我们的宇宙是一台巨型计算机么？
美国计算机科学家兼物理学家爱德华·弗雷德金 (Edward Fredkin) 2023年6月去世，时年88岁。很少人关注到他的逝世。诚然，弗雷德金不如他同时代的某些人那样家喻户晓，但他对自己所涉足的两个学科产生了巨大的影响。
弗雷德金的核心观点：物理定律（甚至宇宙本身的定律），本质上都是计算机算法的结果。 当然，还有许多人对此仍不买账。弗雷德金“数字物理”的观点起初完全没说服力，现在却几乎成为主流。加拿大计算机科学家诺曼·马戈卢斯 (Norman Margolus) 是弗雷德金的长期合作者，也是他唯一的物理学博士生。他说：“曾几何时，说计算科学可以告诉你有关物理学的任何知识，人们会认为你完全疯了。如今世界变了，人们非常尊重这种想法。”
弗雷德金：世界上最早的计算机程序员之一
弗雷德金1934年10月2日出生于美国洛杉矶，是家中四个孩子中最小的。他的父母是来自俄罗斯的移民，两人在洛杉矶相遇。母亲是钢琴家，在弗雷德金11岁时去世；父亲是商人，在1929年的股市崩盘中一贫如洗，所以弗雷德金成长过程中家境贫穷。10岁那年，他就购买化学品自制烟花，这在当时的洛杉矶是不合法的。1951年他以很好的入学成绩进入加州理工学院学习，但因为他总是不做作业成绩并不好。此外，他需要打两份工但仍然经济紧张。于是他1952年退了学。
弗雷德金1953 年大一退学后，加入美国空军，成为一名战斗机飞行员，并最终成为紧编队喷气机飞行员精锐部队的教官。空军让他研究计算机科学，并于1956年派他到位于列克星敦的麻省理工学院 (MIT) 林肯实验室，拿计算机处理雷达信息来指引飞行。弗雷德金1958年离开空军，加入了位于马萨诸塞州剑桥的先驱计算公司 （Bolt Beranek & Newman，BBN，现已并入雷神公司）。1959年12月，弗雷德金在波士顿东部联合计算机会议上看到PDP-1计算机原型后，建议公司购买一台PDP-1以支持BBN的研究项目。新硬件最初交付时没有任何软件，于是弗雷德金编写了名为 FRAP（无规则汇编程序，有时也称为弗雷德金汇编程序）的 PDP-1 汇编语言及其第一个操作系统 (OS)。 弗雷德金直接与PDP-1的设计者本·戈弗雷（Ben Gurley）合作，对硬件进行了重大修改，以支持通过BBN分时系统进行分时。 他发明并设计了第一个现代中断系统。他于1961年组织并创立了数字设备计算机用户协会 (DECUS)，并参与了其早期项目。
PDP-1最早于1959年生产，微型计算机上的第一个游戏《太空大战Spacewar》就是在PDP-1上诞生的。
1962年，弗雷德金创立了自己的公司（Information International），专门从事成像硬件和软件。之后，他于1968年回到麻省理工学院任正教授，尽管他没有拿到本科学位。
弗雷德金领导研究机构MAC（Project MAC）。它后来发展成为麻省理工学院的计算科学实验室。他做的事不止这些。马戈卢斯说： “他在现实世界中做了很多事情，包括经营他的公司、为一家海水淡化公司设计反渗透系统以及管理新英格兰电视台（ABC 位于马萨诸塞州波士顿的附属机构）。根据合同规定，弗莱德金每周只能进行一天的户外活动，有时他会连续几周都不见踪影。”
现实是量化的，计算是可逆的
在 20 世纪 60 年代末，人工智能还只是一个理论概念。但弗雷德金很早就认识到，具有学习能力和自主决策能力的机器会挑战政策，包括国家安全。他倡导国际合作开展人工智能研究，就如何使用该技术达成早期共识可以防止出现问题。然而，试图召开该领域顶尖思想家国际会议从未实现——如今我们同样未实现。
1974年，弗雷德金离开麻省理工学院，在加州理工学院担任了一年的仙童杰出学者（Fairchild Distinguished Scholar）。在那里，他和物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）一起工作了一年。弗雷德金教授费曼计算，而费曼教授弗雷德金量子物理学。
弗雷德金逐渐理解了量子物理学，但他并不相信它。量子力学认为，像电荷和质量这样的量是量子化的——由不可再分的离散的、可数的单位组成——但像空间、时间和波动方程这样的东西基本上是连续的。弗雷德金认为现实的结构不能基于可以通过连续测量来描述的东西。他以近乎宗教般的信念相信（并且仍然相信）空间和时间也必须被量化，因此现实的基本组成部分就是计算。现实一定是计算机！
