Время не является фоном, иллюзией или возникающим феноменом, оно имеет физический размер, который можно измерить в лабораториях. Трудно представить себе вневременную вселенную, но не потому, что время — технически сложное или философски неуловимое понятие. Есть и более структурная причина: представление о безвременье требует, чтобы прошло время. Даже когда вы пытаетесь представить себе его отсутствие, вы чувствуете, как он движется, когда меняются ваши мысли, ваше сердце перекачивает кровь в мозг, а образы, звуки и запахи перемещаются вокруг вас. Кажется, что время никогда не останавливается. Вы можете даже почувствовать себя вплетенным в ее постоянно движущуюся ткань, ощущая, как Вселенная собирается воедино и распадается на части. Но так ли на самом деле работает время?
Согласно Альберту Эйнштейну, наше восприятие прошлого, настоящего и будущего — это не более чем ‘упрямо сохраняющаяся иллюзия’. Согласно Исааку Ньютону, время — это не более чем фон, находящийся за пределами жизни. А согласно законам термодинамики, время — это не что иное, как энтропия и тепло. В истории современной физики никогда не существовало общепринятой теории, в которой движущееся, направленное ощущение времени было бы фундаментальным. Многие из наших самых основных описаний природы – от законов движения до свойств молекул и материи – похоже, существуют во вселенной, где время на самом деле не течет. Однако недавние исследования в самых разных областях предполагают, что движение времени может быть более важным, чем когда-то предполагало большинство физиков.
Новая форма физики, называемая теорией сборки, предполагает, что движущееся, направленное ощущение времени реально и фундаментально. Это говорит о том, что сложные объекты в нашей Вселенной, созданные жизнью, включая микробы, компьютеры и города, не существуют вне времени: они невозможны без движения времени. С этой точки зрения течение времени присуще не только эволюции жизни или нашему восприятию Вселенной. Это также постоянно движущаяся материальная ткань самой Вселенной. Время — это объект. Он имеет физический размер, как пространство. И это можно измерить на молекулярном уровне в лабораториях.
Объединение времени и пространства радикально изменило траекторию развития физики в 20 веке. Это открыло новые возможности для того, как мы думаем о реальности. Что могло бы сделать объединение времени и материи в нашем столетии? Что происходит, когда время становится объектом?
Для Ньютона время было фиксированным. В его законах движения и гравитации, которые описывают, как объекты меняют свое положение в пространстве, время является абсолютным фоном. Ньютоновское время проходит, но никогда не меняется. И это взгляд на время, который сохраняется в современной физике – даже в волновых функциях квантовой механики время является фоном, а не фундаментальной характеристикой. Однако для Эйнштейна время не было абсолютным. Это было относительно каждого наблюдателя. Он описал наше восприятие течения времени как ‘упрямо сохраняющуюся иллюзию’. Эйнштейновское время — это то, что измеряется тиканьем часов; пространство измеряется с помощью галочек на линейках, которые фиксируют расстояния. Изучая относительные движения тикающих часов и делений на линейках, Эйнштейн смог объединить концепции того, как мы измеряем пространство и время, в единую структуру, которую мы теперь называем «пространством-временем’. В этой структуре пространство бесконечно, и все точки существуют одновременно. Но время, как описал его Эйнштейн, также обладает этим свойством, что означает, что все времена – прошлое, настоящее и будущее — одинаково реальны. Результат иногда называют «блочной вселенной», которая содержит все, что происходило и будет происходить в пространстве и времени. Сегодня большинство физиков поддерживают концепцию блочной вселенной. Но вселенная блоков была взломана еще до того, как она появилась. В начале 1800-х годов, почти за столетие до того, как Эйнштейн разработал концепцию пространства-времени, Николя Леонар Сади Карно и другие физики уже подвергали сомнению представление о том, что время является либо фоном, либо иллюзией. Эти вопросы продолжались и в 19 веке, когда физики, такие как Людвиг Больцман, также начали обращать свое внимание на проблемы, связанные с новым видом технологии: двигателем.
