宇宙是一个计算机吗 ?

　　泛计算主义 (pancomputalionalism) 是当代的一些前沿科学家和哲学家提出的一种新的世界观，这种世界观认为，所有的物理系统都是计算系统，宇宙是一个巨大的计算机。在《计算主义：一种新的世界观》( 李建会等，2012)( 以下简称《计算主义》) 中，我们详细追踪了这种世界观的产生、发展和理论根据。正如书中所说，这种世界观最直接的鼻祖是计算机之父 K. 楚泽 (Konrad Zuse)。楚泽第一个把数字计算模型推广到了宇宙论的尺度。后来，E. 弗里德金 (Edward Fredkin) 进一步推进了这个构想，把整个宇宙设想为一个巨大的细胞自动机。其他人如 S. 沃夫拉姆 (Stephen Wolfram)、D. 多伊奇 (David Deutsch) 等人也持泛计算主义的观点。这种观点自提出以来，便在科学界和哲学界引发了巨大争议。这种争论中的泛计算主义在其早期主要基于图灵机模型，即把宇宙设想为在时空上离散的，把宇宙中的计算设想为数字计算。绝大多数对泛计算主义的批驳，实际上也主要在质疑自然系统能否被视为图灵计算系统。然而，随着计算机科学的发展，以自然计算和超计算为代表的新计算范式，逐渐超越了旧的图灵计算范式。在《计算主义》一书中，我们虽然为这种世界观提出了很多论证，包括基于自然计算的论证，但这种论证还可以继续扩展。在本文中，我们将为计算主义世界观提供新的论证。我们首先将讨论对旧的泛计算主义的两种典型反驳；然后，我们将讨论正在浮现的自然计算范式如何启发我们更新目前的泛计算主义世界观。

　　一、对泛计算主义的两种批评

　　泛计算主义的反对者提出过很多论证和论据来反驳它。在我们看来，围绕泛计算主义的争论主要在于：(1) 自然系统能否被看作计算系统 ?(2) 自然系统在建模意义上是一个计算系统，还是其本身就是一个计算系统 ?(3) 自然系统是否是图灵可计算的 ? 下面，我们将围绕弗洛里迪和皮西尼尼各自的对泛计算主义的比较系统的反驳，来展开对问题的详细讨论。1. 弗洛里迪的反驳论证确切地说，弗洛里迪并未对一般意义的泛计算主义作出反驳，他直接针对的是泛计算主义的一个主流版本即数字本体论。在他看来，数字本体论可以概括为四个论题：(1) 物理世界在本质上是离散的；(2) 物理世界可以被整数这样的离散值所模型化；(3) 物理世界的演化是可以作为算法的输出而被计算的；(4) 支配物理世界的规律是完全决定论的。这四个论题都是基于楚泽论题：宇宙被某种巨大而离散计算机所计算。弗洛里迪指出，虽然数字本体论的根本特征是把宇宙视为离散的，我们也可以主张宇宙是模拟的或混合的。然而，弗洛里迪并不准备在数字本体论或模拟本体论之间作一个非此即彼的选择，而是把矛头对准问题(2)。他在世界本身和对世界的建模之间做一个划分，然后认为，世界本身是否是数字的，与世界是否被数字地建模是无关的。数字或模拟只是建模系统在抽象层次的特征，不是被模型化的系统本身的特征。而在数字本体论中，二元论被误用了，它超越了抽象层次所设定的界限，而逾越到实在本身，于是就导致了模拟还是数字的二律背反。

