Цитаты 76
Энтропия измеряется в битах. Энтропия состоит из случайных, неизвестных битов. Противоположность энтропии называют «негэнтропией». Негэнтропия состоит из известных, структурированных битов. Негэнтропия системы – мера того, как далеко находится эта система от максимальной возможной энтропии. У живого, дышащего человека много негэнтропии, в противоположность, скажем, атомам гелия при постоянной температуре, у которых ее вообще нет. Можно сказать, что энтропия состоит из случайных, «мусорных» битов, а негэнтропия – из упорядоченных, полезных битов. Так вот, термодинамическая глубина физической системы равна числу полезных битов, которые понадобились для создания этой системы.
Простые, регулярные системы, которые легко создать, например кристаллы соли, обычно термодинамически неглубоки. Совершенно неупорядоченные системы, такие как наши атомы гелия, получающие свои свойства в результате случайных процессов, таких как нагревание, также термодинамически неглубоки. Но чтобы создать замысловатые, структурированные системы, например живые системы, требуются огромные инвестиции полезных битов на протяжении нескольких миллиардов лет, и такие системы термодинамически глубоки.
Гравитация реагирует на присутствие энергии. Там, где плотность энергии выше, ткань пространства-времени начинает искривляться немного сильнее.
Биты создаются и начинают менять свои значения. Гравитация отвечает на это, собирая материю вокруг «единиц». Квантовые биты декогерируют, и во Вселенную поступают случайные последовательности 0 и 1. Вычисления начинаются!
Кроме создания тверди, по которой мы ходим, гравитационная аккумуляция поставляет необходимое сырье для создания сложности. По мере сборки материи в облака повышенной плотности энергия, которую содержит эта материя, становится доступной для использования. Калории, которые мы потребляем, чтобы жить, обязаны своим происхождением гравитационной аккумуляции, в результате которого сформировалось и начало светить Солнце.
Гравитационная аккумуляция в самой ранней Вселенной отвечает за создание крупномасштабной структуры галактик и скоплений галактик.
Случайность возникает в вычислительной Вселенной из-за того, что начальное состояние Вселенной – это суперпозиция различных состояний программы, каждое из которых отправляет Вселенную по тому или иному пути вычислений, причем некоторые из этих путей приводят к сложному и интересному поведению. Квантово-вычислительная Вселенная следует всеми этими путями одновременно, квантово-параллельно, и эти пути соответствуют декогерентным историям, описанным выше. Так как истории вычислений декогерентны, мы можем обсуждать их за обедом; лишь одна (или другая) из этих историй произошла на самом деле. Одна из этих декогерентных историй соответствует Вселенной, которую мы видим вокруг.
Есть также убедительные свидетельства того, что Вселенная поддерживает вычисления и на микроскопических уровнях. Квантовые компьютеры, которые создаем мы с коллегами, – свидетельство способности вещества и энергии выполнять вычисления на самых малых масштабах: мы можем с высокой точностью управлять поведением атомов, электронов и фотонов. Какие бы формы ни принимали вещество и энергия при все более мелких масштабах, до тех пор пока они повинуются законам квантовой механики, их можно использовать для вычислений. В космологическом универсальном компьютере (это универсальный компьютер, состоящий из самой Вселенной) каждый атом – это бит, а каждый фотон перемещает свой бит из одной части вычисления в другую. Всякий раз, когда электрон или ядерная частица изменяют направление своего спина – с «по часовой стрелке» на «против часовой стрелки», их биты инвертируются.
До тех пор пока мы не получили полной квантовой теории всех фундаментальных физических явлений, включая гравитацию, нам не удастся найти детальных подтверждений вычислительной механики Вселенной. Но мы можем надеяться (и надеемся), что однажды такое подтверждение станет возможным.
22 июля в Москве прочитал лекцию Сет Ллойд, профессор и знаменитый физик, занимающийся созданием квантовых компьютеров. Он приехал в Москву в качестве специального гостя Второй международной конференции по квантовым технологиям, организованной Российским Квантовым Центром . Ллойд прославился благодаря своей книге «Программируя Вселенную» , в которой он утверждает, что Вселенная - это огромный квантовый компьютер, который творит будущее с помощью вычислений. Look At Me поговорил со знаменитым учёным о том, зачем нужны квантовые компьютеры, как физики проводят свободное время и почему наука - это funky.
