Тор Норретрандерс - Иллюзия пользователя. Урезание сознания в размерах
Сцилард предполагал, что измерение даже такого бита будет иметь свою стоимость. Но Беннетт доказал, что эта стоимость в случае, который анализирует Сцилард, может оказаться произвольно маленькой.
Если задуматься об этом, то ничего странного нет: получение информации о местонахождении молекулы будет означать копирование информации, которая уже существует. Вы «считываете» состояние, а копирование подобной информации не обязательно будет иметь большую цену в виде энергии, которая становится недоступной. В конце концов можно сделать множество копий, и стоимость каждой из них будет относительно низкой. На самом деле это очень характерная черта информации, в отличие от многих потребительских товаров: может быть выполнено произвольное количество копий, а состояние оригинальной информации не изменится. Информацией можно пользоваться, не меняя ее состояния. Так с чего бы знаниям, которые получает демон, иметь цену?
Рольф Ландауэр и Чарльз Беннет могли доказать, что никакой стоимости вообще не было. Но это не значит, что демон Максвелла может нарушить второй закон термодинамики. Это просто означает, что измерения вовсе не обязательно должны иметь цену. На самом деле демон платит не за то, чтобы получить информацию — а за то, чтобы снова ее забыть.
В 1961 году Ландауэр доказал, что забывание всегда имеет цену. Когда вы избавляетесь от информации, стирая ее, приходится платить за это увеличением энтропии. Вам нужно избавиться от информации, так как измерение необходимо повторить: вам нужно очистить память, чтобы вновь обнулить измерительный аппарат.
В случае с демоном Максвелла это означает, что он может обнаруживать молекулы в темноте и платить за это только преимуществом получения знания. Но демон очень быстро столкнется с такой проблемой: ему приходится сохранять информацию своего знания о большом количестве молекул, которыми он уже распорядился должным образом. Демон начинает тонуть в большом количестве знаний, накопленных от предыдущих наблюдений.
Эту мысль в 1987 году обобщил Беннет: «Мы обнаружили причину, по которой демон не может нарушить второй закон: чтобы наблюдать за молекулой, ему сначала нужно забыть результаты предыдущих наблюдение. Это забывание, или уничтожение информации, будет иметь свою стоимость с точки зрения термодинамики».
Можно возразить, что демон просто может помнить все. Тогда ему не будет нужды забывать и, следовательно, создавать энтропию. У нас от подобного количества информации наступило бы истощение — но мы ведь не демоны. Но это истощение показывает нам, что цена есть — цена памяти. Энтропия увеличивается по мере того, как память постепенно заполняется молекулами, которые давно уже распределены. Проблема поддержания такого огромного количества памяти превышает преимущества от обладания ею.
Если взглянуть на относительные размеры в реальном мире, можно увидеть, что на практике это действительно представляет огромную проблему. В воздухе находится громадное число молекул. Даже если демону потребуется всего один бит информации о каждой молекуле (пропускать через отверстие или нет), у него вскоре закончится резерв памяти. Даже если у демона будет память, всех компьютеров в мире вместе взятых (10 миллионов миллиардов бит), память, в которой он хранит результаты измерений, закончится еще до того, как ему удастся снизить энтропию в одном грамме воздуха всего на одну десятую миллионной доли процента! В воздухе молекул невообразимо много — они просто очень, очень малы. Мы живем в мире, где объема памяти, эквивалентного всей информации, которую обрабатывает мозг в течение жизни, будет недостаточно, чтобы запомнить всего по одному биту информации о каждой молекуле в единственном литре воздуха.
Так что факт заключается в следующем: демон Максвелла не сможет функционировать, так как ему придется все забывать, а это обойдется дороже, чем вся приносимая им польза. Эта идея может показаться странной, но она указывает нам на очень важный факт: в информации интересно то, что от нее приходится избавляться. Сама по себе информация — предмет очень скучный. А вот то, как от нее избавиться — и за счет чего — это уже весьма интересно.
К примеру, вы стоите у кассы супермаркета. Все ваши покупки уже посчитаны. Каждый предмет в вашей корзине имеет свою цену. Кассир вводит каждое значение цены, складывает их и получает сумму — итого, скажем, 27,80 долларов. Эта сумма является результатом вычислений, включающих в себя сложение нескольких чисел.
