Какую физику использует BioShock Infinite
26 марта исполняется 10 лет шутеру BioShock Infinite. Снискавшая признание игра не только позволяет игроку задуматься об этических, политических и философских вопросах, но и дает возможность погрузиться в парадоксы квантовой механики. Давайте разберемся, что из показанного имеет отношение к реальной физике, а что — противоречит ей.
Физические парадоксы, которые выдумывают теоретики, чтобы подвергнуть новые концепции проверке на прочность, часто привлекают творческих людей, ищущих вдохновения в точных науках. Главными поставщиками подобной пищи для размышлений в физике по сей день остаются квантовая механика и теория относительности. Эти теории контринтуитивны — что добавляет интеллектуальной перчинки в художественное произведение. Все упирается лишь в то, насколько хорошо автор распорядится этими теориями.
В случае с BioShock Infinite эта работа удалась на славу. Ее создатели, руководимые геймдизайнером Кеном Левином, смогли, с одной стороны, передать дух первооткрывательства, который царил в физике на рубеже XIX и XX веков, а с другой — вплести парадоксальные квантовомеханические идеи в сюжет и черты персонажей, добавив истории дополнительные измерения.
Infinite расширяет мир, в котором происходило действие первых двух игр серии. Все эти игры объединяет ряд общих черт. Везде действие происходит в фантастическом городе-государстве, спрятанном от мира — в Восторге в толще океана (BioShock 1 и 2) или в Колумбии в облаках (BioShock Infinite). В городе царит антиутопический политический строй: в первой части BioShock он отсылает к идеям Эйн Рэнд (игра задумывалась, как критика книги «Атлант расправил плечи»), во второй части на смену «рэндистскому» режиму в Восторге приходят коллективисты, а жители Колумбии в BioShock Infinite явно объединены идеей американской исключительности.
Также в судьбе городов и сюжете игр важное место занимают ученые и наука. И если первые две части пронизаны духом генетики и отчасти математики (в DLC Minerva’s Den), то в Infinite все завязано на квантовой механике.
!!! Внимание, спойлеры !!!
Здесь и далее материал опирается на элементы сюжета, незнание которых критично для полноценного восприятия игры как произведения искусства. Другими словами, если вы еще не играли BioShock Infinite, но планируете, мы рекомендуем вам прекратить чтение на этом месте.
В конце концов, если вы пройдете игру до конца, вам наверняка самим захочется вернуться к этому тексту.
Сюжет игры вертится вокруг побега юной Элизабет — наследницы Захари Хейла Комстока, основавшего летающий город Колумбия в 1893 году. Мы играем за частного сыщика Букера ДеВитта, которого наняли загадочные близнецы — физики Розалинда и Роберт Лютесы — для организации побега Элизабет в обмен на закрытие долгов.
По ходу игры мы выясняем, что ученые играют ключевую роль в событиях во вселенной BioShock Infinite. Строго говоря, Розалинда и Роберт — это не брат и сестра, как они представляются людям, а два варианта одного и того же человека из параллельных миров. Расщепление реальностей происходит в моменты совершения судьбоносных решений — и это прямая отсылка ко многомировой интерпретации квантовой механики.
Взаимодействие между мирами стало возможным благодаря независимым открытиям Лютесов нового типа взаимодействия (поле Лютес). Изначально этот физический эффект заключался в левитации отдельного атома (частицы Лютес). Розалинда на деньги Комстока смогла масштабировать эффект на массивные тела, благодаря чему стало возможно создание целого летающего города.
Продолжая эксперименты с воздействием на атом полем Лютес, ученая обнаружила, что на тот же самый атом воздействует что-то еще. Оказалось, что поле Лютес проникает во все миры сразу. В одном из параллельных миров Роберт Лютес проводил аналогичные опыты с другой версией этого атома. Скоро физики установили друг с другом контакт посредством азбуки Морзе и объединили усилия. Коллаборация создала машину Лютесов, которая открывает полноценные порталы (разрывы) между мирами, и Роберт переместился в Колумбию, которой не существовало в его реальности (потому что там не существовало Комстока).
Последовавшая далее по сюжету гибель «близнецов» им не особенно повредила: Лютесы приобрели неуязвимость и способность появляться в любой из версий миров в любом месте и любом времени. Ученые приняли решение использовать эту способность для предотвращения катастрофы — войны, которую могла развязать Колумбия.