Сет Ллойд
Профессор MIT и создатель модели квантового компьютера
Почему вы считаете, что Вселенная - это компьютер?
Вселенная состоит из атомов, но важно понимать, что все эти частицы содержат информацию, и, когда, например, сталкиваются две элементарные частицы, биты информации трансформируются в ходе этого процесса. Мы можем думать о Вселенной как о чем-то состоящем из атомов, и это традиционный взгляд на вещи, но мы также можем смотреть на атомы как на нечто, содержащее информацию и обрабатывающее её, как на компьютер. Я пытаюсь придумать и создать квантовые компьютеры и хранить информацию в атомах, но атомы и так производят вычислительные процессы, и, когда мы строим квантовые компьютеры, мы просто должны попытаться заставить атомы вычислять другим способом. Я подходил к созданию квантовых компьютеров с точки зрения технологий, но потом я понял, что мы как бы пытаемся вмешаться в процесс вычислений, которые давно уже выполняет Вселенная.
Как ваша теория о том, что Вселенная - это квантовый компьютер, меняет вашу повседневную жизнь? И как она может изменить представления людей об окружающем мире?
Обычно мы представляем, что Вселенная состоит из частиц энергии, но также можно сказать, что она состоит из битов, информационных частиц. Как только мы понимаем, что Вселенная ведёт вычисления и обрабатывает информацию, мировоззрение сразу меняется. Во-первых, такой подход помогает объяснить вещи, которые на основе других теорий остаются довольно загадочными. Например, мы до сих пор не можем точно ответить на вопрос о зарождении жизни на Земле. На самом деле жизнь - это обработка информации, в её основе лежит ДНК, молекула, которая несёт информацию и программирует все системы организма, чтобы они функционировали так, как функционируют. Если подумать о жизни как об обработке энергии и обработке информации, становится понятно, что Вселенная тоже может рассматриваться как обработка энергии и информации. Жизнь естественно возникает из этих «вычислений» Вселенной.
D-Wave - один из первых
коммерческих квантовых компьютеров
Какие самые сложные вычисления были произведены с помощью существующих квантовых компьютеров, с которыми вы работаете?
Существующие квантовые компьютеры довольно маленькие и слабые. Пока они способны производить несколько сотен операций с небольшими числами, с десятками. Но даже с такими мощностями мы можем узнать очень многое о том, как происходит обработка информации на микроскопическом уровне. Также существуют специализированные квантовые компьютеры. Например, компьютер, созданный компанией D-Wave , - в его основе лежит разработка, которую я и мой студент придумали около 10 лет назад и даже не надеялись тогда, что это будет работать. И такие квантовые компьютеры могут производить гораздо более сложные вычисления и служить некой определённой цели.
Когда появятся мощные квантовые компьютеры, как мы сможем их применять?
Существует несколько областей применения для таких компьютеров. Одна из самых очевидных довольно разрушительна: квантовые компьютеры можно будет использовать для взлома кодов в интернете и паролей к кредитным картам. Я люблю пользоваться интернет-магазинами и поэтому надеюсь, что для этого квантовые компьютеры не будут применяться. Кроме того, есть и другая, более полезная функция: мы можем использовать их для того, чтобы симулировать какие-то природные ситуации, процессы в атомах, - это поможет узнать больше о происхождении Вселенной.
Недавно я и мои коллеги также поняли, что квантовые компьютеры можно использовать для исследования очень больших объёмов информации. Например, если бы существовала база данных с генетическими данными обо всех людях на земле, это была бы база с огромным количеством информации, состоящая из миллиардов бит. Квантовые компьютеры могут помочь выявить паттерны в этой базе данных, а это не по силам обычным компьютерам. С другой стороны, возникают сложные вопросы приватности, потому что я, например, точно не хочу, чтобы фармацевтические компании обладали информацией о моих генетических данных. Если мы могли бы использовать квантовые компьютеры для исследования данных о генах, о населении и при этом гарантировать защиту личных данных и найти общие паттерны, то это могло бы помочь нам узнать о жизни на Земле.
