计算复杂性解码时空的新支点

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1、国际2014 年 6 月 9 日星期一 Tel押 （010） 625806173主编： 赵路编辑： 唐凤校对： 王心怡 E-mail押近日， 美国总统巴拉克 奥巴马的脑创新计划定 价翻了两番。去年， 白宫公布了一个名为 BRAIN 创 新计划的大胆项目该项目旨在绘制活体人脑图 谱，并命令数个联邦机构迅速制定方案以确保计划 实现。 为了强力推动该项目实施， 奥巴马今年为该计 划拨款 1 亿美元， 覆盖国立卫生研究院 （NIH） 、 国家 科学基金会和国防部先进研究项目局。 现在，在经历了持续 1 年的会议和商谈后， 一 个由 NIH 召集的工作小组对脑创新计划的一些目 标和愿望进行了充实， 并试

2、图对资金需求提出一个 更现实的目标：为期 10 年的进程共需 45 亿美 元大约是目前预算的 4 倍。 NIH 院长 Francis Collins 在接受媒体采访时表 示，当前为脑创新计划提供了 4000 万美元的 NIH 尚未出炉合适的计划，以解决从哪里获得新报告提 出的额外经费的问题。 “这将不会很快，也不会容 易。 ” 他说。 无论如何， Collins表示自己由衷地接受该 计划：“我已经接受脑创新计划的科学前景，这将改 变神经系统科学。” 新报告还展示了 1012 年的详细计划， 每年将 投入 3 亿 5 亿美元开发用于监测和映射大脑活动 和结构的新工具，该计划将始于 2016 财年

3、。这暗 示， 在最初的 56 年中， 脑创新计划将着重发展新 工具， 然后逐渐将资金向新技术方面倾斜。 该工作组组长、纽约洛克菲勒大学神经学家 Cornelia Bargmann 在近日举行的新闻发布会上表 示， 一个重要的目标是制造更便宜、 更可用的工具， 以便研究人员可以不需要经过特殊培训就能使用 这些工具， 因此， 随着时间的流逝， 进行神经科学研 究的全部成本将会降低。 上述工作小组也承认， 他们的预算结果存在不 确定性。 “虽然我们没有进行详细的成本分析， 但我 们考虑了该计划要解决的问题范围， 以及近年来相 关领域的项目成本。”（张章）最近， 研究者用电脑模型证明： 对事业起 步期

4、的科学家来说，“不发表就发臭” 是一条黄 金准则。根据计算公式， 对于年轻科学家来说， 以第一作者身份在知名期刊上发表的论文数 量是决定其之后成就的最重要因素。 西班牙巴塞罗那市庞比犹法布拉大学计算 机科学家 LucasCarey是该模型的设计者， 他与同 事发现， 除了论文发表数量之外， 供职于知名大 学及身为男性也会为日后成功打下基础。 Carey 将研究结果在线发表于 6 月 2 日的 当代生物学 杂志上， 该小组还专门建立了一 个名为 的网站，为处于事业起 步阶段的科学家分析他们的论文能否在业界 “独领风骚” 。 Carey 与以色列雷霍沃特市魏茨曼科学 研究所的 David van

5、 Dijk、 美国西雅图市华盛 顿大学的 Ohad Manor 一起开展研究工作。 他 们分析了 1996 年至 2000 年间由生物医学研 究者首次发表的 25000 份论文。在这些作者 中， 只有6.2%的人最后成为了首席研究员 （PI） 。 研究小组对 PI 的评判依据是：在之后的 13 年 里，以最终作者的名义最少发表过 3 篇论文。 Carey 小组使用的运算法则是一种机器学习技 术，可以分析出超过 200 种不同指标对未来事 业成功的影响。此外， 该运算法则还生成了一 个公式，可以用来计算同一研究机构中不同 2 人在未来成为 PI 的机会孰高孰低。结果显示， 该公式计算推算的准确率

