ÑÈÍÃÓËßÐÍÛÉ KÎÌÏÜÞÒÅÐ |
Ñåò Ëëîéä,
Äæåê Ýíäæè
×åì êîìïüþòåð îòëè÷àåòñÿ îò ÷åðíîé äûðû? Çâó÷èò êàê øóòêà î Microsoft, íî ýòî îäèí èç ñàìûõ ñåðüåçíûõ âîïðîñîâ ñîâðåìåííîé ôèçèêè. Äëÿ áîëüøèíñòâà ëþäåé êîìïüþòåðû - ýòî êðàñèâûå êîðîáêè íà ñòîëå èëè ÷èïû ðàçìåðîì ñ íîãîòü, ðàçìåùåííûå â ñîâðåìåííîé àïïàðàòóðå. Íî äëÿ ôèçèêà âñå ôèçè÷åñêèå ñèñòåìû - êîìïüþòåðû. Êàìíè, àòîìíûå áîìáû è ãàëàêòèêè íå ìîãóò ðàáîòàòü ïîä óïðàâëåíèåì ïîïóëÿðíûõ îïåðàöèîííûõ ñèñòåì, íî îíè ðåãèñòðèðóþò è îáðàáàòûâàþò èíôîðìàöèþ. Ýëåêòðîíû, ôîòîíû è äðóãèå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû íåñóò â ñåáå èíôîðìàöèþ, êîòîðàÿ èçìåíÿåòñÿ êàæäûé ðàç, êîãäà ÷àñòèöû âçàèìîäåéñòâóþò äðóã ñ äðóãîì. Ôèçè÷åñêîå ñóùåñòâîâàíèå è èíôîðìàöèîííîå ñîäåðæàíèå íåðàçðûâíî ñâÿçàíû. Êàê ñêàçàë ôèçèê Äæîí Óèëåð (John Wheeler) èç Ïðèíñòîíñêîãî óíèâåðñèòåòà, "âñå - èç áèòà".
Êàçàëîñü áû, ÷åðíûå äûðû äîëæíû áûòü èñêëþ÷åíèåì èç ýòîãî ïðàâèëà. Ââîä èíôîðìàöèè â íèõ íå ïðåäñòàâëÿåò íèêàêèõ òðóäíîñòåé, íî, ñîãëàñíî îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè, ïîëó÷èòü åå îáðàòíî íåâîçìîæíî. Âåùåñòâî, âõîäÿùåå â äûðó, àññèìèëèðóåòñÿ, è ïîäðîáíîñòè åãî ñòðîåíèÿ òåðÿþòñÿ áåçâîçâðàòíî.  1970-õ ãã. Ñòèâåí Õîêèíã (Stephen Hawking) èç Êåìáðèäæñêîãî óíèâåðñèòåòà ïîêàçàë, ÷òî êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà äîïóñêàåò íàëè÷èå èçëó÷åíèÿ èç ÷åðíûõ äûð: îíè ñâåòÿòñÿ, êàê ðàñêàëåííûé óãîëü. Îäíàêî â õîäå àíàëèçà, ïðîâåäåííîãî Õîêèíãîì, âûÿñíèëîñü, ÷òî èçëó÷åíèå íîñèò ñëó÷àéíûé õàðàêòåð è íå íåñåò íèêàêîé èíôîðìàöèè î òîì, ÷òî ïîïàëî â äûðó. Åñëè áû òóäà ïðîâàëèëñÿ ñëîí, âîçíèêëî áû ýêâèâàëåíòíîå åìó êîëè÷åñòâî ýíåðãèè, êîòîðàÿ, âïðî÷åì, áûëà áû ìåøàíèíîé, è åå íèêàê íåëüçÿ áûëî áû èñïîëüçîâàòü äëÿ âîññîçäàíèÿ æèâîòíîãî.
| ÝÊÑÒÐÅÌÀËÜÍÛÅ ÂÛ×ÈÑËÅÍÈß |
Ñòîëü î÷åâèäíàÿ ïîòåðÿ èíôîðìàöèè âåñüìà çàãàäî÷íà, ïîòîìó ÷òî ïî çàêîíàì êâàíòîâîé ìåõàíèêè èíôîðìàöèÿ ñîõðàíÿåòñÿ. Äðóãèå ó÷åíûå, â òîì ÷èñëå Ëåîíàðä Çþñêèíä (Leonard Susskind) èç Ñòýíôîðäñêîãî óíèâåðñèòåòà, Äæîí Ïðåñêèëë (John Preskill) èç Êàëèôîðíèéñêîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî èíñòèòóòà è Äæåðàðä Õîîôò (Gerard't Hooft) èç Óòðåõòñêîãî óíèâåðñèòåòà â Íèäåðëàíäàõ, óòâåðæäàþò, ÷òî íà ñàìîì äåëå èñïóñêàåìîå èçëó÷åíèå íå ñëó÷àéíî, à ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðåçóëüòàò èíôîðìàöèîííîé îáðàáîòêè óïàâøåãî â ÷åðíóþ äûðó âåùåñòâà. Ïðîøëûì ëåòîì Õîêèíã ïðèñîåäèíèëñÿ ê èõ òî÷êå çðåíèÿ.
×åðíûå äûðû - ïðîñòî ñàìûé ýêçîòè÷åñêèé ïðèìåð îáùåãî ïðèíöèïà, ãëàñÿùåãî, ÷òî Âñåëåííàÿ ðåãèñòðèðóåò è îáðàáàòûâàåò èíôîðìàöèþ. Ñàìà èäåÿ íå íîâà: ñîçäàòåëè ñòàòèñòè÷åñêîé ìåõàíèêè åùå â XIX â. äëÿ îáúÿñíåíèÿ çàêîíîâ òåðìîäèíàìèêè ïðèäóìàëè òî, ÷òî ïîçæå áûëî íàçâàíî òåîðèåé èíôîðìàöèè. Íà ïåðâûé âçãëÿä, òåðìîäèíàìèêà è òåîðèÿ èíôîðìàöèè ïðåäåëüíî äàëåêè: ïåðâàÿ áûëà ðàçðàáîòàíà äëÿ îïèñàíèÿ ïàðîâûõ äâèãàòåëåé, à âòîðàÿ - ÷òîáû îïòèìèçèðîâàòü êàíàëû ñâÿçè. Òåì íå ìåíåå òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ âåëè÷èíà, íàçûâàåìàÿ ýíòðîïèåé, êîòîðàÿ îãðàíè÷èâàåò ñïîñîáíîñòü ïàðîâîãî äâèãàòåëÿ ïðîèçâîäèòü ïîëåçíóþ ðàáîòó, îêàçûâàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíîé ÷èñëó áèòîâ, ðåãèñòðèðóåìûõ ïîëîæåíèÿìè è ñêîðîñòÿìè ìîëåêóë â âåùåñòâå. Ñîçäàííàÿ â XX â. êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà ïîçâîëèëà êîëè÷åñòâåííî îáîñíîâàòü ñâÿçü òåðìîäèíàìèêè ñ èíôîðìàöèåé è ââåñòè ïîíÿòèå êâàíòîâîé èíôîðìàöèè. Âñåëåííàÿ ñîñòîèò èç êâàíòîâûõ áèòîâ - êóáèòîâ, îáëàäàþùèõ ãîðàçäî áîëåå èíòåðåñíûìè ñâîéñòâàìè, ÷åì îáû÷íûå áèòû.
Àíàëèç Âñåëåííîé â òåðìèíàõ áèòîâ è áàéòîâ íå çàìåíÿåò åå ðàññìîòðåíèÿ â ðàìêàõ îáû÷íûõ ïîíÿòèé, òàêèõ êàê ñèëà è ýíåðãèÿ, íî ïîçâîëÿåò âûÿâèòü íîâûå ôàêòû. Íàïðèìåð, â ñòàòèñòè÷åñêîé ìåõàíèêå òàêîé ïîäõîä ïîçâîëèë ðàçðåøèòü ïàðàäîêñ ìàêñâåëëîâñêîãî äåìîíà, êîòîðûé, êàçàëîñü áû, äîïóñêàåò ñóùåñòâîâàíèå âå÷íîãî äâèãàòåëÿ.  ïîñëåäíèå ãîäû ôèçèêè èñïîëüçóþò òàêîé àíàëèç äëÿ èçó÷åíèÿ ïðèðîäû ÷åðíûõ äûð, òîíêîé ñòðóêòóðû ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè â ìàëûõ ìàñøòàáàõ, êîñìè÷åñêîé òåìíîé ýíåðãèè è, íàêîíåö, ñàìûõ ãëóáèííûõ çàêîíîâ ïðèðîäû. Âñåëåííàÿ - íå ïðîñòî ãèãàíòñêèé êîìïüþòåð, à ãèãàíòñêèé êâàíòîâûé êîìïüþòåð. È, êàê ãîâîðèò ôèçèê Ïàîëà Öèööè (Paola Zizzi) èç Ïàäóàíñêîãî óíèâåðñèòåòà, "âñå - èç êóáèòà".
