來源：作者自制

　　

　　圖1  認(rèn)知要素疊層的示意圖

　　

　　無論是人類認(rèn)知還是機(jī)器認(rèn)知，最底層的“烏龜”都站在一塊由物質(zhì)、能量、結(jié)構(gòu)和時(shí)間四要素構(gòu)成的奠基石上。其中，物質(zhì)和能量是物理層面的真實(shí)存在，結(jié)構(gòu)和時(shí)間是認(rèn)知層面的抽象思維，是人類認(rèn)知物質(zhì)、能量的存在和變化的狀態(tài)參量。在人的精神世界里，用結(jié)構(gòu)表達(dá)物質(zhì)在空間的拓?fù)渑c形變，用時(shí)間表達(dá)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與變化，反映能量的傳遞與轉(zhuǎn)換。

　　

　　位于四要素之上的是思維軟構(gòu)體和物質(zhì)硬構(gòu)體，其中精神和物質(zhì)相互糾纏。結(jié)構(gòu)和時(shí)間寄生在物質(zhì)和能量上的諸多硬構(gòu)體，組成機(jī)器具身；而機(jī)器思維過程中的數(shù)字、符號(hào)、信息是大量的軟構(gòu)體，如同人在認(rèn)知空間里表現(xiàn)出來的思想，它們寄生在硬構(gòu)體或者已有的其他軟構(gòu)體之上，能自我引導(dǎo)，即自舉；能自我復(fù)用，即遞歸；能遞推使用，即迭代；更能自我復(fù)制或者修改，構(gòu)成想象。人類認(rèn)知空間里的軟構(gòu)體是思維的要素，支撐形象思維、邏輯思維和直覺思維，體現(xiàn)人的豐富想象力和創(chuàng)造力，體現(xiàn)精神世界。

　　

　　思維軟構(gòu)體和物質(zhì)硬構(gòu)體二者之上分別對(duì)應(yīng)基于想象和推理的數(shù)學(xué)，以及基于觀察和實(shí)證的物理，位于數(shù)學(xué)和物理之上的是認(rèn)知物理學(xué)。認(rèn)知物理學(xué)的使命是用物理學(xué)的理論和方法解釋人類認(rèn)知及其形成過程，用機(jī)器來模仿、拓展人的認(rèn)知。自然選擇的進(jìn)化生動(dòng)地描述了生命的復(fù)雜性是如何一步一步發(fā)展起來的。但它可以用物理學(xué)來解釋嗎？作為自然界的最高級(jí)物種，在適者生存的法則下，人類在迭代過程中，細(xì)胞、組織和器官經(jīng)歷了千萬年的緩慢自然進(jìn)化過程，于是有了以“碳基”為主體的人的認(rèn)知，形成人類智能。認(rèn)知的發(fā)展推動(dòng)人類智能的發(fā)展。位于認(rèn)知物理學(xué)之上的，依次是化學(xué)、生命科學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)生物學(xué)。其中，化學(xué)是生命科學(xué)的支撐，數(shù)學(xué)和物理又是化學(xué)的支撐。再來看另外一側(cè)，對(duì)應(yīng)的是機(jī)器認(rèn)知的發(fā)展，位于認(rèn)知物理學(xué)之上的依次是微電子和芯片、計(jì)算機(jī)智能、機(jī)器具身智能。一般來說，下層為上層設(shè)置了邊界并提供理論支撐，上層為下層提供實(shí)現(xiàn)路徑并提出新的使命。機(jī)器模擬人類的認(rèn)知，像人又不像人。

　　

