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 |
|
|
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.