【摘要】物質、能量、結構和時間是人類認知和機器認知的最基本要素，是人類智能和人工智能共同的奠基石。信息不是物質，不是能量，是在結構、時間上形成的衍生物。位于四要素之上的是思維軟構體和物質硬構體，其上分別對應基于想象與推理的數學和基于觀察與實證的物理，而基于數學和物理之上的是認知物理學。認知物理學的使命是用物理學的理論和方法解釋人類認知及其形成過程，人工智能濃縮重演人類智能，用機器來模仿、拓展人的認知。未來，要突破圖靈機局限，發展難以計算的記憶智能和具身交互智能；用云模型、數據場、拓撲勢、云變換等認知物理學理論和方法，形式化人類的不確定性認知，形成認知螺旋，實現認知的自成長；研發可交互、會學習、自成長的認知機器，開辟各智其智、智人之智、智智與共的人工智能新方向。
【關鍵詞】認知物理學 人工智能 人類智能 物質 能量 結構 時間
【中圖分類號】B842.1/Q61 【文獻標識碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2024.14.001
【作者簡介】李德毅，清華大學特聘教授，中國工程院院士，國際歐亞科學院院士，中國人工智能學會名譽理事長，中國指揮與控制學會名譽理事長，“吳文俊人工智能最高成就獎”獲得者，認知物理學和不確定性人工智能主要開拓者。研究方向為計算機工程、不確定性人工智能、認知的形式化、機器認知、云模型、云變換、數據場、拓撲勢、數據挖掘、知識發現和智能駕駛。
引言
霍金在《時間簡史》的開篇講了一個故事。羅素曾經在一次天文學的科普講座上被一位老太太教訓：“世界哪兒有那么復雜，就是一個放在烏龜背上的平板。”羅素反問：“那烏龜站在什么上面呢？”老太太答：“小伙子，你挺聰明，烏龜下面是更大的烏龜，烏龜疊烏龜啊！”
這個“烏龜塔”看似荒謬，卻蘊含著深刻的哲學思辨，揭示了人類認知自然和認知自身的邏輯。人類認知的整個活動，就是解釋和解決人類在生存和繁衍過程中所遇到的各種各樣的現實問題。認知自成體系，包括認知客觀存在的宇宙，還包括更為深遠廣闊的人類自身主觀的精神世界。和地球上其他物種相比，人類創造了燦爛的文化和文明，發明了千姿百態的認知工具和機器，將人類肉身的體能智能延伸到體外，工具和機器成為真實世界里的物理存在，成為人類文明的生態，而人工智能正在加速改變人類自身。人類曾經一步步從“覓食者”躍升為“種植者”、“生產者”和“建設者”，而今正在躍升為“創造者”。和其他高等物種相比，是認知成就了人類。
然而，認知機器不是生命，只是機械的、物理的、電子的裝置，如何用物理學的理論和方法，解釋機器的感知、思維、決策和行動？解釋機器認知如何像人又不像人？認知物理學的樸素和溫暖，就在于其中不僅有人類認知之“道”，還指出一條實現人工智能之“路”。2000年以來，筆者在“不確定性人工智能”思想的基礎上，力圖用自然科學來探索人的主觀認知的奧秘，用物理學的理論和方法解釋人類認知及其形成過程，用機器來模仿、拓展人的認知。本文將從人類智能和人工智能諸要素的邏輯關系談起，探尋人類認知自然和自身的奠基石，開辟各智其智、智人之智、智智與共的人工智能多元認知的新方向。
尋找奠基石
“烏龜疊烏龜”的說法，是想把人類認知自然和自身的演化，在邏輯上排個序。基于這一思路，筆者對人類智能和人工智能中諸要素的邏輯關系進行了認真梳理，得到如圖1所示的結果。
無論是人類認知還是機器認知，最底層的“烏龜”都站在一塊由物質、能量、結構和時間四要素構成的奠基石上。其中，物質和能量是物理層面的真實存在，結構和時間是認知層面的抽象思維，是人類認知物質、能量的存在和變化的狀態參量。在人的精神世界里，用結構表達物質在空間的拓撲與形變，用時間表達物質的運動與變化，反映能量的傳遞與轉換。
