В последние годы устанавливаются все более прочные связи между информацией и физическим миром. Физик Рольф Ландауэр ввел слоган «Информация физична»*, чтобы выразить идею о том, что структурная информация играет определенную роль в законах физики. Он установил тесные связи между информацией и основными постулатами термодинамики. Другие пытались изложить более фундаментальные законы физики в информационных терминах. Третьи предложили более радикальную идею: сама физика может быть полностью связана с обработкой битов.
Игра «Жизнь» Конвея дает наводящую на размышления иллюстрацию. Может ли подобная этой игре система лежать в основе физики нашего мира? Это, конечно, необязательно должна быть именно игра Конвея, но, возможно, нечто похожее. Например, могут ли кварки и фотоны быть отличительными формами в основе трехмерной или четырехмерной сетки, состоящей из битов, – или, возможно, состоящей из кубитов в квантово-механической вселенной?
Эту идею иногда называют цифровой физикой*. Новаторская работа в этой области была проделана Конрадом Цузе, немецким инженером, которого можно считать изобретателем компьютера за работу, проделанную им при создании программируемой вычислительной машины Z3 в 1941 году. В 1969 году он написал книгу под названием «Вычислительное пространство», в которой предположил, что Вселенная может быть своего рода компьютером, основанным на цифровых правилах взаимодействия битов. Версии этой идеи были разработаны рядом других теоретиков, таких как Эдвард Фредкин и Стивен Вольфрам.
Цифровую физику можно кратко описать, используя уже знакомый слоган Джона Уилера «всё-из-бита»*‡. За этим слоганом стоит предположение о том, что физические объекты («всё») основаны на структурной информации («битах»). Уилер представил идею таким образом:
«Каждая физическая величина получает свое конечное значение из битов, двоичных указаний „да“ или „нет“, – вывод, который мы воплощаем во фразе „всё-из-бита“».
Собственная концепция Уилера «всё-из-бита» не совсем ясна. Он связывает ее с идеей «соучаствующей» Вселенной и предполагает участие наблюдателей, которые играют ключевую роль в ней. Наблюдатели задают вопросы, используя измерительные приборы вроде микроскопов и ускорителей частиц, а биты дают ответы. Такая интерпретация его предположения подразумевает элемент идеализма: реальность основана на наблюдениях наблюдателей, а наблюдения – это состояния сознания. Однако слоган Уилера часто понимался как идея о том, что физика основана на цифровых структурах (структурах битов), независимо от того, имеют ли эти биты какую-либо особую связь с наблюдателями или измерительными приборами. Именно так я и буду понимать здесь тезис «всё-из-бита». Тезис гласит, что каждый физический объект и величина основаны на наборе битов.
Ведущие современные теории в физике не формулируются в терминах битов. В них используются более сложные понятия, такие как квантовые волновые функции, позволяющие описать массу, заряд, спин системы и так далее, при этом все они встроены в пространство и время. Но эти теории согласуются с существованием более глубокого уровня, включающего взаимодействие битов или кубитов (отныне я буду в основном говорить «биты», но следует понимать, что это включает и кубиты). При таком подходе современная физика реализуется‡ с помощью цифровой физики, включающей взаимодействие битов.
Слово «реализовать» в речи философов означает что-то вроде «сделать реальным». На практике его можно использовать всякий раз, когда сущности низкого уровня образуют сущность более высокого уровня. Атомы реализуют молекулу, молекулы реализуют клетку и так далее. Тот же глагол можно использовать при обсуждении научных теорий: термодинамика, т. е. высокоуровневая физика давления, температуры и т. п., «реализуется» статистической механикой, которая рассматривает состояния частиц в макросистеме. Огромное количество молекул движется и взаимодействует, из-за чего в системе устанавливаются определенные давление и температура – по сути, молекулярное движение реализует давление. Методы статистической механики позволяют вычислить термодинамические величины.
Точно так же молекулярная физика реализуется атомной физикой, а атомная физика реализуется физикой элементарных частиц. Мы можем вывести молекулярную физику из атомной физики, а атомную физику – из физики элементарных частиц. В каждом случае нижний уровень обеспечивает детальную основу, которая поддерживает более пространную структуру теории более высокого уровня.
