李德毅院士：认知物理学基础——认知自然和人类自身的奠基石
李德毅院士：认知物理学基础——认知自然和人类自身的奠基石
物质、能量、结构和时间是人类认知和机器认知的最基本要素，是人类智能和人工智能共同的奠基石。信息不是物质，不是能量，是在结构、时间上形成的衍生物。位于四要素之上的是思维软构体和物质硬构体，其上分别对应基于想象与推理的数学和基于观察与实证的物理，而基于数学和物理之上的是认知物理学。认知物理学的使命是用物理学的理论和方法解释人类认知及其形成过程，人工智能浓缩重演人类智能，用机器来模仿、拓展人的认知。
寻找奠基石
“乌龟叠乌龟”的说法，是想把人类认知自然和自身的演化，在逻辑上排个序。基于这一思路，笔者对人类智能和人工智能中诸要素的逻辑关系进行了认真梳理，得到如图1所示的结果。
图1 认知要素叠层的示意图
物理和数学之间的纠缠
牛顿为经典物理找到了数学的精确性，但化学和生物学在彼时尚缺乏坚实的基础，需要研究不确定性，需要概率论和统计学，需要研究涌现或顿悟的机理。生命科学最近几年越来越兴盛，如结构生物学、认知神经生物学、基因编辑等。随着计算机的广泛使用，以及微电子技术和芯片、计算机智能和认知物理学的迅速发展，人们不停发出追问：究竟生命是机器，还是机器是生命？人的认知和机器的认知，如何相同又如何不同？这些正是认知物理学要研究的问题。认知物理学的使命是阐释和填补人类智能和人工智能之间的鸿沟（见图2）。现在看来，除了物质和能量，结构和时间在认知自然和人类自身中也发挥着不可思议的作用。
图2 认知物理学填补人类智能和人工智能之间的鸿沟
客观的自然和主观的认知之间的纠缠
人类认知宇宙的过程是基于观察和实证的，通常我们只相信“实”，看到“在”；而在人脑中有许多基于想象和抽象的思维软构体，自己也会冒出“虚”和“软”。人类一切的思维活动都离不开抽象，认知源于感知过程中的抽象，并将其压缩成不同尺度的软构体。自然进化形成的具有抽象、联想和记忆能力的脑神经系统，是人类抽象出结构和时间的生物学基础。人类长期进化形成的感知器官和大脑皮层组织，特别是大量神经细胞的相互作用，是形成时间感知的思维器官。倘若没有包括视觉残留在内的各类不同时长的记忆，如瞬时记忆、工作记忆和长期记忆，我们就只能活在当下，就不会有物质运动和变化的时间概念。记忆为我们过去和现在的认知提供连续性。正如一句心理学名言所述，生活就是记忆。有记忆就会有遗忘，否则大脑就会不堪重负。图灵也有句名言：遗忘是人类智能的显著表现。人类要用有限的记忆能力去认知无限的宇宙，于是抽象出结构和时间，从而有利于展开联想，形成想象力和创造力，这是人类在长期的自然进化、物竞天择、适者生存的发展中，为了实现生存和繁衍而“被动”形成的。宇宙中原本不存在离开物质和能量的孤立结构，也沒有离开物质和能量的孤立时间。一个重要的例证就是1967年物理学界一致同意改用场论解释的原子结构来定义“秒”。一秒的间隔时间是铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应的电磁辐射91770周期的持续时间。从物理常数定义的量纲可以看出，是时间T定义了长度L和质量M，也是时间描述了熵增和负熵。有了时间的概念，物质和能量便可以映射为认知空间里不同时刻表现出的拓扑结构和关系。由此，在两虚两实交互的四要素中，结构体现在物质物体上，时间体现在能量或运动变化上。
信息不是物质，不是能量，信息是什么？
