Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки

Ллойд Сет

Есть и другой способ, которым могут быть созданы все возможные математические структуры. Данные наблюдений свидетельствуют о том, что Вселенная пространственно бесконечна: она простирается за пределы горизонта безо всяких границ. Если это так, то где-нибудь и когда-нибудь она создаст любую возможную математическую структуру. Эти структуры могут существовать в пределах нашей ветви суперпозиции; в какой-то момент в будущем они появятся в пределах нашего горизонта и начнут на нас влиять. Где-то там, быть может, существуют точные копии вас и меня. Где-то еще эти копии существуют, но они несовершенны: у меня не голубые глаза, а карие. В какой-то момент в будущем информация об этих дальних копиях войдет в пределы нашего горизонта, вот только звезды закончат свое существование задолго до этого. Как бы сказал Больцман, если вы хотите пообщаться с другими мирами, не слишком на это надейтесь.

Но если вы хотите пообщаться с живыми существами с других планет, вполне возможно, что вам повезет. По той же причине, по которой мы знаем,

что законы физики поддерживают вычисления (у нас ведь есть компьютеры!), мы знаем, что они поддерживают жизнь (мы живы!). Но мы не знаем, какова вероятность спонтанного возникновения жизни на какой-то другой планете, и не знаем, с какой вероятностью жизнь, когда-то возникшая на одной планете, может быть перенесена на другую. Возможность установить связь с живыми существами с другой планеты самым существенным образом зависит от этих вероятностей. Возможно, когда-нибудь мы будем достаточно знать о том, как возникла жизнь, и сможем вычислить эту вероятность; а пока вы можете адресовать вопрос о везении лишь себе.

Будущее

Как долго могут продолжаться вычисления во Вселенной? Современные данные наблюдений свидетельствуют о том, что Вселенная будет расширяться вечно. Пока она расширяется, количество выполненных операций и количество доступных битов в пределах горизонта будут расти. Энтропия тоже будет расти, но, поскольку Вселенная становится больше, ей нужно все больше времени, чтобы достичь теплового равновесия, и фактическая энтропия будет увеличиваться с меньшей скоростью, чем максимально возможная энтропия. В результате число калорий свободной энергии, доступной для потребления, будет увеличиваться.

Пока все неплохо. Проблема же в том, что, хотя общее количество свободной энергии продолжает расти, плотность свободной энергии – количество ее в расчете на каждый кубометр – уменьшается. Иначе говоря, калорий-то становится больше, но их все труднее и труднее собрать. Через триллионы лет звезды сожгут все свои запасы ядерного топлива. В это время наши потомки, если они все еще будут жить, смогут накапливать энергию, собирая вещество и превращая его в полезную энергию. Этот сценарий подробно проанализировал Стивен Фраучи из Калифорнийского технологического института {16} . Максимальное количество свободной энергии, которую можно извлечь, есть E = mc^2, где m – масса собранной материи. (Конечно, какая-то часть энергии будет потеряна вследствие неэффективности процесса извлечения.)

16

«Entropy in an Expanding Universe», Science, Vol. 217, № 4560 (Aug. 13, 1982): 593–599.

Собирая мусор все дальше и дальше от дома, наши потомки будут получать все больше материи и извлекать из нее энергию. Какая-то часть этой энергии неизбежно будет потрачена впустую или потеряна при передаче. Некоторые космологические модели позволяют продолжать сбор энергии до бесконечности, другие – нет {17} .

Более бережливая стратегия вечной жизни состоит в том, чтобы научиться обходиться конечным количеством энергии, как предложил Фримен Дайсон из Института перспективных исследований {18} . В конце концов, общее число операций, которые могут быть выполнены, пропорционально количеству доступной энергии, умноженному на время, в течение которого она остается доступной. Если время будет продолжаться вечно, конечное количество энергии должно быть достаточным для того, чтобы вычисления длились вечно. К сожалению, всякий раз, когда выполняется операция, часть энергии будет потрачена впустую из-за ошибок и неэффективности. В конечном счете источник энергии истощится и ее количество приблизится к нулю. Дайсон указывает, что, несмотря на истощение хранилищ энергии, жизнь может продолжаться сколь угодно долго, пока она согласна замедляться.

17

Пессимистический взгляд на будущее жизни описан в статье Лоренса Краусса и Глена Старкмана «Судьба жизни во Вселенной» (The Fate of Life in the Universe, Scientific American, Vol. 281, ноябрь 1999 г.). Авторы ссылаются на недавние наблюдения, указывающие на то, что Вселенная расширяется все быстрее. Если нынешние темпы этого ускорения сохранятся, то в конечном счете количество доступной энергии в пределах нашего горизонта снизится до нуля. Более оптимистичный сценарий изложен в работе Катерины Фриз и Уильяма Кинни «Окончательная судьба жизни в ускоряющейся Вселенной» (The Ultimate Fate of Life in an Accelerating Universe,. Эти авторы ожидают, что скорость расширения Вселенной будет снижаться, и количество доступной энергии в пределах нашего горизонта будет продолжать расти.

18

«Time Without End: Physics and Biology in an Open Universe», Reviews of Modern Physics, Vol. 51, № 3 (July 1979): 447–460.

