Сет Ллойд - Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки

Великие специалисты XIX в. в области статистической физики, Джеймс Клерк Максвелл в Великобритании, Людвиг Больцман в Австрии и Джозайя Уиллард Гиббс в Соединенных Штатах вывели фундаментальные формулы того, что позже получило название «теории информации», и использовали их для описания поведения атомов. В частности, они применяли эти формулы, чтобы получить обоснование второго начала термодинамики.

Как мы уже говорили, первое начало термодинамики является утверждением относительно энергии: превращаясь из механической энергии в теплоту, она сохраняется. Второе начало термодинамики, однако, относится к информации и к тому, как она обрабатывается на микроскопическом уровне. Этот закон гласит, что энтропия (которая является мерой информации) имеет тенденцию увеличиваться. Точнее, каждая физическая система содержит определенное число битов информации – и невидимой (или энтропии), и видимой, а динамические процессы, в ходе которых обрабатывается и трансформируется эта информация, ни при каких условиях не уменьшают общего количества битов.

Второму закону термодинамики почти полторы сотни лет, но он до сих пор остается предметом научных споров. Почти никто не сомневается в его истинности, но есть самые разные мнения о том, почему он справедлив. Гипотеза о вычислительной природе Вселенной может снять по крайней мере часть этих споров. Второе начало термодинамики, если понять его должным образом, основано на взаимодействии между «видимой информацией» о состоянии вещества – той, к которой у нас есть доступ, и «невидимой информацией» – битами энтропии, которые ничуть не менее физические и которые хранятся атомами, формирующими это вещество.

В программу моего обучения в Гарварде входило «Общее образование». На практике это означало, что если я способен объяснить, для чего мне нужен тот или иной курс, то могу его посещать. Поэтому, заручившись благословением – или, во всяком случае, подписью – своего научного руководителя, Нобелевского лауреата Шелдона Глэшоу, я составил для себя программу сам. Ее основными элементами были лекции Роберта Фитцджеральда о просодии и Гомере, Вергилии и Данте, а также лекции Леона Кирхнера о камерной музыке и семинар Бернарда Коэна «Влияние физики на общество». Глэшоу также настоял на том, чтобы я прослушал немного лекций по физике.

Я выбрал два курса, с которых начался мой путь к вычислительной модели Вселенной. Первым был курс Майкла Тинкэма по статистической механике, замечательный синтез квантовой механики (физики атомов и молекул) и термодинамики (тепло и работа). Как наука статистическая механика возникла в последние годы XIX в. и привела к созданию лазеров, электрических лампочек, транзисторов и многих других изобретений. Основная идея курса Тинкэма состояла в том, что термодинамическая величина, известная как энтропия и представляющая собой меру тепловой энергии, которая не может быть превращена в механическую энергию в замкнутой термодинамической системе, может также восприниматься как мера информации.

Понятие энтропии (от древнегреческого «в превращении») впервые ввел Рудольф Клаузиус в 1865 г. Тогда она представлялась таинственной термодинамической величиной, которая ограничивает мощность паровых двигателей. Тепло – это много энтропии. Механизмы, работающие на основе тепловой энергии, например паровые двигатели, должны что-то делать с этой энтропией; как правило, они избавляются от нее посредством выхлопа. Они не могут превратить всю тепловую энергию в полезную работу. Клаузиус же отметил, что энтропия имеет тенденцию увеличиваться.

В конце XIX в. основатели статистической механики, Максвелл, Больцман и Гиббс, поняли, что энтропия – это еще и форма информации. Энтропия – мера количества битов недоступной информации, содержащейся в атомах и молекулах, из которых состоит мир. Тут-то и появилось второе начало термодинамики, которое объединило это наблюдение с тем фактом, что законы физики, как мы скоро увидим, сохраняют информацию. Природа не разрушает биты.

Да, но ведь нужно бесконечное число битов энтропии, чтобы точно определить положение и скорость даже одного-единственного атома, возразили мои одногруппники. Это не так, ответил Тинкэм. Законы квантовой механики, управляющие поведением физических систем на микроскопическом уровне, гарантируют, что атомы и молекулы хранят лишь конечное количество информации.