Дельта S всегда больше либо равна нулю. Простите мне эту формулу, она единственная в ролике. Это формула стрелы времени, описывающая энтропию. Это единственная формула фундаментальной физики, в которой заложено различие прошлого и будущего. Единственная формула, говорящая нам о течении времени.
В ней скрыт весь мир. Это неравенство называют вторым началом термодинамики. Его содержание сводится к тому, что тепло само по себе может перетекать только от горячего тела к холодному, и никогда не наоборот.
А обнаружил ее романтик с трагической судьбой Людвиг Больцман. Именно этот австрийский ученый первым начал понимать, что скрывается в этой формуле, подтолкнув нас к ответу на вопрос, связанный с огромной аномалией. Эту аномалию вы можете наблюдать, просто посмотрев в окно. Людвиг Больцман верил в то, что наш мир состоит из крошечных атомов. Он знал, что находится на верном пути.
Он смог показать, что поведение газов может хорошо объясняться коллективным движением молекул или атомов. Это открытие предоставило ему косвенное доказательство существования атомов, но не дало способа их непосредственного наблюдения. Отсутствие прямых доказательств сделало Людвига уязвимым к критике коллег. Но больше всего его тревожило не это.
На протяжении десятилетий он пытался объяснить происхождение физического порядка. Все его попытки, несмотря на научную плодотворность, оказывались безуспешными. Предсказания теории Людвига противоречили тому, что он хотел показать.
Его повседневный опыт говорил ему, что порядок вокруг увеличивается, цветы цветут. деревья растут, а общество эпохи индустриализации стремительно наполняется машинами. Тем не менее, теория Людвига предсказывала, что порядок должен не расти, а исчезать.
Это объясняло, почему горячее тело остывает, почему кофе растворяется в воде и почему пение птиц исчезает в ветре. Людвиг показал, что микроструктуры вселенной уничтожают порядок, превращаясь в хаос. Рост порядка вокруг беспокоил Людвига. Он знал, что в его теории чего-то не хватает, однако не мог определить, чего же именно. В 1906 году Больсман, обессилевший от попыток найти ответ на эту аномалию, повесился и сошел.
момента его тело состоящая из атомов начало устойчивый и неумолимый распад как и предсказывала его теория 20 век подтвердил правоту бойцмана в отношении атомов и частично оправдал ее его страсть к междисциплинарным вопросам. Квантовая механика, манипулярная биология, биохимия и теория эволюции помогли объединить различные научные дисциплины. Но помимо этих связей была еще одна концепция, которая связывала все области знаний. Идея информации.
Именно она восхищала и ускользала от Больсмана. В 20 веке продолжился не только рост объема информации, но и попытки ученых понять это явление. Но на этот раз они были вдохновлены не красотой природы, а ужасами войны. Необходимость в секретной коммуникации во время Второй мировой войны привела к изучению информации математическими методами. Кодирование и декодирование сообщений являлось крупной математической задачей.
Пионеры этой области, такие как Клод Шеннон, Уоррен Уивер, Аллен Тьюринг и Норберт Уинер, стали известны как первые кибернетики. В 1950-е и 60-е годы идея информации взяла науку штурмом. Информация не была ни микроскопической, ни макроскопической.
Её можно было записать на глиняных табличках или плотно упаковать в цепочки ДНК. Независимость информации от масштаба сделала её привлекательной для учёных разных областей. Биологи исследовали кодирование наследственной информации в генах.
Инженеры изобретали коммуникационные устройства. Специалисты по компьютерным технологиям, психологи и лингвисты моделировали мозг с помощью электронных мыслящих машин. Несмотря на растущую популярность, физическая природа информации, волновавшая Больцмана, стала забываться. Слово «информация» начали ассоциировать с нематериальным и цифровым.
Но информация имеет физическую природу, как и атомы или энергия их движения. Она не является твердым телом или жидкостью, у нее нет особых частиц. Но она обладает физической природой, подобно движению и температуре.
Информация это физический порядок. В 1941 году. В 2009 году Клод Шеннон и Уоррен Уивер опубликовали книгу «Математическая теория связи», в которой описали математику того, что теперь мы называем теорией информации.
Для правильного понимания теории информации им было необходимо отделить слово «информация» от его разговорного смысла, то есть некоего значения. Стремление отделить информацию от значения имело как технические, так и философские причины. С технической точки зрения Шеннон хотел создать машины, способные передавать информацию независимо от смысла сообщения. С философской точки зрения авторы понимали, что информация и значение это принципиально разные понятия.
Люди могут наделять информацию смыслом, но то, что передается по проводам это просто информация. Например, фраза сентября» может вызывать разные ассоциации у американцев и чилийцев. Значения придают люди. Цельность восприятия не означает, что значение и информация одно и то же. Чтобы создать машину, передающую информацию независимо от значения, Шеннону требовалась формула для оценки минимального количества символов, необходимых для кодирования сообщения.
Он смог определить объем информации для передачи сообщения и в итоге вывел основную формулу для максимально эффективного кодирования сообщения. Формула оказалась... идентичной той формуле энтропии, которую почти 50 лет назад предложил Больцман.
И это совпадение не было случайным. Оно говорит о физической природе информации и указывает на фундаментальную связь информации и энтропии. Физическая природа информации, подтверждаемая совпадением формул Шеннона и Больцмана, играет ключевую роль в понимании того, Как изучение атомов может помочь разобраться в технологическом прогрессе человечества? В этом ролике, вдохновленном книгой Сезара и Даллига «Как информация управляет миром», мы поймем механизмы, способствующие росту объема информации на всех уровнях от атомов до цивилизации.
Историю Вселенной мы рассмотрим с точки зрения стрелы сложности, а не стрелы времени. Потому что именно рост объема информации определяет историю Вселенной и ее обитателей. После Большого Взрыва Вселенная движется к беспорядку по пути роста энтропии, но одновременно в ней формируются места концентрации физического порядка, например, планета Земля. На протяжении миллиардов лет объем информации на Земле продолжает расти, превращая нашу планету в оазис.
где информация и знания увеличиваются благодаря энергии Солнца и самоусиливающимся механизмам эволюции жизни. Все то, что очаровывает меня, Людвига Больсмана, и, думаю, вас, представляет собой физический порядок или информацию. Это высокая концентрация сложности, которую мы наблюдаем каждый раз, когда открываем глаза. И она существует не потому, что информация распространена во Вселенной, а потому, что мы рождены ею.
и сами ее порождаем. В этом ролике вы получите ответ на вопрос Больцмана. Вы поймете причину аномалии, почему рост энтропии во вселенной идет рука об руку с безграничным ростом объемов информации.
Мы разберемся в том, как рост беспорядка и хаоса сочетается с ростом сложности и упорядоченности, который демонстрирует жизнь. Я Саша, а это Homo Deus. В своей книге Сезарь Дальга много пишет про рост объемов информации. Мне стало любопытно, а какое именно количество информации производят люди?
Ответ меня удивил. Счет идет на десятки зетабайт. Один зетабайт это сексиллион байт или миллион миллионов гигабайт.
Такие безумные темпы роста стали возможны благодаря развитию технологии хранения данных, интернета и, конечно же, искусственного интеллекта. Но чем больше данных, тем важнее становится вопрос их тестирования и отладки. Ведь программы, работающие с огромными массивами данных, неизбежно дают сбои, которые нужно оперативно находить и исправлять. И здесь на первый план выходит профессия тестировщика.