Когда атомы могут рассматриваться как биты, очень сложно провести границу между миром природы и миром компьютеров. Верите ли вы в то, что в будущем возникнет искусственный интеллект и наступит технологическая сингулярность?
Я знаю Рэя Курцвейла, он живёт неподалеку от меня, он дикий и сумасшедший парень. Население Земли растёт очень быстро, быстрее, чем по экспоненте. Тысячу лет назад население Земли удваивалось каждые несколько сотен лет, а сейчас - каждые 10-15 лет. Получается, что к 2080 году население будет просто огромным, но это вряд ли произойдет. Также и с информацией - её количество увеличивается вдвое с каждым годом, то есть скоро её количество будет приближаться к бесконечности. Я не так оптимистичен, как Рэй Курцвейл, и я не думаю, что сингулярность может наступить. А если она наступит, то это, на мой взгляд, вызовет больше разрушения, это не будет дивным новым миром.
Существует очень много версий того, каким будет будущее, и сингулярность - только одна из них. Как вам видится будущее, если появятся мощные квантовые компьютеры?
Квантовые компьютеры, безусловно, сделают будущее более интресным, но я, кажется, знаю недостаточно, чтобы сказать, что произойдёт в мире технологий в будущем. Я уверен, что говоря о будущем, мы можем процитировать Джеймса Брауна: что бы ни случилось, «it’s got to be funky». Моя главная цель на ближайшее будущее - заниматься наукой и получать от этого удовольствие. Мне повезло работать в MIT, потому что там люди каждый день занимаются странными, иногда сумасшедшими, но всегда совершенно новыми вещами. Самое лучшее занятие на свете - узнавать о чем-то новом, чем-то удивительном.
В ваших лекциях вы много говорите о влиянии технологических революций на наше мировоззрение. Как вы думаете, нужны ли эти технологические революции странам третьего мира? Ведь все технологические революции произошли в основном в западных странах...
«Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки»: Альпина нон-фикшн; Москва; 2014
ISBN 978-5-91671-270-4, 978-5-91671-324-4
Аннотация
Каждый атом Вселенной, а не только различные макроскопические объекты, способен хранить информацию. Акты взаимодействия атомов можно описать как элементарные логические операции, в которых меняют свои значения квантовые биты – элементарные единицы квантовой информации. Парадоксальный, но многообещающий подход Сета Ллойда позволяет элегантно решить вопрос о постоянном усложнении Вселенной: ведь даже случайная и очень короткая программа в ходе своего исполнения на компьютере может дать крайне интересные результаты. Вселенная постоянно обрабатывает информацию – будучи квантовым компьютером огромного размера, она все время вычисляет собственное будущее. И даже такие фундаментальные события, как рождение жизни, половое размножение, появление разума, можно и должно рассматривать как последовательные революции в обработке информации.
Сет Ллойд
Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки
Издательство благодарит Russian Quantum Center, Сергея Белоусова и Виктора Орловского за помощь в подготовке издания.
Перевод А. Стативка
Редактор И. Лисов
Редакторы Russian Quantum Center А. Сергеев, Д. Фалалеев
Руководитель проекта А. Половникова
Корректор Е. Сметанникова
Компьютерная верстка М. Поташкин
Иллюстрация обложки GettyImages/Fotobank.ru
© Seth Lloyd, 2006
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2013
* * *
Посвящается ИвПредисловие автора к русскому изданию
Я с удовольствием пишу это специальное введение для издания книги «Программируя Вселенную» на русском языке. Я хотел бы поблагодарить Сергея Белоусова, Евгения Демлера, Мишу Лукина и всех коллег из Российского квантового центра, которые помогли сделать возможной публикацию этого русского перевода. Российский квантовый центр – это новое прогрессивное учреждение, которое сохраняет великую русскую традицию фундаментальной науки. Исследователи центра уже внесли важный вклад в теорию и практику обработки квантовой информации, которая является одной из центральных тем моей книги. Я с нетерпением жду от этой научной организации новых больших и прекрасных научных достижений.
