Вычислительная мощь Вселенной

 

Теперь, когда мы знаем, сколько вычислений может выполнить кусочек вещества, лежащий у нас на коленях, давайте обратимся к более мощному компьютеру – как тот, что описал Айзек Азимов в «Последнем вопросе», к компьютеру размерами с космос. Предположим, все вещество и вся энергия в космосе поставлены на службу вычислений. Насколько мощным будет такой компьютер? Мощность космологического компьютера, состоящего из всего, что есть во Вселенной, можно определить с помощью тех же самых формул, которые помогли нам исследовать мощность абсолютного ноутбука.

Прежде всего, энергия ограничивает скорость работы. Количество энергии во Вселенной известно нам с довольно высокой степенью точности. Большая ее часть «заперта» в массе атомов. Если посчитать все атомы во всех звездах и всех галактиках, прибавив вещество межзвездных облаков, мы обнаружим, что общая средняя плотность Вселенной составляет примерно один атом водорода на кубический метр.

Во Вселенной есть и другие формы энергии. Например, свет содержит энергию (хотя гораздо меньше, чем ее содержится в атомах). Скорости вращения далеких галактик указывают на существование иных, невидимых источников энергии. Формы, которые они принимают, нам неизвестны; среди возможных кандидатов на роль «скрытой массы» – объекты с такими причудливыми названиями, как «зануда», «пьяница» и «мачо»[47]. Далее, аномальное ускорение расширения Вселенной предполагает присутствие еще одной формы энергии, которую сейчас принято называть квинтэссенцией[48]. Представляется, что общее количество энергии этих экзотических форм не более чем на порядок превышает сумму энергии в обычном веществе, которое мы можем наблюдать, и это не имеет принципиального значения для расчета общего количества вычислений, которые может выполнять Вселенная.

Прежде чем перейти к оценке вычислительной мощности Вселенной, давайте определим, что же мы измеряем. Данные текущих наблюдений свидетельствуют о том, что Вселенная пространственно бесконечна, она простирается во всех направлениях, безо всяких границ. В пространственно бесконечной Вселенной количество энергии также бесконечно; следовательно, количество операций и число битов во Вселенной тоже бесконечны.

Но наблюдения также показывают, что возраст Вселенной конечен: ей немного меньше 14 млрд лет. Информация не может распространяться быстрее скорости света. Возраст Вселенной конечен, скорость света конечна, поэтому часть Вселенной, о которой мы можем получить информацию, также конечна. Говорят, что та часть Вселенной, о которой мы можем получить информацию, находится «в пределах горизонта». О том, что происходит за горизонтом, мы можем только гадать. Числа, которые мы сейчас найдем, представляют собой количество вычислений, которое может происходить в пределах видимой Вселенной, вплоть до горизонта. Обработка информации, происходящая за горизонтом, не может повлиять на результат каких бы то ни было вычислений, выполненных в видимой части Вселенной начиная с Большого взрыва. Так что, когда мы измеряем «вычислительную мощность Вселенной», на самом деле мы измеряем «вычислительную мощность видимой Вселенной».

Со временем горизонт расширяется, причем в три раза быстрее скорости света. Когда мы смотрим в телескоп, мы смотрим назад во времени, и самые отдаленные объекты, которые мы можем видеть, возникают перед нами такими, какими они были 14 млрд лет назад. Однако к моменту наших наблюдений вследствие расширения Вселенной эти объекты отодвинулись еще дальше, и сейчас они находятся в 42 млрд световых лет от нас. По мере расширения горизонта перед нашими глазами появляется все больше и больше объектов, и количество энергии, доступной для вычислений в пределах расширяющегося горизонта, увеличивается. Количество вычислений, которые могут быть выполнены в пределах горизонта с начала расширения Вселенной, со временем растет.

Горизонт отстоит от нас на 42 млрд световых лет. Каждый кубический метр видимой Вселенной в среднем содержит массу примерно одного атома водорода. Энергия каждого атома водорода составляет E = mc². Суммируя всю энергию во Вселенной, мы видим, что она содержит порядка 100 миллионов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (1071) джоулей энергии. Почти вся эта энергия – свободная энергия, доступная для выполнения работы или вычислений. Это очень много калорий! Чтобы так много есть, нужно быть размером с саму Вселенную.

Теперь вычислим максимальную скорость, с которой Вселенная может обрабатывать информацию. Применим для этого теорему Марголюса – Левитина: возьмем количество энергии в пределах горизонта, умножим его на 4 и разделим на постоянную Планка. Окажется, что каждую секунду компьютер, состоящий из всей энергии Вселенной, может выполнять примерно 100 000 гуголов (10105) операций[49]. Ну а за 14 млрд лет существования Вселенной этот космологический компьютер мог бы выполнить около 10 000 миллиардов миллиардов гуголов (10122) операций.

