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Wie könnte ein außerirdisches Raumschiff funktionieren?

Die Geschichte des Films "Arrival" (ohne Spoiler), erzählt vom wissenschaftlichen Berater des Films, Stephen Wolfram


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Kontaktieren Sie Hollywood


"Ein interessantes Szenario", sagte einer unserer PR-Mitarbeiter [bei Wolfram]. Wir sind es bereits gewohnt, Anfragen von Filmunternehmen zu erhalten, unsere Grafiken, Poster oder Bücher in Filmen zu zeigen. Aber diesmal war es anders: Wir wurden gefragt, ob wir schnell realistische Dinge für ein großes Hollywood-Science-Fiction-Filmprojekt schaffen könnten, das wir gleich drehen werden.

In unserem Unternehmen landen ungewöhnliche Aufgaben normalerweise in meinem Posteingang. So kam es, dass ich dank einer Kombination aus Entspannung und beruflichem Interesse in den letzten Jahrzehnten fast alle gängigen NF-Filme gesehen habe. Aber aufgrund des Arbeitstitels „Die Geschichte Ihres Lebens“ konnte ich nicht einmal verstehen, ob es sich um einen NF-Film handeln würde und worum es geht.

Als ich dann erfuhr, dass es in dem Film um den ersten Kontakt mit Außerirdischen ging, sagte ich: "Natürlich werde ich das Drehbuch lesen." Und ja, das Drehbuch war interessant. Anspruchsvoll aber interessant. Mir war nicht klar, ob es in dem Film mehr um NF oder um Liebe geht. Aber es gab wirklich interessante Hinweise auf die Wissenschaft - obwohl sie mit sinnlosem Unsinn vermischt waren und gelegentlich wissenschaftliche Fehler auftraten.



Beim Anschauen von NF-Filmen ärgere ich mich oft und denke: "Jemand hat 100 Millionen Dollar für einen Film ausgegeben und so schreckliche wissenschaftliche Fehler gemacht, dass es so einfach wäre, sie zu beheben, wenn er die richtige Person fragt." Deshalb habe ich beschlossen, dass ich, obwohl ich sehr beschäftigt bin, an dem teilnehmen muss, was jetzt als „Ankunft“ bezeichnet wird, und so viel wie möglich zum wissenschaftlichen Ansatz beitragen muss.

Ich denke, es gibt mehrere Gründe, warum Hollywood-Filme keinen angemessenen wissenschaftlichen Ansatz haben. Erstens spüren Filmemacher den wissenschaftlichen Hintergrund ihrer Bilder nicht. Auf Haushaltsebene können sie herausfinden, dass etwas nicht stimmt - aber im Fall des wissenschaftlichen Ansatzes reicht ihr Wissen nicht aus. Manchmal rufen sie die örtliche Universität an und bitten um Hilfe, aber oft werden sie zu einem hochspezialisierten Akademiker geschickt, dessen Hilfe darin besteht, ihnen zu sagen, dass ihre ganze Geschichte falsch ist. Natürlich hat das Befolgen der Wissenschaft meistens keinen großen Einfluss auf den Erfolg des Films. Aber es scheint mir, dass ein solches Follow-up dazu beitragen kann, aus einem guten Film einen großartigen zu machen.

Unsere Firma hat Erfahrung in der Arbeit mit Hollywood, zum Beispiel haben wir die ganze Mathematik für sechs Staffeln der Fernsehserie Numb3rs geschrieben. Persönlich war ich vorher nicht in Filme involviert, aber viele meiner Freunde arbeiteten in den Filmen. Jack Horner arbeitete am Jurassic Park , mit dem Ergebnis, dass er hinter fast allen paläontologischen Theorien steht, einschließlich derer, die sich als falsch herausstellten. Kip Thorne (bekannt für den jüngsten Triumph der Erkennung von Gravitationswellen ) war die Hauptkraft hinter Interstellar . Er machte die ursprünglichen Effekte für das Schwarze Loch mit Mathematica. Vor ihm waren Marvin Minsky , ein ehemaliger Berater des Films " Space Odyssey 2001 ", und Ed Fredkin , der zum Vorbild des Exzentrikers Dr. Falken in "wurde.Kriegsspiele . “Es gibt auch Manjul Bhargava , der seit zehn Jahren die Idee des Films„ Der Mann, der die Unendlichkeit kennt “entwickelt hat und der während der Dreharbeiten der Mathematik folgte. Alle diese Leute waren sehr früh daran beteiligt, Filme zu machen. Aber ich entschied mich Wenn ich mich gleich zu Beginn der Dreharbeiten dem Film anschließe, habe ich einen Vorteil - ich werde wissen, was der Film wahrscheinlich tun wird. Gleichzeitig war meine Rolle verständlich - ich musste nur die Wissenschaft im Film ausgleichen. Ich musste nicht einmal nachdenken schwer zu etwas ernst in der Handlung zu verändern. Breathe Die Geschichte für 1998 war Ted Chiang



]. Aber das Konzept der Geschichte war komplex und entstand aus einer eher technischen Idee der mathematischen Physik - und ich war nicht der einzige, der überrascht war, wie der Film darüber gemacht werden konnte. Aber hier ist es vor mir, ein 120-seitiges Skript, das ein bisschen Wissenschaft aus der ursprünglichen Geschichte enthält und viele andere Dinge hinzufügt. Und ich musste arbeiten, kommentieren, Ratschläge geben, Korrekturen vorschlagen usw.

Ein paar Wochen später


Mein Sohn Christopher und ich kamen am Filmset in Montreal an. Im großen Pavillon nebenan wird der nächste Film der X-Men- Serie gedreht . Bei "Ankunft" ist der Pavillon bescheidener. Wir kommen dort zu einer Zeit an, als die Gruppe eine Szene in einem Hubschrauber filmt. Wir sehen die Schauspieler nicht, aber wir beobachten mit ein paar Produzenten und anderen Leuten, was auf dem Monitor passiert.