Хотя двигатели можно было воспроизвести механически, физики не знали точно, как они функционируют. Ньютоновская механика была обратимой, а двигатели — нет. Солнечная система Ньютона работала одинаково хорошо, двигаясь вперед или назад во времени. Однако, если вы управляли автомобилем и у него закончилось топливо, вы не смогли бы запустить двигатель задним ходом, вернуть выделившееся тепло и слить топливо. Физики в то время подозревали, что двигатели должны подчиняться определенным законам, даже если эти законы были неизвестны. Они обнаружили, что двигатели не функционируют до тех пор, пока время не пройдет и не будет иметь определенного направления. Используя разницу в температуре, двигатели обеспечивают передачу тепла от теплых деталей к холодным. С течением времени разница температур уменьшается, и можно выполнять меньше ‘работы’. В этом суть второго закона термодинамики (также известного как закон энтропии), который был предложен Карно и позже статистически объяснен Больцманом. Закон описывает способ, которым двигатель с течением времени может выполнять менее полезную «работу». Вы должны время от времени заправлять свой автомобиль, и энтропия всегда должна увеличиваться.
Действительно ли мы живем во вселенной, которая не нуждается во времени как в фундаментальной характеристике? Это имеет смысл в контексте двигателей или других сложных объектов, но это бесполезно, когда имеешь дело с одной частицей. Бессмысленно говорить о температуре отдельной частицы, потому что температура — это способ количественной оценки средней кинетической энергии многих частиц. В законах термодинамики течение и направленность времени считаются эмерджентным свойством, а не фоном или иллюзией – свойством, связанным с поведением большого числа объектов. В то время как термодинамическая теория объясняла, что время должно иметь направленность в своем течении, это свойство не было фундаментальным. В физике ‘фундаментальные’ свойства зарезервированы для тех свойств, которые не могут быть описаны другими терминами. Таким образом, стрела времени в термодинамике считается «возникающей», поскольку ее можно объяснить в терминах более фундаментальных понятий, таких как энтропия и теплота.
Чарльз Дарвин, работавший в период между эпохой паровых двигателей Карно и появлением блочной вселенной Эйнштейна, был одним из первых, кто ясно увидел, как жизнь должна существовать во времени. В заключительном предложении книги «О происхождении видов» (1859) он красноречиво отразил эту перспективу: «Пока эта планета вращалась в соответствии с неизменным законом всемирного тяготения, с такого простого начала эволюционировали и продолжают эволюционировать бесконечные формы, самые красивые и чудесные». Появление «бесконечных форм» Дарвина может быть объяснено только во вселенной, где время существует и имеет четкую направленность.
За последние несколько миллиардов лет жизнь эволюционировала от одноклеточных организмов к сложным многоклеточным организмам. Она эволюционировала от простых обществ к густонаселенным городам, а теперь и к планете, потенциально способной воспроизводить свою жизнь в других мирах. Этим вещам требуется время, чтобы появиться на свет, потому что они могут возникнуть только в результате процессов отбора и эволюции. Мы думаем, что прозрение Дарвина недостаточно глубоко. Эволюция точно описывает изменения, наблюдаемые в различных формах жизни, но она делает гораздо больше: это единственный физический процесс в нашей Вселенной, который может порождать объекты, которые мы ассоциируем с жизнью. Это включает в себя бактерии, кошек и деревья, а также такие вещи, как ракеты, мобильные телефоны и города. Ни один из этих объектов не возникает спонтанно, несмотря на то, что, как утверждают популярные теории современной физики, может произойти. Эти объекты не являются случайными совпадениями. Вместо этого все они требуют, чтобы «память» о прошлом была создана в настоящем. Они должны создаваться с течением времени – времени, которое постоянно движется вперед. И все же, согласно Ньютону, Эйнштейну, Карно, Больцману и другим, время либо не существует, либо просто возникает.
