>>> 2008年第2期
量子计算的哲学之维
作者：史 习
所谓量子计算，是指需要量子力学过程，尤其是干涉效应的计算。1982年，物理学家理查德·费曼曾试图用传统的数字计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题：量子力学系统的行为通常是难解的。以光的干涉现象为例，在干涉过程中，相互作用的光子每增加一个，有可能发生的情况就会呈指数增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了，我们无法提供相应的计算资源。不过，在费曼眼里，这反而是一个契机。因为，另一方面，量子力学系统的行为也具有良好的可预测性，在干涉实验中，只要给定初始条件，就可以推测出屏幕上影子的形状。费曼推断：如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算，那么搭建这样一个实验，测量其结果，不就恰好相当于完成了一个复杂的计算吗？因此，只要在计算机运行的过程中，允许它在真实的量子力学对象上完成实验，并把实验结果整合到计算中去，就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。
目前，量子计算在纯数学领域已得到一些应用。例如，应用传统计算机进行大数分解很困难，而利用量子计算就可以高效地解决这个问题。这是为什么呢？费曼曾告诉他的学生，使用量子计算机时，不需要考虑计算是如何实现的。费曼的话带有很强的工具主义情结。不同于费曼，多伊奇不满足于把量子计算的过程看成黑箱，他要对此寻求解释。
影子的启示
重新考察干涉现象。如果实验中，当在投射影子的屏障上打开新的开口，影子图案的某些区域会变黑，即使用单一粒子做实验，结果仍然如此。多伊奇由此推断，存在两种光子，一种是可见的光子，另一种是无形的“影子光子”，每个可见光子都伴有一批影子光子，根据实验，一个可见光子至少拥有一万亿个影子扈从。事实上，每种粒子都存在干涉现象。也就是说，每个粒子都有影子扈从。可以想象，真实世界比它所显现的大得多。
多伊奇认为影子粒子组成了“平行宇宙”。影子粒子间彼此隔绝，恰如他们与有形粒子间的隔绝。因此，他们组成的并不是一个，而是很多平行宇宙。这些宇宙的成分都类似有形宇宙，且遵循与有形宇宙一样的物理定律。所以，在真实世界中，任何一重宇宙都不具有特殊地位，有形宇宙与影子宇宙的区别，仅仅基于我们的主观立场而言。平行宇宙统称为多重宇宙。
多重宇宙理论显示，量子计算之所以高效，就是因为它能够利用大量平行宇宙间相互协作来完成任务，在这个过程中，它获得了远远超过传统计算机的计算资源。量子计算也可以反过来为多重宇宙的存在提供了佐证：当利用量子计算成功地分解一个250位数字的时候，所需的计算资源远远超过了可见的计算资源，如果平行宇宙不存在，这个数是在哪里被分解的呢？
平行宇宙间的相互影响不仅体现在量子层面。据《参考消息》2002年9月12日报道，科学家发现发射于1972年的探测器先锋10号正在经历一种朝向太阳的神秘减速，现在，它已经比原计划落后了40万公里。据猜测，造成减速的原因是“镜物质”。报道说：“镜物质与一般物质类似，只是在量子层面上它与一般物质的关系就像左手对右手。由于它只与一般物质发生微弱的相互作用，因而可以在我们毫无知觉的情况下存在于我们周围，在镜原子和一般原子之间，可能还有一种微小的非引力作用。用遍布太阳系的少部分镜物质形成的拉力足以解释先锋号现象。”
可见，所谓“镜物质”，不过是多重宇宙的另一种称谓。
有一部分物理学家不同意多重宇宙理论，比如国内物理学界、哲学界熟知的提出了“隐缠序”理论的戴维·波姆。他认为每个光子都带有一种波，这些波与我们所见的光子发生作用，产生的现象就像平行宇宙中的光子相互干涉一样。作者认为，波姆的理论虽然解释了量子现象，却增加了另一个需要解释的物理量——量子之间的波。而算出这些波所需的计算量与算出影子光子的相等。根据在科学和哲学界获得广泛认可的奥卡姆剃刀准则：当有两个处于竞争地位的理论能得出同样的结论，那么简单的那个更好。因此，多伊奇的观点比波姆的“好”。
所谓“好”，并不意味多伊奇的观点就是这个问题的终极真理。根据卡尔·波普尔的观点，科学活动是对问题寻求解释的过程，科学家所能提出的，只是“未经证实的猜想”。这些猜想“根据问题本身固有的评判标准被批评和比较”，其中也包括实验验证。在这里，实验验证的作用并不是为某种理论提供佐证，而是把那些与实验结果不符的理论排除掉。在这个过程中幸存的，就是那个最“好”的理论。很多好理论本身也有很多毛病，致使我们去寻求更好的解释。这是一个类似于生物进化的过程。
图灵原理
与传统计算机相同，量子计算机也遵循图灵原理。图灵原理的内容是：存在一台抽象的通用计算机，其全部本领包括任何物理上可能的对象所能完成的任何计算。
图灵原理可以看作对宇宙中广泛存在的自相似性的描述。所谓自相似性是指“物理实在的某些部分相似于其它部分。这种相似可以是具体的，如天象仪相似于夜空。更重要的是，它还可以是抽象的，如印在书里的量子理论的一条陈述正确的解释了多重宇宙结构的某个方面”。正是这种自相似性，使得通用计算机的实现成为可能。
最有名的通用性物理现象是虚拟现实。虚拟现实可以绘制什么样的环境呢？这取决于通用计算机的本领。根据哥德尔不完备性定理，绝大多数逻辑上可能的环境都是不可计算的。为了纪念康托尔、哥德尔和图灵，作者称这些环境为“康哥图环境”。那么，可不可以定义一种通用虚拟现实生成器，可以描绘所有物理上可能的环境呢？数学家约翰·卡斯蒂认为，在物理环境中，测量必须在有限集中取值，对于有限数字系统，不存在哥德尔式的不可判定性。所以，这样的机器是存在的（参见《虚实世界》，〔美〕约翰·L·卡斯蒂著，上海科技教育出版社1998年12月版，第221页）。
不过，有些计算太复杂，如果用传统计算机实现，所需的时间和存储量是理论上也无法得到的，只有量子计算机才能完成。因此，作者证明了量子物理下存在加强形式的图灵原理：通用量子计算机能够完成任何其他量子计算机所能完成的任何计算，而且能够描绘虚拟现实中任何有限的物理上的环境，所需计算资源也不会随对象的规模和细节呈指数增加。
生命的意义
生命是什么？古代人认为，生命蕴含着一种特殊的力量或因素。不过自达尔文以降，现代生物学越来越倾向于认为：所谓生命，不过是一种“化学过程”。只是因为我们人类本身具有生命现象，才会对它感兴趣。按照斯蒂芬·霍金的理论，不要说其他生物，连人类都仅仅是天体物理上可忽略的“化学渣滓”。
理查德·道金斯认为，基因是自然选择的单元，而进化的动力是基因本质上具有的自我复制的倾向。所谓生命，不过是基因复制的载体。还有一种类似的学说，认为文化的传播也基于一种特殊的复制子——“谜米”，所有书籍，音乐，包括我们的思想，都是“谜米”传播的载体（参见《谜米机器》，〔英〕苏珊·布莱克摩尔著，吉林人民出版社2001年4月版）。
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