论元宇宙何以可能：从物理学的原理到认知科学的原理

李继堂

目前社会各界都在讨论“元宇宙”，大有“元宇宙大爆炸”之势。一方面，人们感觉“元宇宙”只是一个尚不清晰的概念，另一方面，社会各界又跃跃欲试、生怕落后于人，而不能搭上带来宏利的“元宇宙”第一班车。或者认为这是投资者为了“割韭菜”的“忽悠”，即便冷静的说法也认为“元宇宙时代肯定会到来不过不是现在而已”。意思是说，元宇宙时代终归会到来的，只是现在的条件还不完全具备。而一个时代不外乎其科学技术、社会经济、政治文化和宗教，在波普那里就意识到科学技术对“社会发展”的决定性作用。所以，元宇宙时代可不可能，就取决于物理世界跟虚拟世界能不能真正统一和融合。下面就不从元宇宙的技术底座、资本运作以及认识路径去全面分析，只是就科学层面进行讨论，毕竟在科学技术一体化的时代，虽然技术可能“有自己的生命”，但是技术不可能违反科学原理。一言以蔽之，元宇宙是可能的，因为人类发现的物理学原理和认知科学的原理是统一的，这就决定了更好的虚拟技术和深度沉浸成为可能。

一、物理学的原理对物理世界的统一

可能没有人反对科学的发展一直受人类追求科学知识的统一性所驱动，从古希腊第一个自然哲学家泰勒斯把万物的本原统一归结为水开始，近代科学革命的先驱也是通过一系列科学原理来认识物质世界的。伽利略为了论证地球在转动而为我们所不知，这个地心说和日心说争论的焦点，通过所谓“伽利略大船”的思想实验论证了“伽利略相对性原理”，正是人们在匀速运动的船里观察到的现象跟静止不动的船里观察到的现象完全一样（数学上叫“对称”），才有力地说明了“为什么日心说认为地球在快速自转和公转而为住在地面的人们所不知？”解决这个日心说的致命难题，说明了地球上所有的物体都在随地球运动而我们感觉不到的原因，也开启了用对称性原理来统一物理世界的方便之门。

众所周知的牛顿力学统一了天上地下一切物体的机械运动的规律，特别是牛顿万有引力定律定量揭示了宇宙万物之间的引力作用，这个人类认识最早的自然界四种基本作用力的第一种力。然而这个万有引力定律是建立在牛顿三定律的基础上的，即便对引力的描述后来让位于爱因斯坦的广义相对论引力场方程，但是牛顿的惯性定律（牛顿第一定律）、F=mdr/dt(牛顿第二定律)、作用力等于反作用力只是方向相反(牛顿第三定律)，这三个所谓的“牛顿三定律 ”始终成立，甚至牛顿所写的第二定律微分形式在相对论洛伦兹变换下都能保持不变。事实上，相对于牛顿万有引力定律这样的“科学定律(scientific law)”，所谓的“牛顿三定律”更应该看作是严格意义上的“科学原理(scientific principle)”。科学定律往往是受科学原理的启发，在大量观察实验基础上，用数学方法对自然现象的定量描述。科学原理比科学定律更基本，试图回答自然现象为什么以及普遍如此，而且往往是定性说明。相比之下，科学原理则是间于科学概念与科学定律之间的一个环节，就像牛顿的《自然哲学的数学原理》原著中，模仿欧几里德《几何原本》的公理化体系，先讲述了质量、空间、时间等基本概念，接着讲“牛顿三年定律”，然后在“流数术(微积分)”基础上，推导出万有引力定律及其应用，形成牛顿力学理论体系。也就是说，在概念-原理-定律-理论这个系列中，“牛顿三定律”处在科学原理这个环节，这还可以从牛顿第一定律也叫“惯性定律”，是用来定义惯性概念的角度讲的，它相当于一个普遍概念的推广，没有定量公式，牛顿第三定律也是用来定义作用力和反作用力的。牛顿第二定律是对力的概念的精确定义。就牛顿力学体系而言，作为科学原理的牛顿三定律，不仅不会像万有引力定律一样因为定量的精确性容易被否证，而且它的广泛性可能超越牛顿力学体系，同时也是牛顿力学的基础部分，有其比科学定律更好的基础地位，可以引导整个科学理论（牛顿力学）体系的建立。

相比于牛顿力学对机械运动的统一，或者如科学史家说的“牛顿的综合”，法拉第和麦克斯韦电磁理论不仅把电和磁统一起来，还把光也作为电磁波，实现电现象、磁现象和光的本质的统一。无独有偶，法拉第和麦克斯韦之所以能够抓住电磁感应定律等基本定律形成完整的电磁学理论，是与法拉第能够在大量的实验观察的基础上，意识到类似于电磁感应定律和“法拉第笼”这样的重要实验有关的。这个“法拉第笼”很像“伽利略大船”。使人们认识到电磁势的重要作用，特别是它增强了用数学的矢量空间的方法来描述电磁场的信心，直接导致麦克斯韦方程组得以建立。因此法拉第-麦克斯韦电磁理论体系中，在麦克斯韦方程组这样的科学定律下面，是类似于以法拉第笼中“电磁势相等”包含的科学原理作为基础，只是说法拉第没有把它明确地表述为一个科学原理（“规范原理”要20世纪才得以明确表述），而是形象地描述了相关实验，甚至把电磁感应定律也说成“磁力线被闭合导线(圈)切割会引起电动势(电流)”，“法拉第电磁感应定律”相对于麦克斯韦方程组，就跟“牛顿三定律”相对于牛顿万有引力定律一样，也是严格意义上的定性描述的科学原理。所以，麦克斯韦才会说：法拉第已经很好地发现电磁现象的规律，他只是把法拉第的描述翻译成数学语言，也足见科学原理的作用有多大。

