口袋里的 400 个自旋，以及一个装不下它们的宇宙

Lex Fridman 介绍 Leonard Susskind：斯坦福大学理论物理学家，斯坦福理论物理研究所的创始主任，也是被广泛称为弦论之父之一的人。第一个问题是费曼：两人曾共事，也是朋友，Fridman 想知道这段关系如何改变了他。Susskind 看到的是，费曼能以一种深度直觉的方式做物理。费曼的风格几乎是闭上眼睛，去想象那个现象，然后借助这种想象，绕过高度数学化、高度复杂的技术论证。

Susskind 说，这种做事方式对他来说本来就很自然。费曼并没有改写他的思维，只是印证了它。Susskind 看到，一个成功的人能把物理做得更简单、更直接、更凭直觉，这让他回头审视自己的习惯，并得出结论：这样做在实践中是行得通的。被问到思考量子力学、黑洞或弦论时，是直觉和想象先行吗，他毫不犹豫。他通常不去想方程或符号，而是试着想象现象本身。当某个洞见看起来站得住脚时，他或许会把它转化为数学。

他对转换这一步很谨慎。他不是数学家，也谈不上天生的数学家：他自认够用，但谈不上出色。顺序是直觉、想象，也许再草草写几个方程，然后尝试把它变成数学。而他的经验是，别人比他更擅长这种翻译。对于一个公众形象与高度数学化学科紧密相连的人来说，这个操作顺序本身就是重点。数学位于一幅图景的下游。

Fridman 追问那个显而易见的张力：Susskind 一生都在研究极其违反直觉的想法，那他们怎么去想象这些东西？Susskind 把“直觉”一词拆开来谈。日常意义上的直觉，指的是用我们进化时所依赖的经典物理去思考的能力：扔石头，溅起水花。量子物理、广义相对论和量子场论在这个意义上都是违反直觉的。熟悉感会养成另一种直觉。他一直把这称为“重新布线”。他和许多朋友现在用量子力学的方式思考，已经比用经典方式更容易了。他们已经习惯了。

这种重新布线是有上限的。能在某种程度上用量子力学的方式思考，并不意味着你能像电子那样思考。一个更清楚的例子是额外维度。他认为，人类的大脑从根本上就是为了想象三维而布线的。他甚至无法想象二维或一维，除非把它们嵌入三维之中：一条线是空间中的一条线，或纸上的一条线，而纸本身位于三维之中。他从来没能以某种抽象纯粹的方式，在脑中同时容纳一维、二维、四维或五维，他也不认为将来会做到。神经布线是为三维设计的。

人们确实学会了想象五维、六维、七维的方法，比如数学方法和想象技巧，但它们不同于天生的三维图景，他怀疑我们能否完全适应。Fridman 把生活在二维空间里、想象三维的生物说得很浪漫。Susskind 的回答大概是我们想象四维的方式：数学、方程、技巧。对话中反复出现的姿态已经在这里出现了：承认布线的局限，然后借助工具绕过它。

费曼有点自负。Fridman 问，科学中的自负是强大还是危险。两者皆是，Susskind 说。你必须有那种自大，说：自然非常非常难，但我足够聪明，我能赢下这场仗。你也必须有谦卑，知道自己在任何一次判断中都很可能是错的。你现在所想的东西，随时都可能突然改变。年轻人可能带着你听不懂的语言出现，你会迷失，会目瞪口呆。你最好承认自己非常有限，同时也要能告诉自己，你还没有有限到赢不了。能同时拥有这两种态度的人，需要一种特别的品质。

Fridman 问他是否曾经审视自己，怀疑自己在整件事情上，也就是他的能力，是不是完全错了。Susskind 作了区分：那不是他当时有过的疑虑。他出身工人阶层，很长时间里在学术界都感到不自在。那种不自在与天赋无关，它来自身处一个家族从未涉足的环境的不安。他直到快满 20 岁时才知道世上有物理学这门学问。他不记得自己曾担心能否找到工作，那个念头从未出现在他脑中。