　　和機(jī)器認(rèn)知相比，人類認(rèn)知的自然進(jìn)化非常非常的緩慢。讓我們認(rèn)真地回顧一下人類認(rèn)知的重要節(jié)點(diǎn)：100多萬年前人類走出非洲，25萬年前人類以狩獵和采集為生，1萬年前人類開始定居農(nóng)耕，5000年前才有了語言文字、進(jìn)入文明社會(huì)；公元前384年古希臘哲學(xué)的奠基人亞里士多德誕生，1643年現(xiàn)代物理學(xué)奠基人牛頓誕生，1687年牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，才隱隱約約地為人類后來認(rèn)識(shí)和區(qū)分自然科學(xué)、哲學(xué)和數(shù)學(xué)奠定了基礎(chǔ)，人類認(rèn)知才開始走上科學(xué)的道路；200多年前紡紗機(jī)、蒸汽機(jī)等動(dòng)力機(jī)器的發(fā)明，推動(dòng)了工業(yè)革命的進(jìn)程，人類進(jìn)入“蒸汽時(shí)代”；1879年科學(xué)革命的先驅(qū)、理論物理學(xué)家愛因斯坦誕生，并于1915年提出廣義相對(duì)論；1912年計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能之父圖靈誕生，圖靈的一生極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)的形成和發(fā)展?？v觀歷史長(zhǎng)河，人類普遍使用電子計(jì)算機(jī)還不到百年，而今機(jī)器和人類的對(duì)話已經(jīng)無處不在、無時(shí)不在。人工智能通過暴力濃縮重演人類思維，完成以“硅基”為主體的機(jī)器認(rèn)知，還不到百年。把千萬年的人類認(rèn)知的自然進(jìn)化過程濃縮到今天的機(jī)器里面，這是多么了不起、多么飛快的進(jìn)步啊！

　　

　　物理和數(shù)學(xué)之間的糾纏

　　

　　認(rèn)知物理學(xué)腳踩兩只“烏龜”：數(shù)學(xué)和物理。二者的關(guān)系，不能簡(jiǎn)單地置于“誰是誰的基礎(chǔ)”的邏輯下予以探討。數(shù)學(xué)不屬于物質(zhì)科學(xué)，它排除物質(zhì)的具體內(nèi)容而運(yùn)用抽象將之形式化，通過邏輯和符號(hào)進(jìn)行數(shù)量、結(jié)構(gòu)、變化和空間拓?fù)涞确矫娴乃季S活動(dòng)和表達(dá)。例如，負(fù)數(shù)、無理數(shù)、虛數(shù)乃至所有的數(shù)，都不是物理實(shí)在。物理學(xué)公理化和數(shù)學(xué)化曾經(jīng)是一個(gè)時(shí)期大學(xué)問家普遍追求的目標(biāo)。數(shù)學(xué)研究抽象的數(shù)形關(guān)系，是思維軟構(gòu)體，是發(fā)明，追求美；物理學(xué)尋找物理世界里的物質(zhì)硬構(gòu)體，是發(fā)現(xiàn)、是實(shí)證，追求真；它們相互糾纏，互相借鑒。智能時(shí)代基于想象和推理的數(shù)學(xué)，成為人類和機(jī)器思維最重要的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)歸屬于自然科學(xué)板塊還是認(rèn)知科學(xué)板塊，是可以商榷的。楊振寧教授認(rèn)為數(shù)學(xué)和物理有點(diǎn)像“對(duì)生”的兩片樹葉，它們?cè)诙鄶?shù)部分是分離的，都沿著自身的脈絡(luò)發(fā)展，但基礎(chǔ)部分卻令人吃驚地糾纏著。以圖靈和他的導(dǎo)師丘奇命名的丘奇-圖靈論題（Church-Turing Thesis）具有深刻的哲學(xué)含義，其原本想為數(shù)學(xué)和物理學(xué)劃出邊界，可是這個(gè)邊界是糾纏不清的，一直可以延伸到“心智與具身”（mind vs body）。數(shù)學(xué)家憑借自己在物質(zhì)世界的感受及對(duì)其進(jìn)行的抽象，不斷提出數(shù)學(xué)猜想，不斷被證明或者修正，由此數(shù)學(xué)便發(fā)展起來了。如哥德巴赫猜想、黎曼猜想、NP完全問題等，數(shù)學(xué)撇開各種物理含義的量綱，在高度抽象的層面賦予不同事物相同的符號(hào)和規(guī)律，使得看似不相關(guān)的事物或現(xiàn)象，能夠得到一定程度的統(tǒng)一和解釋?？上В瑪?shù)學(xué)對(duì)時(shí)間的貢獻(xiàn)不如對(duì)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)大。受宇宙中物質(zhì)、能量的啟發(fā)，數(shù)學(xué)世界包含了諸多宇宙中不存在的東西，其依靠人腦認(rèn)知抽象出的結(jié)構(gòu)，成為“想象的現(xiàn)實(shí)”，如編碼、數(shù)據(jù)、符號(hào)、文字、概念、信息、知識(shí)等，這些軟構(gòu)體并不是真實(shí)的物理存在。思維軟構(gòu)體和物質(zhì)硬構(gòu)體也存在著糾纏。有的時(shí)候，解決一個(gè)數(shù)學(xué)問題可以推動(dòng)解決一類物理問題；也有的時(shí)候，解決一個(gè)物理問題可以推動(dòng)解決一類數(shù)學(xué)問題。