　　2. 皮西尼尼的反驳论证

　　皮西尼尼的反驳相比弗洛里迪要复杂得多。皮西尼尼的理论支点是他的计算的限制性理解，即并不是所有的物理系统都是计算系统，只有有限种类的物理系统才是计算系统。皮西尼尼与泛计算主义的分歧，主要集中在两个方面：第一，一个物理系统如何可以被称之为计算系统 ? 对这个问题的不同回答，可以导出不同的计算观；第二，如何判定一个物理系统是计算系统 ?因为现实中的具体计算通常是图灵计算，这个问题就可以转换为一个物理系统如何被判定为图灵可计算的 ? 对这个问题的不同回答，可以导出温和的和极端的物理丘奇 -图灵论题。在他看来，某些类型的计算观和极端物理丘奇- 图灵论题都会导向泛计算主义。因此，他对泛计算主义的反驳就集中于这两个靶子之上。在皮西尼尼看来，无限制的泛计算主义基于对计算的简单映射解释。根据简单映射解释，一个物理系统 S 只要满足这样的两个条件就可以被看作是执行了计算 C：“(i) 存在从归属于S 的物理描述的状态到计算描述 C 定义的状态的映射，以便 (ii) 物理状态之间的状态转变反映计算状态之间的状态转变。”但简单映射解释太过自由，任何计算描述的状态都可以映射到任何物理系统的状态上，我们可以说任何物理系统可以执行任何计算，这就导向了无限制的泛计算主义。对计算的其他几种解释是通过加强条件 (ii)，对计算标准做更多的限定。根据皮西尼尼的看法，其中至少两种解释将导致泛计算主义。在因果解释中，要求映射到计算状态 和 的两个物理状态之间存在因果关系。但因为任何事物都有因果结构，那么任何物理系统都是一个计算系统。于是泛计算主义就成为自然而然的结论。而在计算的语义解释中，除了因果解释增加的因果约束之外，还增加了语义约束：一个物理状态只有是表征的，才能被映射到计算描述中，因此才能被视为计算状态。如果一个状态不是表征的，它就不是计算的。因此，计算就是表征的处理。但对于什么是表征，则有待进一步的解释。根据一种基于信息的语义学，表征就是任何携带信息的事物。因此，计算就是信息处理。如果我们假定任何物理状态都携带信息，那么，任何物理系统都有表征，因而也会执行计算——这同样导向了泛计算主义。皮西尼尼对这些计算观的批评可以归结为一点：它们无法说明真正的计算系统如计算机和心灵，与普通的物理系统如石头、胃和行星系统之间的区别。

　　皮西尼尼对泛计算主义的另一个反驳针对的是极端物理丘奇 - 图灵论题。极端的物理丘奇 - 图灵论题认为，任何物理过程都是图灵可计算的。大多数当前的物理理论都认为自然或自然过程包含了连续变化的实数值的量 (realvalued quantities)。而任何连续区间的大多数实数都是不可计算的。事实上，图灵可计算的数是有限的，而任意区间的不可计算的数却很多。因此，任意选择的实数值的量是图灵可计算的可能性为零。所以，由于物理过程包含非常多的不可计算的实数，所以，物理状态变化就超出了图灵可计算的范围。如果这是正确的，那么极端的物理丘奇 - 图灵论题就是错误的。皮西尼尼虽然否定极端的物理丘奇 - 图灵论题，但对温和的丘奇 - 图灵论题则持支持态度。温和的命题主张，任何能被物理系统计算的函数都能被图灵机计算。显然，无论是弗洛里迪还是皮西尼尼对泛计算主义的反驳，都同时论及问题 (2) 和问题(3)。对于问题 (3)，弗洛里迪倾向于从根本上取消它，而皮西尼尼虽然反对所有的物理系统都是计算系统，但承认存在一些物理系统是计算系统。然而，我们将看到，弗洛里迪取消对自然系统是模拟还是数字的承诺，并不必然会危及泛计算主义本身。而如果存在非图灵的计算模型，即便大多数物理系统不是图灵可计算的，也不能否认它们是非图灵可计算意义上的计算系统。如此一来，皮西尼尼基于反对极端物理丘奇 - 图灵论题反对泛计算主义也就不成立了。实际上，最近几十年兴起的自然计算，已经为我们提出一种超越基于丘奇 - 图灵论题的泛计算主义开辟了道路。

　　二、自然计算及其对图灵可计算的超越

　　1. 什么是自然计算 ?

