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第507章 信息论
    稍微来讲一讲信息论的入门课程吧。

    从某种角度,某种特殊的角度来说,世界就是一幅全息图。当然,不是所有人都知道全息图是什么,你们知道,你们看到的电影看上去三维立体的,他们是从胶片上投射出来的,是一片平面二维的胶片。然而,它们看上去却完全是三维立体的。最终你们会知道全息图是什么,单世界是一个全息图确实是一个疯狂的想法,或至少看上去是挺疯狂的想法。

    它始于对黑洞的思考。黑洞是那种,从某种意义上来说一种宇宙中即为特殊的物体。他们密度极高,质量极大,非常危险,但在宇宙中确实数量很多,且普遍存在的。几乎所有的信息(我们等一下会讲什么叫信息),宇宙中多大多数存在的,几乎所有每一个比特的信息都存在于黑洞里,也许他们非常非常奇怪,他们几乎就是一切,至少几乎是宇宙中全部的信息。所以你们应该有一个印象,什么是黑洞。

    假设我现在不是和物理学领域人员在讨论,我不是在跟那些物理学专业的,知道黑洞是什么的人谈论,而是和非专业人士我想给你们展示一个图像,图像就是一个比喻。当然了所有的比喻都有缺陷,所以我很难控制自己讨厌用图像做类比。

    我将给你们一个印象,非常简单的印象。你们想象一张浅湖的纵剖面,并用来联想黑洞的图片。假设这是一个无穷无尽的湖,往两边一直延伸但深度大约只有1米,或者1.5米左右。不是很深,鱼儿生活在里面,鱼儿游来游去,至于鱼为什么会游这是自然规律。

    我们暂且不管是谁规定了这个规律,但是我们都知道鱼游泳的速度都无法超过声速。现在,湖中碰巧有个危险的区域,大约在湖中心有一个类似于排水孔一样的孔。排水孔出水的位置下面有岩石,非常尖利非常危险的岩石,任何触碰到的存在都会变得立刻玩完的岩石。这个排水孔,有与其他任何一般的排水孔一样的性质,就是当你从远处接近它,越是接近水流就会越来越快。随着你接近孔洞而加快,在某个范围之后水流将以声速流出。当你越来越接近,水流的速度变得更快。那么,鱼的身上会发生什么?

    咱们暂且称呼鱼为爱丽丝吧。可怜的爱丽丝已经穿过了水口的水流速度超过了声速的这个点,也超过了她允许的速度极限,她被困住了。当她穿越这个范围时,她本身没有什么大碍,搞不好她自己根本没有感觉到。咱们姑且管这个叫无法折返点,但不管怎么说她最终还是要完蛋了。

    爱丽丝的朋友鲍勃在外面,鲍勃等待着听到爱丽丝的消息,爱丽丝也一直在呼唤他,喊着救命救命,但当她穿越过了无法折返点后,不禁她自己无法又出来,她试图发出的信息的声波也同样被以超过声速的速度吸入,因此她便永远的和外界断绝了联系。她不能像外界发送信息,不能游出来,因此从鲍勃的角度来看,可怜的爱丽丝已经从这个世界上永远的消失了。

    黑洞大约就是这样一种东西,即空间本身流入并从一定距离内塌陷,这种塌陷的速度之快,你需要超越光速才能够离开它。一旦你越过了无法折返点,强调一下,当时的你没有任何大碍,但你最终还是要挂掉。

    好了,你们大概能够理解了,无法折返点(视界)位置上,不会有任何特别的事情发生,然而对外部视界而言爱丽丝已经消失,她的每一点一滴,以比特为单位的信息,所有这些点点滴滴的比特信息都消失了。

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    虽然视界是哪个无法折返点,但它本身是无害的,只有在黑洞的中心点,才是致命的。哪个中心点,就被叫做奇点。不过目前,我们暂时不关心奇点。

    好了,现在让我们来谈谈信息吧。信息,不管它究竟是什么,我们来谈谈它意味着什么。信息,即是以比特为形式出现的独立单元。例如一个句子,克努特国王的下巴上有水。这个句子表达了一定量的信息。但是信息,物理学家、信息理论学家,当他们谈论信息的时候,他们说的并不是信息的含义,含义并不算,算的是里面的符号。这就是我们,这就是一个句子,不是一个比特的信息,而是一个由一连串文字组成的信息的集合。

    无论你会不会这种语言,或者解密这些文字,这些都不重要。重要的是,他需要一定数量的文字,把它描述出来。你可以把这些讯息转换为摩尔斯代码,摩尔斯代码是由一系列点和横组成的,转换这些,如果你忽略点和横中间的空格,这些讯息就是包含着几十几百个比特的,由摩尔斯代码组成的信息。而真正的信息是在这些依次排列的加减点横中的,这个讯息被一组用比特构成的组合替代的,转化为摩尔斯代码的过程。一个比特就是一点或一横。

    这与你电脑的概念是一样的,在电脑中我们叫它字节。一个字节是由8个比特组成的,一个兆字节是由8百万比特组成。所以,这也与在问你的电脑中有所少存储空间是同一个概念。

    现在咱们聊聊物理中负第一定律,为什么叫负第一定律呢?物理学第一定律,物理界中至少有两个第一定律,其一是热力学第一定律,其二是牛顿的第一定律,所以我不想称呼它为物理界第一定律。