Если вы хотите освоить эту востребованную и высокоплачиваемую специальность, обратите внимание на курс «Тестировщик на Python» от онлайн-школы SkillFactory. В отличие от многих других образовательных платформ... Skill Factory делает упор на практику. Вы будете учиться на реальных проектах и решать настоящие бизнес-задачи под руководством экспертов.
Более того, Skill Factory предлагает студентам гарантированную стажировку в компании Promotion уже во время обучения. А после завершения курса вы получите не только диплом, но и рекомендательное письмо. Центр карьеры Skill Factory также поможет вам на всех этапах трудоустройства, от составления резюме до поиска вакансий. В рамках курса вы научитесь составлять Подробные планы тестирования.
Разрабатывать автотест на питоне. Проводить комплексное ручное тестирование ПО. Описывать баги для разработчиков. И работать с базами данных. Кстати, сейчас в Skill Factory действует спецпредложение.
Для всех подписчиков канала мы подготовили промокод HOMODEUS50, который позволит записаться на курс со скидкой 50%. Плюс вы получите курс по софт-скилам в подарок. Так что если вы давно думали о развитии в IT, Сейчас самое время действовать.
Ваши знания и навыки это актив, который будет цениться в любой стране и в любых условиях. Переходите по ссылке в описании или сканируйте QR-код на экране и записывайтесь на курс. И помните, SkillFactory учит тех, кого берут на работу.
Вы, вероятно, этого не помните, но несколько десятилетий назад вы совершили путешествие во времени. Вы родились. И во время родов проделали путь длиной в 100 тысяч лет. Из древности материнской утробы в современное технологическое общество.
Пока вы находились в утробе матери, всё, что вас окружало, было таким же, как и то, что окружало младенцев 100 тысяч лет назад. Но в день вашего появления на свет... все изменилось.
Рождение в 20-м и тем более в 21-м веке представляет собой чуждый опыт для большинства детей. Современный мир значительно отличается от того, в котором эволюционировал наш вид. Наш мир наполнен объектами, автомобилями, лампами, одеждой и техникой, существовавшими раньше только в чьем-то воображении. Однако современным мир делает не материальность объектов, а способ организации материи.
То есть физический порядок, представляющий собой информацию. То, что объекты являются воплощением информации и воображения, может показаться очевидным. Но информация это фундаментальный аспект природы, старше самой жизни. По мере развития жизни накопление информации ускорялось, например, через репликацию молекул ДНК и РНК. Живые организмы это хорошо организованные структуры, обрабатывающие и производящие информацию.
Однако особенность людей заключается в способности кодировать большие объемы информации вне своего тела. Не только в книгах, записях, файлах, но и в артефактах и предметах. От стрел и каменных топоров до квантовых компьютеров. и интернета.
Наша способность создавать объекты, которые мы представляем в своем воображении, отличает нас от других видов, ограниченных тем, что создает природа. Возьмем для примера один из самых дорогих автомобилей планеты Бугатти. Bugatti Veyron. Его стоимость составляет около 2,5 миллионов долларов.
Оценив стоимость килограмма веса этого автомобиля, мы можем сравнить ее со стоимостью килограмма золота и серебра. Стоимость килограмма веса обычного автомобиля колеблется от 10 до 60 долларов. Таким образом, стоимость Bugatti Veyron превышает стоимость ее весового эквивалента в серебре.
К примеру, стоимость Hyundai Solaris соответствует стоимости его весового эквивалента в бронзе. Хотя сравнение килограмма веса автомобиля Bugatti и килограмма серебра может показаться бессмысленным, оно многое говорит о том, как физический порядок или информация могут быть упакованы в продукте. Представьте, что вы выиграли в лотерея и получили приз «Автомобиль Bugatti Veyron». В первый же день вы ненароком врезаетесь в стену. С вашим здоровьем все в порядке, но автомобиль не подлежит восстановлению.
Что случилось с его стоимостью? Долларовая стоимость автомобиля испарилась за мгновение, при этом вес авто остался прежним. Это произошло не потому, что в результате аварии были уничтожены атомы, из которых состоял автомобиль, а из-за того, что авария изменила порядок их расположения. Когда части, из которых состояла машина, были разъединены и деформированы, информация, воплощенная в Бугатти, оказалась в значительной степени уничтожена.
Другими словами, 2,5 миллиона долларов стоили не атомы автомобиля, а то, как эти атомы были упорядочены. Это организация атомов и представляет собой информацию. Клод Шеннон, отец теории информации, определял информацию как меру минимального объема данных, необходимого для переговоров.
передачи сообщения, то есть количество бит, требуемое для передачи данных об организации чего-либо, например, о порядке атомов, составляющих автомобиль Bugatti. Чтобы лучше понять определение информации по Шеннону, начнем с чего-то более простого, например, с классического твита длиной 140 символов. Твит, как и Bugatti, представляет собой небольшой пакет информации и создается для коммуникации. Однако, с точки зрения теории Шеннона, цель твита не не имеет значения. Информация это минимальный объем данных для передачи любого сообщения, независимо от его содержания.
Чтобы представить содержимое твита в количественном выражении, представим гипотетическую игру, где вам нужно угадать твит друга, используя только вопросы с ответом «да» или «нет». У вас есть книга со всеми возможными твитами. Игра начинается, когда ваш друг случайным образом выбирает твит из книги.
А вы должны отгадать его, задавая вопрос уйти. Да нет. Шеннон учит, что объем информации, заключенной в твите, равен минимальному количеству таких вопросов, необходимых вам для угадывания твита со стопроцентной точностью. Но каково это количество?
Для простоты будем считать, что для написания твитов используется алфавит из 32 символов, и у вас есть таблица, в которой каждый символ имеет свой порядковый номер. Лучший для вас способ угадать твит друга использовать каждый вопрос для разделения пространства поиска возможных твитов пополам, отгадывая сообщение символ за символом. То есть первый вопрос должен быть таким. Число, соответствующее первому символу, больше 16? Если ответ «нет», Значит, первый символ твита находится в промежутке между A и P.
Второй вопрос. Число, соответствующее первому символу, больше 8? Если ответ «да», то первый символ между I и P. И так далее.
Каждый вопрос... количество возможных символов вдвое. С 32 возможными символами потребуется 5 вопросов для угадывания каждого символа, поэтому твит из 140 символов потребует 700 вопросов типа да, или говоря на языке теории информации 700 бит. Теория Шеннона основа современных систем связи. Количественно определяя число бит для кодирования сообщений, Шеннон помог разработать технологии цифровой связи.
Он назвал свою меру энтропией, прислушавшись к совету Джона фон Неймана, поскольку его формула была эквивалентна формуле энтропии в статистической физике, выведенной Больцманом почти за полвека до него. Однако интерпретации понятия Энтропия и информация у Шеннона и Больсмана трудно примирить. Например, согласно Шеннону, если случайно перемешать все биты на жестком диске вашего компьютера, что сотрет все ваши фотографии, документы и файлы, то это действие увеличит количество информации. Ведь для передачи сообщения о состоянии диска со случайными данными требуется больше бит. чем о диске с фотографиями и документами, потому что они содержат некие паттерны и корреляции, поддающиеся сжатию.
