کیهان، خود در حال پردازش است

مقدمه

تفاوت یک کامپیوتر با یک سیاهچاله در چیست؟ اگرچه این پرسش همانند یک شوخی مایکروسافتی جلوه می‌کند، اما حقیقت آن است که این پرسش یکی از اساسی‌ترین مسایل فیزیک امروزی تلقی می‌شود. اکثر کاربران، کامپیوترها را دستگاه‌های ویژه‌ای می‌دانند که به‌شکل سیستم‌های رومیزی هر روز با آن‌ها سرو کار دارند. اما از نگاه یک فیزیکدان امروزی، سیستم‌های فیزیکی همگی کامپیوتر هستند. در چنین نگاهی، سنگ و صخره، بمب‌ها و کهکشان‌ها و دیگر سیستم‌های فیزیکی، اگرچه سیستم‌عاملی همچون ویندوز یا لینوکس را اجرا نمی‌کنند، اما داده‌هایی را ثبت می‌کنند و توان پردازش اطلاعات را دارند. هر الکترون، فوتون و یا هر ذره بنیادی دیگر، می‌تواند بیت‌های اطلاعاتی را ذخیره کند. می‌دانیم که ذرات بنیادی سازنده اجسام فیزیکی دارای مشخصه‌هایی کوانتومی همچون اسپین (spin) هستند که برحسب گروه‌بندی فیزیک نوین می‌تواند مقادیر مشخص و معلومی باشد. در نتیجه هر ذره فیزیکی می‌تواند در اصل داده‌هایی را ذخیره کند. (اسپین یکی از مشخصه‌های فیزیکی است که در مفاهیم فیزیک جدید آن را به کمیتی که چرخش وضعی ذره‌ای را توصیف می‌کند، تشبیه می‌کنند. اگر برای سهولت تجسم، ذره‌ای مانند یک الکترون را به گوی کوچکی تشبیه کنیم، براساس مفاهیم فیزیک کوانتوم، چنین ذره‌ای می‌تواند از چپ به راست، و یا از راست به چپ، حول محور فرضی خود دَوَران کند و حالت دیگری نمی‌توان برای آن در نظر گرفت. در این صورت، مثلاً بر حسب آن که مشخصه‌ای همچون اسپین یک الکترون کدامیک از دو حالت مجاز (مثبت یک‌دوم یا منفی یک‌دوم) باشد، چنین الکترونی می‌تواند یک بیت داده را ذخیره کند

کامپیوترهای‌ فیزیکی و کامپیوترهای سیاهچاله‌ای، از نظر محاسباتی به دو گونه متفاوت تفکیک می‌شوند. یک کامپیوتر فیزیکی معادل یک سیستم محاسباتی موازی عمل می‌کند، یعنی سیستمی که همه اجزای آن مستقلاً و به‌طور همزمان عمل می‌کنند. از طرف دیگر، کامپیوترهای سیاهچاله‌ای همانند سیستم‌های سریال کار می‌کنند. یعنی سیستم‌هایی که یک

پردازنده دارند و دستورالعمل‌های محاسباتی را یکی پس از دیگری به‌نوبت انجام می‌دهند. 
یک کامپیوتر فیزیکی، از مجموعه ای از ذرات تشکیل شده است که عمل encoding وپردازش اطلاعات را بر عهده دارند. هر یک از ذرات تشکیل دهنده چنین سیستمی، قادرند که یک عمل پردازشی را در زمان 10 به توان منفی 20 ثانیه انجام دهند. در چنین بازه زمانی، یک سیگنال تنها می‌تواند مسافتی برابر با ^12-10*3 متر را بپیماید. این مسافت به تقریب، همان فاصله بین ذرات است. در چنین سیستمی، سرعت ارتباطات از سرعت پردازش‌ها بسیار کندتر خواهد بود. 
نتیجتاً، زیربخش‌های (subregion) چنین سیستمی به‌صورتی مستقل از یکدیگر عمل می کنند. 
کامپیوترهای سیاهچاله ای نیز از مجموعه ای از ذرات تشکیل شده اند. اما ذرات این سیستم ها، به دلیل گرانش شدید، تعداد بیت های کمتری را می توانند در خود ذخیره کنند (با تخصیص یافتن انرژی بیشتری به هر بیت). هر یک از ذرات این سیستم قادرند یک دستور العمل محاسباتی را در زمان 10 به‌توان منفی 35 ثانیه پردازش کنند. این زمان، همان زمانی است که یک سیگنال برای طی کردن قطر سیاهچاله بدان نیاز دارد. در نتیجه، در چنین سیستم‌هایی، ارتباطات به اندازه عملیات پردازشی سریع هستند و  کل مجموعه همانند یک کامپیوتر مستقل عمل می‌کند


