视域 | 元宇宙何以可能：从物理学到认知科学
目前社会各界都在讨论“元宇宙”。元宇宙时代能否可能呢？本文不从元宇宙的手艺底座、本钱运做和熟悉途径往全面阐发，只是在科学层面停止讨论，事实在科学手艺一体化的时代，固然手艺可能“有本身的生命”，但是手艺不成能违背科学原理。物理学原理和认知科学的原理是同一的，那就决定了更好的虚拟手艺和深度沉浸成为可能。
原文 ：《元宇宙何以可能：从物理学到认知科学》
做者 | 苏州大学政治与公共治理学院传授 李继堂
图片 |收集
物理学原理对物理世界的同一
可能没有人反对科学的开展不断受人类逃求科学常识的同一性所驱动，从古希腊第一个天然哲学家泰勒斯把万物的来源根基同一回结为水起头，近代科学革命的前驱通过一系列科学原理来熟悉物量世界。
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牛顿力学同一了天上地下一切物体的机械运动的法例，特殊是牛顿万有引力定律定量显示了宇宙万物之间的引力感化，即人类熟悉最早的天然界四种根本感化力的第一种力。然而，那个万有引力定律是成立在牛顿三定律的根底上的，即使对引力的描述后来让位于爱因斯坦的广义相对论引力场方程，但是牛顿的惯性定律（牛顿第必然律）、F=mdr/dt（牛顿第二定律）、感化力等于反感化力只是标的目的相反（牛顿第三定律），那“牛顿三定律 ”始末成立。事实上，相关于牛顿万有引力定律如许的“科学定律”（scientific law），所谓的“牛顿三定律”更应该被看做严厉意义上的“科学原理”（scientific principle）。科学定律往往是受科学原理的启发，在大量看察尝试的根底上，用数学办法对天然现象的定量描述。科学原理比科学定律更根本，试图答复天然现象为什么如斯，并且往往是定性阐明。在“概念—原理—定律—理论”那个系列中，“牛顿三定律”处在科学原理那个环节。做为科学原理的牛顿三定律，其普遍性可能超越牛顿力学系统，同时也是牛顿力学的根底部门，有比科学定律更好的根底地位，能够引导整个科学理论（牛顿力学）系统的成立。
比拟于牛顿力学对机械运动的同一，或者如科学史家说的“牛顿的综合”，法拉第和麦克斯韦电磁理论不只把电和磁同一起来，还把光做为电磁波，实现电现象、磁现象和光的素质的同一。无独有偶，法拉第和麦克斯韦可以挠住电磁感应定律等根本定律，构成完全的电磁学理论，是与法拉第可以在大量尝试看察的根底上，意识到类似于电磁感应定律和“法拉第笼”如许的重要尝试有关的。那个“法拉第笼”使人们熟悉到电磁势的重要感化，间接招致麦克斯韦方程组得以成立。“法拉第电磁感应定律”相关于麦克斯韦方程组，就跟“牛顿三定律”相关于牛顿万有引力定律一样，也是严厉意义上的定性描述的科学原理。因而，麦克斯韦才会说，法拉第已经很好地发现电磁现象的法例，他只是把法拉第的描述翻译成数学语言，也足见科学原理的感化有多大。
现代物理学的狭义相对论和广义相对论更是间接从科学原理动身。1905年，爱因斯坦发如今伽利略相对性原理的根底上，牛顿力学和称心麦克斯韦电磁理论的光的传布定律相矛盾，于是把伽利略相对性原理妥帖成狭义相对性原理，即包罗电磁运动法例在内的所有物理定律在相对做匀速曲线运动的坐标系里连结稳定，加上所谓“光速稳定原理”，间接就能够得到狭义相对论的整个理论。1907年，爱因斯坦进一步把狭义相对性原理妥帖为广义相对性原理，简单说就是引力量量和惯性量量的等价，就能够起成立广义相对论。曲到1915年，爱因斯坦几乎与希尔伯特同时得到闻名的广义相对论场方程，最末在两个根本原理的根底上完成了广义相对论。
当然，科学原理其实不必然通过大量看察尝试根底上的物理曲觉得到，好比，外尔提出标准稳定性原理时，就是间接从广义相对论动身，发现广义相对论所利用的数学东西黎曼几安在拓展欧式几何时还不敷彻底，于是开展出所谓的“实正的无限小几何”，即所谓“外尔几何”，然后在此根底上试图同一引力和电磁力，那也曾经是黎曼的目标。拓展后的外尔几何就能够模仿爱因斯坦把引力停止几何化描述的办法，也能够对电磁场停止一种非欧几何的几何化描述。通过妥帖相对论得到的外尔的局域标准稳定性原理就成为后来标准场论的根本原理，特殊是杨振宁和米尔斯在新生了局域标准稳定性原理，提出闻名的杨-米尔斯理论后，粒子物理学逐步构成了粒子物理原则模子，描述了天然界中除了引力之外的61种根本粒子之间的电磁力和弱彼此感化力及强彼此感化力。以至宇宙学的大爆炸原则模子背后的广义相对论也可能被看做标准理论。那实现了物理学在标准理论根底上的一个同一框架。
生命现象和认知科学的自在能原理
