机器之心编辑部报道

宇宙是一个图网络?「全球最聪明的人」刚刚为物理基础理论指出了全新道路

「物理学已经很长一段时间没有出现任何显著进展了。探测引力波或许算是一个,」斯蒂芬·沃尔夫勒姆表示。「我非常希望在纯技术层面上,我们所做的一切能够使理论物理学重新焕发活力。尽管目前的工作还很不成熟。」

著名计算机科学、数学、理论物理学家斯蒂芬·沃尔夫勒姆(Stephen Wolfram)可能是世界上最聪明的人,他的研究经常被人们视为「神作」。但当昨天沃尔夫勒姆宣布「找到了理论物理基础的正确道路」时,所有人仍然感到非常惊讶,第一时间不知如何做出评论。

本周二,这位因粒子物理学、元胞自动机、宇宙学、复杂性理论、计算机系统而闻名的科学家突然发表了一篇超长文章,吸引了所有人的注意。

这篇长达近百页的文章是 Wolfram 物理项目的首次曝光,详述了作者对于空间、时间和基本粒子性质的全新理解。沃尔夫勒姆还邀请所有人参加对基本物理学进行解码的研究。

「我从没预料到会是这样,」沃尔夫勒姆在开头写道。「这是出乎预料,令人惊讶的。从某种程度来说,我已经为此奋斗了 50 年,但是直到最近几个月,它们才终于融合在一起。而且它比我想象的还要精彩、美丽。」

「我从没预料到会是这样。」沃尔夫勒姆此言一出,震惊全场。

沃尔夫勒姆认为,在过去的几百年中,人们对物理学的理解有了不可思议的进步。但虽然已经完成了大量工作,但我们仍然没有一套真正的物理学基础理论。

经过长期思考与探索,沃尔夫勒姆认为自己已找到了通往物理学基础理论的道路,建立了一个范例和框架(包含大量实用计算工具)。在此之后这一体系还需要更多人的努力,但其目标是极具吸引力的:看看我们是否能够最终获得宇宙基本原理的答案。

Wolfram 对于新物理基础理论的介绍[1],相关论文[2]

现实世界中,网络的存在多种多样,除了神经网络、社交网络和病毒传播网络之外,还有电网、生态网络和最明显的——互联网。从这个角度上看,整个宇宙肯定是一个巨大的网络。

沃尔夫勒姆认为宇宙是巨大且不断增长的关系网络,这些关系构成了空间以及空间中的一切。他从中看到了构成所有物理定律的底层终极理论的基础。

其实早在 18 年前,沃尔夫勒姆在一本 1197 页的著作「A New Kind of Science」中表达过类似的观点。但是那时候他的构想还不太清晰。现在,他认为自己找到了解释现实的更好视角。

他在昨日发布的文章里表示,「我认为我们找到了一条通往物理学基础理论的道路。」

沃尔夫勒姆方法的核心是超图(hypergraph)。这里,「图」类似于网络的图示:用线条连接不同的点。但是在一张白纸上是无法用这类线条表示现实的。于是,沃尔夫勒姆利用计算机视觉化,用更复杂的「超图」来描述关系。(在超图中,「线条」可以连接任意数量的点,而不是仅连接两个点。)

沃尔夫勒姆的研究表明,复杂的超图可以模仿宇宙的许多特征,包括物质和能量,还能复现相对论和量子力学所描述的物理结构和过程。

沃尔夫勒姆写道:「在我们的模型中,宇宙中的一切——空间、物质以及任何东西,都可以用不断演化的超图的特征来表示。」

他的核心观点是,将简单的规则应用于简单的起始点就可以得到此类极端复杂的超图。

假设有两个「抽象元素」A 和 B,规则为「每个 A 均可被更改为 BBB,每个 BB 均可被 A 替换」。

现在从 A 开始。根据规则,将 A「更新」为 BBB,BBB 拥有两个 BB。因此 BBB 可以更新两次:第一次,将前两个 B 替换为 A,得到 AB;第二次,将后两个 B 替换为 A,得到 BA。即:

AB 和 BA 的更新都能得到 BBBB,但 BBBB 可以得到 ABB、BBA 和 BAB。继续应用这条规则的话,图会变得越来越复杂。


沃尔夫勒姆表示,这些更新步对应于我们对时间的一般概念,即宇宙时钟的滴答作响。将一条规则重复应用于一组抽象实体,得到的连接(即链接这组实体的关系图)对应于空间结构。因此空间不只是一组无法分辨的点,而是一个以无比复杂的模式连接的点网络,它可以复现物质和能量,以及被统称为物理学定律的关系。

