為了與時(shí)俱進(jìn)，研究人員可以把物理學(xué)定律看作計算機程序，把宇宙看作一臺計算機。

(黑洞計算機可能聽(tīng)起來(lái)荒誕不經(jīng)，然而，宇宙學(xué)和基礎物理學(xué)的研究人員正在證明它是一個(gè)有用的概念工具。如果物理學(xué)家能夠在粒子加速器中創(chuàng )造黑洞（有預言認為10年之內可能實(shí)現），他們可能確實(shí)能觀(guān)察到黑洞在執行運算。)

計算機與宇宙黑洞有區別嗎？這個(gè)問(wèn)題乍聽(tīng)起來(lái)，就像某個(gè)微軟笑話(huà)的開(kāi)場(chǎng)白。然而，它卻是當今物理學(xué)最深奧的問(wèn)題之一。在大多數人看來(lái)，計算機是專(zhuān)門(mén)化的新發(fā)明：流線(xiàn)型的臺式機箱或者咖啡壺內的手指甲般芯片。而對一名物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，所有自然系統都是計算機。巖石、原子彈及星系可能不運行Linux程序，但它們也記錄和處理信息。每個(gè)電子、光子及其他基本粒子都存儲數據比特值。大自然與信息是糾纏在一起的，正如美國普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家John Wheeler所說(shuō)，“它來(lái)自比特。”

黑洞可能看起來(lái)像是對萬(wàn)物計算規則的一個(gè)例外，將信息輸入到黑洞中并無(wú)困難。然而根據愛(ài)因斯坦廣義相對論，從黑洞中取出信息則是不可能的。進(jìn)入黑洞的物質(zhì)被同一化，其成分與細節已不可恢復地損失了。1970年代，英國劍橋大學(xué)的斯蒂芬·霍金曾表明，當考慮量子力學(xué)時(shí)，黑洞確有輸出：它們灼熱燃燒正像一塊熱煤。然而在霍金的分析中，這一輻射是紊亂隨機的；它沒(méi)有攜帶關(guān)于什么進(jìn)入其中的任何信息。如果一頭大象落入其中，則大象的能量值會(huì )漏出去——然而這能量將會(huì )是一團大雜燴。它不能被利用（即使在原則上），也不能重新造出這頭大象。

因為量子力學(xué)定律是保持信息的，所以信息的明顯損失就提出了一系列難題。其他一些科學(xué)家，包括美國斯坦福大學(xué)的Leonard Susskind、加州理工學(xué)院的John Preskill及荷蘭烏特勒支（Utrecht）大學(xué)Gerard‘t Hooft等人爭辯說(shuō)，事實(shí)上，向外發(fā)出的輻射不是隨機的，而是落入黑洞物質(zhì)的一種被處理過(guò)的形式。2004年夏，霍金已轉而同意他們的觀(guān)點(diǎn)，認為黑洞也在進(jìn)行計算。

黑洞只不過(guò)是宇宙登記和處理信息的普遍原理的最大特例。這個(gè)原理本身并不新。在19世紀，統計力學(xué)的奠基者們發(fā)展了后來(lái)稱(chēng)為信息論的知識，以解釋熱力學(xué)的諸定律。乍一看，熱力學(xué)和信息論是兩個(gè)分離的范疇：一個(gè)是用來(lái)描述蒸汽機，另一個(gè)使通訊最優(yōu)化；然而，熵這個(gè)熱力學(xué)量限定了蒸汽機做有用功的能力，而熵又正比于物質(zhì)內由分子的位置與速度所記錄的比特數。20世紀的量子力學(xué)將這一發(fā)現置于堅實(shí)的定量基礎之上，并使科學(xué)家具有顯著(zhù)的量子信息概念。組成宇宙的各比特值是量子比特，或稱(chēng)“昆比”（qubits），較之于普通比特，它具有遠為豐富的性質(zhì)。

借助于比特和字節對宇宙進(jìn)行分析，并不能替代力和能量等量的常規分析，卻揭示出許多令人驚異的新事實(shí)。例如，它解開(kāi)了統計力學(xué)領(lǐng)域稱(chēng)為“麥克斯韋妖魔”的佯謬現象——這一佯謬似乎允許永動(dòng)機存在。在最近幾年內，我們和其他物理學(xué)家一直以相同的見(jiàn)解看待宇宙學(xué)及基礎物理學(xué)：黑洞的本質(zhì)、時(shí)空的精細尺度結構、宇宙暗能量的行為以及自然界的某些極端規律等。宇宙不僅是一個(gè)巨型計算機，而且還是一個(gè)巨型量子計算機，正如意大利帕多瓦（Padova）大學(xué)的物理學(xué)Paola Zizzi所說(shuō)，“它來(lái)自量子比特。”