Энтропия по Больцману это не мера беспорядка, а множество эквивалентных состояний. Возьмите для примера свой шкаф с одеждой. Энтропия по Больцману это число вариантов, которыми вещи могут быть расположены по полкам. Чаще всего неаккуратных вариантов больше, чем аккуратных. Но если у вас вдруг появится второй точно такой же шкаф, то энтропия увеличится, ведь вещи теперь можно разложить еще большим числом способов, хотя беспорядка в них больше не станет.
Таким образом, на языке Шеннона понятие «информация» и энтропии функционально эквивалентны, поскольку количество бит, необходимых для создания сообщения, представляет собой функцию от числа возможных сообщений, которые могут быть переданы. Но это не делает энтропию и информацию одним и тем же, как заметил лауреат Нобелевской премии по химии Манфред Эйген, Энтропия относится к среднему физическому состоянию, а информация к конкретному физическому состоянию. Давайте вернемся к Бугатти.
Наш пример с автомобилем сложнее, чем с цветом, ведь он подразумевает определенное расположение огромного числа атомов, а не просто 140 символов. Мы ищем не любую возможную конфигурацию атомов, а соответственно... соответствующую автомобилю Бугатти.
К примеру, перестановка шин меняет расположение атомов, но не ключевые свойства машины. Поэтому Бугатти с переставленными шинами считаются одинаковыми. Группа Бугатти в рабочем состоянии относительно мала.
Группа разбитых Бугатти включает больше состояний и выше энтропию, но при этом несет меньше информации, хотя для передачи сообщений о них нужно больше бит. Но самая большая группа возможных вариантов это Бугатти в форме железной руды и других химических элементов. Полное расположение Бугатти на составляющие элементы уничтожает информацию.
а создание Бугатти воплощает ее. Этот пример показывает нам, что конфигурации материи, воплощающие информацию, редки и труднодостижимы. Проблема в том, что системы не могут свободно переходить из одного состояния в любое другое.
Существующий порядок материи ограничивает возможные варианты преобразований, а переход от беспорядка к порядку Порядку требует множество последовательных шагов. Путей от беспорядка к порядку гораздо меньше, чем наоборот. Поэтому, если вы будете трясти коробку с деталями будильника, то вам понадобится миллиарды лет на то, чтобы будильник собрался сам с собой.
Кубик Рубика может легко... доказать связь между доступными вариантами и энтропией, поскольку вам никогда не удастся собрать его случайным образом. Из 43 квинтиллионов возможных состояний только одно является идеально упорядоченным.
Кубик всегда можно собрать за 20 или менее ходов, но найти нужную последовательность ходов непросто. Основной метод решения обычно требует более 50 шагов, таким образом, лишь несколько путей. ведут к совершенному порядку, и они редки среди огромного количества хаотичных вариантов. Также и во Вселенной информация, то есть упорядоченные состояния, встречаются очень редко. Похожую упорядоченность можно увидеть и в живой природе, например, в молекулах ДНК.
Последовательность нуклеотидов ДНК не случайна. Если сравнить настоящий ген любого животного со случайным набором нуклеотидов, то сразу видно, что в гене есть определенный порядок, смысл. Такие осмысленные, информативные последовательности ДНК не могли возникнуть случайно.
Это результат миллиардов лет эволюции и естественного отбора. Из множества случайных вариантов природа отбирала, сохраняла и шлифовала те редкие последовательности, которые давали организмам преимущество. Подобно тому, как ребенку сложно собрать кубик Рубика, природе непросто создать упорядоченные последовательности ДНК, несущие информацию.
Определение энтропии, основанное на множественности состояний, связано со способностью обрабатывать информацию и производить вычисления, а значит оно связано с интеллектом. Думаю, вы знаете игру, где ребенок должен поместить предметы в соответствующие отверстия. В 14 лет большинство детей справляются с шарами и цилиндрами, но испытывают трудности с кубами и многогранниками.
Поместить шар легко, ведь он выглядит одинаково при любом повороте. С цилиндром тоже несложно, он не меняется при вращении вокруг оси. Но куб можно повернуть лишь несколькими способами, а многогранник и того меньше. Треугольник с неравными сторонами, имеющий только одно правильное положение, для ребенка эквивалентен кубику Рубика. Играя, дети учатся находить эти редкие состояния с низкой энтропией.
Нахождение редких, но полезных состояний упрощенная модель интеллекта. Все это интуитивно понятно, поэтому давайте подумаем вот о чем. А откуда берется информация?
И почему время необратимо? Вместе эти вопросы кажутся загадкой, ведь время течет от порядка к беспорядку, а сложность нашего мира при этом растет. Получается, рост энтропии во вселенной противоречит росту информации? Необратимость времени это механизм, который создает порядок из хаоса. Илья Пригожин.
Почти у всех бывают моменты, когда хочется повернуть время вспять. Но время течет только в одном направлении, от прошлого к настоящему, от молодости к старости, от жизни к смерти. Необратимость времени очевидная физическая реальность, которая долгое время оставалась загадкой.
Даже теории движения Ньютона и Эйнштейна технически допускали обратимость времени и не объясняли, почему разбитый автомобиль не собирается обратно. Необратимость времени интересна не только как загадка природы, но и за ее связи с физическими истоками информации. Оба этих свойства Вселенной зависят от законов, регулирующих поведение больших скоплений частиц. Вместе необратимость времени и повсеместность информации создают еще большую загадку. Необратимость связана с движением Вселенной от порядка к беспорядку, но на нашей планете происходит обратное.
мы видим, что количество информации неуклонно растет. Это отчетливо осознали физики 19 века. Хотя, выглянув из окна, они могли видеть ускоряющийся и усложняющийся мир, они понимали открытие Больцмана. Звук, производимый гитарой, исчезает. Волны, создаваемые брошенным в пруд камнем, исчезают.
когда пруд возвращается в свое спокойное состояние. Эта потеря информации была объяснена с помощью физических законов, открытых в 19 веке, однако рост объема информации оставался без объяснения. Внимание к этому парадоксу возросло, когда два Чарльза, Чарльз Лайл и Чарльз Дарвин, заявили, что возраст нашей планеты составляет не 6 тысяч лет, как говорилось в Библии, а миллиарды лет.
Этот новый впечатляющий факт предполагал, что наблюдаемые всеми аномальные увеличения объема информации продолжаются на протяжении миллиардов лет. Но аномалии не могут быть вечными, поэтому единственный логичный вывод в нашем понимании природы чего-то не хватает. Главным успехом Людвига Больсмана стала работа 1878 года.
где он показал, что системы из большого количества частиц тяготеют к состояниям с минимальным объемом информации. Это второй закон термодинамики. Энтропия закрытых физических систем всегда стремится к увеличению. Вот простейший пример. Что произойдет, если вы капнете краской в стакан воды?
Начальное состояние, когда вы капнули краской воду, информационно насыщенно. Ведь существует лишь несколько способов локализации краски и много способов ее равномерного распределения. Вселенная полна примеров, где информация и сложность увеличиваются. Но откуда берется вся эта информация?
Согласно теориям Больсмана, Максвелла, Гибса и Эйнштейна, Вселенная должна превращаться в однородный суп, без информации и свободной энергии. В 20 веке удалось примирить понимание стрелы времени и физического происхождения информации. Новые теории показали, что информация это не аномалия, а ожидаемое явление.
