@ 2017.10.13 , 21:00
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通用计算机的物理本质

你在购车,旁边的售车人员说:“你知道吗,这辆车不仅仅可以在路上行驶。”

“哦?”

“真的,你也可以用它来做别的事。例如,把它这样这样,”售货员一边发出变形金刚变形时的kukukak的音效,一边说“就能当一个很好的自行车。它折叠起来变成一流的飞机。噢,丢水里它就是潜艇。这是太空船!”

此时,你一般会假设销售人员在开拙劣的玩笑或者干脆精神有些问题。不过,我们在计算机上确实获得如此程度的灵活性。我们可以使用相同的硬件变成飞行模拟器飞跃自由女神像,使用电子表格进行财报分析,在Facebook上与朋友聊天,林林总总,不一而足。因为习以为常,没有人意识到它就像一辆汽车,却同时也是自行车和太空船那样的机械装置一样惊人。

通用计算机的物理本质
credit:123RF

电脑的两大特点使得这种灵活性成为可能。首先,电脑是可编程的。也就是说,通过输入适当的指令序列,我们可以改变计算机的行为。二,电脑是通用的。也就是说,使用正确的程序,只要机器有足够的内存和时间,就可以使计算机执行任何算法过程。

可编程性和通用性的思想已经变得惺忪平常,嵌入到我们的文化之中,即便对孩子而言也是如此。但在历史上他们是卓越的革命性的大脑中酝酿的风暴,灵光炸裂,横空出世。他们最早出现在1937年Alan Turing的一篇的论文中,他认为任何算法过程都可以由一个通用的可编程计算机来计算。图灵描述的机器——通常被称为图灵机(Turing machine)——是现代计算机的共同祖先。

为了证明他的观点,图灵需要表明他的通用计算机可以执行任何能想到的算法。这相当的不容易。在图灵之前,算法的概念是非正式的,缺乏严格的数学定义。当然,数学家以前曾经发现过许多具体的算法,例如,加法、乘法和检验自然数是否为素数的判断方法。图灵论证了这些已知算法可以非常简单地在他的通用计算机上执行。但这还不够,图灵还需要令人信服无从争辩地说,他的通用计算机可以运行任何算法,包括将来有可能发现的所有算法。为了做到这一点,图灵发展了几个思路,每种思想都给出了一个直观的理由,他的机器可以计算任何算法过程。然而,他对自己论点的不严谨的性质感到不舒服,他说:“所有可以给出的论据都是从根本上诉诸于直觉的,因此在数学上并不令人满意。”

1985年,物理学家David Deutsch为理解算法的本质迈出了重要的一步。他注意到算法过程必须在某个物理系统上进行。这些过程可以以许多不同的方式发生:人类使用算盘来乘以两个数字显然与运行飞行模拟器的硅芯片有很大的不同。但两者都是物理系统的实际例子,因此它们受相同的物理学基本规律的约束。考虑到这一点,Deutsch发表了以下论断:

每个规模有限的现实存在的物理系统都可以完美地在通过运行至多有限个步骤的通用模型计算机进行模拟。

换句话说,随便哪个物理过程,您都应该可以使用通用计算机来模拟它。这是一个惊人的,创世纪般的思想,一台机器可以在其内部囊括物理现实中可以想象的一切。想要模拟超新星?还是形成一个黑洞?甚至宇宙大爆炸? Deutsch论断告诉你,通用计算机可以模拟所有这些。从某种意义上说,如果您完全了解机器,您将理解所有的物理过程。

Deutsc论断远远超出了图灵早期的直觉论断。如果该断言是真的,那么立刻就可以得到推论,通用计算机可以模拟任何算法过程,因为算法过程最终还是物理过程。

此外,与图灵的论断不同,Deutsc论断原则是可以证明的。特别是,我们可以设想如何使用物理学的定律来推导。这将使图灵的非正式断言在物理学中的成为现实,为我们对算法的理解提供了坚实的基础。

在尝试这一过程中,出现了两种修正Deutsch论断的新思路。首先,我们必须把计算机的概念扩大到量子计算机。这不会影响我们模拟经典物理过程的种类,但它允许我们快速有效地模拟量子过程。这很重要的,因为量子过程通常太慢以至于在常规计算机上模拟它们是不现实的。其次,我们必须放宽Deutsch原则的限制,而不是要求完美精确的模拟,我们允许近似,但是要求任何精度的近似都可以模拟到。这是对“模拟”这一定义的弱化,但这种弱化很可能是十分必要的。

有了这两个修改,得到广义的Deutsch论断:

每个规模有限的现实存在的物理系统都可以通过运行至多有限个步骤在通用模型(量子)计算机进行任何精度的近似都可以达到的模拟。

没有人能够从物理学的规律中推导出这种形式的Deutsch论断。部分原因是我们还不知道什么是物理学的规律!特别是,我们还不知道如何将量子力学与广义相对论结合起来。因此,我们不清楚我们如何用电脑模拟可能涉及量子重力的过程,如黑洞的蒸发。