事实上，物理学除了在上述微看世界的粒子物理原则模子和宇看世界的大爆炸原则模子的理论都是成立在一些根本原理的根底上，在宏看世界还有与能量那个物理量密切相关的热力学统计物理，此中最闻名的就是热力学第必然律，即能量转换与守恒定律，使我们对能量概念有了深入熟悉。还有就是热力学第二定律，即所谓“熵增原理”，认为热量不成能自觉地从低温热源转移到高温热源。熵跟能量纷歧样，根据热力学第必然律，能量既不克不及被创造，也不克不及凭空消逝，但是熵是用来描述有用能量转化为无用能量的水平的。所谓“热力学第三定律”，认为绝对零度达不到。还有“热力学第零定律”：假设两个物理系统跟第三个物理系统处于热平衡形态，则那两个物理系统也处于热平衡形态。可见，热力学的四条定律都不太像万有引力定律那样的科学定律，更像功热转化过程中的一些改变趋向或者形态的描述，即一些普及原理。那能够从它们妥帖到生命现象和认知过程看出来。
在阐明生命现象时，生命系统被视为处于情况中的自组织系统，不外，不是简单认为系统与情况之间存在物量、能量和信息之间的交换以庇护其低熵形态，而是（根据自在能原理）进一步认为任何与情况处于平衡形态的自组织系统必需最小化自在能。意思是说，生命体可能的心理形态和觉得形态比拟于无生命体征时的形态老是少数情状，或者说活着时的低熵形态的形态空间远小于接近灭亡（以及身后）热平衡的形态空间，相当于俗话说的“活着比死（后）难”。就像一条鱼，不是在所有情状下都可以活着，好比在岸上时间长一点就会接近灭亡，只要在水里才气够活，因为比拟之下在水里的时候，鱼和情况之间的自在能低得多。
自在能原理还能够很好地阐明认知过程。进一步把生命系统和情况系统分红内部形态和外部形态，以及揣测在两者之间感知形态和行为形态，后两个形态构成数学上所谓的“马尔可夫毯”。它们之间的关系能够简单说成：情况的外部形态引起感知形态，而生命系统（好比大脑）的内部形态引起行为形态（即动作）。当然，所有认知过程都遵守自在能最小化原理，就像前面讲的那条拼命活着的鱼，一旦处在岸上，四周情况就会引起鱼感知到本身的形态跟本身需要（或者说“揣测”）的形态相往甚远，构成所谓惊异，为了让自在能最小化（消弭惊异），鱼儿会摘取动作，不竭跳跃，更好跳到水中，最初使本身揣测到（需要）的形态跟外部世界刺激感知到的形态之间的差别最小化，从而阐明知觉、认知和动作，包罗自我的模子。可见，自在能最小化的原理贯串生命现象和认知过程。
元宇宙到底可不成能
从科学事理上讲元宇宙到底可不成能？通过物理学的原理和认知科学的原理的察看，我们发现，无论是物理世界仍是生命现象和认知过程，都遵守一些配合的根本原理。特殊是科学的诸多要素和层面，概念、命题、原理、定律、理论、范式、范畴及研究纲领，甚或背后的哲学、社会、政治、经济、文化，此中最有底子性和同一性的仍是科学原理那个层面，因为一个命题以至单纯几个命题无法构成理论，而一个科学定律因为定量化限造了科学原理的范畴，在讨论科学的同一性和深入性时更好从科学原理进手。
就像上面讨论的自在能原理，它本来是物理学的原理，在热力学中次要以能量形式呈现，以信息论形式表述后有利于生命和认知的讨论。而就系统之间的“关系”而言，自在能原理实则是所有“事物”（things）都遵守的一个“理论”（theory），因为从整个宇宙到根本粒子之间各个条理的事物，只要人们把它做为一个事物（对象）来研究，就是把那个事物跟别的的事物区分隔来，就有了上面所说的内部系统和外部系统，而且遵照系统之间的自在能原理，能够说，自在能原理相当于某种意义上的万有“理论”。换言之，自在能原理就是元宇宙的“第一原理”（即“元宇宙原理”），相当于所谓的“第一心理物理学定律”，因为据说生命现象和认知过程中没有传统意义的科学定律。且不管物量世界，就认知过程而言，以自在能原理为核心的揣测加工理论，是目前时髦而且最同一的一个模子，已经可以很好地把心理学、神经科学、认知神经科学、人工智能等学科毗连起来。那已经从理论上包管从现实世界到虚拟世界的沉浸和叠加成为可能。至于世界看、人生看和价值看，也会跟着社会生活的开展天然而然地改动。同样，收集手艺、物联网需要的虚拟手艺和本钱经济凭仗其内在开展法例与驱动力，应该是水到渠成的工作。 一句话，从物理学原理到认知科学的原理的同一性在根底理论层面包管了元宇宙得以可能。
文章为社会科学报“思惟工坊”融媒体原创出品，原载于《社会科学报》第1824期第5版，未经容许制止转载，文中内容仅代表做者看点，不代表本报立场。
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