沃尔夫勒姆表示,「这基本上就是我对宇宙中空间运作的观点。它是抽象点之间的一组离散抽象关系。但是放大到我们所处的规模,关系的模式将它变成我们习以为常的连续空间。」

这有点像在鱼的眼里海洋是一滩平常光滑的液体,尽管水是由离散小分子构成的。

在某种意义上,沃尔夫勒姆认为一切存在的事物基本上都是由空间构成的。「同样的超图赋予了我们空间结构,以及空间中存在的一切事物。」

听起来理论物理学家可以关门大吉,利用沃尔夫勒姆的规则运行一些计算机模拟就可以了。但是正如沃尔夫勒姆所承认的那样,这项工作还没完成。到目前为止,沃尔夫勒姆的项目已经定下了近 1000 条规则,这些规则生成类似宇宙的复杂结构。至于什么规则能够精准地生成我们所居住的宇宙,还有待观察。

「我希望不久后会有这样一条规则出现,它具备所有正确的属性。并且我们会慢慢地发现,是的,就是它,我们的宇宙终于被解码了。」沃尔夫勒姆写道。

沃尔夫勒姆在文章中宣称,超图描述了被他称为「因果不变性」(causal invariance)的原理。这意味着经过超图的各种路径有时可以汇合。这样的汇合使得事件在时间上的因果链得以保留。

沃尔夫勒姆表示,在超图中「不只有时间这一条路径,而是有许多路径和『历史』」。但是一条独立的历史路径能够和其他的路径合并。「即使遵循的历史路径不同,这些因果关系最终也可能是相同的。实际上,对于进入系统的观察者而言,仍然只有一条时间线。」

由于因果不变性,沃尔夫勒姆的超图再现了许多物理理论的结果,比如爱因斯坦的狭义相对论。迅速移动会使时间变慢(如狭义相对论所述),因为对应于移动物体的超图结构通过超图形成了一个角度,从而扩展了更新(或时间步)之间的距离。正如相对论所言,光速是最大的速度,因为它代表信息在超图更新时通过超图传播的最大速率。爱因斯坦广义相对论描述的引力出现在超图特征之间的关系中,这些特征可以解释为物质粒子。(粒子是连接点的小集合,它们会随着超图的更新而持续存在,例如具有特殊属性的「小块空间」。)

在这些想法的更复杂扩展版本中,沃尔夫勒姆探索了如何将超图的属性与量子力学的奇怪特性对应起来。「在我们的模型中,量子力学不仅仅是可能的,而且是绝对必然的。」沃尔夫勒姆断言。

在这类超图中构建的空间具备非常精细的结构,比如数十亿兆像素的数码相机传感器。沃尔夫勒姆估计,与今天的宇宙相对应的超图可能已经达到 10500 个时间步,这比以秒为单位的宇宙年龄要大得多(约 1015)。因此,空间的粒度足够细,足以包含比已知的物理粒子小得多的物质粒子结构。

实际上,沃尔夫勒姆认为,在宇宙诞生后不久,可能就已经形成了大量未知的超小微粒,他称之为「寡聚物」(oligon)。这类仅受重力作用的寡聚物可以在星系之间游荡,人们只能通过重力产生的效应发现它们。因此,寡聚物可能解释了为什么天文学家推断太空中存在大量不可见的「暗物质」,以及为什么至今也无法确定暗物质的性质。

类似地,宇宙中的最大势力——神秘的「暗物质」以更快的速度扩张,这可能只是沃尔夫勒姆超图的自然属性。或许暗物质本质上就是空间的组成部分。

此外,沃尔夫勒姆认为他构建的超图可以解决目前关于「哪种理论最能解释基础物理」的争论。最近几十年出现了超弦理论、圈量子引力论、因果论等理论,并引起了长期的争论。沃尔夫勒姆认为超图可以囊括以上所有理论。

他表示,「似乎所有人都是对的,只需要添加一种新型基材就能看到如何将它们组合到一起。」

沃尔夫勒姆在网站上发布了相关的技术论文,并邀请物理学社区参与实现他的愿景。

沃尔夫勒姆发表研究成果的同时,一项合作计划也已上线。沃尔夫勒姆还会实时直播正在进行的研究。

「我们的最终目标是架起一座桥梁,将我们的模型与现有物理知识连接起来。我认为我们终于走在了正确的道路上」直到找出宇宙的「正确」法则。

「正确法则」将生成能够展现宇宙精确属性的超图:空间的三维、确切的宇宙膨胀率、具备正确电荷与质量的基础粒子等。

但是,沃尔夫勒姆可能已经意识到,仅寻找一个规则可能遗漏更重要的部分。或许宇宙使用了所有可能的规则。所有可能的宇宙都只是一个真实巨大宇宙的部分,即「所有事……都可能发生,包括所有可能的规则。」

我们根据用来描述和理解世界的「语言」来辨别一组特定的物理定律。将语言的元素调整为「感官能够检测、测量设备能够度量、现有物理知识能够描述的事物」。正确的规则与我们基于特定参照系探索的超图的一部分相对应。别处的生命看待事物的角度可能有所不同。沃尔夫勒姆表示:「描述和体验宇宙的方式具备几乎无限的多样性。」

