来自黑洞普及者的预言：宇宙的基本结构不是空间，是信息

为什么猫学不了微积分？3D 宇宙真的可能是由0和1的「纠缠」产生的错觉吗？

1989年，著名物理学家约翰·惠勒，「黑洞」一词的普及者，提出了一个思考宇宙的根本性的新方法。量子粒子可能会变形和消失，但我们总是可以依靠信息。

当时惠勒推测，信息位——某物质是存在还是不存在，是向上还是向下，是0还是1——可能是现实的基本成分。

他在一篇文章中写道：「每一个物理量，每一个，都从比特、二进制中获得其最终意义。」

在此后的几十年里，各种抽象理论的发展，导致许多物理学家怀疑惠勒的推测是否能解开一个深刻的谜题：引力的量子性。爱因斯坦的广义相对论将引力与时空结构统一起来，将引力重新解释为物体沿着宇宙的弯曲轮廓下落。

然而，量子理论却难以用其粒子和场的语言来解释这些曲线。这种冲突在黑洞中得到充分展示，黑洞使空间严重变形，以至于引力的更基本的量子性质已经到达了不容忽视的地步。

宾夕法尼亚大学的Vijay Balasubramanian是致力于将惠勒的崇高理念转化为清晰数学的物理学家之一。他和他的同事们所从事的研究现在有一个口号，叫做「从量子比特开始」。

1999年， Balasubramanian研究出如何用边界上的粒子信息来计算AdS宇宙的质量和能量。此后，他通过研究各种系统的信息含量，对黑洞和量子引力理论做出了根本性的贡献。

Balasubramanian多面手，很容易在谈话中从物理学跳到普鲁斯特，他在宾夕法尼亚大学指导整个研究小组，详细研究世界的物理特征是如何雕刻大脑的。在神经科学方面，他也发现信息和计算的想法提供了一种自然语言。

Vijay Balasubramanian讨论了物理学、计算机科学、神经科学、文学及人文科学之间的联系

Quanta与Balasubramanian进行了对话，讨论了信息在物理学和神经科学中的作用，以及人类认知的极限。对话内容经过了简编。

你的职业生涯一直在研究一些物理学上最棘手的问题。这些是否真的取得了进展？

在过去的20年里，发展是巨大的。一个重要的进展是了解到了一个像马鞍一样弯曲的宇宙——AdS空间——在这个空间中，引力以人们不太了解的方式运作，可以被视为一个没有讨厌的引力的低维世界。

这就是著名的AdS/CFT二元性概念。这个概念开启了一种可能性，即空间不是基本事实。我的很多工作都与此有关：即一个不包含空间的理论。

黑洞和AdS/CFT是如何让你想到信息可能是空间的基础这一概念的？

量子力学有一个叫做单元性的属性，保证在微观层面上，信息不会被破坏。但斯蒂芬-霍金计算出，信息会随着黑洞的蒸发而被破坏--这就产生了一个悖论。

我们还知道，黑洞的熵，也就是衡量无知或缺乏信息的标准，等于黑洞的表面积。很明显，在面积、熵和信息之间存在着某种联系。你可以感觉到，但你不知道它是什么，所以人们一直在摸索着该怎么描述。

我发现，AdS宇宙体积中的空间结构如何在边界上表现出来。例如，当空间不是构成宇宙基础的时候，你在宇宙内将一个物体从A点移动到B点，这意味着什么？

现在有一种说法是，如果空间体积中的两个区域是相连的，那么在「平坦世界」边界上，相应的变量是量子纠缠的。这意味着它们包含彼此的信息；测量一个变量就能知道另一个的情况。

这是一个非常美丽的想法，也是惠勒的「从量子比特开始」概念的具体实现。如果这些量子信息的比特没有通过纠缠连接起来，那么就不会有空间了。

你是说，我们的三维宇宙可能真的是由一些平地上的纠缠的1和0产生的光学幻觉？

如果直白地解释，完全可以这么说。但是具体可以验证到什么程度，目前的辩论仍在继续。

那「不直白」的解释是什么？

在目前这个阶段很难解释。难就难在，需要一些词汇来表达你对空间呈现的意思。从我们的角度来看，空间看起来很好，很光滑，对吗？我们可能会说，如果我们能在A和B之间画出一条平滑的线，那么A和B在空间中是相连的。

