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读文小刚比特海的哲学思考 精选

已有 10530 次阅读 2018-8-14 01:00 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 文小刚, 比特海, 量子力学, 斯宾诺莎, 莱布尼茨

 


文小刚是我在科大学物理时的师兄,也是我在普林斯顿时不同系的师兄。当然他比我高好几级,所以我们并不认识。更何况,我在大学时就已经离开了近代物理,人生的道路上一直被什么信息科学啊,人工智能啊,经济学啊,金融工程啊,等等所吸引,“居无定所”。但是文师兄呢,就绝对定力十足,维基是这样介绍他的:


文小刚1977年考入中国科学技术大学物理系;1981年以全国第一名的成绩通过CUSPEA(中美联合培养物理类研究生计划)招生考试,之后到美国普林斯顿大学深造;1987年获得普林斯顿大学博士学位;1991年到美国麻省理工学院任教,先后担任助理教授、副教授、教授。2002年当选美国物理学会会士;2017年获得美国物理学会颁发的巴克利奖,同年入选“2017年度中国留学人员50人榜单”;2018年当选美国国家科学院院士。(最近刚刚获得国际物理中心颁发的狄拉克奖)。文小刚的主要研究方向为:凝聚态物理理论,从事量子霍尔液体、高温超导体、拓扑序/量子序及新的物质态,基本粒子的起源的方面的研究。


但“一朝入物理,一生物理人”,我一直对物理有着极大的兴趣,这主要是由于我对哲学非常感兴趣,而我认为,不懂物理,不懂科学,那根本无法学习哲学。有句话说,“人类一思考,上帝就发笑”,我觉得,主要是说那些不懂物理不懂科学的人。这也不是开玩笑,不懂相对论,不懂量子力学,根本不知道宇宙的运行规律,怎么可能有全面并且合适的哲学观点呢。


因此,我对文师兄的理论自然也是非常关注。当然我根本没有能读懂他理论的专业基础,但是从前的底子还是不错的,看个热闹还是可以的。


我要简单介绍一下师兄哪方面的内容呢,当然是“拓扑序/量子序及新的物质态,基本粒子的起源的方面的研究”,因为这部分对我来说才是最“激动人心”的部分嘛。为什么激动人心?因为是讨论“起源”嘛,粒子的起源,也是宇宙/世界的起源,也可以说是人类的起源,与“我是谁”,“我为什么存在”,“世界是什么?”“世界从哪里来,又到哪里去”这些人类终极问题都有关,所以激动人心。


但是呢,我也不想介绍太多,因为我读了他自己的一篇科普,觉得很通俗易懂,实在不需要我去再写了,感兴趣的请看《文小刚:物理学新的革命 http://chuansong.me/n/1098981》。


但是为了写写我读他的理论时所产生的哲学想法,还是要简单介绍一下。


首先,说明一下问题的背景:


上个世纪开始的爱因斯坦的(广义)相对论和量子力学是非常伟大非常有用非常让人震撼的理论。前者征服宏观,后者攻陷微观。但两者有矛盾,说明这两个理论要么都错,要么至少一个错。很可能都错。当然,这两个理论,像经典的牛顿力学一样,是很好的近似理论。很长一个时期里,一直到现在,理论物理的一个发展方向就是想找出这两个理论到底在什么地方错了,好得以进一步发展。


人们可能会问,为什么一定要找到它们错在哪,还要继续发展?广义相对论在大尺度上正确,量子力学在微尺度上正确,互不干涉不就好了?我想主要的原因是:


两个或其中一个这样伟大的理论如果有错,那说明人类还没有找到正确的理论。那就说明人类对自然的理解还不完善。这一方面是对人自尊心好奇心的打击,人类是不会善罢甘休的。另一方面,不理解自然就不会全面的利用自然啊。不了解原子物理怎么能造出原子弹?可能今天大家还在比谁造出的大炮火力大呢!不了解广义相对论或者量子力学都不会有今天的各种“技术用途”,包括现在每天说的芯片。很有可能,在我们没有认识到的这些理论“错误”的地方,蕴藏着大自然最美妙的秘密呢!


