[Перевод] Как мог бы работать инопланетный космический корабль?

История создания фильма «Прибытие» (без спойлеров), рассказанная научным консультантом фильма, Стивеном Вольфрамом

Связываемся с Голливудом

«Интересный сценарий»,- сказал кто-то из нашей команды пиарщиков [в компании Wolfram]. Мы уже привыкли получать запросы от кинокомпаний на показ нашей графики или постеров или книг в фильмах. Но в этот раз всё было по-другому: нас спросили, можем ли мы по-быстрому создать реалистичные вещи для большого голливудского научно-фантастического кинопроекта, съёмки которого уже собираются начать?

В нашей компании необычные задачи обычно оказываются у меня во «входящих». Случилось так, что благодаря комбинации отдыха и профессионального интереса я видел практически все мейнстримовые НФ-фильмы за последние несколько десятилетий. Но на основе рабочего названия «История твоей жизни» я даже не мог понять, будет ли это НФ-фильм и о чём он будет.

Потом, узнав, что фильм про первый контакт с инопланетянами, я сказал «конечно, прочту сценарий». И, да, сценарий был интересный. Сложный, но интересный. Мне было не очень понятно, будет ли фильм больше про НФ или про любовь. Но в нём и вправду были интересные отсылки к науке – хотя и смешанные с бессмысленной ерундой, а изредка встречались и научные ляпы.

Смотря НФ-фильмы, я частенько испытываю досаду, думая «некто потратил $100 миллионов на фильм и сделал такие ужасные научные ошибки, которые так легко было бы исправить, задай он вопрос правильному человеку». Так что я решил, что хотя я и очень занят, мне нужно поучаствовать в том, что сейчас называется «Прибытие» и поспособствовать по мере сил научному подходу.

Думаю, есть несколько причин, по которым в голливудских фильмах не практикуется должный научный подход. Во-первых, киношники не чувствуют научную подоплёку своих картин. На бытовом уровне они могут сообразить, что что-то не так – но в случае с научным подходом их знаний не хватает. Иногда они звонят в местный университет и просят помощи, но часто их отправляют к узкоспециализированному академику, вся помощь которого заключается в том, что он говорит им, что вся их история неправильная. Конечно, чаще всего следование науке не сильно влияет на успех фильма. Но мне кажется, что такое следование может помочь превратить хороший фильм в великий.

У нашей компании есть опыт работы с Голливудом, к примеру, мы писали всю математику для шести сезонов телесериала Numb3rs. Лично я в фильмах до того задействован не был, но многие мои приятели работали в кино. Джек Хорнер работал над «Парком юрского периода», в результате чего он стоит за практически всеми палеонтологическими теориями, включая и те, что оказались ложными. Кип Торн (известный недавним триумфом обнаружения гравитационных волн), был главной силой, стоявшей за фильмом «Интерстеллар». Он же сделал оригинальные эффекты для чёрной дыры при помощи Mathematica. До него ещё был Марвин Минский, бывший консультантом на фильме «Космическая одиссея 2001», и Эд Фредкин, ставший моделью эксцентричного доктора Фалкена в «Военных играх». Есть ещё Маньул Бхаргава [Manjul Bhargava], десять лет вынашивавший идею фильма «Человек, который познал бесконечность», и следивший за математикой во время съёмок.

Все эти люди включались в создание фильмов на очень раннем этапе. Но я решил, что если я включусь в фильм перед самым началом съёмок, у меня будет преимущество – я буду знать, что фильм, скорее всего, сделают. Заодно и роль моя была понятна – мне нужно было только подравнять науку в фильме. Мне не нужно было даже думать над тем, чтобы поменять что-то серьёзное в сюжете.

Вдохновением для фильма послужил рассказ 1998 года Теда Чианга [Ted Chiang]. Но концепция истории была сложной, бравшей начало от довольно технической идеи из математической физики – и не я один удивлялся тому, как на этом можно сделать фильм. Но вот он передо мной, сценарий на 120 страниц, содержащий немного науки из исходного рассказа, и добавивший много всего прочего. И я взялся за работу, комментируя, давая советы, предлагая исправления, и т.п.

Несколько недель спустя

Мы с моим сыном Кристофером прибыли на съёмочную площадку фильма в Монреале. В большом павильоне по соседству снимается очередной фильм серии «Люди Икс». У «Прибытия» павильон поскромнее. Мы приезжаем туда в момент, когда группа снимает сцену в вертолёте. Мы не видим актёров, но мы смотрим происходящее на мониторе вместе с парой продюсеров и другими людьми.

