Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки - Сет Ллойд

Кроме создания тверди, по которой мы ходим, гравитационная аккумуляция поставляет необходимое сырье для создания сложности. По мере сборки материи в облака повышенной плотности энергия, которую содержит эта материя, становится доступной для использования. Калории, которые мы потребляем, чтобы жить, обязаны своим происхождением гравитационной аккумуляции, в результате которого сформировалось и начало светить Солнце[44]. Гравитационная аккумуляция в самой ранней Вселенной отвечает за создание крупномасштабной структуры галактик и скоплений галактик.

За этой первой революцией в сфере обработки информации последовали другие: жизнь, половое размножение, мозг, язык, цифры, письменность, печатный текст, вычисления – и кто знает, какой будет следующая. Каждая следующая революция в сфере обработки информации приходит как результат вычислительной механики предыдущей революции. С точки зрения сложности каждая следующая революция наследует практически всю логическую и термодинамическую глубину предыдущей революции. Например, половое размножение основано на жизни, поэтому оно обладает не меньшей глубиной, чем и сама жизнь. Глубина накапливается.

А вот эффективная сложность не обязана накапливаться: потомству не нужно иметь больше эффективной сложности, чем есть у родителей. В процессе проектирования многократные уточнения, позволяющие устранить ненужные детали, могут привести к созданию систем, обладающих меньшей эффективной сложностью, но при этом более эффективных, чем их предшественники.

Помимо устранения ее в процессе уточнений эффективная сложность может пропадать и сама по себе. Эффективная сложность организма как минимум столь же велика, как и информационное содержание его генов. Но когда вид исчезает, его эффективная сложность теряется.

Так или иначе, жизнь на Земле, по-видимому, началась с небольшой эффективной сложности, а затем прошла взрывное развитие, результатом которого стал чрезвычайно разнообразный и эффективно сложный мир, который мы видим вокруг. Способность Вселенной выполнять вычисления означает, что объекты и системы, обладающие логической и термодинамической глубиной, с необходимостью спонтанно эволюционируют. Верно ли, что вычислительная Вселенная спонтанно создает все более растущую эффективную сложность? Достаточно оглянуться вокруг, и мы увидим очень много эффективной сложности. Но обязательно ли увеличивается суммарная эффективная сложность? Или в какой-то момент она может уменьшиться? Эффективная сложность человеческого общества, как представляется, вполне может исчезнуть, например в случае мировой ядерной войны. Кроме того, когда через несколько миллиардов лет погаснет Солнце, жизнь на Земле также исчезнет.

Вопросы о том, как, почему и когда увеличивается эффективная сложность, в науке о сложности до сих пор не решены. Мы можем попытаться нащупать ответы, рассматривая механизмы, создающие эффективную сложность. Мы определили целенаправленное поведение как поведение, позволяющее системе, во-первых, получать энергию и, во-вторых, воспроизводить себя. Эффективную сложность живой системы можно определить как число битов информации, влияющих на способность этой системы потреблять энергию и воспроизводить себя. Если добавить к двум аспектам поведения третий – способность воспроизводить себя вариативно, то мы сможем увидеть, как эффективная сложность меняется со временем.

Любая система (к примеру, половое размножение), которая потребляет энергию и воспроизводит себя с вариациями, может как увеличивать эффективную сложность, так и терять существующую. Одни вариативные копии, созданные в процессе воспроизводства, будут лучше потреблять и воспроизводиться, чем другие, и эти варианты станут доминирующими в популяции. Некоторые варианты будут иметь эффективную сложность больше, чем у первоначальной системы, а некоторые – меньше. До той степени, в которой рост эффективной сложности усиливает способность к воспроизведению, эффективная сложность будет иметь тенденцию к росту; однако если какая-то из вариативных копий сможет воспроизводить себя лучше при меньшей эффективной сложности, то эффективная сложность может и уменьшаться. Имея разные внешние условия и множество вариаций воспроизведения, мы можем ожидать, что эффективная сложность будет в некоторых популяциях расти, а в других уменьшаться.