Времена физики и эволюции несовместимы. Но это не всегда было очевидно, потому что физика и эволюция имеют дело с разными типами объектов. Физика, в частности квантовая механика, имеет дело с простыми и элементарными объектами: кварками, лептонами и частицами-переносчиками силы стандартной модели. Поскольку эти объекты считаются простыми, для их создания Вселенной не требуется ‘память’ (при условии наличия достаточного количества энергии и ресурсов). Думайте о «памяти» как о способе описания записи действий или процессов, которые необходимы для создания данного объекта. Когда мы переходим к дисциплинам, связанным с эволюцией, таким как химия и биология, мы обнаруживаем объекты, которые слишком сложны, чтобы их можно было производить в изобилии мгновенно (даже при наличии энергии и материалов). Для их создания требуется память, накопленная с течением времени. Как понимал Дарвин, некоторые объекты могут возникнуть только в результате эволюции и отбора определенных «записей» из памяти для их создания. Эта несовместимость создает ряд проблем, которые могут быть решены только путем радикального отхода от существующих подходов физики ко времени – особенно если мы хотим объяснить жизнь. В то время как современные теории квантовой механики могут объяснить определенные особенности молекул, такие как их стабильность, они не могут объяснить существование ДНК, белков, РНК или других крупных и сложных молекул. Аналогичным образом, говорят, что второй закон термодинамики приводит к возникновению стрелы времени и объясняет, как организмы преобразуют энергию, но он не объясняет направленность времени, при которой бесконечные формы создаются в эволюционных временных масштабах без какого-либо окончательного равновесия или тепловой смерти биосферы в поле зрения. Квантовая механика и термодинамика необходимы для объяснения некоторых особенностей жизни, но их недостаточно. Эти и другие проблемы привели нас к разработке нового подхода к физике времени, который мы назвали теорией сборки. Он описывает, какой объем памяти должен существовать для того, чтобы возникла молекула или комбинация молекул – объектов, из которых состоит жизнь. В теории сборки эта память измеряется во времени как свойство молекулы, фокусируясь на минимальном объеме памяти, необходимом для возникновения этой молекулы (или молекул). Теория сборки количественно оценивает отбор, делая время свойством объектов, которые могли возникнуть только в результате эволюции.
Мы начали разрабатывать эту новую физику с рассмотрения того, как жизнь возникает в результате химических изменений. Химия жизни действует комбинаторно, поскольку атомы соединяются, образуя молекулы, и возможные комбинации растут с каждой дополнительной связью. Эти комбинации состоят примерно из 92 природных элементов, которые, по оценкам химиков, могут быть объединены для создания до 1060 различных молекул – 1, за которыми следуют 60 нулей. Чтобы стать полезной, каждая отдельная комбинация должна быть воспроизведена миллиарды раз – подумайте, сколько молекул требуется для создания даже одной клетки, не говоря уже о насекомом или человеке. Создание копий любого сложного объекта требует времени, поскольку каждый шаг, необходимый для его сборки, включает в себя поиск в огромном комбинаторном пространстве, чтобы выбрать, какие молекулы примут физическую форму.
Комбинаторные пространства, по-видимому, проявляются там, где существует жизнь. Рассмотрим макромолекулярные белки, которые живые существа используют в качестве катализаторов внутри клеток. Эти белки состоят из более мелких молекулярных строительных блоков, называемых аминокислотами, которые объединяются, образуя длинные цепочки, обычно длиной от 50 до 2000 аминокислот. Если бы каждый возможный белок длиной в 100 аминокислот был собран из 20 наиболее распространенных аминокислот, образующих белки, результат заполнил бы не только нашу Вселенную, но и 1023 вселенных.
