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科普文章

奇特“新脑”:意识从物质中产生的几种形式
发布时间:2021-03-26    395   

今天的主题不仅是目前物理学前沿的大问题,也是哲学前沿的大问题:理解意识是如何从物质中产生的。

我将要讨论的第一种奇特新脑是大家可能都熟悉的东西。这是下面我将谈论的技术中最为成熟的一个,但是它带来了这样一种观点,即意识能够以一种现在人们非常熟悉的、切实的形式,从物质中涌现出来。数字计算机,我们知道它们所做的一切——在许多方面类似于智能实体的行为,都是基于对大量0和1的操作。我们确切地知道这些奇特新脑是如何工作的,因为是我们建立了它们。

乔治·布尔(George Boole)

例如,如果陈述A是真的,那么以“1”来表示,陈述B也是真的,也以“1”表示,那么,陈述“A且B”也是真的,所以也应该以“1”表示。陈述“A或B”也是真的,因此同样以“1”表示。陈述“非A”是假的,因此以“0”表示。联合“0”和“1”来进行逻辑演绎的规则,叫作“布尔代数”。

布尔代数

奇特“新脑”:意识从物质中产生的几种形式

奇特“新脑”:意识从物质中产生的几种形式

这是“分析机”的模型,它将“信息是物理的”这一想法,从概念阶段、从乔治·布尔意思到的符号表示阶段,发展到机械操作阶段。这台机器不同部件的设置,几乎没有来回切换的开关。这台机器通过机械操作来执行逻辑法则,或者你可以说,来实现思考。

分析机

奇特“新脑”:意识从物质中产生的几种形式

这里需要强调的一点是,尽管图灵的架构只是“符号式”的,他是一个理论家,但这个架构非常清晰。这台被称作“图灵机”的思想机器的每一步操作都非常清楚。因此,如果你想建造一台能“思考”的机器,你可以把它当作说明书来读。

图灵机:一种通用计算机

存在一种通用的具有思考能力的机器,这是一个非常、非常强大的概念。但是我想强调一个非常重要的物理问题,也是一个非常重要的哲学问题,也许喜欢挑战权威和质疑公认智慧的年轻人可能会提出这种问题,即:任何可以计算的东西,任何可以思考的东西,任何可以在物理世界中实现的东西,真的都可以用图灵机来计算吗?

奇特“新脑”:意识从物质中产生的几种形式

克劳德·香农(Claude Shannon)是麻省理工学院的教授,他把故事推动到下一阶段。

在一个非常常见的实验中,“真”以高电压表示,“假”以低电压表示。你在“(逻辑)门”的一端输入(高/低)两电压,经由一个合理设计的电路,通往另一端,在那里输出对输入进行布尔代数运算后的结果。如果你想表示逻辑“和”,也就是要实现:当且仅当两个输入都是高电压时,你的输出是高电压。这成为了设计电路来物理上实现布尔代数的一个问题。实际的电路相当复杂,如果你学习电子工程、计算机科学课程,你就会学习如何设计这些电路。

逻辑门

在早期,我指的是20世纪40年代开始的时期,实际上,这些想法是出于战争的需求而第一次被整合实现。在晶体管带来变革之前,计算机基于真空电子管。在我小时候,我父亲是一名电子技师,处理早期的收音机和电视,家里到处是这种真空管,就这样我慢慢开始了解和喜欢上它们。

真空管

现代计算机时代真正开始于晶体管和集成电路的发现,利用它们你可以在一个小地方放置很多很多逻辑门。到了20世纪70年代,IBM生产出著名的360系统,虽然体积仍然很大,但却是基于晶体管、更复杂的电子学,磁带用作存储器。稍后,我会更详细些说明。多年来,这是一项占主导地位且非常实用的技术。