千兆也嫌慢

物理學(xué)與信息論（源于量子力學(xué)的中心原理）合流了：說(shuō)到底，離散是自然的本性；一個(gè)自然系統可以用有限的比特值來(lái)描述。在系統內，每個(gè)粒子的行為正像一臺計算機的邏輯門(mén)。它的自旋“軸”能指向兩個(gè)方向中的一個(gè)，因此可以編碼一個(gè)比特，并且可以翻轉，由此執行一個(gè)簡(jiǎn)單的計算操作。

系統在時(shí)間上也是離散的。傳遞一個(gè)比特所取時(shí)間是最小量值。精確量值由一個(gè)定理所給出，該定理是由信息處理物理學(xué)的兩位先驅所命名的：一位是美國麻省理工學(xué)院的Normam Margolus，另一位是波士頓大學(xué)的Lev Levitin。該定理與海森堡的測不準原理相關(guān)聯(lián)（測不準原理描述了諸如對位置與動(dòng)量或者時(shí)間與能量?jì)蓚€(gè)相關(guān)物理量進(jìn)行測量時(shí)，存在著(zhù)固有的折衷取舍），它聲稱(chēng)，傳遞一個(gè)比特所取時(shí)間t依賴(lài)于你所施加的能量E，施加的能量愈多，時(shí)間則可能愈短。數學(xué)表達式是T≥h/4E，其中h是普朗克常數（量子理論的主要參數）。例如，一種類(lèi)型的實(shí)驗量子計算機用質(zhì)子來(lái)存儲信息比特，而用磁場(chǎng)來(lái)翻轉各比特值。這些運算是在由Margolus－Levitin定理所允許的最小時(shí)間內發(fā)生的。

從這個(gè)定理出發(fā)，可以推導出包括時(shí)空的幾何極限到整個(gè)宇宙的計算能力在內的大量結論。作為預習，試考慮普通物質(zhì)的計算能力的極限——在此情況內，取占有一升體積的一千克物質(zhì)，我們且稱(chēng)其為“極端掌上計算機”。

它的電池能源就是其物質(zhì)本身，通過(guò)愛(ài)因斯坦著(zhù)名的公式E=mc*2直接轉換為能量。如果將這些能量全數投入到翻轉的比特位中，則計算機每秒鐘能進(jìn)行10*51次運算；隨著(zhù)能量的降低其運算逐漸變慢。計算機的存儲容量可以用熱力學(xué)計算：當一千克物質(zhì)轉變?yōu)橐簧w積內的能量時(shí)，它的溫度是10億開(kāi)氏度。熵正比于能量除以溫度，相應地達到10*31比特的信息量。“極端掌上計算機”是在基本粒子的微觀(guān)運動(dòng)及位置中存儲信息的，而這些粒子在其體積內四處運動(dòng)，因此熱力學(xué)定律所允許的每一個(gè)信息比特都投入了使用。

極端計算

怎樣才算一臺計算機？這是一個(gè)復雜得驚人的問(wèn)題。不論你如何精確地定義，它都不只是那些人們通常稱(chēng)為“計算機”的東西，而可以是世界上的任何物體。自然界的物體能解決廣義的邏輯和數學(xué)問(wèn)題，盡管它們的輸入和輸出可能不是對人類(lèi)有意義的那種形式。自然計算機具有內在的數字性：以離散的量子態(tài)存儲數據，如基本粒子的自旋。它們的指令集合是量子物理學(xué)。

粒子無(wú)論何時(shí)發(fā)生相互作用，都會(huì )引起彼此取向的翻轉。這一過(guò)程可以借助于諸如C或Java等編程語(yǔ)言來(lái)想像：粒子就是一些變量，它們的相互作用就是諸如加法等運算行為。每一比特信息在每秒鐘內能翻轉10*20次，這等效于時(shí)鐘速度為100GG赫茲。事實(shí)上，系統變化太快，不能由中心時(shí)鐘來(lái)控制。將一個(gè)數位比特翻轉所用時(shí)間，近似等于從一個(gè)數位將信號傳送到相鄰數位的時(shí)間。因此，極端便掌上計算機是高度平行運作的：它的運行不像單一處理器，而是像多個(gè)處理器的一個(gè)巨大陣列；每個(gè)處理器的工作幾乎獨立，并將其運算結果傳送到其他相對較慢的處理器上。