随后，弗雷德金接受了宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学的终身教职，后来又在波士顿大学获得了第二个职位。从那时起，他开始研究可逆计算（reversible computing）。
传统的数字计算机由一系列逻辑门（AND、OR、XOR 等）组合而成，通常由两个输入变成一个输出。1961年IBM的研究员罗夫·兰道尔（Rolf Landauer）发现物理与计算两个领域之间的根本联系：输入的信息被擦除，产生热量，熵增加。 大多数人认为可逆计算是不可能的。1972年，兰道尔聘请了理论计算机科学家查理·贝内特 (Charlie Bennett)，他后来证明计算机以可逆方式执行计算可以避免熵的增加。
有趣的是，几乎同时，弗雷德金、马戈卢斯和一位年轻的意大利电气工程师托玛索·托佛利（Tommaso Toffoli ）展示了某些三个输入和三个输出的门（后来被称为 Fredkin 和 Toffoli 门）通过排列，可以保留任何可能计算的所有中间步骤，允许该过程在完成后逆转。正如他们在1982年发表的一篇开创性论文中指出，至少在理论上，用这些门构建的计算机可能不会产生废热，因此不会消耗能源[1]。
麻省理工学院的机械工程师塞斯·劳埃德（Seth Lloyd）于1993年提出可逆计算是实现量子计算机首要概念。他表示，可逆计算“确实是能够构想量子计算机的一个重要先决条件”[2]。劳埃德补充道，尽管 IBM 物理学家查尔斯·贝内特 (Charles Bennett) 也制作了可逆计算模型，但弗雷德金、托佛利和马戈卢斯描述的零耗散版本最终成为构建量子计算的模型。
数字物理
弗雷德金认为可逆计算这个概念可能有助于开发更高效、更少浪费热量的计算机。起初他只是为了满足好奇，因为单纯使用传统计算机就无法实现这个想法。然而历史在1981年发生了新的转折，很多杰出人物出席了弗雷德金和托佛利在麻省理工组织了计算物理研讨会。会议的一张合影让人联想到1927年第五届索尔维电子和光子会议上物理学大佬云集的著名合影。
费曼也来参会。然而，费曼仍然不相信除了使用计算机来计算算法之外，计算和物理学之间还存在有意义的联系。因此，当弗雷德金要求他在1981年的会议上发表主题演讲时，他最初拒绝了。然而，当弗雷德金答应他可以谈论任何他想谈论的内容时，费曼改变了主意，并在详细的演讲中阐述了如何将这两个领域联系起来的想法，提出了一种利用量子效应本身进行计算的方法。
费曼在会议上提出，与其尝试用传统的数字计算机模拟量子现象，一些表现出量子行为的物理系统可能是更好的工具。这场演讲被广泛认为开创了量子计算机的时代，量子计算机利用量子力学的全部力量来解决某些问题，例如费曼谈到的量子模拟问题，速度比任何传统计算机都要快得多。费曼没有为这次会议准备正式论文，但在马戈卢斯的帮助下（他记录并转录了费曼在会上的讲话），他的演讲发表在《国际理论物理学杂志》上，题为“用计算机模拟物理”（Simulating Physics with Computers）。四十年过去了，人们正开发小型量子计算机。使其工作所需的电子设备、激光器和冷却系统消耗大量电力，但量子逻辑运算本身几乎无损耗。
约50位物理学家与计算机学家参加了1981年这次会议。照片是查理·贝内特（Charles Bennett）拍的。1 Freeman Dyson, 2 Gregory Chaitin, 3 James Crutchfield, 4 Norman Packard, 5 Panos Ligomenides, 6 Jerome Rothstein, 7 Carl Hewitt, 8 Norman Hardy, 9 Edward Fredkin, 10 Tom Toffoli, 11 Rolf Landauer, 12 John Wheeler, 13 Frederick Kantor, 14 David Leinweber, 15 Konrad Zuse, 16 Bernard Zeigler, 17 Carl Adam Petri, 18 Anatol Holt, 19 Roland Vollmar, 20 Hans Bremerman, 21 Donald Greenspan, 22 Markus Buettiker, 23 Otto Floberth, 24 Robert Lewis, 25 Robert Suaya, 26 Stand Kugell, 27 Bill Gosper, 28 Lutz Priese, 29 Madhu Gupta, 30 Paul Benioff, 31 Hans Moravec, 32 Ian Richards, 33 Marian Pour-El, 34 Danny Hillis, 35 Arthur Burks, 36 John Cocke, 37 George Michaels, 38 Richard Feynman, 39 Laurie Lingham, 40 P. S. Thiagarajan, 41 Marin Hassner, 42 Gerald Vichnaic, 43 Leonid Levin, 44 Lev Levitin, 45 Peter Gacs, 46 Dan Greenberger。
