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万物是什么？万物从何而来？万物为何如此？在本书中，牛津大学量子信息科学教授弗拉特科?　韦德拉尔从信息的角度对宇宙中这些最深层次的问题进行了深入的思考。他认为，现实中的一切都是由信息组成的；从生命的演化到金融投资，从社会秩序的动态变化到量子计算机的运行，都可以用信息来解释。那么，信息从何而来？为了寻找问题的答案，韦德拉尔教授将带领读者进行一次奇异的量子物理学之旅。本书适合对量子物理学感兴趣的读者阅读。

序　幕

第 1章　创世：从无到有　/　5

第 2章　信息：放之四海而皆宜　/　14

第 1部分

第3章　回到基本层面：比特和信息碎片　/　26

第4章　数字浪漫：life（生命）是一个含4个字母的

英文单词　/　38

第5章　墨菲定律：早就知道这倒霉事一定会发生　/　58

第6章　投下赌注：全力以赴争取赢　/　78

第7章　社会信息学：拼命社交，至死方休　/　91

第 2部分

第8章　演出开始了：灯光，镜头，准备　/　115

第9章　激流勇进：超高速计算机　/　132

第 10章　漫无目的地碰运气的孩子们：是随机性还是

确定性　/　149

第3部分

第 11章　砂粒计算：到底是谁的信息　/　171

第 12章　毁灭：从有到无　/　186

尾　声　/　213

致　谢　/　217

弗拉特科·韦德拉尔（Vlatko Vedral）

博士，毕业于位于英国伦敦的帝国理工学院理论物理专业，博士论文的题目是《纠缠的量子信息理论》。自2009年6月起，韦德拉尔移居牛津，担任牛津大学量子信息科学教授。他同时拥有新加坡国立大学物理学教授职位。在整个职业生涯中，韦德拉尔曾在多个国际机构担任客座教授，发表了170多篇研究论文，并撰写了两种本科教材。他经常为科普杂志和报纸撰写文章，录制了大量的广播节目，经常接受电视采访。

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这样思考下去，我们会得出一个惊人的可能性。如果的确如量子力学所证明的那样，宇宙中的随机性是我们生成自己的现实的结果，那么就好像在说我们自己创造了自己的命运，仿佛我们存在于一个模拟世界里，有一个程序正在生成我们以及我们周围看到的一切。回想一下电影《黑客帝国》，基努·里夫斯生活在一个模拟世界里，直到有人告诉他一条出去的路，一条回归到真实现实的路。如果宇宙的随机性缘于我们自己创造的现实，那么我们就没有出去的路。这是因为最终我们是自己的模拟的创造者。在这种情况下，当里夫斯从自己的现实中一觉醒来后，他却发现自己正坐在桌旁编写着模拟自己的程序。当惠勒谈及这个闭环时，他说：“物理学引起观察者的参与，而观察者的参与引起更多的信息，信息则引起物理学。”但关于现实是不是自我模拟（也就是在宇宙之外是否不再需要其他宇宙存在）这个问题，根据定义，我们是永远不可能知道的。现在我们能说的是，如果遵循本书提出的逻辑，在我们自己的现实之外，其他关于宇宙的描述我们不可能理解，有的只有虚空。这意味着在我们的视野范围内将没有终极法则或超自然存在的容身之地，因为两者都存在于我们的现实之外，存在于黑暗之中。在我们的现实里，一切都通过相互关联的网络而存在，这个网络的组件是一些信息碎片。我们处理、综合和观察这些信息，从而构建出我们周围的现实。当信息自发地从“无”中涌现出来时，我们将这些新信息纳入我们的考虑之中，从而更新我们的现实观。自然法则是关于信息的信息，在它之外只有黑暗。这是理解现实的窗口。

