Visums — Dators, Mēs — Simulācija?

Apollo
0 komentāru

Rolfs Landauers (Rolf Landauer, 1927–1999) bija pirmais fiziķis, kurš visu savu karjeru ir veltījis pavisam jaunai fizikas nozarei — informācijas fizikai, kas aplūko tādus jautājumus kā kvantu datori, to veiktspēja, efektīvākie informācijas reģistrēšanas veidi u. tml.

Šī nozare radās, patei­coties straujajai datoru attīstībai. R. Landauers izvirzīja ide­ju, ka informācija ir fizikāls lielums. Viņš pamatoja šo domu ar to, ka pati informācijas apstrāde notiek fizikālā sistēmā — cilvēkā, datorā vai arī jebkādā citā fiziskā veido­jumā.

Tātad fiziska sistēma reģistrē un apstrādā informāci­ju. Līdz ar to radās jautājums — kādi ir fizikālie ierobežojumi informācijas apstrādei un daudzumam. Kā izrādās, informācijas apstrādei ir trīs fundamentāli ierobežojumi:

• informācijas pārvietošanās ātruma ierobežojums — gaismas ātrums;

• informācijas apstrādes ātruma ierobežojums. Saskaņā ar Margolusa–Levitina teorēmu tā ir fizikālās sistēmas enerģija. Saskaņā ar šo teorēmu laiks, kurš ir nepieciešams viena bita apgriešanai uz pretējo stāvokli (no 0 uz 1 vai otrādi), ir apgriezti proporcionāls enerģijai, kura ir pie­ejama šīs operācijas veikšanai. Jo vairāk enerģijas pieejams, jo ātrāk šo operāciju var izpildīt. Šī ir pamata teorija kvan­tu datoros, pēc kuras nosaka kvantu datora informācijas apstrādes ātrumu;

• datu apjoma ierobežojums — fiziskās sistēmas entropija. Jau 1877. gadā L. Bolcmanis (Ludwig Boltzmann, 1844–1906) izteica domu, ka entropiju var attiecināt uz da­žādiem sistēmas iekšējiem stāvokļiem — bitiem. Vadoties pēc K. E. Šennona (Claude E. Shannon, 1916–2001), kas L. Bolcmaņa idejas apvienoja un izteica savās informāci­jas teorijas atziņās, datu apjoms ir ierobežots proporci­onāli sistēmas entropijai.

Arī Visums ir fizikāla sistēma, tādēļ MIT (Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta) fizikas profesors Sets Loids (Seth Lloyd) izvirzīja jautājumu: cik liela ir Visuma informācijas ietilpība, un cik daudz informācijas tas ir apstrādājis? Sākumā tas var šķist dīvaini — kā gan Visums var apstrādāt informāci­ju?

Taču, ja iedomājamies sevi pietiekami ilgi vērojam Visumu, konstatēsim, ka tajā notiek izmaiņas, kaut vai tādas, ka veidojas jaunas galaktikas un zvaigznes.

Tādējādi ir skaidrs, ka Visums kādā noteiktā veidā «zina», kas tajā notiek, tas reģistrē savu stāvokli un turpina mainīties, tādējādi tas turpina apstrādāt reģistrēto stāvokli. Neiedziļino­ties šīs teorijas sarežģītajā matemātiskajā izklāstā, bet zinot informācijas apstrādes ierobežojumus un ņemot vērā mūsu zināšanas par Visumu, var iegūt fizikāli nozīmīgu, kaut arī cilvēkam ne gluži saprotamu atbildi.

Tātad, zinot aptuveno Visuma vecumu (~1010 gadi kopš Lielā Sprādziena), tā tilpumu un matērijas daudzumu tajā, izmantojot Margolusa–Levitina teorēmu, iespējams aprēķināt, cik operāciju Visums veic vienā sekundē. Pareizinot šo skaitli ar Visuma vecumu, iegūst, ka tas varētu būt veicis aptuveni ~10120 operācijas, un līdzīgi, izmantojot informāci­jas teorijas un termodinamikas atziņas, var aprēķināt, ka šīs operācijas ir veiktas, izmantojot ~1090 bitus. Zinošākie lasītāji uzreiz pie sevis nodomās — ahā, kā gan varētu būt apstrādāts šāds apjoms informācijas, ja pašreizējās teorijas paredz, ka Visumā ir tikai ~1080 elementārdaļiņas? Atbilde slēpjas apstāklī, ka vienā elementārdaļiņā ir iespējams reģistrēt vairāk nekā vienu bitu informācijas.

Ko cilvēkam izsaka šie skaitļi 10120 un 1090? Manuprāt, pilnīgi neko — tie ir neiedomājami lieli. Lai radītu priekšstatu, cik neiedomājami lieli tie ir, aplūkosim, cik operācijas veikuši visi pasaules datori visā to pastāvēšanas laikā.

Izman­tojot aptuvenu statistiku, cik daudz informācijas datori apstrādājuši pēdējos trijos gados, un izmantojot Mūra likumu, aprēķinām sekojošo. Pēdējos trijos gados ir darbojušies ~109 datori ar takts frekvenci ~109 Hz, izpildot ~10operācijas (nejaukt ar instrukcijām) sekundē, un to darbības laiks ir bijis =108 sekundes, turklāt katrs no datoriem ir reģistrējis ~1012 bitus informācijas. Tādējādi šajā laika peri­odā visi datori kopā ir izpildījuši ~1031 operācijas un reģistrē­juši =1021 bitus informācijas. Saskaņā ar Mūra likumu, kas paredz, ka mikroshēmu ātrdarbība divkāršojas katrus 18 mēnešus, visā datoru pastāvēšanas laikā tie varētu būt veikuši un apstrādājuši (ar uzviju) ne vairāk kā divtik operācijas un divtik bitus informācijas.

