Дэвид Дойч

CТРУКТУРА РЕАЛЬНОСТИ

К оглавлению

Глава 8. Важность жизни  

С древнейших времен почти  до девятнадцатого века считалось доказанным, что требуется  какая-то  особая оживляющая сила или оживляющий фактор, чтобы заставить материю,  из которой  состоят живые  организмы,  вести себя весьма отлично от  другой  материи.  В  действительности это  означало бы,  что  во вселенной существует  два  вида материи: живая  материя и неживая  материя с существенно отличающимися физическими свойствами. Рассмотрим живой организм, например, медведя. Фотография  медведя  в  некоторых  отношениях  похожа  на живого медведя. Точно так же  на него похожи  все неживые объекты, например, мертвый медведь  или,  весьма  ограниченно, созвездие Большой Медведицы.  Но только живая  материя может погнаться за вами  в лесу, когда вы прячетесь за деревьями,  поймать вас и разорвать  на  куски.  Неживые предметы никогда не делают  ничего столь целенаправленного  -- по  крайней  мере,  так думали  в древности. Конечно, древние люди никогда не видели управляемых ракет.

Для Аристотеля и  других  древних философов наиболее заметным качеством живой материи  была ее способность инициировать движение.  Они полагали, что когда неживая материя, например, камень, находится в состоянии покоя, она не придет в движение, пока кто-нибудь  не окажет  на нее воздействие.  Но живая материя,  например,  медведь в состоянии  зимней спячки, может  находиться в состоянии  покоя,  а  затем   начать  двигаться  без  оказываемого  на  него воздействия.  Благодаря  современной науке мы легко можем обнаружить  слабые места таких обобщений,  и даже сама идея "инициации движения" теперь кажется понятой ошибочно: мы знаем, что медведь  просыпается из-за электрохимических процессов,  происходящих  в  его теле.  Они могут возникнуть  из-за  внешних "воздействий", например,  повышения температуры, или под влиянием внутренних биологических часов,  которые  задействуют медленные химические  реакции для сохранения  ритма.  Химические реакции  --  не  более чем  движение  атомов, поэтому медведь никогда не находится  в  состоянии полного  покоя. С  другой стороны, ядро урана, которое живым определенно не является, может оставаться неизменным  в  течение миллиардов лет, а потом,  без какого  бы  то ни  было влияния  резко и внезапно изменит  свою  структуру. Таким образом,  основное содержание  идеи Аристотеля сегодня ничего не стоит. Однако он  верно уловил одну  важную  вещь,  которую  большинство  современных  мыслителей  понимают неправильно. Пытаясь связать жизнь с основной  физической концепцией (хотя и ошибочной  --- движением),  он  признал,  что жизнь --  это  фундаментальное явление природы.

Явление "фундаментально",  когда от  его понимания  зависит  достаточно глубокое понимание мира. Мнения относительно того,  какие аспекты мира стоит понять,  а  следовательно,  и  относительно  того,  что является глубоким  и фундаментальным, безусловно  разделяются.  Одни говорят, что любовь -- самое фундаментальное явление  в мире.  Другие  считают,  что когда человек выучит наизусть  определенные священные тексты,  он поймет все,  что стоит  понять. Понимание, о  котором  говорю я, выражается в  законах физики,  в  принципах логики и философии. "Более  глубокое" понимание  --  это  понимание, которое обладает  большей обобщенностью, содержит  больше  связей  между,  на первый взгляд,   различными  истинами,  объясняет  больше  с   меньшим  количеством необъясненных допущений.  Самые фундаментальные  явления входят в объяснение многих других  явлений,  но их  можно объяснить  только с  помощью  основных законов и принципов.

Не все фундаментальные явления имеют значительные физические следствия. Гравитация имеет такие следствия  и, действительно, является фундаментальным явлением. Но прямые  следствия квантовой  интерференции,  например,  картины теней,  описанные в  главе  2, не столь велики.  Их  даже достаточно  сложно обнаружить точно.  Тем не менее, мы видели, что  квантовая  интерференция -- фундаментальное явление.  Только поняв его, мы можем  понять основной факт о физической реальности -- существование параллельных вселенных.

Для Аристотеля было очевидно, что теоретически жизнь - фундаментальна и имеет значительные физические следствия. Как  мы увидим, он был прав. Но эта очевидность  имела  весьма   ошибочные  причины:  предположительно  отличные механические свойства живой материи и превосходство земной поверхности из-за жизненных  процессов. Аристотель  полагал,  что  вселенная  главным  образом состоит  из  того, что сейчас  мы называем  биосферой  (область,  содержащая жизнь) Земли, с некоторыми дополнительными вкраплениями -- небесными сферами и внутренней частью Земли,  -- прикрепленными сверху и снизу. Если  биосфера Земли  -- для  вас  основная  составляющая космоса,  вы, естественно, будете думать, что деревья  и животные по крайней мере так  же  важны, как скалы  и звезды в великой схеме всего, особенно если вы не очень хорошо знаете физику или  биологию. Современная наука привела к  почти  противоположному  выводу. Революция Коперника определила Землю  в подчинение  к  центральному неживому Солнцу. Последующие открытия в  физике и астрономии показали не только,  что вселенная огромна по сравнению  с  Землей, но и что она с огромной точностью описана всеобъемлющими законами, которые вообще не упоминают о жизни. Теория эволюции  Чарльза  Дарвина  объяснила  происхождение   жизни  на  языке,  не требующем  особой  физики,  и  с  тех  пор  мы  открыли  множество подробных механизмов жизни, но ни в одном из них также не обнаружили особой физики.

Этот захватывающий научный прогресс и, в  частности,  великое обобщение физики   Ньютона  и  физики,  последовавшей  за  ней,  в  значительной  мере поспособствовали  росту  притягательности  редукционизма.  С  тех  пор,  как обнаружили, что  вера  в  открывшиеся  истины  несовместима с  рационализмом (который  требует открытости для критики), многие люди продолжали мечтать  о первичной основе всего, в которую  они могли бы верить. Если у них еще  и не было упрощенной "теории всего", в которую они  могли  бы верить, то  они, по крайней мере, стремились к ней.  Считалось доказанным,  что редукционистская иерархия наук,  основанная на  дробноатомной физике, --  неотъемлемая  часть научного мировоззрения, и потому ее  критиковали только  псевдоученые  и те, кто протестовал против самой науки. Таким образом, ко времени моего изучения биологии в  школе  статус этого  предмета изменился на противоположный тому, что   Аристотель   считал   очевидным.   Жизнь   вовсе   перестали   считать фундаментальной. Сам термин "изучение  природы",  под которым  подразумевали биологию, стал анахронизмом.  Говоря фундаментально, природой была физика. Я упрощу  лишь  немного, если  охарактеризую общепринятый  в то  время  взгляд следующим   образом.   У   физики  есть  ответвление   --  химия,  изучающая взаимодействие  атомов.  У  химии есть ответвление  --  органическая  химия, изучающая свойства соединений углерода. Органическая химия, в свою  очередь, тоже имеет ответвление -- биологию,  изучающее химические процессы,  которые мы  называем жизнью. И это отдаленное ответвление фундаментального  предмета интересовало  нас лишь потому, что мы сами оказались таким процессом. Физика же,  напротив, считалась  очевидно важной  по праву, так как вся  вселенная, включая жизнь, подчиняется ее принципам.

Моим   одноклассникам  и  мне  приходилось   учить  наизусть  множество "характеристик живых  организмов".  Все они  были просто описательными.  Они мало  касались фундаментальных концепций. Вероятно, передвижение  было одной из таких характеристик -- неясным  эхом идеи Аристотеля, -- однако среди них были и  дыхание, и  выделение. Также присутствовали воспроизведение, рост  и незабвенно  названная раздражимость, которая  значит, что  если  вы  окажете воздействие  на что-либо, то  оно  окажет ответное  воздействие. Этим мнимым характеристикам не хватало ясности и глубины, более того, точностью они тоже не  отличались. Как бы  сказал нам доктор Джонсон,  каждый  реальный  объект "раздражим". С другой  стороны, вирусы не дышат, не растут, не выделяют и не движутся (пока на  них не окажут воздействие), но они живые. Бесплодные люди не размножаются, и, тем не менее, они живые.

Причина,  по которой ни взгляды Аристотеля, ни то, что  было написано в моих  школьных  учебниках,  не представили хотя бы  хорошее  систематическое различие между живыми и неживыми  предметами, не говоря  уже о  чем-то более глубоком, в том, что  и Аристотель, и  учебники упустили то, что такое живые предметы (эта ошибка в большей степени простительна Аристотелю, потому что в его  времена  больше  не  знал  никто).  Современная  биология  не  пытается определить   жизнь  с  помощью  некоторого  характеристического  физического свойства или  вещества -- некой живой "сущности", -- которой наделена только живая материя. Мы  уже не ожидаем, что такая сущность существует, потому что теперь мы знаем, что "живая материя", материя в  форме живых организмов,  -- это не основа жизни. Она всего лишь одно из  следствий жизни,  которая имеет молекулярную  основу.   Общепризнан  факт   существования  молекул,  которые побуждают определенные среды к созданию копий этих молекул.

Такие   молекулы  называются  репликаторами.   В   более  общем  смысле репликатор  -- это  любой объект,  который побуждает  определенные среды его копировать.  Не  все  репликаторы  биологические, и  не все  репликаторы  -- молекулы.  Самокопирующая  компьютерная  программа  (например,  компьютерный вирус) --  это  тоже репликатор. Хорошая  шутка -- это еще  один репликатор, поскольку  она заставляет  слушателей пересказать  себя  другим  слушателям. Ричард  Доукинс придумал  термин мим для репликаторов,  которые представляют собой человеческие идеи, например, шутки. Однако вся жизнь на Земле основана на репликаторах-молекулах. Они называются генами, а биология -- это изучение происхождения,  структуры и деятельности генов, а также их влияния на другую материю.  В большинстве организмов  ген состоит из  последовательности более мелких молекул (существует четыре различных вида таких молекул), соединенных в цепочку.  Названия составляющих молекул (аденин,  цитозин, гуанин и тимин) обычно сокращают до А, Ц, Г и Т.  Сокращенное химическое название цепочки из любого количества молекул, расположенных в любом порядке, -- ДНК.

В действительности, гены --  это  компьютерные  программы, выраженные в виде  последовательности  символов  А,  Ц,  Г  и  Т  на  стандартном  языке, называемом  генетическим кодом, который  одинаков, с небольшими изменениями, для  всей  жизни  на Земле. (Некоторые вирусы основаны  на родственном  типе молекул, РНК, тогда как прионы, в некотором смысле, -- самовоспроизводящиеся белковые  молекулы).  Особые  структуры   внутри  клеток  каждого  организма действуют  как  компьютеры,  выполняя  заложенные  в этих  генах  программы. Выполнение заключается в производстве определенных молекул (белков) из более простых молекул (аминокислот) при  определенных внешних условиях.  Например, последовательность "АТГ" -- это команда для включения метионина аминокислоты в создаваемую белковую молекулу.

Обычно ген химически "включается" в определенных клетках тела,  а затем дает  этим  клеткам  команды производить  соответствующий  белок.  Например, гормон инсулин,  который  отвечает за уровень сахара в  крови у позвоночных, является  именно таким  белком.  Производящий  его ген присутствует почти  в каждой  клетке  тела,  но  включается только в  строго определенных  клетках поджелудочной железы и только тогда, когда это  необходимо. На  молекулярном уровне это все, что любой ген способен  заложить в свой клеточный компьютер: произвести определенный химический  продукт.  Но гены успешно выполняют свои репликаторные функции, потому что  эти  химические программы низкого уровня, создавая  слой  за  слоем  комплексный контроль и обратную  связь,  в  сумме составляют  сложные  команды  высокого уровня. Ген инсулина  и гены, которые включают и отключают его, вместе эквивалентны полной программе регулирования уровня сахара в крови.

Точно  так же  существуют гены, которые содержат  особые команды, как и когда должны  быть скопированы они сами, а также другие  гены  и команды для производства  следующих  организмов   того  же  вида,  включая  молекулярные компьютеры, которые вновь выполнят все  эти команды  в  следующем поколении. Также существуют  команды,  сообщающие, каким образом весь организм  в целом должен  реагировать  на  раздражители,  например,  когда  и  как  он  должен охотиться, есть, спариваться, драться или убегать. И так далее.

Ген  способен  функционировать  как репликатор  только  в  определенных средах.  По  аналогии  с  экологической  "нишей"  (набором сред,  в  которых организм может  выжить и произвести потомство)  я  использую термин ниша для набора всех возможных сред, которые данный репликатор побуждал бы к созданию его копий. Ниша гена инсулина содержит среды, где ген расположен в клеточном ядре  вместе с другими определенными генами, а  сама клетка должным  образом расположена  внутри  функционирующего  организма,  в   естественной   среде, подходящей  для  поддержания   жизни   и  размножения  этого  организма.  Но существуют также и другие среды, например, биотехнологические лаборатории, в которых бактерии  генетически  изменяют так,  чтобы включить их  в ген,  что также  копирует ген инсулина.  Такие среды тоже являются частью генной ниши, как и бесконечное множество других возможных сред, весьма отличных от тех, в которых развился ген.

Не  все,  что  можно  скопировать,  является  репликатором.  Репликатор побуждает свою среду  к тому, чтобы она  его скопировала: то есть, он делает причинный вклад  в свое собственное копирование. (Моя  терминология  немного отличается от  терминологии Доукинса.  Он  называет  репликатором  все,  что копируется, по  любой причине. То,  что я называю репликатором, он назвал бы активным  репликатором). Я еще вернусь к тому, что,  в  общем, значит делать причинный вклад  во что-либо, но  здесь  я имею  в виду, что  присутствие  и особая  физическая  форма  репликатора  очень  важны  для  того,  происходит копирование или  нет. Другими  словами, если репликатор  присутствует, то он копируется, но если бы его заместил почти любой другой объект, даже довольно похожий, этот объект не был бы скопирован. Например,  ген инсулина побуждает лишь  один  маленький  этап  в огромном  сложном процессе своей  собственной репликации  (этот процесс и есть  весь  жизненный  цикл  организма).  Однако подавляющее большинство  вариантов  этого гена  не  дали бы клеткам  команды произвести химический продукт,  который смог бы  выполнить работу  инсулина. Если гены инсулина в клетках отдельного организма заместить слегка отличными молекулами,  этот организм умрет (если только в нем не поддерживать  жизнь с помощью других средств),  а, следовательно,  он не оставит  потомства, и эти молекулы   не   будут   скопированы.  Таким   образом,   копирование  весьма чувствительно к  физической  форме гена инсулина. Присутствие  этого  гена в должной форме и должном месте очень важно  для процесса копирования, который делает  его  репликатором, хотя  существует множество других причин, которые делают свой вклад в его репликацию.

Наряду с  генами  беспорядочные последовательности  А, Ц, Г и Т, иногда называемые дефективными последовательностями, присутствуют в ДНК большинства живых  организмов. Они  также копируются  и передаются организмам  потомков. Однако,  если   такая   последовательность  замещается  почти  любой  другой последовательностью похожей  длины,  она тоже копируется.  Таким образом, мы можем сделать вывод, что копирование таких последовательностей не зависит от их   особой   физической   формы.    В   отличие   от   генов,   дефективная последовательность программой не  является.  Если  он  и  выполняет какую-то функцию (а  это  неизвестно), то эта функция не может заключаться в переносе любой информации. Хотя такая  последовательность  копируется, она не  вносит причинный  вклад  в  свое  собственное  копирование,  и,  следовательно,  не является репликатором.

