Скриншот визуализации теории всего с сайта  Стивена Вольфрама. Иллюстрация: wolframphysics.org

Скриншот визуализации теории всего с сайта Стивена Вольфрама. Иллюстрация: wolframphysics.org

В середине апреля известный британский физик и программист Стивен Вольфрам запустил проект Wolfram Physics Project, который ставит своей целью найти единую (фундаментальную) теорию всего, которая бы связывала воедино всю физику – от общей теории относительности до квантовой механики. Новая инициатива ученого продолжает его идеи 20-летней давности: он предлагает рассматривать вселенную с вычислительной точки зрения и утверждает, что сложные математические формулы, описывающие процессы и явления, можно заменить на простейшие правила, применяемые к фундаментальным блокам.

Сама теория, подход и способы преподнесения проекта вызывают неодобрение ученых, занимающихся фундаментальной физикой, – в начале мая журнал Scientific American опубликовал их критические отзывы. Некоторые даже не считают его «произведения» наукой. Почему? Неужели он действительно заблуждается?

Немного предыстории

Стивен Вольфрам – известная фигура в мире математики и программирования. Он автор проекта Wolfram Alpha, который пытается ответить на вопросы, используя алгоритмы поиска по массивной базе данных. Вольфрам создал компьютерную систему Mathematica, которой пользуются ученые всего мира, а также разработал язык программирования Wolfram Language.

В 2002 году он опубликовал книгу «Наука нового типа», в которой рассуждал о вычислительных системах (например, о клеточном автомате) и задавался вопросом, можно ли найти одно универсальное правило, описывающее вселенную. И это правило, считает он, можно будет сформулировать несколькими строчками программного кода.

Книга стала бестселлером, но вызвала насмешки со стороны традиционных физиков, которые обвиняли его в некомпетентности и преувеличении своих достижений. Известный физик Фримен Дайсон, умерший в феврале этого года, назвал книгу «пустышкой».

Вольфрам отошел от физики и занялся вычислительными системами, создав компанию Wolfram Research (которая и выпустила Mathematica, а также программу финансового анализа Wolfram Finance Platform и другие аналитические инструменты). Но в 2019 году, с подачи студентов-физиков, которые увлеклись идеями его книги и вернули ему вдохновение, он вновь обратился к своей идее, намереваясь решить давний вопрос современными методами – научным краудсорсингом и «открытым кодом».

Реальность теории всего

По сути, Вольфрам пытается разработать альтернативу теории струн. Он делает это через область математики, которая называется теория графов. Визуальное отображение информации – основная инновация его подхода. «Человеческий язык не создан для того, чтобы объяснить все это», – пишет Вольфрам во вступлении.

Если коротко: с помощью сложных графов можно строить модели вселенных. Исходным материалом этих моделей служат точки пространства – Вольфрам исходит из того, что пространство не непрерывно, а сформировано из дискретных точек. Каждая модель начинается с простого описания (изображения) взаимодействия этих точек, затем применяется правило, которое создает новые точки. Правилом может быть что угодно, если оно определяет, как граф будет развиваться в каждой следующей итерации.

В статье для The Conversation Сэм Бэйрон, занимающийся исследованиями философии математики в Австралийском католическом университете, приводит интересную аналогию для понимания этой идеи. Можно представить социальную сеть, начать с одного человека и утвердить простое правило – каждый добавляет три друга. Применив это правило к первому человеку, получаем три новых друга. Вновь применяем это правило к каждому (включая первого) и продолжаем применять, пока сеть друзей не сформирует сложный граф.

Похожим образом, по идее Вольфрама, можно смоделировать вселенную. Цель физики, говорит он, в том, чтобы выработать правила, которым подчиняется универсальный граф. Сложные графы представляют собой геометрические фигуры, а суперграфы способны воспроизводить физические структуры и процессы, описанные теорией относительности и квантовой механикой.

Вольфрам ведет к тому, что его подход потенциально может совместить теорию относительности и теорию квантового поля и создать универсальную теорию всего. Но тут он встречает отпор традиционных физиков, которые считают, что представление вселенной в виде программного кода не гарантирует полноты картины, а модель Вольфрама не воспроизводит даже самые основные количественные предсказания классической физики.

«Экспериментальные прогнозы квантовой физики и общей теории относительности были подтверждены многими знаками после запятой – в некоторых случаях с точностью до одной десятимиллиардной, – говорит Дэниел Харлоу, физик из Массачусетского технологического института. – Пока я не вижу признаков того, что это можно сделать с помощью тех простых вычислительных правил, которые отстаивает Вольфрам».

В модели Вольфрама, по мнению ученых, не хватает ключевых составляющих современной физики, а те, что в ней присутствуют, помещены авторами туда изначально (но не являются выводами из их собственных предпосылок). «Это бесконечно гибкая философия, с помощью которой при любом успешном открытии в физике они могут утверждать: да, можно и что-то такое прицепить на нашу модель», – приводит издание Scientific American слова Скотта Аронсона, специалиста по квантовым вычислениям в Техасском университете в Остине.

