02也许粒子根本不是世界的最底层上一章万物演化论01(第一章 ) 思考宇宙如何设计我讲了一个小时候一直困扰我的问题如果把宇宙一直往下拆拆到最后会剩下什么小时候我的答案很简单也许宇宙最终只有一种最基本的东西其他所有东西都是它的不同组合和状态。后来接触现代物理以后我才发现这个问题比我小时候想象的复杂得多。因为人类一路往下拆以后发现了一件非常奇怪的事情我们越接近所谓的最底层越发现东西这个概念本身可能没有我们想象得那么简单。一、我们原本以为世界是一堆积木这是人类最自然的理解方式。比如一张桌子。我们可以把它拆成木头木头可以继续拆成分子分子可以拆成原子原子可以拆成原子核和电子。原子核里面有质子和中子质子和中子里面又有夸克。于是我们很容易形成一个想象桌子 ↓ 分子 ↓ 原子 ↓ 原子核 电子 ↓ 质子 中子 ↓ 夸克 ↓ 就好像世界是一座巨大建筑而我们只需要不断拆墙最终就能找到最底下那块砖。这个思维非常符合我们的直觉。但问题来了如果真的拆到最后呢二、电子是什么今天我们认为电子是基本粒子。意思是在目前的实验范围内我们没有发现电子由更小的东西组成。所以你可以把它暂时画成电子 ↓ 目前无法继续拆分夸克也是类似。于是我们似乎终于找到了最小积木。可是事情很快变得奇怪起来。因为量子力学告诉我们电子并不像一个经典意义上的小球。它可以表现出粒子性质也可以表现出波动性质。它的位置不是简单地藏在某个地方它的状态需要用量子态来描述。于是电子是一颗极小的小球这个想象本身就开始失效了。三、然后量子场论又往前走了一步这是我后来觉得特别有意思的地方。现代物理并不简单地说“宇宙里到处飞着很多小粒子。”而是建立了一个更加抽象的描述宇宙中存在各种量子场而我们看到的粒子可以理解为这些场的量子激发。可以用一个非常粗糙但容易理解的比喻想象整个空间里存在一片看不见的海。这片海本身就是一种基础结构。当它以某种方式激发海 ↓ 一种激发 → 粒子A 另一种激发 → 粒子B 另一种激发 → 粒子C我们看到的就是不同的粒子。这个比喻并不严格但它帮助我们理解一个非常重要的变化粒子可能不是最底层的东西而可能只是更底层结构的一种状态。这和积木世界已经完全不同了。四、于是我小时候的那个问题发生了变化小时候我问“宇宙最基本的东西是什么”现在这个问题可以改成“宇宙最基本的状态是什么”甚至进一步“宇宙最基本的结构是什么”这几个问题看起来非常接近实际上却越来越深。因为如果粒子是某种状态那么我们就不能只研究粒子本身还必须研究是什么让它成为这种状态为什么会有这些状态不同状态之间为什么能够发生转换五、这也是为什么物理学一直在寻找统一理论我们今天知道自然界存在不同的基本相互作用。比如电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用以及引力。其中一些已经可以被统一到更大的理论框架中。但到今天为止我们还没有一个被实验完全验证的理论可以把量子世界和引力完整地统一起来。这意味着我们现在拥有的物理理论非常强大但它可能还不是最终版本。就像操作系统已经可以运行绝大多数程序但底层还有一些接口没有打通。六、弦理论提出了一个非常大胆的想法如果你还记得上一篇我小时候想象一个最基本的东西通过不同状态形成不同粒子。弦理论恰好提供了一个非常有意思的理论候选。它提出最基本的对象可能不是一个没有大小的点而是一维的弦。不同的振动模式可以对应不同的粒子。于是同一个底层对象 │ ┌──────┼──────┐ ↓ ↓ ↓ 振动A 振动B 振动C ↓ ↓ ↓ 粒子A 粒子B 粒子C这和不同东西分别组成世界相比是一种完全不同的思路万物的差异可能来自同一个底层对象的不同状态。但是必须保持科学上的谨慎弦理论目前仍然缺少决定性的实验验证。所以我们不能说“宇宙就是由弦组成的。”只能说它提供了一种非常有吸引力的更深层统一结构的可能性。七、还有一种更加大胆的可能也许弦都不是最终答案。甚至量子场也不是。那么再往下是什么这时候现代基础物理出现了一些非常前沿的探索。有些理论尝试从量子几何出发有些研究认为空间可能不是连续的有些研究尝试从离散的因果结构构建时空。还有一些研究开始探索时空是否可能从更加基础的量子信息结构中涌现出来这些理论彼此差异很大目前也没有一个被实验确认的最终答案。但是它们共同提出了一个非常重要的问题空间本身是不是我们看到的结果而不是最基本的输入八、这件事情如果成立会非常震撼因为我们的直觉是空间 ↓ 空间里面存在粒子但另一种可能是更底层结构 ↓ 产生时空 ↓ 产生量子场 ↓ 产生粒子也就是说我们以为宇宙发生在一个叫空间的舞台上。