На самом  деле это преувеличение.  Все,  что копируется  должно вносить хоть   какой-то   причинный   вклад    в   это   копирование.    Дефективные последовательности,  например,  состоят из  ДНК,  что  позволяет  клеточному компьютеру их  копировать. Клеточный компьютер не может копировать молекулы, отличные от молекул  ДНК. Вряд ли стоит  считать что-либо репликатором, если его причинный вклад в свою  собственную репликацию  мал, хотя строго говоря, репликация  зависит  от  степени адаптации.  Я  определю  степень  адаптации репликатора  к данной среде как  степень вклада, сделанного  репликатором  в процесс своей собственной репликации в этой  среде.  Если репликатор  хорошо адаптирован  к  большинству   сред  ниши,  мы   можем  назвать  его   хорошо адаптированным к своей нише. Мы только что видели, что ген инсулина в высшей степени  адаптирован  к  своей нише.  Дефективная  последовательность  имеет пренебрежимо  малую  степень адаптации  по сравнению с  геном  инсулина  или другими  подлинными генами, но она гораздо лучше адаптирована к  этой  нише, чем большинство молекул.

Обратите внимание, что для измерения степени адаптации мы должны учесть не только  рассматриваемый  репликатор,  но  также и  диапазон его возможных вариантов.  Чем  более  чувствительно копирование в  данной  среде  к точной физической  структуре репликатора,  тем  выше адаптация репликатора  к  этой среде. Для высоко адаптированных репликаторов (которые только и  заслуживают названия репликаторов)  необходимо  рассмотреть только  небольшие изменения, потому что при значительных изменениях они уже  не  будут репликаторами. Так мы  размышляем,  замещая  репликатор объектами,  похожими  на  него в  общих чертах. Чтобы  определить степень адаптации  к  нише, необходимо рассмотреть степень  адаптации  репликатора  к  каждой  среде  этой ниши. Следовательно, необходимо рассмотреть как варианты репликатора, так и варианты этой  среды. Если  большая часть  вариантов репликатора  не сумеет побудить большую часть сред ниши к копированию репликатора, значит, наша форма репликатора является веской причиной своего собственного копирования  в этой нише, что мы и имеем в  виду, когда говорим, что он в высшей степени адаптирован к нише. С другой стороны,  если   большинство  вариантов  репликатора  будут  копироваться  в большинстве  сред ниши,  значит, форма нашего репликатора  не слишком важна: копирование  все равно  произойдет.  В  этом  случае  наш  репликатор делает небольшой причинный вклад в  свое копирование, и  его нельзя  назвать высоко адаптированным к этой нише.

Таким образом, степень адаптации репликатора зависит не только от того, что репликатор делает в  своей действительной среде, но также и от того, что делало бы множество других объектов, большинство  из которых  не существует, во множестве сред, отличных от  действительной  среды. Мы уже сталкивались с этим  любопытным   свойством  и  раньше.  Точность  передачи  в  виртуальной реальности зависит не  только  от тех реакций, которые действительно  выдает машина на  то,  что  Действительно  делает  пользователь, но  и  от реакций, которые  она  в  действительности  не  выдает,  на  то, что  пользователь  в действительности не  делает.  Такая схожесть  между  жизненными процессами и виртуальной реальностью не совпадение, и я кратко это объясню.

Самый важный фактор,  определяющий нишу гена, обычно заключается в том, что  репликация  гена  зависит  от  присутствия   других  генов.   Например, репликация гена инсулина  медведя  зависит не  только от  присутствия в теле медведя  всех других генов, но также и от присутствия во внешней среде генов других организмов. Медведи не могут выжить без пищи, а гены для производства этой пищи существуют только в других организмах.

Различные виды генов,  которым для репликации необходимо взаимодействие друг  с другом,  часто сосуществуют в  длинных цепочках  ДНК, ДНК организма. Организм -- это нечто, -- например, животное, растение или микроб,  -- о чем на обыденном языке мы думаем как о живом. Но из сказанного мной следует, что "живой", применительно к частям организма, отличным от ДНК, -- это, в лучшем случае, титул, носимый  по  обычаю,  а не  по закону.  Организм  не является репликатором: он  --  часть среды  репликаторов, обычно самая важная,  после всех остальных генов, часть. Оставшаяся  часть среды -- это тип естественной среды, которую  может  занять  организм  (например,  вершина  горы  или  дно океана),  и конкретный образ  жизни  в  этой среде  (например,  охотник  или паразит), который дает организму возможность  прожить  там достаточно долго, чтобы произошла репликация его генов.

На  повседневном  языке  мы  говорим  о  "размножении" организмов;  это действительно  считалось  одной  из мнимых  "характеристик  живых объектов". Другими  словами, мы  считаем  организмы  репликаторами.  Но  это  ошибочно. Организмы во  время размножения  не копируются;  и еще меньше они  побуждают свое собственное копирование. Они создаются заново по чертежам, заложенным в ДНК  организмов  родителей.  Например, если случайно  изменится  форма  носа медведя, это может изменить весь образ жизни  этого медведя, и его  шансы на выживание для "размножения" могут как  увеличиться, так и  уменьшиться. Но у медведя с новой формой носа нет шансов быть скопированным. Если у него будет потомство,  то  носы его потомков будут  обычными. Но  стоит только изменить соответствующий  ген  (если  сделать это  сразу  же  после  зачатия медведя, необходимо  изменить  только  одну  молекулу),  и у любого потомка  будет не только  новая форма носа,  но и копии нового гена. Это показывает, что форма каждого  носа  зависит от этого  гена, а не от формы какого-либо предыдущего носа. Таким образом, форма носа  медведя не делает причинного вклада в форму носа его потомка. Но форма генов медведя делает вклад как в свое собственное копирование и форму носа медведя, так и в форму носа его потомков.

Таким  образом,  организм  -- это  непосредственная  среда,  копирующая реальные репликаторы:  гены этого организма. Традиционно нос  медведя и  его берлогу  классифицировали бы как  живой  и  неживой  объекты соответственно. Однако корни этого  различия не  уходят в какую бы то ни  было  существенную разницу. Роль носа медведя, в  основном, не отличается от  роли его берлоги. Ни  то, ни другое репликатором не является,  хотя  постоянно создаются новые примеры и  того, и другого. И нос, и берлога -- это всего  лишь части среды, которой манипулируют гены медведя в процессе своей репликации.

Это понимание жизни, основанное на генах,  -- рассматривающее организмы как часть среды, окружающей гены, -- было неявной основой биологии со времен Дарвина, но его  не замечали почти до 1960-х годов и не до конца понимали до появления  трудов Ричарда Доукинса  The Selfish Gene  (1976) и  The Extended Phenotype (1982).

Теперь я  вернусь к вопросу  о том,  является ли жизнь  фундаментальным явлением природы. Я уже  предостерег  от  редукционистского  допущения,  что исходящие  явления,  подобные  жизни,  непременно менее  фундаментальны, чем микроскопические физические явления.  Тем не менее,  все,  что  я только что говорил о том, что такое жизнь,  кажется направленным на то,  что  это всего лишь побочный  эффект в конце  длинной  цепочки побочных  эффектов.  Дело не только  в   том,   что  предсказания   биологии,  в  принципе,   сводятся  к предсказаниям  физики, а в том, что то  же самое происходит  с объяснениями. Как  я  уже сказал,  великие объяснительные  теории  Дарвина (в  современных версиях, предложенных,  например, Доукинсом) и современной биохимии являются редуктивными.  Живые молекулы -- гены --  это всего  лишь  молекулы, которые подчиняются тем же  самым законам физики  и  химии, что  и неживые.  Они  не содержат особого вещества и не  имеют особых  физических свойств. Они просто оказываются  репликаторами  в определенных  средах.  Свойство  репликации  в высшей степени контекстуально, то есть оно  зависит от замысловатых  деталей окружающей среды репликатора: объект может быть репликатором в одной среде и не быть им в другой. Свойство адаптации к нише  также зависит не от простого физического свойства,  присущего репликатору в данное время, а от следствий, которые этот  репликатор может  вызвать в  будущем в гипотетических условиях (т.е.  в вариантах этой среды). Контекстуальные  и гипотетические свойства в сущности  производны,  поэтому   сложно   понять,  каким  образом   явление, характеризуемое  только   такими  свойствами,  может   быть  фундаментальным явлением природы.

Что касается физического влияния жизни,  вывод тот  же самый: следствия жизни кажутся пренебрежимо малы. Ведь все мы знаем, что планета Земля -- это единственное  место во вселенной,  где  существует  жизнь. Безусловно, мы не видели свидетельств существования жизни где-то  еще, поэтому, даже  если она достаточно  широко распространена,  ее  следствия  слишком  малы  для нашего восприятия. За пределами Земли  мы видим активную  вселенную,  переполненную разнообразными   мощными,  но  абсолютно  неживыми   процессами.   Галактики вращаются. Звезды сжимаются, вспыхивают,  горят, взрываются и разбиваются на мелкие   кусочки.   Высокоэнергетические    частицы,   электромагнитные    и гравитационные  волны распространяются во  всех направлениях.  И кажется  не очень важным, есть ли среди всех этих титанических процессов жизнь. Кажется, что будь там  жизнь, она ничуть не повлияла бы ни на один из этих процессов. Если бы огромная солнечная вспышка  окружила Землю, что само по себе с точки зрения астрофизики  событие  значительное,  наша биосфера мгновенно стала бы стерильной, но эта катастрофа повлияла бы на Солнце  так же, как капля дождя влияет  на извергающийся  вулкан. Наша  биосфера,  принимая во  внимание  ее массу, энергию  или любую подобную  астрофизическую меру  ее значимости,  -- пренебрежимо  малая частичка даже Земли, да  и трюизм  астрономии  состоит в том, что солнечная система, в  сущности,  состоит из  Солнца и  Юпитера. Все остальное (включая Землю) -- "просто примеси". Более того, солнечная система --  пренебрежимо  малая составляющая нашей Галактики, Млечного Пути, который сам  по  себе ничем  не примечателен  среди  множества  других  в  известной вселенной.   Таким  образом,   кажется,   что,  как  сказал  Стивен  Хокинг: "Человеческая раса -- это  всего лишь химический  мусор  на планете  средних размеров, которая вращается по орбите вокруг весьма  средней  звезды,  в  ее внешнем пространстве среди сотен миллиардов галактик".

Таким образом, общепринятое в наше  время мнение, что жизнь, далекая от того,  чтобы быть  в  центре, геометрически, теоретически  или  практически, почти непостижимо неважна. В свете этого биология имеет тот же статус, что и география.  Знать  план  Оксфорда  важно  для  тех,  кто  в  нем  живет,  но безразлично для тех, кто никогда  туда не поедет. Подобным образом  кажется, что  жизнь  -- это свойство какой-то узкой области или,  возможно,  областей вселенной, фундаментальное для нас, потому что  мы живем, но  не  имеющее ни теоретической,  ни  практической  фундаментальности в  более  крупной  схеме всего.

Удивительно, но это  внешнее проявление вводит в заблуждение. Неправда, что  жизнь  не важна в  своих  физических  следствиях,  да  и  теоретической производной она не является.

Чтобы сделать  первый шаг к  объяснению этого, позвольте мне  объяснить сделанное мной ранее замечание,  что жизнь -- это разновидность формирования виртуальной реальности.  Я  использовал слово "компьютеры"  для  обозначения механизмов,  выполняющих генные  программы  в живых клетках, но это  слишком общая терминология. По сравнению с  универсальными компьютерами,  которые мы производим  искусственно,  в некоторых отношениях  они делают  больше,  а  в других -- меньше. Их не  так уж легко запрограммировать  для  обработки слов или   разложения  на   множители  больших  чисел.   С  другой  стороны,  они осуществляют очень  точное интерактивное  управление реакциями сложной среды (организма)  на  все, что только  может  с ней  произойти. И это  управление направлено  на то,  чтобы вызвать определенное ответное воздействие среды на гены (а  именно,  реплицировать их) так, чтобы  суммарное воздействие на них было  настолько независимым  от происходящего вовне, насколько это возможно. Это больше, чем просто вычисление. Это передача в виртуальной реальности.

Сравнение жизни  с человеческой  технологией  виртуальной реальности не совершенно. Во-первых, хотя гены, как и пользователь виртуальной реальности, находятся  в  среде,  подробное  строение  и  поведение  которой  определены программой  (которую  и  заключают  в  себе  сами  гены),  гены  не  ощущают нахождения в  этой  среде, потому  что они не способны  ни  чувствовать,  ни ощущать.  Поэтому, если организм -  это передача  в виртуальной  реальности, определяемая  его генами, то это передача без зрителей. Кроме того, организм не  просто  передается, он создается. Для этого недостаточно "обмануть" ген, чтобы  он поверил, что вне его  есть  организм.  Организм  там действительно есть.

Однако  эти  отличия  не  важны. Как  я  уже  сказал,  вся  передача  в виртуальной реальности физически производит  передаваемую  среду. Внутренняя часть любого генератора виртуальной реальности в Процессе передачи -- это  в точности реальная  физическая среда,  произведенная,  чтобы  иметь свойства, определенные  в  программе.  Дело   в  том,  что  мы,  пользователи,  иногда интерпретируем то, что дает похожие ощущения, как другую среду. Что касается отсутствия  пользователя,  давайте  явно  рассмотрим его роль  в виртуальной реальности. Во-первых, воздействовать на передаваемую  среду, чтобы  ощутить ответное воздействие --  другими словами,  независимо  взаимодействовать  со средой. В  биологии  эту  роль  играет  внешняя  среда  обитания. Во-вторых, обеспечить  намерение, стоящее за передачей. Это все равно, что сказать, что бессмысленно говорить о конкретной ситуации как о передаваемой в виртуальной реальности, если не существует понятия  точности или неточности передачи.  Я сказал,  что  точность  передачи  --  это  близость  (как   ее  воспринимает пользователь) переданной среды  к той, которую намеревались передать. Но что значит  точность для среды, которую никто не  воспринимает и не намеревается передать? Точностью  здесь  является  степень  адаптации генов к своей нише. Следуя теории эволюции Дарвина, мы можем сделать вывод  о "намерении"  генов передать  среду,  которая будет  их реплицировать. Гены  вымирают,  если  не осуществляют  это  "намерение"  так   же   эффективно  или  решительно,  как конкурирующие с ними гены.

Таким образом, жизненные  процессы и передачи в виртуальной реальности, хотя,  на первый взгляд, и  далекие друг  от  друга,  оказываются  процессом одного рода.  И те и  другие содержат  физическое воплощение общих теорий об окружающей среде. В обоих  случаях эти теории используют для  понимания этой среды  и  интерактивного управления  не  только  ее непосредственным внешним проявлением, но и детальной реакцией на общие раздражители.

Гены содержат  знание  о  своих нишах. Все,  что  имеет фундаментальную важность  относительно явления  жизни,  зависит от  этого свойства, а не  от репликации как таковой. Таким  образом, теперь мы можем попытаться расширить обсуждение за пределы репликаторов. В  принципе, можно представить вид, гены которого неспособны к  репликации, но вместо этого адаптированы к сохранению своей физической формы, неизменной при постоянной самостоятельности и защите от  внешних  воздействий.  Маловероятно,  что  такой  вид  будет развиваться естественно,  но его можно было  бы создать искусственно. Точно  так же  как степень  адаптации репликатора определяется  как степень причинного  вклада, который  он  делает в свою собственную репликацию, можно определить  степень адаптации этих нерепликантных генов как степень вклада, который они делают в свое  собственное  выживание  в  конкретной  форме.  Рассмотрим  вид, генами которого  являются узоры,  вытравленные  в алмазе. Обычный  алмаз  случайной формы может выживать в течение многих эр, в широком  диапазоне  условий,  но его форма  не адаптирована  к выживанию, потому что алмаз  другой формы тоже выживет  в похожих  условиях. Но  если  гены  нашего  гипотетического  вида, закодированные  в алмазе, заставят организм вести себя  таким образом,  что, например, защитят вытравленную поверхность алмаза  от коррозии во враждебной среде, от других организмов,  пытающихся вытравить на его поверхности другую информацию  или от воров, которые разрежут его, отполируют и сделают из него драгоценный  камень,  то  алмаз   будет  содержать  истинные  адаптации  для выживания в этих средах. (Кстати,  драгоценный камень действительно обладает степенью  адаптации  для выживания  в  среде  современной Земли.  Люди  ищут необработанные  алмазы  и изменяют  их форму, создавая драгоценные камни. Но ведь люди ищут драгоценные камни и сохраняют их форму. Так что в этой  среде форма  драгоценного  камня  делает  причинный  вклад   в   свое  собственное выживание).