Ключевым мыслителем в этой области был Илья Пригожин, получивший в 1977 году Нобелевскую премию по химии за свой вклад в неравновесную термодинамику, особенно в теорию десипативных структур. Он выдвинул идею о том, что информация естественным образом возникает в устойчивых состояниях неравновесных физических систем. Звучит немного громоздко? Поэтому, чтобы стало понятнее, нам нужно разобраться с идеей устойчивого состояния и понять разницу между двумя устойчивыми состояниями динамическим и статическим.
Вот пример статического устойчивого состояния брошенный в бокал шарик. Все мы знаем, что при этом происходит. Вскоре после броска шарик находит устойчивое положение на дне бокала. Более интересным является пример с коробкой, наполненной газом. Если мы закачаем в нее газ и немного подождем...
Количество газа в правой части коробки станет равно его количеству в левой части. Тем не менее, устойчивое состояние газа не аналогично покоящемуся на дне бокала шарику. В коробке, наполненной газом, все молекулы постоянно движутся, и устойчивое состояние достигается, когда количество молекул газа, передвигающихся слева направо, равно количеству молекул, передвигающихся справа налево.
Поэтому коробка с газом скорее аналогична примеру с каплей краски в воде. Теперь давайте рассмотрим устойчивое состояние неравновесной системы. Классический пример водоворот при сливе воды из ванны. Он остается стабильным, пока в системе есть вода, и является информационно насыщенным, так как водовороты редкие конфигурации молекул воды, не возникающие спонтанно в стоячей воде. В водовороте молекулы движутся не случайно, а имеют скорость и траекторию, коррелирующую с соседними молекулами.
Завитки сигаретного дыма, движение пламени костра, свечение экрана компьютера. Даже вы и ваш смартфон примеры неравновесных физических систем. Пригожин понял, что теория Больцмана неприменима к наблюдаемому на Земле, поскольку наша планета неравновесный карман, внутри стремящийся к равновесию Вселенной.
Земля никогда не была близка к равновесию. Энергия Солнца и ядерный распад в ядре Земли выводят нашу планету из равновесия, давая энергию для возникновения информации. Земля маленький водоворот информации в бескрайнем космосе.
Пригожин осознал, что для понимания информационно-насыщенной природы Вселенной нужно разобраться со свойствами неравновесных систем. Он понял, что они отличаются от свойств Больцмановских систем с большим количеством частиц. Пригожин вывел математические законы и принципы, управляющие поведением неравновесных систем, и показал, что по другую сторону хаоса скрывается информация. Например, если вы решите слегка подогреть воду в кастрюле, то она не сорганизуется в информационно насыщенное состояние. Но если вы будете долго греть воду, то она станет турбулентной, и это хаотичное движение уже содержит информацию.
После хаоса система приходит в высокоорганизованное состояние. полная корреляции и информации. Давайте внимательнее понаблюдаем за кипящей водой в кастрюле.
Сначала вода просто равномерно нагревается, это равновесное состояние. Но если продолжать ее нагревать, в какой-то момент появляются упорядоченные структуры, красивые узоры и паттерны. в которых вода циркулирует в определенном направлении.
Это и есть пример самоорганизации в неравновесной системе. о которой говорил Илья Пригожин. Оказывается, в системах, далеких от равновесия, а таких в природе большинство, порядок и организация возникают сами собой.
Именно поэтому появление упорядоченных структур, несущих информацию, на такой неравновесной планете, как Земля, это не аномалия, а закономерность. Но у всякого порядка есть враг. Энтропия. Она всегда стремится разрушить упорядоченные структуры. Как только вы выключаете огонь под кастрюлей, эти.
красивые ячейки исчезают без следа. Так и в природе. Энтропия всегда наготове, чтобы поглотить островки порядка, как только условия станут чуть менее благоприятными.
Однако у информации есть способы себя сохранить. Отличный способ размножаться, то есть распространять копии своих генов. Подробнее об этом я рассказывал в ролике «Что такое жизнь?
». Другой же способ открыл сам Пригожин. Он доказал, что неравновесные системы самостоятельно приходят в такое устойчивое состояние, где производство энтропии минимально.
Грубо говоря, система сама выбирает такой путь развития, на котором ей придется тратить на поддержание порядка как можно меньше энергии. Так информации легче выжить. Подобно тому, как жидкость при кипении выбирает форму ячеек, любая неравновесная система стремится к устойчивым состояниям, в которых возникающий порядок будет максимально стабильным.
В каком-то смысле система ведет себя как разумное существо, выбирая оптимальную стратегию самосохранения. В этом и проявляется глубокая связь между энтропией, информацией и потенциальным зарождением интеллекта в ходе эволюции Вселенной. Здесь желающие могут увлечься тонкостями неравновесной статистической физики, но наша цель в этом видео понять происхождение информации. Илья Пригожин и Григуар Николес в блестящей работе 1971 года посвященный связям между неравновесными системами и жизнью, отметили. Вообще говоря, разрушение структур это ситуация, которая преобладает вблизи положения термодинамического равновесия.
Напротив, возникновение структур может иметь место со специфическими линейными кинетическими законами за пределами области стабильности состояний, характеризуемых обычным термодинамическим поведением. Простыми словами, в природе, когда все находится в равновесии, вещи обычно разрушаются и исчезают. Но когда равновесие нарушается и происходят разные процессы, могут возникать новые интересные структуры и формы, которых раньше не было. Представьте импровизацию джазового ансамбля. Когда музыканты увлеченно играют, рождаются новые мелодии и гармонии.
Но эта музыка живет лишь мгновение и исчезает, если ее не записать. Так же и в физических системах. находясь в состоянии импровизации, далеком от равновесия, они создают новые структуры и паттерны, но быстро теряют их из-за своей изменчивости.
Анализируя такие системы, мы можем разобраться в происхождении информации на фундаментальном уровне. Чтобы информация сохранялась долго, была устойчивой. и могла развиваться дальше, как это необходимо для возникновения жизни, разума и культуры, нужны дополнительные стабилизирующие факторы. Эрвин Шрёдингер, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года, отмечал в своей книге «Что такое жизнь?
», что мы не можем понять долговечность физически воплощенной информации, рассматривая только жидкие системы. Сигаретный дым, водовороты, капли краски и газы все это жидкие системы. Представьте, что вы выкладываете из разноцветной гальки на пляже какой-то красивый узор.
Если начнется прилив, то набегающие волны быстро разрушат картину. Но если бы вы могли мгновенно склеить все камешки между собой, чтобы они стали единым твердым панно, то узор бы надолго сохранился, и его можно было бы перенести в любое место. Примерно то же самое происходит и с информацией в природе.
Когда информация воплощена в чем-то твердом, структурированном и стабильном, она может сохраняться и передаваться гораздо дольше, чем в текучем и изменчивом. Поэтому Эрвин Шрёдингер утверждал, что твердые тела ключ к пониманию жизни. Ведь молекулы белков и ДНК, в которых закодирована вся информация живых организмов, это по сути апериодические кристаллы, то есть структуры, которые не повторяют друг друга, но содержат крупномасштабные корреляции. Именно кристаллическая структура делает их идеальными носителями информации.