تا این‌جا حاصل به‌کارگیری مفاهیم تئوری اطلاعات (Information Theory) در مفاهیم فیزیکی منجر به تعبیر ظرفیت داده‌ای ذرات فیزیکی می‌شود. اما بازهم می‌دانیم که ذرات بنیادی می‌توانند تحت شرایط گوناگونی با یکدیگر اصطلاحاً برهم‌کنش (Interaction) داشته باشند و طی چنین اندرکنش‌هایی، مشخصه‌های کوانتومی طرفین برهم‌کنش، ضمن پیروی از اصول بقای فیزیکی، تغییر می‌کنند. در چنین شرایطی نگاه جدید به فیزیک بیان کننده این حقیقت است که ذرات فیزیکی توان محاسباتی (Computation) دارند. (بر اساس تعاریف، هرگاه یک بیت داده از مقداری  مانند یک به مقداری دیگری  مانند صفر تغییر کند، گفته می‌شود که یک عمل محاسباتی انجام گرفته است. بدین ترتیب هرگاه در یک برهم‌کنش فیزیکی کمیت فیزیکی مشخصی مانند اسپین ذره‌ای از مقداری به مقدار دیگری تغییر کند، آن ذره یک عمل محاسباتی انجام داده است)‌.

بر این اساس علاوه بر قوانین بقای ماده و انرژی در فیزیک نوین، از این پس شاهد نوعی قوانین بقای اطلاعات
(Information) نیز هستیم. به عبارت دیگر در نگاه جدید به طبیعت، بین موجودیت فیزیکی (Physical Existence) و محتوای اطلاعاتی (Information Content) پیوندی ناگسستنی وجود دارد. 
در بین اجسام فیزیکی، به‌نظر می‌رسد که سیاهچاله‌ها از این نگاه که کلیه اجسام فیزیکی قابلیت پردازش اطلاعات را دارند، یک استثنا باشند. در گذشته تصور می‌شد که بر اساس نظریه نسبیت خاص انشتین، هیچ چیزی نمی‌تواند از میدان جاذبه سیاهچاله‌ها فرار کند. به این ترتیب اگرچه می‌توان به‌درون سیاهچاله اطلاعات را وارد کرد، اما چیزی نمی‌توان از آن‌ها دریافت کرد که بگوییم، محاسبه‌ای انجام شده است. در دهه هفتاد میلادی، فیزیکدان مشهور انگلیسی، استفان هاوکینگ بیان کرد که بر اساس تئوری مکانیک کوانتومی، سیاهچاله‌ها تشعشعاتی صادر می‌کنند (مانند یک قطعه ذغال داغ و فروزان) و این‌گونه نیست که این اجرام هیچ گونه خروجی نداشته باشند. اما باز بر اساس همین نظریه، خروجی سیاهچاله‌ها، تشعشع تصادفی(random) است. به این ترتیب اگر در یک آزمایش فرضی، یک صندلی به درون سیاهچاله انداخته شود، داده‌ها و اطلاعات خروجی سیاهچاله به‌گونه‌ای نیست که بتوان بر اساس آن، آن صندلی را باز‌سازی کرد. 
یعنی در آزمایش فوق، اطلا‌عات ناپدید می‌شوند. اما موضوع بقای اطلاعات در فیزیک کوانتومی این مسأله را غیرممکن می‌داند و به همین دلیل این موضوع تبدیل به یکی از مهم‌ترین مشکلات فیزیک نظری در سال‌های اخیر شده بود. 

دانشمندان دیگری مانند Leonard Susskind و دیگران برهمین اساس بیان کردند که تشعشعات سیاهچاله نمی‌تواند به‌صورت random باشد و بر اساس اصل <بقای اطلاعات>، چنین تشعشعاتی باید حاوی اطلاعاتی از مواد ورودی به سیاهچاله‌ها باشند. این پارادکس آنقدر ناشناخته باقی ماند تا نهایتاً خود استفان هاوکینگ در تابستان گذشته مجدداً در نقش یک فیزیکدان پیشرو ظاهر گشت و ضمن اعتراف به اشتباه گذشته خود، بیان داشت که سیاهچاله‌ها نیز می‌توانند محاسبه کنند. 
سیاهچاله‌ها نمونه ای از  عجیب‌ترین اجسام در عالم هستند. که در عین حال از این اصل عمومی ‌که کیهان قابلیت ذخیره‌سازی داده و پردازش اطلاعات را دارد، تبعیت می‌کنند. البته این اصل به‌خودی خود چندان موضوع جدیدی در فیزیک مدرن تلقی نمی‌شود و در قرن نوزدهم، بنیانگذاران مکانیک آماری آن را برای تفسیر قوانین ترمودینامیک مطرح کردند و از آنجا پایه‌های تئوری اطلاعات(Information Theory) وضع گردید (بر خلاف انتظار بسیاری از ما که تصور می‌کنیم تئوری اطلاعات دانشی است که در علوم ارتباطات به‌کار گرفته شده است)، واقعیت آن است که کمیت ترمودینامیکی به‌نام آنتروپی (Entropy) با ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات توسط مولکول‌های یک ماده (تعداد بیت‌هایی که مکان‌ها و سرعت‌های مولکول‌های ماده می‌توانند ذخیره ‌کنند) تناسب مستقیم دارد. به این ترتیب پایه‌های دانش اطلاعات کوانتومی (Quantum Information) بربنیان کّمی مستحکمی در قرن بیستم پی‌ریزی شد. براساس
دانش اطلاعات کوانتومی، بیت‌های سازنده عالم، بیت‌های کوانتومی یاQubits نام گرفتند. 

