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

Теорія квантової механіки дає початок великомасштабній структурі через її, по суті, теоретико-ймовірнісну природу. Хоча це й може здатися парадоксальним, квантова механіка виробляє деталь та структуру, оскільки остання за своїм характером мінлива.

Ранній Всесвіт був однорідним: густина енергії всюди була майже однакова. Але вона була не точно однакова. У квантовій механіці величини, такі як положення, швидкість і густина енергії, не мають точних значень. Їхні значення варіюються, відбуваються флуктуації. Ми можемо описати їхні можливі значення, найімовірніше місце перебування частинки, наприклад, але не можемо претендувати на абсолютну певність. Через ці квантові флуктуації деякі райони раннього Всесвіту були ледь-ледь густішими, ніж інші райони.

З часом сила гравітації змусила більше матерії рухатись у напрямку до цих густіших районів, надалі підвищуючи їхню енергетичну густину та зменшуючи густину довколишнього простору. Гравітація, таким чином, посилила ефект початкової крихітної невідповідності, спричиняючи її зростання. Саме така крихітна квантова флуктуація біля початку часу і сформувала насіння того, що з часом перетворилося на скупчення галактик. Трохи пізніше подальші флуктуації сформували насіння для розташувань окремих галактик у скупченні, а ще пізніше флуктуації дали насіння для розташувань планет і зір.

У процесі створення цієї великомасштабної структури гравітація також створила вільну енергію, що необхідна істотам для виживання. У міру того як матерія скупчувалася в одне, вона рухалася дедалі швидше, отримуючи енергію з гравітаційного поля, тобто матерія розігрівалася. Чим більшим ставало скупчення, тим гарячішою – матерія. Якщо нагромаджувалося достатньо матерії, температура в центрі зростала до точки, за якої спалахували термоядерні реакції: починала сяяти зоря! Світло отримує від неї багато вільної енергії – тієї, яку, наприклад, рослини використовуватимуть для фотосинтезу. Тоді, коли виникнуть.

Здатність гравітації розширювати невеликі флуктуації в згущення – це відображення фізичного явища, відомого як хаос. У хаотичній системі те, що починається як крихітна різниця, збільшується в часі. Можливо, найвідомішим прикладом хаосу є так званий ефект метелика. Рівняння руху в межах атмосфери Землі у своїй суті є хаотичними, тому крихітне збурення, таке як помах крил метелика, може збільшуватись у часі та відстані, перетворюючись на масштабний ураган згодом. Мікроскопічні квантові флуктуації густини потоку енергії на час Великого вибуху – це ефекти «метелика», що прилітає і створює великомасштабну структуру Всесвіту.

Кожна галактика, зоря та планета мають свою масу та розташування відносно квантових випадковостей раннього Всесвіту. Але це ще не все – ті випадковості є також джерелом дрібних деталей Всесвіту. Шанс є визначальним складником мови природи. Кожне падіння квантового грального кубика вводить ще трохи бітів деталей у світ. У міру того як ці деталі нагромаджуються, вони формують насіння для всього розмаїття Всесвіту. Кожне дерево, гілка, листок, клітина та спіраль ДНК мають власну особливу форму деяких минулих підкидань квантового грального кубика. Без законів квантової механіки Всесвіт був би безликим і порожнім. Азартна гра на гроші, можливо, є породженням пекла, але підкидання квантового кубика – божественні.

Ми вже зрозуміли, що Всесвіт обчислює, записуючи і трансформуючи інформацію, тож те, що бачимо навколо, можна назвати універсальним комп’ютером. Але в цієї назви є ще одне, більш технічне значення. В інформатиці універсальний комп’ютер – це пристрій, що може бути запрограмований на обробку бітів інформації будь-яким бажаним способом. Класичні цифрові комп’ютери такого типу, як той, на якому пишеться ця книжка, є універсальними комп’ютерами, а їхні мови – це універсальні мови. Люди здатні проводити універсальні обчислення, а людські мови – універсальні. Більшість систем, які можуть бути запрограмовані на виконання довільних довгих послідовностей простих трансформацій інформації, є універсальними.

Універсальні комп’ютери можуть робити з інформацією буквально будь-що. Два винахідники універсальних комп’ютерів та універсальних мов, Алонсо Черч і Алан Тьюрінг, висунули гіпотезу, що будь-яка математична маніпуляція може бути виконана на універсальному комп’ютері, іншими словами, універсальні комп’ютери можуть генерувати математичні приклади будь-якого рівня складності. Проте сам універсальний комп’ютер має бути нескладною машиною, він повинен бути здатним лише брати біти, один чи два за раз, і виконувати з ними нескладні операції. Будь-яка бажана трансформація з будь-яким великим набором бітів може бути запущена періодичним виконанням операцій на лише одному або двох бітах за раз. І будь-яка машина, що може запустити цю послідовність простих логічних операцій, – це і є універсальний комп’ютер.