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黑洞是電腦麼？
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作者:
網絡大貴賓
時間:
2007-8-17 11:24
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黑洞是電腦麼？
電腦與宇宙黑洞有區別嗎？第一次聽到這個問題不免覺得它有些像微軟笑話的開場白。然而，這個看似沒得說的話題卻是當今物理學最難解的問題之一。通常情況下，大多數人都會認為電腦是專門化的新發明：流線型的臺式機箱或者是指甲般大小晶片；而對一名物理學研究者來說，所有自然系統卻都是電腦。
於是，在科學研究的前提下，岩石、原子彈及星系可能不運行某種程式，但也會記錄處理資訊。大自然與資訊糾纏在一起，美國普林斯頓大學的物理學家John Wheeler就曾說過，“它來自比特。”比特是什麼呢？通俗點來說，它就是電腦中最小的一個計數單位。
如果任何一塊物質都可看作一台電腦的話，那麼一個黑洞就正是一台壓縮到最小尺寸的電腦。隨著電腦的縮小，其部件之間的相互引力就增大，直至最終增大到沒有物體能夠逃逸出去。黑洞的尺寸正比于它的品質。
黑洞電腦將怎樣實際運行呢？輸入是不成問題的：只要將數據以物質或能量的形式編碼，然後投入到黑洞內即可。通過適當製備投入黑洞的物質材料，駭客將能夠為黑洞執行任何所需要的計算編製程序。一旦物質進入黑洞，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。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間內執行著運算。這個中心就是引力奇點，粒子到此則不復存在。
不過，至於物質在奇點處被擠壓在一起時究竟發生了什麼，全要取決於量子引力的細節，就目前的研究水準而言，一切還都處於未知狀態。
怎樣才算一台電腦？
這是一個複雜得驚人的問題。不論你如何精確地定義，它都不只是那些人們通常稱為“電腦”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問題，儘管它們的輸入和輸出可能不是對人類有意義的那種形式。自然電腦具有內在的數字性：以離散的量子態存儲數據，如基本粒子的自旋。
二十世紀七十年代，英國康橋大學的斯蒂芬·霍金分析說，當考慮量子力學時，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；它沒有攜帶關於什麼進入其中的任何資訊。如果一頭大象落入其中，則大象的能量值會漏出去——然而這能量將會是一團大雜燴。它不能被利用（即使在原則上），也不能重新造出這頭大象。
因為量子力學定律是保持資訊的，所以資訊的明顯損失就提出了一系列難題。其他一些科學家，包括美國斯坦福大學的Leonard Susskind、加州理工學院的John Preskill及荷蘭烏特勒支（Utrecht）大學Gerardt Hooft等人爭辯說，事實上，向外發出的輻射不是隨機的，而是落入黑洞物質的一種被處理過的形式。2004年夏，霍金已轉而同意他們的觀點，認為黑洞也在進行計算。
黑洞只不過是宇宙登記和處理資訊的普遍原理的最大特例。這個原理本身並不新。在十九世紀，統計力學的奠基者們發展了後來稱為資訊論的知識，以解釋熱力學的諸定律。
黑洞猜想：被撕裂宇宙結構
黑洞可能看起來像是對萬物計算規則的一個例外，將資訊輸入到黑洞中並無困難。然而根據愛因斯坦廣義相對論，從黑洞中取出資訊則是不可能的。進入黑洞的物質被同一化，其成分與細節已不可恢復地損失了。
讓我們看一看愛因斯坦描述的宇宙電腦模型是怎樣工作的：首先，考慮時間（空間的三維是長、寬、高）是現實世界中的第四維。其次，考慮時空是一張巨大的繃緊了的體操表演用的彈簧床的床面。愛因斯坦的學說認為品質使時空彎曲。
不妨在彈簧床的床面上放一塊大石頭來說明這一情景：石頭的重量使得繃緊了的床面稍微下沉了一些，雖然彈簧床面基本上仍舊是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在彈簧床中央放置更多的石塊，則將產生更大的效果，使床面下沉得更多。事實上，石頭越多，彈簧床面彎曲得越厲害。
同樣的道理，宇宙中的大品質物體會使宇宙結構發生畸變。正如10塊石頭比1塊石頭使彈簧床面彎曲得更厲害一樣，品質比太陽大得多的天體比等於或小于一個太陽品質的天體使空間彎曲得厲害地多。如果一個網球在一張繃緊了的平坦的彈簧床上滾動，它將沿直線前進。反之，如果它經過一個下凹的地方 ，則它的路徑呈弧形。同理，天體穿行時空的平坦區域時繼續沿直線前進，而那些穿越彎曲區域的天體將沿彎曲的軌跡前進。