Ãèãàãåðö - ýòî ñëèøêîì ìåäëåííî
Ñëèÿíèå ôèçèêè è òåîðèè èíôîðìàöèè îáåñïå÷èâàåò ãëàâíûé ïðèíöèï êâàíòîâîé ìåõàíèêè, ãëàñÿùèé, ÷òî â ñâîåé îñíîâå ïðèðîäà äèñêðåòíà. Ôèçè÷åñêóþ ñèñòåìó ìîæíî îïèñàòü, èñïîëüçóÿ êîíå÷íîå ÷èñëî áèòîâ. Êàæäàÿ ÷àñòèöà â íåé äåéñòâóåò òî÷íî òàê æå, êàê ëîãè÷åñêèé ýëåìåíò êîìïüþòåðà. Ñïèí ("îñü") ÷àñòèöû ìîæåò óêàçûâàòü â îäíîì èç äâóõ íàïðàâëåíèé, êîäèðóÿ òàêèì îáðàçîì îäèí áèò, è ìîæåò ìåíÿòü íàïðàâëåíèå íà îáðàòíîå ("îïðîêèäûâàòüñÿ"), âûïîëíÿÿ òàêèì îáðàçîì ïðîñòåéøåå âû÷èñëèòåëüíîå äåéñòâèå.
Ñèñòåìà òàêæå äèñêðåòíà âî âðåìåíè: äëÿ èçìåíåíèÿ çíà÷åíèÿ áèòà òðåáóåòñÿ ìèíèìàëüíûé âðåìåííîé ïðîìåæóòîê, òî÷íàÿ âåëè÷èíà êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ òåîðåìîé, íàçâàííîé â ÷åñòü ïèîíåðîâ ôèçèêè îáðàáîòêè èíôîðìàöèè Íîðìàíà Ìàðãîëóñà (Norman Margolus) èç Ìàññà÷óñåòñêîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî èíñòèòóòà è Ëüâà Ëåâèòèíà (Lev Levitin) èç Áîñòîíñêîãî óíèâåðñèòåòà. Òåîðåìà ñâÿçàíà ñ ïðèíöèïîì íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà, êîòîðûé îïèñûâàåò ïðèñóùóþ ïðèðîäå âçàèìîçàâèñèìîñòü ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí, òàêèõ êàê ïîëîæåíèå è èìïóëüñ èëè âðåìÿ è ýíåðãèÿ. Âðåìÿ t, íåîáõîäèìîå äëÿ èçìåíåíèÿ çíà÷åíèÿ áèòà, çàâèñèò îò âåëè÷èíû ïðèëàãàåìîé ýíåðãèè E. ×åì îíà áîëüøå, òåì êîðî÷å âðåìåííîé ïðîìåæóòîê:
t > èëè =h/4E, ãäå h - ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà. Íàïðèìåð, â îäíîì èç ïðîòîòèïîâ êâàíòîâîãî êîìïüþòåðà áèòû êîäèðóþòñÿ îðèåíòàöèåé ïðîòîíîâ, à äëÿ åå èçìåíåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ ìàãíèòíîå ïîëå. Ìàòåìàòè÷åñêèå îïåðàöèè ïðîèñõîäÿò çà ìèíèìàëüíîå âðåìÿ, äîïóñêàåìîå òåîðåìîé Ìàðãîëóñà-Ëåâèòèíà.
| ÊÂÀÍÒÎÂÀß ÀÐÈÔÌÅÒÈÊÀ |
Ó ýòîé òåîðåìû åñòü ìíîæåñòâî ñëåäñòâèé: îò ïðåäåëîâ, íàëàãàåìûõ íà ãåîìåòðèþ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè, äî âû÷èñëèòåëüíûõ âîçìîæíîñòåé Âñåëåííîé â öåëîì. Ðàññìîòðèì ïðåäåëû âû÷èñëèòåëüíîé ìîùíîñòè îáû÷íîé ìàòåðèè - â äàííîì ñëó÷àå îäíîãî êèëîãðàììà âåùåñòâà, çàíèìàþùåãî îáúåì 1 ë. Íàçîâåì íàøå ãèïîòåòè÷åñêîå óñòðîéñòâî ïðåäåëüíûì íîóòáóêîì.
Èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ äëÿ íåãî ñëóæèò ïðîñòî âåùåñòâî, íåïîñðåäñòâåííî ïðåîáðàçóåìîå â ýíåðãèþ ïî èçâåñòíîé ôîðìóëå E = mc2. Åñëè íàïðàâèòü âñþ ýíåðãèþ íà óïðàâëåíèå áèòàìè, êîìïüþòåð ñìîæåò âûïîëíÿòü 1051 îïåðàöèé â ñåêóíäó. Îáúåì ïàìÿòè ìîæíî ðàññ÷èòàòü ñ ïîìîùüþ òåðìîäèíàìèêè. Êîãäà îäèí êèëîãðàìì âåùåñòâà ïðåâðàùàåòñÿ â ýíåðãèþ â îáúåìå 1 ë, åãî òåìïåðàòóðà ðàâíà 1 ìëðä. Ê, à ýíòðîïèÿ, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ ýíåðãèè, äåëåííîé íà òåìïåðàòóðó, ñîîòâåòñòâóåò 1031 áèòàì èíôîðìàöèè. Ïðåäåëüíûé íîóòáóê õðàíèò äàííûå â âèäå ìèêðîñêîïè÷åñêèõ äâèæåíèé è ïîëîæåíèé ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö âíóòðè ñåáÿ. Ïðè ýòîì èñïîëüçóåòñÿ êàæäûé îòäåëüíûé áèò, äîïóñêàåìûé çàêîíàìè òåðìîäèíàìèêè.
Âçàèìîäåéñòâóÿ, ÷àñòèöû ìîãóò çàñòàâëÿòü äðóã äðóãà èçìåíÿòü ñîñòîÿíèå. Ýòîò ïðîöåññ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü â òåðìèíàõ ÿçûêà ïðîãðàììèðîâàíèÿ òèïà C++ èëè Java: ÷àñòèöû - ýòî ïåðåìåííûå, à èõ âçàèìîäåéñòâèÿ - àðèôìåòè÷åñêèå îïåðàöèè. Ñîñòîÿíèå êàæäîãî áèòà ìîæåò èçìåíÿòüñÿ 1020 ðàç â ñåêóíäó, ÷òî ýêâèâàëåíòíî òàêòîâîé ÷àñòîòå ïðîöåññîðà â 100 ãèãàãèãàãåðö (ò.å. 100 ìèëëèàðäîâ ìèëëèàðäîâ ãåðö). Íà ñàìîì äåëå ñèñòåìà äåéñòâóåò ñëèøêîì áûñòðî, ÷òîáû åþ óïðàâëÿë òàêòîâûé ãåíåðàòîð. Âðåìÿ, òðåáóåìîå äëÿ èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ áèòà, ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíî âðåìåíè, â òå÷åíèå êîòîðîãî ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñèãíàë ìåæäó äâóìÿ ñîñåäíèìè ÷àñòèöàìè. Òàêèì îáðàçîì, ïðåäåëüíûé íîóòáóê ðàáîòàåò â ïðåäåëüíî ïàðàëëåëüíîì ðåæèìå: îí äåéñòâóåò íå êàê îäèí ïðîöåññîð, à êàê ìíîæåñòâî ïðîöåññîðîâ, ðàáîòàþùèõ ïî÷òè íåçàâèñèìî è ñðàâíèòåëüíî ìåäëåííî îáìåíèâàþùèõñÿ ðåçóëüòàòàìè.