Идея «Программируя Вселенную» состоит в том, что мы должны воспринимать Вселенную в терминах обработки информации, проводимой ею на самом фундаментальном уровне. В традиционном физическом описании Вселенной главной величиной является энергия. Недавно, однако, стало ясно, что информация является столь же важной величиной. Как гласит знаменитая формула Эйнштейна E = mc² , вся материя сделана из энергии. Однако информация задает форму, которую принимает вещество, и определяет те преобразования, которым подвергается энергия. В глубине своей Вселенная – это танец вращений и щелкающих звуков, в котором энергия и информация являются равными партнерами. Вселенная, в сущности, является гигантским компьютером, в котором каждый атом и каждая элементарная частица содержат биты информации, и каждый раз, когда два атома или две частицы сталкиваются, эти биты меняют свои значения. Вычислительная природа Вселенной дает начало ее запутанности и сложности: все, что может быть вычислено – все, что может вообразить наш разум, и даже сверх того – существует где-то во Вселенной.
Российские математики и ученые вписали много прекрасных страниц в теорию информации. Работы Андрея Николаевича Колмогорова были очень важны для этой книги: Колмогоров был одним из основоположников в области теории алгоритмической информации, в которой утверждается, что информация должна быть определена на языке ее обработки, то есть через вычисления. Теория сложности Колмогорова является естественной основой теорий вычисления и образования сложности, обсуждаемых в этой книге. В последнее время российские ученые сделали исключительно важный вклад в теорию квантовой информации и квантовых вычислений. Квантовая механика – это раздел физики, который изучает поведение вещества и энергии в их самой фундаментальной форме. В своей основе она является странной и контринтуитивной: частицы имеют соответствие в виде волн, а волны сделаны из частиц – это корпускулярно-волновой дуализм. Один электрон может находиться одновременно в двух местах, и множество вещей, которые для нашего классического воображения представляются невозможными, в действительности происходят ежесекундно. Вселенная – это не просто компьютер; в силу своей природы она является квантово-механическим компьютером. Сочетание квантовой странности с обработкой информации как раз и придает Вселенной ее стабильность, мощь и сложность.
Я имел счастье начинать свою научную карьеру в 1980-е гг., в момент, когда российские и советские ученые начали выезжать за границу после многих десятилетий разобщения с остальным миром. Помимо открытия сокровищницы фундаментальной научной информации, которая до этого была опубликована только на русском языке, эти ученые придали научному дискурсу уникальный и чудесный дух. В юности я читал Толстого и Достоевского и потому был знаком с богатством русской интеллектуальной дискуссии, но я никогда до этого не участвовал в настоящем русском научном споре, когда начинают говорить на повышенных тонах, когда по столу бьют кулаком, когда кусок мела могут в сердцах разбить о доску, но в конце, когда задачу удалось решить, все снова становятся друзьями. Страсть, настойчивость и дружеское разрешение фундаментальных проблем – вот истинный дух науки! И я надеюсь, что русское издание «Программируя Вселенную» породит яркие научные споры.
Сет Ллойд
Пролог
Яблоко и Вселенная
«В начале был бит», – начал я. Часовня женского монастыря XVII в., где находится занятый изучением сложных систем Институт Санта-Фе, была заполнена обычными слушателями: физиками, биологами, экономистами и математиками с закваской из нескольких Нобелевских лауреатов. Один из отцов-основателей астрофизики и квантовой гравитации, Джон Арчибальд Уилер, предложил мне прочесть лекцию на тему «Всё из бита». Я принял вызов. Стоя перед аудиторией, я стал сомневаться, стоило ли это делать, но отступать было некуда. Я взял в руку яблоко.
«Вещи возникают из информации, то есть из битов, – продолжил я, нервно подбрасывая яблоко в воздух. – Это яблоко – хороший объект. Яблоко часто ассоциируют с информацией. Во-первых, яблоко – плод познания, “смертельный вкус которого принес на землю смерть и все страданья наши”. Оно несет информацию о добре и зле. Позже именно траектория падающего яблока подсказала Ньютону универсальные законы тяготения, а искривленная поверхность яблока есть метафора искривленного пространства времени Эйнштейна. Ближе к нашей теме то, что в генетическом коде, записанном в семенах яблока, запрограммирована структура будущих яблонь. И еще одно, не менее важное свойство яблока: оно содержит свободную энергию – калории богатой битами энергии, благодаря которой функционирует наше тело». Я откусил кусочек яблока.