Как  только  остановится производство  этих  искусственных  организмов, множество примеров каждого нерепликантного  гена уже не  сможет увеличиться. Но  оно и не  уменьшится,  пока  знание,  которое содержат  эти  гены, будет достаточным для  проведения стратегии выживания этих генов в занимаемой  ими нише.  В конце  концов, достаточно  крупная перемена в  среде  обитания  или истощение, вызванное  несчастными  случаями, может  стереть этот вид  с лица Земли, но вместе с  тем он может выживать так же долго, как множество видов, возникающих естественным путем. Гены  таких видов  обладают всеми свойствами реальных  генов,  кроме  репликации.   В  частности,  они  содержат  знание, необходимое, чтобы  передать  их  организмы  точно так  же,  как это  делают реальные гены.

Общим фактором между  репликантными  и нерепликантными  генами является выживание  знания, а не  обязательно  гена или  любого  другого  физического объекта.  Поэтому,  строго говоря, к нише адаптируется  или не  адаптируется какая-то часть знания, а не физический объект. Если адаптация происходит, то у этого  знания появляется  свойство: однажды реализовавшись  в  этой  нише, знание  будет стремиться оставаться там. В  случае с репликатором физический материал, его реализующий, непрерывно  изменяется: новая копия собирается из нерепликантных  составляющих  при каждой  репликации. Нерепликантное  знание также  может  успешно  реализовываться  в различных  физических формах, как, например, когда запись классического звука переводится с виниловой пластинки на  магнитную  ленту, а потом  на  компакт-диск.  Можно  представить  другой искусственный живой  организм с  нерепликантной основой, который поступал бы точно   также,  используя   каждую   возможность   для  копирования  знания, содержащегося  в его  генах, на  самую надежную из доступных ему сред. Может быть, однажды это сделают наши потомки.

Я  считаю  неправильным  называть  организмы этих гипотетических  видов "неживыми", однако терминология не так уж важна. Дело в том, что несмотря на то,  что вся известная жизнь  основана на репликаторах, она  строится вокруг одного   явления  --   знания.   Мы   можем   дать   определение   адаптации непосредственно на  основе  знания: объект адаптируется  к  своей нише, если реализует  знание,  заставляющее  эту  нишу  сохранять  существование  этого знания. Итак,  мы  приближаемся к  причине  фундаментальности  жизни.  Жизнь состоит в  физической  реализации знания, а  в главе  6  мы  встречали закон физики, принцип Тьюринга, который также заключается в физической  реализации знания. Он гласит, что можно реализовать законы физики, в  их применимости к каждой  физически возможной среде, в  программах  для генератора виртуальной реальности. Гены и есть эти программы. И не  только они,  но и все остальные программы   виртуальной   реальности,   которые  физически   существуют  или когда-либо будут существовать, -- это прямые  или косвенные следствия жизни. Например,   программы   виртуальной    реальности,   обрабатываемые   нашими компьютерами  или  нашим  мозгом,  --  это косвенные следствия  человеческой жизни.  Таким  образом, жизнь  --  это  средство  (по-видимому,  необходимое средство)  реализации  в   природе  следствий,  о  которых  говорит  принцип Тьюринга.

Это обнадеживает, но еще недостаточно для  того, чтобы определять жизнь как  фундаментальное  явление.  Я  все  еще  не  определил,  что сам принцип Тьюринга имеет статус фундаментального закона. Скептик мог бы поспорить, что он  не имеет  такого статуса. Это закон  о  физической реализации  знания, и скептик мог  бы посчитать,  что  знание --  это понятие скорее  ограниченное антропоцентрическое, чем фундаментальное. То есть знание --  это одна из тех вещей, которые важны  для нас из-за  того, чем мы являемся -- животными, чья экологическая ниша зависит от создания и применения знания, -- но которые не важны в абсолютном смысле. Для коалы, экологическая ниша которого зависит от эвкалиптовых  листьев, важен эвкалипт;  для обладающих знанием приматов Homo sapiens важно знание.

Но скептик  ошибся  бы. Знание важно не только для Homo  sapiens  и  не только на планете Земля. Я говорил, что наличие или отсутствие значительного физического  влияния  какого-либо  объекта  не  является  решающим  для  его фундаментальности   в  природе.  Но   это  существенно.  Давайте  рассмотрим астрофизические следствия знания.

Теория звездной  эволюции --  структуры  и развития звезд  --  одна  из успешных историй  науки.  (Обратите внимание на несоответствие терминологии. Слово  "эволюция"  в  физике  означает развитие или  просто  движение, а  не изменение и  отбор).  Всего  лишь век назад  неизвестен  был  даже  источник солнечной  энергии. Лучшая  физика того времени давала только  ложный вывод, что каким бы ни  был источник его энергии,  Солнце сможет светить  не больше ста  миллионов  лет.  Интересно,  что  геологи  и палеонтологи уже  знали из ископаемых свидетельств жизни, что Солнце должно  было светить на Земле,  по крайней  мере,  миллиард  лет.  Затем была  открыта ядерная физика,  которую полностью  применили  к  физике  внутренних  областей   звезд.  С  тех   пор сформировалась теория звездной эволюции.  Сейчас мы понимаем,  почему звезды светят. Для большинства типов звезд  мы  можем определить температуру, цвет, яркость и диаметр на каждой стадии существования звезды, узнать длительность каждой  стадии,  сказать, какие элементы звезда создает  в  процессе ядерной трансмутации и т. д.  Эта теория  была проверена и подтверждена наблюдениями Солнца и других звезд.

Мы  можем  использовать эту теорию  для предсказания будущего  развития Солнца.  Она  гласит,   что   Солнце  будет  продолжать  светить  с  большой стабильностью в течение  еще приблизительно пяти миллиардов  лет;  затем его настоящий диаметр увеличится  примерно  в сто раз, и  оно  станет гигантской красной  звездой;  затем оно будет пульсировать.  вспыхнет, превратившись  в новую звезду, разрушится и остынет,  в конечном итоге, став черным карликом. Но произойдет  ли все это  с  Солнцем  на  самом деле? Неужели каждая звезда такой же массы и состава, которая сформировалась за несколько миллиардов лет до  Солнца,  уже  стала  красным  гигантом,  как  предсказывает теория?  Или возможно  ли, что некоторые,  на первый взгляд, неважные химические процессы на малых  планетах, которые  вращаются по орбите этих звезд, могли  изменить течение  ядерных и  гравитационных процессов с  неизмеримо большей  массой и энергией?  Если  Солнце станет  красным  гигантом, оно  поглотит и  разрушит Землю.   И  если   к  тому   времени   на  Земле  все   еще,  физически  или интеллектуально, будут жить наши  потомки, они, скорее  всего,  не  захотят, чтобы  это  произошло.  Они  будут  делать  все,  что   в  их  силах,  чтобы предотвратить это.

Очевидно  ли то,  что они  ничего  не смогут сделать?  Безусловно, наша современная технология  слишком  ничтожна,  чтобы  сделать  это. Но ни  наша теория  звездной эволюции, ни  какая-то другая  известная нам физика не дает причины считать, что  эта задача  невозможна. Напротив, мы уже знаем в общих чертах, в чем она будет заключаться (а именно, в удалении материи с Солнца). И  у  нас  есть  несколько  миллиардов  лет,  чтобы  усовершенствовать  наши полусырые  планы  и применить их на практике. Если  наши потомки спасут себя таким образом, значит наша современная теория звездной эволюции в применении к  конкретной  звезде дает абсолютно неправильный  ответ.  А  причина  этого заключается в том, что она не учитывает влияние жизни на звездную  эволюцию. Она  учитывает  такие  фундаментальные  физические  влияния  как  ядерные  и электромагнитные силы, гравитация, гидростатическое и радиационное давление, но не жизнь.

Похоже, что  знание, необходимое для управления Солнцем, не  смогло  бы развиться только путем естественного отбора, поэтому именно  от  присутствия разумной  жизни  зависит  будущее  Солнца.  На   это  можно  возразить,  что необоснованно  допускать, что  разум выживет на Земле  в  течение нескольких миллиардов лет, и даже если выживет, то еще большее  допущение считать,  что он  будет  обладать  знанием, необходимым для управления  Солнцем.  Одна  из современных точек зрения заключается в том,  что разумная жизнь на Земле уже сейчас находится в опасности саморазрушения, если не от ядерной войны, то от какого-нибудь  побочного  следствия  технического  прогресса  или   научного исследования. Многие люди считают, что если разумной жизни суждено выжить на Земле,  то  это  может  произойти  только   путем   подавления  технического прогресса.  Поэтому они,  возможно,  боятся, что  наше  развитие технологии, необходимое для управления звездами, несовместимо с длительностью выживания, достаточной  для  использования этой технологии,  и, следовательно, так  или иначе, предопределено, что жизнь на Земле не повлияет на эволюцию Солнца.

Я уверен, что этот пессимизм присущ введенным  в заблуждение людям. Как я  объясню  в  главе  14, существует  множество  причин  полагать,  что наши потомки, в конце концов, будут управлять Солнцем и даже больше. Вероятно, мы не можем  предвидеть ни их технологию, ни их желание. Возможно, они  захотят спастись,  покинув  солнечную  систему или заморозив  Землю, или  с  помощью множества методов, непостижимых для нас и не имеющих ничего общего с гибелью вместе  с Солнцем. С  другой стороны,  они  могут захотеть управлять Солнцем задолго до того, когда понадобится предотвратить его переход в фазу красного гиганта (например, чтобы более эффективно использовать его энергию или чтобы добывать с его помощью сырье для расширения своего жизненного пространства). Однако положение, которое я здесь доказываю, зависит не от нашей способности предсказывать то,  что произойдет.  Оно зависит  только от того, что то, что произойдет,  будет зависеть от  того  знания,  которым  будут  обладать наши потомки  и  от  того,  как  они  его  применят.   Таким  образом  невозможно предсказать  будущее  Солнца, не принимая во  внимание будущее  Земли  и,  в частности,  будущее знания. Цвет  Солнца через десять миллиардов лет зависит от гравитации  и радиационного давления,  от конвекции  и нуклеосинтеза.  Он совсем не зависит от геологии  Венеры, химии Юпитера или рисунка кратеров на Луне. Но он зависит  от того, что  произойдет с  разумной  жизнью на планете Земля. Он зависит от политики, экономики  и результатов войн.  Он зависит от того, что делают люди: какие  решения они  принимают, какие проблемы решают, какие ценности выбирают и как ведут себя по отношению к детям.

Невозможно  избежать  этого  вывода,  принимая  пессимистическую теорию относительно перспектив  нашего  выживания.  Такая теория не  следует ни  из законов  физики,  ни  из  любого  другого  известного  нам  фундаментального принципа: ее  можно доказать  только на человеческом  языке высокого  уровня (например, "научное знание опередило  моральное знание" или что угодно еще). Таким образом, рассуждая на основе такой теории,  человек  неявно  признает, что для астрофизических предсказаний необходимы теории о человеческих делах. И  даже  если  попытки  человеческой расы выжить,  в  конце концов, окажутся тщетными,  применима ли  эта  пессимистическая теория  ко  всему  внеземному разуму во вселенной? Если нет, если некая разумная жизнь, в некой галактике, когда-либо  сумеет  выжить  в  течение  миллиардов лет,  то  жизнь  важна  в громадном физическом развитии вселенной.

Во всей нашей Галактике и во всем мультиверсе звездная эволюция зависит от того, развилась ли разумная жизнь и где это произошло,  а если развилась, то  от  результатов ее войн и от ее отношения  к своим  детям.  Например, мы можем  приблизительно  определить,   какие  пропорции  звезд  разных  цветов (точнее, разных спектральных типов) должны находиться в Галактике. Чтобы это осуществить,  мы  должны сделать некоторые допущения относительно того, есть ли  там разумная жизнь и что она делает все это время  (то есть,  что она не погасила  слишком   много  звезд).  В   настоящий  момент  наши   наблюдения согласуются с тем, что за  пределами нашей солнечной системы разумной  жизни не  существует.  Когда  наши теории  о структуре нашей Галактики станут  еще точнее, мы  сможем делать  более точные предсказания,  но  опять  только  на основе допущений  о распределении  и поведении разума в Галактике. Если  эти допущения  будут   неточными,  мы   предскажем  неправильное   распределение спектральных типов почти так же  уверенно,  как если бы нам пришлось сделать ошибку относительно состава внутризвездных газов или массы атома водорода. И если мы обнаружим определенные аномалии  в распределении спектральных типов, это может быть свидетельством присутствия внеземного разума.

Космологи  Джон  Барроу  и  Фрэнк  Типлер  рассмотрели  астрофизические следствия, которые имела  бы жизнь, если  бы  она выжила  в течение  долгого времени после  того, когда Солнце могло  бы во всем  остальном стать красным гигантом. Они обнаружили, что жизнь, в конечном итоге, внесла бы грандиозные качественные перемены в структуру Галактики, а впоследствии,  и  в структуру всей  вселенной. (К  этим  результатам я вернусь в главе 14). Итак, еще раз, любая  теория  структуры вселенной  во всех  стадиях,  за исключением  самых ранних, должна принимать  во внимание то, что будет или чего не будет делать жизнь  к тому  времени.  Этого  нельзя избежать:  будущая  история вселенной зависит от будущей истории знания. Астрологи  всегда верили, что космические события влияют на дела людей: наука  в течение многих веков считала, что  ни космос не влияет на людей, ни люди на космос.  Теперь мы  понимаем, что дела людей влияют на космические события.

Стоит  поразмышлять  над   тем,  где  мы  сбились   с  пути  и   начали недооценивать  физическое   влияние   жизни.   Это  произошло   из-за  нашей ограниченности. (Ирония состоит в том, что древние консенсусы избегали нашей ошибки,  потому что были  еще  более ограниченными). Во вселенной, как мы ее видим,  жизнь  не  повлияла   ни   на  что,  что  имело  бы   хоть  какое-то астрофизическое значение. Однако мы видим только прошлое, и более  или менее подробно  мы видим  только  то прошлое,  которое находится  в  пространстве, близком к нам.  Чем дальше во вселенную  мы смотрим, тем в  более отдаленное прошлое мы заглядываем  и  тем  меньше подробностей  мы  видим. Но даже  все прошлое -- история вселенной от Большого Взрыва до настоящего момента -- это всего  лишь  маленькая  частица физической  реальности. Настоящий  момент  и Большое  Сжатие (если оно произойдет) разделяет, по крайней  мере, в  десять раз  большая история,  а  может быть, и еще больше,  не говоря  уже о других вселенных.  Мы  не можем наблюдать ни  одну из них,  но применяя свои лучшие теории к  будущему звезд,  галактик и вселенной,  мы  обнаруживаем  огромное пространство,  на  которое  может   воздействовать  жизнь  и  после  долгого воздействия захватить господство над всем, что происходит, точно так же, как сейчас она господствует в биосфере Земли.

