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數理科學和化學 物理學 理論物理學
 
 
 
 
科幻中的物理學
 叢書名稱: 爾雅通識教育讀本
 作  者: 李淼
 出版單位: 商務印書館
 出版日期: 2019.09
 進貨日期: 2020/5/21
 ISBN: 9787100167376
 開  本: 16 開    
 定  價: 360
 售  價: 192
  會 員 價: 192
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編輯推薦:

科幻大師劉慈欣讀罷此書,譽之為“科幻作者與讀者的‘金剛鑽’”,說的是,此書不僅以科學助力想象,教人如何構建一個合理的未來世界,更以科學勘破迷局,教人如何在紛繁複雜之中不惑於心。正如羅振宇所說,“我們不需要學物理學,但我們需要向物理學家學習他們是如何看待這個世界的。”通專門之學謂之“知”,以專門之學答人生諸問可稱“智”。《科幻中的物理學》薈萃科學原理,涵養科學思維,傳播科學智慧,絕非一般意義上的科普讀物。大物理學家李淼教授引殿堂學問,釋普羅迷思,成就了面前這本小書,各種閱讀姿勢皆宜:淺嘗可啟發想象,常翻可澡雪精神,精研可涵養智慧。


內容簡介:

擷取12個科幻色彩的主題,橫跨經典與現代物理學主要領域。作者以物理學的視角切入,解構經典科幻作品的科學設置,回應時下熱門話題,游刃於科學、幻想、社會之間,引殿堂學問釋普羅迷思,回歸“格物致知”之學術本義。


作者簡介:

李淼,1982年畢業於北京大學天體物理專業,後赴哥本哈根大學玻爾研究所深造,獲博士學位。1990年留美從事理論物理研究,先後執教加州大學聖塔芭芭拉分校、布朗大學、芝加哥大學費米研究所。1999年回國,受聘中國科學院理論物理研究所,現任中山大學天文與空間科學研究院院長。李淼教授是一位具有國際影響力的理論物理學家,近年來又在學術研究之外另闢蹊徑,以大家著小書,有《越弱越暗越美麗》《想象另一種可能》《<三體>中的物理學》《超弦史話》《給孩子講量子力學》等相繼問世,風行坊間。


圖書目錄:

第1 章 能量——私享太陽?再等200 年 1
能量概述 3
能量的來源 3
能源的分類 4
能量的轉換與守恆 5
能量的度量 7
質量也是能量 9
航天飛機的能量消耗 10
物質與反物質湮滅的能量 13
星際航行需要的能量 14
耗能與文明的層級 16
核能應用 16
人類文明的層級 18

第2 章 熵——時間比等待更長 25
熵的定義 27
熵減與熵增 30
彭加萊回歸 34

第3 章 萬有引力——真龍不是飛禽 39
萬有引力與萬有引力常數 41
萬有引力的影響 44
人的行走速度 44
生物體的大小 45
生物的呼吸頻率 46
鳥類 48
潮汐 50

第4 章 宇宙的尺度——比鄰在天涯 55
星球的大小與間距 57
納須彌於芥子 61

第5 章 時間——沒有空間就沒有時間 65
時間的度量 67
相對論與時間 70
光速、時間與距離 70
雙生子佯謬 73
時光穿越 74
形而上的時間 76
量子時序保護原理 76
時間的起點與終點 77

第6 章 引力波——天籟悅耳賴有弦 81
相對論與引力波 83
引力波天線 88

第7 章 人工智能——沒有量子就沒有智慧 95
人工智能的科學基礎 97
人工智能的未來 103

第8 章 量子力學——你是全宇宙不可複製的唯一 113
什麼是量子 115
量子在生活中的體現 120
量子的作用 127

第9 章 計算機與航天——飛天是場壓力山大的旅行 133
計算機的發展 135
航天的發展 141

第10 章 太空移民——建一座通天塔可好 149
拉格朗日點 151
太空站的大小 156
太空旅行 160

第11 章 宜居行星——新家有風險,流浪須謹慎 167
八大行星 169
探索系外行星 175

第12 章 人類的未來——去火星植樹造林 181
可利用的能源 183
未來的生活 189


章節試讀:

人工智能的未來

強人工智能到底能不能實現?換句話說,我們人跟機器到底是不是一樣的?

