科学怪谈录：黑洞是计算机么？

　　计算机与宇宙黑洞有区别吗？第一次听到这个问题不免觉得它有些像微软笑话的开场白。然而，这个看似没得说的话题却是当今物理学最难解的问题之一。通常情况下，大多数人都会认为计算机是专门化的新发明：流线型的台式机箱或者是指甲般大小芯片；而对一名物理学研究者来说，所有自然系统却都是计算机。

　　于是，在科学研究的前提下，岩石、原子弹及星系可能不运行某种程序，但也会记录处理信息。大自然与信息纠缠在一起，美国普林斯顿大学的物理学家John Wheeler就曾说过，“它来自比特。”比特是什么呢？通俗点来说，它就是计算机中最小的一个计数单位。

　　如果任何一块物质都可看作一台计算机的话，那么一个黑洞就正是一台压缩到最小尺寸的计算机。随着计算机的缩小，其部件之间的相互引力就增大，直至最终增大到没有物体能够逃逸出去。黑洞的尺寸正比于它的质量。

　　黑洞计算机将怎样实际运行呢？输入是不成问题的：只要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——所谓的“穹界”（event horizon）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。

　　不过，至于物质在奇点处被挤压在一起时究竟发生了什么，全要取决于量子引力的细节，就目前的研究水平而言，一切还都处于未知状态。

怎样才算一台计算机？

　　这是一个复杂得惊人的问题。不论你如何精确地定义，它都不只是那些人们通常称为“计算机”的东西，而可以是世界上的任何物体。

　　自然界的物体能解决广义的逻辑和数学问题，尽管它们的输入和输出可能不是对人类有意义的那种形式。自然计算机具有内在的数字性：以离散的量子态存储数据，如基本粒子的自旋。

　　二十世纪七十年代，英国剑桥大学的斯蒂芬·霍金分析说，当考虑量子力学时，黑洞确有输出：它们灼热燃烧正像一块热煤。然而在霍金的分析中，这一辐射是紊乱随机的；它没有携带关于什么进入其中的任何信息。如果一头大象落入其中，则大象的能量值会漏出去——然而这能量将会是一团大杂烩。它不能被利用（即使在原则上），也不能重新造出这头大象。

 

这也许是最大的计算机

　　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。其他一些科学家，包括美国斯坦福大学的Leonard Susskind、加州理工学院的John Preskill及荷兰乌特勒支（Utrecht）大学Gerardt Hooft等人争辩说，事实上，向外发出的辐射不是随机的，而是落入黑洞物质的一种被处理过的形式。2004年夏，霍金已转而同意他们的观点，认为黑洞也在进行计算。

　　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。在十九世纪，统计力学的奠基者们发展了后来称为信息论的知识，以解释热力学的诸定律。

黑洞猜想：被撕裂宇宙结构

　　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。然而根据爱因斯坦广义相对论，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。

　　让我们看一看爱因斯坦描述的宇宙计算机模型是怎样工作的：首先，考虑时间（空间的三维是长、宽、高）是现实世界中的第四维。其次，考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。

 

　　不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。

 

　　同样的道理，宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害地多。如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方 ，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。

　　现在再来看看黑洞对于其周围的时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。

计算宇宙计算机极限的人

　　根据现有的科学理论，每18个月芯片的集成度提高一倍，那么计算机发展的极限是什么？麻省理工学院的一位科学家计算出了历史上最大的计算机的性能。这台计算机有一个独一无二的名字：宇宙。

　　将近五十年前，Intel公司的创始人之一戈登·摩尔提出了一条定律，这就是现在广为人知的摩尔定律：集成电路芯片的集成度每18个月提高一倍。迄今为止，半导体工业仍然忠实地按照摩尔定律的方向前进。然而，人们仍然在不停的怀疑，摩尔定律到底能够维持多久？

　　要预测十年或是一百年后的芯片制造技术决非易事——想想看，十年前你绝不会相信今天的3D游戏会如此的逼真；二十年前，一台今天来说极普通的家用电脑都能称得上超级电脑。谁能知道十年后我们会使用什么样的电脑呢？

 

M77漩涡星系中心发出强大的射电波，有科学家认为那里存在一个巨大的黑洞

　　但是，给技术的发展确定一个极限却绝非不可能。另外一个例子是田径运动的纪录。如果俄罗斯撑杆跳运动员布勃卡每次把纪录提高1厘米，撑杆跳的记录存在上限吗？当然存在，人们甚至可以下结论：布勃卡最多跳150亿光年高——那是宇宙的大小。同样，根据爱因斯坦的相对论，100米跑的成绩极限是100m/c （c为真空光速）。运动员无论如何也不能像闪电那么快。

特殊的黑洞

　　与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。根据常识，人们得知光是沿直线传播的。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

　　在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。

　　更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

 

　　“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。

探索终极：黑洞与地球毁灭的关系

　　黑洞是一团质量很大的物质，其引力极大（仡今为止还未发现有比它引力更大的物质），形成一个深井。它是由质量和密度极大的恒星不断坍缩而形成的，当恒星内部的物质核心发生极不稳定变化之后会形成一个称为“奇点”的孤立点。它会将一切进入视界的物质吸入，任何东西不能从那里逃脱出来（包括光）。它没有具体形状，也无法看见它，只能根据周围行星的走向来判断它的存在。

　　也许你会因为它的神秘莫测而吓的大叫起来，这也是人类研究它的原因之一。谁知道下一秒被吸入的会不会是地球呢？

 

　　恒星，白矮星，中子星，夸克星，黑洞是依次的五个密度当量星体，密度最小的当然是恒星，黑洞是物质的终极形态，黑洞之后就会发生宇宙大爆炸，能量释放出去后，又进入一个新的循环。

想要彻底弄懂宇宙规则没那么容易

　　从黑洞中逃出去是个看上去很有趣的想法，但黑洞蒸发的确是可以从实验中探测到的。比如说，在某些情况下可以在诸如欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机这样的粒子加速器上制造出微型黑洞。在这种情况下，从黑洞中逃逸的信息量可以通过实验测量得到。

　　美国麻省理工学院力学工程系的Seth Lloyd认为，从理论的观点看，黑洞蒸发和纠缠之间的密切联系暗示着对于引力的量子理论这个尚未解决的问题的答案也许可以在量子信息这个迅速发展的领域中找到。但是，在作出实验以及理论的研究之前，你也许还是希望不要跳入黑洞。