早期的集成电路和存储器

奇特“新脑”:意识从物质中产生的几种形式

这么了不起的装置,值得我们进一步去了解一下它。这里提供几个数据,这些是芯片的规格。首先是时钟频率。要进行逻辑运算,你必须完成一步,再做下一步,然后再做下一步。这是时间的函数,计算会随时间向前推进。时钟频率是每秒30亿次运算,记作3 GHz。信息移动的速度类似于每秒十亿次信息从一个地方传输到另一个地方。我可能没法向大家精确地说明这一定义,需要知道的是,这些思维机器非常敏捷。人脑的时钟频率大约是每秒1000次,要慢100万倍。而一台电脑的价格只有999美元,比雇一个学生或助手来做计算,成本要低得多。

芯片的规格

芯片单元也变得越来越小。45纳米这一规格,可能对你来说太抽象了,它只有原子大小的几倍——大约是单个原子的十倍。所以,芯片运作背后的这些小逻辑门并不比单个原子大多少。芯片惊人的能力依赖于这些奇特的新“脑”,依赖于对物质如何工作的强大理解。所以说,物理很伟大。

但事实远比此更为复杂。同样,它需要许多基础物理创新和深刻理解。这就是万物的本质,沿着这条路,多年来进展显著,至少有50年的发展史了。

现在,翻一倍也许不像以前那样了。由于基本的物理原因,这种进展速度将很难保持。现在的比特几乎总是涉及:分离电荷以获得电压,正如我之前提到的,或者排列物体(通常是电子)的自旋。因此,如果你想编码“1”和“0”(这通常利用电压来实现),你要做的是这样分离电荷:如果高压开启,即正电荷在上而负电荷在下,你会得到“1”;相反,你会得到“0”。这是在物理上实现“1”和“0”的一种方法。或者,你可以利用自旋方向:自旋全部向上、向下分别代表“1”和“0”。

量子世界是一个很难开展工作的地方,在那里你只有一个电荷或一个自旋。数量上发生很小的涨落,就会导致完全不同的结果。而在量子世界中,涨落无处不在。

但正如我将要阐述的,这个奇怪的量子世界也充满了希望和允诺。如果我们与之合作,而不是试图与之对抗,它会开辟新的可能性。

最简单的两态系统即一个单自旋,就是一个量子比特,它和我已经提到的经典世界的指上或指下的东西具有非常不同的图像。它具有量子不确定性。由于我们无法摆脱量子不确定性,我们必须学会接受它。

相比于单个经典比特的只有一种选择——要么是1,要么是0,对于量子比特,我们需要三个概率——三个数字,三个连续的数字即所谓的实数,来定义一个量子比特在做什么,它是什么状态,而不是只有一个选择,要么是0,要么是1。量子世界存在的现象,必须用复杂得多的方式对其描述。

而量子比特在涨落,一个量子比特的状态需要用三个数来表征,这就如同你在描述三维圆球中的位置时所需要做的一样。这已是状态空间的一个大扩展。

在场的很多人应该知道如何解释这个数字22N -1有多大。一个量子比特,我们需要3个数字,两个量子比特,我们需要15个数字,三个量子比特,我们需要63个数字,四个量子比特,我们需要127个数字,等等。数字变得非常大,变得非常快。事实上,前几个例子还看不出来它会变得多么巨大。

有一个故事可以生动地比喻这个变化。这是一个关于国际象棋的故事,国际象棋起源于波斯、印度、中国或是其他地方,这不是故事的重点。国王对象棋非常满意,他非常喜欢这个游戏,于是想奖励发明者。国家就问这个发明者:“告诉我,你最想要什么。”象棋的发明者说:“我很谦卑,并不需要丰厚的报酬,只想每天都有米饭吃。而且我想将您的奖赏与象棋结合起来。所以请您第一天赏我一粒米,放在第一个正方形里,第二天,赏我第一天的米数的2倍,放在第二个正方形里,第三天的数量是第二天的2倍……”国王说:“这太荒谬了,也太少了吧,与你的成就不符呀。”但是象棋的发明者坚持就要这样的奖赏。于是国王便同意了。起初,这看起来像个玩笑。一开始是一粒米,然后两粒,然后四粒,八粒,然后十六粒。但是后来数量开始变得更多了。很快国王发现他的大米储备已经耗尽,他很尴尬,因为他要失信了。所以,他杀了象棋的发明者。