　　在自然计算专家 G. 罗森伯格 (Grzegorz Rozenberg) 看来，自然计算“探究自然启发的人类设计的计算，以及发生在自然中的计算，换言之，它探究自然启发的模型和计算技术，以及发生在自然中的信息处理意义上的现象”。而在 L.N.de 卡斯特罗 (Leandro Nunes de Castro) 看来，“自然计算可以定义为一个基于或启发于自然，致力于发展新的计算工具，以及合成自然模式、行为和有机组织，也许还可以有助于设计使用自然媒介的新计算系统的研究领域”。综合他们的定义和理解，自然计算有四个方面的含义：(1) 自然启发计算；(2)通过计算机的手段实现的对自然的模拟和仿真；(3) 自然物质为实行基质的计算和 (4) 自然中的计算。这样，我们便得到了四种自然计算概念。前三种自然计算已经证明，大自然不仅可以启发新的计算范式或模型，而且存在着可替代的物理基质可以实行非传统的计算，因此自然计算 (4) 即把自然过程视为一种计算过程也越来越具有合法性和适当性。自然计算最具革命性的地方不仅在于它可以启发新的算法和模型，增进对自然的理解，设计新的计算机，而且也在于它可能会对我们目前的计算概念构成严重的挑战。因为越来越多的自然计算过程都可以被理解为一种超计算，即非图灵机模型的计算，对于它而言，丘奇 - 图灵论题不再有效。在此，为了更进一步理解自然计算，我们首先需要澄清超计算或自然计算如何超越了图灵可计算。

　　2. 超越图灵可计算

　　理论上讲，只要拥有足够的时间，图灵机可以计算现在市场上的任何计算机能够完成的计算。丘奇 - 图灵论题即建立在图灵机模型之上，它主张：任何可用有效 ( 机械 ) 方法计算的函数都可以由通用图灵机来计算。经典的可计算理论是由丘奇 - 图灵论题衍生而来的，因此可计算性往往就意味着图灵可计算。在图灵的原初语境中，图灵机其实是被用来展示这些机器有不能执行的任务，即便拥有无限的存储和无限的时间。图灵为此构想了一种谕示机 (oracle machine)，它可以解答图灵机不可解答、不可判定的问题，如：停机问题。这可以说是超级计算机的最初雏形。根据 B.J. 科 普 兰 (B.Jack Copeland) 的 定 义，超级计算机是任何一种概念上的或现实中的信息处理机器，它可以计算通用图灵机所不能计算的函数或数，或更一般意义上的解决它不能解决的问题，执行它不能执行的任务。科普兰把自然计算归类为超级计算的一种，它在理论上最著名的倡导者是 B.J. 麦克伦南 (Bruce J.MacLennan)。

　　在麦克伦南看来，传统的图灵机模型是在特定的语境中提出的，并且它基于一系列的假定，如果不顾这种语境和假定，把它推广到对所有类型的计算的研究中，甚至把计算等同于图灵计算，就会导致丘奇 -图灵谬误。在他看来，图灵计算只是一种理想化的模型，而模型所能解答的问题取决于它被设计来解答什么问题，如果要用该模型解决其他问题，就会一无所获。就其历史语境而言，图灵机所要回答的是数学中的形式主义程序问题，也就是希尔伯特的不可判定性问题。它尝试把数学还原为一个演算或离散的形式系统，在一个演算中，它假定信息的表征和处理都是形式的、有限的和确定的，也就是说，信息表征是理想化的数学或逻辑规则，而表征的处理则是理想化的形式数学证明。这意味着图灵计算所处理的信息是抽象的、句法的，而不是具体的、语义的。因此信息的处理就是纯粹机械的，遵循着简单和有限规则，而没有任何含混的判断。图灵计算是由有限的、确定的、原子的步骤构成的。但如果我们把图灵机运用到自然计算领域，我们就必须对这些语境和前提重新检验。在我们看来，自然计算具有两个最重要的特征：首先，计算系统与环境是充分交互的，需要随时和环境进行信息交换和处理；其次，自然计算所处理的变量是连续的而不是离散的。在传统的图灵机计算模型中，计算机是独立于环境的装置，通过预置的算法和输入，运算之后自动输出结果，因此，图灵机模型的计算系统本质上是封闭、孤立系统。但自然系统本质上是开放性的，计算系统的观察者或能动者本身是处于环境系统之中的，并且持续不断地与环境进行通讯，因此，我们需要一种新的交互式计算模型来替代它。另一方面，自然系统中的信息在时间和空间上都是连续的，系统从一个状态到另一个状态的转变也是连续的，而图灵计算是对离散的信息的表征和处理，连续的量就不能被直接处理，因此离散计算模型就不能很好地表征所要处理的自然系统。但是模拟计算过程直接处理连续的量，连续的模拟计算模型要比离散的图灵机模型更适用于自然计算。现在的自然计算提出的是不同的问题，对它的解答也应该使用新的模型，而不是继续沿袭旧的模型。同时，麦克伦南认为，虽然图灵机理论并非错误的，但它作为一种模型已经落伍了。这意味着，一种新的计算范式已经在浮现了。