Традиционное доказательство неважности  жизни придает  слишком  большое значение  объемным  величинам,  например,   размеру,   массе  и  энергии.  В ограниченном прошлом  и  настоящем такие  величины были  и остаются  хорошей мерой  астрофизической  важности, но в физике не  существует причины, почему это  не должно  измениться.  Более  того,  сама  биосфера  уже предоставляет изобилие  примеров, противоречащих общей применимости таких мер важности.  В третьем  столетии до  Рождества Христова, например, масса  человеческой расы составляла около десяти  миллионов тонн. Следовательно, можно сделать вывод, что маловероятно, что на физические процессы, происходившие  в третьем  веке до Рождества Христова и приводившие к движению во много раз превышающему эту массу, могло значительно повлиять присутствие или отсутствие людей. Однако в то время была  построена  Великая Китайская  Стена, масса  которой  примерно равна тремстам миллионам тонн. Передвижение миллионов тонн камня -- это одна из тех вещей, которыми  все время занимаются люди. Сегодня  необходимо всего несколько  дюжин  человек, чтобы  выкопать  железнодорожный  тоннель,  убрав миллион  тонн   земли.  (Доказательство  этого  положения  будет  еще  более надежным,  если  мы  более справедливо  сравним  массу передвинутого камня с массой той крошечной частицы мозга инженера или императора, реализующего эти идеи, или мимы,  которые заставляют камень сдвинуться).  Человеческая раса в целом  (или,  если  пожелаете,   ее  запас  Мимов)  возможно  уже   обладает достаточным  знанием,  чтобы разрушить  целые  планеты,  если  бы  от  этого зависело ее  выживание. Даже  Неразумная жизнь  уже  много  раз  значительно трансформировала свою собственную  массу поверхности и атмосферы Земли. Весь кислород в нашей атмосфере, например, -- около тысячи триллионов тонн -- был создан  растениями  и, следовательно,  был  побочным  следствием  репликации генов, т.е. молекул, потомков единственной молекулы. Жизнь оказывает влияние не потому, что она более  крупная, массивная или энергетическая, чем  другие физические процессы, а потому что она обладает большим знанием. По огромному влиянию, которое знание оказывает  на результаты физических  процессов, оно, по крайней мере, так же важно, как и любая другая физическая величина.

Но   существует   ли  основное  физическое  различие   (которое  должно существовать, как допускали  древние  в  случае с  жизнью)  между объектами, несущими  знание  и  объектами, не  несущими  знание, различие,  которое  не зависит ни  от  среды, окружающей  объекты,  ни  от их влияния на отдаленное будущее,  а  зависит только  от  непосредственных  физических  качеств  этих объектов? Удивительно, но существует. Чтобы его увидеть,  необходимо принять перспективу (множественности вселенных) мультиверса.

Рассмотрим ДНК живого организма, например, медведя,  и предположим, что где-то в  одном из его генов  мы обнаруживаем последовательность ТЦГТЦГТТТЦ. Эта  частная цепочка  из  десяти молекул,  в специальной нише,  состоящей из оставшейся  части гена и  его ниши,  является  репликатором.  Она  реализует небольшой,   но   важный   кусочек   знания.   Теперь   предположим,    ради доказательства, что  мы можем  найти в ДНК медведя  (негенетический) отрезок дефективной  последовательности,  который   тоже   имеет  последовательность ТЦГТЦГТТТЦ. Эту последовательность не  стоит  называть репликатором,  потому что она не делает практически  никакого вклада в свою собственную репликацию и не  реализует знание. Это  случайная последовательность. Итак, у нас  есть два физических  объекта, два  отрезка одной  и  той же цепочки ДНК, один  из которых реализует  знание, а другой  является случайной последовательностью. Но они физически идентичны. Каким образом  знание может быть фундаментальной физической  величиной,  если  один  объект обладает им, а другой,  физически идентичный первому, им не обладает?

Может, так как эти два  отрезка  в действительности не  идентичны.  Они только  кажутся  идентичными, когда  на них смотрят из некоторых  вселенных, таких, как  наша. Давайте посмотрим на них еще раз так, как они  выглядят  в других вселенных.  Мы не  можем наблюдать другие  вселенные непосредственно, поэтому нам придется воспользоваться теорией.

Нам известно, что ДНК живых организмов естественно подвержена случайным вариациям -- мутациям -- в последовательности молекул  А, Ц, Г и Т. Согласно теории  эволюции  адаптации в генах, а следовательно, и  само  существование генов,  зависят от появления таких  мутаций. Из-за  мутаций популяции любого гена  содержат некоторую степень вариаций, и особи -- носители генов с более высокой степенью адаптации стремятся оставить  больше потомков,  чем  другие особи.  Большая часть  вариаций гена  делает его  неспособным  вызывать свою репликацию,  потому  что  измененная  последовательность уже не  приказывает клетке  производить  что-то  полезное.  Остальные  вариации   просто  делают репликацию  менее  вероятной (т.е. они  сужают нишу гена).  Однако некоторые могут реализовать новые  команды, которые  повысят  вероятность  репликации. Таким образом происходит естественный отбор.  С каждым поколением вариации и репликации степень  адаптации выживающих  генов  стремится к  возрастанию. В настоящее  время  случайная  мутация,  вызванная,  например,  проникновением космического  луча,  станет причиной  вариации  не только  внутри  популяции организма в одной вселенной, но и между вселенными. Космический "луч" -- это высокоэнергетическая дробноатомная частица, и, подобно фотону,  испускаемому электрическим  фонариком,  она  перемещается  в  различных   направлениях  в различных вселенных.  Поэтому, когда частица космического луча  проникает  в цепочку ДНК и вызывает мутацию, некоторые из ее двойников в других вселенных не  попадают  в свои  копии  цепочки ДНК, а другие проникают в эти цепочки в других  местах,  вызывая,  следовательно,  другие  мутации.  Таким  образом, проникновение  одного космического луча в  одну молекулу ДНК  в общем случае вызовет в различных вселенных огромное количество различных мутаций.

Когда мы размышляем, как  конкретный объект может  выглядеть  в  других вселенных,  нам  не  следует   заглядывать  в  мультиверс  так  далеко,  что распознать  двойника  этого  объекта в другой  вселенной станет  невозможно. Возьмем, например,  отрезок ДНК. В некоторых  вселенных  совсем нет  молекул ДНК. Другие вселенные, содержащие ДНК, настолько не похожи  на  нашу, что не существует  способа  распознать,   какой   отрезок  ДНК  в  этой   вселенной соответствует тому  отрезку, который  мы рассматриваем  в  нашей  вселенной. Бессмысленно задаваться вопросом, как наш конкретный отрезок ДНК выглядит  в такой вселенной, поэтому,  во избежание появления такой неопределенности, мы должны рассматривать только те вселенные, которые достаточно похожи на нашу. Например,  мы  могли  бы  рассматривать   только  те  вселенные,  в  которых существуют медведи и в которых  образец ДНК медведя был помещен в устройство для  проведения  анализа,  запрограммированное  на распечатку  десяти  букв, представляющих  структуру   в   точно   определенной   позиции  относительно конкретных ориентиров точно определенной цепочки ДНК. Последующее обсуждение не  имело  бы  места, если бы нам  пришлось  выбирать любой  другой разумный критерий распознавания соответствующих отрезков ДНК в близлежащих вселенных.

По  любому   такому  критерию   отрезок  гена  медведя  почти  во  всех близлежащих  вселенных должен  иметь  такую же  последовательность, как и  в нашей вселенной. Так происходит потому, что, по-видимому, этот  ген обладает высокой степенью адаптации, а это значит, что большая часть его вариантов не сумеет скопироваться в большинстве вариантов  окружающей среды, а потому, не сможет появиться именно на этом участке  ДНК живого медведя. Наоборот, когда отрезок  ДНК,   не  несущий   знание,  подвергается  почти   любой  мутации, мутированный вариант, тем не  менее, остается  способным к  копированию.  За многие поколения репликации  произойдет  множество мутаций, и большинство из них  не  окажут  никакого  влияния  на  репликацию.  Следовательно,  отрезок дефективной последовательности, в отличие от своего  генного двойника, будет абсолютно  гетерогенным в  различных  вселенных.  Также может случиться, что каждая возможная  вариация его последовательности  (т.е. того, что мы должны подразумевать  под его  последовательностью,  которая  совершенно  случайна) будет в равной степени представлена в мультиверсе.

Таким  образом,   перспектива  мультиверса   открывает   дополнительную физическую структуру ДНК медведя. В этой вселенной она содержит  два отрезка с  последовательностью ТЦГТЦГТТТЦ. Один  из них является частью гена, другой не  является.  В  большинстве других близлежащих  вселенных  первый из  двух отрезков имеет ту  же самую последовательность,  ТЦГТЦГТТТЦ, как и  в  нашей вселенной,  но второй отрезок сильно  отличается  в  близлежащих  вселенных. Таким  образом, с  перспективы  мультиверса  два отрезка даже  отдаленно  не похожи друг на друга (рисунок 8.1).

И вновь размышляя  слишком ограниченно, мы пришли к ложному выводу, что объекты, несущие знание, могут быть физически идентичны объектам, не несущим знание; а это, в свою очередь, ставит под сомнение фундаментальность знания. Однако  к настоящему  моменту мы уже почти  завершили полный круг. Мы видим, что древняя идея о том, что живая материя имеет особые  физические свойства, почти  истинна:  физически  особенна не  живая  материя,  а материя, несущая знание.  В одной  вселенной она выглядит нерегулярно;  во всех вселенных она имеет регулярную структуру, подобно кристаллу в мультиверсе. 

Рис. 8.1. Взгляд из мультиверса на два отрезка ДНК, которые оказываются идентичными в нашей вселенной, один -- случайный, другой находится в гене

Таким  образом,  знание  -  это  все-таки   фундаментальная  физическая величина, а явление жизни чуть менее фундаментально.

Представьте,  что  вы  смотрите  на  молекулу  ДНК  клетки   медведя  в электронный   микроскоп,   пытаясь   отличить    гены    от   негенетических последовательностей  и оценить степень адаптации каждого гена. В любой одной вселенной это невозможно. Свойство быть геном, т.е. иметь высокую адаптацию, настолько, насколько ее  можно  обнаружить в  пределах  одной вселенной,  -- чрезвычайно  сложно.  Это  исходящее  свойство.  Вам  пришлось   бы  сделать множество копий ДНК  с вариациями, применить генную инженерию, чтобы создать множество  эмбрионов медведей  для  каждого  варианта  ДНК,  вырастить  этих медведей,  поселив их  в  различные среды, представляющие  нишу  медведя,  и посмотреть, какие медведи оставят больше потомков.

Но с волшебным микроскопом, который мог бы заглянуть в другие вселенные (что, я подчеркиваю, невозможно: мы используем теорию, чтобы представить --- или  передать  --  то, что, как нам  известно, должно  там находиться),  эта задача стала бы  проще. Как на рисунке 8.1, гены отличались  бы от "негенов" точно также, как обрабатываемые поля  отличаются от джунглей на фотографиях, сделанных  с воздуха, или как Кристаллы,  выпавшие в осадок из раствора. Они регулярны во многих близлежащих вселенных, тогда  как  все "негены", отрезки дефективной последовательности, нерегулярны.  Что касается степени адаптации гена, оценить ее почти  так же просто.  Гены с лучшей адаптацией будут иметь одну и ту же  структуру в более обширном  диапазоне вселенных -- у них будут более крупные "кристаллы".

Теперь давайте отправимся на другую планету  и попытаемся найти местные формы жизни, если  таковые там имеются. И опять это известно сложная задача. Вам  пришлось  бы провести  сложные  и изощренные  эксперименты, бесконечные ошибки которых стали предметом множества научно-фантастических рассказов. Но если только  вы  могли бы  наблюдать  в телескоп весь мультиверс, жизнь и ее следствия  были бы  очевидны с  первого взгляда. Вам всего  лишь  необходимо искать  сложные  структуры,  которые  кажутся  нерегулярными  в  любой одной вселенной, но идентичными во многих близлежащих  вселенных.  Если вы увидите что-либо подобное, вы  обнаружите некое физически реализованное знание.  Где есть знание, там должна быть жизнь, по крайней мере, в прошлом.

Сравним живого медведя с созвездием Большой Медведицы. Живые медведи во многих  близлежащих  вселенных  анатомически  очень схожи.  Таким  свойством обладают не только их  гены, но и все тело (хотя другие характеристики тела, например,  вес,  могут  отличаться гораздо больше,  чем гены; так происходит потому, что, к примеру,  в различных вселенных медведь в большей или меньшей степени преуспел в последних поисках пищи). Но в созвездии Большой Медведицы от  одной  вселенной  к  другой  не  существует  такой  регулярности.  Форма созвездия -- это  результат  начального  состояния галактического  газа,  из которого  формировались  звезды.   Это  состояние  было   случайным  --   на микроскопическом уровне весьма  различным  в разных  вселенных --  и процесс формирования  звезд  из  этого  газа  включал  всевозможные  неустойчивости, увеличившие масштаб вариаций. В  результате расположение  звезд,  которое мы наблюдаем  в  созвездии, существует  только в очень  ограниченном  диапазоне вселенных.  В  большинстве близлежащих вариантов нашей вселенной в небе тоже есть созвездия, но они выглядят иначе.

И наконец, давайте точно так же посмотрим на вселенную.  Что увидит наш магически  вооруженный  глаз?  В  отдельной  вселенной  самые  поразительные структуры  -- это галактики  и  скопления  галактик. Но эти объекты не имеют различимой  структуры  в  мультиверсе.  Там,  где  в  одной  вселенной  есть галактика,  в  мультиверсе  собраны  мириады  галактик  с  весьма  различной географией. И так  во всем  мультиверсе. Ближайшие вселенные похожи только в общих чертах, как того требуют законы физики, которые к ним применимы. Таким образом,  большинство звезд имеет довольно точную сферическую форму во  всем мультиверсе,  а  большинство  галактик  имеет спиральную  или  эллиптическую форму.  Но  ничто не простирается  в отдаленные вселенные,  не изменив  свою детальную структуру  до  неузнаваемости. Т.е. кроме тех  немногих мест,  где есть  реализованное  знание.  В  таких  местах  объекты  простираются  через огромное количество вселенных,  оставаясь  при этом узнаваемыми.  Возможно в настоящее время Земля  -- единственное  подобное место в  нашей вселенной. В любом  случае такие  места выделяются,  в описанном  мной смысле, как  места расположения  процессов   (жизни  и  мышления),   породивших  самые  крупные своеобразные структуры в мультиверсе.

ТЕРМИНОЛОГИЯ

Репликатор  -   объект,  побуждающий   определенные   среды  к   своему копированию.

Ген  --  молекулярный  репликатор.  Жизнь  на Земле основана на  генах, которые являются цепочками ДНК (РНК, в случае некоторых вирусов),

Мим -- идея, которая является репликатором, например, шутка или научная теория.

Ниша -- нишей репликатора является набор всех возможных сред, в которых репликатор вызывает свою собственную репликацию. Ниша организма -- это набор всех  возможных сред, в которых  организм может жить и размножаться, а также всех возможных образов его жизни.

Адаптация -- степень адаптации репликатора к нише  -- это  вызванная им степень его собственной репликации в этой нише. В общем, объект адаптируется к своей нише в той степени,  в которой он  реализует знание, побуждающее эту нишу сохранять это знание.

РЕЗЮМЕ

Кажется, что научный прогресс со времен Галилео отвергал древнюю идею о том,  что жизнь  --  это фундаментальное явление природы. Наука открыла, что масштаб  вселенной, по  сравнению  с биосферой  Земли, огромен. Кажется, что современная биология подтвердила это отвержение, объяснив жизненные процессы на основе молекулярных репликаторов, генов, поведением которых  управляют те же законы физики, которые применимы и к неживой материи. Тем не менее, жизнь связана  с  фундаментальным   принципом  физики  --  принципом  Тьюринга  -- поскольку она является средством, с помощью  которого виртуальная реальность была впервые реализована  в природе.  Также, несмотря на видимость, жизнь -- это важный процесс  на  гигантских  весах  времени и  пространства.  Будущее поведение   жизни  определит  будущее   поведение   звезд   и   галактик.  И крупномасштабные  регулярные  структуры  во вселенных  существуют  там,  где развилась материя, несущая знание, такая, как мозг или отрезки генов ДНК.