Fridman 同样在学术界感到不自在，他用音乐作比喻：Susskind 演奏的是另一种音乐。Susskind 说，他与其说是思考出来的，不如说是感受出来的。思考是一回事，感受是另一回事。直到某个年纪，他一直觉得自己是局外人，然后突然发现自己成了学术物理界的核心人物。这种转变很剧烈，而且他当时已经不年轻了，大概 50 岁。Fridman 称之为相变，而且它从来不在中间状态。Susskind 同意。他的思考方式不同，他对数学的处理不同，他的社会背景不同；如今，他遇到的年轻人里，有一半的父母本身就是教授。后来，在某个时刻，他成了某一类物理学的中心，尽管不是唯一的中心，而这一切又在一瞬间消失了。他现在发展想法的方式既孤独又有社交性：年轻时独处的时间更多；在斯坦福，他每天都会和以前的学生及同事进行头脑风暴，对着空白的纸发呆的时间少了。

Fridman 问起对量子计算机的期待，问题的措辞是“利用量子力学思想的机器”。Susskind 纠正了这种说法。你可以通过求解薛定谔方程，在经典计算机上模拟量子系统。经典机器由量子力学构成，就像万物都由量子力学构成一样，但它并不是以量子系统的方式运行，它只是在解方程。量子计算机则是真正的量子系统，在做你编程让它做的事。用经典方式编写量子场论，机器并不是以量子场论的方式运行；而在量子计算机上编程，这台设备就是在执行量子操作，受不确定性原理的限制，最终可以被测量。你是在构造这个系统的一个真实版本。

这就是为什么他说经典计算机在这里非常受限。400 个自旋不算多，400 枚一美分硬币就能装进一只口袋。把 400 个量子比特的量子态存下来，所需的信息量会超过整个宇宙所能容纳的极限，那时宇宙已经挤到不能再挤。相反，一台由 400 个量子比特组成的量子计算机，能做 400 个量子比特能做的一切。这里的对比不在时钟速度上，而在信息的上限。

从数学上讲，人们已经知道少数几类算法拥有远超经典机器的指数级优势，只是实验室里还没有把它们做出来。与此同时，能享受这种优势的问题似乎屈指可数，只有极少数特例会呈现出这么大的差距。大整数分解是最出名的应用，但它跟量子力学的关系其实不深。在他看来，量子计算机恰好能快速分解大整数，更像是运气使然：条件苛刻、案例稀少，也看不出会形成一个越来越大的问题类别。真正可观的，是量子系统本身，比如化学、固体物理、材料科学、量子引力和量子场论，其中一部分已经落地成应用学科。

当纸笔和经典计算机都不够用时，你就构造这个系统的一个版本，在受控条件下运行它，改动它、操纵它、测量它。为什么不直接在真实系统上做实验？因为真实系统是受限的。你无法改变它们，无法放慢速度去探查它们，也无法任意修改它们来看看轻微调整某个参数会发生什么。它的价值在于，它提供的是一片可以操纵的量子宇宙切片，而不是一台更快的笔记本电脑。

Fridman 问，这些是否能延伸到中等尺度，比如大脑，或是约一米大的生物系统。在 Susskind 实际交流的人当中，激动的话题是黑洞：巨大的对象，大量自由度。还有另一种大型量子系统，即大型量子计算机，他们已经了解到，大型量子计算机的物理在某些方面与大型量子黑洞的物理相似。这就是他们正在利用的关系。大脑则不同。黑洞以非常量子力学的方式运作。他不是神经科学家，甚至没有很多神经科学家朋友，虽然他希望能有更多。在他问过的少数几位中，共识是：大脑以经典方式运作，它本身并不利用纠缠或相干叠加。

他们说得对吗？他不知道。他有点希望他们是错的，因为他喜欢大脑是一个量子系统的浪漫想法。他认为大概不是。无论如何，宏观与量子本身并不是对立的。材料可以很大，却仍由量子粒子构成。拓扑绝缘体，更直白地说超导体，都是一些性质强烈依赖量子力学的物质块，不借助量子工具就无法分析。Fridman 问，把宇宙视为信息处理系统能得到什么，他回答得很平淡：所有系统都是信息处理系统。你戳它们一下，它们会变化一点，它们会演化。人类身上并没有额外的魔法。

Fridman 说，意识和智能确实感觉像魔法。Susskind 同意它们给人这种感觉，然后为自己的权威划定了界线：如果你问他物理，他的想法可能有价值；如果你问他这个，他并不确定。他相当肯定，内省会误导人对心智的判断。他听说过的关于大脑如何运作的一切都违反直觉。有些神经元检测竖线，另一些神经元检测 45 度角的线。他从没想象过整套回路专门用于竖线。把手指竖起、水平放置或倾斜，感觉上用的是同样的回路。分区化的结构，并不是心理内省会猜到的样子。光靠那种方式，我们是不会弄明白的。

