Как информация управляет миром - Сезар Идальго

Тот факт, что неравновесные системы характеризуются информационно насыщенными устойчивыми состояниями, помогает нам понять, откуда берется информация. В такой неравновесной системе, как Земля, появление информации является ожидаемым. Это уже не считается аномалией. Тем не менее плохая новость заключается в том, что энтропия всегда скрывается на границах информационно насыщенных аномалий, готовая поглотить эти аномалии при первой же возможности. Водоворот в ванне исчезнет, как только мы заткнем сток или как только кончится вода. Это может привести нас к мысли о том, что Вселенная стремится отобрать информационно насыщенные устойчивые состояния, предоставляемые нам неравновесными системами. Тем не менее информация нашла способы сохранить себя. В результате мы живем на планете, где информация является достаточно «прилипчивой», чтобы заново собираться и создаваться. Эта «липкость», которая имеет большое значение для возникновения жизни и экономики, также зависит от дополнительных фундаментальных физических свойств.

Первый механизм, который обеспечивает «липкость» информации, связан с идеей термодинамических потенциалов. Это звучит сложно, но на самом деле это не так. Здесь мы должны понимать, что устойчивые состояния физических систем можно описать как минимумы математических функций, которые известны под названием термодинамических потенциалов. Мы все знакомы с основной идеей потенциалов из школьных уроков физики, мы знаем, что стеклянные шарики в итоге окажутся на дне чаши, потому что это состояние соответствует минимуму потенциальной энергии. Однако дело в том, что не все устойчивые состояния физических систем соответствуют минимуму энергии. Во многих устойчивых состояниях минимизируются или максимизируются другие величины (например, при спокойном состоянии газа в коробке максимума достигает значение энтропии). Тем не менее нам нет необходимости описывать здесь все эти величины, поскольку нас в первую очередь интересуют потенциалы, которые управляют неравновесными системами. Так какой же потенциал минимизируется в такой неравновесной системе, как наша ванна? В 1947 году Пригожин показал, что в устойчивом состоянии неравновесных систем минимизируется производство энтропии.[36] Это означает, что неравновесные системы самоорганизуются в устойчивые состояния, в которых порядок возникает спонтанно, минимизируя степень уничтожения информации.

Пригожин вывел свой принцип, рассматривая систему, состояние которой было близко к равновесию. Эта система характеризовалась одним устойчивым и несколькими переходными состояниями. Это достаточно специфический случай, поэтому его принцип нельзя было сразу применить к системам, которые были далеки от равновесия, то есть к системам, которые могли «выбирать» между несколькими устойчивыми состояниями. На самом деле, несмотря на то что это по-прежнему вызывает споры, некоторые люди предполагали, что далекие от равновесия системы выбирают устойчивое состояние, в котором максимизируется производство энтропии.[37] Тем не менее этот принцип максимального производства энтропии не противоречит принципу Пригожина о минимальном производстве энтропии, поскольку устойчивое состояние максимального производства энтропии все равно производит меньше энтропии, чем переходные состояния. И все же, мы должны быть осторожны, чтобы не увлечься, поскольку нашей целью является не вдаваться в тонкости неравновесной статистической физики, а объяснить происхождение информации. Таким образом, я оставлю вопрос о потенциале, который управляет далекими от состояния равновесия системами, открытым и заключу, что этот потенциал, будь то минимизация производства энтропии, максимизация производства энтропии или степень необратимости статистического процесса, тем не менее, характеризуется самоорганизующимися состояниями, которые богаты корреляциями, менее диссипативны по сравнению с переходными состояниями и производят физический порядок, являющийся необходимым условием для жизни. Пригожин и Грегуар Николис в блестящей работе 1971 года, посвященной обсуждению связи 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».[38]

Системы статистической физики генерируют информацию и сохраняют ее, когда они находятся не в равновесии, однако их текучесть усложняет понимание того, как эти системы могут подолгу удерживать информацию. Водовороты внезапно исчезают, а сигаретный дым утрачивает свою богемную красоту, превращаясь в бесформенные облака. Статистические свойства неравновесных систем помогут нам понять нечеловеческое происхождение информации, но не ее долговечность. Однако, именно долговечность информации обусловливает возможность ее повторного комбинирования и возникновения жизни и экономики. Таким образом, долговечность информации так же важна, как и ее происхождение, поскольку без нее невозможно перекомбинирование, необходимое для порождения еще большего объема информации. Тем не менее долговечность информации не гарантируется законами, объясняющими ее происхождение. Здесь должно быть что-то еще.