Photo by Donna Enriquez/Flickr
Трудно представить себе пространство, в котором находятся все возможные молекулы. В качестве аналогии рассмотрим комбинации, которые вы можете построить с помощью данного набора кирпичиков Lego. Если бы набор содержал только два кубика, количество комбинаций было бы невелико. Однако, если бы набор содержал тысячи деталей, как, например, модель Тадж-Махала из 5923 деталей Lego, количество возможных комбинаций было бы астрономическим. Если бы вам конкретно нужно было построить Тадж–Махал в соответствии с инструкциями, пространство возможностей было бы ограничено, но если бы вы могли построить любой объект Lego из этих 5923 деталей, произошел бы комбинаторный взрыв возможных конструкций, которые можно было бы построить — возможности растут экспоненциально с каждым добавляемым вами дополнительным блоком. Если бы вы соединяли две конструкции Lego, которые вы уже построили, каждую секунду, вы не смогли бы исчерпать все возможные объекты размером с набор Lego Taj Mahal в пределах возраста Вселенной. Фактически, любое пространство, построенное комбинаторно даже из нескольких простых строительных блоков, будет обладать этим свойством. Это включает в себя все возможные клеточноподобные объекты, построенные на основе химии, все возможные организмы, построенные из различных типов клеток, все возможные языки, построенные на основе слов или высказываний, и все возможные компьютерные программы, построенные на основе всех возможных наборов команд. Закономерность здесь заключается в том, что комбинаторные пространства, по-видимому, проявляются тогда, когда существует жизнь. То есть жизнь очевидна, когда пространство возможностей настолько велико, что Вселенная должна выбрать только часть этого пространства для существования. Теория сборки предназначена для формализации этой идеи. В теории сборки объекты создаются комбинаторно из других объектов, и точно так же, как вы могли бы использовать линейку, чтобы измерить, насколько велик данный объект в пространстве, теория сборки предоставляет меру, называемую «индекс сборки», для измерения того, насколько велик объект во времени.
Набор Lego Taj Mahal в этой аналогии эквивалентен сложной молекуле. Воспроизведение определенного объекта, например набора Lego, не случайным образом требует выбора в пространстве всех возможных объектов. То есть на каждом этапе строительства из огромного числа возможных комбинаций, которые могли бы быть построены, должны быть выбраны конкретные объекты или наборы объектов. Наряду с выбором также требуется «память»: информация, содержащаяся в существующих объектах, необходима для сборки конкретного нового объекта, который реализуется в виде последовательности шагов, которые могут быть выполнены за ограниченное время, подобно инструкциям, необходимым для сборки Lego Taj Mahal. Для создания более сложных объектов требуется больше памяти. В теории сборки сложность объектов возрастает с течением времени в процессе отбора. По мере того как объекты становятся более сложными, их уникальные части будут увеличиваться, а это означает, что локальная память также должна увеличиваться. Эта «локальная память» представляет собой причинно-следственную цепочку событий в том, как объект сначала «обнаруживается» путем выделения, а затем создается в нескольких копиях. Например, в исследованиях происхождения жизни химики изучают, как молекулы собираются вместе, чтобы стать живыми организмами. Чтобы химическая система самопроизвольно возникла как «жизнь», она должна самовоспроизводиться, образуя или катализируя самоподдерживающиеся сети химических реакций. Но как химическая система «узнает», какие комбинации следует создавать? Мы можем наблюдать «локальную память» в действии в этих сетях молекул, которые «научились» химически связываться друг с другом определенным образом. По мере увеличения требований к памяти вероятность того, что объект был создан случайно, падает до нуля, поскольку количество альтернативных комбинаций, которые не были выбраны, просто слишком велико. Объект, будь то Тадж-Махал Lego или сеть молекул, может быть создан и воспроизведен только с помощью памяти и процесса конструирования. Но память есть не везде, она локальна в пространстве и времени. Это означает, что объект может быть создан только там, где есть локальная память, которая может направлять выбор того, какие части куда и когда помещать.
