Является ли Вселенная компьютером?

Роберт Райт

МИГ ЗА МИГОМ, ТОЧКА ЗА ТОЧКОЙ

Идея, что Вселенную можно описать в виде компьютера, заключается частично в идее “универсального компьютера”. Универсальный компьютер — это такой компьютер, который может моделировать любой процесс, который поддается тщательному формулированию, и может вычислять все, что поддается вычислению.

Мощность такого компьютера определяется, в конечном счете, одной исключительно простой вещью: алгоритмом, который является фиксированной процедурой для превращения входящих данных в выходящие, одного вида информации в другую. Например, алгоритм — такая компьютерная программа, которая при введении в нее любого числа, возводит его в квадрат и вычитает три. Это не слишком мощный алгоритм — получая на входе число три и превращая его на выходе в шесть, он не создает исключительной информации. Но алгоритмы становятся более мощными, если их сделать рекурсивными. Рекурсивный алгоритм — это такой алгоритм, выходные данные которого подаются обратно в компьютер как входящие. Таким способом, если алгоритм, превращающий три в шесть, функционирует рекурсивно, он продолжит выполнять эту операцию, превращая 6 в 33, 33 в 1086, 1086 в 1179393 и т.д.

Мощность рекурсивных алгоритмов проявляется с особой наглядностью при моделировании физических процессов. Работая в “ББН”, Фредкин часто использовал компьютер компании, чтобы моделировать, скажем, две элементарные частицы, одна из которых имеет положительный, а другая — отрицательный заряд и которые кружат одна вокруг другой в соответствии с законами электромагнетизма. Созданная им программа берет как входные данные скорость и положение обоих частиц в конкретный момент времени, вычисляет эти переменные величины на следующий момент времени и вводит их обратно в компьютер, чтобы переменные были вычислены на последующий момент и так далее, со скоростью тысячи раз в секунду. Именно работая над этой задачей, Фредкин впервые видит возможность создания теории, согласно которой Вселенная “функционирует” как совокупность и последовательность пространственных и временных точек. Вся сложность такой Вселенной сводится на самом фундаментальном уровне к нескольким элементарно простым правилам.

Знакомство Фредкина несколькими годами позже с теорией клеточных автоматов укрепляет его понимание о сохранении информации и его веру в возможности рекурсивного алгоритма. Созданные автоматами узоры часто не поддаются описанию математическими средствами, но не представляют трудности для их представления в виде алгоритмов. Самое удивительное свойство клеточного автомата — это контраст между простотой управляющего алгоритма и богатством полученных результатов. Для каждого ученого момент открытия не просто стимулирует дальнейшие поиски знаний, но и расширяет сферу этих поисков. Объединяющий принцип после его открытия может разжечь такой энтузиазм, что ученый начинает видеть подтверждение его в самых разных областях. Именно таков и случай с Фредкиным, который после открытия того, как одно простое правило программирования позволяет представлять явления с огромной сложностью, с энтузиазмом обращается к физике и начинает рассматривать ее с новой точки зрения, причем намного подробнее.

В 1962 году Фредкин покидает фирму “ББН” и основывает свою собственную компанию “Информэйшн Интернэйшнл Инкорпорейтид” — впечатляющее название для компании без капитала, без клиентов и с единственным служащим даже без законченного высшего образования. “Тройное И”, как начинают называть компанию, продвигается по дороге к богатству и славе после того, как получает случайный заказ от Института океанографии “Удс Хоул”. Один из экспериментов “Удс Хоула” сразу “застопорился”: его подводные инструменты очень точно записывают изменяющиеся направления и скорость глубинных океанических течений, но информация, закодированная при помощи маленьких светлых точек на 16-миллиметровой фотопленке, не поддается введению в компьютер для анализа. Фредкин берет на прокат один 16-миллиметровый проекционный аппарат и после того, как делает несколько незначительных конструктивных изменений, превращает его в машину для преобразования этих точек в приемлемые для компьютера данные.

Как выясняется, военно-воздушные силы, компания “RCA” и другие организации тоже имеют проблемы с преобразованием визуальных образов в цифровые данные, и фирма “Тройное И” становится специализированным производителем все более сложных “программируемых устройств для чтения фильмов”, цена которых достигает 500 000 долларов. В 1968-ом году “Тройное И” превращается в акционерное общество, и Фредкин сразу становится миллионером. Сначала он покупает ранчо в Колорадо. А однажды, просматривая рубрику о торговле недвижимостью в одной газете, видит объявление о продаже острова в Карибском море. И покупает его.

В начале 60-ых годов, по предложению Агентства научных исследований при министерстве обороны, в МТИ создается Лаборатория информатики, которая первоначально называется “Проект MAC” (сокращение английских выражений “machine-aided cognition” или “multi-access computer” — соответственно “машинное распознавание” или “компьютер с множественным доступом”). Фредкин избран членом руководящего комитета “Проекта MAC”, а в 1966-ом году начинает обсуждать с Мински возможность быть назначенным профессором на условиях свободной практики в МТИ. Идея бывшего студента, который не закончил своего высшего образования, стать членом преподавательского коллектива в высшем учебном заведении, была не такой нелепой, как может быть выглядит сегодня, вспоминает Мински. Информатика этого времени стала научной дисциплиной так стремительно, что многие из ведущих специалистов в этой области оказались людьми без ученой степени. В 1968-ом году, когда директором “Проекта MAC” становится Ликлайдер, ему вместе с Мински удается убедить руководителя факультета электротехники, что Фредкин заслуживает преподавательской должности.

