智能時代的怪獸六：基本假設

第6節 基本假設

為了便於後續論述的展開，我們需要一些基本的假設。

假設一：能量的分布是所有事物存在的前提。

推論1、按照能量分布的均勻性，存在三種基本情況。

l A分布：完全均勻（d=1）

l B分布：完全不均勻（d=0）

l C分布：介於A與B之間（0<d<1）。

解說01：為了更好地理解這幾個分布的概念，我們可以想像能量的B分布類似於大爆炸宇宙模型的起點，能量的A分布是熱寂理論所猜想的宇宙命運的終點。我們還可以作這樣的猜測：A和B之間應該存在著某種特殊聯繫。

推論2、A和B的信息量為零，所以不存在物質。所有的物質僅存在於C中。ABC的關係示意圖如下：

解說02：物質中除了能量，還必須包含信息。當能量呈現完全均勻分布的狀態時，其中的信息量無限趨近於0，僅剩下能量是不成其為物質的。按照香農的資訊理論觀點：信息是一種不確定性，不確定性越大，信息量越大；不確定性越小，信息量越小。A分布相當於在通訊中：你收到的總是同一個符號，不管這個符號是0或1，還是某個中文字元，你任何一次測試都確定只能收到同樣的一種信號，而且這個信號是穩定、沒有中斷的。很明顯，這種信號所包含的信息量為無窮大的倒數，即i≈0。當能量呈現完全不均勻的狀態（B分布）時，我們肯定收不到任何信號，這時的信息量為0除以無窮大，即i=0，信息量i約等於零與等於零之間有的時候可以視為相同，有的時候又要區別對待。

解說03：C分布總體呈拋物線形狀，它有一個中間頂點，左右兩個底部端點（CL、CR）。靠近CL的事物首先是不可見的暗能量、暗物質，其次是可見的超導體之類的低溫均勻物質（電流在超導體中暢通無阻）。靠近CR的事物首先是不可見的黑洞（光線進入黑洞後無法逃脫，物質進入黑洞後轉化為純能量，信息丟失），其次是可見的恆星與行星等物質。恆星之間的差別不大，行星之間則不同，地質結構、溫度環境、重力加速度等眾多差異導致行星形態各種各樣，但是能支持生物存在的行星數量較少。

解說04：C分布拋物線頂端的事物最豐富、形態最複雜，所有的生物就存在於其中。已知最智能的生物是我們人類，但是宇宙中幾乎可以肯定還有其他高級生物的存在。人們仰望星空時最大的疑惑可能是這兩個：一是如此浩瀚的宇宙中各星系的運動似乎是很有規律的，而且這種規律居然能被我們人類所理解和掌握，那麼人類之於宇宙有什麼樣的意義？二是生活於外星系的智能生物是什麼樣子的，會與我們人類有哪些不同，有沒有與人類相似的苦惱？

假設二：假設宇宙是一個工作中的電路（U），A、B分布是電路中的正負兩極，C分布由無數的工作線路組成，線路上的電阻就是各種物質。

推論3、如果要保持C分布的穩定存在，需避免能量單方面地集中於A、B中的任一極形成靜態分布（類似於靜電），所以電路U中運行的應該是周期性振蕩能量流（類似於交變電流）。

解說05：宇宙電路U中的周期性振蕩電流是如何產生的呢？顯然是來自於電路的正負兩極，也就是A、B兩種能量分布趨勢的相互拉扯。能量趨向於B分布的特性類似於牛頓發現的萬有引力（實際上萬有引力是現象，B分布才是原因），能量趨向於A分布的特性表現為熱力學第二定律，或者也可稱之為反引力。熱力學第二定律主要是描述了能量自發向均勻狀態分布的一種現象，但並未提出它的原因。萬有引力與熱力學第二定律的作用範圍都是整個宇宙，分開來單獨理解是很讓人苦惱的。雖然萬有引力很微弱，但它的作用範圍涉及全宇宙，所有物質的相互吸引力應該是無窮大，為什麼實際上各星系不相互靠近，反而相互遠離呢？如果宇宙真的來自於一次性的大爆炸，那麼現有的宇宙存在的可能性幾乎為0，因為大爆炸的初始參數極細微的擾動會造成極巨大的後果。假設這是上帝的安排，那麼你想想，上帝要怎樣細緻地安排這次爆炸的參數，才能保證讓今天位於銀河系的某個角落的地球上的美國人在聖誕節吃到烤火雞，而讓中國人春節時吃到燒春雞？要做到這一切，我預計上帝必須反覆創造世界無數次，其中有一次會成功，但這太浪費了，不符合「簡單即完美」的原理。

