讀文小剛比特海的哲學思考

來源: 2019-07-10 12:50:15 [] [博客] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀: 次 (54019 bytes)

 

文小剛是我在科大學物理時的師兄,也是我在普林斯頓時不同係的師兄。當然他比我高好幾級,所以我們並不認識。更何況,我在大學時就已經離開了近代物理,人生的道路上一直被什麽信息科學啊,人工智能啊,經濟學啊,金融工程啊,等等所吸引,“居無定所”。但是文師兄呢,就絕對定力十足,維基是這樣介紹他的:

 

文小剛1977年考入中國科學技術大學物理係;1981年以全國第一名的成績通過CUSPEA(中美聯合培養物理類研究生計劃)招生考試,之後到美國普林斯頓大學深造;1987年獲得普林斯頓大學博士學位;1991年到美國麻省理工學院任教,先後擔任助理教授、副教授、教授。2002年當選美國物理學會會士;2017年獲得美國物理學會頒發的巴克利獎,同年入選“2017年度中國留學人員50人榜單”;2018年當選美國國家科學院院士。(最近剛剛獲得國際物理中心頒發的狄拉克獎)。文小剛的主要研究方向為:凝聚態物理理論,從事量子霍爾液體、高溫超導體、拓撲序/量子序及新的物質態,基本粒子的起源的方麵的研究。

 

但“一朝入物理,一生物理人”,我一直對物理有著極大的興趣,這主要是由於我對哲學非常感興趣,而我認為,不懂物理,不懂科學,那根本無法學習哲學。有句話說,“人類一思考,上帝就發笑”,我覺得,主要是說那些不懂物理不懂科學的人。這也不是開玩笑,不懂相對論,不懂量子力學,根本不知道宇宙的運行規律,怎麽可能有全麵並且合適的哲學觀點呢。

 

因此,我對文師兄的理論自然也是非常關注。當然我根本沒有能讀懂他理論的專業基礎,但是從前的底子還是不錯的,看個熱鬧還是可以的。

 

我要簡單介紹一下師兄哪方麵的內容呢,當然是“拓撲序/量子序及新的物質態,基本粒子的起源的方麵的研究”,因為這部分對我來說才是最“激動人心”的部分嘛。為什麽激動人心?因為是討論“起源”嘛,粒子的起源,也是宇宙/世界的起源,也可以說是人類的起源,與“我是誰”,“我為什麽存在”,“世界是什麽?”“世界從哪裏來,又到哪裏去”這些人類終極問題都有關,所以激動人心。

 

但是呢,我也不想介紹太多,因為我讀了他自己的一篇科普,覺得很通俗易懂,實在不需要我去再寫了,感興趣的請看《文小剛:物理學新的革命 http://chuansong.me/n/1098981》。

 

但是為了寫寫我讀他的理論時所產生的哲學想法,還是要簡單介紹一下。

 

首先,說明一下問題的背景:

 

上個世紀開始的愛因斯坦的(廣義)相對論和量子力學是非常偉大非常有用非常讓人震撼的理論。前者征服宏觀,後者攻陷微觀。但兩者有矛盾,說明這兩個理論要麽都錯,要麽至少一個錯。很可能都錯。當然,這兩個理論,像經典的牛頓力學一樣,是很好的近似理論。很長一個時期裏,一直到現在,理論物理的一個發展方向就是想找出這兩個理論到底在什麽地方錯了,好得以進一步發展。

 

人們可能會問,為什麽一定要找到它們錯在哪,還要繼續發展?廣義相對論在大尺度上正確,量子力學在微尺度上正確,互不幹涉不就好了?我想主要的原因是:

 

兩個或其中一個這樣偉大的理論如果有錯,那說明人類還沒有找到正確的理論。那就說明人類對自然的理解還不完善。這一方麵是對人自尊心好奇心的打擊,人類是不會善罷甘休的。另一方麵,不理解自然就不會全麵的利用自然啊。不了解原子物理怎麽能造出原子彈?可能今天大家還在比誰造出的大炮火力大呢!不了解廣義相對論或者量子力學都不會有今天的各種“技術用途”,包括現在每天說的芯片。很有可能,在我們沒有認識到的這些理論“錯誤”的地方,蘊藏著大自然最美妙的秘密呢!