Первое, что я слышу, это «Я подготовила список вопросов [для инопланетян], начиная с нескольких двоичных последовательностей…». И я думаю «Ого, именно я это и предложил! Круто!». Но потом идёт новый дубль. И смена текста. И ещё дубли. И да, диалог звучит уже лучше. Но смысл не тот. И я понимаю, что это будет тяжелее, чем я думал. Много компромиссов. Много сложностей. К счастью, в итоге в фильме получился и хороший диалог, и правильный смысл.

Через некоторое время объявляется перерыв в съёмках. Мы разговариваем с Эми Адамс, играющей лингвиста, общающегося с инопланетянами. Некоторое время она ходила за местным профессором лингвистики, и увлечённо говорит о том, как сильно используемый язык определяет мышление – а этой темой, как разработчик компьютерных языков, я интересуюсь давно. Но продюсеры хотят, чтобы я говорил с Джереми Реннером, играющим физика. Он чувствует себя не в своей тарелке, и мы идём с ним в «научную палатку», построенную для съёмок, и думаем над хорошими визуальными деталями.

Пишем код

Сценарий предлагает много возможностей для создания интересных сцен. Но, несмотря на то, что мне было бы интересно их создавать, у меня на это не было времени. К счастью, у моего сына Кристофера – быстрого и творческого программиста – появился к этому интерес. Сначала мы думали отправить его работать на месте съёмок, но поскольку он был ещё совсем юным, он начал работать удалённо.

Избранная им стратегия была проста: «если бы мы по-настоящему это делали, каким бы анализом и вычислениями мы бы занимались?». У нас был список мест приземления инопланетян – какова схема их выбора? У нас есть геометрическая форма космического корабля – что она означает? У нас есть текст, «написанный» инопланетянами – что он означает?

Киношники выдавали Кристоферу сырые данные, как в реальной жизни, а он пытался их анализировать. И превращал каждый вопрос в разные варианты кода и визуализаций для Wolfram Language.

Кристофер знал о том, что часто программный код из фильмов не имеет смысла (больше всего, вне зависимости от контекста, киношникам нравятся исходники nmap.c в Linux). Но ему хотелось сделать осмысленный код, который реально занимается анализом того, что происходит в фильме.

В итоговую версию фильма вошла смесь из созданного Кристофером кода, неких его производных и отдельно добавленных текстов. Иногда можно видеть код. К примеру, есть интересный кадр с анализом письменности инопланетян, где можно увидеть довольно элегантный код на Wolfram Language в записной книжке Wolfram Language. И указанный код делает именно то, что указано в записной книжке. Это реальный код с реальными вычислениями.

Теория межзвёздных путешествий

Впервые увидев сценарий, я быстро понял, что для получения связных советов мне необходимо выработать связную научную теорию происходящего. К сожалению, времени было очень мало – в итоге у меня, по сути, был один вечер для того, чтобы изобрести правдоподобный способ межзвёздных путешествий. Вот начало комментария, написанного мною для киношников за тот вечер (не привожу его целиком, чтобы не было спойлеров):

Все эти физические детали в фильме не участвовали напрямую. Но для того, чтобы выдавать связные советы по сценарию, полезно было продумать их все. И они же привели к разным диалогам, звучащим достаточно научно-фантастически. Вот несколько фраз, не вошедших (возможно, и к лучшему) в итоговый вариант. «Весь корабль перемещается в пространстве как одна гигантская квантовая частица». «Инопланетяне, должно быть, манипулируют всей сетью пространства-времени на планковских масштабах». «Вокруг покрытия корабля создаются пространственно-временные завихрения». «Будто бы покрытие корабля состоит из атомов бесконечного числа типов, а не только из известных нам 115» (эта фраза должна была относиться к лучу лазера, отразившегося от покрытия корабля в виде радуги). Для такого «настоящего учёного», как я, это было очень интересно придумывать. Я чувствовал некое освобождение. Особенно из-за того, что один из этих НФ-диалогов может привести нас к долгой и серьёзной физической дискуссии.

Для кино требовалась некая определённая теория межзвёздных путешествий. И кто знает, может быть в отдалённом будущем она окажется верной. Но пока мы этого не знаем. Вообще, может появиться какой-нибудь «хак» существующей физики, который позволит нам мгновенно сделать возможными такие путешествия. К примеру, в 1982 я работал над теорией, позволявшей нам постоянно извлекать «энергию нулевой точки» из вакуума. С годами этот простой механизм стал одним из самых цитируемых источников энергии для межзвёздных путешествий, хотя я сам и не очень в него верю.