Глава 9. Квантовые компьютеры  

Для любого, кто не знаком с этим предметом, квантовое вычисление звучит как  название новой технологии, возможно, самой последней в знаменитом ряду, включающем  механическое  вычисление,  транзисторно-электронное  вычисление, вычисление  на  кремниевых кристаллах  и т.  д. Но  истина в том,  что  даже существующие   компьютерные   технологии   зависят    от    микроскопических квантово-механических процессов.  (Конечно, все физические процессы являются квантово-механическими,  но  здесь я  имею в виду  только  те,  для  которых классическая  --   т.   е.  неквантовая   --  физика  дает   очень  неточные предсказания).  Если существует  тенденция к  получению  даже более  быстрых компьютеров  с более  компактным  аппаратным обеспечением, технология должна стать в этом смысле  даже более  "квантовомеханической"  просто  потому, что квантово-механические  эффекты  доминируют   во  всех  достаточно  маленьких системах. Но если бы дело было только в  этом,  квантовое вычисление вряд ли смогло  бы  фигурировать   в   любом  фундаментальном  объяснении  структуры реальности,  Поскольку в  нем  не было бы ничего  фундаментально нового. Все современные  компьютеры,  какие бы  квантово-механические  процессы  они  не использовали, - всего лишь различные технологические исполнения  одной и той же классической  идеи  универсальной  машины  Тьюринга. Именно  поэтому  все существующие компьютеры имеют в сущности один и тот же репертуар вычислений: отличие   состоит  только   в   скорости,  емкости   памяти   и  устройствах ввода-вывода. Это все равно, что  сказать, что  даже  самый непритязательный современный домашний  компьютер  можно запрограммировать для  решения  любой задачи или передачи любой среды,  которую  могут передать наши  самые Мощные компьютеры, при условии установки на него дополнительной памяти,  достаточно долгом времени обработки и наличии аппаратного  Обеспечения, подходящего для демонстрации результатов работы.

Квантовое вычисление --  это  нечто большее, чем просто более быстрая и миниатюрная технология реализации машин Тьюринга. Квантовый компьютер -- это машина,    использующая   уникальные    квантово-механические   эффекты,   в особенности,   интерференцию.   для   выполнения  совершенно   новых   видов вычислений,  которые,  даже  в  принципе, невозможно  выполнить ни  на одной машине Тьюринга, а следовательно, ни на каком классическом компьютере. Таким образом,  квантовое вычисление -- это ни что  иное, как принципиально  новый способ использования природы.

Позвольте   мне   конкретизировать  это   заявление.   Самыми   первыми изобретениями для использования природы были инструменты,  управляемые силой человеческих мускулов. Они  вывели наших предков на новый этап  развития, но страдали  от  ограничения, которое  заключалось  в  том,  что  они требовали постоянного внимания и усилий человека во время их использования. Дальнейшее развитие  технологии  позволило  преодолеть  это  ограничение:  люди  сумели приручить  некоторых  животных  и  растения, изменив биологическую адаптацию этих  организмов,  приблизив  их  к  человеку. Таким образом, урожай рос,  а сторожевые  собаки охраняли дом, пока их владельцы спали. Еще один новый вид технологии появился, когда люди начали не  просто использовать  существующие адаптации  (и существующие  небиологические  явления,  например,  огонь),  а создали  совершенно  новые  для  мира  адаптации  в  виде  кирпичей,  колес, гончарных  и  металлических изделий и  машин. Чтобы сделать это, они  должны были поразмыслить  и понять  законы природы, управляющие вселенной, включая, как я уже  объяснил,  не только  ее поверхностные аспекты,  но  и лежащую  в основе  структуру реальности.  Последовали  тысячи  лет развития этого  вида техники  -- использование некоторых  материалов,  сил  и энергий  физики.  В двадцатом   веке,   когда  изобретение   компьютеров  позволило  осуществить обработку  сложной  информации  вне  человеческого  мозга,  к  этому  списку добавилась  информация. Квантовое  вычисление, которое  сейчас  находится  в зачаточном  состоянии, --  качественно новый этап этого движения. Это  будет первая технология, которая  позволит выполнять  полезные задачи  при участии параллельных вселенных. Квантовый компьютер сможет распределить составляющие сложной задачи  между  множеством параллельных вселенных, а затем поделиться результатами.

Я уже говорил о важности универсальности вычислений -- о том, что  один физически  возможный компьютер  может, при  наличии  достаточного времени  и памяти, выполнить  любое  вычисление,  которое может выполнить любой  другой физически возможный компьютер.  Законы физики,  как мы  понимаем  их сейчас, допускают   универсальность   вычисления.   Однако,  настоящего  определения универсальности  недостаточно, чтобы  считать ее полезной или важной в общей схеме  всего. Она просто  означает,  что,  в  конечном итоге,  универсальный компьютер сможет делать то, что может делать любой другой компьютер. Другими словами, он универсален при наличии достаточного времени. А что делать, если времени недостаточно?  Представьте  универсальный компьютер, который мог  бы выполнить  только  одно вычислительное действие за всю жизнь вселенной.  Его универсальность  по-прежнему  оставалась  бы  глубоким свойством реальности? Вероятно,  нет.  Говоря  в  общем,  можно  критиковать  это   узкое  понятие универсальности, потому что оно относит любую задачу к разряду находящихся в репертуаре компьютера, не принимая во  внимание физические ресурсы,  которые придется израсходовать компьютеру на выполнение этой задачи. Так,  например, мы   рассмотрели   пользователя   виртуальной   реальности,  который   готов отправиться в виртуальную реальность с остановкой  мозга на миллиарды лет  и повторным  его запуском:  в  течение  этого времени компьютер  вычислит, что показывать  дальше. Такое отношение  вполне  уместно при обсуждении  верхних пределов виртуальной реальности. Но при рассмотрении ее полезности, или, что даже  более важно,  фундаментальной роли,  которую  она  играет в  структуре реальности,  нам  следует быть более  разборчивыми.  Эволюция никогда бы  не произошла,  если  бы  задача  передачи определенных  свойств  самых  первых, простейших сред обитания не была  легко  обрабатываемой (т. е. вычислимой  в течение разумного периода времени) при использовании в  качестве компьютеров легко доступных молекул. Точно так же никогда не началось бы  развитие науки и техники, если бы для создания инструмента из камня понадобились тысячи лет размышлений.  Более  того,  то, что  было истиной в самом  начале,  осталось абсолютным  условием прогресса  на  каждом этапе. Универсальность вычислений была бы  бесполезна для  генов, независимо от количества содержащегося в них знания, если бы передача их  организма не была  легко обрабатываемой задачей -- скажем, если бы один репродуктивный цикл занимал миллиарды лет.

Таким образом, факт существования  сложных  организмов  и  непрерывного ряда постепенно  совершенствующихся изобретений и научных теорий (таких, как механика Галилея, механика Ньютона,  механика Эйнштейна, квантовая механика, ...) говорит о  том,  универсальность вычислений  какого  рода существует  в реальности.  Он  говорит нам, что действительные законы  физики, по  крайней мере, до сих пор, поддаются последовательной аппроксимации с помощью теорий, дающих лучшие объяснения и предсказания, и что задача открытия каждой теории при наличии предыдущей легко  решалась с помощью вычислений при наличии  уже известных законов  и уже имеющейся технологии.  Структура реальности  должна быть  многоуровневой (какой она и была)  для более  легкого доступа  к самой себе. Подобным образом, если рассматривать саму эволюцию как вычисление, она говорит  нам,  что существовало достаточно  много жизнеспособных организмов, закодированных   ДНК,  что   позволило  вычислить   (т.е.  эволюционировать) организмы   с   более   высокой  степенью   адаптации,   используя  ресурсы, предоставленные их предками  с низкой  степенью адаптации. Таким образом, мы можем сделать вывод, что законы физики, кроме  того, что  удостоверяют  свою собственную  постижимость   через   принцип   Тьюринга,   гарантируют,   что соответствующие  эволюционные  процессы, такие,  как  жизнь  и мышление,  не являются  трудоемкими и  требуют  не слишком много  дополнительных ресурсов, чтобы произойти в реальности.

Итак,  законы физики не только позволяют (или, как я доказал,  требуют) существование жизни и мышления, но требуют от них эффективности, в некотором уместном смысле. Для выражения этого важного свойства реальности современные анализы универсальности обычно постулируют компьютеры, универсальные даже  в более  строгом смысле, чем  того  потребовал  бы  в данной  ситуации принцип Тьюринга:   универсальные   генераторы   виртуальной  реальности  не  только возможны,  их можно построить  так, что они не потребуют  нереально  больших ресурсов  для передачи  простых аспектов реальности.  С настоящего  момента, говоря об универсальности, я буду иметь в виду именно такую универсальность, пока не приведу другого определения.

Насколько эффективно можно передать данные аспекты  реальности? Другими словами, какие вычисления можно практически выполнить за данное время  и при данных  финансовых возможностях? Это  основной вопрос теории  вычислительной сложности,  которая,  как  я  уже  сказал,  занимается  изучением  ресурсов, необходимых для выполнения данных вычислительных задач. Теория сложности все еще в достаточной степени не  объединена с физикой  и потому  не  дает много количественных ответов.  Однако она достигла успеха в  определении полезного приближенного различия между  легко- и труднообрабатываемыми вычислительными задачами. Общий подход лучше всего проиллюстрировать  на примере. Рассмотрим задачу умножения двух достаточно больших чисел, скажем. 4 220 851 и 2594209. Многие из нас  помнят  тот метод умножения, которому мы научились в детстве. Нужно  по очереди  перемножить  каждую цифру  одного  числа  на каждую цифру другого  и, сложив  результаты,  дать окончательный ответ,  в  данном случае 10949769651859. Вероятно, многие  не  захотят признать, что эта утомительная процедура делает умножение "легко обрабатываемым" хоть  в каком-то обыденном смысле этого слова. (В действительности, существуют более эффективные методы умножения  больших чисел, но  этот весьма нагляден).  Однако  с точки зрения теории  сложности,  которая  имеет дело  с  массивными  задачами,  решаемыми компьютерами которые не  подвержены скуке и почти никогда не ошибаются, этот метод определенно попадает в категорию "легко обрабатываемых".

В  соответствии со  стандартным определением для  "легкости  обработки" важно  не действительное время, затрачиваемое на умножение  конкретной  пары чисел, а важен факт, что при применении того же самого метода даже к большим числам, время увеличивается не  слишком резко. Возможно это  удивит вас,  но этот  весьма  косвенный  метод  определения  легкости обработки очень хорошо работает   на  практике  для  многих  (хотя   и  не  всех)   важных  классов вычислительных   задач.  Например,   при  умножении  нетрудно  увидеть,  что стандартный метод можно использовать для  умножения  чисел, скажем, в десять раз  больших,  Приложив  совсем незначительные  дополнительные усилия.  Ради доказательства предположим, что каждое элементарное умножение одной цифры на другую занимает у определенного компьютера одну микросекунду (включая время, необходимое для сложения, переходов и других операций, сопровождающих каждое элементарное умножение).  При умножении семизначных чисел 4220851 и  2594209 каждую  из семи  цифр  первого числа нужно умножить  на каждую из  семи цифр второго  числа. Таким образом,  общее время, необходимое для умножения (если операции  выполняются  последовательно),  будет равно  семи, умноженному  на семь,  или  49  микросекундам. При  введении чисел, примерно  в  десять  раз больших, содержащих по  восемь цифр,  время, необходимое для  их  умножения, будет равно 64 микросекундам: увеличение составляет всего 31%.

Ясно,  что числа из огромного диапазона -- безусловно содержащего любые числа, которые когда-либо были  измерены  как  численные значения физических переменных -- можно  перемножить за  крошечную долю секунды.  Таким образом, умножение действительно легко поддается обработке для любых целей в пределах физики (или, по  крайней мере, в пределах существующей физики). Вероятно, за пределами физики  могут  появиться  практические причины  умножения  гораздо больших чисел.  Например, для  шифровальщиков огромный  интерес представляют произведения   простых   чисел,   состоящих  примерно  из  125   цифр.  Наша гипотетическая машина могла  бы умножить два  таких  простых числа,  получив произведение, состоящее из 250 цифр, примерно за одну сотую секунды. За одну секунду  она  могла  бы  перемножить два тысячезначных числа, а  современные компьютеры легко могут осуществить более точный расчет этого времени. Только некоторые   исследователи    эзотерических    областей   чистой   математики заинтересованы в выполнении таких непостижимо огромных умножений, однако, мы видим, что даже у них нет причины считать умножение трудно обрабатываемым.

Напротив, разложение на множители, по сути процесс, обратный умножению, кажется   гораздо   сложнее.   В  начале   вводится   одно  число,   скажем, 10949769651859, задача заключается в том, чтобы найти два множителя, меньших числа,  произведение  которых равно 10949769651859. Поскольку мы только  что умножили  эти  числа,  мы  знаем,  что в  этом случае ответ будет 4220851  и 2594209 (и поскольку  оба  эти числа  простые,  это  единственно  правильный ответ). Но  не  обладая  таким  внутренним  знанием, как  мы  нашли  бы  эти множители? В поисках простого метода вы обратитесь к детским  воспоминаниям, но впустую, поскольку такого метода не существует.

Самый очевидный метод разложения на множители --  делить вводимое число на все возможные множители, начиная с 2  и продолжая каждым нечетным числом, до тех пор, пока введенное число не разделится без остатка. По крайней мере, один  из множителей  (принимая, что введенное число  не является простым) не может быть больше квадратного корня введенного числа, что позволяет оценить, сколько времени может занять  этот метод.  В рассматриваемом нами случае наш компьютер найдет меньший из  двух множителей,  2  594 209,  примерно за одну секунду.  Однако,  если  вводимое  число  будет  в десять раз больше,  а его квадратный корень примерно в три раза больше, то разложение его на множители по  этому  методу  займет  в  три  раза  больше  времени.  Другими  словами, увеличение  вводимого  числа  на  один  разряд  уже  утроит время обработки. Увеличение  его еще на  один  разряд снова утроит это время  и т.  д.  Таким образом, время обработки  будет  увеличиваться  в геометрической прогрессии, т.е. экспоненциально, с увеличением количества разрядов  в раскладываемом на множители  числе. Разложение на множители числа с 25-значными множителями по этому методу заняло бы все компьютеры на Земле на несколько веков.

Этот  метод  можно  усовершенствовать, однако всем современным  методам разложения  числа   на  множители  присуще  это  свойство  экспоненциального увеличения.  Самое  большое число,  которое  было  "в  гневе"  (а  это  было действительно  так)  разложено  на  множители, --  число, множители которого тайно  выбрали одни математики, чтобы бросить вызов  другим  математикам, -- имело  129  разрядов.  Разложение  на  множители выполнили  с  помощью  сети Интернет глобальными совместными  усилиями, задействовав тысячи компьютеров. Дональд   Кнут,   специалист  по  вычислительной  технике,   подсчитал,  что разложение   на  множители  250-значного  числа   при  использовании   самых эффективных  из  известных  методов, с помощью сети,  состоящей  из миллиона компьютеров, заняло  бы более миллиона лет. Такие  вещи трудно  оценить,  но даже если Кнут чрезмерно пессимистичен, то попробуйте хотя бы взять числа на несколько разрядов большие, и задача во много раз усложнится. Именно  это мы имеем в  виду, когда говорим,  что разложение на множители больших  чисел  с трудом поддается обработке. Все  это весьма отличается от умножения, где как мы  видели, задачу умножения пары 250-значных чисел можно элементарно решить с  помощью домашнего компьютера. Никто  не может  даже представить себе, как можно разложить  на  множители  числа,  состоящие  из  тысячи  или  миллиона разрядов.

По крайней мере, этого никто не мог представить до недавнего Времени.

В 1982 году физик Ричард  Фейнман занимался компьютерным моделированием квантово-механических  объектов.  Его отправной точкой  было нечто,  что уже было известно в течение некоторого времени, однако важность чего не оценили, а именно,  что  задача  предсказания  поведения квантово-механических систем (или,  как мы можем  это  описать,  Передача  квантово-механических  сред  в виртуальной  реальности), в общем случае, с трудом поддается обработке. Одна из причин того, что важность этого не оценили, в том, что никто и не ожидал, что предсказание  интересных физических  явлений  с помощью компьютера будет особо легким. Возьмите, например, прогноз погоды или землетрясения. Несмотря на  то, что известны нужные уравнения, сложность их применения  для реальных ситуаций общеизвестна.  Все  это недавно  вынесли  на всеобщее  обозрение  в популярных  книгах  и статьях  по хаосу и "эффекту  бабочки". Эти эффекты не ответственны за  трудность обработки о которой  говорил Фейнман,  по простой причине,  что они имеют место  только в  классической физике  --  т. е. не в реальности, поскольку реальность квантово-механическая. Тем не менее, я хочу сделать   несколько  замечаний   относительно   классических   "хаотических" движений,   только   чтобы   подчеркнуть   достаточно   различный   характер невозможности получения классических и квантовых предсказаний.