    它其实比前两个第一定律更加重要,更加深刻。同样也因为人们意识到有更深刻的定律存在,于是他们定义了热力学第零定律,所以第零也被用完啦。但是发现了更基本的定律怎么办呢?所以,我叫它作物理负第一定律,我就这么叫的。当然也存在着负二物理定律之类的。

    负第一定律就是,信息中的比特是不灭的。意思就是说,不同情形之间的区别,不同配置之间的区别是永远无法抹去的。它们永远不会从这个世界上消失,就比如那些由几十几百摩尔斯电码比特组成的讯息。

    它存在于哪里没关系,它存在于我的电脑内存的某个位置,它与一系列开开关关的交换过程一致,它就是几十几百比特的一个讯息。你能抹掉这信息中的一部分吗?你能将它完全删除吗?你能抹掉一个比特吗?当然可以,如果不能抹掉电脑中的东西的话你的电脑很快就会被塞满了。然后就再也往里面放进任何信息了,所以你必须能抹去信息。

    但当你抹去信息的时候,实际上你并没有真的抹掉它们,而是将其抛出计算机外面通过种种形式,排除到环境中。结果就是,外部环境实际上是你电脑里的一部分,也许是我们电脑机箱上的某一片塑料等等之类,或实际上,它就成为了空气。

    当你把比特用这种形式抛出电脑外,无法湮灭的比特,每当你向外界抛出一个比特,就会向外部环境增加一个比特的能量,因此环境温度会升高。这就是为什么,你的电脑需要降温。因为每当你抹掉信息,比特是非常非常小的,实际上不仅有了组成信息的比特,还有了比特组成的能量。因此每当要抹掉信息,你就需要给你的电脑降温。

    你们要学到的就

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    是,比特是无法毁灭的,信息是永恒的。

    那么现在,我们就发了一个非常有趣的悖论,一方面物理负一定律说比特是不灭的,另一方面当爱丽丝跌入黑洞的视界后从鲍勃的角度来看,组成爱丽丝的所有比特已经从这个世界消失了。因此,从所有实际角度和物理学角度来说,看到这个世界里的有关爱丽丝的信息已经被完全抹去了。这是真的吗?

    这就是某个伟大的科学家所提出的核心关键,他创造出了一个被称作“信息悖论”的东西。这是一个非常非常深刻的观察,是一个非常重要的观察。霍金有否得出正确的答案本身并不重要,他提出了正确的问题,这成了一个花费了差不多20到25年内去解开的重要问题以及核心争论。

    然而答案就是比特组成的信息,永远,也从不曾,不会消失。然而,有这个问题所衍生的东西是如此的深刻,很难去说这是某个伟大的科学家犯的错,因为这是一个关于物理学界最深刻的观察之一带来的进步。

    好吧,也许你们会说:“等一下,那些比特,组成阿里斯的比特跌入黑洞的话,它们不就待在那里面吗?它们都在黑洞里。也许你不能进去获取那些比特,但是这也跟把一个人锁进一个密室里差不了多少嘛。”

    我们不说把用钥匙开门,让我们把事情弄得更困扰一些,这也是某个伟大的科学家的另一项发现,一个他早期的发现,黑洞会蒸发。它们会消失,就像你拥有着一个藏有机密情报的盒子,过了一段时间消失了。蒸发是如何发生的不重要,基本上来说,只要给足够的时间,任何东西都会蒸发。一小块东西断落下来,然后消失在空气里。

    如果黑洞会蒸发,它蒸发什么?蒸发出来的是光子、引力子、其他的粒子,当他们蒸发出来的时候,黑洞会丧失能量,在丧失能量的过程中它就会收缩,直至一个极小的黑洞,然后最终消失。

    可当黑洞消失了,爱丽丝又去哪里了呢?或者更确切的说,组成爱丽丝的比特去了哪里?那些根据物理学负一定律绝对不会消失的,那些组成信息的比特去了哪里?黑洞已经消失了,爱丽丝的比特不可能已经从视界里面跑出来。

    为什么不可能?因为它们需要从视界后跑出来的话它们必须有超过光速的速度,就像鱼儿必须拥有超过声速的速度。至此,我们就有了困局,存在这基本原理上的冲突。一方面,黑洞看起来可以抹去信息,另一方面,我所知道的最基本的物理定律说,信息是绝不会被抹去的。

    接下来,什么是熵?你们也许都听说过熵这个词,或许听说过熵跟混乱啊混沌啊,扯的上关系。还跟世界末日什么的有关系,因为大家最终都会因为太混乱而无法系鞋带什么的。但是,熵其实有一个非常明确的定义。简单来说,就是被隐藏起来的信息。

    例如有一个浴缸,里面放满了水。为了洗澡你需要获知2个信息,一是有多少水,二是水温多少。如果你将浴缸里面的水放到显微镜下面去看,你将看到大量的水分子,通过水分子的多少我们可以确定水有多少,通过水分子的运动和自转我们将这些加以统计就可以得知它的温度。而这些信息却并不是直白的放在你的面前,在面对浴缸里面的水的时候拥有着及其庞大的量的水分子,而代表着水的多少和水的温度这些庞大的信息都被浓缩到了小小的水分子上。这些我们无法直白了解到的信息,就是熵。
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