Как от камня и вихря прийти к идее, что частица, молекула и сама Вселенная могут быть разными масштабами одной динамики
Есть у меня одна привычка, которая иногда приводит к довольно странным мыслям: если какое-то понятие начинает казаться слишком очевидным, я стараюсь посмотреть, что будет, если перестать считать его очевидным.
Например, «объект». Вот перед нами камень. Он лежит на столе, мы можем его поднять, взвесить, расколоть. На бытовом уровне всё просто: есть камень, есть его поверхность, есть его масса, есть его положение в пространстве.
Но если начать разбирать этот камень всё глубже, очень быстро исчезает сам камень как самостоятельная сущность. Сначала остаются минералы, потом молекулы, потом атомы, потом ядра и электроны, потом ещё более фундаментальные степени свободы. И на каждом следующем уровне то, что раньше было «объектом», превращается в конфигурацию чего-то более мелкого.
В какой-то момент возникает неприятный вопрос: а где вообще заканчивается описание и начинается сама вещь?
Именно из этого вопроса мы постепенно пришли к мысли, которую теперь пытаемся собрать в одну картину:
возможно, всё, что мы называем объектом, на самом деле является устойчивым состоянием некоторой динамической системы.
А если пойти ещё дальше, то можно сказать совсем просто:
Не в смысле школьного y=f(x), где есть икс, игрек и график. А в гораздо более общем смысле: состояние системы определяется взаимодействием с другими состояниями, а сама система непрерывно меняется во времени.
Тогда камень — это не «вещь».
Камень — это устойчивый режим функции.
И самое интересное начинается тогда, когда оказывается, что на других масштабах работает очень похожая логика.
1. Сначала попробуем вообще убрать объекты
Представим, что у нас нет привычных понятий «электрон», «протон», «атом», «молекула».
Есть только какая-то среда и её состояние.
В каждой точке пространства что-то происходит: меняется плотность, энергия, направление потока, локальная структура, условное давление или ещё какая-нибудь более фундаментальная величина. Мы пока даже не обязаны знать, что именно это за величина.
Главное, что у нас есть состояние, и это состояние может изменяться.
Получается не мир из объектов, а мир из процессов.
Тогда объект возникает только тогда, когда некоторый локальный процесс способен долго сохранять определённую конфигурацию, несмотря на внешние возмущения.
И здесь появляется понятие аттрактора.
Если систему немного толкнуть, но она возвращается в тот же режим, перед нами устойчивая структура. Если одно возмущение приводит к одному состоянию, другое — к другому, появляются разные бассейны устойчивости.
Это уже очень похоже на то, что мы называем частицами.
Не потому, что частица обязательно является маленьким шариком.
А потому, что система имеет устойчивое состояние, которое мы можем идентифицировать как одно и то же.
2. Тогда «элементарная частица» перестаёт означать «последняя кирпичная деталь»
В стандартной физике мы называем некоторые частицы элементарными. Это полезное рабочее определение: при достигнутом уровне эксперимента у нас нет обнаруженной внутренней структуры.
Но из этого логически не следует, что природа обязана иметь последний неделимый кирпич.
Если смотреть на мир как на динамическую систему, можно задать другой вопрос:
какие устойчивые состояния вообще способна порождать эта динамика?
Тогда электрон существует не потому, что где-то внутри природы лежит вечный «электронный шарик».
Он существует потому, что существует устойчивый локальный режим, который при доступных нам возмущениях снова остаётся электроном.
Протон — по той же логике.
Нейтрон — ещё один режим.
Причём тогда естественно различать устойчивость.
Если состояние имеет глубокий и широкий бассейн устойчивости, оно живёт очень долго.
Если состояние метастабильно, оно может существовать некоторое время, но при достаточно подходящем возмущении перейти в другое.
Если устойчивого бассейна вообще нет, такого объекта в природе мы не увидим.
долговечность частицы — это не отдельное магическое свойство, а свойство аттрактора.
3. А что тогда такое электрон?
Здесь у нашей идеи появляется конкретная физическая интуиция.
Допустим, электрон — это вихревое устойчивое состояние среды.
Не шарик с зарядом внутри, а локальная циркуляция.
Тогда электрон похож не на «маленький объект», а на устойчивую структуру потока.
Это удобно потому, что вихрь уже по своей природе является процессом. Он существует только потому, что существует динамика среды, которая поддерживает его структуру.
Собственно, на этом уровне нам даже не так важен термин «вихрь». Гораздо важнее принцип:
электрон — это локальный аттрактор, в котором движение некоторой более фундаментальной среды организуется определённым образом.
Тогда заряд может оказаться не «наклеенным числом», а характеристикой самого режима взаимодействия.
