• 2006-06-20

    [星丛]胡思科学 - [星丛]

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        这是写在深夜一点的文章,现在看回来颇有惨不忍睹的感觉,因为越写到后面表达越混乱,必须承认很多东西忘了说了且表达有误。不过那时候实在时间仓促,而现在也腾不出时间来修改,所以想想算了,反正就是胡思乱想,自己心中有底即可,写出它们更多是为了整理自己的思绪。
        所以以下是一篇表达失败的文章,希望大家容忍我的轻率。
        (因为某些原因,我已抽出时间对这篇文章进行了修改,尽管仍然不完善)



                                                 胡思科学(修改版)
        
        我以为高中自己最大的损失,在于我再难有机会像初中那样对我们这个世界的原理进行持续性的思考了。初中之难得的体验,在于每天有将近一小时的时间是我一个人走在回家的路上。那个时候我完全地属于自己,而那个时候牵引我心魂的都是这个世界的本质问题。
        于是我在初三时写出一篇《杂思科学》,第一次通过文字来表达当时我对这个世界维度、光、空间基本结构以及人工智能的研究思路和看法。现在我翻回这篇发霉的文章,可以简单地把我当时的观点概括如下:
        1.在我们的世界里,应该从一维到二维、二维到三维的空间演变来推测更高维度的空间形态。二维空间中可以出现三维空间的表象(就是在纸上画出的“立体”图形),而我们这个世界本质是三维,但是具备四维空间的表象。
        2.光是二维信息的载体。由于我们靠接受光来认识形象的世界,因此我们的空间思维受到了光严重的束缚。我们只有依靠进行三维运动来达到对三维的认知,由于我们无法进行更高维度的运动因此无法凭借形象思维想象更高维度的世界形态。
        3.空间单元化。我否定空间连续化的观点,而倾向于用类似电脑硬盘“簇”的概念来解释空间(簇是硬盘最小的存储空间单位)。即空间可如硬盘进行格式化,基本粒子(倘若存在)即是空间“簇”的大小。在强引力作用下,将超过一“簇”大小的物质强行压进一个“簇”的空间,就会造成空间破裂,从而进入其他维度空间(不同维度空间“簇”大小不同)。
        4.人工智能完全可行,并且诞生和超越人类只是个时间问题。我赞成计算机人工智能可称之为“硅基文明”而区别于我们本身的“碳基文明”。所有文明的个体思维能力的出现都符合宇宙的基本规律,即简单构成复杂。如果人脑可以在数量众多的神经元的相互电刺激中诞生思维,那么计算机就可以在足够复杂的电路信号中诞生思维,两者毫不存在根本性差异,只是“硅基文明”的物理性质方面优越于“碳基文明”。
        好了,以上作为我三年前的观点,不建立在任何实验和数据的基础,更没有哪怕一条的数学论证公式,纯粹的胡思乱想,或者就叫直觉。然而可悲的是,三年过去了,我的思维变得愈发零乱不堪,各种怀疑论充斥于大脑,而仿佛没有得出多少属于自己的结论。其实我是多么缺乏思考的时间,我常常的思考只在于物理课上被物理课本的某些内容所触动而开始展开漫无边际的短时间想象,过几天又忘得差不多了。
        所以我相当有必要的在这个时候静下心来,把三年来变本加厉的胡思乱想稍稍理个清楚,希望能为大学的学习多少提供帮助。在此,我称下列文字为“胡思科学”,所以诸位看看,一笑了之就好了。

