黑洞不仅是一个巨型计算机,而且还是一个巨型量子计算机, “它来自量子比特。”
“原来所有自然系统都是计算机!”
在大多数人看来,计算机是专门化的新发明:流线型的台式机箱或者咖啡壶内的手指甲般大小的芯片。而对一名物理学家来说,所有自然系统都是计算机。岩石、原子弹及星系可能不运行Linux程序,但它们却记录和处理信息。每个电子、光子及其他基本粒子都存储数据比特值。
黑洞可能看起来像是对万物计算规则的一个例外,将信息输入到黑洞中并无困难。然而根据广义相对论,从黑洞中取出信息则是不可能的。进入黑洞的物质被同一化,其成分与细节已不可恢复地损失了。但是当考虑量子力学时,黑洞确有输出:它们灼热的燃烧正像一块热煤。但是这一辐射是紊乱随机的,它没有携带关于进入其中的任何信息。
因为量子力学定律是保持信息的,所以信息的明显损失就提出了一系列难题。事实上,向外发出的辐射不可能是随机的,而是落入黑洞物质的一种被处理过的形式。
“当黑洞成为一个特例的计算机!”
黑洞只不过是宇宙登记和处理信息的普遍原理的最大特例。这个原理本身并不新。根据统计力学理论,我们通过信息论的知识来解释热力学的诸定律,得到的结果就是熵正比于物质内由分子的位置与速度所记录的比特数。组成宇宙的各比特值是量子比特,较之于普通比特,它具有远为丰富的性质。
借助于比特和字节对宇宙进行分析,揭示出许多令人惊异的新事实。在最近几年内,物理学家一直以相同的见解看待宇宙学及基础物理学:黑洞的本质、时空的精细尺度结构、宇宙暗能量的行为以及自然界的某些极端规律等。宇宙不仅是一个巨型计算机,而且还是一个巨型量子计算机。
“用黑洞计算机,我们来计算一个宇宙!”
黑洞计算的输入方式:将数据以物质或能量的形式编码,然后投入到黑洞内即可。通过适当制备投入黑洞的物质材料,黑客将能够为黑洞执行任何所需要的计算编制程序。一旦物质进入黑洞,它就永远消失了,形成的所谓“穹界”划分了一去不返的分界线。垂直落下的粒子彼此相互作用,在到达黑洞中心之前的有限时间内执行着运算。这个中心就是引力奇点,粒子到此则不复存在。物质在奇点处被挤压在一起,究竟发生了什么,这要取决于量子引力的细节,目前对此尚未可知。
黑洞计算机的输出采取霍金辐射的形式。如果一个一千克质量的黑洞放出霍金辐射,为了维持辐射能量,其质量将迅速衰减,在10^21秒内完全消失。辐射的峰值波长等于黑洞的半径,对于一千克质量的黑洞,这一波长等于极强烈的伽玛射线的波长。粒子检测器能够俘获并解码此辐射,为人类所用。
根据宇宙所包含的总能量,宇宙计算机可以执行10的10120次基本运算。而它能存储的信息则大约有10的1090次比特。如果考虑到所谓的“引力自由度”,那么宇宙计算机还有潜力可挖:存储容量提高到10的10120次比特。这大约相当于10的10103次块10G容量的硬盘,不过,我们似乎没法制造出这么多硬盘,因为宇宙大约只有10的1080次个基本粒子。
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