Сет Ллойд - Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки
Почему компьютеры создают интересные результаты, выполняя такие короткие программы? Компьютер можно назвать устройством для создания образов: любой мыслимый образ, который возможно описать на каком-то языке, может быть создан компьютером. Основное различие между обезьянами, печатающими на машинке, и обезьянами, вводящими буквы в компьютер, состоит в том, что во втором случае случайные биты, которые они создают, интерпретируются как инструкции.
Как мы показали, в текстах, которые печатает обезьяна, практически нет осмысленных структур. Когда обезьяна печатает на пишущей машинке случайные символы, машинка просто воспроизводит бессмысленные строки. Но когда обезьяна вводит строки в компьютер, компьютер интерпретирует эти бессмысленные последовательности как инструкции и использует как основу для создания образов[11].
Квантовая механика поставляет Вселенной «обезьян» в форме случайных квантовых колебаний, например тех, что стали зародышами галактик и задали их расположение. Компьютер, в который они вводят информацию, – сама Вселенная. Стартуя из простого начального состояния и подчиняясь простым законам физики, Вселенная систематически обрабатывает и усиливает биты информации, воплощенные в этих квантовых колебаниях. Результат этой обработки информации – разнообразный, пронизанный информацией мир, который мы видим вокруг: запрограммированная квантами, физика сначала создала химию, а потом жизнь; запрограммированная мутациями и рекомбинацией генов, жизнь создала Шекспира; запрограммированный опытом и воображением, Шекспир создал «Гамлета». Можно сказать, что разница между обезьяной за пишущей машинкой и обезьяной за компьютером – это единственная разница, существующая в мире.
Часть II
Крупным планом
Глава 4
Информация и физические системы
Информация как физическая величина
Как вы уже знаете, основная идея этой книги состоит в том, что все физические системы хранят и обрабатывают информацию и что если мы узнаем, как вычисляет Вселенная, то сможем понять, почему она так сложна. Но когда же возникло понимание того, что все физические системы содержат и обрабатывают информацию, которую раньше считали чем-то нефизическим? Научные исследования в области информации и теории вычислений начались в 1930-х гг., а их взрывное развитие пришлось на вторую половину XX в. Но понимание того, что информация есть фундаментальная физическая величина, пришло раньше, чем начались эти научные исследования. К концу XIX в. уже было вполне понятно, что все физические системы содержат определимое количество информации и что их динамика ее преобразует и обрабатывает. В частности, пришло понимание определенной физической величины – энтропии – как меры количества информации, содержащейся в отдельных атомах вещества.
Великие специалисты XIX в. в области статистической физики, Джеймс Клерк Максвелл в Великобритании, Людвиг Больцман в Австрии и Джозайя Уиллард Гиббс в Соединенных Штатах вывели фундаментальные формулы того, что позже получило название «теории информации», и использовали их для описания поведения атомов. В частности, они применяли эти формулы, чтобы получить обоснование второго начала термодинамики.
Как мы уже говорили, первое начало термодинамики является утверждением относительно энергии: превращаясь из механической энергии в теплоту, она сохраняется. Второе начало термодинамики, однако, относится к информации и к тому, как она обрабатывается на микроскопическом уровне. Этот закон гласит, что энтропия (которая является мерой информации) имеет тенденцию увеличиваться. Точнее, каждая физическая система содержит определенное число битов информации – и невидимой (или энтропии), и видимой, а динамические процессы, в ходе которых обрабатывается и трансформируется эта информация, ни при каких условиях не уменьшают общего количества битов.
Второму закону термодинамики почти полторы сотни лет, но он до сих пор остается предметом научных споров. Почти никто не сомневается в его истинности, но есть самые разные мнения о том, почему он справедлив. Гипотеза о вычислительной природе Вселенной может снять по крайней мере часть этих споров. Второе начало термодинамики, если понять его должным образом, основано на взаимодействии между «видимой информацией» о состоянии вещества – той, к которой у нас есть доступ, и «невидимой информацией» – битами энтропии, которые ничуть не менее физические и которые хранятся атомами, формирующими это вещество.
Истоки вычислительной модели
В программу моего обучения в Гарварде входило «Общее образование». На практике это означало, что если я способен объяснить, для чего мне нужен тот или иной курс, то могу его посещать. Поэтому, заручившись благословением – или, во всяком случае, подписью – своего научного руководителя, Нобелевского лауреата Шелдона Глэшоу, я составил для себя программу сам. Ее основными элементами были лекции Роберта Фитцджеральда о просодии и Гомере, Вергилии и Данте, а также лекции Леона Кирхнера о камерной музыке и семинар Бернарда Коэна «Влияние физики на общество». Глэшоу также настоял на том, чтобы я прослушал немного лекций по физике.
