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你就是永恒时空中的一团乱麻

楼主:利维坦 时间:2019-10-14 18:59:33

利维坦按:这篇文章的作者试图将我们看作是“时空中的数学发辫模式”,用来回应“我们无法理解意识”诸如此类的观点。谈及人脑的复杂程度时,这让我想起在看克里斯托弗·科赫《意识探秘》中有关中枢神经和大脑描述的那段话:


“就像当今世界中许多日理万机的人一样,中枢神经系统也饱受信息爆炸之苦。随着环境的不断变化,大量信息沿感觉通路蜂拥而入,脑来不及实时处理这一切。每秒沿视神经传输的信息有几百万比特。你的躯体不断运动,随时改变着位置,并向脑传送着有关关节角度、肌肉伸展度等等编码信息的锋电位。大群气味分子包围着你,这些分子在鼻腔中的黏液旁飘荡,并与之发生相互作用。种种声音不断落入耳际。在这样纷杂的种种感觉事件中,只有很少一部分胜出的事件能被感知,其余部分都被滤去而不为人所知。”


回复187可以看之前推送过的《宇宙大爆炸之前发生了什么?》。

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文/Max Tegmark

译/Sunny199009



“恕我冒昧地问,时光为何物?”我猜想读者和我一样愧于询问这个问题,显而易见,似乎时间就是这么回事。然而,你不大可能走近一个陌生人问,“劳驾,这是什么地方?”如果你确实迷路的话,很可能会这么说,“劳驾,请问我这是在哪儿?”借以确认自己并非在问空间的属性而是自己。当你询问时间的时候,你并非在问时间的属性,只是问你所在的时间点


然而,通常我们想不到此。我们的语言揭示了我们对时间和空间的认识多么大相径庭。尽管我们凭借直觉(感知时间),但是,时光的流逝却是一种错觉。爱因斯坦教会我们两种思考现实的等同方式:一是事物随时间而发生改变的三维处所称为空间,另一种是四维处所称为时空,其仅仅存在却不发生变化、且无法创造和摧毁。


我想到了青蛙和鸟儿对于现实世界的两种截然不同的看法。鸟儿从上空鸟瞰现实世界,其类似于研究时空的数学结构的物理学家,他们以物理方程来描述时空。而青蛙则居于鸟儿俯瞰到的地底。随着时间的推移,观察月亮时,青蛙看到的正类似于右图的展板——“月球运行轨道”:每次月亮出现在不同位置的五张空间快照。而鸟儿则如下面左图的展板所示,在时空中看到的是不变的螺旋形。


月球运行轨道:我们可以认为月亮居于空间的一处,其随着时间而发生变化(右图),或者也可以认为它在时空中呈不变的螺旋形(左图),这与数学结构相对应。右图的空间快照只是左图时空的横向图。为了更明白些,我按比例来画月亮轨道并做了简化处理。要是有兴趣看看空间图(右图)和时空图(左图),读者也可以做几个横向图。


对于鸟儿和物理学家来说,过去和未来没有客观的定义。正如爱因斯坦所说,“过去、现在和未来的区别,只是人们顽固而持久的幻觉。”当想到此刻时,我们指的是有这个念头时所对应的时间段。我们认为未来和过去是时空段的上下部分。


这类似于这里使用的词语,在我前面和在我后面指的是相对目前所处位置不同地点。位于你前面的位置显然和后面的位置一样真实——如果你一直向前走,此刻正在你前方的人会在将来落在你后面,且他们正处于形形色色的人后面。与之类似,时空中的未来与过去一样真实——在将来,正处于未来时刻的时空阶段会成为你的过去。因为时空是静态而永恒不变的,因此没有任何阶段会改变其现实阶段,而所有的阶段必须一样真实。


时空的理念并不仅仅教会我们反思过去和将来的意义。它还向我们介绍了宇宙的数学属性。时空是纯粹的数学结构,就此意义来讲,除了数学属性,时空没有其他属性可言。例如,数字四是指其大小。在我的《宇宙的数学属性》这本书中,我谈到,不仅时空且我们的整个现实都是一个数学结构。根据定义,现实是存在于时空之外的一个抽象和永恒的实体。


