کیهان، خود در حال پردازش است

چرا همواره ارتباط نزدیكی بین فیزیك و ریاضیات وجود داشته است و چرا كامپیوتر را ریاضیدانان اختراع كردند ولی براساس قوانین فیزیك ساخته شد و چرا نسل آتی كامپیوترها را كوانتومی می‌نامند كه باز هم از اصول فیزیك مدرن است؟ از آن‌جایی كه تئوری اطلا‌عات كه پردازش‌های كامپیوتری بر مبنای آن شكل گرفته است، بنیانی ریاضی دارد، پس چندان غیرمنتظره نخواهد بود كه بدانیم، فیزیكدانان در تلا‌ش هستند كه عالم را به صورت مدلی ریاضی ترسیم كنند و در این ترسیم از مفاهیم رایانه‌ای كمك بگیرند و سرانجام جهان هستی را همچون كامپیوتری كه از بدو پیدایش در حال محاسبه بوده است، ترسیم و تبیین نمایند. مقاله پیش‌رو، از همین دیدگاه نگاشته شده است.
دیدگاهی كه چگونگی كاركرد كیهان و سیاهچاله‌ها را، به عنوان یكی از پررمزو رازترین پدیده‌های عالم، به صورت پردازش‌هایی بی‌وقفه توصیف می‌كند. در این مقاله كه از ماهنامه معتبر ساینتیفیك امریكن انتخاب شده، این موضوع با زبانی نسبتاً ساده بیان می‌شود. البته آشنایی پایه‌ای با برخی مفاهیم فیزیك مدرن برای سهولت درك مطلب، نیاز است. علا‌قه به كیهان‌شناسی و شناخت فیزیك كوانتوم (كه بین بنده و آقای سعیدی مشترك است)، وقتی در كنار متنی معتبر و ترجمه روان ایشان قرار گیرد، حاصلش متن حاضر می‌شود. موضوع سیاهچاله‌ها، تئوری‌های پروفسور هاوكینگ‌ و ارتباط این دو با مقوله تئوری اطلا‌عات، شاید برای تعدادی از خوانندگان ماهنامه شبكه، موضوعی غریب باشد. اما از آن‌جایی كه اعتقاد راسخی به نشر چنین مقالا‌ت عمیق و پیشروانه‌ای دارم، ضمن تأكید بر اندیشیدن به چنین مفاهیمی، شما را به خواندن این مقاله دعوت می‌كنم و مجدداً از انتخاب متن و ترجمه و تلخیص آقای سعیدی تشكر می‌كنم.
كامپیوترهای‌ فیزیكی و كامپیوترهای سیاهچاله‌ای، از نظر محاسباتی به دو گونه متفاوت تفكیك می‌شوند. یك كامپیوتر فیزیكی معادل یك سیستم محاسباتی موازی عمل می‌كند، یعنی سیستمی كه همه اجزای آن مستقلاً و به‌طور همزمان عمل می‌كنند. از طرف دیگر، كامپیوترهای سیاهچاله‌ای همانند سیستم‌های سریال كار می‌كنند. یعنی سیستم‌هایی كه یك پردازنده دارند و دستورالعمل‌های محاسباتی را یكی پس از دیگری به‌نوبت انجام می‌دهند. یك كامپیوتر فیزیكی، از مجموعه ای از ذرات تشكیل شده است كه عمل encoding و پردازش اطلاعات را بر عهده دارند. هر یك از ذرات تشكیل دهنده چنین سیستمی، قادرند كه یك عمل پردازشی را در زمان ۱۰ به توان منفی ۲۰ ثانیه انجام دهند. در چنین بازه زمانی، یك سیگنال تنها می‌تواند مسافتی برابر با ۱۲-۱۰*۳ متر را بپیماید. این مسافت به تقریب، همان فاصله بین ذرات است. در چنین سیستمی، سرعت ارتباطات از سرعت پردازش‌ها بسیار كندتر خواهد بود. نتیجتاً، زیربخش‌های (subregion) چنین سیستمی به‌صورتی مستقل از یكدیگر عمل می كنند. كامپیوترهای سیاهچاله ای نیز از مجموعه ای از ذرات تشكیل شده اند. اما ذرات این سیستم ها، به دلیل گرانش شدید، تعداد بیت های كمتری را می توانند در خود ذخیره كنند (با تخصیص یافتن انرژی بیشتری به هر بیت). هر یك از ذرات این سیستم قادرند یك دستور العمل محاسباتی را در زمان ۱۰ به‌توان منفی ۳۵ ثانیه پردازش كنند. این زمان، همان زمانی است كه یك سیگنال برای طی كردن قطر سیاهچاله بدان نیاز دارد. در نتیجه، در چنین سیستم‌هایی، ارتباطات به اندازه عملیات پردازشی سریع هستند و كل مجموعه همانند یك كامپیوتر مستقل عمل می‌كند.
