生命是一条纠缠繁复的时空之辫

译者按:发辫之于人生是一个引人入胜的比喻,作者Tegmark相信在空间和时间外,存在一个数字的实体,这点译者不置可否。如果作者是正确的,那不仅对于物理学界是个好消息,人工智能也可以被理解为由四维时空中无数基本粒子编成的发辫。译者相信,底层的数学化未必会颠覆我们所依赖的感情、意识甚至是自由意志。而未来人工智能的时空之辫是否能如人类的那般优美,甚至超越人类,将印证或是动摇作者的观点(信仰)。

「不好意思,请问现在是什么时间?」我猜你会像我一样,因为问这个问题而惴惴不安,似乎有那么一个叫时间的东西是自然而然的。但你可能从没有问一个陌生人,「对不起,这个地方是什么?」如果你迷路了,你可能会问,「对不起,我在哪儿?」这表示你问的并非关于空间的一个属性,而是关于你自己的属性。类似的,当你问起时间,你并不是真的在问关于时间的一个属性,而是问你在时间中的位置。

但通常我们不是这样思考问题的。我们的语言显示,我们对空间和时间的思考方式是如此不同——前者是静态的,而后者是流动的。然而,抛开直觉,时间的流动是一种幻觉。爱因斯坦教给我们两种等价的思考物理实在的方式:一种叫做空间的三维体,物体在其中随时间而变化;另一种是叫做时空的四维体,它永远存在,永不改变、从不创生与毁灭。

我把这两种关于实在的不同视角类比为青蛙和鸟的视角。鸟从「高处」巡视地形,就好像一位研究时空数学结构的物理学家,他通过物理公式来描述时空。相反,青蛙住在地形内部,随着时间仰望着月亮,它看到的东西类似右图,「月亮的轨道」——五张不同时间的空间快照,其中月亮处于不同位置。但鸟看到的是不变的时空螺旋形,像左图中那样。

[caption id="attachment_5819" align="aligncenter" width="733"]Life Is a Braid in Spacetime1 图1:月亮轨迹:我们既可以把月亮的形象理解成随时间在空间中变化的平面位置(如右),也可以理解为:空间中不变的螺旋形态(如左),这完全有赖于对应的数学模型。空间中的快照(如右)不过是时空概念(如左)的简单水平横切。我们已经把月亮的轨迹用相对简单的形式加以描述,以方便理解。要从时空(如左)中得到空间的快照(如右),你只需要在你感兴趣的时间点取时空的横截面就可以了。[/caption]

对于鸟(物理学家)来说,并没有关于过去和未来的客观定义。正如爱因斯坦所说,「关于过去、现在和未来的区别只是一种顽固的幻觉。」当我们想到「现在」,指的是我们怀有这个想法时的一个时空切片。我们将这个切片之上和之下的部分指称为未来和过去。

这就好比你用「在我之前」和「在我之后」来指代相对你现在的位置而言不同的时空部分。显然,在你之前的部分并不比在你之后的部分更真实。实际上,如果你向前行进,目前在你前面的未来将被抛在你后面,更别说它现在就已经位于其他许多人之后了。类似的,在时空中,未来和过去一样真实——目前位于你未来中的部分时空,将在你的未来成为你的过去。既然时空是静态且不变的,那它之中的任何部分都不能改变其实在状态,所有部分都同等真实。

关于时空的概念不仅叫我们重新思考过去和未来的意义,它同时为我们引出了「数学宇宙」的概念。时空是一个纯数学结构,这意味着它除了数学的属性外没有任何其他属性,比如数字4是时空维度的数量。在我的书《我们的数学宇宙》(Our Mathematical Universe)中,我论证了,不仅仅是时空,甚至我们的整个外部物理实在,都是一种数学结构,从定义上说,是存在于空间和时间之外的抽象不变的实体。

关于你的时空管的最有趣的性质并非其体积形状,而是其内在结构,它复杂得不可思议。

这到底是什么意思?一方面,它意味着宇宙可以被数学优美地描述。确实,几个世纪以来,我们的宇宙(认识)变得越来越清晰,证据越来越多。最近的一次胜利是发现了希格斯玻色子,同海王星和无线电波一样,最初都是用铅笔,通过数学公式来预言的。

「我们的宇宙可以近似地由数学描述」意味着它只有部分属性是数学的;而「宇宙就是数学」意味着它所有的属性都是数学的,即它除了数学之外没有其他属性。如果我是正确的,那这对物理学来说是个好消息,因为只要我们足够聪明且有创造力,宇宙的所有特征都可以被理解。它也暗示了,我们的现实远比我们认为的大,它包含着多样的宇宙集合,服从于所有在数学上可能的物理定律。

这种新奇的关于时空的视角,以及其中的东西暗示着一种全新的看待我们自己的方式。我们的思想、情绪、自我意识以及关于「我」的深层存在感——感觉起来,没有任何一样像是数学化的。但我们也是由构成物理世界中其他东西的基本粒子所构成的,我已经论证过这些粒子是纯数学化的。我们如何才能调和这两种观点?

