Информация и материя

Информация есть свойство, атрибут, характеристика
материальных объектов и взаимодействий между ними.

Подобно тому, как энергия не существует сама по себе, «в чистом виде», как не являются самостоятельными субстанциями пространство и время (п. 6.2.3), так нет информации без материального носителя.

Формула Шеннона DI = –DS, лежащая в основе теории информации, устанавливает связь информации с энтропией — физической величиной, характеризующей процессы превращений энергии в природе, — и делает возможным объективное определение количества информации. Информация, согласно формуле Шеннона, выступает как антипод энтропии. Она отражает степень структурированности, неоднородности, упорядоченности и сложности материального объекта или системы. Важность этих характеристик в современной научной, эволюционной, картине мира трудно переоценить.

Переработка информации любого происхождения связана с изменением состояния ее материальных носителей и требует затрат энергии.

Точнее говоря, она сопряжена с рассеянием энергии, переводом ее в менее качественные формы (теплоту). Из термодинамики и теории информации следует, что для обработки или передачи одного бита информации требуется рассеять не менее kT×ln2 джоулей энергии, где k — постоянная Больцмана, T — температура. Наглядная иллюстрация этому — проблема охлаждения мощных процессоров в персональных компьютерах. Конечно, пока что нагрев процессоров обусловлен в гораздо большей степени неоптимальностью (в термодинамическом смысле) их конструкции, но как бы ни совершенствовалась конструкция, сделать тепловыделение ниже указанного предела невозможно.

Информационные характеристики материи явно или неявно используются в формулировке многих законов природы.

Например, второй закон термодинамики может быть представлен как утверждение о неизбежности убывания с течением времени информации о состоянии замкнутой системы (п. 4.4.5).

В квантовой механике известен принцип Паули, согласно которому никакие два электрона, принадлежащие одной системе, не могут находиться в одинаковых квантовых состояниях. Принцип Паули определяет своеобразие свойств металлов, природу ковалентной химической связи и многие другие черты нашего мира. Однако он — лишь следствие более общего принципа, гласящего, что любые две элементарные частицы одного сорта (два электрона, два фотона, два нейтрино и т.д.) не различимы никакими измерениями: если мы поменяем их местами, ничто в мире от такой перестановки не изменится. Принцип неразличимости по своей природе очевидно информационный: он фактически утверждает, что

принципиально невозможно получить информацию о том,
какую именно частицу (из всех подобных ей) мы наблюдаем.

Из законов квантовой механики и принципа неразличимости элементарных частиц вытекает еще более далеко идущий вывод, что

передача информации может быть полностью эквивалентна физическому перемещению материального объекта (так называемая «квантовая телепортация[85]»).

Квантовую телепортацию предсказали Эйнштейн, Подольский и Розен в их, теперь знаменитой, работе 1935 г. Они обратили внимание, что квантовая механика допускает такие состояния многочастичной системы (впоследствии получившие название «сцепленных [86]состояний»), в которых система ведет себя как единое целое независимо от того, насколько разнесены в пространстве ее составные части. Тогда манипуляции с одной из частиц системы (на­при­мер, измерение какой-либо ее характеристики) мгновенно отражаются на состоянии всех других, как бы далеко от первой они ни находились. Это казалось противоречащим закону о невозможности передачи взаимодействия со сверхсветовой скоростью (п. 2.5.1) и потому рассматривалось Эйнштейном с его соавторами как пример доведения до абсурда, демонстрирующий противоречивость или неполноту квантовой механики.

Однако в 1997 г. группа австрийского физика А. Цайлингера продемонстрировала квантовую телепортацию экспериментально[87]. Они создавали два фотона в сцепленном состоянии, таком, что поляризация каждого из них (до

измерения) не определена, но обязательно должна отличаться от поляризации второго члена пары. Тогда, если через некоторое время после создания пары один фотон попадает в прибор наблюдателя А и обнаруживает горизонтальную поляризацию, то второй фотон, где бы он ни был, переходит в такое состояние, что при попадании в прибор наблюдателя Б обязательно обнаружит вертикальную поляризацию (рис. 5.3). Если же А измерения не производит, то Б с некоторой вероятностью увидит свой фотон поляризованным вертикально, а с некоторой — горизонтально.

Несколькими годами ранее экспериментов группы Цайлингера было теоретически показано, что если природа вообще допускает такую мгновенную корреляцию на расстоянии, то в принципе возможно с помощью этой пары фотонов перевести любую элементарную частицу, находящуюся у Б, в то же самое состояние, в котором находится аналогичная частица у А. Но поскольку сами по себе элементарные частицы неразличимы, а их состояния мы воспроизвели точно, это означает появление у Б абсолютно точной копии частицы А. Перенос информации о состоянии фотона оказывается равнозначен перемещению материальной частицы.