到现代物理学的狭义相对论和广义相对论更是直接从科学原理出发，1905年爱因斯坦发现在伽利略相对性原理的基础上，牛顿力学和满足麦克斯韦电磁理论的光的传播定律相矛盾，于是把伽利略相对性原理推广成狭义相对性原理，即包括电磁运动规律在内的所有物理定律在相对做匀速直线运动的坐标系里保持不变，加上所谓“光速不变原理”，直接就可以得到狭义相对论的整个理论。1907年爱因斯坦进一步把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即所有的物理学定律都应该在任何相对运动（不限于匀速运动）的坐标系里保持不变，外加所谓的“等效原理”，即简单说就是引力质量和惯性质量的等价，就可以起建立广义相对论。只是涉及到的数学工具对于爱因斯坦来说过于复杂，直到1915年几乎与希尔伯特同时得到著名的广义相对论场方程。虽然历尽艰辛，但是最终也是在两个基本原理的基础上完成了广义相对论。

当然，科学原理的提出并不一定从大量观察实验基础上的物理直觉得到，比如外尔提出规范不变性原理时，就是直接从广义相对论出发，发现广义相对论所使用的数学工具黎曼几何在拓展欧式几何时还不够彻底，于是发展出所谓的“真正的无穷小几何”，即所谓“外尔几何”，然后在此基础上试图去统一引力和电磁力，这也曾经是黎曼的目标。拓展后的外尔几何就可以模仿爱因斯坦把引力进行几何化描述的方法，也可以对电磁场进行一种非欧几何的几何化描述。就像在黎曼几何中度量移动时方向的不可积性导致引力的引入，外尔几何中线元长度在移动时的不可积性，即所谓的“尺度的相对性原理”，就会进一步引入电磁力。跟广义相对论中作用量对于坐标变换的不变性对应着能量动量守恒定律一样，作用量对于“标度不变性”就对应着电荷守恒定律，即所谓“规范不变性原理”。通过推广相对论得到外尔的局域规范不变性原理就成为后来规范场论的基本原理，特别是杨振宁和米尔斯在同位旋上复活了局域规范不变性原理，提出著名的杨米尔斯理论后，粒子物理学逐渐形成了粒子物理标准模型，包括弱电统一理论和量子色动力学，它们分别描述了自然界中除了引力之外的61种基本粒子之间的电磁力和弱相互作用力以及强相互作用力。甚至宇宙学的大爆炸标准模型背后的广义相对论也可能看作是规范理论。从而实现物理学在规范理论基础上的一个统一框架。

二、生命现象和认知科学的自由能原理

事实上，物理学除了上述微观世界的粒子物理标准模型和宇观世界的大爆炸标准模型的理论都是建立在一些基本原理的基础上之外，在宏观世界还有跟能量这个物理量紧密相关的热力学统计物理，其中最著名的就是热力学第一定律，即能量转换与守恒定律，使我们对能量概念有深刻认识，它也跟定义力概念的牛顿第二定律一样太普遍了，以至于在科学原理和科学定律之间抉择时，可以视为定义能量概念的科学原理（此处有争议）。还有就是热力学第二定律，即所谓“熵增原理”，认为热量不可能自发地从低温热源转移到高温热源。其实，许多物理学家涉及热力学第二定律时喜欢讲“热力学第二原理” (second principle of thermodynamics)不是没有道理的。因为它更像是在通过ds/dt≥0定义什么是熵（entropy）而不是一个定量定律，加之热力学第二定律有几种表述形式。熵跟能量不一样，根据热力学第一定律能量既不能被创造也不能凭空消失，但是熵是用来描述有用能量转化为无用能量的程度的，熵在孤立系统内只能被创造（增加）而不能被减少。包括所谓的“热力学第三定律”，认为绝对零度达不到。还有“热力学第零定律”可以表述为：如果两个物理系统跟第三个物理系统处于热平衡状态，则这两个物理系统也处于热平衡状态。其实是用来定义温度的概念和明确测量温度的方法的。可见，热力学的四条定律都不太像万有引力定律那样的科学定律，更像跟功热转化过程中的一些变化趋势或者状态的描述，即一些普遍原理。这可以从它们容易推广到生命现象和认知过程看出来。