当然可能还有其它我不知道的原因。但这不是本文的重点。


由于这个问题,物理学家就研究出来所说的超弦理论(STRING),圈理论(LOOP)等等。我对圈理论没怎么了解,就不瞎说了。弦论当然更为有名,它认为物质是由分子组成。分子再到原子,到原子核,到基本粒子,到夸克,然后这些基本粒子又是由一种叫做弦的东西组成。弦坑定不是点了,可以想象成一个小琴弦。不同粒子产生于弦的各种震动方式。



但正如文师兄所说,弦论的基本看法,还是一种老看法,就是物质可以不断的分割,一直到弦。文师兄的理论不同,他并不是说粒子是由更小的弦所组成,而是某种基本单位组成的海洋的表象,更形象的说,是这个大海的“漩涡”。大概不同的粒子就是不同形式的“漩涡”吧。


这个大海的基本单位是什么呢?是比特,是量子比特,是纠缠的量子比特。比特是什么?是一个信息单位,我们的计算机,手机的存储,不是经常说是多少个兆特吗,其实就是010110 这样的信息单位。


关于空间来自纠缠的量子比特海(或量子信息海),按文师兄自己所说,目前还是个假设。用这个观念,目前还没有推出爱因斯坦的引力波方程。但是这个观念,推出了其它所有的波动方程,包括麦克斯韦方程和狄拉克方程。所以他说,所有的物质可以说是来源于量子信息(纠缠的量子比特海),但目前还无法说空间来源于纠缠的量子比特海。这话很拗口,我想是因为空间是广义相对论的最重要的概念,在那里人们要讲时空(SpaceTime),时空的弯曲成为引力啊等等。



量子比特海中的量子比特会有一种叫【长程量子纠缠】的现象,这量子比特海中的波可以是光波,量子比特海中的【涡旋】可以是电子。


细节我们就不说了,我想强调的是这里“信息”这个词汇出现了。这是非常重要的。信息是属于一种思想的概念,而能量啊,物质啊似乎都是一团东西,不一定有信息在里面。


但现代的物理学,就是要把信息也包括在其中了。也许这就是连接着两个理论的桥梁。是关键的关键。因为相对论里爱因斯坦给出的最著名的公式是E=mC^2。说的是能量与物质等价。但是在量子力学里,最著名的公式,就是能量等于频率乘以其他东西。而频率就是信息,所以,能量,物质,和信息等价。当然细节如何,还得看文师兄和其他物理学家的研究发展。


那么我要说的哲学想法是什么呢?


在我看来,我们讨论的近代物理的想法都与启蒙时代初期理性主义的思考有关系,即笛卡儿,斯宾诺莎和莱布尼茨的想法有关。笛卡尔认为,物质和精神是分离的,他的困难在于解释精神或者灵魂如何控制物质这件事上,这个事情他一直没有搞清楚。斯宾诺莎给出了一个正确的答案,那就是一元论,即物质和精神是一个事物的不同表征,也是多相性的最早体现。但是,斯宾诺莎并没有讨论事物的基本单位这个问题。


莱布尼茨则对这个问题给出了一个答案,虽然就我所知,他并没有正式的同意斯宾诺莎的一元论。莱布尼茨的基本单位是什么呢?他与古希腊的看法并不同。古希腊的想法是什么呢,就是我们熟知的物质不断地被分割下去,用今天的话说,就是分子分成原子,原子分成原子核和电子,原子核再分成其他基本粒子,等等。但是莱布尼茨的想法是,事物,包括人,虽然可以一直被分割下去,但最后的成分是一个很小的具有灵魂和物质的东西,他把这个基本单位叫做单子。在他早期的论证中,他说,直线虽然可以被无限分割下去,最后变成一个点,所以点是直线的必要成分,但是直线的最小单位并不是点,而是一个无限小的直线。我们暂且把这个说法当作一个能让我们理解单子的一个形象化的说法罢了,其实这个例子并不正确,因为无穷趋于零的东西,就是零,无穷趋于零的东西与零没有区别。我们好多人还没有分清这个,而莱布尼茨作为微积分的发现者,用这个例子我觉得不当。


