Энергия и информация

С самого начала наука физика имела дело с вещами, которые умеют двигаться сами по себе, не предполагая никакого сознательного вмешательства. Хотя мы часто устраиваем физические события ради практического интереса, собственно физическая часть никоим образом не зависит от наших намерений — и надо приспосабливать наши ожидания к объективным законам, а не насиловать природу, требуя от нее удовлетворения любых наших прихотей.

Напротив, обмен информацией изначально призван обслуживать человеческое общение. Может показаться, что в каких-то электронных устройствах и компьютерных сетях информация гуляет сама по себе и может вполне обходиться без людей, задача и первоисточник всякого обмена данными — человеческая потребность, даже если эту связь непрямую не проследить. Без этого культурного контекста — останутся лишь случайные физические процессы в электронных цепях, без какого-либо потока информации, — если, конечно, на базе этого железа не разовьется разум особого типа, культура сообщества роботов. Как говорил один мой коллега: "Не врубаюсь. Почему мы рассчитываем нагрев серверной по сумме мощностей блоков питания? Тонны информации обрабатываются каждое мгновение и сохраняются на дисках... Должна же хоть часть энергии переходить в результаты вычислений!" И все же, с физической точки зрения, любые вычисления — лишь извращенный способ генерации тепла. Запись 0 или 1 в модуле памяти требует вполне определенных энергозатрат, а любая осмысленная интерпретация полученных таким образом физических структур — вне компьютера. Точно так же, как механическим весам абсолютно без разницы, что мы собираемся взвешивать: слиток золота или кусок пирога.

Информация — это преднамеренное упорядочение вещей а не вещи как таковые. Одно и то же физическое состояние может нести ценную информацию — и стать бессмысленным, с исчезновением последнего возможного интерпретатора. Например, буквы в этом тексте могут сообщить мои соображения кому-то достаточно разумному, кто мог бы со мной согласиться или поспорить, — но если никто не откроет эту страницу, они останутся чистым совпадением обстоятельств, случайной последовательностью.

Тем не менее, если не вдаваться в мистические спекуляции, мы обязаны учитывать, что организовать вещи так, чтобы они были стали носителями информации, нельзя без некоторых физических усилий — и при этом неизбежна диссипация энергии. В консервативной системе, где нет выделения теплоты, не может быть информационного обмена. Другими словами, наводя порядок в одном месте, мы неизбежно создаем беспорядок в другом. В термодинамике эта идея представлена понятием энтропии, и физики дружно согласны, что в изолированной физической системе энтропия уменьшаться не может. На этом основании можно было бы поддаться искушению трактовать всякое изменение энтропии как акт коммуникации, и рассматривать информацию как физическую величину. Но здесь элементарная логическая ошибка: если передача информации требует потоков энтропии, это вовсе не означает, что и обратное верно, что энтропийные процессы всегда связаны с обменом сообщениями. По той же логике, можно было бы, например, напрямую связать мускульную силу с количеством еды.

При определенных условиях, энтропия вполне может служить мерой информации; в других ситуациях — больше подходят иные меры (например, деньги). Восстанавливая логику, можно было бы, наоборот, определить нечто вроде энтропии для каждого способа измерения информации — так что окажется возможным говорить о термодинамике коммуникации и обработки информации. Но тут есть свои принципиальные моменты. Так, печально известная сказка Пенроуза о квантовом сознании пыталась свести психику к физике. Более трезвый подход может принять подобные построения только в качестве яркой метафоры — иногда полезной, иногда нет. В физике мы встречаемся с многочисленными метафорами такого рода, вроде отрицательных температур или обратного движения во времени; все знают, что эти образные выражения ссылаются на обычные физические явления, которые можно описывать (хотя, может быть, чуть сложнее) более сдержанным языком — и температуры останутся положительными, и время сохранить свою интуитивную направленность.