В теории сборки «отбор» относится к тому, что возникло в пространстве возможных комбинаций. Формально это описывается с помощью номера копии объекта и его сложности. Число копий или концентрация — это понятие, используемое в химии и молекулярной биологии, которое относится к тому, сколько копий молекулы присутствует в данном объеме пространства. В теории сборки сложность так же важна, как и количество копий. Очень сложная молекула, которая существует только в единственном экземпляре, не имеет значения. Что представляет интерес для теории сборки, так это сложные молекулы с высоким числом копий, что указывает на то, что молекула была создана в результате эволюции. Это измерение сложности также известно как ‘индекс сборки’ объекта. Это значение связано с объемом физической памяти, необходимым для хранения информации, необходимой для управления сборкой объекта и задания направленности во времени от простого к сложному. И хотя память должна существовать в окружающей среде, чтобы объект появился на свет, в теории сборки память также является неотъемлемой физической характеристикой объекта. На самом деле, это и есть объект.
Жизнь – это нагромождения объектов, создающих другие объекты, которые создают другие объекты — это объекты, создающие объекты, вплоть до конца. Некоторые объекты появились сравнительно недавно, такие как синтетические «вечные химикаты», изготовленные из фторорганических химических соединений. Другие появились миллиарды лет назад, такие как фотосинтезирующие растительные клетки. Разные объекты имеют разную глубину во времени. И эта глубина напрямую связана как с индексом сборки объекта, так и с номером копии, которые мы можем объединить в число: количество, называемое «Сборка», или A. Чем выше номер сборки, тем глубже объект находится во времени.
Чтобы измерить сборку в лаборатории, мы химически анализируем объект, чтобы подсчитать, сколько копий данной молекулы он содержит. Затем мы определяем сложность объекта, известную как индекс его молекулярной сборки, путем подсчета количества содержащихся в нем частей. Эти молекулярные части, подобно аминокислотам в белковой цепочке, часто определяются путем определения индекса молекулярной сборки объекта – теоретического номера сборки. Но мы не делаем теоретических выводов. Мы «подсчитываем» молекулярные компоненты объекта, используя три метода визуализации: масс-спектрометрию, инфракрасную спектроскопию и спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Примечательно, что количество компонентов, которые мы подсчитали в молекулах, соответствует их теоретическим номерам сборки. Это означает, что мы можем измерить индекс сборки объекта непосредственно с помощью стандартного лабораторного оборудования.
Высокий номер сборки – высокий индекс сборки и высокий номер копии – указывает на то, что она может быть надежно изготовлена чем-то в ее среде. Это может быть клетка, которая конструирует молекулы с высокой степенью сборки, такие как белки, или химик, который производит молекулы с еще более высокой степенью сборки, такие как противораковый препарат Таксол (паклитаксел). Сложные объекты с большим числом копий возникли не случайно, а являются результатом процесса эволюции или отбора. Они формируются не в результате серии случайных встреч, а путем отбора во времени. Более конкретно, на определенную глубину во времени.
Это все равно что подбрасывать в воздух 5923 детали Lego Taj Mahal и ожидать, что они спонтанно соберутся вместе. Это сложная концепция. Даже химикам трудно постичь эту идею, поскольку легко представить, что «сложные» молекулы образуются в результате случайных взаимодействий с окружающей средой. Однако в лабораторных условиях случайные взаимодействия часто приводят к получению «смолы», а не объектов высокой степени сборки. Деготь — это худший кошмар химика, беспорядочная смесь молекул, которые невозможно идентифицировать по отдельности. Это часто встречается в экспериментах по изучению происхождения жизни. В эксперименте американского химика Стэнли Миллера «пребиотический суп», проведенном в 1953 году, аминокислоты, которые образовались сначала, превращались в месиво неопределяемой черной массы, если эксперимент проводился слишком долго (и исследователи не применяли никакого отбора, чтобы остановить происходящие химические изменения). Проблема в этих экспериментах заключается в том, что комбинаторное пространство возможных молекул настолько велико для объектов с высокой степенью сборки, что никакие конкретные молекулы не образуются в большом количестве. Результатом является «деготь».