這個問題會引申出另外一個非常深刻的問題。我們先回顧一下《三體》中的一段情節,再把這個問題提出來。

在《三體》中,當地球人面臨三體人威脅的時候,人類的領導者就從人類中選拔了一批精英。這批人人稱為面壁者,他們的主要任務就是面壁,在家裡關起門來做宅男,思考對付三體人的辦法。其中有一對夫婦,男的是白人,女的是日本人,均是成就非凡的大腦科學家和心理學家。他們想出的辦法是,發明一部機器,給人類植入樂觀的想法。這個樂觀的想法是什麼呢?就是:我們可以戰勝三體人。如此一來,人類就空前地樂觀、空前地團結了,不再懷揣逃跑主義和逃亡主義,因而能夠齊心協力對抗三體人。

當然,如果這個設想能實現的話,確實能給人類戰勝三體人增加了一點勝算。最起碼說,儘管我們在科學技術方面落後於三體人,至少在意志上,我們是強過他們的。這個構想最關鍵的一點就是,能不能在人的大腦裡植入一個想法,並保證這個想法絕對不會改變。換句話說,就是人類能不能操控他人的思想。這才是問題的關鍵。

劉慈欣在《三體》中,把這個機器叫作思想鋼印。就是說,每個人用過這個機器之後,思想就被打上一個鋼印,從而將某一個想法固定下來。這個想法就是:“我們比三體人強,我們是可以戰勝三體人的。”

類似的構想其實在西方的很多科普類、心理類書籍中都出現過。其中涉及的核心問題,西方人已經討論了2000多年。西方人討論人是否有自由意志,已經有2000多年的歷史,至今尚無定論。
這就是我們前面提到的,“強人工智能能不能實現”這個話題所引出的問題:人究竟有沒有自由意志?

關於這個爭論,我們先看一看前一段時間,兩個對物理和數學都比較精通的普林斯頓學者證明的一個定理,叫Conway-Kochen定理,又名自由意志定理。

這個定理詳細闡述起來非常複雜。簡單來說就是,假定人有自由意志,那麼世間萬物也都有自由意志。

聽起來很奇怪,似與常識不容。

這是一個基於量子力學的結論。證明的過程,我們不作深入討論,重點講講為什麼這樣一個假設,可以用量子力學證明。

截至目前,量子方面的內容,本書涉及不多。量子力學跟以前的物理學全然不同。最主要的不同就是,在量子力學看來,整個物質世界原則上是不確定的。就是說,有一個因不必然就有一個果,一因多果也是可能的,而到底出現哪個果是不一定的。我們只能從概率上去預測:假定有一個因,分析出它對應的所有果,確定每個果出現的幾率。

量子力學可以說徹底地改變了我們過去對物質世界的認識。過去,大部分人認為,量子力學只在微觀世界成立。換句話說,我們只有在研究分子、原子、原子核、電子這些微觀粒子時候,才用得到量子力學。而當我們面對宏觀物體——比如一塊石頭、一支筆、一個椅子、一個人的時候,量子力學就全無用武之地。然而,最近物理學家研究發現,事實並非如此。其實有一些很大的、很宏觀的物體,比如圖片中這隻候鳥,也表現出了量子方面的一些特徵。科學家發現,候鳥導航用到了量子磁針。這完全是量子的東西。所以我們相信,量子有可能在宏觀世界的一些物理現象甚至生物現象中,也起到了根本性的作用。

為了更好地理解自由意志和自由意志定理與量子力學的關係,我們需要弄清楚的第一個問題就是,在西方人看來什麼叫“自由意志”。“自由意志”這個概念到底是什麼?

