Сет Ллойд - Програмуючи Всесвіт. Космос – квантовий комп’ютер

Давайте ознайомимося з провідними акторами в космічній опері. У традиційній космології головним актором є енергія: енергія випромінювання (насамперед енергія світла) та енергія маси в протонах, нейтронах та електронах. Що ж таке енергія? Як ви вже, напевне, дізналися в школі, енергія – це спроможність виконувати роботу. Енергія змушує фізичні системи утворювати речі.

Загальновідомо, що енергія зберігається; вона може набувати різних форм: теплоти, роботи, електроенергії, механічної енергії, – але ніколи не втрачається. Цей факт відомий як перший закон термодинаміки. Але якщо енергія зберігається і якщо Всесвіт виник із нічого, звідки ж тоді взялася вся енергія? Фізика дає пояснення.

Квантова механіка описує енергію в контексті квантових полів – внутрішньої структури Всесвіту, збурення якої утворює елементарні частинки: фотони, електрони, кварки. Енергія навколо нас тоді була виведена з глибинних квантових полів розширенням нашого Всесвіту – у формі Землі, зір, світла, теплоти. Гравітація – це сила тяжіння, що притягує речі одну до одної. У міру того як Всесвіт розширюється (що він і продовжує робити), гравітація висмоктує енергію з квантових полів. Енергія у квантових полях майже завжди додатна, і ця енергія точно збалансовується від’ємною енергією гравітаційного тяжіння. Оскільки розширення триває, все більше й більше додатної енергії стає наявною у вигляді матерії чи світла, що компенсується від’ємною енергією в силі тяжіння гравітаційного поля.

У традиційній історії Всесвіту чимала увага належить енергії. Скільки її там? Де вона? Що робить? І навпаки, в історії Всесвіту, про яку йде оповідь у цій книжці, головним актором у фізичній історії є інформація . Докорінним чином інформація та енергія відіграють у Всесвіті взаємодоповняльні ролі: енергія змушує фізичні системи створювати речі. Інформація каже їм, що робити.

Якби ми могли подивитися на матерію в атомарному масштабі, ми б побачили, як атоми танцюють і коливаються хаотично в різні боки. Енергія, що спонукає до цього хаотичного атомного танцю, називається теплотою, а інформація, що визначає кроки цього танцю, називається ентропією . Простіше кажучи, ентропія – це інформація, необхідна для уточнення хаотичних рухів атомів та молекул – рухів, надто малих, щоб ми їх побачили. Ентропія – це інформація, що міститься у фізичній системі, невидимій для нас .

Ентропія – це засіб вимірювання ступеня молекулярного безладу, що існує в системі: вона визначає, скільки теплової енергії недоступно для перетворення на механічну дію, і, відповідно, яку частину теплової енергії можна використати на практиці. Другий закон термодинаміки стверджує, що повна ентропія Всесвіту не знижується – іншими словами, кількість недоступної для використання енергії збільшується. Прояви другого закону термодинаміки – навколо нас. Гаряча пара рухає турбіну та виконує корисну роботу. Коли ж пара охолоджується, її молекули, коливаючись, передають частину їхнього безладу в безлад у навколишньому повітрі, і воно нагрівається, його ентропія зростає. Молекули пари коливаються дедалі повільніше, а молекули повітря – дедалі швидше, і в результаті пара і повітря набувають однакової температури. Коли різниця температур менша, ентропія системи більша. Але пара, досягнувши кімнатної температури, вже не працюватиме.

Ось іще один спосіб пояснити, що таке ентропія. Інформація здебільшого невидима. Кількість бітів, необхідних для опису танцю атомів, значно переважає кількість бітів, які ми бачимо або знаємо. Розгляньмо фотографію: в ній є природна зернистість, визначена розміром зернят галоїду срібла, що утворюють фотоплівку; або, якщо це цифрове фото, – кількістю пікселів, які утворюють цифрове зображення на екрані. Високоякісне цифрове зображення може нести майже мільярд бітів видимої інформації. Як я отримав таку цифру? Одна тисяча пікселів на дюйм – це висока роздільна здатність, близька до роздільної здатності ока. За такої роздільної здатності кожен квадратний дюйм фотографії містить мільйон пікселів. Фото розміром 8 на 6 дюймів із 1000 пікселів на дюйм має 48 мільйонів пікселів. У кожного пікселя свій колір. Цифрові камери зазвичай використовують 24 біти, щоб утворити 16 мільйонів кольорів, – це знов-таки можна порівняти з кількістю, яку може виокремити людське око. Тож кольорова цифрова фотографія 8 на 6 із 1000 пікселів на дюйм і 24 бітами колірної розподільної здатності має 1 152 000 000 бітів інформації. (Простіший спосіб дізнатися, скільки бітів необхідно для фотографії, – подивитися, як швидко простір пам’яті у вашій цифровій фотокамері зникає, коли ви фотографуєте. Типова цифрова камера робить фотографії з високою роздільною здатністю на 3 мільйони байтів – 3 мегабайти – інформації. Байт – це 8 бітів, тож кожне фото в цифровій фотокамері має приблизно 24 мільйони бітів.)