И снова многомировая интерпретация

 

В книге «Ткань реальности» (The Fabric of Reality), написанной в 1997 г., физик Дэвид Дойч пылко защищает многомировую интерпретацию квантовой механики с точки зрения квантовых вычислений. Прежде чем завершить изложение, давайте кратко рассмотрим смысл, в котором могут существовать другие миры – такие, какими их видят Дойч и Борхес.

Вселенная, которую мы видим вокруг, соответствует только одной из ряда декогерентных историй; то, что мы видим, когда смотрим в окно, – лишь один элемент суперпозиции состояний, составляющих полное квантовое состояние Вселенной. Другие элементы этого состояния соответствуют «другим мирам», мирам, где кости в квантовой игре выпали по-другому. Набор всех возможных миров составляет Мультивселенную (или Мультиверс). Оставляю читателю решить, существуют ли эти другие миры в том же смысле, как наш. Так или иначе, существуют они или нет, но до тех пор, пока они декогерентны, эти миры не могут оказать никакого влияния на наш мир.

Заметим, что наша история является эффективно сложной. Как и другие истории в наборе декогерентных историй, наша – результат огромного множества бросков в квантовой игре в кости. (Если быть точным, примерно 1092 бросков). Тем не менее полное квантовое состояние Вселенной остается простым: Вселенная начинается из простого состояния и развивается согласно простым законам.

Как наша история, которая является только частью всего состояния Вселенной, может быть эффективно сложнее, чем целое? В этом нет ничего особенно парадоксального: набор всех чисел, состоящих из миллиарда битов, описать легко, но чтобы описать почти любое отдельное число из этого набора, нужен миллиард битов. Тот же самый принцип касается состояния Мультивселенной. Чтобы описать отдельный элемент суперпозиции, может потребоваться около 1092 битов, а для описания всего состояния в целом хватает всего нескольких битов. В случае вычислительной Вселенной ее общее состояние описать легко: Мультивселенная выполняет все возможные вычисления квантово-параллельным образом. Но, чтобы выделить и указать любое отдельное из этих вычислений, нужно «собрать» все биты, соответствующие программе для этого вычисления. Для его описания может потребоваться очень много битов.

Когда Мультивселенная вычисляет, каждое возможное вычисление квантово параллельным образом включено в ее полное состояние. Вероятность любого данного вычисления равна вероятности того, что обезьяны введут в компьютер его программу. Согласно гипотезе Чёрча-Тьюринга, каждая возможная математическая структура представлена в том или ином компоненте суперпозиции. Одна такая математическая структура – это структура, которую мы видим вокруг, каждую деталь которой мы наблюдаем, включая законы физики, химии и биологии. В других компонентах суперпозиции эти детали будут другими. В каком-то из компонентов все остальное будет таким же, но у меня будут не голубые глаза, а карие. В каком-то из компонентов может даже случиться так, что некоторые свойства Стандартной модели элементарных частиц, например массы кварков, будут отличаться от их масс в нашей компоненте суперпозиции.

Есть и другой способ, которым могут быть созданы все возможные математические структуры. Данные наблюдений свидетельствуют о том, что Вселенная пространственно бесконечна: она простирается за пределы горизонта безо всяких границ. Если это так, то где-нибудь и когда-нибудь она создаст любую возможную математическую структуру. Эти структуры могут существовать в пределах нашей ветви суперпозиции; в какой-то момент в будущем они появятся в пределах нашего горизонта и начнут на нас влиять. Где-то там, быть может, существуют точные копии вас и меня. Где-то еще эти копии существуют, но они несовершенны: у меня не голубые глаза, а карие. В какой-то момент в будущем информация об этих дальних копиях войдет в пределы нашего горизонта, вот только звезды закончат свое существование задолго до этого. Как бы сказал Больцман, если вы хотите пообщаться с другими мирами, не слишком на это надейтесь.