«Очевидно, это яблоко содержит информацию разных типов. Но сколько оно вмещает? Сколько битов в нем?» Я положил яблоко на стол и повернулся к доске, чтобы сделать быстрый расчет. «Что интересно, количество битов в яблоке известно с начала XX в., когда еще не было самого слова “бит”. Может показаться, что яблоко содержит бесконечное число битов, но это не так. В действительности законы квантовой механики, управляющие всеми физическими системами, говорят, что требуется лишь конечное число битов, чтобы определить микроскопическое состояние яблока и всех его атомов. Каждый атом, а точнее, его положение и скорость содержит всего несколько битов; каждый ядерный спин в ядре атома хранит один-единственный бит. Поэтому битов в яблоке всего в несколько раз больше, чем атомов – несколько миллионов миллиардов миллиардов нулей и единиц».
Я повернулся к аудитории. Яблока на столе не было. Ничего себе! Кто его взял? Уилер безмятежно смотрел на меня. Лицо Мюррея Гелл-Манна, нобелевского лауреата, изобретателя кварка и одного из ведущих физиков мира, также не отражало никаких эмоций.
«Я не могу продолжать без яблока. Нет объекта – нет битов», – заявил я и сел.
Моя голодная забастовка продлилась всего несколько мгновений: улыбнувшись, инженер из исследовательского центра Bell Labs протянул мне яблоко. Я взял его и поднял над головой, бросая вызов любому, кто решится совершить еще одну попытку воровства. Это была моя ошибка. Но тогда мне казалось, что все идет хорошо.
Я продолжал: «С точки зрения количества информации, которую могут хранить биты, все они равны. Бит – сокращение от binary digit (двоичное число) – может находиться в одном из двух различимых состояний: 0 или 1, да или нет, “орел” или “решка”. Любая физическая система, где есть два этих состояния, содержит один бит. Система, в которой больше состояний, содержит больше битов. Система с четырьмя состояниями, например, 00, 01, 10, 11, содержит два бита; система, где есть восемь состояний, например 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111, содержит три бита, и т. д. Как я уже говорил, согласно законам квантовой механики любая физическая система, ограниченная конечным объемом пространства и конечным количеством энергии, имеет конечное число различимых состояний и поэтому содержит конечное число битов. Все физические системы содержат информацию. Как сказал Рольф Ландауэр из IBM, “информация – величина физическая”».
Тут меня перебил Гелл-Манн: «Но все ли биты равны на самом деле? Пусть один бит говорит нам, является ли истинной некая знаменитая, но недоказанная математическая гипотеза, а бит получен в результате случайного подбрасывания монетки. Мне кажется, что одни биты важнее других».
Я согласился. Разные биты играют во Вселенной разную роль. Биты могут содержать одинаковое количество информации, но качество и важность этой информации меняются от бита к биту. Значимость ответа «да» зависит от заданного вопроса. Два бита информации, определяющих одну конкретную пару нуклеотидов в ДНК яблока, гораздо важнее для будущих поколений яблок, чем биты информации, созданной тепловым колебанием атома углерода в одной из молекул яблока. Передать запах яблока могут всего несколько молекул и сопутствующих им битов, но чтобы обеспечить яблоку пищевую ценность, необходимы миллиарды миллиардов битов.
«Однако, – снова вмешался Гелл-Манн, – существует ли математически строгий способ определить значимость некоторого бита?»
У меня нет полного ответа на этот вопрос, сказал я, все еще держа в руке яблоко. Значимость бита информации зависит от того, как обрабатывается эта информация. Все физические системы содержат информацию. Более того, динамически развиваясь во времени, они преобразовывают и обрабатывают эту информацию. Если электрон «здесь» содержит 0, а электрон «там» содержит 1, то, когда электрон переходит отсюда туда, он меняет значение своего бита. Естественную динамику физической системы можно воспринимать как вычисление, в котором бит не только содержит 0 или 1, но действует как инструкция: 0 может означать «делай это», а 1 может означать «делай то». Значимость бита зависит не только от его значения, но и от того, как это значение с течением времени влияет на другие биты, будучи частью процесса постоянной обработки информации, который и составляет динамическую эволюцию Вселенной.
