科普 |《解码宇宙》

感谢信息论，薛定谔的猫终于不用又死又活了。 

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听书笔记 

《解码宇宙》（Decoding the Universe）作者查尔斯·塞费是一名科普作家，他是耶鲁大学数学硕士，同时又是纽约大学新闻系教授。这本书从信息的角度，来解读宇宙万物，并传达了一个核心观点：宇宙，或许就是一台庞大的信息处理计算机。 

第一，什么是信息？

1948年，信息论的创始人香农发现了信息有一个重要的特征：信息可以被测量和定量。这是一个划时代的认知，也是信息论的基础。香农把“比特”作为信息度量的基本单位。在他看来，信息的本质就是“问与答”。

在生活中，我们会遇到许多二选一的问题。回答这类问题，可以用两个符号来表示，比如0和1，用这两个数字代表是或否。0和1组成的这套答案，就是二进制数字，一个数字代表了一个比特。回答一个二选一的问题，需要1个比特的信息。

如果问题复杂一些，比如说回答一个四选一的问题，是不是就需要四个比特呢？举个例子，假如你是一名特工，去刺探敌人情报，得知敌人会在汽车、火车、轮船、飞机四种交通工具中选择一种方式出行，现在，你要用信号灯来传递情报，你会怎样表示这四种信息呢？第一种方法，准备四盏灯：汽车挂一盏，火车挂两盏，轮船挂三盏，飞机挂四盏。 

第二种方法，只准备两盏灯，每盏灯上加一个滤色镜，使它可以发出红光或者绿光，可以这样表示：红红代表汽车，红绿代表火车，绿红代表轮船，绿绿代表飞机，两盏灯就回答了这个问题。这就相当于有两个二选一的问题，只需要两个比特。同样，如果一个问题有八种答案，那么三个比特就能区分八种可能。

以此类推，不管一个选择题有多么复杂，不管它的答案有多少种可能性，只要答案是有限的，就都能用一个比特串来回答。  

香农发现，一个有N种可能性结果的问题，需要的比特数等于以2为底N的对数。宇宙中原子的数量是有限的，只有10的80次幂这么多，筛选整个宇宙的原子只需要266个比特！

开放式的问题也能用比特来回答吗？比如，法国的首都是哪里？法国的首都是巴黎，英文是Paris。这个单词可以看作为一串是或否的问题答案。英文字母有26个，我们要找到任意一个字母，就相当于在1到26的范围内，用是或否的问题来筛选排查，拼出这个单词需要25个比特的字符串。一切信息，一切答案有限的问题，都能用0和1组成的比特字符串来表达。

信息从一个抽象概念，变成了一个物理实体。在电脑中，正是这些简单到只有0和1的字符串，构成了今天高度复杂的信息化社会。

第二，信息论对物理学领域有什么影响。

第一个领域，经典物理学。

热力学第二大定律说，在一个封闭的系统中，如果没有外来能量施加作用，混乱和无序度只增不减，这一定律也叫做熵增定律。

麦克斯韦提出一个思想实验。有一个充满气体的盒子，里面装着一个无摩擦的光滑阀门，关上阀门可以把容器一分为二。盒子里有一个妖魔，它可以操纵这个阀门，让冷热原子分开。这样，盒子会保持一边冷一边热，盒子中的熵逆向运转，而且由于阀门光滑无摩擦，也不耗费任何能量。这个悖论叫做“麦克斯韦妖”，这个问题困扰了科学家很多年，直到信息论亮出了降妖的宝剑。

既然盒子里的妖魔用阀门将冷热原子隔开，那么它就必须首先判断这个原子是冷是热，也就是说，它需要对原子进行测量，提取信息，代价就是要消耗能量。把这个妖魔看成是一台电脑，给它编入一个程序，命令它开关阀门。这台电脑先测量原子是冷是热，在磁盘上写下一个比特的测量记录，然后根据这个记录来执行程序，决定阀门是开是关。信息是一种物理实体，电脑的存储量是有限的，如果存满了，就得删除一些文件，腾出新的空间。删除记录的过程中，它就会向外界释放能量，从而产生更多的熵。所以，妖魔不可能不付出代价就让熵减少。

第二个领域，相对论。

爱因斯坦的狭义相对论是现代物理理论的基础之一。它告诉我们，用不同的观察视角来看同一个物体，得到的答案往往不同。比如，对于一个高速运动的物体来说，它的时间变慢，长度变短，质量变重。狭义相对论遇到了“谷仓内的标枪”悖论。

