夜晚的昏暗中金星太白闪烁于群星间,
无数星辰繁灿于天空,数它最明亮.

荷马史诗 伊利亚特

在一个晴朗的夜晚,也就是昨天晚上,我拿望远镜对准了金星。

金星处于太阳的内侧轨道,所以从地球上看去,就如月亮般,有圆缺变化,昨晚映入我眼睛的,是弯弯的圆弧。

我开始思考人类知识经验的结构和处理方法,早上升起来的太阳,我们认为就是昨天的那个太阳,这种很自然的推理,是否存在缺陷?在一些动物看来,比如狗,今天的太阳跟昨天的太阳也许是另一个物体。

金星在黎明升起来的时候,我们称之为启明星,古人有东启明,西长庚之说,认为是两颗不同的星星,跟傍晚那一颗不同。

一颗星星只是一个闪亮的点状物体,要把它从夜晚灿烂的星空中单独识别出来确实有难度,除非我们看清楚更细节的结构,否则认为在不同时刻出现的同一颗星不同也是很自然的。太阳拥有可识别的唯一性,也没有其他众多干扰。

我们把一个物体的若干特征提取出来,每一个不同的单独事物都用一个概念名字来标记他,再次遇到同种事物的时候就把它识别出来。大脑的组成单元应该是特征概念组成的集合,若干概念组成一个新的概念,新的概念又用来作为其他概念的组成部分,神经元之间的连接大致也是如此,或许大脑的基本数据结构就是这个样子。

知识和经验作为静态存储存在于大脑中,操作这些数据的过程才是真正人类智能的起源,这个动态过程就是我们的自我意识,就是我们称之为“我”的那个东西。

意识是从神经元之间的电脉冲信号和突触间递质传递构成的复杂网络之中产生的,还是另外的其他东西?或者说,自然界物质的复杂化学反应中能产生出来意识吗?

这几乎是从笛卡尔以来所有哲学问题的中心,它的答案绝不简单。时间的本质、以及我们称之为灵魂的那些东西都与之牵连。

引用康德的话,时间不过是我们内感官的一种表现形式罢了。

正是思考的自我,才有了时间的观念,正是由于我们的观察,时间才有了存在感,意识肯定跟时间有关联,或者时间只是意识的表象或组成。

笛卡尔认为松果体是大脑的中心,通过它跟另一种思维的特殊物质来交互,并认为这种思维之物存在于脑脊液中。他的论断似乎有些荒谬,但仅仅是所处时代的医学水平所导致的。这个观念背后的概念思想有很大的价值。柏拉图说,灵魂禁锢于肉体之中,笛卡尔认为思维和物质是两个不同的存在,思维通过人类大脑作用于物质世界,或者可以说,这种思维之物,笛卡尔所谓的res cogitans,就是灵魂。

如果笛卡尔的二元论成立,也就是物质世界无法产生自我意识,那么我们就没有办法通过机器来产生真正的智能,无法通过计算机的某种算法来产生可以自我思考的东西。这似乎是人工智能研究人员的悲哀,但是,谁又能证明呢?

许多人经过仔细思考之后都会给出结论:机器无法产生自我意识。直觉上的自我意识,明显有别于物质世界。

物理学家罗杰彭罗斯给出了另一个解释,在他的《The Emperor’s new mind》那本书里做了详尽的论述,他认为大脑中的细胞神经元的一些部分足够的微小,以至于量子效应会产生出显著的影响。他没有给出答案,反而引入跟多有趣的东西,我们知道,量子效应产生的结果取决于观察者的方式,本身就需要思维意识的参与。似乎让我们看到了解决问题的一些门道。

似乎所有困扰我们的“终极问题”都汇集到了自我意识上。

吃饭的时候有一个问题浮现在我的大脑中,我们通过摄取食物提供生存的能量,而所有食物的根源来自于植物,以当今的科技水平,是否可以脱离植物,人工合成所需要的食物呢?