 îáû÷íîì êîìïüþòåðå ñîäåðæèòñÿ îäèí-åäèíñòâåííûé ïðîöåññîð è ïðèáëèçèòåëüíî 1012 áèòîâ, êîòîðûå ïåðåêëþ÷àþòñÿ ïðèìåðíî 109 ðàç â ñåêóíäó. Åñëè çàêîí Ìóðà áóäåò äåéñòâîâàòü è äàëüøå, òî íàøè ïîòîìêè ñìîãóò êóïèòü ïðåäåëüíûé íîóòáóê óæå â ñåðåäèíå XXIII â. Ïðàâäà, èíæåíåðàì ïðèäåòñÿ íàó÷èòüñÿ òî÷íî óïðàâëÿòü âçàèìîäåéñòâèÿìè ÷àñòèö â ïëàçìå, áîëåå ãîðÿ÷åé, ÷åì ñîëíå÷íîå ÿäðî, à äëÿ ïðîãðàììèðîâàíèÿ êîìïüþòåðà è îáðàáîòêè îøèáîê ïîíàäîáèòñÿ áîëüøàÿ ÷àñòü ïîëîñû ÷àñòîò, èñïîëüçóåìûõ â ñèñòåìàõ ñâÿçè. Êðîìå òîãî, îñòðî âñòàíåò ïðîáëåìà êîìïîíîâêè.
 ïðèíöèïå, òàêîå óñòðîéñòâî ìîæíî êóïèòü óæå ñåãîäíÿ (åñëè çíàòü íóæíûõ ëþäåé). Îäíîêèëîãðàììîâûé êóñîê âåùåñòâà, ïîëíîñòüþ ïðåîáðàçóåìîãî â ýíåðãèþ, - ýòî íàó÷íîå îïðåäåëåíèå 20-ìåãàòîííîé âîäîðîäíîé áîìáû. Âçðûâàþùååñÿ ÿäåðíîå îðóæèå îáðàáàòûâàåò îãðîìíîå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè, èñõîäíûé ñîñòàâ êîòîðîé çàäàåòñÿ íà÷àëüíîé êîíôèãóðàöèåé; ðåçóëüòàò îáðàáîòêè çàêîäèðîâàí â èñïóñêàåìîì èçëó÷åíèè.
Îò íàíîòåõíèêè ê êñåíîòåõíèêå
Åñëè ëþáîé êóñîê âåùåñòâà - ýòî êîìïüþòåð, òî ÷åðíàÿ äûðà - ýòî êîìïüþòåð, ñæàòûé äî íàèìåíüøåãî âîçìîæíîãî ðàçìåðà. Ïî ìåðå ñæàòèÿ ãðàâèòàöèÿ ñòàíîâèòñÿ âñå áîëüøå, è â êîíå÷íîì ñ÷åòå íèêàêîé ìàòåðèàëüíûé îáúåêò íå ìîæåò ïîêèíóòü åãî. Ðàçìåð ÷åðíîé äûðû, íàçûâàåìûé ðàäèóñîì Øâàðöøèëüäà, ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëåí åå ìàññå.
×åðíàÿ äûðà ñ ìàññîé îäèí êèëîãðàìì èìååò ðàäèóñ îêîëî 10-27 ì. (Äëÿ ñðàâíåíèÿ: ðàäèóñ ïðîòîíà ñîñòàâëÿåò 10-15 ì.) Ñæàòèå êîìïüþòåðà íå âëèÿåò íà ñîäåðæàùóþñÿ â íåì ýíåðãèþ, òàê ÷òî îí, êàê è ïðåæäå, ìîæåò âûïîëíÿòü 1051 îïåðàöèé â ñåêóíäó. Èçìåíÿåòñÿ åìêîñòü ïàìÿòè. Êîãäà òÿãîòåíèå íåñóùåñòâåííî, îíà ïðîïîðöèîíàëüíà ÷èñëó ÷àñòèö è, òàêèì îáðàçîì, îáúåìó óñòðîéñòâà. Íî êîãäà ãðàâèòàöèÿ äîìèíèðóåò, îíà ñâÿçûâàåò ÷àñòèöû, òàê ÷òî âñå âìåñòå îíè ñïîñîáíû õðàíèòü ìåíüøåå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè. Ïîëíàÿ åìêîñòü ïàìÿòè ÷åðíîé äûðû ïðîïîðöèîíàëüíà ïëîùàäè åå ïîâåðõíîñòè.  1970-õ ãã. Õîêèíã è ßêîá Áåêåíøòåéí (Jacob Bekenstein) èç Åâðåéñêîãî óíèâåðñèòåòà â Èåðóñàëèìå âû÷èñëèëè, ÷òî îäíîêèëîãðàììîâàÿ ÷åðíàÿ äûðà ìîæåò õðàíèòü ïðèáëèçèòåëüíî 1016 áèòîâ, ò.å. íàìíîãî ìåíüøå, ÷åì òîò æå ñàìûé êîìïüþòåð äî åãî ñæàòèÿ.
Çàòî ÷åðíàÿ äûðà - íàìíîãî áîëåå áûñòðûé ïðîöåññîð. Ôàêòè÷åñêè âðåìÿ èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ áèòà, 10-35 ñ, ðàâíî âðåìåíè, êîòîðîå òðåáóåòñÿ ñâåòó, ÷òîáû ïðîéòè îò îäíîãî êðàÿ êîìïüþòåðà äî äðóãîãî. Òàêèì îáðàçîì, â îòëè÷èå îò ïðåäåëüíîãî íîóòáóêà, êîòîðûé âûïîëíÿåò âñå âû÷èñëåíèÿ ïàðàëëåëüíî, ÷åðíàÿ äûðà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîñëåäîâàòåëüíûé êîìïüþòåð, â ñîñòàâ êîòîðîãî âõîäèò îäèí-åäèíñòâåííûé ïðîöåññîð.
| ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÎÂ |
Ïðåäåëüíûé íîóòáóê è ñèíãóëÿðíûé êîìïüþòåð ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âîïëîùåíèå äâóõ ðàçëè÷íûõ ñïîñîáîâ óâåëè÷åíèÿ âû÷èñëèòåëüíîé ìîùíîñòè. Ïðåäåëüíûé íîóòáóê - ýòî èäåàëüíûé ïàðàëëåëüíûé êîìïüþòåð, ò.å. íåñìåòíîå ìíîæåñòâî ïðîöåññîðîâ, ðàáîòàþùèõ îäíîâðåìåííî. ×åðíàÿ äûðà - ýòî èäåàëüíûé ïîñëåäîâàòåëüíûé êîìïüþòåð: åäèíñòâåííûé ñâåðõìîùíûé ïðîöåññîð, âûïîëíÿþùèé èíñòðóêöèè ïî îäíîé.
Ïðåäåëüíûé íîóòáóê ñîñòîèò èç íàáîðà ÷àñòèö, êîòîðûå õðàíÿò è îáðàáàòûâàþò áèòû. Êàæäàÿ ÷àñòèöà âûïîëíÿåò êîìàíäó çà 10-20 ñ. Çà ýòî âðåìÿ ñèãíàë ìîæåò ïðîéòè íå áîëåå 3x10-12 ì. Èìåííî òàêîâî ñðåäíåå ðàññòîÿíèå ìåæäó ÷àñòèöàìè. Ïîýòîìó îáìåí äàííûìè èäåò çíà÷èòåëüíî ìåäëåííåå, ÷åì âû÷èñëåíèÿ. Îòäåëüíûå ÷àñòè êîìïüþòåðà ðàáîòàþò ïî÷òè íåçàâèñèìî.
Ñèíãóëÿðíûé êîìïüþòåð òàêæå ñîñòîèò èç íàáîðà ÷àñòèö. Èç-çà âëèÿíèÿ ãðàâèòàöèè îíè õðàíÿò ìåíüøåå êîëè÷åñòâî áèòîâ. Íî íà êàæäûé áèò ïðèõîäèòñÿ áîëüøå ýíåðãèè, è ïîýòîìó êàæäàÿ êîìàíäà âûïîëíÿåòñÿ çà 10-35 ñ. Çà ýòî âðåìÿ ñèãíàë óñïåâàåò ïåðåñå÷ü ÷åðíóþ äûðó. Ïîýòîìó â äàííîì ñëó÷àå èíôîðìàöèîííûé îáìåí è âû÷èñëåíèÿ èäóò ñ îäèíàêîâîé ñêîðîñòüþ. Êîìïüþòåð ðàáîòàåò êàê åäèíûé ñóïåðïðîöåññîð.