位于四要素之上的是思維軟構體和物質硬構體，其中精神和物質相互糾纏。結構和時間寄生在物質和能量上的諸多硬構體，組成機器具身；而機器思維過程中的數字、符號、信息是大量的軟構體，如同人在認知空間里表現出來的思想，它們寄生在硬構體或者已有的其他軟構體之上，能自我引導，即自舉；能自我復用，即遞歸；能遞推使用，即迭代；更能自我復制或者修改，構成想象。人類認知空間里的軟構體是思維的要素，支撐形象思維、邏輯思維和直覺思維，體現人的豐富想象力和創造力，體現精神世界。
思維軟構體和物質硬構體二者之上分別對應基于想象和推理的數學，以及基于觀察和實證的物理，位于數學和物理之上的是認知物理學。認知物理學的使命是用物理學的理論和方法解釋人類認知及其形成過程，用機器來模仿、拓展人的認知。自然選擇的進化生動地描述了生命的復雜性是如何一步一步發展起來的。但它可以用物理學來解釋嗎？作為自然界的最高級物種，在適者生存的法則下，人類在迭代過程中，細胞、組織和器官經歷了千萬年的緩慢自然進化過程，于是有了以“碳基”為主體的人的認知，形成人類智能。認知的發展推動人類智能的發展。位于認知物理學之上的，依次是化學、生命科學、認知神經生物學。其中，化學是生命科學的支撐，數學和物理又是化學的支撐。再來看另外一側，對應的是機器認知的發展，位于認知物理學之上的依次是微電子和芯片、計算機智能、機器具身智能。一般來說，下層為上層設置了邊界并提供理論支撐，上層為下層提供實現路徑并提出新的使命。機器模擬人類的認知，像人又不像人。
和機器認知相比，人類認知的自然進化非常非常的緩慢。讓我們認真地回顧一下人類認知的重要節點：100多萬年前人類走出非洲，25萬年前人類以狩獵和采集為生，1萬年前人類開始定居農耕，5000年前才有了語言文字、進入文明社會；公元前384年古希臘哲學的奠基人亞里士多德誕生，1643年現代物理學奠基人牛頓誕生，1687年牛頓發表《自然哲學的數學原理》，才隱隱約約地為人類后來認識和區分自然科學、哲學和數學奠定了基礎，人類認知才開始走上科學的道路；200多年前紡紗機、蒸汽機等動力機器的發明，推動了工業革命的進程，人類進入“蒸汽時代”；1879年科學革命的先驅、理論物理學家愛因斯坦誕生，并于1915年提出廣義相對論；1912年計算機科學和人工智能之父圖靈誕生，圖靈的一生極大地推動了計算機科學的形成和發展。縱觀歷史長河，人類普遍使用電子計算機還不到百年，而今機器和人類的對話已經無處不在、無時不在。人工智能通過暴力濃縮重演人類思維，完成以“硅基”為主體的機器認知，還不到百年。把千萬年的人類認知的自然進化過程濃縮到今天的機器里面，這是多么了不起、多么飛快的進步啊！
物理和數學之間的糾纏
認知物理學腳踩兩只“烏龜”：數學和物理。二者的關系，不能簡單地置于“誰是誰的基礎”的邏輯下予以探討。數學不屬于物質科學，它排除物質的具體內容而運用抽象將之形式化，通過邏輯和符號進行數量、結構、變化和空間拓撲等方面的思維活動和表達。例如，負數、無理數、虛數乃至所有的數，都不是物理實在。物理學公理化和數學化曾經是一個時期大學問家普遍追求的目標。數學研究抽象的數形關系，是思維軟構體，是發明，追求美；物理學尋找物理世界里的物質硬構體，是發現、是實證，追求真；它們相互糾纏，互相借鑒。智能時代基于想象和推理的數學，成為人類和機器思維最重要的基礎，數學歸屬于自然科學板塊還是認知科學板塊，是可以商榷的。楊振寧教授認為數學和物理有點像“對生”的兩片樹葉，它們在多數部分是分離的，都沿著自身的脈絡發展，但基礎部分卻令人吃驚地糾纏著。以圖靈和他的導師丘奇命名的丘奇-圖靈論題（Church-Turing Thesis）具有深刻的哲學含義，其原本想為數學和物理學劃出邊界，可是這個邊界是糾纏不清的，一直可以延伸到“心智與具身”（mind vs body）。數學家憑借自己在物質世界的感受及對其進行的抽象，不斷提出數學猜想，不斷被證明或者修正，由此數學便發展起來了。如哥德巴赫猜想、黎曼猜想、NP完全問題等，數學撇開各種物理含義的量綱，在高度抽象的層面賦予不同事物相同的符號和規律，使得看似不相關的事物或現象，能夠得到一定程度的統一和解釋。可惜，數學對時間的貢獻不如對結構的貢獻大。受宇宙中物質、能量的啟發，數學世界包含了諸多宇宙中不存在的東西，其依靠人腦認知抽象出的結構，成為“想象的現實”，如編碼、數據、符號、文字、概念、信息、知識等，這些軟構體并不是真實的物理存在。思維軟構體和物質硬構體也存在著糾纏。有的時候，解決一個數學問題可以推動解決一類物理問題；也有的時候，解決一個物理問題可以推動解決一類數學問題。