● مقدمه
تفاوت یك كامپیوتر با یك سیاهچاله در چیست؟ اگرچه این پرسش همانند یك شوخی مایكروسافتی جلوه می‌كند، اما حقیقت آن است كه این پرسش یكی از اساسی‌ترین مسایل فیزیك امروزی تلقی می‌شود. اكثر كاربران، كامپیوترها را دستگاه‌های ویژه‌ای می‌دانند كه به‌شكل سیستم‌های رومیزی هر روز با آن‌ها سرو كار دارند. اما از نگاه یك فیزیكدان امروزی، سیستم‌های فیزیكی همگی كامپیوتر هستند. در چنین نگاهی، سنگ و صخره، بمب‌ها و كهكشان‌ها و دیگر سیستم‌های فیزیكی، اگرچه سیستم‌عاملی همچون ویندوز یا لینوكس را اجرا نمی‌كنند، اما داده‌هایی را ثبت می‌كنند و توان پردازش اطلاعات را دارند. هر الكترون، فوتون و یا هر ذره بنیادی دیگر، می‌تواند بیت‌های اطلاعاتی را ذخیره كند. می‌دانیم كه ذرات بنیادی سازنده اجسام فیزیكی دارای مشخصه‌هایی كوانتومی همچون اسپین (spin) هستند كه برحسب گروه‌بندی فیزیك نوین می‌تواند مقادیر مشخص و معلومی باشد.
در نتیجه هر ذره فیزیكی می‌تواند در اصل داده‌هایی را ذخیره كند. (اسپین یكی از مشخصه‌های فیزیكی است كه در مفاهیم فیزیك جدید آن را به كمیتی كه چرخش وضعی ذره‌ای را توصیف می‌كند، تشبیه می‌كنند. اگر برای سهولت تجسم، ذره‌ای مانند یك الكترون را به گوی كوچكی تشبیه كنیم، براساس مفاهیم فیزیك كوانتوم، چنین ذره‌ای می‌تواند از چپ به راست، و یا از راست به چپ، حول محور فرضی خود دَوَران كند و حالت دیگری نمی‌توان برای آن در نظر گرفت. در این صورت، مثلاً بر حسب آن كه مشخصه‌ای همچون اسپین یك الكترون كدامیك از دو حالت مجاز (مثبت یك‌دوم یا منفی یك‌دوم) باشد، چنین الكترونی می‌تواند یك بیت داده را ذخیره كند). تا این‌جا حاصل به‌كارگیری مفاهیم تئوری اطلاعات (Information Theory) در مفاهیم فیزیكی منجر به تعبیر ظرفیت داده‌ای ذرات فیزیكی می‌شود. اما بازهم می‌دانیم كه ذرات بنیادی می‌توانند تحت شرایط گوناگونی با یكدیگر اصطلاحاً برهم‌كنش (Interaction) داشته باشند و طی چنین اندركنش‌هایی، مشخصه‌های كوانتومی طرفین برهم‌كنش، ضمن پیروی از اصول بقای فیزیكی، تغییر می‌كنند. در چنین شرایطی نگاه جدید به فیزیك بیان كننده این حقیقت است كه ذرات فیزیكی توان محاسباتی (Computation) دارند. (بر اساس تعاریف، هرگاه یك بیت داده از مقداری مانند یك به مقداری دیگری مانند صفر تغییر كند، گفته می‌شود كه یك عمل محاسباتی انجام گرفته است.
بدین ترتیب هرگاه در یك برهم‌كنش فیزیكی كمیت فیزیكی مشخصی مانند اسپین ذره‌ای از مقداری به مقدار دیگری تغییر كند، آن ذره یك عمل محاسباتی انجام داده است)‌.بر این اساس علاوه بر قوانین بقای ماده و انرژی در فیزیك نوین، از این پس شاهد نوعی قوانین بقای اطلاعات(Information) نیز هستیم. به عبارت دیگر در نگاه جدید به طبیعت، بین موجودیت فیزیكی (Physical Existence) و محتوای اطلاعاتی (Information Content) پیوندی ناگسستنی وجود دارد. در بین اجسام فیزیكی، به‌نظر می‌رسد كه سیاهچاله‌ها از این نگاه كه كلیه اجسام فیزیكی قابلیت پردازش اطلاعات را دارند، یك استثنا باشند. در گذشته تصور می‌شد كه بر اساس نظریه نسبیت خاص انشتین، هیچ چیزی نمی‌تواند از میدان جاذبه سیاهچاله‌ها فرار كند. به این ترتیب اگرچه می‌توان به‌درون سیاهچاله اطلاعات را وارد كرد، اما چیزی نمی‌توان از آن‌ها دریافت كرد كه بگوییم، محاسبه‌ای انجام شده است. در دهه هفتاد میلادی، فیزیكدان مشهور انگلیسی، استفان هاوكینگ بیان كرد كه بر اساس تئوری مكانیك كوانتومی، سیاهچاله‌ها تشعشعاتی صادر می‌كنند (مانند یك قطعه ذغال داغ و فروزان) و این‌گونه نیست كه این اجرام هیچ گونه خروجی نداشته باشند. اما باز بر اساس همین نظریه، خروجی سیاهچاله‌ها، تشعشع تصادفی (random) است. به این ترتیب اگر در یك آزمایش فرضی، یك صندلی به درون سیاهچاله انداخته شود، داده‌ها و اطلاعات خروجی سیاهچاله به‌گونه‌ای نیست كه بتوان بر اساس آن، آن صندلی را باز‌سازی كرد.
یعنی در آزمایش فوق، اطلا‌عات ناپدید می‌شوند.
