引力， 或許只是個傳說(下) 编译:全志钢

當物理漸漸突破現實…… 19世紀以來，一些特立獨行的物理學家一直在捍衛這樣一個觀點：信息才是理論物理學的基本概念。讓我們對這場漸漸激烈的爭論作一番回顧吧。 “It from bit”。埃里克．韋爾蘭德所作的把引力變成一種全息屏幕的研究似乎印証了美國物理學家約翰．阿奇博爾德．惠勒 (John Archibald Wheeler) 的這句名言：“一切源自信息”。 埃里克．韋爾蘭德建議不要把引力看成一種具有物質起源的基本力，而應該認為它是從我們宇宙邊界上沸騰著的信息旋渦中浮現出來的。

這一視角令人興奮：就像顯現在電腦屏幕上的虛擬世界一樣，世界的每一個元素 — 粒子、場、力、時空 — 都應該是從由“0”和“1”構成的處理程序中浮現出來的。我們以為真實的一切，包括我們周遭的世界、轉來轉去的星球以及向下墜落的蘋果，可能都只是一個幻覺、一個由混沌一團的信息流造成的幻象。

狂熱的物理學家 可以想像這樣的提法會在基礎物理理論專家們中間激起怎樣的旋渦。因為，儘管大家在直覺上都能理解信息是什麼，可直到現在還沒有任何人能夠對它作出清晰的定義。信息是由什麼構成的？釋放信息的是誰？傳播信息的是誰？接收信息的又是誰？人們甚至還在這些基本問題爭論不休！在一些人看來，儘管信息的定義並不清晰，但它仍是物理學的一個重要參數，應該盡快將其納入諸如量子力學和廣義相對論等基礎理論之中。而在其他一些持懷疑態度的人看來，這一概念之所以模糊，正是因為它只存在於前面提到的那些人的（有問題的）腦海當中，因此必須不惜代價將它從標榜探討真實世界的物理學中剔除出去。

但在這場爭論背後，存在著一個毋庸置疑的現象：150 年來，一股“信息論”的潮流一直在物理學的各個領域裡蔓延。一個如此模糊不清的概念怎樣侵入了這樣的硬科學領域？這是長期的鬥爭、爭論和智慧碰撞的結果。 自從 19 世紀末這個概念初具雛形之時，就激起了物理學家的熱情。當然當時的人們用的並不是“信息”這個詞，但表達的就是這個概念。彼時人們用的詞是“概率”，第一個提出這個概念的是麥克斯韋（James Clerk Maxwell）。

1859 年，正當物理學暢遊在牛頓主義的海洋中之際，即“一切物理現象都應該用一種確定的物理學原因來解釋”這位蘇格蘭科學家就已經開始以概率論為基礎對熱力學進行重新闡述。在他和奧地利人玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann，他於 19 世紀 70 年代完成了對熱力學的重新建構）看來，氣體的溫度與其構成粒子的運動概率密切相關。法國巴黎第一大學科技史及科技哲學研究所的研究員阿努克．巴伯魯斯（Anouk Barberousse）強調說：“這曾經掀起軒然大波，因為對於當時絕大多數的學者來說，概率完全是一種主觀的概念，反映的是物理學家在自然面前的無知。”因為在經典物理學中，某個現象的概率表達的不是其真實存在，而是物理學家依據自己所擁有的信息判斷的其發生的可能性。

比如，如果一位天文學家宣稱未來一百年間某顆大隕石碰撞地球的機率為 1%，這是因為他掌握的信息不足以幫助他作出確定的判斷，這種概率是與他的無知相關的。那顆隕石要麼百分之百會撞上我們，要麼就不會撞上我們 — “它有 1%的可能會撞上我們”這種答案並不是真實世界的選項。然而，在麥克斯韋和玻爾茲曼同時代的人看來，他們對於熱力學方程的詮釋所表達的似乎恰恰相反：氣體的溫度這樣一種非常真切的屬性可能就是與物理學家的無知狀態密切相關的 ……