Но если вы хотите пообщаться с живыми существами с других планет, вполне возможно, что вам повезет. По той же причине, по которой мы знаем, что законы физики поддерживают вычисления (у нас ведь есть компьютеры!), мы знаем, что они поддерживают жизнь (мы живы!). Но мы не знаем, какова вероятность спонтанного возникновения жизни на какой-то другой планете, и не знаем, с какой вероятностью жизнь, когда-то возникшая на одной планете, может быть перенесена на другую. Возможность установить связь с живыми существами с другой планеты самым существенным образом зависит от этих вероятностей. Возможно, когда-нибудь мы будем достаточно знать о том, как возникла жизнь, и сможем вычислить эту вероятность; а пока вы можете адресовать вопрос о везении лишь себе.

 

Будущее

 

Как долго могут продолжаться вычисления во Вселенной? Современные данные наблюдений свидетельствуют о том, что Вселенная будет расширяться вечно. Пока она расширяется, количество выполненных операций и количество доступных битов в пределах горизонта будут расти. Энтропия тоже будет расти, но, поскольку Вселенная становится больше, ей нужно все больше времени, чтобы достичь теплового равновесия, и фактическая энтропия будет увеличиваться с меньшей скоростью, чем максимально возможная энтропия. В результате число калорий свободной энергии, доступной для потребления, будет увеличиваться.

Пока все неплохо. Проблема же в том, что, хотя общее количество свободной энергии продолжает расти, плотность свободной энергии – количество ее в расчете на каждый кубометр – уменьшается. Иначе говоря, калорий-то становится больше, но их все труднее и труднее собрать. Через триллионы лет звезды сожгут все свои запасы ядерного топлива. В это время наши потомки, если они все еще будут жить, смогут накапливать энергию, собирая вещество и превращая его в полезную энергию. Этот сценарий подробно проанализировал Стивен Фраучи из Калифорнийского технологического института[61]. Максимальное количество свободной энергии, которую можно извлечь, есть E = mc², где m – масса собранной материи. (Конечно, какая-то часть энергии будет потеряна вследствие неэффективности процесса извлечения.)

Собирая мусор все дальше и дальше от дома, наши потомки будут получать все больше материи и извлекать из нее энергию. Какая-то часть этой энергии неизбежно будет потрачена впустую или потеряна при передаче. Некоторые космологические модели позволяют продолжать сбор энергии до бесконечности, другие – нет[62].

Более бережливая стратегия вечной жизни состоит в том, чтобы научиться обходиться конечным количеством энергии, как предложил Фримен Дайсон из Института перспективных исследований[63]. В конце концов, общее число операций, которые могут быть выполнены, пропорционально количеству доступной энергии, умноженному на время, в течение которого она остается доступной. Если время будет продолжаться вечно, конечное количество энергии должно быть достаточным для того, чтобы вычисления длились вечно. К сожалению, всякий раз, когда выполняется операция, часть энергии будет потрачена впустую из-за ошибок и неэффективности. В конечном счете источник энергии истощится и ее количество приблизится к нулю. Дайсон указывает, что, несмотря на истощение хранилищ энергии, жизнь может продолжаться сколь угодно долго, пока она согласна замедляться.

Предположим, что каждый раз, когда эта будущая форма жизни выполняет операцию, вся энергия, которая использовалась для ее выполнения, рассеивается. Это самый худший вариант. И в следующий раз, когда существо будет выполнять операцию, у него будет меньше доступной энергии. В этом нет ничего страшного – следующая операция просто будет выполняться медленнее, чтобы хватило меньшего количества энергии. Доступная энергия будет постепенно уменьшаться, но это будет происходить все медленнее и медленнее. Точно так же время, затрачиваемое на выполнение каждой операции, будет становиться все больше и больше. Но пока вы продолжаете выполнять операции все медленнее и медленнее, вы все еще можете выполнить за бесконечное время бесконечное число операций, используя для этого конечное количество энергии.

