Является ли Вселенная компьютером?

Роберт Райт

МОЗАИЧНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

По мнению Фредкина, первичную движущуюся силу, основной принцип, которому подчиняется Вселенная, нужно отнести к той категории компьютерных программ, которая известна как “клеточные автоматы”.

Клеточный автомат был изобретен в начале 50-тых годов Джоном фон Нейманом, одним из архитекторов информатики и творческим мыслителем в ряде других научных областей. Слово “клеточный” здесь употребляется не в биологическом смысле. Им обозначают расположенные рядом одна с другой пространственные клетки, которые вместе образуют определенную структуру. Сегодня такие структуры-изображения можно увидеть на любом компьютерном дисплее, но во время Неймана компьютеров не было, и ему приходилось ограничиваться рисованием клеток на листке бумаги.

В некоторых отношениях клеточные автоматы напоминают те прекрасные графические изображения, которые можно иногда наблюдать на стадионах, когда патриотичные массы или большие группы болельщиков одновременно, как по команде, поднимают руки с разноцветными флажками, из которых образуется портрет национального лидера или название футбольной команды. Еще более впечатляет это тогда, когда такой портрет сразу исчезает и на его месте вдруг появляется другой. Это эффектная демонстрация точности исполнения и планирования.

Предположим, что планирования нет. Предположим, что вместо предварительно установленной последовательности поднятия флажков каждый участник руководствуется только каким-то правилом, в соответствии с которым решает, какой флажок поднять. Например, в одной группе людей, чьи флажки только двуцветные — синие и белые — каждый человек получил распоряжение сначала посмотреть на четырех своих соседей (слева, справа, впереди и сзади) и только потом поднять такой флажок, какой подняли большинство его соседей в прошедшем кадре. Или наоборот, распоряжение может заключаться в том, чтобы поднять флажок такого цвета, который противоположен цвету флажков, поднятых соседями. В обоих случаях результатом будет последовательность не из заранее задуманных изображений, а абстрактных, непредсказуемых цветовых сочетаний.

Это открывает огромное разнообразие возможностей. Существует множество способов для определения “окрестности”, а у любой “окрестности” может быть множество различных правил поведения, большинство из которых более сложные, чем слепой конформизм или непримиримое “диссидентство”. В общем, число возможных правил представляет показательную функцию от числа соседних клеток; группа фон Неймана состоит из пяти клеток и имеет 2³² или приблизительно четыре миллиарда возможных правил. Но какие бы “окрестности” и правила не программировались для компьютера, для клеточных автоматов всегда важны две вещи: все клетки руководствуются одним и тем же правилом, которое определяет их будущее поведение на основе прошлого поведения окрестности; все клетки подчиняются правилу одновременно и неизменно столько раз, сколько они приведены в действие.

В конце 50-тых годов, после знакомства с теорией клеточных автоматов, Фредкин начинает заниматься правилами, выбирая сильные и интересные и отбрасывая слабые и неинтересные. Он открывает, например, что никакое правило, которое требует чтобы при четырех зажженных соседних клетках в следующий момент зажглась и клетка в середине, не могло бы обеспечить продолжительный свет всех пяти клеток; даже одна единственная не зажженная клетка непременно “умножится”, и в конце концов погасит весь дисплей компьютера. Но подобные простые правила могут создать и много сложных ситуаций. Первое такое правило, открытое Фредкиным, требует “включения” клетки, если включено нечетное число из ее фон Неймановой окрестности, и “выключения” во всех других случаях. После “засевания” поля беспорядочной пестротой из горячих и темных клеток, подчиняющихся этому хорошему, сильному правилу, Фредкин наблюдает появление огромного разнообразия сложных сочетаний, некоторые из которых “застывают” после их оформления, другие быстро распадаются,

третьи проявляют цикличный характер формирования и распада. Один коллега Фредкина, после того, как наблюдал это правило в действии, предложил ему продать программу какому-нибудь дизайнеру персидских ковров.

