Нечасто комики заставляют астрофизиков дрожать от страха, обсуждая с ними законы физики. Однако Чаку Найсу удалось это сделать во время недавней радиопрограммы «Звездный разговор». Ведущий программы Нил де Грасс Тайсон объяснил ему доводы в пользу гипотезы симуляции, рассказав о том, что мы можем быть виртуальными существами, живущими в компьютерной модели. Если это так, то имитационная модель, скорее всего, создает восприятие реальности по запросу, а не имитирует ее постоянно. Это похоже на видеоигру, оптимизированную таким образом, чтобы передавать только части сцены, которые видит игрок. «Может быть, именно поэтому мы не в состоянии перемещаться быстрее скорости света, так как если бы мы могли, у нас была бы возможность попасть в другую галактику», — сказал второй ведущий этого шоу Найс, после чего Тайсон радостно перебил его. «Сначала они могут это запрограммировать, — сказал астрофизик, радуясь своим мыслям. — И программист вводит такое ограничение».
Такие разговоры могут показаться легкомысленными и беспечными. Но с тех пор как Ник Бостром (Nick Bostrom) из Оксфордского университета написал в 2003 году свою знаковую работу о доводах в пользу симуляции, философы, физики, технологи и даже комики начали носиться с идеей о том, что наша действительность не более чем видимость. Кто-то пытается определить, не являемся ли мы сами имитацией. Кто-то пытается просчитать шансы на то, что мы есть виртуальные создания. Подготовленный недавно новый анализ показывает: шансов на то, что мы живем в базовой реальности, то есть, что наше существование не является имитацией, 50 на 50. Но авторы этого исследования также показывают, что если у человека когда-нибудь появится возможность моделировать мыслящие существа, будут очень велики шансы на то, что и мы тоже существа виртуальные, сидящие в чьем-то компьютере. (Здесь есть одна загвоздка, состоящая в том, что нет единого мнения относительно значения слова «мыслящий», не говоря уже о моделировании этого процесса.)
В 2003 году Бостром представил себе технологически развитую цивилизацию, которая обладает колоссальными вычислительными возможностями и нуждается лишь в незначительной части этого ресурса для моделирования новой реальности, в которой присутствуют мыслящие существа. В таком сценарии его доводы в пользу симуляции показали, что верно как минимум одно предположение из следующей трилеммы. Во-первых, что человечество должно вымереть, прежде чем достигнет этапа, когда такое моделирование будет ему под силу. Во-вторых, даже если человек доживет до такого этапа, ему вряд ли будет интересно моделировать свое собственное древнее прошлое. И в-третьих, вероятность того, что мы живем в имитационной модели, близка к единице.
До Бострома фильм «Матрица» уже внес свой вклад в популяризацию идеи о смоделированной реальности. У этой идеи есть глубокие корни в западной и восточной философской традиции, от платоновской аллегории с пещерой до притчи Чжуан-цзы о бабочке. Недавно Илон Маск подлил масла в огонь этой концепции, заявив на конференции в 2016 году: «Шансов на то, что мы находимся в базовой реальности, один на миллиарды!»
«Маск прав, если исходить из того, что предположения один и два в его трилемме неверны, — говорит астроном Дэвид Киппинг (David Kipping) из Колумбийского университета. — Но как мы можем сделать такое допущение?»
Чтобы лучше понять аргументы Бострома о симуляции, Киппинг решил прибегнуть к доводам Байеса. В анализе такого типа используется теорема Байеса, названная именем английского статистика и богослова 18 века Томаса Байеса. Байесовский анализ позволяет рассчитать вероятность того или иного события (апостериорная вероятность), для чего сначала надо сделать предположения об анализируемом событии (априорная вероятность).
Для начала Киппинг сделал из трилеммы дилемму. Он свернул предположения один и два в единое допущение, так как в обоих случаях окончательный результат состоит в том, что никакой симуляции нет. Так дилемма противопоставила физическую гипотезу (симуляции нет) симуляционной гипотезе (что есть базовая реальность, и есть симуляция). «Мы просто присваиваем априорную вероятность каждой из этих моделей, — говорит Киппинг. — Мы исходим из принципа безразличия, который является допущением по умолчанию, когда у нас нет никаких данных и никаких предпочтений в ту или иную сторону».