6、高达 83%。 根据该公式，科学家前 8 年发表论文的数 量及期刊的影响力是最重要的指标。但是， Carey 补充道，这一成功法则只适用于第一作 者， 也就是说， 年轻科学家尽量不要与他人合 作撰写论文。 因为， 过多地与他人共同撰写论文会让科 学家失去自己的竞争优势。Carey 说：“我们的 研究数据证明， 年轻人不应该涉足重大的科研任务。 ” 至于论文的质量方面， 例如被引频次， 实 际效果反而不如期刊本身的影响力重要， 尽管 不少科学家批评该指标使用了错误的评判方 法衡量论文质量。 研究结果还证明， 男性在成为 PI 的道路上 是有优势的。Van Dijk 说， 平均来说， 在具有相 同

7、论文发表数量的情况下， 女性成为 PI 的可能 性比男性低 7%。 虽然供职于知名学府也会为科 学家带来优势， 但发表论文的数量会冲淡这种 优势， 因此学校的知名度并不是一个特别重要的因素。 一些科学家并不认可 Carey的研究， 因为他 们从来没有在知名期刊上发表过论文，却仍依 靠自己的努力成为了 PI。但 Carey 的研究小组 指出，这些没有在知名期刊发表过论文且最终 还成为 PI 的科学家，他们以第一作者身份发表 的论文数量是普通科学家以第一作者身份发表 论文数量的 2 倍，这说明发表论文的数量在一 定程度上能够弥补其他因素不足所造成的不利 影响。马萨诸塞州波士顿市东北大学网络理论家

8、Albert-L佗szl佼Barab佗si 曾经发表过以个人论文 质量预测未来学术成功可能性的文章。他说： “Carey 的研究证明了学术成功具有可预见性， 且清晰地将相关因素梳理了出来，通过多种方 式排列出各种因素的重要性程度。” 得克萨 斯大 学泛 美分校 生物 学 家 Zen Faulkes 说：“年轻研究者将全部时间用来搞科 研， Carey 的研究成果基本上与职业咨询给予 年轻研究者的规划建议相吻合。” 但该研究方法也存在弊端。研究所使用的 公式只在生物医学科学家 1996 年至 2000 年间 发表的论文上测试过。 Peter van den Besselaar 是 荷兰阿姆斯特丹

9、自由大学一名专门研究科学管 理的研究者，他指出该模型所提出的那些最具 有影响力的因素可能是一种误导。Besselaar 说， 从所有人中分辨出具有高学术素养并在将来有 可能成为 PI 的人， 和那些低学术素养并最终会 离开科研领域的人是一件相对容易的事情。真 正困难的问题在于，如何在最顶尖的 15%的科 学家中分辨出谁有可能成为 PI。因为在这些人 中只有不到 50%的人能成为 PI。 此外， 该模型对 于学术成功的定义也被人诟病，学术成功不一 定非要以成为 PI 为标杆， 成为一座实验室的负 责人或获得终身职位一样是学术成功的表现。 不过 Faulkes 补充道， 尽管如此， 该研究仍 然是

10、有价值的，因为它展现了女性在学术领域 的不利地位，并证明期刊本身所具有的影响力 很大程度上决定了一篇论文的最终表现。 Carey 透露，他们的小组正在改进电脑模 型，尝试用模型预测哪些研究者有可能获得终 身职位，哪些研究者有可能获得项目资金。他 说：“根据我的经验，大学招聘委员会关心的主 要是两点：研究者发表论文的数量和拥有的资 金； 而所有基金资助机构关心的则只有一点： 研 究者发表论文的数量。”（段歆涔）“不发表就发臭” 电脑模型预测论文数量、 任职机构及性别关乎学术成就在发表同等数量文章的情况下， 和男性生物学家相比， 女性生物学家成为学术带头人的可能 性更低。图片来源： Norma J

11、ean Gargasz这些天， 物理学家 Leonard Susskind 在演讲 时， 时常穿着一件印着 “我爱复杂性” 的黑色 T 恤， 而且 “曼德布洛特集合” 也赫然其上。曼德 布洛特集合是一种被广泛当作复杂性标志的 分形图像。 这件衣服几乎能概括他要传达的信息。现 年 74 岁的 Susskind 是美国斯坦福大学理论物 理学家， 他一直在努力统一量子力学和爱因斯 坦广义相对论。对这种晦涩的统一理论的追求 让他拥护反直觉理论， 例如超弦理论， 或三维 宇宙实际是二维全息图理论。 但现在， Susskind 与少量研究人员共同支持 一种新的古怪理论：这种涉及一切的神秘理论 的关键被发现

