乍聽“量子計(jì)算”的人或許會(huì)以為這是一個(gè)新技術(shù)的名字，是計(jì)算機(jī)繼機(jī)械計(jì)算、晶體管電子計(jì)算和硅芯片計(jì)算之后的又一個(gè)飛躍。從運(yùn)行速度的考慮，這個(gè)觀點(diǎn)有它的道理，畢竟，即使是最新的P4處理器——運(yùn)行速度高達(dá)2.2GHZ，相當(dāng)于每秒運(yùn)行2.2億次——與預(yù)言中的量子計(jì)算機(jī)比起來，也有天壤之別。不過，如果認(rèn)為量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算只有這么一點(diǎn)差別，就太小看量子計(jì)算了。量子物理學(xué)家戴維·多伊奇在他的著作《真實(shí)世界的脈絡(luò)》中對(duì)量子計(jì)算及其蘊(yùn)含的哲學(xué)意義進(jìn)行了詳盡而系統(tǒng)的闡述。

所謂量子計(jì)算，是指需要量子力學(xué)過程，尤其是干涉效應(yīng)的計(jì)算。1982年，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼曾試圖用傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。他遇到一個(gè)問題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個(gè)，有可能發(fā)生的情況就會(huì)呈指數(shù)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了，我們無法提供相應(yīng)的計(jì)算資源。不過，在費(fèi)曼眼里，這反而是一個(gè)契機(jī)。因?yàn)椋硪环矫?，量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性，在干涉實(shí)驗(yàn)中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷：如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算，那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，測量其結(jié)果，不就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算嗎？因此，只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過程中，允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對(duì)象上完成實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去，就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

目前，量子計(jì)算在純數(shù)學(xué)領(lǐng)域已得到一些應(yīng)用。例如，應(yīng)用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大數(shù)分解很困難，而利用量子計(jì)算就可以高效地解決這個(gè)問題。這是為什么呢？費(fèi)曼曾告訴他的學(xué)生，使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)，不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的。費(fèi)曼的話帶有很強(qiáng)的工具主義情結(jié)。不同于費(fèi)曼，多伊奇不滿足于把量子計(jì)算的過程看成黑箱，他要對(duì)此尋求解釋。

影子的啟示

重新考察干涉現(xiàn)象。如果實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)在投射影子的屏障上打開新的開口，影子圖案的某些區(qū)域會(huì)變黑，即使用單一粒子做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果仍然如此。多伊奇由此推斷，存在兩種光子，一種是可見的光子，另一種是無形的“影子光子”，每個(gè)可見光子都伴有一批影子光子，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)可見光子至少擁有一萬億個(gè)影子扈從。事實(shí)上，每種粒子都存在干涉現(xiàn)象。也就是說，每個(gè)粒子都有影子扈從?？梢韵胂?，真實(shí)世界比它所顯現(xiàn)的大得多。

多伊奇認(rèn)為影子粒子組成了“平行宇宙”。影子粒子間彼此隔絕，恰如他們與有形粒子間的隔絕。因此，他們組成的并不是一個(gè)，而是很多平行宇宙。這些宇宙的成分都類似有形宇宙，且遵循與有形宇宙一樣的物理定律。所以，在真實(shí)世界中，任何一重宇宙都不具有特殊地位，有形宇宙與影子宇宙的區(qū)別，僅僅基于我們的主觀立場而言。平行宇宙統(tǒng)稱為多重宇宙。

多重宇宙理論顯示，量子計(jì)算之所以高效，就是因?yàn)樗軌蚶么罅科叫杏钪骈g相互協(xié)作來完成任務(wù)，在這個(gè)過程中，它獲得了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源。量子計(jì)算也可以反過來為多重宇宙的存在提供了佐證：當(dāng)利用量子計(jì)算成功地分解一個(gè)250位數(shù)字的時(shí)候，所需的計(jì)算資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可見的計(jì)算資源，如果平行宇宙不存在，這個(gè)數(shù)是在哪里被分解的呢？

