SLON V ČRNI LUKNJI

Štiri leta pozneje je Seth Lloyd poglobil svoja razmišljanja, v sodelovanju z Y. Jackom Ngom, profesorjem fizike na Univerzi Severne Karoline. V skupnem članku, ki sta ga objavila v reviji Scientific American sta ugledna znanstvenika povezala dve najizzivalnejši polji teorijske fizike – teorijo kvantnih informacij in kvantno teorijo gravitacije. Na začetku sta vprašala, kakšna je razlika med računalnikom in črno luknjo? Vprašanje spominja na začetek kakšne šale o Microsoftu, vendar gre za enega najbolj temeljnih problemov današnjega časa. Mnogi ljudje gledajo na računalnike kot na specializirane napravice – lepo oblikovane škatle na naših mizah ali čipe, manjše od nohta, vdelane v visokotehnološke aparate. Omenjena fizika nas opominjata, da so pravzaprav vsi fizični sistemi računalniki. Kamnov, atomskih bomb ali galaksij morda ne poganja Linux, pravita Lloyd in Ng, a tudi ti vseeno beležijo in obdelujejo informacije.

Vsak elektron, foton in druga elementarni delci skladiščijo bite informacij, in kadarkoli dva takšna delca vzajemno delujeta, se biti transformirajo. Fizični obstoj in informacijska vsebina sta nerazrešljivo povezana. Črne luknje se nam lahko zdijo izjema od pravila, da vse, kar obstaja, tudi računa. Vnašanje informacij v črno luknjo ni problematično, težava pa je priti do rezultata, do izhodne informacije. Materija, ki pride v črno luknjo, se v singularnosti asimilira in detajli o njeni sestavi se nepopravljivo izgubijo. Ko pa je Stephen Hawking z Univerze v Cambridgu uvedel v račun tudi kvantno mehaniko, se je pokazalo, da imajo tudi črne luknje izhod, ki seva približno kot vroč premog. Po Hawkingovi analizi je sevanje naključno in ne vsebuje začetnih informacij. Če v luknjo pade slon, bo tudi na izhodu energije za slona, a iz te mešanice ne bo mogoče ustvariti živali.

PRI MILIJARDI KELVINOV

Izguba informacij pa je v nasprotju z zakonom kvantne mehanike o ohranjanju informacij. Zato so drugi znanstveniki, med njimi Leonard Susskind (Stanford), John Preskill (Caltech) in Gerrad 't Hooft (Univerza v Utrechtu) , izvedli drugačne analize, ki so pokazale, da je izhodno sevanje pravzaprav obdelana oblika padle materije. S tem se je pozneje strinjal tudi Hawking. Analize v terminih bitov in bajtov so znova potrdile, da vesolje ni le orjaški računalnik, temveč tudi orjaški kvantni računalnik. Lloyd in Ng ter tudi drugi znanstveniki so uvedli iste poglede v kozmologijo in temeljno fiziko: naravo črnih lukenj, strukturo prostora-časa, obnašanje kozmične temne energije, končne zakone narave. Raziskovalca sta v svojem poročilu tudi nekoliko popravila prejšnji izračun za končni laptop z maso enega kilograma.

Ta naj bi po zakonih termodinamike izvajal 1051 operacij v sekundi, pri pretvarjanju v energijo dosegel temperaturo milijardo stopinj Kelvina in informacijsko gostoto 1031 bitov. Informacije bi bile shranjevane v mikroskopskih gibanjih in položajih elementarnih delcev. Vzajemno delovanje delcev bi povzročalo preklapljanje njihovega stanja. Na proces je mogoče gledati na primer v terminih programskih jezikov C in Java, pri čem so delci spremenljivke, njihove interakcije pa operacije, kot je seštevanje. Vsak bit se lahko preklopi 1020-krat v sekundi, torej z delovnim taktom 100 giga-gigahertzov (GHz), kar je preveč za upravljanje z osrednjo uro. Čas preklopa bita je približno enak času potovanja od enega bita do naslednjega.