اما موضوع بقای اطلاعات در فیزیك كوانتومی این مسأله را غیرممكن می‌داند و به همین دلیل این موضوع تبدیل به یكی از مهم‌ترین مشكلات فیزیك نظری در سال‌های اخیر شده بود. دانشمندان دیگری مانند Leonard Susskind و دیگران برهمین اساس بیان كردند كه تشعشعات سیاهچاله نمی‌تواند به‌صورت random باشد و بر اساس اصل <بقای اطلاعات>، چنین تشعشعاتی باید حاوی اطلاعاتی از مواد ورودی به سیاهچاله‌ها باشند. این پارادكس آنقدر ناشناخته باقی ماند تا نهایتاً خود استفان هاوكینگ در تابستان گذشته مجدداً در نقش یك فیزیكدان پیشرو ظاهر گشت و ضمن اعتراف به اشتباه گذشته خود، بیان داشت كه سیاهچاله‌ها نیز می‌توانند محاسبه كنند. سیاهچاله‌ها نمونه ای از عجیب‌ترین اجسام در عالم هستند. كه در عین حال از این اصل عمومی ‌كه كیهان قابلیت ذخیره‌سازی داده و پردازش اطلاعات را دارد، تبعیت می‌كنند. البته این اصل به‌خودی خود چندان موضوع جدیدی در فیزیك مدرن تلقی نمی‌شود و در قرن نوزدهم، بنیانگذاران مكانیك آماری آن را برای تفسیر قوانین ترمودینامیك مطرح كردند و از آنجا پایه‌های تئوری اطلاعات (Information Theory) وضع گردید (بر خلاف انتظار بسیاری از ما كه تصور می‌كنیم تئوری اطلاعات دانشی است كه در علوم ارتباطات به‌كار گرفته شده است)، واقعیت آن است كه كمیت ترمودینامیكی به‌نام آنتروپی (Entropy) با ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات توسط مولكول‌های یك ماده (تعداد بیت‌هایی كه مكان‌ها و سرعت‌های مولكول‌های ماده می‌توانند ذخیره ‌كنند) تناسب مستقیم دارد. به این ترتیب پایه‌های دانش اطلاعات كوانتومی (Quantum Information) بربنیان كّمی مستحكمی در قرن بیستم پی‌ریزی شد. براساس دانش اطلاعات كوانتومی، بیت‌های سازنده عالم، بیت‌های كوانتومی یا Qubits نام گرفتند.باید توجه داشت كه اگرچه تجزیه و تحلیل كیهان به كمك مفاهیمی مانند بیت و بایت، نمی‌تواند جایگزین بررسی‌هایی بر اساس مفاهیم معمول مانند نیرو یا انرژی باشد، اما استفاده از مفاهیم اطلاعات كوانتومی می‌توانند روشنگر حقایق جدیدی در فیزیك باشد. به عنوان مثال، تا كمی قبل موضوعی معروف به شیطانك ماكسول (Maxwell demon) در حوزه ترمودینامیك حل نشده باقی مانده بود و از آن به عنوان یك پارادكس یاد می‌شد. در واقع قبل از آن‌كه تئوری اطلاعات كوانتومی این موضوع را تفسیر كند، پارادكس شیطانك ماكسول منجر به شكل گیری نوعی <حركت ابدی>(Perpetual motion) می‌شد. این گونه بود كه در سال‌های اخیر تعدادی از فیزیك‌دانان دیدگاه‌های مشابهی را در حوزه‌های گوناگونی از كیهان‌شناسی و فیزیك ذرات بنیادی همچون، سیاهچاله‌ها، ریزساختار فضازمان (Fine scale spacetime structure) ، رفتار‌شناسی انرژی تاریك كیهانی و موارد دیگری از قوانین بنیادین طبیعت، به‌كار گرفتند. در نگاه این گروه از فیزیكدانان، عالم یك كامپیوتر غول‌آسا نیست، بلكه یك كامپیوتر كوانتومی غول‌آسا است. زمانی كه گیگا‌هرتز، بسیار كم است .
● نهایت محاسبات
كامپیوتر چیست؟ این پرسش در عین سادگی، بسیار پیچیده است. اما پاسخ آن هرچه باشد، به همان اندازه‌ای كه به دستگاه‌هایی كه همه به‌نام كامپیوتر می‌شناسیم، به هر جسم دیگری در عالم نیز قابل تسری است. اجسام فیزیكی موجود در عالم، اگرچه به مفهوم قابل درك برای انسان‌ها دارای ورودی و خروجی نیستند، اما قابلیت انجام بسیاری از اعمال منطقی و محاسبات ریاضی را دارند. كامپیوترهای طبیعی (یعنی ذره‌ای یا ماده‌ای) به‌شكل ذاتی دیجیتال هستند و اطلاعات و داده‌ها را به‌صورت حالات كوانتومی گسسته ذخیره می‌كنند(مانند اسپین ذرات بنیادی). مجموعه دستورالعمل‌های چنین كامپیوترهایی قوانین فیزیك كوانتومی است.در اصول، سرچشمه فیزیك مدرن و تئوری اطلاعات از یك اصل مركزی مكانیك كوانتومی نشات می‌گیرند كه بر گسسته‌بودن طبیعت دلالت دارد. از مفاهیم فیزیكی می‌دانیم كه هر سیستم‌ فیزیكی را می‌توان توسط تعداد محدودی از ‌بیت‌‌ها، تفسیر و تبیین نمود و از طرف دیگر، می‌توان هر ذره از یك سیستم‌فیزیكی را مانند یك مدار الكتریكی منطقی (logic Gate) در كامپیوترها در نظر گرفت كه محور اسپین آن می‌تواند از یك جهت به جهت دیگر چرخش كند و در نتیجه یك عمل محاسباتی انجام دهد.
