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Vijay Balasubramanian 研究了宇宙的結(jié)構(gòu)是否可以由信息構(gòu)成，以及物理學(xué)家可以提出這樣一個問題本身意味著什么。 1989 年，著名物理學(xué)家約翰·惠勒（“黑洞”一詞的推廣者）提出了一種全新的宇宙觀：也許量子粒子可以變化（shape-shift）和消失，但我們總是可以可靠地依賴信息（information），簡而言之，也就是對于我們所提出的問題，通過測量所獲得的答案?；堇胀茰y，信息比特（bits of information）——例如：某個事物的存在或不存在、向上或向下、0或1等——很可能是現(xiàn)實世界的組成基元?！懊恳粋€物理量，都從比特中獲得其終極意義，”惠勒在他1989年的一篇文章《Information, Physics, Quantum: The Search for Links》中寫道。著名的 “它來自比特（it from bit）”就是在這篇文章中提出的。 自此之后的幾十年里，各種抽象的發(fā)展讓許多物理學(xué)家猜測惠勒的這篇論文也許能解開一個深刻的謎題：引力的量子性質(zhì)。阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論將引力與時空結(jié)構(gòu)統(tǒng)一起來；在廣義相對論中，引力被重新解釋為物體沿著宇宙的彎曲輪廓線（事實上即測地線）作自由降（free-fall）運動。然而，在量子理論中，卻很難用它的基本對象或語言——粒子和場——來解釋這些曲線。引力理論與量子理論的這種沖突，在黑洞中得到了最為充分的展示——黑洞是這樣一片時空區(qū)域：在其中，空間發(fā)生了極其嚴重的變形，以至于引力的量子性質(zhì)不再能被人們簡單忽視掉。 黑洞理論中的一個基本事實——黑洞的表面積比它的體積更重要——導(dǎo)致了 1998 年的一個驚人發(fā)現(xiàn)：一個像馬鞍一樣彎曲的玩具宇宙，稱為反德西特 (anti-de Sitter, 簡稱AdS) 空間，在數(shù)學(xué)上，等同于它的低維邊界。在這個虛構(gòu)的世界中，指向內(nèi)部的方向似乎是虛幻的；形象地說，就像全息圖的深度（depth）那樣。 當理論學(xué)家們研究 AdS 空間中的黑洞以及其他物體時，惠勒關(guān)于物理與信息（比特）的設(shè)想，一直在以某種方式不斷展現(xiàn)著。其中一種，就是空間的連通性（connectivity）——即我們能從一個地方跑到另一個地方的能力——似乎源于邊界上的粒子，這些粒子通過量子糾纏（quantum entanglement）聯(lián)系起來?？雌饋?，就是這種在 AdS 空間邊界上的信息共享（information-sharing）特征，使AdS空間內(nèi)部的龐大結(jié)構(gòu)成為可能。 很多物理學(xué)家致力于將惠勒這個美妙而宏大的思想轉(zhuǎn)化為清晰的數(shù)學(xué)模型，賓夕法尼亞大學(xué)的Vijay Balasubramanian便是其中之一。他和他的同事現(xiàn)在從事的研究的口號，是“它來自量子比特（it from qubit）”。這個口號對惠勒的原始版本作了修改；當然這樣的修改是再自然不過的：量子比特顯然比經(jīng)典比特更為深刻。1999 年，Balasubramanian研究了如何根據(jù)邊界上的粒子信息來計算 AdS 宇宙中的質(zhì)量和能量。從那時起，他通過研究各種系統(tǒng)的信息內(nèi)容，對黑洞和量子引力理論做出了重要貢獻。 Balasubramanian 風(fēng)趣而博學(xué)，在談話中很容易從物理學(xué)跳到其它領(lǐng)域，如普魯斯特等這些著名作家。在賓夕法尼亞大學(xué)，他開辟了第二個研究小組，致力于研究世界的物理特征是如何塑造大腦的。在神經(jīng)科學(xué)（neuroscience）這方面，他發(fā)現(xiàn)信息和計算的概念提供了一種自然語言。（In neuroscience, too, he has found that ideas of information and computation provide a natural language.） Quanta 雜志最近通過 Zoom，與 Balasubramanian 就信息在物理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)中的作用，以及人類認知的局限性，進行了一次對話。為清晰起見，本采訪經(jīng)過一些濃縮和編輯。 Q：你的職業(yè)生涯中，一直致力于解決物理學(xué)中一些最為棘手的問題。真的有進展嗎？ A：過去 20 年的發(fā)展是巨大的。