В новом выпуске подкаста «Into the Impossible» Брайан Китинг обсуждает с космологом из Даремского университета Эндрю Понтценом пределы цифрового моделирования реальности. В центре беседы — новая книга Понтцена «Вселенная в коробке» (The Universe in a Box), в которой автор исследует, как упрощенные компьютерные модели помогают ученым разгадывать тайны формирования галактик, почему гипотеза о «Вселенной-симуляции» не выдерживает критики с точки зрения вычислительной мощности и какую роль в современной науке играют забытые первопроходцы вроде Беатрис Тинсли.
🕹️ Гипотеза симуляции: почему мы не живем в Minecraft 0:00
Одним из самых популярных философских вопросов современности является гипотеза о том, что наша реальность — это сложная компьютерная программа, запущенная высокоразвитой цивилизацией. Эндрю Понтцен, однако, настроен скептически . По его мнению, идея о том, что Вселенная может быть детально смоделирована, разбивается о законы квантовой физики и информатики.
Основные аргументы Понтцена против реальности-симуляции:
- Проблема квантовых битов (кубитов): Число кубитов, доступных во Вселенной, — это конечное, хотя и колоссальное число . Чтобы смоделировать Вселенную с абсолютной точностью, потребовался бы квантовый компьютер, обладающий таким же количеством кубитов.
- Энергетический и материальный тупик: По словам гостя, для создания идеальной копии мира пришлось бы использовать ресурсы всей Вселенной . Таким образом, симуляция «один к одному» невозможна физически — компьютер должен был бы быть размером с саму Вселенную.
- Цель моделирования: Понтцен подчеркивает, что ученые никогда не пытаются буквально воспроизвести Вселенную . Вместо этого они ищут способы упростить сложные системы, чтобы выделить ключевые закономерности, не копируя каждый атом.
💡 Эксперимент с лампочками: как симулировали галактики до компьютеров 5:34
Понтцен напоминает, что симуляция — это не обязательно строки кода. Это процесс использования одной физической системы для понимания другой . Одним из самых поразительных примеров в истории науки он называет эксперимент Эрика Хольмберга в Лундском университете .
В 1941 году, когда цифровых компьютеров еще не существовало, Хольмберг использовал обычные электрические лампочки для моделирования взаимодействия галактик:
- Сходство законов: И интенсивность света, и сила гравитации убывают пропорционально квадрату расстояния (закон обратных квадратов) .
- Метод: Хольмберг расставил лампочки (представлявшие группы звезд) и с помощью фотоумножителей измерял общую интенсивность света в разных точках . Это позволяло ему рассчитать гравитационные силы, которые действовали бы на звезды в реальном космосе.
- Алгоритмы «Kick-Drift»: Чтобы отразить движение объектов, Хольмберг физически передвигал лампочки по лаборатории, используя шаги «толчка» (kick) и «дрейфа» (drift) . Удивительно, но эти же концепции до сих пор лежат в основе самых современных космологических программ .
🌊 Вселенная как жидкость: общность космологии и климатологии 11:12
Брайан Китинг отмечает визуальное сходство между спиральными галактиками и земными ураганами. Понтцен подтверждает, что это сходство не случайно и обусловлено физикой жидкостей .
По мнению гостя, и воздух в атмосфере Земли, и газ в межзвездном пространстве ведут себя как «флюиды» — субстанции, которые можно сжимать, расширять и перемещать . Оба типа систем описываются уравнениями Навье — Стокса, сформулированными в XIX веке .
Однако между моделями климата и космоса есть существенная разница:
- Масштаб «неизвестного»: В климатических моделях критически важными являются процессы масштабом в несколько километров (например, формирование облаков), которые слишком малы для глобальных карт .
- Масштаб в космологии: Для космолога «малыми» считаются объекты размером в несколько световых лет, такие как отдельные звезды или звездные колыбели .
- Упрощения: И те, и другие ученые вынуждены использовать так называемые «подсеточные правила» (subgrid rules) — упрощенные математические формулы для описания явлений, которые компьютер не может рассчитать напрямую из-за нехватки мощности .