Теория хаоса касается ограничений получения предсказаний в классической физике,  проистекающих из факта внутренней неустойчивости  всех классических систем.  "Неустойчивость",  о  которой идет  речь, не  имеет ничего общего с какой-либо  тенденцией  буйного  поведения   или  распада.   Она  связана  с чрезмерной  чувствительностью  к  начальным  условиям.  Допустим,   что  нам известно  настоящее  состояние   какой-то  физической   системы,   например, комплекта бильярдных шаров, катающихся по столу. Если бы система подчинялась законам классической физики, что  она  и делает в хорошем приближении, то мы смогли бы определить ее  будущее поведение (скажем, попадет ли  определенный шар в лузу) из соответствующих законов движения точно так  же,  как мы можем предсказать солнечное затмение или парад планет,  исходя из этих же законов. Но  на практике мы никогда не можем  абсолютно  точно  определить  начальные положения и скорости.  Таким образом, возникает вопрос:  если  мы знаем их с некоторой  разумной  степенью точности,  можем ли мы  предсказать их будущее поведение с разумной  степенью точности?  Обычный ответ: не  можем.  Разница между  реальной траекторией  и  предсказанной  траекторией,  вычисленной  из слегка  неточных  данных,  стремится  расти  экспоненциально  и  нерегулярно ("хаотически") во  времени,  так  что через  некоторое  время первоначальное состояние,  содержащее небольшую погрешность, уже не  сможет быть  ключом  к поведению  системы. Компьютерное предсказание говорит  о  том,  что движение планет, классическая предсказуемость в миниатюре, -- нетипичная классическая система.  Чтобы  предсказать  поведение типичной классической системы  всего лишь  через небольшой промежуток времени,  необходимо  определить  начальное состояние этой системы с невозможно высокой точностью. Поэтому говорят, что, в принципе,  бабочка,  находящаяся в одном полушарии, взмахом своих крылышек может вызвать ураган в другом полушарии. Неспособность дать прогноз погоды и тому подобное приписывают невозможности учесть каждую бабочку на планете.

Однако реальные ураганы и реальные  бабочки подчиняются не классической механике, а квантовой теории. Неустойчивость, быстро увеличивающая небольшие неточности  определения   классического  начального   состояния,  просто  не является   признаком  квантово-механических  систем.  В  квантовой  механике небольшие отклонения от  точно определенного начального  состояния стремятся вызвать  всего   лишь  небольшие   отклонения  от  предсказанного  конечного состояния.  А  точное  предсказание  сделать  сложно  из-за  совсем  другого эффекта.

Законы квантовой механики требуют, чтобы  объект, который первоначально находится в данном положении (во всех вселенных), "распространялся" в смысле мультиверса. Например, фотон и его двойники из других вселенных отправляются из  одной и  той  же  точки  светящейся  нити накала,  но  затем  движутся в миллиардах различных направлений. Когда мы позднее  проводим измерение того, что произошло, мы тоже становимся отличными  друг от  друга, так  как каждая наша  копия  видит  то,  что  произошло  в  ее  конкретной  вселенной.  Если рассматриваемым объектом  является атмосфера Земли, то ураган мог произойти, Скажем,  в  30% вселенных и не произойти  в остальных  70%.  Субъективно  мы воспринимаем это как единственный непредсказуемый или "случайный" результат, хотя  если  принять  во внимание  существование  мультиверса, все результаты действительно  имели  место.  Это  многообразие  параллельных  вселенных  -- настоящая  причина  непредсказуемости   погоды.  Наша   неспособность  точно измерить  начальные  состояния  тут  абсолютно  ни при  чем.  Даже  знай  мы начальные   состояния    точно,    многообразие,    а    следовательно,    и непредсказуемость  движения, все равно имели бы место. С другой  стороны,  в отличие  от  классического  случая, поведение  воображаемого  мультиверса  с немного  отличными  начальными  состояниями  не  слишком  отличалось  бы  от поведения реального  мультиверса: он мог пострадать от  урагана в 30,000001% своих вселенных и не пострадать в оставшихся 69,999999%.

В действительности взмах  крылышек бабочки не вызывает  ураганы, потому что классическое явление хаоса зависит от совершенного Детерминизма, который не присутствует ни в одной вселенной. Рассмотрим группу идентичных вселенных в тот момент, когда в каждой из них конкретная бабочка  взмахнула крылышками вверх.  Рассмотрим вторую группу вселенных,  которая в  этот же самый момент идентична  первой за  исключением того, что  в ней крылышки  бабочки опущены вниз. Подождем несколько часов. Квантовая механика  предсказывает, что  если не    возникнут   исключительные   обстоятельства   (например,   кто-нибудь, наблюдающий за  бабочкой,  нажмет кнопку, чтобы  взорвать  ядерную бомбу при взмахе ее крылышек), две группы вселенных, практически идентичные друг Другу в начале, останутся практически идентичными. Но  каждая  группа внутри самой себя  значительно   видоизменилась.   Каждая  группа  включает  вселенные  с ураганами,   вселенные  без  ураганов  и  даже  очень  маленькое  количество вселенных,  в  которых  вид  бабочки  спонтанно  изменился  из-за  случайной перестановки  всех ее атомов, или  Солнце взорвалось из-за того, что все его атомы  случайно вступили в ядерную реакцию в самом его  центре. Даже  в этом случае  эти группы  все еще очень похожи друг на друга.  Во  вселенных,  где бабочка   взмахнула  крылышками  вверх  и  произошли  ураганы,  эти  ураганы действительно  были непредсказуемы;  но  они  произошли  не  из-за  бабочки, поскольку почти идентичные ураганы произошли  в  других  вселенных, где  все было тем же самым, кроме того, что крылышки бабочки были опущены вниз.

Возможно,  стоит  подчеркнуть  различие   между   непредсказуемостью  и трудностью обработки.  Непредсказуемость не имеет ничего общего с имеющимися вычислительными ресурсами.  Классические системы непредсказуемы (или были бы таковыми,  если  бы  существовали)  из-за  их чувствительности  к  начальным условиям. Квантовые  системы  не  обладают  такой  чувствительностью, но они непредсказуемы,  потому что в различных  вселенных ведут себя  по-разному, и поэтому  в  большинстве вселенных  кажутся случайными.  Ни  в первом,  ни во втором  случае  никакой  объем  вычислений  не  уменьшит  непредсказуемость. Трудность  обработки,  напротив,  --  проблема вычислительных  ресурсов. Она относится к  ситуации, когда  мы  с легкостью могли бы сделать предсказание, если  бы только могли  выполнить необходимые  вычисления,  но мы не можем их выполнить,  потому  что  требуются нереально большие ресурсы. Чтобы отделить проблемы  непредсказуемости  от  проблем  трудности  обработки  в  квантовой механике,   мы  должны   принять,  что   квантовые   системы,   в  принципе, предсказуемы. 

Рис. 9.1. Действие обычного зеркала одинаково во всех вселенных 

Рис. 9.2.  Полупрозрачное  зеркало разделяет  первоначально  идентичные вселенные  на  две равные  группы,  которые  отличаются  только  траекторией движения одного фотона

Квантовую теорию часто представляют  как  теорию, которая делает только вероятностные  предсказания.  Например, в эксперименте  по интерференции  со светонепроницаемой  перегородкой  со  щелями,  описанном  в  главе  2, можно видеть, что фотон попадает в любое место на "светлом" участке картины теней. Однако  важно понимать,  что  для  множества других  экспериментов квантовая теория предсказывает единственный  определенный результат.  Другими словами, она предсказывает, что все вселенные окончатся с одним и тем же результатом, даже  если на промежуточных  стадиях эксперимента эти  вселенные  отличались друг  от  друга, и она предсказывает, каким  будет  этот результат.  В таких случаях мы наблюдаем неслучайное явление интерференции. Такие  явления может продемонстрировать   интерферометр.  Это  оптический  инструмент,  состоящий главным образом  из зеркал, как обычных (рисунок 9.1),  так и полупрозрачных (какими  пользуются  фокусники и  полицейские)  (рисунок  9.2).  Если  фотон ударяется о полупрозрачное  зеркало, то в  половине вселенных он отскакивает от него точно так же, как отскочил бы  от обычного зеркала. Однако  в другой половине вселенных он проходит сквозь это зеркало, словно его нет. 

Рис.  9.3. Один фотон, проходящий через интерферометр. Положение зеркал (обычные  зеркала показаны  черным  цветом,  полусеребряные -  серым)  можно отрегулировать так, что интерференция между двумя разновидностями фотона (из разных вселенных) заставляет обе разновидности двигаться к выходу по одной и той же траектории от нижнего полупрозрачного зеркала

Один фотон входит в интерферометр сверху слева, как показано на рисунке 9.3.  Во  всех  вселенных, где  проводят эксперимент,  фотон и его  двойники движутся к интерферометру по одной и  той  же траектории. Следовательно, эти вселенные идентичны. Но как только фотон ударяется о полупрозрачное зеркало, первоначально  идентичные вселенные становятся различными. В половине из них фотон  проходит  через  это  зеркало  и перемещается  вдоль  верхней стороны интерферометра.  В  остальных  вселенных  фотон  отскакивает  от  зеркала  и перемещается вдоль  левой стороны интерферометра. Затем разновидности фотона в этих группах вселенных ударяются об обычные зеркала  справа сверху и слева снизу  соответственно  и  отскакивают от  них.  Таким образом,  в конце  они одновременно попадают на полупрозрачное зеркало справа снизу и интерферируют друг с другом. Не забывайте, что мы пускали в аппарат только один фотон, и в каждой вселенной по-прежнему находится  только один фотон. Во всех вселенных этот фотон теперь ударился  о правое нижнее зеркало. В половине вселенных он ударился   об  это  зеркало  слева,  в  другой  половине  --  сверху.  Между разновидностями  фотона  из  этих  двух  групп вселенных  произошла  сильная интерференция. Суммарный  эффект зависит от точной геометрии ситуации, но на рисунке  9.3 изображен  тот  случай, когда во всех  вселенных  фотон в конце движется вправо сквозь зеркало, и ни в одной вселенной он  не передается или не отражается вниз. Таким образом, в конце эксперимента все вселенные так же идентичны, как и в начале. Они  отличались и взаимодействовали друг с другом всего лишь долю минуты в промежуточном состоянии.

Это замечательное явление  неслучайной интерференции --  почти такое же неизбежное  свидетельство существования мультиверса, как  Я  явление  теней. Поскольку  результат,  описанный  мной,  несовместим  ни  с  одной  из  двух возможных траекторий  движения частицы в одной вселенной. Если мы, например, направим фотон вправо вдоль  нижней стороны интерферометра, он, как  и фотон из  эксперимента,  может пройти сквозь полупрозрачное зеркало. Но может и не пройти -- иногда он отклоняется вниз. Точно так же фотон, направленный вниз, вдоль  правой  стороны  интерферометра,  может  отклониться  вправо,  как  в эксперименте с  интерференцией,  или  просто  двигаться  прямо  вниз.  Таким образом, на какую бы траекторию вы не  направили один фотон внутри аппарата, он  будет  появляться случайно.  Результат  можно предсказать  только  в том случае,   когда   между   двумя   траекториями   произойдет   интерференция. Следовательно,   непосредственно    перед    окончанием    эксперимента    с интерференцией в аппарате  присутствует  нечто,  что  не  может  быть  одним фотоном с  одной  траекторией: например,  это  не может  выть просто  фотон, который  перемещается вдоль нижней  стороны  интерферометра. Там должно быть что-то еще, что мешает ему отскочить вниз. Там не может быть и просто фотон, который перемещается вдоль правой стороны интерферометра; там, опять, должно быть что-то еще, что  мешает ему переместиться прямо  вниз, как это могло бы произойти в некоторых случаях, если бы он  был  там один.  Как и  в случае с тенями, мы можем придумать дальнейшие эксперименты, чтобы показать, что  это "что-то  еще" обладает всеми свойствами фотона, который  перемещается вдоль. Другой траектории и интерферирует с видимым нами фотоном, но ни с чем другим в нашей вселенной.

Поскольку  в  этом  опыте   присутствуют  только  два   различных  вида вселенных,  вычисление того,  что произойдет, займет только всего в два раза больше времени, чем  заняло  бы, если  бы частица  подчинялась  классическим законам -- скажем,  если  бы мы  вычисляли  траекторию движения  бильярдного шара.   Вряд   ли   коэффициент   два  сделает   такие   вычисления   трудно обрабатываемыми. Однако, мы уже видели, что довольно легко достичь и гораздо более высокой  степени  многообразия. В  экспериментах с  тенями  один фотон проходит через перегородку с несколькими маленькими  отверстиями и  попадает на экран. Предположим, что  в перегородке тысяча отверстий. На  экране  есть места, куда может попасть фотон (и попадает в некоторых вселенных), и места, куда он попасть не может. Чтобы  вычислить, может ли конкретная точка экрана принять   фотон,   мы   должны  вычислить  эффекты   взаимной  интерференции разновидностей фотона  из тысячи  параллельных вселенных.  В  частности,  мы должны вычислить тысячу траекторий движения фотона  от перегородки до данной точки экрана, затем вычислить влияния этих фотонов друг на друга так,  чтобы определить, всем ли  им  мешают достигнуть  этой  точки.  Таким  образом, мы должны выполнить примерно  в тысячу раз  больше вычислений, чем нам пришлось бы,  если  бы  мы  определяли, попадет  ли в конкретную  точку  классическая частица.

Сложность   такого    рода    вычислений    показывает   нам,   что   в квантово-механической среде происходит гораздо больше, чем (буквально) видит глаз. Я  доказал,  выражая критерий  реальности  доктора  Джонсона  на языке вычислительной сложности, что эта сложность -- основная причина того, почему бессмысленно  отрицать   существование   оставшейся  части  мультиверса.  Но возможны гораздо  более высокие степени  многообразия, когда в интерференцию вовлекаются  две  или  более  взаимодействующих частицы. Допустим,  что  для каждой из двух взаимодействующих частиц открыта  (скажем) тысяча траекторий. Тогда эта  пара  на  промежуточном  этапе  эксперимента  может  оказаться  в миллионе  различных состояний,  так  что  может быть до миллиона  вселенных, которые  будут  отличаться  тем,   что  делает  эта  пара  частиц.  Если  бы взаимодействовали  три частицы, то количество  различных вселенных могло  бы увеличиться  до  миллиарда; для четырех  частиц -- до триллиона и т.д. Таким образом, количество  различных  историй, которые нам пришлось  бы вычислить, если  бы  мы  захотели  предсказать  то,  что  произойдет в  таких  случаях, увеличивается  экспоненциально  с  ростом  числа  взаимодействующих  частиц. Именно  поэтому  задача  вычисления  поведения  типичной  квантовой  системы труднообрабатываема в полном смысле этого слова.

Это именно  та  трудность  обработки,  которая  волновала Фейнмана.  Мы видим,  что  она  не имеет  ничего  общего  с непредсказуемостью:  напротив, наиболее ясно  она  проявляется  в  квантовых  явлениях  с  высокой степенью предсказуемости. Так происходит потому, что в  таких явлениях один и  тот же определенный результат имеет место  во всех вселенных, однако этот результат --  итог   интерференции   между  огромным  количеством  вселенных,  которые отличались друг от  друга  во время эксперимента.  Все  это в принципе можно предсказать  из   квантовой  теории,   да   оно   и  не  страдает   излишней чувствительностью  к  начальным  условиям.  Но  предсказать,  что  в   таких экспериментах результат всегда  будет одним и тем же, трудно потому, что для этого необходимо выполнить чрезмерно большой объем вычислений.