Я продолжал описывать биты, из которых возникает яблоко, и стал говорить о той роли, которую они играют в процессах, благодаря которым яблоко получает определенные характеристики. Все шло хорошо. Я раскрыл тему «все из бита» и даже смог достойно ответить на вопросы аудитории. По крайней мере, мне так казалось.
Я закончил лекцию и отошел от доски. Вдруг кто-то похлопал меня по плечу. Один из слушателей всерьез решил завладеть моим яблоком. Это был Дойн Фармер – один из основателей теории хаоса, высокий, спортивный человек. Он схватил меня за руки – хотел, чтобы я уронил яблоко. Освобождаясь от захвата, я прижал его спиной к стене. Висевшие на ней изображения фракталов и фотографии индейцев упали на пол. Фармер повалил меня на пол. Мы стали кататься по полу, опрокидывая стулья. Яблоко куда-то делось. Вероятно, оно снова превратилось в отдельные биты.
Издательство благодарит Russian Quantum Center, Сергея Белоусова и Виктора Орловского за помощь в подготовке издания.
Перевод А. Стативка
Редактор И. Лисов
Редакторы Russian Quantum Center А. Сергеев, Д. Фалалеев
Руководитель проекта А. Половникова
Корректор Е. Сметанникова
Компьютерная верстка М. Поташкин
Иллюстрация обложки GettyImages/Fotobank.ru
© Seth Lloyd, 2006
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2013
Посвящается Ив
Я с удовольствием пишу это специальное введение для издания книги «Программируя Вселенную» на русском языке. Я хотел бы поблагодарить Сергея Белоусова, Евгения Демлера, Мишу Лукина и всех коллег из Российского квантового центра, которые помогли сделать возможной публикацию этого русского перевода. Российский квантовый центр – это новое прогрессивное учреждение, которое сохраняет великую русскую традицию фундаментальной науки. Исследователи центра уже внесли важный вклад в теорию и практику обработки квантовой информации, которая является одной из центральных тем моей книги. Я с нетерпением жду от этой научной организации новых больших и прекрасных научных достижений.
Идея «Программируя Вселенную» состоит в том, что мы должны воспринимать Вселенную в терминах обработки информации, проводимой ею на самом фундаментальном уровне. В традиционном физическом описании Вселенной главной величиной является энергия. Недавно, однако, стало ясно, что информация является столь же важной величиной. Как гласит знаменитая формула Эйнштейна E = mc² , вся материя сделана из энергии. Однако информация задает форму, которую принимает вещество, и определяет те преобразования, которым подвергается энергия. В глубине своей Вселенная – это танец вращений и щелкающих звуков, в котором энергия и информация являются равными партнерами. Вселенная, в сущности, является гигантским компьютером, в котором каждый атом и каждая элементарная частица содержат биты информации, и каждый раз, когда два атома или две частицы сталкиваются, эти биты меняют свои значения. Вычислительная природа Вселенной дает начало ее запутанности и сложности: все, что может быть вычислено – все, что может вообразить наш разум, и даже сверх того – существует где-то во Вселенной.
Российские математики и ученые вписали много прекрасных страниц в теорию информации. Работы Андрея Николаевича Колмогорова были очень важны для этой книги: Колмогоров был одним из основоположников в области теории алгоритмической информации, в которой утверждается, что информация должна быть определена на языке ее обработки, то есть через вычисления. Теория сложности Колмогорова является естественной основой теорий вычисления и образования сложности, обсуждаемых в этой книге. В последнее время российские ученые сделали исключительно важный вклад в теорию квантовой информации и квантовых вычислений. Квантовая механика – это раздел физики, который изучает поведение вещества и энергии в их самой фундаментальной форме. В своей основе она является странной и контринтуитивной: частицы имеют соответствие в виде волн, а волны сделаны из частиц – это корпускулярно-волновой дуализм. Один электрон может находиться одновременно в двух местах, и множество вещей, которые для нашего классического воображения представляются невозможными, в действительности происходят ежесекундно. Вселенная – это не просто компьютер; в силу своей природы она является квантово-механическим компьютером. Сочетание квантовой странности с обработкой информации как раз и придает Вселенной ее стабильность, мощь и сложность.