После года преподавания Фредкин удостоен преподавательского звания, а спустя некоторое время, в 1971 году назначен руководителем “Проекта MAC”. На этом посту он остается до осени 1974 года, когда уходит в годовой академический отпуск и едет в Калифорнийский технологический институт, чтобы работать под руководством Ричарда Фейнмана. Договоренность между ними заключается в том, что он должен “обучить” Фейнмана информатике, а Фейнман — “обучить” его физике. Именно в это время Фредкин разрабатывает идею, которая постепенно получает признание как значительный вклад в две дисциплины. Идея приходит вовремя — по крайней мере, так считает Фредкин — как подтверждение правильности его теории цифровой физики. Один из выводов этой идеи, предложенный в коротком и поэтому не совсем ясном виде, это открытие Фредкина, что вычислительный процесс не является необратимым в своей сущности, и поэтому, в принципе, возможно создать компьютер, который не расходует энергию и не выделяет тепла.

Все современные компьютеры — необратимы. Это означает, что о процессе произведенной ими обработки информации невозможно судить по результатам. Невозможно определить на примере содержащихся в компьютере данных способ, которым они получены. В момент, когда компьютер показывает вам, что когда к двум прибавляем два, получаем четыре, он уже “забыл” вопрос; для него безразлично каким был вопрос: два плюс два или один плюс три. Причина этого неведения состоит в том, что компьютеры уничтожают ту информацию, которая им не нужна, чтобы она не “засоряла” их.

В 1961 году Рольф Ландауер из исследовательского центра им. Томаса Д. Уотсона при IBM устанавливает, что это отбрасывание информации — единственная часть вычислительного процесса, которая всегда сопровождается излучением энергии. Другими словами, компьютеру требуются усилия, чтобы “забывать”, в отличие от исполнения остальных своих функции. По этой причине, вопрос о том, возможно ли в принципе создать универсальный компьютер, который не рассеивает энергию в виде тепла, равнозначен вопросу, возможно ли создать логически обратимый универсальный компьютер, процесс вычисления которого всегда может быть восстановлен. Ландауер, как и почти все остальные, считают, что создание такого компьютера невозможно; все прежние компьютерные архитектуры всегда уничтожали использованную информацию. Но во время своего пребывания в Калифорнийском технологическом институте Фредкин успевает доказать, что все, кто так думает, ошибаются.

Из двух видов изобретенных Фредкиным обратимых компьютеров большей известностью пользуется так называемый “компьютер бильярдного типа”. Если бы была возможность построить его, он бы состоял из бильярдных шариков, рикошетирующих при взаимных столкновениях в лабиринте из “зеркал”, иногда выходящих наружу через двери, которые также пропускают снаружи новые шарики. Чтобы получить данные из этой машины, ее надо накрыть снаружи сеткой, а наличие или отсутствие шарика в определенной точке в определенный момент времени будет являться информацией. Как демонстрирует Фредкин, такая машина есть не что иное, как универсальный компьютер; она могла бы делать все, что делают обычные компьютеры. Но в отличие от них, она была бы вполне обратимой; единственное, что было бы необходимо, чтобы проследить “историю” процесса в ней, остановить ее и запустить в обратную сторону.

Компьютер бильярдного типа никогда не будет создан, потому что представляет собой умозрительное устройство, существующее только в сфере идеала. Его шарики должны быть идеально круглыми и абсолютно твердыми, а элементы конструкции — идеально ровными и абсолютно жесткими. Между шариками и каркасом не должно существовать трения, а при столкновении шариков не должно быть потерь энергии.

Связь, которую Фредкин видит между бильярдным компьютером и цифровой физикой, иллюстрирует разнообразие аргументов, собранных им в подкрепление его теории. Он отмечает, что молекулы, атомы и составляющие их частицы движутся теоретически обратимым способом, подобно бильярдным шарикам; но “инвентаризовать” физическое состояние Вселенной и восстановить ее историю путем прослеживания движения всех элементарных частиц в обратном направлении, конечно, вне человеческих возможностей.

Фредкин не в состоянии предложить никакой последовательной аргументации, которая убедительно, или, по крайней мере, хотя бы приемлемо защитила утверждение, что Вселенная — компьютер. Он может говорить об обратимом компьютере, о клеточном автомате, о множестве физических величин (как, например, яркость), которые раньше считали непрерывными, а сегодня считают дискретными, и т.д. Его доказательства составлены из большого количества маленьких вещей — настолько много и настолько маленьких, что, в конце концов, он вынужден сделать образное сравнение, чтобы пояснить свою идею: “Я нашел доказательства своих догадок в десяти тысячах разных мест, — говорит он. — И для меня они вполне убедительны. Предположим, есть какое-нибудь животное, которое я хочу поймать. Я знаю, как выглядят его следы. Я нашел его испражнения. Я наткнулся на его не вполне сжеванную пищу. Нашел пряди его шерсти, и так далее. Все эти находки относятся к одному и тому же виду животного, непохожего ни на одно из известных нам. Люди спрашивают — где это животное? Я говорю — вот, оно было здесь, у него должны быть такие-то размеры, оно должно выглядеть таким-то образом и иметь то-то и то-то. Я знаю тысячу подробностей о нем. Я его еще не поймал, но знаю, что оно существует”.