思考构建时空和大脑的比特

Quanta 杂志最近通过 Zoom 与 Balasubramanian 就信息在物理学和神经科学中的作用以及人类认知的局限性进行了对话。为清晰起见，采访经过浓缩和编辑。

 你的职业生涯一直致力于解决一些物理学中最棘手的问题。真的有进展吗？

过去 20 年的发展是巨大的。一个重要的进步是，一个像马鞍一样弯曲的宇宙——AdS空间——引力以熟悉但鲜为人知的方式运作，可以被视为等同于一个没有讨厌的引力的低维世界。这就是著名的AdS/CFT 对偶性。这个概念开启了空间不是基础的可能性。相反，它可能是突发的。我的很多工作都与此有关：发展一种不包含空间的理论。

最近，在思考你是否可以通过测量辐射出的粒子来看到黑洞视界的背后取得了惊人的进展，这些粒子可能包含关于先前落入的东西的混乱信息。

黑洞和 AdS/CFT 是如何让你想到信息可能是空间的基础？

量子力学具有一种称为单一性的特性，它保证在微观层面上，信息不会被破坏。但斯蒂芬霍金计算出，随着黑洞的蒸发，信息会被破坏——这造成了一个悖论。由于信息的破坏，你在引力和量子力学之间产生了张力。

我们还知道，黑洞的熵是衡量无知或缺乏信息的指标，它等于黑洞的表面积。显然有一些东西正在连接区域、熵和信息。你能感觉到它，但你不知道它是什么，所以人们一直在四处寻找关于它的看法。

我们要看的一件事是，AdS 宇宙体积中的空间结构如何在边界上体现出来。例如，当空间不是基本的时候，能够在宇宙中将物体从 A 点移动到 B 点对你来说意味着什么？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“平面世界”的边界上，相应的变量就会发生量子纠缠。这意味着它们包含彼此的信息；测量一个告诉你一些关于另一个的事情。这是一个非常美妙的想法，也是惠勒的 it-from-bit 概念的具体实现：如果这些量子信息的比特不是通过纠缠连接起来的，那么就没有空间。

你是说我们的 3D 宇宙真的可能是由 1 和 0 在某个平坦的土地上纠缠在一起产生的错觉吗？

从字面上考虑是完全公平的。但是关于你能把这个想法走多远的争论仍在继续。

什么是不那么字面的解释？

在这个阶段很难说。部分困难在于您需要一些词汇来表达空间的含义。从我们的角度来看，空间看起来既漂亮又光滑，对吧？如果我们可以在它们之间画一条平滑线，我们可以说 A 和 B 在空间上是相连的。但现在假设我用显微镜观察一个很小的区域。近距离观察，你完全有理由期待空间本身，就像量子力学中的一切一样，会疯狂地波动，四处弹跳并撕裂。在那种情况下，说 A 在 B 旁边是什么意思？

我们必须愿意敞开心扉接受更微妙的空间观念，这很难，因为我们的想象力与我们作为大型动物的日常经验密切相关。但如果有人在 20 年前告诉我，我什至可以谈论这个，我会说没有机会。也许再过 20 年，我们就会对你的问题给出答案。

我们还不能在实验中探测量子引力。当您不受实验限制时，您如何判断您的古怪想法何时起作用？

就是这样；自然规律的数学一致性是一个严重的约束。如果你同意一套规则，我认为人们不会欣赏你不能做的事情。

有时，当你删除一个假设时，理论物理学的进步就会出现。如果你推导出一堆符合规则的理论，而这些理论没有描述你认为应该描述的现象，那么你质疑规则是完全公平的。

例如，去年我和一些同事研究了如果两个引力宇宙纠缠在一起会发生什么。假设两个宇宙不相连；他们是脱节的。爱因斯坦的空间图景要求完全切断不相交的宇宙，从 A 到 B 的路径为零。但我们修改了这个假设。我们说过，让我们让量子引力的剧烈波动建立转瞬即逝的联系。这可能是有道理的！