Трудность обработки, в принципе,  является гораздо большим препятствием для универсальности, чем им когда-либо могла стать непредсказуемость. Я  уже сказал, что абсолютно точная передача рулетки не нуждается (а на самом деле, и не должна  нуждаться)  в последовательности чисел, совпадающей с реальной. Подобным образом, мы не можем заранее подготовить передачу завтрашней погоды в виртуальной  реальности.  Но  мы  можем  (или  однажды сможем) осуществить передачу погоды, которая хотя и не  будет такой  же,  как  реальная  погода, имевшая место в какой-то  исторический день, но тем  не менее,  будет  вести себя столь реалистично, что ни  один пользователь,  каким бы экспертом он ни был, не сможет отличить ее от настоящей погоды. То же самое касается и любой среды, которая не показывает эффекты квантовой  интерференции (что  означает большинство  сред).  Передача   такой  среды  в  виртуальной  реальности  -- легкообрабатываемая вычислительная задача. Однако оказалось,  что невозможно практически  передать  те   среды,  которые   показывают  эффекты  квантовой интерференции. Не выполняя экспоненциально большие объемы вычислений, как мы можем  быть  уверены, что в  этих случаях переданная нами среда  никогда  не сделает того, что из-за некоторого  явления интерференции никогда  не делает реальная среда?

Может  показаться  естественным  вывод,  что   реальность  все-таки  не показывает  настоящей   универсальности   вычислений,  поскольку  невозможно полезно   передать    явления   интерференции.   Однако,    Фейнман   сделал противоположный  вывод  и  был совершенно прав! Вместо  того,  чтобы считать трудность обработки задачи передачи квантовых  явлений препятствием, Фейнман счел ее благоприятной возможностью. Если, чтобы  узнать исход эксперимента с интерференцией,  необходимо выполнить  так  много  вычислений,  то сам  факт проведения  такого  эксперимента  и  измерения  его  результатов  равносилен выполнению сложного  вычисления. Таким  образом, рассуждал Фейнман, наверное все-таки можно было бы эффективно передать квантовые среды при  условии, что компьютеру     позволят     проводить      эксперименты     над     реальным квантово-механичееким объектом. Компьютер выбрал бы, какие измерения сделать на вспомогательной составляющей квантового аппаратного обеспечения  во время проведения   эксперимента,  и  включил  бы   результаты   измерений  в  свои вычисления.

В  действительности вспомогательное  квантовое  аппаратное  обеспечение тоже  было бы компьютером. Например, интерферометр мог бы  действовать,  как подобный прибор, и. как любой  другой физический  объект, его можно  было бы считать компьютером. Сегодня мы назвали  бы его специализированным квантовым компьютером. Мы "программируем" его, устанавливая зеркала так, чтобы создать определенную геометрию, и затем направляем один фотон  на первое зеркало.  В эксперименте  с неслучайной  интерференцией фотон всегда будет  появляться в одном  конкретном  направлении, определяемом установкой  зеркал, и  мы можем интерпретировать  это  направление как  указывающее  результат вычисления. В более сложном эксперименте  с несколькими взаимодействующими частицами такое вычисление    запросто   могло   бы,    как    я   уже    объяснил,    стать "труднообрабатываемым".  Но  поскольку  мы  смогли получить его  результаты, просто   проведя   эксперимент,   значит,   его   все-таки  нельзя   назвать действительно   труднообрабатываемым.   Нам   теперь   следует  быть   более осторожными в вопросах терминологии. Очевидно, что существуют вычислительные задачи, которые "с трудом поддаются обработке", если мы пытаемся решить их с помощью любого  существующего компьютера,  но которые  перешли  бы в  разряд легко обрабатываемых,  если бы в качестве специализированных  компьютеров мы использовали   квантово-механические   объекты.   (Обратите   внимание,  что возможность использования  квантовых  явлений  для выполнения  вычислений  с помощью такого метода обусловлена  тем, что эти явления не подвержены хаосу. Если  бы  результат  вычислений  был  функцией,  чрезмерно  чувствительной к начальному состоянию, "запрограммировать" такое  устройство, установив его в подходящее начальное состояние, было бы непосильно сложной задачей).

Использование  вспомогательного  квантового  устройства  таким  образом можно было  бы посчитать надувательством,  так как очевидно, что любую среду гораздо  проще передать,  имея  доступ  к  ее  запасной копии для проведения измерений  во  время передачи!  Однако  Фейнман  выдвинул гипотезу, что  нет необходимости в  использовании точной  копии  передаваемой среды: что  можно найти вспомогательное устройство с  гораздо  более  простой конструкцией, но интерференционные  свойства  которого,  тем   не   менее,  будут  аналогичны свойствам передаваемой среды. Оставшуюся часть передачи способен осуществить обычный  компьютер,  работающий аналогичным  образом  между  вспомогательным устройством  и передаваемой  средой. Фейнман ожидал,  что  эта  задача будет легкообрабатываемой. Более того, он предполагал,  как оказалось,  правильно, что  все  квантово-механические  свойства  любой  передаваемой  среды  можно смоделировать с помощью  вспомогательных устройств конкретного вида, который он точно  определил (а  именно,  совокупности вращающихся атомов, каждый  из которых  взаимодействует со  своими соседями). Он  назвал  весь  класс таких устройств универсальным квантовым имитатором.

Однако  этот имитатор не был отдельной машиной, какой он должен  был бы быть,  чтобы называться универсальным компьютером.  Взаимодействия,  которым пришлось бы подвергнуться атомам имитатора, нельзя было установить однажды и навсегда,  как  в универсальном  компьютере, их нужно было переустанавливать для каждой  передаваемой  среды.  Однако  смысл универсальности  в  том, что должно быть возможным запрограммировать отдельную машину, точно определенную раз и навсегда,  для выполнения любого  возможного  вычисления  или передачи любой  возможной  среды. В  1985 году  я доказал,  что  в  квантовой  физике существует  универсальный  квантовый  компьютер.  Это   доказательство  было абсолютно прямым. Все, что  мне пришлось сделать, это скопировать устройства Тьюринга, но для  определения лежащей в их основе физики  воспользоваться не классической  механикой,   которую  Неявно  принимал  Тьюринг,  а  квантовой теорией. Универсальный квантовый компьютер может выполнить любое вычисление, которое  может  выполнить  любой   другой  квантовый  компьютер  (или  любой компьютер типа  машины Тьюринга), а также он  может  передать любую конечную физически возможную среду  в виртуальной реальности.  Более  того, С тех пор было  показано, что время и остальные ресурсы,  которые  ему понадобятся для осуществления всего этого, не будут увеличиваться экспоненциально  с  ростом размеров или числа  деталей передаваемой среды, так  что  важные  вычисления будут легкообрабатываемы в соответствии с нормами теории сложности.

Классическая теория вычисления, которая  в течение полувека  оставалась неоспоримым основанием вычисления, сейчас устарела, превратившись разве что, как  и  остальная  классическая физика,  в схему аппроксимации. Сейчас такой теорией  вычисления является  квантовая  теория  вычисления. Я  сказал,  что Тьюринг в своем устройстве неявно использовал "классическую  механику".  Но, оценив прошедшие события, сейчас  мы можем  увидеть,  что  даже классическая теория  вычисления  не   полностью  соответствовала  классической  физике  и содержала серьезные предзнаменования квантовой теории. Совсем не совпадение, что  слово  бит,  означающее  наименьшее  возможное  количество  информации, которым способен управлять компьютер,  в  сущности значит то же самое, что и квант, дискретный компонент. Дискретные  переменные (переменные,  которые не могут  принимать  непрерывный диапазон значений) чужды классической  физике. Например, если переменная имеет только два возможных  значения, скажем, 0  и 1, как она вообще попадает  из 0 в 1? (Я задавал этот вопрос в  главе  2). В классической физике ей пришлось бы переместиться из одного значения в другое с перерывом,  что  несовместимо с  работой сил  и  движений  в  классической механике. В квантовой физике нет необходимости в прерывном изменении -- даже несмотря  на  то, что  все  измеримые  величины  дискретны.  Это  происходит следующим образом.

Для  начала   давайте  представим  несколько   параллельных  вселенных, сложенных  подобно  колоде  карт,  причем  вся  колода   представляет  собой совокупность  вселенных. (Такая  модель, в  которой  вселенные располагаются последовательно,  весьма преуменьшает сложность мультиверса, но  она  вполне достаточна,  чтобы проиллюстрировать  то,  о чем я  говорю). Теперь  давайте изменим эту модель,  чтобы  учесть  тот  факт,  что  мультиверс  --  это  не дискретный  набор  вселенных,  а  континуум,  и  то,  что  не все  вселенные различны.   В   действительности,   для   каждой  вселенной,   которая   там присутствует, также  существует  континуум  идентичных вселенных, содержащий определенную крошечную, но отличную от нуля долю мультиверса. В нашей модели эту долю можно представить  через  толщину карты, причем каждая карта теперь представляет все вселенные данного типа. Однако, в отличие от толщины карты, доля каждого типа вселенных изменяется  со временем по квантово-механическим законам   движения.  Следовательно,   доля  вселенных,   обладающих   данным свойством, тоже изменяется и изменяется  непрерывно.  В случае с  дискретной переменной, которая  изменяется от  0 до  1, допустим,  что  эта  переменная принимает  значение 0  во  всех  вселенных  до  начала  изменения,  а  после изменения она принимает  значение  1 во всех  вселенных. Во время  изменения доля вселенных, в которых значение равно 0, равномерно уменьшается  от  100% до нуля,  а доля вселенных, в которых это  значение  равно 1, соответственно растет от нуля до  100%. На рисунке 9.4 показана точка зрения мультиверса на подобное изменение. 

Рис. 9.4. Перспектива мультиверса на неприрывное изменение бита от 0 до 1

Из рисунка  9.4 может  показаться, что хотя переход от 0 к 1 объективно непрерывен  с перспективы  мультиверса, он  остается субъективно прерывным с перспективы   любой   отдельной   вселенной   --   представленной,   скажем, горизонтальной линией, доходящей до середины рисунка  9.4. Однако  это всего лишь  ограничение  диаграммы,  а   не  реальная   характеристика  того,  что происходит  на  самом  деле. Хотя диаграмма выглядит  так,  словно  в каждое мгновение  существует конкретная вселенная, которая  "только что изменилась" от 0 до 1, потому что она  только что "пересекла границу", на самом деле это не так. Так быть не может, потому что такая вселенная строго идентична любой другой вселенной,  в которой бит в данный момент  имеет значение 1. Поэтому, если бы жители  одной из них испытывали прерывное изменение, То  жители всех других испытывали  бы  то же самое. Значит, ни  одна из них  не  может иметь такой опыт. Обратите также внимание, что, как я  объясню в главе 11,  идея о чем-то, что движется  через диаграмму, подобную рисунку 9.4, на которой  уже представлено время, просто ошибочна. В каждое мгновение бит имеет значение 1 в определенной доле  вселенных и 0 -- в  другой.  Все эти вселенные в каждый момент времени уже показаны на рисунке 9.4. Они никуда не движутся!

Еще   один   показатель   неявного  присутствия   квантовой  физики   в классическом  вычислении  --  это зависимость  всех  вариантов  практической реализации компьютеров  типа  машины  Тьюринга от таких  вещей  как  твердая материя  или  намагниченные материалы,  которые  не могли  бы существовать в отсутствие  квантово-механических  эффектов.  Например,  любое твердое  тело состоит из совокупности атомов, состоящих  из электрически заряженных частиц (электроны  и  протоны  в  ядре).  Но  из-за  классического  хаоса  ни  одна совокупность  заряженных  частиц  не  могла  бы  оставаться  устойчивой  при классических  законах  движения.   Положительно  и  отрицательно  заряженные частицы просто вылетали  бы со своего места,  сталкиваясь друг  с другом,  и конструкция  распалась  бы.  Только  сильная  квантовая интерференция  между различными траекториями движения заряженных частиц  в параллельных вселенных предотвращает  такие катастрофы  и делает  возможным  существование  твердой материи.

Создание универсального квантового компьютера действительно  выходит за рамки  современной  технологии. Как  я  уже сказал, чтобы обнаружить явление интерференции, нужно вызвать соответствующее взаимодействие всех переменных, которые были отличными во  вселенных, вступивших в интерференцию. Чем больше взаимодействующих частиц, тем сложнее спровоцировать взаимодействие, которое продемонстрировало  бы интерференцию,  то  есть результат  вычисления. Среди множества технических сложностей работы на уровне одного атома или электрона одна  из  важнейших  состоит  в  ограждении среды от  воздействия  различных интерферирующих субвычислений. Поскольку, когда  группа атомов  подвергается явлению интерференции, причем эти  атомы дифференцированно  воздействуют  на другие  атомы  этой среды,  то  интерференцию  уже  невозможно обнаружить  с помощью  измерений  только  исходной  группы, и эта  группа уже не выполняет какое  бы   то  ни   было  полезное  квантовое  вычисление.  Это  называется декогерентностью. Следует  добавить, что  эту проблему  часто представляют в ложном  свете:   нам   говорят,   что  "квантовая  интерференция  --   очень чувствительный  процесс,   и  его  следует  ограждать   от   любых   внешних воздействий". Но это не так. Внешние воздействия способны  вызвать  малейшие несовершенства,  но  именно  эффект  квантового  вычисления   внешнего  мира вызывает декогерентность.

Таким образом, ставка делается на создание субмикроскопических  систем, в которых переменные, несущие информацию, взаимодействуют друг  с другом, но оказывают на свою среду возможно  меньшее  влияние. Другое  новое упрощение, уникальное для квантовой теории вычисления, частично компенсирует сложности, вызываемые  декогерентностью. Оказывается,  что  в отличие от  классического вычисления,  где  необходимо  разрабатывать точно  определенные классические логические  элементы, как-то  И, или и НЕ,  при квантовом  вычислении точная форма  взаимодействий  вряд  ли  имеет значение. В  сущности, любую  систему взаимодействующих битов  атомного масштаба, если она не  декогерирует, можно приспособить для выполнения полезных квантовых вычислений.

Известны  интерференционные  явления,  включающие  огромные  количества частиц, например, суперпроводимость  или супертекучесть, но кажется, что  ни одно  из  них  невозможно  использовать  для  выполнения  хоть  сколь-нибудь интересных вычислений. Во время написания книги в лаборатории можно было без труда   выполнить   только   однобитовые   квантовые   вычисления.   Однако, экспериментаторы  уверены, что  в  течение нескольких последующих лет  будут созданы двух-  и  более битовые  квантовые  логические  элементы  (квантовые эквиваленты  классических логических элементов).  Это  основные составляющие квантовых   компьютеров.  Некоторые  физики,  особенно  Рольф  Ландауер   из Исследовательского   Центра  IBM,   настроены   пессимистично   относительно перспектив будущих достижений. Они полагают, что декогерентность  никогда не будет  сведена  до  того  уровня,  где  можно  будет выполнить  больше,  чем несколько   последовательных  этапов   квантового   вычисления.  Большинство исследователей  из  этой области настроены  гораздо более оптимистично (хотя возможно, это связано с тем, что над квантовым вычислением решаются работать только   очень   большие   оптимисты!).   Уже   были   построены   некоторые специализированные квантовые компьютеры (смотри ниже), и лично я  думаю, что появление более сложных квантовых компьютеров -- скорее дело нескольких лет, чем десятилетий. Что  касается  универсального квантового  компьютера, то  я считаю,  что  его создание --  это  тоже  только дело времени,  хотя мне  не хотелось  бы предсказывать, сколько  времени  на это уйдет: десятилетия  или века.

