Дымит разлом

В погоне за хорошими играми про физиков и физику я наконец-то добрался до Quantum Break (в русском переводе — «Квантовый разлом») от финской студии Remedy Entertainment — очевидный выбор после близкого знакомства с Control, их следующей игрой. В блоге, предваряющем этот текст, я уже разобрал одну из формул «Разлома», теперь пришла пора рассказать про остальную научную начинку шутера.

Пройдя Quantum Break на 100 процентов (то есть собрав каждую записку, прочитав каждое письмо и отсмотрев каждый видеодневник), я могу со всей авторитетностью заявить, что «Разлом» — самая осмысленная с точки зрения современной теоретической физики игра из тех, с которыми я знаком. Она оставляет позади не только Mass effect и Bioshock Infinite, но даже и Black Mesa — ремейк знаменитой Half-Life, с большим количеством досок хардкорного научного содержания.

Секрет такого успеха довольно прост: студия во главе с креативным директором и продюсером Сэмом Лейком пригласила в качестве консультанта настоящего физика-теоретика и популяризатора науки Сюксю Рясянена, который когда-то работал в ЦЕРНе. В этом Лейк поступил так же, как Кристофер Нолан, которому при создании «Интерстеллара» и «Довода» помогал нобелевский лауреат Кип Торн. Это не случайность: именитый разработчик уже признавался, что вдохновлялся творчеством именитого режиссера.

Впрочем, есть еще кое-что, что роднит игры Remedy и фильмы Нолана (кроме общей недосказанности и использования одних и тех же актеров в разных сюжетах), — это любовь к манипуляциям со временем. Играть с временем финны начали еще в Max Payne, заодно популяризовав для жанра шутеров эффекты замедления — буллет-тайм и слоу-мо. Поэтому неудивительно, что Remedy в 2016 году обратились и к теме путешествий во времени, на которых и построили сюжетную канву Quantum Break. Кстати, на четыре года раньше Нолана с его «Доводом»!

«Довод» с некоторой долей иронии можно назвать экранизацией упорядоченных во времени фейнмановских диаграмм, которые допускают движение назад во времени для античастиц. В «Квантовом разломе» использованы другие концепции из настоящей теоретической физики, разбору которых посвящен этот текст.

Перед прочтением я настоятельно рекомендую читателю ознакомиться с материалом «Убить дедушку и выжить», в котором подробно рассмотрена проблема путешествий во времени и временных парадоксов через призму современной физики. И хотя этот текст самодостаточен, некоторые моменты, про которые я расскажу здесь, описаны там более подробно.

Поле Мейера — Джойса

Главная научная «фишка» вселенной Quantum Break — это представление о том, что из себя представляет движение материи вдоль оси времени. Из существующих физический теорий наиболее полно на этот вопрос отвечает общая теория относительности (ОТО). Она объединяет пространство и время в единую сущность, которая должна искривляться, чтобы возникла гравитация (про попытки объяснить ОТО на пальцах читайте в материале «Это только теория», посвященном столетнему юбилею теории).

Заветная мечта всего физического комьюнити — объединение ОТО с квантовополевой моделью микромира. Другими словами, построение квантовой гравитации. В мире «Разлома» эту проблему частично решили в 1997 году два молодых физика — Элтон Мейер и Уильям Джойс, бывшие на тот момент студентами университета вымышленного города Риверпорт, штат Массачусетс. Частично — потому что их идеи, описанные в игре, касаются лишь времени, а не пространства, что несколько противоречит духу ОТО. Пожалуй, этот факт можно назвать первым слабым местом вымышленной теории.