Das erste, was ich höre, ist "Ich habe eine Liste von Fragen [für Außerirdische] vorbereitet, beginnend mit ein paar binären Sequenzen ...". Und ich denke: „Wow, das habe ich vorgeschlagen! Cool! " Aber dann kommt eine neue Einstellung. Und die Änderung des Textes. Und noch mehr Duplikate. Und ja, der Dialog klingt schon besser. Aber die Bedeutung ist nicht dieselbe. Und ich verstehe, dass es schwieriger sein wird als ich dachte. Viele Kompromisse. Viele Schwierigkeiten. Zum Glück stellte sich heraus, dass der Film ein guter Dialog und die richtige Bedeutung war.

Nach einer Weile wird eine Drehpause angekündigt. Wir sprechen mit Amy Adams , die eine Linguistin spielt, die mit Außerirdischen kommuniziert. Für eine Weile ging sie zu einer lokalen Professorin für Linguistik und spricht begeistert darüber, wie stark die Sprache das Denken definiert - und dieses Thema hat mich als Entwicklerin von Computersprachen schon lange interessiert. Aber die Produzenten wollen, dass ich mit Jeremy Renner , einem Physiker, spreche. Er fühlt sich nicht wohl und wir gehen mit ihm in das "Wissenschaftszelt", das zum Filmen gebaut wurde, und denken über gute visuelle Details nach.



Einen Code schreiben


Das Skript bietet viele Möglichkeiten, interessante Szenen zu erstellen. Aber trotz der Tatsache, dass ich daran interessiert wäre, sie zu erstellen, hatte ich keine Zeit dafür. Glücklicherweise interessierte sich mein Sohn Christopher, ein schneller und kreativer Programmierer, dafür. Zuerst wollten wir ihn zur Arbeit vor Ort schicken, aber da er noch sehr jung war, begann er aus der Ferne zu arbeiten.

Seine Strategie war einfach: "Wenn wir das wirklich tun würden, welche Analyse und Berechnung würden wir durchführen?" Wir hatten eine Liste von außerirdischen Landeplätzen - wie sieht das Muster für ihre Auswahl aus? Wir haben die geometrische Form eines Raumschiffs - was bedeutet das? Wir haben einen Text, der von Außerirdischen „geschrieben“ wurde - was bedeutet das?



Filmemacher gaben Christopher Rohdaten wie im wirklichen Leben und er versuchte sie zu analysieren. Und er verwandelte jede Frage in verschiedene Versionen von Code und Visualisierungen für Wolfram Language .

Christopher wusste, dass der Programmcode aus Filmen oft keinen Sinn ergibt (vor allem, unabhängig vom Kontext, mögen Filmemacher nmap.c-Quellen unter Linux). Aber er wollte einen aussagekräftigen Code erstellen, der wirklich analysiert, was im Film passiert.




Die endgültige Version des Films enthielt eine Mischung aus dem von Christopher erstellten Code, einigen seiner Ableitungen und separat hinzugefügten Texten. Manchmal kann man den Code sehen. Zum Beispiel gibt es eine interessante Aufnahme mit einer Analyse des Schreibens von Außerirdischen, in der Sie einen ziemlich eleganten Wolfram Language-Code im Wolfram Language-Notizbuch sehen können. Und der angegebene Code macht genau das, was im Notizbuch angegeben ist. Dies ist echter Code mit echten Berechnungen.

Theorie des interstellaren Reisens


Als ich das Drehbuch zum ersten Mal sah, wurde mir schnell klar, dass ich eine kohärente wissenschaftliche Theorie darüber entwickeln musste, was geschah, um kohärente Ratschläge zu erhalten. Leider blieb nur sehr wenig Zeit - am Ende hatte ich im Grunde einen Abend, um eine glaubwürdige Art des interstellaren Reisens zu erfinden. Hier ist der Anfang eines Kommentars, den ich an diesem Abend für Filmemacher geschrieben habe (ich bringe ihn nicht vollständig mit, damit es keine Spoiler gibt):



Alle diese physischen Details im Film waren nicht direkt beteiligt. Um jedoch kohärente Ratschläge zum Drehbuch zu geben, war es nützlich, alle durchzudenken. Und sie führten auch zu verschiedenen Dialogen, die ziemlich Science-Fiction klangen. Hier sind einige Sätze, die in der endgültigen Version nicht enthalten waren (vielleicht zum Besseren). "Das ganze Schiff bewegt sich im Weltraum wie ein riesiges Quantenteilchen." „Außerirdische müssen das gesamte Raum-Zeit-Netzwerk auf einer Planck-Skala manipulieren". "Um die Schiffsabdeckung herum entstehen räumlich-zeitliche Turbulenzen." "Als ob die Schiffsabdeckung aus Atomen einer unendlichen Anzahl von Typen besteht, und nicht nur aus den uns bekannten 115" (dieser Ausdruck sollte sich auf einen Laserstrahl beziehen, der in Form eines Regenbogens von der Schiffsabdeckung reflektiert wird). Für einen so "echten Wissenschaftler" wie mich war es sehr interessant, sich etwas auszudenken. Ich fühlte eine gewisse Befreiung. Insbesondere aufgrund der Tatsache, dass einer dieser NF-Dialoge zu einer langen und ernsthaften physischen Diskussion führen kann.

Das Kino erforderte eine bestimmte Theorie des interstellaren Reisens. Und wer weiß, vielleicht wird es sich in ferner Zukunft als wahr herausstellen. Aber das wissen wir bisher nicht. Im Allgemeinen kann ein gewisser „Hack“ der vorhandenen Physik auftretenDies ermöglicht es uns, solche Reisen sofort zu ermöglichen. Zum Beispiel arbeitete ich 1982 an einer Theorie , die es uns ermöglichte, ständig „Nullpunkt-Energie“ aus einem Vakuum zu extrahieren. Im Laufe der Jahre hat sich dieser einfache Mechanismus zu einer der am häufigsten genannten Energiequellen für interstellare Reisen entwickelt, obwohl ich selbst nicht wirklich daran glaube.