“自由意志”在英語中是由兩個單詞組成的,一為“free”,一為“will”。中文對應翻譯過來就是“自由”和“意志”。我們先說說“意志”是什麼意思。簡單來說,意志就是你想做一件事,比如說一個人早晨起床,想聽什麼音樂,吃什麼早餐。這都反映出他的意志。所以聽這段音樂,吃這種早餐,到底是什麼原因造成的呢?是有深層次的原因影響了這個人,還是沒有任何原因呢?如果沒有任何原因,這個意志就是“自由”的,“free”的。當然,也可能存在深層次的原因,比如說這個人昨天晚上做了一件什麼事情,決定了他今天早晨想要聽這一段音樂;或者他的這個意志,可以歸因到他以外其他人——例如,這個人的朋友向他推薦過這段音樂。原因本身並不是我們要考慮的。

表面上看來,在人類的世界裡面,很多事情是有因果關係的。就是說,一個人要做一件事情往往是有原因的。但是心血來潮的情況也是常有的。所謂“心血來潮”,就是毫無由頭地想做一件事。這就叫“自由意志”。換句話說,人的意志當然可以有因,但是,原則上說,是不是也可以沒有因呢?如果原則上可以沒有因,那麼人類就可以說擁有自由意志。否則的話,如果我們做所有的事情都必須有因,那麼人類就不能說擁有自由意志,跟機器並沒有本質的區別。

我們平時在玩電腦或者玩手機的時候,只要輸入一個指令,電腦或手機就會自然地作出反應。比如說我們看到一個APP,點擊一下,這個APP就打開了。如果是一個音樂類的APP,我們點一下某個音樂,這個音樂就開始放了。這就說明電腦或手機本身是沒有自由意志的,因為它做的事情,都是我們指令它做的。它不可能心血來潮做一件沒有指令的事情。如果哪一天,你沒操作,你的手機就自動幹起活來的話,你就要懷疑這個手機“成人”了。換句話說,我們人類跟機器確實是完全不同的。

人有沒有自由意志這個問題,答案看似很明確,因為我們跟沒有自由意志的機器是不同的。但是為什麼西方人——從物理學家到哲學家甚至是神學家,討論這個問題要討論2000多年呢?

這裡面有很多深層次的原因。首要是受到宗教的影響。有了《聖經》以後,大家都知道存在“最後裁判”的說法。你有沒有犯罪將由裁判確定。若是犯罪,上帝會決定你下地獄還是上天堂。有了這個環節,人們就會思考,人是天生有犯罪的傾向嗎?如果是天生有這個傾向,那麼這個傾向的原因是什麼?人畢竟是上帝造出來的。如果上帝一開始把一個人造得不完美,讓他犯罪,那麼罪因說到底在於上帝本人。既然如此,為什麼上帝還來懲罰人類呢?

當然,在中世紀時期,西方的基督教還討論過很多關於魔鬼的問題。因為魔鬼引誘人去犯罪,魔鬼也做了很多壞事。魔鬼我們都知道,源於墮落的大天使。而大天使也是上帝造出來的。這個大天使為什麼變成魔鬼,為什麼墮落呢?難道上帝自己沒有責任嗎?既然上帝有責任,他為什麼不懲罰自己,而要懲罰魔鬼呢?

於是,由這個宗教問題,就引出了對自由意志的思考。自由意志可以解決這個問題。

我們知道,《聖經》裡面也說過,上帝造出了人類,並賦予人類自由選擇的權利。比如伊甸園裡面的亞當和夏娃,他們就有自由選擇的權利。他們可以自由選擇吃還是不吃智慧樹上的果子。吃了就有罪——所謂人類的“原罪”,不吃就沒罪。如果人類是上帝造出來的,而人類沒有自由決定權,那麼他吃智慧樹上的果子,一定是上帝的意旨。如果人類有自由意志,人類吃智慧樹上果子,是自己想吃,與他人無關,那麼罪就人類自身。

