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宇宙的本原是计算

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泰勒斯说“万物的本原是水”;毕达哥拉斯说“万物的本原是数”;德谟克利特说“万物的本原是原子”;到了如今这个计算机时代,计算机科学家们站出来说“万物的本原是计算”。
控制论的创始人维纳(Norbert Weiner)在1948年的《控制论》(Cybernetics)中提出宇宙的基本构件是信息的传递,而不是能量。麻省理工学院的计算机科学家弗雷德金(Edward Fredkin)将这一思想发扬光大,在20世纪80年代早期提出了他的“新物理学理论”,认为宇宙由最基本的计算软件构成。终极的实在不是粒子或力,而是根据计算规则变化的数据比特。世界是由一份一份的信息构成,宇宙是离散的而不是连续的。弗雷德金热情地宣称:“在这世界中,没有什么是像比特这样具体的构件,它比光子或电子更具体,它不是实在的模仿,它不是假扮实在的东西,它就是实在。宇宙是一部巨型的计算装置,任何自然事件都是在自然规律作用下的计算过程。现实世界的多样性不过是算法的复杂程度不同的外部表现。从虚无到存在,从非生命到生命,从感觉到思维,整个世界的演化,实际上都是一个计算复杂性不断增加的过程。”诺贝尔物理奖获得者费曼(Richard Feynman)在1981的一篇论文里也表达过类似的观点。
同时供职于密歇根大学和圣塔菲研究所(Santa Fe Institute)的学者约翰•霍兰德(John Holland)在其1998年的著作《涌现》中,提出“受限生成过程”模型。他认为,世界上的很多现象本质上都是“复杂适应系统”,而具有可变结构的受限生成过程再加遗传算法可能就是这类系统的一般性解释。很显然,霍兰德是试图用一种通用的算法来解释世界。在他的眼里,世界也是一个计算过程。

宇宙的万事万物都是计算,那其中最具特色的生命也是计算吗? 
生命的最大的特征是能够思维。尽管人们对于人脑的结构还远不清楚,但人类却很早就从计算的视角审视人的思维本质了。最早涉足的是哲学家。拉美利特曾简单的认为,人是机器,人脑是机器的一个部件;洛克曾把思维的本质看作是计算;莱布尼兹也认为,一切思维都可以看作是符号的形式操作的过程。真正把思维理解为计算并付诸实施的是计算机领域的科学家。1950年图灵在《心》(Mind)杂志上发表了一篇题为“计算机器与智能”的文章,开篇就写道:“我准备考虑这样一个问题:机器能思维吗?”在这篇文章中,他提出了著名的“图灵检验”的思想,以说明机器能够像人一样具有智能。图灵认为,人的大脑应当被看作是一台离散态机器。尽管大脑是由粘糊糊的“凉粥”一样的物质组成,电子计算机是由生硬的金属物质组成,但它们的本质则是相同的。离散态机器的行为原则上能够被写在一张行为表上,因此与思想有关的大脑的每个特征也可以被写在一张行为表上,因而能被一台计算机所仿效。在该论文中,图灵详细论证了思维的计算本质,并批驳了反对机器能够思维的多种可能的意见。他坚信人脑不会超越图灵机模型。
的确,图灵机可以极其巧妙的模仿人脑。人有记忆,图灵机有内部状态,就是其记忆。人有情绪和喜怒哀乐,这只不过对应于图灵机不同的规则而已。人能学习,图灵机虽然在运行中是不能改变其程序的,但是却很有可能激活了它的某个内部状态,导致其行为发生了本质变化,这样给它相同的输入,它给出了完全不同的输出,这就是学习。
在图灵的影响下,麦卡锡(J. McCarthy)、明斯基(M. L. Minsky)、西蒙(H. A. Simon)和纽厄尔(A. Newell)等人开创了人工智能这样一门新的学科。人工智能是认知科学与计算机相互交叉的学科。此后经过多年的努力,物理符号系统假说、心灵的表征计算理论等也相继提出。这些学说的共同特点都是把思维的本质看作是计算,把思维看作是一种信息加工过程。尽管符号学派后来受到联结主义和基于行为的人工智能学派的挑战,但思维的本质是计算这一基本的人工智能假说并没有被抛弃。
目前我们用计算机进行的辅助设计、翻译、检索、绘图、写作、下棋、机械作业等方面的发展,已经向计算机的智能化迈进了一步。世界头号国际象棋大师卡斯帕罗夫在1997年向IBM公司的超级计算机“深蓝”的俯首称臣,让人脑第一次尝到了在电脑面前失败的滋味。但是,冯•诺伊曼型计算机在认字、识图、听话及形象思维方面的功能特别差,跟人脑无法比拟,这又促使生命科学家对人脑进行进一步的研究,而计算机科学家们则对其研究成果进行借鉴。近年来,各国学者开展人工神经网络的研究,向计算机的智能化迈出了重要的一步。有学者猜测,智能计算机的构成,可能就是作为主机的冯•诺依曼机与作为智能外围的人工神经网络的结合。同时,目前至少有三种技术有可能引发全新的革命,它们是光子计算机、生物计算机和量子计算机。人们普遍认为智能计算机将像穆尔定律 的应验那样必然出现。提出这一定律的Intel公司名誉董事长戈登•穆尔本人也同意这一看法,他认为“硅智能将发展到很难将计算机和人区分开来的程度。”但是计算机智能不会到此为止。许多科学家断言,机器的智慧会迅速超过爱因斯坦和霍金(Stephen Hawking) 的智慧之和。霍金预言:“就像人类可以凭借其高超的捣弄数字的能力来设计计算机一样,智能机器将创造出性能更好的计算机。