Важно помнить, что количественные оценки информации — далеко не всегда именно то, что нам нужно. Бывают ситуации, когда качественное описание намного точнее. Так, мы вправе обсуждать моральные аспекты коммуникации, характеризуя некоторое сообщение как дезинформацию или гнусную ложь. Можно обратить внимание на своевременность, уместность или полноту информации, говорить о ее целостности или приемлемости. Нет никакой нужды в том, чтобы на все навешивать числа, — количественные оценки полезны только в условиях существования социально выработанной шкалы, допускающей достаточно тонкие градации. Во многих практически важных случаях численные значения остаются всего лишь абстрактными метками, которые вполне можно было бы заменить обычными словами или пиктограммами, выражая то же самое более очевидным и легко воспринимаемым способом. В научном эксперименте есть железное правило: чтобы избежать мнимых регулярностей, точность расчета не должна превышать точности исходных данных; тот же принцип следовало бы принять на вооружение и теоретикам — и в частности, избегать численных ответов на качественные вопросы, где вся количественная машинерия оказывается совершенно излишней, создавая иллюзию более глубокого знания, чем есть на самом деле.

Возвращаясь к вопросу о необходимости физического движения для человеческого общения, можно задаться вопросом: а нет ли тут какого-то встроенного ограничения, так что нельзя передавать информацию с энергозатратами ниже некоторой величины? Существование такого порога кажется вполне естественным — особенно при взгляде на квантовую картину мира, с ее дискретностями и резонансными явлениями. Но вспомним, что в квантовой механике любая дискретность вложена в какой-то континуум: ни в одной сложной системе не бывает абсолютно стабильных состояний, и максимум возможного — очень большие времена жизни, сравнимые с возрастом Вселенной. Приходится принять, что энергетический порог для обмена информацией определяется не содержанием сообщения, а чисто физическими ограничениями на канал связи.

Например, в теории квантовых вычислений есть чуть ли на классический принцип Ландауэра: обработка 1 бита информации рассеивает энергию не меньше kTlog2, где k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура. Тогда, в условиях стремительного роста потоков обрабатываемой информации в современных компьютерах, эта пороговая величина, при всей своей малости, может быть вполне измеримой. Вероятно, мы уже приближаемся к такому уровню эффективности, при котором вступают в игру подобные "физические" ограничения.

Но с логической точки зрения тут сплошные дыры. Если трактовать компьютер как физическую систему — мы имеем право изучать лишь тепловые процессы, и ни о каком обмене информацией речи нет. Формула Ландауэра выведена для элементарного квантового перехода, вроде изменения проекции спина электрона. Такую систему вполне можно считать двоичным переключателем и детально обсуждать ее термодинамические свойства. Но даже в этой физической картине существование нижнего порога полностью обусловлено статистической природой процесса, в предположении, что есть обширный ансамбль "свободных" двоичных переключателей, которые не взаимодействуют ни друг с другом, ни со своей физической средой. В сильно коррелированной системе энергетическая стоимость единичного переключения может быть понижена (это традиционно связывают с терминами "когерентность" или "запутывание"). Появление постоянной Больцмана в формуле Ландауэра отнюдь не случайно: это артефакт выбора одной из возможных моделей, с наложением соответствующих физических связей.

С другой стороны, функционирование компьютера вообще не обязано как-то относиться к человеческому общению и обмену информацией. В совей основе, это типично физический процесс синхронизации состояния многих двоичных переключателей (хотя и не всегда столь элементарных, как у Ландауэра). Разумеется, на физическом уровне совершенно безразлично, чем компьютер занимается: тот же профиль порождения тепла (или энтропии) возникает при самых разных обстоятельствах. Чтобы рассматривать собственно вычисления, придется оставить физику на заднем плане и перейти к логике работы той же системы — а это уже совсем другая наука. Физическая система не интересуется, будет то или иное физическое состояние двоичного переключателя обозначать 0 или 1; идеи вроде бита, байта, машинного слова и т. п. совершенно чужды физике. То есть, когда Ландауэр заявляет, что стирание одного бита информации требует определенной энергии, он эклектически смешивает два разных положения: первое относится к состояниям физической системы (двоичного переключателя) — второе допускает, что такие состояния можно интерпретировать в терминам компьютерных операций. Но интерпретация есть особая деятельность, предполагающая совсем другую физику, на другом уровне, в другом масштабе энергий. Грубо говоря, кто-то должен считать текущее состояние переключателя и запустить ряд дочерних процессов, в зависимости от результата. Для классического компьютера, передача энергии в процессах интерпретации и коммуникации пренебрежимо мала по сравнению с тем, что требуется для поддержания переключателя в рабочем состоянии. Квантовые вычисления могут существенно интерферировать с процессами переключения, что означает переход к квантовой логике, а не только к квантовой физике.

