AI时代再问意识：意识与信息物理学：现实是由信息构成的吗（上）

在人类理解自然的大部分历史中，“信息”似乎从来不像一种能够构成宇宙的东西。真正基本的东西应该是物质：空间和时间提供舞台，物体存在其中，力推动它们运动。信息则属于另一个层次，它存在于书籍、语言、测量和记忆之中，后来又进入电报、电话和计算机。石头在那里，无论有没有人知道它的位置；恒星在那里燃烧，无论有没有生命测量它的光。相比之下，信息似乎总是关于某种东西的信息，是一个观察者对于世界的描述，而不是世界本身。这个区别曾经如此自然，以至于很少有人会想到，有一天物理学本身会迫使我们重新考虑它。

二十世纪发生的事情，恰恰是这条看似清楚的界线开始逐渐模糊。信息出现在一些原本似乎完全不需要这个概念的地方。热力学把信息与熵联系起来；量子力学使测量与物理系统的描述产生了前所未有的关系；黑洞物理提出了一个令人惊讶的问题——信息能不能真正从宇宙中消失；计算机科学证明，信息可以脱离具体载体而获得抽象的数学表达；分子生物学又发现，遗传过程具有一种无法忽视的信息结构。原本彼此相距很远的学科，仿佛从不同方向不断碰到同一个概念。信息不再只是人类写在纸上的符号，它越来越像自然本身某些深层规律的一部分。到了二十世纪后半叶，一个过去听起来近乎荒诞的问题开始进入严肃的物理学和哲学讨论：也许信息并不仅仅是我们描述现实的工具，也许它属于现实本身更深的结构。

很少有人比美国理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒更富想象力地表达过这种可能性。惠勒研究过核物理、广义相对论和黑洞，也正是他使“黑洞”这个名称广为流传。到了学术生涯后期，他越来越关心量子力学背后的概念问题：当我们说一个物理事实“存在”时，我们究竟在说什么？他后来用一句极其简洁的话概括自己的思考：“It from Bit。”这里的“It”指物理世界中的存在——粒子、场、物体，甚至时空本身；“Bit”则意味着最基本的信息区别：是或者否，1或者0，这个而不是那个。惠勒并不是简单地说物理世界可以用比特表示，那并没有多少惊人之处；任何测量都会产生信息，任何物理状态也都可以编码。他真正提出的是一个更深的可能性：也许每一个物理事实最终都与某种基本的“是或否”的区别有关，现实之所以成为确定的现实，在某种意义上可能与这些可以用信息表达的区别不可分离。

这个想法很大程度上来自量子力学。在经典物理的世界里，我们很容易想象，一个粒子无论有没有被测量，都已经拥有确定的属性；测量只不过揭示那个早已存在的事实。但量子力学使这种图景变得困难得多。实验如何设置，会影响哪些物理量能够获得确定意义，理论给出的往往也不是一个隐藏在背后的完整经典状态，而是不同测量结果出现的概率。惠勒尤其着迷于测量在其中扮演的角色。他的“延迟选择”思想实验不断挑战一种朴素直觉：微观世界是否真的在所有时刻都拥有一部完全确定、与后来如何测量毫无关系的历史？由此产生了一次颇为惊人的概念倒转。也许物理学并不是先拥有一个由“东西”构成的世界，然后再问我们能够获得多少关于它的信息；也许那些由信息表达的区别，本身就参与决定什么能够成为一个确定的物理事实。“Bit”也许不只是描述“It”，在某种更深的意义上，“It”也许来自“Bit”。

惠勒的思想并不是凭空产生的。事实上，在整个二十世纪，信息早已悄悄获得一种越来越明确的物理地位。其中一条重要线索来自热力学。十九世纪，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦曾设想过一个极小而聪明的“精灵”，它能够观察气体分子的运动，把速度快的分子与速度慢的分子分别放到两个空间中。如果它能够不付出任何代价地完成这件事，似乎就可以降低熵，从而挑战热力学第二定律。这个思想实验之所以长期令人困惑，恰恰因为精灵做的事情看起来只是获得和使用信息：它知道哪个分子快，哪个分子慢。后来，经过利奥·西拉德、罗尔夫·兰道尔、查尔斯·贝内特等人的工作，人们逐渐认识到，信息处理本身不能简单地从物理过程里剥离出来。在适当条件下，擦除信息具有最低的热力学代价。兰道尔后来用一句同样简洁的话概括这种认识：“信息是物理的。”