　　

　　牛頓為經(jīng)典物理找到了數(shù)學(xué)的精確性，但化學(xué)和生物學(xué)在彼時(shí)尚缺乏堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，需要研究不確定性，需要概率論和統(tǒng)計(jì)學(xué)，需要研究涌現(xiàn)或頓悟的機(jī)理。生命科學(xué)最近幾年越來越興盛，如結(jié)構(gòu)生物學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)生物學(xué)、基因編輯等。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛使用，以及微電子技術(shù)和芯片、計(jì)算機(jī)智能和認(rèn)知物理學(xué)的迅速發(fā)展，人們不停發(fā)出追問：究竟生命是機(jī)器，還是機(jī)器是生命？人的認(rèn)知和機(jī)器的認(rèn)知，如何相同又如何不同？這些正是認(rèn)知物理學(xué)要研究的問題。認(rèn)知物理學(xué)的使命是闡釋和填補(bǔ)人類智能和人工智能之間的鴻溝（見圖2）?，F(xiàn)在看來，除了物質(zhì)和能量，結(jié)構(gòu)和時(shí)間在認(rèn)知自然和人類自身中也發(fā)揮著不可思議的作用。

　　

　　來源：作者自制

　　

　　圖2  認(rèn)知物理學(xué)填補(bǔ)人類智能和人工智能之間的鴻溝

　　

　　客觀的自然和主觀的認(rèn)知之間的糾纏

　　

　　從遠(yuǎn)古開始，人類作為地球上的物種之一，面臨的最大問題是生存和繁衍過程中的物質(zhì)滿足。沿著這一主線，人類不斷強(qiáng)化自身在物質(zhì)世界的獲取能力和行為能力，不斷征服與改造物質(zhì)世界，以確保自身的生存與繁衍?，F(xiàn)代科學(xué)的誕生，也發(fā)端于對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知，進(jìn)而發(fā)展為“物質(zhì)性、能量性的科學(xué)、技術(shù)和工程”，作用于物質(zhì)之上，以滿足人類的物質(zhì)需求，改變物質(zhì)的存在狀態(tài)或者性質(zhì)?，F(xiàn)代科學(xué)涵蓋物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，后來發(fā)展到有機(jī)化學(xué)、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)，用以解釋物理空間和宇宙中的自然規(guī)律，闡釋人的生命歷程，甚至試圖制造出人工生命，其研究對(duì)象是實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)硬構(gòu)體。

　　

　　與這條主線相比，人的精神活動(dòng)和智能活動(dòng)只是人主觀世界里的認(rèn)知，是一個(gè)人的感覺、知覺和記憶的共同產(chǎn)物。我們可以把它看作獨(dú)立的精神存在，即思維軟構(gòu)體。其實(shí)，通過主觀認(rèn)知說明物理世界的客觀存在是很困難的，只能說明物質(zhì)世界在人的大腦里留下了什么。與精神和認(rèn)知活動(dòng)直接相關(guān)的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)，如人類語言文字的出現(xiàn)，教育的誕生，神學(xué)、宗教、哲學(xué)、文學(xué)、藝術(shù)、音樂、美術(shù)的誕生，是驚天動(dòng)地的；生命科學(xué)中遺傳學(xué)的發(fā)展、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)以及基因編輯的成功，尤其是數(shù)學(xué)和存儲(chǔ)程序的通用推動(dòng)了可編程電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明，更是石破天驚?？上?，天地宇宙不為人類所動(dòng)，是自在的、不言的。

　　

