Informacija je fizička materija

Spustite dlan na svoj laptop dok radite. Osećate li tu toplotu? Većina vas će reći: „To je samo struja koja prolazi kroz procesor“ ili „To je otpor u kolima“. Ali dozvolite mi da vam postavim pitanje koje na prvi pogled zvuči blesavo: Da li je informacija — vaša fotografija, niz nula i jedinica, ili čak vaša misao — samo apstraktna ideja, ili ona ima stvarnu, fizičku težinu?

Ja sam Ričard Fajnman i proveo sam decenije razmišljajući o tome kako se fizika prepliće sa informacijama. Ono što ću vam reći potpuno će vam promeniti pogled na stvarnost: Informacija nije apstrakcija. Ona je fizička. Ona ima energiju, ona zauzima prostor i, što je najšokantnije, ona ima masu. Svaki put kada obrišete nepotreban fajl, vi ne uklanjate „ništa“; vi učestvujete u fizičkoj transformaciji univerzuma koja direktno zagreva vašu sobu.

Brisanje nije besplatno (Landauerov princip i tajna masa)

Sećam se jednog studenta tehnike na Caltechu kasnih sedamdesetih. Podigao je ruku i prilično skeptično me upitao: „Profesore Fajnman, tvrdite da informacija ima energiju? To nema smisla. Informacija su samo brojevi, podaci... kako to može imati fizičku snagu?“

Odgovorio sam mu pitanjem: „Možeš li da sačuvaš informaciju bez fizičkog medijuma?“ Pauzirao je. „Ne.“ „A možeš li je obrisati, a da ne promeniš nešto fizički u sistemu?“ Ponovo je zastao. „Ne.“ Upravo tu leži ključ. Ralf Landauer iz IBM-a je dokazao ono što danas zovemo Landauerov princip: brisanje samo jednog bita informacije neizbežno oslobađa toplotu. Tačna vrednost je kT \ln 2.

Možda mislite da je to inženjerski problem, ali nije — to je fundamentalni zakon prirode. A sada, držite se: pošto nam je Ajnštajn podario čuvenu jednačinu E = mc^2, svaka energija ima svoj ekvivalent u masi. To znači da hard disk pun informacija zapravo teži više nego prazan! Informacija je materija. Kada brišete bit, vi pretvarate taj fizički „poredak“ u toplotnu energiju. Brisanje memorije doslovno zagreva vaš hard disk.

"Informacija je fizička. Ne možete je tretirati kao apstrakciju. Ona je deo termodinamike, deo fizike, deo samog tkiva univerzuma." — Ričard Fajnman

Informacija i entropija — dve strane istog novčića

Godine 1948. Klod Šenon je otkrio nešto što nam i danas „pomeri mozak“: matematička struktura informacije je identična Boltzmanovoj entropiji. Ali, postoji jedna ključna kvaka — znak minus.

U fizici, entropija (S = -k \ln W) predstavlja nered. Što je više nereda, to je manje informacija. Informacija je, zapravo, „negativna entropija“ ili poredak. Kada imate informaciju o sistemu, vi smanjujete njegovu entropiju. Zato informacija i energija moraju biti povezane. Ne možete manipulisati informacijom, a da ne „prodrmate“ termodinamičku ravnotežu univerzuma. Informacija je fizički entitet koji diktira kako se materija organizuje.

Kako je informacija „ubila“ Maksvelovog demona

Decenijama su se fizičari mučili sa paradoksom Džejmsa Klerka Maksvela o demonu koji sortira molekule i prividno krši Drugi zakon termodinamike stvarajući red iz ničega. Kako taj mali đavo uspeva da smanji entropiju bez utroška rada?

Rešenje, koje su razradili Čarls Benet i Leo Zilard, bilo je elegantno i duboko: demon može da sortira molekule, ali on mora da zna koji je brz, a koji spor. On mora da skladišti tu informaciju u svojoj memoriji. Pošto je memorija demona konačna, on pre ili kasnije mora da je obriše da bi nastavio rad. I upravo u tom trenutku — trenutku brisanja informacije — on oslobađa toplotu koja povećava entropiju univerzuma više nego što ju je njegovo sortiranje smanjilo. Informacija je ta koja čuva zakone fizike od propasti.

Kvantna stvarnost i „It from Bit“

Na najdubljem nivou, u kvantnoj mehanici, stvar postaje još čudnija. Moj mentor i savetnik na doktorskoj tezi, veliki Džon Viler, pred kraj života je postao opsednut idejom koju je nazvao „It from Bit“. Njegova teza je bila da materija i energija nisu primarne, već da sve što vidimo — svaka čestica, svako polje sile — proističe iz bita informacije.

U kvantnom svetu, sve je informacija:

• Kvantna superpozicija: To nije samo „čestica na dva mesta“, to je matematički opis svih informacija koje možemo imati o sistemu pre merenja.
• Kolaps talasne funkcije: To je trenutak kada sistem „apdejtuje“ svoju informaciju u interakciji sa posmatračem.

Merenje u kvantnoj fizici nije samo posmatranje; to je fizički transfer informacije. Materija je možda samo način na koji se informacija strukturira i manifestuje.

Crne rupe i granice kapaciteta univerzuma

Šta se dešava kada informacija upadne u crnu rupu? Godinama smo mislili da tamo informacija umire, što bi prekršilo princip unitarnosti — sveti gral kvantne mehanike koji kaže da se informacija nikada ne može uništiti.

Danas je konsenzus da informacija preživljava. Čak i ako objekat izgori u Hokingovom zračenju, informacija o njemu ostaje, mada je „scrambled“ (ispremeštana) poput papira koji je prošao kroz najsitniji rezač dokumenta. Tu dolazimo do holografskog principa: maksimalna količina informacija u nekom prostoru (Bekenštajnova granica) ne zavisi od zapremine, već od površine tog prostora. Naš 3D univerzum bi mogao biti samo projekcija informacija zapisanih na njegovoj dvodimenzionalnoj granici (Više o tome u nedavnom tekstu: Univerzum nije stvaran).

Vi ste biološki procesor informacija

Da se vratimo na nešto bliže vama. Vi niste samo skup hemijskih elemenata; vi ste najsavršenija tehnologija za obradu informacija u poznatom svemiru.

• DNK: Vaš genom sadrži 3 milijarde baznih parova. To je oko 750 megabajta podataka fizički upakovanih u molekule. Život je informacija koja je pronašla način da se kopira i opstane.
• Mozak: Vaša glava troši 20% ukupne telesne energije. Zašto? Zato što neuroni neprestano procesiraju informacije. Razmišljanje, pamćenje i — da, zaboravljanje — koštaju energiju i stvaraju toplotu.

Život nije samo biologija, to je informacija koja perzistira.

Zaključak: Život u informatičkom univerzumu

Informacija nije apstrakcija. Ona je fizička, ima energiju, ima masu i postavlja granice onome što je moguće u računarstvu, biologiji i kosmičkoj evoluciji. Sledeći put kada budete brisali fajl ili kada osetite da vam je mozak „pregoreo“ od učenja, setite se da niste samo korisnik podataka. Vi ste aktivni učesnik u manipulaciji fundamentalnim tkivom stvarnosti.

Ako je sve oko nas — od atoma do galaksija — zapravo manifestacija informacija, ostaje nam poslednje, provokativno pitanje: Ako je univerzum veliki procesor koji izvršava kod, ko je napisao algoritam i šta se dešava kada se program završi? Vi niste samo materija; vi ste informacija koja je postala svesna same sebe.

Piredio: Dragan Tanaskoski

Izvor: The Feynman Lab