 

當然可能還有其它我不知道的原因。但這不是本文的重點。

 

由於這個問題,物理學家就研究出來所說的超弦理論(STRING),圈理論(LOOP)等等。我對圈理論沒怎麽了解,就不瞎說了。弦論當然更為有名,它認為物質是由分子組成。分子再到原子,到原子核,到基本粒子,到誇克,然後這些基本粒子又是由一種叫做弦的東西組成。弦當然不是點了,可以想象成一個小琴弦。不同粒子產生於弦的各種震動方式。

 

 

但正如文師兄所說,弦論的基本看法,還是一種老看法,就是物質可以不斷的分割,一直到弦。文師兄的理論不同,他並不是說粒子是由更小的弦所組成,而是某種基本單位組成的海洋的表象,更形象的說,是這個大海的“漩渦”。大概不同的粒子就是不同形式的“漩渦”吧。

 

這個大海的基本單位是什麽呢?是比特,是量子比特,是糾纏的量子比特。比特是什麽?是一個信息單位,我們的計算機,手機的存儲,不是經常說是多少個兆特嗎,其實就是010110 這樣的信息單位。

 

關於空間來自糾纏的量子比特海(或量子信息海),按文師兄自己所說,目前還是個假設。用這個觀念,目前還沒有推出愛因斯坦的引力波方程。但是這個觀念,推出了其它所有的波動方程,包括麥克斯韋方程和狄拉克方程。所以他說,所有的物質可以說是來源於量子信息(糾纏的量子比特海),但目前還無法說空間來源於糾纏的量子比特海。這話很拗口,我想是因為空間是廣義相對論的最重要的概念,在那裏人們要講時空(SpaceTime),時空的彎曲成為引力啊等等。

 

 

量子比特海中的量子比特會有一種叫【長程量子糾纏】的現象,這量子比特海中的波可以是光波,量子比特海中的【渦旋】可以是電子。

 

細節我們就不說了,我想強調的是這裏“信息”這個詞匯出現了。這是非常重要的。信息是屬於一種思想的概念,而能量啊,物質啊似乎都是一團東西,不一定有信息在裏麵。

 

但現代的物理學,就是要把信息也包括在其中了。也許這就是連接著兩個理論的橋梁。是關鍵的關鍵。因為相對論裏愛因斯坦給出的最著名的公式是E=mC^2。說的是能量與物質等價。但是在量子力學裏,最著名的公式,就是能量等於頻率乘以其他東西。而頻率就是信息,所以,能量,物質,和信息等價。當然細節如何,還得看文師兄和其他物理學家的研究發展。

 

那麽我要說的哲學想法是什麽呢?

 

在我看來,我們討論的近代物理的想法都與啟蒙時代初期理性主義的思考有關係,即笛卡兒,斯賓諾莎和萊布尼茨的想法有關。笛卡爾認為,物質和精神是分離的,他的困難在於解釋精神或者靈魂如何控製物質這件事上,這個事情他一直沒有搞清楚。斯賓諾莎給出了一個正確的答案,那就是一元論,即物質和精神是一個事物的不同表征,也是多相性的最早體現。但是,斯賓諾莎並沒有討論事物的基本單位這個問題。

 

萊布尼茨則對這個問題給出了一個答案,雖然就我所知,他並沒有正式的同意斯賓諾莎的一元論。萊布尼茨的基本單位是什麽呢?他與古希臘的看法並不同。古希臘的想法是什麽呢,就是我們熟知的物質不斷地被分割下去,用今天的話說,就是分子分成原子,原子分成原子核和電子,原子核再分成其他基本粒子,等等。但是萊布尼茨的想法是,事物,包括人,雖然可以一直被分割下去,但最後的成分是一個很小的具有靈魂和物質的東西,他把這個基本單位叫做單子。在他早期的論證中,他說,直線雖然可以被無限分割下去,最後變成一個點,所以點是直線的必要成分,但是直線的最小單位並不是點,而是一個無限小的直線。我們暫且把這個說法當作一個能讓我們理解單子的一個形象化的說法罷了,其實這個例子並不正確,因為無窮趨於零的東西,就是零,無窮趨於零的東西與零沒有區別。我們好多人還沒有分清這個,而萊布尼茨作為微積分的發現者,用這個例子我覺得不當。

 