Vielleicht gibt es eine prosaischere Möglichkeit, ein kleines Raumschiff zumindest zum nächstgelegenen zu den Sternen zu schicken und seine Bewegung mithilfe des Laserlichtdrucks bereitzustellen. Oder Sie können Schwarze Löcher zähmen , Raum-Zeit-Krümmungen erzeugen, selbst in Übereinstimmung mit der Einstein-Gravitationstheorie. Es ist wichtig zu verstehen, auch wenn wir die grundlegende Theorie der Physik kennenEs ist uns möglicherweise nicht sofort klar, ob es möglich ist, Bewegung in unserem Universum schneller als Licht zu gewährleisten . Gibt es eine Möglichkeit, Quantenfelder, Schwarze Löcher und irgendetwas anderes zu bauen? Die rechnerische Irreduzibilität behauptet, dass es keine Obergrenze für die Komplexität eines solchen Systems gibt. Infolgedessen ist es möglich, alle während des Lebens des Universums verfügbaren Rechenfähigkeiten zu nutzen, die notwendige Struktur nicht zu erfinden und nicht sicher zu wissen, ob dies im Prinzip möglich ist.

Physiker - was sind sie?


Früher oder später treffen wir Jeremy Renner. Er sitzt auf den Stufen seines Wohnwagens, raucht und sieht genauso aus wie die tapferen Helden vieler seiner Abenteuerfilme. Ich überlege, wie ich am besten beschreiben kann, wie Physiker aussehen. Ich komme zu dem Schluss, dass Sie nur anfangen müssen, über Physik zu sprechen. Also fange ich an, Theorien zu erklären, die sich auf den Film beziehen. Wir sprechen über Raum, Zeit, Quantenmechanik, Reisen schneller als Licht usw. Ich füge ein paar Geschichten hinzu, die Richard Feynman über die Arbeit des Physikers „vor Ort“ am Manhattan-Projekt gehört hat . Die Diskussion erweist sich als energisch, und ich frage mich, ob meine Manieren und Merkmale denen ähneln, die für Physiker typisch sind. Ich kann nicht anders, als mich daran zu erinnern, wie Oliver SachsEr erzählte mir, wie beängstigend er war, zu beobachten, wie viele Manieren Robin Williams ihm nach einem sehr kurzen Gespräch für den Film Awakening abgenommen hatte, und ich frage mich, was Jeremy in diesen wenigen Stunden von mir nehmen kann.

Jeremy versucht zu verstehen, wie sich die Wissenschaft auf die Handlung des Films bezieht und was Außerirdische und Menschen fühlen könnten. Ich versuche darüber zu sprechen, wie es ist, die Natur der Dinge in der Wissenschaft zu verstehen. Dann verstehe ich, dass es besser ist, es zu zeigen, indem man Live-Code für Wolfram Language demonstriert. Es stellt sich heraus, dass Jeremy selbst im Film die Wolfram-Sprache verwenden muss (wie - ich freue mich sehr, das zu sagen - vielen echten Physikern im Leben).

Christopher zeigt den Code, den er für den Film geschrieben hat, und wieSteuerelemente für die Dynamikarbeit. Dann sprechen wir darüber, wie Code erfunden wird. Wir machen eine Art Tests. Dann schreiben wir den Code live. Und hier ist unser erstes Beispiel - basierend auf den pi-Zahlen, die wir im Zusammenhang mit dem SETI-Projekt besprochen haben



Was soll ich Außerirdischen sagen?


Ein Teil des Films handelt von interstellaren Flügen. Aber das Thema Kommunikation mit Außerirdischen ist darin weiter entwickelt, wenn sie bereits angekommen sind. Ich habe viel über den fremden Geist nachgedacht . Aber zum größten Teil nicht so, wie es im Film dargestellt wird - sondern im komplizierteren Fall, wenn wir keine Außerirdischen oder Raumschiffe haben, sondern nur einen bestimmten Datenstrom, zum Beispiel eine Radiosendung, bei der es schwierig ist zu verstehen, ob dies als Beweis angesehen werden kann Intelligenz . Denken Sie daran, dass uns oft sogar das Verhalten eines Phänomens wie des Wetters komplex genug erscheint, um den Eindruck der Präsenz des Bewusstseins zu erwecken.

Aber in der "Ankunft" sind die Fremden schon hier. Und wie kann man mit ihnen kommunizieren? Wir brauchen etwas Universelles, unabhängig von den Details der menschlichen Sprache oder Geschichte. OK, wenn Sie Fremde getroffen haben, können Sie mit dem Finger auf physische Objekte zeigen. Dies deutet natürlich darauf hin, dass Fremde die Konzepte einzelner Objekte anstelle eines bestimmten Kontinuums haben, aber Sie können dies darauf setzen, da sie es geschafft haben, Raumschiffe zu erstellen. Aber was ist, wenn Sie abstrakter sein müssen?

Sie können sich jederzeit der Mathematik zuwenden. Aber ist es wirklich universell? Müssen Schiffsbauer über Primzahlen, Integrale und Fourier-Reihen Bescheid wissen? Natürlich sind diese Dinge bei der Entwicklung der menschlichen Technologie erforderlich. Aber gibt es andere, möglicherweise bessere technologische Entwicklungspfade? Ich denke ja.

Aus meiner Sicht ist die allgemeinste Abstraktion in Bezug auf die Funktionsweise des Universums das, was wir erhalten, wenn wir das Computeruniversum möglicher Programme betrachten. Es gibt auch Mathematik . Und die endlose Vielfalt anderer abstrakter Regelsätze. Und vor einiger Zeit wurde mir klar, dass viele von ihnen sinnvoll und gut geeignet sind, um Technologie zu schaffen .

Wenn man sich also das Computeruniversum möglicher Programme ansieht, was kann als vernünftige universelle Sache ausgewählt werden, um eine abstrakte Diskussion mit Außerirdischen zu beginnen?

