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编译:全志钢 当物理渐渐突破现实…… 19世纪以来，一些特立独行的物理学家一直在捍卫 这样一个观点：信息才是理论物理学的基本概念。 让我们对这场渐渐激烈的争论作一番回顾吧。 “It from bit”。埃里克．韦尔兰德所作的把引力变成 一种全息屏幕的研究似乎印证了美国物理学家约翰 ．阿奇博尔德．惠勒(John Archibald Wheeler)的这句 名言：“一切源自信息”。 埃里克．韦尔兰德建议 不要把引力看成一种具有物质起源的基本力，而应 该认为它是从我们宇宙边界上沸腾着的信息旋涡中 浮现出来的。 这一视角令人兴奋：就像显现在计算机屏 幕上的虚拟世界一样，世界的每一个元素 —粒子、场、力、时空—都应该是从由 “0”和“1”构成的处理程序中浮现出来的 。我们以为真实的一切，包括我们周遭的 世界、转来转去的星球以及向下坠落的苹 果，可能都只是一个幻觉、一个由混沌一 团的信息流造成的幻象。 狂热的物理学家 可以想象这样的提法会在基础物理理论专家们中间激 起怎样的旋涡。因为，尽管大家在直觉上都能理解信 息是什么，可直到现在还没有任何人能够对它作出清 晰的定义。信息是由什么构成的？释放信息的是谁？ 传播信息的是谁？接收信息的又是谁？人们甚至还在 这些基本问题争论不休！在一些人看来，尽管信息的 定义并不清晰，但它仍是物理学的一个重要参数，应 该尽快将其纳入诸如量子力学和广义相对论等基础理 论之中。而在其他一些持怀疑态度的人看来，这一概 念之所以模糊，正是因为它只存在于前面提到的那些 人的（有问题的）脑海当中，因此必须不惜代价将它 从标榜探讨真实世界的物理学中剔除出去。 但在这场争论背后，存在着一个毋庸置疑的现象： 150年来，一股“信息论”的潮流一直在物理学 的各个领域里蔓延。一个如此模糊不清的概念怎 样侵入了这样的硬科学领域？这是长期的斗争、 争论和智慧碰撞的结果。 自从19世纪末这个概念初具雏形之时，就激起了 物理学家的热情。当然当时的人们用的并不是“ 信息”这个词，但表达的就是这个概念。彼时人 们用的词是“概率”，第一个提出这个概念的是 麦克斯韦（James Clerk Maxwell）。 1859年，正当物理学畅游在牛顿主义的海洋中之际 ，即“一切物理现象都应该用一种确定的物理学原 因来解释”这位苏格兰科学家就已经开始以概率论 为基础对热力学进行重新阐述。在他和奥地利人玻 尔兹曼（Ludwig Boltzmann，他于19世纪70年代完成 了对热力学的重新建构）看来，气体的温度与其构 成粒子的运动概率密切相关。法国巴黎第一大学科 技史及科技哲学研究所的研究员阿努克．巴伯鲁斯 （Anouk Barberousse）强调说：“这曾经掀起轩然大 波，因为对于当时绝大多数的学者来说，概率完全 是一种主观的概念，反映的是物理学家在自然面前 的无知。”因为在经典物理学中，某个现象的概率表 达的不是其真实存在，而是物理学家依据自己所拥 有的信息判断的其发生的可能性。 比如，如果一位天文学家宣称未来一百年间某颗 大陨石碰撞地球的机率为 1%，这是因为他掌握的 信息不足以帮助他作出确定的判断，这种概率是 与他的无知相关的。那颗陨石要么百分之百会撞 上我们，要么就不会撞上我们— “它有1%的可能 会撞上我们”这种答案并不是真实世界的选项。 