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從精絕古城到終極奧秘的數學描述

(2017-01-25 07:36:29) 下一個
 
第一節 虛數空間
 
“鬼吹燈之精絕古城”正在熱播。鬼片不能當真,但有些編排甚是好玩,其中之一就是女王的眼睛:能把人看沒了--哈哈,隻因她在人群中看了你一眼。女王的眼神不會隨便拋灑,見女王要先過護衛,護衛是神殿裏的石柱雕刻,共5排,前4排大致是:平民,武士,將軍,半人半神的祭司。第5排空的,啥也沒有,但啥都懂的教授解釋了:這是虛數空間,女王眼睛瞄到的人就消失在這個空間裏。
 
虛數空間,一個很不常見的數學詞匯:虛數。用物理描述世界很正常,用數學就小眾了。20世紀初的量子物理爆炸式發展,輝煌過後是大蕭條,到現在徹底力竭,已經無法承擔解釋宇宙奧秘的重擔,下一節會講述物理的力不從心。
 
先說數學。古人曾經對數學有宗教般的崇拜,最出格的是畢達哥拉斯學派。他們認為數是萬物的本源,為每一個數字賦予特殊的含義。這種想象力過於豐富,情感過於泛濫,實在超出正常人的感知。
 
在一般人的學習過程中,自然數很好理解,數蘋果,12345。 分數也容易,數完蘋果要分蘋果。小數不算難,分好後要切蘋果。負數在我們幼小的心中有點繞,有人說掙錢是正數欠錢是負數,可欠錢也可以用(動詞+正數)的方式描述,憑什麽一定要引進負數?但很快,我們到了高年級,學到方程,解方程中體會到負數的妙用。
 
方程是一種初級抽象,在解方程的過程中,會有各種變換,如果試圖給每一步變換找一種用common sense能懂的語言描述,那會很難很費勁。數學的抽象從實際問題起步,但抽象是單行線,不能返回實相的世界中。好在抽象的最終結果是答案,答案看得懂。兩頭實在中間虛,全靠抽象來搭橋。從中體會到數學的妙處以及不可捉摸。
 
負數之後,又有無理數。無理數讓畢達哥拉斯夜不能寐,通過謀殺找心理平衡。無理數往深了想,確實很折磨人,無窮無盡,無規律,好消息是我們無需經常跟它打交道。
 
上述的這些數,我們使勁捶腦瓜,好歹能理解個大概,可虛數太顛覆了。十七世紀笛卡爾首先提出虛數:-1的平方根是虛數i。這話別人說肯定被當作神經病,笛卡爾說出來,沒人敢反駁。萊布尼茲矯情的讚美:“虛數是美妙而奇異的神靈隱蔽所,它幾乎是既存在又不存在的兩棲物。”這可以當文科生的詩歌看。
 
實際上,虛數在隨後的300年中毫無用處,除了工具性質的複平麵表示。20世紀初,時來運轉,虛數結合狹義相對論和量子力學都有了意義。數學裏“病毒”概念的潛伏期也忒長了,3個世紀啊!
 
我猜“鬼吹燈”的作者“天下霸唱”讀過萊布尼茲的“詩”,編出一個虛數空間。這空間是什麽,誰也說不清,不能說有,也不能說沒有,但至少比冰川火瓢蟲沙漠行軍蟻更靠譜。說不清就可以胡說,能寫出若幹本科幻小說神秘劇本愛情篇章。
 
怎麽從實數變虛數呢?一個輪回的劇本:一個人活著,是正實數,歲數大了,生命力枯竭,終有一日,歸零,死了。人死了後,並非萬事休,走過0那個點,人還在負數軸上繼續前行,但很快,被平方根分解,魂靈降維進入虛數空間……
 
從虛數變實數,可以寫成愛情劇本:兩個虛無的靈魂,i和i(都是自我的唯心派),一乘積(性融合?),就有了實際的存在,最初的存在是負數,那是等待投胎。找到一個待懷孕的女人,生命從0開始,隨後有了1,2,3.
 
