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新手已上路木蟲(chóng) (職業(yè)作家)
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探秘計(jì)算之源，你或許能理解計(jì)算機(jī)強(qiáng)大抽象能力的原因所在 已有1人參與
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計(jì)算機(jī)的兩個(gè)特點(diǎn)讓這種靈活性成為可能。首先，計(jì)算機(jī)是可編程的。也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)輸入一條恰當(dāng)?shù)闹噶顏?lái)改變計(jì)算機(jī)的行為。其次，計(jì)算機(jī)是通用的。只要計(jì)算機(jī)有足夠的內(nèi)存和時(shí)間，我們可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)某绦蜃層?jì)算機(jī)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(duì)它們很熟悉。但它們?cè)菤v史上的重大突破。圖靈在1937年的一篇論文中形成了這兩個(gè)概念，圖靈認(rèn)為一個(gè)通用的可編程的計(jì)算機(jī)可以計(jì)算任意的算法流程。圖靈所描述的機(jī)器——圖靈機(jī)——是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的祖先。 如果你對(duì)這臺(tái)計(jì)算機(jī)有了透徹的理解，那么你就理解了所有的物理過(guò)程。 為了證實(shí)他的論斷，圖靈需要證明他的通用計(jì)算機(jī)能運(yùn)行任意的算法流程。但這并不容易。在圖靈的時(shí)代，還沒(méi)有正式的算法這個(gè)概念，也沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)定義。然而，數(shù)學(xué)家已然發(fā)現(xiàn)許多可以用來(lái)測(cè)試的特定算法，比如說(shuō)加法、乘法以及判定一個(gè)數(shù)字是不是質(zhì)數(shù)。對(duì)圖靈來(lái)說(shuō)，演示這些已知算法可以在他的通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行是頗為簡(jiǎn)單的。但是，這并不夠。圖靈還需要更強(qiáng)有力的證據(jù)證明，他的通用計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行任意算法，包括所有可能在未來(lái)發(fā)現(xiàn)的算法。為此，圖靈發(fā)展了一系列想法，每個(gè)都可以為他的理念提供非形式的辯護(hù)。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(shuō)：「所有的論證在本質(zhì)上勢(shì)必會(huì)求助于直覺(jué)，因此，會(huì)在數(shù)學(xué)上令人不滿�！� 1985年，物理學(xué)家David Deutsch在理解算法本質(zhì)上取得了另一個(gè)重要的進(jìn)步。他觀察到，算法流程必須由物理系統(tǒng)執(zhí)行。這個(gè)流程能夠以多種方式發(fā)生——一個(gè)人用算盤(pán)運(yùn)算兩個(gè)數(shù)的乘法，顯然不同于一個(gè)硅片運(yùn)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(diǎn)出發(fā)，Deutsch陳述了如下原理（我會(huì)用他的原話——盡管用語(yǔ)是專業(yè)的，它還是很容易理解的，而且看到原來(lái)的表述頗為有趣）： 每個(gè)有限的可實(shí)現(xiàn)的物理系統(tǒng)，都能由一臺(tái)通用型計(jì)算機(jī)通過(guò)有限的手段來(lái)完美模擬。 換句話說(shuō)，你可以用一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)去模擬任意的物理過(guò)程。這是一個(gè)令人驚嘆的顛覆性觀點(diǎn)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)能有效的蘊(yùn)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(jì)算機(jī)能夠模擬它們。也可以說(shuō)，如果你對(duì)這樣一臺(tái)機(jī)器有了透徹理解的話，你也就理解了所有的物理過(guò)程。 Deutsch的原理要比之前圖靈非正式理論更合理。如果Deutsch這個(gè)原理是正確的，那么，就會(huì)自動(dòng)證實(shí)通用計(jì)算機(jī)能模擬任意的算法流程——因?yàn)樗惴鞒瘫举|(zhì)上是物理過(guò)程。你可以用通用計(jì)算機(jī)模擬算盤(pán)上的加法、在硅片上運(yùn)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(shí)的。特別是我們可以想象用物理法則推斷算法的實(shí)質(zhì)。