人类需要从外界获取的物质可分为几类,糖类,无机盐类,氨基酸,以及一些维生素之类的小分子。其中所需的钠钾离子之类的无机盐类是广泛存在于地球之上的,剩下的几种,糖类是提供能量的,需要仔细讨论。

普通存在于人类体内并起着重要作用的是葡萄糖,葡萄糖是一种单糖,分子式为C6H10O6,植物通过光合作用来合成,但并不是直接以葡萄糖的形式存储下来。

能量来源于何处?归根结底,一个答案,太阳。上帝把这个核反应堆放置于距离地球1.5亿公里以外的地方,通过电磁波把能量传递到自由空间,而地球所接收的极小截面提供了所有生物赖以生存的能量。

直接利用阳光的能量是不明智的,因为单位面积内的光线的能量密度很低,必须用一个特别大的接受装置才能提供发动机的动力。而且晚上没有阳光。

其实在能量利用上,最大的问题不是如何产生能量,而是如何有效的储存能量。

我们通常意义上讲的储存,一般都是通过分子间的电势能来实现的,比如,氢气燃烧释放出能量,这个过程涉及到跟氧气结合形成势能更低的水分子。相对的说,能量可以储存成氢气的形式。葡萄糖也是一样,通过跟氧气反应结合成二氧化碳和水,降低了静电势。显然,葡萄糖由于本身就是多个分子结合的状态,碳原子质量也比氢高很多,所以储存的能量密度比氢气低许多,但是氢气是气态,也容易爆炸,不易安全的储存使用。

覆盖整个地面的植物,每天都通过光合作用,把阳光中的能量固定存储下来。储存形式多种多样,比如纤维素,淀粉。

有个有趣的事,看一下羊肉串,我们为什么要把它串起来吃呢?因为一个一个的不容易烤,拿起来也不方便,串到一起就方便多了。淀粉和纤维素也是如此,都是葡萄糖这些简单的小分子成千上万的串联起来。这样能量就储存在其中,运输和使用就很方便了。

可以看一下我们人类储存能量的一种形式,存在于肝脏内部糖原的结构。

让人不得不惊叹生物是伟大的编织者,把一个个简单的分子组装成复杂的图样

现在量产葡萄糖的方法是把淀粉之类的大分子链打断,也许单分子的葡萄糖我们可以也从无机界人工合成,但那肯定要耗费大量能量。要是再把这些单糖分子组装成淀粉纤维素之类的大分子链,几乎是不肯能。其实关于开头问题的结论很简单,谁都能凭直觉给出,人类目前还是无法脱离植物产生食物,换句话说,不能直接通过阳光生产面包。

从能量密度的角度来看,目前可行的储存能量方式,氢气是最高的,每千克可以达到123百万焦耳,汽油可以达到46,而前面讨论的糖类只有17左右,这就是为什么现在汽车广泛使用石油作为燃料的原因。

我们使用的手机里的锂电池,能量密度只有0.8左右,要提升它的续航时间,也许可以考虑使用汽油或者氢气,但是这些能源利用起来需要沉重的反应装置比如内燃机,所以就限制了他们在手机这些便携设备上的使用,如果能够找到轻便的释放方式,也许我们的电池技术就会有突飞猛进的发展。

现在鼓吹的很火的新能源汽车,比如tesla,其实就是一大堆锂电池带动电动机,显然锂电池的能量密度限制了它们的最大行驶里程,不过使用油电混合动力的方式可以很大程度上弥补这一点,比如大众XL1。

从产业的角度看,能量的储存方式是改变产业结构的基本力量。人类的文明程度几乎可以用使用能源多少来衡量,在生活的每个角落,电视机,冰箱,燃气灶,汽车,手机……随处一瞥便能看到能源需求。

更高的能量密度和更好的能量释放方式,可以带动电池和发动机的变革,所有智能手机用户都对电池使用时间表示过不满,石油危机也导致汽车产业对新能源的尝试,需求不可谓不强。

单从化学能方面我们很难获得比石油更高的能量密度,除非基础物理有进展可以和平释放原子能,但是上帝把太阳放到离我们如此远的地方仅仅让世界以分子间电势能的形式运行应该有一定道理的,就像大人把刀枪放在远离小孩子的地方一样。

对于能源枯竭,最好的解决方案也许是从阳光来合成石油,比如利用基因工程的方法,改造利用某些植物,合成相应生成石油的原料,虽然我们很难获得比石油更高的储存能量方式,但可以通过寻找再生石油的方法来解决耗尽的危机。