那麽,弦論說物質的最基本成分是弦而不是一個點,這個弦還可以震動,產生不同的基本粒子,這就跟古希臘那個想法有所不同。但是弦論呢,還是沒有直接說出這個基本單位是像萊布尼茨所說的那樣既有靈魂又有物質。但是實際上,我們說這個弦是一個物質,但同時它又在震動,那麽在某種意義上來說,它就是既有靈魂又有物質了。這個靈魂到底是什麽呢,在弦論那裏還沒有說清,但是在文小剛師兄這裏,就比較清楚了。這個靈魂,就是信息,糾纏的量子比特。

 

當然,在比較早的時候,如惠勒,已經說過“信息即物質(It from Bit)”,但是是在文師兄和他這一代物理學家這裏,我們才找到了萊布尼茨所說的“單子”。

 

而我,之前一直說量子斯賓諾莎,就是因為,斯賓諾莎和萊布尼茨的哲學,都有局限性,就是他們不知道量子,不知道包括多相疊加和量子糾纏這些機製。而加入量子的觀念,斯賓諾莎和萊布尼茨的哲學才更加完善,這種哲學的飛躍,就如從牛頓力學到量子力學這樣的飛躍。

 

為什麽這個重要?我舉一個例子。沒有量子力學,一切都是確定性的,倍努力,帕斯卡,斯賓諾莎,愛因斯坦都因此認為世界都是事先決定好的,我們有選擇的自由都是幻象。這就是量子力學對哲學和世界觀的影響。但也直到最近,隨著量子信息理論的發展,我們才能對這個世界,有了更深一層的思考。

 

我覺得,量子力學之前的隨機數都是偽隨機數,即使有什麽混沌理論等,但那些理論給出的隨機數,都是偽隨機數,就是說,它們是幻象,看起來隨機,實際上不隨機。所以,在量子力學之前,這些大科學家大哲學家都認為上帝決定了一切,人沒有自由選擇的能力,一切選擇都是幻象。但是有了量子力學,上帝給了人一個選擇的自由,就是以觀測者的身份決定,或者注意自己的行為,不要破壞量子態,讓量子計算進行下去。

 

最後,我還有個想法啊,這個想法完全是AdHoc。就是宇宙大爆炸那一瞬間是能量迸發。然後宇宙有了結構,或者信息,或量子比特。從原來無信息(能量奇點,也許有信息,但我不能想象)到後來有信息,這個“rearrangement”一定需要能量,也就是說,後來的宇宙,“顯示”出來的總能量,一定小於原來的能量,差異就是用來形成宇宙結構的能量。宇宙形成之後,這些能量在哪裏待著呢?

 

顯然,那些能量就變成了qubit. 就像動手做家具,木匠的能量就把木材變成有模有樣的家具。一些熱量散發了。然後這個家具裏積攢的能量(如動能變成勢能)開始慢慢deteriorate,這就是熵增加的原因?,好像挺有邏輯性的哦。

 

製造這個油信息結構的宇宙消耗了大量能量。也已定有不少“散發的熱量”。反正我覺得有些能量不應當存在於我們可以看到的宇宙中,否則就沒有形成宇宙的能量了。也許那些能量就是黑洞。 我這個是瞎說。

 

對於文師兄的理論,我還不太明白為什麽“渦旋”或者“波”會比較穩定的存在。水裏的渦旋會一會有一會無。但電子一直在那裏,多少個也是確定的,不是嗎

 

按照這個理論,如何理解“電子雲”,那個概率雲呢?

 

我們隻能知道電子在某位置的概率,這個概率是比特海的什麽特性?

 

渦旋在某處出現的概率?為什麽渦旋一直出現,而不消失?

 

物理學家們討論統一量子力學和廣義相對論,數學家們討論統一代數和幾何?。

 

文師兄說,這兩個討論是有深刻聯係的。所謂的量子比特海就是代數。所謂的波動方程,引力波光波等等代表了幾何。說物質空間起源於量子信息,相當於在數學上說,幾何起源於代數。

 

關於零和一的理論就是代數。關於波和流形的理論,就是幾何。波就是物質,流形就是空間。物質和空間起源於零和一組成的量子比特海,相當於幾何起源於代數

 

我倒是覺得也許不是幾何起源於代數,而是兩者孿生

 

有代數沒幾何不可能,反之亦然

 

就是一個東西的不同表現

 

有三角幾何就有三角代數

 

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