量子物理学的确与佛教中“空”的观念有内在的相谐性。英国著名天文学家亚瑟·爱丁顿是这样说的：“粒子’这个术语在现代物理学中幸存下来，但留下的经典意义少得可怜。现在粒子的最好的定义是一组变量的概念载体…粒子也被构想为由同一组变量定义的一个状态的占有者…似乎人们渴望把这种‘数学虚构’与‘实际粒子’区分开，但又很难找到这种区分的任何逻辑基础。发现一种粒子的意思是，观察到了某种被普遍接受的可以作为存在证据的效应。”

爱丁顿在这里声称一个粒子只是用来描述我们的测量结果的一组标签，仅此而已！一切都归结为我们的测量和我们的标签之间的关系！环顾四周，我们看到这个世界的复杂性（以及我们感觉随时间不断增长的复杂性，至少于生命而言）仅仅缘于不断扩大的互联性。

现在用这样的方法，我们就可以分析如何为现实编码了吗？这样做的话，我们无论如何永远也不可能达到“那件事本身”。一切存在的事物（按常规存在且被贴上标签）总是依赖其他事物的存在而存在。这样，佛教徒会说他们的最高目标—一达到“空的境地”一只是意味着我们意识到事物内在的相互联系。在西方鲜为人知的吠檀多不二论是一种强调宇宙完全一体的印度教哲学。在这种观点里，我们对一个个分开的实体的看法只是一种幻觉一玛雅幻境。甚至连宇宙作为一个实体也只是通过贴了标签之后而存在的，而不是独立存在。我们的现实是“迄今为止人类收集到的所有观察和事实的总和”！

量子物理学的确与佛教中“空”的观念有内在的相谐性。英国著名天文学家亚瑟·爱丁顿是这样说的：“‘粒子’这个术语在现代物理学中幸存下来，但留下的经典意义少得可怜。现在粒子的最好的定义是一组变量的概念载体…粒子也被构想为由同一组变量定义的一个状态的占有者…似乎人们渴望把这种‘数学虚构’与‘实际粒子’区分开，但又很难找到这种区分的任何逻辑基础。发现一种粒子的意思是，观察到了某种被普遍接受的可以作为存在证据的效应。”

爱丁顿在这里声称一个粒子只是用来描述我们的测量结果的一组标签，仅此而已！一切都归结为我们的测量和我们的标签之间的关系！环顾四周，我们看到这个世界的复杂性（以及我们感觉随时间不断增长的复杂性，至少于生命而言）仅仅缘于不断扩大的互联性。

现在用这样的方法，我们就可以分析如何为现实编码了吗？这样做的话，我们无论如何永远也不可能达到“那件事本身”。

仅以计算机为例，在计算机里，我们可以设计出不同的世界。事实上每款计算机游戏都是对一个世界的一种模拟，它的运行规则与我们自己的世界可能非常不同。正是这使得游戏非常刺激，也可能非常难。随着游戏和计算机越来越复杂，图像越来越通真，就越来越难以分辨出哪个是真正的世界，哪个是模拟的世界。

在数学里有一个很好的类比。数学就是一种版本的“从无到有的创造”。冯·诺伊曼在20世纪20年代设计了一种用空集创造出自然数的迷人办法。他的想象是这样的：一个集合是一组事物的集合（就像宇宙一样）。空集是不含任何东西的集合，你可以认为空集就是零信息。冯·诺伊曼提出，所有数字都可以通过心智操作从空集中引导出来。

虽然这乍看起来有些奇怪，但它内含一个美丽的逻辑。不难想象这个空集内部也包含一个空集，但等等，我们现在就有了一个含有一个空集的空集，这是不是意味着原始集合里有一个元素（尽管这个元素是空集）？是的，就这样我们的心灵通过让空集包含另一个空集生成了数字“1”。如果我们再考虑空集里的那个空集还包含自己的空集，那么就从“空”的状态生成了数字“2”。它是一个这样的集合，这个集合里含有一个空的集合，这个空的集合里又有一个空的集合，别的什么也没有。（我希望你的脑子现在没有转晕！）就这样一直进行下去，直到无穷。通过这种方式，心智创造出了所有的自然数，但实际上是无中生有，是从一个空集开始的。从没有信息开始，用冯·诺伊曼的逻辑生成了大量信息，这真令人惊讶！因此，所有自然数（并且存在无穷多个自然数）可以从完全空的集合里创建出来。换句话说，我们似乎已经从零信息中创造出了无限量的信息。

