元宇宙何以可能:从物理学到认知科学

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目前社会各界都在讨论“元宇宙”。元宇宙时代是否可能呢?本文不从元宇宙的技术底座、资本运作和认识路径去全面分析,只是在科学层面进行讨论,毕竟在科学技术一体化的时代,虽然技术可能“有自己的生命”,但是技术不可能违反科学原理。物理学原理和认知科学的原理是统一的,这就决定了更好的虚拟技术和深度沉浸成为可能。

原文 :《元宇宙何以可能:从物理学到认知科学》

作者 | 苏州大学政治与公共管理学院教授 李继堂

图片 |网络

物理学原理对物理世界的统一

可能没有人反对科学的发展一直受人类追求科学知识的统一性所驱动,从古希腊第一个自然哲学家泰勒斯把万物的本原统一归结为水开始,近代科学革命的先驱通过一系列科学原理来认识物质世界。

牛顿力学统一了天上地下一切物体的机械运动的规律,特别是牛顿万有引力定律定量揭示了宇宙万物之间的引力作用,即人类认识最早的自然界四种基本作用力的第一种力。然而,这个万有引力定律是建立在牛顿三定律的基础上的,即便对引力的描述后来让位于爱因斯坦的广义相对论引力场方程,但是牛顿的惯性定律(牛顿第一定律)、F=mdr/dt(牛顿第二定律)、作用力等于反作用力只是方向相反(牛顿第三定律),这“牛顿三定律 ”始终成立。事实上,相对于牛顿万有引力定律这样的“科学定律”(scientific law),所谓的“牛顿三定律”更应该被看作严格意义上的“科学原理”(scientific principle)。科学定律往往是受科学原理的启发,在大量观察实验的基础上,用数学方法对自然现象的定量描述。科学原理比科学定律更基本,试图回答自然现象为什么如此,而且往往是定性说明。在“概念—原理—定律—理论”这个系列中,“牛顿三定律”处在科学原理这个环节。作为科学原理的牛顿三定律,其广泛性可能超越牛顿力学体系,同时也是牛顿力学的基础部分,有比科学定律更好的基础地位,可以引导整个科学理论(牛顿力学)体系的建立。

相比于牛顿力学对机械运动的统一,或者如科学史家说的“牛顿的综合”,法拉第和麦克斯韦电磁理论不仅把电和磁统一起来,还把光作为电磁波,实现电现象、磁现象和光的本质的统一。无独有偶,法拉第和麦克斯韦能够抓住电磁感应定律等基本定律,形成完整的电磁学理论,是与法拉第能够在大量实验观察的基础上,意识到类似于电磁感应定律和“法拉第笼”这样的重要实验有关的。这个“法拉第笼”使人们认识到电磁势的重要作用,直接导致麦克斯韦方程组得以建立。“法拉第电磁感应定律”相对于麦克斯韦方程组,就跟“牛顿三定律”相对于牛顿万有引力定律一样,也是严格意义上的定性描述的科学原理。因此,麦克斯韦才会说,法拉第已经很好地发现电磁现象的规律,他只是把法拉第的描述翻译成数学语言,也足见科学原理的作用有多大。

现代物理学的狭义相对论和广义相对论更是直接从科学原理出发。1905年,爱因斯坦发现在伽利略相对性原理的基础上,牛顿力学和满足麦克斯韦电磁理论的光的传播定律相矛盾,于是把伽利略相对性原理推广成狭义相对性原理,即包括电磁运动规律在内的所有物理定律在相对做匀速直线运动的坐标系里保持不变,加上所谓“光速不变原理”,直接就可以得到狭义相对论的整个理论。1907年,爱因斯坦进一步把狭义相对性原理推广为广义相对性原理,简单说就是引力质量和惯性质量的等价,就可以起建立广义相对论。直到1915年,爱因斯坦几乎与希尔伯特同时得到著名的广义相对论场方程,最终在两个基本原理的基础上完成了广义相对论。

当然,科学原理并不一定通过大量观察实验基础上的物理直觉得到,比如,外尔提出规范不变性原理时,就是直接从广义相对论出发,发现广义相对论所使用的数学工具黎曼几何在拓展欧式几何时还不够彻底,于是发展出所谓的“真正的无穷小几何”,即所谓“外尔几何”,然后在此基础上试图统一引力和电磁力,这也曾经是黎曼的目标。拓展后的外尔几何就可以模仿爱因斯坦把引力进行几何化描述的方法,也可以对电磁场进行一种非欧几何的几何化描述。通过推广相对论得到的外尔的局域规范不变性原理就成为后来规范场论的基本原理,特别是杨振宁和米尔斯在复活了局域规范不变性原理,提出著名的杨-米尔斯理论后,粒子物理学逐渐形成了粒子物理标准模型,描述了自然界中除了引力之外的61种基本粒子之间的电磁力和弱相互作用力及强相互作用力。甚至宇宙学的大爆炸标准模型背后的广义相对论也可能被看作规范理论。这实现了物理学在规范理论基础上的一个统一框架。

