新智元報道
編輯：Davidsnailnj
【新智元導讀】為什麼貓學不了微積分？3D 宇宙真的可能是由0和1的「糾纏」産生的錯覺嗎？
1989年，著名實體學家約翰·惠勒，「黑洞」一詞的普及者，提出了一個思考宇宙的根本性的新方法。量子粒子可能會變形和消失，但我們總是可以依靠資訊。
當時惠勒推測，資訊位——某物質是存在還是不存在，是向上還是向下，是0還是1——可能是現實的基本成分。
他在一篇文章中寫道：「每一個實體量，每一個，都從比特、二進制中獲得其最終意義。」
在此後的幾十年裡，各種抽象理論的發展，導緻許多實體學家懷疑惠勒的推測是否能解開一個深刻的謎題：引力的量子性。愛因斯坦的廣義相對論将引力與時空結構統一起來，将引力重新解釋為物體沿着宇宙的彎曲輪廓下落。
然而，量子理論卻難以用其粒子和場的語言來解釋這些曲線。這種沖突在黑洞中得到充分展示，黑洞使空間嚴重變形，以至于引力的更基本的量子性質已經到達了不容忽視的地步。
賓夕法尼亞大學的Vijay Balasubramanian是緻力于将惠勒的崇高理念轉化為清晰數學的實體學家之一。他和他的同僚們所從事的研究現在有一個口号，叫做「從量子比特開始」。
1999年， Balasubramanian研究出如何用邊界上的粒子資訊來計算AdS宇宙的品質和能量。此後，他通過研究各種系統的資訊含量，對黑洞和量子引力理論做出了根本性的貢獻。
Balasubramanian多面手，很容易在談話中從實體學跳到普魯斯特，他在賓夕法尼亞大學指導整個研究小組，詳細研究世界的實體特征是如何雕刻大腦的。在神經科學方面，他也發現資訊和計算的想法提供了一種自然語言。
Vijay Balasubramanian讨論了實體學、計算機科學、神經科學、文學及人文科學之間的聯系
Quanta與Balasubramanian進行了對話，讨論了資訊在實體學和神經科學中的作用，以及人類認知的極限。對話内容經過了簡編。
你的職業生涯一直在研究一些實體學上最棘手的問題。這些是否真的取得了進展？
在過去的20年裡，發展是巨大的。一個重要的進展是了解到了一個像馬鞍一樣彎曲的宇宙——AdS空間——在這個空間中，引力以人們不太了解的方式運作，可以被視為一個沒有讨厭的引力的低維世界。
這就是著名的AdS/CFT二進制性概念。這個概念開啟了一種可能性，即空間不是基本事實。我的很多工作都與此有關：即一個不包含空間的理論。
黑洞和AdS/CFT是如何讓你想到資訊可能是空間的基礎這一概念的？
量子力學有一個叫做單元性的屬性，保證在微觀層面上，資訊不會被破壞。但斯蒂芬-霍金計算出，資訊會随着黑洞的蒸發而被破壞--這就産生了一個悖論。
我們還知道，黑洞的熵，也就是衡量無知或缺乏資訊的标準，等于黑洞的表面積。很明顯，在面積、熵和資訊之間存在着某種聯系。你可以感覺到，但你不知道它是什麼，是以人們一直在摸索着該怎麼描述。
我發現，AdS宇宙體積中的空間結構如何在邊界上表現出來。例如，當空間不是構成宇宙基礎的時候，你在宇宙内将一個物體從A點移動到B點，這意味着什麼？
現在有一種說法是，如果空間體積中的兩個區域是相連的，那麼在「平坦世界」邊界上，相應的變量是量子糾纏的。這意味着它們包含彼此的資訊；測量一個變量就能知道另一個的情況。
這是一個非常美麗的想法，也是惠勒的 「從量子比特開始」概念的具體實作。如果這些量子資訊的比特沒有通過糾纏連接配接起來，那麼就不會有空間了。
你是說，我們的三維宇宙可能真的是由一些平地上的糾纏的1和0産生的光學幻覺？
如果直白地解釋，完全可以這麼說。但是具體可以驗證到什麼程度，目前的辯論仍在繼續。
那「不直白」的解釋是什麼？
在目前這個階段很難解釋。難就難在，需要一些詞彙來表達你對空間呈現的意思。從我們的角度來看，空間看起來很好，很光滑，對嗎？我們可能會說，如果我們能在A和B之間畫出一條平滑的線，那麼A和B在空間中是相連的。
但是現在假設我拿着顯微鏡，看一個很小的區域。從近處看，你完全有理由期待空間本身，就像量子力學中的一切一樣，正在瘋狂地波動，四處彈跳，撕裂開來。在這種情況下，說A緊挨着B是什麼意思呢？
Balasbramanian的筆記中的一頁，讨論了量子糾錯、黑洞和引力
我們必須願意打開我們的思想，接受更微妙的空間觀念，這很難，因為我們的想象力與我們的日常經驗緊密相連。如果有人在20年前告訴我，現在的我竟然在談論這個問題，那時候的我根本覺得就是天方夜譚。也許再過20年，你的問題就會有答案了。
現在我們還不能在實驗中探測出量子引力。那麼你怎麼能知道你的離奇的想法是否有效？
這就是問題所在；自然規律的數學一緻性是一種劇烈的限制。我認為人們不了解的一點是，如果你認同一套規則架構，有很多事情就做不出來。
