 |
|
Акимов А. Е., Бинги В. Н.
КОМПЬЮТЕРЫ, МОЗГ И ВСЕЛЕННАЯ КАК ФИЗИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
Быстрая компьютеризация практической деятельности человека, потребность во все более мощных вычислительных машинах поставили ряд, казалось, бы чисто технических вопросов, обнаруживших неожиданно глубокое физическое содержание. К числу таких относится вопрос о существовании пределов совершенствования компьютеров. По мере развития фундаментальных физических теорий, совершенствования современных технологий производства высокоточных устройств и сверхчистых материалов, представления о пределах возможностей электронных вычислительных машин постоянно расширяются. Материалы и физические эффекты, лежащие в основе компьютеров того или иного поколения, вполне соответствуют состоянию наук и уровню технологий. Развитие фундаментальных представлений приводит не только к смене парадигмы, но и к принципиальным изменениям в инструментах познавательного процесса, в том числе ЭВМ (электронно-вычислительных машин).
Для начала обратимся к их истории, которая насчитывает несколько поколений компьютеров. Как известно, первые ЭВМ были собраны на электронных лампах — устройствах с характерным размером в 10 см и временем переключения из одного состояния в другое ~10^с. Последнее определяется размером лампы и средней скоростью электрона в лампе ~10^см/с. Физические законы, определяющие параметры функционирования электронной лампы, это — классическая динамика заряженных частиц в электрическом поле. Уменьшению размеров лампы препятствовало увеличение времени переключения из-за роста емкости, величина скорости электронов также была ограничена.
Так как работа компьютера сопряжена с огромным числом операций переключения элементов, то его мощность — М удобно характеризовать количеством возможных переключений в единицу времени в единице объема, т.е. пространственно-временной плотностью операций M=t" 1^. Существуют и другие технические параметры, которые определяют преимущества тех или иных вычислительных машин. Однако нас интересуют прежде всего принципиальные различия, связанные с изменением физических принципов, положенных в основу действия компьютеров данного поколения. А эти отличия легче всего проследить на примере такой физической характеристики, как пространственно-временная плотность переключений или мощность вычислительной среды. Приблизительные оценки вполне достаточны для наших целей, поскольку мощности компьютеров разных поколений и разных физических уровней отличаются на много порядков. Очевидно, что для первых ЭВМ мощность М составляла около 10^ единиц (в системе Гаусса).
Следующее поколение ЭВМ было основано на полупроводниковых приборах — диодах и транзисторах. Физика полупроводников — это уже квантовая физика, но квантовые принципы здесь, как и классическая динамика в лампах, сами по себе не ограничивают пределы возможностей элементов. Пределы в основном были определены скорее техническими трудностями.
Быстродействие транзисторов связано со скоростью электронных процессов в полупроводниковом переходе, имеющем несколько большую емкость, чем характерная емкость ламп. Поэтому время переключения самых первых транзисторов было больше, чем у ламп, а в современных приборах также имеет величину околоЮ^ Значительный прогресс полупроводниковых ЭВМ связан прежде всего с малыми размерами полупроводниковых элементов: мощность компьютера зависит от третьей степени размера элемента и всего лишь от первой — времени переключения. Первые транзисторы имели размер -1 см. В развитии микроэлектронной полупразодниксвой техники различают этапы создания интегральных схем (ИС), которые имели в одной полупроводниковой пластине до 10^ транзисторов, больших ИС — БИС (до 10^ транзисторов) и современных супер БИС, которые содержат в 1см, миллионы элементов, а размеры элемента приближаются к ЧО^см. Таким образом, мощность вычислительной среды современных компьютеров составляет -10^°. В настоящее время техника микроминиатюризации в микроэлектронике достигла такого совершенства, что ограничения, связанные с квантовой физикой полупроводников, выдвигаются на первый план. Существующие специальные оценки прогресса в этой области можно было бы охарактеризовать предельной мощностью для полупроводниковой технологии величиной М-10".
Возможные крупные, принципиальные достижения в улучшении потребительских свойств связываются с развитием следующих направлений.
