物理学家喜欢模型思维,并且笃信奥卡姆剃刀原则,也就是说,在一个好的模型下,我们可以简洁、优雅地,更重要的是,用最少的知识与经验来作出正确的,符合自然行为的预测。
历史上这样成功的模型不多,牛顿的机械世界观,爱因斯坦的时空论,而大多数其他的工作都有赖于足够多的知识,也就是经验来作出预测,理解世界。近年来火的一塌糊涂的人工智能就是在尝试更高效地利用人类社会大量积累的经验。但我想在爱因斯坦的眼里,他或许不太会喜欢机器学习这类东西。
1925年,爱因斯坦与学生一同散步时,表达了他的核心观点:“我想知道上帝是如何创造这个世界的。我对这个或那个现象,这个或那个元素的能谱不感兴趣。我要知道的是他的思想;其余的都是细节。” 在他看来,那些需要额外的人为添加的信息都是不自然的东西,因而不是上帝的思想。
我举这个例子不是要说爱因斯坦一定不会为今天人工智能所取得的成绩骄傲,也不是要指责人工智能和经验打交道,我没有充分的理由做这样的论断,事实上人工智能技术底层的物理学与数学是非常深刻的。我真正想讨论的是,我们必然要面对思想模型和经验知识之间的鸿沟。或者至少说,为数不多的基本法则和真实的运转细节之间是有些距离的。爱因斯坦之所以嗤之以鼻那些“细节”,是因为这些细节完全毁坏了定律的简洁美与秩序,繁杂的计算步骤与操作算法只会让我们感到混乱而不是秩序。但这些细节似乎是追求简谐与统一的我们永远也无法消除的东西,因为科学最本质的核心任务是写实并作出预测,而实际情况总是蕴含着复杂的关系与大量的信息,它们淹没了一切的简单形式。
只能说上帝的思想太过稀疏,大多数的复杂性都没有落入基本原理的限制中,它们当然不会违背基本法则,但仅通过基本法则无法得出它们的具体行为,它们是那样的难以捉摸,就像遍地游走的哥布林。只能说上帝很懒,他只告诉我们朝北穿过森林,注意峡谷和荆棘,我们却对即将遇到的一切一无所知,必须如算法一般,一步一步小心翼翼地前进。
正如拧一个魔方,它的构造与对称性其实很简洁,但从任意一个位置要返回原始状态必须要经历一步一步的变换,变换或许不止一种,但它的物理构造无法限制哪一种应该被采用。
换句话说,复杂性是涌现的,它也似乎是非本质的,但它惊奇地决定着我们所能测量的。在不同的维度与层次上,所见绝非一种图景。被限制在地球二维表面的生物要穿过山脉,则所见群山巍峨、荆棘丛生、山溪涓流,身处其中,方向尽失。而飞翔在天际的雄鹰是三维的视角,千山万壑不过是平面上的褶皱,何去何从,清晰无比。一旦雄鹰落地,仍然需要处理天空中没有的杂乱与复杂度。
一个有趣的例子是分子系统。我们知道每个分子的运动在埃米到纳米尺度都可以用牛顿定律来描述。对每个分子而言,描述它只需要速度和位置;但当大量分子聚在一起,就会涌现出压强、温度、相态这些性质,要基于分子性质去了解这些信息非常困难。有意思的是,热力学可以在完全不知道分子层次信息的情形下,建立正确的宏观量之间的关系,这些涌现出来的性质之间也会出现秩序。同时,一个比较大的系统可以根据环境的不同自发地形成特定的功能,就像有很多人组成的社群会自发的形成社会分工与阶层一样。如果我们进一步增大空间尺度,上述可以产生相态的分子集团继续聚集达到宏观尺度,则我们来到流体力学的范畴,这时又会涌现出湍流等等新的复杂度。你无法通过分子层次这个看起来更基本的层次去完全解释湍流,你总是需要一些只属于这个层次的概念和物理量。就像一个个俄罗斯套娃,又或者说,继续之前的类比,虽然已经建立了国家内部的秩序,但一旦这个国家和其他的国家开始交流,则又会涌现出新的复杂度,它们可能会贸易,文化交流,甚至战争。你无法仅用国民的行为来解释外交现象,有一些解释权是只属于外交层面的。
所以,问题的核心在于,More is different. 这句话本是凝聚态物理的座右铭,意思是一个系统的性质不等于各个部分的和,因为它们内部有相互作用。
这里我想从另一个角度来解读这句话。那就是芝诺之圆。古希腊哲学家芝诺说,假设我们能用一个圆来包络我们所有已知的知识与经验,那么在这个圆之外的一切就都是未知的;这个圆的周长则是已知与未知的边界。设想我们通过学习与探索,我们的经验与知识越来越多,圆的面积越来越大,同样的,我们面临的未知也越多,因为周长变长了,新的复杂性不断涌现出来。换句话说,你知道的越多,不知道的也越多。认知半径太小,甚至都不知道自己不知道。所以说多而不同,是多了之后涌现出新的复杂度与未知了。
让我们从反方向去回溯前面的过程。按照早期的伯努利、欧拉等人发展的连续介质流体观点,人们已经可以预测流体内的压力分布、流动能量损耗等信息,可以设计飞行器的形状与考虑湍流的影响。直到有一天有人发现流体是由一个个微小的分子构成的,这显然是个认识上的巨大进步,但却打开了新的未知,如何描述这些分子的集体行为?这些离散的分子怎么会导致连续的流动?到了有人发现分子的行为可以解释之后,我们又发现有些现象是分子理论解释不清的,这引导人们发现了更小尺度上的量子力学。但这个过程会一直持续下去么?会存在一个最小的俄罗斯套娃吗?没有人知道。
我们会发现在每个层次上都会有秩序与法则,从量子力学到热力学,再到流体力学,更甚至于到人体,到社会,再到精神领域。当然,每个层次也有它特定的复杂度,流体力学中我们怎么也找不到纳维叶·斯托克斯方程的通解,热力学中我们也没有充分理解时间可逆的微观力学怎么就过渡到了时间不可逆的热力学,精神领域我们也不清楚意识的起源。但一旦我们要跨越不同的层次,就会涌现出新的复杂度与概念。这意味着一个悲观的事实,根本就不存在所谓的“万物理论”。即使你已经完备描述了所有基本粒子的行为,从轻子到强子到介子等等,描述了所有的基本作用力,从电磁力到强核力到弱核力再到引力,但这仍不足以解释这些基本粒子和基本力是如何共同组建了一个丰富多彩的世界,包含生命的世界。
这很恼人,不是么。你会问,无穷无尽的问题需要解决,需要回答,没有终点。那我们的探索还有意义么?
