- 生命3.0
- (美)邁克斯·泰格馬克
- 3749字
- 2019-01-04 21:06:16
什么是記憶
如果說(shuō)一本地圖冊(cè)包含關(guān)于世界的“信息”,那么,書(shū)的狀態(tài)與世界的狀態(tài)之間就存在著一種關(guān)系;具體而言就是指,書(shū)中文字和圖片的分子的位置與大陸的位置之間存在著一種關(guān)系。如果大陸變換了位置,書(shū)中的分子也會(huì)變換位置。我們?nèi)祟惔鎯?chǔ)信息的設(shè)備多種多樣,從書(shū)籍到大腦,再到硬盤(pán),這些設(shè)備都有一個(gè)共同點(diǎn):它們的狀態(tài)能與我們關(guān)心的事物產(chǎn)生某種關(guān)系,因此也能告訴我們有關(guān)這些事物的信息。
那么,是哪一項(xiàng)基本物理定律允許這些設(shè)備可以被用作“記憶裝置”,即存儲(chǔ)信息的裝置的呢?答案是,它們都能夠處于許多不同的長(zhǎng)期狀態(tài),這些狀態(tài)能夠保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間,長(zhǎng)到足以把信息編入系統(tǒng)中,直到它被需要的那一天。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,假設(shè)有一個(gè)崎嶇不平的曲面,上面有16個(gè)“山谷”,如圖2-3所示。你將一個(gè)小球放到這個(gè)曲面上,它就會(huì)滾落到“山谷”中。一旦小球停下來(lái),它一定會(huì)位于16個(gè)位置中的其中一個(gè)上,因此,你可以用它的位置來(lái)記憶從1~16的任意一個(gè)數(shù)字。
這個(gè)記憶裝置是相當(dāng)穩(wěn)健的,因?yàn)榧词顾艿酵饬Φ膿u晃或干擾,小球也很可能會(huì)保持在原來(lái)的那個(gè)“山谷”中,所以,你還是可以讀出它存儲(chǔ)的數(shù)字。這個(gè)記憶之所以如此穩(wěn)定,是因?yàn)橄胍研∏蚰贸錾焦人璧哪芰浚入S機(jī)干擾所能提供的能量多得多。除了曲面上的小球之外,這個(gè)原理還可以被運(yùn)用到更廣泛的情況中,以提供穩(wěn)定的記憶,復(fù)雜物理系統(tǒng)的能量可能依賴于各種各樣的力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。不過(guò),對(duì)于一個(gè)你希望記憶裝置“記住”的狀態(tài),如果它需要一定的能量才能改變這個(gè)狀態(tài),那么這個(gè)狀態(tài)就是穩(wěn)定的。這就是為什么固體擁有許多長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài),而液體和氣體卻沒(méi)有;如果你把某人的名字刻在一枚金戒指上,多年以后,這個(gè)信息依然在那里,因?yàn)橹罔T金子需要很大的能量,但如果你把它“刻”在池塘的水面,不到一秒鐘,這個(gè)信息就會(huì)丟失,因?yàn)樗娴男螤畈毁M(fèi)吹灰之力就可以改變。

圖2-3 記憶裝置的物理定律
注:如果一個(gè)物理實(shí)體可以處于許多不同的穩(wěn)定狀態(tài),那么它就可以用作“記憶裝置”。左圖中的小球編碼了4個(gè)比特的信息,代表它處在24=16個(gè)“山谷”中的其中一個(gè)中。右圖中的4個(gè)小球共編碼了4個(gè)比特的信息,每個(gè)小球編碼了1個(gè)比特的信息。