《聖經》裡面有這麼一段有趣的描述。亞當吃了智慧樹上的果子,上帝就找他說,你們現在知道了羞恥,有羞恥心了。以前你們沒有羞恥心,無所顧忌,無憂無慮,而現在卻知道要穿衣服了。你們犯了罪了。亞當說:這事不是我的主意,是夏娃讓我吃的。夏娃說:這事不是我的主意,是一條蛇引誘了我。說到底,原罪是一條蛇犯下的,而這條蛇就是惡魔,就是撒旦,就是那個墮落的大天使。亞當和夏娃都把罪因都歸到了別人身上,認為自己沒有罪,也沒有自由意志。但是,為了圓滿解釋《聖經》裡面上帝懲罰人類的情節,必須要假定人類有自由意志,魔鬼也有自由意志。

如果人類沒有自由意志,我們就可以把人的惡行,諸如盜竊、殺人之類,歸結為其他的原因,或者說客觀的原因。例如,一個人殺了人了,因為他沒有自由意志,那麼殺人就不是他的錯。也許是因為他小的時候,父母給他灌輸了一些思想,或者對他不好,經常虐待。尋根溯源,罪在父母,不在他本人。但是父母又會說,對孩子不好也不是他們的原因,他們的父母對他們也不好。以此類推,就沒有任何人需要擔責任了。

所以,自由意志存在與否關係甚大。對於西方人來說,它涉及到宗教、法律、倫理等各個方面。這就是自由意志難題。這也就是為什麼西方討論這個問題討論了2000多年。人們都在思考人類究竟有沒有自由意志。

知道了自由意志的本質,我們回到數學和物理學上,看看如何從這個方面入手,抽絲剝繭,尋根探源。

我們剛才談的關於自由意志的內容,都是很虛無飄渺的,屬於哲學範疇,涉及到的方面很多。其實從物理學著眼,很容易明確什麼叫自由意志。自由意志就是一個果跟過去的歷史整個兒無關,沒有原因,不受約束。

例如,我們知道在物理學上,相對論認為信息的傳播不可能超過光速。換句話說,我們現在談的影響某一個果的歷史,是說從這個果向過去畫一個光錐,在光錐之外的所有的事件對他都沒有影響。為什麼這麼說呢?就是因為光錐之外的事件要影響他,就必須要超過光速才可以。所以只是光錐裡面的東西能產生影響。

同樣地,用數學語言說就是,這個事件發生了,那麼這個事件本身是這個光錐裡面所有事件的函數。如果不是的話,那就說明這個果是沒有因的,它是一個自由的、無約束的果。

如果把這個理論推及到人,那就變得更為複雜了。這個果就不再是一個簡單的現象、事件,它是指向某種目的的心理狀態,是某種故意行動的原因,是決定做一件事的認知過程。這就是我們說的意志。

可能有人不同意把這個過程認定為意志,但是這個並不重要。因為無論把它定義成什麼,它總是一個複雜的事件。這個事件究竟是不是過去的歷史的一個結果,才是我們討論的重點。如果它不是,那它就是自由的。

在心理學上,在人類到底有沒有自由意志這個問題上,爭論已經持續了好幾十年。二十世紀七八十年代有個著名的實驗,叫作Libet實驗。這個實驗經常被心理學家和認知科學家拿來作為證據,證明人沒有自由意志。

概括地說,這個實驗是這樣的。在實驗中,科學家在人的大腦上插很多電極,以此探測人的思想活動。科學家們發現,在人決定做一件事情之前,比如去拿一本書或者端一杯水,電極就會探測到大腦已經有活動了。時間大概持續1秒鐘左右,也可能更短,短到只有幾百微秒。但是人們並不知道大腦的這項活動,只知道自己做出了一個決定。

也就是說,一個人做出一個決定是大腦活動的結果。但是這個大腦活動人並不知道。心理學家常拿這個實驗,來證明人是沒有自由意志的。一個人所有的意志都是由潛意識所決定的。

然而這個實驗也引出了另外一個問題:意志能否超出決定之外,而將導致決定的潛意識活動也涵括進來?如果人類的潛意識的活動也算意志的話,我們還要進一步追問:潛意識活動發生之前,有沒有其他的原因呢?對於這個問題,心理學家還沒有辦法藉助實驗來回答。