有時理論實體學的進步是在你去掉一個假設的時候取得的。如果你推導出一堆與規則一緻的理論，而這些理論并沒有描述你認為它們應該描述的現象，那麼你質疑這些規則就是說得通的。
比如，去年我和一些同僚研究了如果你把兩個有引力的宇宙糾纏起來會發生什麼。
假設這兩個宇宙沒有聯系；它們是不相幹的。愛因斯坦的空間圖景要求不相幹的宇宙被完全切斷，從A到B的路徑為零。我們認為，允許量子引力的瘋狂波動來建立短暫的連接配接。這可能是有意義的。
我們發現，這種假設上的調整使計算成功。如果你認同量子引力的計算規則讓不相幹的宇宙變得瞬間相連，明顯的資訊悖論就可以避免。
你還能用實體學中的「資訊優先」方法做什麼？
我曾經寫過一篇論文，名為「The Library of Babel: On the Origin of Gravitational Thermodynamics」。這個名字的靈感來自于豪爾赫·路易斯·博爾赫斯 (Jorge Luis Borges) 的一個短篇小說，講述了一個神秘的圖書館，裡面裝滿了看似無稽之談的書籍。
最終，圖書館員意識到這個圖書館中包含所有字母的可能排列，幾乎所有的序列基本上都是随機的，但每隔一段時間，你就能找到一本記錄某人真實生活的傳記書。
我們認為，黑洞可以排列它們所包含的資訊的方式的集合就像這個圖書館一樣。就像書本一樣，黑洞的“微觀狀态”由其微觀碎片的幾乎随機組合組成。雖然資訊過剩，不可能恢複，但總能從中發現什麼。就像小說中描述的那樣，總有一本書可能是圖書館所有書籍的完美索引。
Balasubramanian 在賓夕法尼亞大學樞軸公園的 Spectral Grove 雕塑前
你第一次接觸科學推理是什麼時候？
我上二年級的時候，我們住在印度加爾各答，周末會去買蔬菜。我們會經過這些書商，它們的攤位建在建築物的牆壁上。我很珍惜我能拿到的書。我爸爸用當地商店的包裝箱做了一個小書架，我會把我的幾本書排成一排，數一數。我的人生抱負是有朝一日擁有 100 本書。
有一天，我拿起一本書，名為「The How and Why Wonder Book of Famous Scientists」。我尤其記得安東尼·範·列文虎克（ Antonie van Leeuwenhoe）。他沒有學位。他沒有在一個很好的地方工作， 他是一名鏡片研磨師， 但他是一個聰明而好奇的人，他用鏡頭組裝了第一台顯微鏡，發現了整個微觀生命世界。
我記得通過讀這篇文章我意識到科學是可以做的事情。從那時起，我知道我将要做什麼。
你在麻省理工學院學習實體和計算機科學，為什麼要學習計算機科學呢？
我開始感覺到，當我們寫下自然法則時，它們從根本上受制于我們能夠想到的想阿發。一隻貓不能了解微積分，很顯然人類也不能了解一切。
我學習計算機科學是因為我想了解學習到計算機後其局限性。
你作為神經科學家的生活是如何開始的？
作為哈佛的博士後，我主要研究弦理論，但我也在生物實驗室兼職。我會在朋友的實驗室檢視他的資料并閱讀論文度過晚上。我已經學習完成所有高中生物課程，還有有很多東西要學。
然後我來到賓夕法尼亞大學，遇到了神經科學家彼得·斯特林（Peter Sterling）。他會問我這樣的問題，“為什麼這個電路看起來像這樣？” 或“為什麼這個神經元看起來像那樣？” 這些都是很好的問題，因為形狀決定功能這遵循生物學理論。
你發現有哪些力量塑造了大腦的形狀？
Balasubramanian 翻閱了「牛頓數學原理」（上）和「伽利略關于兩個主要世界系統的對話」（下）的第一版
神經資訊非常昂貴。它消耗大量能量，是以如果你考慮一下資訊編碼的「能效」理論，也許它可以反映大腦的結構。
例如，大腦中處理亮點和暗點的途徑不同，大腦将更多的資源投入到暗點上。為什麼會這樣做？我們表明，如果您檢視統計的自然圖像，就會發現暗點比亮點多。
我們開發了一種定量理論，發現視網膜投入更多資源來處理點，這預示着自然圖像包含更多暗資訊。
您是否已經回答了有關您腦海中計算機限制的問題？
我的神經科學研究讓我深入了解了為什麼計算機是這樣組織的，但我認為我沒有學到很多關于讓我學實體這一事件的局限性，我仍然希望可以得到答案。
我認為那些更高層次的過程會消耗掉我們生存所需要的更為基本的事情。「吃東西遠比做實體重要得多」
是以你覺得相交宇宙的熵是否在推動我們的認知極限？
我們正在持續不斷發現更多！這有一個真正的謎團。我們隻是在使用簡單的數學理論，但我們正在讨論時空是否通過糾纏以一種新興的方式組合在一起。它與我們的日常經驗相去甚遠，以至于到目前為止我們都認為其是荒謬的。
參考資料：
https://www.quantamagazine.org/pondering-the-bits-that-build-space-time-and-brains-20220420/