По меркам нашей с вами реальности открытия Розалинды и Роберта существенно опередили свое время. Они свободно оперируют терминами из квантовой механики, в то время как на самом деле эта область физики начала развиваться лишь в XX веке, после статьи Макса Планка 1900 года. Это была попытка описать спектр абсолютно черного тела, для которой физику пришлось допустить, что энергия электромагнитного излучения испускается и поглощается отдельными «порциями» (собственно, квантами).
Физики отказались от классической онтологии для корректного описания микромира только к середине 20-х годов XX века — усилиями Нильса Бора, Эрвина Шрёдингера и многих других. В 1930 году Поль Дирак подвел строгий математический базис под квантовую механику и связал ее со специальной теорией относительности, опубликовав книгу «Принципы квантовой механики». Во вселенной Bioshock Infinite эту книгу еще в в середине 80-х годов XIX века написала Розалинда Лютес.
Идея «квантовой левитации» атомов — так окрестили открытие Розалинды ее современники — не такая уж фантастическая, как кажется. Сегодня мы умеем манипулировать атомами с помощью оптических пинцетов — лазерных лучей, сфокусированных в одну точку, в которой гравитация атома компенсируется воздействием оптической силы (подробнее об этом изобретении читайте в материале «Скальпель и пинцет»).
Впрочем, принцип работы оптических ловушек далек от идеи поля Лютес, которое как-то влияет на гравитацию тела. Причем механизм этого воздействия не очень ясен. В основной части игры мы узнаем, что атом просто «отказывается падать». Это можно интерпретировать как подавление константы связи между массой и гравитационным полем без какого-либо изменения остальных взаимодействий, в которых участвует материя.
В результате выключения гравитации тела должны какое-то время двигаться вровень с поверхностью Земли (для наблюдателя рядом — оставаться на месте) по инерции, а затем, по мере вращения планеты, взлетать — подобно камню, выпущенному пращей.
Однако в домах Колумбии не царит невесомость, да в дополнении Burial at Sea частицы Лютесов сразу после активации поля стремятся вверх, что больше похоже на антигравитационное отталкивание. В целом, воздействие поле Лютес на материю напоминает эффект массы из Mass Effect (о нем подробнее читайте в материале «Масса эффектов»).
Квантовая механика позволяет объектам находиться в суперпозиции состояний с какими-либо четко определенными свойствами (наблюдаемыми). Например, подброшенная квантовая монетка в каждый момент времени находится не в одном из двух чередующихся состояний (орел или решка), а в их смеси. Такие простые квантовые системы в физике называют кубитами.
Эксперимент показывает, что результат измерения, то есть броска монетки, имеет вероятностный характер. Причем эта вероятностность — фундаментальное свойство мира, а не чисто эпистемологический эффект, связанный с наличием каких-либо скрытых параметров в экспериментах, результаты которых удобно объяснять, введя понятие суперпозиции. Иными словами, классическая физика убеждена, что если она знает все начальные условия броска, то может точно предсказать его результат. Квантовая же физика знает, что полнота знания ей с этим не поможет: в любом случае придется ждать результата.
Другой парадокс связан с тем, как вместе с принятием посылок квантовой механики меняется наше представление о самом акте измерения. Этот процесс в любом варианте опосредуется взаимодействием между квантовым объектом, частицей, — и классическим объектом, измерительным прибором. Но прибор, в конце концов, это сумма всех его частиц, а значит тоже должен квантоваться. А уравнения квантовой механики говорят нам, что если частица в суперпозиции взаимодействует с другой (например, атом излучает фотон), то обе частицы оказываются запутанными. Это выражается в том, что представить волновую функцию всей системы в виде произведения волновых функций частиц по отдельности — математически невозможно. Вместо этого мы имеем сумму, каждое слагаемое которой соответствует одному из вариантов развития событий (с точки зрения наблюдаемой первой частицы) с некоторым вероятностным весом.
Но на практике мы наблюдаем лишь то, что частица просто находится в одном из состояний, из которых должна быть построена ее суперпозиция. Эта проблема встает очень остро, когда мы пытаемся сохранить квантовую запутанность для большого числа объектов — нам это нужно при создании квантового компьютера. Взаимодействие со средой разрушает ее. Физики называют этот процесс декогеренцией.