理论上说,太阳的能源利用率很低,大部分都被反射和吸收后热辐射出去了。有句话叫开源节流,对于能源节流意味着文明倒退,开源才是注意力的重点,要尽可能的有效利用阳光。

个人认为,解决能量问题,应该把更多的精力花在生物学和基因工程上。

今天是3.14,所谓的Pi Day,借机发一下一直思考着的几个相关问题吧。

我的高中数学老师给出了一个有趣的问题, 咋一看是如此的简单以至于可以作为小学生的填空题: 1和0.9循环哪个大?很多人会不假思索的认为1要大那么一点点, 而事实上这两个值是严格的相等。可以这么证明:
1/3=0.3333….. 三分之一等与0.3循环,这个是我们都认为正确的结果,然后等号两边都乘以3
3 * 1/3 = 3 * 0.333333…… 就得出
1 = 0.999999……
这是一个让人惊讶的事实,跟我们的直觉不相符,但我们很容易接受推导过程。
推导过程中有一个小陷阱,就是把乘法自然而然的推广到了无穷项并且不认为有什么不妥。
为什么无穷项的表现总是让人觉得匪夷所思?

我们对数字以及相应的操作法则,必定源于大脑的思维模型,绝不仅仅是后天得到的知识那么简单,应该牵涉到了大脑的某种本质的先天性的结构相关的东西,数学是对这些基础法则的抽象表达和推导。

如果有一系列的个体,挨个排开,我们对每一个不同的个体用一个标记来代表它,比如第一个就是符号1,第二个符号就是2,这样我们就得到一个序列
1 2 3 4 5 6 7 ……..
我们说自然数序列是什么呢,就是无穷个体的一系列标签,我们对这个群体的若干操作,就是对物理世界若干个体的不同操作,被抽象出来加减乘除等法则。比如,大街上站着一个人,我们看到并认为如此,一些动物,比如狗可能也能察觉到,这时候又来了一个人,这时候我们认为,这跟刚才肯定不同,可能狗也这么认为。同时,树上有一只鸟,又飞过来一只,我们开始总结两者的共同之处并说:这两者在数量上是相同的。狗会怎么认为?可能我们并不知道,也许它有这种抽象能力只是无法表述出来。但大部分人会觉得从中抽象出来个体和计数跟人类的智能是绑定在一起的。

我们一开始教小学生数学,书上画着三个苹果下面写着3,画着三棵树下面写着3,画着三只蝴蝶下面写着3,然后老师告诉学生3,这是3,比来比去。小孩子很容易就接受理解了,并自发的产生并获得3这个概念。某些本质的东西,是没有办法解释的,就像我们教育小孩子一样,通过一系列的共同引发他们自己的抽象。人类大脑构建了某些基础性的东西,而我们后天向其中诱导灌输知识文明。

数字是一种抽象,自然中的个数在大脑中的某种表示。但对计算机来说,数字与自然界并没有任何关联,只不过是一组寄存器的状态,加减乘除也是硬编码的随着时钟周期变化状态的某些法则。所以我们认为通用图灵机随着外界输入改变并产生输出,只是状态变迁,跟钟表,复杂的齿轮结构,没有太多两样。智慧的本质也许并不仅仅是物质那么简单,可能会引入某些比如灵魂之类的更深刻的问题,先不跑题了。

整数的无穷序列,就是1,2,3…..跟我们所能感知到的物理世界,在大脑模型中似乎是对应的,无数个数目组成树林,无数的树叶,草,生物,都能通过这个序列一一对应上,就是数出来,光、烟雾之类的虽然不能数,但必定有另一类机制处理,我们说一朵云,一柱烟,抽象之后还是归类的这个序列上。

这个整数序列专业术语来讲就是可数集,我们认知上的物理世界是可数的。
通过人类对世界的认知思考,引入了新的问题,在一个二维平面内,到一个点距离相等的所有点的集合,我们称作圆,丈量这个闭合曲线的长度,引入一个我们无法表达的数字,就是pi,我们无法用数字形式表示出来它,因为它的后面有无穷个位数,3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592307…一直写下去,从耗费时间的维度上是无限的,这跟图灵停机问题有些类似。
但是我们同样可以思维感知它,通过一个符号pi,我们就能思考处理它,并引入各种各样的算术操作表达式当中,大脑解决问题的模式似乎就是,概念的概念,任何问题都可以通过添加一层更高的抽象来解决,这可能跟神经元的连接模式有关。