Для сравнения рассмотрим число операций, которые были выполнены всеми компьютерами на Земле с момента их изобретения. В соответствии с законом Мура половина этих вычислений была сделана в последние полтора года. (Всякий раз, когда у вас есть процесс, мощность которого удваивается каждые полтора года, половина этой мощности возникла в последние полтора года.) На Земле почти миллиард компьютеров. Тактовая частота этих компьютеров – в среднем около гигагерца. Во время каждого такта обычный компьютер выполняет несколько меньше 1000 элементарных операций. Год состоит примерно из 32 млн секунд. Таким образом, за последние полтора года все компьютеры на Земле выполнили порядка 10 миллиардов миллиардов миллиардов (1028) операций. Ну а за всю историю вычислений на Земле компьютеры выполнили всего в два раза больше операций.

Сколько битов объема памяти доступно космологическому компьютеру? Снова, чтобы определить доступный объем памяти, нужно подсчитать количество битов, хранимых каждым атомом и каждым фотоном. Так же как и при вычислении объема памяти абсолютного ноутбука, это количество битов можно подсчитать с помощью методов, предложенных Максом Планком сто лет назад. В результате мы увидим, что космологический компьютер может хранить 100 миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (1092) битов информации – это намного больше, чем вся информация, запечатленная всеми компьютерами на Земле. На Земле почти миллиард компьютеров, и у каждого в среднем почти 1000 млрд (1012) битов памяти. Все вместе они содержат менее чем 1000 миллиардов миллиардов (1021) битов.

Космологический компьютер может выполнить 10122 операций с 1092 битами. Это большие числа, но в них нет ничего запредельного. Когда я в первый раз вычислил количество операций в компьютере размерами со Вселенную, моей первой реакцией было разочарование: «И всё?»

Да, это всё. Никакой компьютер не сможет вычислить больше за всю историю Вселенной. Но и этого вполне достаточно. Квантовые компьютеры могут моделировать физические системы. Поэтому у квантового компьютера, способного выполнить 10122 операций с 1092 битами, достаточно мощности, чтобы вычислить все, что мы можем наблюдать во Вселенной в пределах горизонта. (Если принять во внимание не только биты, которые могут храниться в элементарных частицах, но и биты, которые могут храниться благодаря квантовой гравитации, о которых мы скоро поговорим, битов может быть больше – порядка 10122.) Это количество операций и битов можно интерпретировать тремя способами:

1. Они дают верхний предел суммы вычислений, которые могут быть выполнены всей материей Вселенной за все время ее существования. Как мы уже говорили, законы физики налагают фундаментальные ограничения на скорость вычислений и количество доступных битов. Скорость вычислений ограничена количеством доступной энергии, а количество битов ограничено этой энергией и размерами системы, выполняющей вычисления. Размеры Вселенной и количество энергии в ней известны с довольно высокой степенью точности. Никакой компьютер, который повинуется законам физики, не сможет выполнить больше вычислений.

2. Они дают нижний предел для количества операций и битов, необходимых для моделирования Вселенной с помощью квантового компьютера. Мы уже видели, что квантовые компьютеры особенно эффективны для моделирования других квантовых систем. Чтобы выполнить такое моделирование, квантовому компьютеру нужно по крайней мере столько же битов, сколько их в системе, которую он будет моделировать. Кроме того, чтобы моделировать каждое элементарное событие, происходящее в моделируемой системе, например каждое движение электрона отсюда туда, квантовому компьютеру нужна как минимум одна операция. В квантовом компьютере, который моделирует Вселенную в целом, должно быть по крайней мере столько же битов, сколько во Вселенной, и он должен выполнить как минимум столько же операций, сколько элементарных событий (или операций) произошло с тех пор, как возникла Вселенная.

3. Третья интерпретация является более спорной. Если мы считаем, что Вселенная выполняет вычисления, то с начала своего существования она, возможно, выполнила 10122 операций с 1092 битами. Вопрос о том, принимать ли такую точку зрения, до некоторой степени дело вкуса. Чтобы сказать, что Вселенная выполнила 10122 операций, нужно определить операцию с точки зрения фундаментальных физических процессов. В компьютере операция происходит, когда меняется значение бита. (В некоторых логических операциях, например в операции «и», компьютер меняет или сохраняет его в зависимости от состояния нескольких других битов.) Здесь мы скажем, что физическая система выполняет операцию всякий раз, когда она прикладывает достаточно энергии в течение достаточного времени, чтобы инвертировать бит. При таком простом физическом определении операции число операций, выполненных любой физической системой, включая Вселенную, можно вычислить, используя теорему Марголюса – Левитина.

 

Со временем горизонт расширяется, и количество энергии, доступной для записи битов информации и выполнения вычислений, увеличивается. Общее количество выполненных операций и число битов растут как функция возраста Вселенной. В стандартной космологической модели общая сумма энергии в пределах горизонта растет прямо пропорционально возрасту Вселенной. Так как скорость обработки информации пропорциональна доступной энергии, число операций в секунду, которое может выполнять Вселенная в пределах горизонта, также растет пропорционально ее возрасту. Общее количество операций, которое выполнила Вселенная с начала своего существования, пропорционально числу операций в секунду в зависимости от возраста Вселенной; следовательно, общее количество операций, которое выполнила Вселенная со времени Большого взрыва, пропорционально квадрату этого времени.