但是，如果我們把萬有引力與熱力學第二定律結合在一起，那就不一樣了，它們是一對完美的相互作用。

推論4、宇宙電路U中的周期性振蕩能量流定義了宇宙的時間。

解說06：宇宙電路U中能量振蕩的一個周期過程決定了宇宙時間的最小單位，即普朗克時間（1.0e-43秒），光子在一個普朗克時間內移動的距離即是普朗克長度（1.6e-35米）。在1900年普朗克提出能量子概念時，因為暗示了宇宙的非連續性本質，眾多科學家包括普朗克本人都不願意相信這一事實。後來，量子力學的迅速發展，讓人們認識到它很有用，而且計算結果極其精確。但是，人們仍然不能徹底相信宇宙在本質上的離散性，最多只能接受：宇宙是連續性與離散性的有機結合。因為人們有一個強大的事實作為依據，即光的波粒二象性。

到目前為止，我們主要研究的是U的整體情況，對於C分布中的具體情況所知不多。現在我們來想一想，C分布中的物質是怎麼來的？局部不均勻的能量分布是什麼形態？

推論5：局部不均勻的能量分布意味著能量邊界的存在，邊界有兩種分類方法：虛與實，循環與不循環。

解說07：不均勻表示能量密度存在高低差異，差異的邊緣線即邊界。邊界線上的能量密度與外部相比，偏低叫虛，偏高叫實。這在中國又叫陰、陽，比如文字雕刻，凹陷下去的字是陰文，凸出來的字是陽文。不循環邊界類似一條開放的曲線，循環邊界是一條封閉的曲線圈。綜合起來看，一共有四種形態：

解說08：空間與物質結構是非常複雜的，我們不可能從零開始把所有的東西構建出來，而必須藉助一些現成的相似理論，比如說在物質的微觀結構方面，我們可以藉助弦論或超弦理論。但是弦理論存在的問題我們也必須指出來，首先它尋求統一引力與其他三種基本作用力：電磁力、強力和弱力，在我們的假設中，這種統一是不必要的，也是不符合邏輯的。其次，弦理論把所有基本粒子歸結為極其微小的能量弦線的振動，這是弦理論最精彩的部分，然而，弦本身又是什麼呢？這是弦理論無法解釋的，而在我們的假設中這是簡單明了的：弦是能量分布中的虛實邊界線。宇宙在最大的尺度上是能量邊界，在最小的尺度仍然是小的能量邊界。這就像剝洋蔥，層層剝去後，最後發現中間是空的，而洋蔥其實就是那一層層的邊界，除去邊界後就什麼也沒有了。

推論6：宇宙能量的周期性振動導致了能量邊界的振動，不同的邊界線產生了不同的振動模式，並組合成不同的基本粒子。

解說09：這一推論大體上與弦理論相同，在弦理論中有精密的數學推演證明能量線（實線、實圈）不同的振動模式會相應產生哪些基本粒子。但是，弦理論忽略了其他兩種邊界形態（虛線、虛圈），這種忽略導致弦理論無法解釋弦所在的空間背景。目前的高能物理研究認為，基本粒子有三種：強子、輕子和傳播子，而且粒子之間存在著對稱性，即有一種粒子，必存在一種反粒子。對於這些微觀粒子的特性，量子力學已經有比較好的解釋，並提出了所謂的「標準模型」。實際上，微觀粒子方面的研究是極其困難的，因為它的實驗條件要求極高的能量級別，人類目前可掌控的能量級別與之相比差距遙遠。

現在，我們拋開這些瑣碎的微觀粒子問題，換個角度來思考：人們關心的核心問題是宏觀的引力作用與其他三種微觀的相互作用力是否能統一、如何統一？這個問題前面已經講過：沒什麼意義。那麼有意義的問題是什麼呢？

推論7：有意義的問題是：什麼是相互作用？各種相互作用是如何實現的？相互作用的過程是誰來掌控的？

解說10：當我們拿起幾顆小砂粒扔到一個雞蛋上，後果是砂粒被彈開了，當我們拿起一塊大石頭壓到雞蛋上，後果是石頭穩穩地把雞蛋壓碎了。我們知道蛋殼是很好的保護邊界，它的特點是整體受力，小石頭是無法壓壞它的；足夠大的石頭、以某種合適的角度才能把雞蛋壓碎。把多個邊界條件參數結合在一起，然後得出一個結果，並返回給各相關邊界，這就是相互作用。石頭可簡單地認為僅一層邊界，即石頭堅固的表面；雞蛋有四層邊界：細胞壁、細胞膜、細胞質、細胞核。這樣石頭壓雞蛋就有四次相互作用，對應的效果是蛋殼破裂、蛋膜破裂、蛋清飛濺、蛋黃破裂。