牛頓為經典物理找到了數學的精確性，但化學和生物學在彼時尚缺乏堅實的基礎，需要研究不確定性，需要概率論和統計學，需要研究涌現或頓悟的機理。生命科學最近幾年越來越興盛，如結構生物學、認知神經生物學、基因編輯等。隨著計算機的廣泛使用，以及微電子技術和芯片、計算機智能和認知物理學的迅速發展，人們不停發出追問：究竟生命是機器，還是機器是生命？人的認知和機器的認知，如何相同又如何不同？這些正是認知物理學要研究的問題。認知物理學的使命是闡釋和填補人類智能和人工智能之間的鴻溝（見圖2）。現在看來，除了物質和能量，結構和時間在認知自然和人類自身中也發揮著不可思議的作用。
客觀的自然和主觀的認知之間的糾纏
從遠古開始，人類作為地球上的物種之一，面臨的最大問題是生存和繁衍過程中的物質滿足。沿著這一主線，人類不斷強化自身在物質世界的獲取能力和行為能力，不斷征服與改造物質世界，以確保自身的生存與繁衍。現代科學的誕生，也發端于對物質世界的認知，進而發展為“物質性、能量性的科學、技術和工程”，作用于物質之上，以滿足人類的物質需求，改變物質的存在狀態或者性質。現代科學涵蓋物理學、化學等基礎學科，后來發展到有機化學、醫學和生命科學，用以解釋物理空間和宇宙中的自然規律，闡釋人的生命歷程，甚至試圖制造出人工生命，其研究對象是實實在在的物質硬構體。
與這條主線相比，人的精神活動和智能活動只是人主觀世界里的認知，是一個人的感覺、知覺和記憶的共同產物。我們可以把它看作獨立的精神存在，即思維軟構體。其實，通過主觀認知說明物理世界的客觀存在是很困難的，只能說明物質世界在人的大腦里留下了什么。與精神和認知活動直接相關的發明與發現，如人類語言文字的出現，教育的誕生，神學、宗教、哲學、文學、藝術、音樂、美術的誕生，是驚天動地的；生命科學中遺傳學的發展、DNA雙螺旋結構的發現以及基因編輯的成功，尤其是數學和存儲程序的通用推動了可編程電子計算機的發明，更是石破天驚。可惜，天地宇宙不為人類所動，是自在的、不言的。
人類認知宇宙的過程是基于觀察和實證的，通常我們只相信“實”，看到“在”；而在人腦中有許多基于想象和抽象的思維軟構體，自己也會冒出“虛”和“軟”。人類一切的思維活動都離不開抽象，認知源于感知過程中的抽象，并將其壓縮成不同尺度的軟構體。自然進化形成的具有抽象、聯想和記憶能力的腦神經系統，是人類抽象出結構和時間的生物學基礎。人類長期進化形成的感知器官和大腦皮層組織，特別是大量神經細胞的相互作用，是形成時間感知的思維器官。倘若沒有包括視覺殘留在內的各類不同時長的記憶，如瞬時記憶、工作記憶和長期記憶，我們就只能活在當下，就不會有物質運動和變化的時間概念。記憶為我們過去和現在的認知提供連續性。正如一句心理學名言所述，生活就是記憶。有記憶就會有遺忘，否則大腦就會不堪重負。圖靈也有句名言：遺忘是人類智能的顯著表現。人類要用有限的記憶能力去認知無限的宇宙，于是抽象出結構和時間，從而有利于展開聯想，形成想象力和創造力，這是人類在長期的自然進化、物競天擇、適者生存的發展中，為了實現生存和繁衍而“被動”形成的。宇宙中原本不存在離開物質和能量的孤立結構，也沒有離開物質和能量的孤立時間。一個重要的例證就是1967年物理學界一致同意改用場論解釋的原子結構來定義“秒”。一秒的間隔時間是銫133原子基態兩個超精細能級之間躍遷所對應的電磁輻射9192631770周期的持續時間。從物理常數定義的量綱可以看出，是時間T定義了長度L和質量M，也是時間描述了熵增和負熵。有了時間的概念，物質和能量便可以映射為認知空間里不同時刻表現出的拓撲結構和關系。由此，在兩虛兩實交互的四要素中，結構體現在物質物體上，時間體現在能量或運動變化上。