在1982年的论文中，弗雷德金、托佛利从可逆计算出发走得更远。这一切从类比台球桌开始。假设桌子与球相互作用都无摩擦，台球相互作用完全可逆，数学计算也是如此。
可逆概念用于物理源于托弗利提出：描述运动和变化，与其用传统的微分方程，计算方法可能更好。弗雷德金更进一步，他提出整个宇宙实际上可以被看作一种计算机。在他看来，宇宙是一个“元胞自动机”（cellular automaton）：集合在一起的计算位（或元胞）。元胞会根据一组规则状态发生翻转，而这些规则由周围元胞的状态决定。随着时间的推移，这些简单的规则可以产生宇宙的所有复杂性——甚至生命。
弗雷德金并不是第一个尝试这种想法的人。德国土木工程师康拉德·祖斯 (Konrad Zuse) 在第二次世界大战前开发出了第一批可编程计算机。他在 1969 年出版的《计算空间》（Calculating Space）一书中提出，宇宙可以被视为一个经典的数字元胞自动机。弗雷德金和同事们集中精力将此概念继续发展，花了数年时间寻找案例，即简单的计算规则如何产生与亚原子粒子和力相关的所有现象[3]。
并非所有人都被说服。根据马戈卢斯回忆，当时也在麻省理工学院任教的著名物理学家菲利普·莫里森（Philip Morrison）告诉弗雷德金的学生，弗雷德金是一名计算机科学家，所以他认为世界是一台大计算机，但如果他是一名奶酪商人，他会认为世界是一块大奶酪。当英国计算机科学家史蒂芬·沃尔夫拉姆 (Stephen Wolfram) 在其 2002 年出版的《一种新科学》（A New Kind of Science）一书中提出类似的想法时，弗雷德金的反应是：“我一直很孤独。沃尔夫拉姆是第一位相信它的重要人物。”
不过事实上，探索这些想法的不止沃尔夫勒姆。弗雷德金本人最初使用了“数字物理”（digital physics）一词，后来又使用了“数字哲学”（digital philosophy），它的现代变体使用了“泛计算主义”和“数字主义”（pancomputationalism’ and ‘digitalism）等术语。它们受到了荷兰物理学家诺贝尔奖获得者杰拉德·特·霍夫特（Gerard ‘t Hooft）和美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）等研究人员的支持，约翰·惠勒著名的“来自比特”（ “it from bit”）的名言就是这一假设的简洁表达。
宇宙是量子的
马戈卢斯等人继续发展该理论的经典版本。其他人得出的结论是，经典的计算模型无法解释我们所观察到的宇宙的复杂性。根据劳埃德的说法，弗雷德金最初的数字宇宙理论“对经典数字宇宙理解量子力学现象存在非常严重的障碍”。而如果将弗雷德金数字物理学的经典计算规则换成量子规则，许多问题都不复存在。它可以捕捉量子宇宙的内在特征，例如在空间中分离的两个量子态之间的纠缠，这是基于经典思想的理论无法做到的。
劳埃德在 20 世纪 90 年代开始的一系列论文以及2006年出版的《Programming the Universe》一书中支持了这一想法。它最终全面阐述了量子计算规则如何解释已知的物理定律——基本粒子理论、粒子物理的标准模型，甚至可能是基础物理的圣杯：量子引力理论[4]。
最新观点又大不同了[5]。由英国牛津大学的瑞典哲学家尼克·博斯特罗姆（Nick Bostrom）等人提出：我们生活在计算机模拟中。数字宇宙假设计算宇宙的基本初始条件和规则是自然产生的，就像传统物理学的粒子和力在大爆炸及其后果中自然产生一样。根据这个模拟假说，宇宙是由某些高度先进的智能外星程序员故意构建的，它也许是一场某种宏大的实验，甚至是一种游戏。劳埃德认为这也太费劲了，让人难以置信。
