Blockchain och Pauli-uteslutningsprincipen

För veckovis insikt och inspiration - kolla in mitt nyhetsbrev!

Problemet med dubbla utgifter

Den ursprungliga Bitcoin whitepaperen lägger grunden för Blockchain. I sammandraget beskriver Satoshi Nakamoto en av de revolutionerande aspekterna av denna nya teknik.

Vi föreslår en lösning på problemet med dubbla utgifter med hjälp av ett peer-to-peer-nätverk

Jag vill börja med att ge en kort överblick över de viktiga komponenterna i Blockchain-systemet, som beskrivs i detta seminaldokument. Jag vill då titta på de nyfikna likheterna mellan denna teknik och en grundläggande naturlag: Pauli-uteslutningsprincipen.

Föreställ dig att jag har ett papper som innehåller alla monetära utbyten mellan en grupp vänner. Jag numrerar dem i ordningsföljd och kräver att transaktionsparter undertecknar sina namn bredvid sina transaktioner som verifiering. Några problem är uppenbara. Helst, som vårdnadshavare för den här listan, är mitt jobb att kontrollera att ingen gör fler transaktioner än deras saldon tillåter, så att de inte dubbelar ut sina pengar. Men eftersom jag är den enda innehavaren av detta dokument kan jag enkelt lägga till subtraktion av transaktionslinjer efter eget gottfinnande.

Blockchain-tekniken tar bort den centrala myndigheten (mig) genom att ge varje transaktionell medlem sin egen kopia av transaktionslistan. Ett annat problem uppstår - hur ser vi till att alla har samma kopia av den här boken? Hur lägger vi till transaktioner till en kopia och ser till att alla andra uppdateras korrekt i realtid? Varför kan jag inte bara redigera min kopia och ge mig själv gratis pengar?

Med tanke på att det inte finns någon central myndighet måste hela nätverket komma överens om en enda transaktionshistorik. Det gör det på följande sätt: varje medlem i det distribuerade nätverket får en lista över transaktioner. Ett visst antal av dessa samlas in i ett block och ett korrekturarbete beräknas av noderna i nätverket. Den huvudbok som hela nätverket kommer att tro som den verkliga är den med det mest beräkningsarbetet som läggs i det.

Denna idé om arbete kan ses som en svår lösning på ett matematiskt pussel. Beräkningsarbetet är i sin helhet länkat till varje enskilt block av transaktioner, varje block innehåller någon del av det föregående blocket inuti (blocken är kedjade). Detta innebär att om du ville gå tillbaka och förfalska en gammal transaktion - skulle du inte bara behöva ändra den specifika transaktionen, utan göra om allt arbete tills din blockchain var så lång som den ursprungliga. Först då skulle hela peer-to-peer-nätverket tro att din huvudbok är den verkliga. Denna process är emellertid fullständigt omöjlig eftersom mängden arbete som krävs skulle vara astronomiskt. Dessutom, medan du är upptagen med att hacka bort, växer den verkliga Blockchain ständigt i storlek så att din aldrig skulle ha tid att komma ikapp. Vitboken beskriver detta koncept kortfattat:

”Nätverkets tidsstämpeltransaktioner genom att haska dem till en pågående kedja av hash-baserat proof-of-work och bilda en post som inte kan ändras utan att göra om-of-proof-of-work. Den längsta kedjan fungerar inte bara som bevis på sekvensen av händelser som vi har sett, utan också bevis för att den kom från den största poolen med CPU-kraft. ”

Pauli-uteslutningsprincipen

Det är nästan trivialt att påpeka att inga två saker någonsin är helt identiska. Även i en mycket optimerad tillverkningsprocess är små defekter alltid närvarande för ett kresne öga att påpeka. Men i den mikroskopiska kvantvärlden är saker annorlunda. Elektroner är helt identiska, på ett sätt som inga makroskopiska objekt är. Det finns inget sätt att skilja mellan dem. Modern kvantfältteori gör detta sammanhängande genom att beskriva att partikelelektroner helt enkelt är upphetsade vibrationslägen för ett underliggande fält.

Inga två fermioner kan ha exakt samma kvanttillstånd

Detta är ett uttalande om Pauli-uteslutningsprincipen som finns i en av mina grundutbildade kvanttexter. Ett kvanttillstånd betecknas med en specifik konfiguration av kvantantal. Dessa nummer representerar saker som snurra, vinkelmoment och andra parametrar. Fermioner är en viss klass av elementära partiklar som elektronen tillhör. Spinnparametern för fermioner är begränsad till halva heltalvärden, varvid den andra klassen av elementära partiklar, bosoner, har heltal för spin.