　　三、基于信息 - 计算主义对反泛计算主义论证的反驳

　　既然图灵计算并非是计算的唯一可能模型，那么我们就能发展出非图灵模型的泛计算主义，由此，泛计算主义将免于弗洛里迪和皮西尼尼的批判，因为他们所批评的泛计算主义无不是基于图灵机模型的。近年来，瑞典信息哲学家 G. 多迪格 - 瑟恩科维奇 (Gordana DodigCrnkovic) 基于自然计算范式发展了一种信息 -计算主义，它综合了弗洛里迪的信息结构实在论和楚泽以来的泛计算主义。她采用了通行的对计算的定义，即计算是一个信息处理的过程，由此勾连了信息本体论与计算本体论。她赞同弗洛里迪的信息结构实在论，认为信息是实在的构造，实在是由不同层次的信息结构构成的。但她进一步区分了潜在的信息与实际的信息。前者是作为实在架构的信息结构，它是还没有现实化的信息，后者是能动者 (agent) 之间或能动者与环境进行交互作用之后产生的信息动态过程。这个过程同时也是一个计算过程，但这种计算不再是孤立计算系统的图灵计算，而是与环境充分交互的自然计算。在此，计算就展现为能动者的交互过程中的信息交换与处理。在这个过程中，信息结构和计算过程相互影响，计算过程实现了信息结构中运作的物理定律，而通过计算过程，信息结构也改变了它们的形式。所有层级上的计算过程都是这种计算。这样，从基本粒子层次，到分子层次，到生物系统层次，再到社会组织层次，整个宇宙就展现为不同层级的信息结构和计算过程。从这种基于自然计算模型的信息 - 计算主义出发，我们将能回应弗洛里迪和皮西尼尼的批评。

　　1. 对弗洛里迪的回应

　　弗洛里迪对数字本体论的反驳是，实在的数字特征只是模型系统在抽象层次的特征，而不是实在本身的特征。然而，我们可以不承诺实在的数字或模拟属性，却不放弃泛计算主义的立场。劳埃德早已基于量子计算的原理，更新了泛计算主义的版本，在他看来，量子计算已经超越了模拟计算和数字计算的区分，因为量子是离散，它们的状态可以直接映射到量子比特的状态；同时量子也是连续的，它们有波的属性，它们的状态是连续叠加的。传统的见解认为模拟计算是连续的，而数字计算是离散的，但当它们应用到量子计算的时候就失效了。数字计算和模拟计算在量子计算中是合一的。在多迪格 - 瑟恩科维奇看来，波粒二象性可视为连续 / 离散二元论的一个特例。正如波动性和粒子性在量子力学中是互补的一样，连续与离散、数字与模拟在自然计算中也是互补的，在逻辑上它们离开了彼此就无法定义。康德认为我们没有关于物自体的知识，虽然我们不能指出物自体是什么样的，但却能通过依赖于能动者的交互作用来探索物自体的不同面相。如果我们采纳信息 - 计算主义的观点，就可以把康德的本体等同于原信息或潜在信息，一旦能动者开始与其产生交互作用，能动者 ( 可以是人或物 ) 就构造了实际的信息，这种信息对于能动者而言就是一种现象。只有在实际信息即现象的层面，我们才能说物理基质是离散的还是连续的，计算过程是数字的还是模拟的，而这又取决于能动者与物理世界的交互作用的方式。这样一来，信息 - 计算主义就避免了将任何一种现象界的基质设定为宇宙的本体——无论这种基质是连续的还是离散的，而径直采纳了弗洛里迪的主张，即认为宇宙的本体乃是信息结构，但却不必放弃泛计算主义的立场。