数字宇宙的基本思想或许是可验证的。如果宇宙是由微小的普朗克尺度的数据位系统产生的（在这个尺度上目前的物理学理论预计会崩溃），空间和时间必须由离散的、量化的实体组成。粒状时空的影响可能会表现在微小的差异上，例如，不同频率的光传播数十亿光年所需的时间。然而，真正确认这个想法，可能需要一种量子引力理论，该理论能够建立爱因斯坦广义相对论在宏观尺度上的效应与量子效应在微观尺度上之间的关系。迄今为止，理论家还没能理解，而数字宇宙或许会自己摆脱困境。劳埃德说，在通往量子引力理论的路上，宇宙本质上已经更加计算化——例如霍夫特提出的全息原理，它认为我们的世界是投影下的低维现实。劳埃德说：“这些量子数字宇宙的想法有望揭开其中一些谜团。”
总结
弗雷德金在计算机科学和物理学的交汇处。物质和能量被列为科学最基本概念的两个概念，它们碰撞着第三个概念：信息。 三者之间的确切关系是一个没有明确答案的问题，够模糊且够基础，足以引发各种各样的意见。一些科学家已经接受了相对温和的答案。他们会告诉你，信息只是物质和能量的多种形式之一；信息只是物质和能量的一种形式。它体现在计算机的电子和大脑的神经放电、新闻纸和无线电波等事物中，仅此而已。其他人则用更宏大的术语来谈论，认为信息应该与物质和能量完全平等，它应该将它们加入到某种科学的三位一体中，这三者是现实的主要成分。
弗雷德金走得更远。根据他的数字物理理论，信息比物质和能量更基础。 他认为原子、电子和夸克最终都是由比特——信息的二进制单位组成的，就像个人电脑或袖珍计算器中计算的货币一样。他相信这些比特的行为以及整个宇宙的行为是由单一的编程规则控制的。弗雷德金说，这条规则相当简单，比传统物理学家用来解释物理现实动力学的数学结构要简单得多。然而，通过不断的重复——通过不知疲倦地获取刚刚转变的信息并进一步转变它——它产生了普遍的复杂性。弗莱德金带着明显的敬意，称这条规则为“一切事物的原因和原动力”。
认为DNA是一种信息形式，弗雷德金并不是唯一。但当他首次提出时，这种观点并不常见。他的许多想法也是如此。四分之一个世纪前，当他的世界观具体化时，他立即预见了数十项大规模影响，覆盖物理学、生物学、心理学等领域。其中一些已经流行起来，他认为这一趋势不断证实了他的整个前景。
弗雷德金本人认为，他缺乏典型的物理学教育在一定程度上使他能够在这个问题上形成自己独特的观点。劳埃德倾向于同意这一观点。“我认为，如果他接受过更传统的教育，如果他通过晋升并参加了标准的物理课程等等，也许他就不会做那么有趣的工作。”弗雷德金不会撰写学术论文。他不知道怎么写。他接受的教育不常规且混合，于是他掌握了计算机科学和物理学术语的混合体，而两个领域的人都不认为这种混合体是他们的母语。此外，他没有受过科学话语规则的教育。他似乎几乎意识不到科学假设和哲学思辨之间的界限。他不够圆滑，无法将自己的论点局限于其核心本质：时间和空间是离散的，空间中每个点在任何时间点的状态都是由单一算法决定的。 简而言之，弗雷德金的背景让他能将宇宙看作计算机，但这一背景同时阻碍他分享自己的愿景。但如果他能像其他科学家一样说话，他可能只会看到其他科学家看到的东西。
参考文献：
[1]Fredkin, E. & Toffoli, T. Int. J. Theor. Phys. 21, 219–253 (1982).
[2]Lloyd, S. Science 261, 1569–1571 (1993).
[3]Fredkin, E. Phys. D: Nonlinear Phenom. 45, 254–270 (1990).
[4]Lloyd, S. Preprint at https://arxiv.org/abs/1312.4455 (2013).
[5]Bostrom, N. Philos. Q. 53, 243–255 (2003)
[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Edward_Fredkin
[7]Could the Universe be a giant quantum computer?https://www.nature.com/articles/d41586-023-02646-x [8]https://www.technologyreview.com/2021/04/27/1021714/tomorrows-computer-yesterday
[9]https://www.theatlantic.com/past/docs/issues/88apr/wright.htm
[10]Three Scientists and Their Gods: A Search for Meaning in an Age of Information,June 12, 1988
我们不需要英雄
但我们需要榜样
微信扫码关注该文公众号作者