那我们怎么才能弄明白？他认为，计算机科学家或许最终能做到。但他认为目前还没有人接近这一点，甚至没有人以正确的方式思考它。最终，我们会制造出足够复杂的机器，一部分是工程设计的，一部分是演化出来的，也许是通过机器学习演化出来的。而我们可能会开始发现某些机制，它们对我们如何思考，以及这种叫作意识的东西究竟是什么，有着深远的含义。那时，我们就能对它们做实验，回答内省碰不到的问题。

Fridman 指出，连弦论一开始看起来都很怪异，后来才被剥离到简单形态，并问这种方法能否延伸到生物系统。物理学总是从找到某个事物最简单的版本开始。超导体看起来是一个电学和磁学性质的怪物；但归结起来，它是一种叫作自发对称性破缺的简单量子现象，这在其他场合早已熟悉。是的，他们确实会把复杂的东西变简单。他们不想做的，是把本质上复杂的东西变简单，然后自欺欺人地以为自己已经做到了。他不希望它们被弄得比实际更简单。大脑最终是按简单规则运行，还是仅仅复杂，没有人真正知道。

Fridman 把一段物理学家式的推论讲了出来：智能不过是信息处理，因此，从原则上看，人类级智能没有不能造出来的理由；而一旦造出了它，同一套方法应当能轻松、呈指数级地带出超人智能。Susskind 说，他其实很想知道该怎样评价这串推论，理由很特别。他身兼另一份工作：替谷歌以及谷歌 X 做咨询，同时担任一支由机器学习方向的物理学家组成的团队的资深学术顾问。他自嘲这事听上去挺离谱，毕竟他对这一领域几乎一无所知。不过，他很会提建议，所以还是照常提了。

他看到年轻的物理学家正在进入一个真正的问题：为什么机器学习效果这么好，为什么它能够泛化。似乎没有人真正理解。他把思考这个问题的人分成几派。工程师极其聪明，但他们往往更关心如何使用这个东西，而不是为什么它有效；他们也是那些产生数据、证明它的效果远超你应有期望的人。用来描述量子系统的张量网络数学，在结构上与机器学习所用的网络没有太大差别。越来越多优秀的年轻物理学家被吸引进来。他说，他们超级聪明，而且对自己的物理背景没有那么自大，不会以为自己能做到别人做不到的事。物理学的思考方式会增加价值，他认为它已经在增加价值了。以他多年被惊讶的经验来看，突破的时间尺度可能是一天，也可能是二十年。量子引力他曾估计要 500 年；结果从他估计为 500 年的那一刻算起，实际只用了 20 到 25 年。

弦论的梦想是什么？Susskind 不认为它与基础理论物理的梦想有什么不同：一种统一的理解。他不喜欢把弦论看作一个自成一体的学科，把一群称为“弦论家”的人，去练习一种叫作弦论的东西。他更喜欢那些试图回答自然深层问题的理论物理学家，尤其是关于引力及其与量子力学联系的问题；这些人目前发现弦论是一个有用的工具。他不喜欢被称为弦论家。

他在弦论诞生时就在场。第一次生命阶段，大约是 1960 年代末和 1970 年代初，弦论研究的是强子（hadrons）：质子、中子、介子。实验清楚地表明，这些粒子能振动、能旋转，能做一根闭合小弦能做的事情。它当时是、现在也仍然是一个有效的、经过实验检验的强子理论，这件事已经定论。它有第二次生命，作为引力理论：同样的数学，应用在比质子小 19 个数量级的尺度上。按他的讲述，它的价值并不在于一句“统一一切”的口号。从许多方面看，这些构造在数学上足够严格，你可以找到同时包含量子力学和引力的结构，并检验这些想法的内部自洽性，即使那些有趣的对象小了 19 个数量级，超出了实验室能及的范围。

三五十年前，人们非常认真地质疑引力与量子力学是否相容。霍金以此闻名，这是理所应当的。现在没有人再质疑这种相容性了，因为有数学上精确的弦论，能以自洽的方式同时包含两者。这种确定性，也就是它们可以共存，分量很重。爱因斯坦会自豪吗？他可能会感到震惊，Susskind 不知道。他肯定会受到触动。目前，Susskind 认为，这可能是弦论对物理学最大的贡献：它几乎确凿地表明，量子力学与引力密切相关，并非互相矛盾。