　　人類認(rèn)知宇宙的過程是基于觀察和實(shí)證的，通常我們只相信“實(shí)”，看到“在”；而在人腦中有許多基于想象和抽象的思維軟構(gòu)體，自己也會(huì)冒出“虛”和“軟”。人類一切的思維活動(dòng)都離不開抽象，認(rèn)知源于感知過程中的抽象，并將其壓縮成不同尺度的軟構(gòu)體。自然進(jìn)化形成的具有抽象、聯(lián)想和記憶能力的腦神經(jīng)系統(tǒng)，是人類抽象出結(jié)構(gòu)和時(shí)間的生物學(xué)基礎(chǔ)。人類長(zhǎng)期進(jìn)化形成的感知器官和大腦皮層組織，特別是大量神經(jīng)細(xì)胞的相互作用，是形成時(shí)間感知的思維器官。倘若沒有包括視覺殘留在內(nèi)的各類不同時(shí)長(zhǎng)的記憶，如瞬時(shí)記憶、工作記憶和長(zhǎng)期記憶，我們就只能活在當(dāng)下，就不會(huì)有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的時(shí)間概念。記憶為我們過去和現(xiàn)在的認(rèn)知提供連續(xù)性。正如一句心理學(xué)名言所述，生活就是記憶。有記憶就會(huì)有遺忘，否則大腦就會(huì)不堪重負(fù)。圖靈也有句名言：遺忘是人類智能的顯著表現(xiàn)。人類要用有限的記憶能力去認(rèn)知無限的宇宙，于是抽象出結(jié)構(gòu)和時(shí)間，從而有利于展開聯(lián)想，形成想象力和創(chuàng)造力，這是人類在長(zhǎng)期的自然進(jìn)化、物競(jìng)天擇、適者生存的發(fā)展中，為了實(shí)現(xiàn)生存和繁衍而“被動(dòng)”形成的。宇宙中原本不存在離開物質(zhì)和能量的孤立結(jié)構(gòu)，也沒有離開物質(zhì)和能量的孤立時(shí)間。一個(gè)重要的例證就是1967年物理學(xué)界一致同意改用場(chǎng)論解釋的原子結(jié)構(gòu)來定義“秒”。一秒的間隔時(shí)間是銫133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的電磁輻射9192631770周期的持續(xù)時(shí)間。從物理常數(shù)定義的量綱可以看出，是時(shí)間T定義了長(zhǎng)度L和質(zhì)量M，也是時(shí)間描述了熵增和負(fù)熵。有了時(shí)間的概念，物質(zhì)和能量便可以映射為認(rèn)知空間里不同時(shí)刻表現(xiàn)出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和關(guān)系。由此，在兩虛兩實(shí)交互的四要素中，結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在物質(zhì)物體上，時(shí)間體現(xiàn)在能量或運(yùn)動(dòng)變化上。

　　

　　信息不是物質(zhì)，不是能量，信息是什么？

　　

　　信息是在結(jié)構(gòu)、時(shí)間上形成的衍生物，是思維軟構(gòu)體的指代，僅此而已。構(gòu)成人類文字的最小元素是符號(hào)或筆劃，數(shù)學(xué)中最基本的抽象是0和1，代數(shù)中最基本的抽象是常量和變量，幾何中最基本的抽象是點(diǎn)線面。在抽象的基礎(chǔ)上，認(rèn)知產(chǎn)生聯(lián)想和交互，從線性到非線性，從確定性到不確定性，從可逆可還原到不可逆不可還原，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。在人的認(rèn)知空間里，倘若沒有抽象和聯(lián)想，就沒有數(shù)字、符號(hào)和編碼，數(shù)學(xué)、語言和文字，更不用說信息、知識(shí)和模型，方程、算法和程序。而符號(hào)、文字、模型、算法、程序都是軟構(gòu)體，是非物質(zhì)的、非客觀存在的，只是人的智能活動(dòng)。例如，人能夠識(shí)別紙上、墻上印刷的千差萬別的圖形“A”這些硬構(gòu)體，并將其合并、歸類、抽象成認(rèn)知空間的軟構(gòu)體“A”。軟構(gòu)體并不存儲(chǔ)于某個(gè)孤立的記憶單元里，而是體現(xiàn)在人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲小８黝惓橄蟾拍?，?ldquo;山”“水”“樹”“房子”“人”“寵物”等，都是思維軟構(gòu)體，根據(jù)不同的場(chǎng)合和任務(wù)可以變化性地指代物理世界的同一個(gè)或多個(gè)特定實(shí)體（如女孩、女性、大姐）；同一個(gè)硬構(gòu)體也可以在不同的情境和環(huán)境下變化地被賦予認(rèn)知空間里的各種各樣的軟構(gòu)體，甚至可以是千差萬別的軟構(gòu)體。人們常說的信息，只是軟構(gòu)體的冰山一角。人腦借助軟構(gòu)體思維、想象和創(chuàng)造，解釋人的精神世界，解釋人類的認(rèn)知，也解釋生命的價(jià)值，開辟了“結(jié)構(gòu)性、時(shí)間性的科學(xué)、技術(shù)和工程”。

