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文章来源:李薇薇   发布时间:2020-12-03 00:16:09

“我认为,我们的实验与目前的技术能力还有五、六个数量级的差距意甲下注,”韦德拉尔说,“其中一个问题是,我们需要消除任何噪声源,比如感应电磁相互作用……另一个问题是很难创造出近乎完美的真空

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即使在宇宙学领域,用主流概念来解释宇宙初始条件这一众所周知的问题也是非常困难的:我们可以反过来理解大爆炸之后发生的一切,但还无法解释为什么宇宙会出现在其特定的初始状态,而不是其他状态不过,建构子理论或许可以表明宇宙在大爆炸时的初始条件,可以从该理论的原理中推导出来如果你只从主流概念的角度来考虑物理学,那么量子计算、生物学和宇宙诞生的问题似乎都不可能解决建构子理论的基本成分是建构子、输入基质和输出基质建构子是能够引起特定物理变换,并保留再次进行这种变换的能力的任何对象

输入基质是呈现给建构子的物理系统,输出基质则是建构子对输入基质进行变换后产生的物理系统对于建构子理论如何描述一个系统,我们可以用一个奶昔搅拌机来简单示例例如,彗星速度超过光速的轨迹是不可能的,但是速度低于光速的轨迹是可能的,只要它们也符合相对论定律

今天主流的物理学理论可以解释像两个黑洞碰撞这样剧烈的现象,但很难解释一棵树如何存在,以及为什么存在建构子理论关注的是可能发生的事情,因此可以解释那些本质上不可预测的领域——比如演化——的规则,即任何需要解释的模式建构子理论也可以捕获信息的属性,这些属性不依赖于它们所存在的物理系统例如,同样的歌词可以通过无线电波发送,也可以在一个人的脑海中想象,或者写在一张纸上

信息的建构子理论也提出了新的原则,来解释哪些信息的变换是可能的,哪些是不可能的,以及为什么热力学定律也在建构子理论中得到了精确的表达;在此之前,这些定律只被陈述为近似值,在特定的尺度内适用

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例如,在试图描述热力学第二定律(即孤立系统的熵永远不会随着时间而减少)时,一些模型显示,一个物理系统将达到最终的平衡(最大熵),因为这是系统“最有可能”的配置但是,这些模型的测量尺度在传统上是任意的这样的模型是适用于纳米尺度的系统,还是只适用于由一个粒子组成的系统?建构子理论通过可能和不可能的变换,而不是一个物理系统随时间的演变,来重新解释了热力学定律;在这一过程中,该理论也用精确的、与尺度无关的陈述对这些定律进行了描述:热力学第二定律允许一些从X到Y的变换成为可能,但不是反过来——功可以完全转化为热量,但热量在没有副效应的情况下,不能完全转化为功自科学革命以来,物理学已经取得了长足的进步

1687年,艾萨克·牛顿在他的代表作《数学原理》(PrincipiaMathematica)中提出了他的宇宙物理理论牛顿的经典力学理论建立在他著名的“运动三定律”的基础上,意味着一个人如果知道力作用在一个系统上的时间间隔,也知道系统的初始速度和位置,就可以利用经典力学的运动方程,来预测系统这一时间间隔中任意后续时刻的速度和位置在20世纪的头几十年里,经典力学在两个方向上都被证明是错误的量子力学在解释微观世界的物理方面颠覆了牛顿的理论

爱因斯坦的广义相对论取代了经典力学,加深了我们对引力以及质量、空间和时间的本质的理解虽然这三种理论——经典力学、量子力学和广义相对论——在细节上有所不同,但它们都可以用初始条件和运动的动力学定律来表达,而这些定律允许人们预测系统在时间上的轨迹状态

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这个整体框架便称为主流概念然而,在许多领域中,我们最好的理论都还无法用初始条件和运动定律的主流概念来表达