Все живые системы потребляют энергию и вариативно воспроизводят себя, но такие самовоспроизводящиеся системы не обязательно являются живыми. В самом начале Вселенной космологический процесс под названием «инфляция» с большой скоростью производил новое пространство и новую свободную энергию. Каждый объем пространства порождал новые объемы, удваиваясь в размерах за крошечную долю секунды. Само пространство воспроизводило себя. Вариативность создавали квантовые флуктуации (пресловутые обезьяны). По мере того как пространство воспроизводило себя, каждый дочерний его объем немного отличался от родительского. Так как материя начинала собираться вокруг областей большей плотности, эти области накапливали больше свободной энергии за счет других, менее плотных областей. Через миллиарды лет в одной из таких областей более высокой плотности сформировалась Земля. А через миллиарды лет после этого какая-то часть Земли эволюционировала, и появились мы.

Возникновение жизни

Биологи очень много знают о том, как устроены и работают живые системы. Как ни странно, о том, как возникла жизнь, им известно намного меньше, чем известно космологам о начале Вселенной. Дата Большого взрыва и его местоположение (везде) известно с более высокой степенью точности, чем дата и место рождения жизни, уже не говоря о процедурных деталях. Биологи знают лишь то, что жизнь впервые появилась на Земле почти 4 млрд лет назад. Возможно, она возникла здесь, а может быть, появилась еще где-то и была затем занесена на Землю.

Где бы ни возникла жизнь, вопрос в том, как именно она возникла? Ответ на этот вопрос – предмет горячих споров. Вот один возможный сценарий.

Мы видели, что законы физики позволяют выполнять вычисления в масштабе атомов, электронов, фотонов и других элементарных частиц. Благодаря такой вычислительной универсальности системы больших масштабов также универсальны в вычислительном отношении. Вы, я, и наши компьютеры способны выполнять одни и те же базовые вычисления. Вычисления также могут происходить в масштабе, чуть большем, чем масштаб атомов. Атомы могут соединяться, формируя молекулы. Химия – это наука, которая описывает, как атомы соединяются, перестраиваются и вновь разъединяются. Простые химические системы также способны выполнять вычисления.

Как же вычисляет химия? Представьте себе емкость, например небольшую пору в камне, заполненную различными химическими соединениями. В начале химического вычисления некоторые из этих веществ имеют высокую концентрацию. Эти вещества можно воспринимать как биты со значением 1. У других веществ – низкая концентрация: их значение – 0. Где именно проходит граница между высокой и низкой концентрацией, в данном случае неважно.

Все эти химические вещества вступают в реакции друг с другом. Некоторые начинают с высокой концентрации и истощаются; биты, соответствующие этим веществам, меняют значение от 1 к 0. Концентрация других веществ увеличивается; их биты изменяются от 0 к 1. В ходе химических реакций одни биты инвертируются, а другие – нет.

Звучит многообещающе. В конце концов, вычисление – это просто биты, которые меняют значения систематическим образом. Чтобы показать, что химическая реакция может выполнять универсальные вычисления, нужно просто продемонстрировать, что она может выполнять операции «и», «не» и «копировать».

Давайте начнем с «копировать». Предположим, что химическое вещество A усиливает производство химического вещества B и если вокруг мало вещества A, уровень вещества B остается низким. Если концентрация A низкая и концентрация B низкая, то обе они останутся низкими. Если бит, соответствующий A, сначала имел значение 0, как и бит, соответствующий B, то эти биты останутся в значении 0. То есть 00 → 00. Аналогичным образом если сначала концентрация A высока, а концентрация B низка, то после химической реакции мы получим высокую концентрацию A и высокую концентрацию B. То есть если бит, соответствующий A, сначала находился в значении 1, а бит, соответствующий B, – в значении 0, то в конце оба бита будут находиться в значении 1. 10 → 11. Реакция выполнила операцию «копировать». Бит, соответствующий A, остался таким же, каким он был до реакции, а бит, соответствующий B, теперь стал копией бита, соответствующего A. Обратите внимание, что в этом процессе A оказывает влияние на то, будет ли произведено B, но само по себе это вещество не потребляется в ходе реакции; в химии A называют катализатором для производства B.