最簡(jiǎn)單的記憶裝置只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)(如圖2-3的右圖所示)。因此,我們可以認(rèn)為它是用二進(jìn)制數(shù)字(簡(jiǎn)稱“比特”),也就是0和1來(lái)編碼信息的。同樣地,復(fù)雜一些的記憶裝置可以用多個(gè)比特來(lái)存儲(chǔ)信息:比如,圖2-3右圖中的4個(gè)比特組合起來(lái)可以有2×2×2×2=16種不同的狀態(tài):0000,0001,0010,0011,…,1111,因此,它們組合起來(lái)的記憶能力與更復(fù)雜一些的16態(tài)系統(tǒng)(如左圖所示)是完全相同的。因此,我們可以把比特視作信息的“原子”,也就是不能被繼續(xù)細(xì)分的最小信息單元,它們組合起來(lái)可以表示任何信息。舉個(gè)例子,我剛在筆記本電腦上打出了“word”這個(gè)單詞,在電腦的內(nèi)存中,它用一個(gè)由4個(gè)數(shù)字組成的序列來(lái)表示:119111114100,每個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)為8個(gè)比特,每個(gè)小寫(xiě)字母的編碼是96加上它在字母表中的序數(shù)。當(dāng)我在鍵盤(pán)上敲出“w”這個(gè)字母時(shí),我的筆記本電腦屏幕上顯示出了“w”的視覺(jué)圖像,這個(gè)圖像同樣也是由比特來(lái)表示的:電腦屏幕上共有幾百萬(wàn)個(gè)像素,每個(gè)像素需要32個(gè)比特來(lái)規(guī)定它的顏色。
由于雙態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)和使用起來(lái)都很容易,大多數(shù)當(dāng)代計(jì)算機(jī)都是用比特的方式來(lái)存儲(chǔ)信息。不過(guò),比特的體現(xiàn)方式多種多樣。在DVD碟片上,每個(gè)比特代表其塑料表面上某一點(diǎn)是否存在一個(gè)微型凹坑。在硬盤(pán)中,每個(gè)比特代表它表面的某個(gè)點(diǎn)采用的是二選一的磁化方法。在我筆記本電腦的工作內(nèi)存中,每個(gè)比特代表決定“微型電容”是否充電的某個(gè)電子位置。某些比特可以方便地傳輸,甚至能達(dá)到光速:例如,在你用來(lái)發(fā)送電子郵件的光纖中,每個(gè)比特代表一個(gè)激光束在某一時(shí)刻是強(qiáng)還是弱。
工程師喜歡將比特編碼進(jìn)那些不但穩(wěn)定易讀(就像金戒指),而且易于寫(xiě)入的系統(tǒng)中,比如硬盤(pán),改變硬盤(pán)的狀態(tài)所需的能量可比在金子上刻字少多了。他們還偏愛(ài)那些使用起來(lái)很方便,并能很便宜地進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的系統(tǒng)。但除此之外,他們并不關(guān)心比特在物理實(shí)體中是如何體現(xiàn)的,大部分時(shí)候,你也不會(huì)關(guān)心這件事,因?yàn)樗静恢匾∪绻阃ㄟ^(guò)電子郵件給你的朋友發(fā)送了一個(gè)需要打印的文件,從硬盤(pán)上的磁化到電腦工作內(nèi)存中的電荷、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線電波、路由器的電壓以及光纖中的激光脈沖,信息會(huì)以極快的速度在其中復(fù)制,最終換句話說(shuō),信息仿佛擁有自己的生命,而與它的物質(zhì)形態(tài)如何沒(méi)有關(guān)系。確實(shí),我們感興趣的只是這些獨(dú)立于物質(zhì)形態(tài)的信息,如果朋友給你打電話討論你發(fā)送給他的那份文件,他并不是要和你討論關(guān)于電壓或分子的事情。這是我們獲得的第一個(gè)啟示:智能這樣的無(wú)形之物可以體現(xiàn)在有形的物質(zhì)形式之上。接下來(lái)我們將會(huì)看到,“物質(zhì)層面的獨(dú)立性”這種屬性其實(shí)具有更深的意義,不僅涉及信息,還與計(jì)算和學(xué)習(xí)有關(guān)。
