Как информация управляет миром - Сезар Идальго

Самым главным успехом Больцмана стала работа 1878 года, в которой он показал, что системы, состоящие из большого количества частиц, тяготели к состояниям, характеризующимся минимальным объемом информации. Это то, что известно как второй закон термодинамики, который несколькими десятилетиями ранее был предвосхищен Рудольфом Клаузиусом, хотя его формулировка и была более громоздкой. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия закрытых физических систем всегда имеет тенденцию к увеличению, а это означает, что системы развиваются от порядка к беспорядку. Подумайте о капле чернил, попавшей в стакан с чистой водой. Начальное состояние, при котором капля чернил локализована в великолепном водовороте, является информационно насыщенным. Существует лишь несколько способов локализации чернил, но много способов их более или менее равномерного распределения в стакане. Конечное состояние, при котором чернила полностью растворены, является информационно бедным, поскольку у него много эквивалентных состояний. Таким образом, когда вы капаете чернила в стакан воды, вы наблюдаете движение стрелы времени, которое происходит от информационно насыщенного состояния к информационно бедному. По мере течения времени Вселенная переходит от редких конфигураций к распространенным, и теория Больцмана отлично это объяснила.

Тем не менее Вселенная полна примеров, не похожих на каплю чернил, примеров, в которых информация и сложность увеличиваются, как в случае с развитием человеческих младенцев или естественным восстановлением выгоревших лесов. Откуда же берется эта информация? Вселенные, предсказанные Больцманом и Максвеллом и позднее дополненные термодинамикой Гельмгольца, Гиббса и Эйнштейна, должны превращаться в однородный суп, в котором нет никакой информации и свободной энергии (то есть нет энергии для выполнения работы).[33]

В ХХ веке нам удалось примирить свое понимание стрелы времени и физического происхождения информации с физической природой реальности. Новые теории смогли показать, что информация представляла собой не аномалию, а то, появления чего следовало бы ожидать. Эти теории не противоречили динамике Эйнштейна и Ньютона или статистической механике Больцмана, поскольку они показали, что происхождение информации и стрела времени зависели от дополнительных физических принципов и допущений. Ключевым мыслителем в этой области был бельгийский физик российского происхождения Илья Пригожин. В 1977 году Пригожин был награжден Нобелевской премией по химии «за свой вклад в неравновесную термодинамику, особенно в теорию диссипативных структур».[34] Пригожин выдвинул много важных идей, однако нас в данном случае интересует та, согласно которой информация возникает естественным образом в устойчивых состояниях физических систем, которые находятся не в равновесии. Это выражение, в котором кратко описаны физические истоки происхождения информации, звучит ужасно сложно. Тем не менее если мы тщательно рассмотрим последовательность примеров, то поймем, что это не так. Поэтому в следующих абзацах я раскрою значение выражения Пригожина, чтобы его смысл стал очевидным.

Чтобы разобраться в физических истоках происхождения информации, сначала нам нужно понять некоторые вещи. Во-первых, следует разобраться с идеей устойчивого состояния. Во-вторых, нужно понять разницу между динамическим устойчивым состоянием и статическим устойчивым состоянием. Очень простым примером статического устойчивого состояния является брошенный в чашу стеклянный шарик. Все мы знаем, что при этом происходит. Вскоре после броска шарик остановится на дне чаши. Это и есть статическое устойчивое состояние.

Более интересным является случай с коробкой, наполненной газом. Если мы наполним коробку газом и немного подождем, количество газа в правой части коробки станет равно его количеству в левой части коробки. Тем не менее устойчивое состояние наполненной газом коробки не аналогично примеру с шариком на дне чаши. В коробке, наполненной газом, не все молекулы находятся в фиксированном положении. Они постоянно движутся, и устойчивое состояние достигается, когда количество молекул газа, передвигающихся слева направо, равно количеству молекул, передвигающихся справа налево. Коробка с газом (как и случай с каплей чернил, полностью растворенной в стакане воды) представляет собой пример динамического устойчивого состояния.

Теперь давайте рассмотрим устойчивое состояние неравновесной системы. Классическим примером в данном случае является водоворот, который возникает при сливе воды из ванны. Как только вы вынете пробку и вода потечет в трубу, вода над стоком начнет организовываться в водоворот. Этот водоворот представляет собой устойчивое состояние, поскольку он остается стабильным, пока в системе есть вода. Кроме того, это состояние является информационно насыщенным, так как водовороты – это редкие конфигурации молекул воды, которые не возникают спонтанно в стоячей воде.[35] В отличие от стоячей воды, водовороты представляют собой организованные структуры, в которых молекулы воды движутся не случайным образом, а обладают скоростью и траекторией, которая коррелирует с аналогичными параметрами молекул воды, находящихся рядом с ними. Информационно насыщенное состояние водоворота возникает естественным образом – это то, что получается само собой в неравновесной системе. Возвращаясь к нашему начальному утверждению, мы можем сказать, что водоворот является примером информации, которая возникает естественным образом в устойчивом состоянии физической системы, которая находится не в равновесии.

Тем не менее водоворот – это не единственный пример. Существуют многочисленные примеры порядка, который возникает спонтанно в неравновесных системах, например завитки сигаретного дыма, гипнотическое движение пламени костра и даже свечение экрана вашего компьютера, поскольку, будучи включенным, он точно находится не в равновесном состоянии. Вы и ваш мобильный телефон также являются примерами неравновесных физических систем. Вы едите, чтобы оставаться в неравновесном состоянии и подзаряжаете свой мобильный телефон каждый вечер.

Пригожин понял, что, хотя теория Больцмана была верной, она неприменима к тому, что мы наблюдаем на Земле, поскольку наша планета представляет собой неравновесный карман, находящийся внутри системы большего размера, то есть Вселенной, которая стремится к равновесию. На самом деле наша планета никогда не была близка к какой-либо форме равновесия. Энергия солнца и ядерный распад, происходящий в ядре Земли, выводят нашу планету из равновесия, обеспечивая ее энергией, необходимой для возникновения информации. Мы можем представить нашу планету в виде маленького водоворота информации в обширном и бесплодном космосе.

Пригожин осознал, что для понимания информационно насыщенной природы Вселенной ему нужно было разобраться со статистическими свойствами неравновесных систем. Эти статистические свойства отличаются от свойств систем, изучаемых Больцманом, и они включают случаи, в которых информация возникает естественным образом. Одним из прорывов Пригожина был вывод некоторых математических законов и принципов, управляющих поведением неравновесных систем. Его работа показала, что своеобразная манера организации Вселенной подразумевает то, что по другую сторону хаоса скрывается информация. Рассмотрим кипящую в кастрюле воду. Сначала представьте себе, что включаете газ ненадолго. При этом подогреется небольшое количество воды на дне кастрюли. Эти молекулы начнут двигаться немного быстрее, однако если вы быстро выключите газ, то вода в кастрюле сама по себе никогда не организуется в информационно насыщенное состояние. Теперь представьте, что оставляете газ включенным на более длительное время. По мере ускорения движения молекул воды жидкость становится турбулентной. Это движение хаотично. Такое состояние уже содержит информацию, как и в случае с завитками сигаретного дыма. Теперь оставьте газ включенным и подождите, пока кастрюля не достигнет динамического устойчивого состояния конвекции. В данном случае возникнет организованный поток. Таким образом, после хаоса система приходит в высокоорганизованное состояние, полное корреляций и информации. Пригожин показал, что устойчивые состояния, достигаемые материей в неравновесных системах, стремятся к организации. За хаосом следует информация.

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.