Сторонники цифровой физики надеются, что мы сможем вывести из нее нечто похожее на нашу современную физику. Будет базовый уровень, состоящий из битов, взаимодействующих в соответствии с некоторым алгоритмом. Затем мы будем использовать взаимодействие битов для создания частиц и волн с массой и зарядом, взаимодействующих в пространстве и времени. По сути, современная физика будет следствием цифровой физики во многом таким же образом, как термодинамика является следствием статистической механики.
Каким будет положение таких величин, как масса и заряд, в цифровой физике? Они вполне могут быть свойствами высокого уровня, возникающими в результате взаимодействия систем битов. Если так, то они будут реализованы цифровой физикой, но их не будет на самом базовом ее уровне, содержащем лишь биты и алгоритмы их взаимодействия.
На фундаментальном уровне цифровой физике даже не нужно задействовать пространство и время. Ученые, изучающие квантовую гравитацию – слияние квантовой механики с общей теорией относительности, – все чаще развивают теории, в которых пространство и время возникают из чего-то более фундаментального, подобно тому, как давление возникает из-за молекулярного движения. А некоторые теоретики придерживаются идеи, что пространство и время возникают из некой базовой цифровой физики*. Цель состоит в том, чтобы вывести из этого базового уровня структуру пространства и времени. Если мы сможем это сделать, то законы и прогнозы современной физики могут быть извлечены из алгоритмического взаимодействия битов.
Следует сказать, что цифровая физика и гипотеза «всё-из-бита» не особенно популярны в физике. Даже среди теорий квантовой гравитации более перспективными считаются нецифровые подходы, такие как теория струн и петлевая квантовая гравитация. К счастью, для моих целей необязательно, чтобы цифровая физика подтверждалась экспериментально. Важно лишь то, что гипотеза «всё-из-бита» может быть верной и что она, по крайней мере, согласуется с известными утверждениями. В этом отношении гипотеза «всё-из-бита» подобна гипотезе симуляции. На самом деле я не утверждаю, что эти гипотезы верны, а думаю о том, что они говорят о мире и что из них следует.
Мы уже знаем, что если мы находимся в совершенной симуляции, то гипотеза симуляции может быть верна, даже если этот факт никогда не обнаружится. По аналогичным причинам гипотеза «всё-из-бита» может быть верна, даже если этот факт никогда не обнаружится. Предположим, что в нашем мире законы Ньютона определяют все наши наблюдения, и что они идеально реализуются на глубинном уровне взаимодействием битов. Если так, то гипотеза «всё-из-бита» будет верна: объекты в нашей Вселенной основаны на битах. Но если законы Ньютона полны, у нас никогда не будет доказательств гипотезы «всё-из-бита», поскольку биты не просматриваются в том, что мы наблюдаем.
Я назову версию гипотезы «всё-из-бита», в которой мы не можем обнаружить биты, гипотезой совершенного «всё-из-бита». Как и гипотеза совершенной симуляции, гипотеза совершенного «всё-из-бита» может не быть научной, поскольку мы никогда не сумеем получить доказательства за или против нее. Люди, которым не нравятся непроверяемые гипотезы, всегда могут сосредоточиться на несовершенных версиях, в которых биты возможно обнаружить. Тем не менее для философских целей даже непроверяемые гипотезы остаются интересными. Это вполне целостные гипотезы, которые могут быть истинными, и мы по-прежнему можем рассуждать о том, что следует из их истинности.
У гипотезы «всё-из-бита» есть родственная гипотеза без битов. Мы видели, что информация может также включать триты (троичные числа), кубиты (квантовые числа), реалы (действительные числа) и другие базовые элементы. Соответственно, будет физика «всё-из-трита», физика «всё-из-реала» и так далее. Физика «всё-из-трита» может и не быть более правдоподобной, чем физика «всё-из-бита», но физика «всё-из-реала» отражает структуру многих физических теорий с непрерывными величинами. Например, ньютоновскую массу и расстояние можно понимать как реалы, непрерывный аналог битов.
Физики Дэвид Дойч, Сет Ллойд и Паола Зицци исследовали тезис «всё-из-кубита»*, который гласит, что квантовые вычисления лежат в основе физической реальности. Учитывая, что мы живем скорее в квантовой, а не классической вселенной, тезис «всё-из-кубита» в некотором смысле лучше соответствует нашей собственной реальности, чем классический тезис «всё-из-бита». Чтобы избежать лишних сложностей с квантовой механикой, я сосредоточусь в основном на тезисе «всё-из-бита», но многие вещи, которые я выскажу по поводу него, будут в равной степени применимы и к физике «всё-из-кубита».