Информация. все мы знаем, что это такое, но никто не знает, как дать этому определение. Это явно более абстрактное понятие, чем физические предметы, которые нас окружают: яблоки, книги или машины. Но, в отличие от других абстрактных понятий, таких как любовь или простые числа, у него всегда есть физическое представление, будь то страницы книги, внутри компьютера или в нейронах нашего мозга.
Фактически, одна и та же информация может иметь множество различных представлений: она может существовать в печатном виде и на экране, на английском, русском и зулусском языках и т.д., что делает информацию такой важной, а такие направления, как наука и литература, возможными.
Существует математическая теория информации, разработанная в 1950-х годах Клодом Шенноном, но на самом деле это теория передачи информации физическими средствами, такими как телефон или электронная почта, а не самой информацией. И все же, если бы у нас была научная теория информации, это могло бы пролить свет на концепции, которые чрезвычайно важны для нас, такие как происхождение и эволюция жизни (которая зависит от информации, содержащейся в ДНК), сознание и даже вопрос: есть ли у нас свобода воли?
Вот почему Дэвид Дойч и Кьяра Марлетто, физики-теоретики из Оксфордского университета, придумали новый взгляд на физику, который, по их словам, позволяет нам определять, что такое информация в физических терминах. Все, что у нас есть с помощью теории информации, например работы Шеннона, можно вывести из их так называемой теории конструктора. Она также может охватывать и расширять квантовую информацию и, как выразился Марлетто, «хотел бы вывести явление квантовых вычислений на новый уровень».
Информация: как она выглядит?
Давайте начнем с того, что есть природа информации. В качестве ориентира представьте себе пешеходный светофор. Как носитель информации он одновременно простой и очень эффективный. Почему? Потому что он может быть в нескольких состояниях: красном или зеленом. Если бы не было этого множественного выбора, например, если бы светофор мог быть только красным, то он, очевидно, был бы бесполезен. Также важно, чтобы можно было переключаться между красным и зеленым: застрявший светофор был бы так же бесполезен, как и светофор только одного цвета. Светофор — хороший носитель информации, потому что он может переключаться между двумя состояниями.
Для того, чтобы светофор выполнял свою функцию носителя информации, необходим физический процесс, который переводит происходящее на светофоре в мозг пешехода. Если его нет, например, потому что кто-то накинул толстое полотно на светофор, то он бесполезен.
Эти идеи работают и в более общем плане. Для получения информации вам всегда нужны множественные варианты выбора и процесс переключения между вариантами. Кроме того, чтобы что-то считалось информацией, необходимо, чтобы это можно было узнать и запомнить.
Физика не уделяет особого внимания описанию информации, потому что она плохо учитывает все разнообразие вариантов, в которых она может существовать.
Традиционная физика имеет тенденцию говорить о мире в стиле «если-то»: если горит красная лампа на светофоре, то свет определенной длины будет распространяться в определенном направлении. Законы физики нацелены на то, чтобы рассказать нам, как объекты будут перемещаться во времени и пространстве при определенных начальных условиях.
«Этот способ размышления о физической реальности оказался очень успешным, но есть некоторые явления, которые, кажется, ускользают от этой логики и не получают адекватного объяснения в рамках этого подхода. Одним из этих явлений является информация», - говорит Марлетто.
Теория конструктора, напротив, описывает мир с точки зрения того, что могло произойти. Цель состоит не в том, чтобы сказать, какую трансформацию претерпит система при конкретном наборе начальных условий, а в том, чтобы подумать о всех трансформациях, которые она могла бы претерпеть, и определить те, которым она, возможно, не может подвергнуться.
Механизм, который может вызывать преобразование системы и может делать это неоднократно, называется конструктором (термин, впервые введенный известным математиком Джоном фон Нейманом, когда он думал об эволюции жизни). Дойч и Марлетто даже предполагают, что всю физическую реальность можно в конечном итоге описать в терминах того, что возможно (что означает, что существует конкретный конструктор), а что невозможно (что означает, что конкретный конструктор не существует).
На первый взгляд эта идея кажется безумной (и непонятной). К конструкторам относятся самые разные вещи: человек, включающий светофор, чайник с кипящей водой, компьютер, преобразующий ввод в вывод.
В теории, на других планетах также могут быть инопланетяне, делающие странные вещи, о которых мы никогда не слышали. Как мы можем описать их все, не говоря уже о мириадах трансформаций, которые они вызывают?
Ответ в том, что нам это не нужно. Несмотря на название, теория конструктора не заботится о том, кто или что вызывает преобразования, а только о том, что они возможны. Конструкторы — это всего лишь абстракция, и теория направлена на то, чтобы сформулировать общие принципы, что разрешено, а что нет.
Мы уже знакомы с некоторыми такими принципами из обычной физики. Например, принцип сохранения энергии говорит нам, что никакое преобразование физической системы не может создать энергию из ничего или разрушить ее. Чтобы понять идею, нам не нужно описание вовлеченных процессов или их причин.