任何整数的加减乘除表达式都可以写成小数的形式,比如前面说的1可以写成0.9循环,1/3可以写为0.3循环,等等,但是这些小数都有循环的规律。如果小数点后的不同位是任意的数字,我们就得到了一个更为诡异的大的数字系统,比如说0和1之间的所有小数,构成所谓的连续统,通常我们认为这个集合是不可数的,这个可以通过康托对角线法则来证明。
连续统以及相关的问题是个复杂的课题,牵涉到公理化集合论,连续统假设等。
单从一个无限不循环的小数后的数字序列来看,可以认为是一个可数集,而这些实数似乎有无穷个,无穷的无穷。我隐约的感觉这些似乎跟图灵停机问题、可计算性,甚至更深刻的智能的本原等有着异曲同工之处。

假如我们能够通过一个无穷的数字序列来描述一个原子的状态,比如动量、空间位置、电子轨道等信息,那么构成整个宇宙的所有原子,就能排成一串数字的序列,如果把时间划分成细片,就像时钟最短的嘀嗒,这一串数字在时间的维度上又构成一个序列。这个序列是否能描述我们的宇宙?或者说,这个序列能用实数集来表示么?还是需要比连续统更高的势?当然我们不可能得到每个原子的精确信息,这里只是想从另一个角度来看一下。

生命就是要在复杂的序列中找出某种规律,毫无规律的东西我们也不认为具有考虑的价值。pi是一种规律性的东西,虽然我们不能用有限的整数四则运算来表示它,但是可以用无穷级数来写出,如果引入一些三角函数和微积分等高级一点的算符,就更容易了,比如

或者

推导演算,这些怪异的数字就是这么得出来的,在一种表示下是有序的事物,但是到了另一种角度,却成了毫无意义的无穷序列,如果我们看一下自然界的一些现象也是如此,而智慧生命的本来意义就在于能从这些无序之中归类整理出来某些规律,这是生命的本质还是由之产生的属性?

左下角智齿,大二的时候开始长的,当时痛的睡不着觉,脸肿了半边。后来不痛了就再也没有去管过它,前段时间左边的磨牙开始疼,是隐隐作痛那种。去了医院,医生说要把智齿拔掉才行。

上周五去了趟医院,九点多,被告知没有号了,于是折返。周日七点半就到了,总算挂上了号,等到十点半,整整三个小时,总算排到了医生。拍了张X光,医生说我有四颗智齿,左下角的最为严重,已经把第二磨牙顶出缺口来了,必须拔掉,不然磨牙也会挂掉。

但是那颗智齿长得太歪了,拔掉的过程中可能会伤到神经,甚至是终生的,让我回去仔细考虑考虑。实在是纠结,不拔,有危害,拔,可能会导致下巴神经损坏,人生中的许多事情,都是这么错综复杂,动此则伤彼。

排队等候的过程中,看着人来人往,行色匆匆,医院是人类机器的维修机构,每一个人都有所诉求。焦急的心态,凝重的气色,看多了突然觉得有趣,亲身经历更能体会到媒体整天报道的我国医疗的不足。

一个苍蝇在窗口上飞来飞去,一次次的撞击向玻璃,晕头转向,徒劳无功。但是苍蝇却不醒悟,还是一次次飞过去。难道这种生物就没有学习的能力么?我记得看到过蚂蚁,同样在圆形的花盆边缘一圈又一圈的爬行,却不知道自己在兜圈子。可以说,蚂蚁和苍蝇的大脑是简单的,比我们用程序构造的有穷状态机,比如游戏里的怪物,高明不了多少,他们都没有学习和判断的能力,只是先天的被设置好状态,然后根据相应的输入条件执行跳转。

但是蚂蚁和苍蝇却拥有我们人类至今仍未用机器构造出来的东西,那就是它们的机械运动和控制系统。我们的机器人从来没有达到过半点蚂蚁们的灵活程度。蚂蚁苍蝇,在这方面上,和动物人类,都是共用一套类似的系统,只是我们多了一个高度发达的大脑而已。

