самым поясняет закономерности, причем в областях, которые по своей природе непредсказуемы, - той же эволюции.

Эта же теория фиксирует свойства информации, которые не зависят от физической системы, где они существуют: одни и те же тексты песен могут быть отправлены по радиоволнам, произнесены мысленно или написаны на листе бумаги. Необходимы новые принципы, объясняющие, какие преобразования информации возможны, а какие невероятны и почему.

Законы термодинамики также точно выражены в теории конструкторов; ранее они были заявлены только как приближения, применимые в определенных масштабах. К слову, энтропия изолированной системы никогда не уменьшается со временем, а потому вероятно конечное равновесие (максимум энтропии) потому, что так «работает» система. Но масштаб, в котором измеряются эти конфигурации, традиционно произвольны. Подойдут ли используемые модели для систем на наноуровне или для систем, состоящих только из одной частицы?

Требуем пересмотр законов термодинамики с точки зрения вероятностных преобразований, а не с точки зрения временной эволюции физической системы, без побочных эффектов.Что такое теория конструкторов?

Физика прошла долгий путь с момента возникновения научной революции. В 1687 году Исаак Ньютон предложил свою универсальную физическую теорию, основанную на знаменитых трех законах движения. Правда, сами формулировки прописали в первой трети 19 века, убрав из ньютоновской концепции бога как источника движения.Но наука — это всегда удобно и практично. В частности, принято утверждать, что если есть сила, действующая на систему в течение некоторого промежутка времени, то можно использовать уравнения движения классической механики, чтобы предсказать скорость и положение системы в любой последующий момент времени.

Однако в первой трети 20-го века классическую механику признали ошибочной. Квантовая теория переписала ньютоновский мир, по крайней мере, на микроуровне. Общая теория относительности Эйнштейна вытеснила ньютоновскую интерпретацию, переопределила гравитацию и наше понимание массы, пространства и времени. Те мне менее, все три теории исходят из общего, полуфилософских терминов «начальные условия» и «динамические законы движения», которые позволяют предсказывать состояние траектории системы во времени. Концептуального разворота со времен деда Исаака не произошло.

Но есть много областей, в которых принятые устоявшиеся теории выходят за пределы начальных условий и законов движения. Те же квантовые вычисления в основном касаются не того, что происходит в системе после некоторого начального состояния, а того, какие преобразования вообще возможны. Квантовый компьютер чужд концепции «начальные условия плюс законы движения».

В космологии хорошо известна проблема объяснения начальных условий Вселенной: мы вынуждены работать в обратном направлении, чтобы понять, что произошло в первые доли секунды после Большого взрыва. Иначе не поясненить, почему Вселенная была таком, а не ином начальном состоянии.

В то же время теория конструкторов может показать, что начальные условия Вселенной выводятся из общих принципов квантовой механики, космологии и биологии.

Основные понятия теории конструкторов:

  • Конструктор - это любой объект, способный вызвать определенное физическое преобразование и сохраняющий способность делать это снова.
  • Входной субстрат - это физическая система, которая предоставляется конструктору.
  • Выходной субстрат - это физическая система, которая возникает в результате преобразования входных данных конструктором.

В качестве простого примера того, как теория конструкторов описывает физическую систему, рассмотрим блендер для смузи. Это устройство принимает такие ингредиенты, как молоко, фрукты и сахар, а выдает напиток в готовой гомогенизированной форме. Блендер - это конструктор, поскольку он способен повторять это преобразование снова и снова. Входной субстрат - это набор ингредиентов, а выходной субстрат - смузи.

Более космологический пример - наше Солнце. Звезда работает как термоядерный реактор, который использует водород в качестве входной подложки и преобразует его в гелий, а свет появляется «на выходе». Само Солнце является конструктором, поскольку сохраняет способность вызывать соответствующие преобразования на протяжении долгого времени.

Солнце с точки зрения теории конструкторов

Согласно преобладающей концепции, можно было бы взять начальное состояние Солнца и прогнать его через соответствующий алгоритм, который опишет его гибель, когда закончится топливо.