Da wir auf einzelne Objekte verweisen können, können wir ein Gespräch über Zahlen beginnen, zuerst unär, dann möglicherweise binär. Hier ist der Anfang der Aufnahmen, die ich für den Film gemacht habe. Wörter und Code sind für Menschen, aber für Fremde - nur Karten mit Grafiken.



Was kommt nach Zahlen und Rechnen? Interessanterweise spiegelt selbst das, was wir bereits besprochen haben, nicht die Geschichte der menschlichen Mathematik wider. Trotz der fundamentalen Natur von Binärzahlen (die sogar in so alten Materialien wie I Ging vorkommen ) haben sie in letzter Zeit an Popularität gewonnen - nach dem Erscheinen viel komplexerer mathematischer Ideen.

Wir müssen also nicht der Geschichte der Mathematik oder Naturwissenschaften oder der Reihenfolge folgen, in der sie unterrichtet werden. Wir müssen etwas finden, das ohne die Verwendung von Worten direkt verstanden werden kann. Was wir zum Beispiel lernen würden, wenn wir ein Artefakt betrachten , das an archäologischen Stätten aus der Erde gewonnen wurde .

Es stellt sich heraus, dass es eine Klasse von Computersystemen gibt, die ich seit mehreren Jahrzehnten studiere und die meiner Meinung nach hervorragend für diese Rolle geeignet sind - zellulare Automaten . Sie basieren auf einfachen Regeln, die visuell erklärt werden können. Sie wiederholen die Anwendung der Regeln und führen häufig zum Auftreten komplexer Strukturen - und dies kann bekanntlich die Grundlage für alle Arten interessanter Technologien sein.



Wenn Sie den zellularen Automaten beobachten, können Sie beginnen, eine Vorstellung von der ganzen Welt zu entwickeln, oder "Eine neue Art von Wissenschaft " - wie ich das Buch über diese Dinge nannte. Aber was ist, wenn wir traditionellere Ideen über Wissenschaft und Mathematik vermitteln müssen? Was sollen wir tun?



Beginnen Sie vielleicht mit zweidimensionalen geometrischen Formen. 1820 schlug Gauß vor, im sibirischen Wald zu zeichnen [ genauer gesagt, Bäume in besonderer Weise in eine Tundra zu pflanzen - ca. transl.] ein Diagramm, das den Satz von Pythagoras darstellt, damit Außerirdische es sehen können.

Aber es ist leicht, in Schwierigkeiten zu geraten. Sie können platonische Körper zeigen. 3D-Druckerausdrucke sind geeignet. Zweidimensionale Zeichnungen mit Perspektive hängen jedoch davon ab, wie das visuelle System angeordnet ist. Netzwerke sind noch komplizierter - woher wissen wir, dass diese Linien, die die Punkte verbinden, abstrakte Verbindungen darstellen?

Vielleicht können wir die Sätze der Logik zeigen . Aber wie präsentiert man sie? Sie benötigen eine symbolische Darstellung - textuell, mit Hilfe von Bäumen oder irgendwie anders. Aus Berechnungsbeispielen wissen wir, dass Logik kein idealer Ausgangspunkt für die Darstellung allgemeiner Konzepte ist. In den 1950er Jahren war dies jedoch unbekannt, und es gibt ein charmantes Buch , in dem versucht wurde, eine Sprache für die Kommunikation mit Außerirdischen auf der Grundlage von Logik zu entwickeln.



Was ist mit Konzepten mit Zahlen? Im Film " Kontakt"Primzahlen sind zum Schlüssel geworden. Trotz ihrer Bedeutung in der Geschichte der Mathematik werden sie in der modernen Technologie nicht besonders benötigt, und wo sie verwendet werden (Kryptoschutz), erscheint ihr Aussehen zufällig.

In einem Funksignal können Primzahlen als guter Beweis für Intelligenz dienen. Aber natürlich sie können durch das Programm erzeugt werden - und ganz einfach, einschließlich der gleichen zellulären Automaten Folge der Primzahlen nicht automatisch bedeuten , dass es intelligente Zivilisation geschaffen hat , sie von einem „e sein könnte .. natürlich „Programm.

Visuell Primzahlen ist leicht zu zeigen. Aber die weitere Arbeit mit ihnen erfordert Konzepte , die direkt nicht so leicht zu zeigen sind.



Es ist sehr leicht, in die Falle von Dingen zu geraten, die für den Menschen offensichtlich sind. Eines meiner Lieblingsbeispiele ist Pioneer 10 , ein menschliches Artefakt, das im Weltraum am weitesten fortgeschritten ist (heute sind es fast 18 Milliarden km oder 0,05% der Entfernung zu Alpha Centauri). Darauf befindet sich eine Platte, die die 21 cm lange Spektrallinie von Wasserstoff zeigt. Heute wäre der naheliegendste Weg für eine solche Darstellung wahrscheinlich eine 21 cm lange Linie. 1972 beschlossen Karl Sagan und andere, etwas „Wissenschaftlicheres“ zu tun, und erstellten ein schematisches Diagramm eines quantenmechanischen Prozesses, der zu einer Spektrallinie führte. Das Problem ist, dass das Diagramm auf menschlichen Konventionen basiert - zum Beispiel der Verwendung von Pfeilen zur Anzeige von Quantenspins -, die nicht mit den beschriebenen Konzepten zusammenhängen und für die Entwicklung der Humanwissenschaft sehr spezifisch sind.

Kommen wir zurück zur Ankunft. Um eine Frage wie „Was ist Ihr Ziel auf der Erde?“ Zu stellen, muss man viel weiter gehen als binäre Sequenzen oder zellulare Automaten. Dies ist ein sehr interessantes Problem, das auf seltsame Weise der sehr wichtigen Aufgabe ähnelt, heute mit der KI zu kommunizieren und zu bestimmen, welche Ziele und Aufgaben sie haben sollten.