例如,量子计算定律从根本上并不是关于量子系统在某个初始状态之后会发生什么,而是关于信息的哪些变换是可能的,哪些是不可能的所谓“通用量子计算机”——一台能够精确模拟任何物理系统的量子计算机——能否建成的问题,与“初始条件加运动定律”的框架截然不同即使在宇宙学领域,用主流概念来解释宇宙初始条件这一众所周知的问题也是非常困难的:我们可以反过来理解大爆炸之后发生的一切,但还无法解释为什么宇宙会出现在其特定的初始状态,而不是其他状态不过,建构子理论或许可以表明宇宙在大爆炸时的初始条件,可以从该理论的原理中推导出来如果你只从主流概念的角度来考虑物理学,那么量子计算、生物学和宇宙诞生的问题似乎都不可能解决建构子理论的基本成分是建构子、输入基质和输出基质

建构子是能够引起特定物理变换,并保留再次进行这种变换的能力的任何对象输入基质是呈现给建构子的物理系统,输出基质则是建构子对输入基质进行变换后产生的物理系统

对于建构子理论如何描述一个系统,我们可以用一个奶昔搅拌机来简单示例该装置混合了牛奶、水果和糖等成分,输出一种完全均质的饮料

奶昔搅拌机就是一个建构子,它可以一次又一次地重复这种变换:输入基质是一组原料,输出基质则是奶昔在宇宙中也有这样的例子,比如太阳

太阳就像一个核聚变反应堆,它把氢作为输入基质,将其转化为氦,再把光作为输出基质太阳本身就是建构子,因为它保留了再次引起此种变换的能力在主流概念中,人们可以利用太阳的初始状态,通过适当的算法来运算,从而预测太阳在耗尽燃料后的终结在建构子理论的表述中,氢转化为氦和光是可能的;一旦我们了解从氢到氦再到光的转变是可能的,那么就可以推导出,一个能引起此种变换的建构子也是可能的

建构子理论的基本原理意味着所有的物理学定律——广义相对论、热力学、量子力学,甚至信息——都可以用原理上可能和不可能的物理变换来表达这种设定非常普遍,或许有些违反直觉

我们可以用一个使用催化剂的化学反应为例:化学催化剂是建构子,反应物是输入基质,产物是输出基质计算机的操作也是一种建构过程:计算机(及其程序)是建构子,其信息输入和输出对应于建构子理论的输入基质和输出基质

热机是另一种建构子,所有形式的自我复制生命也是如此想象一个携带遗传密码的细菌,细胞及其遗传编码是某种建构子,其输出的是带有其遗传编码副本的子代细胞

对于哪些变换可能,哪些变换不可能的解释,从来不依赖于建构子采用的特定形式,因此它可以被抽象出来,留下关于变换的陈述作为建构子理论的主要焦点这一点已经非常有优势,例如,我们可以表达哪些计算机程序或模拟是可实现的,哪些在原则上是不可实现的,而不必担心计算机本身的细节生命为什么会存在?人们如何能证明,生命的演化,以及生命所有优雅的适应性和外观设计,是符合物理学定律的,而物理学定律似乎没有任何设计可言?对广义相对论和量子力学方程进行再多的检验也不会有任何结果——它们没有显示出生命存在的可能性达尔文的自然选择演化理论解释了生物圈内部设计的出现,但未能解释为什么这样的过程一开始就是可能的

生物演化如今被理解为一个过程,基因通过自我复制而世代传递,取代了竞争对手,即名为等位基因的替代基因此外,基因已经演化出用于增殖的复杂“载体”,比如细胞和生物体,包括我们自身

生物学家理查德·道金斯(RichardDawkins)以推广这一演化论观点而闻名:基因是自然选择的基本单位,它们“努力”以DNA链的形式复制自己,利用临时的保护性载体一代一代地繁衍下去,从而实现永生复制是不完美的,会出现基因突变,从而导致基因在与竞争对手的激烈竞争中出现传播能力的变异

环境决定了哪些基因最适合传播,哪些不适合传播,因此成为自然选择的来源有了这种“复制基因载体”的逻辑,人们可以更精确地阐述生物演化的问题:物理定律并没有明确说明演化和生物适应所需要的变换是可能的

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