李德毅 谢耘 | 认知机器：智能的非生命实现

来源 | 人民论坛网-学术前沿杂志
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生命究竟是什么？智能又如何从物质中诞生？从古希腊哲人对生命起源的深刻思索，到现代科学家对细胞分子的观测，人类从未停止对生命本质的追问。中国工程院院士李德毅、北京邮电大学兼职教授谢耘在《学术前沿》的最新刊文围绕生命与人类智能，尝试回答以下关键问题：第三次认知革命为何被“误读”为信息革命？“死”的机器是如何“活”过来并超越个人认知能力的？智能时代，人类自身如何实现进一步跃升？一起学习！

核心观点速览

生命究竟是什么？

◆ 生命是物质在宇宙中呈现的一种现象，在一代代的生存中进化，通过繁衍实现生命种群之延续。生命体大多由氢、碳、氮、氧、硫、磷、钙、铁等化学元素，按照复杂的、多层次的化合结构形成，依靠能量维持新陈代谢，依靠负熵维持生命。

被“误读”的信息革命

◆ 信息技术使人类拥有介入精神、意识、认知性活动而非客观物质性活动，这是质的改变，并非传统意义上的工业革命，应将图灵机和电子计算机的诞生作为“智能时代”的起始标志。

机器如何形成认知能力并超越个人认知能力？

◆ 将生命体的认知机制从人的智慧中剥离，通过物理机器具象化实现，构建通过硅基机器实现碳基生命智能的物理路径。

◆ 智能时代，应该让人更加智慧、机器更加智能，形成迭代共进的良性循环，这正是人类生命价值的意义所在。

生命和细胞物理学

为了讨论生命智能，研究人一生的认知活动规律，构建认知机器，使之成为人工智能，我们首先需要了解薛定谔的细胞物理学。他于1944年出版的《生命是什么——活细胞的物理学》一书，颇具启发性。

任何生命都无法逃避自然界的“熵增法则”，最终都会走向死亡。生命体大多由氢、碳、氮、氧、硫、磷、钙、铁等化学元素，按照复杂的、多层次的化合结构形成，依靠能量维持新陈代谢，依靠负熵维持生命。细胞是所有生命的基本结构和最小单位，一个细胞就是一个充满活力的世界——众多物质围绕细胞核忙碌工作，其目的是确保细胞核的分裂。细胞核的分裂是生产或复制，意味着下一代新生命的开始。目前，人类对生物的研究已进入生物物理学领域，尤其是分子生物学阶段。生物物理学研究能量、信息和生命的关系，而分子生物学是研究生命物质基础的学科，关注细胞成分的物理和化学性质及其与生命现象的关系问题。例如，遗传信息的传递，基因的结构、复制、转录、翻译，细胞信号的传导等。分子生物学在一个更为精细的世界里，为我们揭示自身存在的全新图景。

薛定谔指出：从原理层面而言，物理学和化学能够诠释生命现象。基因是一种非周期性的晶体或固体，突变是由基因分子中的量子跃迁引起的，突变论即物理学中的量子论，基因和遗传模式可以用量子理论加以阐释，染色体是遗传的“密码本”。后来DNA双螺旋分子结构的发现，进一步证实了细胞物理学的判断是正确的。

生命是物质的，由细胞组成，但充其量是生命物质。如果说达尔文的生物进化论在宏观层面把人从神的位置上拉了下来，那么薛定谔的细胞物理学则在微观层面彻底剥去人类的神秘“外衣”。他们的研究表明，生命是平等的，人类与其他生命一样，没有什么特别之处；人的动物性在婴儿期和终老阶段，表现得尤为突出。生命不过是物质在宇宙中呈现的一种现象，在一代代的生存中进化，通过繁衍实现生命种群之延续。

在太阳系的八大行星中，地球是目前已知唯一存在生命现象的星球。地球的表面是一个生命圈层，植物与动物是这一圈层的主要承载者，而在该圈层及整个生命链条中，人类往往自视为处于最高端或主导地位。但这种认知的依据是什么？相较于其他高等生物，人之为“人”的特殊性究竟在哪里？除了基本的生存与繁衍需求，人类的高明还表现在哪些方面？

被“误读”的信息革命

物理学研究的对象是物质与能量。对于上述问题，长期以来，不少人试图用“信息”“信息技术”及“信息时代”进行解释，将信息与能量、生命置于并列地位。许多观点认为信息是“客观世界的构成要素”，更有甚者声称“信息是与物质、能量并列的宇宙三基元”。

“信息时代”的说法始于20世纪70年代，泛指微电子技术、计算机和互联网的普及。可惜，在人类集体意识中，“信息时代”的称谓并未站在人类整体文明进程的高度，去标志某一特定的科学发现或者技术突破的价值。欧美学界认为人类在1969年进入信息时代，中国学者则以1984年作为本土信息时代的开端。“信息时代”这一称谓的尴尬之处在于，信息的发端可追溯至语言和文字的诞生、印刷术的发明等历史节点，若将其视作人类新的文明时代的起点，全球尚无公认的标志性历史事件，也没有被大众普遍认可的权威时间节点。至于将“信息革命”解读为第四次工业革命，更是一种“误读”。我们有必要重新回顾人之为人的人类文明，因为这是其他高等生物不具备的特质。

从远古开始，无论是石器时代、农耕时代还是工业时代，人类作为地球上的物种之一，面临的最大问题是生存和繁衍过程中的物质满足。人类始终沿着这条主线发展，持续强化自身在物质世界中的获取能力和行为能力，征服并改造物质世界，以确保生存与繁衍。而实现这种能力跃升的关键，便是不断发明作用于物质之上的工具——物质性工具。