但是,它们很精微、脆弱。在最初的实现过程中,我向你们提到,是单个电子或单个自旋。它们很容易被扰乱。这些概率很容易被任何与外界的相互作用干扰。如果你用这些概率来编码你的信息,它们是非常脆弱的。所以我们需要保护这些量子比特不受外界以及彼此的影响,以保持信息的完整性。但另一方面,为了让他们做有用的工作,他们必须相互影响,以实施量子门或其他操作。最终,我们不想仅仅把我们的量子计算机当成一个黑箱来欣赏,开心于知道它的快和强大,我们想利用它解决问题!所以我们希望它能够输入和输出信息。因此,我们必须在量子比特的孤立和相互作用之间保持微妙的平衡,前者是量子比特完整性的必要条件,后者是量子比特执行必要事情的必要条件,也是量子比特偶尔与外界作用以获取、输出信息的必要条件。

一个是原子,用激光方法来实现;另一个是电路,以电子学方式来实现;还一个是任意子,用编织来进行计算。正如数字计算机从齿轮到真空管再到越来越小的晶体管,从磁带式驱动器到拇指般大小的驱动器一样,这项技术肯定也会不断发展。我们现在正处在一个非常早期的状态,可以说甚至还没到量子计算的“真空管”阶段,而是“分析机”时代。所以,我要说的是,还有其他的替代方法,虽然目前还不太发达,但也有可能会非常强大,如利用光而非原子,或利用固体缺陷。

奇特“新脑”:意识从物质中产生的几种形式

这是我的朋友Misha Lukin,他制造了一台51量子比特的计算机。它不是通用计算机,所以我们称它为模拟器,基本上由里德伯原子排列构成。我选择这张照片是为了呈现现实的前沿实验所涉及的规模,还因为米沙是我的朋友,这是一张不错的照片。我是在网上找到的。

我要提到的第三种方法我特别喜欢,它特别有趣,物理学上称之为编织。用扭结来计算的历史可以追溯到南美洲的古印第安人。他们用扭结的数量和种类来表示数字。你可以用绳子来表示数字,互相发送信息,并用这些绳子进行计算。很明显,当你把物体缠绕在一起时,扭结会变得非常非常复杂。任何试图编精美发辫,甚至任何淋浴后想整理头发的人,都了解描述和控制缠绕的发辫有多么复杂。所以你可以在里面编码很多信息。如果你有合适的物理实体,电路,或者更高级的设备来掌控其缠绕方式,它们被称作任意子,然后你便可以用任意子来存储和处理信息。它们在其量子力学波函数中记录它们的历史。我的朋友和同事潘建伟在人工实现任意子的小规模电路上做出一些开创性实验。

量子处理器、量子计算机,即使很小,但对于某些测试,得益于量子比特的能力,仍然能做得很好。所以,可以有一种混合设计,即一台经典计算机,它可以处理很多事务——很多经典计算机已经擅长的事情,

另一种可能更容易理解和记忆的说法是,我们期望量子模拟器,小的量子比特集合,能够非常擅长于量子力学。尽管经典计算机很难精确地完成量子力学,因为量子比特变得非常复杂、非常快。如果为了制造新材料或新分子,你想计算许多相互作用的量子单元的性质,那么从量子比特这个方向寻找方案,并把量子比特当作计算单元可能会极其有帮助。已经有一些与量子模拟器使用相关的具体想法,这要比试图制造一台全能的图灵机容易得多。

到目前为止,我讨论过的计算机,以及各种奇怪的“脑”,在设计和概念上与人类思维有很大不同。它们处理的符号、抽象和物理元素与人类大脑的工作方式完全不同。生物学的运作方式是不同的,它使用的单元速度慢得多,但各单元之间的连通性比人工机器、电子计算机或任何现有量子计算机设计中的连通性要高得多。它有分层的体系结构和巨大的并行性,这与你在计算机芯片中发现的完全不同。

