كیهان, 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 می نامند كه باز هم از اصول فیزیك مدرن 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.

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.

---