12、存在于计算复杂性（计算机科学 的一个分支） 中。 这并非物理学家正在努力寻找的基础洞 察力的分支。计算复杂性以实际情况为基础， 例如执行一种算法需要多少个逻辑步骤。但 Susskind 表示， 如果这种方法有效， 那将解决近 年来其领域中最令人困惑的理论难题之一： 黑 洞防火墙悖论它意味着量子力学或广义 相对论中有一个必须是错的。不仅如此， 他说， 计算复杂性将给予理论物理学家全新的方法 统一两个科学分支。防火墙背后所有一切始于 40 年前，当时物理学家史 蒂芬 霍金身处英国剑桥大学，他意识到量子 效应将能导致一个黑洞辐射光子和其他粒子， 直到其完全消失不见。 但其他研究人员迅速指出， 这揭示

13、了一个令 人不安的矛盾。根据量子力学原理， 外流的辐射 线必须保留掉入黑洞的所有东西的信息， 即使下 落物质能携有完全相同的信息通过黑洞视界， 后 者是黑洞的内边界，引力在这里变得如此强大，连光也无法逃脱。不过， 这种双向流动违反量子 力学的一个重要原则量子不可克隆定理， 也 就是意味着完美复制量子信息是不可能的。 值得高兴的是， Susskind 及其同事在 1995 年取得了一定结果，大自然似乎通过让两个版 本不能同时可见来回避此类 “违规” ： 在黑洞视 界外的观察者无法与黑洞内的进行交流。但在 2012 年，加州大学圣塔芭芭拉分校的 4 位物理 学 家Ahmed Almheiri、 D

14、onald Marolf、 Joseph Polchinski 和 James Sully （简称 AMPS） 发现 “危 险” 的例外情况。他们发现了一个情节， 观察者 能解码放射物中的信息， 然后跳入黑洞， 并在途 中比较禁止复制的信息。 AMPS 推断， 自然界凭借在视界内制造强烈 防火墙来阻止此类事件，试图穿越这里的观察 者都将被毁灭。实际上，空间将在视界突然结 束， 虽然爱因斯坦的重力理论指出， 空间必须在 那里完美继续。加州大学伯克利分校理论物理 学家 RaphaelBousso表示， 如果 AMPS 的理论是 正确的，“这是对广义相对论的可怕打击” 。无法计算从那时到现在， 基础

15、物理学领域一直处于 乱哄哄的状态， 科学家争相为这个悖论找出答 案。将计算复杂性引入争论的第一个人是斯坦 福大学物理学家、计算机学家 Patrick Hayden 和普林斯顿大学物理学家 Daniel Harlow。如果 防火墙争论取决于观察者解码逸出辐射的能 力， 他们想知道， 这样做有多么困难？ 他们发现， 这是不可能的难题。计算复杂 性分析显示， 解码逸出信息需要的步骤数量将 随着携带它的辐射粒子的数目以指数方式增 加。可以想象， 计算机无法完成计算， 直到很久 以后黑洞辐射出全部能量并销声匿迹。因此防 火墙没有理由存在： 解码情景不会发生， 悖论也会消失。 Hayden 最初对这一结论

16、表示质疑。后来， 他和 Harlow 发现同样答案适用于许多类型的 黑洞。 “这似乎是一个强有力的原则。” Hayden 说。 HarlowHayden 论断给麻省理工学院计算 复杂性专家 Scott Aaronson 留下了深刻印象。 “我认为他们做的工作在物理学和计算科学综 合领域是引人注目的。” 这也引起理论物理学家的强烈共鸣， 但并非 每个人都心悦诚服。Polchinski 表示， 即使这是正 确的，“很难看到有人能在这一框架下建构基础 理论” 。然而， 一些物理学家正试图做到这一点。 在该领域有一个普遍的信念， 即自然法则 必须基于信息，而这些激发了 Susskind 深入挖 掘复杂性的努力。为了数学清晰性， 他选择在 一个名为反德西特空间 （AdS） 的理论领域进行 他的计算。越来越多的复杂性Susskind 还决定寻找一个位于 AdS 空间中 央的黑洞， 以及使用边界描述探索黑洞的视界 会发生什么。也有科学家曾尝试进行这些工 作， 但都遭遇了失败， 而在通过利用计算复杂