李淼，1982年毕业于北京大学天体物理专业，后赴哥本哈根大学玻尔研究所深造，获博士学位。1990年留美从事理论物理研究，先后执教加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学、芝加哥大学费米研究所。1999年回国，受聘中国科学院理论物理研究所，现任中山大学天文与空间科学研究院院长。李淼教授是一位具有国际影响力的理论物理学家，近年来又在学术研究之外另辟蹊径，以大家著小书，有《越弱越暗越美丽》《想象另一种可能》《<三体>中的物理学》《超弦史话》《给孩子讲量子力学》等相继问世，风行坊间。

撷取12个具科幻色彩的主题，横跨经典与现代物理学主要领域。作者以物理学的视角切入，解构经典科幻作品的科学设置，回应时下热门话题，游刃于科学、幻想、社会之间，引殿堂学问释普罗迷思，回归“格物致知”之学术本义。

以科学含量论软硬，我的作品属硬科幻，而李淼老师的书，本本都是“金刚经”，尤其是这本《科幻中的物理学》，于科幻作者和读者两方面而言，都无疑是一支成色十足的“金刚钻”。——刘慈欣

人工智能的未来

强人工智能到底能不能实现？换句话说，我们人跟机器到底是不是一样的？

这个问题会引申出另外一个非常深刻的问题。我们先回顾一下《三体》中的一段情节，再把这个问题提出来。

在《三体》中，当地球人面临三体人威胁的时候，人类的领导者就从人类中选拔了一批精英。这批人人称为面壁者，他们的主要任务就是面壁，在家里关起门来做宅男，思考对付三体人的办法。其中有一对夫妇，男的是白人，女的是日本人，均是成就非凡的大脑科学家和心理学家。他们想出的办法是，发明一部机器，给人类植入乐观的想法。这个乐观的想法是什么呢？就是：我们可以战胜三体人。如此一来，人类就空前地乐观、空前地团结了，不再怀揣逃跑主义和逃亡主义，因而能够齐心协力对抗三体人。

当然，如果这个设想能实现的话，确实能给人类战胜三体人增加了一点胜算。最起码说，尽管我们在科学技术方面落后于三体人，至少在意志上，我们是强过他们的。这个构想最关键的一点就是，能不能在人的大脑里植入一个想法，并保证这个想法绝对不会改变。换句话说，就是人类能不能操控他人的思想。这才是问题的关键。

刘慈欣在《三体》中，把这个机器叫作思想钢印。就是说，每个人用过这个机器之后，思想就被打上一个钢印，从而将某一个想法固定下来。这个想法就是：“我们比三体人强，我们是可以战胜三体人的。”

类似的构想其实在西方的很多科普类、心理类书籍中都出现过。其中涉及的核心问题，西方人已经讨论了2000多年。西方人讨论人是否有自由意志，已经有2000多年的历史，至今尚无定论。

这就是我们前面提到的，“强人工智能能不能实现”这个话题所引出的问题：人究竟有没有自由意志？

关于这个争论，我们先看一看前一段时间，两个对物理和数学都比较精通的普林斯顿学者证明的一个定理，叫Conway-Kochen定理，又名自由意志定理。

这个定理详细阐述起来非常复杂。简单来说就是，假定人有自由意志，那么世间万物也都有自由意志。

听起来很奇怪，似与常识不容。

这是一个基于量子力学的结论。证明的过程，我们不作深入讨论，重点讲讲为什么这样一个假设，可以用量子力学证明。

截至目前，量子方面的内容，本书涉及不多。量子力学跟以前的物理学全然不同。最主要的不同就是，在量子力学看来，整个物质世界原则上是不确定的。就是说，有一个因不必然就有一个果，一因多果也是可能的，而到底出现哪个果是不一定的。我们只能从概率上去预测：假定有一个因，分析出它对应的所有果，确定每个果出现的几率。

量子力学可以说彻底地改变了我们过去对物质世界的认识。过去，大部分人认为，量子力学只在微观世界成立。换句话说，我们只有在研究分子、原子、原子核、电子这些微观粒子时候，才用得到量子力学。而当我们面对宏观物体——比如一块石头、一支笔、一个椅子、一个人的时候，量子力学就全无用武之地。然而，最近物理学家研究发现，事实并非如此。其实有一些很大的、很宏观的物体，比如图片中这只候鸟，也表现出了量子方面的一些特征。科学家发现，候鸟导航用到了量子磁针。这完全是量子的东西。所以我们相信，量子有可能在宏观世界的一些物理现象甚至生物现象中，也起到了根本性的作用。

