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

1 152 000 000 бітів – це дуже багато інформації, але кількість інформації, необхідна для опису невидимих коливань атомів у зернах галоїду срібла нецифрової фотографії, значно більша. Щоб описати їх, знадобиться понад мільйон мільярдів мільярдів бітів (10 24, або 1 із 24 нулями). Невидимі атоми, коливаючись, містять набагато більше інформації, ніж видима фотографія, яку вони утворюють. Фотографія, яка передає ту саму кількість видимої інформації, що й невидима інформація в грамі атомів, має бути розміру штату Мен.

Кількість бітів, що містяться в коливних атомах, які утворюють зображення на фотоплівці, можна підрахувати так. Розмір зернини галоїду срібла – приблизно одна мільйонна метра, і в ній близько трильйона атомів. На фотографічній плівці є десятки мільярдів зернят галоїду срібла. Опис того, де перебуває окремий атом (за кімнатної температури) у своєму безмежно малому танці, вимагає від 10 до 20 бітів. Загальна кількість інформації, яку містять атоми у фотографії, таким чином, становить 10 23 бітів. Мільярд (10 9) бітів інформації, видимої на цифровому фото, – це лише крихітна частка цієї загальної кількості. Решта інформації, що міститься в матерії фотографії, невидима. Ця невидима інформація і є ентропією атомів.

Закони термодинаміки є путівником у взаємодії між нашими двома діячами – енергією та інформацією. Щоб продемонструвати інший приклад першого та другого законів, надкусимо яблуко. Цукри в яблуку містять те, що зветься вільною енергією. Вільна енергія – це енергія у формі вищого порядку, яка асоціюється з відносно низькою ентропією. У випадку яблука енергія в цукрі зберігається не в хаотичному коливанні атомів, а в упорядкованих хімічних зв’язках, що тримають цукор разом. Потрібно значно менше інформації, щоб описати форму, якої енергія набуває в мільярдах упорядкованих хімічних зв’язків, ніж для того, щоб описати ту саму кількість енергії, яка міститься в тих же атомах, які хаотично рухаються. Відносно мала кількість інформації, необхідної для опису енергії хімічних зв’язків, робить її доступною для використання – саме тому вона й називається вільною.

Візьміть яблуко, надкусіть його. Ви проковтнули вільну енергію. Ваша травна система містить хімічні реагенти – ензими, що перетворюють цукри яблука на глюкозу – форму цукру, яку можуть негайно використати ваші м’язи. Кожен грам глюкози містить кілька кілокалорій вільної енергії. Коли у вас перетравився цукор, ви можете пробігти кілька миль на кількох сотнях кілокалорій. (Калорія – це кількість енергії, необхідної для нагрівання одного грама води на один градус Цельсія. Кілокалорія, тобто 1000 калорій, – це те, що ми в побуті зазвичай називаємо «калоріями»: чайна ложка цукру містить десять кілокалорій вільної енергії. Сто кілокалорій – це енергія, якої достатньо для підняття авто «фольксваген жук» на висоту тридцять метрів у повітря!) Поки ви біжите, вільна енергія в цукрі перетворюється на рух ваших м’язів. Коли ви закінчите бігти, ви розігрієтесь: вільна енергія в цукрі перетвориться на теплоту й роботу. Кількість калорій теплоти й роботи точно збігається з калоріями вільної енергії в цукрі яблука. Згідно з першим законом термодинаміки, загальна кількість енергії лишається незмінною. (За другим законом, кількість інформації, необхідної для опису додаткового коливання молекул у ваших розігрітих м’язах та спітнілій шкірі, значно більша, ніж кількість інформації, необхідної для опису впорядкованих хімічних зв’язків у цукрі яблука.)

На жаль, розвернути цей процес не так просто. Якби ви хотіли перетворити енергію теплоти, де багато невидимої інформації (або ентропії), назад в енергію хімічних зв’язків, де ентропія значно менша, вам би довелося щось робити з цією надлишковою інформацією. Як ми ще будемо розглядати, проблема пошуку місця для надлишкових бітів у теплоті накладає фундаментальні обмеження на те, як здатні функціонувати машини, люди, мізки, ДНК та комп’ютери.

Проте в кожному разі ясно, що енергія та інформація (видима і невидима) – це два головні актори у всесвітній драмі. Всесвіт, який ми бачимо, походить із взаємодії між цими двома величинами, взаємодії, що керована першим та другим законами термодинаміки. Енергія зберігається. Інформація ніколи не зменшується. Енергія потрібна для того, щоб фізична система еволюціонувала з одного стану до іншого. Тобто енергія потрібна для обробки інформації. Чим більше енергії, яку можна застосовувати, тим швидше фізична трансформація відбувається і тим швидше інформація обробляється. Максимальна швидкість, за якої фізична система може обробляти інформацію, пропорційна її енергії. Чим більше енергії, тим швидше біти перевертаються. Земля, повітря, вогонь і вода – все зроблене з енергії, але різні форми, яких воно набуває, визначаються інформацією. Щоб зробити будь-що, потрібна енергія. Щоб уточнити, що зроблено, потрібна інформація. Енергія та інформація за природою (даруйте мимовільний каламбур) тісно пов’язані.