弦论之下，还会有更深的东西吗？Susskind 说，同样的问题也可以问量子力学。他把弦论视作一个包含引力的量子力学系统的例子。量子力学之下会不会有某种东西，也许是确定性的？他把这个问题交给了他的朋友 Gerard 't Hooft。Susskind 开玩笑说，这个名字难读，但拼写很容易，而且是他认识的唯一一个名字以撇号开头的人；'t Hooft 是他的偶像，比他年轻一点，名气没有应有的那么大。't Hooft 相信，世界具有经典的确定性结构，这种结构以某种他很难讲清楚的机制，涌现为量子力学：不只是波函数，还包括不确定性、纠缠，整套东西。

Susskind 自己的立场，是整场对话里最清晰的方法论界线。这里你必须保持谦卑。他认为，目前没有人应该说什么是井底。他能合理地说的是：当他往井里看时，他看不到量子力学之外的东西。他看不到它之外有任何存在的理由。“我看不到它之外”与“那里什么都没有”是两句不同的话。前者是对视野的报告，后者则是把井口封上。

自由意志、意识和自我，是否与一个确定性或概率性的底层相连？Susskind 和 Fridman 同样感到困惑。不过，他可以在技术层面定义观察者。观察者是一个自由度足够多、能够记录信息、并与被测量对象发生纠缠的系统。纠缠是关键。当仪器，或者说观察者，两者是一回事，与系统发生相互作用时，它并不只是看。它会在物理上与系统纠缠在一起，而这种纠缠就是我们所说的观测或测量。这能让他个人满意吗？是，也不是。他觉得，观测一个系统存在数学表示，这一点令他非常满意。但对此他感到不舒服，就像他从来无法适应五维一样。他的大脑并不是为此布线的。四维他还能勉强接受一些，因为他可以把第四维想象成时间。

在人类尺度上，这种纠缠有没有回响？他说，绝对有。我们与房间里的每样东西都在量子力学意义上纠缠着；如果没有纠缠，我们就无法观察它们。在空间方面，在他比较愿意交流的那些人当中，大家相当有把握地认为，空间是涌现出来的，源于纠缠和其他东西。时间在方程里的位置，大致与牛顿所设想的一样，经过爱因斯坦稍加修正，而且大体上并不被当作涌现的东西来处理。在微观物理中，时间向前和向后是完全对称的。对于大多数这类现象，你并不需要一个箭头。

箭头只在系统大到让热力学和熵有意义时才会出现。对一个小系统来说，熵并不是一个好概念。它从大量数字中涌现出来：概率性的、统计的、热力学的，需要大量细小的子结构。我们理解箭头吗？他认为我们对它的理解，比大多数人以为的要好。它是一个统计学概念。把一副扑克牌抛向空中再看：结果是随机的。它是从简单走向随机，反过来则不会。

箭头能被打破吗？他说，在实验室里，你可以把一个介于小与大之间的系统，让它倒着走。某个看起来只想向前走的东西，出于统计力学的理由，出于热力学第二定律，可以被非常小心地操控，倒着运行。他不认为你能把蛋头先生（Humpty Dumpty）重新拼好。在受控的情况下，你可以让一个看似正在走向随机的系统停下来，把它反转，再送回去。Fridman 听到的是时间旅行。Susskind 说，他并没有说时间旅行是可能的。他说的是，你可以让一个系统的步骤倒转，倒转它的轨迹。

小系统没有箭头的概念；原子是完全可逆的。第二定律是大数定律，所以它可以被打破，但很困难，需要极大的小心。系统越大，难度越高，因为你必须克服混沌，而这需要越来越高的精度。十个粒子你可以费力地做到；一百个就真的很难；一千个或一百万个，就别想了，并不是出于根本原因，只是在技术上太难。向未来的时间旅行很容易：闭上眼睛，睡一觉，醒来就到了。一次好的小睡就能把你带到那里。他不会把倒转轨迹称为时间旅行，因为那会和科幻的含义混在一起。

这幅图景是一个理想化的无摩擦台球桌。球在三角形中摆放好，开球，它们飞散开来。试着在某一瞬间让每一个球都精确停住，然后让它们倒转运动。如果你非常小心地做到这一点，它们会重新排成三角形。这是事实。两个球，大概可以；三个球，如果运气好的话。系统越复杂，你就越需要精确，因为最微小的误差会被放大，你就无法完成反转。你是在倒着运行程序，而不是回到上周二。