平行宇宙間的相互影響不僅體現(xiàn)在量子層面。據(jù)《參考消息》2002年9月12日?qǐng)?bào)道，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)發(fā)射于1972年的探測器先鋒10號(hào)正在經(jīng)歷一種朝向太陽的神秘減速，現(xiàn)在，它已經(jīng)比原計(jì)劃落后了40萬公里。據(jù)猜測，造成減速的原因是“鏡物質(zhì)”。報(bào)道說：“鏡物質(zhì)與一般物質(zhì)類似，只是在量子層面上它與一般物質(zhì)的關(guān)系就像左手對(duì)右手。由于它只與一般物質(zhì)發(fā)生微弱的相互作用，因而可以在我們毫無知覺的情況下存在于我們周圍，在鏡原子和一般原子之間，可能還有一種微小的非引力作用。用遍布太陽系的少部分鏡物質(zhì)形成的拉力足以解釋先鋒號(hào)現(xiàn)象?！?/p>

可見，所謂“鏡物質(zhì)”，不過是多重宇宙的另一種稱謂。

有一部分物理學(xué)家不同意多重宇宙理論，比如國內(nèi)物理學(xué)界、哲學(xué)界熟知的提出了“隱纏序”理論的戴維·波姆。他認(rèn)為每個(gè)光子都帶有一種波，這些波與我們所見的光子發(fā)生作用，產(chǎn)生的現(xiàn)象就像平行宇宙中的光子相互干涉一樣。作者認(rèn)為，波姆的理論雖然解釋了量子現(xiàn)象，卻增加了另一個(gè)需要解釋的物理量——量子之間的波。而算出這些波所需的計(jì)算量與算出影子光子的相等。根據(jù)在科學(xué)和哲學(xué)界獲得廣泛認(rèn)可的奧卡姆剃刀準(zhǔn)則：當(dāng)有兩個(gè)處于競爭地位的理論能得出同樣的結(jié)論，那么簡單的那個(gè)更好。因此，多伊奇的觀點(diǎn)比波姆的“好”。

所謂“好”，并不意味多伊奇的觀點(diǎn)就是這個(gè)問題的終極真理。根據(jù)卡爾·波普爾的觀點(diǎn)，科學(xué)活動(dòng)是對(duì)問題尋求解釋的過程，科學(xué)家所能提出的，只是“未經(jīng)證實(shí)的猜想”。這些猜想“根據(jù)問題本身固有的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)被批評(píng)和比較”，其中也包括實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在這里，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的作用并不是為某種理論提供佐證，而是把那些與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符的理論排除掉。在這個(gè)過程中幸存的，就是那個(gè)最“好”的理論。很多好理論本身也有很多毛病，致使我們?nèi)で蟾玫慕忉?。這是一個(gè)類似于生物進(jìn)化的過程。

圖靈原理

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相同，量子計(jì)算機(jī)也遵循圖靈原理。圖靈原理的內(nèi)容是：存在一臺(tái)抽象的通用計(jì)算機(jī)，其全部本領(lǐng)包括任何物理上可能的對(duì)象所能完成的任何計(jì)算。

圖靈原理可以看作對(duì)宇宙中廣泛存在的自相似性的描述。所謂自相似性是指“物理實(shí)在的某些部分相似于其它部分。這種相似可以是具體的，如天象儀相似于夜空。更重要的是，它還可以是抽象的，如印在書里的量子理論的一條陳述正確的解釋了多重宇宙結(jié)構(gòu)的某個(gè)方面”。正是這種自相似性，使得通用計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

最有名的通用性物理現(xiàn)象是虛擬現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)可以繪制什么樣的環(huán)境呢？這取決于通用計(jì)算機(jī)的本領(lǐng)。根據(jù)哥德爾不完備性定理，絕大多數(shù)邏輯上可能的環(huán)境都是不可計(jì)算的。為了紀(jì)念康托爾、哥德爾和圖靈，作者稱這些環(huán)境為“康哥圖環(huán)境”。那么，可不可以定義一種通用虛擬現(xiàn)實(shí)生成器，可以描繪所有物理上可能的環(huán)境呢？數(shù)學(xué)家約翰·卡斯蒂認(rèn)為，在物理環(huán)境中，測量必須在有限集中取值，對(duì)于有限數(shù)字系統(tǒng)，不存在哥德爾式的不可判定性。所以，這樣的機(jī)器是存在的（參見《虛實(shí)世界》，〔美〕約翰·L·卡斯蒂著，上?？萍冀逃霭嫔?998年12月版，第221頁）。