1. Молекулярная электроника. Ведущими физическими процессами здесь являются переходы атомов и молекул из одних устойчивых состояний в другие. Эти переходы связаны в основном с изменением конфигураций электронных облаков с характерным временем ~10~"с (рассматриваются и протонные молекулярные ключи с несколько большим временем ~10^°с). Размеры атомномолекулярных конструкций, обладающих требуемыми триггерными свойствами, оцениваются как 10^ -IO^CM, так что мощность вычислительной среды могла бы здесь составить М ~ 10^. Отличие от современного уровня 10^ достаточно существенно, чтобы можно было ожидать революционных изменений.
Модернизация элементов молекулярной электроники ограничена свойствами электрона как квантовой частицы. Величины массы и заряда электрона определяют размеры атома, а следовательно и молекулярного триггера. Из уравнений квантовой электродинамики следует масштаб времени электронных переходов. Перешагнуть эти пределы, не выходя за рамки квантовой электродинамики, невозможно.
2. Волоконная оптика. Развитие высокой технологии элементов волоконной оптики позволило поставить вопрос о создании вычислительной среды, основанной не на электронных, а на фотонных процессах. Казалось бы, использование в качестве составной части триггера фотона, безмассовой квантовой частицы, распространяющейся со скоростью света, должно было бы привести к резкому увеличению мощности вычислений. Однако, квантовые принципы и здесь выступают серьезным ограничителем возможностей. Минимальные размеры "фотонного элемента", очевидно, не могут быть меньше длины волны фотона, которая для широко доступного оптического диапазона составляет -0,5 10"* см. Время срабатывания такого гипотетического элемента порядка L/c. Мощность компьютера, построенного на этих элементах, не превышает, очевидно, величину М~10^ То есть, компьютеры на волоконной оптике и ЭВМ на основе молекулярной электроники имеют одинаковый предел мощности.
Реальный оптический триггер должен сильно отличаться от "фотонного элемента" уже хотя бы потому, что обязан содержать и некий вещественный корпус для "пойманного фотона". Однако, самое серьезное затруднение в приближении к пределам работы оптических триггерных элементов и молекулярных ключей состоит в другом квантовом принципе. Известно, что любое наблюдение над квантовым объектом или считывание с него информации о его состоянии неизбежно приводит к изменению состояния объекта. Это изменение тем серьезнее, чем ближе к квантовому пределу мы находимся. Если бы удалось каким-либо способом создать конкретную программу для решения определенной задачи на компьютере, приближенном к квантовому пределу функционирования его элементов, то такая программа сработала бы только один раз, после чего пришлось бы создать ее заново.
Проведенный анализ показывает, что оценки мощности компьютерной среды, созданной на базе молекулярной электроники и оптических элементов весьма приблизительны. Только резкое отличие их от мощности современных полупроводниковых элементов позволяет придать им смысл неких условных границ. Но вопрос о том, можно ли преодолеть квантовые пределы и мыслить вычислительную среду с большей, чем 10^ мощностью, все же не лишен смысла. Постановка такого вопроса становится понятной, если учесть появление и развитие физических идей и теорий, претендующих на установление границ применимости самой квантовой теории.
Первый довольно неожиданный в концептуальном смысле импульс этому вопросу придал С. Лем. Он вообразил некую космогоническую конструкцию — искусственный мир. созданный человеком и населенный искусственными жителями. С. Лем проанализировал процесс решения проблем своего происхождения физиками -жителями искусственного мира и заметил, что поведение физиков искусственного мира соответствует поведению физиков мира реального. Доказать факт своего сотворения они не могут, и поэтому их искусственный мир очень похож на работу "цифровой машины". Но тогда '.' человеческий мир и сознание как свойство мозга может, по замыслу С. Лема, иметь точно такое же искусственное происхождение, а вся Вселенная представлять систему вложенных друг в друга миров — иерархических структур, некий Вселенский супер-компьютер В этих мысленных построениях нет, как понимает и автор, сколько-нибудь глубокого физического содержания, однако их эвристическая ценность несомненна.
