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《解码宇宙》手持探寻秘钥，开启解锁宇宙深邃奥秘的壮阔之旅
铛铛铃2025-09-13【科普】566人已围观
简介
今天为您解读的书是《解码宇宙》，
副标题是《新信息科学看天地万物》。
当今时代是一个信息化的时代。在大多数人的认识当中，信息是一个抽象的概念，它可能是一段新闻、一串数字、一篇文章，或者一堆名字。但这些只是信息很小的一个方面，它包含的远远不止这些。事实上，宇宙中的每个电子、每个原子、每个细胞都挤满了信息。信息论描述了地球上的全部生命，甚至描述了整个宇宙的物理结构。热力学定律、相对论、量子力学都是一种信息论。可以这样讲，信息塑造了宇宙。这本书正是从信息的角度，来重新解读宇宙万物，并向我们传达一个核心观点：宇宙或许就是一台庞大的信息处理计算机。
本书作者查尔斯·塞费是一名科普作家，他是耶鲁大学的数学硕士，同时又是纽约大学新闻系教授。数学的专业知识，加上新闻学的流畅文笔，让物理学中最离奇、最不可思议的领域，清晰而透彻地呈现在我们面前。
下面，我将从两个方面为你解读这本书：第一，什么是信息；第二，信息论对物理学领域有什么影响。
首先，什么是信息？
1948年，一位只有32岁的工程师兼数学家，他发现了信息有一个重要的特征：信息可以被测量和定量。啊，这可是一个划时代的认知，也是信息论的基础。这位年轻的数学家正是信息论的创始人香农。啊，也许你没有听过香农这个名字，但是你一定听说过比特币，比特这个词就是由香农创造的。比特其实是信息度量的基本单位。香农在用比特创建信息论时，立足点却是出奇的简单。在他看来，信息的本质就是问与答。
在生活当中，我们会遇到许多二选一的问题，比如说你是男的还是女的啊，灯开着还是关了，是坐火车还是坐飞机等等。回答这样的问题，可以用两个符号来表示，比如零和一，用这两个数字代表是或否、对或错、男或女、红灯或绿灯。零和一能回答全部二选一的问题啊。零和一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，就需要一个比特的信息。
那么，如果问题复杂一些，比如说回答一个四选一的问题的时候，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、飞机四种交通工具当中，选择一种方式出行啊。现在你要用信号灯来传递情报，你会怎么样表示这四种信息呢？第一种方法啊，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。这种方法比较直接，但是呢，也比较麻烦。我们呢，还有第二种更为聪明的方法，只准备两盏灯，每盏灯上加一个绿色镜，使它可以发出红光或绿光。那么可以这样表示：红红代表汽车，红绿代表火车，绿红代表轮船，绿绿代表飞机。怎么样，如果一个问题有四种答案，那么两盏灯，每盏灯各自红绿二选一，就完全回答了这个问题。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，那么三盏红绿灯，也就是三个比特，就能够区分这八种可能。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，我们就都能用一个比特串来回答。
你可能玩过这样一个游戏，在心里边默想一个在一和1000之间的数字，我只需要问你十个是或者否的问题，就能够推算出你心里想的数字是什么。比如这个数大于500吗？否啊，这个数大于250吗？否。只要按照正确的方法提问，保证我会在十个问题以内得出正确答案。每一个是或否的问题都会给出一比特信息，都会减少答案的不确定性。区别1000种可能性，只需要十比特信息。这是不是大大低于你的预计呢？
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二为底N的对数。也就是说，如果比特数是X，那么它能区分出的可能性等于二的X次幂。这一公式威力巨大，宇宙中原子的数量是有限的，只有十的80次幂那么多啊。我们可以在整个宇宙当中任选一个原子，然后利用这个公式就可以算出，找到这个原子需要多少个比特信息。计算结果啊，保证是令你大吃一惊，筛选整个宇宙的原子，只需要266个比特。