Как Эрвин Шредингер, лауреат Нобелевской премии в области физики 1933 года, отметил в своей книге 1944 года «Что такое жизнь?», мы не можем понять долговечность физически воплощенной информации, рассматривая только жидкие системы, которые мы использовали в наших примерах. Сигаретный дым, водовороты, капли чернил и газы являются жидкими системами, и большая часть их эфемерности обусловлена текучестью. Таким образом, вторая причина «липкости» информации и ее способности к перекомбинированию связана с тем, что она воплощена в твердых телах. Давайте снова рассмотрим водоворот в ванне, только теперь предположим, что у вас есть волшебная палочка, которая позволяет заморозить или кристаллизовать этот водоворот одним движением руки.[39] Возьмите воображаемые щипцы для льда и извлеките водоворот из его ледяного заточения. То, что окажется у вас в руках, является небольшим квантом информации. Пока вы не разморозите водоворот, информация, которая присутствовала в соответствующем информационно насыщенном устойчивом состоянии, будет сохраняться.[40] Переведя водоворот в твердую форму, мы закрепили информацию, сгенерированную в жидком мире, и получили кристалл информации, который мы можем использовать для понимания сложности нашего мира.

Насколько мне известно, заморозить водоворот физически невозможно, однако эта мысленная картина позволяет нам понять важность твердых тел для постоянства и эволюции информации. В книге «Что такое жизнь?» Шредингер подчеркнул, что твердые тела имеют решающее значение для объяснения информационно насыщенной природы жизни. Шредингер, как и каждый современный ему биолог, понимал, что информация, необходимая для построения биологического организма, была скрыта где-то внутри клетки, либо в белках, либо в ДНК.[41] С физической точки зрения и белки, и ДНК технически представляют собой кристаллы. Точнее они являются апериодическими кристаллами (структуры, которые не повторяют друг друга, но содержат крупномасштабные корреляции). Представьте партитуру, в которой снова и снова повторяются одни и те же четыреноты. Содержащийся в ней объем информации будет минимальным по сравнению с партитурой, в которой превалируют вариации. Шредингер понял, что апериодичность была необходима для хранения информации, поскольку обычный кристалл не мог содержать большой объем информации: «Ген точно не является однородной каплей жидкости. Скорее всего, это большая белковая молекула, в которой каждый атом, каждый радикал, каждое гетероциклическое кольцо играет особую роль, более или менее отличную от той, которую играет какой-либо из других аналогичных атомов, радикалов или колец». Согласно Шредингеру, феномен жизни зависит как от апериодичности биологических молекул, так и от твердой кристаллической природы. Апериодичность необходима для того, чтобы молекула воплощала информацию, а твердая природа молекулы позволяет этой информации сохраняться.

Таким образом, объединив идеи Пригожина и Шредингера, мы можем понять, откуда берется информация (устойчивое состояние неравновесных систем) и почему она сохраняется (потому что хранится в твердых телах). Поэтическая причуда такой комбинации заключается в том, что согласно ей наша Вселенная является одновременно замороженной и динамичной. С точки зрения физики твердое тело является «замороженным», поскольку его структура устойчива к тепловым флуктуациям окружающей среды.[42] Наши города состоят из таких твердых тел, как автомобили, здания, автобусные остановки, метро и тротуары. Наши дома созданы из таких твердых тел, как кухонные раковины, холодильники, посуда, лампочки и стиральные машины. Наши клетки также состоят из твердых тел, которыми являются десятки тысяч белков, участвующие в клеточном шоу. Тем не менее автомобили и белки представляют собой подвижные твердые тела. Города и клетки являются динамическими системами, в которых твердые тела перемещаются относительно друг друга. Твердость этих объектов позволяет накапливать информацию с низкими издержками, поскольку твердое тело охраняет воплощенную в нем информацию от кровавых когтей энтропии, хотя бы на короткое по масштабам космоса время.