Аналогичным образом традиционная космология предполагает, что число битов в пределах горизонта растет с возрастом Вселенной, возведенным в степень 3/4. Мощность обработки информации Вселенной со временем стабильно растет. Будущее выглядит прекрасно.

 

Ну и что?

 

Мы знаем, как вычисляет Вселенная. Мы знаем, сколько вычислений выполняет Вселенная. «Ну и что? – спросите вы. – Что мне даст представление о Вселенной как о квантовом компьютере?» В конце концов, у нас есть очень хорошая квантово-механическая теория элементарных частиц. Ну и что, если эти частицы также обрабатывают информацию и выполняют вычисления? Нужна ли нам совершенно новая парадигма для осмысления того, как действует Вселенная?

Это разумные вопросы. Давайте начнем с последнего. Обычное представление о Вселенной с точки зрения физики основано на парадигме Вселенной как машины. Современная физика основана на механистической парадигме, в которой мир рассматривается с точки зрения его основных механизмов; фактически механистическая парадигма является основанием всей современной науки. Ее красивое выражение можно найти во вводных абзацах «Левиафана»[50]Томаса Гоббса, большого трактата о государстве:

 

Человеческое искусство (искусство, при помощи которого Бог создал мир и управляет им) является подражанием природе как во многих других отношениях, так и в том, что оно умеет делать искусственное животное. Ибо, наблюдая, что жизнь есть лишь движение членов, начало которого находится в какой-нибудь основной внутренней части, разве не можем мы сказать, что все автоматы (механизмы, движущиеся при помощи пружин и колес, как, например, часы) имеют искусственную жизнь? В самом деле, что такое сердце, как не пружина? Что такое нервы, как не такие же нити, а суставы – как не такие же колеса, сообщающие движение всему телу так, как этого хотел мастер? Впрочем, искусство идет еще дальше, имитируя разумное и наиболее превосходное произведение природы – человека.

 

Парадигмы очень полезны. Они позволяют нам относиться к миру по-новому, а отношение к миру как к машине помогло совершить практически все научные открытия, в том числе в физике, химии и биологии. Одна из главных величин в механистической парадигме – энергия. Эта книга предлагает новую парадигму, являющуюся расширением этого мощного механистического взгляда: я предлагаю воспринимать мир не просто как машину, но как машину, которая обрабатывает информацию. В этой парадигме есть две основных величины – энергия и информация. Они одинаково важны и взаимодействуют друг с другом.

Точно так же как отношение к телу как к часовому механизму позволило понять физиологию (а в случае Гоббса, внутреннее устройство политического организма), парадигма вычислительной Вселенной помогает по-новому понять то, как работает Вселенная. Возможно, самое важное открытие, к которому можно прийти через взгляд на мир с точки зрения информации, – это разрешение проблемы сложности. Обычная механистическая парадигма не дает простого ответа на вопрос о том, почему Вселенная в целом и жизнь на Земле в частности настолько сложны. В то же время в вычислительной Вселенной ее «врожденная» способность обрабатывать информацию систематическим образом дает начало всем возможным типам порядка, и простым, и сложным.

Вторая идея, основанная на парадигме вычислительной Вселенной, связана с вопросом о том, как вообще началась Вселенная. Как мы уже говорили, одна из главных нерешенных проблем физики – проблема квантовой гравитации. В начале XX в. Альберт Эйнштейн предложил красивую теорию гравитации, известную как общая теория относительности. Это теория, одна из самых изящных физических теорий всех времен, объясняет многие из наблюдаемых черт Вселенной в больших масштабах. Квантовая механика объясняет практически все наблюдаемые черты Вселенной в малых масштабах. Но чтобы предложить общую картину того, как началась Вселенная (что происходило, когда она была новой, маленькой и очень энергичной), нужна теория, объединяющая общую теорию относительности и квантовую механику – две монументально полезных и бесспорно верных теории, которые в целом несовместимы между собой.

Было сделано множество отважных попыток создать квантово-механическую теорию гравитации. Хороший обзор этих попыток можно найти в книге физика-теоретика Ли Смолина «Три пути к квантовой гравитации» (Three Roads to Quantum Gravity), изданной в 2001 г. Но ни один из этих путей еще не привел к пункту назначения. Теория квантовых вычислений предлагает, если хотите, «четвертый путь». Как и с другими подходами, здесь еще нужно провести серьезные дорожные работы. И в любой точке развития подобной теории смертельное столкновение с экспериментом или наблюдением может отбросить ее в кювет. Тем не менее вот карта квантово-вычислительного пути к квантовой гравитации.