А как насчет пространства памяти? По мере того как количество доступной энергии уменьшается, пространство памяти, доступное в данном объеме, тоже уменьшается. И чтобы продолжать увеличивать доступное пространство памяти, наша бессмертная форма жизни должна будет распространять свою энергию по все большему и большему объему. Другими словами, если вы хотите жить вечно, вам нужно двигаться медленно и толстеть (многие люди уже взяли эту стратегию на вооружение).

Самая большая потенциальная проблема стратегии «двигаться медленно и толстеть» – это мусор. От использованной энергии нужно как-то избавляться. К счастью, стратегия «двигаться медленно и толстеть» здесь тоже помогает: чем медленнее вы двигаетесь, тем меньше энергии вам нужно рассеять, и чем вы толще, тем больше площадь поверхности, по которой можно рассеять эту энергию. Но здесь нужна осторожность: необходимо расширяться достаточно медленно, чтобы ваша средняя энергия на бит (то есть ваша температура) оставалась выше температуры окружающей Вселенной. Если Вселенная имеет некую характерную минимальную температуру, как предполагают некоторые космологические наблюдения, вы просто утонете. В некоторый момент вас поглотит окружающее излучение. Но если температура Вселенной постоянно уменьшается и делает это достаточно быстро, как показывают другие космологические наблюдения, у вас все хорошо: вы можете продолжать обрабатывать информацию и расширять пространство своей памяти.

Предположим, что такая окончательная форма жизни может существовать. На что она была бы похожа? Она расширялась бы, чтобы охватить сначала звезды, затем галактики, затем скопления галактик, но в итоге ей будут требоваться миллиарды лет, чтобы обдумать ровно одну мысль. Нравится? Конечно, это дело вкуса, но если вы хотите жить вечно, то вам придется пойти на некоторые жертвы.

 

Быть человеком

 

Мы заглянули в горячее прошлое; мы заглянули в тусклое и далекое будущее. Чтобы завершить дискуссию о сложности, давайте вернемся в настоящее. Каково место человека в вычислительной Вселенной? Естественная способность Вселенной обрабатывать информацию на фундаментальном уровне дает начало всем возможным формам обработки информации. После Большого взрыва, когда разные части Вселенной исследовали все возможные способы обработки информации, рано или поздно, под влиянием квантовых событий, некоторым частям Вселенной удалось найти алгоритм воспроизведения самих себя. Это привело к возникновению жизни. Жизнь развивалась благодаря обработке генетической информации в поисках новых стратегий выживания и размножения. Перебрав миллиарды стратегий, некоторые живые системы в итоге обнаружили половое размножение – способ, очень сильно увеличивающий скорость, с которой могут быть исследованы новые стратегии и алгоритмы эволюции, потому что он ускоряет темпы обработки генетической информации. Через миллиарды лет полового размножения и отбора живые существа развили всевозможные методы сбора и обработки информации, среди них – глаза, уши и мозг.

Где-то в течение последних 100 000 лет люди открыли для себя язык. Человеческий язык, должно быть, казался другим животным странно звучащей инновацией. Но язык позволял выражать понятия произвольной степени сложности, и это позволило людям обрабатывать информацию чрезвычайно распределенным образом. Распределенная природа человеческой обработки информации, в свою очередь, позволила людям создавать новые формы сотрудничества, формировать группы, ассоциации, общества, компании и т. д. Некоторые из этих новых форм сотрудничества оказались поразительно эффективными, причем разные формы распределенной обработки информации, такие как демократия, коммунизм, капитализм, религия и наука, начали жить собственной жизнью, развиваясь и расширяясь со временем.