Это все равно что подбрасывать в воздух 5923 детали из набора Lego Taj Mahal и ожидать, что они спонтанно соберутся вместе в точности так, как указано в инструкции. Теперь представьте, что вы берете детали из 100 коробок одного и того же набора Lego, подбрасываете их в воздух и ожидаете получить 100 копий точно такого же здания. Вероятности невероятно малы и могут быть равны нулю, если теория сборки находится на правильном пути. Это так же вероятно, как самопроизвольное превращение разбитого яйца. Но как насчет сложных объектов, которые возникают естественным образом, без отбора или эволюции? А как насчет снежинок, минералов и сложных штормовых систем? В отличие от объектов, порожденных эволюцией и отбором, их не нужно объяснять через их «глубину во времени’. Несмотря на сложность по отдельности, они не обладают высокой ценностью при сборке, поскольку формируются случайным образом и не требуют для создания памяти. У них низкое количество копий, потому что они никогда не существуют в идентичных экземплярах. Нет двух одинаковых снежинок, и то же самое относится к минералам и штормовым системам.
Теория сборки меняет не только то, как мы думаем о времени, но и то, как мы определяем саму жизнь. Применяя этот подход к молекулярным системам, должно быть возможно измерить, была ли молекула образована в результате эволюционного процесса. Это означает, что мы можем определить, какие молекулы могли образоваться только в результате живого процесса, даже если этот процесс включает химические процессы, отличные от земных. Таким образом, теория сборки может функционировать как универсальная система обнаружения жизни, которая работает путем измерения индексов сборки и количества копий молекул в живых или неживых образцах.
В наших лабораторных экспериментах мы обнаружили, что только живые образцы производят молекулы с высокой степенью сборки. Наши команды и соавторы воспроизвели это открытие, используя аналитический метод, называемый масс-спектрометрией, при котором молекулы из образца «взвешиваются» в электромагнитном поле, а затем разбиваются на куски с использованием энергии. Разбиение молекулы на кусочки позволяет нам измерить ее индекс сборки, подсчитав количество уникальных частей, которые она содержит. Благодаря этому мы можем определить, сколько этапов потребовалось для получения молекулярного объекта, а затем количественно оценить его глубину во времени с помощью стандартного лабораторного оборудования.
Чтобы проверить нашу теорию о том, что объекты высокой степени сборки могут быть созданы только живыми существами, следующим шагом было тестирование живых и неживых образцов. Наши команды смогли взять образцы молекул со всей Солнечной системы, включая разнообразные живые, окаменелые и абиотические системы на Земле. Эти твердые образцы камня, костей, плоти и других форм вещества были растворены в растворителе, а затем проанализированы с помощью масс-спектрометра высокого разрешения, который может идентифицировать структуру и свойства молекул. Мы обнаружили, что только живые системы производят большое количество молекул с индексом сборки, превышающим экспериментально определенное значение в 15 шагов. Граница между 13 и 15 является резкой, что означает, что молекулы, образованные в результате случайных процессов, не могут пройти дальше 13 ступеней. Мы думаем, что это указывает на фазовый переход, когда физика эволюции и отбора должна взять верх над другими формами физики, чтобы объяснить, как образовалась молекула.
Эти эксперименты подтверждают, что в жизни, по–видимому, встречаются только объекты с достаточно высоким числом сборок – очень сложные и скопированные молекулы. Что еще более интересно, так это то, что мы можем найти эту информацию, ничего больше не зная о присутствующей молекуле. Теория сборки может определить, были ли молекулы из любой точки Вселенной получены в результате эволюции или нет, даже если мы не знаем, какая химия используется. Возможность обнаружения живых систем в других частях галактики является захватывающей, но еще более захватывающей для нас является возможность нового вида физики и нового объяснения жизни. Являясь эмпирическим показателем объектов, однозначно производимых эволюцией, Assembly открывает более общую теорию жизни. Если теория верна, то ее наиболее радикальный философский вывод заключается в том, что время существует как материальное свойство сложных объектов, созданных эволюцией. То есть, точно так же, как Эйнштейн радикализировал наше представление о времени, объединив его с пространством, теория сборки указывает на радикально новую концепцию времени, объединив его с материей.