Сама она, тем не менее, довольно интересная. Мейер и Джойс предположили и доказали, что способность физических систем эволюционировать во времени проявляется лишь тогда, когда они взаимодействуют с особым полем, названным впоследствии в их честь. Сэм Лейк прямо говорит в интервью, что идея поля Мейера — Джойса родилась после дискуссий с Рясяненом, который рассказывал разработчикам про механизм Хиггса. Этот механизм описывает возникновение массы у частиц за счет взаимодействия с одноименным полем Хиггса, квант которого называется бозоном Хиггса. Это скалярное поле стало решением проблемы безмассовости бозонов в теории электрослабого взаимодействия. Совсем упрощенно этот механизм можно представить как «цепляние» безмассовых бозонов за вездесущее поле Хиггса. Подробнее о нем мы рассказывали на десятилетие запуска Большого адронного коллайдера.

Квант поля Мейера — Джойса, в свою очередь, получил емкое название . Предполагается, что хрононная энергия равномерно распределена в пределах Земли, из-за чего время у нас на планете везде течет примерно одинаково. Вблизи массивных тел хрононное поле должно искажаться согласно предсказаниями ОТО, и сложно сказать, как именно вписывается теория хрононов в теорию относительности. Возможно, поле Мейера — Джойса должно испытывать те же искривления, что и метрический тензор, но напрямую этот вопрос нигде не обсуждается, если не считать единственную формулу на доске в начале игры.

В Quantum Break нам показывают, что произойдет в мире, который хрононы толкают вперед по времени, если поле Мейера — Джойса начнет исчезать. Цепочку этих процессов запускает в 2016 году инцидент с машиной времени, созданной в Риверпортском университете, чей принцип работы частично основан на хрононах. При проектировании машины была допущена ошибка, из-за чего ее первый запуск породил .

Разлом — событие, запустившее нелокальные флуктуации поля Мейера — Джойса. Нелокальность здесь проявляется в том, что ход течения времени нарушается — ни много ни мало — сразу во всей Вселенной. Флуктуации проявляют себя в виде краткосрочных «зависаний» — состояний без течения времени, в которых любые процессы прекращаются и эволюция материи замирает. По мере развития событий длительность и частота зависаний растут и в итоге завершается полноценным Концом времени — состоянием Вселенной, в которой полностью отсутствуют хрононы. Или, говоря языком физиков, хрононное поле переходит в нулевое (вакуумное) состояние.

Описанная выше идея помимо хиггсовского механизма затрагивает еще несколько общепринятых физических концепций. Например, состояние Конца времени перекликается с Началом времени, которое имеет место в некоторых космологических моделях, основанных на Большом взрыве. Согласно им, до этого события время и пространство отсутствовало, что на языке Quantum Break означает отсутствие частиц Мейера — Джойса.

Идея о том, что какое-то событие на Земле способно повлиять на всю Вселенную, кажется достаточно наивной. Тем не менее, похожий сценарий теоретически возможен в случае распада так называемого ложного вакуума до вакуума истинного (подробнее об этом превращении можно прочитать в блоге Дмитрия Трунина). Тогда катаклизм мог бы начаться на Земле как следствие некоторого высокоэнергетического эксперимента, а затем распространиться далее в космос под действием . Но даже если бы реализовался такой сценарий, его едва ли можно было бы обратить вспять — а ведь именно такую цель поставили себе герои игры.

Хронофизика

Настоящие физики не имеют ни малейшего представления о том, как повлиять на поле Хиггса. Риверпортские физики о хрононном поле знают гораздо больше и манипулируют с ним гораздо увереннее.

Например, из презентации в начале игры мы узнаем, что масса квантов Мейера — Джойса равна 4,5 тераэлектронвольта. Это очень много: для сравнения, масса бозона Хиггса равна 125 гигаэлектронвольт, а масса самой тяжелой из известных частиц — топ-кварка — 173 гигаэлектронвольта. Из формул на досках лабораторий можно узнать, что оператор хрононного поля в уравнениях элегантно обозначен символом «⧖», похожим на песочные часы. Из этих уравнений он перекочевал и на предупреждающие знаки.