علاوه بر گسستگی سیستم‌های فیزیكی در بعد مكان (space)، سیستم‌های فیزیكی در بعد زمان نیز گسسته هستند. بر اساس نظریه‌های جدید، انجام كوچك‌ترین واحد عملیاتی محاسباتی (مانند تغییر اسپین یك ذره فیزیكی) به زمان مشخصی نیاز دارد. مقدار چنین بازه زمانی كوچكی توسط تئوری معروفی به‌نام MargolusLevitin قابل محاسبه است. بر اساس این تئوری، مقدار كوچك‌ترین واحد زمانی برای تغییر دادن یك بیت (در یك ذره فیزیكی)، به مقدار انرژی به‌كار رفته وابسته است. به عبارت دیگر یك‌بار 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 یك كیلوگرم ماده آغاز می‌كنیم و فرض می‌كنیم كه این مقدار ماده، فضایی معادل یك لیتر اشغال می‌كند.
در دیدگاه فیزیكی جدید، به چنین ماده‌ای، یك (ultimate Laptop) و یا یك لپ‌تاپ فیزیكی گفته می‌شود. باتری چنین رایانه‌ای به‌طور طبیعی مقدار ماده‌ای است كه آن را تشكیل داده است. بر اساس فرمول انشتین (۲ E = mc) باتری رایانه فیزیكی می‌تواند تمام انرژی خود صرف انجام۱۰ به‌توان ۵۱ محاسبه در ثانیه كند كه به‌تدریج با كاهش انرژی باتری، از سرعت پردازش رایانه فیزیكی نیز كاسته می‌شود. به‌كمك قوانین ترمودینامیك می‌توانیم ظرفیت حافظه رایانه فیزیكی را نیز محاسبه كنیم. زمانی كه یك كیلوگرم ماده در حجم یك لیتر، به انرژی تبدیل می‌شود، دمای آن به یك میلیارد درجه كلوین می‌رسد و آنتروپی آن كه معادل مقدار انرژی تقسیم بر درجه حرارت است، برابر خواهد بود با ۱۰ به‌توان ۳۱ بیت اطلاعات. همان‌طور كه قبلاً اشاره شد، ذرات مادی در برخورد با یكدیگر، اطلاعات یكدیگر را تغییر می‌دهند. چنین فرایندی را می‌توان به‌كمك اصطلاحات زبان‌های برنامه‌نویسی مانند زبان برنامه‌نویسی C یا جاوا تفسیر كرد. در این صورت، می‌توان فرض كرد كه ذرات، نقش متغیر‌ها را در زبان‌های برنامه‌نویسی ایفا می‌كنند و برهم‌كنش ذرات با یكدیگر در نقش عملیاتی نظیر جمع (Addition) ظاهر می‌شود. در یك رایانه فیزیكی، بیت‌ها می‌توانند حداكثر با سرعتی معادل با ۱۰ به‌توان ۲۰ بار در ثانیه تغییر كنند كه این سرعت معادل با سرعت كلا‌ك ۱۰۰ گیگاهرتز است. البته واقعیت آن است كه چنین رایانه‌ای سریع‌تر از آن است كه توسط مكانیسم یك كِلاك مركزی كنترل شود. زمان تغییر دادن یك بیت در چنین رایانه‌‌ای، تقریباً برابر است با زمانی كه انتقال یك سیگنال از یك بیت به بیت همسایه نیاز دارد. نتیجتاً چنین رایانه‌ای شدیداً موازی (parallel) عمل می‌كند. یعنی آن‌كه چنین سیستمی، به‌جای استفاده از یك پردازنده، از مجموعه‌ عظیمی از پردازنده‌هایی بهره می‌برد كه هر یك مستقلاً كار می‌كنند و اطلاعات را نسبتاً به‌كندی به یكدیگر منتقل می‌كنند. با در نظر گرفتن قابلیت‌های كامپیوترهای امروزی و همچنین قانون مور، نسل‌های آینده ما احتمالاً در قرن ۲۳ میلادی قادر خواهند بود كه از لپ‌تاپ‌های فیزیكی ا‌ستفاده كنند. البته در آن زمان، مهندسان باید فناوری‌هایی به‌وجود آورند كه بتوان توسط آن كنترل دقیقی بربرهم‌كنش‌های ذرات در محیطی با دمایی مانند پلاسمای هسته خورشید، داشته باشند. در چنین شرایطی حجم قابل توجهی از پهنای باند نیز توسط مكانیسم‌های كنترلی و رفع خطا (Error handling) اشغال خواهد شد.● از نانوتكنولوژی تا زنوتكنولوژی
اگر تا این‌جا فرض كرده‌ایم كه هر توده‌ای از ماده معادل یك كامپیوتر است، می‌توان چنین نیز فرض كرد كه یك سیاهچاله هم كامپیوتری است كه تا كوچك‌ترین اندازه ممكن فشرده شده است. با فشرده شدن یك سیستم كامپیوتر فیزیكی، به‌تدریج نیروهای گرانشی اجزای درونی آن‌چنان نیرویی به یكدیگر وارد می‌كنند كه نهایتاً این رایانه چنان فشرده می‌شود كه دیگر هیچ ذره‌ای نخواهد توانست از آن بگریزد. اندازه یك سیاهچاله كه به شعاع شوارتز‌شیلد معروف است، با مقدار ماده موجود در یك سیاهچاله نسبت مستقیم دارد. یك سیاهچاله یك كیلوگرمی، دارای اندازه‌ای برابر با ۱۰ به‌توان منفی ۲۷ متر است (این مقدار را با شعاع ذره