Таким образом, объединив идеи Пригожина и Шрёдингера, мы можем понять, откуда берется информация И почему она сохраняется? Поэтическое причудо такой комбинации заключается в том, что, согласно ей, наша Вселенная является одновременно замороженной и динамичной. Тем не менее, рост объемов информации подразумевает нечто большее, чем кристаллические твердые тела и динамические водовороты. Для того, чтобы информация по-настоящему накапливалась, Вселенной требуется еще один трюк. Это способность материи к обработке информации, то есть способность материи производить вычисления.
Представьте дерево. По сути, это компьютер, работающий на солнечной энергии. Дерево реагирует на длину светового дня и меняет свое поведение в зависимости от времени года.
Сбрасывает и выращивает листья, направляет корни к воде, защищается от вредителей и так далее. Дерево постоянно обрабатывает информацию из окружающей среды с помощью сложных молекул, белков. Конечно, у дерева нет сознания и развитого языка, как у нас, но оно тоже умеет обрабатывать информацию, просто иначе. Это происходит благодаря тому, что дерево это устойчивая структура, возникшая в неравновесной системе. Но деревья живые организмы.
Поэтому на их примере нельзя утверждать, что способность обрабатывать информацию, то есть вычислять, появилась раньше жизни. Для этого нужно рассмотреть более простые системы, например, химические реакции. Представьте набор химических реакций, которые превращают одни вещества в другие через промежуточные состояния.
Если в такую систему постоянно поступают исходные вещества, то вначале она придет в равновесие, при котором промежуточные состояния образуются и распадаются с одинаковой скоростью. Но если увеличить поток исходных веществ, равновесие нарушится, и система перейдет в одно из нескольких новых устойчивых состояний. Получается, система как бы выбирает между ними.
А если еще сильнее увеличить поток, то возникнут новые устойчивые состояния, еще более сложные и упорядоченные. Например, могут появиться химические часы, соединения, которые периодически превращаются друг в друга. Так вот. если мы сможем направлять систему в разное устойчивое состояние, меняя концентрацию исходных веществ, то она будет вычислять, то есть генерировать разные продукты в зависимости от исходных данных. Это уже напоминает примитивный обмен веществ или даже клетку, меняющую свой тип.
Получается, сложные химические системы могут обрабатывать информацию, а значит способность к вычислению, как и сама информация. появилась еще до возникновения жизни. Жизнь стала возможной благодаря умению материи вычислять. Кстати, об этой важной особенности материи на канале есть отдельный ролик.
Больсман не мог понять, почему порядок во Вселенной растет, а не убывает, как предсказывает второе начало термодинамики. Но жизнь и разум способны накапливать информацию и создавать порядок локально, ускоряя при этом общий рост энтропии во Вселенной, как писал Эрвин Шрёдингер в своей книге. Жизнь питается отрицательной энтропией, извлекая ее из окружающей среды и избавляясь от положительной энтропии.
Так парадокс решается. Жизнь и разум накапливают информацию за счет еще большего роста энтропии вокруг. Хм, ну а как все это связано с необратимостью времени, с которой мы начали разговор? Представьте озеро, на поверхность которого было сброшено около 100 тысяч биоразлагаемых шариков. Вначале все шарики были собраны в грузовиках.
Но потом их спустили в воду и они заполнили всю поверхность озера. Вопрос в том, можем ли мы в любой момент обратить движение шариков вспять, как если бы время потекло назад. Смогли ли мы вернуть их в исходное положение?
Представим, что у нас есть две фантастические машины. Первая может мгновенно менять скорости любого количества шариков по нашей команде, но делает это с точностью, ограниченной точностью наших указаний. Вторая машина может измерять...
положение и скорость каждого шарика с очень, ультра-высокой точностью, но все же конечной. Теперь попробуем использовать эти машины, чтобы обратить время вспять. Сначала зададим скорости шариков с низкой точностью, скажем, до двух знаков после запятой.
Сработает? Нет. Система с тысячами шариков, которые не теряют энергии, это хаотичная система. Даже крошечные неточности в начальных условиях будут очень быстро накапливаться. Точности до двух знаков после запятой не хватит, чтобы вернуть шарики точно в исходное положение.
А если увеличить точность? Возьмем 10. Нет, 100 знаков после запятой. Все равно не сработает.
Пока точность конечна, время не повернуть вспять. В хаотичной системе любая неточность будет накапливаться. Получается, чтобы обратить время вспять, нужна бесконечная точность.
Бесконечный объем информации. Это значит, что статистический... Системы не могут вернуться в исходное состояние, потому что из любого настоящего момента есть бесконечное число путей обратно к нему. Двигаясь вперед, такие системы словно забывают дорогу назад.
Эта бесконечность, которую Пригожин называет барьером энтропии, и определяет необратимость времени совсем иначе, чем в теориях Ньютона и Эйнштейна. Для Пригожина прошлое не только недоступно, его просто не существует. Прошлого нет, хотя оно было. В нашей вселенной нет ни прошлого, ни будущего, а только настоящее.
которая вычисляется в каждый конкретный момент. Глубина этой мгновенной природы реальности помогает нам объединить статистическую физику с вычислением. Мгновенная вселенная Пригожина предполагает, что прошлое недоступно, поскольку оно невычислимо на микроуровне.
Барьер энтропии Пригожина запрещает настоящему эволюционировать в прошлое, за исключением случаев с идеализированными системами, вроде маятника или планетарных орбит, которые выглядят одинаково при движении вперед и назад. Теперь нам пора разобраться с еще одним физическим аспектом информации, самым близким к людям. с информацией, которую мы создаем своими знаниями и умениями.
Давайте рассмотрим продукты нашей цивилизации с точки зрения воплощенной в них информации и неочевидных свойств, которые из этого следуют. Жизнь это постоянная обработка информации. Мы все время двигаемся и что-то делаем.
Ездим за рулем, гуляем в парке, симулируем виртуальные миры, летаем на самолетах. облизываемся при виде жареных пауков. Мир огромен и постоянно меняется, и мы пытаемся успеть за ним. По сути, каждый из нас маленький подвижный нейрон в большой социально-экономической системе.
Мы стараемся приспособиться и найти баланс между своими желаниями и общественной жизнью. Это непросто. Так и проходит жизнь.
Мы двигаемся, обрабатываем информацию, увеличиваем ее объем своими действиями в социуме. Мы создаем социальные структуры, чтобы компенсировать свои ограничения. И эти структуры тоже учатся обрабатывать информацию. Так мы порождаем информацию в предметах и словах.
Чтобы наше общество накапливало информацию, нужны три вещи. Нужен приток энергии. Нужно физическое сохранение информации в твердых объектах и, конечно, наша общая способность вычислять.
Энергию для роста информации на Земле дает Солнце, растения получают ее и превращают в сахар, а потом в нефть. Но мы, люди, научились надолго сохранять информацию, сохранять ее в предметах, от первых каменных топоров до новейших телескопов и спутников связи. Для их создания нужна не только энергия, но и наша распределенная энергия. способность к вычислениям.
Давайте сравним два вида яблок. Обычные, которые растут на деревьях и продаются в магазинах, и яблоки компании Apple из Кремниевой долины. Оба вида это продукты, в которых воплощена информация, будь то в биологических клетках или в кремниевых чипах.
