量子計算的哲學之維

乍聽“量子計算”的人或許會以為這是一個新技術的名字，是計算機繼機械計算、晶體管電子計算和硅芯片計算之后的又一個飛躍。從運行速度的考慮，這個觀點有它的道理，畢竟，即使是最新的P4處理器——運行速度高達2.2GHZ，相當于每秒運行2.2億次——與預言中的量子計算機比起來，也有天壤之別。不過，如果認為量子計算與傳統計算只有這么一點差別，就太小看量子計算了。量子物理學家戴維·多伊奇在他的著作《真實世界的脈絡》中對量子計算及其蘊含的哲學意義進行了詳盡而系統的闡述。

所謂量子計算，是指需要量子力學過程，尤其是干涉效應的計算。1982年，物理學家理查德·費曼曾試圖用傳統的數字計算機模擬量子力學對象的行為。他遇到一個問題：量子力學系統的行為通常是難解的。以光的干涉現象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發(fā)生的情況就會呈指數增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了，我們無法提供相應的計算資源。不過，在費曼眼里，這反而是一個契機。因為，另一方面，量子力學系統的行為也具有良好的可預測性，在干涉實驗中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷：如果算出干涉實驗中發(fā)生的現象需要大量的計算，那么搭建這樣一個實驗，測量其結果，不就恰好相當于完成了一個復雜的計算嗎？因此，只要在計算機運行的過程中，允許它在真實的量子力學對象上完成實驗，并把實驗結果整合到計算中去，就可以獲得遠遠超出傳統計算機的運算速度。

目前，量子計算在純數學領域已得到一些應用。例如，應用傳統計算機進行大數分解很困難，而利用量子計算就可以高效地解決這個問題。這是為什么呢？費曼曾告訴他的學生，使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現的。費曼的話帶有很強的工具主義情結。不同于費曼，多伊奇不滿足于把量子計算的過程看成黑箱，他要對此尋求解釋。

影子的啟示

重新考察干涉現象。如果實驗中，當在投射影子的屏障上打開新的開口，影子圖案的某些區(qū)域會變黑，即使用單一粒子做實驗，結果仍然如此。多伊奇由此推斷，存在兩種光子，一種是可見的光子，另一種是無形的“影子光子”，每個可見光子都伴有一批影子光子，根據實驗，一個可見光子至少擁有一萬億個影子扈從。事實上，每種粒子都存在干涉現象。也就是說，每個粒子都有影子扈從?？梢韵胂?，真實世界比它所顯現的大得多。

多伊奇認為影子粒子組成了“平行宇宙”。影子粒子間彼此隔絕，恰如他們與有形粒子間的隔絕。因此，他們組成的并不是一個，而是很多平行宇宙。這些宇宙的成分都類似有形宇宙，且遵循與有形宇宙一樣的物理定律。所以，在真實世界中，任何一重宇宙都不具有特殊地位，有形宇宙與影子宇宙的區(qū)別，僅僅基于我們的主觀立場而言。平行宇宙統稱為多重宇宙。

多重宇宙理論顯示，量子計算之所以高效，就是因為它能夠利用大量平行宇宙間相互協作來完成任務，在這個過程中，它獲得了遠遠超過傳統計算機的計算資源。量子計算也可以反過來為多重宇宙的存在提供了佐證：當利用量子計算成功地分解一個250位數字的時候，所需的計算資源遠遠超過了可見的計算資源，如果平行宇宙不存在，這個數是在哪里被分解的呢？

平行宇宙間的相互影響不僅體現在量子層面。據《參考消息》2002年9月12日報道，科學家發(fā)現發(fā)射于1972年的探測器先鋒10號正在經歷一種朝向太陽的神秘減速，現在，它已經比原計劃落后了40萬公里。據猜測，造成減速的原因是“鏡物質”。報道說：“鏡物質與一般物質類似，只是在量子層面上它與一般物質的關系就像左手對右手。由于它只與一般物質發(fā)生微弱的相互作用，因而可以在我們毫無知覺的情況下存在于我們周圍，在鏡原子和一般原子之間，可能還有一種微小的非引力作用。用遍布太陽系的少部分鏡物質形成的拉力足以解釋先鋒號現象?！?/p>