很容易看出二维信息是如何被记录下来的，但第三维从哪里来？正是第三维使我们能够看到三维的全息图。这个问题的答案在于光的一种关系属性，称之为干涉。回到上面的那个实验装置，光携带着一个内在时钟，当从物体反射出来的光干涉了直接照在二维摄影胶片上的光时，则产生干涉图案，其中光的内在时钟的时间控制充当第三维的角色。这意味着当你查看一张全息图时，你看到的是标准的二维图像，但你同时也在看在稍微不同的时刻被反射回来的光，这就是为什么你感觉好像在看三维图像。

萨斯坎德说我们不应该对信息量（熵）与表面积成正比感到惊讶，而应该把这个概念提升到一个新原则的高度。他这样说的意思是这个原则对宇宙中的任何东西（任何带有能量的东西，例如物质、光）来说都应该是正确的。此外，这背后的关键属性是量子互信息，我们现在把量子互信息看作位于物体一侧的任何东西与另一侧的任何东西之间的关联。

有趣的是，我们发现在低温下（例如宇宙现在的状态），熵通常与物体的表面积而不是它的体积成比例。想象一个球形分子，它的体积是其表面的所有原子与里面的所有原子的体积之和。如果现在问这个球形分子的最大嫡是多少，我们可能会说它与球形分子的总原子个数（即体积）成正比，因为每个原子应该各自独立地对整体有贡献。然而，相当令人惊讶的是，量子理论告诉我们，不是的，熵实际上与球形分子表面的原子总数成正比（这个比率小得多）。

为什么存在这个差异呢？为什么看起来符合逻辑的答案与量子理论告诉我们的实际情况不符呢？为了理解这一点，我们必须再次好好地研究一下量子理论，特别是仔细研究一下量子互信息的实质。回想一下，量子互信息是不同对象之间超相关的一种形式，量子信息处理与经典信息处理的不同正是基于这种超相关性的（我们前面讲过量子计算里有这种超相关性）。

假设我们将整个宇宙一分为二，一部分是系统本身（例如上面说的分子），另一部分是系统外面的一切（如上例中分子外面的所有东西）。好，分子与其外部之间的量子互信息，简单地说等于分子的熵。但是，量子互信息根本不是分子的特征，只能说是一种“联合属性”，即对象之间的量子相关性。在这种情况下，它是分子与宇宙的其余部分之间的联合属性。因此，按照逻辑推理，两者之间的量子互信息程度必须与两者共有的什么东西成比例，在分子情形下就是二者的边界——分子的表面积！

这是一个非常深刻的结论。我们认为熵是一个对象所含的信息量，但对象内部并没有信息，信息量全都集中在系统表面的那部分区域。这个事实至少可以说是令人惊讶的。这意味着任何事物的信息量并不是事物本身的属性，而是这个事物与宇宙的其余部分相联系的一种关系属性。

这也暗示了另一个重要结论，本书后面将要探讨这种可能性。在这种形式化下，宇宙完全有可能没有信息，而宇宙的子集可能有一些信息。宇宙与宇宙之外的任何东...

书籍介绍

万物是什么？万物从何而来？万物为何如此？在本书中，牛津大学量子信息科学教授弗拉特科?　韦德拉尔从信息的角度对宇宙中这些最深层次的问题进行了深入的思考。他认为，现实中的一切都是由信息组成的；从生命的演化到金融投资，从社会秩序的动态变化到量子计算机的运行，都可以用信息来解释。那么，信息从何而来？为了寻找问题的答案，韦德拉尔教授将带领读者进行一次奇异的量子物理学之旅。本书适合对量子物理学感兴趣的读者阅读。