正因?yàn)樾畔⒖梢元?dú)立于物質(zhì)形態(tài)而存在,聰明的工程師們才能一次又一次地用新技術(shù)更新計(jì)算機(jī)的記憶裝置,而不需要對(duì)軟件做任何改變。結(jié)果相當(dāng)驚人,如圖2-4所示,在過(guò)去的60年里,每隔幾年,計(jì)算機(jī)內(nèi)存就會(huì)變得比之前便宜一半。硬盤(pán)的價(jià)格便宜了1億倍,而主要用于計(jì)算而不只是存儲(chǔ)的快速內(nèi)存的價(jià)格驟降了10萬(wàn)億倍。如果買(mǎi)東西時(shí)我們也能獲得“99.99999999999%”這么大的折扣力度,那么你只需要花10美分就能在紐約市買(mǎi)一棟房子,也只需花1美元就能買(mǎi)下人類歷史上開(kāi)采出來(lái)的所有黃金。

圖2-4 過(guò)去60年里,計(jì)算機(jī)內(nèi)存的變化趨勢(shì)
注:在過(guò)去的60年里,每隔幾年,計(jì)算機(jī)內(nèi)存就會(huì)比過(guò)去便宜兩倍,相當(dāng)于每20年便宜1000倍。一個(gè)字節(jié)等于8個(gè)比特。數(shù)據(jù)來(lái)源于約翰·麥卡勒姆(John McCallum),詳細(xì)數(shù)據(jù)請(qǐng)查看http://www.jcmit.net/memoryprice.htm。
對(duì)許多人來(lái)說(shuō),存儲(chǔ)技術(shù)的巨大進(jìn)步都與自己的成長(zhǎng)息息相關(guān)。我記得上高中時(shí),為了買(mǎi)一臺(tái)內(nèi)存為16KB的計(jì)算機(jī),不得不在一家糖果店里打工。我和我的同學(xué)馬格努斯·博丁(Magnus Bodin)為這臺(tái)計(jì)算機(jī)寫(xiě)了一個(gè)文字處理軟件,當(dāng)時(shí)我們被迫用超級(jí)緊湊的機(jī)器碼來(lái)寫(xiě),就為了給它要處理的文字信息留點(diǎn)空間。在習(xí)慣70KB內(nèi)存的軟盤(pán)之后,我被3.5英寸大的軟盤(pán)震驚了,因?yàn)樗w積更小,卻能存儲(chǔ)1.44MB的內(nèi)容,足以裝下一整本書(shū)。后來(lái),我擁有了我人生中的第一個(gè)硬盤(pán),它可以存儲(chǔ)10MB的內(nèi)容,放到今天,它可能連一首歌曲都裝不下。這些青春期的故事回憶起來(lái)很不可思議,因?yàn)榻裉斓奈一?00美元就能買(mǎi)到一個(gè)比以前的存儲(chǔ)空間大30萬(wàn)倍的硬盤(pán)。
這些都是人類設(shè)計(jì)的記憶裝置。那么,那些進(jìn)化而來(lái)的記憶裝置呢?生物學(xué)家還不知道第一個(gè)能夠復(fù)制上一代藍(lán)圖的生命形式是什么,但我們猜想,它可能非常微小。2016年,劍橋大學(xué)的菲利普·霍利格(Philipp Holliger)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)RNA分子,它編碼有412個(gè)比特的遺傳信息,能夠復(fù)制比自己更長(zhǎng)的RNA鏈。這個(gè)成果為一個(gè)叫作“RNA世界”(RNA world)的假說(shuō)提供了支持。這個(gè)假說(shuō)認(rèn)為,早期的地球生命與一些能自我復(fù)制的RNA短片段有關(guān)。目前,已知進(jìn)化產(chǎn)生并生存于野外的最小記憶裝置是一種名叫Candidatus Carsonella Ruddii的細(xì)菌的基因組,它可以存儲(chǔ)40KB的信息,而我們?nèi)祟惖腄NA能存儲(chǔ)1.6GB的信息,與一部電影的大小差不多。正如在第1章提到的,我們大腦存儲(chǔ)的信息比基因多多了:大腦中差不多有10GB的電子信息,它們?cè)敿?xì)描述了在任意時(shí)刻,在你的1000億個(gè)神經(jīng)元中,有哪些正在放電;還有100TB的化學(xué)/生物信息,它們?cè)敿?xì)描述了神經(jīng)元之間突觸連接的強(qiáng)度。將這些數(shù)字與機(jī)器記憶相比較,你就會(huì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)今世界上最好的計(jì)算機(jī)的記憶能力比任何生物系統(tǒng)都強(qiáng)大,并且,它們的價(jià)格下降得非常快,到了2016年,只需要幾千美金就可以買(mǎi)到。