然而，我们生活当中可不都是做选择题，经常会有开放式的问题，比如我问你，法国的首都是哪里，这样的问题呢，也能用比特来回答吗？答案是完全可以。法国的首都是巴黎，英文是PARIS。PARIS这个单词呢，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1~26的范围内，用是或否的问题来筛选排查。根据刚才的公式，需要提问五次，那么每个字母就可以用五比特来表达。PARIS有五个字母，拼出这个单词就需要25个比特的字符串。说得更直白一点，一切信息、一切答案、有限的问题，都能够用零和一组成的比特字符串来表达。
以上就是信息论的主要观点，信息从一个抽象概念变成了一个物理实体。在电脑当中，正是这些简单到只有零和一的字符串，构成了今天高度复杂的信息化社会。信息论为科学开创了一个全新的领域，堪称是人类思维的一次开天辟地的革新。不过这还不是信息论的全部功劳，信息论之所以强大，是因为它和物理世界有着密切的联系，它已经远远地突破了香农最初的设想，在物理学的各个领域，掀起了一场真正的革命。
下面我们就来讲第二部分，信息论对物理学领域有什么影响。这里讨论了三个物理学中麻烦的悖论，击破这些悖论的武器正是信息论。
第一个领域，经典物理学。经典物理学中有一个分支叫做热力学，热力学有三大定律，我们这里呢，就说说热力学第二大定律。它是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。比如冷水和热水混在一起会变成温水，不会说一半冷一半热。这种无序的程度叫做熵，因此这一定律也叫做熵增定律。而这个定律呢，可以说是物理学中最无懈可击的定律之一了。可是电磁理论的发现者，大科学家麦克斯韦，却偏偏为这个定律招来了一个妖魔，给热力学第二定律戳了一个大窟窿。麦克斯韦提出这样一个思想实验，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。盒子里面有一个妖魔，他可以操纵这个阀门啊，让冷热原子分开。比如说左边过来一个冷的原子，妖魔就打开阀门，让它移动到右边，左边过来一个热的原子，妖魔就关闭阀门，不让它过去。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。这个悖论呢，叫做麦克斯韦妖。妖魔的妖哈。这个妖魔呢，不管是人还是机器，如果有一天他被制造出来，不消耗任何能量，就能够使熵减少，那么热力学第二定律也就从此无法再约束宇宙秩序了。
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。我们先来看一看“祛妖”的第一步啊，既然盒子里的妖魔用阀门将冷热原子隔开，那么他就必须首先判断，这个原子是冷还是热啊。也就是说，它需要对原子进行测量，提取信息。这个信息可不是白白得来的，只要你进行信息处理，代价就是要消耗能量。在这个绝对封闭的、漆黑一片的系统当中，如果妖魔不消耗能量，不付出代价，只坐着干瞪眼儿，而是根本无法判断原子冷热的，自然也就不能够将它们有效隔开了。紧接着还有“祛妖”的第二步，我们可以把这个妖魔看成是一台电脑，给他编入一个程序，命令他开关阀门。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。信息论说了，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。删除记录的过程当中，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，他先是要获取信息，然后要储存信息，最后要删掉信息，这些信息处理过程都需要付出代价，要么是妖魔消耗自己的能量，要么是增加了熵。信息理论打败了麦克斯韦妖，捍卫了热力学。
走出经典物理学，我们迈向第二大物理领域——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。他告诉我们，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。狭义相对论跟热力学第二定律一样，堪称是一个完美的理论。但是，物理学家们有一个比建立完美理论还要过瘾的事，那就是击破一个完美的理论啊。狭义相对论同样面对着来自各方面的检验和质疑，其中最麻烦的就是谷仓内的标枪悖论。想象一下，有一名运动员手持一根15米长的标枪，向一座15米长的谷仓跑去啊。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，会发生什么事情呢？