黑洞是個大電腦

為了能夠與時俱進，研究人員將宇宙比擬成電腦，而物理定律則如同是電腦程式。
撰文╱羅伊德（Seth Lloyd）、吳哲義（Y. Jack Ng）
翻譯／李沃龍

黑洞電腦一詞聽來或許荒謬，但它正接受驗證，以成為宇宙學與基礎物理研究者概念上有用的工具。

電腦和黑洞究竟有何不同呢？這問題聽來像是嘲諷微軟公司笑話的開頭，但它實在是今日最深邃的物理問題之一。大多數的人認為電腦是個特殊而具有功用的裝置：坐落在書桌上的流線形盒子，或者是內含指甲般大小晶片的高科技咖啡壺。但對於物理學家而言，所有的物理系統都是電腦。岩石、原子彈和星系也許沒有安裝Linux，但它們也會記錄與處理資訊。每一個電子、光子和其他基本粒子都儲存著數據資料，每當兩個粒子交互作用時，這些資訊位元便會轉換。實體的存在與資訊內容繁複地連結在一起。誠如美國普林斯頓大學物理學家惠勒（John Wheeler）所說的：「一切事物都由位元資訊衍生而來。」

對於所有事物的運算法則來說，黑洞似乎是個例外。將資訊輸入黑洞是毫無困難的，但根據愛因斯坦的廣義相對論，要從中取出資訊是件不可能的事。物質一旦進入黑洞便會被徹底消化，其組成細節將無可挽回地喪失。在1970年代，英國劍橋大學的霍金（Stephen Hawking）證明了，當考慮量子力學時，黑洞確實可產生輸出：它們像高熱的煤炭般發光。但是在霍金的分析裡，這種輻射是隨機而凌亂的，不會帶有任何關於墜入物體的資訊。假如有一頭大象掉進去，黑洞會輸出相當於一頭大象的能量─但原則上該能量是混雜錯亂的，無法用來重新創造出那隻動物。

量子力學的定律指出資訊應該獲得保存，因此資訊的顯著遺失帶來嚴重難題。其他科學家，包括美國史丹佛大學的色斯金（Leonard Susskind），加州理工學院的普瑞斯基爾（John Preskill）和荷蘭烏特列茲大學的特霍夫特（Gerard 't Hooft），都主張那向外發出的輻射事實上並非隨機凌亂的，而是墜落物質經過加工處理後的型態。今年夏天，霍金改變了自己的觀點，轉而支持他們的主張，認為黑洞也會運算。

這個黑洞在半徑為10-27公尺的圓球體積內含有一公斤的質量。墜入的物質上編有資料數據與指令。

宇宙會記錄並處理資訊是個一般性原則，黑洞只不過是其中最詭異的例子，該原則本身卻並非什麼新鮮事。在19世紀時，統計力學的肇建者為了解釋熱力學定律，便發展了後來所謂的資訊理論。乍看之下，熱力學與資訊理論是兩個截然不同的世界：一個用來描述蒸氣引擎，另一個則使通訊發揮最大效益。但是在熱力學中限制蒸氣引擎做功效能的物理量─熵，其實與物質分子的位置和速度所記錄的資訊位元數成正比。發明於20世紀的量子力學，賦予此項發現一個牢固的定量基礎，並引入了卓越出眾的量子資訊概念。構成宇宙的位元稱為量子位元（qubit），其性質遠較普通位元更加精采。

以位元和位元組來分析宇宙，並不會取代傳統上以力與能量所做的分析，但它的確發現了令人驚訝的新事實。例如在統計力學的領域中，它解開了關於「馬克士威惡魔」的悖論，那是個似乎能永不停息的永動機。最近幾年，我們與其他物理學家已把同樣的洞見應用在黑洞的本質、時空的精細結構、宇宙暗能量的行為與自然的終極定律等宇宙學和基礎物理問題上。宇宙並不只是個巨大的電腦，它其實是個巨大的量子電腦。正如義大利帕多瓦大學的物理學家歷里（Paola Zizzi）所說的：「一切事物都由量子位元衍生而來。」

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