这套运动系统普遍的存在与各种动物当中,最下层的,是执行某一个具体运动的肌肉,我们可以用电动机模拟它,但是,一个简单的动作,比如行走,如果考虑到各种颠簸不平的路面,对于机器人来说却是极其艰难,对于动物们来说这是轻而易举的事。差别到底在哪里?我们可以用预先编写好的程序代码来控制机器人的行走,预先考虑各种路面情况,判断受力大小位置,以及该如何行动。

动物们从来不理会这套。我突然意识到重要的一点,人生下来是不会行走的,要到很长一段时间才能学会走路。这说明了,走路这项技能,并非先天写进大脑中的,而是后天习得的技能。甚至不只是行走,比如各种体育运动,篮球,足球,都是经过长期锻炼才获得复杂的动作与操控的。这说明了,我们拥有的不是走路的技能,而是一套机制,这套机制保证了应对各种复杂情况的可能。

这套机制需要包含的一些东西,比如,适度控制不同肌肉块的力度,在时间尺度上线性或者各种二次三次或者各种各样曲线式的改变控制力度,这些操作控制连贯起来形成一系列的,有如音乐曲调高低起伏一般的控制脉冲,流向肌肉系统,从而形成各种动作。

还要有某种机制进行选择,比如什么样的脉冲组合是真正正确需要的,这些一般从形成的动作产生的结果,又形成的输入反馈中获得,如果被判定为正确,那么就强化,否则抛弃。

我明显的感觉到这套系统的存在以及对我们各种行为的影响,比如从体育运动中获得乐趣极大程度上就源自于此。甚至音乐给予我们的欢乐,虽然看起来不同,深层次看来也许同样是这套机制导致的。歌声是靠控制声带相关的肌肉产生的,跟跳跃走动,本质并无大异。

也许有一天我们能够通过机器人来实现这套机制,自学习,自适应,这种特点正是智能生命所拥有的一大特性。我们仍然停留在确定性程序的泥淖里,而计算机的通用图灵机的模型的限制在于,它依赖人进行编写。跟生物错综相连的神经元更类似的是可以动态组合的门电路,可惜我们还没有找到可以动态改变并强化他们的方法。FPGA是个好的开端,如果真正构造智能系统,抛弃对通用图灵机编写程序而转向门电路级别也许是明智的。

虽然智齿跟智慧没有什么关联,但却引发了我对智慧这么多的思考,实在是始料未及,世界上发生的毫无关联的事,总是可以找到一些方法关联到一起,每一事件都会对未来的发生造成影响,甚至每一个分子的细微扰动,让我们无法预测未来。

也许正是未来的不确定性才使得我们的存在具有了意义。

这些天一直在下雨

前天晚上站在楼顶,看南面的天空,一个闪电接着一个闪电,却听不到雷声,估计距离比较远吧,闪电足足持续了一两个小时,给予我足够的时间去观察它们的形状结构,各种各样都有,实在感叹我们世界的美妙与变化多端。

为什么大块的云层会带上电?也许好多原因吧,比如太阳光线造成的电离,大气运动。当这些能量瞬间释放出来的时候,就形成了千姿百态的电闪雷鸣,给我们的文化添加许多色彩。也许正是闪电启发了人类认识电能,进而一系列的变革,我们今天的文明,没有电能以及相关的衍生,恐怕不比几千年前高明多少。

我看到一滴水凝聚在一个树枝的顶端,几乎是纯圆形,却没有因为重力落向地面。一个个水分子间的拉扯力,表现在我们的宏观世界,造成了水滴的性质。

这滴水里应该包含了足够多的分子,假定一滴水以克为数量级,那么这里包含的分子数大致在10的二十几次方左右数量级,如果用一台计算机来模拟这滴水是否可能?一块现在的显卡每秒能渲染三角形数目大致以亿为级别,cpu就更不用说了,一滴水有万亿亿的级别,就是把世界上的计算机都加起来也基本不可能。

一滴水,一片云,一次闪电,这些简单自然现象背后蕴藏的复杂程度令人咂舌。然而构成我们世界的基础是极其简单,一个个原子,加上电荷,引力,空间时间,还有其他的一些简单事物,通过几条定律方程,构成了我们如此复杂多端的世界,以及拥有自我意志可以思考的人类。

我们是被创造出来的么?我们为什么存在?

