Структура реальности. Наука параллельных вселенных - Дэвид Дойч

Напротив, разложение на множители – по сути, процесс, обратный умножению, – кажется гораздо сложнее. Вначале вводится одно число, скажем, 10 949 769 651 859. Задача заключается в том, чтобы найти два его множителя – меньших числа, произведение которых равно 10 949 769 651 859. Поскольку мы только что перемножили эти числа, мы знаем, что в данном случае ответ будет 4 220 851 и 2 594 209 (и поскольку оба эти числа простые, это единственный подходящий ответ). Но не располагая заранее такой подсказкой, как бы мы нашли эти множители? Если в поисках простого метода вы обратитесь к детским воспоминаниям, то это будет бесполезно, поскольку такого метода не существует.

Самый очевидный метод разложения на множители – делить вводимое число на все возможные множители, начиная с 2 и продолжая каждым нечетным числом, до тех пор, пока введенное число не разделится без остатка. По крайней мере, один из множителей (с учетом того, что введенное число не является простым) не может быть больше квадратного корня введенного числа, и это позволяет оценить, сколько времени может потребовать данный метод. В рассматриваемом случае наш компьютер найдет меньший из двух множителей, 2 594 209, примерно за секунду с небольшим. Однако если исходное число будет в десять раз больше, а его квадратный корень примерно в три раза больше, то разложение его на множители по этому методу займет в три раза больше времени. Другими словами, увеличение вводимого числа на один разряд уже утроит время обработки. Увеличение его еще на один разряд снова утроит это время и т. д. Таким образом, время обработки будет увеличиваться в геометрической прогрессии, т. е. экспоненциально, с увеличением количества разрядов в раскладываемом на множители числе. Разложение на множители числа с 25-значными множителями по этому методу заняло бы все компьютеры на Земле на несколько веков.

Этот метод можно усовершенствовать, однако всем современным методам разложения числа на множители присуще это свойство экспоненциального роста. Самое большое число, которое было «в гневе» (а это было действительно так) разложено на множители, – число, сомножители которого тайно выбрали одни математики, чтобы бросить вызов другим математикам, – имело 129 цифр[38]. Разложение на множители выполнили с помощью сети Интернет глобальными совместными усилиями, в которых были задействованы тысячи компьютеров. Знаменитый специалист по алгоритмам Дональд Кнут[39] оценил, что разложение на множители 250-значного числа при использовании самых эффективных из известных методов, с помощью сети, состоящей из миллиона компьютеров, заняло бы более миллиона лет. Такие вещи трудно оценить, но даже если Кнут был чрезмерно пессимистичен, то нужно взять числа всего на несколько разрядов большие, и задача во много раз усложнится. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что разложение на множители больших чисел – труднорешаемая задача. Все это очень сильно отличается от умножения, где, как мы видели, операцию с парой 250-значных чисел можно выполнить на домашнем компьютере. Никто не может даже представить себе, как можно разложить на множители числа, состоящие из тысячи или миллиона цифр.

По крайней мере, никто не мог этого представить до недавнего времени.

В 1982 году физик Ричард Фейнман[40] занимался компьютерным моделированием квантово-механических объектов. Его отправной точкой было факт, известный уже в течение некоторого времени, важность которого, однако, еще не была оценена, а именно, что задача предсказания поведения квантово-механических систем (или, как мы можем это переформулировать – воспроизведения квантово-механических сред в виртуальной реальности) в общем случае является труднорешаемой. Одна из причин, по которой важность этого недооценивали, состояла в том, что никто и не ожидал особенно легкого предсказания интересных физических явлений с помощью компьютера. Возьмите, например, прогноз погоды или землетрясения. Несмотря на то что нужные уравнения известны, все знают, как трудно применять их в реальных ситуациях. В последнее время к этому привлекли широкое внимание в популярных книгах и статьях о хаосе и «эффекте бабочки». Но не эти эффекты ответственны за трудности, с которыми столкнулся Фейнман, по той простой причине, что они имеют место только в классической физике – то есть не в реальности, поскольку реальность квантово-механическая. Тем не менее я хочу сделать несколько замечаний относительно «хаотических» движений в классике, только чтобы подчеркнуть глубоко различный характер классической и квантовой непредсказуемости.