Физики умеют неким образом собирать хрононы в специальных емкостях, чтобы потом проводить с ними эксперименты и разрабатывать новые хронотехнологии. Они также умеют защищаться от хрононов, создавая области без течения времени, равно как и наоборот — защищаться от зависания, ограничивая области с нормальным ходом времени во время катаклизмов и аномалий.

Механизм этой защиты в игре не описывается, но все указывает на то, что существуют материалы, способные как-то ограничивать ток хрононов сквозь себя. Если ограничить такими материалами определенный кусок пространства — комнату или резервуар, — то можно создать область без хрононов. Возможно, такие же стенки делают у баков для хранения хрононов.

В игре можно встретить такие защищенные комнаты. Также существует снаряжение, с помощью которого люди способны перемещаться в пространстве, пока весь остальной мир завис. Предполагается, что они испускают хрононы в некоторой окрестности себя, обеспечивая течение времени для носителя. Боям в условиях зависаний посвящена существенная часть игры.

Авторы «Квантового разлома» продумали также, что случится в случае избыточного облучения материи хрононами. В этом случае она становится хроноактивной, то есть превращается во вторичный источник хрононов, и порождает вокруг себя временны́е аномалии. Создатели, очевидно, ориентировались на явление радиоактивности, с которой человечество знакомо довольно давно. Предупреждающие знаки, защитные костюмы, пропускные пункты в зоны хроноактивности различной степени, которые мы встречаем во время игры, сильно напоминают атрибуты зон радиоактивного загрязнения.

Также мы узнаем про аналог лучевой болезни — в игре он называется хроносиндромом. Недуг возникает, если через тело человека прошел слишком большой поток частиц времени. Авторы подразумевали, что это приведет к временной рассинхронизации частей тела — она выглядит как спонтанная фрагментация, которая, понятно, причиняет сильную боль. Болезнь прогрессирует с разной скоростью у разных зараженных и в конечном счете приводит человека в состояние перманентной квантовой суперпозиции — таких людей стали называть фазовиками.

Впрочем, некоторые облученные приобретают уникальные способности к управлению временем и могут сопротивляться зависаниям. Так умеют делать несколько ключевых героев, включая протагониста.

Наконец, в игре говорится и про природные источники хроноактивности. Сценаристы при этом также ссылаются на пример с радиоактивностью. «Существование таких вещей не должно нас удивлять: бывают же природные реакторы, вроде потухшего африканского, в Окло», — сообщает нам одна из внутриигровых записок.

Машина времени

В Quantum Break задействован довольно редкий для фантастики способ перемещения во времени — . Керровская метрика возникает как точное решение уравнения Эйнштейна и допускает замкнутые времениподобные кривые. Их существование — необходимое условие для путешествий во времени. Авторы игры сообщают нам об этом в самом начале — с помощью презентации, которую смотрит главный герой, и с помощью формулы на доске, которую можно исправить (именно про эту формулу я недавно рассказывал в своем блоге).

Впрочем, даже если эта теория верна, и керровская черная дыра на самом деле помогает путешествовать во времени, создать ее в земных условиях не представляется возможным. Для этого потребовалось бы сжать , чего мы пока делать не умеем. Существуют, однако, гипотезы, что микроскопические черные дыры рождаются при энергиях столкновений порядка тераэлектронвольт в Большом адронном коллайдере, но, даже если и так, они мгновенно испаряются по механизму, предложенному Стивеном Хокингом.

И здесь на помощь физикам из игры приходит теория Мейера — Джойса: масса хрононов как раз лежит в нужном диапазоне.

Судя по тому, что можно увидеть в игре и различных ее артах, в ядре машины времени сталкиваются потоки хрононов из примерно 20 источников, создавая вращающуюся черную дыру. Параметры этих источников определяют кривизну пространства-времени вокруг нее, что позволяет настраивать то, в какой момент прошлого или будущего перенесется хрононавт. Затем машина выстраивает вокруг черной дыры замкнутый коридор, по которому и нужно двигаться, чтобы перенестись во времени вперед либо назад.