为了更好地理解自由意志和自由意志定理与量子力学的关系，我们需要弄清楚的第一个问题就是，在西方人看来什么叫“自由意志”。“自由意志”这个概念到底是什么？

“自由意志”在英语中是由两个单词组成的，一为“free”，一为“will”。中文对应翻译过来就是“自由”和“意志”。我们先说说“意志”是什么意思。简单来说，意志就是你想做一件事，比如说一个人早晨起床，想听什么音乐，吃什么早餐。这都反映出他的意志。所以听这段音乐，吃这种早餐，到底是什么原因造成的呢？是有深层次的原因影响了这个人，还是没有任何原因呢？如果没有任何原因，这个意志就是“自由”的，“free”的。当然，也可能存在深层次的原因，比如说这个人昨天晚上做了一件什么事情，决定了他今天早晨想要听这一段音乐；或者他的这个意志，可以归因到他以外其他人——例如，这个人的朋友向他推荐过这段音乐。原因本身并不是我们要考虑的。

表面上看来，在人类的世界里面，很多事情是有因果关系的。就是说，一个人要做一件事情往往是有原因的。但是心血来潮的情况也是常有的。所谓“心血来潮”，就是毫无由头地想做一件事。这就叫“自由意志”。换句话说，人的意志当然可以有因，但是，原则上说，是不是也可以没有因呢？如果原则上可以没有因，那么人类就可以说拥有自由意志。否则的话，如果我们做所有的事情都必须有因，那么人类就不能说拥有自由意志，跟机器并没有本质的区别。

我们平时在玩电脑或者玩手机的时候，只要输入一个指令，电脑或手机就会自然地作出反应。比如说我们看到一个APP，点击一下，这个APP就打开了。如果是一个音乐类的APP，我们点一下某个音乐，这个音乐就开始放了。这就说明电脑或手机本身是没有自由意志的，因为它做的事情，都是我们指令它做的。它不可能心血来潮做一件没有指令的事情。如果哪一天，你没操作，你的手机就自动干起活来的话，你就要怀疑这个手机“成人”了。换句话说，我们人类跟机器确实是完全不同的。

人有没有自由意志这个问题，答案看似很明确，因为我们跟没有自由意志的机器是不同的。但是为什么西方人——从物理学家到哲学家甚至是神学家，讨论这个问题要讨论2000多年呢？ 

这里面有很多深层次的原因。首要是受到宗教的影响。有了《圣经》以后，大家都知道存在“最后裁判”的说法。你有没有犯罪将由裁判确定。若是犯罪，上帝会决定你下地狱还是上天堂。有了这个环节，人们就会思考，人是天生有犯罪的倾向吗？如果是天生有这个倾向，那么这个倾向的原因是什么？人毕竟是上帝造出来的。如果上帝一开始把一个人造得不完美，让他犯罪，那么罪因说到底在于上帝本人。既然如此，为什么上帝还来惩罚人类呢？

当然，在中世纪时期，西方的基督教还讨论过很多关于魔鬼的问题。因为魔鬼引诱人去犯罪，魔鬼也做了很多坏事。魔鬼我们都知道，源于堕落的大天使。而大天使也是上帝造出来的。这个大天使为什么变成魔鬼，为什么堕落呢？难道上帝自己没有责任吗？既然上帝有责任，他为什么不惩罚自己，而要惩罚魔鬼呢？

于是，由这个宗教问题，就引出了对自由意志的思考。自由意志可以解决这个问题。

我们知道，《圣经》里面也说过，上帝造出了人类，并赋予人类自由选择的权利。比如伊甸园里面的亚当和夏娃，他们就有自由选择的权利。他们可以自由选择吃还是不吃智慧树上的果子。吃了就有罪——所谓人类的“原罪”，不吃就没罪。如果人类是上帝造出来的，而人类没有自由决定权，那么他吃智慧树上的果子，一定是上帝的意旨。如果人类有自由意志，人类吃智慧树上果子，是自己想吃，与他人无关，那么罪就人类自身。

《圣经》里面有这么一段有趣的描述。亚当吃了智慧树上的果子，上帝就找他说，你们现在知道了羞耻，有羞耻心了。以前你们没有羞耻心，无所顾忌，无忧无虑，而现在却知道要穿衣服了。你们犯了罪了。亚当说：这事不是我的主意，是夏娃让我吃的。夏娃说：这事不是我的主意，是一条蛇引诱了我。说到底，原罪是一条蛇犯下的，而这条蛇就是恶魔，就是撒旦，就是那个堕落的大天使。亚当和夏娃都把罪因都归到了别人身上，认为自己没有罪，也没有自由意志。但是，为了圆满解释《圣经》里面上帝惩罚人类的情节，必须要假定人类有自由意志，魔鬼也有自由意志。

