系统中的观察者(1)——引言

来自集智百科
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  • 作者:jake
  • 时间:2010-02

写在前面——图形与背景的切换

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图1-1

这是一个高脚杯,还是两张相对的人脸?把黑色作为背景,它就是高脚杯,把白色当作背景,它就是两张人脸。因此,两个答案都正确!

也许你总觉得上面的回答有些别扭,为什么答案是如此模棱两可?看来,你的心智已经完全习惯了“非此即彼”的世界观,以至于完全不能容纳其他更丰富的答案了!为什么不能让高脚杯和人脸在你的头脑中共存呢?

具有讽刺意味的是,我们现在科学发展正面临着类似的从图形到背景的转变过程。自从伽利略开创了以实验研究作为基本手段的近代科学以来,科学家们就不停地用一支白色的笔驱赶背景的黑暗。一种公正的、客观的、严谨的、理性的分析方式逐渐渗透到了从自然到社会,从艺术到人文的各个领域之中。正是因为前景如此丰富,黑色的背景(那些不那么客观、不那么理性的部分)也会被逐渐地塑造、成形。因此,白色的高脚杯映入眼帘的那一刹那也就是黑色的人脸形成的时刻。

本文所要论述的“观察者”理论正是一次从科学画卷的背景出发解决问题的尝试。不敢说这个理论就一定能解决所有的问题,但它至少是前景理论的一个重要补充。一方面,观察者理论仍然采用传统的科学研究方法(尤其是数理科学);另一方面,我们采用了一种与前景科学完全不同的世界观来重新看待所有问题。这个转变说来很容易,那就是:我们暂时将世界的客观存在性放在一边,而把我们自己——观察者——这个始终站在幕后的神秘角色推向了前台

其实,观察者作为一个科学中的关键词早已经出现在物理学中。当伽利略提出他的力学相对性原理的时候,被封闭在船舱中的乘客其实就是观察者;到了爱因斯坦那里,观察者就具有了更明确的地位,在所有惯性系中的观察者都会看到同样的力学规律,这是相对论的第一条基本假设。然而,相对论中的观察者仅仅是为了科学推理的“方便”而引出的一种说辞而已,他在相对论中起到了绝对的背景作用。

接下来到了19世纪末,玻尔兹曼提出了一整套统计物理的框架。玻尔兹曼虽然没有明确提出观察者这个词,但是他却开发了“标度变换”(或者用现代的词语来说,叫做重正化。注:当时的玻尔兹曼采用了从宏观到微观两种标度考察系统,并发现了熵正是联系两种标度的物理量,但玻尔兹曼并没有明确指出这种标度变换方法和重正化操作,这是后人起的名字)——这个观察者常常使用的技巧,以及熵这个对观测本身的测量的概念,从而奠定了统计物理的基础。玻尔兹曼的这套方法第一次显示出站在观察者的角度思考问题的确有很大的优越性。

观察者正经八百的进入科学殿堂是在量子力学中。20世纪初期,为了解释微观粒子的奇异现象,物理学家发展出了一套数学框架:量子力学,其中,观察者的测量作用作为一个不可忽视的重要因素而引入到了科学之中。本来,沿着量子力学的道路,观察者马上就可以从背景走向前景了,但是那时候的科学家们却始终不能接受将观察者的观察作为第一假设,非要用传统的力学分析框架来消解这个观察者的作用。事实证明种种努力都失败了,观察者这个挥之不去的阴影始终缠绕在物理学家的心头。

此后将近100年过去了,随着信息科技、生物科学的大规模发展,信息、计算科学逐渐受到了人们的重视。人们逐渐发现,宇宙的根本更可能是一种抽象的信息结构,而不是传统意义上的物质。但是,信息的根本又是什么?我们为什么需要信息呢?此时此刻,“观察者”这个被沉睡多年的概念正被逐渐唤醒,这个一直隐藏在科学背景中的神秘角色即将登场。

整篇文章采用一种我自称为“危险的科普”的写作方式完成。称其为科普是因为我尽量采用白话、图形、比喻而非专业的公式和晦涩的术语把事情说清楚,从而达到有效传达信息的目的。这样做的一个很重要的原因是,这套观察者理论是一个远远没有完善的东西,虽然这篇文章是第一篇较系统性的阐述观察者理论,但是它也仅仅描绘出一张轮廓而已。所以,有太多的细节没有严谨的推敲。这种做法也为本理论的开放性提供了可能,希望真正对本理论的发展感兴趣的朋友能够从本篇文章中得到启发,并参与到这篇文章进一步的写作中来。但请千万不要拘泥于本篇文章所讨论的具体问题。我希望最终的观察者理论能以一种“科学2.0”的方式得以完善。

称这种写作危险,是因为它不再是大家熟悉的探讨诸如“豆浆能不能凉着喝”等无关痛痒的问题的通俗科普。反过来,这里面的观点充满了挑战性,甚至很多观点与主流科学相反。表面上看,这种文字很容易被归为“民科”一类。因此,我说它很危险,建议未成年读者(没有形成自己的判断能力)莫看。

整篇文章的组织采用先抽象后具体的形式。第二章站在一定的哲学高度,引出了观察者理论的框架。我们试图从观察者的角度出发建立一整套概念体系和逻辑,希望做到让整个体系遵循逻辑且前后一致,但是我们将看到这套框架还很稚嫩,需要进一步推敲。之后,第三章主要采用观察者的视角重新看待量子力学和统计力学这两门成熟的物理学科,之所以这样做的目的之一是想从这两个学科的基本概念和逻辑体系中借鉴一些根本的概念和推理方法,为我们建立复杂系统中的观察者和观测模型打好基础。从第四章开始,我们将尝试用观察者理论框架来解决各种领域的问题。首先,第四章将观察者理论框架与计算机科学结合,试图为我们理解人工智能提供一条崭新的思路。其次,第五章将展示如何从观察者理论的角度重新看待生命本质的问题。我们将在这一章讨论观察者和自指的问题,这是整篇文章中的高潮部分。第六章将着眼于观察者理论的更宏观层面,我们将指出观察者这个独特的视角是如何影响人类社会的。


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