Я так и не смог достучаться до создателей игры, чтобы задать свои вопросы и выяснить, чем они вдохновлялись, придумывая машину времени. Но в тот момент, когда я впервые увидел ее ядро, сразу вспомнил ранние версии установок по управляемому термоядерному синтезу с помощью лазера. Про некоторые из них мы рассказывали в материале «Зажгли».

Другой потенциальный источник вдохновения — реактор, работающий на механическом сжатии топлива, который создала канадская компания General Fusion. Подробнее об этой разработке можно почитать в материале «Это будет бомба». Помимо внешнего вида вымышленное и реальное устройства обладают еще рядом общих свойств. Например, сердцевина установки General Fusion тоже вращается, а ее паровые молоты, как и источники хрононов в ядре машины времени, называют английским словом piston.

Фазовики и множество миров

Как я говорил, фазовики — люди в финальной стадии хроносиндрома. В теле такого человека накапливается большое количество хрононов, из-за чего оно теряет форму (в игре это объясняется тем, что фазовики находятся в состоянии перманентной квантовой суперпозиции). Таких людей еще называют «субъектами с нарушенной хрононами волновой функцией».

Чтобы понять, что это означает, нужно вспомнить дискуссию физиков (да и философов) о проблеме измерения свойств квантовой системы. Сегодня мы знаем, что, если до измерения состояние объекта описывалось квантовой суперпозицией — то есть суммой состояний, соответствующих различным исходам, — то измерение макрообъектом (человеком, прибором, да и вообще внешней средой) разрушает ее (этот процесс называется декогеренцией). После эксперимента квантовая система находится не в изначальном, и даже не в каком-то другом заранее известном состоянии, а просто в одном из возможных компонентов суперпозиции с некоторой вероятностью.

Но это свойство напрямую не следует из основных законов квантовой механики. Согласно им, измерение должно квантово запутать объект измерения с субъектом, которым может быть прибор или человек. На практике мы не наблюдаем этого. Отцы-основатели квантовой механики — Бор, Гейзенберг и другие — считали, что для объяснения этого квантовую механику следует дополнить проекционным постулатом: суперпозиция коллапсирует к одному из членов с некоторой вероятностью. Это объяснение входит в схему копенгагенской интерпретации квантовой механики. Но Шрёдингер, Вигнер и другие физики были уверены, что этого недостаточно, и искали в этой версии внутренние противоречия: так появились знаменитые мысленные эксперименты с кошкой и другом.

Впоследствии появилось множество других интерпретаций потери суперпозиции. Наибольшую популярность, как среди физиков, так и среди обывателей, интересующихся квантовой теорией, получила многомировая интерпретация, которая отказывается от идеи коллапса, «разрешая» всем членам квантовой суперпозиции существовать в параллельных мирах. Эту концепцию уже использовали ранее авторы игры Bioshock Infinite, про которую я рассказывал в материале «Константы и переменные».

Идея фазовиков основана на многомировой интерпретации. Но в отличие от Элизабет из Infinite, каждая копия которой существовала в своем параллельном мире, все копии фазовиков накладываются друг на друга в одной и той же реальности. Это можно интерпретировать так, что фазовики каким-то образом защищены от декогеренции.

Это делает их практически неуязвимыми: при попытке убить фазовика пулей умирает лишь один из членов его суперпозиции. Учитывая, насколько часто происходит расщепление квантового состояния из-за взаимодействия с окружением (то есть по сути измерением), «жизней» у фазовика бесконечное множество.

Remedy не впервые использует многомировую интерпретацию, чтобы поговорить о квантовом бессмертии. В предыдущей игре студии, Alan Wake, авторы показывали эпизоды короткого сериала Night Springs. Один из выпусков сериала посвящен идее квантового самоубийства — мысленного эксперимента, в котором ученый постоянно стреляет в себя, но в одной из альтернатив постоянно остается живым.