　　

　　包括信息在內(nèi)的思維軟構(gòu)體，不是構(gòu)成物理世界的真實(shí)存在，不具有客觀性或物質(zhì)性。同時(shí)，結(jié)構(gòu)和時(shí)間也深深地、精細(xì)地寄生在物質(zhì)性和能量性的科學(xué)、工程和技術(shù)之中，解釋人類所處的物質(zhì)世界，潤(rùn)物細(xì)無聲地滲透到各種各樣的人造物之中，成為物理空間越來越多的真實(shí)存在，如人造建筑、人造衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)、智能機(jī)器，乃至人工生命。為方便理解，我們來看下面這個(gè)關(guān)于音樂的例子。

　　

　　人腦創(chuàng)造的樂譜是軟構(gòu)體，表達(dá)的是信息、情感、藝術(shù)和人文，是形而上的。同一首樂譜可以在不同硬構(gòu)體（樂器）上表現(xiàn)出來，無論用小提琴、二胡、鋼琴、架子鼓等哪種硬構(gòu)體來演奏，表現(xiàn)的都是同一首樂譜。樂譜是形而上的、精神的、非物質(zhì)的；而人們聽到的音樂是物理世界客觀存在的、緩急變幻的、或強(qiáng)或弱的、含有豐富頻譜的聲波信號(hào)，蘊(yùn)含了物質(zhì)、能量、結(jié)構(gòu)和時(shí)間，是形而下的，體現(xiàn)美，也體現(xiàn)知行合一。交響樂呈現(xiàn)的壯麗景象，往往是“涌現(xiàn)”的外在表現(xiàn)。

　　

　　結(jié)語

　　

　　認(rèn)知物理學(xué)提出物質(zhì)、能量、結(jié)構(gòu)和時(shí)間是人類和機(jī)器認(rèn)知的最基本要素。地球依靠日月更替、四季輪回保持秩序，人類社會(huì)群體依靠結(jié)構(gòu)和社會(huì)秩序保持運(yùn)轉(zhuǎn)，與生命一樣，都賴負(fù)熵為生。同樣，認(rèn)知機(jī)器用能量產(chǎn)生時(shí)鐘，時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)序，支撐遞歸，維持機(jī)器負(fù)熵。時(shí)鐘不停，與外界交互不息，則思維和認(rèn)知不息。人的一生以80年計(jì)，大約是25億秒的時(shí)間長(zhǎng)度，人的思維周期通常是亞秒到毫秒級(jí)，而認(rèn)知機(jī)器的思維周期可以是皮秒（10秒～12秒）級(jí)。倘若機(jī)器以飛秒計(jì)算，人以秒計(jì)算，1飛秒與1秒的比例，接近于1秒和3200萬年的比例。讓機(jī)器去濃縮重演一個(gè)百歲人生的思維總量，只需不到幾秒鐘就可以完成，這就是機(jī)器的暴力思維。同時(shí)，機(jī)器還有注意力集中、不會(huì)疲勞的優(yōu)勢(shì)。未來，我們要突破圖靈機(jī)的局限，發(fā)展難以計(jì)算的記憶智能和具身交互智能；用云模型、數(shù)據(jù)場(chǎng)、拓?fù)鋭?shì)、云變換等認(rèn)知物理學(xué)理論和方法，來形式化人類的不確定性認(rèn)知，通過抽象得到結(jié)構(gòu)、聯(lián)想引發(fā)類比、交互形成反饋，進(jìn)而集符號(hào)主義、連接主義和行為主義之大成，形成認(rèn)知螺旋，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的自成長(zhǎng)；研發(fā)可交互、會(huì)學(xué)習(xí)、自成長(zhǎng)的認(rèn)知機(jī)器，探究機(jī)器認(rèn)知如何像人、又如何不像人，開辟各智其智、智人之智、智智與共的人工智能新方向。

　　

　　回看本文開頭“烏龜疊烏龜”的說法，物質(zhì)、能量、結(jié)構(gòu)和時(shí)間成為人類認(rèn)知自然和自身共同的奠基石，成為人類智能和人工智能共同的奠基石。人工智能濃縮重演人類智能，同時(shí)也回答了“信息不是物質(zhì)，不是能量，信息是什么”的根本問題。

　　

　　文章來源：《學(xué)術(shù)前沿》雜志2024年第14期（注釋從略）