🌀 В поисках вращающейся Вселенной 19:21
В ходе беседы Понтцен вспоминает о своем «кризисе доверия» к симуляциям во время обучения в аспирантуре . В тот период он решил переключиться на теоретическую работу с бумагой и ручкой, изучая реликтовое излучение (CMB).
Одной из интригующих гипотез, которую он проверял, была идея о вращении Вселенной. Эта концепция восходит к Курту Гёделю, другу Эйнштейна, который математически доказал, что общая теория относительности допускает существование вращающейся Вселенной, в которой возможны путешествия во времени .
Результаты исследований Понтцена:
- Вместе с коллегой Энтони Чаллинором он рассчитал, какой отпечаток вращение должно оставить на поляризации реликтового излучения .
- Анализ данных со спутников WMAP и Planck не выявил никаких доказательств вращения .
- Понтцен считает, что отсутствие вращения подтверждает современные теории инфляции, хотя признает, что обнаружение спина Вселенной принесло бы ему Нобелевскую премию .
🔭 Споры вокруг Джеймса Уэбба и «отмена» Большого взрыва 27:11
Летом 2022 года снимки телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) вызвали сенсацию: на них были видны зрелые дисковые галактики в очень ранней Вселенной. По мнению Эрика Лернера и некоторых других критиков, это доказывало, что Большого взрыва никогда не было .
Понтцен категорически не согласен с такой интерпретацией . Он приводит следующие контраргументы:
- Реликтовое излучение: Существование и свойства CMB являются неопровержимым доказательством Большого взрыва, которое невозможно игнорировать ради одной аномалии с галактиками .
- Ошибки идентификации: Часть «слишком ярких» ранних галактик при детальной проверке оказалась гораздо ближе к Земле, чем предполагалось изначально .
- Неизвестная физика звезд: Процесс формирования первых звезд в плотной и лишенной тяжелых элементов ранней Вселенной мог идти иначе, чем в современной, что объясняет неожиданную яркость объектов .
🧬 Беатрис Тинсли: забытая мать галактических симуляций 31:32
Понтцен уделяет особое внимание фигуре Беатрис Тинсли, чья роль в астрономии сопоставима с ролью Веры Рубин (первооткрывательницы темной материи) . В 1960-х годах Тинсли в одиночку изменила представления об эволюции Вселенной.
В то время космологи во главе с Алланом Сэндиджем считали галактики «стандартными свечами» — объектами, чья яркость неизменна во времени . Тинсли, получив доступ к одному из ранних компьютеров в Техасе, создала первую модель эволюции галактики .
Ее выводы были революционными:
- Галактики не могут оставаться неизменными. По мере старения звезд их яркость и цвет меняются .
- Это открытие полностью подорвало программу Сэндиджа по измерению расширения Вселенной с помощью простых наблюдений за яркостью .
- Тинсли столкнулась с серьезным сопротивлением научного сообщества и самого Сэндиджа, прежде чем ее идеи стали общепринятыми .
⚡ Этика вычислений: углеродный след и ИИ 48:07
Обсуждая будущее высокопроизводительных вычислений, Китинг и Понтцен затрагивают вопрос энергопотребления. С ростом популярности ИИ запросы на электроэнергию со стороны дата-центров становятся критическими .
Понтцен приводит сравнение для масштаба:
- Крупнейшая космологическая симуляция под названием «Flamingo» имела углеродный след, сопоставимый с перелетом двух человек из Лондона в Нью-Йорк и обратно экономическим классом .
- Это ничтожно мало по сравнению с энергозатратами современных систем ИИ .
- Главная техническая проблема сегодня заключается в том, что графические процессоры (GPU), идеально подходящие для параллельных задач ИИ, плохо справляются с космологией. В симуляциях Вселенной разные части «коробки» должны постоянно обмениваться данными из-за гравитации, что создает узкое место в архитектуре современных чипов .
В завершение беседы Понтцен отвечает на вопрос о том, не лишает ли наука Вселенную красоты, превращая ее в набор цифр . Ссылаясь на Ричарда Фейнмана, он утверждает, что понимание механизмов работы космоса — например, знание того, что Юпитер состоит из метана, а не является богом — лишь добавляет новые уровни к нашему восхищению реальностью .
