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理论|“元层次”的物理学：建构子理论如何解释生命、宇宙和量子计算

理论|“元层次”的物理学：建构子理论如何解释生命、宇宙和量子计算
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建构子理论是一种描述宇宙本身的全新方式 ， 与主流的理论有着不同的性质 。
新浪科技讯 北京时间11月5日消息 ， 你可以将物理学看作是解释黑洞、粒子碰撞、苹果下落和量子计算机等事物行为的一种方式 。 但如今一些物理学家正在研究的一种理论 ， 则不仅仅关注个体现象；这是一种描述宇宙本身的全新方式 。 这种理论可以解决很多问题 ， 比如为什么生物演化是可能的 ， 以及像思想、信息等抽象事物如何拥有独立于任何物理系统的特性 。 研究者称这种理论为“建构子理论”（constructor theory） 。 然而 ， 尽管这是个很迷人的理论 ， 但一个突出的问题是：如何验证它？
“当我第一次学习建构子理论时 ， 它显得过于大胆 ， 不像是真的 ， ”英国爱丁堡大学物理学和遗传学专业的研究生阿贝尔·詹斯玛（Abel Jansma）说道 ， “早期的论文涵盖了生命、热力学和信息学 ， 对于这样一个年轻的理论而言 ， 基础工作似乎太多了 。 不过 ， 用这种方式来研究这个理论或许也是自然而然的 。 作为局外人 ， 能见证这一切很令人兴奋 。 ”
琪娅拉·玛莱托（Chiara Marletto）是一位年轻的物理学研究者 ， 她对生物过程方面的问题很感兴趣 。 物理学定律并没有说明生命存在的可能性 ， 然而物理学常数的任何一点细微的变化都可能使我们已知的生命不复存在 。 那么 ， 为什么自然选择的演化在一开始就是可能的呢？无论你盯着物理方程看多久 ， 都永远不会明白它们为何允许生物演化；然而 ， 很显然 ， 它们确实使生物演化成为可能 。
玛莱托对这种矛盾感到不满 。 她想解释为什么在物理定律没有暗示生命应该存在的情况下 ， 生命的出现和演化是可能的 。 她找到了2013年的一篇论文 ， 由牛津大学的物理学家和量子计算先驱大卫?多伊奇（David Deutsch）所写 ， 为建构子理论奠定了基础 。 该理论的基本原则是：“所有物理学定律都完全可以表述为一组陈述 ， 即哪些任务（物理变换）是可能的 ， 哪些任务是不可能的 ， 为什么会如此 。 ”
马莱托表示 ， 她推测“建构子理论有一套有用的工具来解决这个问题” ， 即尽管物理定律没有明确编码生物适应的设计 ， 为什么演化还是可能的 。 出于对这些可能性的好奇 ， 玛莱托很快将她的博士研究重点转向了建构子理论 。
许多理论关注的是已经发生了什么 ， 而建构子理论关注的是可能发生什么 。 例如 ， 在当前的物理学范式中 ， 人们试图根据彗星的初始状态和广义相对论的运动方程来预测其运动轨迹 。 相比之下 ， 建构子理论更为整体 ， 试图解释这颗彗星在原则上可能会有哪些轨迹 。 例如 ， 彗星速度超过光速的轨迹是不可能的 ， 但是速度低于光速的轨迹是可能的 ， 只要它们也符合相对论定律 。
今天主流的物理学理论可以解释像两个黑洞碰撞这样剧烈的现象 ， 但很难解释一棵树如何存在 ， 以及为什么存在 。 建构子理论关注的是可能发生的事情 ， 因此可以解释那些本质上不可预测的领域——比如演化——的规则 ， 即任何需要解释的模式 。
建构子理论也可以捕获信息的属性 ， 这些属性不依赖于它们所存在的物理系统 。 例如 ， 同样的歌词可以通过无线电波发送 ， 也可以在一个人的脑海中想象 ， 或者写在一张纸上 。 信息的建构子理论也提出了新的原则 ， 来解释哪些信息的变换是可能的 ， 哪些是不可能的 ， 以及为什么 。
热力学定律也在建构子理论中得到了精确的表达；在此之前 ， 这些定律只被陈述为近似值 ， 在特定的尺度内适用 。 例如 ， 在试图描述热力学第二定律（即孤立系统的熵永远不会随着时间而减少）时 ， 一些模型显示 ， 一个物理系统将达到最终的平衡（最大熵） ， 因为这是系统“最有可能”的配置 。 但是 ， 这些模型的测量尺度在传统上是任意的 。 这样的模型是适用于纳米尺度的系统 ， 还是只适用于由一个粒子组成的系统？建构子理论通过可能和不可能的变换 ， 而不是一个物理系统随时间的演变 ， 来重新解释了热力学定律；在这一过程中 ， 该理论也用精确的、与尺度无关的陈述对这些定律进行了描述：热力学第二定律允许一些从X到Y的变换成为可能 ， 但不是反过来——功可以完全转化为热量 ， 但热量在没有副效应的情况下 ， 不能完全转化为功 。


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