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，他以光速80%的速度奔跑，相对的谷仓就以光速80%的速度向他冲来。在运动员看来，高速运动的谷仓长度会缩短，从15米缩短为9米，标枪比谷仓长，所以标枪还没有穿过前门，枪头就会砰的一声撞到后门。而在一位旁观者眼里，谷仓静止不变，缩短成9米的是高速运动的标枪，当标枪全部进入谷仓时，前门关闭，后门自动打开，这时枪头离后门还有6米远呢，运动员毫无阻碍地就跑了出去。好啊，这下可抓到了爱因斯坦的弱点了，同样的事件，运动员和旁观者一个看到了碰撞，一个看不到碰撞，狭义相对论自相矛盾了啊。如果说你觉得听得费解的话，可以去看看听书笔记当中的示意图。
现在信息论又要大显身手了，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，这正是解决悖论的核心武器。谷仓前门的感应器必须给后门发送信息，才能够让后门开启，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，缩短成9米的标枪进入谷仓之后，前门关闭，同时向后门送出一条信息。然而枪头在前面已经有9米远，并且以80%的光速向前飞奔，这相当于枪头在和信息赛跑，并且呢，领先9米。枪头会在信息到达后门之前就撞到门上了。而且不论标枪的长度和速度怎么改变，因为信息传播不能超越光速，它永远也跑不过枪头。也就是说，后门并不能够收到开门的信号，旁观者同样会听到砰的一声撞击。这样运动员和旁观者也就意见一致了。这条信息传播不能超越光速的原则，在理论上消除了悖论，但是它是不是真的符合实际情况呢？实验证明，超光速的光波确实存在，它难道不能用来传递信息吗？答案是的确不能。科学家们做了一个实验，让超光速的光脉冲传送一个比特，让这数脉冲变量代表一，变暗代表零，再让普通光束也传送一比特，看看超光速脉冲是不是比普通光传送信息更快。可是实验结果却恰恰相反，虽然普通光跑的比超光速脉冲慢，但是信息探测器却首先接收到了普通光传递的信息，超光速脉冲携带的信息出现了失真，探测器呢，总是要花更多的时间来接收和分辨信息。即使脉冲中的光子本身快于光速，可是信息传播却怎么都不会快于光速。如果说超光速脉冲像一架飞机，那么它携带的信息就好像是托运行李，尽管飞机落地，可是行李总是要等半天，才能够出现在传送带上。狭义相对论巍然不动。
说完狭义相对论，我们再来看一看下一个物理领域——量子力学领域。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，或者说是能量的最基本携带者，所有的微观粒子，包括原子、电子、光子，都是量子的一种表现形态。量子世界有一个诡异的特征，叫做状态叠加。在我们日常世界里，一个物体只能有一个状态，比如一只猫，它要么是活的，要么是死的。而在量子世界，一个粒子可以有无数的状态同时存在，它能实现全部的可能性。如果我们用一个量子来传送信息，那么它同时既是一又是零，这个诡异的现象就是量子的状态叠加。尽管这种叠加效应让人难以理解，但是呢，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够有这种叠加状态呢？毕竟宏观世界就是由无数微观的量子构成的呀。啊，对于这个问题，奥地利物理学家，量子力学的奠基人之一薛定谔，设计了一个著名的思想实验，再次为物理学带来了一个麻烦的悖论，这个悖论就是大名鼎鼎的薛定谔的猫。我们呢，可以从信息论的角度来解读一下这个实验。
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。这时我们向这个盒子里发射一个电子，这个电子有两条路径可以走，一条路是死胡同啊，从这个路径通过，什么事情都不会发生，用零来表示，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，盒子里的小猫立即死去，用一来表示。那么盒子里面会发生什么事情呢？根据状态叠加效应，电子将同时通过两条路径，零和一将会同时出现，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？啊，而且更为离奇的是，只要没有人打开这个盒子，这种叠加状态就能够一直存在。一旦有人打开盒子观察，这只猫就会立刻选择其中一种状态，出现在我们的眼前，要么生，要么死，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。这只又死又活的猫一直困扰着物理学家，解决这个悖论的关键呢，还是信息。我们刚才说到，量子的叠加状态最怕被人看啊，怕被人测量，这并不是说观测这个动作本身改变了叠加状态，而是观测这个动作带来了信息的传递。当一个原子被人观测时，就一定会有光子或者是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。