但即使没有量子重力理论,我们也可以尝试一下电脑能否有效地模拟现代物理学的最成熟的理论——粒子物理学的标准模型和宇宙学广义相对论。

研究人员正在积极努力回答这些问题。在过去几年中,物理学家John Preskill和他的合作者已经展示了如何使用量子计算机来有效地模拟几个简单的量子场理论。您可以将它们视为粒子物理学标准模型的原型。它们不像标准模型那样复杂,但它们有许多标准模型的基本思想。Preskill和他的合作者还没有成功地模拟完整的标准模型,他们克服了许多技术障碍。或许在未来几年内会成功地将广义的Deutsch论断应用到标准模型上,借此证明图灵和Deutsch的远见。

而对广义相对论的模拟情况是令人绝望的的。广义相对论允许怪异已极的奇异性,破裂和拉伸时空的方式尚未被完全理解。尽管数字相对主义者已经开发了许多用于模拟特定物理情况的技术,但据我所知,尚没有一个完整地,有效地模拟广义相对论的系统。这是一个有趣的开放性问题。

在David Herbert Simon的《人类科学》一书中, Simon区分出了自然科学,如物理与生物学,我们研究自然如何发展运作的体系;以及人造科学,如计算机科学与经济学,研究人类创造的规则制度将如何发挥作用。

乍一看,似乎人造科学应该是自然科学的特殊情况。但是正如Deutsch所表明的那样,人造系统如计算机的性质可能与自然存在的物理体系一样丰富。我们可以展望,使用电脑不仅可以模拟我们自己的物理学规律,还可以模拟不同的物理现实。用计算机科学家Alan Kay的话来说:“在自然科学中,自然给了我们一个世界,我们只是去发现它的规律。在电脑中,我们可以将规律纳入其中,创造出一个世界。”Deutsch原则提供了一个结合自然科学和人造科学的桥梁。令人兴奋的是,我们离彻底证明这一基本的科学原理之有几步之遥。

本文译自 quantamagazine,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 15+1

  1. hhhhhhha
    @2 weeks ago
    3585865

    计算机本身也是建立在物理规律之上的,而且基本只依赖于和电路有关的那一部分物理规律,计算机运行的不同程序,也只是不同条件下的电路的运动。如果计算机真的可以模拟任意物理系统的话,也就是说物理规律的局部(加上合适的条件)就包含了物理规律的整体,可以说非常神奇了。

    [31] XX [11] 回复 [2]
  2. 黄sir
    @2 weeks ago
    3585867

    不听不听和尚念经

  3. 。。。
    @2 weeks ago
    3585873

    一直认为万物的逻辑都分为输入,计算,输出三个部分。区别就是模拟量和数字量而已。

  4. 路西法
    @2 weeks ago
    3585879

    我就看了开头和加黑

  5. 方能继承宇宙
    @2 weeks ago
    3585881

    一直认为计算机是人类迄今为止最伟大的发明!

    [14] XX [1] 回复 [0]
  6. 3585920

    程序猿的妙处在于:体验到创世神般的感觉,只要能力足够,可模拟万物。
    等等,这就是你穿女装的原因?

  7. 3585961

    咦…物理系统公理化不是希尔伯特那23个问题之一吗…好像没啥进展啊

  8. 3585990

    计算机只是在改变比特位.人赋予这些比特位的改变于意义.
    计算机全部就是布尔运算

  9. FooBee
    @2 weeks ago
    3586015

    “…在David Herbert Simon的《人类科学》一书中…” The Science of Artificial应该翻译成”人工科学”, 和翻译成”人工智能”的Artificial intelligence类似. Herbert Simon是有中文名的, 叫司马贺

  10. 黑猫
    @2 weeks ago
    3586036

    这样说来,螺丝钉的适用范围更广了……

  11. dhsjjs
    @1 week ago
    3586081

    当有一天,我们制造出能模拟整个宇宙的计算机,然后然后看着模拟的宇宙开始进化,会不会觉得我们所在的宇宙是不是也是计算机模拟的?

  12. Benjamin
    @1 week ago
    3586164

    翻译过程很辛苦

  13. 瞳酱prpr
    @1 week ago
    3586193

    算法的前提就是通过有限步骤解决问题 物理规律是确定的 是可计算的 并且所有算法过程都需要”实在化”为物理过程 (人用脑子想 用笔和纸算 都是物理过程) 一个通用计算机能够执行确定步骤的计算 就能根据确定的物理规律来计算 进而模拟相应的物理过程 即一个算法过程 <=大概这意思
    [A. M. TURING] On computable numbers, with an application to the Entscheidungsproblem
    1937年 80年前啊…..这些大牛的抽象思维能力真是。。。再看看身边抽象思维能力为0的这个人文环境 总感觉自己反而在远离现实 唉

  14. 脑子坏掉了
    @1 week ago
    3586280

    @hhhhhhha:
    语音只是机械振动,但语言却可以描述出各种物理现象。

    任何一种可以被认知并转化成数学描述的物理现象都可以用“计算”的方式来模拟。没啥神奇的

  15. 3586296

    你姓啥?我姓德。德国的德。

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