Теория сборки объясняет эволюционировавшие объекты, такие как сложные молекулы, биосферы и компьютеры. Это радикально, потому что, как мы отмечали, время никогда не было фундаментальным в истории физики. Ньютон и некоторые квантовые физики рассматривают это как фон. Эйнштейн думал, что это иллюзия. И в работах тех, кто изучает термодинамику, это понимается просто как возникающее свойство. Теория сборки рассматривает время как фундаментальное и материальное: время — это вещество, из которого состоят вещи во Вселенной. Объекты, созданные отбором и эволюцией, могут формироваться только с течением времени. Но не думайте об этом времени как о размеренном тиканье часов или последовательности календарных лет. Время — это физический атрибут. Подумайте об этом с точки зрения сборки, измеримого внутреннего свойства глубины или размера молекулы во времени. Эта идея радикальна, потому что она также позволяет физике объяснить эволюционные изменения. Физика традиционно изучала объекты, которые Вселенная может спонтанно собирать, такие как элементарные частицы или планеты. Теория сборки, с другой стороны, объясняет эволюционировавшие объекты, такие как сложные молекулы, биосферы и компьютеры. Эти сложные объекты существуют только в тех родословных, где была получена информация, специфичная для их конструкции.
Если мы проследим эти родословные назад, от происхождения жизни на Земле до происхождения Вселенной, было бы логично предположить, что в прошлом «память» Вселенной была ниже. Это означает, что способность Вселенной генерировать объекты высокой степени сборки фундаментально ограничена ее размером во времени. Точно так же, как грузовик с полуприцепом не поместится в стандартном домашнем гараже, некоторые объекты слишком велики по времени, чтобы появиться на свет с интервалами, меньшими, чем их индекс сборки. Чтобы в нашей Вселенной существовали такие сложные объекты, как компьютеры, сначала должны были сформироваться многие другие объекты: звезды, тяжелые элементы, жизнь, инструменты, технологии и абстракция вычислений. Это требует времени и в значительной степени зависит от траектории из-за причинно-следственных связей каждого внедренного нововведения. Ранняя Вселенная, возможно, не была способна к вычислениям в том виде, в каком мы ее знаем, просто потому, что еще не существовало достаточной истории. Время должно было пройти и быть материально воплощено посредством выбора составляющих компьютер объектов. То же самое касается конструкций Lego, больших языковых моделей, новых фармацевтических препаратов, ‘техносферы’ или любого другого сложного объекта. Последствия того, что объекты обладают внутренней материальной глубиной во времени, имеют далеко идущие последствия. Во вселенной блоков все рассматривается как статичное и существующее одновременно. Это означает, что объекты не могут быть упорядочены по их глубине во времени, а отбор и эволюция не могут быть использованы для объяснения того, почему существуют одни объекты, а не другие. Переосмысление времени как физического измерения сложной материи и установление направленности времени могло бы помочь нам решить такие вопросы. Превращение времени в материал с помощью теории сборки объединяет несколько запутанных философских концепций, связанных с жизнью, в одной измеримой структуре. В основе этой теории лежит индекс сборки, который измеряет сложность объекта. Это поддающийся количественной оценке способ описания эволюционной концепции отбора, показывающий, сколько альтернатив было исключено для получения данного объекта. Каждый шаг в процессе сборки объекта требует информации, памяти, чтобы указать, что следует добавлять или изменять, а что нет. Например, при строительстве Lego Taj Mahal мы должны выполнить определенную последовательность шагов, каждый из которых ведет нас к окончательному зданию. Каждый неверный шаг — это ошибка, и если мы совершим слишком много ошибок, мы не сможем построить узнаваемую структуру. Для копирования объекта требуется информация о шагах, которые ранее были необходимы для создания аналогичных объектов.
