2020年4月，來自美國(guó)的Stephen Wolfgram宣布通過他的計(jì)算科學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)了世界的萬物理論，不過很快他自己又收回了這個(gè)聲明，但是在世界物理學(xué)界引起了軒然大波。

今天就來介紹一下這個(gè)最近幾十年出現(xiàn)的新興研究方向-計(jì)算科學(xué)。

何為萬物理論？

我在介紹霍金《時(shí)間簡(jiǎn)史》的文章里提到過，時(shí)間有沒有終點(diǎn)？讓我們一起和時(shí)間做場(chǎng)旅行！（點(diǎn)擊鏈接查看）：

我們的科學(xué)界有一個(gè)非常大的難題，就是缺乏一個(gè)統(tǒng)一的理論（或者公式）來解釋我們所在世界運(yùn)行的規(guī)律，這是過去50年科學(xué)界一直在激烈交鋒和發(fā)展的領(lǐng)域。

今天的科學(xué)家是按照兩個(gè)基本的理論——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)來描述宇宙運(yùn)行規(guī)律。

廣義相對(duì)論是描述引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，也就是從只有幾公里到大至1億億億公里，即可觀測(cè)到的宇宙范圍尺度的結(jié)構(gòu)。另一方面，量子力學(xué)處理極小尺度的現(xiàn)象，例如萬億分之一厘米。

然而，這兩個(gè)理論不可能都對(duì)。比如在宏觀維度，相對(duì)論適用于重力（萬有引力）的分析和推論，比如分析恒星、天體等運(yùn)行規(guī)律。

而在微觀維度，比如原子、電子、小到夸克和玻色子等微觀尺寸上面，量子力學(xué)成立，但是這兩種理論之間存在一個(gè)明顯的差異或者說是矛盾，比如量子糾纏、不確定原理都與相對(duì)論矛盾。

當(dāng)代科學(xué)界主要的研究方向之一，就是尋求一個(gè)能將相對(duì)論和量子力學(xué)合并在一起的理論公式——霍金將其稱為量子引力論——萬物理論。

Stephen Wolfgram何許人也？

計(jì)算科學(xué)理論的創(chuàng)始人Stephen Wolfgram有一個(gè)非常強(qiáng)大的履歷：

他1959年出生于英國(guó)，11歲自學(xué)物理，12歲迷戀上《統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》，寫了第一本關(guān)于物理學(xué)的書籍。

15歲就發(fā)表了關(guān)于粒子場(chǎng)理論和粒子物理科學(xué)論文，17歲從伊頓公學(xué)進(jìn)入牛津大學(xué)，20歲拿到了加州理工的理論物理學(xué)博士學(xué)位，27歲寫出了Mathematica軟件——當(dāng)今世界最重要的科學(xué)計(jì)算軟件，成立公司并擔(dān)任CEO進(jìn)行商業(yè)運(yùn)行。

2002年他出版了《一種新科學(xué)——計(jì)算科學(xué)》，開創(chuàng)了計(jì)算科學(xué)，2009年上線Wolfgram Alpha自動(dòng)問答系統(tǒng)，挑戰(zhàn)Google, 我們現(xiàn)在廣泛使用的蘋果Siri, 三星S Voice和第二大搜索引擎微軟Bing都部分采用了這個(gè)技術(shù)，被譽(yù)為最可能實(shí)現(xiàn)人工智能的未來產(chǎn)品之一。

Wolfgram除了是一個(gè)頂尖的物理學(xué)家，還是優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家、軟件工程師和公司管理者，是著名大學(xué)UIUC的兼職教授，也是美國(guó)數(shù)學(xué)協(xié)會(huì)的首席研究員，集天才、勤奮和榮譽(yù)于一身。

計(jì)算科學(xué)的由來

計(jì)算科學(xué)的重要性在哪里？

計(jì)算科學(xué)的目的是利用日益強(qiáng)大的計(jì)算能力，來倒推計(jì)算出我們所在世界的本質(zhì)規(guī)律，也就是這個(gè)世界的基本物理模型——萬物理論，它可能是是一個(gè)公式、一個(gè)規(guī)則、一個(gè)原理或者一個(gè)模型。

作為我們世界的終極規(guī)則，這個(gè)規(guī)則或者模型或者公式在無限迭代之后，形成了我們這個(gè)世界的時(shí)間、空間、物質(zhì)、過去、現(xiàn)在和未來。

說起來是不是很玄？是的，這又回歸到最著名的終極三問“我是誰？我從哪里來？我到哪里去”，或者說“這個(gè)世界是什么？這個(gè)世界是從哪里演變而來？這個(gè)世界未來發(fā)展成什么樣子？”