    一.对四维空间形态的进一步理解
        我在高一的时候得知了“克莱因瓶”这个模型,终于得以对四维空间的形态有了一个形象的勾勒。“克莱因
    瓶”对于三维空间,正如“莫比乌斯带”对于二维空间(这个知道吧?一个纸带两端反向粘在一起)。此模型简单描述如下:如果一个瓶子本身极可塑,那么把瓶口拉长并把瓶口最后从瓶子内部接到瓶底上,这样就做成一个 “克莱因瓶”。
        如果你明白上述描述的话,你就知道在我们的世界里要制造一个“克莱因瓶”是必须要破坏瓶壁的,而且那样做出的瓶子也并不能真正意义上地实现“克莱因瓶”的效果:如果与“莫比乌斯带”一样也是一只可怜的蚂蚁参与实验,它本来在瓶外是不可能进入瓶内的(瓶口被封闭,此时的瓶子是个闭合空间),但是如果在“克莱因瓶”上它就可以纯粹沿着瓶壁爬行最终爬入瓶中。
        所以很快我就借助这个模型想明白了四维空间。
        四维空间中是如何存在一个“克莱因瓶”的?现在让我们加上一条时间维度,如同对待我们熟悉的三维那样来看待它,然后把三维空间中那个“刻意而为”的瓶子进行重新解释:瓶子被分成两部分,一部分是三维空间所称的“瓶外”,就是瓶口尚未穿过瓶壁的那部分(整个瓶子的瓶壁完好无损);另外一部分是三维空间所称的“瓶内”,就是瓶口继续伸长并最终接到瓶底的那部分(瓶壁依然无损)。好了,我们为这个瓶子加上一个“时间长度”(与长、宽、高一样的属性)AB(把AB看作时间维度坐标轴上的一条线段),把第一部分“瓶外”放在A点,把第二部分“瓶内”放在B点。这样一来你在A点的时间上只能看到“瓶外”,在B点的时间上只能看到“瓶内”,但是对于一个四维空间的人而言,只有拥有完整AB这段时间的瓶子才是完整的。于是这个瓶子的完整性需要拥有一个时间长度才能体现,于是这就是一个真正意义上的“克莱因瓶”,也即四维空间物体。
        所以通过这一点认识,我对过去那个第一点看法(《杂思科学》中的)更加肯定,在我们的世界究竟是三维还是四维这个争论中我坚决地站在三维的那一方上。我不认为因为我们的世界存在时间的概念就认为世界四维化,如果把时间在我们这个世界看作维度的话,那它与长、宽、高等其他维度存在明显的差别。同时我们的世界从来不认为一个物体是需要时间长度才能表现它的完整,这不是一个思维的问题,因为我们世界的物体从来在一个时间点上就可以体现它本身的所有性质(我的意思准确说是,这些物体没有需要通过时间长度才能表现的性质,像“克莱因瓶”的实现效果就是需要时间长度)。

