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量子计算的哲学之维

2008-02-07 12:02:00 来源:博览群书 史 习  我有话说

乍听“量子计算”的人或许会以为这是一个新技术的名字,是计算机继机械计算、晶体管电子计算和硅芯片计算之后的又一个飞跃。从运行速度的考虑,这个观点有它的道理,毕竟,即使是最新的P4处理器――运行速度高达2.2GHZ,相当于每秒运行2.2亿次――与预言中的量子计算机比起来,也有天壤之别。不过,如果认为量子计

算与传统计算只有这么一点差别,就太小看量子计算了。量子物理学家戴维・多伊奇在他的著作《真实世界的脉络》中对量子计算及其蕴含的哲学意义进行了详尽而系统的阐述。

所谓量子计算,是指需要量子力学过程,尤其是干涉效应的计算。1982年,物理学家理查德・费曼曾试图用传统的数字计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题:量子力学系统的行为通常是难解的。以光的干涉现象为例,在干涉过程中,相互作用的光子每增加一个,有可能发生的情况就会呈指数增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了,我们无法提供相应的计算资源。不过,在费曼眼里,这反而是一个契机。因为,另一方面,量子力学系统的行为也具有良好的可预测性,在干涉实验中,只要给定初始条件,就可以推测出屏幕上影子的形状。费曼推断:如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算,那么搭建这样一个实验,测量其结果,不就恰好相当于完成了一个复杂的计算吗?因此,只要在计算机运行的过程中,允许它在真实的量子力学对象上完成实验,并把实验结果整合到计算中去,就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。

目前,量子计算在纯数学领域已得到一些应用。例如,应用传统计算机进行大数分解很困难,而利用量子计算就可以高效地解决这个问题。这是为什么呢?费曼曾告诉他的学生,使用量子计算机时,不需要考虑计算是如何实现的。费曼的话带有很强的工具主义情结。不同于费曼,多伊奇不满足于把量子计算的过程看成黑箱,他要对此寻求解释。

影子的启示

重新考察干涉现象。如果实验中,当在投射影子的屏障上打开新的开口,影子图案的某些区域会变黑,即使用单一粒子做实验,结果仍然如此。多伊奇由此推断,存在两种光子,一种是可见的光子,另一种是无形的“影子光子”,每个可见光子都伴有一批影子光子,根据实验,一个可见光子至少拥有一万亿个影子扈从。事实上,每种粒子都存在干涉现象。也就是说,每个粒子都有影子扈从。可以想象,真实世界比它所显现的大得多。

多伊奇认为影子粒子组成了“平行宇宙”。影子粒子间彼此隔绝,恰如他们与有形粒子间的隔绝。因此,他们组成的并不是一个,而是很多平行宇宙。这些宇宙的成分都类似有形宇宙,且遵循与有形宇宙一样的物理定律。所以,在真实世界中,任何一重宇宙都不具有特殊地位,有形宇宙与影子宇宙的区别,仅仅基于我们的主观立场而言。平行宇宙统称为多重宇宙。

多重宇宙理论显示,量子计算之所以高效,就是因为它能够利用大量平行宇宙间相互协作来完成任务,在这个过程中,它获得了远远超过传统计算机的计算资源。量子计算也可以反过来为多重宇宙的存在提供了佐证:当利用量子计算成功地分解一个250位数字的时候,所需的计算资源远远超过了可见的计算资源,如果平行宇宙不存在,这个数是在哪里被分解的呢?

平行宇宙间的相互影响不仅体现在量子层面。据《参考消息》2002年9月12日报道,科学家发现发射于1972年的探测器先锋10号正在经历一种朝向太阳的神秘减速,现在,它已经比原计划落后了40万公里。据猜测,造成减速的原因是“镜物质”。报道说:“镜物质与一般物质类似,只是在量子层面上它与一般物质的关系就像左手对右手。由于它只与一般物质发生微弱的相互作用,因而可以在我们毫无知觉的情况下存在于我们周围,在镜原子和一般原子之间,可能还有一种微小的非引力作用。用遍布太阳系的少部分镜物质形成的拉力足以解释先锋号现象。”