پروتون كه برابر اندازه شعاع ۱۰ به‌توان منفی ۱۵ متر است مقایسه كنید). همان‌طور كه می‌دانید، فشردن یك كامپیوتر، بر محتوای انرژی آن تأثیری ندارد. در نتیجه یك كامپیوتر فشرده نیز می‌تواند همچنان ۱۰ به‌توان ۵۱ عملیات محاسباتی در هر ثانیه انجام دهد. تنها موردی كه با فشرده شدن یك كامپیوتر تغییر می‌كند، ظرفیت حافظه آن است. زمانی كه نیروی گرانشی یا جاذبه چندان مطرح نباشد، ظرفیت كل حافظه با تعداد ذرات تناسب دارد و در نتیجه متناسب با حجم یك كامپیوتر فیزیكی است. اما با فشرده شدن یك كامپیوتر و افزایش نیروی گرانشی بین ذرات تشكیل دهنده، به‌تدریج ذرات به‌یكدیگر نزدیك‌تر و در نهایتاً به هم متصل می‌شوند. در نتیجه تحت گرانش زیاد، قابلیت ذخیره‌سازی اطلاعات ذرات كاهش می‌یابد. ظرفیت كل ذخیره ‌اطلاعات در یك سیاهچاله با مساحت سطح آن تناسب مستقیم دارد. در سال ۱۹۷۰ هاوكینگ و همكارش نشان دادند كه یك كیلوگرم سیاهچاله قابلیت ذخیره‌سازی ۱۰ به‌توان ۱۶ بیت داده را دارد. مقداری كه خیلی از مقدار ظرفیت یك كامپیوتر قبل از فشرده شدن، كمتر است.البته از طرف دیگر، یك كامپیوتر فشرده شده در برابر كاهش ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات، از سرعت پردازش بسیار بالاتری برخوردار است. در یك سیاهچاله زمان لازم برای تغییر دادن یك بیت داده برابر با ۱۰ به‌توان منفی ۳۵ ثانیه است. این زمان برابر با زمانی است كه یك سیگنال نوری برای طی كردن قطر یك سیاهچاله (از یك سمت سیاهچاله به سمت مقابل آن) نیاز دارد. در نتیجه، بر خلاف یك كامپیوتر فیزیكی معمولی، یك كامپیوتر سیاهچاله، سیستمی سریال است و همانند یك سیستم تك پردازنده عمل می‌كند.اما یك كامپیوتر سیاهچاله در عمل چگونه كار می‌كند؟ در چنین سیستمی، ساختن ورودی مشكلی نخواهد داشت. كافی خواهد بود تا اطلاعات ورودی مورد نظر را به‌صورت توده‌ای از ماده، encode كرده و آن را به‌درون سیاهچاله پرتاب كنیم. بدین ترتیب یك برنامه‌نویس می‌تواند با آماده‌سازی مناسب مواد ورودی یك سیاهچاله، سیاهچاله را برای انجام عملیات محاسباتی مورد نظر خود برنامه‌ریزی كند.با فرو رفتن مواد به‌درون یك سیاهچاله، ذرات مواد با یكدیگر برهم‌كنش كرده و در نتیجه عملیات پردازشی صورت می‌گیرد.
این عمل تا جایی ادامه می‌یابد كه مواد ورودی به فاصله‌ای از مركز سیاهچاله می‌رسند كه نقطه بی‌بازگشت و یا اصطلاحاً افق‌رویداد (Event horizon) نام دارد. این‌كه زمانی كه مواد ورودی به مركز یا نقطه تكینگی(Singularity) سیاهچاله می‌رسند و ناپدید می‌شوند، چه شرایطی دارد، موضوعی است كه به جزئیات گرانش كوانتومی ارتباط می‌یابد و هنوز ناشناخته است.مطالعات هاوكینگ در مورد سیاهچاله‌ نشان داده است كه نرخ تشعشع سیاهچاله‌ها با شعاع آن‌ها نسبت عكس دارد. به این ترتیب سیاهچاله‌های مركز كهكشان‌ها با سرعت بسیار كمتری از آنچه مواد را به‌درون خود می‌كشند، تشعشع می‌كنند. در آینده شاید آزمایشگران فیزیك ذرات هسته‌ای موفق شوند، در درون شتاب‌دهنده‌های ذرات بنیادی، سوراخ‌های سیاه كوچكی ایجاد كنند كه در یك لحظه، با تشعشع انرژی لحظه‌ای ناپدید می‌شوند. در نتیجه می‌توان به‌جای آن‌كه یك سیاهچاله را به‌صورت یك شیء تجسم كنیم، آن را همانند تجمع فشرده‌ای از ماده فرض كنیم كه با حداكثر سرعت ممكن در طبیعت، عملیات پردازشی را اجرا می‌كند.
● شرح تكامل نظریه های سیاه چاله ها
<سیاهچاله ها اجرامی چنان متراكم هستند كه هیچ چیزی (حتی نور) نمی تواند از میدان گرانش آن خارج شود.> تعریف فوق از سیاهچاله، تا اواسط دهه ۷۰ تكیه كلام مقالات اختر فیزیكی و سخنرانی های علمی بوده است. اما فیزیكدانان از آن زمان به این سو بحث های متعددی مطرح كرده اند و معتقدند كه انرژی و در نتیجه اطلاعات (كه توصیف كننده شكل انرژی هستند) می توانند از سیاهچاله به خارج نشت كنند. اشكال زیر، نگاهی فرضی به سیاهچاله‌ها هستند، آنچنان كه از مكانی در خارج از فضا زمان می توان تصور كرد.
