宇宙中最大的计算机也许就是宇宙本身

“我思故我在”是笛卡儿（Descartes）演示自身之存在这一事实的一种尝试。美国物理学家约翰 · 阿奇博尔德 · 惠勒（John Archibald Wheler）试图胜过笛卡儿。他创造了“一切源自比特”这个句子来证明宇宙中万物的存在。按惠勒博士的观点，如果一个事物包含一“比特”的信息，哪怕这一比特只是回答任何简单问题所必需的最小量，那么它就必定存在。

虽然惠勒博士的见解比不上笛卡儿的简洁明了，但多年来也同样对物理学家们产生了强有力的影响。一些物理学家藉此给宇宙藉以调制的基本成分增添了与物质和能量并驾齐驱的新内容，同时它也给科学新分支的发展提供了原动力。当然，研究人员们依然在研究恒星和原子的物理属性，以便发现宇宙到底囊括多少物质和能量。但是，他们现在也同样研究信息的物理属性，以便计算出宇宙到底拥有多少信息。

其中一位这样的物理学家就是美国麻省理工学院的塞思 · 劳埃德（Seth Lloyd）。最近，他通过计算出整个宇宙的最大计算能力得出了符合逻辑的结论。他的计算结果（发表在当前一期《物理评论快报》上）支持惠勒博士关于信息论可能对物理现实提供重要见解的观点。

有过之而无不及

开始，劳埃德博士把宇宙想象为一台独立的巨型计算机。与标准的台式计算机一样，随着自身硬件规格的缩小及其软件效能的进一步提高——也就是说，它在处理每一比特信息时的能量消耗将相应减少——这种计算机必将变得更加高效。但是，当这些因素达到某种基本的物理极限时，这种对穷尽的追求必然终止。

这些制约因素的其中之一就是能量，它给宇宙这台计算机把一比特信息从一种状态转变到另一种状态（行话中称之为逻辑运算）的速度强加了一个上限。一比特信息可能由任何能够呈现两种状态的物体构建而成。宇宙中适合于这一任务的最小硬件是诸如原子和电子之类的粒子。两者都拥有一个量子属性，叫做“自旋”，其旋转轴可以上下翻转。但即使翻转一个电子的自旋也要消耗能量。而且，自旋翻转得越快，这一过程消耗的能量也就越多。

既然宇宙所拥有的能量是有限的，那么它执行这种运算的速度就有一个极限。利用目前对宇宙所拥有能量的估计，劳埃德博士就能够计算出宇宙每秒钟能够执行运算次数的总和——假如宇宙是一台计算机的话，把该数字乘以宇宙的年龄一一100亿年之后，劳埃德博士得出了该总和。这就说明，宇宙在自身历史中可能已经执行了10¹²⁰（1后面跟120个零）次逻辑运算。

关于宇宙的软件就谈到这儿。另一个挑战是计算宇宙作为计算机所包含的硬件（即物理比特）的总量。为了计算出这个数字，劳埃德博士求助于宇宙的另一物理属性——即它的熵，也即无序。

科学家们早就知道任何物理系统——例如一定量气体中的原子——都可以看作是含有信息的。这样一个系统中的信息比特对应于该系统的组成部分展示某些特征一例如能量、自旋和电荷——的方式。可以说，系统中的自由度，即无序度越高，那么它所拥有的信息比特就越多。

如果宇宙中所有的物质都被转变成辐射，而不是目前的物质和能量混合存在的状态，那么宇宙也许会处于最无序的状态，因而处于比特量最丰富的状态。（能量和物质是可以互相转换的；爱因斯坦的著名公式E=mc²展示了这种转换的速度。）那是因为物质被锁定在一定的位置上，因而自由度要比无约束的能量少一些。通过对纯辐射宇宙中熵的上估计值进行逆向运算，劳埃德博士猜想，如果宇宙中的每一个粒子都获得所有可能获得的自由度，那么宇宙将容纳10⁹⁰比特的信息量。另外，量子理论提出，熵是由引力场添加到宇宙上去的，诸如蜷缩在黑洞内的引力场。加上这——因素，劳埃德博士估算出来的总和约为10¹²⁰比特。

混杂隐喻

这确实是个令人愉快的巧合。既然操作次数的估计来自信息论，比特数的估计来自物理学，劳埃德博士就把两者之间的巧合看作是信息论与物理现实之间深层联系的佐证。因此，就绝对最大值而言，宇宙计算机可能已经对每一个比特各执行过一次运算。按惠勒的观点，宇宙可以被看作就是从其自身构成中每一个比特的一次性调试中脱颖而出的那个“一切”。

劳埃德博士相信：大规模量子计算机——通过把个别的信息比特同时置于两种状态来保证提供巨大计算能力的装置——的可行性，这样它们就能够同时处理许多不同的逻辑组合。迄今已建成的较小型量子计算机把单个原子用作其物理比特。持怀疑态度者不相信这种现在容量不到10比特的装置可以被进一步扩大。劳埃德博士能够提供什么样的比整个宇宙本身就是一部大型计算机的提法更有力的佐证来说明可以使大型量子计算机工作呢？

劳埃德博士指出，自从大爆炸以来，宇宙一直“在计算自身的动态演变”。如果说这一切听起来全都太离奇，难以置信，那是因为量子物理学的倾向是把最精确的概率附加到可能性最小的结果上的缘故。如果有人决心要数一数针尖上的天使，那么他也许会密切注意天使的数量。

[The Economist，2002年6月6日]