如果人类没有自由意志，我们就可以把人的恶行，诸如盗窃、杀人之类，归结为其他的原因，或者说客观的原因。例如，一个人杀了人了，因为他没有自由意志，那么杀人就不是他的错。也许是因为他小的时候，父母给他灌输了一些思想，或者对他不好，经常虐待。寻根溯源，罪在父母，不在他本人。但是父母又会说，对孩子不好也不是他们的原因，他们的父母对他们也不好。以此类推，就没有任何人需要担责任了。

所以，自由意志存在与否关系甚大。对于西方人来说，它涉及到宗教、法律、伦理等各个方面。这就是自由意志难题。这也就是为什么西方讨论这个问题讨论了2000多年。人们都在思考人类究竟有没有自由意志。

知道了自由意志的本质，我们回到数学和物理学上，看看如何从这个方面入手，抽丝剥茧，寻根探源。

我们刚才谈的关于自由意志的内容，都是很虚无飘渺的，属于哲学范畴，涉及到的方面很多。其实从物理学着眼，很容易明确什么叫自由意志。自由意志就是一个果跟过去的历史整个儿无关，没有原因，不受约束。

例如，我们知道在物理学上，相对论认为信息的传播不可能超过光速。换句话说，我们现在谈的影响某一个果的历史，是说从这个果向过去画一个光锥，在光锥之外的所有的事件对他都没有影响。为什么这么说呢？就是因为光锥之外的事件要影响他，就必须要超过光速才可以。所以只是光锥里面的东西能产生影响。

同样地，用数学语言说就是，这个事件发生了，那么这个事件本身是这个光锥里面所有事件的函数。如果不是的话，那就说明这个果是没有因的，它是一个自由的、无约束的果。

如果把这个理论推及到人，那就变得更为复杂了。这个果就不再是一个简单的现象、事件，它是指向某种目的的心理状态，是某种故意行动的原因，是决定做一件事的认知过程。这就是我们说的意志。

可能有人不同意把这个过程认定为意志，但是这个并不重要。因为无论把它定义成什么，它总是一个复杂的事件。这个事件究竟是不是过去的历史的一个结果，才是我们讨论的重点。如果它不是，那它就是自由的。

在心理学上，在人类到底有没有自由意志这个问题上，争论已经持续了好几十年。二十世纪七八十年代有个著名的实验，叫作Libet实验。这个实验经常被心理学家和认知科学家拿来作为证据，证明人没有自由意志。

概括地说，这个实验是这样的。在实验中，科学家在人的大脑上插很多电极，以此探测人的思想活动。科学家们发现，在人决定做一件事情之前，比如去拿一本书或者端一杯水，电极就会探测到大脑已经有活动了。时间大概持续1秒钟左右，也可能更短，短到只有几百微秒。但是人们并不知道大脑的这项活动，只知道自己做出了一个决定。

也就是说，一个人做出一个决定是大脑活动的结果。但是这个大脑活动人并不知道。心理学家常拿这个实验，来证明人是没有自由意志的。一个人所有的意志都是由潜意识所决定的。

然而这个实验也引出了另外一个问题：意志能否超出决定之外，而将导致决定的潜意识活动也涵括进来？如果人类的潜意识的活动也算意志的话，我们还要进一步追问：潜意识活动发生之前，有没有其他的原因呢？对于这个问题，心理学家还没有办法借助实验来回答。

综上所述，我觉得人究竟有没有自由意志这个问题，并不能说已经被心理学家解决了。尽管一些心理学家以Libet实验为凭，反对人有自由意志，但如果我们把人的心理活动或者说人类大脑的潜意识活动也算在意志里面的话，就没有任何一个学科有办法证明意志不是自由的。

大家可能听说过，有一位著名的生物学家叫弗朗西斯•克里克，还有一个人叫詹姆斯•沃森。他们二人为发现DNA的双螺旋结构做出了很大的贡献，因此获得了诺贝尔奖。这可以说是二十世纪生物学最伟大的发现之一。这两个人并没有因为取得了如此之大的成就而终止研究的步伐。这之后，克里克就去研究大脑了。他想要搞清人的大脑到底是怎么回事，搞清意识是怎么产生的、人的思维是怎么进行的、人的决定是怎么做出来的等等一系列的问题。

弗朗西斯•克里克猜测，决定发生在前沟带回及其附近区域。也就是说，人是用大脑的这么一块区域作决定的。具体位置见下图，绿色区域就是。

我们之前提到了心理学家、大脑认知科学家，除此之外，我们还不得不提加州大学圣芭芭拉分校一位物理学家，最近非常有名，叫费希尔。他认为人的大脑里面真的是存在量子过程的，而如果人的大脑里面有量子过程，人类的意志的发生，就真的不一定找得到确切的原因了。在量子论中，没有严格的因果关系，有的只是概率上的描述。这部分内容留待下一讲详谈。