然而，在麦克斯韦和玻尔兹曼同时代的人看来， 他们对于热力学方程的诠释所表达的似乎恰恰相 反：气体的温度这样一种非常真切的属性可能就 是与物理学家的无知状态密切相关的…… 不堪攻击 这太过分了！在许多物理学家看来，这种观点不啻 对他们追求客观性的努力的亵渎，是可忍孰不可忍 ，于是他们愤起攻击。但麦克斯韦和玻尔兹曼坚持 己见。麦克斯韦大胆地争辩道：“能量耗散的观点 与我们的认识拓展相关联。”而玻尔兹曼则因为不 堪攻击而在1906年自杀，但他对概率的执着化作格 言铭刻在了墓碑之上。 而到了 20世纪初，随着原子的存在得到证明，这种 对热力学的统计学阐释终于得到了接受，务实的物理 学家承认概率是能够对几十亿个同时运动的粒子作出 解释的唯一方式。但阿努克．巴伯鲁斯强调说：“有 关概率的性质究竟属于主观性与否的争论并未停歇， 现在这场争论又围绕着信息展开了。”曾任职于法国 原子能委员会（CEA）的物理学家吉勒．科昂 － 塔 努吉 （Gilles Cohen – Tannoudji）解释说：“从20世 纪30年代开始，里奥．席勒（Leo Szilard）以及后来 的莱昂．布里尤安（Leon Brillouin）等物理学家把概 率和信息这两个概念在一个方程式里联系起来，他们 根据某个物理系统的微观构成成分的状态概率来对该 系统所包含的信息加以确定。”这样一来，这两个概 念便产生了联系，而信息也就被卷入了这场论战…… “无法理解的”理论 上世纪30年代，随着20世纪最伟大的理论 － 量子 物理学粉墨登场，这场争论重又激烈起来。这门 用概率的语言进行表述的理论“是无法理解的” ，法国尼斯大学的名誉教授、量子学家米歇尔． 勒贝拉克（Michel Le Bellac）承认道，“尽管我们 非常擅长应用这一理论，而且它从来没有被挑出 过毛病”。这一理论讲的是什么？它讲的第一点 就是粒子的状态从本质上来说是不确定的：它表 现出多种状态的形式，而每一种状态都是由一个 （位置、速度、能量等）概率决定的。这个令人 生厌的词又出现了……于是争论又开始了！ 争论的一方以爱因斯坦代表，在“无知”这一论点上 纠缠不休。他们认为这项理论之所以高谈阔论概率， 就是因为它所提供的关于现实的信息是不完善的。 “我坚信，”爱因斯坦写道，“量子理论的统计学 特征完全是由于这样一个事实造成的，即它所依据 的是对于物理系统的一种不完全的描述。”在持有 这种现实主义立场的人看来，我们不能停留在由我 们的无知所造成的这种模糊的描述上，而必须努力 对其加以完善。而以玻尔（Niels Bohr）为代表的另 一方的立场则较为奇特，但这种立场最终占据上风。 玻尔写道：“并没有什么量子世畀，有的只是一种 抽象的量子描述。那种认为物理学的任务是了解自 然的观点是错误的。 物理学要关注的，只是我们对于自然能说些什么。” 物理学所描述的，到底是世界本身还是我们对世界的 所知？20世纪30年代至50年代，爱因斯坦的支持者和 玻尔的支持者就此公开对立…乃至彼此生厌---- “我不 喜欢‘量子力学’，我很失望，我永远不会理会它。” 量子力学理论的创立者之一薛定谔（Erwin Schrodinger）语带嘲讽地说道。这场争论是如此地令 人疲惫且没有成果，终于在20世纪60年代前夕被人埋 葬。“别争吵了，去计算吧！”美国人理查德德．费 曼（Richard Feynman）说。他是惠勒的学生，后来成 为最具影响力的一位物理学家。 可叹！信息这一概念---以及与它如影随形的争论---在 20世纪70年代初在一个意想不到的领域里再次出现。 