В теории конструкторов вместо этого утверждается, что преобразование водорода в гелий и свет возможно. Как только становится известно, что преобразование водорода в гелий и свет возможно, получается, что конструктор, который вызывает термоядерные реакции, также возможен.

Фундаментальный принцип теории подразумевает, что все законы физики - общей теории относительности, термодинамики, квантовой механики и даже информации - могут быть выражены в виде физических преобразований. Но может быть доказано, что такие преобразования в принципе нереальны.

Эта установка является чрезвычайно общей. Химическая реакция при помощи катализатора: сам катализатор - это конструктор, реагенты - исходный субстрат, а продукты - выходной субстрат. Тепловой двигатель - это еще один вид конструктора, как и все формы самовоспроизводящейся жизни. Представьте себе бактерию с некоторым генетическим кодом. Ячейка вместе с ее генетическим кодом, на выходе которого появляется дочерняя ячейка с копией кода родительской ячейки.

Поскольку объяснение того, какие преобразования возможны, а какие невозможны, никогда не опирается на конкретную форму, которую принимает конструктор, его можно абстрагировать, оставляя утверждения о преобразованиях в качестве основного внимания исходной теории конструкторов.

Почему жизнь?

Как можно показать, что эволюция жизни со всеми ее элегантными приспособлениями и внешними факторами совместима с законами физики, которые, похоже, не содержат никакого замысла? Ведь никакое уравнение общей теории относительности и квантовой механики не приведет к моделированию жизни. Теория Дарвина объясняет выживаемость вилов, но не объясняет, почему и как происходит эволюция.

Сегодня биологическая эволюция понимается как процесс, при котором гены передаются из поколения в поколение, воспроизводя себя за счет альтернативных генов, называемых аллелями. Более того, гены используют сложные «транспортные средства», при помощи которых они воспроизводят все, от клеток до организмов.

Ричард ДокинзБиолог Ричард Докинз известен, среди прочего, популяризацией дарвинской эволюции: гены являются фундаментальной единицей естественного отбора, и они «стремятся» к бессмертию, копируя себя в виде нитей ДНК, используя временные защитные механизмы для размножения. Копирование несовершенно, что приводит к генетическим мутациям и, следовательно, к изменению способности генов образовывать множества. Среди прочего, один из генов - это арбитр, который определяет, какие гены лучше приспособлены к распространению, а какие - нет, и, следовательно, являются источником естественного отбора. (Мы, в свою очередь, заметим, что ни о каких генах и ДНК Дарвин не подозревал, тем более о генетических механизмах самовоспроизводства, но это вопрос к Докинзу).

Используя логику репликатора-носителя, можно сформулировать проблему более точно: законы физики не указывают, что трансформации, требуемые биологической адаптацией, возможны. То есть: какими свойствами должны обладать законы физики, чтобы допустить процесс самовоспроизведства?

На этот вопрос нельзя ответить в рамках преобладающей концепции, которая заставляет нас предсказывать жизнь после обнаружения начальных условий Вселенной. В свою очередь, теория конструкторов переосмысливает проблему: какие условия говорят о возможности жизни? Как пояснила Марлетто в 2014 году:

«… преобладающая концепция может в лучшем случае предсказать точное количество коз, которые появятся (или вероятно появятся) на Земле при определенных начальных условиях. В теории конструкторов вместо этого утверждается, возможны ли козы и почему».

Статья Марлетто «Теория конструкторов жизни» была опубликована всего через два года после первой статьи Дойча. В ней она указывает, что эволюция жизни совместима с законами физики, которые сами по себе не содержат замысла, но позволяют воплощать цифровую информацию (в форме ДНК, например). Она также говорит о том, что точный репликатор должен использовать транспортные средства, чтобы развиваться. В этом смысле, если теория конструкторов верна, то временные средства передвижения - это не просто случайность жизни на нашей планете, а скорее, предписание природы. Иначе говоря, любая жизнь во Вселенной опирается на репликаторы и транспортировщики. Конечно, это могут быть не знакомые нам ДНК, клетки и организмы, но репликаторы и их носители будут присутствовать в обязательном порядке.