باید توجه داشت که اگرچه تجزیه و تحلیل کیهان به کمک مفاهیمی مانند بیت و بایت، نمی‌تواند جایگزین بررسی‌هایی بر اساس مفاهیم معمول مانند نیرو یا انرژی باشد، اما استفاده از مفاهیم اطلاعات کوانتومی می‌توانند روشنگر حقایق جدیدی در فیزیک باشد. به عنوان مثال، تا کمی قبل موضوعی معروف به شیطانک ماکسول (Maxwell demon) در حوزه ترمودینامیک حل نشده باقی مانده بود و از آن به عنوان یک پارادکس یاد می‌شد. در واقع قبل از آن‌که تئوری اطلاعات کوانتومی این موضوع را تفسیر کند، پارادکس شیطانک ماکسول منجر به شکل گیری نوعی <حرکت ابدی>(Perpetual motion) می‌شد. 
این گونه بود که در سال‌های اخیر تعدادی از فیزیک‌دانان دیدگاه‌های مشابهی را در حوزه‌های گوناگونی از کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات بنیادی همچون، سیاهچاله‌ها، ریزساختار فضازمان (Fine scale spacetime structure) ، رفتار‌شناسی انرژی تاریک کیهانی و موارد دیگری از  قوانین بنیادین طبیعت، به‌کار گرفتند. در نگاه این گروه از فیزیکدانان، عالم یک کامپیوتر غول‌آسا نیست، بلکه یک کامپیوتر کوانتومی غول‌آسا است. 




نهایت محاسبات 
کامپیوتر چیست؟ این پرسش در عین سادگی، بسیار پیچیده است. اما پاسخ آن هرچه باشد،  به همان اندازه‌ای که به دستگاه‌هایی که همه به‌نام کامپیوتر می‌شناسیم، به هر جسم دیگری در عالم نیز قابل تسری است. اجسام فیزیکی موجود در عالم، اگرچه به مفهوم قابل درک برای انسان‌ها دارای ورودی و خروجی نیستند، اما قابلیت انجام بسیاری از اعمال منطقی و محاسبات ریاضی را دارند. کامپیوترهای طبیعی (یعنی ذره‌ای یا ماده‌ای) به‌شکل ذاتی دیجیتال هستند و اطلاعات و داده‌ها را به‌صورت حالات کوانتومی گسسته ذخیره می‌کنند(مانند اسپین ذرات بنیادی). مجموعه دستورالعمل‌های چنین کامپیوترهایی قوانین فیزیک کوانتومی است

زمانی که گیگا‌هرتز، بسیار کم است

در اصول، سرچشمه فیزیک مدرن و تئوری اطلاعات از یک اصل مرکزی مکانیک کوانتومی نشات می‌گیرند که بر گسسته‌بودن طبیعت دلالت دارد. از مفاهیم فیزیکی می‌دانیم که هر سیستم‌ فیزیکی را می‌توان توسط تعداد محدودی از ‌بیت‌‌ها، تفسیر و تبیین نمود و از طرف دیگر، می‌توان هر ذره از یک سیستم‌فیزیکی را مانند یک مدار الکتریکی منطقی (logic Gate) در کامپیوترها در نظر گرفت که محور اسپین آن می‌تواند از یک جهت به جهت دیگر چرخش کند و در نتیجه یک عمل محاسباتی انجام دهد. 
علاوه بر گسستگی سیستم‌های فیزیکی در بعد مکان (space)، سیستم‌های فیزیکی در بعد زمان نیز گسسته هستند. بر اساس نظریه‌های جدید، انجام کوچک‌ترین واحد عملیاتی محاسباتی (مانند تغییر اسپین یک ذره فیزیکی) به زمان مشخصی نیاز دارد. مقدار چنین بازه زمانی کوچکی توسط تئوری معروفی به‌نام MargolusLevitin  قابل محاسبه است. بر اساس این تئوری، مقدار کوچک‌ترین واحد زمانی برای تغییر دادن یک بیت (در یک ذره فیزیکی)، به مقدار انرژی به‌کار رفته وابسته است. به عبارت دیگر یک‌بار دیگر از مسیری غیر از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به وابستگی انرژی و زمان می‌رسیم