Я выбрал два курса, с которых начался мой путь к вычислительной модели Вселенной. Первым был курс Майкла Тинкэма по статистической механике, замечательный синтез квантовой механики (физики атомов и молекул) и термодинамики (тепло и работа). Как наука статистическая механика возникла в последние годы XIX в. и привела к созданию лазеров, электрических лампочек, транзисторов и многих других изобретений. Основная идея курса Тинкэма состояла в том, что термодинамическая величина, известная как энтропия и представляющая собой меру тепловой энергии, которая не может быть превращена в механическую энергию в замкнутой термодинамической системе, может также восприниматься как мера информации.
Понятие энтропии (от древнегреческого «в превращении») впервые ввел Рудольф Клаузиус в 1865 г. Тогда она представлялась таинственной термодинамической величиной, которая ограничивает мощность паровых двигателей. Тепло – это много энтропии. Механизмы, работающие на основе тепловой энергии, например паровые двигатели, должны что-то делать с этой энтропией; как правило, они избавляются от нее посредством выхлопа. Они не могут превратить всю тепловую энергию в полезную работу. Клаузиус же отметил, что энтропия имеет тенденцию увеличиваться.
В конце XIX в. основатели статистической механики, Максвелл, Больцман и Гиббс, поняли, что энтропия – это еще и форма информации. Энтропия – мера количества битов недоступной информации, содержащейся в атомах и молекулах, из которых состоит мир. Тут-то и появилось второе начало термодинамики, которое объединило это наблюдение с тем фактом, что законы физики, как мы скоро увидим, сохраняют информацию. Природа не разрушает биты.
Да, но ведь нужно бесконечное число битов энтропии, чтобы точно определить положение и скорость даже одного-единственного атома, возразили мои одногруппники. Это не так, ответил Тинкэм. Законы квантовой механики, управляющие поведением физических систем на микроскопическом уровне, гарантируют, что атомы и молекулы хранят лишь конечное количество информации.
Черт побери! Это было очень увлекательно, хотя я еще не все понимал. Хорошо, все физические системы можно описать с точки зрения информации. Максвелл, Больцман и Гиббс выяснили это за пятьдесят лет до того, как было изобретено слово «бит»! Тогда причем же здесь квантовая механика? Мне стало любопытно, и я записался на вводный курс квантовой механики Нормана Рэмзи. Он – один из самых опытных специалистов по квантово-механическому «массажу» в мире. Рэмзи разработал многие из методов, с помощью которых можно убедить атомы и молекулы отдавать нам свою энергию и раскрывать свои тайны. Кстати, эти методы принесли ему Нобелевскую премию.
Но то, что казалось Рэмзи простым, для меня оставалось неясным. Например, как это возможно, что электрон может быть в двух местах одновременно? На основании детальных экспериментальных данных Рэмзи показывал нам, что электрон не только может находиться во многих местах одновременно, но и должен там быть (там, и там, и там тоже). Возможно, в ранний час, в аудитории, освещенной только тусклым светом проектора, я впадал в некое трансовое состояние – но все равно не понимал сути квантовой механики. Я вышел из этого транса лишь несколько лет спустя, когда стал работать вместе с Рэмзи в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция, над экспериментом по измерению поляризации электрического заряда в нейтроне.
Нейтрон и его заряженный партнер, протон, – это частицы, из которых состоят ядра атомов. Нейтроны и протоны, в свою очередь, состоят из электрически заряженных частиц, кварков. Поляризация электрического заряда, которую хотел измерить Рэмзи, соответствовала расстоянию между кварками внутри нейтрона, которое составляет одну миллиардную миллиардной миллиардной доли метра (10–27 м); если сравнить его с размером нейтрона, то это расстояние меньше, чем сам нейтрон относительно человека. В экспериментах мы брали нейтроны из ядерного реактора, «охлаждали» их до «скорости пешехода» (на заключительном этапе охлаждения мы заставляли нейтроны «бежать в гору» до тех пор, пока они почти не останавливались от усталости), затем подвергали их воздействию электрических и магнитных полей, а затем «массировали», приводя в состояние, в котором они были готовы раскрыть свои секреты.
