Znajdź zawartość

Każdy, kto miał do czynienia z komputerem wie, że podczas pracy urządzenie to emituje ciepło. Tymczasem fizycy teoretyczni doszli do wniosku, że procesy obliczeniowe mogą czasem nie tylko nie generować ciepła, ale nawet chłodzić. Profesor Renato Renner ze Szwajcarskieg Instytut Technologii (ETH) i Vlatko Vedral z Narodowego Uniwersytetu Singapuru i University of Oxford wraz z kolegami opisali w piśmie Nature w jaki sposób usuwanie danych może wywoływać efekt chłodzenia zamiast generować ciepło. Uczeni zauważyli, że w pewnych warunkach gdy pojawia się kwantowe splątanie, dochodzi do chłodzenia. Niewykluczone, że możliwe będzie wykorzystanie tego efektu do chłodzenia superkomputerów. Uzyskanie kontroli na poziomie kwantowym, co jest konieczne do wykorzystania tego zjawiska do chłodzenia superkomputerów, będzie trudne ale nie niemożliwe. W ciągu ostatnich 20 lat byliśmy świadkami olbrzymiego postępu w technologiach kwantowych - mówi Vedral. Już dzisiaj, jego zdaniem, technika pozwala na przeprowadzenie eksperymentu z udziałem kilku bitów, który pozwoliłby na potwierdzenie teoretycznych obliczeń. W roku 1961 Rolf Landauer, fizyk pracujący dla IBM-a sformułował swoją zasadę mówiącą, że wymazanie bitu informacji wymaga utraty energii w postaci ciepła. Wykazał też, że istnieje fizyczna granica minimalnego wydatku energii potrzebnego do wykasowania informacji. A to z kolei oznacza, że nadejdzie chwila, w której nie będzie możliwe zmniejszenie produkcji ciepła, co przy rosnącym zagęszczeniu układów elektronicznych i ich coraz bardziej wydajnej pracy oznacza, iż będą one produkowały coraz więcej ciepła. Obecnie taka sytuacja nam nie grozi, ale profesor Renner przewiduje, że granicę wyznaczoną przez Landauera możemy osiągnąć w ciągu 10-20 lat. Ciepło generowane przez usuwanie danych z 10-terabajtowego HDD liczone jest w milionowych częściach dżula. Jednak ilość ta sumuje się, gdy wykonujemy wielu operacji kasowania w ciągu sekundy. Naukowcy dodali do zasady Laudauera rozważania na temat wartości kasowanego bitu. Jeśli znamy zawartość komórki pamięci, którą kasujemy, to teoretycznie możliwe jest usunięcie bitu w taki sposób, że możliwe będzie jego odtworzenie. Już wcześniej dowiedziono, że tego typu „odwracalne" kasowanie nie generuje ciepła. W swoich rozważaniach Renner i Vedral posuwają się o krok dalej. Dowiedli oni teoretycznie, że jeśli kasowany bit jest kwantowo splątany ze stanem obserwatora, obserwator może wycofać energię cieplną z systemu w czasie usuwania bitów. A to oznacza, że kasowanie będzie chłodziło komputer. Aby dojść do takich wniosków uczeni połączyli to, co na temat entropii mówią teoria informacji i termodynamika. W teorii informacji entropia to wynik pomiaru gęstości informacji. Dzięki niej dowiadujemy się np. jaką ilość miejsca w pamięci zajmie dana informacja po optymalnym skompresowaniu. W termodynamice entropia związana jest z nieuporządkowaniem systemu, np. rozłożeniem molekuł w gazie. Zwiększanie entropii wiąże się tutaj zwykle z dodawaniem energii w postaci ciepła. Profesor Renner stwierdza: Wykazaliśmy, że w obu przypadkach na poziomie mechaniki kwantowej entropia opisuje to samo zjawisko. W obu przypadkach należy ją rozważać jako brak wiedzy. Należy przy tym wziąć pod uwagę fakt, że obiekt nie ma stałej entropii, ale zależy ona od obserwatora. Jeśli zatem dwie osoby będą usuwały te same dane, ale jedna z nich będzie miała większą wiedzę o danych, to będzie postrzegała je jako posiadające mniejszą entropię, a zatem będzie mogła użyć mniej energii do ich usunięcia. W fizyce kwantowej entropia może czasem przybierać wartość ujemną. Na gruncie fizyki klasycznej posiadanie idealnych informacji o systemie oznacza, że obserwator uznaje, iż entropia systemu jest zerowa. Jednak splątanie daje obserwatorowi wiedzę większą niż kompletna, gdyż korelacje kwantowe są silniejsze niż klasyczne. A to prowadzi nas do wniosku, że entropia ma wartość ujemną. Zatem na gruncie fizyki klasycznej kompletna wiedza o pamięci komputerowej pozwala usunąć informacje bez wydatkowania energii. Teraz naukowcy pokazali, że przy splątaniu kwantowym i posiadaniu informacji większej niż kompletna usuwanie danych związane jest z wycofaniem ciepła z systemu i zamianę go na użyteczną formę energii. Renner podkreśla jednak, że nie ma mowy o stworzeniu w ten sposób perpetuum mobile. Dane usuwane są tylko raz, więc nie można z nich ciągle tworzyć energii. Ponadto ich usunięcie prowadzi do zaniku splątania kwantowego i konieczne jest dostarczenie energii, by system powrócił do stanu pierwotnego. Działamy na granicy drugiej zasady termodynamiki. Jeśli ruszysz się o krok dalej to je złamiesz - stwierdził Vedral.