這種對數學的實相解讀基本不靠譜。但正是因為不能解釋也無需解釋,純抽象的數學有了終極王者的風範,可能包含萬物奧秘。畢達哥拉斯也許是對的,隻不過說法要改一改:數學是萬物本源。是數學,不是數,不是數字,因為現代數學已經從集合起步,數不再是根基。
 
 
第二節 物理衰敗數學興起
 
在近代現代科學中,物理扮演關鍵角色,如果不是最重要的。相對論和量子力學帶來的不僅是物理革命,還有哲學理念的顛覆。
 
人都試圖對世界有一個終極的解釋。遠古靠神話,近古靠巫術,有文字後靠宗教。文藝複興後,人的自我意識覺醒,有人拋棄先驗的絕對“真理”,開始試圖從自身的思考中尋找答案,哲學誕生。但哲學終究是空對空,屬於不可驗證的假說類,不靠譜。近代對這個世界的認識大多數靠物理學來完成。
 
古典物理大致搞清楚了地球上物與物的關係,相對論放眼整個宇宙,量子力學深挖微觀粒子。看這個架構,物理是全尺度的,方方麵麵都覆蓋到了。愛因斯坦的光子說打開了量子物理的大門,可他老了後又對此學說大力反對,隻因這理論過於玄妙。
 
量子物理的一個莫名其妙的地方:觀測者的介入影響了觀測的結果,粒子也許是量子化存在,但人一開始觀察,量子態立即塌縮。科學家看到的是觀察者和對象的整合體,而對象自身的規律也許存在,但人看不到。
 
還有,就是實驗方法已經到了極限,粒子太小,看不到,實驗的方法是用另一個粒子去撞擊。粒子相撞,又落入“測不準”陷阱,速度準了定不好位置,位置精確估不定速度。現在的物理研究靠超級粒子對撞機,很費錢,能看到的東西隻是量的積累,不大會有質的飛躍。
 
實證的物理研究方法到頭了,再沒有提高的可能,那人對這個世界的認知是不是也到頭了?有些天才說:No,咱換個路子,物理不行了,上數學。
 
量子物理火爆時,數學隻是個輔助工具,從來不挑大梁。但偶爾,數學也高光一把。一個有名的例子是數學預測了正電子,後來實驗中觀測到。
 
另外,在描述微觀粒子運動時,薛定諤方程和海森堡的矩陣力學打架,兩個理論都能吻合實驗數據,但表述截然不同。在物理學家們爭吵時,一個既是物理大拿又是數學牛人的馮諾伊曼,證明兩者在數學上是等價的。
 
這開啟了一個思路:從實證出發有不同的表述形式,但最深層的動因是同一個數學內核。既然如此,數學內核才是最本質的,那些物理的表述反而是次生的。對這個世界的思考可以直接從數學入手。物理學為粒子的有限維度建立模型,數學家們直接思考任意維度的希爾伯特空間,立見高下。
 
在用數學思考時,不得不提一個人:圖靈。他不僅用數學看世界,還用數學看人看AI。
 
 
 
第三節 人和AI的數學等價
 
圖靈號稱計算機祖之父,但常被人質疑。因為,現在的計算機沒有圖靈照樣會出現,有他一個不多,沒他一個不少。
 
第一台電子計算機1946年在賓夕法尼亞大學問世。那是一些不太知名的工程師的傑作。造出來後,要向上級匯報,馮諾伊曼(就是證明薛定諤方程和海森堡矩陣數學等價的那位)是他們的上級。他的腦瓜特好使,隻聽了一番介紹,回去刷刷刷寫成一篇論文,總結了計算機5大部分的體係架構。因為這篇文章,馮成了計算機發明人。直到現在,所有的計算機都還是這個架構。看看,會做的不如會說的,說得足夠好就行。
 
