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( 二 )
自科学革命以来 ， 物理学已经取得了长足的进步 。 1687年 ， 艾萨克·牛顿在他的代表作《数学原理》（Principia Mathematica）中提出了他的宇宙物理理论 。 牛顿的经典力学理论建立在他著名的“运动三定律”的基础上 ， 意味着一个人如果知道力作用在一个系统上的时间间隔 ， 也知道系统的初始速度和位置 ， 就可以利用经典力学的运动方程 ， 来预测系统这一时间间隔中任意后续时刻的速度和位置 。 在20世纪的头几十年里 ， 经典力学在两个方向上都被证明是错误的 。 量子力学在解释微观世界的物理方面颠覆了牛顿的理论 。 爱因斯坦的广义相对论取代了经典力学 ， 加深了我们对引力以及质量、空间和时间的本质的理解 。 虽然这三种理论——经典力学、量子力学和广义相对论——在细节上有所不同 ， 但它们都可以用初始条件和运动的动力学定律来表达 ， 而这些定律允许人们预测系统在时间上的轨迹状态 。 这个整体框架便称为主流概念 。
然而 ， 在许多领域中 ， 我们最好的理论都还无法用初始条件和运动定律的主流概念来表达 。 例如 ， 量子计算定律从根本上并不是关于量子系统在某个初始状态之后会发生什么 ， 而是关于信息的哪些变换是可能的 ， 哪些是不可能的 。 所谓“通用量子计算机”——一台能够精确模拟任何物理系统的量子计算机——能否建成的问题 ， 与“初始条件加运动定律”的框架截然不同 。 即使在宇宙学领域 ， 用主流概念来解释宇宙初始条件这一众所周知的问题也是非常困难的：我们可以反过来理解大爆炸之后发生的一切 ， 但还无法解释为什么宇宙会出现在其特定的初始状态 ， 而不是其他状态 。 不过 ， 建构子理论或许可以表明宇宙在大爆炸时的初始条件 ， 可以从该理论的原理中推导出来 。 如果你只从主流概念的角度来考虑物理学 ， 那么量子计算、生物学和宇宙诞生的问题似乎都不可能解决 。 
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建构子理论的基本成分是建构子、输入基质和输出基质 。 建构子是能够引起特定物理变换 ， 并保留再次进行这种变换的能力的任何对象 。 输入基质是呈现给建构子的物理系统 ， 输出基质则是建构子对输入基质进行变换后产生的物理系统 。
对于建构子理论如何描述一个系统 ， 我们可以用一个奶昔搅拌机来简单示例 。 该装置混合了牛奶、水果和糖等成分 ， 输出一种完全均质的饮料 。 奶昔搅拌机就是一个建构子 ， 它可以一次又一次地重复这种变换：输入基质是一组原料 ， 输出基质则是奶昔 。
在宇宙中也有这样的例子 ， 比如太阳 。 太阳就像一个核聚变反应堆 ， 它把氢作为输入基质 ， 将其转化为氦 ， 再把光作为输出基质 。 太阳本身就是建构子 ， 因为它保留了再次引起此种变换的能力 。
在主流概念中 ， 人们可以利用太阳的初始状态 ， 通过适当的算法来运算 ， 从而预测太阳在耗尽燃料后的终结 。 在建构子理论的表述中 ， 氢转化为氦和光是可能的；一旦我们了解从氢到氦再到光的转变是可能的 ， 那么就可以推导出 ， 一个能引起此种变换的建构子也是可能的 。
建构子理论的基本原理意味着所有的物理学定律——广义相对论、热力学、量子力学 ， 甚至信息——都可以用原理上可能和不可能的物理变换来表达 。
这种设定非常普遍 ， 或许有些违反直觉 。 我们可以用一个使用催化剂的化学反应为例：化学催化剂是建构子 ， 反应物是输入基质 ， 产物是输出基质 。 计算机的操作也是一种建构过程：计算机（及其程序）是建构子 ， 其信息输入和输出对应于建构子理论的输入基质和输出基质 。 热机是另一种建构子 ， 所有形式的自我复制生命也是如此 。 想象一个携带遗传密码的细菌 ， 细胞及其遗传编码是某种建构子 ， 其输出的是带有其遗传编码副本的子代细胞 。
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