Сезар Идальго - Как информация управляет миром

• Название: Как информация управляет миром
• Автор: Сезар Идальго
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-699-85453-0

Наша Вселенная состоит из материи и энергии, но по-настоящему осязаемой и понятной ее делает наличие информации. Она скрывается в каждой форме и закономерности, упорядочивая наш мир и придавая ему смысл.

Большая часть книги посвящена Земле и живущим на ней существам, потому что нигде во Вселенной не найти большего количества информации. Но почему она находится на нашей планете в таких объемах и как мы, люди, способствуем ее росту? Как информация бунтует против энтропии?

Вы узнаете о механизмах, которые помогают информации выигрывать битвы, стоически сражаясь в единственной истинной войне нашей Вселенной – в войне между порядком и беспорядком, между энтропией и информацией.

---

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.

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.