Исторически первой интерпретацией квантовой механики — то есть описания физической реальности, которая стоит за абстрактными математическими уравнениями, — была копенгагенская. Ее сформулировали Бор и Гейзенберг. Согласно ей редукция (или коллапс) волновой функции при измерении — это объективный и необратимый процесс, который происходит вне рамок процессов, которые описывает уравнение Шрёдингера. И понимать то, что сообщает уравнение Шрёдингера о состоянии квантового объекта до коллапса его волновой функции, надо буквально. В этот момент он действительно находится во всех возможных состояниях, шанс которых «выжить» после измерения отличается.
В середине XX века Хью Эверетт предложил, а Брайс Девитт (в честь него, кстати, получил свою фамилию протагонист BioShock Infinite) развил другой подход к проблеме измерения. В многомировой интерпретации предполагается, что в момент взаимодействия прибор в самом деле запутывается с квантовой частицей, равно как и лаборант, который следит за его показаниями. Тогда каждый член получившейся волновой функции описывает ситуацию, в которой лаборант вместе с прибором наблюдают коллапс состояния частицы, но результат этого коллапса будет разный в разных членах. А эта волновая функция (и все ее члены) — часть еще более крупной системы, которая в пределе представляет волновую функцию всей Вселенной. И поскольку всю Вселенную никто не наблюдает, ее волновая функция не коллапсирует (и не сколлапсирует), так что локальные события до бесконечности продолжают ветвиться, множа все больше параллельных вариантов развития событий.
Многомировая интепретация имеет множество вариаций. В ряде из них учитывается запутанность всех вселенных в мультиверсе между собой, что, без сомнения, очень привлекательно для научной фантастики. Неспроста BioShock Infinite регулярно подвергается сравнению с другими произведениями. По мнению авторов книги «Создание трилогии BioShock. От Восторга до Колумбии», сюжет Infinite больше всего напоминает таковой у сериала «Грань» (Fringe) — причем не только наличием параллельных вселенных, но и темой похищения ребенка, способностями отдельных персонажей и многим другим.
Зачем физикам метафизика
Помимо многомировой и копенгагенской интерпретацией существует еще с десяток других, включая «никакую» интерпретацию, выраженную фразой «Заткнись и считай!». Как показывают опросы физиков (совершенно нерепрезентативные, впрочем), копенгагенский и многомировой варианты — самые популярные среди специалистов по квантовой механике, которым не лень принять ту или иную позицию (их общее число примерно такое же, как и число ученых, индифферентных к интерпретации квантмеха).
Важно, однако, то, что разговоры об интерпретации это уже область сугубо метафизическая — у нас нет способа верифицировать ни одну из них и потому выбирать какую-то из них совершенно не обязательно, все сводится к личным предпочтениям конкретного человека (то есть являются вопросом веры или, если угодно, философских убеждений). Из-за этого многие физики довольно болезненно воспринимают ситуацию, когда популярное изложение квантовой механики опирается на строго одну из интерпретаций как истинно верную.
Разберемся теперь, как многомировая интерпретация вплетена в мир Bioshock Infinite. И начнем с близнецов.
Квантовый мультиверс предполагает, что расщепление миров должно начинаться с события атомарного масштаба. Если Лютесы имеют разный пол в разных версиях реальности, значит этому должно предшествовать одно или несколько таких событий. Что бы это могло быть?
Розалинда уверена, что их с Робертом геном отличается всего на одну хромосому: X у нее вместо Y у него. Эти две хромосомы отличаются по размеру более, чем в пять раз. Учитывая, что X-хромосома содержит в себе около 150 миллионов пар оснований, сложно представить простой физический процесс (или даже несколько), которые могли бы привести к тому, что геном двух людей отличался всего лишь одной хромосомой. Другими словами, слова «всего одно» для квалификации отличия Розалинд от Роберта подходит здесь не очень хорошо.
Гораздо более правдоподобным кажется сценарий, в котором одна или несколько мутаций мешают сформироваться мужской половой системе. А поскольку по умолчанию половая система развивается по женскому типу, носитель таких мутаций может вырасти женщиной — как внешне, так и на гормональном уровне — несмотря на то, что его клетки содержат Y-хромосому. По такому принципу возникают, например, синдром Свайера и синдром нечувствительности к андрогенам, — причем в обоих случаях может хватить одной или нескольких точечных мутаций. Можно представить себе, что вселенная расщепилась на две: в одной квант ионизирующего излучения испустился и вызвал мутацию, а в другой не испустился (и, соответственно, никакой мутации не вызвал). Такая же запутанность может возникнуть и при поглощении кванта. Мутации могут быть вызваны и туннелированием протона — мы рассказывали, что этот процесс также существенно квантовый.