今年世界杯最有意思的事情是,未来帝和章鱼哥对球赛的预测,奇准无比。

而我们平时也搞一些类似赌球的游戏,比如猜测结果请吃饭之类。不止足球,很多事情都是类似,这似乎是人们普遍的心态。

在各个古老的文明中,求神问卜,对未来重要事情的预测,似乎都占很重要一席。每一个文明都有类似的于祭司,巫师,先知之类的概念,这些人员都部分或者全部的从事预言的工作,并以此谋生。

预测是如此的普遍且广泛的存在于各个文明之中,必定是有某种更深层次的机制使然。

人的大脑比较复杂,会思考很长一段时间之后的重要事情,假如把这个时间段缩短到几分几秒再来看,似乎显得再也自然不过,比如,门将一个大脚把球开出去,所有队员都知道往前跑,因为大家可以肯定的预测,球将快速飞过中场。这种明显的理所当然的事情,常常被我们忽视而不去思考,在这里,人们同样是对球的走向进行了预测,这种预测跟对球赛结果的预测,似乎有些不同,因为我们根据已知的物理定律,几乎可以百分之百的指出球下一步将出现在哪个位置。但是球赛的结果却是千头万绪,不到最后谁也无法真正断言。

产生这两种不同预测的深层机制应该是相同的,对未来进行预测是人们作为一种生物的本能行为。在遥远的过去,生物为了生存,必须对周围的环境做出相应的反应,对不同的外部环境进行不同判断预测,决定下一步该如何行动。人的大脑会储存以往的经验信息,进行分析判断整理,并对当前环境做出反应。

大致可以认为,预测未来是生物进化出来的求生本能,各自独立发展的文明产生相应的巫师之类的职业,不过是这种深层次原因驱动的一种表现罢了。

近代科学,大部分所做的工作是对这些进行预测的规律进行总结,那些物理定律,数学方程,大多都是经验性的概括推理,只不过在经验领域得到了充分的正确性验证,其实质也许不比那些女巫高明多少。科学在大部分场合,也不过是在做预言,比如航天器未来运行的轨迹,宇宙的过去未来等。

有一种观点是,如果各种初始状态和影响因子都是确定的,抛去复杂度,一切事物的未来某段时间的状态都是可以预测的,这是所谓的拉普拉斯的决定论。之所以做出这种论断,可能是拉普拉斯被数学方程所取得的巨大成功所激励。这种想法很符合我们的想当然的常识,但是后来被量子力学的概率波之类的概念所否定。未来充满几率性很难让人接受,爱因斯坦就一直反对。但如果这样是正确的话,科学就更像巫师般的模棱两可的预言了。

人脑的思考预言,似乎很大程度上建立在推理这个概念的基础上,推理更深层次看来,应该是因果律,由某种先决条件产生相应后果。

经常性的对人的思考模型进行相应的思考(这似乎是个悖论),每次最后都不可避免的归结到因果律。它似乎基本到让人惊讶的地步,从大脑结构上看,神经元的前后传递本身也可能就是为因果律提供了先天的基础。不过因果这种关系隐含了一个假设,就是它必须以时间为前提,这样因果律似乎有了更基本的东西在支撑。

康德说,时间只不过是我们内感官的一种形式罢了。也许正是因为人的思考模式的存在才有时间的概念,对过去的记忆,以及对未来的推测,是这种思考结构上的种种表现。时间和空间这些纯粹概念的存在,是人脑先天的模型。但是因果律这种推理的存在,是先天的纯粹概念,还是时间或者空间的一种表现形式呢?

如果把时间当作基本概念,也许推理作为其表现形式更为自然一些。不过其中应该不可避免的掺杂了其他的因素,很难具体澄清出来。

预言本身就隐含了以时间做为前提,不过是人们无法做出正确推理,而采用的一种安慰形式罢了,我们有个词语叫猜测,就是对这种概念的准确描述。从生物进化的角度来看它,比考虑它的实质更有意义。