天文太空

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

天文太空

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

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。」