Это делает теорию сборки каузальной теорией физики, потому что лежащая в основе структура пространства сборки – полный спектр требуемых комбинаций – упорядочивает вещи в цепочке причинно-следственных связей. Каждый шаг опирается на ранее выбранный шаг, и каждый объект опирается на ранее выбранный объект. Если бы мы удалили какие-либо шаги в пути сборки, конечный объект не был бы создан. Модные словечки, часто ассоциирующиеся с физикой жизни, такие как «теория», «информация», «память», «причинно-следственная связь» и «отбор», материальны, потому что сами объекты кодируют правила, помогающие создавать другие ‘сложные’ объекты. Это могло бы иметь место при взаимном катализе, когда объекты взаимно создают друг друга. Таким образом, в теории сборки время — это, по сути, то же самое, что информация, память, причинно-следственная связь и отбор. Все они становятся физическими, потому что мы предполагаем, что они являются характеристиками объектов, описанных в теории, а не законами поведения этих объектов. Теория сборки вновь привносит в физику расширяющееся, движущееся ощущение времени, показывая, что его течение — это материал, из которого состоят сложные объекты: размер будущего увеличивается со сложностью.
Эта новая концепция времени могла бы решить многие нерешенные проблемы в фундаментальной физике. Первое и самое главное — это спор между детерминизмом и случайностью. Эйнштейн, как известно, сказал, что Бог «не играет в кости», и многие физики до сих пор вынуждены делать вывод, что детерминизм остается в силе, а наше будущее закрыто. Но идея о том, что начальные условия Вселенной или любого другого процесса определяют будущее, всегда была проблемой. В теории сборки будущее определено, но не раньше, чем оно произойдет. Если то, что существует сейчас, определяет будущее, а то, что существует сейчас, больше и более информационно насыщено, чем было в прошлом, то возможные варианты будущего также увеличиваются по мере того, как объекты становятся более сложными. Это происходит потому, что в настоящем существует больше истории, из которой можно собрать новые будущие состояния. Отношение ко времени как к материальному свойству создаваемых им объектов позволяет создавать новшества в будущем.
Новизна имеет решающее значение для нашего понимания жизни как физического феномена. Наша биосфера — это объект, возраст которого по меркам часового времени составляет по меньшей мере 3,5 миллиарда лет (сборка — это другая мера времени). Но как же начиналась жизнь? Что позволило живым системам развить интеллект и сознание? Традиционная физика предполагает, что жизнь ‘возникла’. Концепция возникновения отражает то, как на более высоких уровнях пространственной организации появляются новые структуры, которые невозможно предсказать с более низких уровней. Примерами могут служить влажность воды, которая не может быть предсказана по отдельным молекулам воды, или способ, которым живые клетки состоят из отдельных неживых атомов. Однако объекты, которые традиционная физика считает возникающими, становятся фундаментальными в теории сборки. С этой точки зрения, «эмерджентность» объекта — насколько он отличается от представлений физика об элементарных строительных блоках – зависит от того, насколько глубоко он залегает во времени. Это указывает нам на истоки жизни, но мы также можем двигаться в другом направлении.
Если мы на правильном пути, теория сборки предполагает, что время имеет фундаментальное значение. Это предполагает, что изменения не измеряются часами, а закодированы в цепочках событий, которые порождают сложные молекулы с разной глубиной во времени. Собранные из локальной памяти на просторах комбинаторного пространства, эти объекты фиксируют прошлое, действуют в настоящем и определяют будущее. Это означает, что Вселенная расширяется во времени, а не в пространстве – или, возможно, пространство возникает из времени, как предполагают многие современные теории квантовой гравитации. Хотя Вселенная может быть полностью детерминированной, ее расширение во времени подразумевает, что будущее невозможно полностью предсказать даже в принципе. Будущее Вселенной более безгранично, чем мы могли бы предсказать.
Время может быть постоянно движущейся тканью, благодаря которой мы воспринимаем вещи, сходящиеся воедино и расходящиеся врозь. Но ткань не просто движется – она расширяется. Когда время — это объект, будущее — это размер Вселенной.
Опубликовано совместно с Институтом Санта-Фе, стратегическим партнером Aeon.
Фото: Красноглазая древесная лягушка, недалеко от вулкана Ареналь, Коста-Рика. Фото Бена Робертса/Panos Pictures