Как устроена физика Quantum Break
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.
!Внимание, спойлеры!
Я не планирую раскрывать сюжет игры полностью, но для обсуждения некоторых идей, заложенных создателями, частично это будет необходимо.
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 хрононСамому термину хронон, на самом деле, тоже без малого сотня лет. Его придумал в 1927 году Роберт Леви в качестве попытки проквантовать время напрямую, то есть представить его не в непрерывном, а в дискретном виде. Но в игре у хронона несколько иной физический смысл.. 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 РазломВ оригинале это другой разлом: fracture, а не break, как могло бы показаться русскоязычному игроку..
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 эффекта доминоВ отличие от Разлома, этот катаклизм произошел бы за счет локальных взаимодействий.. Но даже если бы реализовался такой сценарий, его едва ли можно было бы обратить вспять — а ведь именно такую цель поставили себе герои игры.
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.
В Quantum Break задействован довольно редкий для фантастики способ перемещения во времени — основанный на вращающихся керровских черных дырахСэм Лейк с гордостью называет такую машину времени уникальной для поп-культуры, хотя в 2009 году, задолго до Quantum Break, эту идею использовали создатели японской визуальной новеллы Врата;Штейна.. 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 огромную массу в очень маленький объемМинимально возможная (планковская) черная дыра весит примерно 22 микрограмма при радиусе в 10-35 метров. В этом случае плотность вещества внутри нее достигнет 1094 килограмм на кубический метр., 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.
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.
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.
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 квантовыми волнамиБолее точный перевод на русский слова ripple — наверное, все же рябь..
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.
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 Гедрон-hedron — перекочевавшее в английский из греческого окончание, которое можно перевести на русский как -гранник. Возможно, по аналогии с тетрадаэдром (tetrahedron) или октаэдром (octahedron), его стоило бы назвать по-русски Эдрон, или даже просто Эдр..
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.
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.