比較來(lái)看，一臺常規計算機每秒鐘翻轉其信息比特大約10*9次，存儲約10*12比特的信息，且只包含單一的處理器。如果摩爾（More）定律能夠保持的話(huà)，你的后世子孫將有可能在23世紀中期買(mǎi)到一臺極端掌上計算機。工程師們將找到精確控制等離子體內粒子相互作用的方法，而該等離子體要比太陽(yáng)的核心還要熱，而且控制計算機和糾錯將占用許多通訊帶寬。工程師們也可能已經(jīng)解決了某些節點(diǎn)封裝的問(wèn)題。

在某種意義上，如果你認對了人，你事實(shí)上已經(jīng)能夠買(mǎi)到這樣的裝置。一千克的一塊物質(zhì)完全轉化為能量——這正是一顆2000萬(wàn)噸級氫彈的工作定義。爆炸的核武器正在處理巨量的信息，其初始結構給出其輸入，其輻射給出其輸出。

從納米技術(shù)到塞米技術(shù)

如果任何一塊物質(zhì)都可看作一臺計算機的話(huà)，那么一個(gè)黑洞就正是一臺壓縮到最小尺寸的計算機。隨著(zhù)計算機的縮小，其部件之間的相互引力就增大，直至最終增大到?jīng)]有物體能夠逃逸出去。黑洞的尺寸（稱(chēng)為Schwarzschild半徑）正比于它的質(zhì)量。

一千克質(zhì)量的黑洞有著(zhù)大約10*-27米的半徑（一個(gè)質(zhì)子的半徑是10*-15米）。壓縮后的計算機并未改變其能量?jì)热?，因此它能像以前一樣每秒執?0*51次運算。發(fā)生改變的僅是它的存儲容量。當引力小到可忽略時(shí)，總存儲容量正比于粒子數，也正比于體積。而當引力起支配作用時(shí)，它使各粒子之間相互聯(lián)結，因此它們整體上所能存儲的信息容量就較少。一個(gè)黑洞的總存儲容量正比于它的表面積。1970年代，霍金和以色列希伯萊大學(xué)的Jacob Bekenstein計算一千克質(zhì)量的黑洞能夠記錄大約10*16個(gè)比特的信息，比壓縮前要少得多。

因為存儲的信息量少，黑洞是個(gè)快得多的處理器。它傳遞一個(gè)比特所用的時(shí)間是10*-35秒，等于光從計算機一邊傳到另一邊所用的時(shí)間。因此，較之高度并行的極端掌上計算機，黑洞是個(gè)串行計算機，它的行為如同一個(gè)獨立的單元。

黑洞計算機將怎樣實(shí)際運行呢？輸入是不成問(wèn)題的：只要將數據以物質(zhì)或能量的形式編碼，然后投入到黑洞內即可。通過(guò)適當制備投入黑洞的物質(zhì)材料，黑客將能夠為黑洞執行任何所需要的計算編制程序。一旦物質(zhì)進(jìn)入黑洞，它就永遠消失了——所謂的“穹界”（event horizon）劃分了一去不返的分界線(xiàn)。垂直落下的粒子彼此相互作用，在到達黑洞中心之前的有限時(shí)間內執行著(zhù)運算。這個(gè)中心就是引力奇點(diǎn)，粒子到此則不復存在。物質(zhì)在奇點(diǎn)處被擠壓在一起，究竟發(fā)生了什么，這要取決于量子引力的細節，目前對此尚未可知。

黑洞計算機的輸出采取霍金輻射的形式。如果一個(gè)一千克質(zhì)量的黑洞放出霍金輻射，為了維持輻射能量，其質(zhì)量將迅速衰減，在10*-21秒內完全消失。輻射的峰值波長(cháng)等于黑洞的半徑，對于一千克質(zhì)量的黑洞，這一波長(cháng)等于極強烈的伽瑪射線(xiàn)的波長(cháng)。粒子檢測器能夠俘獲并解碼此輻射，為人類(lèi)所用。

霍金對于黑洞輻射的研究，使他的名字跟這一輻射連在了一起。他推翻了人們認為沒(méi)有任何東西可逃出黑洞的傳統智識。黑洞的輻射速率與其尺寸成反比，因此，諸如星系中心的那些大黑洞的能量損失，比它們吞噬物質(zhì)要慢得多。然而，在將來(lái)實(shí)驗人員可能在粒子加速器內創(chuàng )造某些微小黑洞，這些黑洞將隨著(zhù)一陣輻射而爆炸。一個(gè)黑洞可不被看作是固定的物體，而被看作是以最大可能速率執行運算的物質(zhì)的短暫集合。