时空管最有趣的部分不是其庞大的体积,而是其极其复杂的内部结构。


这实际上意味着什么?一方面,这意味着数学可以对宇宙进行出色的描绘。此说法的确适用于我们的宇宙,且几个世纪以来愈发明了,因为证明此说法的证据愈加增多。这个领域最近收获的成就便是希格斯玻色子[1]的发现,这与海王星及无线电波类似,起初都是用一支笔和数学方程式预测出来的。


数学可以大致地描述宇宙,意味着数学宇宙的一部分而非全部属性。宇宙具有数学属性意味着其所有物质都具有数学属性;还意味着宇宙除了数学属性不具有任何其它属性。如果我没错且该(推理)也没错的话,这对物理学来说是好消息,因为如果我们既聪明又富有创造力的话,宇宙的所有物质原则上都可以理解。这还意味着我们的现实要比我们曾想象的大的多,其包含了各种不同的宇宙,这些宇宙都可能在数学上遵循物理定律。


这种看待时空及其内部事物的新方式蕴含了审视自我的新方式。我们的思想、感情、自我意识及深深的自我存在感——所有这些于我来讲都没有数学感。但是,我们也是由同类的基本粒子构成,这些基本粒子构成了我们现实世界的其他一切事物,我认为这些事物是纯粹的数学。我们如何协调这两种看法?


青蛙和鸟儿对于现实世界的两种截然不同的看法。鸟儿从上空鸟瞰现实世界,其类似于研究时空的数学结构的物理学家,他们以物理方程来描述时空。而青蛙则居于鸟儿俯瞰到的地底。


第一步便是考虑作为时空结构,我们如何看待。宇宙论先驱乔治·伽莫夫将他的自传取名为《我的世界线》,爱因斯坦也用世界线这个词来指时空路径。然而,自己的世界线严格来讲并非是一条线:它没有非零层也不呈直形。1029个身体组成的基本粒子(夸克和电子)穿过宇宙大致形成了管状,与月亮轨道的螺旋形类似但却也愈加复杂。如果在水池中一圈一圈地游泳,部分时空管便会是之字形,如果荡秋千,那么时空管便是弯曲的。


但是,时空管最有趣的不是其庞大的体积,而是其极其复杂的内部结构。构成月亮的粒子堆在一起处于静态,而人的很多粒子则相对于它物处于不断运动中。例如,细想下构成人体的红细胞粒子。因为血液通过身体来传输所需的氧气,因此每个红细胞在时空中描绘出自己独特时空管形状,这与红细胞通过动脉、毛细血管和静脉,定期回到心脏和肺部的的复杂行程相一致。这些不同红细胞的时空管相互交织,构成了混乱的格局,正如下图“错综结构与生命”所示,这要比之前发廊中见到的任何东西还要复杂:传统的发辫有三股发丝,可能每股有三万根头发,这些发丝在一个简单重复的发型下相互交织,而时空“发辫”由上万亿条线组成(每一条代表一个红细胞),每条由发丝似的基本粒子的轨迹构成,它们在一个复杂的体系里相互交织,从不重复。换言之,如果假想一年的时间里呈现给好朋友一着实抓狂的发式,将每根头发都单独辫在一块,其复杂程度相比较的话还是会非常简单。


错综结构与生命:物体的运动与时空中的模式相对应。一组单调的10个加速粒子构成一个简单的图形(左图),而活体粒子则构成复杂的图形(中间的图),这与实现信息处理和其它重要程序的复杂运动相一致。当一个生物体死亡时,最终会瓦解,而其粒子则与其它粒子分离。这些简略图仅仅展现了十个粒子,而人的时空模式图包括1029个粒子,且其复杂度令人惊异。