Именно богатство и сложность нашей совместной обработки информации позволила нам продвинуться так далеко. Изобретение человеческого языка, вместе с разнообразным социальным развитием, стало настоящей революцией в сфере обработки информации и существенным образом изменило лик нашей планеты. Утверждается, что именно мозг отличает нас от других животных. Мы, люди, очень привязаны к своему мозгу. Без него у нас не было бы ни мышления, ни восприятия (то же самое касается других животных, у которых есть мозг). Язык позволяет нам связать работу нашего мозга с работой мозга других людей. Коммуникация позволяет создавать все более сложные способы сотрудничества и соревнования. Перефразируя Джона Донна, нет человека, который был бы как остров, сам по себе, каждый человек на Земле есть часть общего процесса вычислений.

Этот совместный процесс вычислений всего человеческого общества и делает нас особенными; а мы действительно особенные. Люди – не единственные физические системы, участвующие в процессе сложных, богатых вычислений. Как я пытался показать, каждый атом, каждая элементарная частица участвуют в одном огромном вычислении, которое и является Вселенной. По сути, каждый бит Вселенной – это только бит. В своей способности хранить и обрабатывать информацию все биты равны.

Наука обладает неудобной привычкой вытеснять человека из центра сцены. В донаучной истории люди были венцом творения и лучшим произведением природы и жили на Земле, являющейся центром Вселенной. Когда происхождение Земли и человечества были исследованы более тщательно, оказалось, что кроме людей у природы были и другие интересы, а Земля занимает не настолько центральное положение, как мы надеялись. Человечество – всего одна ветвь великой семьи жизни, а Земля – небольшая планета, вращающаяся вокруг заурядного Солнца, расположенного на периферии одного из рукавов заурядной спиральной галактики.

Тем не менее мы уникальны (как и бактерии; как и тополя). Уникальными делает нас информация – биты ДНК, которые объединяют нас с обезьянами, а также язык и способность мыслить, которые нас от них отделяют. Нет никакой отдельной субстанции, никакой vis vitae или жизненной силы, которая вдыхала бы жизнь в человеческие существа. Мы сделаны из атомов, как и все остальное. Теми, кто мы есть, делает нас способ, которым эти атомы обрабатывают информацию и совместно ведут вычисления. Мы – прах, но мы – вычисляющий прах.

 

Универсальные мысли

 

Теперь, когда мы знаем о вычислительной природе Вселенной в целом, заманчиво было бы приписать это свойство какому-нибудь космическому интеллекту вроде божественного «демона» Лапласа. Конечно, Вселенную можно считать неким гигантским разумным организмом, точно так же как Землю можно считать отдельным живым существом (эту идею называют «гипотезой Геи»). Заметим, однако, что, даже приписав Вселенной разум, мы не можем отрицать блеск одной из ее величайших «идей» – естественного отбора[64]. В течение миллиардов лет Вселенная кропотливо разрабатывала новые структуры, в медленном процессе проб и ошибок. Каждое «Ага!» в этом процессе – крошечное квантовое событие, последствия которого были развиты законами физики. Некоторые события приводили к успеху, некоторые – нет. Через миллиарды лет появились мы, а также все остальное.

В конечном счете идея о том, что мир жив или что Вселенная мыслит, – лишь метафора. В конце концов, что такое мысли Вселенной? Некоторая часть обработки информации, которую выполняет Вселенная, действительно происходит посредством мышления, человеческого мышления. Некоторые виды обработки информации, такие как цифровые вычисления, могут напоминать мышление. Но в огромном большинстве случаев обработка информации во Вселенной происходит в виде столкновений атомов, крошечных движений материи и света.

По сравнению с тем, что обычно называют мышлением, эти «мысли» Вселенной скромны: они состоят из элементарных частиц, которые просто заняты своим делом. Но скромность – это не слабость. Квантовый хаос может усиливать крошечные движения до тех пор, пока они не превратятся в ураган. Микроскопический танец вещества и света способен создать не только людей, но и все остальные существа. Столкновение двух атомов может изменить будущее Вселенной – и изменяет его.