【Black杂谈】是否有一种方法可以在二进制世界中准确描述现实世界？

如何只用0和1创造一个世界？

要用0和1创造一个世界，实际上是在谈论数字化的模拟或计算机生成的虚拟世界。这个虚拟世界的基础构建可以类比于二进制代码在计算机中的工作原理。每个0和1可以代表一种状态或信息，像构建一个虚拟世界的“基本元素”一样。

世界的本源是什么？

毕达哥拉斯认为，数是世界的本源，数先于一切事物而存在，他把宇宙的性质都归结于数的规律，数是永恒的。他说数的原则就是一切事物的原则，整个天体体现着一种数的和谐。具体的理论还是很有道理的，这样的唯心主义哲学观必然孕育于当时的时代背景下。然而现在是21世纪，我们必须坚持科学的马克思主义理论，和辩证唯物主义的哲学观，一切唯心主义的世界观都是充满漏洞的，更不用说毕达哥拉斯的早期学派，就比如，数于社会生活对应是因为文化背景，比如杭州62可以用来骂人，而北京不行，更何况静态的数如何表现动态的不断运动的实体世界？数不可能构建世界。世界的本源一定是物质，为什么计算机世界是2进制，这很好解释，因为电脑的元件只有开和关两种状态，因此用010101分别对应进行编码来进行计算。

我们的世界是物质性的

物理学是研究物质、能量的本质与性质，以及它们彼此之间相互作用的自然科学。物理学从来不关心怎么表示，怎么表示是数学所关心的，而且数学仅作为工具。因为数学不是客观存在的东西，而是一种抽象。比如说，我们常见的一种水果，中国用“苹果”表示，美国用“Apple”表示，但是怎么表示，与苹果本身没有关系，你不去表示它也客观存在，“表示“不是它（苹果）的本质。用“苹果”表示，只是我们人类对它的一个抽象概念。

我们的世界是由什么组成的？

关于世界物质的基本结构，物理学提供了几种不同层次的解释。从宏观到微观，世界的物质由不同层次的结构组成，每一层次都反映出更深层次的规律和特性

• 经典物质层次：原子与分子
  在经典物理学中，物质的基本单位是原子。每个原子由原子核和围绕它旋转的电子组成。原子核由质子和中子构成，而电子则携带负电荷，围绕原子核运动。
  多个原子可以通过化学键结合形成分子，分子是我们所见的所有物质的基本单位（如水分子、氧气分子等）。

• 粒子物理学：基本粒子
  更深入的物质结构是通过粒子物理学来研究的。根据现代粒子物理的标准模型，物质的基本构成单位是基本粒子。标准模型主要包含了两大类基本粒子：
  夸克（Quarks）：构成质子和中子的基本粒子。
  轻子（Leptons）：如电子和中微子。
  玻色子：这些粒子与力的传播相关，譬如光子（电磁力）、W/Z玻色子（弱核力）、胶子（强核力）等。
  在粒子物理学中，夸克和轻子是目前认为的最基本的物质粒子，它们无法被分解成更小的部分。质子和中子是由夸克组成的，而电子和中微子则属于轻子类。

• 量子场论：物质与场的关系
  在量子场论中，物质并不是由独立的粒子组成的，而是由量子场通过粒子化表现出来的。每种基本粒子都对应一个量子场，粒子是这些场的激发态。
  比如，电子是电子场的激发态，光子是电磁场的激发态。通过这种视角，物质和力的传播不再是由独立的粒子构成，而是场的存在和相互作用。

• 弦理论：更深层次的结构
  在弦理论中，物质的基本结构并非粒子，而是由一维的弦构成的。弦可以在不同的频率和模式下振动，这些振动模式对应不同的粒子和力。弦理论尝试将所有基本粒子（包括引力）统一在一个框架下，从而为理解宇宙的基本结构提供一种潜在的更深层次的理论。
  弦理论的一个关键观点是，空间不仅仅有三维（长、宽、高），可能还有额外的空间维度，这些维度我们无法直接感知。