REŠITEV V SEVANJU

Zato je končni laptop visoko vzporeden in se obnaša kot ogromna množica procesorjev, ki skoraj neodvisno razmeroma počasi komunicirajo svoje rezultate. Če se držimo dosedanjega toka Moorovega zakona, bodo naši potomci lahko končni laptop kupili v 23. stoletju., pod pogojem, da inženirji najdejo način tako gostega »pakiranja« delcev, upravljanja interakcij delcev v plazmi, bolj vroči od jedra Sonca, in komuniciranja znotraj sistema. Zavedati se moramo tudi problema kratkega trajanja, ko gre za celotno pretvarjanje črne luknje, ki traja le majcen del sekunde (10-21 s). Največji problem od vseh pa je uporaba informacij oz. izračuna v obliki kratkotrajnega Hawkingovega sevanja. Možno rešitev sta ponudila Gary Horowitz s Kalifornijske univerze in Juan Maldacena iz Inštituta za napredne študije v Princetonu.
V ospredju njihovega teorijskega mehanizma je kvantni fenomen »vozlov«, po katerem lastnosti dveh ali več sistemov ostanejo povezane prek daljin prostora in časa. Vozli omogočajo tudi fenomen teleportacije delcev, ki je prikazana v laboratorijih. V modelu Horowitz-Maldacena se pari povezanih fotonov iz črne luknje materializirajo na obzorju dogajanj. En del vsakega para fotonov odleti ven v obliki Hawkingovega sevanja. Drugi del vsakega para pade skupaj z materijo v luknjo in v singularnost, vpadajoči fotoni pa pri anihilaciji spreminjajo vsebino odhajajočih. Opazovalec lahko na podlagi sevanja s pomočjo osnovne fizike odklene informacije, shranjene v sevanju, in tako dobi »računalniški izračun«. Fiziki se strinjajo, da je predlog kljub svoji kontroverznosti – verodostojen.

RAČUNAM, TOREJ SEM

Znanstvenika Lloyd in Ng sta v svoje razmišljanje uvedla tudi diskretno naravo prostora-časa, ki jo nalaga kvantna mehanika. Razdalj in časovnih intervalov ni mogoče meriti do neskončne natančnosti, ker je narava prostora-časa penasta, biti pa ne morejo biti manjši od celic »pene«, za katere je po mnenju fizikov kot mera veljala Planckova dolžina, to je 10-35 metra. No, Jack Ng, Hendrik van Dam iz Univerze Severne Karoline in madžarski znanstvenik Frigyes Károlyházi so pokazali, da so celice večje in pravzaprav nimajo fiksirane velikosti. V večjem segmentu prostora-časa so celice večje, v manjšem pa manjše. Morda se zdi paradoksalno, a atomi v slonu bi bili večji kot atomi v miši. Če preskočimo strokovno razlago, pridemo do sklepa, da je število bitov v računalniku črni luknji sorazmerno kvadratu računalne stopnje, kar potrjuje povezanost informacij z relativnostno teorijo. Ob tem pa se uvaja tudi holografsko načelo, po katerem je naše trirazsežno vesolje pravzaprav dvorazsežno in je maksimalna količina informacij sorazmerna površini določenega področja, ne pa prostornini.

Predložena načela izračunavanja lahko veljajo ne le za najkompaktnejše računalnike (črne luknje) in najmanjše računalnike (peno prostora-časa), temveč tudi za največji »računalnik« – samo vesolje. Nadaljnji izračun pripelje do števila operacij, ki so se lahko zgodile od samega nastanka. Po Lloydu in Ngu je ta številka 10123, torej 1 s še 123 ničel. Energetska gostota od 10-9 joulov na kubični meter da 1072 joulov za celotno vesolje. Vesolje izvaja 10106 operacij v vsaki sekundi – to je meja, ki jo določajo zakoni fizike. Število bitov, s katerimi vesolje premleva »kvantna polja, kemikalije, bakterije, človeška bitja, zvezde in galaksije«, pa je 1092. Obenem pa »kartografira« svojo lastno geometrijo prostora-časa do najvišje natančnosti, ki jo omogočajo zakoni fizike. Računanje je torej obstoj sam. Ali če parafraziramo slavnega Renéja Descartesa: Computo, ergo sum − računam, torej sem.