از تئوری فوق نتایج بسیاری گرفته می‌شود. برای شروع، از توان محاسباتی یک کیلوگرم ماده آغاز می‌کنیم و فرض می‌کنیم که این مقدار ماده، فضایی معادل یک لیتر اشغال می‌کند. در دیدگاه فیزیکی جدید، به چنین ماده‌ای، یک(ultimate Laptop) و یا یک لپ‌تاپ فیزیکی گفته می‌شود. باتری چنین رایانه‌ای به‌طور طبیعی مقدار ماده‌ای است که آن را تشکیل داده است. بر اساس فرمول انشتین (² E = mc) باتری رایانه فیزیکی می‌تواند تمام انرژی خود صرف انجام10 به‌توان 51 محاسبه در ثانیه کند که به‌تدریج با کاهش انرژی باتری، از سرعت پردازش رایانه فیزیکی نیز کاسته می‌شود. به‌کمک قوانین ترمودینامیک می‌توانیم ظرفیت حافظه رایانه فیزیکی را نیز محاسبه کنیم. زمانی که یک کیلوگرم ماده در حجم یک لیتر، به انرژی تبدیل می‌شود، دمای آن به یک میلیارد درجه کلوین می‌رسد و آنتروپی آن که معادل مقدار انرژی تقسیم بر درجه حرارت است، برابر خواهد بود با 10 به‌توان 31 بیت اطلاعات. 
همان‌طور که قبلاً اشاره شد، ذرات مادی در برخورد با یکدیگر، اطلاعات یکدیگر را تغییر می‌دهند. چنین فرایندی را می‌توان به‌کمک اصطلاحات زبان‌های برنامه‌نویسی مانند زبان برنامه‌نویسی C   یا جاوا  تفسیر کرد. در این صورت، می‌توان فرض کرد که ذرات، نقش متغیر‌ها را در زبان‌های برنامه‌نویسی ایفا می‌کنند و برهم‌کنش ذرات با یکدیگر در نقش عملیاتی نظیر جمع(Addition) ظاهر می‌شود. در یک رایانه فیزیکی، بیت‌ها می‌توانند حداکثر با سرعتی معادل با 10 به‌توان 20 بار در ثانیه تغییر کنند که این سرعت معادل با سرعت کلا‌ک 100 گیگاهرتز است. البته واقعیت آن است که چنین رایانه‌ای سریع‌تر از آن است که توسط مکانیسم یک کِلاک مرکزی کنترل شود. زمان تغییر دادن یک بیت در چنین رایانه‌‌ای، تقریباً برابر است با زمانی که انتقال یک سیگنال از یک بیت به بیت همسایه نیاز دارد. نتیجتاً چنین رایانه‌ای شدیداً موازی (parallel) عمل می‌کند. یعنی آن‌که چنین سیستمی، به‌جای استفاده از یک پردازنده، از مجموعه‌ عظیمی از پردازنده‌هایی بهره می‌برد که هر یک مستقلاً کار می‌کنند و اطلاعات را نسبتاً به‌کندی به یکدیگر منتقل می‌کنند

با در نظر گرفتن قابلیت‌های کامپیوترهای امروزی و همچنین قانون مور، نسل‌های آینده ما احتمالاً در قرن 23 میلادی قادر خواهند بود که از لپ‌تاپ‌های فیزیکی ا‌ستفاده کنند. البته در آن زمان، مهندسان باید فناوری‌هایی به‌وجود آورند که بتوان توسط آن کنترل دقیقی بر برهم‌کنش‌های ذرات در محیطی با دمایی مانند پلاسمای هسته خورشید، داشته باشند. در چنین شرایطی حجم قابل توجهی از پهنای باند نیز توسط مکانیسم‌های کنترلی و رفع خطا(Error handling) اشغال خواهد شد.

از نانوتکنولوژی تا زنوتکنولوژی 

اگر تا این‌جا فرض کرده‌ایم که هر توده‌ای از ماده معادل یک کامپیوتر است، می‌توان چنین نیز فرض کرد که یک سیاهچاله هم کامپیوتری است که تا کوچک‌ترین اندازه ممکن فشرده شده است. با فشرده شدن یک سیستم کامپیوتر فیزیکی، به‌تدریج نیروهای گرانشی اجزای درونی آن‌چنان نیرویی به یکدیگر وارد می‌کنند که نهایتاً این رایانه چنان فشرده می‌شود که دیگر هیچ ذره‌ای نخواهد توانست از آن بگریزد. اندازه یک سیاهچاله که به شعاع شوارتز‌شیلد معروف است، با مقدار ماده موجود در یک سیاهچاله نسبت مستقیم دارد. 
یک سیاهچاله یک کیلوگرمی، دارای اندازه‌ای برابر با 10 به‌توان منفی 27 متر است (این مقدار را با  شعاع ذره پروتون که برابر اندازه شعاع 10 به‌توان منفی 15 متر است مقایسه کنید). همان‌طور که می‌دانید، فشردن یک کامپیوتر، بر محتوای انرژی آن تأثیری ندارد. در نتیجه یک کامپیوتر فشرده نیز می‌تواند همچنان 10 به‌توان 51 عملیات محاسباتی در هر ثانیه انجام دهد. تنها موردی که با فشرده شدن یک کامپیوتر تغییر می‌کند، ظرفیت حافظه آن است. زمانی که نیروی گرانشی یا جاذبه چندان مطرح نباشد، ظرفیت کل حافظه با تعداد ذرات تناسب دارد و در نتیجه متناسب با حجم یک کامپیوتر فیزیکی است. اما با فشرده شدن یک کامپیوتر و افزایش نیروی گرانشی بین ذرات تشکیل دهنده، به‌تدریج ذرات به‌یکدیگر نزدیک‌تر و در نهایتاً به هم متصل می‌شوند. در نتیجه تحت گرانش زیاد، قابلیت ذخیره‌سازی اطلاعات ذرات کاهش می‌یابد. ظرفیت کل ذخیره ‌اطلاعات در یک سیاهچاله با مساحت سطح آن تناسب مستقیم دارد. در سال 1970 هاوکینگ و همکارش نشان دادند که یک کیلوگرم سیاهچاله قابلیت ذخیره‌سازی 10 به‌توان 16 بیت داده را دارد. مقداری که خیلی از مقدار ظرفیت یک کامپیوتر قبل از فشرده شدن، کمتر است. 
البته از طرف دیگر، یک کامپیوتر فشرده شده در برابر کاهش ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات، از سرعت پردازش بسیار بالاتری برخوردار است. در یک سیاهچاله زمان لازم برای تغییر دادن یک بیت داده برابر با 10 به‌توان منفی 35 ثانیه است. این زمان برابر با زمانی است که یک سیگنال نوری برای طی کردن قطر یک سیاهچاله (از یک سمت سیاهچاله به سمت مقابل آن) نیاز دارد. در نتیجه، بر خلاف یک کامپیوتر فیزیکی معمولی، یک کامپیوتر سیاهچاله، سیستمی سریال است و همانند یک سیستم تک پردازنده عمل می‌کند

