Queremos dar una conferencia sobre informática a los estudiantes de primer año. No entienden nada. ¿Qué debemos enseñar? ¿Algo que no esté en el libro de texto?
Computadora con agujero negro
Seth Lloyd y Y.Jack NG Para mantenerse al día, los investigadores pueden pensar en las leyes de la física como programas de computadora y en el universo como una computadora. Una computadora con un agujero negro puede parecer fantasiosa, sin embargo, los investigadores en cosmología y física fundamental están demostrando que es una herramienta conceptual útil. Si los físicos pudieran crear un agujero negro en un acelerador de partículas, lo que según algunas predicciones podría ser posible dentro de una década, podrían en realidad observar el agujero negro realizando operaciones.
¿Existe alguna diferencia entre una computadora y un agujero negro en el universo? A primera vista, esta pregunta parece la primera línea de un chiste de Microsoft. Sin embargo, es uno de los problemas más profundos de la física actual. La mayoría de la gente piensa que las computadoras son nuevos inventos especializados: carcasas de escritorio simplificadas o chips del tamaño de una uña en cafeteras. Para un físico, todos los sistemas naturales son computadoras. Es posible que las rocas, las bombas atómicas y las galaxias no ejecuten programas de Linux, pero también registran y procesan información. Cada electrón, fotón y otra partícula elemental almacena un poco de datos. La naturaleza y la información están entrelazadas y, como dice el físico John Wheeler de la Universidad de Princeton, "proviene de bits".
Los agujeros negros pueden parecer una excepción a la regla general. No hay dificultad para alimentar información. en un agujero negro. Sin embargo, según la teoría general de la relatividad de Einstein, es imposible extraer información de un agujero negro. La materia que entra en un agujero negro se homogeneiza y su composición y detalle se pierden irremediablemente. En la década de 1970, Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge en Inglaterra, demostró que cuando se tiene en cuenta la mecánica cuántica, los agujeros negros tienen un resultado: arden como brasas. Sin embargo, en el análisis de Hawking, esta radiación es caótica y aleatoria y no contiene información sobre lo que entró en ella. Si un elefante cayera dentro, su energía se escaparía, pero sería una mezcolanza de energía. No puede explotarse (ni siquiera en principio), ni recrearse el elefante.
Debido a que las leyes de la mecánica cuántica preservan la información, la aparente pérdida de información presenta una serie de problemas difíciles. Otros científicos, entre ellos Leonard Susskind de la Universidad de Stanford, John Preskill del Instituto de Tecnología de California y Gerard't Hooft de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos, sostienen que la radiación emitida, en realidad, no es aleatoria sino que es una forma procesada. de materia que cae en un agujero negro. En el verano de 2004, Hawking había llegado a estar de acuerdo con su opinión de que los agujeros negros también eran calculadores.
Los agujeros negros son simplemente el mayor caso especial del principio universal de registro y procesamiento de información en el universo. El principio en sí no es nuevo. En el siglo XIX, los fundadores de la mecánica estadística desarrollaron lo que se conoció como teoría de la información para explicar las leyes de la termodinámica. A primera vista, la termodinámica y la teoría de la información son dos categorías separadas: una se usa para describir las máquinas de vapor y la otra optimiza la comunicación; sin embargo, la entropía, una cantidad termodinámica, limita la capacidad de las máquinas de vapor para realizar un trabajo útil y la entropía es proporcional; a la cantidad de energía en la materia. El número de bits registrados por la posición y la velocidad de una molécula. La mecánica cuántica del siglo XX puso este descubrimiento sobre una base cuantitativa sólida y dio a los científicos un concepto notable de información cuántica. Los valores de bits que componen el universo son bits cuánticos, o "qubits", que tienen propiedades mucho más ricas que los bits ordinarios.
Analizar el universo con la ayuda de bits y bytes no puede sustituir el análisis convencional de fuerza y energía, pero ha revelado muchos hechos nuevos y sorprendentes. Por ejemplo, desentraña una paradoja conocida en el campo de la mecánica estadística como "el demonio de Maxwell", una paradoja que parece permitir la existencia de máquinas de movimiento perpetuo. En los últimos años, nosotros y otros físicos hemos estado analizando la cosmología y la física fundamental con los mismos conocimientos: la naturaleza de los agujeros negros, la estructura a escala fina del espacio-tiempo, el comportamiento de la materia oscura en el universo y algunas leyes extremas. de la naturaleza.