Сегодня новые правила для клеточных автоматов формулируются и проверяются группой информационной механики, созданной Фредкиным в рамках Лаборатории информатики МТИ. Ядро группы составляют два физика-иностранца — Томазо Тофоли из Италии и Норман Марголис из Канады. Они с разной степенью серьезности относятся к физической теории Фредкина, но оба они согласны с ним, что исследование связи между информатикой и физикой заслуживает внимания и приложения усилий. Оба они уделяют много времени моделированию физических процессов при помощи клеточных автоматов.

Фредкин считает, что клеточные автоматы будут отражать действительность точнее, если применяются к более фундаментальным ее уровням и при условии, что будут открыты правила, необходимые для моделирования движения молекул, атомов, электронов и кварков. Он считает так же, что на самом фундаментальном уровне (какой этот уровень — все еще не установлено) автоматы будут описывать физический мир с абсолютной точностью, так как Вселенная на этом уровне представляет собой клеточный автомат с тремя измерениями — кристаллическую структуру из логически взаимодействующих единиц, каждая из которых невообразимо много раз в секунду “решает” быть ли ей “включенной” или “выключенной” в каждый последующий момент. Этот вид информации, говорит Фредкин, есть ткань действительности, та субстанция, из которой возникают материя и энергия. Электрон во Вселенной Фредкина не что иное, как один из информационных “узоров”, а движущийся по орбите электрон не что иное, как движущийся информационный “узор”. В сущности даже это движение в известном смысле иллюзорно: биты информации, которые образуют узор, находятся в полном покое, как не меняют своих мест люди на стадионе, когда от них требуют сдвинуть “портрет” чуть левее или правее. Каждый бит остается неподвижным и ограничивает свою “активность” единственно “включением света” и его “выключением”. “Надо сказать вам, что я не верю в существование таких объектов, как протоны и электроны и в то, что вещи таковы, какими выглядят — говорит Фредкин. — Я убежден, что существует лишь информационный процесс, и что биты, распределенные в определенной конфигурации, являются перед нами в форме электронов, водородных атомов и так далее”.

В большинстве традиционных физических теорий интуитивно подразумевается, что реален только континуум — что не существует такой вещи, как “мгновенье” во времени, что оно течет непрерывно, как и пространство не разделено на маленькие “кусочки”, а абсолютно “монолитно”. С точки зрения теории Фредкина как пространство, так и время имеют зернистую структуру, причем зернышки нельзя раздробить на более мелкие зернышки; люди и собаки, деревья и океаны в своей глубочайшей сущности похожи скорее на мозаику, чем на живописную картину, суть времени олицетворяется лучше цифровыми часами, чем часами со стрелками.

Неизбежный вопрос состоит в том: почему пространство и время выглядят непрерывными, если они не такие? Очевидный ответ: потому что “кубики” пространства и времени чрезвычайно маленькие — время выглядит непрерывным по той же самой причине, по которой выглядит непрерывным и движение пленки фильма, хотя она состоит из отдельных кадров, а иллюзия пространственного континуума близка по характеру к выглядящим целостными оттенкам газетных фотографий, которые в действительности составлены из множества крошечных точек.

Но очевидный ответ, говорит Фредкин, это не полный ответ. Иллюзия непрерывности в нашем случае еще глубже. Даже если бы тиканье вселенских часов было бы медленным в некотором абсолютном смысле, время для нас все равно выглядело бы непрерывным, так как наше восприятие измерения в этом базовом ритме процессов не может быть раздроблено на более маленькие единицы. То же самое относится и к пространственному восприятию: могут ли глаза, составленные из самых маленьких единиц во Вселенной, видеть эти единицы? Может ли сам информационный процесс воспринимать мельчайшие составляющие его элементы? Самое существенное, что базовые единицы времени и пространства во Вселенной Фредкина не просто исключительно маленькие. Поскольку в этой Вселенной существуют создания, которые не в состоянии воспринимать реальность, единицы времени и пространства должны быть незаметно маленькими.