In gewisser Weise sind AIs jetzt ein bisschen wie außerirdische Intelligenz. Bisher verstehen wir nur die menschliche Intelligenz. Jedes Anwendungsbeispiel enthält Einzelheiten zu menschlichen Bedingungen und zur menschlichen Geschichte. Aber wie sieht ein Intellekt aus, der diese Details nicht teilt?

Eine der Schlussfolgerungen der Wissenschaft, die ich gemacht habe, ist, dass es keine besonders klare Grenze zwischen Intelligenz und Rechenergebnissen gibt. Dieselben zellulären Automaten oder das Wetter machen Dinge, deren Komplexität mit der des Gehirns vergleichbar ist. In gewissem Sinne denken sie auch. Aber nicht wie Menschen. Sie haben nicht unseren Kontext und unsere Details.

Um jedoch über Themen wie Ziele und Vorgaben zu kommunizieren, müssen wir gemeinsame Punkte finden. Im Fall von KI arbeite ich an dem, was ich selbst als " Sprache der symbolischen Kommunikation " bezeichne, um Konzepte auszudrücken, die für Menschen wichtig sind, und sie an KI weiterzugeben. Hierfür gibt es eine unmittelbare praktische Anwendung, beispielsweise für intelligente Verträge. Es gibt jedoch langfristige Ziele, beispielsweise die Schaffung eines Analogons zur Konstitution für das KI-Verhalten.

Wenn wir mit Fremden kommunizieren, müssen wir eine gemeinsame universelle Sprache entwickeln, die es uns ermöglicht, Konzepte auszudrücken, die für uns wichtig sind. Das ist nicht einfach. Natürliche Sprachen basieren auf den Details der menschlichen Umstände und der Geschichte. Meine Sprache der symbolischen Kommunikation versucht, wichtige Dinge für Menschen zu vermitteln - und nicht etwas, das für Fremde wichtig sein kann.

In „Arrival“ ist bereits bekannt, dass Fremde etwas mit uns gemeinsam haben. Als Monolith aus der Space Odyssey 2001 stellen wir nach der Form fest, dass außerirdische Raumschiffe Artefakte sind. Sie sehen nicht aus wie seltsame Meteoriten. Sie sehen aus wie etwas, das mit Absicht gemacht wurde.

Aber womit? Absicht kann nicht abstrakt definiert werden. Dies kann nur in Bezug auf die historische und kulturelle Plattform festgestellt werden. Und um Fremde nach ihren Zielen zu fragen, müssen wir zunächst verstehen, auf welcher kulturellen und historischen Plattform wir uns befinden.

Manchmal denke ich an den Tag, an dem wir KI so sehr entwickeln können, dass wir ihm eine Frage zu ihren Zielen stellen können. Es scheint mir, dass Enttäuschung auf uns wartet. Da es meiner Meinung nach keine aussagekräftige abstrakte Definition eines Ziels gibt. Und die KI wird uns nichts Unerwartetes erzählen. Seine Definition des Zwecks wird seine Geschichte und seinen Kontext widerspiegeln. Und darüber haben wir als Schöpfer der KI ernsthafte Kontrolle.

Bei Außerirdischen ist dies jedoch nicht der Fall. Aber auch darum geht es im Film.

Dreharbeiten


Mein ganzes Leben lang war ich an großen Projekten beteiligt. Und ich war immer daran interessiert, wie verschiedene große Projekte organisiert wurden. Ich bin einer von denen, die sich bis zum Ende Filmkredite ansehen. Daher war es für mich interessant, das Projekt zur Erstellung eines Films aus nächster Nähe zu betrachten.

Im Maßstab ist das Drehen eines Films wie Arrival ein Projekt, das mit der Veröffentlichung einer neuen vollwertigen Version von Wolfram Language vergleichbar ist. Es gibt Ähnlichkeiten und Unterschiede.

Beide Projekte haben Ideen und Kreativität. Beide beinhalten das Teilen vieler verschiedener Fähigkeiten. Beide müssen zusammengefügt werden, um ein zusammenhängendes Produkt zu erhalten.

In gewisser Weise sind Filmemacher einfacher als Programmierer. Sie müssen nur eine Sache tun, die Sie sich nur ansehen können. Im Fall von Software und insbesondere bei der Entwicklung von Sprachen müssen wir etwas tun, das verschiedene Menschen auf unendlich viele verschiedene Arten verwenden können, einschließlich Methoden, die nicht von uns bereitgestellt werden. Natürlich können Sie jederzeit neue Softwareversionen erstellen und diese schrittweise verbessern. Ein Film kann nur einmal gemacht werden.

In Bezug auf das Personalmanagement ist es einfacher, mit Software zu arbeiten als mit Filmen wie "Arrival". Eine gut verwaltete Softwareentwicklung hat einen konstanten Rhythmus, die Leute haben lange Zeit konstante Arbeit und konstante Teams. Eine große Anzahl von Menschen zieht es normalerweise an, für kurze Zeit einen Film zu drehen, von denen sich viele vielleicht noch nie zuvor getroffen haben. Überraschenderweise funktioniert dies im Allgemeinen. Ich denke, dass im Laufe der Jahre viele Aufgaben in der Filmindustrie standardisiert wurden, so dass eine Person ein oder zwei Wochen lang an etwas arbeiten und es dann erfolgreich auf eine andere übertragen kann.

Ich leitete mehrere Releases vollwertiger Software. Und man würde denken, dass ein solches Problem jetzt ein einfacher und ruhiger Prozess wäre. Aber er ist es nie. Vielleicht, weil wir immer versuchen, neue und innovative Dinge zu tun. Oder weil dies die Natur der Projekte ist. Aber ich fand, dass ich immer sehr hart arbeiten muss, um das Projekt auf eine gute Qualität zu bringen. Zumindest in unserem Unternehmen arbeiten immer äußerst talentierte Leute an dem Projekt. Es gibt jedoch immer unerwartete Aufgaben, die viel Energie, Konzentration und Anstrengung erfordern.