Я имел счастье начинать свою научную карьеру в 1980-е гг., в момент, когда российские и советские ученые начали выезжать за границу после многих десятилетий разобщения с остальным миром. Помимо открытия сокровищницы фундаментальной научной информации, которая до этого была опубликована только на русском языке, эти ученые придали научному дискурсу уникальный и чудесный дух. В юности я читал Толстого и Достоевского и потому был знаком с богатством русской интеллектуальной дискуссии, но я никогда до этого не участвовал в настоящем русском научном споре, когда начинают говорить на повышенных тонах, когда по столу бьют кулаком, когда кусок мела могут в сердцах разбить о доску, но в конце, когда задачу удалось решить, все снова становятся друзьями. Страсть, настойчивость и дружеское разрешение фундаментальных проблем – вот истинный дух науки! И я надеюсь, что русское издание «Программируя Вселенную» породит яркие научные споры.
Сет Ллойд
Яблоко и Вселенная
«В начале был бит», – начал я. Часовня женского монастыря XVII в., где находится занятый изучением сложных систем Институт Санта-Фе, была заполнена обычными слушателями: физиками, биологами, экономистами и математиками с закваской из нескольких Нобелевских лауреатов. Один из отцов-основателей астрофизики и квантовой гравитации, Джон Арчибальд Уилер, предложил мне прочесть лекцию на тему «Всё из бита». Я принял вызов. Стоя перед аудиторией, я стал сомневаться, стоило ли это делать, но отступать было некуда. Я взял в руку яблоко.
«Вещи возникают из информации, то есть из битов, – продолжил я, нервно подбрасывая яблоко в воздух. – Это яблоко – хороший объект. Яблоко часто ассоциируют с информацией. Во-первых, яблоко – плод познания, “смертельный вкус которого принес на землю смерть и все страданья наши”. Оно несет информацию о добре и зле. Позже именно траектория падающего яблока подсказала Ньютону универсальные законы тяготения, а искривленная поверхность яблока есть метафора искривленного пространства времени Эйнштейна. Ближе к нашей теме то, что в генетическом коде, записанном в семенах яблока, запрограммирована структура будущих яблонь. И еще одно, не менее важное свойство яблока: оно содержит свободную энергию – калории богатой битами энергии, благодаря которой функционирует наше тело». Я откусил кусочек яблока.
«Очевидно, это яблоко содержит информацию разных типов. Но сколько оно вмещает? Сколько битов в нем?» Я положил яблоко на стол и повернулся к доске, чтобы сделать быстрый расчет. «Что интересно, количество битов в яблоке известно с начала XX в., когда еще не было самого слова “бит”. Может показаться, что яблоко содержит бесконечное число битов, но это не так. В действительности законы квантовой механики, управляющие всеми физическими системами, говорят, что требуется лишь конечное число битов, чтобы определить микроскопическое состояние яблока и всех его атомов. Каждый атом, а точнее, его положение и скорость содержит всего несколько битов; каждый ядерный спин в ядре атома хранит один-единственный бит. Поэтому битов в яблоке всего в несколько раз больше, чем атомов – несколько миллионов миллиардов миллиардов нулей и единиц».
Я повернулся к аудитории. Яблока на столе не было. Ничего себе! Кто его взял? Уилер безмятежно смотрел на меня. Лицо Мюррея Гелл-Манна, нобелевского лауреата, изобретателя кварка и одного из ведущих физиков мира, также не отражало никаких эмоций.
«Я не могу продолжать без яблока. Нет объекта – нет битов», – заявил я и сел.
Моя голодная забастовка продлилась всего несколько мгновений: улыбнувшись, инженер из исследовательского центра Bell Labs протянул мне яблоко. Я взял его и поднял над головой, бросая вызов любому, кто решится совершить еще одну попытку воровства. Это была моя ошибка. Но тогда мне казалось, что все идет хорошо.