Êàê ìîã áû ðàáîòàòü ñèíãóëÿðíûé êîìïüþòåð? Ââîä äàííûõ òðóäíîñòè íå ñîñòàâèò: èõ íóæíî ëèøü çàêîäèðîâàòü â âèäå âåùåñòâà èëè ýíåðãèè è ñáðîñèòü â äûðó. Ãîòîâÿ äîëæíûì îáðàçîì ìàòåðèàë, êîòîðûé ïîïàäàåò â äûðó, ìîæíî ïðîãðàììèðîâàòü åå ðàáîòó òàê, ÷òîáû ïðîèçâîäèòü ëþáîå âû÷èñëåíèå. Êàê òîëüêî ìàòåðèàë âõîäèò â äûðó, îí ñòàíîâèòñÿ íåäîñòóïíûì; ðîêîâàÿ ÷åðòà - òàê íàçûâàåìûé ãîðèçîíò ñîáûòèé. Óïàâøèå â äûðó ÷àñòèöû âçàèìîäåéñòâóþò ìåæäó ñîáîé, âûïîëíÿÿ âû÷èñëåíèÿ çà êîíå÷íîå âðåìÿ, ïîêà íå äîñòèãíóò öåíòðà äûðû, ãäå îíè ïåðåñòàþò ñóùåñòâîâàòü. ×òî ïðîèñõîäèò ñ âåùåñòâîì, êîãäà îíî ñèëüíî ñæèìàåòñÿ â ñèíãóëÿðíîñòü, çàâèñèò îò äåòàëåé êâàíòîâîé òåîðèè ãðàâèòàöèè, êîòîðûå íàóêå ïîêà íåèçâåñòíû.
Îäíîêèëîãðàììîâàÿ äûðà èñïóñêàåò èçëó÷åíèå Õîêèíãà (âûõîäíîé ñèãíàë), óìåíüøàåòñÿ â ìàññå è ïîëíîñòüþ èñ÷åçàåò âñåãî çà 10-21 ñ. Äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïèêó èíòåíñèâíîñòè, ðàâíÿåòñÿ ðàäèóñó äûðû. Äëÿ îäíîêèëîãðàììîâîé äûðû ýòî ñîîòâåòñòâóåò ÷ðåçâû÷àéíî èíòåíñèâíîìó ãàììà-èçëó÷åíèþ, êîòîðîå ìîæíî çàðåãèñòðèðîâàòü è ðàñøèôðîâàòü ñ ïîìîùüþ äåòåêòîðà ÷àñòèö.
Ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå Õîêèíãîì, çàñòàâëÿþò ïåðåñìîòðåòü îáùåïðèíÿòîå ïðåäñòàâëåíèå î ÷åðíûõ äûðàõ êàê îá îáúåêòàõ, èç êîòîðûõ âîîáùå íè÷òî íå ìîæåò óñêîëüçíóòü. Èíòåíñèâíîñòü, ñ êîòîðîé ÷åðíûå äûðû èçëó÷àþò, îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà èõ ðàçìåðàì, òàê ÷òî áîëüøèå ÷åðíûå äûðû, íàõîäÿùèåñÿ â öåíòðå ãàëàêòèê, òåðÿþò ýíåðãèþ ãîðàçäî ìåäëåííåå, ÷åì ïîãëîùàþò âåùåñòâî. Îäíàêî â áóäóùåì ó÷åíûå, âîçìîæíî, íàó÷àòñÿ ñîçäàâàòü â óñêîðèòåëÿõ êðîøå÷íûå ÷åðíûå äûðû, êîòîðûå áóäóò ïî÷òè ñðàçó æå âçðûâàòüñÿ ñî âñïûøêîé èçëó÷åíèÿ. ×åðíóþ äûðó ìîæíî ïðåäñòàâèòü íå êàê íåèçìåííûé îáúåêò, à êàê êîðîòêîæèâóùèé ñãóñòîê âåùåñòâà, âûïîëíÿþùèé âû÷èñëåíèÿ ñ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé â ìèðå ñêîðîñòüþ.
Ïëàí ïîáåãà
×òî æå òàêîå èçëó÷åíèå Õîêèíãà: ðåçóëüòàò âû÷èñëåíèé èëè ïðîñòî øóì? Ïîêà òðóäíî ñêàçàòü, íî áîëüøèíñòâî ôèçèêîâ, âêëþ÷àÿ ñàìîãî Õîêèíãà, ñ÷èòàþò ýòî èçëó÷åíèå ðåçóëüòàòîì ïåðåðàáîòêè èíôîðìàöèè, ïîñòóïèâøåé â äûðó â ïðîöåññå åå ôîðìèðîâàíèÿ. Ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî âåùåñòâî íå ìîæåò ïîêèíóòü ÷åðíóþ äûðó, à åãî èíôîðìàöèîííîå ñîäåðæàíèå - ìîæåò.
 ïðîøëîì ãîäó Ãýðè Õîðîâèö (Gary Horowitz) èç Êàëèôîðíèéñêîãî óíèâåðñèòåòà â Ñàíòà-Áàðáàðå è Õóàí Ìàëäàñåíà (Juan Maldacena) èç Èíñòèòóòà óãëóáëåííûõ èññëåäîâàíèé â Ïðèíñòîíå ïðåäïîëîæèëè, ÷òî "èíôîðìàöèîííûé ïîáåã" ìîæåò îáåñïå÷èòü êâàíòîâàÿ ñöåïëåííîñòü ñîñòîÿíèé, ïðè êîòîðîé ñâîéñòâà äâóõ èëè íåñêîëüêèõ ñèñòåì îñòàþòñÿ êîððåëèðîâàííûìè, íåñìîòðÿ íà èõ óäàëåííîñòü â ïðîñòðàíñòâå è âî âðåìåíè. Ñöåïëåííîñòü äîïóñêàåò òåëåïîðòàöèþ, ïðè êîòîðîé èíôîðìàöèÿ ïåðåäàåòñÿ îò îäíîé ÷àñòèöû ê äðóãîé ñ òàêîé òî÷íîñòüþ, ñëîâíî ÷àñòèöà ôàêòè÷åñêè ïåðåíîñèòñÿ èç îäíîãî ìåñòà â äðóãîå ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà.
| ÝÂÎËÞÖÈß ÒÅÎÐÈÈ ×ÅÐÍÛÕ ÄÛÐ |
|
"Îáúåêòû íàñòîëüêî ïëîòíûå, ÷òî íè÷òî, äàæå ñâåò, íå ìîæåò èõ ïîêèíóòü". Òàêîâî îáû÷íîå îïðåäåëåíèå ÷åðíûõ äûð. Ñóäÿ ïî âñåìó, îíî íå ñîâñåì âåðíî. Åùå â ñåðåäèíå 1970-õ ãã. ôèçèêè ïðåäïîëîæèëè, ÷òî èç ÷åðíîé äûðû ìîæåò ïðîñî÷èòüñÿ ýíåðãèÿ. Ñåãîäíÿ ìíîãèå ñ÷èòàþò, ÷òî íàðóæó òàêæå ìîæåò âûðâàòüñÿ è èíôîðìàöèÿ (îïèñûâàþùàÿ ôîðìó, êîòîðóþ ïðèíèìàåò ýíåðãèÿ). Íà äèàãðàììàõ èçîáðàæåíà ÷åðíàÿ äûðà ñ ãèïîòåòè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ, ëåæàùåé âíå ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè.
ÑÎÃËÀÑÍÎ ÄÎÊÂÀÍÒÎÂÎÉ ÔÈÇÈÊÅ, ïðîíèêíóâ çà âíåøíþþ ãðàíèöó äûðû (ãîðèçîíò ñîáûòèé), íè ñàìî âåùåñòâî, íè ñâåäåíèÿ î íåì íå ìîãóò ïîêèíóòü åå. Ìàòåðèÿ ïàäàåò â öåíòð äûðû (ñèíãóëÿðíîñòü), ãäå åå ìàññà àññèìèëèðóåòñÿ, à èíôîðìàöèÿ î íåé èñ÷åçàåò.
ÕÎÊÈÍà ÂÏÅÐÂÛÅ ðàññìîòðåë ÷åðíóþ äûðó ñ ó÷åòîì êâàíòîâûõ ýôôåêòîâ. Íà ãîðèçîíòå ñîáûòèé ìàòåðèàëèçóþòñÿ ïàðû âèðòóàëüíûõ ÷àñòèö (êðàñíûé è ñèíèé øàðû). Îäèí ÷ëåí êàæäîé ïàðû, êàê è ïðî÷àÿ ìàòåðèÿ, ïàäàåò ê ñèíãóëÿðíîñòè, à äðóãîé óñòðåìëÿåòñÿ íàðóæó. Ñïèíû ÷àñòèö ñëó÷àéíû è íå íåñóò íèêàêîé èíôîðìàöèè î âåùåñòâå, ïàäàþùåì âíóòðü.