那將為圖靈對(duì)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(diǎn)提供了一個(gè)更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 這樣的嘗試將有助于在兩個(gè)方面修正Deutsch的原理。首先，我們必須將量子計(jì)算機(jī)納入我們的計(jì)算機(jī)概念中。這不會(huì)在原則上改變可以被模擬的物理過(guò)程的類別，但是，它可以讓我們快速有效的模擬量子過(guò)程。這點(diǎn)很重要，因?yàn)榱孔舆^(guò)程在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上的模擬經(jīng)常如此之慢以致于幾乎不可能實(shí)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(gè)弱概念，但它對(duì)原理的應(yīng)用幾乎是必要的。 這兩個(gè)改動(dòng)讓Deutsch的原理變成了： 每個(gè)有限的可實(shí)現(xiàn)的物理系統(tǒng)都可以由一臺(tái)通用型（量子）計(jì)算機(jī)通過(guò)有效的手段在近似程度上有效的模擬。 至今還沒(méi)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(xué)和廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)。也因此我們對(duì)是否能用計(jì)算機(jī)模擬涉及到量子引力的過(guò)程（比如說(shuō)黑洞蒸發(fā)）還抱有疑問(wèn)。 但是，即便沒(méi)有量子引力理論，我們還可以問(wèn)：計(jì)算機(jī)是否能模擬現(xiàn)代物理的最佳理論——粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model of particle physics)以及廣義相對(duì)論。 研究者們正在積極的回答這些問(wèn)題。在過(guò)去的幾年，物理學(xué)家John Preskill和他的同事們已經(jīng)演示了怎么用量子計(jì)算機(jī)有效的模擬幾個(gè)簡(jiǎn)單的量子場(chǎng)理論。你可以認(rèn)為這些是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的原型。它們沒(méi)有含括標(biāo)準(zhǔn)模型的全部復(fù)雜性，但是卻擁有它的一些基本理念。盡管Preskill和他的同事沒(méi)有成功的解釋該怎么模擬完整的標(biāo)準(zhǔn)模型，他們卻克服了這個(gè)任務(wù)會(huì)遇到的許多技術(shù)阻礙。接下來(lái)幾年，人們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)Deutsch原則對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的證明。 廣義相對(duì)論的情況則更模糊。廣義相對(duì)論介紹了奇點(diǎn)，而它撕裂時(shí)空的方式還沒(méi)有完全被人所理解。雖然有數(shù)名相對(duì)論學(xué)者發(fā)展出許多模擬特定物理場(chǎng)景的技術(shù)，然而據(jù)我所知，人們尚未對(duì)怎么有效的模擬廣義相對(duì)論做出系統(tǒng)的、徹底的分析。它是個(gè)有趣的開(kāi)放問(wèn)題。 博學(xué)者Herbert Simon在他的書(shū) 《The Sciences of the Artificial》中辨析了自然科學(xué)（比如說(shuō)物理系和生物學(xué)）——我們?cè)谄渲袑W(xué)習(xí)自然發(fā)生的系統(tǒng)，以及人造科學(xué)（像是計(jì)算機(jī)科學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)）——我們?cè)谄渲袑W(xué)習(xí)人造的系統(tǒng)。 我們初始印象可能會(huì)認(rèn)為，人造科學(xué)是自然科學(xué)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(jì)算機(jī)）和自然發(fā)生系統(tǒng)的一樣繁雜。我們可以想象，不僅用計(jì)算機(jī)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(shí)體。正如計(jì)算機(jī)科學(xué)家Alan Kay所說(shuō)的那樣：「在自然科學(xué)中，自然給了我們一個(gè)世界，我們僅是去發(fā)現(xiàn)它的原理。而在計(jì)算機(jī)中，我們可以用法則去填充它，創(chuàng)造一個(gè)新世界�！笵eutsch原理提供了一個(gè)連接自然科學(xué)和人造科學(xué)的橋梁。我們就快要證明這個(gè)基礎(chǔ)的科學(xué)原則了，這令人感到興奮。 |
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海森堡之謎
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