    二.关于我跟辉辉常常胡扯的“空间量子化”
        这个胡扯的来由是刘慈欣的小说《球状闪电》,而小说中那个新颖的说法则不知道是大刘通知从哪儿借鉴的了(如果是他自个儿想出来的话……那就太强悍了)。《球状闪电》中是这样解释这个世界的本质的:
        整个世界唯一真实的存在就是空间,所有的物质都是空间扭曲的体现。
        这是我见过对这个世界本质最简洁的解释,所以我希望能沿着这个方向想得更多。那么第一个解决的问题,就是什么是“场”。在那个颇具统一性倾向的解释中,“场”和其他任何物质是没有本质区别的,因此“场是一种特殊物质”这种说法就成了一种敷衍(“特殊”指的是一个有无静质量的问题,待会说)。而后来在物理学到电磁波的时候,我进一步思考波粒二向性的问题,希望能纳入这种解释里。另外关于麦克思韦的电磁理论,我也想通过这个解释来给予一个本质的说法,但最后发现要进入高等几何理论的范畴(涉及黎曼几何)。于是我心中在那个解释的基础上开始形成一个描述更加丰富的观点,这个观点由于我不具备任何高等数物的知识而只能流于概念上的大体解释。如下:
        摒弃自己过去关于“空间格式化”的说法,我提出“空间量子化”观点。其实量子化可能仍不是准确的描述,我只是希望描绘空间这种“材料“(假想空间是由某种“材料”组成,辉辉已经指出这种假想的不完备性……对此啊,等等再说)具有的一些性质。
        首先空间可以扭曲,且存在扭曲度的极限值,这一极限值应是通用于任何维度空间的常量,而N维空间的扭曲是沿着N+1维的轴线发生的。我说的这种扭曲不是建立在连续性的空间材料上而是类似量子性质的材料上,也是说仍有一个最小单位,但是这个单位是属于数学极限概念的范畴,也许并不能算之真正存在,这就是与量子的不同。而另一方面,目前弦论(量子重力论)的计算得出我们的空间是十一维度的,这一点与我脑中旧式的不同维度空间相互隔离的想法是不同的,由于弦论尚不完备以及我不具备相关知识,我暂时对两种说法都持保留态度。但是从弦论的这个结果出发,我持有维度有限的观点,再从数学形式的美感角度上我认为扭曲的极限值是不随维度改变的常量。
        而关于空间扭曲的方式,这一点纯粹是从带有误导性的相对论模型(科普书以及我们物理书都常画出来,一个平面向下凹陷即为二维空间扭曲,以我现在的知识是完全不明白这种画法有什么问题,但网上有人指出用这种形象来思考相对论是不科学的)得出。鉴于我们的世界中空间扭曲(即重力场)对物体最显著的影响是时间的影响,于是我武断作出推测。(关于这一点霍金有相似表述:弯曲空间所代表的引力会弥漫到高维时空的整体中去)
        第二,空间通过扭曲成各种各样的结构来形成丰富的物质表象(空间扭曲产生质量),这些结构的描述必须依赖数学。
    刚才前面提到场的静质量问题,我目前的观点是:场是一种特殊的空间结构,这种结构只依赖微弱的空间扭曲产生,即密度非常非常小,故场也存在静质量,只是我们的技术远远无法探测。(够无赖吧?哎……)
        我所思考的电磁波本质也就是这个方面,我猜测电和磁是具有可相互替换的数学表达方式的空间结构,至于这种结构是个什么样我完全无从入手,因为我先必须解释各种空间扭曲之间是如何相互作用的,然后才能根据麦克斯韦的理论来推测相关的空间扭曲几何模型(这种几何模型在空间扭曲之间的作用关系下,应该满足麦克斯韦关于电场与磁场相互激发的规律阐述)。
        所以第三点,我认为空间的各种扭曲(也即我称的“结构”,再形象点就叫“物质”)之间存在一个作用关系,这个关系的表象就是力,它的具体作用方式与空间“材料”的性质有关,于是这里就是辉辉所垢病的地方。开始的时候我说空间就像一个富有弹性的膜,随便一拉一扯就是扭曲,于是物质诞生了并且不断变化。辉辉觉得这种类比是不正确的,空间本身不能拿它表现出的物质形态来比较,我想了想觉得也是。那么我现在唯一的想法是,数学,就是所有的作用关系其实是空间中一个“结构”的变化导致另外一个“结构”发生变化的过程,这个过程符合一定的数学关系,它的产生动机在于要维持空间某种基本性质(如扭曲与扭曲的强度产生差异,弥补这种差异会如同热力学第二定律般向一个平衡来进行),而至于它的形象化如何描述那就非我现在力所能及。
        下面提出两点猜测,是针对量子力学“用概率描述世界”这一问题的两种解释。
        第四点(猜测一),空间的材料不是我们常规意义上的任何一种形态,它不会一直呆在某个地方,在材料没有受到自身或者外界的束缚时,它是完全的自由跃迁。这一点是依照测不准原理以及德布罗意的理论产生,也就是空间材料将具备一个很“无赖”的性质,它将根本不固定。意即在空间没有形成扭曲时,某个空间量子只不过是一个可以无限制变化的数学量,此时它的不确定性最大。而当空间形成扭曲,某个空间量子作为此扭曲的一部分,开始被这种空间扭曲结构所限制,也即一个数学量在某个数学关系式中被限制,从而不确定性降低,出现一种相对稳定状态。根据微观到宏观稳定性越来越强这一事实,可推测空间扭曲的数学结构越庞大和复杂,则对空间量子的制约越强。而宏观与微观间并不存在具体分界。
    在物体运动时,空间扭曲的结构会发生某种尚无法描述的改变,这种改变会导致稳定性变化,从而满足德布罗意的理论。
        第五点(猜测二),整个大空间的基本结构是一种“类似”球形的层层包容,低维度处于高维度的外层,高维度卷曲在低维度膜所形成的闭合空间的内部。这一点猜测源于霍金的M理论(膜理论)中的一部分,是一种最无法寻找根据的猜测。具体来说就是:空间是多维的,我们不过处于所有维度空间叠架构成的表层的那个膜(这里的膜不能等同于我们常规意义上的曲面,它应该象征相对于更高维度空间的低维简单形式)上,故而只能看见三维,同时由于是闭合膜,我们眼中的宇宙的膨胀便不存在一个中心,空间有限但没有边界。在这一猜测上,可以针对概率化的世界提出一个新的解释:空间“材料”之所以实现到任意空间位置的跃迁是因为整个空间基本架构可以实现这一点,而非“材料”本身具有非凡的瞬间移动能力,“材料”只是通过更高维度的空间可以走捷径进行跃迁,正如我们打穿地球来到达一个位置要比在地球表面行走快许多。
        从上面几点看来,这种空间观点与弦论有共通处:倾向于用最简单的单元结构来描绘复杂的世界。弦论把单元结构看作是“弦”,其通过各种震荡的方式来产生力和物质。而我的观点则把单元结构看作空间扭曲,通过千变万化的几何结构来形成各种我们可以观察的微粒子,从而组成物质。