视网膜层
小脑架构

所以,尽管这些单元很小、很慢,不像人工计算机部件那样制作精密、那样可靠,但它运作起来非常流畅,这就是人类特有的优势。基于这种观察和经历,人类得到启发,这种非同寻常的架构可以很好地实现思维,构建第三种奇特新“脑”。这里的基本构件不是一个单元,不是经典计算中的1或0,也不是它的量子推广(如量子计算中的),而是所谓的神经元。

这是一个神经元模型。你所要做的是进行输入,输入的是数字和权重,权重也是数字。然后,你对基于数字和权重的输入进行相乘或者其他处理,然后将其导入你的神经元,神经元根据输入值产生输出,如此循环。你可以用一种神经元的输出作为下一层神经元的输入。这是一个简单的理想化模型,以进入神经元并产生输出信号的电信号来描述实际的生物神经元是如何工作的。其优点是我们可以用程序进行设计和操作。

举一个象棋的例子,它令我印象深刻,可能是因为我对象棋的了解比对围棋或星际争霸要多一些。象棋已被人类深入研究了几个世纪,关于它的文字资料非常丰富。有的人类棋手终其一生都在精进棋艺,并且认为对象棋的理解已经相当透彻了。将国际象棋的规则输入神经网络,通过与自己对局,在几天内,甚至几个小时内,通过使用深度学习策略,神经网络的棋艺就可以赶超任何人类玩家,同样也比人类通过编程而设计出的经典计算机棋手要好得多。这难免令人类汗颜,我们创造的事物竟可以在某些方面完成我们认为是智力顶峰的任务,并且做得更好。如果你认为棋类等游戏不是很重要,神经网络在其他一些问题上比任何程序或人类也表现得更好,比如确定一个DNA密码的化学结构和它的形成机理及形状。

传播网络并不思考它们在做什么,它们只管传播。它们不反省,也不检查自己的表现。因此,接下来是思考的下一个层次,我们需要超越反向传播,研究审视和指导其他网络的网络。审视自身行为,很有可能除了监控外部世界和身体状态的传感器之外,我们还有监控、预测、评估和指导我们内部大脑状态的模块,这些模块观察我们在想什么。换句话说,就是在观察和审视我们的意识。

我向大家展示这个经典的实验,它改变了我对自己在这个世界上的看法。这是一个极其简单的实验。

这是它的卡通版示意图。实验人员安排给受试者一个非常简单的任务。受试者被要求做两件事,即每隔一段时间,每当他或她想按按钮时,也看一下时钟,记录下是何时决定按下按钮的。所以当受试者决定按下按钮时,他会报告做出决定的时间。这就是这个实验的过程。实验的第三个组成部分是受试者处于一个监控大脑活动的电子设备中。实验发现,当受试者报告说他们做出了决定,这个时间要比大脑活动晚0.2秒左右,而大脑活动是导致按下按钮的原因。大脑的深层结构先于对行为意愿的意识。正如我所说,现在有许多这类实验,有许多先进的现代技术,都验证了这一结果。简单地说,如果此类实验结论是正确的,人工神经网络的一大进步将会是对“意识”的引入。

总结一下今天的内容,也展望一下未来。我认为即将出现几种奇特而强大的新“大脑”。这为想要改变世界的年轻人敞开了大门。这些领域为研究者提供了很大的创造空间。物理学和物理学家都有很多可以发挥才能的领域。


Frank Wilczek:理论物理学家,麻省理工学院物理学讲席教授,诺贝尔物理学奖获得者。

以上内容来自Frank Wilczek在“墨子沙龙”的演讲(2019年11月)。

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墨子是我国古代著名的思想家、科学家,其思想和成就是我国早期科学萌芽的体现,“墨子沙龙”的建立,旨在传承、发扬科学传统,建设崇尚科学的社会氛围,提升公民科学素养,倡导、弘扬科学精神。科普对象为热爱科学、有探索精神和好奇心的普通公众,我们希望能让具有中学同等学力及以上的公众了解、欣赏到当下全球最尖端的科学进展、科学思想。

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