信息不是物質，不是能量，信息是什么？
信息是在結構、時間上形成的衍生物，是思維軟構體的指代，僅此而已。構成人類文字的最小元素是符號或筆劃，數學中最基本的抽象是0和1，代數中最基本的抽象是常量和變量，幾何中最基本的抽象是點線面。在抽象的基礎上，認知產生聯想和交互，從線性到非線性，從確定性到不確定性，從可逆可還原到不可逆不可還原，從簡單到復雜。在人的認知空間里，倘若沒有抽象和聯想，就沒有數字、符號和編碼，數學、語言和文字，更不用說信息、知識和模型，方程、算法和程序。而符號、文字、模型、算法、程序都是軟構體，是非物質的、非客觀存在的，只是人的智能活動。例如，人能夠識別紙上、墻上印刷的千差萬別的圖形“A”這些硬構體，并將其合并、歸類、抽象成認知空間的軟構體“A”。軟構體并不存儲于某個孤立的記憶單元里，而是體現在人腦神經元網絡拓撲之中。各類抽象概念，如“山”“水”“樹”“房子”“人”“寵物”等，都是思維軟構體，根據不同的場合和任務可以變化性地指代物理世界的同一個或多個特定實體（如女孩、女性、大姐）；同一個硬構體也可以在不同的情境和環境下變化地被賦予認知空間里的各種各樣的軟構體，甚至可以是千差萬別的軟構體。人們常說的信息，只是軟構體的冰山一角。人腦借助軟構體思維、想象和創造，解釋人的精神世界，解釋人類的認知，也解釋生命的價值，開辟了“結構性、時間性的科學、技術和工程”。
包括信息在內的思維軟構體，不是構成物理世界的真實存在，不具有客觀性或物質性。同時，結構和時間也深深地、精細地寄生在物質性和能量性的科學、工程和技術之中，解釋人類所處的物質世界，潤物細無聲地滲透到各種各樣的人造物之中，成為物理空間越來越多的真實存在，如人造建筑、人造衛星、互聯網、智能機器，乃至人工生命。為方便理解，我們來看下面這個關于音樂的例子。
人腦創造的樂譜是軟構體，表達的是信息、情感、藝術和人文，是形而上的。同一首樂譜可以在不同硬構體（樂器）上表現出來，無論用小提琴、二胡、鋼琴、架子鼓等哪種硬構體來演奏，表現的都是同一首樂譜。樂譜是形而上的、精神的、非物質的；而人們聽到的音樂是物理世界客觀存在的、緩急變幻的、或強或弱的、含有豐富頻譜的聲波信號，蘊含了物質、能量、結構和時間，是形而下的，體現美，也體現知行合一。交響樂呈現的壯麗景象，往往是“涌現”的外在表現。
結語
認知物理學提出物質、能量、結構和時間是人類和機器認知的最基本要素。地球依靠日月更替、四季輪回保持秩序，人類社會群體依靠結構和社會秩序保持運轉，與生命一樣，都賴負熵為生。同樣，認知機器用能量產生時鐘，時鐘產生時序，支撐遞歸，維持機器負熵。時鐘不停，與外界交互不息，則思維和認知不息。人的一生以80年計，大約是25億秒的時間長度，人的思維周期通常是亞秒到毫秒級，而認知機器的思維周期可以是皮秒（10秒～12秒）級。倘若機器以飛秒計算，人以秒計算，1飛秒與1秒的比例，接近于1秒和3200萬年的比例。讓機器去濃縮重演一個百歲人生的思維總量，只需不到幾秒鐘就可以完成，這就是機器的暴力思維。同時，機器還有注意力集中、不會疲勞的優勢。未來，我們要突破圖靈機的局限，發展難以計算的記憶智能和具身交互智能；用云模型、數據場、拓撲勢、云變換等認知物理學理論和方法，來形式化人類的不確定性認知，通過抽象得到結構、聯想引發類比、交互形成反饋，進而集符號主義、連接主義和行為主義之大成，形成認知螺旋，實現認知的自成長；研發可交互、會學習、自成長的認知機器，探究機器認知如何像人、又如何不像人，開辟各智其智、智人之智、智智與共的人工智能新方向。
回看本文開頭“烏龜疊烏龜”的說法，物質、能量、結構和時間成為人類認知自然和自身共同的奠基石，成為人類智能和人工智能共同的奠基石。人工智能濃縮重演人類智能，同時也回答了“信息不是物質，不是能量，信息是什么”的根本問題。
參考文獻
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責 編∕張 貝 美 編∕梁麗琛
Foundation of Cognitive Physics: The Cornerstone of Understanding Nature and Humanity Itself
Li Deyi
Abstract: Matter, energy, structure and time are the most basic elements of human cognition and machine cognition, and are the common cornerstone of human intelligence and artificial intelligence. Information is neither matter nor energy but a derivative of structure and time. On top of the four elements are the soft structure of thinking and the hard structure of matter, corresponding respectively to mathematics based on imagination and reasoning, and physics based on observation and empirical evidence. The mission of cognitive physics is to use the theories and methods of physics to explain human cognition and its formation process. Artificial intelligence condenses and reproduces human intelligence, and uses machines to imitate and expand human cognition. In the future, breakthroughs should be made in the limitations of Turing machines and memory intelligence, and embodied interactive intelligence which are difficult to compute should be developed; the cloud model, data field, topological potential, cloud transformation and other cognitive physics theories and methods shall be used to formalize human uncertainty cognition, form cognitive spirals, and realize the self-growth of cognition; and the research and development of interactive, self-learning, self-growing cognitive machines shall be made to open up a new direction of artificial intelligence that combines various intelligence, human intelligence, and shared intelligence.
Keywords: cognitive physics, artificial intelligence, human intelligence, matter, energy, structure, time