1楼2006-08-15 12:44回复
    最迟到21世纪中叶(而且很可能还要快得多),计算机的智能也许就会超出人类的理解能力。”
    生命的第二个特征是能够生长、发育、遗传和自我繁殖。在计算理论的影响下,一些生物学家也开始从计算的视角来思考生命的遗传问题。1994年11月,美国科学家阿德勒曼(L. M. Adleman)在《科学》(Science)杂志上发表的关于DNA计算机理论,从另一个方面说明了生命的计算本质。通过把图灵机与生物细胞内DNA自我复制过程的比较,阿德勒曼得出结论:细胞就是计算机,DNA聚合酶合成互补DNA链事实上就是一种计算过程。他还说明了如何通过对DNA编程来改变其结构,使之进行各种计算。这个事实给了人类某种启发,或许,生命系统事实上就是一台以分子算法为组织法则的多层次的计算网络。
    目前,生命科学进入到以破译基因信息为主要内容的后基因组时代。在这一时代,计算将成为生命科学的一个重要内容。基因组是生命的信息库和程序库。生命的生长、发育、分化、免疫反应等特征本质上是包含在基因组中的生命信息和程序的表达和执行的表现。所有的生命信息和程序都以不同的形式记载在A、G、T、C四种碱基书写的一维DNA序列中。生命的奥妙就藏在这本四字天书里面。人类基因组序列的巨大数据,必须借助计算机技术来存储和分析。生物信息学、基因组语言学和计算生物学就是在这样的背景下产生的新兴学科。它们利用计算机和新的数学分析方法,分析生物基因组的序列数据,寻找生物生长和发育规律。
    另一方面,计算机科学者在计算机上面开展了对自我复制的研究。元胞自动机正是冯•诺伊曼在这一研究过程中提出的概念。后来,在元胞自动机理论的进一步发展的基础上,朗顿(Langton)开创了人工生命这一新兴学科,从生命的“生长,繁衍,自我复制”等角度揭示了生命的计算本质。
    在世纪之交的2000年,科学界的两大成就引起世人的广泛关注,这就是人类基因组序列的测定和可进行自我设计与进化的进化机器人的出现。人类基因组序列的测定产生了广泛的社会反响,进化机器人的出现也引起不小的震动,尽管由于对前者的过分关注影响了一些人对后者的关注。人类基因组研究的是一般生物学的内容,而进化机器人的出现则是人工生命领域的突破。这两个研究领域虽然形式完全不同,而且前者是着重从生命的生长繁衍的特征入手,后者从生命能思维的特征入手,但它们的目标都是试图理解生命的本质,手段都是采用计算的方法。两个领域的研究和突破说明,信息、算法和计算等概念已经成为理解生命本质的重要概念。

    前面介绍的包括计算理论、人工智能、生命科学、人工生命等各个领域的一些观点内容与形式都不尽一样,有的甚至相互迥异并各执一词,持这些观点的学者们也没有自发的形成一个团体,更没有给自己的理论贴上“计算主义”的标签,但是他们的观点却表达了一种共同的倾向,那就是“计算”或者“算法”在理解世界和生命的时候非常重要。
    基于计算或算法的观念在当今已经渗透到宇宙学、物理学、生物学乃至经济学和社会科学等诸多领域并取得丰硕成果的事实,出现了一批学者,强烈的鼓吹计算或者算法的作用。他们认为:计算不仅应该成为人们认识自然、生命、思维和社会的一种普适的观念和方法,而且应该成为一种新的世界观。整个世界都是由算法控制,并按算法所规定的规则演化的。宇宙是一部巨型的计算装置,任何自然事件都是在自然规律作用下的计算过程。现实世界事物的多样性只不过是算法的复杂程度的不同的外部表现。整个世界的演化:从虚无到存在,从非生命到生命,从感觉到思维,实际上都是一个计算复杂性不断增加的过程。
    我们为行文方便,不妨称呼他们的观点为“计算主义” (Computationism)或者“算法主义”(Algorithmism)。而同时,将一大批持有此类观点的学者称之为“计算主义者”。
    计算主义的核心观点概括起来就是:
    1.世界的本质就是计算,宇宙就是一台计算机,世界上所有现象表现为一种算法过程。
    2.生命的本质是计算,生命的思维本质是计算,生命的生长、发育、遗传、自我繁衍等特征都是计算。
    


    2楼2006-08-15 12:44
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      • 189.146.122.*
      靠,我的硕士论文怎么传到你这里来了?


      3楼2008-07-09 09:01
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        • 124.203.148.*
        3楼的,你不是抄别人的吧,这篇文章我在杂志上就见过


        4楼2008-07-09 11:39
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          • 63.116.52.*
          我就是3楼的,哪个杂志发的?这篇论文是我的杰作,当然,我不介意在网上传播。你能转载我很开心。如果有可能,我们可以交流一下。我的QQ:7550405 .


          5楼2009-03-17 12:57
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