Играя внимательно, можно понять, что альтернативные миры могут отличаться друг от друга совсем небольшими деталями.. Чтобы свергнуть Комстока с помощью Букера, Лютесы прокручивают историю раз за разом, перебирая различные варианты развития событий. К этому отсылает фраза про «константы и переменные», которую мы слышим во время прохождения игры. Ученые контролируют процесс с помощью калибровочных тестов: подбрасывания монетки и выбора украшения для Элизабет. В первом случае монета всегда падает одной стороной (константа), во втором случае возможна вариативность (переменная). Судя по отметкам на доске, которую держит Роберт, игрок управляет 123 попыткой спасти Элизабет.
Идея о том, что каждый атом представлен в каждом члене суммы глобальной волновой функции, развита в способностях Элизабет. Согласно событиям игры, она была похищена из своего мира в тот, где она никогда не рождалась, но при переходе часть ее мизинца осталась в родном мире. Лютесы утверждают, что это по какой-то причине дало ей способность создавать разрывы (причем в любую точку пространства-времени другого мира), для блокировки которых им пришлось разработать специальное устройство — «сифон».
Если придерживаться логики игры, то Элизабет умеет создавать и поддерживать лютесово поле. Это согласуется с эффектом разрушения сифона — после него разум всех Элизабет во всех мирах синхронизировался, что похоже на состояние «общего атома», с которым работали Розалинда и Роберт. Это очень красивый ход, но он не очень хорошо стыкуется с многомировой запутанностью. Эта интерпретация хорошо подходит для описания волновых функций частиц. Но у нас нет никаких гарантий, что все версии Элизабет состоят из одних и тех же «общих атомов».
Дополнение Burial at Sea показывает, что происходит в случае смерти одной из копий: мир, где она происходит, становится для Элизабет недоступным. Попасть туда она может, только если выйдет из суперпозиции — другими словами, сколлапсирует. Тут авторы игры вообще отступают от многомировой интерпретации — коллапс волновой функции это фишка из копенгагенской интерпретации, во многомировой его нет.
Решения Элизабет — не единственные примеры коллапса в игре. Мы также встречаем настойки (infusions) — напитки, повышающие боевые характеристики Букера. Это мерцающие разным цветом бутылочки, которые обретают конкретный цвет и свойства, когда игрок делает выбор. Считается, что, как и Элизабет, настойки находятся в состоянии квантовой суперпозиции, а игрок «измеряет» их, выпивая.
Оперевшись на нелинейный мультиверсВ нелинейном мультиверсе возможны путешествия между параллельными мирами. В линейном случае вселенные множатся по принципу ветвления и каузально не пересекаются. К нелинейности мультиверса Bioshock Infinite, в частности, отсылает фраза о том, что время — «океан, а не река»., разработчики с неизбежностью притащили во вселенную игры все причитающиеся этой концептуальной системе парадоксы вроде парадокса убитого дедушки (о нем и других временных парадоксах мы рассказывали в материале «Убить дедушку и выжить»). Впрочем, этим парадоксам у авторов нашлось применение: Лютесы уверены, что если довести ситуацию в конкретном мире до парадокса, то соответствующая ветка развития событий будет уничтожена, и именно этот механизм используется в игровой концовке. Даже если принять за аксиому, что парадокс стирает миры (для чего нет особых оснований), удаление «комстоковых» вселенных должно исключить существование самих Лютесов, которых мы, тем не менее, встречаем в дополнении. Логические нестыковки и дыры — это одна из самых частых претензий к игре со стороны критиков.
И все же BioShock Infinite чрезвычайно хорош тем, что глубоко лезет в идеи из квантовой физики. Конечно, о реализме показанного в игре можно говорить лишь на концептуальном уровне, однако и этого немало. Сюжетные повороты, концовки основного сюжета и дополнения до сих пор заставляют игроков разбираться с пост-ньютоновскими физическими концепциями и их метафизическими обвесами. В конце концов, саму игру также можно рассматривать, как очередную интерпретацию реальности, с которой большинство профессиональных физиков взаимодействуют лишь на уровне абстрактных уравнений, — что, безо всякого сомнения (говорю это как физик-теоретик!) полезно и для ученых, и артистов.