虽然我们不能把热力学第二定律和第一定律笼统地用到宇宙整体，那样就会推出整个宇宙终将会达到一个热平衡的“死寂状态”，即所谓到“热寂说”。但是热力学第二定律的确可以用到宇宙的各个层次上相对独立的系统，比如恒星、行星、环境、器官、大脑、神经网络、神经和神经传导过程、细胞内细胞器之间的交换、分子、原子、亚原子。特别是，这些系统处在一定的环境下明显是自组织系统，并且可以统一通过马尔可夫毯（Markov blanket）来解释。也就是说，只要能够和周围环境有一个明显界限的系统都可以得到很好的处理，而背后有一个共同的原理，即自由能原理（free energy principle）。自由能是源自于热力学的一个概念，本来是用来度量可以从系统中获得的功的多少，或者说有用功的大小，从信息论角度可以视为能量跟熵之差。这个原理也有不同的表述形式。由于自由能可以通过系统之间交换的概率分布进行度量，英国神经科学家弗里斯顿（K.Friston）通过把系统限制在有限状态下来解释其保持其秩序（非平衡稳态）的原因，使自由能原理随处可用，主要是把自由能理解为生命体产生的惊异（surprisal）加上识别跟感受程度之间的差异。特别是可以用来解释生命现象和认知过程，不仅解释生命和心智的连续性，而且成为目前最为统一的认知科学模型预测加工（predictive processing）理论的核心原理。

在解释生命现象时，主要是把生命系统视为处于环境中的自组织系统，不过，不是简单认为系统与环境之间存在物质、能量和信息之间的交换以维持其低熵状态，而是（根据自由能原理）进一步认为任何与环境处于平衡状态的自组织系统必须最小化自由能。意思是说，生命体可能的生理状态和感觉状态相比于无生命体征时的状态总是少数情况，或者说活着时的低熵状态的状态空间远小于频临死亡（以及死后）热平衡的状态空间，相当于俗话说的“活着比死（后）难”。就像一条鱼，不是在所有情况下都能够活着，比如在岸上时间长一点就会频临死亡，只有在水里才能够活，因为相比之下在水里的时候鱼和环境之间的自由能低得多。

  自由能原理还可以很好地解释认知过程。进一步把生命系统和环境系统分成内部状态和外部状态、以及预测在两者之间感知状态和行为状态，后两个状态构成数学上所谓马尔可夫毯。它们之间的关系可以简单说成：环境的外部状态引起感知状态，而生命系统（比如大脑）的内部状态引起行为状态（即行动）。当然，所有认知过程都遵守自由能最小化原理，就像前面讲的那条拼命活着的鱼，一旦处在岸上，周围环境就会引起鱼感知到自己的状态跟自己需要（或者说“预测”）的状态相去甚远，形成所谓惊异，为了让自由能最小化（消除惊异），鱼儿会采取行动，不断跳跃，最好跳到水中，最后使自己预测到（需要）的的状态跟外部世界刺激感知到的状态之间的差异最小化，从而解释知觉、认知和行动，包括自我的模型。可见，自由能最小化的原理贯穿生命现象和认知过程。

三、结论：自由能原理使元宇宙得以可能

我们回到我们的中心问题：从科学道理上讲元宇宙到底可不可能？通过物理学的原理和认知科学的原理的考察，我们发现无论是物理世界、还是生命现象和认知过程都遵守一些共同的基本原理。特别要提的是，科学的诸多要素和层面：概念、命题、原理、定律、理论、范式、领域，以及研究纲领，甚或背后的哲学、社会、政治、经济、文化。其中最有根本性和统一性的还是科学原理这个层面，因为一个命题甚至单纯几个命题无法形成理论，而一个科学定律因为定量化限制了科学原理的范围，在讨论科学的统一性和深刻性时最好从科学原理入手。就像上面讨论的自由能原理，它原本是物理学的原理，在热力学中主要以能量形式出现，以信息论形式表述后有利于在生命和认知的讨论。而就系统之间的“关系”而言，自由能原理实则是所有“事物（things）”都遵守的一个“理论（theory）”，因为从整个宇宙到基本粒子之间各个层次的事物，只要人们把它作为一个事物（对象）来研究，就是把这个事物跟另外的事物区分开来，就有上面所说的内部系统和外部系统，并且满足系统之间的自由能原理，可以说，自由能原理相当于某种意义上的万有“理论”。换言之，自由能原理就是元宇宙的“第一原理”（即“元宇宙原理”），相当于所谓的“第一心理物理学定律”，因为据说生命现象和认知过程中没有传统意义的科学定律。且不论物质世界，就认知过程而言，以自由能原理为核心的预测加工理论，就是目前流行并且最统一的一个模型，已经能够很好地把心理学、神经科学、认知神经科学、机器人、人工智能等学科连接起来。这已经从理论上保证从现实世界到虚拟世界的沉浸和叠加成为可能。至于世界观、人生观和价值观也会随着社会生活的发展自然而然地改变。同样，网络技术和物联网需要的虚拟技术和资本经济凭借其内在发展规律和驱动力，应该是水到渠成的事情。一句话，从物理学原理到认知科学的原理的统一性在基础理论层面保证了元宇宙得以可能。