اما یک کامپیوتر سیاهچاله در عمل چگونه کار می‌کند؟ در چنین سیستمی، ساختن ورودی مشکلی نخواهد داشت. کافی خواهد بود تا اطلاعات ورودی مورد نظر را به‌صورت توده‌ای از ماده، encode کرده و آن را به‌درون سیاهچاله پرتاب کنیم. بدین ترتیب یک برنامه‌نویس می‌تواند با آماده‌سازی مناسب مواد ورودی یک سیاهچاله، سیاهچاله را برای انجام عملیات محاسباتی مورد نظر خود برنامه‌ریزی کند.
با فرو رفتن مواد به‌درون یک سیاهچاله، ذرات مواد با یکدیگر برهم‌کنش کرده و در نتیجه عملیات پردازشی صورت می‌گیرد. این عمل تا جایی ادامه می‌یابد که مواد ورودی به فاصله‌ای از مرکز سیاهچاله می‌رسند که نقطه بی‌بازگشت و یا اصطلاحاً افق‌رویداد (Event horizon) نام دارد. این‌که زمانی که مواد ورودی به مرکز یا نقطه تکینگی(Singularity) سیاهچاله می‌رسند و ناپدید می‌شوند، چه شرایطی دارد، موضوعی است که به جزئیات گرانش کوانتومی ارتباط می‌یابد و هنوز ناشناخته است.
مطالعات هاوکینگ در مورد سیاهچاله‌ نشان داده است که نرخ تشعشع سیاهچاله‌ها با شعاع آن‌ها نسبت عکس دارد. به این ترتیب سیاهچاله‌های مرکز کهکشان‌ها با سرعت بسیار کمتری از آنچه مواد را به‌درون خود می‌کشند، تشعشع می‌کنند. در آینده شاید آزمایشگران فیزیک ذرات هسته‌ای موفق شوند، در درون شتاب‌دهنده‌های ذرات بنیادی، سوراخ‌های سیاه کوچکی ایجاد کنند که در یک لحظه، با تشعشع انرژی لحظه‌ای ناپدید می‌شوند. در نتیجه می‌توان به‌جای آن‌که یک سیاهچاله را به‌صورت یک شیء تجسم کنیم، آن را همانند تجمع فشرده‌ای از ماده فرض کنیم که با حداکثر سرعت ممکن در طبیعت، عملیات پردازشی را اجرا می‌کند

طرح  گریز 

پرسش واقعی آن است که آیا تشعشع هاوکینگ پاسخ محاسبات سیاهچاله را بازمی‌گرداند و یا آن‌که این تشعشع فقط اطلاعات تصادفی را حمل می‌کند. اگرچه این موضوع هنوز جای کار بسیاری دارد، اما اکثر فیزیکدانان و خود هاوکینگ بر این عقیده‌اند که تشعشع سیاهچاله‌ها، نسخه شدیداً پردازش شده همان اطلاعاتی است که در زمان شکل‌گیری سیاهچاله به‌درون آن کشیده‌ شده‌اند. به این ترتیب اعتقاد عمومی دانشمندان چنین است که اگرچه ماده نمی‌تواند از سیاهچاله خارج شود، اما اطلاعات موجود در مواد می‌توانند از سیاهچاله‌ها خارج شوند. شناخت دقیق‌تر چنین فرایندی، یکی از داغ‌ترین سوژه‌های فعالیت حال‌حاضر فیزیکدانان به‌شمار می‌رود. 
سال گذشته، Gary Horowitz و همکارانش، مکانیسمی را به عنوان راه‌حل مسأله فوق مطرح ساختند. براساس تئوری این گروه که به تئوری <گیر افتادن (entanglement)> معروف شده است، خواص دو سیستم در بازه فضا  زمان مشخصی، به یکدیگر ارتباط می‌یابند. تفسیر بیشتر این تئوری منجر به آن می‌شود که بپذیریم که در بازه فضا  زمانی مشخصی، می‌توان چنان با دقت، اطلاعات و خواص مواد را انتقال داد که تفاوتی با حالت انتقال واقعی چنان موادی در آن بازه فضا  زمانی نداشته باشد. چنین برداشتی می‌تواند در سیاهچاله نیز روی دهد. بر این اساس، ماده‌ای که به فاصله افق‌رویداد سیاه‌چاله می‌رسد، می‌تواند زوج فوتونی تولید کند که یکی از آن‌ها به همراه ماده ورودی به سفر خود به‌درون سیاهچاله ادامه می‌دهد و دیگری به‌صورت تشعشع هاوکینگ از سیاهچاله به خارج تابش می‌کند و اطلاعات ماده ورودی را باز می‌گرداند.  
مکانیسم‌های فرار دیگری هم معرفی شده‌اند که در پدیده‌های عجیب کوانتومی ریشه دارند. در سال 1996 کامران وفا و همکارش ساختار متفاوتی برای سیاهچاله پیشنهاد کردند. در پیشنهاد این گروه، فرض شده است که سیاهچاله‌ها از ساختارهای چندبعدی به‌نام brane تشکیل شده‌اند که از نظریه ریسمان (String theory) به‌دست آمده است. بر اساس چنین تصویری، اطلاعات ورودی به سیاهچاله به‌شکل موجی در braneها ذخیره می‌شوند و امکان نشت کردن به خارج از سیاهچاله را نیز می‌یابند. 
هاوکینگ در تئوری اخیر خود نشان داده است که نوسانات کوانتومی مانع از شکل‌گیری افق رویداد خوش‌تعریف