也就是说,解释生物存在的物理学可能需要对更复杂现实的运作机制有深入理解,它超出了我们能够体验的范畴。沃尔夫勒姆表示,「从很多方面来看,我们不可避免会走向人类理解范畴的边界。」

他认为,将他的方法与现有的成功物理学理论结合起来还需要更多工作。标准物理学取得了很多成就,对从原子内部结构到宇宙结构再到时空本质在内的事物做出了详细的解释。

但是,很长时间以来主流物理学家怀疑时空并非基础概念。时空似乎是基于某些更深层的事物而出现的。这需要漫长的努力,但沃尔夫勒姆或许已经找到带领我们寻找现实起源的道路。

只有时间,或者更多的超图更新步,能够证明一切。

斯蒂芬·沃尔夫勒姆神奇的人生经历

斯蒂芬·沃尔夫勒姆 1959 年出生于英国伦敦的一个犹太人家庭,他是数学软件Mathematica 和计算型知识引擎 Wolfram Alpha 的发明者之一,是沃尔夫勒姆研究公司的创立者之一和首席执行官。

他从伊顿公学和牛津大学相继肄业,展现出「不适合教育体制」的才华。有人说,他是目前活着的人里最聪明的人。


10 岁时,他立志成为一名科学家。12 岁,沃尔夫勒姆拿到了伊顿公学的奖学金,15 岁发表了第一篇科学论文《Hadronic Electrons?》。

论文发表于 1975 年,由沃尔夫勒姆独立完成。

17 岁,沃尔夫勒姆进入牛津大学,但颇感无聊,两年后进入加州理工学院,最终在 20 岁的年纪就取得了粒子物理学博士学位。

21 岁的沃尔夫勒姆在理查德·费曼的推荐下,获得了第一届麦克阿瑟天才奖,也是该奖项多年以来最年轻的得主,没有之一。麦克阿瑟天才奖被视为美国跨领域最高奖项之一,颁发给「在各个领域内具有非凡创造性的杰出人士」,在我们熟知的杰出华人代表中,获得过该奖项的有陶哲轩、丘成桐、贺琳等。

27 岁时,沃尔夫勒姆开发了 Mathematica 软件,创立了斯蒂芬·沃尔夫勒姆公司。这款大型现代技术计算系统一面世就被许多科研工作者迅速采用,是目前应用最重要的科学计算软件之一。

潜心研究十几年后,43 岁的沃尔夫勒姆出版了至今颇受争议的著作《一种新科学》。沃尔夫勒姆提到,宇宙本质上是数字的,并且运行在一种可描述为简单程序的基本定律上。他预测,科学界如果实现这一目标,将对物理学、化学和生物学以及整个大多数领域产生重大的革命性影响,这也是这本书取名如此的原因。

2009 年,沃尔夫勒姆所在公司推出了新一代搜索引擎 Wolfram Alpha,用户输入问题即刻得到答案,而非返回成千上万个网页链接。这一引擎也为苹果 Siri、亚马逊 Alex、微软 Bing 提供了背后的技术动力源。

无论沃尔夫勒姆的革命是否给了我们通往宇宙的钥匙,他的「新科学」绝对是令人敬畏的。如同其他科学研究一样,真正的考验将是通过研究模型宇宙发掘出的理论是否可以在现实世界中复制,或许很快,科学家们就将在这套理论体系下开展全新的研究。

参考内容:
[1]https://writings.stephenwolfram.com/2020/04/finally-we-may-have-a-path-to-the-fundamental-theory-of-physics-and-its-beautiful/
[2]https://www.wolframphysics.org/technical-introduction/introduction/
https://www.wolframcloud.com/obj/wolframphysics/Documents/some-quantum-mechanical-properties-of-the-wolfram-model.pdf
[3]https://www.sciencenews.org/article/stephen-wolfram-hypergraph-project-fundamental-theory-physics
[4]https://www.wired.com/story/stephen-wolfram-invites-you-to-solve-physics/
入门基础理论图网络斯蒂芬·沃尔夫勒姆物理学家
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神经网络技术

(人工)神经网络是一种起源于 20 世纪 50 年代的监督式机器学习模型,那时候研究者构想了「感知器(perceptron)」的想法。这一领域的研究者通常被称为「联结主义者(Connectionist)」,因为这种模型模拟了人脑的功能。神经网络模型通常是通过反向传播算法应用梯度下降训练的。目前神经网络有两大主要类型,它们都是前馈神经网络:卷积神经网络(CNN)和循环神经网络(RNN),其中 RNN 又包含长短期记忆(LSTM)、门控循环单元(GRU)等等。深度学习是一种主要应用于神经网络帮助其取得更好结果的技术。尽管神经网络主要用于监督学习,但也有一些为无监督学习设计的变体,比如自动编码器和生成对抗网络(GAN)。

量子力学技术

量子力学(Quantum Mechanics),为物理学理论,是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支,主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。

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