當我們把一塊足夠大的石頭壓在雞蛋上時，雞蛋馬上破裂。請注意：「馬上」破裂是否意味著這種反應不需要時間呢？也即：從邊界條件的形成到相互作用的結果輸出，這中間是否不需要時間成本？而運算是一個過程，不消耗時間的過程是不符合邏輯的，也與我們前面的假設相矛盾。我們知道，光的傳播速度是有限的，萬有引力作用的傳播也是需要時間的，因此我們不應該默許這種零時間成本事件的存在。當然，很多人聽說過量子糾纏現象，認為二個處於糾纏態的量子無論在空間上隔離多遠，都可以實現零時間成本的通信，即某一方改變狀態後，另一方「立即」知悉並配合行動，這就叫「量子非定域性」。實際上近幾年的量子通信實驗已經證明：這種糾纏狀態的傳送也是需要時間的，只不過速度比光速快很多，至於為什麼會比光速快，這就是另外一個問題了。

相互作用要花費的處理時間以及處理邏輯的一致性，這些是誰來決定的？關於處理時間問題，主要是光速決定的；至於整體邏輯的一致性問題，要麼是相互作用的雙方（雞蛋和石頭）共同決定，要麼就得勞煩上帝幫忙了。但上帝要無數次的創造世界，還要管理每次世界中的每一個事件甚至每一個分子、原子的相互作用，讓上帝的工作如此悲慘，有點不人道吧？於是，我們就要提出下面這個假設。

假設三：C分布不僅是連接AB兩極的電路，而且是一個複雜的計算網路；所有的相互作用都是計算，必會消耗時間與資源。

解說11：關於計算與運動的解釋。計算是需要步驟的，比如計算1+2的步驟是這樣：先從a處取出數值1，再從b處取出數值2，把1和2相加，把相加的結果放回a處，計算完成。運動則是某物質（實質是能量的邊界M=E*I）從a處移到b處的過程。

移動計算有兩種，一是交換移動，每次只能移動一格；二是跳躍移動，可不受距離的限制。跳躍移動的計算過程只有三步：從x2y4處取出M，將M存入x7y6處，刪除x2y4處的信息，移動完成。這種移動在人類的計算機程序中經常使用，但不適用於物理現實，因為它是具有破壞性的，需要嚴格的全局空間控制，以確定哪些是空白內存，哪些是已使用但可收回的內存空間。否則可能出現內存讀寫錯誤，或者複製後未能成功刪除原件，就會導致2個M的存在。

物理世界中沒有已使用空間與未使用空間的區別，所有的運動只能通過交換能量信息來實現，交換移動每次只能移動一格。例如從x2交換到x3，再從x3交換到x4......如果只允許上下左右四個方向移動，則要把M從a處移到b處需要7次，如果允許斜向移動，則需要5次。這樣的移動不需要全局控制，依靠能量邊界之間的相互作用進行，是真正的分散式計算。交換所能達到的最快速度就是光速，而光子在均勻的低密度的能量場（真空）中傳播速度最快，因為在這樣的能量場中計算最簡單，因而速度最快。

解說12：看到「計算網路」這個詞，我想大家會有一些親切的感覺。從抽象的能量分布到繁瑣的高能粒子，這些都是遠離人們生活的概念，而信息網路則是我們每天在使用的工具。說到Internet我們會想到幾個相關事物，比如創始者美國國防部高級研究項目局（ARPA）、管理者國際互聯網名稱與數字地址分配機構（ICANN）、破壞者網路黑客（Hackers）等等。宇宙這一計算網路是否也有創始者、管理者與破壞者呢？這大概也是牛頓後半生思考的問題。就我們對Internet的現實發展情況來看，沒有人能完全控制它，相反人們正逐漸地被Internet所控制。

解說13：現在我們來談談愛因斯坦的相對論，首先是廣為人知的光速旅行時間變慢的問題，從計算的角度來看這很自然，因為運動是要消耗運算時間的，運動速度越快，所需時間資源越多。我們在電腦中觀看高清電影或玩3D遊戲時都有體會，碰上激烈的場景要想保證畫面流暢就只能降低畫面質量，如果維持畫面質量不變，就必定導致畫面卡頓、變慢。