不過，有些計(jì)算太復(fù)雜，如果用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，所需的時(shí)間和存儲(chǔ)量是理論上也無法得到的，只有量子計(jì)算機(jī)才能完成。因此，作者證明了量子物理下存在加強(qiáng)形式的圖靈原理：通用量子計(jì)算機(jī)能夠完成任何其他量子計(jì)算機(jī)所能完成的任何計(jì)算，而且能夠描繪虛擬現(xiàn)實(shí)中任何有限的物理上的環(huán)境，所需計(jì)算資源也不會(huì)隨對(duì)象的規(guī)模和細(xì)節(jié)呈指數(shù)增加。

生命的意義

生命是什么？古代人認(rèn)為，生命蘊(yùn)含著一種特殊的力量或因素。不過自達(dá)爾文以降，現(xiàn)代生物學(xué)越來越傾向于認(rèn)為：所謂生命，不過是一種“化學(xué)過程”。只是因?yàn)槲覀內(nèi)祟惐旧砭哂猩F(xiàn)象，才會(huì)對(duì)它感興趣。按照斯蒂芬·霍金的理論，不要說其他生物，連人類都僅僅是天體物理上可忽略的“化學(xué)渣滓”。

理查德·道金斯認(rèn)為，基因是自然選擇的單元，而進(jìn)化的動(dòng)力是基因本質(zhì)上具有的自我復(fù)制的傾向。所謂生命，不過是基因復(fù)制的載體。還有一種類似的學(xué)說，認(rèn)為文化的傳播也基于一種特殊的復(fù)制子——“謎米”，所有書籍，音樂，包括我們的思想，都是“謎米”傳播的載體（參見《謎米機(jī)器》，〔英〕蘇珊·布萊克摩爾著，吉林人民出版社2001年4月版）。

基因可以看作計(jì)算機(jī)程序，用一種叫基因碼的語言表達(dá)成A﹑C﹑G﹑T符號(hào)序列。在分子層面，基因只是為細(xì)胞計(jì)算機(jī)編寫程序使之產(chǎn)生一定的化學(xué)物質(zhì)，但是這些低層面程序疊加起來，經(jīng)過層層復(fù)雜控制和反饋，變成了高深的高層面指令，這些指令包含著指導(dǎo)基因復(fù)制過程，或生物體的行為的“知識(shí)”。相對(duì)于基因，生命只是一個(gè)凸現(xiàn)現(xiàn)象。但這并不意味還原主義者的如下觀點(diǎn)是正確的：生物體和其他沒有生命的物質(zhì)一樣，都只是基因直接或間接的復(fù)制環(huán)境組成部分。

基因能夠施加相當(dāng)準(zhǔn)確的交互控制，使生物體對(duì)所有可能的環(huán)境做出反應(yīng)。一方面，基因通過生物體與外界發(fā)生聯(lián)系，另一方面，生物體也是基因所攜帶的知識(shí)的物理化身。從計(jì)算理論的角度看，生命過程和虛擬現(xiàn)實(shí)描繪是同樣類型的過程，生命可以看成圖靈原理在自然界中的一種實(shí)現(xiàn)手段。

知識(shí)的力量

基因僅在一定環(huán)境下才承擔(dān)復(fù)制子的功能。復(fù)制子是指能引起環(huán)境復(fù)制自己的實(shí)體。一個(gè)復(fù)制子應(yīng)該是其自身被復(fù)制的原因。換句話說，只有某個(gè)復(fù)制子出現(xiàn)，復(fù)制才會(huì)發(fā)生；如果將這個(gè)復(fù)制子換成別的實(shí)體，即使非常相近，復(fù)制也不會(huì)發(fā)生。基因之所以可以成為復(fù)制子是因?yàn)樗陨淼膹?fù)制所需的“知識(shí)”。這就是基因和隨機(jī)DNA序列的區(qū)別。設(shè)想兩條同樣的DNA序列（假設(shè)是熊的基因片斷），其中一條包含知識(shí)，另一條是隨機(jī)DNA序列，他們都有可能被復(fù)制，但只有包含知識(shí)的那條是自身被復(fù)制的原因。生命現(xiàn)象歸根到底是關(guān)于知識(shí)的。可以直接用知識(shí)給出適應(yīng)性的定義：如果一個(gè)實(shí)體含有的知識(shí)能夠引起這個(gè)實(shí)體所處的環(huán)境保存那一知識(shí)，則稱該實(shí)體適應(yīng)于該環(huán)境。