Главное отличие не в количестве деталей и не в сложности функций. Съедобные яблоки создаются десятками тысяч генов и участвуют в сложных биохимических процессах. Главное отличие в том, что обычные яблоки сначала появились в мире, а потом в нашем сознании. А продукты Apple, вроде iPhone или Vision Pro, сначала возникли в чьем-то воображении, а потом воплотились в реальности. Обычные яблоки это пакеты информации, а яблоки Apple это еще и плоды нашего разума.
Сезар и Дальга поэтично называют их кристаллами воображения. Когда мы говорим о продуктах как о кристаллах воображения, мы имеем в виду, что они воплощают не только информацию, но и фантазию. Это информация, которую мы сгенерировали у себя в голове, а затем воплотили, создав объект, похожий на его. на придуманный нами. Съедобные яблоки существовали до того, как мы придумали для них название, цену и рынок.
Они уже были частью мира и как идея просто импортировались в наше сознание. А вот iPhone и iPod были экспортированы из нашего сознания в мир, потому что сначала появились в уме, а потом стали реальностью. То есть главное отличие яблок и продуктов Apple не в том, что оба воплощают физический порядок, а в том, откуда этот порядок возник.
Именно воображение как источник, фундаментальная черта той информации, которую создают и накапливают люди. Вспомните физика Стивена Хокинга. Под конец жизни из-за тяжелой болезни он был полностью парализован и не мог говорить.
Но благодаря специальному устройству, которое улавливало движение его щеки, он мог общаться с миром. Компьютер озвучивал за него целые лекции и научные труды. Это пример современного кристалла воображения, дающего возможность общения без голоса и движений.
Другой пример интерфейсы мозг-компьютер, вроде Neuralink, о котором сейчас много говорят. Представьте, что уже скоро можно будет силой мысли управлять компьютером печатать, рисовать, играть. не двигая ни единым мускулом.
Более того, в своей книге «Структура реальности» физик Дэвид Дойч предсказал, что такие интерфейсы в будущем позволят нам создавать любые виртуальные реальности. Об этом мой предыдущий ролик. Эти идеи тоже начинались как воображение, фантазии, но постепенно обрели физическую форму, становясь реальными устройствами. Воображение ученых и инженеров кристаллизуется в этих технологиях и дает человечеству совершенно новые, почти волшебные возможности.
В итоге экономика представляет собой коллективную систему, с помощью которой люди накапливают информацию. Если задуматься о том, как продукты расширяют наши возможности, то можно по-новому взглянуть на богатство. Ведь именно умение упаковывать знания в физические предметы позволяет нам жить гораздо комфортнее.
чем если бы мы были предоставлены сами себе. Получается, богатство напрямую связано со способностью человечества расширять свои возможности. Рынки делают нас богаче не деньгами, а мудростью.
Они дают нам доступ к знаниям и фантазии других людей, накопленным за всю историю. Например, физик Майкл Фарадей, живший в 19 веке, открыл законы электромагнитной индукции, то без чего невозможно современные электрогенераторы. А еще он изобрел первый электродвигатель, который потом усовершенствовал Тесла.
Так что каждый раз, когда мы сушим волосы феном, пылесосим или делаем коктейль в блендере, нам помогает сам Майкл Фарадей, хотя мы его никогда не видели, как и наши родители или даже бабушки и дедушки. Получается, экономика это система, которая передает нам знания и умения Фарадея, Теслы, Эдисона. и многих других гениев прошлого.
Можно сказать, что в каждом электроприборе живут призраки этих великих ученых. Так что мир вещей вокруг нас это не просто мертвые предметы, а хранилище знаний, фантазий и умений других людей. И, разумеется, способность воплощать знания в предметах свойственна не только людям. К примеру, муравьи тоже умеют записывать информацию в окружающей среде с помощью феромонов. Отдельный муравей не очень умен.
Но колония в целом может решать сложнейшие задачи. Строить лабиринты ходов, регулировать в них вентиляцию, находить оптимальные маршруты. Люди делают то же самое, только не с помощью запахов, а создавая физические предметы. От отверток до пирамид.
Именно это умение воплощать фантазии в мире вещей и позволило нам создать общество и экономику гораздо сложнее муравьиной. Но каков наш потенциал? Куда может завести нас?
Путь технологического прогресса и роста знаний. Физик Макс Тегмарк в своей книге «Жизнь так формулирует свои мысли касательно потенциала жизни. На мой взгляд, наиболее вдохновляющее из когда бы то ни было сделанных научных открытий заключается в том, что мы хронически недооцениваем будущий потенциал жизни. Нет нужды ограничивать наши устремления и мечты отрезком в сотню лет, отведенных для жизни среди болезней, нищеты и невежества. Напротив, благодаря развитию технологий, жизнь получает возможность процветать миллиарды лет.
И не только здесь, в Солнечной системе, но и по всему космосу, гораздо более интересному и необъятному, чем могли себе представить наши предки. Это удивительная новость для биологического вида, который может накапливать информацию и раздвигать границы своего существования на века вперед. Олимпийские игры удивительны тем, что раздвигают пределы физических возможностей человека.
Наука расширяет границы нашего познания и понимания мира. Искусство открывает новые горизонты в создании прекрасного и обогащает жизненный опыт. Если известные нам границы жизни могут быть раздвинуты технологиями, то каковы ее истинные пределы?
Какая часть Вселенной может быть пригодной для жизни? Сколько материи жизнь может использовать себе во благо? Сколько энергии и информации она может извлечь? И сколько вычислений произвести? Эти предельные границы должны определяться не нашими догадками или логикой, а законами физики.
Как ни странно, отец не знает, что это за законы. Отсюда нам легче понять далекую перспективу будущей жизни, чем ближайшую. Если сжать всю почти 14-миллиардную историю Вселенной до одной недели, то последние 10 тысяч лет нашей истории займут в ней меньше, чем полсекунды. Если будущая жизнь будет так же стремиться раздвигать границы, как наша нынешняя, то она будет создавать технологии и кристаллы воображения, чтобы достичь этих окончательных пределов. Но знаем ли мы наверняка, что будущая жизнь действительно будет такой амбициозной?
Нет, мы не знаем. Может быть она будет самодовольной и ленивой. Но есть основания полагать, что стремление к развитию это что-то вроде генетической особенности развитых форм жизни.
И чего бы жизнь ни пыталась достичь, разума, долголетия, познания или острых ощущений, ей понадобятся ресурсы. А значит ей придется развивать технологии, до предела возможностей и осваивать пространство Вселенной. Можно предположить, что жизнь возникает во многих местах космоса независимо. Тогда неамбициозные цивилизации будут оставаться космически незначительными, а самую привлекательную часть космоса займут самые амбициозные формы жизни. Естественно, отбор будет работать уже в космическом масштабе.
и рано или поздно все оставшиеся формы жизни будут стремиться к развитию. Давайте посмотрим, что можно сделать с ресурсами, которые есть в нашей Солнечной системе, и до каких ресурсов мы можем добраться благодаря космическим исследованиям. Для высокоразвитой жизни самый главный ресурс это барионная материя, то есть всё, что состоит из атомов и их частиц. Из неё, благодаря нужным технологиям, можно создать что угодно.