可见,所谓“镜物质”,不过是多重宇宙的另一种称谓。

有一部分物理学家不同意多重宇宙理论,比如国内物理学界、哲学界熟知的提出了“隐缠序”理论的戴维・波姆。他认为每个光子都带有一种波,这些波与我们所见的光子发生作用,产生的现象就像平行宇宙中的光子相互干涉一样。作者认为,波姆的理论虽然解释了量子现象,却增加了另一个需要解释的物理量――量子之间的波。而算出这些波所需的计算量与算出影子光子的相等。根据在科学和哲学界获得广泛认可的奥卡姆剃刀准则:当有两个处于竞争地位的理论能得出同样的结论,那么简单的那个更好。因此,多伊奇的观点比波姆的“好”。

所谓“好”,并不意味多伊奇的观点就是这个问题的终极真理。根据卡尔・波普尔的观点,科学活动是对问题寻求解释的过程,科学家所能提出的,只是“未经证实的猜想”。这些猜想“根据问题本身固有的评判标准被批评和比较”,其中也包括实验验证。在这里,实验验证的作用并不是为某种理论提供佐证,而是把那些与实验结果不符的理论排除掉。在这个过程中幸存的,就是那个最“好”的理论。很多好理论本身也有很多毛病,致使我们去寻求更好的解释。这是一个类似于生物进化的过程。

图灵原理

与传统计算机相同,量子计算机也遵循图灵原理。图灵原理的内容是:存在一台抽象的通用计算机,其全部本领包括任何物理上可能的对象所能完成的任何计算。

图灵原理可以看作对宇宙中广泛存在的自相似性的描述。所谓自相似性是指“物理实在的某些部分相似于其它部分。这种相似可以是具体的,如天象仪相似于夜空。更重要的是,它还可以是抽象的,如印在书里的量子理论的一条陈述正确的解释了多重宇宙结构的某个方面”。正是这种自相似性,使得通用计算机的实现成为可能。

最有名的通用性物理现象是虚拟现实。虚拟现实可以绘制什么样的环境呢?这取决于通用计算机的本领。根据哥德尔不完备性定理,绝大多数逻辑上可能的环境都是不可计算的。为了纪念康托尔、哥德尔和图灵,作者称这些环境为“康哥图环境”。那么,可不可以定义一种通用虚拟现实生成器,可以描绘所有物理上可能的环境呢?数学家约翰・卡斯蒂认为,在物理环境中,测量必须在有限集中取值,对于有限数字系统,不存在哥德尔式的不可判定性。所以,这样的机器是存在的(参见《虚实世界》,〔美〕约翰・L・卡斯蒂著,上海科技教育出版社1998年12月版,第221页)。

不过,有些计算太复杂,如果用传统计算机实现,所需的时间和存储量是理论上也无法得到的,只有量子计算机才能完成。因此,作者证明了量子物理下存在加强形式的图灵原理:通用量子计算机能够完成任何其他量子计算机所能完成的任何计算,而且能够描绘虚拟现实中任何有限的物理上的环境,所需计算资源也不会随对象的规模和细节呈指数增加。

生命的意义

生命是什么?古代人认为,生命蕴含着一种特殊的力量或因素。不过自达尔文以降,现代生物学越来越倾向于认为:所谓生命,不过是一种“化学过程”。只是因为我们人类本身具有生命现象,才会对它感兴趣。按照斯蒂芬・霍金的理论,不要说其他生物,连人类都仅仅是天体物理上可忽略的“化学渣滓”。

理查德・道金斯认为,基因是自然选择的单元,而进化的动力是基因本质上具有的自我复制的倾向。所谓生命,不过是基因复制的载体。还有一种类似的学说,认为文化的传播也基于一种特殊的复制子――“谜米”,所有书籍,音乐,包括我们的思想,都是“谜米”传播的载体(参见《谜米机器》,〔英〕苏珊・布莱克摩尔著,吉林人民出版社2001年4月版)。