▪ طرح گریز
پرسش واقعی آن است كه آیا تشعشع هاوكینگ پاسخ محاسبات سیاهچاله را بازمی‌گرداند و یا آن‌كه این تشعشع فقط اطلاعات تصادفی را حمل می‌كند. اگرچه این موضوع هنوز جای كار بسیاری دارد، اما اكثر فیزیكدانان و خود هاوكینگ بر این عقیده‌اند كه تشعشع سیاهچاله‌ها، نسخه شدیداً پردازش شده همان اطلاعاتی است كه در زمان شكل‌گیری سیاهچاله به‌درون آن كشیده‌ شده‌اند. به این ترتیب اعتقاد عمومی دانشمندان چنین است كه اگرچه ماده نمی‌تواند از سیاهچاله خارج شود، اما اطلاعات موجود در مواد می‌توانند از سیاهچاله‌ها خارج شوند. شناخت دقیق‌تر چنین فرایندی، یكی از داغ‌ترین سوژه‌های فعالیت حال‌حاضر فیزیكدانان به‌شمار می‌رود. سال گذشته، Gary Horowitz و همكارانش، مكانیسمی را به عنوان راه‌حل مسأله فوق مطرح ساختند. براساس تئوری این گروه كه به تئوری <گیر افتادن (entanglement)> معروف شده است، خواص دو سیستم در بازه فضا زمان مشخصی، به یكدیگر ارتباط می‌یابند. تفسیر بیشتر این تئوری منجر به آن می‌شود كه بپذیریم كه در بازه فضا زمانی مشخصی، می‌توان چنان با دقت، اطلاعات و خواص مواد را انتقال داد كه 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 كه به فاصله افق‌رویداد سیاه‌چاله می‌رسد، می‌تواند زوج فوتونی تولید كند كه یكی از آن‌ها به همراه ماده ورودی به سفر خود به‌درون سیاهچاله ادامه می‌دهد و دیگری به‌صورت تشعشع هاوكینگ از سیاهچاله به خارج تابش می‌كند و اطلاعات ماده ورودی را باز می‌گرداند. مكانیسم‌های فرار دیگری هم معرفی شده‌اند كه در پدیده‌های عجیب كوانتومی ریشه دارند. در سال ۱۹۹۶ كامران وفا و همكارش ساختار متفاوتی برای سیاهچاله پیشنهاد كردند. در پیشنهاد این گروه، فرض شده است كه سیاهچاله‌ها از ساختارهای چندبعدی به‌نام brane تشكیل شده‌اند كه از نظریه ریسمان (String theory) به‌دست آمده است. بر اساس چنین تصویری، اطلاعات ورودی به سیاهچاله به‌شكل موجی در braneها ذخیره می‌شوند و امكان نشت كردن به خارج از سیاهچاله را نیز می‌یابند. هاوكینگ در تئوری اخیر خود نشان داده است كه نوسانات كوانتومی مانع از شكل‌گیری افق رویداد خوش‌تعریف(Welldefined) در اطراف سیاهچاله‌ها خواهد بود.
▪ کیهان در حال پردازش است
بر اساس تئوری‌های جدید، كیهان از دو گونه ماده تشكیل شده است. ماده‌ای كه به همان مفهومی كه می‌شناسیم دارای طبیعتی دینامیك است و مانند یك كامپیوتر پارالل عمل می‌كند. گونه دوم ماده یا همان انرژی تاریك (Dark energy) كه فضای اطراف ماده نوع نخست را پر كرده است، طبیعتی استاتیك دارد و مانند كامپیوترهای سریال عمل می‌كند. در مجموع هر دو گونه ماده موجود در عالم، تا كنون حداكثر تعداد عملیات محاسباتی مجاز بر اساس قوانین فیزیك را انجام داده‌اند.
▪ فضا زمان سایبر (Cyberspacetime)
مشخصه‌های سیاهچاله به‌طور تنگاتنگی به مشخصه‌های فضا - زمان گره خورده است. در نتیجه اگر به‌توان به سیاهچاله همچون یك كامپیوتر نگریست، فضا-زمان نیز چنین جلوه‌ای خواهد داشت. مكانیك كوانتومی پیش‌بینی می‌كند كه فضا - زمان نیز همانند دیگر سیستم‌های فیزیكی دارای طبیعتی گسسته است. بدین‌معنی كه فواصل و زمان‌ها را نمی‌توان به‌صورت همزمان با دقت بسیار بسیار زیاد اندازه‌گیری كرد. در مقیاس‌های كوچك، فضا - زمان ساختاری حباب‌گونه و كفی شكل از خود نشان می‌دهد و حداكثر اطلاعاتی را می‌توان در یك 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 كه از ساختار حبابی فضا - زمان در آن ناحیه ریز‌تر باشند. فیزیكدانان از سال‌ها قبل نشان داده بوده‌اند كه كوچك‌ترین سلول‌های فضا - زمان توسط واحدی به‌نام طول پلانك (Planck length) بیان می‌شود و معادل با ۱۰ به‌توان منفی ۳۵ متر بر آورد می‌شوند. چنین ابعادی، فواصلی را مشخص می‌كند كه اعوجاجات (Fluctuation) كوانتومی و همچنین اثرات گرانشی اهمیت می‌یابند. معنی چنین اندازه‌هایی آن خواهد بود كه طبیعت فضا - زمان همواره كوچك‌تر از حدودی است كه انسان‌ها بتوانند شاهد آن باشند. اما