其中一個重要的進步是，一個像馬鞍一樣彎曲的宇宙——AdS空間，可以被視為等同于一個沒有引力的低維世界。這就是著名的AdS/CFT 對偶。這個概念開啟了這樣一種可能性：即空間不是基本的；相反，它可能是呈展（emergent，中文中又常被譯為層展、涌現(xiàn)等）的。我的很多工作都與此有關(guān)：即發(fā)展出一套不包含空間的理論。 最近，在黑洞信息悖論（black hole information paradox）方面，取得了重要進展。 Q：你是如何從黑洞與 AdS/CFT，想到信息可能是空間的基礎(chǔ)的？ A：量子力學(xué)具有一種稱為幺正（unitarity，又譯為酉）的特性；簡而言之，這個性質(zhì)說的是，微觀層面上信息不會被破壞。但斯蒂芬·霍金計算出，隨著黑洞的蒸發(fā)，信息（似乎）會被破壞。這就造成了一個悖論，即上面提到的黑洞信息悖論。如果這個悖論真的成立，即在黑洞演化過程中，信息真的發(fā)生了丟失的話，那么顯然，引力理論與量子力學(xué)之間就產(chǎn)生了沖突。 值得關(guān)注的一件事是，AdS 宇宙體積中的空間結(jié)構(gòu)，是如何在邊界上體現(xiàn)出來的。例如，當空間不是基本的時候，能夠在宇宙中將物體從 A 點移動到 B 點，對我們來說到底意味著什么？現(xiàn)在有一種說法是，如果空間體積中的兩個區(qū)域是相連的，那么在它的邊界時空上，相應(yīng)的變量就應(yīng)是量子糾纏的。這是一個非常美妙的想法，也是惠勒的 it-from-bit 概念的具體實現(xiàn)：如果這些量子信息的比特不是通過糾纏聯(lián)系起來的話，那么，就沒有空間。 Q：你是說我們的 3D 宇宙，也許是由某個平坦時空中的 1 和 0糾纏在一起而產(chǎn)生的錯覺么？ A：簡單地講，是這樣的。但事實上，我們能把這個想法——即時空對應(yīng)于其邊界上的糾纏——推廣到何種程度，也是有爭論的。 Q：那么，可不可以給一個不那么簡單、稍微深入一點的解釋？ A：在這個階段還很難說。部分困難在于，我們需要一些詞匯來準確表達空間的含義。從我們?nèi)粘５慕嵌葋碚f，若我們可以在兩個點A 和 B之間畫一條平滑曲線，則我們就可宣稱A 和 B 在空間上是相連的。但現(xiàn)在假設(shè)我用顯微鏡觀察一個很小的區(qū)域，我們完全有理由期待空間本身，就像量子力學(xué)中的量子漲落那樣，會發(fā)生劇烈的波動，不斷彈跳并撕裂。在這種情況下，說 A 在 B 旁邊是什么意思？ 從我們?nèi)祟惖男膽B(tài)這方面講，我們必須敞開心扉，來準備接受一個更微妙的關(guān)于空間的觀念。這當然是很難的，因為我們?nèi)祟惖哪壳暗南胂罅?，與我們?nèi)祟愖鳛榇笮蛣游锼芨惺艿降娜粘＝?jīng)驗，是密切相關(guān)的。20 年前，我們連談?wù)摗翱臻g到底是什么”這個概念的資格都沒有，但今天顯然好多了。也許再過 20 年，對你的這個問題，物理學(xué)家們就能給出答案。 Q：我們還不能在實驗中探測量子引力。當我們沒有實驗支撐時，如何判斷我們的理論是正確的？ A：是數(shù)學(xué)上自洽性。如果通過一堆假設(shè)可以推出符合事實的結(jié)論，那顯然這樣的假設(shè)（理論）就是合理的。 例如，去年我和一些同事研究了如果兩個有引力的宇宙糾纏在一起會發(fā)生什么。假設(shè)兩個宇宙不相連，則根據(jù)愛因斯坦的相對論，從 A 到 B 的路徑為零。我們修改了這個假設(shè)，即讓量子引力通過量子漲落建立聯(lián)系。這時，上面提到的信息悖論竟被成功避免了。 Q：通過這種以信息為本質(zhì)的思想，你還能做些什么？ A：我曾經(jīng)寫過一篇論文，名為《巴別圖書館：論引力熱力學(xué)的起源》。這個名字的靈感來自于豪爾赫·路易斯·博爾赫斯（阿根廷作家、詩人、翻譯家，著名的《小徑分岔的花園》就是他的作品）的一個短篇小說。這個小說講述了一個神秘的圖書館，里面裝滿了看似無稽之談的各種書籍。最終，圖書館員意識到，這個圖書館包含所有可能的字母序列；幾乎所有序列都是隨機的，但每隔一段時間，你看到的序列，就可能描述了某個人一生的真實故事。 我們認為，黑洞就是這樣一個圖書館。就像書本一樣，黑洞的“微觀狀態(tài)”由其微觀碎片的隨機組合構(gòu)成。信息是被保留了的，盡管也許很難被恢復(fù)。 還有一次，我們研究了虛無之泡（bubbles of nothing）；在某些高維度的宇宙中，當你擠壓額外的維度時，這些宇宙會變得不穩(wěn)定，形成一個沒有內(nèi)部空間的氣泡。 我對這個虛無（nothing）很感興趣。在 AdS/CFT 的語言中，當平坦世界中的基本自由度不再糾纏時，就會在呈展的空間體積中出現(xiàn)一個虛無之泡。但是那些量子比特仍然存在于平坦的世界中，并非空無一物。