El universo no es sólo una computadora gigante, sino también una computadora cuántica gigante, y como dijo Paola Zizzi, física de la Universidad de Padua en Italia, "proviene de qubits también lo es Gigabit". demasiado lento
La física y la teoría de la información (derivadas de los principios centrales de la mecánica cuántica) convergen: después de todo, la discreción es la naturaleza de la naturaleza; un sistema natural puede describirse mediante un número finito de valores de bits. Dentro del sistema, cada partícula se comporta como las puertas lógicas de una computadora. Su "eje" de giro puede apuntar en una de dos direcciones, por lo que puede codificar un bit y puede girarse para realizar una operación computacional simple.
El sistema además es discreto en el tiempo. El tiempo que lleva transferir un bit es una cantidad mínima de tiempo. La magnitud exacta viene dada por un teorema nombrado por dos pioneros en la física del procesamiento de información: Normam Margolus del MIT y Lev Levitin de la Universidad de Boston. Este teorema está asociado con el principio de incertidumbre de Heisenberg (que describe las compensaciones inherentes a la medición de dos cantidades físicas relacionadas, como la posición y el impulso o el tiempo y la energía), que establece que el tiempo t que tarda la broca depende de la energía. Cuanto más energía apliques, más corto será el tiempo. La expresión matemática es T≥h/4E, donde h es la constante de Planck (el principal parámetro de la teoría cuántica). Por ejemplo, un tipo de computadora cuántica experimental utiliza protones para almacenar bits de información y campos magnéticos para invertir el valor de cada bit. Estas operaciones ocurren en el tiempo mínimo permitido por el teorema de Margolus-Levitin.
A partir de este teorema se pueden derivar un gran número de conclusiones, que van desde los límites geométricos del espacio y el tiempo hasta la potencia de cálculo de todo el universo. Como adelanto, consideremos los límites de la potencia informática de la materia ordinaria; en este caso, un kilogramo de materia ocupa un volumen de un litro. Llamémoslo una "computadora portátil extrema".
La energía de su batería es la propia sustancia, que se convierte directamente en energía mediante la famosa fórmula de Einstein E=mc*2. Si toda esta energía se invierte en bits invertidos, la computadora puede realizar 10*51 operaciones por segundo a medida que la energía disminuye, sus operaciones se ralentizan gradualmente; La capacidad de almacenamiento de una computadora se puede calcular usando termodinámica: cuando un kilogramo de materia se convierte en energía en un litro de volumen, su temperatura es de mil millones de grados Kelvin. La entropía es proporcional a la energía dividida por la temperatura, correspondiente a 10*31 bits de información. La "computadora portátil extrema" almacena información en los movimientos microscópicos y las posiciones de las partículas elementales a medida que se mueven dentro de su volumen, por lo que se utiliza toda la información permitida por las leyes de la termodinámica. Computación Extrema
¿Qué hace una computadora? Se trata de una cuestión sorprendentemente compleja. No importa con qué precisión lo definas, no se trata sólo de lo que la gente suele llamar "computadoras", sino de cualquier objeto del mundo. Los objetos en la naturaleza pueden resolver amplios problemas lógicos y matemáticos, incluso aunque sus entradas y salidas no sean significativas para los humanos. Las computadoras naturales son inherentemente digitales: almacenan datos en estados cuánticos discretos, como los espines de partículas elementales. Su conjunto de instrucciones es física cuántica.
Cada vez que las partículas interactúan, provocan un cambio en la orientación de las demás. Este proceso se puede imaginar con la ayuda de lenguajes de programación como C o Java: las partículas son variables y sus interacciones son operaciones como la suma. Cada bit de información se puede invertir 10*20 veces por segundo, lo que equivale a una velocidad de reloj de 100GG Hz. De hecho, el sistema cambia demasiado rápido para ser controlado por un reloj central. El tiempo que lleva invertir un bit digital es aproximadamente igual al tiempo que lleva transmitir una señal de un dígito a un dígito adyacente. Por lo tanto, la computadora de mano ultraportátil es altamente paralela: no funciona como un solo procesador, sino como una enorme variedad de procesadores múltiples, cada procesador funciona casi de forma independiente y transmite los resultados de sus operaciones a otros procesadores en procesadores relativamente lentos. .