Условно можно получить два разных класса локальной динамики: один соответствует одному знаку взаимодействия, другой — противоположному.
И здесь появляется наша следующая странная картинка.
4. Протон как «камень», электрон как «вихрь»
Если бросить в неё камень, он сам становится источником сложного поля движения вокруг себя. Поток вынужден обходить его, ускоряться, замедляться, образовывать вихри за камнем, создавать области разрежения и повышенного давления.
Камень не обязательно «толкает воду рукой». Он меняет геометрию возможного потока.
Теперь перенесём эту картинку на гипотетическую фундаментальную среду.
Тогда протон можно попробовать представить как устойчивый локальный дефект, как тот самый «камень». Он задаёт определённую геометрию или градиент состояния среды.
Электрон при этом может быть другим устойчивым режимом — вихрем, который возникает в соответствующем поле.
протон притягивает электрон какой-то загадочной силой,
конфигурация одного устойчивого режима среды создаёт условия, в которых другой режим устойчиво располагается рядом.
Это значительно интереснее, потому что здесь вообще не требуется отдельная «сила как сущность».
5. И тогда отдельного электрона у атома в каком-то глубоком смысле может не быть
Это особенно хорошо видно на молекуле.
Если рассматривать их отдельно, мы могли бы попытаться построить вокруг каждого свою систему электронных вихрей.
Но если эти два протона оказываются рядом, возникает уже новая общая конфигурация среды.
В ней существует некоторое устойчивое распределение электронных состояний.
То есть молекула — это не:
два атома, которые держат между собой несколько независимых электронов.
одно устойчивое состояние всей системы «ядра + электронная динамика».
Для другой геометрии ядер получится другая конфигурация.
Поменяли расстояние между ядрами — изменился возможный режим.
Поменяли угол — изменился.
Добавили третье ядро — изменился.
Получилась другая молекула.
И вот здесь возникает совершенно естественное определение химической энергии.
6. Химическая энергия — это разность между устойчивыми конфигурациями
Возьмём две молекулярные конфигурации.
Пусть первая может существовать, но вторая более энергетически выгодна.
Тогда переход из первой во вторую сопровождается выделением энергии.
В привычном химическом языке мы говорим о химических связях, свободной энергии, потенциалах и так далее.
В нашей картине можно сказать чуть более геометрически:
химическая реакция — это переход всей системы из одного аттрактора в другой.
Не «энергия вылетела из электрона».
Не обязательно даже «энергия хранилась внутри атома».
Энергия соответствует разности самих состояний системы.
Молекула A и молекула B — это два способа организовать один и тот же фундаментальный набор степеней свободы.
Если B глубже как аттрактор, переход A → B позволяет высвободить разность энергии.
7. А откуда вообще взялся энергетический запас химии на Земле?
И тут возникает красивая космическая цепочка.
Многоуглеродная молекула, из которой потом построится живой организм, не возникла вместе с нашей планетой из ничего. Значительная часть тяжёлых элементов прошла через предыдущие поколения звёзд.
А энергия, которая сегодня участвует в земной химии, во многих случаях в конечном счёте пришла от звезды.
Самый наглядный пример — фотосинтез.
Эта энергия используется для перевода вещества в менее равновесное, более энергетически насыщенное состояние.
Потом биологическая система постепенно возвращает его к другим устойчивым конфигурациям, используя разность между ними для своей работы.
Поэтому можно сказать почти поэтически:
жизнь живёт на энергетическом долге перед звездой.
Не буквально в бухгалтерском смысле и не в смысле, что какой-то конкретный фотон должен когда-нибудь «вернуться».
Речь о происхождении энергетического градиента.
Звезда поддерживает на планете поток энергии, который позволяет сложным структурам существовать далеко от равновесия.
8. Но тогда возникает ещё более общий вопрос: а что удерживает саму структуру?
атом удерживается электромагнитным взаимодействием;
молекула удерживается химическими связями;
звезда — гравитацией плюс внутренними процессами.
Но если убрать названия взаимодействий и снова спросить фундаментальнее:
почему вообще структура не распадается?
то ответ во всех случаях может оказаться очень похожим:
потому что существует устойчивый режим динамики.
То есть сначала мы думали о силах.
А потом начали смотреть на устойчивость.
И постепенно оказалось, что сила может быть не исходной сущностью, а одним из способов описать, как система движется между состояниями.
9. На этом месте появляется наша формула
Именно здесь появилась одна из самых простых записей, которые нам понравились:
Сама запись пока не является физическим законом. Это скорее указатель направления мысли.
существует ли такое локальное правило изменения, которое сохраняется независимо от масштаба?
То есть функция может быть совершенно чудовищно сложной в деталях, но её производная, оператор изменения или локальное правило поведения может иметь намного более простую структуру.