费希尔还认为，人类大脑中存在着磷酸钙，而磷酸钙在大脑中会产生某种作用，这个作用就是量子作用。具体的作用是什么，我们不去管它，只要知道这个过程是量子的就可以了。而这种量子作用的持续时间为100多秒，已经是超过1分钟、接近2分钟了。换句话说，这一量子过程发生的时间非常长，已经超出了微观事件，足以影响人的宏观意识了。

我一个人的宏观的意识过程持续了将近2分钟，就说明这个过程是非决定的。单纯一个微观的事件、微观的东西，是不会影响我们决定的，因为我们的决定需要时间，这个时间必须是宏观的。

虽说我们确定需要的时间是宏观的，但是我们仍需要进一步的实验来研究、来论证。这件事情如果是真的，就可能成为前面提到的自由意志定理的佐证。

整个世界是量子的，人类也有可能有自由意志。现在看来，这两件事情或许是有关联的。

最后，让我们再回到人工智能。如果人类有自由意志，那么强人工智能何时能够实现这个问题的答案就很明显了。人工智能具有自由意志的时候，才能称得上是强人工智能。

换句话说，一个手机突然能够自己做决定，而不不需要人去操控的时候，真正的强人工智能就出现了。到了那一天，人类就该担心人工智能超越人类甚至操控人类了。

既然会有这种担心，我们就来估算一下，距离这种情况的发生大概还有多长时间呢？

这取决于量子计算机的发展速度。也就是说，如果计算机发展到了量子阶段，而人类大脑又确实是量子的话，当计算机的量子位超过人类大脑的时候，真正的担心就开始了。

那么到底需要多长时间呢？我们知道，人的大脑里面约有860亿个神经元。计算机要超越人类，就得有上千亿个量子位。而目前，量子的位数每年增加1倍。按照现在的科技发展速度，计算机要达到人类的水平大约需要27年。

这个计算是非常简单的。前面提到每年增加1倍，那么要达到千亿个量子位——也就是227个量子位，需要的时间就是27年。

上面的估算是以2016年为基准的，所谓27年以后，也就是2043年了。到了那个时候，或许我们担心的就不是强人工智能能否实现，而是人工智能会不会超越人类的问题了。

总的来说，根据我的猜测，人类大脑是经典计算和量子计算机计算的某种综合。当然这并不是定论，需要很多的科学实证。

最后，我以我的一句口号结束这一讲。这句口号就是：没有量子就没有智慧。

第1 章　能量——私享太阳？再等200 年　1

  能量概述　3

     能量的来源　3

     能源的分类　4

     能量的转换与守恒　5

     能量的度量　7

     质量也是能量　9

  航天飞机的能量消耗　10

     物质与反物质湮灭的能量　13

     星际航行需要的能量　14

 耗能与文明的层级　16

     核能应用　16

     人类文明的层级　18

第2 章　熵——时间比等待更长　25

  熵的定义　27

  熵减与熵增　30

  彭加莱回归　34

第3 章　万有引力——真龙不是飞禽　39

  万有引力与万有引力常数　41

  万有引力的影响　44

     人的行走速度　44

     生物体的大小　45

     生物的呼吸频率　46

     鸟类　48

     潮汐　50

第4 章　宇宙的尺度——比邻在天涯　55

  星球的大小与间距　57

  纳须弥于芥子　61

第5 章　时间——没有空间就没有时间　65

  时间的度量　67

  相对论与时间　70

     光速、时间与距离　70

     双生子佯谬　73

     时光穿越　74

形而上的时间　76

     量子时序保护原理　76

     时间的起点与终点　77

第6 章　引力波——天籁悦耳赖有弦　81

  相对论与引力波　83

  引力波天线　88

第7 章　人工智能——没有量子就没有智慧　95

  人工智能的科学基础　97

  人工智能的未来　103

第8 章　量子力学——你是全宇宙不可复制的唯一　113

  什么是量子　115

  量子在生活中的体现　120

  量子的作用　127

第9 章　计算机与航天——飞天是场压力山大的旅行　133

  计算机的发展　135

  航天的发展　141

第10 章　太空移民——建一座通天塔可好　149

  拉格朗日点　151

  太空站的大小　156

  太空旅行　160

第11 章　宜居行星——新家有风险，流浪须谨慎　167

  八大行星　169

  探索系外行星　175

第12 章　人类的未来——去火星植树造林　181

  可利用的能源　183

  未来的生活　189