然而,所有这些的复杂程度与大脑的信息处理模式相比较还是相形见绌。其大概有一千亿个神经元在不停地制造电子信号,这包括对数十亿上万亿的原子、特别是钠及钙离子的改组。这些原子的轨迹穿过时空构成了极其复杂的一团麻,这些原子复杂而相互交织的轨迹与其存储和处理信息相对应,从某种程度上,这引发了我们所熟悉的自我意识。在科研领域,大家普遍认为,我们都对此如何运作仍不了解。因此称我们人类并不完全了解自己为何物并不有失公允。然而,粗略地来讲,我们可以这么说:自己就是时空中的一种模式,一种数学模式。具体地说,你是时空中的一团麻——的确是所知的最复杂的模式之一。


一些人想到自己是一组粒子就会觉得不太开心。我20多岁时,当好友Emil称我另一好友Emil为“原子贵族”,并为了欺侮Swedish,称他为“原子堆”时,我当时乐得前俯后仰。但是,当有人说“我无法相信我只是一堆原子!”时,我不赞成使用“只”这个词:与他们的大脑相对应的时空复杂结构无疑是我们在宇宙中遇到的最极为复杂的,与其相比,世界上运行最快的电脑、大峡谷亦或甚至是太阳——这些的时空结构都非常简单。


在与人的生死相一致的时空“发辫”结构的两端,所有的线条会逐渐分离,这与所有粒子的连接、相互作用及最终各行其路的路径相一致。这使得整个生命的时空结构与树相似:与生命伊始相一致的底部是错综复杂的根部系统,这些根部系统与许多粒子的时空轨道相一致,它们渐渐融合成更粗的线条并以管状的躯干终结,而躯干则与目前的身体对应(如我以上描述,内部极似发辫)。与生命后期相对应,树的躯干分解为较细的枝干,与粒子各行其路直至生命终结的轨迹相对应。换言之,生命的模式在时间维度上大小有限,这与发辫似的生命模式最终在两端分离成一团卷发相对应。


将我们看做是时空中的数学发辫模式对我们无法理解意识这样的观点提出了挑战。其十分明确地表明,意识在未来某一天会以物质的形式来理解,它是对宇宙中最为复杂的时空结构衍生物。该理解在广泛的伦理、法律和技术启示下,可能可以在我们对待动物、反应迟钝的患者及未来的超智能机器上有所启发。


此为我的看法。然而,虽然关于现实世界不发生改变的观点弥足珍贵,并可以追溯至爱因斯坦,但其依旧存在争议,并引发了激烈的科学争论,因为我十分尊敬的一些科学家表达了很多观点。例如,不再将变化和创造这两个概念作为基本原理的说法上,布莱恩·格林的《隐藏的现实》中表示对此感到不安,他写道,“我更觉得是有一个过程,但是对于制造多元宇宙的猜想却没有把握。”李·斯莫林在他的《时光重生》中进一步谈到,不仅仅变化是真实的,而且时间可能是唯一真实的事物。相反,朱利安·巴伯在《时光尽头》中指出,变化只是一种幻觉甚至无需时间这个概念的出场,我们甚至都可以描述现实世界。


如果我们发现了时光的最终本质,这会回答当今物理学家面临的许多最激动人心的未解之题。在宇宙大爆炸[2]之前,时间有开端么?它最终会结束么?它是来源于永恒的量子模糊继而最终瓦解么?我们物理学家还未发现量子引力的数学理论,该理论将有力地回答上述问题,但是不论该“万有理论”最终为何物,时光将是解谜的关键。


译注:


[1]希格斯玻色子,别称上帝粒子,是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。它是标准模型中最后一种未被发现的粒子。它可以帮助解析为何其它粒子会有质量。有科学家认为,“上帝粒子”的名称是媒体误导读者的夸大之词。2011年12月13日,欧洲核子研究中心科学家示,他们发现了希格斯玻色子存在的迹象。但经考虑实验其它误差之后,宣布实验结果无效。2012年7月4日科学家宣布发现了一个新粒子,与希格斯玻色子特征有吻合之处。


[2]宇宙大爆炸是一种关于宇宙起源的学说,是根据天文观测研究后得到的一种设想。大约在150亿年前,宇宙所有的物质都高度密集在一点,有着极高的温度,因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后,物质开始向外大膨胀,就形成了今天我们看到的宇宙。


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