Возможно, существует более прозаичный способ отправить небольшой космический корабль хотя бы к ближайшим к звёздам, обеспечивая его движение при помощи давления света лазера. Или можно приручить чёрные дыры, создать искривления пространства-времени, даже согласуясь с эйнштейновской теорией гравитации. Важно понять, что даже если нам известна фундаментальная теория физики, нам может не сразу быть понятно, можно ли обеспечить перемещение быстрее света в нашей Вселенной. Можно ли каким-то образом выстроить квантовые поля, чёрные дыры, и что-нибудь там ещё? Вычислительная несводимость утверждает, что не существует верхнего ограничения сложности такой системы. В результате можно задействовать все вычислительные возможности, доступные за время жизни Вселенной, не изобрести нужную структуру, и не узнать наверняка, возможна ли она в принципе.

Физики – какие они?

Приходя на съёмочную площадку, мы рано или поздно встречаем Джереми Реннера. Он сидит на ступеньках своего трейлера, курит, и выглядит точно так, как смелые герои множества его приключенческих фильмов. Я размышляю над тем, как максимально эффективно описать, на что похожи физики. Прихожу к выводу, что нужно просто начать говорить о физике. Поэтому я начинаю объяснять теории, относящиеся к фильму. Мы рассуждаем о пространстве, времени, квантовой механике, путешествиях быстрее света, и т.п. Я добавляю немножко историй, услышанных у Ричарда Фейнмана, по поводу работы физика «в поле» над Манхэттенским проектом. Дискуссия получается энергичной, и мне интересно, похожи ли мои манеры и особенности на те, что типичны для физиков. Не могу не вспомнить, как Оливер Сакс рассказывал мне, как ему самому было жутковато наблюдать, сколько манер Робин Уильямс перенял у него для фильма «Пробуждение» после весьма недолгого общения, и мне интересно, что Джереми может перенять у меня за эти несколько часов.

Джереми стремится понять, как наука связана с сюжетом фильма, и что могли бы чувствовать как инопланетяне, так и люди. Я пытаюсь рассказать о том, как это – разбираться в природе вещей в науке. Затем я понимаю, что лучше будет показать, вживую продемонстрировав написание кода для Wolfram Language. Оказывается, что Джереми в фильме самому нужно использовать Wolfram Language (как и – мне очень радостно это говорить – множеству реальных физиков в жизни).

Кристофер показывает написанный им для фильма код, и как работают управляющие элементы для динамики. Затем мы беседуем о том, как придумывается код. Делаем какие-то тесты. Затем мы пишем код вживую. И вот первый наш пример – основанный на цифрах числа пи, которые мы обсуждали применительно к проекту SETI

Что сказать инопланетянам

Часть фильма посвящена межзвёздным перелётам. Но больше в нём развита тема коммуникаций с инопланетянами, когда они уже прибыли. Я много размышлял об инопланетном разуме. Но по большей части не так, как это представлено в фильме – а в более сложном случае, когда у нас нет инопланетян или космических кораблей, а есть только некий поток данных, например, радиопередача, по которой сложно даже понять, можно ли считать её доказательством интеллекта. Вспомним, что часто даже поведение такого явления, как погода, кажется нам достаточно сложным, чтобы производить впечатление наличия сознания.

Но в «Прибытии» чужие уже тут. И как же начать общение с ними? Нам необходимо нечто универсальное, не зависящее от деталей человеческого языка или истории. ОК, если вы встретились с чужими, можно показывать пальцем на физические объекты. Конечно, это предполагает, что у чужих есть понятия отдельных объектов вместо некоего континуума, но на это можно поставить, раз уж они сумели создать космические корабли. Но что если нужно быть более абстрактным?

Всегда можно обратиться к математике. Но является ли она на самом деле универсальной? Нужно ли строителям кораблей знать о простых числах, интегралах, рядах Фурье? Конечно, в развитии человеческой технологии эти вещи обязательны. Но бывают ли другие, возможно, лучшие, технологические пути развития? Думаю, да.

С моей точки зрения самая общая абстракция, имеющая отношение к тому, как работает Вселенная, это то, что мы получаем, рассматривая вычислительную вселенную возможных программ. Тут присутствует и математика. И бесконечное разнообразие других абстрактных наборов правил. И я уже некоторое время назад понял, что многие из них имеют смысл – и хорошо подходят – для создания технологии.