Цель теории конструктора
Цель теории конструктора — предложить принципы аналогичной природы, которые не предназначены для замены существующих законов физики. Вместо этого они предназначены для их ограничения: так же, как любой закон физики должен придерживаться принципа сохранения энергии, он должен придерживаться принципов теории конструктора. В этом смысле теория конструктора — это мета-теория, обеспечивающая руководящие принципы, которых должны придерживаться все остальные законы физики.
Теория конструктора дает нам возможность говорить о физических системах, которые могут быть хорошими носителями информации, таких как светофоры или компьютеры. Как мы рассматривали ранее, такая система должна быть способна находиться как минимум в двух разных состояниях (например, зеленом или красном). Нам также нужен конструктор, который может преобразовать систему из одного атрибута в любой другой (например, процесс переключения светофора с зеленого на красный). Нам все равно, что это за конструктор, он может включать людей или технику. Главное, что он существует.
«Другое свойство, которое вам нужно, - это то, что состояния, в которых она может находиться, могут быть скопированы в другие физические опоры, такие как мозг прохожего», - объясняет Марлетто. «Обладая этими свойствами, свойством копирования и тем фактом, что вы можете переключаться между различными состояниями, вы выделили набор физических систем из всех физических систем, как тех, которые могут нести информацию».
Теперь к самому главному вопросу статьи
А как насчет определения самой информации? Для информационного носителя с несколькими состояниями, как описано выше, информация воплощается в виде набора состояний с этими свойствами. Итак, для светофора это будет набор цветов {красный, зеленый}. Количество информации может быть количественно определено размером набора атрибутов (два в примере светофора, хотя по причинам, описанным здесь, математики предпочитают количественно определять как логарифм размера набора атрибутов). Более сложные информационные носители, такие как компьютеры, могут иметь гораздо больше различных состояний и, следовательно, нести гораздо больше информации.
Используя эту идею, Дойч и Марлетто сформулировали множество принципов, которые, по их мнению, составляют универсальные законы информации. Это включает принцип взаимодействия информации: тот факт, что информация может существовать в разных формах на разных носителях, и ее можно копировать с одного носителя на другой, сохраняя при этом свои свойства как информацию.
Принципиально важно, что теоретико-конструкторский подход не предполагает какой-либо конкретной физической теории за счет другой. Это позволяет охватить не только теорию информации Шеннона, но и квантовую информацию, которая, как есть надежда, станет основой следующей революции в информационных технологиях, но до сих пор не определена. Когда Марлетто говорит о том, чтобы вывести квантовую теорию информации на новый уровень, она имеет в виду, что теория конструктора может не только описать универсальный квантовый компьютер, машину, которая может выполнять любые вычисления, которые вы захотите выполнить. Она также может предоставить теоретическую основу для описания универсального конструктора. Это машина, которая может выполнять любые физические преобразования, разрешенные природой, включая биологические преобразования, тесно связанные с жизнью.
Итак, стремятся ли физики всего мира к теории конструктора, чтобы подтвердить или пересмотреть свои законы?
Еще не совсем. Но Марлетто вместе с растущей группой сотрудников заняты демонстрацией его использования, применяя его в проблемных областях физики. Примером могут служить физические системы, в которых участвует объект, подчиняющийся странным законам квантовой физики, например крошечная частица, взаимодействующая с чем-то, о чем мы не знаем, подчиняется ли она законам квантовой физики, например, силе тяжести.
«[В этом контексте] наличие принципа, который является всеобъемлющим и подчиняется всем динамическим законам, таким как принцип взаимодействия информации, чрезвычайно полезно», - говорит Марлетто.
Ее работа в этой области привела к предложению о том, как можно наблюдать квантовые эффекты в гравитационном поле, которые вскоре могут быть проверены экспериментами.
Марлетто также исследовала несколько загадочную теорию тепла и энергии, термодинамику в свете теории конструктора, а также теорию жизни — эволюцию Дарвина посредством естественного отбора.
Будет ли успешной программа, описывающая всю физическую реальность с точки зрения теории конструктора, еще неизвестно. Но Марлетто не пугает неудача.
«Это предприятие может потерпеть неудачу, и я очень рада это сказать», - говорит она. "Поскольку он идет в направлениях, которые сильно отличаются от стандартных, он обязательно натолкнется на вещи, которые изменят наше представление о вещах. Даже если инструменты, которые мы сейчас разрабатываем, не сработают, что бы мы ни обнаружили изменит нашу точку зрения на реальность и послужит инструментом для достижения прогресса в физике. Я думаю, это захватывающе!»
Родители и педагоги, если вам понравилась статья, сохраняйте и делитесь ею с друзьями, оставляйте комментарии со своим мнением и конечно же ставьте «пальцы вверх», чтобы поддержать наш канал!
Доступно объясним математику для детей 5-16 лет!
Наши математические кружки: https://matclass.ru/listok/
Наши задачники: https://matclass.ru/magazin
Зимние и летние каникулярные программы: https://matclass.ru/programma