基因可以看作计算机程序,用一种叫基因码的语言表达成A?C?G?T符号序列。在分子层面,基因只是为细胞计算机编写程序使之产生一定的化学物质,但是这些低层面程序叠加起来,经过层层复杂控制和反馈,变成了高深的高层面指令,这些指令包含着指导基因复制过程,或生物体的行为的“知识”。相对于基因,生命只是一个凸现现象。但这并不意味还原主义者的如下观点是正确的:生物体和其他没有生命的物质一样,都只是基因直接或间接的复制环境组成部分。

基因能够施加相当准确的交互控制,使生物体对所有可能的环境做出反应。一方面,基因通过生物体与外界发生联系,另一方面,生物体也是基因所携带的知识的物理化身。从计算理论的角度看,生命过程和虚拟现实描绘是同样类型的过程,生命可以看成图灵原理在自然界中的一种实现手段。

知识的力量

基因仅在一定环境下才承担复制子的功能。复制子是指能引起环境复制自己的实体。一个复制子应该是其自身被复制的原因。换句话说,只有某个复制子出现,复制才会发生;如果将这个复制子换成别的实体,即使非常相近,复制也不会发生。基因之所以可以成为复制子是因为它包含着自身的复制所需的“知识”。这就是基因和随机DNA序列的区别。设想两条同样的DNA序列(假设是熊的基因片断),其中一条包含知识,另一条是随机DNA序列,他们都有可能被复制,但只有包含知识的那条是自身被复制的原因。生命现象归根到底是关于知识的。可以直接用知识给出适应性的定义:如果一个实体含有的知识能够引起这个实体所处的环境保存那一知识,则称该实体适应于该环境。

基因与随机DNA序列的区别,在单一宇宙中还不明显。但是,在多重宇宙中,随机DNA序列,因为无论怎样变异,对复制都没有影响,很快就会面目全非。而如果基因变异了,复制往往就无法进行,因此,在其他宇宙中的熊的该基因片断应该是同样的DNA序列。

所以说,古人认为生命物质有特殊的物理性质,这基本上是正确的。“有特殊物理性质的并不是有生命的物质,而是有知识的物质。因此,多重宇宙中,哪里演化出知识的载体,如大脑或DNA基因片断,哪里就存在横跨宇宙的最大尺度的规律性结构”。从宇宙的尺度看,它们就像多重宇宙中的一块块水晶。

不要小看知识的力量。早在公元前三世纪,中国人就修建了万里长城,而今,只要几十个人就可以开山凿洞。即使是植物,也大大改变了大气的面貌:大气层中所有的氧气(大约1000亿吨)都是植物造的。生命能取得这样的成就,就是因为拥有知识。宇宙学家约翰・巴罗和弗兰克・梯普勒认为:“生命最终会对银河系的结构做出主要的、性质上的改变,既而对整个宇宙的结构做出这样的改变”。虽然以人类目前的技术,对此还无能为力,但也没有任何已知理论证明这个任务一定不能实现,相反,我们已经知道为了实现它需要涉及什么,而且,我们还有几十亿年的时间来探索。

一个量子计算权威的人文关怀

我们不是“化学渣滓”,因为我们的行星?恒星和星系的未来都将依赖于这堆渣滓里的知识。不过,为了得出这个结论,必须结合天体物理学以外的知识:“科学能创造出有用的知识,进化能创造出适应性,这必须作为自相似性的凸现现象来理解,而自相似性是由图灵原理这个物理原理规定的。”这是因为,真实世界是一个整体,仅从某个领域着手研究,得到的结论必定是片面的。

人类可以不关注对量子计算的科学解释,仅仅满足于把它当成超级计算机,但是,那样的结果是无法认识量子计算的哲学内涵,也无法认识到量子物理学与计算理论?生物进化以及认识论之间深层次的联系,更不可能找到人类自身存在的意义。

有朝一日,人类也许当真能操控太阳,阻止它变成一颗“红巨星”,或者在太阳变“红巨星”前,获得逃逸的机会。但这要求人类对宇宙有足够的了解。多伊奇说:“现在正是前进的时候,但是,只有认认真真对待现在的最好的理论,并把它们看成对世界的解释,才有可能向更好的理论迈进。”这是一位量子计算权威的人文关怀。

(《真实世界的脉络》)〔英〕戴维・多伊奇著,梁焰等译,广西师范大学出版社2002年8月版,19.80元)

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