A modo de comparación, una computadora convencional invierte sus bits de información aproximadamente 10*9 veces por segundo, almacena aproximadamente 10*12 bits de información y contiene un solo procesador. Si se puede mantener la Ley de Moore, sus descendientes podrán comprar una computadora portátil extrema a mediados del siglo XXIII. Los ingenieros encontrarán formas de controlar con precisión las interacciones de las partículas en un plasma que es más caliente que el núcleo del Sol, y el control de las computadoras y la corrección de errores consumirán gran parte del ancho de banda de las comunicaciones. Es posible que los ingenieros también hayan resuelto algunos problemas de empaquetado de nodos.
En cierto sentido, si identificas a las personas adecuadas, puedes comprar dicho dispositivo. Un kilogramo de materia se convierte completamente en energía: esta es la definición práctica de una bomba de hidrógeno de 20 megatones. Un arma nuclear en explosión procesa enormes cantidades de información: su estructura inicial proporciona la entrada y su radiación la salida.
De la nanotecnología a la semitecnología*
Si cualquier trozo de materia puede considerarse como una computadora, entonces un agujero negro es exactamente una computadora comprimida al tamaño más pequeño. A medida que una computadora se encoge, la atracción mutua entre sus componentes aumenta hasta que finalmente se vuelve tan grande que nada puede escapar. El tamaño de un agujero negro (llamado radio de Schwarzschild) es proporcional a su masa.
Un agujero negro con una masa de un kilogramo tiene un radio de unos 10*-27 metros (el radio de un protón es de 10*-15 metros). La computadora comprimida no cambia su contenido de energía, por lo que puede realizar las mismas 10*51 operaciones por segundo que antes. Lo único que ha cambiado es su capacidad de almacenamiento. Cuando la gravedad es tan pequeña que puede ignorarse, la capacidad total de almacenamiento es proporcional al número de partículas y también al volumen. Cuando la gravedad domina, conecta las partículas entre sí, por lo que pueden almacenar menos información en general. La capacidad total de almacenamiento de un agujero negro es proporcional a su superficie. En la década de 1970, Hawking y Jacob Bekenstein, de la Universidad Hebrea de Israel, calcularon que un agujero negro con una masa de un kilogramo podría registrar alrededor de 10 x 16 bits de información, mucho menos que antes de la compresión.
Al almacenar menos información, un agujero negro es un procesador mucho más rápido. El tiempo que se tarda en transmitir un bit es de 10*-35 segundos, que es igual al tiempo que tarda la luz en viajar de un lado de la computadora al otro. Por lo tanto, en comparación con las computadoras de mano extremas y altamente paralelas, el agujero negro es una computadora en serie que se comporta como una sola unidad.
¿Cómo funcionará realmente una computadora con un agujero negro? La entrada no es un problema: simplemente codifique los datos en forma de materia o energía y suéltelos en el agujero negro. Al preparar adecuadamente los materiales que se arrojan a un agujero negro, un hacker podría programar el agujero negro para realizar los cálculos necesarios. Una vez que la materia entra en un agujero negro, desaparece para siempre: el llamado "horizonte de sucesos" marca la línea de la que nunca regresa. Las partículas que caen verticalmente interactúan entre sí, realizando operaciones en un tiempo finito antes de llegar al centro del agujero negro. Este centro es la singularidad gravitacional, donde las partículas dejan de existir. Lo que sucede exactamente cuando la materia se aprieta en una singularidad depende de los detalles de la gravedad cuántica, que aún no se conocen.
La salida de la computadora del agujero negro toma la forma de radiación de Hawking. Si un agujero negro con una masa de un kilogramo emite radiación de Hawking, para mantener la energía de la radiación, su masa decaerá rápidamente y desaparecerá por completo en 10*-21 segundos. La longitud de onda máxima de la radiación es igual al radio del agujero negro, que para un agujero negro con una masa de un kilogramo es igual a la longitud de onda de los rayos gamma extremadamente intensos. Los detectores de partículas pueden capturar y decodificar esta radiación para uso humano.
La investigación de Hawking sobre la radiación de los agujeros negros ha relacionado su nombre con esta radiación. Derribó la creencia popular de que nada puede escapar de un agujero negro. La tasa de radiación de un agujero negro es inversamente proporcional a su tamaño, por lo que los agujeros negros grandes, como los que se encuentran en los centros de las galaxias, pierden energía mucho más lentamente de lo que devoran materia. Sin embargo, en el futuro, los experimentadores pueden crear pequeños agujeros negros dentro de aceleradores de partículas que explotarán con una explosión de radiación.
Se puede pensar en un agujero negro no como un objeto fijo, sino como una colección efímera de materia que realiza operaciones al máximo ritmo posible.
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