Profesor Paul Frampton z University of North Carolina uważa, że ciągle nieodnaleziona ciemna materia tworzy średniej wielkości czarne dziury. Są one na tyle małe, że nie możemy ich dostrzec, a na tyle duże, iż nie wyparowują. Frampton zauważa, że żadna z cząsteczek Modelu Standardowego nie ma właściwości ciemnej materii. Dlatego też proponuje inne podejście do problemu. Najpierw stwierdził, jaka powinna być entropia wszechświata. Obliczył też entropię wszystkich znanych czarnych dziur. Przyjął też, że w centrum każdej galaktyki znajduje się olbrzymia czarna dziura. Z obliczeń wynika, że "we wszechświecie nie ma wystarczająco dużo widzialnej materii, a więc różnica w entropii musi brać się z entropii ciemnej materii". stwierdził Frampton. Jego zdaniem należy jej poszukiwać w średniej wielkości czarnych dziurach. Tutaj powstaje pytanie, w jaki sposób mogło uformować się tak dużo niewielkich czarnych dziur. Tego nie wyjaśniają współczesne teorie formowania się wszechświata. Frampton uważa, że mogły być dwa, a nie jeden, etapy rozszerzania się kosmosu. "Podczas pierwszego doszło do powstania olbrzymiej struktury wszechświata, jaką dzisiaj widzimy. Podczas drugiego - do łączenia się materii i powstawania dodatkowych czarnych dziur" - powiedział profesor. Z jego zdaniem nie zgadza się profesor Warwick Couch z Swinburne University. Zauważa jednak, że "jeśli obliczenia Framptona są prawidłowe, widać wyraźnie niezgodność pomiędzy liczbą znanych nam czarnych dziur, a liczbą, jaka powinna być, gdybyśmy bazowali na entropii". Dodaje przy tym, że zwykle kosmolodzy nie postrzegają wszechświata przez pryzmat entropii, jednak tego typu podejście może być bardzo dobrą metodą jego badania.

Lorenzo Maccone z MIT-u postanowił rozważyć jak ma się asymetria czasu z drugiej zasady termodynamiki do naszej wiedzy o świecie. Dyskusje takie były prowadzone już wcześniej, ale, jak zauważył fizyk Michael Weissman z University of Illinois at Urbana-Champaign, w bardzo nieformalny sposób. Maccone uczynił to systematycznie, co przydaje wagi jego argumentom. Żadne prawo fizyczne nie mówi, że czas ma przesuwać się tylko do przodu. Problem jednak w tym, że nigdy nie widzimy, by się cofał. Tymczasem najnowsze badania wskazują, że możemy mieć do czynienia z rodzajem amnezji mechaniki kwantowej - czas może się cofać, ale informacje o tym zdarzeniu nie są w żaden sposób przechowywane. Nasze pojmowanie czasu związane jest z drugą zasadą termodynamiki, z której wiemy, że każdy zamknięty system, który zmienia się w sposób spontaniczny, staje się coraz mniej uporządkowany. Jego entropia ciągle rośnie. Entropia znanych nam układów zmienia się w kierunku, który nazywamy przyszłością. Obserwowany kierunek zmian jest tylko jeden. Jednak rozważmy sytuację pudełka pełnego cząstek w świecie kwantowym. Splątanie tego systemu np. z obserwatorem, powoduje utratę informacji, czyli cząsteczek. Jednak w tym samym czasie obserwator zyskuje dodatkowe informacje o systemie. Na tej podstawie Lorenzo Maccone doszedł do wniosku, że konieczny wzrost entropii, a więc i ważność drugiej zasady termodynamiki, mogą być tylko złudzeniem w świecie mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa przewiduje, że czas może się cofać. Zdaniem Maccone szczegółowa analiza kwantowego świata pokazuje, iż jest to prawdą, jednak informacje o cofaniu się czasu zostają usunięte. W systemach, w których entropia się zmniejsza, informacja o tym, co zachodzi pomiędzy zdarzeniem a obserwatorem zostaje usunięta. Z tego też powodu nie jesteśmy w stanie dostrzec przypadków zmniejszania się entropii, a więc przypadków cofania się czasu. Innymi słowy, Maccone twierdzi, że możemy być świadkami sytuacji, w której rozbite jajko znowu jest całe, ale informacja o tym jest usuwana z naszych mózgów. Oczywiście, jak zauważa naukowiec, aby do takiej sytuacji doszło, prawa mechaniki kwantowej musiałyby działać w świecie makro. Jednak na to brakuje nam dowodów. Maccone jednak nie poddaje się i twierdzi, że jego interpretację da się obronić, jeśli przyjmiemy istnienie wielu światów równoległych. Każdy z nich byłby właściwy dla jednego możliwego stanu fizycznego. Sean Carroll z Caltechu zauważa, że rozważania Maccone są niekompletne, gdyż nie dają odpowiedzi na ważne pytanie - dlaczego wszechświat narodził się jako układ o bardzo małej entropii, a więc w stanie, który jest niezwykle mało prawdopodobny.