Manchmal schien es mir, dass unser Prozess ein bisschen wie das Filmen eines Films ist. In den frühen Jahren von Mathematica hatten wir sogar Bildunterschriften, die wie Filmkredite aussahen. Ich habe mir oft selbst die Kategorien der beitragenden Personen ausgedacht ("führende Modulentwickler", "Ausdrucksformatierung", "führender Schriftentwickler" usw.). Aber nach zehn Jahren wurde es aufgrund vieler Patches zu schwierig, dies zu verstehen, und die Credits verschwanden. Und trotzdem habe ich einige Zeit versucht, Partys zu Ehren des Arbeitsende zu organisieren, genau wie die Filmemacher. Es gab jedoch immer einige kritische Probleme oder Verbesserungen, und wichtige Entwickler konnten nicht zur Party kommen, weil sie diese korrigierten.

Die Softwareentwicklung - oder zumindest die Sprachentwicklung - weist einige strukturelle Ähnlichkeiten mit dem Filmen eines Films auf. Alles beginnt mit einem Skript - einer allgemeinen Spezifikation des Endprodukts. Dann versuchen wir dies zu schaffen. Wenn wir uns am Ende das Ergebnis ansehen, verstehen wir unweigerlich, dass wir die Spezifikation ändern müssen. In Filmen wie "Arrival" geschieht dies in der Endphase (Postproduktion). In der Softwareentwicklung ist dies ein weiterer Entwicklungsschritt.

Es war interessant für mich zu beobachten, wie das Drehbuch und meine Vorschläge den Lebenszyklus von „Ankunft“ durchliefen. Es erinnerte mich daran, wie ich Softwareentwicklung durchführe: Alles wird allmählich vereinfacht. Ich mache einen detaillierten Kommentar zur Korrektur des Dialogs. "Du solltest nicht darüber reden, tote Abrechnungen zu vermeiden; dein Charakter ist zu analytisch abgestimmt." „Man sollte nicht sagen, dass ein Raumschiff eine Million Lichtjahre vergangen ist. Es wird außerhalb der Galaxie sein. Sagen Sie besser eine Billion Meilen. " Änderungen werden vorgenommen. Aber dann wird alles vereinfacht und die Hauptidee auf eine Art minimalistische Weise vermittelt. Ich habe nicht alle Schritte gesehen, aber die Ergebnisse haben mich stark an die Entwicklung von Software erinnert - um alle Schwierigkeiten zu verringern und alles so klar und einfach wie möglich zu gestalten.

Kannst du die Tafel füllen?


Mein Beitrag zu Arrival war hauptsächlich während der Dreharbeiten im Frühsommer 2015. Fast ein Jahr später hörte ich, dass der Film in der Endphase ist. Aber plötzlich im Mai erhielt ich eine E-Mail: Kann ich schnell eine plausible Physik-Tafel für einen Film ausfüllen?

Es gibt eine Szene im Film mit Amy Adams vor der Tafel, und es stellte sich heraus, dass das, was darauf geschrieben stand, mit der Physik der High School zu tun hatte - und nicht mit dem, was man von Physikern des Charakters Jeremy Renner erwarten würde.

Ich war überrascht, weil mir klar wurde, dass ich nicht besonders hart an einer weißen Tafel für Marker arbeiten musste. Für all die Arbeiten und Präsentationen habe ich 30 Jahre lang Computer verwendet, und zuvor wurden Tafeln und Filmprojektoren verwendet. Aber ich habe ehrlich gesagt eine Markierungstafel in meinem Büro installiert und angefangen, darauf zu schreiben (und von Hand schreibe ich schon sehr selten), was meiner Meinung nach von einem guten Physiker hätte geschrieben werden sollen, der versucht, das plötzliche Auftreten interstellarer Reisen zu verstehen.

Folgendes habe ich mir ausgedacht. Leere Räume erleichtern die Integration von Amy Adams, die sich vor dem Brett bewegt. Für die endgültige Version des Films wurde die Tafel erneut umgeschrieben, sodass sie sich im Film vom Foto unten unterscheidet.



Ich stellte mich anstelle des Charakters von Jeremy Renner oder seinen Kollegen vor, die Ideen über das Raumschiff und die entsprechenden Formeln aufschreiben. Nach einiger Zeit bekam ich eine gute Geschichte aus physikalischen Fakten und Hypothesen.

Da ist sie.