        好了,这个扯蛋的观点终于说得差不多了,在如场的静质量问题上的确是目前无法处理的,只能胡乱说明。这套观点我认为最迷人的地方在于可以完全通过数学的手段来研究整个空间的性质,尤其是将极限的思想引入后基本粒子的问题基本可以回避掉(空间中一个扭曲曲率可以趋于某个极限,那个极限就可以当作我们所说的基本粒子)。
        上述观点有两个致命的局限:一是我纯粹从因果论的角度来考虑这个世界,而因果论已经遇到了自身无可调和的矛盾;二是在我现的这个学问层次上想给世界一个较切实的解释本来就是很荒唐的。我一点也不认为这个观点有多少的正确性,但自己想想,我必须先明确我对这个世界的认识是什么,把它们对的错的都表达出来而已。

    三.用量子力学来解释思维的本质
        我在跟汪洋聊天时谈到了这个问题。汪洋是不赞同不确定性原理的,他对于所有关于此的实验都持怀疑度,认为应该从误差的角度考虑那些实验。对此我很难提出反驳来摈弃所有关于误差的问题,但是我心里坚信世界是用概率描述的,否则我无法解释思维。
        无论是人的思维,还是我肯定会出现的人工智能思维,本质上都是一样的,而给人们带来的迷惑不解也是一样的:为什么会具有创造性?会具有无可捉摸的情绪和情感?其实当我从量子力学的角度稍加考虑,这个问题并非困难。
        我们知道,大脑的基本运行单位是神经元。我们目前了解到的是,神经元通过化学电信号来传递刺激。那么当成千万亿个神经元一起发生这种刺激传递作用会形成什么效果?对,就是思维。而根据量子力学在微电子芯片设计上的运用,在目前电脑芯片主流达到9nm的工艺并向5nm进军时,电子的量子效应已经是工程师们必须想方设法解决的问题。对了,量子效应,神经元的量子效应为什么我们不加考虑?电子的量子效应又是什么?如果电流不能按照程序设计的方向运动,那么计算机计算的结果就将不可靠,就是说会得出一个无法预计的答案。这个答案或者是错的,但是它是全新的,它不是任何规定好的程序可以约束的,它就是创造力的源泉,就像基因突变是生物进化的源泉。
        在越庞大的数量级上这种不确定性就会明显得越让人难以置信,我相信神经元的数量已经达到这个程度了,故而在我们的有序的机械的刺激反射中会出现“意外”的创造力思维。而人工智能,我过去坚持现在仍然坚持,总有一天会达到那个程度,当我们得到的数据开始紊乱的时候便是人工智能诞生的契机。也许硅基芯片还实现不了,但是量子计算机的时代一切都难以预料。
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    [银屏]Gattaca 2008-06-20