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新手已上路木蟲 (職業(yè)作家)
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探秘計算之源，你或許能理解計算機強大抽象能力的原因所在 已有1人參與
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計算機的兩個特點讓這種靈活性成為可能。首先，計算機是可編程的。也就是說，我們可以通過輸入一條恰當?shù)闹噶顏砀淖冇嬎銠C的行為。其次，計算機是通用的。只要計算機有足夠的內(nèi)存和時間，我們可以通過恰當?shù)某绦蜃層嬎銠C執(zhí)行任意的算法流程。 可編程性和通用性的觀念嵌入我們文化如此之深，以至于小孩子都對它們很熟悉。但它們曾是歷史上的重大突破。圖靈在1937年的一篇論文中形成了這兩個概念，圖靈認為一個通用的可編程的計算機可以計算任意的算法流程。圖靈所描述的機器——圖靈機——是現(xiàn)代計算機的祖先。 如果你對這臺計算機有了透徹的理解，那么你就理解了所有的物理過程。 為了證實他的論斷，圖靈需要證明他的通用計算機能運行任意的算法流程。但這并不容易。在圖靈的時代，還沒有正式的算法這個概念，也沒有一個嚴謹?shù)臄?shù)學定義。然而，數(shù)學家已然發(fā)現(xiàn)許多可以用來測試的特定算法，比如說加法、乘法以及判定一個數(shù)字是不是質(zhì)數(shù)。對圖靈來說，演示這些已知算法可以在他的通用計算機上運行是頗為簡單的。但是，這并不夠。圖靈還需要更強有力的證據(jù)證明，他的通用計算機可以運行任意算法，包括所有可能在未來發(fā)現(xiàn)的算法。為此，圖靈發(fā)展了一系列想法，每個都可以為他的理念提供非形式的辯護。然而，最終，他還是因自己發(fā)表的言論缺乏正式定義而感到不適，他說：「所有的論證在本質(zhì)上勢必會求助于直覺，因此，會在數(shù)學上令人不滿�！� 1985年，物理學家David Deutsch在理解算法本質(zhì)上取得了另一個重要的進步。他觀察到，算法流程必須由物理系統(tǒng)執(zhí)行。這個流程能夠以多種方式發(fā)生——一個人用算盤運算兩個數(shù)的乘法，顯然不同于一個硅片運行飛行模擬器。但是，二者都是物理系統(tǒng)的案例，也都服從相同的物理法則。由這點出發(fā)，Deutsch陳述了如下原理（我會用他的原話——盡管用語是專業(yè)的，它還是很容易理解的，而且看到原來的表述頗為有趣）： 每個有限的可實現(xiàn)的物理系統(tǒng)，都能由一臺通用型計算機通過有限的手段來完美模擬。 換句話說，你可以用一臺通用計算機去模擬任意的物理過程。這是一個令人驚嘆的顛覆性觀點：一臺計算機能有效的蘊含物理法則支配下的所有東西。想要模擬一顆超新星嗎？或是黑洞的形成？抑或是大爆炸？Deutsch的原理告訴我們，通用計算機能夠模擬它們。也可以說，如果你對這樣一臺機器有了透徹理解的話，你也就理解了所有的物理過程。 Deutsch的原理要比之前圖靈非正式理論更合理。如果Deutsch這個原理是正確的，那么，就會自動證實通用計算機能模擬任意的算法流程——因為算法流程本質(zhì)上是物理過程。你可以用通用計算機模擬算盤上的加法、在硅片上運行飛行模擬器，或是做其它你想做的事。 而且，不同于圖靈的非正式論證，Deutsch的原理是可證實的。特別是我們可以想象用物理法則推斷算法的實質(zhì)。那將為圖靈對物理法則的非正式論證提供支持，也為有關(guān)何為算法的觀點提供了一個更堅實的基礎(chǔ)。 這樣的嘗試將有助于在兩個方面修正Deutsch的原理。首先，我們必須將量子計算機納入我們的計算機概念中。這不會在原則上改變可以被模擬的物理過程的類別，但是，它可以讓我們快速有效的模擬量子過程。這點很重要，因為量子過程在傳統(tǒng)計算機上的模擬經(jīng)常如此之慢以致于幾乎不可能實現(xiàn)。其次，我們必須放寬Deutsch的原理——我們要允許特定相近程度上的模擬而非完美的模擬。這是系統(tǒng)模擬內(nèi)涵的一個弱概念，但它對原理的應(yīng)用幾乎是必要的。 這兩個改動讓Deutsch的原理變成了： 每個有限的可實現(xiàn)的物理系統(tǒng)都可以由一臺通用型（量子）計算機通過有效的手段在近似程度上有效的模擬。 至今還沒有人能成功的從物理法則中推衍出這種形式的的Deutsch原則。部分原因是，我們還不知道物理法則是什么!尤其是我們還不知道怎么將量子力學和廣義相對論統(tǒng)一起來。也因此我們對是否能用計算機模擬涉及到量子引力的過程（比如說黑洞蒸發(fā)）還抱有疑問。 但是，即便沒有量子引力理論，我們還可以問：計算機是否能模擬現(xiàn)代物理的最佳理論——粒子物理標準模型（Standard Model of particle physics)以及廣義相對論。 研究者們正在積極的回答這些問題。在過去的幾年，物理學家John Preskill和他的同事們已經(jīng)演示了怎么用量子計算機有效的模擬幾個簡單的量子場理論。你可以認為這些是粒子物理標準模型的原型。它們沒有含括標準模型的全部復雜性，但是卻擁有它的一些基本理念。盡管Preskill和他的同事沒有成功的解釋該怎么模擬完整的標準模型，他們卻克服了這個任務(wù)會遇到的許多技術(shù)阻礙。接下來幾年，人們可能會發(fā)現(xiàn)Deutsch原則對標準模型的證明。 廣義相對論的情況則更模糊。廣義相對論介紹了奇點，而它撕裂時空的方式還沒有完全被人所理解。雖然有數(shù)名相對論學者發(fā)展出許多模擬特定物理場景的技術(shù)，然而據(jù)我所知，人們尚未對怎么有效的模擬廣義相對論做出系統(tǒng)的、徹底的分析。它是個有趣的開放問題。 博學者Herbert Simon在他的書 《The Sciences of the Artificial》中辨析了自然科學（比如說物理系和生物學）——我們在其中學習自然發(fā)生的系統(tǒng)，以及人造科學（像是計算機科學和經(jīng)濟學）——我們在其中學習人造的系統(tǒng)。 我們初始印象可能會認為，人造科學是自然科學的特殊部分。但就如Deutsch原理所表明的那樣，人造系統(tǒng)的組成部分（像是計算機）和自然發(fā)生系統(tǒng)的一樣繁雜。我們可以想象，不僅用計算機去模擬已有的物理法則，甚至有可能用它去模擬可能的物理實體。正如計算機科學家Alan Kay所說的那樣：「在自然科學中，自然給了我們一個世界，我們僅是去發(fā)現(xiàn)它的原理。而在計算機中，我們可以用法則去填充它，創(chuàng)造一個新世界。」Deutsch原理提供了一個連接自然科學和人造科學的橋梁。我們就快要證明這個基礎(chǔ)的科學原則了，這令人感到興奮。 |
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海森堡之謎
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2樓2015-11-26 09:16:52
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