Сет Ллойд - Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки

Конечно, люди начали размышлять о происхождении Вселенной задолго до появления современной науки. Мифы о Вселенной столь же стары, как и любые другие мифы. В норвежской мифологии Вселенная начинается с того, что гигантская корова вылизывает богов из соленых краев изначальной бездны. В японской мифологии Япония рождается в результате кровосмесительной связи брата и сестры, бога Идзанаги и богини Идзанами. В одном индуистском мифе о сотворении мира говорится, что все существа происходят из топленого масла, собранного из тысячеглавого Пуруши, принесенного в жертву богами. И лишь недавно, в течение последних 100 лет или около того, астрофизики и космологи построили детальную историю Вселенной, подкрепленную наблюдательными данными.

Вселенная возникла немногим менее 14 млрд лет назад, в результате грандиозного события, которое называют Большим взрывом. По мере того как она расширялась и остывала, из «космического супа» формировались знакомые нам формы материи. В течение трех минут после Большого взрыва образовались самые легкие атомы – водород и гелий. Эти «кирпичики» собирались вместе под действием силы тяжести, и спустя 200 млн лет после Большого взрыва из них сформировались первые звезды и галактики. В ходе термоядерного «горения» звезд образовались элементы вплоть до железа, а еще более тяжелые элементы появились позднее, когда эти первые звезды стали взрываться как сверхновые. Наше Солнце и наша Солнечная система сформировались около 5 млрд лет назад, а жизнь на Земле возникла немногим более миллиарда лет спустя.

Это общепринятая история Вселенной не так увлекательна, как некоторые другие, и молочные продукты появляются в ней на достаточно поздней стадии. Однако в отличие от более древних мифов о сотворении мира, у мифа научного есть одно достоинство: он соответствует известным научным законам и наблюдениям. И хотя эта история изложена языком физики, она не лишена интриги. В ней есть драма и неопределенность, она вызывает множество вопросов: как возникла жизнь? Почему Вселенная так сложна? Каково будущее Вселенной в целом и жизни в частности?

Исследуя Млечный путь – нашу собственную Галактику – мы видим множество звезд, похожих на нашу. А когда мы смотрим дальше, то видим множество галактик, очень похожих на Млечный путь. В том, что мы видим, есть определенный сценарий, и в нем снова и снова разворачиваются одни и те же звездные драмы, но с участием других актеров-звезд и в других местах. Если Вселенная имеет бесконечную протяженность, то в конце концов где-нибудь будет разыгран любой возможный сценарий, если он разрешен законами физики. История Вселенной – своеобразная космическая мыльная опера, где актеры разыгрывают перед нами все возможные перипетии космической драмы.

Давайте познакомимся с главными героями космической мыльной оперы. В традиционной космологии считается, что ведущий актер – это энергия, лучистая энергия света и энергия массы протонов, нейтронов и электронов. Что такое энергия? В средней школе вы могли узнать, что энергия – это способность выполнять работу. Энергия заставляет физические системы что-то делать.

У энергии есть важное свойство: она сохраняется. Энергия может принимать разные формы – теплота, работа, электрическая энергия, механическая энергия, но при этом она никогда не исчезает. Это утверждение известно как первое начало термодинамики. Но если энергия сохраняется, а Вселенная возникла из ничего, то откуда тогда взялась энергия? У физики есть объяснение на этот счет.

Квантовая механика описывает энергию через квантовые поля – что-то вроде универсальной «ткани» Вселенной. Переплетения «нитей» этой «ткани» дают элементарные частицы – фотоны, электроны, кварки. Энергия, которую мы видим вокруг, будь это Земля, звезды, свет или тепло, извлечена из квантовых полей посредством расширения Вселенной. Гравитация – это сила притяжения, которая соединяет вещи друг с другом. Острые на язык американские школьники говорят: «Гравитация сосет». Действительно, по мере того как Вселенная расширяется (а она продолжает расширяться до сих пор), сила тяжести высасывает энергию из квантовых полей. Энергия, находящаяся в квантовых полях, почти всегда положительна. Эта положительная энергия в точности сбалансирована отрицательной энергией гравитационного притяжения. По мере расширения Вселенной становится доступно все больше положительной энергии в форме вещества и света, но ее компенсирует отрицательная энергия в форме силы притяжения гравитационного поля.

Общепринятая история Вселенной уделяет большое внимание энергии: сколько ее? Где она? Что она делает? Однако в той версии, которая изложена в этой книге, главным действующим лицом в физической истории Вселенной является информация. В конечном счете, информация и энергия дополняют друг друга: энергия заставляет физические системы что-то делать, а информация говорит, что именно нужно делать.

Если бы мы могли рассматривать вещество на уровне атомов, то заметили бы, что атомы танцуют и качаются во все стороны случайным образом. Энергию, которая управляет этим хаотичным танцем атомов, называют теплотой, а информацию, которая определяет шаги этого танца, называют энтропией. Проще говоря, энтропия – это информация, нужная для того, чтобы описать случайные движения атомов и молекул, движения столь малые, что мы не можем их увидеть. Энтропия – это информация, содержащаяся в физической системе и невидимая для нас.

Энтропия – это степень молекулярного беспорядка, существующего в системе: она определяет, какая часть тепловой энергии системы недоступна для преобразования в механическую работу и какая доля ее энергии является полезной. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия во Вселенной в целом не уменьшается; иначе говоря, количество непригодной, связанной энергии растет. Проявления второго начала термодинамики легко заметить в обычной жизни. Горячий пар может вращать турбину и выполнять полезную работу. Когда пар охлаждается, его беспорядочно колеблющиеся молекулы передают часть своего беспорядка молекулам окружающего воздуха, подогревая его и увеличивая беспорядок в нем. Молекулы пара колеблются все медленнее и медленнее, а молекулы воздуха – все быстрее и быстрее, до тех пор, пока температура пара и воздуха не сравняется. Когда разница температур становится минимальной, энтропия системы достигает максимума. Но пар, охладившийся до комнатной температуры, уже не может выполнять никакой работы.

Вот еще один способ объяснить, что такое энтропия. Информация по большей части невидима. Количество битов информации, нужной для того, чтобы описать «танец» атомов, намного превышает количество битов, которые мы можем видеть или знать. Возьмите фотографию – она всегда зерниста, и размер зерен зависит от размера частиц галоида серебра, нанесенных на фотопленку, а если это цифровая фотография, то от количества пикселей, из которых состоит изображение на экране.