这句话意义重大，但也很容易被理解得过头。一个比特可以由电压表示，可以由磁性方向表示，可以写在纸上，也可以由某种分子状态表示，因此信息在抽象意义上可以独立于特定材料；可是任何真正存在于世界中的信息，都必须以某种物理方式实现。信息并不是漂浮在物质世界之外的幽灵。黑洞物理随后又使这种关系变得更加深刻。如果一个携带大量信息的物体掉进黑洞，而黑洞最终通过霍金辐射逐渐蒸发，那么描述那个物体的信息究竟去了哪里？如果信息真的彻底消失，量子力学的一些基本原则就会遇到严重困难。由此产生的黑洞信息悖论成为理论物理学最深刻的问题之一，也推动了量子引力几十年的发展。信息似乎已经不再只是观察者为了方便而添加在世界上的说明文字；基础物理学本身开始在意信息究竟有没有丢失。

然而，从这里到“世界本身就是信息”，还有非常重要的一步不能跳过。兰道尔所说的“信息是物理的”，并不等于“物理就是信息”。前一个命题意味着信息的储存、传输、擦除和处理必须通过物理系统实现；后一个命题却意味着物理系统本身最终也许只是一种信息结构。我们可以用一本小说来理解这个区别。小说中的信息必须存在于某种物理载体中，可以是纸上的墨迹，也可以是硬盘中的磁状态或者芯片中的电荷，但我们显然不会因此认为构成纸张的物质“就是”那个故事。信息必须具有物理实现，并不意味着物理载体与信息内容在本体论上是同一种东西。对于宇宙，我们也必须保持同样的谨慎。现代物理也许越来越清楚地表明，信息具有物理限制、守恒关系和真实后果，但这并不能自动证明物质和时空实际上“由比特构成”。如果要提出更强的主张，我们就必须回答一个非常困难的问题：当没有一个外部解释者存在时，所谓“信息”究竟是什么？

这个问题把我们重新带回意识。克劳德·香农的信息论之所以成为二十世纪最重要的思想成果之一，恰恰因为它有意识地把信息与意义分开。在香农的信息论中，信息衡量的是可能性之间的不确定程度，以及接收到信号以后这种不确定性减少了多少。一条消息即使对接收者毫无意义，仍然可以包含大量信息。现代通信技术之所以能够建立在这一理论之上，很大程度上正是因为香农拒绝处理“这条信息意味着什么”这个问题。然而，意识面对的似乎恰恰是相反的问题。一个有意识的生命并不只是区分不同状态，有些区别对它具有意义。红色可能意味着成熟的果实，一个熟悉的声音可能意味着安全，一种身体感觉可能意味着受伤，一段记忆可能意味着失去。同一个物理信号，对一个系统可能毫无意义，对另一个生命却可能关系到生死。

因此，即使宇宙最深层真的是信息性的，意识也不会自动随之出现。恒温器拥有关于温度的信息，DNA储存和传递信息，计算机可以在几秒钟内处理难以想象数量的比特，这些说法在各自的技术意义上都没有问题；可是我们不会因此认为温度对于恒温器具有冷热的感觉，遗传密码对于DNA具有某种意义，或者计算机因为处理了关于悲伤的数据就开始悲伤。一个完全由信息构成的宇宙，仍然可能从内部一片黑暗。这里隐藏着意识讨论中一个非常容易被忽视的概念滑动：“信息”这个词开始时指香农意义上的信息，是对可能状态的一种数学度量，后来却不知不觉变成了具有意义的体验。一旦这个变化没有被察觉，意识就仿佛已经得到了解释，实际上却只是被偷偷放进了“信息”这个词里。有信息存在，并不意味着已经有了一个体验信息的主体。

（未完待续）