我们发现这种调整可以使计算工作。如果你同意量子引力的计算规则让不连贯的宇宙瞬间连接起来，那么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《巴别图书馆：论引力热力学的起源》。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包含所有可能的字母序列。几乎所有的序列基本上都是随机的，但每隔一段时间，你就会看到某人生活的真实故事。

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。信息被保留，但几乎不可能恢复。

还有一次，我们调查了虚无的气泡。在某些具有太多维度的宇宙中，当你挤压额外的维度时，这些宇宙会发展出一种不稳定性，它们会形成一个内部没有空间的气泡。

我对这个没什么很感兴趣。在 AdS/CFT 的语言中，当平面世界中的基本自由度不再纠缠时，就会在涌现的空间体积中出现一个虚无的气泡。但是那些[量子比特]仍然存在于平坦的世界中；这不是什么。这是一回事。东西没有以正确的方式纠缠腾出空间，但还是有信息处于空无状态。

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《著名科学家的神奇之书》 。我尤其记得安东尼·范·列文虎克。他没有学位。他没有在高档的地方工作。他是一名镜片研磨师。但他是一个聪明而好奇的人，所以他用镜头组装了第一台显微镜，发现了整个微观生命世界。我记得读过这篇文章并意识到科学是你可以做的事情。它没有从过去的时代获得智慧。从那时起，我知道我将在生活中做什么。

你在麻省理工学院学习物理和计算机科学。为什么是后者？

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所能思考的想法。猫不能理解微积分，人类也不能理解一切。我学习计算机科学是因为我想了解计算机在我脑海中的局限性。

你作为神经科学家的另类生活是如何开始的？

作为哈佛的博士后学生，我主要研究弦论，但我也在生物实验室兼职。我会在朋友的实验室度过晚上，查看他的数据并阅读论文。我已经从所有高中生物课程中钻了出来，所以我有很多东西要学。

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，因为形式遵循生物学中的功能。

Balasubramanian 翻阅了牛顿的数学原理（上）和伽利略关于两个主要世界系统的对话（下）的第一版。

你发现有哪些力量塑造了大脑的形状？

神经信息非常昂贵。它消耗大量能量，所以如果你考虑一下信息编码的节能方式的理论，也许这应该告诉你大脑的结构。

例如，大脑中处理亮斑和暗斑的途径不同，大脑将更多的资源投入到暗点上。为什么会这样做？我们表明，如果您查看自然图像的统计结构，就会发现暗点比亮点多。我们开发了一种定量理论，预测如果您要在固定预算下建立人工系统，您应该需要多少光探测器和暗探测器才能最大化您的视觉信息。你最终会发现你在动物身上看到的东西。

您是否已经回答了有关您脑海中计算机限制的问题？

我的神经科学研究让我深入了解了为什么计算机是这样组织的，但我认为我对让我做物理的大脑过程的局限性了解不多。我仍然有希望到达那里。我认为那些更高层次的过程正在重新利用我们生存所需要做的更基本的事情。吃东西比做物理重要得多。

所以你觉得猫在努力学习微积分吗？不相交宇宙的熵是否在推动我们的认知极限？

你会这么想，但我们会不断发现更多！这有一个真正的谜。我们只是使用简单的数学理论，但我们正在讨论时空是否通过纠缠以一种新兴的方式组合在一起。它与我们的日常经验相去甚远，以至于到目前为止我们能够推断出它是荒谬的。

这里有个问题需要理解。基本上，简单理论的力量是我们不应该得到的礼物。

你的藏书怎么样？你建立了你的巴别图书馆吗？

在我和妻子有了第二个孩子之后，我们想搬到费城郊区。一天下午，我们开车出去，看到了四间房子，当我走进这间房子，看到这间满是架子的房间时，我就知道这就是我们的家了。

现在它装满了数百本书。我妻子是宾州的历史学家，所以她也收藏书籍。而且我还保留着我小时候的所有故事书——折角的，有指纹和食物痕迹等等。

编者注：Balasubramanian 已获得西蒙斯基金会的资助，该基金会也资助了这本编辑独立的杂志。