Впрочем, это еще не все. Другая особенность фазовиков в том, что их существование за единичным исключением возможно только в нулевом состоянии хрононного поля, то есть в зависаниях и во время Конца света. Более того, ближе к концу игры мы понимаем, что фазовики — это третья сторона в главном сюжетном противостоянии. Фактически, они пытаются всеми силами приблизить и зафиксировать Конец времени, чтобы построить свою цивилизацию.

В этом есть определенная логика: декогеренция — это не мгновенный процесс, он занимает некоторое время. И если время остановилось, то и коллапса не должно быть. И все же фазовики не замирают, пусть и в суперпозиции, вместе со всеми во время зависаний. Это можно было бы объяснить тем, что они содержат в себе множество частиц времени, обеспечивающих его течение, но из игры не ясно, как это им мешает существовать в обычном времени.

Согласованность и парадоксы

Перемещения во времени — одна из немногих областей, в которой физики и фантасты работают вместе и разбираются, какие парадоксы могут при этом возникнуть и как их можно разрешить.

Парадокс убитого дедушки — нестареющая классика. Что произойдет, если переместиться в прошлое и убить собственного предка, сделав собственное рождение невозможным? Вселенная схлопнется? Расщепится? Или такое действие запрещено принципом самосогласованности Новикова?

Авторы Quantum Break не стали прятаться от таких парадоксов, а наоборот, приглашают игрока к дискуссии, упоминая в письмах и дневниках героев разные способы его разрешения. А вопрос о том, можно ли изменить будущее, вообще стал главным полем идеологической битвы: главный злодей уверен, что будущее предопределено и надо готовиться к нему любой ценой, протагонист убежден в противоположном. Remedy в свойственной им манере не дают никаких ответов в концовке игры, оставляя фанатов спорить насчет ее интерпретации.

Не последнюю роль в этом играет и многомировой подход. Вслед за создателями BioShock, разработчики «Разлома» утверждают, что расщепление реальностей происходит в момент принятия ключевыми персонажами важных решений, но исход у всех реальностей один. Эту идею прямо озвучил Сэм Лейк в предисловии к новеллизации игры, которая называется Quantum Break: Zero State. Там он объяснил, почему события игры и события книги отличаются в деталях: это просто разные члены квантовой суперпозиции.

Квантовые волны

В Quantum Break есть еще один важный физико-смысловой слой, который легко пропустить, если не читать записки, дневники и письма в игре. Он касается эффекта, который по-русски назван .

Его суть — классический эффект бабочки: малое действие (или бездействие) способно запустить причинно-следственную волну, которая круто изменит ход истории. По задумке авторов, видимо, эти события также сопровождаются расщеплением миров, и потому носят такое название. К эффекту бабочки отсылает и желтая эмблема корпорации Monarch Solutions — бабочка данаида монарх (Danaus plexippus). Ее мы встречаем на протяжении всей игры.

Всего в «Разломе» мы можем запустить восемь таких волн, последствия которых будут касаться здоровья и жизней отдельных людей, котировок торгов на бирже и даже администрации Риверпорта. Но самая интересная волна связана с исправлением формулы на доске в начале игры. Если сделать это, ядро машины времени стабилизируется, что неким образом приводит к отключению электричества на одну ночь в городке Ординариум и всплеску в нем волны насилия. Это, в свою очередь, запускает сюжет игры Control от тех же разработчиков, которая вышла в 2019 году. С Control связана и еще одна квантовая волна: утечка записи выступления антагониста в сеть порождает в интернете массу слухов о связи Monarch Solutions с Бюро по контролю.

Многогранники

На одной из досок в лаборатории в самом начале игры можно найти изображение семиточечного амплитуэдра на множестве P³.