不堪攻擊 這太過分了！在許多物理學家看來，這種觀點不啻對他們追求客觀性的努力的褻瀆，是可忍孰不可忍，於是他們憤起攻擊。但麥克斯韋和玻爾茲曼堅持己見。麥克斯韋大膽地爭辯道：“能量耗散的觀點與我們的認識拓展相關聯。”而玻爾茲曼則因為不堪攻擊而在 1906 年自殺，但他對概率的執著化作格言銘刻在了墓碑之上。

而到了 20 世紀初，隨著原子的存在得到証明，這種對熱力學的統計學闡釋終於得到了接受，務實的物理學家承認概率是能夠對幾十億個同時運動的粒子作出解釋的唯一方式。但阿努克．巴伯魯斯強調說：“有關概率的性質究竟屬於主觀性與否的爭論並未停歇，現在這場爭論又圍繞著信息展開了。”曾任職於法國原子能委員會（CEA）的物理學家吉勒．科昂 － 塔努吉 （Gilles Cohen – Tannoudji）解釋說：“從 20 世紀 30 年代開始，里奧．席勒（Leo Szilard）以及後來的萊昂．布里尤安（Leon Brillouin）等物理學家把概率和信息這兩個概念在一個方程式裡聯繫起來，他們根據某個物理系統的微觀構成成分的狀態概率來對該系統所包含的信息加以確定。”這樣一來，這兩個概念便產生了聯繫，而信息也就被卷入了這場論戰……

“無法理解的”理論 上世紀 30 年代，隨著 20 世紀最偉大的理論 － 量子物理學粉墨登場，這場爭論重又激烈起來。這門用概率的語言進行表述的理論“是無法理解的”，法國尼斯大學的名譽教授、量子學家米歇爾．勒貝拉克（Michel Le Bellac）承認道，“儘管我們非常擅長應用這一理論，而且它從來沒有被挑出過毛病”。這一理論講的是什麼？它講的第一點就是粒子的狀態從本質上來說是不確定的：它表現出多種狀態的形式，而每一種狀態都是由一個（位置、速度、能量等）概率決定的。這個令人生厭的詞又出現了……於是爭論又開始了！

爭論的一方以愛因斯坦代表，在“無知”這一論點上糾纏不休。他們認為這項理論之所以高談闊論概率，就是因為它所提供的關於現實的信息是不完善的。“我堅信，”愛因斯坦寫道，“量子理論的統計學特徵完全是由於這樣一個事實造成的，即它所依據的是對於物理系統的一種不完全的描述。”在持有這種現實主義立場的人看來，我們不能停留在由我們的無知所造成的這種模糊的描述上，而必須努力對其加以完善。而以玻爾（Niels Bohr）為代表的另一方的立場則較為奇特，但這種立場最終占據上風。玻爾寫道：“并沒有什麼量子世畀，有的只是一種抽象的量子描述。那種認為物理學的任務是了解自然的觀點是錯誤的。

物理學要關注的，只是我們對於自然能說些什麼。”物理學所描述的，到底是世界本身還是我們對世界的所知？20 世紀 30 年代至 50 年代，愛因斯坦的支持者和玻爾的支持者就此公開對立…乃至彼此生厭 ---- “我不喜歡‘量子力學’，我很失望，我永遠不會理會它。”量子力學理論的創立者之一薛定諤（Erwin Schrodinger）語帶嘲諷地說道。這場爭論是如此地令人疲憊且沒有成果，終於在 20 世紀 60 年代前夕被人埋葬。“別爭吵了，去計算吧！”美國人理查德．費曼（Richard Feynman）說。他是惠勒的學生，後來成為最具影響力的一位物理學家。