электростанции, компьютеры или даже живые организмы. Поэтому давайте разберемся, а какие есть ограничения на источники энергии и вычислительной мощности для развитых форм жизни. Любая дискуссия о будущем жизни неизбежно касается одной или нескольких концепций, носящих имя физико-теоретика и профессора Фримена Дайсона. Помимо смелых визионерских идей, Дайсон, наряду с Юлианом Швингером и Ричардом Фейманом, является создателем квантовой электродинамики и других строгих научных теорий. Он был уверен, что если космическая цивилизация задумает великие дела, то ей потребуется заполучить максимум энергии, которую можно извлечь из своей Солнечной системы.
Говоря об энергии, он высмеивал близорукость человечества. Ведь все наши нынешние энергетические нужды... можно покрыть, собрав солнечный свет всего с полпроцента площади в пустыне Сахара.
Но зачем ограничиваться только той энергией, что Солнце посылает на Землю? Почему бы не собрать всю солнечную энергию? В 1960 году Дайсон предложил идею, которую теперь называют «сферой Дайсона». Суть в том, что можно превратить Юпитер в огромную биосферу вокруг Солнца, где наши потомки смогут довольствоваться. в 100 миллиардов раз большим количеством биомассы и в триллион раз больше энергии, чем сейчас.
Дайсон считал, что это естественный шаг для любой развитой цивилизации поместить себя в искусственную биосферу вокруг своей звезды. Живя на внутренней стороне сферы Дайсона, вы всегда будете видеть Солнце прямо над головой, а его свет будет литься отовсюду, отражаясь от всей поверхности сферы. А чтобы увидеть звезды, придется подняться на внешнюю сторону сферы.
Относительно простой способ создать частичную сферу Дайсона разместить кольца обитаемых секций на орбите вокруг Солнца. Для полной сферы нужно много колец на разных расстояниях и в разных плоскостях, чтобы они не сталкивались. Еще можно построить монолитную неподвижную сферу, где сила притяжения Солнца уравновешивалась бы давлением его света. Такую сферу можно строить постепенно, добавляя все новые спутники статиты. Они должны быть очень легкими, примерно в 100 раз легче бумаги.
Но, кстати, это реально, ведь графен, например, в 1000 раз легче. Если сфера будет в основном отражать свет, а не поглощать, то его интенсивность внутри невероятно возрастет, раздувая сферу изнутри и позволяя ей выдерживать большую массу. Для более тяжелой... твердой сферы Дайсона понадобятся сверхпрочные материалы, способные выдерживать нагрузки в тысячи раз больше, чем у фундаментов небоскребов. Сфера должна быть подвижной и умной, чтобы подстраивать свое положение и форму, пропуская опасные астероиды или кометы через специальные проемы.
Для нынешних людей жизнь на сфере Дайсона была бы мягкой, говоря, непривычной или вовсе невозможной. На орбите почти не будет гравитации, а на неподвижной сфере сила притяжения будет в 10 тысяч раз слабее, чем на Земле. Не будет и магнитного поля для защиты от солнечной радиации, если не создать его искусственно. Но есть и хорошие новости.
На сфере Дайсона на орбите Земли у нас будет в 500 миллионов раз больше места, чем сейчас. Если мы хотим жить в космосе в условиях, похожих на земные... То есть еще одна хорошая новость.
Построить такие станции намного проще, чем сферу Дайсона. Физик Герард О'Нилл придумал проект цилиндрических станций с искусственной гравитацией, защитой от космического излучения, 24-часовым циклом дня и ночи, земной атмосферой и экосистемой. Такие станции могут вращаться на орбите внутри сферы Дайсона или крепиться к ее внешней стороне.
Идея в том, чтобы взять два огромных цилиндра и заставить их вращаться в противоположных направлениях. Тогда внутри них за счет центробежной силы будет создаваться искусственная гравитация, как на Земле. Главное держать оси цилиндров направленными на Солнце.
А с помощью специальных зеркал можно будет направлять солнечный свет так, чтобы внутри станции день и ночь менялись, как на Земле, каждые 24 часа. А маленькие цилиндры вокруг станции можно использовать для сельского хозяйства. Хотя сферы Дайсона очень эффективны по нашим меркам, они не нарушают законы физики. Альберт Эйнштейн показал, что при 100% превращении массы в энергию, даже небольшая масса дает огромную энергию по формуле E равно mc2. Упс, вторая формула в ролике.
Если бы у нас было много антиматерии, а ее у нас нет совсем, то можно было бы построить... электростанцию со 100% КПД. Просто добавляя по чайной ложке антиматерии в бак с водой, мы получали бы столько же энергии, сколько выделяется при взрыве 200 тысяч тонн тротила или огромной водородной бомбы. Этого хватило бы на 7 минут для всей планеты.
Но увы, все наши нынешние способы получать энергию ужасно неэффективны. Переваривая еду, мы используем лишь триллионную долю ее энергии. Будь наш желудок эффективен хоть на одну тысячную процента, одного обеда хватило бы на всю жизнь.
Уголь и бензин лишь в несколько раз эффективнее. Атомные реакторы берут меньше одной десятой энергии урана. Даже термоядерный реактор Солнца, в 10 раз лучше, чем есть у нас, использует лишь 0,7% энергии водорода. Идеальный термоядерный реактор, полностью сжигающий водород в гелий, будет эффективен только на 0,7%.
Нужно что-то получше. Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени» предложил черные дыры как источник энергии. Раньше астрофизики думали, что из них ничто не способно выбраться, даже свет.
Но Хокинг доказал, что из-за квантовых эффектов черные дыры испускают излучение, и чем они меньше, тем излучение сильнее. Любое вещество, попав в черную дыру, со временем выделится из нее в виде тепла, почти со стопроцентной эффективностью. Но есть проблема.
Пока черная дыра не станет размером с атом или меньше, излучение будет очень слабым. как от свечки. Чтобы ускорить процесс, нужны дыры размером в тысячу раз меньше протона и весом скруизный лайнер. Но даже тогда, чтобы заставить протоны падать в такую крошечную дыру, нужен мощный ускоритель вроде большого дронного коллайдера, да и часть энергии потом потеряется при испарении дыры. Выходит, мы будем тратить больше, чем получать, то есть КПД отрицательный.
Поэтому нужна квантовая теория гравитации, которой у нас пока нет. Чтобы понять, можно ли тут что-то сделать. К счастью, есть другие способы взять энергию черных дыр без квантовой гравитации. Многие черные дыры очень быстро вращаются, почти со скоростью света, и эту энергию вращения можно извлечь.
У вращающейся черной дыры есть так называемая эргосфера, область над горизонтом событий. Если вы бросите какой-нибудь предмет в эргосферу, он будет немедленно подхвачен и закружится вокруг дыры. Но если кинуть туда объект под нужным углом и предварительно расколоть его надвое, то один осколок упадет в черную дыру, а второй вылетит с энергией больше, чем была у объекта в начале. Так мы можем забрать часть энергии вращения черной дыры. Повторяя это, можно выкачать всю энергию вращения, до 27%.
процентов массы черной дыры, если она вращается с предельной скоростью. Огромная черная дыра в центре нашей галактики весит в 4 миллиона раз больше Солнца. Даже 10% ее массы дадут столько же энергии, сколько и превращение в энергию массы 400 тысяч Солнц со 100% эффективностью.