那圖靈幹啥了呢?他隻做數學思考,純數學的符號邏輯,但又與實體世界有聯係,聯係的部分就是後來的計算機。他奠定了計算機理論的數學基礎。但圖靈不僅僅想到了計算機。他走得很遠,他在研究AI,用數學的方式。而現在AI炙手可熱,是不是如圖靈所預料的那樣,拭目以待。
 
在圖靈的世界裏,數學描述一切,人的思維由數學表示(沒有什麽神秘的靈性,都是數學符號的組合),AI的智能也是數學描述。既然都是數學,隻是形式不同,AI與人終究會等價,在數學本質上。
 
圖靈的AI不靠死算取勝,有自我意識和情感,甚至長跑後會累。這個觀點直到現在也難得到認可。
 
數學真有這麽神嗎?很多人體會不到,因為到不了那個層次。人類似乎到了一個十字路口:真正能用數學思考的人都是極具抽象能力的超級大腦,平權在這裏不適用,民主的文明理念要改寫。世界就是被這些超人設計的。圖靈本人很不合群,按理說他跟馮諾伊曼能夠溝通,但他也沒接馮的offer。一輩子孤單,交往多的隻有一兩個聰明的同性戀好友。對他來說,與別人溝通,是水往低處流,降低了他的層次。
 
既然說世界的奧秘都在數學裏,而數學又那麽抽象,那個體生命的體驗是不是就毫無意義呢?當然不是,豐富的生命體驗會活躍大腦思考,更寬泛更接地氣的實相生活能夠反推抽象的高度。
 
所以,好好生活,偶爾犯軸,用抽象的大腦數學一把這個世界。
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評論
閻立華 回複 悄悄話 回複 '疏影笑寒' 的評論 : 疏影妹妹春節快樂!
閻立華 回複 悄悄話 回複 '邊走邊看66' 的評論 : 祝邊姐新年逍遙遊天下,遊記等身。也可以繼續寫暗戀的,我們都愛讀。
閻立華 回複 悄悄話 回複 '山韭菜' 的評論 : 祝韭菜同學新年笑口常開,幽默365天!鬼吹燈男主顏值不錯,可看!
閻立華 回複 悄悄話 回複 '圓貓小盜' 的評論 : 不給自己找麻煩,真懂量子力學的人很少,我也不敢說懂。這套理論的老大玻爾說過,看懂量子力學的人不是震撼,而是害怕。在那裏,上帝是魔術師,讓魔幻比真實更真實。薛定諤的那隻貓是死的又是活的,在兩個平行宇宙裏,暈!
疏影笑寒 回複 悄悄話 春節快樂!
恭賀新禧!
邊走邊看66 回複 悄悄話 這麽多人隻有一個人看懂了閻老師的文章,其它的拚的都是人氣啊!祝閻老師一家春節快樂!
山韭菜 回複 悄悄話 到嚴老師這裏來補補課。鬼吹燈,我是當熱鬧看的。喜歡題圖照片。祝新春愉快,萬事如意!
圓貓小盜 回複 悄悄話 好高深噢。偶對量子力學很好奇,還有薛定鄂的貓。。啥時科普一下?
春節快樂!
閻立華 回複 悄悄話 回複 'rosebush' 的評論 : 那我也不謙虛了,中學時代我的數學物理都非常非常好,甚至想搞一輩子數學研究。後來禁不住新東西的誘惑,選了計算機專業,徹底葬送年少時的夢想。
AI在上世紀80年代末90年代初風光過幾年,那時日本人說要搞第5待人工智能,還出現了一個神經元網絡熱潮,但都沒有成氣候。
現在這波AI風越刮越猛,是因為各種技術到位,很有可能到了一個臨界爆發點,以後人類的生活方式也許徹底改變。(我們大多數人不需要工作了,都給AI幹)。
AI勝任體育新聞的編寫,人寫的稿子也就是幾個詞換來換去,很程式化。金融新聞同樣是套路。
閻立華 回複 悄悄話 回複 '蓮盆籽' 的評論 : 中學那點物理用不到微積分。
高中就學微積分的孩子數學肯定很好,而數學和物理的思維方式近似,自然物理就好了。不是學了微積分的緣故。
rosebush 回複 悄悄話 讚閻兄好文!能寫出這篇文的,物理,數學 都會很優秀:)