其次是萬有引力與時空彎曲可以互換的問題，時空彎曲理論比萬有引力理論有更強的解釋能力，也就是說萬有引力的假設其實可以取消。廣義相對論認為，沒有物質的時空是平坦的（即均勻的沒有邊界的能量分布狀態）；有物質存在的時空就變得彎曲了，質量越大時空彎曲越嚴重。而所謂「時空彎曲」是能量邊界的同義語，在邊界之內（即能量密度相同的區域）時空參數相同，邊界之間的時空差異就是邊界之間的能量密度差異。

地球上的一片樹葉與一塊石頭的質量比例關係就類似月球與地球的關係，但月球會繞著地球運行，而樹葉不會一直圍著石頭轉。因為樹葉與石頭都位於地球的能量圈之內，它們的能量密度差異被地球抹平了。如果將二者放在遠離任何星系的黑暗太空中，則兩個邊界之間的能量差異立刻顯現，從而導致樹葉不停地繞著石頭轉。

解說14：最後，我們來討論一下光速與計算的關係問題。

光速對於整個物理學、對於我們的宇宙系統是至關重要的，光的速度很快，這眾所周知（約300000km/s），而且這是一個固定的速度。這裡的意思是說：無論你自身的運動速度多快，光總是以約三十萬公里每秒的速度從你身邊划過，並設下了你不可能達到或超越光速的定律，這就讓人難以理解了。我們對光速的含義未能徹底明了，而愛因斯坦提出的質能方程中卻用到了「光速的平方」，光速平方的物理意義是什麼呢？我們先回憶前面的推論2，其中隱含了一個關於物質的定義，即：物質是能量與信息的結合（M=E*I），根據愛因斯坦的質能方程（E=Mc^2等同於M=Ec^2），則可推出信息等於光速的平方（I=c^2），這就更奇怪了，信息為什麼不等於光速的1次方或3次方，偏偏等於光速的2次方？

關於信息，香農定義為「不確定性」，維納定義為「負熵」即不確定性的減少，那麼完整來看，信息是不確定性與確定性的結合。由於光速是連接時間與空間的基本常數，不確定性與確定性都可由光速來表示，所以信息可以表示為：I=c1*c2=c^2。這裡說的是靜態邊界的信息量，如果邊界以光速運動，則信息量為I=c^3，這個與相對論並不矛盾。這種動態過程的本質就是能量邊界的相互作用，即計算。I=c^2對應的是二維計算，i=c^3對應的是三維計算，與歐氏幾何和經典力學對應的，我想應該是一維計算。

與光子類似的電子則限定了我們計算機系統的時間（CPU頻率）和空間（內存地址）。目前宇宙的年齡約為138億年，宇宙的空間半徑約為460億光年，換算成單位米約為4.35e+26(米)，而宇宙的最小長度是普朗克長度1.6e-35(米)，則宇宙計算系統共有約2.7e+61個空間地址。普朗克時間單位是1.0e-43秒，那麼宇宙計算系統訪問一遍全部空間地址的時間最快是2.7e+18秒，換算成年（約為856億年）則超出了宇宙的年齡，實際上所需時間更長，因為一個訪問操作有多個步驟，需要多個普朗克時間才能完成。而人類目前使用的普通家用電腦的CPU運行速度約為3GHz，理論上訪問一遍全部內存地址（4GB-16GB）只需要幾秒鐘。所以宇宙計算系統要實現正常運行，必須升級空間地址的維度。我們人類的計算機內存地址的基本單位是位元組（Byte），它包含8個真正的最小信息單位bit，這就是維度的升級。我們可以初步推測：宇宙計算系統把量子封裝為弦，弦的大小約為普朗克長度的5至10倍，它是最小的能量邊界。弦的相互糾纏與融合可以形成更大的弦，甚至產生新的空間維度。

從大於三的空間維度來考慮，所謂「量子糾纏」的超光速問題就很容易理解了。在3D空間中遙遠的距離，在4D空間中並不遙遠，光子可以「抄近路」到達。類似作者正在使用的文本編輯器，文本是按一維空間的前後順序排列的，在需要修改文本的時候，我可以按上下鍵使游標逐行跳轉（二維），或者按翻頁鍵使游標逐頁跳轉（三維）。假設每行40字、每頁25行，則我的跳轉效率是逐字跳轉的40倍或1000倍。

提出上述假設、推論和猜測的目的是為了更好地綜合我們關於宇宙的知識和最新的研究成果，以建立一個關於宇宙萬物的、初步的、可計算的框架模型，最終為人工智慧理解我們世界的意義而服務。