今年六月，美国计算机科学家和物理学家爱德华·弗雷德金（Edward Fredkin）的去世基本上没有引起人们的注意，除了《纽约时报》迟来的讣告。然而，尽管弗雷德金从未像他的一些同时代人那样家喻户晓，但他对他所跨越的两个学科都产生了巨大的影响。

Could the Universe be a giant quantum computer? (nature.com)

许多人仍然对他的核心论点不屑一顾：物理定律，实际上是宇宙本身的定律，本质上是计算机算法的结果。但弗雷德金所倡导的“数字物理学”已经从苍白到几乎主流。“当时，人们认为计算科学可以教你任何关于物理学的知识，这被认为是一个完全疯狂的想法，”加拿大计算机科学家诺曼·马戈勒斯（Norman Margolus）说，他是弗雷德金的长期合作者，也是他唯一的物理学博士生。“世界从那时候开始发展，现在一切都非常受人尊敬。”

弗雷德金在大学一年级从帕萨迪纳的加州理工学院（Caltech）退学，于1953年加入美国空军，成为一名战斗机飞行员，并最终成为精英编队喷气式飞机飞行员的教官。空军让他学习计算机科学，并于1956年将他送到位于列克星敦的麻省理工学院（MIT）林肯实验室，研究使用计算机处理雷达信息以指导飞行员。1958年离开空军后，弗雷德金加入了位于马萨诸塞州剑桥的开创性计算公司Bolt Beranek & Newman，该公司现在是雷神公司的一部分，在那里，他编写了早期的汇编语言并参与了人工智能（AI）研究。在创立了自己的公司Information International，专门从事成像硬件和软件之后，他于1968年回到麻省理工学院担任正教授，尽管他甚至没有本科学位。

弗雷德金最终指导了MAC项目，这是一个研究机构，后来发展成为麻省理工学院的计算科学实验室。该职位只是广泛的投资组合之一。“他在现实世界中做了很多事情，”马戈勒斯说，他现在是麻省理工学院的独立研究员。其中包括经营他的公司，为一家海水淡化公司设计反渗透系统，以及管理位于马萨诸塞州波士顿的ABC分支机构新英格兰电视台。根据合同规定，弗雷德金每周只能进行一天的户外活动，有时几周都看不到，Margolus说。

弗雷德金的前瞻性思维

在 1960 年代后期，人工智能仍然是一个主要是理论概念，但弗雷德金很早就掌握了能够学习和自主决策的机器带来的政策挑战，包括国家安全。他倡导人工智能研究的国际合作，认识到就如何使用该技术的早期共识将防止出现问题。然而，召开该领域顶级思想家国际会议的尝试从未完全实现——这一失败至今仍引起共鸣。

1974年，弗雷德金离开麻省理工学院，在加州理工学院担任了一年的杰出学者，在那里他结识了物理学家理查德·费曼和斯蒂芬·霍金。然后，他接受了宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学的终身教职，后来又在波士顿大学担任第二职位。从那时起，他开始研究可逆计算。

爱德华·弗雷德金（Edward Fredkin）认为计算可以解释的任何现象。

当时，可逆计算被广泛认为是不可能的。传统的数字计算机由一系列逻辑门（AND、OR、XOR 等）组装而成，其中通常两个输入成为一个输出。输入信息被擦除，产生热量，并且该过程无法逆转。与Margolus和一位年轻的意大利电气工程师Tommaso Toffoli一起，Fredkin展示了某些具有三个输入和三个输出的门 - 后来被称为Fredkin和Toffoli门 - 可以安排成可以保留任何可能计算的所有中间步骤，允许该过程在完成时逆转。正如他们在1982年的一篇开创性论文中指出的那样，至少在理论上，用这些门建造的计算机可能不产生废热，因此不消耗能量。1.

这最初似乎只是一种好奇。弗雷德金认为，这个概念可能有助于开发更高效的计算机，减少浪费的热量，但是没有实用的方法可以完全使用经典计算机来实现这个想法。然而，在1981年，历史发生了新的转折，当时弗雷德金和托弗利在麻省理工学院组织了计算物理学研讨会。费曼是出席这次会议的杰出人物之一。在一篇现在著名的文章中，他建议，与其试图用传统的数字计算机模拟量子现象，一些表现出量子行为的物理系统可能是更好的工具。

人们普遍认为，这个演讲开创了量子计算机时代，量子计算机利用量子力学的全部力量来解决某些问题——比如费曼正在解决的量子模拟问题——比任何经典计算机都要快得多。四十年过去了，小型量子计算机现在正在开发中。使它们工作所需的电子设备、激光器和冷却系统消耗大量功率，但量子逻辑运算本身几乎是无损的。

数字物理学：宇宙就是一种计算机

可逆计算“确实是能够构思量子计算机的基本先决条件”，麻省理工学院的机械工程师Seth Lloyd说，他在1993年开发了被认为是量子计算机的第一个可实现的概念。2.劳埃德补充说，尽管IBM物理学家查尔斯·贝内特（Charles Bennett）也制作了可逆计算的模型，但弗雷德金（Fredkin）、托弗利（Toffoli）和马戈勒斯（Margolus）描述的零耗散版本最终成为构建量子计算的模型。