Предположим, что каждый раз, когда

эта будущая форма жизни выполняет операцию, вся энергия, которая использовалась для ее выполнения, рассеивается. Это самый худший вариант. И в следующий раз, когда существо будет выполнять операцию, у него будет меньше доступной энергии. В этом нет ничего страшного – следующая операция просто будет выполняться медленнее, чтобы хватило меньшего количества энергии. Доступная энергия будет постепенно уменьшаться, но это будет происходить все медленнее и медленнее. Точно так же время, затрачиваемое на выполнение каждой операции, будет становиться все больше и больше. Но пока вы продолжаете выполнять операции все медленнее и медленнее, вы все еще можете выполнить за бесконечное время бесконечное число операций, используя для этого конечное количество энергии.

А как насчет пространства памяти? По мере того как количество доступной энергии уменьшается, пространство памяти, доступное в данном объеме, тоже уменьшается. И чтобы продолжать увеличивать доступное пространство памяти, наша бессмертная форма жизни должна будет распространять свою энергию по все большему и большему объему. Другими словами, если вы хотите жить вечно, вам нужно двигаться медленно и толстеть (многие люди уже взяли эту стратегию на вооружение).

Самая большая потенциальная проблема стратегии «двигаться медленно и толстеть» – это мусор. От использованной энергии нужно как-то избавляться. К счастью, стратегия «двигаться медленно и толстеть» здесь тоже помогает: чем медленнее вы двигаетесь, тем меньше энергии вам нужно рассеять, и чем вы толще, тем больше площадь поверхности, по которой можно рассеять эту энергию. Но здесь нужна осторожность: необходимо расширяться достаточно медленно, чтобы ваша средняя энергия на бит (то есть ваша температура) оставалась выше температуры окружающей Вселенной. Если Вселенная имеет некую характерную минимальную температуру, как предполагают некоторые космологические наблюдения, вы просто утонете. В некоторый момент вас поглотит окружающее излучение. Но если температура Вселенной постоянно уменьшается и делает это достаточно быстро, как показывают другие космологические наблюдения, у вас все хорошо: вы можете продолжать обрабатывать информацию и расширять пространство своей памяти.

Предположим, что такая окончательная форма жизни может существовать. На что она была бы похожа? Она расширялась бы, чтобы охватить сначала звезды, затем галактики, затем скопления галактик, но в итоге ей будут требоваться миллиарды лет, чтобы обдумать ровно одну мысль. Нравится? Конечно, это дело вкуса, но если вы хотите жить вечно, то вам придется пойти на некоторые жертвы.

Быть человеком

Мы заглянули в горячее прошлое; мы заглянули в тусклое и далекое будущее. Чтобы завершить дискуссию о сложности, давайте вернемся в настоящее. Каково место человека в вычислительной Вселенной? Естественная способность Вселенной обрабатывать информацию на фундаментальном уровне дает начало всем возможным формам обработки информации. После Большого взрыва, когда разные части Вселенной исследовали все возможные способы обработки информации, рано или поздно, под влиянием квантовых событий, некоторым частям Вселенной удалось найти алгоритм воспроизведения самих себя. Это привело к возникновению жизни. Жизнь развивалась благодаря обработке генетической информации в поисках новых стратегий выживания и размножения. Перебрав миллиарды стратегий, некоторые живые системы в итоге обнаружили половое размножение – способ, очень сильно увеличивающий скорость, с которой могут быть исследованы новые стратегии и алгоритмы эволюции, потому что он ускоряет темпы обработки генетической информации. Через миллиарды лет полового размножения и отбора живые существа развили всевозможные методы сбора и обработки информации, среди них – глаза, уши и мозг.

Где-то в течение последних 100 000 лет люди открыли для себя язык. Человеческий язык, должно быть, казался другим животным странно звучащей инновацией. Но язык позволял выражать понятия произвольной степени сложности, и это позволило людям обрабатывать информацию чрезвычайно распределенным образом. Распределенная природа человеческой обработки информации, в свою очередь, позволила людям создавать новые формы сотрудничества, формировать группы, ассоциации, общества, компании и т. д. Некоторые из этих новых форм сотрудничества оказались поразительно эффективными, причем разные формы распределенной обработки информации, такие как демократия, коммунизм, капитализм, религия и наука, начали жить собственной жизнью, развиваясь и расширяясь со временем.

Именно богатство и сложность нашей совместной обработки информации позволила нам продвинуться так далеко. Изобретение человеческого языка, вместе с разнообразным социальным развитием, стало настоящей революцией в сфере обработки информации и существенным образом изменило лик нашей планеты. Утверждается, что именно мозг отличает нас от других животных. Мы, люди, очень привязаны к своему мозгу. Без него у нас не было бы ни мышления, ни восприятия (то же самое касается других животных, у которых есть мозг). Язык позволяет нам связать работу нашего мозга с работой мозга других людей. Коммуникация позволяет создавать все более сложные способы сотрудничества и соревнования. Перефразируя Джона Донна, нет человека, который был бы как остров, сам по себе, каждый человек на Земле есть часть общего процесса вычислений.