Поэтому, взглянув на вычислительную вселенную возможных программ, что можно выбрать в качестве разумных универсальных вещей, чтобы начать абстрактную дискуссию с инопланетянами?

Раз мы можем указать на отдельные объекты, можно начать разговор о числах, сначала унарно, потом, возможно, двоично. Вот начало записей, сделанных мной для фильма. Слова и код – для людей, а для чужих – просто карточки с графикой.

Что идёт после чисел и арифметики? Интересно, что даже то, что мы уже обсудили, не отражает историю человеческой математики. Несмотря на фундаментальность двоичных чисел (появляющихся даже в таких старых материалах, как И цзин), популярность они приобрели недавно – уже после появления гораздо более сложных математических идей.

Так что нам не нужно следовать истории математики или науки, или даже тому, в какой последовательности их преподают. Нам надо найти то, что можно понять напрямую, без использования слов. То, что мы бы узнали, например, глядя на артефакт, добытый из земли на археологических раскопках.

Оказывается, что существует класс вычислительных систем, которые я изучал несколько десятилетий, отлично, по моему мнению, подходящий на эту роль – клеточные автоматы. Они основаны на простых правилах, которые можно объяснить визуально. Работают они путём повторяющегося применения правил, и часто приводят к появлению сложных структур – а это, как мы знаем, может быть основой всяких интересных технологий.

Наблюдая за клеточным автоматом, можно начать строить представление обо всём мире, или, «Нового вида науки» – так я назвал книгу об этих вещах. Но что, если нам надо передать более традиционные идеи о науке и математике? Что нам делать?

Может быть, начать с двумерных геометрических фигур. Гаусс в 1820 году предложил нарисовать в сибирском лесу [точнее, высадить особым образом деревья в тундре – прим. перев.] диаграмму, представляющую теорему Пифагора, чтобы её увидели инопланетяне.

Но тут легко попасть в беду. Можно показывать Платоновы тела. Подойдут распечатки 3D-принтера. Но двумерные рисунки с перспективой зависят от того, как устроена визуальная система. С сетями ещё сложнее – откуда нам известно, что эти линии, соединяющие точки, представляют абстрактные связи?

Может быть, можно показать теоремы логики. Но как их представлять? Необходимо символическое представление – текстовое, при помощи деревьев, или как-то ещё. Из вычислительных примеров нам известно, что логика не служит идеальной точкой начала представления общих концепций. Но в 1950-х это было неизвестно, и существует очаровательная книга, пытавшаяся построить язык для общения с инопланетянами на основе логики.

Что насчёт понятий с числами? В фильме «Контакт» ключевыми стали простые числа. Несмотря на их важность в истории математики, они не особенно нужны в современной технологии, а там, где они используются (криптозащита) их появление выглядит случайным.

В радиосигнале простые числа могут служить хорошим доказательством наличия интеллекта. Но конечно, они могут быть сгенерированы программами – и довольно простыми, включая те же самые клеточные автоматы. Последовательность простых чисел не означает автоматически, что её создала разумная цивилизация. Они могли возникнуть из какой-нибудь «естественной» программы.

Визуально простые числа легко показать. Но дальнейшая работа с ними требует концепций, которые уже не так легко показать напрямую.

Очень легко попасть в ловушку очевидных для человека вещей. Один из моих любимых примеров – это Пионер 10, человеческий артефакт, продвинувшийся в космосе дальше других (сегодня это почти 18 млрд км, или 0,05% расстояния до Альфа Центавра). На нём есть табличка, на которой изображена 21 см спектральная линия водорода. Сегодня самым очевидным способом для такой репрезентации, возможно, была бы линия длиной в 21 см. Но в 1972 году Карл Саган и другие решили сделать что-нибудь «более научное», и сделали схематическую диаграмму квантово-механического процесса, приводящего к спектральной линии. Проблема в том, что диаграмма основана на человеческих соглашениях – к примеру, использовании стрелочек для обозначения квантовых спинов – которые не имеют отношения к описываемым концепциям и очень специфичны для развития человеческой науки.

Вернёмся к «Прибытию». Чтобы задать вопрос типа «какова ваша цель на Земле?», нужно пройти гораздо дальше двоичных последовательностей или клеточных автоматов. Это очень интересная проблема, которая странным образом похожа на очень важную сегодня задачу общения с ИИ и определения того, какие у них должны быть цели и задачи.