فضا  زمان سایبر (Cyberspacetime)

مشخصه‌های سیاهچاله به‌طور تنگاتنگی به مشخصه‌های فضا - زمان گره خورده است. در نتیجه اگر به‌توان به سیاهچاله همچون یک کامپیوتر نگریست، فضا-زمان نیز چنین جلوه‌ای خواهد داشت. مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که فضا - زمان نیز همانند دیگر سیستم‌های فیزیکی دارای طبیعتی گسسته است. بدین‌معنی کهفواصل و زمان‌ها را نمی‌توان به‌صورت همزمان با دقت بسیار بسیار زیاداندازه‌گیری کرد. در مقیاس‌های کوچک، فضا - زمان ساختاری حباب‌گونه و کفی شکل از خود نشان می‌دهد و حداکثر اطلاعاتی را می‌توان در یک ناحیه مشخص از فضا - زمان قرار داد، به مقدار بزرگی بیت‌ها (‌و یا همان حباب‌های فضا - زمان) بستگی می‌یابد. به تعبیر دیگر، نمی‌توان در ناحیه‌ای از فضا - زمان اجسامی قرار داد که از ساختار حبابی فضا - زمان در آن ناحیه ریز‌تر باشند. 
فیزیکدانان از سال‌ها قبل نشان داده بوده‌اند که کوچک‌ترین سلول‌های فضا - زمان توسط واحدی به‌نام طول پلانک (Planck length) بیان می‌شود و معادل با 10 به‌توان منفی 35 متر بر آورد می‌شوند. چنین ابعادی، فواصلی را مشخص می‌کند که اعوجاجات (Fluctuation) کوانتومی و همچنین اثرات گرانشی اهمیت می‌یابند. معنی چنین اندازه‌هایی آن خواهد بود که طبیعت فضا - زمان همواره کوچک‌تر از حدودی است که انسان‌ها بتوانند شاهد آن باشند. اما همان‌طور که نویسندگان این مقاله نشان داده‌اند، سلول‌های ساختار حبابی فضازمان بسیار بزرگ‌تر از اندازه‌هایی است که قبلاً تصور می‌شد و در حقیقت، اصولاً نمی‌توان اندازه ثابت و مشخصی برای سلول‌های فضا  زمان در نظر گرفت. 
فرایند نگاشت هندسی فضا - زمان نوعی عمل محاسباتی است که در آن، فواصل توسط ارسال و پردازش اطلاعات سنجیده می‌شوند. یک روش انجام این عمل آن است که ناحیه‌ای از فضا  زمان را به تعدادی ماهواره‌ 
Global positioning system) GPS) مجهز سازیم که در هر یک از آن‌ها یک ساعت و همچنین یک دستگاه فرستنده رادیویی کار گذاشته شده است. براین‌اساس برای سنجش فاصله مشخصی، یکی از ماهواره‌هاسیگنالی ارسال می‌کند و زمان رسیدن آن را می‌سنجد. دقت چنین اندازه‌گیری‌ای به سرعت تیک‌های ساعت بستگی خواهد داشت. فرایند موسوم به تیک‌های ساعت خود یک عمل محاسباتی محسوب می‌شود و در نتیجه حداکثر آن توسط تئوری Margolus-Levitin تعیین شده است (یعنی فاصله دو تیک متوالی سریع‌ترین ساعت به انرژی اعمال شده بستگی مستقیم دارد). 



 کیهان در حال پردازش است 
بر اساس تئوری‌های جدید، کیهان از دو گونه ماده تشکیل شده است. ماده‌ای که به همان مفهومی که می‌شناسیم دارای طبیعتی دینامیک است و مانند یک کامپیوتر پارالل عمل می‌کند. گونه دوم ماده یا همان انرژی تاریک (Dark energy) که فضای اطراف ماده نوع نخست را پر کرده است، طبیعتی استاتیک دارد و مانند کامپیوترهای سریال عمل می‌کند. در مجموع هر دو گونه ماده موجود در عالم، تا کنون حداکثر تعداد عملیات محاسباتی مجاز بر اساس قوانین فیزیک را انجام داده‌اند.