همان‌طور كه نویسندگان این مقاله نشان داده‌اند، سلول‌های ساختار حبابی فضازمان بسیار بزرگ‌تر از اندازه‌هایی است كه 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 كه در آن، فواصل توسط ارسال و پردازش اطلاعات سنجیده می‌شوند. یك روش انجام این عمل آن است كه ناحیه‌ای از فضا زمان را به تعدادی ماهواره‌ Global positioning system) GPS) مجهز سازیم كه در هر یك از آن‌ها یك ساعت و همچنین یك دستگاه فرستنده رادیویی كار گذاشته شده است. براین‌اساس برای سنجش فاصله مشخصی، یكی از ماهواره‌ها سیگنالی ارسال می‌كند و زمان رسیدن آن را می‌سنجد. دقت چنین اندازه‌گیری‌ای به سرعت تیك‌های ساعت بستگی خواهد داشت. فرایند موسوم به تیك‌های ساعت خود یك عمل محاسباتی محسوب می‌شود و در نتیجه حداكثر آن توسط تئوری Margolus-Levitin تعیین شده است (یعنی فاصله دو تیك متوالی سریع‌ترین ساعت به انرژی اعمال شده بستگی مستقیم دارد). از سوی دیگر، انرژی، خود كمیتی محدود است و در صورتی‌كه به ماهواره‌های مثال فرضی فوق انرژی زیادی نسبت دهیم و یا آن‌كه آرایش مجموعه‌ای از ماهواره‌ها بیش از حد به یكدیگر نزدیك چیده شده باشند، آن‌گاه آن مجموعه ماهواره تشكیل یك سیاهچاله خواهند داد و دیگر نمی‌توان از آن‌ها برای عمل نگاشت یا نقشه‌برداری فضا زمان بهره گرفت. (البته سیاهچال تشكیل شده همچنان به تابش تشعشع هاوكینگ ادامه خواهد داد، اما فركانس و طول‌موج چنین پرتویی مناسب نقشه‌برداری از ساختار فضا زمان نخواهد بود). براساس محاسبات فیزیك مدرن، حداكثر انرژی كل 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 كاهش حجم ناحیه مورد نقشه‌برداری، كاهش می‌یابد.در صورتیكه ناحیه مورد نظر عمل نقشه‌برداری بزرگ ‌شود، دو حالت انتخاب پیش‌روی ما قرار خواهد گرفت. یا باید چگالی ماهواره‌های نقشه‌برداری را كاهش دهیم (كه به معنی دور كردن آن‌ها از یكدیگر است) و یا آن‌كه در هر یك از آن‌ها از انرژی كمتری استفاده كنیم (كه معنی آن كاهش دادن سرعت تیك‌های ساعت آن‌ها است). در هر صورت، دقت اندازه‌گیری كاهش خواهد یافت. مدل‌سازی ریاضی نشان می‌دهد كه كل زمان لازم برای نقشه‌برداری از ناحیه‌ای به شعاع R، كه معادل با كل تعداد تیك‌های محموعه ماهواره‌های نقشه‌برداری است، برابر خواهد بود با R۲//P۲، اگر فرض كنیم هر ماهواره دقیقاً یك‌بار در طول فرایند نقشه‌برداری تیك بزند، آن‌گاه فاصله میانگین ماهواره‌ها از یكدیگر برابر خواهد بود با R۱/۲/p۲/۳ در تئوری، تنها زمانی می‌توان فواصل كوتاه‌تری بین ماهواره‌های اندازه‌گیری كرد، كه در زیرمجموعه‌ دیگری از همان ناحیه فضا ‌ زمان دقت اندازه‌گیری كاهش داده شده باشد. چنین استدلالی، حتی در وضعیت فضا زمان منبسط شونده نیز صادق خواهد بود. از نگاه نظریه‌پردازان فیزیكدان، نتیجه حاصل، روش دیگری برای تبیین سیاهچاله‌ها فراهم می‌آورد. نویسندگان این مقاله ثابت كرده‌اند كه اعوجاجات عجیب در مقیاس فضا‌ زمان، با ریشه سوم فواصل متناسب خواهد بود و بدین ترتیب یك روش میان‌بر برای به‌دست آوردن فرمول ظرفیت حافظه سیاهچاله هاوكینگ به‌دست می‌دهد. به همین ترتیب مشخص می‌شود كه تعداد كل بیت‌های حافظه یك سیاهچاله با مربع توان محاسباتی آن نسبت مستقیم خواهد داشت. در این مورد ضریب تناسب برابر است با. ۵ Gh/c كه در آن نسبیت عام با قرار گرفتن G ثابت گرانشی،h فیزیك كوانتوم با استفاده از h ثابت پلانك توسط پارامتر c (سرعت نور) به‌یكدیگر پیوند می‌خورند.یكی از برجسته‌ترین نتایجی كه از رابطه‌ فوق به‌دست می‌آید آن است كه حداكثر اطلاعاتی كه هر ناحیه‌ای فضا زمان قادر است در خود جای دهد، به‌جای آن‌كه متناسب با حجم ناحیه از فضا ‌زمان باشد، متناسب با مساحت سطحی آن است. چنین برداشتی به اصل هولوگرافیك (Holographic principle) مشهور است. نتیجه‌گیری فیزیكدانان از فرضیه فوق به این ترتیب است كه جهان سه‌بعدی ما از جهاتی جلوه‌های دو بعدی از خود به‌نمایش می‌گذارد كه این موضوع خود می‌تواند نتیجه مفروضات ما از گرانش كوانتومی باشد.