为了证明黑洞视界的大小与其吞噬的物质所包含的信 息成正比，斯蒂芬．霍金与雅各布布．伯肯斯坦 （Jacob Bekenstein，也是惠勒的学生）又把这种信息 论病毒掳带到了宇宙科学之中。到了上世纪80年代， 人们开始对此坚信不疑。惠勒提出：“就像信息是计 算机的核心一样，把信息想象成物理学的核心并不是 没有道理的。”这促使他的一些学生，包括美国人塞 斯．洛伊德（Seth Lloyd），开始把宇宙看成一台能够 同时处理1090比特运算的巨型计算机… 我们之所以能够在理论物理学领域公开谈 论比特的概念，实际上是信息学与量子力 学在 20世纪80年代末发生交集的结果。那 场交集又将曾经的争论推向前台。随着计 算机渐渐渗入我们的日常生活，物理学家 终于明白，通过无限小的法则就可以用一 种从根本上完全不同的方式对信息进行操 纵。于是他们痴迷上了量子计算机、量子 密码学、量子隐形传输… 数学公式化 这时，他们就有了一个惊喜的发现！“物理学家从 上世纪90年代开始提出的量子信息理论的语言显然 比上世纪20年代的语言更适于描述和理解某些量子 现象。”法国原子能委员会物质科学研究实验室的 亚历克赛．格兰博姆（Alexei Grinbaum）总结道。 玻尔所捍卫的论点受到了逐字逐句的审视：量子力 学所谈论的或许并非波或者粒子，而可能只是信息 ？或许对这一理论进行阐述的难度是由这样一个事 实造成的，即它的方程式所涉及的并非世界，而是 人们可以从中提取的信息？这种观点很快便通过一 些令人印象深刻的数学结论而实现了公式化。 从本世纪初开始，多位理论学家，如美国马里兰 大学的杰夫．鲍伯（Jeffrey Bub）、贝尔-朗讯科 技实验室的克里斯托弗．福熙（Christopher Fuchs） 以及亚历克赛．格兰博姆都证明了怎么样能够从 这样一个简单的信息姿态部分或全部推导出那奇 特的量子理论。 埃里克．韦尔兰德的研究工作正是沿着这个方向 前进的。杰夫．鲍伯评论它“令人着迷而且非常 贴切”，克里斯托弗．福熙则“真正在韦尔兰德 的新方向和自己的研究计划之间找到共呜”。亚 历克赛．格兰博姆打算就韦尔兰德的建议发表一 篇哲学分析，因而拒绝透露自己对他的评论。 那么，信息能否掀起物理学的革命？目前尚无人 能知。因为争论并未终结。一方面，宣扬革命的 人们不断鼓吹他们观点之高明，因为通过与信息 流相关的法则就能够推导出基础物理学的大部分 理论。而另一方面，反对信息概念的人们则强调 前者的理论缺乏清晰度和准确性。因为在他们看 来，谈论信息这一概念，就意味着强调接收信息 的观察者的作用。比利时鲁汶天主教大学理论物 理学教授让．布里克蒙（Jean Bricmont）问道： “这个‘观察者’到底是什么呢？这是一个模糊 的概念，似乎与人类的精神相关。”而人类的精 神属于认知科学而非物理学范畴。 白热化的争论 经过了一个半世纪，如今这场争论已经达到白热化 程度。尽管信息的概念招致了一些人的厌恶，尽管 围绕着它还有很多说不清道不明的混沌，但这一概 念已经先后成功地打入了无限复杂的热力学世界、 无穷小的量子力学世界、无穷大的宇宙学世界。而 在埃里克．韦尔兰德的努力下，现在它开始进入这 个我们无限熟悉的萍果纷纷堕向地面的世界… 物理学家必须要下定决心勇敢直面这样一个长久以 来他们都不愿意正视的简单问题：各种物理学理论 描述的世界是不是真实的？或者那些纷纷堕地的萍 果只不过是一个幻象？