Тогда C — не обязательно конкретная физическая константа.
Это может быть инвариант локальной динамики.
Правило, которое повторяется снова и снова:
возмущение → перестройка → восстановление устойчивого режима.
Именно поэтому нас заинтересовало слово «гомеостаз».
Не в медицинском смысле, а как общий принцип:
система поддерживает некоторый набор своих характеристик, несмотря на изменение окружающей среды.
10. Смена масштаба превращает внутреннюю динамику в «объект»
Вот здесь, пожалуй, появляется самое важное наблюдение.
Представим очень маленькую систему.
На одном масштабе мы видим внутри неё огромную динамику:
Но для наблюдателя на следующем масштабе всё это уже выглядит как один объект:
То есть множество микросостояний мы сжимаем в одно название.
Это и есть одна из причин, почему нам кажется, что существуют объекты.
На самом деле название «электрон» может означать целый класс микросостояний, которые для нас практически эквивалентны.
Название «атом» скрывает ещё больше.
«Молекула» скрывает ещё больше.
На каждом следующем уровне мы делаем одно и то же:
сжимаем внутреннюю динамику в устойчивый объект.
11. Поэтому сфера и бублик — уже очень глубокие примеры
Можно сделать совсем грубую мысленную модель.
У нас есть огромное количество точек вещества.
Мы могли бы описывать положение каждой.
В одном имени мы уже сжали колоссальный объём информации.
Для бублика ещё интереснее: нам не нужно знать каждую точку его вещества, чтобы понимать важное.
Нам достаточно знать класс формы и несколько параметров.
Потому что множество конкретных микросостояний относится к одной устойчивой макроструктуре.
И здесь возникает связь с топологией.
Топология говорит нам, какие свойства структуры не меняются при определённых непрерывных преобразованиях.
Динамика говорит, какие состояния реально достижимы.
А аттрактор говорит, какие из них устойчивы.
Получается примерно такая тройка:
топология — что можно считать одной структурой;
динамика — как система может двигаться;
аттрактор — какие режимы переживают возмущение.
12. Тогда «сота» — это не маленький кирпичик материи
В наших предыдущих обсуждениях появилось удобное слово — «сота».
Но здесь важно не сделать из неё ещё одну разновидность элементарной частицы.
Скорее сота — это устойчивый квант организованной структуры.
На данном масштабе она выглядит как единица.
Внутри неё есть динамика.
На следующем масштабе она становится элементом более крупной структуры.
А та, в свою очередь, оказывается сотой для следующего уровня.
Получается рекурсивная конструкция:
динамика → устойчивый режим → элемент следующего уровня → новая динамика → новый устойчивый режим.
И тогда структура Вселенной начинает выглядеть не как набор матрёшек с одинаковыми шариками внутри, а как самоподобная иерархия устойчивых процессов.
13. Тогда протон и электрон — это всего лишь два очень маленьких режима этой функции
И вот здесь наша картинка «камень и вихрь» перестаёт быть просто забавной аналогией.
Если гипотеза верна, то протон не обязан быть буквально камнем.
Он может быть устойчивым дефектом среды, который с нашей точки зрения похож на источник.
Электрон не обязан быть буквально гидродинамическим вихрем.
Он может быть устойчивым циркуляционным аттрактором.
А их совместная система образует атом.
Несколько атомных конфигураций образуют молекулу.
Множество молекулярных конфигураций образуют клетку.
Множество клеток образуют организм.
Множество организмов — экосистему.
Планета — огромную связанную систему.
Звезда — ещё один устойчивый режим динамики материи и энергии.
И в какой-то момент появляется совершенно естественная мысль:
а почему мы вообще должны останавливаться на Вселенной как на последнем уровне?
14. Гравитация в этой картине может оказаться не отдельной силой
Здесь как раз начинает пригодиться наша гипотеза прерывистой струны.
В ГПС мы пытались представить фундаментальную реальность как сеть одномерных структур, которые могут прерываться, перестраиваться и перераспределяться.
Тогда плотность или характер этих разрывов может создавать некоторый статистический ландшафт. Мы условно назвали экстремумы этого ландшафта «зонами тишины».
В таком описании гравитация могла бы оказаться не фундаментальной кнопкой «притяни».
Она могла бы быть коллективным эффектом огромного количества микросостояний среды.
Тогда большая масса — это не просто «много маленьких масс». Это большая структурированная область, которая изменяет статистику среды вокруг себя. И другие системы двигаются по этому изменённому ландшафту.
Получается очень похожая конструкция:
локальная структура → меняет среду → изменение среды влияет на соседние структуры.
Только теперь на другом масштабе.
15. И вот здесь возникает вопрос о вакууме
Если всё вокруг нас — процессы, возникает неприятный вопрос:
что такое пустое пространство?