可見，所謂“鏡物質”，不過是多重宇宙的另一種稱謂。

有一部分物理學家不同意多重宇宙理論，比如國內物理學界、哲學界熟知的提出了“隱纏序”理論的戴維·波姆。他認為每個光子都帶有一種波，這些波與我們所見的光子發(fā)生作用，產生的現象就像平行宇宙中的光子相互干涉一樣。作者認為，波姆的理論雖然解釋了量子現象，卻增加了另一個需要解釋的物理量——量子之間的波。而算出這些波所需的計算量與算出影子光子的相等。根據在科學和哲學界獲得廣泛認可的奧卡姆剃刀準則：當有兩個處于競爭地位的理論能得出同樣的結論，那么簡單的那個更好。因此，多伊奇的觀點比波姆的“好”。

所謂“好”，并不意味多伊奇的觀點就是這個問題的終極真理。根據卡爾·波普爾的觀點，科學活動是對問題尋求解釋的過程，科學家所能提出的，只是“未經證實的猜想”。這些猜想“根據問題本身固有的評判標準被批評和比較”，其中也包括實驗驗證。在這里，實驗驗證的作用并不是為某種理論提供佐證，而是把那些與實驗結果不符的理論排除掉。在這個過程中幸存的，就是那個最“好”的理論。很多好理論本身也有很多毛病，致使我們去尋求更好的解釋。這是一個類似于生物進化的過程。

圖靈原理

與傳統計算機相同，量子計算機也遵循圖靈原理。圖靈原理的內容是：存在一臺抽象的通用計算機，其全部本領包括任何物理上可能的對象所能完成的任何計算。

圖靈原理可以看作對宇宙中廣泛存在的自相似性的描述。所謂自相似性是指“物理實在的某些部分相似于其它部分。這種相似可以是具體的，如天象儀相似于夜空。更重要的是，它還可以是抽象的，如印在書里的量子理論的一條陳述正確的解釋了多重宇宙結構的某個方面”。正是這種自相似性，使得通用計算機的實現成為可能。

最有名的通用性物理現象是虛擬現實。虛擬現實可以繪制什么樣的環(huán)境呢？這取決于通用計算機的本領。根據哥德爾不完備性定理，絕大多數邏輯上可能的環(huán)境都是不可計算的。為了紀念康托爾、哥德爾和圖靈，作者稱這些環(huán)境為“康哥圖環(huán)境”。那么，可不可以定義一種通用虛擬現實生成器，可以描繪所有物理上可能的環(huán)境呢？數學家約翰·卡斯蒂認為，在物理環(huán)境中，測量必須在有限集中取值，對于有限數字系統，不存在哥德爾式的不可判定性。所以，這樣的機器是存在的（參見《虛實世界》，〔美〕約翰·L·卡斯蒂著，上?？萍冀逃霭嫔?998年12月版，第221頁）。

不過，有些計算太復雜，如果用傳統計算機實現，所需的時間和存儲量是理論上也無法得到的，只有量子計算機才能完成。因此，作者證明了量子物理下存在加強形式的圖靈原理：通用量子計算機能夠完成任何其他量子計算機所能完成的任何計算，而且能夠描繪虛擬現實中任何有限的物理上的環(huán)境，所需計算資源也不會隨對象的規(guī)模和細節(jié)呈指數增加。

生命的意義

生命是什么？古代人認為，生命蘊含著一種特殊的力量或因素。不過自達爾文以降，現代生物學越來越傾向于認為：所謂生命，不過是一種“化學過程”。只是因為我們人類本身具有生命現象，才會對它感興趣。按照斯蒂芬·霍金的理論，不要說其他生物，連人類都僅僅是天體物理上可忽略的“化學渣滓”。

理查德·道金斯認為，基因是自然選擇的單元，而進化的動力是基因本質上具有的自我復制的傾向。所謂生命，不過是基因復制的載體。還有一種類似的學說，認為文化的傳播也基于一種特殊的復制子——“謎米”，所有書籍，音樂，包括我們的思想，都是“謎米”傳播的載體（參見《謎米機器》，〔英〕蘇珊·布萊克摩爾著，吉林人民出版社2001年4月版）。

基因可以看作計算機程序，用一種叫基因碼的語言表達成A﹑C﹑G﹑T符號序列。在分子層面，基因只是為細胞計算機編寫程序使之產生一定的化學物質，但是這些低層面程序疊加起來，經過層層復雜控制和反饋，變成了高深的高層面指令，這些指令包含著指導基因復制過程，或生物體的行為的“知識”。相對于基因，生命只是一個凸現現象。但這并不意味還原主義者的如下觀點是正確的：生物體和其他沒有生命的物質一樣，都只是基因直接或間接的復制環(huán)境組成部分。