Wolfgram想通過計(jì)算的方法來找到這三個(gè)問題的答案：找到這個(gè)世界的萬物理論。

古往今來，無數(shù)先知先哲都在找尋答案，從基督教的“上帝說，要有光，所以有了光”，從佛教的“萬物由心造”，道教的“道生一，一生二，二生三，三生萬物”，現(xiàn)代物理學(xué)的宇宙大爆炸的奇點(diǎn)，光、心、道、奇點(diǎn)等等都是嘗試從不同角度來解釋世界的本源。

計(jì)算科學(xué)的研究成果

Wolgram發(fā)現(xiàn)，一組簡(jiǎn)單的規(guī)則在經(jīng)過多次迭代衍生之后，會(huì)產(chǎn)生意想不到的復(fù)雜性，比如我們制定一個(gè)很簡(jiǎn)單的規(guī)則：“從一個(gè)六邊形的黑色元胞開始，如果一個(gè)元胞相鄰的元胞有黑色的話，這個(gè)元胞就變?yōu)楹谏！庇谑俏覀兛梢钥吹剑?/span>

 這是迭代30次之后的樣子，從理論上講，無限次迭代之后，生成的模型會(huì)無限復(fù)雜。因此Wolgfram在電腦中假設(shè)了大量的不同的基本規(guī)則，利用電腦強(qiáng)大的計(jì)算能力進(jìn)行迭代計(jì)算和模擬，產(chǎn)生不同的模型。

讓人驚訝的是，在大量迭代之后，某些簡(jiǎn)單規(guī)則產(chǎn)生的模型中出現(xiàn)了空間和運(yùn)動(dòng)記錄（也就是時(shí)間）的演化。

理論上，如果模擬出的宇宙模型的運(yùn)行規(guī)律和我們所在宇宙的運(yùn)行規(guī)律的相似度為100%，那就可以倒推出我們這個(gè)世界的由來。

在2020年4月，Wolfgram聲稱萬物理論已被發(fā)現(xiàn)，后來又推翻聲明，可以想象他利用計(jì)算科學(xué)做了多么大量的計(jì)算和嘗試。

當(dāng)然，這也說明了計(jì)算科學(xué)的局限性。

計(jì)算科學(xué)的局限

計(jì)算科學(xué)當(dāng)然也有局限性，個(gè)人將其歸納為三點(diǎn)：

（1）現(xiàn)有科學(xué)體系對(duì)于世界規(guī)律的探索和發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到這個(gè)世界的本質(zhì)，簡(jiǎn)單來講，就是我們?nèi)祟悓?duì)于這個(gè)宇宙的認(rèn)識(shí)太少了，不說無限的宇宙空間，就是對(duì)于人類本身，對(duì)于地球的認(rèn)識(shí)，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到最基本的認(rèn)知水平，沒有這些，談何對(duì)比和確認(rèn)Wolfgram通過計(jì)算科學(xué)計(jì)算得出的模型結(jié)果？

（2）計(jì)算能力是否足夠，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力是否能夠滿足無限次的計(jì)算，所花費(fèi)的時(shí)間是否在可預(yù)計(jì)范圍內(nèi)。當(dāng)然，隨著量子計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，更強(qiáng)大的計(jì)算能力會(huì)不斷出現(xiàn)。

（3）第三點(diǎn)，也是最關(guān)鍵的一點(diǎn)，我們對(duì)于基本規(guī)則的認(rèn)知是否能夠窮盡所有可能？

這個(gè)基本規(guī)則是一個(gè)公式，一個(gè)定義，一組數(shù)列，一個(gè)模型，甚至是我們的一個(gè)想法，這些都受我們?nèi)四X本身的限制？如果這個(gè)規(guī)則不能窮盡，甚至是在我們?nèi)祟惖恼J(rèn)知之外的規(guī)則，那可能我們永遠(yuǎn)也無法找到這個(gè)萬物理論。

計(jì)算科學(xué)為人類尋找世界本源提供了一個(gè)方法，這個(gè)方法是否能夠?qū)崿F(xiàn)我們尋找世界本源規(guī)律的目的，目前還無法驗(yàn)證。但是Wolfgram使用計(jì)算科學(xué)的思路和角度，為更多的科學(xué)家打開了一扇窗，讓更多人能夠沿著這個(gè)方向進(jìn)行研究，找到更多的可能。

吾生也有涯，而知也無涯，人類的探索和追求是沒有窮盡的。隨著更多的方法和工具的出現(xiàn)，人類探索世界也會(huì)更加深入。

也許在未來的某一天，計(jì)算科學(xué)會(huì)帶給我們一個(gè)大大的驚喜。