У таких книжек - неважно, хорошо они написаны или плохо, все ты в них понял или только глубже погряз в дебрях научных терминов - есть замечательное свойство воодушевлять и и придавать жизни немножечко больше смысла. Ты вроде все так же механически встаешь по утрам, готовишь кофе, не открывая глаз, идешь на работу перебирать бестолковые бумажки, беспокоишься по поводу зацепки на кофте и мучительно выбираешь, что приготовить на ужин, делаешь сотню мелких однообразных дел, не приносящих ровно никакой пользы (во вселенских масштабах). А где-то сидят люди - физики, химики, биологи, неважно (ну, те из них, кто не стал от отчаяния нью-йоркским таксистом) - и думают о вещах, которые в твою, забитую мыслями о зарплате, отпуске и выходных, голову приходят разве что по праздникам (ну или по пьяни). О происхождении жизни, о будущем Вселенной, о появлении того мира, который мы видим и знаем. О всем том, что не приносит выгоды и денег, но дает хоть какое-то ощущение смысла и полезности для нас, мелких букашек на мелкой планете, крутящейся вокруг заурядного солнца на периферии самой обычной галактики. И ты теперь, вроде как, тоже к этому немного, ну хоть чуть-чуть, приобщен.
Книгу можно смело читать, если про теорию относительности ты слышал последний раз в школе, а про энтропию точно помнишь только то, что это что-то нехорошее. Ллойд сначала предлагает свою идею вычислительной вселенной, а потом медленно и очень понятно разжевывает все то, что понадобится для понимания его идеи - термодинамику, квантовую механику, теорию информации, рассказывает всякие интересные штуки про демонов Максвелла и Лапласа, двухщелевой эксперимент с электронами, обезьян-машинисток, печатающих текст Гамлета, и про пресловутого кота (наконец-то, наконец-то я поняла, как этот бедный кот работает, и при чем тут квантово-волновой дуализм!). Параллельно Ллойд предлагает взглянуть на известные теории и физические понятия с точки зрения его идеи вычислительной Вселенной: связывает энергию с информацией, термодинамическую энтропию - с информационной, частицу - с битом, и превращает окружающий нас мир в огромный квантовый компьютер.
И это все вроде круто, но очень непонятно. Что вычисляет Вселенная? В аннотации написано, что свое собственное будущее. Но Ллойд об этом не пишет. Зато пишет, что его теория может стать тем самым долгожданным связующим звеном между квантовой механикой и теорией относительности. Но за счет чего она станет этим звеном? Еще в названии книги фигурирует квантовый компьютер. Но в книге этому уделено слишком мало значения, Ллойд о нем постоянно упоминает, рассказывает о принципе работы, но не пишет, как их создают. Понятно, конечно, что он пишет о теории, что она недоработана, что до настоящих квантовых компьютеров еще очень далеко, а до универсального - неизвестно, создадут ли его вообще. Но все равно осталось чувство недосказанности.
Про идею создания квантового компьютера очень круто написано, кстати, поражает, как можно простым логическим рассуждением прийти к выводу о вероятности существования того, что еще не создано (я понимаю, что так все теории создаются, но это же блин! ааа!!). То есть, есть частица, предположим, она несет один бит, 1 или 0, но так как мы о частице говорим, то она может одновременно нести в себе 1 и 0 (или даже больше), поэтому будем говорить "кубит", а раз возможно существование такой квантовой единицы информации, которая одновременно несет в себе несколько состояний, то возможно существование квантового процессора, который будет применять логические операции к квантовым единицам информации, а значит, возможно существование квантового компьютера, который будет выдавать запрошенную пользователем информацию после обработки квантовых единиц информации квантовым процессором (в квантовом лесу сдох квантовый слон, а квантовый кто-то об этом узнал, ага). Взрыв мозга!
Еще мне очень понравился сам Сет Ллойд, как он с юмором и иронией пишет о себе, без пафоса и перетягивания одеяла. А еще посмешила рецензия на обложке книги, обещающая читателю "получить для себя конкретные практически применимые знания". Ага, пособие по массажу атомов для домохозяек, как создать квантовый компьютер в гараже и спроси меня, как жить вечно в условиях растущей энтропии.
В общем, я продолжаю перебирать бестолковые бумажки и расстраиваться по поводу зацепки на кофте, и, да, все мы только маленькие глупые бесполезные букашки, но букашки, которые могут мыслить в масштабах Вселенной, и которые стремятся ее познать.