在他们1982年的论文中，Fredkin和Toffoli开始朝着一个相当不同的方向发展他们在可逆计算方面的工作。它从一个看似轻浮的类比开始：台球桌。他们展示了数学计算如何通过完全可逆的台球相互作用来表示，假设一张无摩擦的桌子和球在没有摩擦的情况下相互作用。

可逆概念的这种物理表现源于托弗利的想法，即计算概念可能是比传统上用于描述运动和变化的微分方程更好的封装物理学的方法。弗雷德金更进一步，得出结论，整个宇宙实际上可以被视为一种计算机。在他看来，这是一个“细胞自动机”：计算位或细胞的集合，可以根据周围细胞的状态确定的一组定义的规则来翻转状态。随着时间的推移，这些简单的规则可以产生宇宙的所有复杂性 - 甚至生命。

他不是第一个提出这样想法的人。德国土木工程师康拉德·楚泽（Konrad Zuse）在第二次世界大战前开发了最早的可编程计算机之一，他在1969年出版的《计算空间》（Computing Space）一书中提出，宇宙可以被视为经典的数字蜂窝自动机。弗雷德金和他的同事非常专注地发展了这个概念，花了数年时间寻找简单的计算规则如何产生与亚原子粒子和力相关的所有现象的例子。3.

不是每个人都印象深刻。Margolus回忆说，当时也在麻省理工学院任教的著名物理学家菲利普·莫里森（Philip Morrison）告诉弗雷德金的学生，弗雷德金是一名计算机科学家，所以他认为世界是一台大计算机，但如果他是一个奶酪商人，他会认为世界是一个大奶酪。当英国计算机科学家斯蒂芬·沃尔夫勒姆（Stephen Wolfram）在他2002年出版的《新科学》（A New Kind of Science）一书中提出类似的想法时，弗雷德金的反应是：“沃尔夫勒姆是第一个相信这些东西的重要人物。我一直很寂寞。

然而，事实上，沃尔夫勒姆并不是唯一一个探索这些想法的人。虽然弗雷德金本人最初使用“数字物理学”一词，后来使用“数字哲学”，但该主题的现代变体使用了“泛计算主义”和“数字主义”等术语。它们得到了包括荷兰物理学诺贝尔奖获得者杰拉德·特·胡夫特（Gerard 't Hooft）和美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）在内的研究人员的支持，他著名的“它来自比特”的说法是该假设的精辟表达。

进入量子领域

包括马戈勒斯在内的一些人继续发展该理论的经典版本。其他人则得出结论，经典的计算模型不能对我们观察到的宇宙的复杂性负责。根据劳埃德的说法，弗雷德金最初的数字宇宙理论“对经典数字宇宙能够理解量子力学现象有非常严重的障碍”。但是，将弗雷德金数字物理学的经典计算规则换成量子规则，很多这些问题都会消失。您可以捕获量子宇宙的内在特征，例如在空间中分离的两个量子态之间的纠缠，这是建立在经典思想基础上的理论无法做到的。

劳埃德在1990年代开始的一系列论文以及2006年的《宇宙编程》一书中都支持这一观点。它最终全面解释了量子计算规则如何解释已知的物理定律 - 基本粒子理论，粒子物理学的标准模型，甚至可能是基础物理学的圣杯：引力的量子理论。4.

这些建议与最近由英国牛津大学的瑞典哲学家尼克·博斯特罗姆（Nick Bostrom）等人提出的我们生活在计算机模拟中的想法截然不同。5.数字宇宙假设计算宇宙的基本初始条件和规则是自然产生的，就像传统物理学的粒子和力在大爆炸及其后果中自然产生一样，模拟假设假设宇宙都是由一些高度先进的智能外星程序员故意构建的，也许是某种宏伟的实验， 甚至在劳埃德看来，甚至是一种游戏——一种难以置信的努力。

数字宇宙的基本思想可能是可以测试的。为了使宇宙由微小普朗克尺度的数据比特系统产生 - 目前的物理学理论预计将在这个尺度上崩溃 - 空间和时间必须由离散的量子化实体组成。这种颗粒时空的影响可能表现为微小的差异，例如，不同频率的光在数十亿光年中传播需要多长时间。然而，真正确定这个想法可能需要一种量子引力理论，该理论在宏观尺度上建立爱因斯坦广义相对论的影响与微观尺度上的量子效应之间的关系。到目前为止，理论家们还没有做到这一点。在这里，数字宇宙可能只是帮助自己。劳埃德说，引力量子理论的青睐路线逐渐开始在本质上看起来更具计算性 - 例如't Hooft引入的全息原理，该原理认为我们的世界是低维现实的投影。“似乎希望这些量子数字宇宙的想法能够揭示其中一些谜团，”劳埃德说。

这只是一个非常规故事的最新转折。弗雷德金本人认为，他缺乏典型的物理学教育，部分原因是使他能够在这个问题上得出他独特的观点。劳埃德倾向于同意。“我想，如果他接受过更传统的教育，如果他能晋升并参加标准的物理课程等等，也许他会做不那么有趣的工作。