那么,弦论说物质的最基本成分是弦而不是一个点,这个弦还可以震动,产生不同的基本粒子,这就跟古希腊那个想法有所不同。但是弦论呢,还是没有直接说出这个基本单位是像莱布尼茨所说的那样既有灵魂又有物质。但是实际上,我们说这个弦是一个物质,但同时它又在震动,那么在某种意义上来说,它就是既有灵魂又有物质了。这个灵魂到底是什么呢,在弦论那里还没有说清,但是在文小刚师兄这里,就比较清楚了。这个灵魂,就是信息,纠缠的量子比特。


当然,在比较早的时候,如惠勒,已经说过“信息即物质(It from Bit)”,但是是在文师兄和他这一代物理学家这里,我们才找到了莱布尼茨所说的“单子”。


而我,之前一直说量子斯宾诺莎,就是因为,斯宾诺莎和莱布尼茨的哲学,都有局限性,就是他们不知道量子,不知道包括多相叠加和量子纠缠这些机制。而加入量子的观念,斯宾诺莎和莱布尼茨的哲学才更加完善,这种哲学的飞跃,就如从牛顿力学到量子力学这样的飞跃。


为什么这个重要?我举一个例子。没有量子力学,一切都是确定性的,倍努力,帕斯卡,斯宾诺莎,爱因斯坦都因此认为世界都是事先决定好的,我们有选择的自由都是幻象。这就是量子力学对哲学和世界观的影响。但也直到最近,随着量子信息理论的发展,我们才能对这个世界,有了更深一层的思考。


我觉得,量子力学之前的随机数都是伪随机数,即使有什么混沌理论等,但那些理论给出的随机数,都是伪随机数,就是说,它们是幻象,看起来随机,实际上不随机。所以,在量子力学之前,这些大科学家大哲学家都认为上帝决定了一切,人没有自由选择的能力,一切选择都是幻象。但是有了量子力学,上帝给了人一个选择的自由,就是以观测者的身份决定,或者注意自己的行为,不要破坏量子态,让量子计算进行下去。


最后,我还有个想法啊,这个想法完全是AdHoc。就是宇宙大爆炸那一瞬间是能量迸发。然后宇宙有了结构,或者信息,或量子比特。从原来无信息(能量奇点,也许有信息,但我不能想象)到后来有信息,这个“rearrangement”一定需要能量,也就是说,后来的宇宙,“显示”出来的总能量,一定小于原来的能量,差异就是用来形成宇宙结构的能量。宇宙形成之后,这些能量在哪里待着呢?


显然,那些能量就变成了qubit. 就像动手做家具,木匠的能量就把木材变成有模有样的家具。一些热量散发了。然后这个家具里积攒的能量(如动能变成势能)开始慢慢deteriorate,这就是熵增加的原因,好像挺有逻辑性的哦。


制造这个油信息结构的宇宙消耗了大量能量。也已定有不少“散发的热量”。反正我觉得有些能量不应当存在于我们可以看到的宇宙中,否则就没有形成宇宙的能量了。也许那些能量就是黑洞。 我这个是瞎说。


对于文师兄的理论,我还不太明白为什么“涡旋”或者“波”会比较稳定的存在。水里的涡旋会一会有一会无。但电子一直在那里,多少个也是确定的,不是吗


按照这个理论,如何理解“电子云”,那个概率云呢?


我们只能知道电子在某位置的概率,这个概率是比特海的什么特性?


涡旋在某处出现的概率?为什么涡旋一直出现,而不消失?




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