Уподобление мозга супергигантскому компьютеру — Вселенной ставит ряд глубоких философских вопросов, например, о цели Вселенной, о познаваемости ее человеком. Возникают и более простые вопросы об общих физико-технических требованиях, которым должна была бы удовлетворять такая вселенская "цифровая машина", о физических принципах, на которых она могла бы функционировать или на которых она могла бы быть построена. Известны работы на эту тему А. Тьюринга, Р. Пенроуза и др. Тьюринг в основном исследовал создание программ, моделирующих сложные объекты и процессы, такие как работа самого программиста, в зависимости от объема машинной памяти и типа ЭВМ. Р. Пенроуз анализировал возможность сопоставления работы человеческого мозга при его творческом, иррациональном характере и работы некоего совершенного компьютера. В качестве примера, на котором хорошо заметна разница в действии мозга и компьютера, Р. Пенроуз приводит известную теорему о неполноте Геделя, часто интерпретируемую в виде утверждения, что множество существующих математических истин шире множества истин формально доказуемых. Мозг способен преодолеть это ограничение посредством иррационального творческого акта, в то время как компьютер такой возможностью не обладает и способен создавать только "линейную комбинацию" известных знаний. Р. Пенроуз считает, что эти обстоятельства подтверждают наличие некоего "всеобщего информационного банка", откуда человеческий мозг способен извлекать информацию, а компьютер — нет. Вопрос о возможной природе этого "банка данных" им не обсуждался. Но нетрудно видеть философский аспект этого вопроса, который имеет корни в известных концепциях объективного идеализма.
Факторы времени и пространства по отношению к компьютерным проблемам до сих пор специально не исследовались, хотя работы Р. Пенроуза по своему духу наиболее близки такой постановке вопроса. Действительно, его выводы указывают на неполноту существующих представлений о реальном мире и, как следствие, на необходимость пересмотра или углубления основополагающих физических идей. Со сменой научной парадигмы появляются и новые пределы технических возможностей компьютеров.
Как отмечалось выше, прогресс в области компьютерной техники ограничен действием законов квантовой физики. Однако, сама квантовая теория не является полностью завершенной. Происхождение и границы справедливости постулатов квантовой физики сегодня не более ясны, чем во времена споров Бора и Эйнштейна. Преодоление ее трудностей, как полагают, связано с развитием единой теории поля (ЕТП), ценность которой состоит не только в том, что она найдет общее происхождение четырех известных форм физических взаимодействий, но и даст новые качественно отличные от них формы. Характерный фундаментальный масштаб ЕТП — планковская длина L~l,6 10'" см. Соответствующая оценка мощности вычислительной среды по крайней мере М~с/1-*~10^ поистине фантастична. Эту величину затруднительно интерпретировать, так как на масштабах L теряют смысл сами понятия времени и пространства. Мы безусловно далеки от того, чтобы предложить какое-то конкретное техническое устройство компьютера, хотя бы отдаленно отвечающее таким масштабам. Можно лишь утверждать, что за этими цифрами скрывается какое-то новое качество, понять которое значило бы больше, чем просто удовлетворить научный интерес. Но расширение представлений об основополагающих физических идеях способно поднять и мысленную планку возможностей компьютеров.
Известно, что несмотря на безусловный успех квантовой теории в описании свойств вещества и особенно поражающие своей точностью предсказания квартовой электродинамики, ряд выдающихся теоретиков не признавал и не признает аксиоматичность исходных квантовых принципов и вероятностную интерпретацию волновой функции. А. Эйнштейн полагал чрезвычайно глубокими идеи Римана о связи физики и геометрии и считал, что развитие ОТО (общая теория относительности) с ее традиционным объектом — кривизной пространства-времени — даст детерминистическую трактовку квантовых принципов и, кроме того, позволит найти геометрическую общность известных к тому времени гравитационного и электромагнитного взаимодействий.
Попытки дать единую геометрическую трактовку квантовой механике, гравитации, электромагнетизму, а сейчас в этот список добавлены слабые и сильные ядерные взаимодействия, не прекращаются. С другой стороны известна попытка Дж. Уилера придать самой геометрии, метрическим характеристикам пространства-времени квантовые свойства.