可嘆！信息這一概念--- 以及與它如影隨形的爭論 --- 在 20 世紀 70 年代初在一個意想不到的領域裡再次出現。為了証明黑洞視界的大小與其吞噬的物質所包含的信息成正比，斯蒂芬．霍金與雅各布．伯肯斯坦（Jacob Bekenstein，也是惠勒的學生）又把這種信息論病毒擄帶到了宇宙科學之中。到了上世紀80 年代，人們開始對此堅信不疑。惠勒提出：“就像信息是電腦的核心一樣，把信息想像成物理學的核心并不是沒有道理的。”這促使他的一些學生，包括美國人塞斯．洛伊德（Seth Lloyd），開始把宇宙看成一台能夠同時處理 1090 比特運算的巨型電腦…

我們之所以能夠在理論物理學領域公開談論比特的概念，實際上是信息學與量子力學在 20 世紀 80 年代末發生交集的結果。那場交集又將曾經的爭論推向前台。隨著電腦漸漸滲入我們的日常生活，物理學家終於明白，通過無限小的法則就可以用一種從根本上完全不同的方式對信息進行操縱。於是他們痴迷上了量子電腦、量子密碼學、量子隱形傳輸…

數學公式化 這時，他們就有了一個驚喜的發現！“物理學家從上世紀 90 年代開始提出的量子信息理論的語言顯然比上世紀 20 年代的語言更適於描述和理解某些量子現象。”法國原子能委員會物質科學研究實驗室的亞歷克賽．格蘭博姆（Alexei Grinbaum）總結道。玻爾所捍衛的論點受到了逐字逐句的審視：量子力學所談論的或許并非波或者粒子，而可能只是信息？或許對這一理論進行闡述的難度是由這樣一個事實造成的，即它的方程式所涉及的并非世界，而是人們可以從中提取的信息？這種觀點很快便通過一些令人印象深刻的數學結論而實現了公式化。

從本世紀初開始，多位理論學家，如美國馬里蘭大學的杰夫．鮑伯（Jeffrey Bub）、貝爾-朗訊科技實驗室的克里斯托弗．福熙（Christopher Fuchs）以及亞歷克賽．格蘭博姆都証明了怎麼樣能夠從這樣一個簡單的信息姿態部分或全部推導出那奇特的量子理論。 埃里克．韋爾蘭德的研究工作正是沿著這個方向前進的。杰夫．鮑伯評論它“令人著迷而且非常貼切”，克里斯托弗．福熙則“真正在韋爾蘭德的新方向和自己的研究計劃之間找到共嗚”。亞歷克賽．格蘭博姆打算就韋爾蘭德的建議發表一篇哲學分析，因而拒絕透露自己對他的評論。

那麼，信息能否掀起物理學的革命？目前尚無人能知。因為爭論并未終結。一方面，宣揚革命的人們不斷鼓吹他們觀點之高明，因為通過與信息流相關的法則就能夠推導出基礎物理學的大部分理論。而另一方面，反對信息概念的人們則強調前者的理論缺乏清晰度和準確性。因為在他們看來，談論信息這一概念，就意味著強調接收信息的觀察者的作用。比利時魯汶天主教大學理論物理學教授讓．布里克蒙（Jean Bricmont）問道：“這個‘觀察者’到底是什麼呢？這是一個模糊的概念，似乎與人類的精神相關。”而人類的精神屬於認知科學而非物理學範疇。

白熱化的爭論 經過了一個半世紀，如今這場爭論已經達到白熱化程度。儘管信息的概念招致了一些人的厭惡，儘管圍繞著它還有很多說不清道不明的混沌，但這一概念已經先後成功地打入了無限復雜的熱力學世界、無窮小的量子力學世界、無窮大的宇宙學世界。而在埃里克．韋爾蘭德的努力下，現在它開始進入這個我們無限熟悉的萍果紛紛墮向地面的世界… 物理學家必須要下定決心勇敢直面這樣一個長久以來他們都不願意正視的簡單問題：各種物理學理論描述的世界是不是真實的？或者那些紛紛墮地的萍果只不過是一個幻象？ 全文完