宇宙,或许就是一台庞大的计算机。

简介

解码宇宙:宇宙,或许就是一台庞大的计算机。这是查尔斯·塞费在《解码宇宙:新信息科学看天地万物》中对宇宙做出的结论。作者是耶鲁大学数学硕士,同时又是纽约大学新闻系教授,他从信息的特点角度出发,解读宇宙万物,详细论述了信息论和量子计算,向我们展示了一种不可思议的拜占庭式宇宙的情景,涉及生命的本质、热力学、相对论、量子力学、黑洞、多重宇宙,直至宇宙的命运。《解码宇宙:新信息科学看天地万物》资料翔实,内容丰富多彩,思路清晰,观点明确,读后使人对宇宙肃然起敬。对物理学感兴趣的读者,不妨展卷一读。

                                                                                                      ——豆瓣上对《解码宇宙》的介绍。

以下是读书笔记。

第一,什么是信息?

       1948年,信息论的创始人香农发现了信息有一个重要的特征:信息可以被测量为定量。这是一个划时代的认知,也是信息论的基础。香农把“比特”作为信息度量的基本单位。在他看来,信息的本质就是“问与答”。


克劳德·艾尔伍德·香农-信息论创始人

在生活中,我们会遇到许多二选一的问题。回答这类问题,可以用两个符号来表示,比如0和1,用这两个数字代表是或否。0和1组成的这套答案,就是二进制数字,一个数字代表了一个比特。回答一个二选一的问题,需要1个比特的信息。

如果问题复杂一些,比如说回答一个四选一的问题,是不是就需要四个比特呢?举个例子,假如你是一名特工,去刺探敌人情报,得知敌人会在汽车、火车、轮船、飞机四种交通工具中选择一种方式出行,现在,你要用信号灯来传递情报,你会怎样表示这四种信息呢?第一种方法,准备四盏灯:汽车挂一盏,火车挂两盏,轮船挂三盏,飞机挂四盏。 

第二种方法,只准备两盏灯,每盏灯上加一个滤色镜,使它可以发出红光或者绿光,可以这样表示:红红代表汽车,红绿代表火车,绿红代表轮船,绿绿代表飞机,两盏灯就回答了这个问题。这就相当于有两个二选一的问题,只需要两个比特。同样,如果一个问题有八种答案,那么三个比特就能区分八种可能。

以此类推,不管一个选择题有多么复杂,不管它的答案有多少种可能性,只要答案是有限的,就都能用一个比特串来回答。  

香农发现,一个有N种可能性结果的问题,需要的比特数等于以2为底N的对数。宇宙中原子的数量是有限的,只有10的80次幂这么多,筛选整个宇宙的原子只需要266个比特!

开放式的问题也能用比特来回答吗?比如,法国的首都是哪里?法国的首都是巴黎,英文是Paris。这个单词可以看作为一串是或否的问题答案。英文字母有26个,我们要找到任意一个字母,就相当于在1到26的范围内,用是或否的问题来筛选排查,拼出这个单词需要25个比特的字符串。一切信息,一切答案有限的问题,都能用0和1组成的比特字符串来表达。

信息从一个抽象概念,变成了一个物理实体。在电脑中,正是这些简单到只有0和1的字符串,构成了今天高度复杂的信息化社会。


第二,信息论对物理学领域有什么影响。

第一个领域,经典物理学。

热力学第二大定律说,在一个封闭的系统中,如果没有外来能量施加作用,混乱和无序度只增不减,这一定律也叫做熵增定律。

麦克斯韦提出一个思想实验。有一个充满气体的盒子,里面装着一个无摩擦的光滑阀门,关上阀门可以把容器一分为二。盒子里有一个妖魔,它可以操纵这个阀门,让冷热原子分开。这样,盒子会保持一边冷一边热,盒子中的熵逆向运转,而且由于阀门光滑无摩擦,也不耗费任何能量。这个悖论叫做“麦克斯韦妖”,这个问题困扰了科学家很多年,直到信息论亮出了降妖的宝剑。

既然盒子里的妖魔用阀门将冷热原子隔开,那么它就必须首先判断这个原子是冷是热,也就是说,它需要对原子进行测量,提取信息,代价就是要消耗能量。把这个妖魔看成是一台电脑,给它编入一个程序,命令它开关阀门。这台电脑先测量原子是冷是热,在磁盘上写下一个比特的测量记录,然后根据这个记录来执行程序,决定阀门是开是关。信息是一种物理实体,电脑的存储量是有限的,如果存满了,就得删除一些文件,腾出新的空间。删除记录的过程中,它就会向外界释放能量,从而产生更多的熵。所以,妖魔不可能不付出代价就让熵减少。.