事物沒有以正確的糾纏方式給出空間，但在所謂的虛無狀態(tài)中，還是有信息的。 Q：你第一次接觸科學(xué)是什么時候？ A：我上二年級的時候，我們住在印度的加爾各答，周末時候會去買蔬菜。我們會經(jīng)過一些書商，它們的攤位建在建筑物的墻壁上。我很珍惜我能夠拿到的書。我爸爸用當?shù)厣痰甑陌b箱做了一個小書架，我會把我的一些書放上去，經(jīng)常翻閱。當時我的人生抱負是有一天能擁有 100 本書。 有一天，我拿起一本書，名為《The How and Why Wonder Book of Famous Scientists》。讓我尤為印象深刻的是安東尼·范·列文虎克。他沒有學(xué)位，工作的地方也極為一般。他是一名鏡片研磨師。但他是一個聰明而充滿好奇心的人，用鏡頭組裝了第一臺顯微鏡，發(fā)現(xiàn)了整個微觀生命世界。我一直記得讀過這篇文章，并且意識到，科學(xué)是一件我們可以做的事情。從那時起，我就知道了我的一生將從事的事情。 Q：你在麻省理工學(xué)院同時學(xué)習(xí)了物理和計算機科學(xué)。學(xué)習(xí)后者是為什么？ A：我開始意識到，當我們寫下自然定律時，它們在本質(zhì)上受制于我們思考的方式。一只貓無法理解微積分，人類也不能理解宇宙中的所有事情。所以，我學(xué)習(xí)計算機科學(xué)，是因為我想了解計算機在我頭腦中的局限性。 Q：那么你作為神經(jīng)科學(xué)家的這一面，是如何開始的？ A：作為哈佛的博士后學(xué)生，我主要從事弦論的研究，但我也在生物實驗室兼職工作。每到晚上，我都會去我朋友的實驗室，查看他的數(shù)據(jù)并閱讀論文。高中生物課程我都還給老師了，所以我有很多東西要學(xué)。 然后我來到賓夕法尼亞大學(xué)，遇到了神經(jīng)科學(xué)家彼得·斯特林（Peter Sterling）。他經(jīng)常問我，“為什么這個電路看起來是這樣的？” 或“為什么這個神經(jīng)元看起來是那樣的？” 這些都是很好的問題，因為在生物學(xué)中，形式追隨功能（form follows function）。 Q：你發(fā)現(xiàn)有哪些力量塑造了大腦的形狀？ A：神經(jīng)信息是非常昂貴的。它消耗大量能量；所以如果我們考慮一下信息編碼的節(jié)能方式的理論，也許能啟發(fā)我們關(guān)于大腦的結(jié)構(gòu)。 例如，大腦處理亮斑（light patches）和暗斑的途徑不同，將更多的資源投入到暗點上。為什么會這樣？我們表明，如果您看一下自然圖像的統(tǒng)計結(jié)構(gòu)，就會發(fā)現(xiàn)暗點比亮點多。我們發(fā)展了一種定量理論，預(yù)測如果要在固定預(yù)算下建立人工系統(tǒng)，應(yīng)該需要多少亮檢測子和暗檢測子，才能最大化視覺信息。最終，我們會發(fā)現(xiàn)在動物身上看到的結(jié)論。 Q：所以你覺得貓在努力學(xué)習(xí)微積分嗎？非連通宇宙熵是否在推動我們的認知極限？ A：你可以這么想，但我們會不斷發(fā)現(xiàn)更多的認知。這有一個真正的謎。我們只是使用簡單的數(shù)學(xué)理論，但我們正在討論時空是否通過糾纏以一種呈展的方式組合起來。它與我們的日常經(jīng)驗相去甚遠，以至于目前為止很難說我們是否能夠真正弄明白這個事。 這里有個問題需要弄明白。基本上，簡單理論所具有的力量，是我們不應(yīng)該得到的禮物。 Q：你的藏書怎么樣了？你建立了你自己的巴別圖書館了么？ A：在我和妻子有了第二個孩子之后，我們想搬到費城的郊區(qū)。一天下午，我們開車到這里，看了四套房子。當我走進這套，看到里面滿是書架時，我就知道這就是我們的家了。 現(xiàn)在它里面有上百本書了。我妻子是賓大的歷史學(xué)家，所以她也收藏書籍。而且我還保留著我小時候的所有故事書，它們都折角了，上面有好多指紋和食物痕跡。 Vijay Balasubramanian，1969 年生于印度孟買，后隨家人移居至印度尼西亞雅加達，大學(xué)與博士分別就讀于麻省理工與普林斯頓。現(xiàn)為理論物理學(xué)家，賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué) Cathy 和 Marc Lasry 教授。主要研究領(lǐng)域為弦理論、量子場論和生物物理學(xué)（尤其是理論和計算神經(jīng)科學(xué)），以及統(tǒng)計推斷和機器學(xué)習(xí)等。 項海波，中國人民大學(xué)物理系碩士，現(xiàn)任職于工業(yè)和信息化部電子第五研究所，從事量子產(chǎn)業(yè)政策規(guī)劃相關(guān)工作。 |
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