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

Після цієї мільярдної частки секунди Всесвіт був дуже гарячий. Майже вся енергія, втягнута в нього, тепер мала форму теплоти. Для опису безмежно малих коливань елементарних частинок у цьому стані було необхідно дуже багато інформації. Узагалі, коли вся матерія має однакову температуру, ентропія сягає максимуму. У цей період вільної енергії, тобто порядку , було дуже мало, що робило миті після Великого вибуху шкідливим часом для процесів, подібних до життя. Життя потребує вільної енергії. Навіть якби там була якась форма життя, що могла б витримати високі температури Великого вибуху, то тій формі життя нічого було б їсти.

У міру того як Всесвіт розширювався, він охолоджувався. Елементарні частинки коливалися повільніше. Хоча кількість інформації, необхідної для опису їхніх коливань, залишалася майже такою самою, вона поступово підвищувалася впродовж тривалого часу. Могло б здатися, що повільніші коливання потребують менше інформації для опису, і це так: менша кількість бітів необхідна для описування їхніх швидкостей . Але разом із тим кількість простору, в якому вони коливалися, більшала, потребуючи більше бітів для опису їхніх розташувань . Через це загальна кількість інформації залишалася сталою або підвищувалася згідно з другим законом термодинаміки.

Коливання уповільнювались, а біти й частинки космічного «супу» почали згущуватись. Це згущення породило деякі зі знайомих форм матерії, які ми бачимо сьогодні. Коли ж кількість енергії в типовому коливанні стала меншою, ніж кількість енергії, необхідної для утримування разом деяких форм складної частинки, наприклад протона, ті частинки сформувалися. Інакше кажучи, щойно коливання складників, таких як кварки у протоні, більше не були достатньо енергійними для окремого існування цих складників, вони з’єднувалися докупи як одна частинка, яка «конденсувалась» із космічного «супу». Щоразу, коли конденсувався новий інгредієнт «супу», відбувалося підвищення ентропії – нова інформація вписувалася до космічної «кулінарної книги».

Частинки згущувались у «супі» в порядку енергії, необхідної, щоб з’єднати їх разом. Протони та нейтрони – частинки, що утворили ядра атомів, – згустилися за трохи менш ніж одну мільйонну частку секунди після Великого вибуху, коли температура була приблизно 10 мільйонів мільйонів градусів Цельсія. Атомні ядра почали формуватися через секунду, приблизно за мільярда градусів. Через три хвилини згустились ядра легких атомів: гідрогену, гелію, дейтерію, літію, берилію та бору. Проте електрони все ще кружляли надто швидко, щоб ядра могли «вхопити» їх. Через триста вісімдесят тисяч років після Великого вибуху, коли температура Всесвіту опустилася до трохи менше ніж 10000 градусів Цельсія, електрони врешті достатньо охолонули, щоб їх можливо було «вхопити», і сформувалися стійкі атоми.

До утворення атомів майже вся інформація у Всесвіті була на рівні елементарних частинок. Майже всі біти були записані позиціями та швидкостями протонів, електронів тощо. У більшому масштабі Всесвіт ще містив дуже мало інформації: він не мав характерних рис і був однорідним. (Наскільки однорідним? Уявіть поверхню озера в безвітряний ранок настільки спокійною, що відображення дерев неможливо відрізнити від самих дерев. Уявіть, що земля не має гір, вищих за кротову купку. Ранній Всесвіт був ще більш однорідним.)

Сьогодні ж, навпаки, телескопи виявляють у Всесвіті величезні різновиди та неоднорідності. Матерія концентрується, утворюючи планети, такі як Земля, та зорі, такі як Сонце. Планети й сонця скупчуються, утворюючи сонячні системи. Наша Сонячна система разом із мільярдами інших утворює галактику – Молочний Шлях.

Молочний Шлях є лише одним із десятків галактик у скупченні галактик, а наше скупчення галактик є лише одним скупченням у надскупченні. Ця ієрархія скупчень матерії, відокремлених космічними порожнинами, утворює великомасштабну структуру Всесвіту.

Як же ця великомасштабна структура виникла? Звідки взялися біти інформації? Ці біти ведуть своє походження з дуже раннього Всесвіту, який ми щойно дослідили. Їхнє походження можна пояснити законами квантової механіки в поєднанні з законами гравітації.

Квантова механіка – це теорія, що описує, як поводяться матерія та енергія на їхніх фундаментальних рівнях. У малих масштабах квантова механіка описує поведінку молекул, атомів та елементарних частинок. У більших масштабах – описує вашу та мою поведінку. У ще більших – поведінку Всесвіту як єдиного цілого. Закони квантової механіки відповідальні за виникнення у Всесвіті деталей та структур .