但也许舞台本身也是演员的一部分。甚至舞台也是后来长出来的。这就已经完全超出了寻找最小粒子的思维。九、这也是我为什么越来越喜欢涌现这个词什么叫涌现简单说一个系统整体表现出来的性质并不一定直接存在于它的单个组成部分中。比如单个水分子没有波浪。但大量水分子按照特定方式运动大量简单分子 ↓ 复杂的集体运动 ↓ 波浪波浪是真实的。但你不能把一滴水拿起来说“这就是波浪。”因为波浪是一种更高层次的结构。十、如果把这个思路放大会出现一个非常漂亮的世界我们可以暂时这样想更底层结构 ↓ 时空 ↓ 量子场 ↓ 粒子 ↓ 原子 ↓ 分子 ↓ 复杂物质 ↓ 生命 ↓ 意识 ↓ 文明注意这里每一层都不是简单地多了一些东西而是出现了上一层没有的新的性质。十一、原子没有生命但原子组成了生命这是一个很重要的例子。一个碳原子不会思考一个氧原子也不会思考一个氢原子当然不会思考。可是原子 ↓ 分子 ↓ 复杂分子系统 ↓ 细胞 ↓ 神经系统 ↓ 意识到了某一个层级我们突然出现了生命。再往上出现了意识。再往上出现了文明。于是一个非常重要的问题就出现了如果更高层次的现实可以从更低层次的简单结构中涌现那么生命、意识、文明会不会也是一种涌现这个问题目前没有简单答案但它非常值得研究。十二、而这恰恰会连接到我们后面要讨论的生命因为生命本身就给了我们一个非常好的例子DNA并没有写着最终要制造一个人类文明。它只是提供了一套可以复制、变化和传递的信息机制。然后复制 ↓ 变化 ↓ 环境 ↓ 选择 ↓ 保留 ↓ 继续复制 ↓ 再次变化 ↓ ……经过极其漫长的时间复杂性逐渐出现。所以复杂性并不一定需要一个复杂的设计者。它可能通过简单规则的长期运行自然产生。十三、这时候宇宙由什么组成就不再是最重要的问题了我现在反而越来越觉得如果我们只问“电子是什么”可能还不够。应该继续问“电子为什么能够存在”再继续问“为什么宇宙允许这种状态存在”再继续问“为什么这些状态能够组合”再继续问“为什么组合之后能够产生新的层级”最终我们真正研究的就不是东西。而是生成。十四、这可能是一个非常重要的思维转变以前我们喜欢这样理解世界世界 一堆东西现在可以尝试换成世界 一个不断生成结构的过程前者关注“它是什么”后者关注“它是怎么成为它的”我越来越觉得后一个问题可能更加接近理解复杂世界的核心。十五、如果这个思路成立那么万物可能并不是一个静态名词我们说宇宙、生命、文明、商业、AI听起来像五个完全不同的东西。但如果把它们看成过程就会出现另一张图宇宙 ↓ 产生结构 ↓ 产生物质 ↓ 产生生命 ↓ 生命产生意识 ↓ 意识产生文明 ↓ 文明产生技术 ↓ 技术产生AI ↓ AI继续产生新的结构 ↓ 于是宇宙不是一个已经完成的东西。生命也不是文明不是商业不是AI也不是。它们都处于某种持续变化的过程中。十六、这时候我突然能理解小时候为什么会觉得万物很像不是因为星系真的等于神经网络。也不是瞳孔真的等于黑洞。而可能是当不同系统达到足够复杂的程度以后它们可能会反复出现某些类似的组织方式。例如中心、边界、网络、聚集、流动、反馈、层级、分化、竞争、稳定、失稳、重组。这些结构可能跨越非常多的尺度。当然相似的结构不代表相同的物理机制。这是必须保持的边界。但它至少给了我们一个非常值得研究的方向不同复杂系统之间是否存在某些更高层次的共同规律十七、于是我开始重新理解一个东西小时候我说宇宙可能只有一个东西。现在我不会再执着于一个粒子我更愿意把它理解成也许宇宙存在某种极其简单的底层结构或生成规则。然后底层结构 ↓ 状态 ↓ 关系 ↓ 组合 ↓ 反馈 ↓ 稳定结构 ↓ 复杂结构 ↓ 新的层级这时候一个东西不一定真的意味着一个粒子。它可能意味着一个底层原则。或者一套生成机制。甚至可能是一种我们现在还无法理解的数学结构。十八、而这就把我们带到了下一层问题如果宇宙真的存在某种底层结构。那么为什么它能够产生复杂性为什么会有原子为什么会有星系为什么会有生命为什么生命会越来越复杂为什么最终出现意识为什么意识又产生文明为什么文明最终开始制造人工智能这时候我们已经不再是在寻找宇宙的砖块。我们开始寻找复杂性产生的机制。而我觉得这才是整个问题真正开始变得有意思的地方。下一篇预告03为什么宇宙会从简单走向复杂如果我们假设底层规则真的非常简单那么接下来最大的谜题就是简单的东西为什么没有一直保持简单为什么从粒子可以形成原子为什么原子可以形成分子为什么分子可以形成生命为什么生命可以形成意识为什么意识可以形成文明也许真正贯穿宇宙 → 生命 → 文明 → 商业 → AI的那条线并不是某一种具体的物质。而是复杂性究竟是怎样一步一步长出来的。