1. Vielleicht hat das Schiff eine so seltsame Form, weil es sich während der Bewegung dreht und Gravitationswellen erzeugt .
2. Vielleicht ist es optimiert, um die Intensität eines bestimmten Musters von Gravitationsstrahlung zu maximieren.
3. Einsteins Formel für die Kraft der Gravitationsstrahlung, die von einer Masse mit wechselnder Verteilung emittiert wird. Q ij ist das Quadrupolverteilungsmoment, das aus dem angegebenen Integral berechnet wird.
4. Elemente höherer Ordnung, abhängig von Multipolmomenten höherer Ordnung , berechnet durch die angegebenen Integrale der Massendichte des Schiffes ρ (Ω), gewichtet mit sphärischen Harmonischen .
5. Die Gravitationswellen führen zu Änderungen der Raum-Zeit-Struktur, die durch den 4-dimensionalen Tensor h μν dargestellt wird.
6. Vielleicht „schwebt“ das Schiff irgendwie durch die Raumzeit, gespeist durch die Auswirkungen dieser Gravitationswellen.
7. Es ist möglich, dass Gravitationsturbulenzen um den Schiffsrumpf herum entstehen, mit Leistungskorrelationen, die denen ähneln, die um Objekte entstehen, die sich in einer Flüssigkeit bewegen (oder das Schiff "kocht" Raum-Zeit um sich selbst).
8. Die Gleichung der Papapetra- EvolutionSpin-Tensor in GR als Funktion der Zeit τ.
9. Die Gleichung der geodätischen Bewegung, die die Bewegung von Objekten in gekrümmter Raumzeit beschreibt. Γ ist das Christoffel-Symbol , das durch die Raum-Zeit-Struktur bestimmt wird. Und ja, diese Gleichungen können mit NDSolve in Wolfram Language gelöst werden.
10. Einsteins Gleichung für das Gravitationsfeld, das von einer sich bewegenden Masse erzeugt wird (das Feld bestimmt die Bewegung der Masse, die selbst das Feld beeinflusst).
11. Eine andere Idee ist die negative Masse des Raumfahrzeugs oder zumindest der Unterdruck. Der Photonengasdruck beträgt 1/3 ρ; Die häufigste Version der Dunklen Energie hat einen Druck von -ρ.
12. Die Gleichung für den Energiemomenttensor, die die Kombination von Masse, Druck und Geschwindigkeit bestimmt, findet sich in relativistischen Berechnungen für ideale Flüssigkeiten.
13. Vielleicht ist ein Schiff eine Blase mit einer anderen Raum-Zeit-Struktur. Der Pfeil zeigt auf die Form des Schiffs, das zuvor auf dem Brett gezeichnet wurde.
14. Sind Christoffel-Symbole („Kopplungskoeffizienten auf einem tangential geschichteten Raum“) nach Berechnungen auf der Grundlage seines räumlichen metrischen Tensors für die Form des Schiffes von Bedeutung ?
15. Die Gravitationswelle kann als Störung der Raum-Zeit-Metrik in Bezug auf den flachen Hintergrund des Minkowski-Raums beschrieben werden, auf den die SRT einwirkt.
16. Die Gravitationswellenausbreitungsgleichung unter Berücksichtigung der ersten nichtlinearen Effekte, aufgrund derer sich die Welle selbst beeinflusst.
17. Die relativistische Boltzmann-Gleichung , die die Bewegung und Kollision von Partikeln wie Gravitonen in einem Bose-Einstein-Gas beschreibt .
18. Eine abstrakte Idee: Es ist wahrscheinlich möglich, einen „Laser“ aus Gravitonen anstelle von Photonen zu erzeugen , und das Schiff arbeitet nach diesem Prinzip.
19. Laser sind ein Quantenphänomen. Dies ist ein Feynman-Diagramm der Wechselwirkung von Gravitonen in einem Hohlraum (Photonen haben keine solchen direkten nichtlinearen Wechselwirkungen miteinander).
20. Wie mache ich einen Spiegel für Gravitonen? Vielleicht ist dies ein Metamaterial mit einer speziellen mikroskopischen Struktur bis zu Planck-Skalen.
21. In Lasern werden kohärente Zustände aus Überlagerungen einer unendlichen Anzahl von Photonen verwendet, die durch unendlich eingebettete Geburtsoperatoren gebildet werden, die auf das theoretische Vakuum eines Quantenfeldes angewendet werden.
22. Hierfür gibt es ein Feynman-Diagramm: Dies ist die selbstkonsistente Bethe-Salpeter - Gleichung für ein gebundenes Graviton, das mit einem Gravitonenlaser verbunden werden kann.
23. Die wichtigsten nichtlinearen Wechselwirkungen von Gravitonen in der gestörten Approximation der Quantengravitation.
24. Ein möglicher qualifizierender Begriff für die Einstein-Gilbert-Aktionvon GR für Quanteneffekte.

Ich verstehe, dass diese Erklärungen selbst wie eine fremde Sprache erscheinen können! Aber sie sind bescheiden genug im Vergleich zur Sprache der „vollwertigen Physik“. Lassen Sie mich eine einfachere physische Geschichte von der Tafel erklären.

Es beginnt mit der offensichtlichen Eigenschaft des Schiffes: Es hat eine ungewöhnliche asymmetrische Form. Er sieht aus wie ein keltischer Steindie beginnen kann, sich in eine Richtung zu drehen und dann die Richtung zu ändern. Und ich dachte: Vielleicht dreht sich das Schiff. Und jedes massive nicht sphärische rotierende Objekt erzeugt Gravitationswellen. Normalerweise sind sie zu schwach, um erkannt zu werden. Wenn das Objekt jedoch massiv genug oder die Rotationsgeschwindigkeit groß genug ist, können die Wellen auch stark sein. In der Tat wurden letztes Jahr nach 30 Jahren der Suche Gravitationswellen von zwei schwarzen Löchern entdeckt, die sich umeinander drehen und vereinigen - und sie erwiesen sich in einer Entfernung von einem Drittel des beobachteten Universums. Beschleunigende Massen erzeugen Gravitationswellen auf die gleiche Weise wie beschleunigende elektrische Ladungen elektromagnetische.

Stellen Sie sich vor, ein Schiff dreht sich schnell, so dass es viele Gravitationswellen erzeugt. Aber was wäre, wenn wir diese Wellen mit der Bewegung des Schiffes selbst auf engstem Raum blockieren könnten? Dann würden wir Störungen bekommen. Aber was ist, wenn sie wie bei einem Laser kohärent verstärkt werden? Dann werden sie stärker und beginnen, die Bewegung des Schiffes zu beeinflussen - vielleicht durch die Raumzeit zu schieben.

Aber warum verstärken sich die Wellen? Bei einem herkömmlichen Laser mit Photonen (Lichtteilchen) müssen ständig neue Photonen erzeugt werden, indem Energie in das Material gepumpt wird. Photonen sind Bose-Einstein-Teilchen (Bosonen), daher neigen sie dazu, sich „gleich zu verhalten“ - daher ist Laserlicht eine kohärente Welle. Elektronen sind Fermionen, was bedeutet, dass sie versuchen, nicht dasselbe zu tun, was zum Prinzip des Verbots führtentscheidend für die Stabilität der Materie.

Man kann sich vorstellen, dass Lichtwellen aus Photonen bestehen; und Gravitationswellen können aus Gravitonen bestehen (obwohl wir noch keine vollständige Theorie für sie haben). Photonen interagieren nicht mit sich selbst - einfach ausgedrückt, da Photonen mit Teilchen wie Elektronen reagieren, die eine elektrische Ladung haben, aber Photonen keine Ladung haben. Gravitonen interagieren miteinander - aufgrund der Tatsache, dass sie mit allem interagieren, was Energie hat, und sie selbst haben sie.