В нашей интуиции пустота — это место, где ничего нет.
Но если «объект» — это устойчивый режим фундаментальной динамики, то пустота тоже должна быть некоторым состоянием.
И тогда есть принципиальная разница между:
нет привычной материи, но фундаментальная среда существует.
В первом случае нечему передавать взаимодействие. Во втором пространство может иметь собственную динамику.
И тогда уже можно задавать гораздо более содержательные вопросы:
- как распространяется возмущение;
- есть ли собственная скорость распространения;
- существуют ли устойчивые волны;
- могут ли возникать вихревые структуры;
- есть ли дискретные устойчивые режимы;
- может ли одна и та же динамика порождать источник, вихрь и связанные структуры.
Именно здесь наша фантазия о «гидродинамической среде» перестаёт быть красивой картинкой и превращается в проверяемое математическое требование.
16. Самое важное: мы не пытаемся начать с ответа
В этом месте легко сделать типичную ошибку.
«Электрон — вихрь, всё ясно».
Увидеть градиент и сказать:
«Гравитация — это поток среды, всё ясно».
Но это ничего не доказывает.
Вихревые структуры существуют в самых разных физических системах. Магнитные вихри существуют. Гидродинамические вихри существуют. Топологические дефекты существуют.
Сам факт существования вихря ещё не объясняет электрон.
Поэтому для нашей идеи существует намного более жёсткий критерий.
Нужно не придумать красивую аналогию, а найти минимальную систему уравнений, в которой сами собой возникают:
- устойчивый режим типа «протона»;
- устойчивый вихревой режим типа «электрона»;
- разные знаки взаимодействия;
- связанные конфигурации;
- долгоживущие и быстро распадающиеся состояния;
- а на больших масштабах — коллективный эффект, похожий на гравитацию.
Если это не получится получить из одной динамики, наша картина развалится.
17. Почему нам вообще нравится такой взгляд
Потому что он убирает огромное количество фундаментальных сущностей.
В обычном интуитивном описании мир выглядит примерно так:
между ними действуют силы;
из частиц образуются атомы;
молекулы образуют материю;
материя создаёт гравитацию;
пространство существует вокруг всего этого.
Получается довольно большой список вещей.
А мы пытаемся поставить его с ног на голову и спросить:
а что, если фундаментальным является не список объектов, а одна динамика?
Сила — способ описания изменения.
Связь — устойчивое совместное состояние.
Молекула — следующий уровень аттрактора.
Масса — характеристика структуры и её взаимодействия со средой.
Заряд — тип локального взаимодействия.
Магнетизм — пространственно организованная динамика этого взаимодействия.
Гравитация — коллективный эффект на больших масштабах.
А сама Вселенная — не «коробка, внутри которой находятся объекты», а процесс, который породил все эти устойчивые уровни.
18. И тогда «всё — функция» получает совсем другой смысл
Мы начали с совершенно бытового наблюдения: любой объект при ближайшем рассмотрении оказывается набором более мелких объектов.
Потом заметили, что следующий уровень не просто складывается из предыдущего. Он имеет собственные устойчивые режимы.
То, что изнутри выглядит как сложная динамика, снаружи выглядит как один объект.
То, что на одном масштабе является взаимодействием, на другом превращается в свойство.
То, что кажется частицей, может быть аттрактором более глубокой среды.
То, что кажется силой, может быть траекторией системы по пространству состояний.
А то, что кажется отдельным физическим законом, возможно, является частным проявлением одного общего правила изменения.
И тогда наша исходная запись становится почти философской, но уже не совсем пустой:
Производная Вселенной равна некоторому локальному правилу C.
Мы пока не знаем, что именно такое C. Не знаем, является ли оно гидродинамическим.
Не знаем, связано ли оно с топологией. Не знаем, нужны ли струны, разрывы, вихри или какая-то совершенно другая математика. Но направление поиска становится понятным.
«из чего сделан электрон?»
«какое устойчивое решение фундаментальной динамики мы называем электроном?»
«какая сила держит молекулу?»
«какой аттрактор соответствует этой конфигурации ядер и электронных состояний?»
«из чего состоит гравитация?»
«какой коллективный режим среды на большом масштабе мы воспринимаем как гравитацию?»
И, наконец, не спрашивать:
«из чего сделана Вселенная?»
а попробовать задать более неприятный вопрос:
какая функция способна порождать устойчивые объекты, взаимодействия, структуры и даже наблюдателя, который потом начинает задавать этот вопрос?
Вот это уже та точка, где «всё — функция» перестаёт быть красивой фразой и становится рабочей гипотезой.
Потому что тогда Вселенная — это не набор вещей, которые существуют.
Она — то, что происходит.