Амплитуэдр придумали в 2013 году физик-теоретик Нима Аркани-Хамед и его ученик Ярослав Трнка, чтобы вычислять сечения процессов в квантовой теории поля. Этот выпуклый многомерный многогранник призван упростить расчеты, которые обычно приходится проводить с помощью множества фейнмановских диаграмм (амплитуэдр на рисунке выше, в частности, помогает справиться с цветовым взаимодействием с участием восьми глюонов).

Выпуклые многогранники, правильные или просто симметричные, — важные эстетические элементы роль в стилистике игр Remedy. Например, устройство, которое изготовил Уильям Джойс, чтобы закрыть Разлом — Противовес, — имеет форму додекаэдра. В игре мы можем найти записи физика, в которых он экспериментирует с разными геометриями Противовеса и приходит к выводу, что правильный двенадцатигранник — лучшее решение. Ядро машины времени — это тоже симметричный выпуклый многогранник.

Многогранники впоследствии появятся и в следующей игре финских разработчиков — Control. Так, ключевую роль в ее сюжете занимает внепространственная сущность в виде гигантского многогранника, которую там называют просто .

По ходу игры мы постоянно натыкаемся на макеты тессерактов, а еще нам рассказывают про событие, в результате которого вблизи города Стерлинг в штате Колорадо на поле появился гигантский каменный додекаэдр. Это, кстати, случилось примерно в то же время, когда происходили события Quantum Break. Наконец, главный символ Control, перевернутая пирамида, — тоже выпуклый многогранник.

Вполне может быть, что амплитуэдр в самом начале Quantum Break — это ключ к пониманию геометрического языка, используемого Remedy в своих играх.

Бремя условностей

Многие аспекты игры основаны на фундаментальных общепризнанных физических концепциях и гипотезах. Но такая вещь, как шутер, не может целиком положиться на адекватное научное представление событий, иначе людям будет просто неинтересно в это играть. Это работает даже с кино: достаточно вспомнить, как ругали «Интерстеллар» за скучный реализм. Интерактивное же развлечение рискует куда больше.

Поэтому, конечно, в Quantum Break очень много того, что никак не получается объяснить хоть какой-то научной логикой. Первое, что бросается в глаза, — это суперспособности персонажей, подвергшихся хроносиндрому: способность ускоряться, замедлять время в выбранном участке пространства, видеть сквозь стены, предсказывать будущее и так далее. Здесь сработало старое, известное по комиксам, клише: облучился/отравился — стал супергероем.

Есть проблемы и с хронодинамикой. Так, если говорить научным языком, зависимость оператора хрононного поля от координаты всюду имеет дискретный характер. Если говорить по-простому, время либо течет, либо нет. Но никакие реальные поля в физике не имеют резких границ, чаще всего они убывают по монотонному закону. Другими словами, если напряженность хрононного поля определяет ход времени, то его скорость должна была бы быть разной в зависимости от близости к источнику. Этот факт, к примеру, сильно усложнял бы использование костюмов против зависаний или иных хронотехнологий.

Не могу не отметить и физику зависаний. Поскольку там останавливается все, включая свет, во время зависаний должно быть абсолютно темно. Частично это отражено в воспоминаниях антагониста о Конце времени, но бо́льшую часть игры мы видим сквозь застывшее время так же хорошо, как и в нормальных условиях. Мы даже способны читать электронные письма, пользоваться лифтами и слышать замедленную речь людей!

При этом разработчики добавили в зависания различные оптические эффекты. Например, траектория движения лампочки или фары остается висеть в пространстве светящейся нитью, словно на кадре с высокой выдержкой.

Этот список можно продолжать долго, но мне гораздо приятнее хвалить игру, чем ругать. Это действительно очень умное произведение о путешествиях во времени с точки зрения не только запутанного сюжета и философского дискурса, но и глубины научных концепций, на которые оно опирается. Надеюсь, мой текст поможет разглядеть эту красоту.