第二个领域,相对论。

爱因斯坦的狭义相对论是现代物理理论的基础之一。它告诉我们,用不同的观察视角来看同一个物体,得到的答案往往不同。比如,对于一个高速运动的物体来说,它的时间变慢,长度变短,质量变重。狭义相对论遇到了“谷仓内的标枪”悖论。

想象一下,有一名运动员手持一根15米长的标枪,向一座15米长的谷仓跑去。这座谷仓有一个前门,一个后门,门上安装了感应器。当标枪完全进入前门时,前门就会自动关上,同时后门自动打开。现在,运动员以光速80%的速度向谷仓跑去。按照狭义相对论,高速运动的物体长度会缩短,运动员本人和一位原地不动的旁观者会经历完全不同的景象。在运动员眼里,高速运动的谷仓长度会缩短,标枪还没穿过前门,枪头就会“砰”的一声撞到后门。在旁观者眼里,标枪缩短,运动员毫无阻碍地就跑出去了。矛盾就来了。  

这个悖论忽略了狭义相对论的一个重要前提,那就是“信息传播”不能超越光速。谷仓前门的感应器必须给后门发送信息,才能让后门开启。信息是一种物理实在,传送信息需要时间。在原地不动的旁观者眼里,前门关闭,同时向后门送出一条信息。然而,枪头和信息在赛跑,并且领先,枪头会在信息到达后门之前,就撞到门上了。这样,运动员和旁观者也就意见一致了。



第三个领域,量子力学。

量子力学与相对论,并称为现代物理的两大支柱。量子是物质的最基本构成单元,量子世界有一个诡异的特征,叫做状态叠加。  

尽管这种叠加效应让人难以理解,但它已经被多次观测到了。在微小的量子世界,这的确是一个不容置疑的现象。可是,为什么宏观世界就不能有这种叠加状态呢?毕竟宏观世界就是由无数微观的量子构成的呀。对于这个问题,薛定谔设计了一个著名的思想实验“薛定谔的猫”。


在一个盒子里有一只猫,还有一瓶毒药,毒药上有一个信息接收装置。这时,向这个盒子里发射一个电子,这个电子有两条路径可以走,一条路是死胡同,从这个路径通过什么事情都不会发生,用0表示;另一条路通向毒药的信息接收装置,当装置探测到电子时,就会自动释放出毒药,盒子里的小猫立刻死去,用1表示。那么,盒子里会发生什么事呢?根据状态叠加效应,电子将同时通过两条路径,0和1将会同时出现,因此,毒药既释放又没释放,小猫既是活的又是死的。一个宏观生物怎么会同时又死又活呢?只要没有人打开盒子,这种叠加状态就一直存在。一旦有人打开盒子观察,这只猫就会立刻选择其中的一种状态。好像杀死猫的就是信息的提取行为,致命的关键不是毒药,而成了信息。

当一个原子被人观测时,就一定会有光子或其他粒子与这个原子发生碰撞,这就干扰了原子的叠加状态。同时,那个碰撞它的粒子,则获得了关于这个原子的信息,信息从原子身上流到了周围的环境,这种信息的流动就是叠加状态坍塌的原因。

打开盒子之前,猫的死活早已被决定。即使人类不去观测,也有其他的观测者,这个观测者就是自然界。自然界本身就在不断地进行测量,这也是解决薛定谔的猫这一悖论的关键。我们的地球受到来自太阳光子的照射,当太阳光子撞击到一片树叶后反射进入我们的眼帘,我们就会看到树叶。但是,不管我们的视网膜是否接收到这个信息,树叶的信息就存在于那里。太阳光照射着树叶,其实就是一种自然测量。 

光粒子和空气粒子就是自然界的探测器,我们只不过是在接收已经储存在这些粒子中的信息而已。如果让太阳和所有的恒星熄灭,宇宙中没有光子,那依然不会阻挡自然界的测量,太空还饱含宇宙线和中微子,它们一样会穿过那片树叶并反射回来。信息仍然在向环境流动。

一个物体越大、越松散、越热,它的信息向环境泄露得就越快。对于一个小小的原子来说,获得它的信息难度较大些,它的叠加状态持续的时间也就较长些。只要它保持不受其他粒子干扰,就会快活地处在叠加状态。但是一只猫就不同了,它包含着亿万个原子,既庞大又温暖,不知要与环境发生多少次粒子碰撞。早在人们打开盒子之前,自然界就已经对猫进行了测量,猫的信息早已散播到环境当中,它早就选择了生死。

信息论告诉我们,宏观世界和微观世界之间没有根本的差别,它们之所以表现得如此不同,是自然界获取和传播信息的不同。宇宙呈现出的千姿百态,正是自然界中的信息在各处流动的结果。


解读 | 韩春苗,中央广播电视总台编辑,国际新闻学硕士,全国广播影视“十佳百优”理论人才。

播音 | 张煜

策划编辑 | 陈艳

音频编辑 | 陈子夫
                                                    ——文字出之于喜马拉雅听天天听好书《解码宇宙》

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