ÌÎÄÅËÜ ÕÎÐÎÂÈÖÀ-ÌÀËÄÀÑÅÍÛ ïðåäïîëàãàåò, ÷òî óëåòàþùàÿ ÷àñòèöà óíîñèò íå òîëüêî ìàññó, íî è èíôîðìàöèþ. ×àñòèöà êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêè ñöåïëåíà ñ ïàäàþùèì â äûðó ïàðòíåðîì, êîòîðûé, â ñâîþ î÷åðåäü, ñöåïëåí ñ äðóãîé ìàòåðèåé. Ñöåïëåíèå "âûíîñèò" èíôîðìàöèþ î íåé íàðóæó. |
![]() |
×òîáû ïðîäåìîíñòðèðîâàòü òåëåïîðòàöèþ â ëàáîðàòîðèè, ñíà÷àëà òðåáóåòñÿ ïîëó÷èòü äâå ñöåïëåííûå ÷àñòèöû. Çàòåì ïðîâîäèòñÿ èçìåðåíèå îäíîé èç íèõ ñîâìåñòíî ñ âåùåñòâîì, ñîäåðæàùèì èíôîðìàöèþ, êîòîðóþ íóæíî ïåðåäàòü. Èçìåðåíèå ñòèðàåò èíôîðìàöèþ, íàõîäÿùóþñÿ â èñõîäíîì ìåñòå, íî èç-çà ñöåïëåííîñòè îíà â çàêîäèðîâàííîé ôîðìå îêàçûâàåòñÿ íà âòîðîé ÷àñòèöå íåçàâèñèìî îò åå óäàëåííîñòè. Èíôîðìàöèþ ìîæíî èçâëå÷ü, èñïîëüçóÿ â êà÷åñòâå êëþ÷à ðåçóëüòàòû èçìåðåíèÿ.
Ïîäîáíûé ìåõàíèçì ñðàáîòàë áû è â ÷åðíûõ äûðàõ. Íàïðèìåð, íà ãîðèçîíòå ñîáûòèé ìàòåðèàëèçóþòñÿ ïàðû ñöåïëåííûõ ôîòîíîâ. Îäèí èç íèõ ëåòèò íàðóæó è ñòàíîâèòñÿ èçëó÷åíèåì Õîêèíãà, êîòîðîå âèäèò íàáëþäàòåëü. Äðóãîé ïðîâàëèâàåòñÿ âíóòðü è ïîïàäàåò â ñèíãóëÿðíîñòü. Èñ÷åçíîâåíèå ïîïàâøåãî â äûðó ôîòîíà äåéñòâóåò êàê èçìåðåíèå, ïåðåäàâàÿ èíôîðìàöèþ, ñîäåðæàâøóþñÿ â âåùåñòâå, èçëó÷åíèþ Õîêèíãà. Îòëè÷èå îò ëàáîðàòîðíîé òåëåïîðòàöèè ñîñòîèò â òîì, ÷òî äëÿ äåêîäèðîâàíèÿ èíôîðìàöèè ðåçóëüòàòû "èçìåðåíèÿ" íå íóæíû. Õîðîâèö è Ìàëäàñåíà óòâåðæäàþò, ÷òî àííèãèëÿöèÿ ôîòîíà íå ïðåäëàãàåò ðàçíîîáðàçèÿ âîçìîæíûõ ðåçóëüòàòîâ, ò.ê. îí òîëüêî îäèí. Íàáëþäàòåëü, íàõîäÿùèéñÿ âíå äûðû, ìîæåò âû÷èñëèòü åãî, èñïîëüçóÿ áàçîâûå çàêîíû ôèçèêè, è ïîëó÷èòü äîñòóï ê èíôîðìàöèè. Ýòîò ñöåíàðèé íå óêëàäûâàåòñÿ â ðàìêè îáû÷íîé êâàíòîâîé ìåõàíèêè, íî ïðè âñåé ñâîåé ñïîðíîñòè îí íå ëèøåí çäðàâîãî ñìûñëà. Òàê æå, êàê íà÷àëüíàÿ ñèíãóëÿðíîñòü ïðè âîçíèêíîâåíèè Âñåëåííîé, âåðîÿòíî, èìåëà òîëüêî îäíî âîçìîæíîå ñîñòîÿíèå, íå èñêëþ÷åíî, ÷òî êîíå÷íûå ñèíãóëÿðíîñòè â ÷åðíûõ äûðàõ òîæå èìåþò åäèíñòâåííîå ñîñòîÿíèå.  èþíå 2004 ã. Ëëîéä ïîêàçàë, ÷òî ìåõàíèçì Õîðîâèöà-Ìàëäàñåíû óñòîé÷èâ è íå çàâèñèò îò êîíå÷íîãî ñîñòîÿíèÿ, íî õàðàêòåðèçóåòñÿ íåêîòîðîé ïîòåðåé èíôîðìàöèè.
Áûëè ïðåäëîæåíû è äðóãèå ìåõàíèçìû "ïîáåãà", êîòîðûå òàêæå áàçèðóþòñÿ íà ïðè÷óäëèâûõ êâàíòîâûõ ÿâëåíèÿõ.  1996 ã. Ýíäðþ Ñòðîìèíäæåð (Andrew Strominger) è Êóìðàí Âàôà (Cumrun Vafa) èç Ãàðâàðäñêîãî óíèâåðñèòåòà ïðåäïîëîæèëè, ÷òî ÷åðíûå äûðû ñîñòîÿò èç ìíîãîìåðíûõ ñòðóêòóð, íàçûâàåìûõ ìåìáðàíàìè. Èíôîðìàöèÿ, ïàäàþùàÿ â ÷åðíóþ äûðó, ñîõðàíÿåòñÿ â âèäå âîëí â ìåìáðàíàõ è ìîæåò ïîñòåïåííî ïðîñà÷èâàòüñÿ íàðóæó. Ðàíåå Ñàìèð Ìàòõàð (Samir Mathur) èç Óíèâåðñèòåòà øòàòà Îãàéî è åãî ñîòðóäíèêè ìîäåëèðîâàëè ÷åðíóþ äûðó êàê ãèãàíòñêèé êëóáîê ñòðóí, ïðåäñòàâëÿþùèé ñîáîé ñêëàä èíôîðìàöèè, êîòîðóþ íåñóò îáúåêòû, ïàäàþùèå â ÷åðíóþ äûðó. Äûðà æå èñïóñêàåò èçëó÷åíèå, íåñóùåå ýòó èíôîðìàöèþ.  îäíîé èç ïîñëåäíèõ ðàáîò Õîêèíã óòâåðæäàåò, ÷òî êâàíòîâûå ôëóêòóàöèè ïðåïÿòñòâóþò äàæå ôîðìèðîâàíèþ ÷åòêîãî ãîðèçîíòà ñîáûòèé (ñì. "Òåîðèÿ Õîêèíãà", " ìèðå íàóêè", ¹12, 2004 ã.).
Êèáåðíåòè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ
Ñâîéñòâà ÷åðíûõ äûð íåðàçðûâíî ñâÿçàíû ñî ñâîéñòâàìè ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. Òàêèì îáðàçîì, åñëè ÷åðíûå äûðû ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê êîìïüþòåðû, òî æå ñàìîå îòíîñèòñÿ íåïîñðåäñòâåííî ê ïðîñòðàíñòâó-âðåìåíè. Êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà ïðåäñêàçûâàåò, ÷òî ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ, êàê è äðóãèå ôèçè÷åñêèå ñèñòåìû, äèñêðåòíî. Ðàññòîÿíèÿ è èíòåðâàëû âðåìåíè íåâîçìîæíî èçìåðèòü ñ áåñêîíå÷íîé òî÷íîñòüþ, ò.ê. â ìàëûõ ìàñøòàáàõ ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ âûãëÿäèò êàê ïóçûðèñòàÿ ïåíà. Ìàêñèìàëüíîå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè, âìåùàþùååñÿ â íåêîòîðóþ îáëàñòü ïðîñòðàíñòâà, çàâèñèò îò òîãî, íàñêîëüêî ìàëû áèòû, êîòîðûå íå ìîãóò áûòü ìåíüøå ÿ÷ååê ïåíû ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè.
