計算機的未來會是什么樣的？

假設你打算買輛新車，銷售人員說：“你知道嗎，這款車不光可以在路上開。”

“喔？”

“真的，你還可以用它做其他事。比如，這樣折疊起來就是一輛不錯的自行車。打開能變成一架一流的飛機。浸在水里的時候就是潛水艇。還能變身宇宙飛船喲！”

你肯定以為銷售在逗你玩。不過世界上確實存在著可塑性如此高的事物，那就是計算機。我們用飛行模擬器飛躍自由女神像，用電子表格進行財務分析，用Facebook和朋友聊天，除此之外計算機還有各種各樣其他用途。計算機就如同一臺既是汽車又是自行車還是宇宙飛船的萬能神器。

這還要歸功于計算機的兩種特性。首先，計算機是可程控的。輸入一串指令，計算機的行為就會改變。第二。計算機是通用的。只要內存足夠，時間充裕，運用合適的程序，我們就可以讓計算機執行任何算法流程。

計算機的程控性和通用性已經深植于人類的文化中，成為了童叟皆知的常識。然而在其誕生伊始，可是了不起的大突破。1937年，艾倫·圖靈在一篇論文中明確道：“任何算法都可以被一通用的、可程控的計算機所執行。”圖靈描述的這種抽象模型通常被稱為圖靈機，是現代計算機的始祖。

為了實現自己的理念，圖靈需要證明他的通用計算機能執行任何可以想到的算法。這可不容易。在圖靈所處的時代，還沒有真正的算法的概念，對算法還沒有嚴格的數學定義。在此之前數學家們就發現了很多針對諸如加法、乘法和辨別質數的特定算法，圖靈把它們都用上了。這些還不夠。圖靈還需要證明他的通用計算機可以執行任何算法，包括未來可能出現的那些。為了達到這個目的，圖靈醞釀出了幾套思路，每條思路都非正式地論證了圖靈機可以執行任何一種算法。盡管如此，他仍然對自己非正式的論證感到異常不安。他說：“所有可提出的論證歸根結底都要付諸于直覺。正因如此，在數學上往往不能令人滿意。”

1985年，物理學家大衛·多伊奇在理解算法本質的道路上邁出了重要的一步。他觀察到算法需要以實體系統為依托。算法流程可能以多種不同面貌出現：用算法做乘法的人類與執行飛行模擬器的硅質芯片明顯是截然不同的。但它們都是實體系統，都受物理定律的支配。所以多伊奇得出了如下結論：每個可知的實體系統都可以被通用模型計算機以可知的方式完美模擬。

換言之，選擇任意的實體流程，你都可以用通用計算機將其模擬出來。一臺機器可以成功地將遵循物理定律的一切包含在內，這是一個何其動人而獨特的見解。想模擬一顆超新星或者黑洞的形成，甚至宇宙大爆炸？多伊奇的原理告訴你，通用計算機可以模擬所有這些。從某種意義上說，如果你可以對通用計算機完全理解透徹，你就理解了所有的物理過程。

多伊奇的原理較圖靈早先的非正式論證進步了許多。如果這則原理是正確的，那么它就自動符合了通用計算機可以模擬任何算法的理論，因為算法流程究其極也是一種物理過程。你可以用通用計算機模擬算盤上的加減乘除，也可以在硅質芯片上運行飛行模擬器，或者你選擇的任何其他事。

更進一步的是，不同與圖靈的非正式論證，多伊奇的原理可以通過修改來證明。我們可以想象用物理定律來演繹該原理。那將會使圖靈的非正式論證在物理定律中站住腳，也為算法的本質提供一個更堅實的基礎。

想要達到這一步，就需要在兩方面對多伊奇的原理加以調整。首先，我們必須將計算機的概念拓展，將量子計算機囊括在內。這可以使我們更快更有效地模擬量子過程。要知道，傳統計算機模擬量子過程會慢到幾乎不可能。第二，我們必須將多伊奇的原理放寬，不嚴格要求完美的模擬，而是允許一定程度的近似值。

基于這兩項調整，多伊奇原理就變成了：每個可知的實體系統都可以被通用模型（量子）計算機以可知的方式有效而近似地模擬。

目前還沒有人從物理定律來演繹這一形式的多伊奇原理。部分原因在于我們還不知道物理定律都是什么。尤其是我們尚不知如何將量子力學與廣義相對論相結合，因此不清楚能否用計算機模擬涉及量子引力的過程，例如黑洞的蒸發。

即使沒有量子引力理論，我們也可以質疑計算機能否有效模擬現代物理學理論中的精華——粒子物理學標準模型和廣義相對論。

針對這些問題，研究者正在積極展開研究工作。過去的數年間，物理學家約翰·裴士基與其合作者們展示了如何運用量子計算機有效地模擬幾種簡單的量子場論，也就是粒子物理學標準模型的雛形。它們并不包含標準模型的復雜性，但是擁有標準模型的許多特征。雖然裴士基及其合作者們沒能成功地解釋如何模擬完整的標準模型，他們還是克服了許多科技上的障礙。可以預期在不遠的將來，模擬標準模型的多伊奇原理將得到證明。

廣義相對論就更棘手了。廣義相對論允許奇點的存在，而奇點割裂時空的方式至今仍無人能解。縱然一干相對論者已開發出模擬某些特定物理情境的諸多技術，就我所知，還沒有人對如何有效模擬廣義相對論做出過完整和系統的分析。這仍然是一個懸而未決的迷人課題。

學者赫伯特·西蒙在他的著作《人工的科學》中將科學做了區分。他將科學分為物理學和生物學這種研究自然生成系統的科學；與計算機科學和經濟學這種研究人造系統的科學。

乍看起來，人工科學應該屬于自然科學的特例。但正如多伊奇原理所指出的，計算機這樣的人工系統中蘊含的特質也許正如自然生成的系統一樣豐富。想象一下，我們不僅可以用計算機模擬人類的物理定律，或許甚至可以模擬其他的物理實在。用計算機科學家艾倫·凱伊的話說，“就自然科學而言，大自然給了我們一個世界，我們來發掘它的定律。就計算機而言，我們將定律裝進機器中，創造出一個世界。”多伊奇原理為統一自然科學與人工科學架設了一道橋梁。令人振奮的是，我們就快要證明出這一基本科學原理了。

文章來源：Quanta Magazine

文章作者：Michael Nielsen

編譯：未來論壇商白

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