我们有方向,那是不断的去剥开自然秘密的洋葱,就像理查德·费曼所设想的那样,就像前文我们所回溯的那样,我们笃信真理就在前方;但迷失总是与方向共生,或者说如芝诺之圆,没有方向,都无法意识到什么是迷失。我们迷失这样的探索究竟将我们带向何方。自然的洋葱永远都剥不完,解决了问题只会涌现出更多的问题,并且更难,更深刻。是什么样的自然结构才能容纳如此的属性啊?无穷嵌套着无穷!
对于每一个略微挑剔的人来说,这种境况都像一个白色盘子上的黑点,你总想擦掉它,但你发现擦掉它之后盘子又被你抹布上的污渍弄脏了。不管怎样,都得不到一个完全白净的盘子。哦,也许你会说,问题就出在你用的抹布上,你为何不用一张干净的抹布呢?令人悲伤的是,不存在绝对干净的抹布。所以当一切都结束的时候,盘子还是脏的,那有什么实质性的改变呢?
没错,你学会了怎么去更好的擦干净一个盘子。这,也许就够了。
计算机科学先驱阿兰·图灵说,“We can only see a short distance ahead, but we can see plenty there that needs to be done.”- 我们只能向前看到一小段未来,但我们可以在那里看到足够多可以做的事。很难说当代一个受过良好教育的人,一个理解银河系、理解宇宙演化史、理解现代社会法则的人和16世纪一个仍然相信地球是平的的人有什么本质的区别。看起来16世纪的你一定会比21世纪的你更愚蠢,但从未知的方面看,两者其实同等幼稚。今天宏大的宇宙观可能就是另一个版本的平坦地球,如果被25世纪的人观察的话。正因为如此,图灵的话才会有意义。正是因为所有人都没有大自然聪明,才会有文明的发展,才会有人秉持真理去挑战所谓的人类权威;正是因为问题永远都无法完善,才会有生机与希望,才会有足够多的工作可以做 - 一个有趣的例子是,当年的流体力学课程上,亚利桑那州立大学的Chen教授对我们说,如果纳维叶·斯托克斯方程真的被解决了,那我们这些人就都失业了。我想我应该不会喜欢失业,但我同时可以确定的是,如果真的存在一个单一的解释一切的理论,那它一定是没有活力的,因为在那里一切都是确定的,因此也不可能会有概率产生任何新的东西。
所以事实是,越探索,越迷失;越迷失,越探索。这就像一个引擎,驱动着理性精神不断前进,芝诺之圆不断扩张。这正是生机所在,而图灵所说的足够多可以做的事,就是这个生机的具体源泉。爱因斯坦穷其一生追求的“上帝的思想”,在某种意义上也只是短暂的未来,虽然它已经足够深刻。在我们有限的生命中,在文明有限的生命中,将永远面临芝诺之圆的困境,方向,迷失,方向,迷失… 我们不过是密闭飞船中的旅客,对飞船外的一切毫无知觉,只知道它在前进,但对它为何存在,从何来,在哪里,去向何方一无所知。人类文明尚且如此,更何况微渺的个体。
而我,就是那个微渺的个体,那粒飘扬的星尘。
所以我想实际上图灵是在说,既然都离不开这艘飞船,那就让我们在这里做一些可以做的事吧,或许会有些惊喜也说不定呢。
回顾在北京的三年,学习,思考,努力将生活的白草根嚼出百味,也寄托了我的青葱岁月。我从不畏惧成为一个loser,我也从不想和任何人竞争。因为我们的命运最终是一体的。只有当我周围的人们都幸福时,我也才会幸福;只有当我周围的人们都获得尊严时,我也才会挺胸抬头。特别欣赏著名理论物理学家李·斯莫林所说:当今世界没有多少人比爱德华·威滕(超弦理论大牛)更加聪明,按理说我每天都应该生活在他的阴影之下,但要知道,大自然比我们所有人都聪明,因此我总是有机会作出我独特的贡献。
所以勇敢的迈出步伐吧,纵使漂泊浮荡,奔波求索。莫须问生命的意义为何,因为本来就没有意义。只要你想到,组成你的身体的那些原子,诞生于宇宙之初,穿越140亿年的时空和无数的偶然事件,最终到了这里组成了无与伦比的你,这本身就是一个奇迹,一种神圣,一种宇宙演化史的绝美升华。而当我们笃定了探索的决心,不断地去拓展芝诺之圆,便是和我们的起源对话,便是完满的意义。
芝诺之圆是每个人的圆,你可以是物理学家,数学家,也可以是生物学家,或者是社会学家,农民,建筑工人,舞蹈演员,我们都需要去找到一种对话方式,来拓展这个圆。这就是我们的宿命。我们虚怀若谷,是因为我们深知知也无涯吾生有涯。