Понятно, что человеческое участие в интерпретации не догма. При каждой конкретной организации дела, возникает развернутая иерархия абстрактных активных сред — вроде известной модели OSI. Физическая реализация этих агентов может быть какой угодно — и в этом смысле можно метафорически трактовать кристалл, органическую молекулу или живую клетку как своего рода компьютер. На этом уровне работает традиционная теория коммуникации, со всеми ее количественными мерами. Но если честно, здесь нет собственно информации — и никто никого в этом компьютерном мире ни о чем не извещает. Компьютеры не занимаются обработкой информации — они обрабатывают данные, типовые наборы физических состояний. Переход от физического к логическому уровню в этом плане вполне подобен тому, как переход от динамического к статистическому описанию в физике значительно сокращает количество учитываемых степеней свободы; возможно, с этим частично связана концептуальная путаница, отождествление количества информации с негэнтропией, хотя речь идет о двух разных типах статистики, несводимых друг к другу.

Обратимся теперь к информации в собственном смысле слова — к осмысленным сообщениям, которыми обмениваются разумные существа. Простой передачи данных для этого недостаточно: как сами данные, так и технология их передачи должны быть мотивированы некоторой совместной деятельностью, которая устанавливает контекст коммуникации. Один и тот же физический процесс, даже при одинаковой интерпретации в терминах обработки данных, может быть либо информативным, либо нет, — в зависимости от культурных условий. Можно тут усмотреть какой-либо порог минимальных энергозатрат? И да, и нет. Да — поскольку материальная основа всякой конкретной культуры ограничена исторически сложившимся способом производства, что предполагает освоение физической реальности на соответствующем уровне. В рамках своей культуры мы просто не умеем обнаруживать достаточно тонкие изменения состояний мира — отсюда существование физических порогов в человеческом общении. Однако по мере технологического развития круг наблюдаемых физических явлений неизбежно будет расширяться, так что экономическая роль грубой силы стремится к нулю (хотя и только в пределе, не обращаясь в ноль на практике). Энергетические уровни в сложной коррелированной системе расположены гораздо теснее, чем в любой из ее компонент, взятой сама по себе. Соответственно, для успешной коммуникации требуется меньшая диссипация энергии. Поскольку верхним пределом сложности систем служит только мир целиком, не может быть какого-то абсолютно установленного порога энергетических затрат в общении: всякие культурные ограничения устранимы в будущем, когда общество для этого дорастет. Используя формулу Ландауэра метафорически, можно заметить, что высокие технологии допускают информационный обмен при более низких температурах — вплоть до абсолютного нуля. Нетрудно усмотреть физический смысл этой метафоры: в достаточно окультуренной природе стохастическое поведение уступает дорогу планированию и контролю. Действительно, динамика системы, подчиняющейся детерминистическим уравнениям движения с определенными граничными условиями происходит как бы при нулевой температуре. С этой точки зрения, намеренность в человеческой деятельности призвана привнести в хаос какой-то порядок — для чего мы и общаемся друг с другом.

В реальной жизни все несколько сложнее. Всякая иерархия может порождать различные иерархические структуры (обращения иерархии), и потому различие между соседними уровнями не является безусловным. То есть, ряд процессов логического уровня может стать цепью физических событий, а некоторые функции разума в конце концов делегируются разного рода "компьютерам". Обратно, физические системы способны развить "логический" функционал, а компьютеры в конечном итоге могут объединиться в нечто общественное и породить собственную культуру, в дополнение к человеческой. Тем не менее, на каждом конкретном повороте картина в целом останется той же, и сохранится принципиальное отличие физического движения от логики вычислений — а оба эти уровня не следует смешивать с процессами информационного обмена.