Или столько же, сколько 500 миллионов сфер Дайсона вокруг Солнц за миллиард лет. Да, у меня... тоже эти цифры в голове не укладываются.
Есть еще способы взять энергию у черных дыр, не прибегая к квантовой гравитации. Например, можно извлекать энергию из вещества, падающего в черную дыру. Природа уже делает это в квазарах. Квазар это такая космическая электростанция, которая превращает гравитационную энергию падающего в черную дыру вещества в мощное излучение, видимое с огромных расстояний.
Поэтому их еще называют маяками Вселенной. Газ? закручиваясь приближается к черной дыре образуя что-то вроде гигантской пиццы внутренняя часть пиццы постепенно затягивается в дыру а газ разогревается и ярко светятся частицы газа ускоряются их энергия растет движение становится хаотичным в итоге газ разогревается до огромных температур и начинает мощно излучать если построить сферу дайсона вокруг такой черной дыры то можно собрать это излучение и использовать Чем быстрее вращается черная дыра, тем лучше. КПД до 42% энергоэффективности для самых быстрых черных дыр. Есть еще один известный способ превращать вещество в энергию без черных дыр.
Его имя сфолиронный процесс. Представьте, что у вас есть конструктор. в котором есть два типа деталей, красные и синие. Красные детали это кварки, такие крошечные частицы, из которых состоит все вокруг. Синие детали это лептоны, другой вид частиц.
Есть специальное правило, если сложить красные детали в правильном порядке, то они вдруг превратятся в синие. В реальном мире это называется сфолиронным процессом. Кварки могут превращаться в лептоны, но для этого они должны собраться вместе специальным образом и пройти через промежуточную стадию, которая называется сфалерон. Самое интересное тут вот что.
Когда кварки превращаются в лептоны, оказывается, что лептоны весят меньше, чем исходные кварки. Куда же делась остальная масса? Она превратилась в чистую энергию, прямо как в знаменитой формуле Эйнштейна. Получается, сфалеронный процесс это своего рода фокус, позволяющий превращаться в лептоны.
вещество в энергию, без всяких черных дыр и сложной квантовой физики. Будущая разумная жизнь, возможно, сможет построить сфолирайзер, генератор энергии, похожий на мощный дизельный двигатель. Обычный двигатель сжимает смесь воздуха и топлива, пока она не воспламенится, толкая поршень. Продукты сгорания весят чуть меньше исходной смеси, и эта разница массы превращается в тепловую энергию.
Сфолирайзер же будет сжимать обычно. вещество до чудовищных температур в квадриллионы градусов, а потом позволит ему расшириться и остыть. Наша ранняя вселенная уже проделала такой эксперимент 13,8 миллиардов лет назад, когда была такой же горячей.
Почти все вещество превратилось в энергию, лишь меньше одной миллиардной доли осталось в виде кварков и электронов, то есть в виде обычной материи. С фоллерайзера будет в миллиард раз эффективнее дизеля, и топливо ли вам для него сгодится, да что угодно, лишь бы там были кварки. Из-за этого высокотемпературного процесса ранняя вселенная произвела в триллион раз больше излучения, чем вещества.
За 13,8 миллиардов лет с момента Большого Взрыва произошла великая сегрегация. Атомы собрались в галактике, звезды и планеты, а большая часть фотонов осталась между галактиками в виде микроволнового фона. Будущая развитая жизнь сможет снова превратить почти всё вещество галактик в энергию, вернув ту крошечную пропорцию, что была в ранней вселенной, ненадолго воссоздав то горячее и плотное состояние внутри сфалерайзера. Чтобы понять эффективность сфалерайзера, надо прояснить кое-какие детали. Например, какого он должен быть размера, чтобы не терять много нейтрино и фотонов при сжатии.
Мы пока этого не знаем. Но ясно одно перспективы по энергетике намного лучше, чем позволяют наши нынешние технологии. Если наш обед с точки зрения физической эффективности в 100 миллиардов раз хуже предела, поставленного законами природы, то что можно сказать о наших компьютерах?
Их эффективность, как мы сейчас увидим, еще ниже, чем у еды. Профессор Массачусетского технологического института Сет Ллойд, пионер квантовых вычислений, считает, что вся наша вселенная это квантовый компьютер. Он показал, что скорость вычислений ограничена энергией. Согласно его расчетам, компьютер весом в килограмм в лучшем случае может делать 5 на 10 в 50 степени операции в секунду, то есть на 36 порядков больше, чем современный ноутбук. Мы достигнем такого за пару веков, если производительность продолжит удваиваться каждые два года.
как было до сих пор. Также по Ллойду килограммовый компьютер может хранить максимум 10 в 31 степени бит, в миллиард миллиардов раз больше, чем современный ноутбук. Сет признает, что даже сверхразумной жизни будет нелегко достичь этого предела. Память такого предельного килограммового компьютера будет подобна взрыву водородной бомбы или кусочку большого взрыва.
Но он оптимистично полагает, что практические пределы не так далеки от физических ограничений. Уже сейчас квантовые прототипы достигли уровня хранения в 1 бит на атом, что при масштабировании даст 10 в 25 степени бит на килограмм, то есть в триллион раз больше, чем у обычного ноутбука. А если для связи между атомами использовать электромагнитное излучение, то скорость возрастет до 5 на 10 в 40 степени операции в секунду. То есть на 31 порядок выше, чем у процессора моего компьютера. Теперь мы наглядно видим, что вычислительные перспективы будущей жизни просто головокружительны.
В терминах порядков предельный килограммовый компьютер настолько же превосходит нынешний суперкомпьютер, насколько тот превосходит мигающий автомобильный поворотник, способный хранить один бит и переключаться между двумя состояниями примерно раз в секунду. С точки зрения физики, все, что может создать будущая жизнь, от обитаемых зон и машин до новых форм жизни, это просто по-особому упорядоченные элементарные частицы, кристаллы воображения. Как кит это переупорядоченные клетки криля, а криль переупорядоченные клетки планктона, так и вся наша Солнечная система это водород, переупорядоченный за миллиарды лет космической эволюции. Гравитация собирает водород в звезды, где из него образуются тяжелые атомы.
Потом гравитация формирует из них планеты, а там химия и биология создают живую материю. Будущая жизнь, достигшая технологического предела, может переупорядочивать частицы гораздо быстрее и эффективнее. Сначала с помощью мощных вычислений она найдет оптимальные методы, а потом воплотит их, используя доступные источники энергии.
Мы видели, как материю можно превратить в компьютер и в энергию. Так что это единственный необходимый фундаментальный ресурс. Когда будущая жизнь упрется в физические пределы, у нее останется только один путь для роста. расширяться в космос, вглубь Вселенной. По сравнению с космическими сроками в миллиарды лет, интеллектуальный взрыв длится мгновение, за которое технологии выходят на плато, где их ограничивают только законы физики.
Это технологическое плато расположено значительно выше, чем любые сегодняшние технологии. Если мы продолжим улучшать наши технологии с достаточной осмотрительностью, прогнозируя последствия, последствия возможных ошибок, дабы не совершать их. У земной жизни есть колоссальный потенциал к процветанию, как на Земле, так и далеко за ее пределами, на протяжении миллиардов лет, о чем не могли мечтать самые смелые из наших предков.