生命现象和认知科学的自由能原理

事实上,物理学除了在上述微观世界的粒子物理标准模型和宇观世界的大爆炸标准模型的理论都是建立在一些基本原理的基础上,在宏观世界还有与能量这个物理量紧密相关的热力学统计物理,其中最著名的就是热力学第一定律,即能量转换与守恒定律,使我们对能量概念有了深刻认识。还有就是热力学第二定律,即所谓“熵增原理”,认为热量不可能自发地从低温热源转移到高温热源。熵跟能量不一样,根据热力学第一定律,能量既不能被创造,也不能凭空消失,但是熵是用来描述有用能量转化为无用能量的程度的。所谓“热力学第三定律”,认为绝对零度达不到。还有“热力学第零定律”:如果两个物理系统跟第三个物理系统处于热平衡状态,则这两个物理系统也处于热平衡状态。可见,热力学的四条定律都不太像万有引力定律那样的科学定律,更像功热转化过程中的一些变化趋势或者状态的描述,即一些普遍原理。这可以从它们推广到生命现象和认知过程看出来。

在解释生命现象时,生命系统被视为处于环境中的自组织系统,不过,不是简单认为系统与环境之间存在物质、能量和信息之间的交换以维持其低熵状态,而是(根据自由能原理)进一步认为任何与环境处于平衡状态的自组织系统必须最小化自由能。意思是说,生命体可能的生理状态和感觉状态相比于无生命体征时的状态总是少数情况,或者说活着时的低熵状态的状态空间远小于濒临死亡(以及死后)热平衡的状态空间,相当于俗话说的“活着比死(后)难”。就像一条鱼,不是在所有情况下都能够活着,比如在岸上时间长一点就会濒临死亡,只有在水里才能够活,因为相比之下在水里的时候,鱼和环境之间的自由能低得多。

自由能原理还可以很好地解释认知过程。进一步把生命系统和环境系统分成内部状态和外部状态,以及预测在两者之间感知状态和行为状态,后两个状态构成数学上所谓的“马尔可夫毯”。它们之间的关系可以简单说成:环境的外部状态引起感知状态,而生命系统(比如大脑)的内部状态引起行为状态(即行动)。当然,所有认知过程都遵守自由能最小化原理,就像前面讲的那条拼命活着的鱼,一旦处在岸上,周围环境就会引起鱼感知到自己的状态跟自己需要(或者说“预测”)的状态相去甚远,形成所谓惊异,为了让自由能最小化(消除惊异),鱼儿会采取行动,不断跳跃,最好跳到水中,最后使自己预测到(需要)的状态跟外部世界刺激感知到的状态之间的差异最小化,从而解释知觉、认知和行动,包括自我的模型。可见,自由能最小化的原理贯穿生命现象和认知过程。

元宇宙到底可不可能

从科学道理上讲元宇宙到底可不可能?通过物理学的原理和认知科学的原理的考察,我们发现,无论是物理世界还是生命现象和认知过程,都遵守一些共同的基本原理。特别是科学的诸多要素和层面,概念、命题、原理、定律、理论、范式、领域及研究纲领,甚或背后的哲学、社会、政治、经济、文化,其中最有根本性和统一性的还是科学原理这个层面,因为一个命题甚至单纯几个命题无法形成理论,而一个科学定律由于定量化限制了科学原理的范围,在讨论科学的统一性和深刻性时最好从科学原理入手。

就像上面讨论的自由能原理,它原本是物理学的原理,在热力学中主要以能量形式出现,以信息论形式表述后有利于生命和认知的讨论。而就系统之间的“关系”而言,自由能原理实则是所有“事物”(things)都遵守的一个“理论”(theory),因为从整个宇宙到基本粒子之间各个层次的事物,只要人们把它作为一个事物(对象)来研究,就是把这个事物跟另外的事物区分开来,就有了上面所说的内部系统和外部系统,并且遵循系统之间的自由能原理,可以说,自由能原理相当于某种意义上的万有“理论”。换言之,自由能原理就是元宇宙的“第一原理”(即“元宇宙原理”),相当于所谓的“第一心理物理学定律”,因为据说生命现象和认知过程中没有传统意义的科学定律。且不论物质世界,就认知过程而言,以自由能原理为核心的预测加工理论,是目前流行并且最统一的一个模型,已经能够很好地把心理学、神经科学、认知神经科学、人工智能等学科连接起来。这已经从理论上保证从现实世界到虚拟世界的沉浸和叠加成为可能。至于世界观、人生观和价值观,也会随着社会生活的发展自然而然地改变。同样,网络技术、物联网需要的虚拟技术和资本经济凭借其内在发展规律与驱动力,应该是水到渠成的事情。 一句话,从物理学原理到认知科学的原理的统一性在基础理论层面保证了元宇宙得以可能。

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