Enkelt uttryckt säger principen att för alla två elektroner kan siffrorna som anger deras kvanttillstånd aldrig alla vara desamma. Detta är inte en ad hoc-regel formulerad av Wolfgang Pauli - utan en konsekvens som framgår av kvantmekanikens regler. I den makroskopiska världen kan vi ange tillståndet för något genom att ange dess position och fart (som tidens funktioner). Från detta tillstånd kan vi beräkna vad vårt objekt kommer att göra i alla framtida ögonblick. I den mikroskopiska världen representeras emellertid staten av en tillståndsvektor. Vi kan inte ange den exakta positionen eller momentumet för partiklarna (som dikterats av Heisenbergs osäkerhetsprincip), så att detta tillstånd inte innehåller definitiva, deterministiska fakta om saken. Den innehåller all sannolik information om situationen. Pauli-uteslutningsprincipen är en konsekvens av hur vi skriver tillståndsvektorer för flerpartikelsystem av elektroner. Om någon av dessa elektroner hade samma kvantantal - skulle tillstånden vara nonsensiska.

Överflod och brist

Vid upplysning kommer många Zen-mästare fram med enstaka ordstäv för att innesluta hela sin upplevelse. Här är en av Dogens många fraser:

Släpp av dig kropp och själ - hoppa ur överflöd och brist

Hoppar klart från överflöd och brist - vad en förvirrande tanke! Vi finns i en värld inom denna dikotomi, men ändå uppmanar Dogen oss att gå längre. Genom att gå längre - menar han att omfamna dessa två motsatsers inträngande natur. Formuleringen av blockchain och Paulis princip belyser vad som menas.

Vi har två globala regler: en som styr universum och en som styr ett system. Den ena skapas, den andra upptäcks.

Hur hanterar du problemet med dubbla utgifter?
Hur ser du till att inga två fermioner är i samma kvanttillstånd?

Pauli-uteslutningsprincipen framgår av kvantmekanik - vi behöver inte säkerställa att partiklar följer det eftersom det är en konsekvens av vår tidigare vetenskap. Det finns inga oärliga elektroner - ingen av dem kommer att smyga in i samma kvanttillstånd som varandra. Denna princip är en oskiljbar aspekt av elektroner. Det ger oss en begränsning, en saknad. Det kan inte finnas obegränsade elektroner i valensskalet (det yttre skalet) hos en atom till exempel. Det är just på grund av denna brist som vi har ett överflöd av molekyler i världen. Enbart detta faktum ger upphov till den periodiska tabellen över element och den interna mekaniken för stjärnor.

Problemet med dubbla utgifter är ett intuitivt, nästan banalt exempel på balansen mellan överflöd och brist. Du vill inte att någon ska spendera ett mynt som de redan har spenderat - när de saknar vill du inte att de felaktigt påstår överflöd. Här blir saker intressanta och blockchain börjar spegla naturen. Beviset på arbetet är oskiljbart från blocket, systemet är länkat ihop på ett sätt som en lokal förändring (ett försök att på ett felaktigt sätt ändra en transaktion) har globala effekter (du måste göra om varje tidigare block). På samma sätt har ändring av kvanttillståndet för en elektron i ett litet system (en lokal förändring) den globala effekten att ändra tillståndsvektorn för hela systemet. Den här typen av oöverskådlig koppling kräver inte bara att man följer en princip - utan kräver den. Jag tror att detta är vad Dogen menade när han beskriver hoppning fri från överflöd och brist. Vi kan aldrig leva utan polariteten - men omfamna deras relation är det som ger oss verklig rikedom.

Att observera hur naturen fungerar är ett bra sätt att hitta inspiration för våra egna skapelser. Den förtroendelösa och automatiska efterlevnaden av regler är ett kännetecken för naturen - och Blockchain har framgångsrikt återupprepat denna teknik.

referenser

Whitepaper: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf

Blockchain-förklaring: https://www.youtube.com/watch?v=bBC-nXj3Ng4&t=768s&frags=pl%2Cwn

Kvanttexter: Intro till QM av Griffiths - Principles of QM av Shankar