• 量子引力：对物质的最终统一
  量子引力（如弦理论和圈量子引力等理论）是试图将量子力学与引力（即广义相对论）结合的理论。传统的量子理论和广义相对论有很大冲突，尤其是在微观尺度（如黑洞内部或大爆炸初期）。量子引力的目标是揭示在极端条件下，物质和空间时间的真正结构。
  有的研究认为，物质可能不再是由“粒子”组成，而是由“量子纠缠”或某种更抽象的结构构成。

现实世界的物理结构能否使用计算机世界的二进制描述？

研究物理结构是否能用二进制描述，本质上确实是研究世界的连续性与离散性的关系。
如果现实世界是连续的，那么用离散的数字系统（如二进制）就注定无法准确描述物理结构。这里的“连续”指的是物理量（如时间、空间、温度等）的无限细化和无缝变化。在这种情况下，任何有限的离散表示——包括二进制——都只能是逼近而不是精确的表示。

关于现实世界连续性与离散性的讨论

我们生活的世界，从物理学的角度来看，是既包含连续性又包含离散性的。要理解这个问题，我们需要从不同层面来分析：宏观世界、微观世界和数学描述。

• 宏观世界：连续性
  在我们日常生活中，世界看起来是连续的。我们感知到的物理现象（如物体的运动、时间的流逝、空间的扩展等）似乎都是平滑、无缝衔接的。这种连续性在经典物理中得到了很好的描述，特别是通过牛顿力学和广义相对论

  • 时间：我们生活中的时间似乎是流动的，没有间断。我们以秒、分钟、小时等单位来度量时间，而这些单位只是为了方便计算的抽象，时间本身是一个持续不断的过程。

  • 空间：我们周围的空间看似连续，可以在三维空间中自由移动，物体也可以平滑地改变位置。无论是地面、空气，还是我们接触的其他物体，它们在日常生活中的形态变化似乎都是连续的。

  • 物理量的连续变化：例如，速度、温度、压力等物理量的变化是连续的。它们没有明显的“跳跃”或“断裂”，并且可以在一定范围内进行平滑的变化。

• 微观世界：离散性
  然而，当我们深入到微观世界（特别是量子尺度）时，世界呈现出离散性的特点。量子力学揭示了在原子、粒子级别上，许多物理量并不是连续变化的，而是以某种离散的方式表现出来：

  • 能量的量子化：在量子力学中，粒子（如电子）的能量并不是连续变化的，而是以离散的“能级”存在。比如，电子在原子中只能处于特定的能级，不能处于能量范围中的任意位置。

  • 粒子的离散性：在经典物理中，物质被认为是由连续的物质填充的，但在量子力学中，物质实际上由基本粒子（如夸克、电子等）构成，而这些粒子是离散的，且在量子尺度上，物质不再呈现传统的“连续”性质。

  • 量子态的离散：量子系统的状态是离散的，即在不确定性原理下，粒子的位置和动量无法被同时精确描述，而是只能在一定的离散范围内进行测量。

• 数学与计算：连续世界的离散描述
  虽然我们感知的世界是连续的，但现代计算机、数学模型和物理模拟通常需要将连续的世界离散化，以便进行分析、计算和模拟。计算机处理的数据是离散的，它们将现实世界的连续性用有限数量的数字（如二进制）进行表示。通过数值方法（如有限差分、有限元方法等），我们能够在离散化的世界中模拟连续现象。

现代物理学通过一些理论（例如弦理论、量子引力理论等）试图统一这两种观点，认为空间和时间在极小尺度下可能是离散的（例如，普朗克尺度），而在宏观尺度下它们表现为连续的。也就是说，现实世界可能在极微观尺度上是离散的，但在日常生活中，连续性依然是我们的主要经验。