Ôèçèêè ïðåäïîëàãàþò, ÷òî ðàçìåð ÿ÷ååê ñîïîñòàâèì ñ äëèíîé Ïëàíêà lp(ïðèìåðíî 10-35 ì). Ïðè òàêèõ ìàñøòàáàõ âàæíû è êâàíòîâûå êîëåáàíèÿ, è ãðàâèòàöèîííûå ýôôåêòû. Åñëè îöåíêà âåðíà, òî íàì íèêîãäà íå óäàñòñÿ íåïîñðåäñòâåííî íàáëþäàòü ïåíèñòóþ ñòðóêòóðó ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. Íî Ýíäæè, Õåíäðèê âàí Äàì (Hendrik van Dam) èç Óíèâåðñèòåòà Ñåâåðíîé Êàðîëèíû â ×åïåë-Õèëë è Ôðèäæèñ Êàðîëèõàçè (Frigyes Karolyhazy) èç Óíèâåðñèòåòà Ýòâ¸øà Ëîðàíäà â Âåíãðèè ïîêàçàëè, ÷òî ÿ÷åéêè íàìíîãî áîëüøå è ê òîìó æå íå èìåþò íèêàêîãî ôèêñèðîâàííîãî ðàçìåðà: ÷åì áîëüøå îáëàñòü ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè, òåì áîëüøå îáðàçóþùèå åãî ÿ÷åéêè. Íà ïåðâûé âçãëÿä, ýòî ìîæåò ïîêàçàòüñÿ ïàðàäîêñàëüíûì, êàê åñëè áû àòîìû â ñëîíå áûëè áîëüøå, ÷åì â ìûøè. Ëëîéä ïðèøåë ê òàêîìó âûâîäó, ïîëàãàÿñü íà çàêîíû, êîòîðûå îãðàíè÷èâàþò ïðîèçâîäèòåëüíîñòü êîìïüþòåðîâ.
Ïðîöåññ êàðòèðîâàíèÿ ãåîìåòðèè ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè - ñâîåãî ðîäà âû÷èñëåíèå, â êîòîðîì äëÿ èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèé èñïîëüçóåòñÿ ïåðåäà÷à è îáðàáîòêà èíôîðìàöèè. Ïðåäñòàâèì, ÷òî íåêîòîðàÿ îáëàñòü ïðîñòðàíñòâà çàïîëíåíà ðîåì ñïóòíèêîâ Ãëîáàëüíîé íàâèãàöèîííîé ñèñòåìû (GPS), íà êàæäîì èç êîòîðûõ óñòàíîâëåíû ÷àñû è ðàäèîïåðåäàò÷èê. ×òîáû èçìåðèòü ðàññòîÿíèå, ñïóòíèê ïîñûëàåò ñèãíàë è èçìåðÿåò, ñêîëüêî âðåìåíè ïðîõîäèò äî åãî ïðèáûòèÿ. Òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ çàâèñèò îò òîãî, êàê ÷àñòî òèêàþò ÷àñû. Òèêàíüå ÷àñîâ - ýòî òîæå âû÷èñëèòåëüíàÿ îïåðàöèÿ, òàê ÷òî åãî ìàêñèìàëüíàÿ ÷àñòîòà çàäàåòñÿ òåîðåìîé Ìàðãîëóñà-Ëåâèòèíà, ñîãëàñíî êîòîðîé âðåìÿ ìåæäó òèêàìè îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî ýíåðãèè.
| ÎÁÑ×ÅÒ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÀ ÂÐÅÌÅÍÈ |
×òîáû ñîñòàâèòü êàðòó íåêîòîðîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà, ìîæíî èñïîëüçîâàòü GPS-ñïóòíèêè, êîòîðûå ïîñûëàþò ñèãíàëû è èçìåðÿþò âðåìÿ èõ ïðèõîäà. Äëÿ äîñòèæåíèÿ ìàêñèìàëüíîé òî÷íîñòè íåîáõîäèìî ìíîæåñòâî ñïóòíèêîâ. Âïðî÷åì, åñëè èõ áóäåò ñëèøêîì ìíîãî, òî âñÿ ñèñòåìà êîëëàïñèðóåò â ÷åðíóþ äûðó.


×òîáû èçìåðèòü îáëàñòü âäâîå áîëüøåãî ðàçìåðà, ìîæíî èñïîëüçîâàòü âäâîå áîëüøå ñïóòíèêîâ. Íî, ïîñêîëüêó îáúåì âîçðàñòàåò â âîñåìü ðàç,ñïóòíèêè îêàæóòñÿ ðàñïîëîæåííûìè äàëüøå äðóã îò äðóãà, è êàæäîìó èç íèõïðèäåòñÿ îõâàòûâàòü áîëüøóþ ïîäîáëàñòü.  ðåçóëüòàòå êàæäîìó èçìåðåíèþ áóäåò óäåëÿòüñÿ ìåíüøå âíèìàíèÿ, è îáùàÿ òî÷íîñòü ñíèçèòñÿ.
Ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ çàâèñèò îò ðàçìåðîâ èçìåðÿåìîãî îáúåêòà: ÷åì îí êðóïíåå, òåì ìåíåå ÷åòêîé ñòàíîâèòñÿ åãî ñòðóêòóðà. Ýòî íå ñîãëàñóåòñÿ ñ íàøèì ïîâñåäíåâíûì îïûòîì, êîòîðûé ïîäñêàçûâàåò íàì, ÷òî íåòî÷íîñòü çàâèñèò íå îò îáúåêòà èçìåðåíèÿ, à îò òîãî, íàñêîëüêî ìåëêà øêàëà ëèíåéêè. Ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî âûáîð îáúåêòà èçìåðåíèÿ âëèÿåò íà òîíêóþ ñòðóêòóðó ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè.
Ýíåðãèÿ, â ñâîþ î÷åðåäü, òàêæå îãðàíè÷åíà. Åñëè âû ñíàáäèòå ñïóòíèêè ñëèøêîì áîëüøîé ýíåðãèåé èëè ðàçìåñòèòå èõ ÷åðåñ÷óð áëèçêî äðóã ê äðóãó, îíè îáðàçóþò ÷åðíóþ äûðó è áîëüøå íå ñìîãóò ó÷àñòâîâàòü â êàðòîãðàôèðîâàíèè. (×åðíàÿ äûðà èñïóñêàåò èçëó÷åíèå Õîêèíãà, îäíàêî åãî íåëüçÿ èñïîëüçîâàòü äëÿ èçó÷åíèÿ âíóòðåííåé ñòðóêòóðû äûðû, ïîñêîëüêó äëèíà âîëíû ñîïîñòàâèìà ñ åå äèàìåòðîì.) Ìàêñèìàëüíàÿ ïîëíàÿ ýíåðãèÿ òàêîãî ñîçâåçäèÿ ñïóòíèêîâ ïðîïîðöèîíàëüíà ðàäèóñó íàíîñèìîé íà êàðòó îáëàñòè.
Òàêèì îáðàçîì, ýíåðãèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ ìåäëåííåå, ÷åì îáúåì îáëàñòè. Ïî ìåðå òîãî êàê îáëàñòü ñòàíîâèòñÿ áîëüøå, êàðòîãðàô ñòàëêèâàåòñÿ ñ íåèçáåæíûì êîìïðîìèññîì: óìåíüøàòü ïëîòíîñòü ñïóòíèêîâ (òàê, ÷òî îíè áóäóò îòñòîÿòü äàëüøå äðóã îò äðóãà) èëè óìåíüøàòü ýíåðãèþ, äîñòóïíóþ êàæäîìó èç íèõ (òàê, ÷òî èõ ÷àñû áóäóò ðàáîòàòü ìåäëåííåå).  ëþáîì ñëó÷àå èçìåðåíèÿ ñòàíîâÿòñÿ ìåíåå òî÷íûìè. Ìàòåìàòè÷åñêè çà âðåìÿ, êîòîðîå òðåáóåòñÿ äëÿ ïîñòðîåíèÿ êàðòû îáëàñòè ñ ðàäèóñîì R, îáùåå êîëè÷åñòâî òàêòîâ, îòñ÷èòàííûõ ÷àñàìè íà âñåõ ñïóòíèêàõ, ðàâíî R2/lp2. Åñëè ÷àñû êàæäîãî ñïóòíèêà â ïðîöåññå êàðòîãðàôèðîâàíèÿ ñðàáàòûâàþò â òî÷íîñòè îäèí ðàç, òî ñïóòíèêè ðàçäåëåíû ñðåäíèì ðàññòîÿíèåì R1/3lp2/3.  îäíîé ïîäîáëàñòè ìîæíî èçìåðèòü è ìåíüøèå ðàññòîÿíèÿ, íî òîëüêî çà ñ÷åò ìåíüøåé òî÷íîñòè èçìåðåíèé â íåêîòîðîé äðóãîé ïîäîáëàñòè. Ýòîò àðãóìåíò ïðèìåíèì, äàæå åñëè ïðîñòðàíñòâî ðàñøèðÿåòñÿ.