Тот  факт, что репертуар  универсального квантового компьютера содержит среды,  передача  которых  является  труднообрабатываемой для  классического вычисления, говорит о том, что новые классы чисто  математических вычислений тоже  должны  стать  легкообрабатываемыми  на этом  компьютере.  Как  сказал Галилео,  законы физики выражаются  на  языке  математики, а  передача среды эквивалентна  оценке  определенных математических функций.  Действительно, в настоящее  время  обнаружено множество математических задач,  которые  можно было  бы эффективно решить с помощью квантового вычисления, так как для всех известных  классических методов они являются труднообрабатываемыми. Наиболее эффектной  из  этих задач является  задача разложения  на  множители больших чисел. В  1994 году Питер Шор, работающий в Bell Laboratories, открыл метод, известный как алгоритм  Шора. (Пока эта книга корректировалась, были открыты другие эффектные квантовые алгоритмы, включая  алгоритм  Гровера  для  очень быстрого поиска длинных списков).

Алгоритм Шора чрезвычайно прост и довольствуется гораздо более скромным аппаратным обеспечением, чем то, которое понадобилось бы  для универсального квантового компьютера.  А  потому  вероятно,  что  квантовое устройство  для разложения на множители будет  построено задолго до того, как  весь диапазон квантовых  вычислений  станет технологически  осуществимым. Эта  перспектива имеет  грандиозное  значение  для криптографии  (науки,  которая  занимается секретной  передачей информации  и установлением  ее подлинности).  Реальные сети  связи могут быть глобальными и иметь огромные, постоянно  изменяющиеся наборы  участников с непредсказуемыми схемами связи.  Непрактично требовать, чтобы  каждая  пара  участников  заранее  физически обменивалась  секретными шифровальными ключами,  которые позволили бы им позднее общаться,  не боясь, что  их  подслушают.  Криптография  с  открытым  ключом  --  это любой метод отправки секретной информации, при котором  ни отправитель, ни получатель не делятся  секретной   информацией.   Самый   надежный  из  известных  методов криптографии  с  открытым  ключом  основан  на  трудности  обработки  задачи разложения на множители больших чисел. Этот метод известен как криптосистема RSA, которая получила свое  название в честь Рональда Ривеста  (Rivest), Ади Шамира (Shamir)  и Леонарда Адельмана (Adelman), которые  впервые предложили ее в 1978 году. Этот метод обусловлен математической процедурой, посредством которой сообщение можно закодировать,  используя в  качестве ключа  огромное (скажем,  250-значное) число. Получатель  может  свободно обнародовать  этот ключ,  потому  что  любое сообщение,  зашифрованное  с  его  помощью,  можно расшифровать,  только  зная множители этого  числа. Таким  образом,  я  могу выбрать два 125-значных простых числа и хранить их в секрете, но перемножив, сообщить  всем  их 250-значное  произведение. Кто угодно  может послать  мне сообщение, использовав это число  как  код,  но только я смогу прочитать эти сообщения, потому что только мне известны секретные множители.

Как я уже сказал, не существует практической  возможности разложения на множители  250-значного  числа  с  использованием  классических средств.  Но квантовое устройство разложения на множители, работающее по  алгоритму Шора, могло  бы  это  сделать,  выполнив  всего   несколько  тысяч  арифметических операций, что,  возможно,  было бы  минутным  делом.  Таким  образом,  любой человек,  имеющий  доступ  к такой  машине, смог  бы  легко  прочитать любое перехваченное сообщение, зашифрованное с помощью криптосистемы RSA.

Шифровальщикам  не  помогло  бы  даже  использование  больших  чисел  в качестве ключей, потому что ресурсы, необходимые для работы алгоритма  Шора, очень медленно  увеличиваются  с  увеличением раскладываемого  на  множители числа. В  квантовой теории вычисления разложение на множители -- очень легко обрабатываемая  задача.  Считается, что  при данном  уровне  декогерентности снова  появится  практическое  ограничение  величины  числа,  которое  можно разложить  на  множители,   но  неизвестен   нижний   предел  технологически достижимой  степени декогерентности. Поэтому,  мы должны сделать вывод,  что однажды  в  будущем,  во  время,  которое  сейчас   невозможно  предсказать, криптосистема  RSA с  любой данной длиной  ключа может  стать несекретной. В определенном смысле это делает  ее несекретной даже  сегодня.  Любой человек или  организация,  которые сейчас  записывают  сообщения,  закодированные  в системе RSA, и ждут  того времени, когда смогут  купить квантовое устройство разложения  на  множители  с  достаточно   низкой  декогерентностью,  смогут расшифровать  эти  сообщения. Возможно,  это  произойдет только  через века, возможно  всего  через несколько  десятилетий, а может,  и еще раньше -- кто знает?  Но  вероятность,  что это  произойдет  еще не скоро, -- это все, что теперь осталось от бывшей абсолютной секретности системы RSA.

Когда квантовое  устройство  разложения  на множители  раскладывает  на множители  250-значное  число,  количество  интерферирующих  вселенных будет порядка 10500, т.е. десять в степени 500. Это  ошеломляюще огромное число -- причина   того,  почему  алгоритм  Шора   делает   разложение  на  множители легкообрабатываемым. Я  сказал, что этот алгоритм  требует выполнения  всего нескольких  тысяч  арифметических  операций.  Безусловно,  я  имел   в  виду несколько тысяч  операций в  каждой вселенной, которая вносит вклад в ответ. Все эти вычисления выполняются в  различных параллельных вселенных и делятся своими результатами через интерференцию.

Возможно, вам интересно, как мы сможем убедить своих двойников из 10000 вселенных начать работать над нашей задачей разложения на множители. Разве у них  нет своих собственных  задач,  чтобы  задействовать компьютеры? Нам  не нужно  их  убеждать.  Алгоритм  Шора  изначально действует только  в  наборе вселенных, идентичных друг другу, и вызывает в них отличия только в пределах устройства  разложения на множители.  Поэтому мы, точно  определившие число, которое нужно  разложить на  множители,  и  ждущие ответа, идентичны во всех интерферирующих вселенных. Несомненно, существует много других вселенных,  в которых мы запрограммировали другое число или вообще не построили устройство разложения  на  множители.  Но  эти  вселенные  отличаются  от нашей слишком большим  количеством  переменных  --   или   точнее,  переменными,   которые программирование алгоритма  Шора не привело к  нужному взаимодействию, --  и потому они не интерферируют с нашей вселенной.

Доказательство,  приведенное в главе  2, применительно к любому явлению интерференции,   разрушает  классическую  идею  существования  только  одной вселенной.  Логически возможность комплексных квантовых вычислений ничего не дает  в том  случае, на  который уже  нельзя  ответить. Но  эта  возможность оказывает   психологическое   влияние.    Алгоритм    Шора   расширяет   это доказательство. Для тех, кто все еще склонен  считать, что существует только одна  вселенная,  я  предлагаю следующую задачу: объясните  принцип действия алгоритма  Шора. Я не  имею  в  виду, предскажите,  что  он  будет работать, поскольку для этого  достаточно решить несколько непротиворечивых уравнений. Я  прошу  вас дать объяснение.  Когда  алгоритм Шора разложил  на  множители число,  задействовав  примерно  10500 вычислительных ресурсов, которые можно увидеть, где это число раскладывалось на множители?

Во всей видимой  вселенной существует  всего  около 1080  атомов, число ничтожно  малое  по сравнению  с  10500.  Таким  образом,  если  бы  видимая вселенная  была  мерой  физической  реальности,  физическая  реальность даже отдаленно  не содержала бы ресурсов, достаточных для разложения на множители такого  большого  числа. Кто же тогда разложил его  т  множители?  Как и где выполнялось вычисление?

Я говорил о традиционных типах математических задач, которые  квантовые компьютеры  смогли  бы выполнить  быстрее  существующих.  Но  для  квантовых компьютеров  открыт и дополнительный класс новых  задач, которые не способен решить ни  один  классический компьютер.  По странному  совпадению, одной из первых  таких  задач  обнаружили задачу,  также связанную с  криптографией с открытым  ключом. На этот раз дело не в разрушении существующей системы, а в реализации новой абсолютно секретной системы квантовой криптографии.  В 1989 году в Нью-Йорке, в Исследовательском Центре IBM, в  офисе теоретика Чарльза Беннетта   был  построен  первый   рабочий  квантовый  компьютер.  Это   был специализированный   квантовый   компьютер,   состоящий  из  двух  квантовых криптографических устройств, спроектированных Беннеттом и Жилем Брассаром из Монреальского Университета.  Этот компьютер стал первой машиной, выполнившей небанальные вычисления,  которые  не  смогла  бы  выполнить  ни  одна машина Тьюринга.

В  квантовой  криптосистеме  Беннета  и  Брассара  послания  кодируются состояниями  отдельных фотонов, испускаемых лазером. Несмотря на то, что для передачи сообщения  необходимо  много  фотонов  (один фотон на  бит, плюс те фотоны,  которые  тратятся  на всевозможные  неэффективности), такие  машины можно  построить,  используя   существующую   технологию,  потому   что  для выполнения  своих  квантовых  вычислений им  необходим  один  фотон на  раз. Секретность системы Основана не на трудности  обработки,  как  классической, так  и  квантовой,  а непосредственно  на свойствах квантовой интерференции: именно  она дает  этой системе  абсолютную  секретность, которую  невозможно обеспечить с  помощью классических методов. Никакой объем будущих вычислений ни на каком компьютере через миллионы или триллионы лет не поможет тому, кто хотел  бы подслушать послания, закодированные  квантовым методом: поскольку, если кто-либо  общается через  среду,  демонстрирующую  интерференцию, то он сможет обнаружить подслушивающих его  людей.  В соответствии с  классической физикой  нет  ничего,  что может  помешать  подслушивающему,  который  имеет физический  доступ  к  среде  связи,  например,  к  телефонной  линии, путем установки пассивного подслушивающего устройства. Но как я уже объяснил, если кто-либо осуществляет какое-либо измерение квантовой системы, он изменяет ее последующие интерференционные  свойства. От  этого  эффекта зависит протокол связи. Связывающиеся стороны эффективно ставят повторяющиеся эксперименты по интерференции,  согласуя  их  через  общественный  канал связи. Только когда интерференция пройдет проверку на отсутствие подслушивающих, они переходят к следующей  стадии протокола, состоящей  в  том, чтобы использовать некоторую часть переданной  информации в  качестве криптографического ключа. В  худшем случае  упорный  подслушивающий  может  помешать  связи  состояться   (хотя, безусловно,  этого  проще  достичь,  перерезав  телефонную  линию).  Но  что касается чтения сообщения, это может сделать только получатель, для которого оно предназначено, это гарантируют законы физики.

Поскольку  квантовая криптография зависит от манипулирования отдельными фотонами,   она   страдает  от  значительного  ограничения.  Каждый   фотон, переносящий один  бит информации и  получаемый последовательно, должен  быть каким-то  образом передан  невредимым  от отправителя  получателю. Но  любой метод передачи содержит потери, и если они слишком большие, послание никогда не достигнет  своего адресата. Установка ретрансляционных станций  (мера для устранения  этой проблемы в существующих системах  связи) подвергла бы риску секретность,  потому  что  подслушивающий  мог  бы  наблюдать  за  тем,  что происходит внутри  ретрансляционной  станции, не будучи обнаруженным. Лучшие из     существующих     квантово-криптографических     систем     используют волокнооптические кабели  и имеют диапазон  около десяти  километров.  Этого было  бы  достаточно, чтобы обеспечить,  скажем, экономический район  города абсолютно  секретной  внутренней  связью. Возможно,  не  далеки  и  рыночные системы, но чтобы решить  задачу  криптографии с  открытым  ключом  в  общем случае  -- скажем, для  глобальной связи  --  необходимо дальнейшее развитие квантовой криптографии.

Экспериментальные  и теоретические  исследования в  области  квантового вычисления набирают темп во всем мире. Предлагают даже более обещающие новые технологии   реализации  квантовых  компьютеров   и  постоянно  открывают  и анализируют  новые типы  квантового вычисления с  различными  преимуществами перед  классическим   вычислением.  Я  нахожу  все  эти   разработки  весьма захватывающими  и  считаю,  что некоторые из  них  принесут  технологические плоды.  Но для  этой книги данный  вопрос  несущественен.  С фундаментальной точки зрения не имеет значения,  насколько  полезным  оказывается  квантовое вычисление, как не имеет значения и то, построим ли мы первый  универсальный квантовый  компьютер  на следующей неделе, через  века  или не  построим его никогда.  В   любом  случае,  квантовая   теория   вычисления  должна   быть неотъемлемой частью мировоззрения любого человека, ищущего  фундаментального понимания реальности.  То,  что  квантовые компьютеры  говорят  нам о  связи законов физики, универсальности и, на первый взгляд, несвязанных направлений объяснения   в  структуре  реальности,   мы   можем  обнаружить   --  и  уже обнаруживаем, -- изучая их теоретически.

ТЕРМИНОЛОГИЯ

Квантовое     вычисление     --     вычисление,     которое     требует квантово-механических  процессов, особенно  интерференции.  Другими словами, вычисление,   которое   осуществляют  в   сотрудничестве   с   параллельными вселенными.

Экспоненциальное  вычисление  --  вычисление,  требования  к   ресурсам которого   (например,  необходимому   времени)   увеличиваются   примерно  с постоянным множителем при увеличении  вводимого числа на каждый  последующий разряд.

Легко/труднообрабатываемый (Правило быстрых  приближенных расчетов)  -- вычислительная   задача   считается   легкообрабатываемой,   если   ресурсы, необходимые  для  ее выполнения, не увеличиваются экспоненциально  с  ростом количества разрядов вводимого числа.

Хаос  --   неустойчивость  движения  большинства  классических  систем. Небольшая   разница    между    двумя   начальными   состояниями   порождает экспоненциально  растущие отклонения двух результирующих траекторий.  Однако реальность    подчиняется    не    классической,    а    квантовой   физике. Непредсказуемость,  вызванная хаосом, в общем случае перекрывается квантовой неопределенностью,  вызванной  тем,   что  идентичные  вселенные  становятся различными.

Универсальный  квантовый  компьютер  --  компьютер, способный выполнить любое  вычисление,   которое   способен  выполнить  любой  другой  квантовый компьютер, и передать любую конечную физически возможную среду в виртуальной реальности.

Квантовая  криптография  -- любая  форма  криптографии,  которую  можно реализовать на квантовых компьютерах, но невозможно на классических.

Специализированный   квантовый   компьютер   --   квантовый  компьютер, например, квантовое  криптографическое  устройство или  квантовое устройство разложения  на  множители,  который  не   является  универсальным  квантовым компьютером.

Декогерентность  --  когда различные  отрасли  квантового  вычисления в различных   вселенных   по-разному   воздействуют   на   окружающую   среду, интерференция уменьшается, а вычисление может не получиться. Декогерентность --  это главное препятствие  практической  реализации более мощных квантовых компьютеров.

РЕЗЮМЕ

Законы  физики допускают существование компьютеров,  способных передать любую физически возможную  среду, не используя непрактично больших ресурсов. Таким  образом, универсальное  вычисление  не  просто  возможно,  как  этого требовал принцип Тьюринга, оно также является легкообрабатываемым. Квантовые явления могут включать  огромное множество параллельных вселенных, а потому, могут не  поддаться эффективному  моделированию  в пределах одной вселенной. Тем  не менее, эта жизнестойкая форма универсальности по-прежнему остается в силе,  потому  что квантовые  компьютеры  могут  эффективно  передать  любую физически  возможную  квантовую  среду,  даже  при  взаимодействии огромного множества  вселенных.  Квантовые  компьютеры также  могут эффективно  решать определенные  математические  задачи,  например,  разложение  на  множители, которые  с  классических позиций  являются  труднообрабатываемыми,  а  также осуществлять классически невозможные  разновидности  криптографии. Квантовое вычисление -- это качественно новый способ использования природы.

Следующая глава, вероятно, приведет в ярость многих математиков. С этим ничего не поделаешь. Математика -- это не то, чем они ее считают.

(Читатели,   не  знакомые  с  традиционными  допущениями   относительно определенности математического знания,  могут посчитать  главный вывод  этой главы  таковым,  что наше  знание  математической  истины зависит  от нашего знания  физического  мира, и  не  более надежно,  чем  это  знание  является очевидным. Возможно, эти читатели предпочтут только просмотреть  эту главу и сразу же перейти к обсуждению времени в главе 11).