來自quantamagazine
作者：Maggie Chiang
機器之心編譯出品
參與：小二，Gabrielle，微胖
計算機的物理本質，也許可以揭示有關其強大抽象能力的深層事實。
想象你正在挑選新車，這時推銷員對你說到：「您知道這輛車不僅能在路上開嗎？」
你回應到：「哦？」
「對的，你還可以用它干別的事情。比方說，它能折疊成一輛漂亮的自行車。并且它也變成一架一流的飛機。當它在水下的時候，它就是一艘潛艇。而且它同樣是一部宇宙飛船。」
你自然會認為推銷員在開玩笑。但是對我們的電腦，我們卻認為它的相對靈活性理所當然。有了這么一個機器，我們可以用飛行模擬器飛過自由女神像，用電子制表軟件制作財務預測，在臉書上和朋友聊天，還能做許多其它事。它幾乎就和汽車、自行車和太空飛船的合體機器一樣令人驚嘆。
計算機的兩個特點讓這種靈活性成為可能。首先，計算機是可編程的。也就是說，我們可以通過輸入一條恰當的指令來改變計算機的行為。其次，計算機是通用的。只要計算機有足夠的內存和時間，我們可以通過恰當的程序讓計算機執行任意的算法流程。
可編程性和通用性的觀念嵌入我們文化如此之深，以至于小孩子都對它們很熟悉。但它們曾是歷史上的重大突破。圖靈在1937年的一篇論文中形成了這兩個概念，圖靈認為一個通用的可編程的計算機可以計算任意的算法流程。圖靈所描述的機器——圖靈機——是現代計算機的祖先。
如果你對這臺計算機有了透徹的理解，那么你就理解了所有的物理過程。
為了證實他的論斷，圖靈需要證明他的通用計算機能運行任意的算法流程。但這并不容易。在圖靈的時代，還沒有正式的算法這個概念，也沒有一個嚴謹的數學定義。然而，數學家已然發現許多可以用來測試的特定算法，比如說加法、乘法以及判定一個數字是不是質數。對圖靈來說，演示這些已知算法可以在他的通用計算機上運行是頗為簡單的。但是，這并不夠。圖靈還需要更強有力的證據證明，他的通用計算機可以運行任意算法，包括所有可能在未來發現的算法。為此，圖靈發展了一系列想法，每個都可以為他的理念提供非形式的辯護。然而，最終，他還是因自己發表的言論缺乏正式定義而感到不適，他說：「所有的論證在本質上勢必會求助于直覺，因此，會在數學上令人不滿。」
1985年，物理學家David Deutsch在理解算法本質上取得了另一個重要的進步。他觀察到，算法流程必須由物理系統執行。這個流程能夠以多種方式發生——一個人用算盤運算兩個數的乘法，顯然不同于一個硅片運行飛行模擬器。但是，二者都是物理系統的案例，也都服從相同的物理法則。由這點出發，Deutsch陳述了如下原理（我會用他的原話——盡管用語是專業的，它還是很容易理解的，而且看到原來的表述頗為有趣）：
每個有限的可實現的物理系統，都能由一臺通用型計算機通過有限的手段來完美模擬。
換句話說，你可以用一臺通用計算機去模擬任意的物理過程。這是一個令人驚嘆的顛覆性觀點：一臺計算機能有效的蘊含物理法則支配下的所有東西。想要模擬一顆超新星嗎？或是黑洞的形成？抑或是大爆炸？Deutsch的原理告訴我們，通用計算機能夠模擬它們。也可以說，如果你對這樣一臺機器有了透徹理解的話，你也就理解了所有的物理過程。
Deutsch的原理要比之前圖靈非正式理論更合理。如果Deutsch這個原理是正確的，那么，就會自動證實通用計算機能模擬任意的算法流程——因為算法流程本質上是物理過程。你可以用通用計算機模擬算盤上的加法、在硅片上運行飛行模擬器，或是做其它你想做的事。
而且，不同于圖靈的非正式論證，Deutsch的原理是可證實的。特別是我們可以想象用物理法則推斷算法的實質。那將為圖靈對物理法則的非正式論證提供支持，也為有關何為算法的觀點提供了一個更堅實的基礎。
這樣的嘗試將有助于在兩個方面修正Deutsch的原理。首先，我們必須將量子計算機納入我們的計算機概念中。這不會在原則上改變可以被模擬的物理過程的類別，但是，它可以讓我們快速有效的模擬量子過程。這點很重要，因為量子過程在傳統計算機上的模擬經常如此之慢以致于幾乎不可能實現。其次，我們必須放寬Deutsch的原理——我們要允許特定相近程度上的模擬而非完美的模擬。這是系統模擬內涵的一個弱概念，但它對原理的應用幾乎是必要的。
這兩個改動讓Deutsch的原理變成了：
每個有限的可實現的物理系統都可以由一臺通用型（量子）計算機通過有效的手段在近似程度上有效的模擬。
至今還沒有人能成功的從物理法則中推衍出這種形式的的Deutsch原則。部分原因是，我們還不知道物理法則是什么!尤其是我們還不知道怎么將量子力學和廣義相對論統一起來。也因此我們對是否能用計算機模擬涉及到量子引力的過程（比如說黑洞蒸發）還抱有疑問。
但是，即便沒有量子引力理論，我們還可以問：計算機是否能模擬現代物理的最佳理論——粒子物理標準模型（Standard Model of particle physics)以及廣義相對論。
研究者們正在積極的回答這些問題。在過去的幾年，物理學家John Preskill和他的同事們已經演示了怎么用量子計算機有效的模擬幾個簡單的量子場理論。你可以認為這些是粒子物理標準模型的原型。它們沒有含括標準模型的全部復雜性，但是卻擁有它的一些基本理念。盡管Preskill和他的同事沒有成功的解釋該怎么模擬完整的標準模型，他們卻克服了這個任務會遇到的許多技術阻礙。接下來幾年，人們可能會發現Deutsch原則對標準模型的證明。
廣義相對論的情況則更模糊。廣義相對論介紹了奇點，而它撕裂時空的方式還沒有完全被人所理解。雖然有數名相對論學者發展出許多模擬特定物理場景的技術，然而據我所知，人們尚未對怎么有效的模擬廣義相對論做出系統的、徹底的分析。它是個有趣的開放問題。
博學者Herbert Simon在他的書 《The Sciences of the Artificial》中辨析了自然科學（比如說物理系和生物學）——我們在其中學習自然發生的系統，以及人造科學（像是計算機科學和經濟學）——我們在其中學習人造的系統。
我們初始印象可能會認為，人造科學是自然科學的特殊部分。但就如Deutsch原理所表明的那樣，人造系統的組成部分（像是計算機）和自然發生系統的一樣繁雜。我們可以想象，不僅用計算機去模擬已有的物理法則，甚至有可能用它去模擬可能的物理實體。正如計算機科學家Alan Kay所說的那樣：「在自然科學中，自然給了我們一個世界，我們僅是去發現它的原理。而在計算機中，我們可以用法則去填充它，創造一個新世界。」Deutsch原理提供了一個連接自然科學和人造科學的橋梁。我們就快要證明這個基礎的科學原則了，這令人感到興奮。
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