基因與隨機(jī)DNA序列的區(qū)別，在單一宇宙中還不明顯。但是，在多重宇宙中，隨機(jī)DNA序列，因?yàn)闊o論怎樣變異，對(duì)復(fù)制都沒有影響，很快就會(huì)面目全非。而如果基因變異了，復(fù)制往往就無法進(jìn)行，因此，在其他宇宙中的熊的該基因片斷應(yīng)該是同樣的DNA序列。

所以說，古人認(rèn)為生命物質(zhì)有特殊的物理性質(zhì)，這基本上是正確的。“有特殊物理性質(zhì)的并不是有生命的物質(zhì)，而是有知識(shí)的物質(zhì)。因此，多重宇宙中，哪里演化出知識(shí)的載體，如大腦或DNA基因片斷，哪里就存在橫跨宇宙的最大尺度的規(guī)律性結(jié)構(gòu)”。從宇宙的尺度看，它們就像多重宇宙中的一塊塊水晶。

不要小看知識(shí)的力量。早在公元前三世紀(jì)，中國人就修建了萬里長城，而今，只要幾十個(gè)人就可以開山鑿洞。即使是植物，也大大改變了大氣的面貌：大氣層中所有的氧氣（大約1000億噸）都是植物造的。生命能取得這樣的成就，就是因?yàn)閾碛兄R(shí)。宇宙學(xué)家約翰·巴羅和弗蘭克·梯普勒認(rèn)為：“生命最終會(huì)對(duì)銀河系的結(jié)構(gòu)做出主要的、性質(zhì)上的改變，既而對(duì)整個(gè)宇宙的結(jié)構(gòu)做出這樣的改變”。雖然以人類目前的技術(shù)，對(duì)此還無能為力，但也沒有任何已知理論證明這個(gè)任務(wù)一定不能實(shí)現(xiàn)，相反，我們已經(jīng)知道為了實(shí)現(xiàn)它需要涉及什么，而且，我們還有幾十億年的時(shí)間來探索。

一個(gè)量子計(jì)算權(quán)威的人文關(guān)懷

我們不是“化學(xué)渣滓”，因?yàn)槲覀兊男行签p恒星和星系的未來都將依賴于這堆渣滓里的知識(shí)。不過，為了得出這個(gè)結(jié)論，必須結(jié)合天體物理學(xué)以外的知識(shí)：“科學(xué)能創(chuàng)造出有用的知識(shí)，進(jìn)化能創(chuàng)造出適應(yīng)性，這必須作為自相似性的凸現(xiàn)現(xiàn)象來理解，而自相似性是由圖靈原理這個(gè)物理原理規(guī)定的。”這是因?yàn)?，真?shí)世界是一個(gè)整體，僅從某個(gè)領(lǐng)域著手研究，得到的結(jié)論必定是片面的。

人類可以不關(guān)注對(duì)量子計(jì)算的科學(xué)解釋，僅僅滿足于把它當(dāng)成超級(jí)計(jì)算機(jī)，但是，那樣的結(jié)果是無法認(rèn)識(shí)量子計(jì)算的哲學(xué)內(nèi)涵，也無法認(rèn)識(shí)到量子物理學(xué)與計(jì)算理論﹑生物進(jìn)化以及認(rèn)識(shí)論之間深層次的聯(lián)系，更不可能找到人類自身存在的意義。

有朝一日，人類也許當(dāng)真能操控太陽，阻止它變成一顆“紅巨星”，或者在太陽變“紅巨星”前，獲得逃逸的機(jī)會(huì)。但這要求人類對(duì)宇宙有足夠的了解。多伊奇說：“現(xiàn)在正是前進(jìn)的時(shí)候，但是，只有認(rèn)認(rèn)真真對(duì)待現(xiàn)在的最好的理論，并把它們看成對(duì)世界的解釋，才有可能向更好的理論邁進(jìn)?！边@是一位量子計(jì)算權(quán)威的人文關(guān)懷。

（《真實(shí)世界的脈絡(luò)》）〔英〕戴維·多伊奇著，梁焰等譯，廣西師范大學(xué)出版社2002年8月版，19.80元）