那么如果装猫的盒子一直不被打开，没人去观察猫的死活，那猫真的要处在又死又活的叠加状态当中吗？不要担心，猫的死活早已经被决定，即使人类不去观测，也有其他的观测者，这个神秘的观测者时时刻刻观测着天地万物，获取他们的信息，并且散播到环境当中，这个观测者就是自然界。自然界本身就在不断的进行测量，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。当风吹动树叶发出沙沙的声响，这使空气中的气体分子在撞击树叶，形成声波，也将树叶的信息散播到环境中，光粒子和空气粒子就是自然界的探测器，我们只不过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，并且反射回来，信息仍然在向环境流动。如果我们把这片树叶从整个宇宙当中彻底孤立起来，锁到一个绝对零度的真空盒子里，又会发生什么呢？根据量子力学的真空涨落效应，粒子与反粒子可以在真空当中不断的无中生有，所以要屏蔽一个物体，使它完全不被自然界测量是不可能的事情。研究显示，一个物体越大、越松散、越热，它的信息向环境泄露的就越快，这就是微观的量子世界与宏观的经典世界之间的根本区别。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，就会快活的处在叠加状态，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，猫的信息早已经散播到环境当中，它早就选择了生死，我们永远都不可能捕捉一只处在叠加状态当中的猫，这就是对薛定谔的猫的解释，这只猫再也不必又死又活了。
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，它们之所以表现的如此不同，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。从以上三个悖论当中我们可以看出，信息论对三大物理学领域都进行了不可思议的修补和完善，物理学中这些最基本的定律，实际上都是关于信息的定律。我们可以大胆地做一个预言，或许信息就是宇宙中的最高定律。这么说并不夸张，时至今日，我们对宇宙的探索中还有大量的未解之谜，就拿薛定谔的猫来说，叠加态的电子被看了一眼，就随机选择了一种状态，那么另一种状态到哪儿去了呢？这个问题引发了对多元宇宙的争论，这也是探索宇宙结构的终极话题之一。问题的关键依然是信息，信息论是对多元宇宙最有利的解释之一。量子计算的奠基人之一多伊奇就说，多元宇宙的结构就是由信息流决定的。信息是塑造我们宇宙的利益，宇宙就像一只洋葱，有一层一层的薄膜贴合在一起，每一层就是一个独立的宇宙，一个电子在一个宇宙当中选择了A路径，在另一个宇宙里选择了B路径，只要这两层宇宙膜贴合在一起，那么这个电子就好像是同时处在两个地方，也就是状态叠加。当我们对电子进行观测，提取电子中的信息时，就把两片薄膜彼此剥离了，薄膜上的观测者也一分为二，每个宇宙薄膜当中的人只能够看到自己所在宇宙当中电子的路径。
作者在全书中都贯穿着这样一个观点，宇宙本身就是一台庞大的信息处理器，信息塑造了整个宇宙，它往来不绝，川流不息。既然宇宙是台计算机，那么它同样有零件老化、算不动的那一天。物理学家计算出宇宙这台超级计算机从诞生以来，已经执行了十的120次幂的操作次数，它的工作已经进行到差不多一半儿，在剩下的十的120次幂的操作全部执行之后，可观测宇宙中的所有生命都会灭绝，我们的信息会散落在没有生机的宇宙里，毫无价值。这就是信息论，它可能是解开宇宙终极奥秘的钥匙，也孕育着终极毁灭的萌芽。也许，这正是信息作为宇宙中最高定律的力量所在。
好，这本《解码宇宙》就为你解读到这儿，听书笔记在音频下方，我们明天见。
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