Теория хаоса касается ограничений на предсказуемость в классической физике, проистекающих из факта внутренней неустойчивости почти всех классических систем. «Неустойчивость», о которой идет речь, не имеет ничего общего с какой-либо тенденцией разрушительного поведения или распада. Она связана с чрезмерной чувствительностью к начальным условиям. Допустим, что нам известно текущее состояние какой-то физической системы, например, набора бильярдных шаров, катящихся по столу. Если бы система подчинялась законам классической физики, что она и делает с хорошим приближением, то мы смогли бы определить ее будущее поведение (скажем, попадет ли определенный шар в лузу) из соответствующих законов движения точно так же, как мы можем предсказать солнечное затмение или соединение планет, исходя из этих же законов. Но на практике мы никогда не можем абсолютно точно определить начальные положения и скорости. Таким образом, возникает вопрос: если мы знаем их с некоторой разумной степенью точности, можем ли мы предсказать их будущее поведение с разумной степенью точности? И обычно ответ – не можем. Разница между реальной траекторией и предсказанной траекторией, вычисленной по слегка неточным данным, имеет тенденцию расти во времени экспоненциально и беспорядочно («хаотически»), так что через некоторое время первоначальное состояние, известное с небольшой погрешностью, уже совершенно ничего не будет говорить о поведении системы. Следствие для компьютерных предсказаний состоит в том, что движения планет, которые служат образцом классической предсказуемости, – это нетипичная классическая система. Для того чтобы предсказать поведение типичной классической системы даже через не очень большой промежуток времени, ее начальное состояние необходимо определить с недостижимо высокой точностью. Поэтому говорят, что, в принципе, бабочка, находящаяся в одном полушарии, взмахом своих крылышек может вызвать ураган в другом полушарии. Недостижимость точного прогноза погоды и тому подобное связывают поэтому с невозможностью учесть каждую бабочку на планете.

Однако реальные ураганы и реальные бабочки подчиняются не классической механике, а квантовой теории. Неустойчивость, быстро увеличивающая небольшие неточности задания классического начального состояния, просто не является чертой квантово-механических систем. В квантовой механике небольшие отклонения от точно определенного начального состояния имеют тенденцию вызывать всего лишь небольшие отклонения от предсказанного конечного состояния. А точное предсказание сделать сложно из-за совсем другого эффекта.

Законы квантовой механики требуют, чтобы объект, который первоначально находится в определенном положении (во всех вселенных), «растекался» по мультиверсу. Например, фотон и его партнеры из других вселенных отправляются из одной и той же точки светящейся нити накала, но затем движутся в триллионах различных направлений. Когда мы позднее проводим измерение того, что произошло, мы тоже становимся отличными друг от друга, так как каждая наша копия видит то, что произошло в ее конкретной вселенной. Если рассматриваемым объектом является атмосфера Земли, то ураган может произойти, скажем, в 30 % вселенных и не произойти в остальных 70 %. Субъективно мы воспринимаем это как единственный непредсказуемый или «случайный» результат, хотя, если принять во внимание существование мультиверса, все результаты действительно имели место. Эта множественность параллельных вселенных и есть настоящая причина непредсказуемости погоды. Наша неспособность точно измерить начальные состояния тут абсолютно ни при чем. Даже знай мы начальные состояния точно, множественность, а, следовательно, и непредсказуемость движения, все равно имела бы место. С другой стороны, в отличие от классического случая, поведение воображаемого мультиверса с немного отличными начальными состояниями не слишком отличалось бы от поведения реального мультиверса: он мог пострадать от урагана в 30,000001 % своих вселенных и не пострадать в оставшихся 69,999999 %.

В действительности крылья бабочек не вызывают ураганов, потому что классическое явление классического хаоса требует абсолютного детерминизма, которого не бывает ни в какой отдельной вселенной. Рассмотрим группу идентичных вселенных в тот момент, когда в каждой из них конкретная бабочка взмахнула крылышками вверх. Рассмотрим вторую группу вселенных, которая в этот же самый момент идентична первой за исключением того, что в ней крылышки бабочки опущены вниз. Подождем несколько часов. Квантовая механика предсказывает, что, если не возникнут исключительные обстоятельства (например, кто-нибудь, наблюдающий за бабочкой, не нажмет кнопку, чтобы взорвать ядерную бомбу при взмахе ее крылышек), эти две группы вселенных, практически идентичные друг другу в начале, так и останутся практически идентичными. Но каждая группа внутри самой себя становится сильно дифференцированной. Каждая группа включает вселенные с ураганами, вселенные без ураганов и даже очень маленькое количество вселенных, в которых бабочка спонтанно изменила свою видовую принадлежность из-за случайной перестановки всех ее атомов, или Солнце взорвалось из-за того, что все его атомы случайно направились к его центру, где идет ядерная реакция. И все же две группы все еще очень похожи друг на друга. Во вселенных, где бабочка взмахнула крылышками вверх и случились ураганы, эти ураганы действительно были непредсказуемы; но они произошли не из-за бабочки, поскольку почти идентичные ураганы произошли в других вселенных, где все было тем же самым, кроме того, что крылышки бабочки были опущены вниз.