▪ ۱۰ به توان ۱۲۳
اصل محاسبه (computation) تنها مختص كامپیوترهای فشرده كیهانی (سیاهچاله‌ها) و یا كوچك‌ترین كامپیوترهای عالم (یعنی ریز بافت فضا - زمان) نیست، بلكه می‌توان آن را به كل عالم نیز تسری داد. اگرچه عالم ممكن 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 كه كل تعداد محاسباتی كه عالم تا كنون انجام داده است، باید در چنین وسعتی محاسبه شود، عدد ۱۰ به‌توان ۱۲۳ محاسبه به‌دست می‌آید. مقایسه این حد با رفتار ماده اطراف ما، یعنی ماده آشكار، ماده تاریك و انرژی تاریك (Dark energy) كه عامل انبساط شتابدار كیهان است، می‌تواند مفید باشد. چگالی انرژی كیهانی مشاهده شده، چیزی در حدود ۱۰ به‌توان منفی ۹ ژول برمترمكعب است. در نتیجه، كل عالم ۱۰ به‌توان ۷۲ ژول انرژی دارد. با در نظر گرفتن تئوری MargolusLevitin، عالم قادر خواهد بود تا ۱۰ به‌توان ۱۰۶ عمل محاسباتی در ثانیه انجام دهد كه ضرب كردن این عدد در طول عمر كیهان، عدد ۱۰ به‌توان ۱۲۳ محاسبه به‌دست می‌آید. ( تعداد محاسباتی كه كیهان تا این لحظه انجام داده است). در واقع عالم حداكثر مقدار مجاز محاسباتی كه قوانین فیزیكی اجازه داده‌اند، را تا این لحظه انجام داده است. برای محاسبه ظرفیت حافظه ماده معمولی مانند اتم‌ها، می‌توان از روش‌های استاندارد مكانیك آماری و كیهان‌شناسی بهره گرفت. زمانی ماده می‌تواند بیشترین ظرفیت اطلاعاتی را داشته باشد كه به‌شكل ماده پر انرژی (مانند ذرات نوترینو یا فوتون) در نظر گرفته شود. در این حالت چگالی آنتروپی، متناسب با مكعب دما و چگالی انرژی متناسب با توان چهارم دما خواهد بود. در نتیجه كل تعداد بیت‌های اطلاعاتی برابر خواهند بود با تعداد عملیات محاسباتی انجام شده به‌توان سه چهارم.
این عدد برای ماده معمولی كیهان برابر با ۱۰ به‌توان ۹۲ خواهد بود. واقعیت آن است كه فیزیكدانان هنوز انرژی تاریك را به‌طور كامل نمی‌شناسند و در نتیجه نمی‌توان محاسبه فوق را برای این بخش از ماده عالم انجام داد. اما اصل هولوگرافیك بیان می‌كند كه كل كیهان قادر به ذخیره‌سازی ۱۰ به‌توان ۱۲۳ بیت اطلاعات است. عددی كه تقریباً برابر با كل تعداد عملیات محاسباتی كیهان است. این برابری تصادفی نیست و بیانگر این حقیقت است كه چگالی عالم ما نزدیك عدد بحرانی است. اگر عالم كمی چگال‌تر بود، به احتمال زیاد دچار رُمبِش (یا انقباض) گرانشی می‌گردید. به همین دلیل است كه گفته می‌شود عالم حداكثر ظرفیت محاسباتی مجاز را به‌كار بسته است. بر اساس شناخته‌های فعلی فیزیك، رفتار انرژی تاریك با رفتار ماده معمولی كیهان تفاوت بسیار دارد. در صورتی‌كه انرژی تاریك، بر اساس اصل هولوگرافیك، حداكثر تعداد محاسبات را انجام دهد، آن‌گاه اكثریت بیت‌های موجود در آن فرصت پردازش شدن بیش از یك‌بار را در كل طول تاریخ عمر كیهان نمی‌یابند. تا این‌جا نتیجه گرفته می‌شود كه انرژی تاریك هرچه باشد، سهم قابل توجهی در انجام عملیات محاسباتی ندارد.اما در نهایت، محاسبه كیهانی (Universe computing) چیست؟ تا آن‌جایی كه می‌توان به این پرسش پاسخ داد، چنین محاسبه‌ای قرار نیست كه پاسخی به یك پرسش مشخص باشد (آن‌گونه كه ابركامپیوتر DeepBlue محاسبه می‌كند). در واقع عالم در حال محاسبه خود است.
محاسبه‌ای كه توسط مدل نرم‌افزاری استاندارد انجام می‌شود. عالم در حال محاسبه میدان‌های كوانتومی، مواد شیمیایی، باكتری‌ها و انسان‌ها و همه‌چیز است و در طول چنین محاسباتی، عالم هندسه فضا زمان ویژه خود را با دقت هرچه تمام‌تر، ترسیم می‌كند.
تمام نتایج به‌دست آمده از به‌كارگیری قوانین فیزیك نوین در مورد كامپیوترهای متداول امروزی، سیاهچاله‌ها، ریز‌ساختار فضا زمان و دیگر پدیده‌های كیهانی، نمایش دهنده اندیشه پیوندهای درونی فیزیك بنیادی هستند. اگر فیزیكدانان تا این زمان درك كاملی از تئوری گرانش كوانتومی ندارند، با این حال به این حقیقت آگاه هستند كه این تئوری هرچه باشد، به شكل اعجاب‌انگیزی به موضوع اطلاعات كوانتومی (Quantum Information) ارتباط می‌یابد.