Ïî ýòîé ôîðìóëå âû÷èñëÿåòñÿ ìàêñèìàëüíàÿ òî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé, êîòîðàÿ äîñòèãàåòñÿ òîãäà, êîãäà èçìåðèòåëüíûé ïðèáîð íàõîäèòñÿ íà ãðàíè ïðåâðàùåíèÿ â ÷åðíóþ äûðó.  áîëåå ìåëêîì ìàñøòàáå ãåîìåòðèÿ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè ïðîñòî ïðåêðàùàåò ñóùåñòâîâàòü. Óðîâåíü ïîãðåøíîñòè ãîðàçäî áîëüøå, ÷åì äëèíà Ïëàíêà, íî âñå æå îí î÷åíü ìàë. Ñðåäíÿÿ îøèáêà èçìåðåíèÿ ðàçìåðà âèäèìîé Âñåëåííîé - îêîëî 10-15 ì. Íî äàæå òàêóþ íåòî÷íîñòü ìîæíî áûëî áû îáíàðóæèòü ñ ïîìîùüþ ïðåöèçèîííîãî îáîðóäîâàíèÿ äëÿ èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèé, êîòîðîå áóäåò èñïîëüçîâàòüñÿ â îáñåðâàòîðèÿõ ãðàâèòàöèîííûõ âîëí.
Äëÿ òåîðåòèêîâ ýòîò ðåçóëüòàò âàæåí ïðåæäå âñåãî ïîòîìó, ÷òî îí ïîçâîëÿåò ïî-íîâîìó âçãëÿíóòü íà ÷åðíûå äûðû. Òàê, Ýíäæè ïîêàçàë, ÷òî, ïðèíÿâ âî âíèìàíèå ñòðàííóþ çàâèñèìîñòü ôëóêòóàöèé ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè îò êóáè÷åñêîãî êîðíÿ èç ðàññòîÿíèÿ, ìîæíî åùå îäíèì ñïîñîáîì âûâåñòè ôîðìóëó Áåêåíøòåéíà-Õîêèíãà äëÿ îáúåìà ïàìÿòè ÷åðíîé äûðû. Îòñþäà æå ñëåäóåò è óíèâåðñàëüíîå îãðàíè÷åíèå íà âñå ñèíãóëÿðíûå êîìïüþòåðû: ÷èñëî áèòîâ ïàìÿòè ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòó ñêîðîñòè âû÷èñëåíèé. Êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè, ðàâíûé Gh/c5, ìàòåìàòè÷åñêè ñâÿçûâàåò èíôîðìàöèþ è ÷àñòíóþ òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè (ãäå îïðåäåëÿþùèì ïàðàìåòðîì ÿâëÿåòñÿ ñêîðîñòü ñâåòà c ñ îáùåé òåîðèåé îòíîñèòåëüíîñòè (ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ G) è êâàíòîâîé ìåõàíèêîé h. Èç ïîëó÷åííîãî ðåçóëüòàòà âûòåêàåò è ãîëîãðàôè÷åñêèé ïðèíöèï, ñîãëàñíî êîòîðîìó íàøà òðåõìåðíàÿ Âñåëåííàÿ íà ñàìîì äåëå äâóìåðíà. Ìàêñèìàëüíîå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè, êîòîðîå ìîæåò õðàíèòü ëþáàÿ îáëàñòü ïðîñòðàíñòâà, ïî-âèäèìîìó, ïðîïîðöèîíàëüíî íå îáúåìó, à ïëîùàäè åå ïîâåðõíîñòè (ñì. "Èíôîðìàöèÿ â ãîëîãðàôè÷åñêîé Âñåëåííîé", " ìèðå íàóêè", ¹11, 2003 ã.). Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ãîëîãðàôè÷åñêèé ïðèíöèï ñâÿçàí ñ íåèçâåñòíûìè äåòàëÿìè êâàíòîâîé òåîðèè ãðàâèòàöèè, îäíàêî åãî ìîæíî ðàññìàòðèâàòü è êàê ñëåäñòâèå ôóíäàìåíòàëüíûõ êâàíòîâûõ ïðåäåëîâ òî÷íîñòè èçìåðåíèé.
Îòâåò: 42
Ïðèíöèïû âû÷èñëåíèé ìîæíî ïðèìåíèòü íå òîëüêî ê ñàìûì êîìïàêòíûì (÷åðíûå äûðû) è ñàìûì êðîøå÷íûì (ïåíà ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè) êîìïüþòåðàì, íî è ê âåëè÷àéøåìó ñðåäè íèõ - ê Âñåëåííîé. Âñåëåííàÿ âïîëíå ìîæåò áûòü áåñêîíå÷íîé â ïðîñòðàíñòâå, íî îíà ñóùåñòâóåò â òå÷åíèå êîíå÷íîãî îòðåçêà âðåìåíè, ïî êðàéíåé ìåðå - â åå ñóùåñòâóþùåé ôîðìå. Íàáëþäàåìàÿ åå ÷àñòü â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñîñòàâëÿåò â ïîïåðå÷íèêå íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìèëëèàðäîâ ñâåòîâûõ ëåò. ×òîáû ìû ìîãëè óçíàòü ðåçóëüòàòû âû÷èñëåíèé, âñå äîëæíî ïðîèñõîäèòü â ïðåäåëàõ ýòîãî ïðîñòðàíñòâà.
Èç ïðèâåäåííîãî âûøå àíàëèçà òèêàíüÿ ÷àñîâ ñëåäóåò, ÷òî çà âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ Âñåëåííîé â íåé ìîãëî áûòü âûïîëíåíî íå áîëåå 10123 äåéñòâèé. Ñîïîñòàâüòå ýòîò ïðåäåë ñ ïîâåäåíèåì âèäèìîé ìàòåðèè, òåìíîé ìàòåðèè è òàê íàçûâàåìîé òåìíîé ýíåðãèè, êîòîðàÿ çàñòàâëÿåò Âñåëåííóþ ðàñøèðÿòüñÿ ñî âñå âîçðàñòàþùåé ñêîðîñòüþ. Íàáëþäàåìàÿ êîñìè÷åñêàÿ ïëîòíîñòü ýíåðãèè - îêîëî 10-9 Äæ/ì3, òàê ÷òî Âñåëåííàÿ ñîäåðæèò 1072 Äæ ýíåðãèè. Ñîãëàñíî òåîðåìå Ìàðãîëóñà-Ëåâèòèíà, Âñåëåííàÿ ìîæåò âûïîëíÿòü äî 10106 äåéñòâèé â ñåêóíäó, ÷òî è äàåò îáùåå êîëè÷åñòâî äåéñòâèé 10123 çà âñå âðåìÿ åå ñóùåñòâîâàíèÿ. Èíûìè ñëîâàìè, Âñåëåííàÿ âûïîëíèëà ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîå ÷èñëî äåéñòâèé, äîïóñêàåìîå çàêîíàìè ôèçèêè.
×òîáû âû÷èñëèòü ïîëíóþ åìêîñòü ïàìÿòè îáû÷íîé ìàòåðèè, ìîæíî ïðèìåíèòü ñòàíäàðòíûå ìåòîäû ñòàòèñòè÷åñêîé ìåõàíèêè è êîñìîëîãèè. Ìàòåðèÿ ìîæåò âìåùàòü íàèáîëüøåå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè, êîãäà îíà ïðåîáðàçîâàíà â ÷àñòèöû áåç ìàññû ñ âûñîêîé ýíåðãèåé òèïà íåéòðèíî èëè ôîòîíîâ, ïëîòíîñòü ýíòðîïèè êîòîðûõ ïðîïîðöèîíàëüíà êóáó èõ òåìïåðàòóðû. Ïëîòíîñòü ýíåðãèè ÷àñòèö (îïðåäåëÿþùàÿ ÷èñëî äåéñòâèé, êîòîðîå îíè ìîãóò èñïîëíèòü) çàâèñèò îò ÷åòâåðòîé ñòåïåíè èõ òåìïåðàòóðû. Ïîýòîìó îáùåå êîëè÷åñòâî áèòîâ ðàâíî ÷èñëó îïåðàöèé, âîçâåäåííîìó â ñòåïåíü òðè ÷åòâåðòè. Äëÿ Âñåëåííîé â öåëîì ýòî ñîñòàâëÿåò 1092 áèò. Åñëè ÷àñòèöû ñîäåðæàò íåêîòîðóþ âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó, ÷èñëî áèòîâ ìîãëî áû áûòü íåñêîëüêî âûøå. Ýòè áèòû ïåðåêëþ÷àþòñÿ áûñòðåå, ÷åì îáùàþòñÿ ìåæäó ñîáîé, òàê ÷òî îáû÷íàÿ ìàòåðèÿ - â âûñîêîé ñòåïåíè ïàðàëëåëüíûé êîìïüþòåð, ïîäîáíûé ïðåäåëüíîìó íîóòáóêó è îòëè÷àþùèéñÿ îò ÷åðíîé äûðû. 