綜上所述,我覺得人究竟有沒有自由意志這個問題,並不能說已經被心理學家解決了。儘管一些心理學家以Libet實驗為憑,反對人有自由意志,但如果我們把人的心理活動或者說人類大腦的潛意識活動也算在意志裡面的話,就沒有任何一個學科有辦法證明意志不是自由的。

大家可能聽說過,有一位著名的生物學家叫弗朗西斯•克裡克,還有一個人叫詹姆斯•沃森。他們二人為發現DNA的雙螺旋結構做出了很大的貢獻,因此獲得了諾貝爾獎。這可以說是二十世紀生物學最偉大的發現之一。這兩個人並沒有因為取得了如此之大的成就而終止研究的步伐。這之後,克裡克就去研究大腦了。他想要搞清人的大腦到底是怎麼回事,搞清意識是怎麼產生的、人的思維是怎麼進行的、人的決定是怎麼做出來的等等一系列的問題。

弗朗西斯•克裡克猜測,決定發生在前溝帶回及其附近區域。也就是說,人是用大腦的這麼一塊區域作決定的。具體位置見下圖,綠色區域就是。

我們之前提到了心理學家、大腦認知科學家,除此之外,我們還不得不提加州大學聖芭芭拉分校一位物理學家,最近非常有名,叫費希爾。他認為人的大腦裡面真的是存在量子過程的,而如果人的大腦裡面有量子過程,人類的意志的發生,就真的不一定找得到確切的原因了。在量子論中,沒有嚴格的因果關係,有的只是概率上的描述。這部分內容留待下一講詳談。

費希爾還認為,人類大腦中存在著磷酸鈣,而磷酸鈣在大腦中會產生某種作用,這個作用就是量子作用。具體的作用是什麼,我們不去管它,只要知道這個過程是量子的就可以了。而這種量子作用的持續時間為100多秒,已經是超過1分鐘、接近2分鐘了。換句話說,這一量子過程發生的時間非常長,已經超出了微觀事件,足以影響人的宏觀意識了。

我一個人的宏觀的意識過程持續了將近2分鐘,就說明這個過程是非決定的。單純一個微觀的事件、微觀的東西,是不會影響我們決定的,因為我們的決定需要時間,這個時間必須是宏觀的。

雖說我們確定需要的時間是宏觀的,但是我們仍需要進一步的實驗來研究、來論證。這件事情如果是真的,就可能成為前面提到的自由意志定理的佐證。

整個世界是量子的,人類也有可能有自由意志。現在看來,這兩件事情或許是有關聯的。

最後,讓我們再回到人工智能。如果人類有自由意志,那麼強人工智能何時能夠實現這個問題的答案就很明顯了。人工智能具有自由意志的時候,才能稱得上是強人工智能。

換句話說,一個手機突然能夠自己做決定,而不不需要人去操控的時候,真正的強人工智能就出現了。到了那一天,人類就該擔心人工智能超越人類甚至操控人類了。

既然會有這種擔心,我們就來估算一下,距離這種情況的發生大概還有多長時間呢?

這取決於量子計算機的發展速度。也就是說,如果計算機發展到了量子階段,而人類大腦又確實是量子的話,當計算機的量子位超過人類大腦的時候,真正的擔心就開始了。

那麼到底需要多長時間呢?我們知道,人的大腦裡面約有860億個神經元。計算機要超越人類,就得有上千億個量子位。而目前,量子的位數每年增加1倍。按照現在的科技發展速度,計算機要達到人類的水平大約需要27年。

這個計算是非常簡單的。前面提到每年增加1倍,那麼要達到千億個量子位——也就是227個量子位,需要的時間就是27年。

上面的估算是以2016年為基準的,所謂27年以後,也就是2043年了。到了那個時候,或許我們擔心的就不是強人工智能能否實現,而是人工智能會不會超越人類的問題了。

總的來說,根據我的猜測,人類大腦是經典計算和量子計算機計算的某種綜合。當然這並不是定論,需要很多的科學實證。

最後,我以我的一句口號結束這一講。這句口號就是:沒有量子就沒有智慧。

 
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