از سوی دیگر، انرژی، خود کمیتی محدود است و در صورتی‌که به ماهواره‌های مثال فرضی فوق انرژی زیادی نسبت دهیم و یا آن‌که آرایش مجموعه‌ای از ماهواره‌ها بیش از حد به یکدیگر نزدیک چیده شده باشند، آن‌گاه آن مجموعه ماهواره تشکیل یک سیاهچاله خواهندداد و دیگر نمی‌توان از آن‌ها برای عمل نگاشت یا نقشه‌برداری فضا  زمان بهره گرفت. (البته سیاهچال تشکیل شده همچنان به تابش تشعشع هاوکینگ ادامه خواهد داد، اما فرکانس و طول‌موج چنین پرتویی مناسب نقشه‌برداری از ساختار فضا  زمان نخواهد بود). براساس محاسبات فیزیک مدرن، حداکثر انرژی کل قابل استفاده برای مجموعه‌ از ماهواره‌های نقشه‌برداری فضا زمان، باید متناسب با شعاع ناحیه مورد نظر در عمل نگاشت باشد



نتیجتاً، انرژی با نرخ آهسته‌تری از نرخ کاهش حجم ناحیه مورد نقشه‌برداری، کاهش می‌یابد. در صورتیکه ناحیه مورد نظر عمل نقشه‌برداری بزرگ ‌شود، دو حالت انتخاب پیش‌روی ما قرار خواهد گرفت. یا باید چگالی ماهواره‌های نقشه‌برداری را کاهش دهیم (که به معنی دور کردن آن‌ها از یکدیگر است) و یا آن‌که در هر یک از آن‌ها از انرژی کمتری استفاده کنیم (که معنی آن کاهش دادن سرعت تیک‌های ساعت آن‌ها است). در هر صورت، دقت اندازه‌گیری کاهش خواهد یافت. مدل‌سازی ریاضی نشان می‌دهد که کل زمان لازم برای نقشه‌برداری از ناحیه‌ای به شعاع R، که معادل با کل تعداد تیک‌های محموعه ماهواره‌های نقشه‌برداری است، برابر خواهد بود با R²//_P²،اگر فرض کنیم هر ماهواره دقیقاً یک‌بار در طول فرایند نقشه‌برداری تیکبزند، آن‌گاه فاصله میانگین ماهواره‌ها از یکدیگر برابر خواهد بود باR^1/2/_p^2/3 در تئوری، تنها زمانی می‌توان فواصل کوتاه‌تری بین ماهواره‌های اندازه‌گیری کرد، که در زیرمجموعه‌ دیگری از همان ناحیه فضا ‌ زمان دقت اندازه‌گیری کاهش داده شده باشد. چنین استدلالی، حتی در وضعیت فضا زمان منبسط شونده نیز صادق خواهد بود

از نگاه نظریه‌پردازان فیزیکدان، نتیجه حاصل، روش دیگری برای تبیین سیاهچاله‌ها فراهم می‌آورد. نویسندگان این مقاله ثابت کرده‌اند که اعوجاجات عجیب در مقیاس فضا‌ زمان، با ریشه سوم فواصل متناسبخواهد بود و بدین ترتیب یک روش میان‌بر برای به‌دست آوردن فرمول ظرفیت حافظه سیاهچاله هاوکینگ به‌دست می‌دهد. به همین ترتیب مشخص می‌شود که تعداد کل بیت‌های حافظه یک سیاهچاله با مربع توان محاسباتی آن نسبت مستقیم خواهد داشت. در این مورد ضریب تناسب برابر است با. ⁵ Gh/c که در آن نسبیت عام با قرار گرفتن G ثابت گرانشی،h  فیزیک کوانتوم با استفاده از h ثابت پلانک توسط پارامتر c (سرعت نور) به‌یکدیگر پیوند می‌خورند.
یکی از برجسته‌ترین نتایجی که از رابطه‌ فوق به‌دست می‌آید آن است که حداکثر اطلاعاتی که هر ناحیه‌ای فضا زمان قادر است در خود جای دهد، به‌جای آن‌که متناسب با حجم ناحیه از فضا  ‌زمان باشد، متناسب با مساحت سطحی آن است. چنین برداشتی به اصل هولوگرافیک(Holographic principle) مشهور است. نتیجه‌گیری فیزیکدانان از فرضیه فوق به این ترتیب است که جهان سه‌بعدی ما از جهاتی جلوه‌های دو بعدی از خود به‌نمایش می‌گذارد که این موضوع خود می‌تواند نتیجه مفروضات ما از گرانش کوانتومی باشد