想象一下，有一名运动员手持一根15米长的标枪，向一座15米长的谷仓跑去。这座谷仓有一个前门，一个后门，门上安装了感应器。当标枪完全进入前门时，前门就会自动关上，同时后门自动打开。现在，运动员以光速80%的速度向谷仓跑去。按照狭义相对论，高速运动的物体长度会缩短，运动员本人和一位原地不动的旁观者会经历完全不同的景象。在运动员眼里，高速运动的谷仓长度会缩短，标枪还没穿过前门，枪头就会“砰”的一声撞到后门。在旁观者眼里，标枪缩短，运动员毫无阻碍地就跑出去了。矛盾就来了。  

这个悖论忽略了狭义相对论的一个重要前提，那就是“信息传播”不能超越光速。谷仓前门的感应器必须给后门发送信息，才能让后门开启。信息是一种物理实在，传送信息需要时间。在原地不动的旁观者眼里，前门关闭，同时向后门送出一条信息。然而，枪头和信息在赛跑，并且领先，枪头会在信息到达后门之前，就撞到门上了。这样，运动员和旁观者也就意见一致了。

第三个领域，量子力学。

量子力学与相对论，并称为现代物理的两大支柱。量子是物质的最基本构成单元，量子世界有一个诡异的特征，叫做状态叠加。  

尽管这种叠加效应让人难以理解，但它已经被多次观测到了。在微小的量子世界，这的确是一个不容置疑的现象。可是，为什么宏观世界就不能有这种叠加状态呢？毕竟宏观世界就是由无数微观的量子构成的呀。对于这个问题，薛定谔设计了一个著名的思想实验“薛定谔的猫”。

在一个盒子里有一只猫，还有一瓶毒药，毒药上有一个信息接收装置。这时，向这个盒子里发射一个电子，这个电子有两条路径可以走，一条路是死胡同，从这个路径通过什么事情都不会发生，用0表示；另一条路通向毒药的信息接收装置，当装置探测到电子时，就会自动释放出毒药，盒子里的小猫立刻死去，用1表示。

那么，盒子里会发生什么事呢？根据状态叠加效应，电子将同时通过两条路径，0和1将会同时出现，因此，毒药既释放又没释放，小猫既是活的又是死的。一个宏观生物怎么会同时又死又活呢？只要没有人打开盒子，这种叠加状态就一直存在。一旦有人打开盒子观察，这只猫就会立刻选择其中的一种状态。好像杀死猫的就是信息的提取行为，致命的关键不是毒药，而成了信息。

当一个原子被人观测时，就一定会有光子或其他粒子与这个原子发生碰撞，这就干扰了原子的叠加状态。同时，那个碰撞它的粒子，则获得了关于这个原子的信息，信息从原子身上流到了周围的环境，这种信息的流动就是叠加状态坍塌的原因。

打开盒子之前，猫的死活早已被决定。即使人类不去观测，也有其他的观测者，这个观测者就是自然界。自然界本身就在不断地进行测量，这也是解决薛定谔的猫这一悖论的关键。我们的地球受到来自太阳光子的照射，当太阳光子撞击到一片树叶后反射进入我们的眼帘，我们就会看到树叶。但是，不管我们的视网膜是否接收到这个信息，树叶的信息就存在于那里。太阳光照射着树叶，其实就是一种自然测量。 

光粒子和空气粒子就是自然界的探测器，我们只不过是在接收已经储存在这些粒子中的信息而已。如果让太阳和所有的恒星熄灭，宇宙中没有光子，那依然不会阻挡自然界的测量，太空还饱含宇宙线和中微子，它们一样会穿过那片树叶并反射回来。信息仍然在向环境流动。

一个物体越大、越松散、越热，它的信息向环境泄露得就越快。对于一个小小的原子来说，获得它的信息难度较大些，它的叠加状态持续的时间也就较长些。只要它保持不受其他粒子干扰，就会快活地处在叠加状态。但是一只猫就不同了，它包含着亿万个原子，既庞大又温暖，不知要与环境发生多少次粒子碰撞。早在人们打开盒子之前，自然界就已经对猫进行了测量，猫的信息早已散播到环境当中，它早就选择了生死。

信息论告诉我们，宏观世界和微观世界之间没有根本的差别，它们之所以表现得如此不同，是自然界获取和传播信息的不同。宇宙呈现出的千姿百态，正是自然界中的信息在各处流动的结果。

解读 | 韩春苗，中央广播电视总台编辑，国际新闻学硕士，全国广播影视“十佳百优”理论人才。

播音 | 张煜

策划编辑 | 陈艳

音频编辑 | 陈子夫