大腦的記憶原理與計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)原理截然不同,這不僅體現(xiàn)在它的構(gòu)成上,還體現(xiàn)在它的使用方式上。你在計(jì)算機(jī)或硬盤(pán)上讀取記憶的方式是通過(guò)它存儲(chǔ)的位置,但你從大腦中讀取記憶的方式則是依據(jù)它存儲(chǔ)的內(nèi)容。在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中,每組比特都擁有由一個(gè)數(shù)字組成的地址。當(dāng)需要讀取某些信息時(shí),計(jì)算機(jī)檢索的是它的地址,這就好像在說(shuō):“請(qǐng)你從我的書(shū)架上取出最頂層從右往左數(shù)的第5本書(shū),然后告訴我第314頁(yè)上說(shuō)了什么。”相反,你從大腦中讀取信息的方式卻更像搜索引擎:你指定某個(gè)信息或與之相關(guān)的信息,然后它就會(huì)自動(dòng)彈出來(lái)。比如,當(dāng)你聽(tīng)到“生存還是……”這個(gè)短語(yǔ)時(shí),它很可能會(huì)在你腦中觸發(fā)“生存還是毀滅,這是一個(gè)值得考慮的問(wèn)題”這句話;如果你在網(wǎng)上搜索這個(gè)短語(yǔ),搜索引擎也很可能會(huì)給你同樣的搜索結(jié)果。實(shí)際上,即便我引用的是這句話中的另外一部分,甚至弄混一些字詞,結(jié)果可能還是一樣的。這種記憶系統(tǒng)被稱為“自聯(lián)想”(auto-associative),因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^(guò)聯(lián)想而不是地址來(lái)進(jìn)行“回想”的。
1982年,物理學(xué)家約翰·霍普菲爾德(John Hopfield)在一篇著名的論文中向人們展示了一個(gè)由互相連接的神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò),它能夠?qū)崿F(xiàn)自聯(lián)想記憶的功能。我覺(jué)得他的基本觀點(diǎn)非常棒,對(duì)于許多擁有多個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的物理系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這個(gè)觀點(diǎn)都成立。例如,一個(gè)小球位于一個(gè)擁有兩個(gè)“山谷”的曲面上,就像圖2-3中顯示的單比特系統(tǒng)那樣。讓我們對(duì)這個(gè)曲面做一點(diǎn)設(shè)定,讓兩個(gè)最低點(diǎn)的x坐標(biāo)分別為和x=π≈3.14159。如果你只記得π與3很接近,但不記得π的具體值,那么你只需要把小球放到π=3處,然后看它滾落入最近的最低點(diǎn),它就能向你揭示出一個(gè)更精確的π值。霍普菲爾德意識(shí)到,一個(gè)更復(fù)雜的神經(jīng)元系統(tǒng)可以提供一個(gè)類似的“地形”,其上有許許多多能量極小值,系統(tǒng)可以穩(wěn)定在這些能量極小值上。后來(lái)人們證明,你可以在每1000個(gè)神經(jīng)元中塞進(jìn)多達(dá)138個(gè)不同的記憶,而不會(huì)引起較大的混亂。
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