　　2. 对皮西尼尼的回应

　　基于自然模型的泛计算主义直接规避了皮西尼尼对基于极端物理丘奇 - 图灵论题的泛计算主义的批评，因为丘奇 - 图灵论题在自然计算中不再普遍有效。在此情形下，皮西尼尼非但不能对泛计算主义构成反驳，更有甚者，泛计算主义还将危及他所坚持的温和物理丘奇 -图灵论题。这样一来，我们在此所需要回应的就只剩下他对基于计算的简单映射解释、因果解释和语义解释的泛计算主义的批评。根据信息 - 计算主义的立场，计算是一种信息处理，计算的简单映射解释和因果解释都没有切中这一本质，因此我们在此仅仅对基于语义解释的泛计算主义进行辩护。在皮西尼尼看来，由于信息概念有多种含义，因此不能简单地说计算就是信息处理。在他看来，并不是所有自然过程都是计算，唯有特定类型的表征或语义过程才是计算。为了驳斥认为并非所有事物都是计算的这种观点，最为关键的就在于认识到计算的自然的层级构造，并非所有的计算都是相同的，计算是在很多尺度上、在所有水平的层级组织上发生的。皮西尼尼对不同类型的信息的划分，实际上非但不能否定计算是信息处理的观点，而且在自然计算范式中，我们还可以在此基础上对不同层级的计算做出界定。

　　美国生物人类学家 T.W. 迪肯 (Terrence William Deacon) 曾把信息划分为香农信息、指称信息和意义信息。多迪格 - 瑟恩科维奇指出，这三种信息实际上构成了嵌套的层级关系。三种信息是从三个层次的动力学中浮现的，它们的嵌套关系可以表示为：[1. 热力学的 -[2.形态学的 -[3. 目的论的动力学 ]]]；它们与三种层次的机制相对应：[1. 质能的 -[2. 自组织-[3. 自我保存 ]]]。在信息 - 计算主义的框架中，这三种类型的信息都可以被理解为不同的信息组织层次，香农信息是最基本的，涉及到的是数据、模式和信号等；指称信息从香农信息中涌现，涉及到意向性、关涉物、指称、表征、对象或指称物；意义信息又从指称信息中涌现，涉及功能、解释、使用和语用结果。在语言学上，它们分别对应着句法学、语义学和语用学的层级。

　　根据这个框架，我们就能把整个世界展现为一个层层嵌套的层级结构。既然有不同层级的信息结构，计算也必然会出现在不同的组织水平上。基本的计算层级出现在基本粒子、原子和分子的物理水平上，它基本对应于以上所提到的热力学的动力学层级的信息结构；下一个层级的计算就出现于细胞、组织和器官等生物学水平上，它对应的是形态学的动力学的信息结构层级；再下一个层级的计算就是出现在生物个体、生态系统和社会层级上，它对应的是目的论的动力学的信息结构层级。根据这个框架，皮西尼尼对泛计算主义的反驳就失去了力量。

　　自然计算范式颠覆了由图灵计算范式衍生出来的种种支持或反对泛计算主义的论证，在此之上，展现了一种更具理论想象力和洞察力的泛计算主义版本——信息 - 计算主义。从基于图灵机版本的泛计算主义到基于自然计算的泛计算主义，计算主义世界观得到了更强大的前沿科学的支持。在旧版本的泛计算主义那里，宇宙被看作是离散的物理状态的总和，计算被看作是基于规则的物理状态的变化。新的泛计算主义则把宇宙展现为一个在不同组织水平上的能动者 ( 同时包括了人和物 ) 的网络，各种层级的能动者通过相互之间的信息交互或交换，构造了一个处于不同层级动态过程中的能动世界。基于自然计算范式的泛计算主义为计算主义世界观提供了更加有力的理论论证。摘自：《世界哲学》