黑洞是个大电脑

为了能够与时俱进，研究人员将宇宙比拟成电脑，而物理定律则如同是电脑程式。
撰文╱罗伊德（Seth Lloyd）、吴哲义（Y. Jack Ng）
翻译／李沃龙

黑洞电脑一词听来或许荒谬，但它正接受验证，以成为宇宙学与基础物理研究者概念上有用的工具。

电脑和黑洞究竟有何不同呢？这问题听来像是嘲讽微软公司笑话的开头，但它实在是今日最深邃的物理问题之一。大多数的人认为电脑是个特殊而具有功用的装置：坐落在书桌上的流线形盒子，或者是内含指甲般大小晶片的高科技咖啡壶。但对于物理学家而言，所有的物理系统都是电脑。岩石、原子弹和星系也许没有安装Linux，但它们也会记录与处理资讯。每一个电子、光子和其他基本粒子都储存着数据资料，每当两个粒子交互作用时，这些资讯位元便会转换。实体的存在与资讯内容繁复地连结在一起。诚如美国普林斯顿大学物理学家惠勒（John Wheeler）所说的：「一切事物都由位元资讯衍生而来。」

对于所有事物的运算法则来说，黑洞似乎是个例外。将资讯输入黑洞是毫无困难的，但根据爱因斯坦的广义相对论，要从中取出资讯是件不可能的事。物质一旦进入黑洞便会被彻底消化，其组成细节将无可挽回地丧失。在1970年代，英国剑桥大学的霍金（Stephen Hawking）证明了，当考虑量子力学时，黑洞确实可产生输出：它们像高热的煤炭般发光。但是在霍金的分析里，这种辐射是随机而凌乱的，不会带有任何关于坠入物体的资讯。假如有一头大象掉进去，黑洞会输出相当于一头大象的能量─但原则上该能量是混杂错乱的，无法用来重新创造出那只动物。

量子力学的定律指出资讯应该获得保存，因此资讯的显着遗失带来严重难题。其他科学家，包括美国史丹佛大学的色斯金（Leonard Susskind），加州理工学院的普瑞斯基尔（John Preskill）和荷兰乌特列兹大学的特霍夫特（Gerard 't Hooft），都主张那向外发出的辐射事实上并非随机凌乱的，而是坠落物质经过加工处理后的型态。今年夏天，霍金改变了自己的观点，转而支持他们的主张，认为黑洞也会运算。

这个黑洞在半径为10-27公尺的圆球体积内含有一公斤的质量。坠入的物质上编有资料数据与指令。

宇宙会记录并处理资讯是个一般性原则，黑洞只不过是其中最诡异的例子，该原则本身却并非什么新鲜事。在19世纪时，统计力学的肇建者为了解释热力学定律，便发展了后来所谓的资讯理论。乍看之下，热力学与资讯理论是两个截然不同的世界：一个用来描述蒸气引擎，另一个则使通讯发挥最大效益。但是在热力学中限制蒸气引擎做功效能的物理量─熵，其实与物质分子的位置和速度所记录的资讯位元数成正比。发明于20世纪的量子力学，赋予此项发现一个牢固的定量基础，并引入了卓越出众的量子资讯概念。构成宇宙的位元称为量子位元（qubit），其性质远较普通位元更加精采。

以位元和位元组来分析宇宙，并不会取代传统上以力与能量所做的分析，但它的确发现了令人惊讶的新事实。例如在统计力学的领域中，它解开了关于「马克士威恶魔」的悖论，那是个似乎能永不停息的永动机。最近几年，我们与其他物理学家已把同样的洞见应用在黑洞的本质、时空的精细结构、宇宙暗能量的行为与自然的终极定律等宇宙学和基础物理问题上。宇宙并不只是个巨大的电脑，它其实是个巨大的量子电脑。正如义大利帕多瓦大学的物理学家历里（Paola Zizzi）所说的：「一切事物都由量子位元衍生而来。」

来自 http://www.sciam.com.tw/read/re...ocNo=590&CL=4