[caption id="attachment_5820" align="aligncenter" width="733"]图片:Chad Hagen 图片:Chad Hagen[/caption]

第一步,请想一想,我们是一种什么样子的时空结构?著名的宇宙学先锋乔治·伽莫夫将其自传命名为《我的世界线》,这个短语(世界线)也被爱因斯坦用来指称时空中的路径。不过,严格来说,你的世界线并不是一条线:它的厚度不为零,且不是直的。构成你身体的约10^29个基本粒子(夸克和电子)组成了穿越时空的一种管道形状,类似于月亮的螺旋形轨道(见图1「月亮轨迹」),但更加复杂。如果你在泳道里游泳,你的时空管的这部分将是锯齿状。如果你在玩操场上的秋千,你的时间管的这部分将是蛇形。

然而,你的时空管最有趣的属性不是外形,而是它的内部结构,它极其复杂。相比之下,组成月亮的粒子却以一种相当静态的方式聚合在一起。你的大部分粒子都在不停地做着相对运动。比如,看看构成你红细胞的粒子,当你的血液在周身循环输送氧分时,每一个红细胞都追踪着它自己在时空中独一无二的管形,对应着一条复杂的路线,通过你的动脉、毛细管和静脉,并定期返回你的心脏和肺。这些红细胞们的时空之管缠绕成一种辫子形(见图3「复杂性与生命」)。它比你在美发店里见过的任何发辫都更精妙。在美发店,一个经典的辫子由三股组成,每股可能有三万根头发,被编成一种简单的重复样式。而时空之辫由万亿股(每股对应着一个红细胞)组成,每一股由像头发一样的基本粒子轨迹以完全不重复的复杂样式编成。换言之,假设你花一年时间给一位朋友做个疯狂的发型,一根一根地辫头发,你得到的样式相形之下依旧是非常简单的。

[caption id="attachment_5821" align="aligncenter" width="733"]Max Tegmark 图3:复杂性与生命:物体的运动对应着时空中的一个模式。10个粒子相对静态地加速构成了简单的形态(左),活的生物则是粒子相对动态地加速上升,形成一种更加复杂的形态(中),与这种复杂形态相对应地出现了对信息的处理能力和其他更有价值的能力。当生命终结,崩塌开始,所有的粒子相互逃离(右)。以上三图用了10个粒子作为举例,实际上每个人的时空形态都包括了大约10^29颗粒子,而且令人崩溃般的复杂。[/caption]

但是,这些与你脑中信息的处理过程相比,都不算什么。你的大约千亿神经元正不停地产生电信号(「放电」),它拖拽着约10亿亿万原子,主要是钠、钾、钙离子。这些原子的路径形成一条极其精妙的穿过时空的辫子,其复杂的缠绕与我们储存和处理信息的模式相一致,这种模式以某种方式产生了我们所熟悉的知觉和自我意识。在科学界中存在一个粗略的共识,即我们还没有理解这是怎么运作的,所以说我们人类还没能完全理解自己是什么。然而,概括地讲,我们似乎能说:你是时空中的一个模式,一个数学模式。特别地,你是时空中的一条辫子,是目前所知的最精妙的辫子之一。

有些人对于将他们自己想象成粒子的集合感到不悦。在我20多岁时,我的朋友Emil为了侮辱另一位朋友Mats而称他为「原子堆」,这让我笑翻了天。然而如果有人说「我不相信我仅仅是一堆原子」,我会反对在这里使用「仅仅」这个词。他们的头脑所对应的时空之辫无疑是我们在宇宙中所遇见过的最美而复杂的模式。相比之下,世界上最快速的计算机、科罗拉多大峡谷甚至是太阳,它们的时空模式都很简单。

你时空之辫的两端分别对应着你的出生和死亡,所有的线条会逐渐分离,这对应着你所有粒子的结合、相互作用并最终各自分离。(见复杂性与生命一图的右图)。这使你一生的时空结构看起来像一棵树,底部对应着生命的早期,是根系的精妙系统,对应着许多粒子的时空轨迹,它们逐渐汇合成更粗的一股股,通过一根管状的树干达到顶峰,对应着你现在的身体(你的身体内部有一个如前所述的非凡的辫状模式)。顶部对应着你最后的时光,树干分叉成越来越细的纸条,对应着你的粒子们在你生命结束后的分道扬镳。换句话说,生命的模式在时间维度上只占据有限的一段,辫子在两端分崩离析。

把我们自己看作时空中的数学辫子这样的观点,挑战了认为我们永远不能理解意识这一假设。它乐观地认为有一天意识可以被作为一种物质形式来理解,是我们宇宙中延伸出的最美丽复杂的时空结构。这种理解将启发我们对待动物、反应迟钝的病人、未来的终极智能机器的方式,同时带有更加宽广的道德、法律和技术启示。

我就是这么看的。尽管这种关于不变实在的想法很值得尊敬,并且能一直追溯到爱因斯坦,但它仍存在争议,至今依然活跃在科学辩论的主题上,其中不乏我非常尊敬的科学家们,他们表达了一系列的观点。比如,Brian Greene在《隐藏的真实》(The Hidden Reality)一书中,对于放弃变化和创生这样的基础概念表达了忧虑。他写道:「我偏向于存在一种过程,尽管是试探性的……这样我们可以想象产生多重宇宙。」Lee Smolin在他的《时间重生》(Time Reborn)中主张,不仅变化是真实的,甚至时间是唯一真实的东西。而在争议的另一端,Julian Barbour在他的书《时间的终结》(The End of Time)中认为,不仅变化是幻觉,甚至可以在描述物理实在时完全不引入时间的概念。

如果我们发现时间的最终性质,将能回答今天物理学面临的最激动人心的开放性问题。时间是否起源于大爆炸之前?它最终会终结吗?它是否涌现于某种无时间性的量子绒毛,并且最终会重新消融为它们?要回答这些问题需要关于量子引力的数学理论,但我们的物理学家还没有找到它。但是,无论这个「万物理论」是什么,时间一定是揭开谜底的关键。

Max Tegmark是MIT的物理学教授,至今已发表200多篇学术论文。他因离经叛道的理论和冒险精神而被称为「疯狂的马克思」。他的兴趣从精密宇宙学一直到实在的终极性质,都写在他最新的科普畅销书《我们的数学宇宙》(Our Mathematical Universe)中。

本文选自Nautilus,作者:MAX TEGMARK,机器之心翻译出品。参与成员:大秋,阿宝。

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