В некоем смысле, сейчас ИИ немного похожи на инопланетный интеллект. Пока что мы понимаем только человеческий интеллект. Каждый пример его применения содержит детали человеческих условий и человеческой истории. Но как выглядит интеллект, не разделяющий этих деталей?

Один из выводов той науки, которой я занимался, состоит в том, что не существует особо чёткой линии между интеллектом и вычислительными результатами. Те же клеточные автоматы или погода делают вещи, сравнимые по сложности с мозгом. В каком-то смысле и они «думают». Но не как люди. У них нет нашего контекста и наших деталей.

Но для общения на такие темы, как цели и задачи, нам нужно найти общие точки. В случае с ИИ я работаю над тем, что я сам зову «языком символического общения», над способом выражать концепции, важные для людей, и передавать их ИИ. Для этого есть немедленное практическое применение, вроде умных контрактов. Но есть и долгосрочные цели, вроде создания аналога конституции для поведения ИИ.

При общении с чужими нам нужно выработать общий универсальный язык, позволяющий нам выражать важные для нас концепции. Это нелегко. Естественные языки основаны на деталях человеческих обстоятельств и истории. Мой язык символического общения пытается передать важные для людей вещи – а не то, что может быть важным для чужих.

В «Прибытии» уже известно, что у чужих есть с нами нечто общее. Как монолит из «Космической одиссеи 2001» мы, судя по форме, устанавливаем, что космические корабли пришельцев – это артефакты. Они не выглядят как странные метеориты. Они выглядят, как нечто, изготовленное с умыслом.

Но с каким? Умысел нельзя определить абстрактно. Это можно определить лишь относительно исторической и культурной платформы. И чтобы спросить у чужих об их целях и задачах, нам необходимо для начала понять, на какой культурно-исторической платформе мы находимся.

Иногда я думаю о том дне, когда мы сможем настолько развить ИИ, что сможем задать ему вопрос об их целях. Мне кажется, нас ждёт разочарование. Поскольку, по моему мнению, не существует осмысленного абстрактного определения цели. И ИИ нам ничего неожиданного не скажет. Его определение цели будет отражением его истории и контекста. А над этим, как у создателей ИИ, у нас есть серьёзный контроль.

Но с инопланетянами всё не так. Но фильм как раз и об этом тоже.

Съёмки

Всю мою жизнь я занимался большими проектами. И мне всегда было интересно, как организованы разные большие проекты. Я один из тех людей, кто просматривает титры фильмов до конца. Так что мне было интересно посмотреть на проект создания фильма с близкого расстояния.

По масштабу, съёмки фильма типа «Прибытие» – это проект, сравнимый с выпуском новой полноценной версии Wolfram Language. Есть тут и сходства, и различия.

В обоих проектах есть идеи и творчество. Оба предполагают совместное использование множества разных навыков. Оба должны составить всё вместе для выпуска связного продукта.

В каком-то смысле киношникам легче, чем программистам. Им нужно сделать только одну вещь, на которую можно просто смотреть. В случае с ПО, и особенно, с разработкой языков, нам нужно сделать нечто, что разные люди могут использовать бесконечным количеством разных способов, включая способы, не предусмотренные нами. Конечно, всегда можно делать новые версии софта, постепенно его улучшая. Фильм можно сделать только один раз.

В вопросе управления персоналом с ПО работать легче, чем такие фильмы, как «Прибытие». У хорошо управляемой разработки софта есть постоянный ритм, у людей есть постоянная работа и постоянные команды на долгое время. Для съёмок фильма обычно привлекается большое количество людей, многие из которых могли до этого не встречаться друг с другом, на короткое время. Удивительно, что это вообще срабатывает. Думаю, что с годами многие задачи в киноиндустрии были стандартизированы, так что человек может неделю-другую работать над чем-либо, а затем успешно передать это другому.

Я руководил несколькими выпусками полноценного ПО. И можно было бы подумать, что сейчас любой такой выпуск будет простым и спокойным процессом. Но он никогда таким не бывает. Возможно, потому, что мы всегда пытаемся делать новые и инновационные вещи. Или потому, что такова природа проектов. Но я обнаружил, что для доведения проекта до хорошего качества мне всегда требуется очень сильно напрягаться. По крайней мере, в случае нашей компании, над проектом всегда работают чрезвычайно талантливые люди. Но всегда находятся неожиданные задачи, отнимающие много энергии, концентрации и усилий.