基因能夠施加相當準確的交互控制，使生物體對所有可能的環(huán)境做出反應。一方面，基因通過生物體與外界發(fā)生聯系，另一方面，生物體也是基因所攜帶的知識的物理化身。從計算理論的角度看，生命過程和虛擬現實描繪是同樣類型的過程，生命可以看成圖靈原理在自然界中的一種實現手段。

知識的力量

基因僅在一定環(huán)境下才承擔復制子的功能。復制子是指能引起環(huán)境復制自己的實體。一個復制子應該是其自身被復制的原因。換句話說，只有某個復制子出現，復制才會發(fā)生；如果將這個復制子換成別的實體，即使非常相近，復制也不會發(fā)生。基因之所以可以成為復制子是因為它包含著自身的復制所需的“知識”。這就是基因和隨機DNA序列的區(qū)別。設想兩條同樣的DNA序列（假設是熊的基因片斷），其中一條包含知識，另一條是隨機DNA序列，他們都有可能被復制，但只有包含知識的那條是自身被復制的原因。生命現象歸根到底是關于知識的?？梢灾苯佑弥R給出適應性的定義：如果一個實體含有的知識能夠引起這個實體所處的環(huán)境保存那一知識，則稱該實體適應于該環(huán)境。

基因與隨機DNA序列的區(qū)別，在單一宇宙中還不明顯。但是，在多重宇宙中，隨機DNA序列，因為無論怎樣變異，對復制都沒有影響，很快就會面目全非。而如果基因變異了，復制往往就無法進行，因此，在其他宇宙中的熊的該基因片斷應該是同樣的DNA序列。

所以說，古人認為生命物質有特殊的物理性質，這基本上是正確的。“有特殊物理性質的并不是有生命的物質，而是有知識的物質。因此，多重宇宙中，哪里演化出知識的載體，如大腦或DNA基因片斷，哪里就存在橫跨宇宙的最大尺度的規(guī)律性結構”。從宇宙的尺度看，它們就像多重宇宙中的一塊塊水晶。

不要小看知識的力量。早在公元前三世紀，中國人就修建了萬里長城，而今，只要幾十個人就可以開山鑿洞。即使是植物，也大大改變了大氣的面貌：大氣層中所有的氧氣（大約1000億噸）都是植物造的。生命能取得這樣的成就，就是因為擁有知識。宇宙學家約翰·巴羅和弗蘭克·梯普勒認為：“生命最終會對銀河系的結構做出主要的、性質上的改變，既而對整個宇宙的結構做出這樣的改變”。雖然以人類目前的技術，對此還無能為力，但也沒有任何已知理論證明這個任務一定不能實現，相反，我們已經知道為了實現它需要涉及什么，而且，我們還有幾十億年的時間來探索。

一個量子計算權威的人文關懷

我們不是“化學渣滓”，因為我們的行星﹑恒星和星系的未來都將依賴于這堆渣滓里的知識。不過，為了得出這個結論，必須結合天體物理學以外的知識：“科學能創(chuàng)造出有用的知識，進化能創(chuàng)造出適應性，這必須作為自相似性的凸現現象來理解，而自相似性是由圖靈原理這個物理原理規(guī)定的?！边@是因為，真實世界是一個整體，僅從某個領域著手研究，得到的結論必定是片面的。

人類可以不關注對量子計算的科學解釋，僅僅滿足于把它當成超級計算機，但是，那樣的結果是無法認識量子計算的哲學內涵，也無法認識到量子物理學與計算理論﹑生物進化以及認識論之間深層次的聯系，更不可能找到人類自身存在的意義。

有朝一日，人類也許當真能操控太陽，阻止它變成一顆“紅巨星”，或者在太陽變“紅巨星”前，獲得逃逸的機會。但這要求人類對宇宙有足夠的了解。多伊奇說：“現在正是前進的時候，但是，只有認認真真對待現在的最好的理論，并把它們看成對世界的解釋，才有可能向更好的理論邁進?！边@是一位量子計算權威的人文關懷。

（《真實世界的脈絡》）〔英〕戴維·多伊奇著，梁焰等譯，廣西師范大學出版社2002年8月版，19.80元）