Согласно квантовой геометродинамике. единая теория должна включать в себя три фундаментальные константы: константу Плзнка h, константу классической электродинамики С и константу классической гравитации G. Эти константы, как уже отмечалось, дают единственную комбинацию с размерностью длины — Планковскую длину L = 1,610'^ см. В квантовой электродинамике (КЭД) величины электромагнитных полей испытывают т.н. вакуумные флуктуации, и тем больше, чем меньше элемент пространства. Они становятся экспериментально ощутимы на расстояниях ~10 — "^ см (например, сдвиг Лэмба). Дж. Уилер полагал, что на еще меньших расстояниях должны появиться флуктуации метрических свойств пространства-времени, которые на расстояниях -L приведут к нарушению односвязности пространства, т.е. к изменению локальной топологии пространства и к появлению в масштабе L пенообразной структуры Физического Вакуума, где понятия времени и пространства вообще становятся неопределенными.
Дж. Уилер обращает внимание на связь локальной топологии пространства с такими свойствами микрообъектов как заряд и спин. Существенно, что по Дж. Уилеру свойство частицы иметь спин может интерпретироваться не только как свойство самой частицы, но и как свойство геометрии пространства иметь двузначную топологию, связанную с кручением реперной структуры пространства. Математический аппарат квантовой геометродинамики пока детально не разработан, она носит скорее концептуальный характер, но не характер последовательной физической теории. Однако вопрос, поставленный ею: "является ли экспериментальная частица возбужденным состоянием геометрии пространства?", а также геометрическая интерпретация связи спина с кручением структуры пространства находятся в русле идей Римана и Эйнштейна о связи физики с геометрией и кривизной пространства. Между тем на возможную связь некоторых физических величин с другой геометрической абстракцией — кручением пространства — обратил внимание Э. Картан еще в 1922 г. Его идеи получили развитие, и в настоящее время существует спектр теорий, предсказывающих физические эффекты, получившие название эффектов торсионного поля. Источником торсионного поля, согласно этим представлениям, служат вращения систем частиц или их собственные угловые моменты — спины. Проверка этих теорий затруднена из-за неопределенности константы спин-торсионного взаимодействия для теорий с распространяющимся кручением, а также и возможной неполнотой самих теорий
В рамках одной из таких теорий — теории Физического Вакуума, обогащенной введением дополнительных шести угловых координат, описывающих ориентацию точки четырехмерного пространства-времени, удается, по-видимому, приблизиться к построению единой геометризованной физической картины мира. Согласно этой теории, материальные частицы, как и все известные виды взаимодействий между ними — поля, суть особенные, (в случае частиц относительно устойчивые) искажения Физического Вакуума или искривления и скрутки пространства-времени. Волновые функции квантовой механики — материальные поля — также представляют особые кручения пространства.
Теоретические концепции развиваются Г. И. Шиповым на основе анализа вакуумных уравнений Эйнштейна. Таким образом, теория должна продуцировать характерные физические масштабы, определяемые "полным набором" фундаментальных констант h, С, G. То, что в эту тройку входит скорость света, не означает, что она представляет в теории максимальную скорость передачи сигналов. Эта скорость является естественным масштабом измерения скоростей электромагнитных волн в эвклидовой геометрии. Есть основания полагать, что скорость распространения торсионных волн на много порядков превышает С. Это следует, в частности, из экспериментов академика М. М. Лаврентьева. Поэтому в теории торсионных полей могут появиться "новые фундаментальные масштабы" длины и времени.
Помимо традиционных способов введения торсионных полей (полей кручения), они могут быть введены феноменологически через спиново поляризованные состояния Физического Вакуума. Физический вакуум представляется как совокупность элементов — "фитонов", которые могут находиться в состояниях с разной поляризацией. Фитоны имеют по меньшей мере два метастабильных состояния: 3"и S^ т.е. могут рассматриваться как двоичные элементы. Предполагается, что фитоны имеют параметры порядка планковских: время переключения 10^с, размер 10см.
Интерпретация торсионных полей как метастабильных состояний спиново поляризованного Физического Вакуума позволяет сформулировать подход к созданию квантовых торсионных вычислительных машин (ТВМ). Создание ТВМ на элементной базе с параметрами порядка планковских представляло бы собой неизмеримо большее, чем прорыв в область ЭВМ нового поколения. При всей фантастичности такого проекта теория допускает возможность его реализации, хотя, очевидно, для этого потребуется значительное усилие в развитии "торсионной технологии".