如果世界是一个程序，那么运行整个宇宙的计算机有多难？Susskind 的回答分为两部分。我们知道一些数学宇宙，其中之一是反德西特空间（anti-de Sitter space）。经典计算机只能求解它的方程，无法让它像真实系统那样运作。一台足够大、足够稳健的量子计算机，大概能够模拟反德西特宇宙的一个小版本，并把中心当作一种宇宙学来看待。麻烦在于我们所生活的宇宙。我们的宇宙是德西特几何，而我们根本不真正理解它的量子力学。目前他会说，我们连怎样模拟与自己相似的宇宙，都毫无头绪。

两者的区别只在于一个常数的符号，即宇宙学常数：一个是负曲率，一个是正曲率。反德西特空间，即负曲率的那个，可以被想象为一个带有反射壁的盒子里的孤立量子系统。德西特空间则是我们真正生活其中的那个，指数膨胀，暗能量，或者随便你想怎么称呼它，而我们在数学上并不理解它。他说，并非每个人都同意他的看法，但大家肯定都会同意，他并不理解它。关于起源，他最喜欢的理论是永恒暴胀。他认为，如果正确理解，它在两个方向上都是无限的。Fridman 以为他喜欢它，是因为它令人震撼。Susskind 的理由则更朴素：我们并不需要一个起点。你如何思考无限？他刚和 Sergey Brin 讨论过这个问题。“Sergey Brin 是无限富有的。你怎么检验这个假设？”没有可操作的检验方法。无限在物理学中是否有一席之地，他只愿说这是一个非常好的问题。

事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）拍到的第一张黑洞图像，他称之为科学的一次不可思议的胜利。黑洞相互碰撞并不令人惊讶；它们似乎正按照预期运作。我们能学到很多吗？也许可以，但学到的不太是关于黑洞本身的东西。大自然为什么会在那个特定质量尺度上有黑洞，为什么它们如此常见，可能会告诉我们宇宙中结构演化的故事。回望一百年：广义相对论、黑洞的发现、LIGO（激光干涉引力波天文台），还有 30 到 40 年前他不会相信的技术，测量精度达到 10 的负 21 次方量级。这张图像没有改变他想象黑洞的方式，却证实了它。直接观测到爱因斯坦的引力在黑洞碰撞的层面上依然成立，令人赞叹。他认识其中一些参与者。他们都是普通人。他们竟然能完成这件事，让他震惊。渺小的智人。Fridman 给出的说法是略微高级一点的狐猴。Susskind 没有反驳。

有哪些问题是科学现在无法回答、但不久可能会回答的？Susskind 已经说过，意识在某种程度上是可以触及的，而且是在计算机科学家和神经科学家手中，而非物理学家手中。物理学家会试图把它简化为他们熟悉的方法，而这些方法可能并不适用。他觉得很了不起的是另一条路：不仅是会学习的机器，还有能演化自身架构的机器，这种演化只部分地受我们控制，更多是受机器学习本身的控制。谷歌教计算机下国际象棋的方法，是让它们彼此对弈，而不去直接教它们棋艺。那是一种演化形式。机器在没有人告诉它们如何做的情况下演化出了智能，不是被工程设计出来的，只是在下棋，并越下越好。这让他认为，机器可以演化出智能。具体是哪一种，他不知道。变得越来越好，也许能为我们自己的大脑里发生了什么提供更好的线索。

最后一个问题：科学无法回答、也许永远无法回答的是什么？整件事背后，是否有某种智能？如果愿意，可以用那个 G 开头的词。我们是不是某个有目的的计算机模拟？是否存在一个对整件事负责的主体？这个主体是否符合物理定律、量子力学定律？它是由原子和分子构成的吗？这些问题在他看来似乎是真实的。一些哲学家会说，如果一个问题不可回答，它就不算问题；但这个问题似乎无法被任何已知方法回答。他仍然认为它是真实的。访谈在这里结束。整个小时里，Susskind 一直在做同一个动作：给出技术定义，然后承认这个定义在三维的大脑里并不舒服。观测就是纠缠，而他仍然没有为此布好线。时间是统计的，他认为我们对它的理解比人们承认的要好，但他不会假装这已经解决了那口井的问题。