現在再來看看黑洞對於其周圍的時空區域的影響。設想在彈簧床面上放置一塊品質非常大的石頭代表密度極大的黑洞。自然，石頭將大大地影響床面，不僅會使其表面彎曲下陷，還可能使床面發生斷裂。類似的情形同樣可以宇宙出現，若宇宙中存在黑洞，則該處的宇宙結構將被撕裂。
計算宇宙電腦極限的人
根據現有的科學理論，每18個月晶片的集成度提高一倍，那麼電腦發展的極限是什麼？麻省理工學院的一位科學家計算出了歷史上最大的電腦的性能。這台電腦有一個獨一無二的名字：宇宙。
但是，給技術的發展確定一個極限卻絕非不可能。另外一個例子是田徑運動的紀錄。如果俄羅斯撐桿跳運動員布勃卡每次把紀錄提高1釐米，撐桿跳的記錄存在上限嗎？當然存在，人們甚至可以下結論：布勃卡最多跳150億光年高——那是宇宙的大小。同樣，根據愛因斯坦的相對論，100米跑的成績極限是100m/c （c為真空光速）。運動員無論如何也不能像閃電那麼快。
特殊的黑洞
與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有“隱身術”，人們無法直接觀察到它，連科學家都只能對它內部結構提出各種猜想。那麼，黑洞是怎麼把自己隱藏起來的呢？答案就是——彎曲的空間。根據常識，人們得知光是沿直線傳播的。可是根據廣義相對論，空間會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播，但走的已經不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來是要走直線的，只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。
在地球上，由於引力場作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。所以，我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術。
更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球，它朝其他方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時看到它的側面、甚至後背！
“黑洞”無疑是本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一。許多科學家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。
探索終極：黑洞與地球毀滅的關係
黑洞是一團品質很大的物質，其引力極大（仡今為止還未發現有比它引力更大的物質），形成一個深井。它是由品質和密度極大的恒星不斷坍縮而形成的，當恒星內部的物質核心發生極不穩定變化之後會形成一個稱為“奇點”的孤立點。它會將一切進入視界的物質吸入，任何東西不能從那裏逃脫出來（包括光）。它沒有具體形狀，也無法看見它，只能根據周圍行星的走向來判斷它的存在。
也許你會因為它的神秘莫測而嚇的大叫起來，這也是人類研究它的原因之一。誰知道下一秒被吸入的會不會是地球呢？
恒星，白矮星，中子星，夸克星，黑洞是依次的五個密度當量星體，密度最小的當然是恒星，黑洞是物質的終極形態，黑洞之後就會發生宇宙大爆炸，能量釋放出去後，又進入一個新的迴圈。
從黑洞中逃出去是個看上去很有趣的想法，但黑洞蒸發的確是可以從實驗中探測到的。比如說，在某些情況下可以在諸如歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機這樣的粒子加速器上製造出微型黑洞。在這種情況下，從黑洞中逃逸的資訊量可以通過實驗測量得到。
美國麻省理工學院力學工程系的Seth Lloyd認為，從理論的觀點看，黑洞蒸發和糾纏之間的密切聯繫暗示著對於引力的量子理論這個尚未解決的問題的答案也許可以在量子資訊這個迅速發展的領域中找到。但是，在作出實驗以及理論的研究之前，你也許還是希望不要跳入黑洞。
將近五十年前，Intel公司的創始人之一戈登·摩爾提出了一條定律，這就是現在廣為人知的摩爾定律：積體電路晶片的集成度每18個月提高一倍。迄今為止，半導體工業仍然忠實地按照摩爾定律的方向前進。然而，人們仍然在不停的懷疑，摩爾定律到底能夠維持多久？
要預測十年或是一百年後的晶片製造技術決非易事——想想看，十年前你絕不會相信今天的3D遊戲會如此的逼真；二十年前，一台今天來說極普通的家用電腦都能稱得上超級電腦。誰能知道十年後我們會使用什麼樣的電腦呢？
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