Материальной средой, из которой будет конструироваться ТВМ. явится Физический Вакуум. Ведь если современные ЭВМ являются полупроводниковыми, то обсуждаемые точнее всего было бы назвать полевыми. При этом две проблемы будут основополагающими. Вопервых, это проблема специального структурирования некоторого объема пространства в соответствии с принципами построения ТВМ. Во-вторых, это проблема разработки средств диалога оператора с такой вычислительной структурой (полевой ТВМ). Последняя проблема имеет непосредственную связь с биофизическими следствиями торсионной концепции.
Исследования последних десятилетий показали, что существуют феномены нетеплового биологического действия электромагнитных полей. В то же время механизмы такого Действия не вполне ясны. Предполагали, в частности, что деятельность биологических объектов небезразлична к состоянию спиновых степеней свободы молекул, входящих в состав клеток. Поскольку торсионные поля генетически связаны со спиновыми степенями свободы, то возникает возможный механизм биологического действия торсионных полей, опосредованный спинами молекул. Если в качестве клеток выступают клетки мозга с особенно тонкой организацией — нейроны, то естественно предположить, что торсионные поля будут индуцировать некие образы сознания. Если, в свою очередь, биохимические процессы сознания приводят к возникновению определенных, свойственных именно этим конкретным актам сознания упорядоченных спиновых структур, то не исключена ситуация, когда образам сознания будут взаимно однозначно соответствовать характерные торсионные излучения. В рамках изложенных представлений возможно, что при воздействии внешних торсионных полей в мозге, в его клетках сформируются спиновые структуры, которые вызовут в сознании соответствующие образы и ощущения.
В этом случае можно соотнести сознанию его материальный носитель в виде торсионных полей. Тогда, возвращаясь к проблеме работы оператора с торсионной вычислительной машиной, реализованной на Физическом Вакууме, можно предположить, что сознание оператора, проявляющееся через торсионные поля, даст возможность прямого доступа оператора к процессору ТВМ без трансляционной периферии. Оператор сможет нз основе "прокола" вакуума собственным сознанием встроиться в такую Т6М без всяких промежуточных устройств, реализовав торсионный канал обмена информацией. При таком подходе индивидуальное сознание и ТВМ (торсионных вычислительных машин) на Физическом Вакууме будут работать как единое целое.
Сделанные выводы позволяют предположить, что индивидуальное сознание как функциональная структура включает в себя не только собственно мозг, не и структурированный 5 виде тсрсионнсИ вычислительной машины Физический Вакуум в пространстве около мозга-т.е. является своеобразным "биокомпьютером".
Изложенные идеи могут дать непротиворечивую физическую основу для объяснения феномена перцептивной передачи информации.
Вторая проблема, которая вытекает из нашего рассмотрения, связана с экзотической идеей Вселенной как Супер-ЭВМ или Абсолюта. Если не углубляться в историю этой идеи, восходящей, вероятно, к древним ведическим текстам и имевшей развитие в работах представителей объективного идеализма, то на уровне современной науки необходимо указать на уже упоминавшуюся публикацию С. Лема, и более поздние работы. В рамках традиционных представлений рассматривать Вселенную как нечто целостное и взаимосвязанное, вероятно, не имело бы смысла, если учесть, что, с точки зрения общепринятых теорий, время взаимодействия между противоположно расположенными частями Вселенной соизмеримо с ее возрастом. Однако, в рамках концепций торсионного поля, допускающих сверхсветовую скорость, становится возможным рассмотрение Вселенной как целостной системы, а идеи полевых (торсионных) ТВМ позволяют обсуждать подход к проблеме Вселенной как Супер-ВМ. Если принять предположение о торсионной основе этой Супер-ВМ и вспомнить изложенную выше концепцию торсионной природы сознания, то становится очевидным, что сознание как атрибут реальности оказывается частью Супер-ТВМ (Вселенной), встроенной в нее наиболее естественным образом в силу общности физических принципов.
Сформулированные подходы представляют собой идеи, высказанные лишь в самой общей форме. Исследования в этих направлениях, однако, представляются достаточно перспективными вследствие накопления экспериментальных свидетельств реальности торсионных полей и их практического применения.