懂数学人的都认同:数学的本质[关联]万物(二)

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来源:数学职业家

结构、关系与信息
关系是与结构绑定的不可分割的,是对结构从某个视角观察的结果,并且这个角度看到的是可以被观察者所理解和可感知的。这里的可感知,即是可以被人体的感觉系统(如视觉、听觉、触觉等)所处理的。
那么就肯定会存在,有些(甚至是大部分)结构的排列组合,所呈现出来的关系,是无法被理解和可感知的。而从不同的角度去观察相同的结构,也会得到不同的关系。
那我们如何去表达、描述、甚至是传递这个关系呢?这就是信息。所以,信息描述了关系,就是描述了结构,在观察者看来结构是什么,自然就是信息的排列组合,这其实就是在描述结构——通过关系来描述结构。
而信息的载体也是一种结构,那么也就可以被其它信息所描述,所以信息是一种描述性结构。就像一段文字数据,传递了信息,这个信息描述的可能是另外一个结构(事物),而对这段文字的翻译或是解释,就是描述信息的信息,同样也是一个结构。
可见,数据本身的结构,所呈现的关系也是信息,并且从不同的角度去解析数据,就会看到不同的关系,从而得到不同的信息。而数据这个结构的主要功能就是传递信息,其载体和形式并不重要,重要的是其组成结构的排列组合,所形成的关系,即信息。
所以,传递信息就是在传递结构,而结构可以吸收信息,其实就是在吸收结构,从而可以形成新的结构,传递出新的信息。
结构、信息与比特
那么关于结构和信息,其实还有着更为深层次的联系。不可再分最基本的物质是什么?重点是不可再分,不考虑物理的限制,不要在乎物质的属性,无限小的是什么?那就是比特,就是信息量的基本单位,代表着最小信息。因为物质是由更小的物质多构成,最小的物质,拥有最小的结构,最小的结构对应的就是最小信息。
事实上,物质的属性,是由构成物质结构的数量和排列组合所决定的,但这个属性需要通过结构所传递的信息来感知。物质由宏观到微观的变化过程,就是构成物质结构不断减少,信息不断丢失的过程。物质不断的分割到粒子层面,再不断的分割,就会不断丢失结构和信息,就会不断丢失特性。到一定程度就难以测量——变成概率。那么,如果再继续分割(不考虑实际技术工具的限制),最后只有一个基本结构,对应了一个比特信息,此时只有一个属性,要么是0,要么是1,成为了概率。
另外,我们可以把信息理解为,人类可以理解的关系。那么显然,有结构就会有关系,而基本信息比特,就是描述了基本结构的关系——就是随机的0或1。所以,比特描述的关系,就是基本结构自身的变化(自身与自身的关系),是一种无法被理解的关系,相当于没有信息,也没有可观测的结构。
而如果基本结构没有变化,比特描述的关系就是全0或全1,这就是所有一切的开始与结束,代表着宇宙的起点(比特全0)与终点(比特全1)。
数学与物理
物理研究的是物质的结构和属性,及其相互作用,其中相互作用是通过某种关系来呈现的,也就是规律,可以用数学函数来描述。而数学抽象的是结构和关系,这个关系在于结构之间和结构内部的固有逻辑,也可以用函数来描述表达,并且其中有部分关系映射了物理规律,还有部分并不对应具体的现实。
注意:这里的物质属性,表达的是一个更加抽象的视角,可以理解为物质特征的总和。比如物质的运动,就可以算是一种运动属性,是物质受到力的作用后,所表现出来的一种特征,表征了物质的一种状态。
可见,物理和数学的研究对象其实都是结构,其中物理的结构是客观存在,而数学的结构则是抽象逻辑映射。
但所有结构,都是由更基本的结构排列组合所形成的,我们姑且把更基本的结构,称之为基本结构(这里结构形成了分形递归构造)。那么,是基本结构的排列组合形成了可观测的属性,形成了结构内部与外部的抽象关系,这就是物理和数学在共同的结构之上,所进行的不同方向的演绎和研究。
所以显然,无论是物理还是数学,都会对结构进行观察和分析,接着我们必然就会看到基本结构之间的关系,而关系是通过信息来描述的。那么现在,我们就可以把上面的基本结构替换为——信息,所以就是信息构成了一切。
再结合前面的结论,信息的基本单位是比特,是随机的0或1,是概率,这也就解释了为什么在微观的量子世界中,无处不在的是概率与随机。
那么,在物理上连接微观与宏观的是——普朗克常量。因为有两个公式,E = hv 和 P = hλ,其中——E是能量、P是动量、h是普朗克常量、v是频率、λ是波长。而E、P是宏观物理量,v、λ是宏观可测量,h则是微观量子化特质。
由公式可见,粒子都具有波粒二象性,其中波长和频率代表着粒子宏观波的性质,普朗克常量则代表着微观量子化的粒子性。并且普朗克常量,同时也关联着粒子的不确定性——∆x * ∆Px ≥ h,即是:粒子位置的不确定性 * 粒子速度的不确定性 * 粒子质量 ≥ 普朗克常量。
而粒子在微观的不确定性,在宏观上表现出的就是统计概率。可见普朗克常量其实就是,连接了微观与宏观的不确定性与概率。
那么,从数学角度来看,普朗克常量必定代表着某种可观测极限下的结构信息。常量之所以是常量,均代表着观测中,物质结构在某个角度下,所呈现的特定信息。所以普朗克常量代表的信息,必定会受限于人类的观测手段和能力。
但数学可以抛开实验和测量,抵达到抽象的极限。试想,是无法测量的基本结构,构建了上层可测量的基本粒子,而基本结构对应的信息描述就是比特(0或1),于是基本结构组合出的基本粒子,其信息是可以由比特信息所描述的。
那么,可观测的物理数值,最自然的信息描述方式,就是使用二进制的比特。而这也就说明了,为什么有些物理常量是无法精确表示的超越数——比如π和e。就是因为二进制信息描述,转化为十进制信息描述的过程中,会有精度丢失的问题。
数学的本质
如果说一切都是结构,那么一切就都是信息,信息的最小单位又是比特,而比特的状态是概率,可见信息和概率是密不可分的。真正的概率来自于微观,而信息构建的物质在宏观,是概率连接了宏观与微观。来到比特层面,所有的属性都丢失了,这是抽象的极限。所以在极限处,数学和一切都建立起了联系。
数学连接了心灵感知的抽象与真实的世界,一直以来人们都把思想和感受称之为非现实的虚幻。可是,如果认可了万物皆比特的信息观,那么数学就成为了,从微观到宏观凭借结构与关系,构建的通道。而这就是为什么数学是研究结构和关系的,但碰巧数学又可以对一切事物有所应用和描述的原因所在。
曾经,人们觉得坚硬的物质现实,是不以人类的思想和意志(的脑电波)所直接控制和改变的——除非有超能力。但如果万物皆比特,那么人的思想和意识活动,其实就是和物质现实,无差别的信息数据的排列组合和运作,而信息总是互相关联和互相影响的——或许这就是“念念回响,必有响应”的本质原因吧。

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