10 به توان 123



اصل محاسبه (computation) تنها مختص کامپیوترهای فشرده کیهانی (سیاهچاله‌ها) و یا کوچک‌ترین کامپیوترهای عالم (یعنی ریز بافت فضا - زمان) نیست، بلکه می‌توان آن را به کل عالم نیز تسری داد. اگرچه عالم ممکن است در بعد فضایی، نامحدود باشد، اما عمر آن محدود بوده است. تا این لحظه، ناحیه قابل مشاهده عالم چندین ده میلیارد سال‌نوری وسعت دارد. با در نظر گرفتن این موضوع که کل تعداد محاسباتی که عالم تا کنون انجام داده است، باید در چنین وسعتی محاسبه شود، عدد 10 به‌توان 123 محاسبه به‌دست می‌آید. مقایسه این حد با رفتار ماده اطراف ما، یعنی ماده آشکار، ماده تاریک و انرژی تاریک (Dark energy) که عامل انبساط شتابدار کیهان است، می‌تواند مفید باشد. چگالی انرژی کیهانی مشاهده شده، چیزی در حدود 10 به‌توان منفی 9 ژول برمترمکعب است. در نتیجه، کل عالم 10 به‌توان 72 ژول انرژی دارد. با در نظر گرفتن تئوری MargolusLevitin، عالم قادر خواهد بود تا 10 به‌توان 106 عمل محاسباتی در ثانیه انجام دهد که ضرب کردن این عدد در طول عمر کیهان، عدد 10 به‌توان 123 محاسبه به‌دست می‌آید. ( تعداد محاسباتی که کیهان تا این لحظه انجام داده است). در واقع عالم حداکثر مقدار مجاز محاسباتی که قوانین فیزیکی اجازه داده‌اند، را تا این لحظه انجام داده است. 
برای محاسبه ظرفیت حافظه ماده معمولی مانند اتم‌ها، می‌توان از روش‌های استاندارد مکانیک آماری و کیهان‌شناسی بهره گرفت. زمانی ماده می‌تواند بیشترین ظرفیت اطلاعاتی را داشته باشد که به‌شکل ماده پر انرژی (مانند ذرات نوترینو یا فوتون) در نظر گرفته شود. در این حالت چگالی  آنتروپی، متناسب با مکعب دما و چگالی انرژی متناسب با توان چهارم دما خواهد بود. در نتیجه کل تعداد بیت‌های اطلاعاتی برابر خواهند بود با تعداد عملیات محاسباتی انجام شده به‌توان سه چهارم. این عدد برای ماده معمولی کیهان برابر با 10 به‌توان 92 خواهد بود. 
واقعیت آن است که فیزیکدانان هنوز انرژی تاریک را به‌طور کامل نمی‌شناسند و در نتیجه نمی‌توان محاسبه فوق را برای این بخش از ماده عالم انجام داد. اما اصل هولوگرافیک بیان می‌کند که کل کیهان  قادر به ذخیره‌سازی 10 به‌توان 123 بیت اطلاعات است. عددی که تقریباً برابر با کل تعداد عملیات محاسباتی کیهان است. این برابری تصادفی نیست و بیانگر این حقیقت است که چگالی عالم ما نزدیک عدد بحرانی است. اگر عالم کمی چگال‌تر بود، به احتمال زیاد دچار رُمبِش (یا انقباض) گرانشی می‌گردید. به همین دلیل است که گفته می‌شود عالم حداکثر ظرفیت محاسباتی مجاز را به‌کار بسته است

بر اساس شناخته‌های فعلی فیزیک، رفتار انرژی تاریک با رفتار ماده معمولی کیهان تفاوت بسیار دارد. در صورتی‌که انرژی تاریک، بر اساس اصل هولوگرافیک، حداکثر تعداد محاسبات را انجام دهد، آن‌گاه اکثریت بیت‌های موجود در آن فرصت پردازش شدن بیش از یک‌بار را در کل طول تاریخ عمر کیهان نمی‌یابند. تا این‌جا نتیجه گرفته می‌شود که انرژی تاریک هرچه باشد، سهم قابل توجهی در انجام عملیات محاسباتی ندارد. 
اما در نهایت، محاسبه کیهانی (Universe computing) چیست؟ تا آن‌جایی که می‌توان به این پرسش پاسخ داد، چنین محاسبه‌ای قرار نیست که پاسخی به یک پرسش مشخص باشد (آن‌گونه که ابرکامپیوتر DeepBlue محاسبه می‌کند). در واقع عالم در حال محاسبه خود است. محاسبه‌ای که توسط مدل نرم‌افزاری استاندارد انجام می‌شود. عالم در حال محاسبه میدان‌های کوانتومی، مواد شیمیایی، باکتری‌ها و انسان‌ها و همه‌چیز است و در طول چنین محاسباتی، عالم هندسه فضا زمان ویژه خود را با دقت هرچه تمام‌تر، ترسیم می‌کند.
تمام نتایج به‌دست آمده از به‌کارگیری قوانین فیزیک نوین در مورد کامپیوترهای متداول امروزی، سیاهچاله‌ها، ریز‌ساختار فضا  زمان و دیگر پدیده‌های کیهانی، نمایش دهنده اندیشه پیوندهای درونی فیزیک بنیادی هستند. اگر فیزیکدانان تا این زمان درک کاملی از تئوری گرانش کوانتومی ندارند، با این حال به این حقیقت آگاه هستند که این تئوری هرچه باشد، به شکل اعجاب‌انگیزی به موضوع اطلاعات کوانتومی (Quantum Information) ارتباط می‌یابد