Solche nichtlinearen Wechselwirkungen können zu ungewöhnlichen Effekten führen. Zum Beispiel interagieren Gluonen in der Quantenchromodynamik nichtlinear so, dass sie in Partikeln wie Protonen eingeschlossen bleiben, als ob sie „zusammengeklebt“ wären. Es ist nicht klar, wozu die nichtlinearen Wechselwirkungen von Gravitonen führen werden. Vielleicht zu einem autarken "Gravitonenlaser".

Die obigen Formeln beschreiben die Erzeugung und Wirkung von Gravitationswellen. Die unteren beziehen sich auf Gravitonen und ihre Wechselwirkungen. Die oberen beziehen sich auf GR. Die unteren sind eine Mischung aus klassischen und Quantenansätzen für Gravitonen und ihre Wechselwirkungen. Diagramme sind Feynman-Diagramme, die die Ausbreitung von Gravitonen durch die Raumzeit schematisch zeigen.

Ich weiß nicht, ob ein Gravitonenlaser tatsächlich möglich ist und wie er funktionieren würde. Bei einem gewöhnlichen Photonenlaser springen Photonen tatsächlich in einen bestimmten Hohlraum, dessen Wände wie Spiegel wirken. Leider wissen wir nicht, wie man einen Spiegel für Gravitonen herstellt - genauso wie wir nicht wissen, wie wir uns vom Gravitationsfeld abschotten können (dunkle Materie wäre ein solcher Schutzschild, wenn sie wirklich existieren würde). An der Tafel wies ich auf die Möglichkeit hin, Metamaterialien von Planck-Skalen von 10 bis 34 Metern (wo Quanteneffekte für die Schwerkraft wichtig werden) herzustellen , die als Spiegel für Gravitonen dienen könnten. Eine andere Möglichkeit ist der Betrieb eines Gravitonenlasers nach dem Prinzip eines freien Elektronenlasers ohne Hohlräume.

Denken Sie daran, ich wollte an die Tafel schreiben, was ein guter Physiker, der aus einem staatlichen Labor gezogen wurde, denken könnte, wenn er mit einer Situation aus einem Film konfrontiert wird. Dies sind eher „allgemein akzeptierte“ Dinge als das, was ich mir persönlich für interstellare Reisen ausgedacht habe. Dies liegt jedoch daran, dass meine Theorie von meinen anderen Vorstellungen über die Arbeit der Grundlagenphysik abhängt, die in der physischen Gesellschaft noch nicht allgemein akzeptiert wurden.

Was ist die richtige Theorie für interstellare Reisen? Ich weiß nicht. Ich wäre sehr überrascht, wenn die Haupttheorie, die ich für den Film erfunden habe, oder die Theorie an der Tafel wahr wäre. Aber wer weiß? Natürlich wäre es sehr hilfreich, wenn Außerirdische in Raumschiffen zu uns fliegen würden, um uns zu zeigen, dass interstellare Flüge möglich sind.

Was ist dein Ziel auf Erden?


Wenn Außerirdische auf der Erde auftauchen, wird eine der offensichtlichen Fragen sein: Warum bist du hier? Was ist dein Ziel? Die Charaktere im Film sprechen viel darüber. Und als Christopher und ich am Set waren, wurden wir gebeten, eine Liste möglicher Antworten zu erstellen, die auf eine Tafel oder ein Tablet gelegt werden konnten. Folgendes haben wir uns ausgedacht:


• Kolonialisierung.
• Bergbau.
• Handel.
• Philanthropie.
• Evangelisation.
• Tourismus.
• Eroberung und Expansion.
• Zoologie, Ethnologie, Geologie.
• Erweiterung des interstellaren Nachrichtennetzwerks.
• Abbildung des Universums.
• Neugier.
• Schulung.
• Technologietest.
• Suche nach Asyl.
• Unfall.
• Rituelle Tradition.
• Etwas Unverständliches für Menschen.
• Einfach so.

Ich habe bereits bemerkt, dass das Prinzip des Zwecks selbst eng mit kulturellen und anderen Kontexten verbunden ist. Interessanterweise würden die Leute beim Zusammenstellen einer solchen Liste zu verschiedenen historischen Zeitpunkten unterschiedliche Punkte darin platzieren. Interessant ist auch, welche Ziele KI und Mensch in Zukunft verfolgen können. Ich mag zu pessimistisch sein, aber es scheint mir, dass für zukünftige Menschen, KI und Außerirdische die Antwort auf diese Frage im rechnerischen Universum der Möglichkeiten liegen wird - für das wir heute keine Worte und Konzepte haben.

Und jetzt ist es ein Film. Das

Kino erwies sich als ziemlich gut, frühe Kritiken sind ermutigend. Es ist sehr interessant, solche Dinge darin zu sehen (und Christophers Code):



Es war interessant, an seiner Schaffung teilzunehmen, es stimulierte. Ich begann besser zu verstehen, was die Entstehung all dieser Filme beinhaltet und was es wert ist, Wissenschaft mit aufregender Fiktion zu verbinden. Ich fing auch an, wissenschaftliche Fragen zu stellen, die ich vorher nicht erreicht hatte - im Zusammenhang mit all den Dingen, die mich interessieren.

Ich kann nicht anders, als darüber nachzudenken, was passieren würde, wenn die Außerirdischen tatsächlich auf der Erde ankommen würden. Ich würde gerne denken, dass ich durch die Teilnahme an der Schaffung der „Ankunft“ etwas mehr dafür bereit bin. Und wenn ihre Schiffe riesigen keltischen Steinen ähneln, haben wir natürlich bereits einen guten Wolfram-Sprachcode dafür.

Source: https://habr.com/ru/post/de399389/

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