但是现在假设我拿着显微镜，看一个很小的区域。从近处看，你完全有理由期待空间本身，就像量子力学中的一切一样，正在疯狂地波动，四处弹跳，撕裂开来。在这种情况下，说A紧挨着B是什么意思呢？

Balasbramanian的笔记中的一页，讨论了量子纠错、黑洞和引力

我们必须愿意打开我们的思想，接受更微妙的空间观念，这很难，因为我们的想象力与我们的日常经验紧密相连。如果有人在20年前告诉我，现在的我竟然在谈论这个问题，那时候的我根本觉得就是天方夜谭。也许再过20年，你的问题就会有答案了。

现在我们还不能在实验中探测出量子引力。那么你怎么能知道你的离奇的想法是否有效？

这就是问题所在；自然规律的数学一致性是一种剧烈的约束。我认为人们不了解的一点是，如果你认同一套规则框架，有很多事情就做不出来。

有时理论物理学的进步是在你去掉一个假设的时候取得的。如果你推导出一堆与规则一致的理论，而这些理论并没有描述你认为它们应该描述的现象，那么你质疑这些规则就是说得通的。

比如，去年我和一些同事研究了如果你把两个有引力的宇宙纠缠起来会发生什么。

假设这两个宇宙没有联系；它们是不相干的。爱因斯坦的空间图景要求不相干的宇宙被完全切断，从A到B的路径为零。我们认为，允许量子引力的疯狂波动来建立短暂的连接。这可能是有意义的。

我们发现，这种假设上的调整使计算成功。如果你认同量子引力的计算规则让不相干的宇宙变得瞬间相连，明显的信息悖论就可以避免。

你还能用物理学中的「信息优先」方法做什么？

我曾经写过一篇论文，名为「The Library of Babel: On the Origin of Gravitational Thermodynamics」。这个名字的灵感来自于豪尔赫·路易斯·博尔赫斯 (Jorge Luis Borges) 的一个短篇小说，讲述了一个神秘的图书馆，里面装满了看似无稽之谈的书籍。

最终，图书馆员意识到这个图书馆中包含所有字母的可能排列，几乎所有的序列基本上都是随机的，但每隔一段时间，你就能找到一本记录某人真实生活的传记书。

我们认为，黑洞可以排列它们所包含的信息的方式的集合就像这个图书馆一样。就像书本一样，黑洞的“微观状态”由其微观碎片的几乎随机组合组成。虽然信息过剩，不可能恢复，但总能从中发现什么。就像小说中描述的那样，总有一本书可能是图书馆所有书籍的完美索引。

Balasubramanian 在宾夕法尼亚大学枢轴公园的 Spectral Grove 雕塑前

你第一次接触科学推理是什么时候？

我上二年级的时候，我们住在印度加尔各答，周末会去买蔬菜。我们会经过这些书商，它们的摊位建在建筑物的墙壁上。我很珍惜我能拿到的书。我爸爸用当地商店的包装箱做了一个小书架，我会把我的几本书排成一排，数一数。我的人生抱负是有朝一日拥有100本书。

有一天，我拿起一本书，名为「The How and Why Wonder Book of Famous Scientists」。我尤其记得安东尼·范·列文虎克（ Antonie van Leeuwenhoe）。他没有学位。他没有在一个很好的地方工作，他是一名镜片研磨师，但他是一个聪明而好奇的人，他用镜头组装了第一台显微镜，发现了整个微观生命世界。

我记得通过读这篇文章我意识到科学是可以做的事情。从那时起，我知道我将要做什么。

你在麻省理工学院学习物理和计算机科学，为什么要学习计算机科学呢？

我开始感觉到，当我们写下自然法则时，它们从根本上受制于我们能够想到的想阿发。一只猫不能理解微积分，很显然人类也不能理解一切。

我学习计算机科学是因为我想了解学习到计算机后其局限性。

你作为神经科学家的生活是如何开始的？

作为哈佛的博士后，我主要研究弦理论，但我也在生物实验室兼职。我会在朋友的实验室查看他的数据并阅读论文度过晚上。我已经学习完成所有高中生物课程，还有有很多东西要学。

然后我来到宾夕法尼亚大学，遇到了神经科学家彼得·斯特林（Peter Sterling）。他会问我这样的问题，“为什么这个电路看起来像这样？” 或“为什么这个神经元看起来像那样？” 这些都是很好的问题，因为形状决定功能这遵循生物学理论。

你发现有哪些力量塑造了大脑的形状？