Как проверить теорию?

Вы можете представить теорию конструкторов как теорию теорий. Напротив, общая теория относительности объясняет движение объектов, взаимодействующих мкжду собой в пространстве-времени. Такую теорию обычно назвают теорией «объектного уровня». С другой стороны, теория конструкторов - это теория «метауровня»: ее утверждения - законы о законах. Таким образом, хотя ОТО требует поведение всех звезд, то теория конструкторов требует соответствия всех теорий, действующих и будущих, общим принципам. Сохранения энергии, например.

ОТО проверяют, наблюдая за движением звезд и галактик; квантовую механику - в таких лабораториях, как Большой адронный коллайдер. Но поскольку принципы теории конструкторов не дают прямых предсказаний о движении физических систем, как их можно проверить? Влатко Ведрал, оксфордский физик и профессор квантовой информатики, сотрудничал с Марлетто, чтобы подготовить лабораторные эксперименты, в которых квантово-механические системы могут взаимодействовать с гравитацией.

Одна из величайших нерешенных проблем современной физики состоит в том, что ОТО и квантовая механика несовместимы друг с другом: первая не объясняет движения частиц, в то время как квантовая механика не описывает гравитацию или ее влияние на массивные объекты. До недавнего времени были сформулированы всевозможные предложения, которые могли бы объединить эти два раздела в одну теорию, но такие концепции сложно проверить экспериментально. Однако если мы рассматриваем принципы соответствия, то проблема решается сама собой.

Дэвид Дойч

В 2014 году Марлетто и Дойч в совместной статье описали такие категории, как информация, вычисления, измерения и различимость. Они также показали, что квантовая информация вытекает из конструкционистского подхода. Носитель информации - физическая система, компьютер, головной мозг и т.д.

Наблюдаемое - это измеряемая физическая величина. Кроме того, есть «суперинформационная среда» с двумя и более наблюдаемыми, объединение которых не порождает одно наблюдаемое. В квантовой теории можно точно измерить скорость частицы или ее положение, но то и другое происходит одновременно. Квантовая информация - это пример суперинформации, справедливой и для квантовой теории, и ОТО.

В марте текущего года Марлетто и Ведрал утверждали, что если теоретические принципы построения информации верны, то получается, что если две квантовые системы «запускаются» через гравитационное поле, тогда эта третья система должна быть сама квантовой. Итак, если бы можно было построить эксперимент, в котором гравитационное поле локально создает сцепление между двумя кубитами, то гравитация должна быть неклассической — она должна иметь два наблюдаемых, которых нельзя одновременно измерить с той же точностью, как в квантовой теории. Если эксперимент покажет сцеление между двумя массами, все текущие попытки объединить общую теорию относительности и квантовую механику, предполагающие классическую гравитацию, будут исключены.

К сожалению, эксперимент Марлетто и Ведрала сталкивается с некоторыми серьезными технологическим проблемами. В частности, нельзя полностью устранить любые источники шума, наподобие индуцированного электромагнитного взаимодействия. Другая проблема заключается в том, что очень сложно создать почти идеальный вакуум. Если есть фоновая группа молекул вокруг объектов, то даже одно столкновение между ними вызывает декогеренцию. Вакуум должен быть настолько близок к идеальному, чтобы гарантировать, что во время эксперимента не произойдет ни одного столкновения атомов.

По словам Ведрала, в современной науке нет «подходящей вещи» для универсального конструктора. Прорывом может быть набор аксиом, указывающих, что значит быть универсальным конструктором. Или не быть, согласно теории конструкторов. Во всяком случае, физики надеются «реформировать» общую теорию относительности.

Но проблема в том, что физики привыкли иметь дело с «реальностью», а тут им предлагают «вероятность». Хотя какая реальность присутствует в квантовой механике?

Добавил:Всеволод Гордиенко Дата:2020-08-28 Раздел:Физика