Что будет наиболее информативным — результат вычислений? Эта сумма представляет собой одно число — 27,80 — а само вычисление является коллекцией нескольких чисел — к примеру, 23 различных цен. Может показаться, что больше информации содержится в результате — ведь когда мы выполняли сложение в школе, учитель всегда объяснял нам, что нужно получить правильный ответ. Но на самом деле в результате гораздо меньше информации, чем в самой задаче. В конце концов, существует множество различных комбинаций товаров, которые могут приводить к такой же итоговой сумме. Но это не означает, что вы всегда можете определить, что содержится в корзине, зная только ее итоговую стоимость.
Кассир за кассой уничтожает информацию после того, как установит итоговую сумму. В этой ситуации кассиру все равно, какие товары вы выносите из магазина и сколько стоит каждый из них — при условии, что вы их все оплатили.
Значимой является общая цена, даже несмотря на то, что в ней содержится очень мало информации — или, если быть более точным, значение имеет тот факт, что в ней содержится мало информации. Она содержит ровно такое количество информации, которое является релевантным в данном контексте.
Вычисления — это способ избавления от информации, в которой вы более не заинтересованы. Вы просто отсеиваете то, что не нужно.
Это противоречит нашему обычному представлению о том, что информация является чем-то очень позитивным, хорошим. Мы привыкли рассматривать информацию с позитивной точки зрения, но это может оказаться полностью нецелесообразным — это предрассудок, который оказывает влияние на человека, живущего в информационном обществе.
Как утверждает Чарльз Беннет, «мы платим за то, чтобы нам доставляли газеты, а не уносили их. Интуитивно может показаться, что запись предыдущих действий демона может быть ценной (или по меньшей мере их ценность может быть бесполезной). Но «вчерашняя газета» (результат предыдущих измерений) забирает у демона ценное место в памяти, и стоимость очистки этого места нейтрализует ту пользу, которую демон извлек из газеты, когда она еще была свежей. Возможно, идея о том, что информация может иметь негативную ценность, сегодня, в эпоху растущих опасений по поводу загрязнения окружающее среды и информационному взрыву, который приносят компьютеры, кажется более естественной, нежели она казалась еще недавно.
В лабораториях IBM отлично известно, что информация тесно связана с энтропией, которая является мерой беспорядка. Время от времени мы можем просто складировать наши старые газеты в подвале. Но информация тоже нуждается в рециркуляции — избыток информации приведет нас к хаосу.
Но нам всем кажется, что информация — это благо, воплощение порядка, педантичности и правильных результатов. Этому мы научились, когда изучали арифметику в школе: все предварительные вычисления сделать на черновике, чтобы затем представить в чистовике аккуратно записанный результат. Мы научились избавляться от информации, а не приобретать ее. Тем не менее мы живем в мире, который верит, что информация — это то, что является ценным в информационном обществе.
Да, пожалуй, с нашим обычным восприятием информации действительно что-то не так (или с восприятием информации учеными в сфере естественных наук — эти два понятия не совпадают). Демон Максвелла уже указал нам на часть проблемы. Но кое-что было скрыто у него в рукаве — и мы снова возвращаемся к Людвигу Больцману.
За несколько лет до того, как умер Джеймс Кларк Максвелл, Больцман опубликовал серию работ, в которой разъяснял удивительную теорию о связи между понятием энтропии, которое выросло из учения об ограничении эффективности паровых двигателей, и теорией тепла как статистического завихрения мельчайших компонентов материи. Максвелл так и не узнал об этих работах, и, как пишет историк Мартин Кляйн, соответственно он «лишился удовольствия увидеть связь между энтропией и вероятностью».
Идея Больцмана была проста. Он ввел разделение между тем, что известно, как макросостояния и микросостояния — между характеристиками больших конгломератов материи и индивидуальными компонентами этой материи. Макросостояния — это такие показатели, как температура, давление, объем. Микросостояния включают в себя тщательное описание поведения каждого индивидуального компонента.