Иногда мне казалось, что наш процесс немного схож со съёмками фильмов. В ранние годы существования Mathematica у нас даже были титры, выглядевшие, как киношные. Только категории внёсших вклад людей часто придумывал я сам («ведущие разработчики модулей», «форматирование выражений», «ведущий разработчик шрифта»,..). Но лет через десять из-за множества патчей стало слишком сложно разбираться в этом, и титры исчезли. И всё равно, какое-то время я пытался организовывать вечеринки в честь окончания работы, прямо как у киношников. Но всегда находились какие-то критические проблемы или доработки, и ключевые разработчики не могли прийти на вечеринку, потому что исправляли их.

У разработки ПО – или, по крайней мере, у разработки языка – есть некая структурная схожесть со съёмками кино. Начинается всё со сценария – общей спецификации конечного продукта. Затем мы пытаемся сего создать. Неизбежно в итоге, оглядывая результат, мы понимаем, что придётся менять спецификацию. В фильмах типа «Прибытие» это происходит на завершающем этапе (пост-продакшн). В разработке ПО это очередной шаг разработки.

Мне было интересно наблюдать, как сценарий и мои предложения проходили через жизненный цикл «Прибытия». Мне это напоминало, как я веду разработку ПО: всё постепенно упрощается. Я делаю подробный комментарий по поводу исправления диалога. «Вы не должны говорить об уходе от счисления, ваш персонаж слишком аналитически настроен». «Вы не должны говорить, что космический корабль прошёл миллион световых лет. Это будет вне галактики. Скажите лучше триллион миль». Вносятся изменения. Но затем всё упрощается, и основная идея передаётся неким минималистичным способом. Я не видел всех шагов, но результаты сильно напомнили мне о разработке софта – урезать все сложности и сделать всё наиболее ясным и простым.

Сможете ли вы заполнить доску?

Мой вклад в «Прибытие» в основном происходил во время съёмок фильма в начале лета 2015 года. Почти год после этого я слышал, что фильм находится на завершающем этапе. Но внезапно в мае я получил емейл: не могу ли я по-быстрому для фильма заполнить связной физикой доску?

В фильме есть сцена с Эми Адамс перед доской, и оказалось, что то, что было на ней написано, относилось к физике старших классов – а не к тому, что можно было бы ожидать от физиков уровня персонажа Джереми Реннера.

Я удивился, поскольку понял, что мне не приходилось особенно много работать на белой доске для маркеров. Для всей работы и презентаций в течение 30 лет я использовал компьютеры, а до того использовались доски для мела и плёночные проекторы. Но я честно установил у себя в офисе маркерную доску и начал писать на ней (а от руки я пишу уже очень редко) то, что, по моему мнению, должен был бы написать хороший физик, пытающийся понять внезапно возникшие межзвёздные путешествия.

Вот, что я придумал. Пустые промежутки сделаны, чтобы туда легче было встроить передвигающуюся перед доской Эми Адамс. Для итоговой версии фильма доску ещё раз переписали, поэтому в фильме она отличается от фото ниже.

Я представлял себя на месте персонажа Джереми Реннера или его коллег, которые записывают стоящие идеи по поводу космического корабля и соответствующие им формулы. Через некоторое время у меня получилась неплохая история из физических фактов и гипотез.

Вот она.