Непризнанный гений?

Стивен Вольфрам и его научная карьера вольно или невольно пытаются вписаться в романтическое представление о гении-одиночке (так любимое публикой). Первую научную статью он написал в 15 лет, в 20 лет получил докторскую степень и руководил разработкой системы компьютерной алгебры SMP в Калифорнийском технологическом институте. В 22 года он получил «премию для гениев» Фонда Макартуров.

Свой opus magnum (2002) он готовил почти 10 лет, занимаясь в 1990-е исследованиями в одиночку, без поддержки и обратной связи от традиционной научной среды. При этом скромность ему не присуща: в своей главной книге он заявлял, что все это время наука шла по неверному пути, описывая процессы и явления сложными математическими формулами, которые лучше заменить на набор простых алгоритмов.

Во вступлении к Wolfram Project 2020 года он, оставаясь верным себе, пишет, что в физике уже долгое время не происходило ничего значительного, и выражает надежду, что хотя бы на чисто техническом уровне его работа «подтолкнет теоретическую физику, которая сейчас погрязла в рутине».

Надо сказать, это идет вразрез с процессом признания теорий в научном мире. Большинство ученых убеждены в коллективном характере их дисциплины: никто не может произвести революцию, не получив сперва критической оценки и затем признания со стороны коллег. Сегодня это требование выполняется через обзоры, рецензирование научной работы коллегами (peer review). Вольфрам же этот процесс, как утверждают критики, обошел, сразу объявив публике о возможном прорыве.

«Конечно, Вольфрам и его коллеги не смогут уклониться от формальности в виде рецензирования», – считает Кэти Мэк, космолог из Университета Северной Каролины. «У них гораздо больше шансов получить полезные отзывы от научного сообщества, если они опубликуют результаты в более привычном для всех формате».

В целом ученые признают интересным тот факт, что простые вычислительные правила могут объяснить некий сложный феномен, но тут же спешат добавить, что это отнюдь не оригинальное открытие. Дэниел Харлов говорит, что «эта идея существовала задолго до Вольфрама», и ссылается на работы пионеров вычислительной науки – Алана Тьюринга в 1930-х, Джона фон Неймана в 1950-х, а также математика Джона Конвея в начале 1970-х.

«Я говорил Стивену, что программисты и те, кто занимается теорией вычислительных систем, найдут его работу весьма убедительной, – вспоминает Натан Мирвольд, глава Intellectual Ventures, который в прошлом работал с самим Хокингом. – Но более традиционные ученые, работающие в области фундаментальной физики, вероятно, скажут: “Ну, молодец. Ты использовал необычные формулировки, чтобы доказать то, что мы и так знаем”».

Чем проект Вольфрама может быть интересен?

Однако не все физики списывают Вольфрама со счетов. Эндрю Строминджер, профессор Гарвардского университета и ведущий теоретик в области теории струн, признает необходимость новых концептов и инструментов для решения давних проблем в физике. «Стивен применяет к решению этих вопросов радикально новый подход. Было интересно обсудить с ним все это, и я с нетерпением жду, к чему это приведет», – цитирует его слова Wired.

Шон Кэрролл, физик из Калифорнийского технологического института, также проявил интерес к работе Вольфрама, но с оговорками: «С одной стороны, я за то, чтобы применять в фундаментальной физике нестандартные идеи и смотреть, что получится». Но с другой стороны, по его словам, «более эффективно писать небольшие работы, рассматривая специфические проблемы, а не декларировать прорыв без предварительной проверки экспертов».

Сэм Бэйрон считает, что Wolfram Physics Project примечателен по нескольким причинам. Прежде всего у Вольфрама большая аудитория и он готов многое сделать для популяризации своего подхода. Сторонники петлевой квантовой гравитации (еще один кандидат на объяснение теории всего), в частности, сокрушаются по поводу доминирующей позиции теории струн в среде физиков. Вольфрам же может способствовать смене парадигмы.

Кроме того, в сопроводительной работе Вольфрам предоставляет очень аккуратный и скрупулезный обзор своего проекта с самых базовых принципов теории графов и подводит его к теории относительности. Это облегчит понимание его идеи для других и ускорит вливание в русло новых потенциальных сторонников.

Наконец, его проект, что называется, «с открытым кодом» – к участию приглашаются все желающие. При этом запуск новой стадии пришелся на пандемию, когда у многих энтузиастов появилось свободное время. Будучи опытным менеджером, Вольфрам предположил, что научный мир, сидящий на карантине, может стать идеальной армией для поиска того самого единственного правила, которое определяет нашу вселенную. «Почему бы не попробовать?» – заключил он.