信息是在结构、时间上形成的衍生物，是思维软构体的指代，仅此而已。构成人类文字的最小元素是符号或笔划，数学中最基本的抽象是0和1，代数中最基本的抽象是常量和变量，几何中最基本的抽象是点线面。在抽象的基础上，认知产生联想和交互，从线性到非线性，从确定性到不确定性，从可逆可还原到不可逆不可还原，从简单到复杂。在人的认知空间里，倘若没有抽象和联想，就没有数字、符号和编码，数学、语言和文字，更不用说信息、知识和模型，方程、算法和程序。而符号、文字、模型、算法、程序都是软构体，是非物质的、非客观存在的，只是人的智能活动。例如，人能够识别纸上、墙上印刷的千差万别的图形“A”这些硬构体，并将其合并、归类、抽象成认知空间的软构体“A”。软构体并不存储于某个孤立的记忆单元里，而是体现在人脑神经元网络拓扑之中。各类抽象概念，如“山”“水”“树”“房子”“人”“宠物”等，都是思维软构体，根据不同的场合和任务可以变化性地指代物理世界的同一个或多个特定实体（如女孩、女性、大姐）；同一个硬构体也可以在不同的情境和环境下变化地被赋予认知空间里的各种各样的软构体，甚至可以是千差万别的软构体。人们常说的信息，只是软构体的冰山一角。人脑借助软构体思维、想象和创造，解释人的精神世界，解释人类的认知，也解释生命的价值，开辟了“结构性、时间性的科学、技术和工程”。
包括信息在内的思维软构体，不是构成物理世界的真实存在，不具有客观性或物质性。同时，结构和时间也深深地、精细地寄生在物质性和能量性的科学、工程和技术之中，解释人类所处的物质世界，润物细无声地渗透到各种各样的人造物之中，成为物理空间越来越多的真实存在，如人造建筑、人造卫星、互联网、智能机器，乃至人工生命。为方便理解，我们来看下面这个关于音乐的例子。
人脑创造的乐谱是软构体，表达的是信息、情感、艺术和人文，是形而上的。同一首乐谱可以在不同硬构体（乐器）上表现出来，无论用小提琴、二胡、钢琴、架子鼓等哪种硬构体来演奏，表现的都是同一首乐谱。乐谱是形而上的、精神的、非物质的；而人们听到的音乐是物理世界客观存在的、缓急变幻的、或强或弱的、含有丰富频谱的声波信号，蕴含了物质、能量、结构和时间，是形而下的，体现美，也体现知行合一。交响乐呈现的壮丽景象，往往是“涌现”的外在表现。
结语
认知物理学提出物质、能量、结构和时间是人类和机器认知的最基本要素。地球依靠日月更替、四季轮回保持秩序，人类社会群体依靠结构和社会秩序保持运转，与生命一样，都赖负熵为生。同样，认知机器用能量产生时钟，时钟产生时序，支撑递归，维持机器负熵。时钟不停，与外界交互不息，则思维和认知不息。人的一生以80年计，大约是25亿秒的时间长度，人的思维周期通常是亚秒到毫秒级，而认知机器的思维周期可以是皮秒（10秒～12秒）级。倘若机器以飞秒计算，人以秒计算，1飞秒与1秒的比例，接近于1秒和3200万年的比例。让机器去浓缩重演一个百岁人生的思维总量，只需不到几秒钟就可以完成，这就是机器的暴力思维。同时，机器还有注意力集中、不会疲劳的优势。未来，我们要突破图灵机的局限，发展难以计算的记忆智能和具身交互智能；用云模型、数据场、拓扑势、云变换等认知物理学理论和方法，来形式化人类的不确定性认知，通过抽象得到结构、联想引发类比、交互形成反馈，进而集符号主义、连接主义和行为主义之大成，形成认知螺旋，实现认知的自成长；研发可交互、会学习、自成长的认知机器，探究机器认知如何像人、又如何不像人，开辟各智其智、智人之智、智智与共的人工智能新方向。
回看本文开头“乌龟叠乌龟”的说法，物质、能量、结构和时间成为人类认知自然和自身共同的奠基石，成为人类智能和人工智能共同的奠基石。人工智能浓缩重演人类智能，同时也回答了“信息不是物质，不是能量，信息是什么”的根本问题。