1. Возможно, у корабля такая странная форма, поскольку он вращается во время движения и создаёт гравитационные волны.
2. Возможно, она оптимизирована для максимизации интенсивности некоего рисунка гравитационного излучения.
3. Формула Эйнштейна для силы гравитационного излучения, испускаемого массой с изменяющимся распределением. Q_ij — квадрупольный момент распределения, вычисляемый из указанного интеграла.
4. Элементы высшего порядка, зависящие от мультипольных моментов высшего порядка, вычисляемые указанными интегралами плотности массы корабля ρ(Ω) взвешенные по сферическим гармоникам.
5. Гравиволны приведут к изменениям в структуре пространства-времени, представляемым 4-мерным тензором h_μν
6. Возможно, корабль как-то «плывёт» через пространство-время, питаемый эффектами от этих гравиволн.
7. Возможно, вокруг покрытия корпуса корабля создаётся гравитационная турбулентность, со степенными корреляциями, похожая на те, что возникают вокруг движущихся в жидкости объектов (или же корабль «кипятит» пространство-время вокруг себя).
8. Уравнение Папапетру эволюции тензора спина в ОТО, как функции от времени τ.
9. Уравнение геодезического движения, описывающее движение объектов в искривлённом пространстве-времени. Γ – символ Кристоффеля, определяемый структурой пространства-времени. И да, эти уравнения можно решать при помощи NDSolve в Wolfram Language.
10. Уравнение Эйнштейна для гравитационного поля, порождаемого движущейся массой (поле определяет движение массы, которая сама влияет на поле).
11. Другая идея – отрицательная масса космического корабля, или хотя бы отрицательное давление. Давление фотонного газа составляет 1/3 ρ; самая распространённая версия тёмной энергии имеет давление -ρ.
12. Уравнение для тензора момента энергии, определяющее комбинацию массы, давления и скорости, встречается в релятивистских вычислениях для идеальных жидкостей.
13. Возможно, корабль – это пузырь с иной структурой пространства-времени. Стрелочка указывает на нарисованную ранее на доске форму корабля.
14. Имеют ли значение символы Кристоффеля («коэффициенты связи на касательно расслоённом пространстве») для формы корабля, согласно расчётам на основании его пространственного метрического тензора?
15. Гравиволну можно описать как возмущение метрики пространства-времени по отношению к плоскому фону пространства Минковского, на котором действует СТО.
16. Уравнение распространения гравиволны, учитывающее первые несколько нелинейных эффектов, из-за которых волна влияет сама на себя.
17. Релятивистское уравнение Больцмана, описывающее движение и столкновение в газе Бозе-Эйнштейна таких частиц, как гравитоны.
18. Отвлечённая идея: вероятно, есть возможность создать «лазер» из гравитонов вместо фотонов, и корабль работает на этом принципе.
19. Лазеры – это квантовый феномен. Это диаграмма Фейнмана взаимодействия гравитонов в полости (у фотонов нет таких прямых нелинейных взаимодействий друг с другом).
20. Как сделать зеркало для гравитонов? Возможно, это метаматериал со специальной микроскопической структурой вплоть до планковских масштабов.
21. В лазерах используются когерентные состояния из суперпозиций бесконечного множества фотонов, формирующиеся бесконечно вложенными операторами рождения, применёнными к теоретическому вакууму квантового поля.
22. Для этого есть диаграмма Фейнмана: это самосогласованное уравнение Бете — Солпитера для связанного гравитона, которое может быть связанным с гравитонным лазером.
23. Основные нелинейные взаимодействия гравитонов в возмущённом приближении квантовой гравитации.
24. Возможный уточняющий член для действия Эйнштейна-Гилберта из ОТО для квантовых эффектов.

Понимаю, эти объяснения сами могут казаться инопланетным языком! Но и они достаточно скромны по сравнению с языком «полноценной физики». Давайте же я объясню попроще физическую историю с доски.

Начинается она с очевидного свойства корабля: у него необычная асимметричная форма. Он выглядит, как кельтский камень, который может начать вращение в одну сторону, а затем поменять направление. И я подумал: может, корабль вращается. И любой массивный несферический вращающийся объект будет создавать гравитационные волны. Обычно они слишком слабы для обнаружения, но если объект будет достаточно массивным или скорость вращения – достаточно большой, то волны тоже могут быть сильными. И действительно, в прошлом году после 30-летних поисков были обнаружены гравитационные волны от двух вращающихся друг вокруг друга и объединяющихся чёрных дыр – и их получилось обнаружить на расстоянии в треть наблюдаемой Вселенной. Ускоряющиеся массы создают гравитационные волны так же, как ускоряющиеся электрические заряды создают электромагнитные.

Представим, что корабль быстро вращается так, что создаёт много гравиволн. А что, если бы мы могли запереть эти волны в ограниченном пространстве, используя движение самого корабля? Тогда мы получили бы интерференцию. А что, если они будут когерентно усиливаться, как в лазере? Тогда они станут сильнее и начнут влиять на движение корабля – возможно, проталкивая его через пространство-время.

Но почему волны будут усиливаться? В обычном лазере, использующем фотоны (частицы света) необходимо постоянно создавать новые фотоны, накачивая энергию в материал. Фотоны – это частицы Бозе-Эйнштейна (бозоны), поэтому они склонны «вести себя одинаково» – поэтому свет лазера представляет собой когерентную волну. Электроны – это фермионы, а значит, они пытаются не делать одно и то же, что приводит к принципу запрета, критичному для стабильности материи.

Можно представить, что световые волны состоят из фотонов; так и гравиволны могут состоять из гравитонов (хотя у нас для них пока нет полноценной теории). Фотоны сами с собой не взаимодействуют – проще говоря, поскольку фотоны реагируют с такими частицами, как электроны, имеющими электрический заряд, а у фотонов заряда нет. Гравитоны же взаимодействуют друг с другом – из-за того, что они взаимодействуют со всем, что обладает энергией, а сами они ею обладают.