Visuma veikto operāciju skaitu un pieejamo bitu skaitu var uztvert vairākos veidos. Pirmais veids, kā jau minēju, ir uztvert tos kā maksimālo informācijas apstrādes daudzumu, ko varētu būt veikusi visa Visuma matērija kopš Lielā Sprādziena, ja visu šo matēriju izmantotu viens milzīgs kvantu dators, kurš būtu strādājis tikpat ilgi, cik pastāv Visums.

No Mūra likuma izriet, ka, laikam ritot, esošie datori izmantos arvien mazāk un mazāk matērijas viena bita reprezentācijai un arvien mazāk enerģijas vienas operācijas veikšanai, tādējā­di gan informācijas ietilpība, gan informācijas apstrādes ātrums palielināsies. Esošie kvantu datori jau tagad izmanto minimālus resursus informācijas glabāšanai un operāciju veikšanai, tādējādi, laikam ritot, nākotnē neapšaubāmi tiks sasniegts maksimālais iespējamais informācijas apstrādes ātrums, kādu atļauj fizikas likumi.

Otrs veids, kā uztvert šos skaitļus, ir tāds, ka tie norāda mazāko nepieciešamo operāciju un bitu skaitu, kurš būtu nepieciešams, lai, izmantojot kvantu datorus, varētu veikt Visuma attīstības simulāciju kopš Lielā Sprādziena līdz šim brīdim.

Simulācija ir mēģinājums atkārtot kāda fizikālā procesa norisi. Taču, tā kā mums nav pieejams vairāk matēri­jas, kā Visumā ir, tad, ievērojot pirmā veida izteikumus, pilnīga Visuma attīstības simulācija aizņemtu tieši tikpat lai­ka, cik tam dabīgi bija nepieciešams, tādēļ mēs varētu veikt tikai ierobežotu Visuma simulāciju vai arī pilnīgu simulāci­ju ļoti nelielā laika intervālā kopš Lielā Sprādziena.

Trešais veids, kā uztvert šos skaitļus, ir tāds, ka Visums pats par sevi ir viens milzīgs fizikāls skaitļotājs, kurš ir veicis šo skaitu operāciju, lai attīstītos līdz tādam stāvoklim, kādā tas atrodas pašreiz. Operāciju skaits atbilst elementārdaļiņu mijiedarbību skaitam.

Ļoti interesanti ir aplūkot Oksfordas universitātes zinātnieka Niķa Bostroma (Nick Bostrom) viedokli. Viņaprāt, ie­dziļinoties piedāvāto skaitļu trešajā interpretācijā, pastāv iespēja, ka gan Visums, gan pašreizējā Zemes dzīvība varētu būt kādas attīstītākas civilizācijas veikta simulācija.

Ja tā, tad, visticamāk, šī civilizācija ir nesalīdzināmi vecāka par mums, turklāt tā ir attīstījusi tehnoloģiskās iespējas līdz robežām, kādas atļauj fizikas likumi. Iespējams, ka, izmantojot šīs teh­noloģijas, tiek veikts vienkāršots šīs pašas civilizācijas vēstu­res atkārtojums.

Vadoties pēc Seta Loida aprēķiniem, spējot savām skaitļošanas vajadzībām izmantot vienas Saules izmēra zvaigznes visas elementārdaļiņas, pietiktu vienas sekundes, lai veiktu visas dzīvības evolūcijas aprēķinu (tikai dzīvības, ne Visuma). Attīstītākā civilizācija tikpat labi savām vajadzībām varētu izmantot simtiem šādu zvaigžņu, simulējot simtiem dažādu savu vēsturu.

Lai spētu veikt šāda apjoma visumu simulāciju, vienīgais veids ir samazināt simulējamās matērijas izmērus un ietaupīt resursus, veicot aprēķinus ti­kai tad, kad nepieciešams. Kad simulācijas veicēja civilizāci­ja redz, ka mēs grasāmies izmantot mikroskopu, lai redzētu pasauli smalkākās detaļās, tiek piesaistīts papildus aprēķins, kurš mums ļauj to redzēt, neliekot mums zaudēt ticību re­alitātei.

Tāpēc nav iespējams pateikt, vai mēs esam simulāci­ja, vai arī neesam. Ja tomēr esam, tad kas gan liedz arī šai daudz attīstītākajai civilizācijai būt kādas vēl attīstītākas ci­vilizācijas simulācijai!

 

Resursi internetā:

 

Intervija ar Setu Loidu un viņa biogrāfija

http://www.edge.org/3 rd_ cultu re/b ios/lloyd. html;

kvantu datoru ātrdarbības ierobežojumi —

http://arxiv.org/;

PS_cache/quant-ph/pdf/0303/0303085. pdf;

informācija un entropija —

http://www.tim-thompson.com/;

entropyl.html;

Seta Loida publikācija par Visuma informācijas apstrādes iespējām —

http://arxiv.org/abs/quant-ph/0110141;

simulācijas argumenti —

http://www.simulation-

argument.com/.

Visums — Dators, Mēs — Simulācija?

www.cs.wpi.edu

Ziņo redaktoram par kļūdu!



Ziņo redaktoram par dzēšamu komentāru!

 

Laika ziņas

Vairāk

Valūtu kursi

20.10.2017
Ienākt apollo.lv