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解码宇宙 ：宇宙，或许就是一台庞大的计算机 。这是查尔斯·塞费在《解码宇宙:新信息科学看天地万物》中对宇宙做出的结论 。作者是耶鲁大学数学硕士 ，同时又是纽约大学新闻系教授 ，他从信息的特点角度出发，解读宇宙万物，详细论述了信息论和量子计算 ，向我们展示了一种不可思议的拜占庭式宇宙的情景 ，涉及生命的本质 、热力学 、相对论、量子力学 、黑洞 、多重宇宙，直至宇宙的命运。《解码宇宙:新信息科学看天地万物》资料翔实 ，内容丰富多彩 ，思路清晰，观点明确 ，读后使人对宇宙肃然起敬 。对物理学感兴趣的读者 ，不妨展卷一读 。
? ——豆瓣上对《解码宇宙》的介绍。
以下是读书笔记。
1948年，信息论的创始人香农发现了信息有一个重要的特征：信息可以被测量为定量 。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
——文字出之于喜马拉雅听天天听好书《解码宇宙》
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