Такие нелинейные взаимодействия могут приводить к необычным эффектам. К примеру, глюоны в квантовой хромодинамике нелинейно взаимодействуют таким образом, что остаются заключёнными внутри таких частиц, как протоны, будто бы «склеенные» вместе. Не совсем ясно, к чему приведут нелинейные взаимодействия гравитонов. Возможно, к самоподдерживающемуся «гравитонному лазеру».

Формулы наверху описывают создание и эффект гравиволн. Нижние относятся к гравитонам и их взаимодействиям. Верхние относятся к ОТО. Нижние – это смесь классического и квантового подходов к гравитонам и их взаимодействиям. Диаграммы – это диаграммы Фейнмана, схематически показывающие распространение гравитонов сквозь пространство-время.

Я не знаю, возможен ли на самом деле гравитонный лазер, и как бы он работал. Но в обычном фотонном лазере фотоны, по сути, скачут внутри некоей полости, чьи стенки работают как зеркала. К сожалению, мы не знаем, как сделать зеркало для гравитонов – так же, как не знаем, как закрыться от гравитационного поля (таким щитом была бы тёмная материя, если она реально существует). На доске я указал догадки на тему возможности изготовления метаматериала планковских масштабов 10^-34 метра (где квантовые эффекты становятся важными для гравитации), который мог бы работать зеркалом для гравитонов. Другая возможность состоит в работе гравитонного лазера на принципе лазера на свободных электронах без полостей.

Помните, я хотел написать на доске то, что хороший физик, выдернутый из государственной лаборатории, мог бы подумать, столкнувшись с ситуацией из фильма. Это более «общепринятые» вещи по сравнению с тем, что лично я придумал для межзвёздных путешествий. Но это оттого, что моя теория зависит от других моих идей по поводу работы фундаментальной физики, которые пока ещё не стали общепринятыми в физическом обществе.

Какова же верная теория для межзвёздных путешествий? Я не знаю. Я бы очень удивился, если бы главная теория, выдуманная мною для фильма, или теория на доске оказались бы верными. Но кто знает? Конечно же, было бы очень кстати, если бы к нам прилетели инопланетяне на космических кораблях, чтобы показать нам, что межзвёздные полёты возможны.

Какова ваша цель на Земле?

Если инопланетяне появятся на Земле, одним из очевидных вопросов будет: зачем вы здесь? Какова ваша цель? Об этом персонажи фильма много рассуждают. И когда мы с Кристофером были на съёмках, нас попросили сделать список возможных ответов, который можно было бы поместить на доске или на планшете. Вот, что мы придумали:

• Колонизация.
• Добыча ископаемых.
• Торговля.
• Филантропия.
• Евангелизм.
• Туризм.
• Завоевания и экспансия.
• Зоология, этнология, геология.
• Расширение межзвёздной сети сообщений.
• Картирование Вселенной.
• Любопытство.
• Обучение.
• Тест технологий.
• Поиск убежища.
• Случайность.
• Ритуальная традиция.
• Нечто непонятное для людей.
• Просто так.

Я уже отмечал, что сам принцип цели – это нечто, тесно связанное с культурным и другими контекстами. Интересно, что при составлении такого списка в разные исторические моменты люди размещали бы в нём разные пункты. Также интересно, какие цели ИИ и люди могут преследовать в будущем. Возможно, я слишком пессимистичен, но мне кажется, что у будущих людей, ИИ и инопланетян ответ на этот вопрос будет лежать в вычислительной вселенной возможностей – для которой у нас сегодня нет слов и понятий.

И вот оно кино

Кино получилось неплохим, ранние отзывы радуют. Очень интересно видеть в нём такие вещи (и код Кристофера):

Участвовать в его создании было интересно, это стимулировало. Я стал лучше понимать, что включает в себя создание всех тех фильмов, что я смотрю – и чего стоит объединить науку с захватывающим вымыслом. Также я начал задавать научные вопросы, до которых раньше не доходил – связанные при этом со всеми теми вещами, что мне интересны.

Не могу не думать о том, что было бы, если бы инопланетяне и в самом деле прибыли на Землю. Мне хочется думать, что поучаствовав в создании «Прибытия» я немного больше к этому готов. И конечно же, если их корабли будут напоминать гигантские кельтские камни, у нас для этого уже есть неплохой код на Wolfram Language.