說到AI, 倒是讓我想到80年代在中國就有朋友致力於這個領域,不過幾年過後,跟國外情況差不同,沒什麽進展,最後隻好改為做計算機生意了:)

90年代,發現做為AI基礎的Data Mining 在美國金融的信用卡行業做的不錯,後來各大商家也跟上了。

AI這塊畢竟需要很大的投資,美國這邊IBM, Google, Apple , Uber這幾年在這方麵投入蠻大,也有了些的進展, 前景可觀。

生活中,認識一位在我眼裏是科技天才的人,正如你所說的在其領域裏:用數學去思考。

聽說現在一些媒體網絡有應用AI 來寫日常的金融,體育新聞,這種不睡覺的“Robot writer” 也是蠻有意思的。





蓮盆籽 回複 悄悄話 在中國學物理,是從扛扡原理這些實際的東西學起。
沒在美國學過,但看孩子們高中上課,學過微極分的覺得容易,沒學過的難。
可能是美國高中物理偏重基礎理論?
閻立華 回複 悄悄話 回複 'Luumia' 的評論 : 我主要是想說AI的東東。這幾句話很喜歡,
人類通過人工智能,可以把時間用在更具創造力和有意義的事情上。
人類和AI的能力結合起來,可以成就偉大的事物。
閻立華 回複 悄悄話 回複 '偷來的菜譜' 的評論 : 這麽說吧,數學分兩種,一種看得懂的,一種看不懂的。牛頓三定律用的數學看得懂的,所以是物理。量子物理之後的公式基本看不懂,所以要劃到數學的名下。
閻立華 回複 悄悄話 回複 '為寫而寫' 的評論 : 圖靈的故事拍不成一個電影,這種人最輝煌的東西都在大腦裏,其日常生活淡而無味。
那個電影竟然為圖靈找了一個女朋友,編劇也難啊。
閻立華 回複 悄悄話 回複 'luck86' 的評論 : 偶爾放飛,也叫脫軌,哈哈。
Luumia 回複 悄悄話 原來閻老師這是在打擂台啊。估計城裏能打的都在為“數學年譜”貢獻論文呢:-)。
上次老師感歎“文學城真的沒有文學”,這一次會不會覺得“文學城也真的沒有數理”了?當然,老師自己除外:-)
偷來的菜譜 回複 悄悄話 沒有數學,物理就不是物理了,或者說就沒有物理了
為寫而寫 回複 悄悄話 The Immitation Game 是非常好的一部影片,讓我了解了一些圖靈的大腦和生活。但是不了解他對AI的見解。這個世界真該感謝這樣的人的存在,但他們卻恰恰常常被傷害。
luck86 回複 悄悄話 有意思,偶爾犯犯軸,放飛一下思維,挺好。
閻立華 回複 悄悄話 回複 'ziqiao123' 的評論 : 這篇寫給高IQ的理科生看的!
沒忽悠,有胡說。看出哪裏胡說的,就能beat我。
ziqiao123 回複 悄悄話 這篇文章的技術含量很高嘛,還是被你忽悠啦?;)
閻立華 回複 悄悄話 回複 '藍天白雲915LQB' 的評論 : 平時都在地上走,偶爾爬山透透氣!
藍天白雲915LQB 回複 悄悄話 有文化就是好,從地上開始,一層層建落腳地,一步一步往上登,高屋建瓴,在另一抽象世界思考,生活,俯瞰芸芸眾生,,那感覺也不是吾等層次所能想象,想必是另一美妙?抑或是高處不勝寒?
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