Итак, каждая гипотеза получает априорную вероятность 1/2, как если бы мы вдруг решили бросить монету, заключив пари.
На следующем этапе анализа надо подумать о «порождающих» реальностях, которые производят другие реальности, и о «непорождающих» реальностях, которые не могут имитировать вторичную реальность. Если физическая гипотеза верна, то вероятность нашего существования в «непорождающей вселенной» легко можно рассчитать: она будет составлять 100%. Затем Киппинг показал, что даже в симуляционной гипотезе большая часть смоделированной реальности будет непорождающей. Дело в том, что по мере порождения одной симуляцией других симуляций вычислительных ресурсов, доступных каждому последующему поколению, будет все меньше, и в итоге мы дойдем до такой точки, когда у подавляющего большинства реальностей не будет необходимой вычислительной мощности, чтобы моделировать последующие реальности, способные размещать в себе мыслящие существа.
Включите все это в байесовскую формулу, и из нее выйдет ответ: апостериорная вероятность того, что мы живем в базовой реальности, примерно равна апостериорной вероятности того, что мы являемся симуляцией. И сдвиг в пользу базовой реальности будет очень незначителен.
Эти вероятности резко изменятся, если человек создаст имитационную модель, внутри которой будут мыслящие существа, потому что такое событие изменит шансы, которые мы прежде давали физической гипотезе. «Эту гипотезу можно будет попросту исключить. И тогда останется одна только симуляционная гипотеза, — говорит Киппинг. — В тот день, когда мы изобретем такую технологию, расчетные шансы на то, что мы реальны, уменьшатся с показателя чуть больше 50, и теперь мы уже почти наверняка будем нереальны — опять же, в соответствии с этими расчетами. Это будет очень странное торжество по поводу нашей гениальности».
Вместе с тем, Бостром не согласен с решением Киппинга дать равные априорные вероятности физической и симуляционной гипотезам в самом начале анализа. «Обращение к принципу безразличия в данном случае имеет под собой весьма шаткое основание, — говорит он. — К нему можно обращаться при рассмотрении всех трех начальных альтернатив, а это даст им шанс 1/3. А еще можно выкроить пространство вероятности каким-то другим способом и получить желаемый результат».
Такие мелочи имеют значение, потому что у нас нет доказательств, обосновывающих одно утверждение и опровергающих другое. Ситуация изменится, если мы сможем найти доказательство симуляции. Но можно ли увидеть небольшой сбой в Матрице?
Специалист в области вычислительной математики из Калифорнийского технологического института Хуман Оухади (Houman Owhadi) задумывался над этим вопросом. «Если симуляция обладает бесконечным вычислительным ресурсом, то мы никак не сможем понять, что живем в виртуальной реальности, так как симуляция сможет вычислять все, что вы хотите, с такой степенью реализма, какая вам нужна, — говорит он. — Если это можно определить, то начинать надо с принципа, состоящего в том, что вычислительные возможности у симуляции ограничены». Давайте снова вспомним компьютерные игры, многие из которых основаны на умном программировании, чтобы свести к минимуму вычисления с целью построения виртуального мира.
По мнению Оухади, лучше всего искать создаваемые такими компьютерными комбинациями потенциальные парадоксы посредством экспериментов в области квантовой физики. Квантовые системы могут существовать в наложении состояний (суперпозиция), а такое наложение описывается математической абстракцией под названием волновая функция. В стандартной квантовой механике акт наблюдения заставляет такую волновую функцию бессистемно переходить в одно из многих возможных состояний. У физиков нет единого мнения о том, реален ли этот процесс перехода, или это просто отражение изменений в наших знаниях о системе. «Если это просто чистая симуляция, то никакого перехода нет, — говорит Оухади. — Все решается, когда мы на нее смотрим. А остальное просто симуляция, как при игре в видеоигры».