Âñåëåííàÿ - ýòî êîìïüþòåð, ñîñòîÿùèé èç äâóõ òèïîâ êîìïîíåíòîâ. Ìàòåðèÿ (êðàñíàÿ) î÷åíü äèíàìè÷íà è ðàáîòàåò êàê áûñòðîäåéñòâóþùèé ïàðàëëåëüíûé êîìïüþòåð. Òåìíàÿ ýíåðãèÿ (ñåðàÿ), íàîáîðîò, ñòàòè÷íà: îíà ôóíêöèîíèðóåò êàê ïîñëåäîâàòåëüíûé êîìïüþòåð ñ ìåíüøèì áûñòðîäåéñòâèåì. Computo, ergo sum.
(Âû÷èñëÿþ - çíà÷èò, ñóùåñòâóþ.)
×òî æå êàñàåòñÿ òåìíîé ýíåðãèè, ôèçèêè ïîêà íå çíàþò, ÷òî ýòî òàêîå, íå ãîâîðÿ óæå î òîì, êàê âû÷èñëèòü, ñêîëüêî èíôîðìàöèè îíà ìîæåò õðàíèòü. Íî â ãîëîãðàôè÷åñêîì ïðèíöèïå ïîäðàçóìåâàåòñÿ, ÷òî Âñåëåííàÿ ìîæåò õðàíèòü ìàêñèìóì 10123 áèòà - ïî÷òè òî æå ñàìîå, ÷òî è îáùåå ÷èñëî îïåðàöèé. Ýòî ïðèáëèçèòåëüíîå ðàâåíñòâî - íå ñëó÷àéíîå ñîâïàäåíèå. Íàøà Âñåëåííàÿ áëèçêà ê åå êðèòè÷åñêîé ïëîòíîñòè. Åñëè áû ïëîòíîñòü áûëà íåìíîãî áîëüøå, Âñåëåííàÿ, âîçìîæíî, èñïûòàëà áû ãðàâèòàöèîííûé êîëëàïñ, òî÷íî òàê æå, êàê ìàòåðèÿ, ïàäàþùàÿ â ÷åðíóþ äûðó. Òàê ÷òî âûïîëíÿþòñÿ (èëè ïî÷òè âûïîëíÿþòñÿ) óñëîâèÿ äëÿ ïðèáëèæåíèÿ ê ìàêñèìóìó ÷èñëà âû÷èñëåíèé. Ýòî ìàêñèìàëüíîå ÷èñëî ðàâíî R2/lp2, êîòîðîå ÿâëÿåòñÿ òåì æå ñàìûì, ÷òî è ÷èñëî áèòîâ, äàâàåìîå ãîëîãðàôè÷åñêèì ïðèíöèïîì.  êàæäîé ýïîõå åå èñòîðèè ìàêñèìàëüíîå ÷èñëî áèòîâ, êîòîðûå Âñåëåííàÿ ìîæåò ñîäåðæàòü, ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíî ÷èñëó äåéñòâèé, êîòîðûå îíà, âîçìîæíî, âûïîëíèëà äî ýòîãî ìîìåíòà.
Ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå, ÷òî îáû÷íàÿ ìàòåðèÿ ïîäâåðãàåòñÿ îãðîìíîìó ÷èñëó îïåðàöèé, òåìíàÿ ýíåðãèÿ âåäåò ñåáÿ ñîâåðøåííî èíà÷å. Åñëè îíà êîäèðóåò ìàêñèìàëüíîå ÷èñëî áèòîâ, äîïóñêàåìûõ ãîëîãðàôè÷åñêèì ïðèíöèïîì, òî ó ïîäàâëÿþùåãî èõ áîëüøèíñòâà â òå÷åíèå âñåé êîñìè÷åñêîé èñòîðèè õâàòèëî âðåìåíè òîëüêî íà òî, ÷òîáû èçìåíèòü ñîñòîÿíèå íå áîëüøå îäíîãî ðàçà. Òàê ÷òî ýòè íåîáû÷íûå áèòû - ïðîñòûå çðèòåëè âû÷èñëåíèé, âûïîëíÿåìûõ ñ ãîðàçäî áîëåå âûñîêèìè ñêîðîñòÿìè ìåíüøèì ÷èñëîì îáû÷íûõ áèòîâ. Íåçàâèñèìî îò òîãî, ÷òî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òåìíàÿ ýíåðãèÿ, îíà íå âûïîëíÿåò áîëüøîãî êîëè÷åñòâà âû÷èñëåíèé è íå äîëæíà ýòîãî äåëàòü. Åå íàçíà÷åíèå - îáåñïå÷åíèå íåäîñòàþùåé ìàññû Âñåëåííîé è óñêîðåíèÿ åå ðàñøèðåíèÿ - ïðîñòûå â âû÷èñëèòåëüíîì îòíîøåíèè çàäà÷è.
×òî æå Âñåëåííàÿ âû÷èñëÿåò? Íàñêîëüêî ìû ìîæåì ñóäèòü, îíà íå èùåò îòâåòà íà åäèíñòâåííûé âîïðîñ, ïîäîáíî ãèãàíòñêîìó êîìïüþòåðó èç "Ïóòåâîäèòåëÿ äëÿ ïóòåøåñòâóþùèõ àâòîñòîïîì ïî Ãàëàêòèêå" Äóãëàñà Àäàìñà. Âìåñòî ýòîãî Âñåëåííàÿ âû÷èñëÿåò ñàìà ñåáÿ. Óïðàâëÿåìàÿ "ïðîãðàììíûì îáåñïå÷åíèåì" Ñòàíäàðòíîé ìîäåëè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö è âçàèìîäåéñòâèé, Âñåëåííàÿ âû÷èñëÿåò êâàíòîâûå ïîëÿ, õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, áàêòåðèè, ëþäåé, çâåçäû è ãàëàêòèêè. È, âû÷èñëÿÿ, îíà îòîáðàæàåò ñâîþ ãåîìåòðèþ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè ñ ïðåäåëüíîé òî÷íîñòüþ, äîïóñêàåìîé çàêîíàìè ôèçèêè. Âû÷èñëåíèå è åñòü åå ñóùåñòâîâàíèå.
Ýòè ðåçóëüòàòû ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ íà îáû÷íûå êîìïüþòåðû, íà ÷åðíûå äûðû, íà ïåíó ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè è íà âåñü Êîñìîñ, äîêàçûâàÿ ñîáîé åäèíñòâî ïðèðîäû. Îíè äåìîíñòðèðóþò âçàèìîñâÿçè îáùèõ ïðåäñòàâëåíèé ôóíäàìåíòàëüíîé ôèçèêè. Õîòÿ ôèçèêè åùå íå îáëàäàþò ïîëíîé êâàíòîâîé òåîðèåé ãðàâèòàöèè, íî êàêîâà áû íè áûëà ýòà òåîðèÿ, îíà ãëóáîêî ñâÿçàíà ñ êâàíòîâîé èíôîðìàöèåé. Âñå èç êóáèòà.
ÎÁ ÀÂÒÎÐÀÕ:
Ñåò Ëëîéä (Seth Lloyd) è Äæåê Ýíäæè (Y. Jack NG) ïîñâÿòèëè ñåáÿ äâóì ñàìûì çàõâàòûâàþùèì îáëàñòÿì òåîðåòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé: êâàíòîâîé òåîðèè èíôîðìàöèè è êâàíòîâîé òåîðèè ãðàâèòàöèè. Ëëîéä, çàíèìàþùèé ïîñò ïðîôåññîðà êâàíòîâîìåõàíè÷åñêîé òåõíîëîãèè â Ìàññà÷óñåòñêîì òåõíîëîãè÷åñêîì èíñòèòóòå, ñîçäàë ïåðâûé â ìèðå êâàíòîâûé êîìïüþòåð. Ïðîôåññîð ôèçèêè èç Óíèâåðñèòåòà Ñåâåðíîé Êàðîëèíû Ýíäæè çàíèìàåòñÿ èçó÷åíèåì ôóíäàìåíòàëüíîé ïðèðîäû ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. Îí ïðåäëîæèë íåñêîëüêî ñïîñîáîâ ýêñïåðèìåíòàëüíîãî îáíàðóæåíèÿ êâàíòîâîé ñòðóêòóðû ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè.
ÄÎÏÎËÍÈÒÅËÜÍÀß ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ:
| Ðóáðèêè: | Ïî È-íåòó |
| Êîììåíòèðîâàòü | « Ïðåä. çàïèñü — Ê äíåâíèêó — Ñëåä. çàïèñü » | Ñòðàíèöû: [1] [Íîâûå] |