Оухади с коллегами создал пять концептуальных вариаций двухщелевого эксперимента, каждая из которых предназначена для выявления симуляции. Однако он признает, что в данный момент нет никакой возможности понять, дадут ли такие эксперименты результат. «Пять этих экспериментов — не более чем предположения», — говорит он.
Физик из Мэрилендского университета Зохре Давуди (Zohreh Davoudi) тоже размышляла о том, что симуляция с конечным вычислительным ресурсом может разоблачить себя. Свою работу она посвятила сильному ядерному взаимодействию, которое является одной из четырех фундаментальных сил в природе. Уравнения с описанием сильных взаимодействий, которые удерживают вместе кварки, образующие протоны и нейтроны, настолько сложны, что их невозможно решить аналитическим путем. Чтобы понять сильные взаимодействия, физики вынуждены заниматься численным моделированием. В отличие от гипотетических суперцивилизаций, обладающих безграничными вычислительными возможностями, они вынуждены полагаться на облегченные способы решения, чтобы такие симуляции можно было рассчитать. Обычно в таких целях они считают пространственно-временной континуум дискретным, а не постоянным. Самым серьезным результатом в работе на основе такого подхода стало то, что ученые смоделировали ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов.
«Естественно, возникает мысль о том, что если сегодня смоделировать ядро атома, то лет через 10 можно сделать ядро побольше, а лет через 20-30 можно будет смоделировать молекулу, — говорит Давуди. — И кто знает, может, через полвека удастся сделать нечто размером в пару сантиметров. А лет через 100, может быть, мы сумеем сделать человеческий мозг».
Однако Давуди полагает, что скоро классические компьютеры упрутся в стену. «В предстоящие 10-20 лет мы увидим предел возможностей наших классических моделей физических систем», — говорит она. Это заставляет ее обратить внимание на квантовые вычисления, в основе которых лежит суперпозиция и другие квантовые эффекты. Они помогают решать вычислительные задачи, которые невозможно решить на основе классического подхода. «Если появится квантовая вычислительная техника в том смысле, что мы получим возможность производить масштабные и надежные вычисления, тогда у нас начнется совершенно другая эпоха симуляции, — говорит Давуди. — Я начинаю думать о том, как выполнить моделирование физики сильных взаимодействий и атомного ядра, будь у меня рабочий квантовый компьютер».
Все эти факторы заставляют Давуди строить предположения о симуляционной гипотезе. Если наша реальность является симуляцией, то тогда симулятор тоже дискретизирует пространство-время, чтобы сэкономить вычислительный ресурс (конечно, если исходить из того, что он использует в симуляции те же механизмы, что и наши физики). Сигнатуры такого дискретного пространства-времени можно увидеть в направлениях приходящих к нам космических лучей высокой энергии. У них будет предпочтительное направление в небе из-за нарушения так называемой осевой симметрии.
Телескопы «пока не наблюдают никаких отклонений от вращательной инвариантности», говорит Давуди. И даже если такой эффект будет заметен, это не станет однозначным доказательством того, что мы живем в симуляции. У базовой реальности могут быть такие же свойства.
Киппинг, несмотря на результаты своего исследования, обеспокоен тем, что дальнейшая работа над гипотезой симуляции вступает на тонкий лед. «Возможно, мы никак не сможем проверить, живем мы в симуляции или нет, — говорит он. — Если это нельзя опровергнуть, то как мы можем утверждать, что это действительно научно?»
У него есть более очевидный ответ: принцип бритвы Оккама, или закон минимума допущений. Он говорит, что в отсутствие других доказательств самое простое объяснение наверняка является правильным. Гипотеза симуляции сложна, она предполагает нагромождение одних реальностей на другие, а также существование объектов, которые никак не могут сказать, что они находятся внутри симуляции. «Поскольку это такая сложная и изощренная модель, то по закону минимума допущений ей нельзя отдавать предпочтение в сравнении с простым и естественным объяснением», — говорит Киппинг.
Может быть, мы все-таки живем в базовой реальности — несмотря на «Матрицу», Маска и странные законы квантовой физики.