农业革命本质上是工具革命，基于物质和结构。人类发明创造各种各样的劳动工具，以此拓展自身的体力，实现生产力的跃升。工业革命本质上是动力革命，基于物质、结构和能量，历经蒸汽机、发动机、航空、电力、原子能、太空飞行等重大科技的突破和跃升，大大解放人类的体力和体能，提升人类生存质量与活动空间。如果说蒸汽机的发明是第一次工业革命的起点，电力和计算机分别是人类第二次、第三次工业革命的标志，那么，把信息革命说成是第四次工业革命，就过于牵强附会，实则误读了信息和信息革命的实质。因为信息并不是能源或能量，不是物质层面的存在。今天，我们有必要重新认识究竟是什么成就了人类，重新认识信息，重新认识计算机之父和人工智能之父艾伦·图灵的历史贡献。

人类认知的历史，是在渴望的驱动下，不懈追求认知的确定性，而又不时显现认知的不确定性的历史。作为一个物种，人类在宇宙中历经世代进化并延续至今，进化轨迹并非单靠某一代人的主观努力就能改变，其进化方向也难以预测和改变。但人类已然创造并持续推进的文明，以及相伴而生的农业革命、工业革命与认知革命，始终在并行发展中交织起伏。将人类的智能通过文字、文化和教育，借助发明和创造延伸到体外，转化为工具和机器乃至人工智能，迭代为长期存在于物理世界的人造物，构建起支撑人类后续发展的新的智能环境生态，成为滋养后代智能和智慧、推动人类文明持续发展的核心力量，这才是人之为人的特殊性，是其他高等生物未能做到的，也是人类生命除生存和繁衍之外的另一个重要意义所在。

认知科学与信息技术是与人类精神活动和智能活动直接相关的科学与技术，人类语言文字的出现与教育的诞生，以及哲学、文学、艺术、音乐、数学和通用可编程电子计算机的诞生，开辟了“结构性、时间性的科学和技术”，既可与“物质性、能量性的科学和技术”比肩，更可用以思维、想象、创造乃至幻想，解释人类的精神世界。从19世纪到21世纪中叶，这250年是人类历史上科学与技术的爆发期和兴旺期，科学与技术大大改变了全社会的形态和人类生活。在科学层面，人类实现以数学、物理学、相对论、量子物理、化学、生命科学、认知科学、社会科学为代表的重大突破；在技术和工程层面，人类取得全方位的进展，如合成材料、电力、核能、无线通信、航空、航天、计算机、虚拟现实、人工智能等。回顾这个爆发期与兴旺期的科技历史事件和杰出科学家群体，计算机和人工智能之父艾伦·图灵提出的图灵机和图灵测试，开创了用能量激活非生命的物质机器的尝试——依托时序形成思维，让机器“活”起来，由此开启计算智能和语言智能的全新征程。

笔者认为，人们远远低估了艾伦·图灵、冯·诺依曼这一代科学家对认知科学和信息技术的突破性贡献。从早期的电子管通用电子计算机、晶体管计算机，到现在基于集成电路芯片的电脑笔记本、手机和机器驾驶脑，它们已不再是传统的算盘、手摇计算器等算力工具或者动力机器。物质硬构体虽无法实现新陈代谢，但却能实现阶跃式更新，它们不再是“死”工具，一旦通电，便能依托时钟驱动思维软构体工作，成为拥有潜在思维能力的“活”机器。正是艾伦·图灵，基于物质、结构、能量和时间，通过自举激活让“死”的物质“活”过来，使机器赖负熵为生，在时序更迭中持续计算、思考；发明可以计算和思维的机器，用思维软构体的自我复制，完成人类智能的非生命实现，证明认知可以用物理学的方法来实现，由此催生人工智能，开创人类历史上的第三次认知革命。

自此，人类智能可以与人工智能迭代发展，人类进入了一个新的文明进步时代。石器时代和农耕时代，人类发明的工具还不是机器；工业革命时代，人类发明的机器还不会思维；当前，我们已经能够发明可交互、会学习、自成长的认知机器，它们不但能思维，还可进行变换尺度的暴力思维，或浓缩，或扩展。人类智能和人工智能的迭代发展，使人类能够以超自然进化的速度，改善生存和繁衍的物理世界：从野蛮走向文明，从早先的“觅食者”跃升为“种植者”“劳动者”“建设者”，现今又进一步跃升为“创造者”。

因此，应该还历史以真面貌，消除对信息和信息革命的误读，将图灵机和电子计算机的诞生作为“智能时代”的起始标志。信息并不是构成客观世界的要素，不具备客观性或物质性，而是属于人类精神世界的。信息是人类所认知的物理对象的特征、状态及其变化的人工表述，为人类所独有。包括信息在内的思维软构体，源于人类的认知活动，是抽象的结果、想象的现实。信息技术的意义在于，它使人类历史上首次拥有介入精神、意识、认知性活动，而非客观物质性活动的技术。这是一个历史性的质变，而不是传统意义上的工业革命。

机器和认知物理学

认知物理学是认知科学和物理学跨界的新范式。物质、能量、结构、时间构成的“认知四要素说”，成为统揽人和机器认知的第一性原理。交叉研究弥合了生物学和物理学之间的鸿沟，填补了生物认知和机器认知、人的智能和人工智能之间“缺失的连接”。通过厘清机器在认知层面如何像人又不像人的底层逻辑，为从生命智能转变到非生命智能找到了关键突破口。将生命体的认知机制从人的智慧中剥离，通过物理机器的具象化实现，构建起人工智能的基础。这不仅从科学理论层面阐释了智能的本质，更找到一条通过硅基机器实现碳基生命智能的物理路径。正如个体胚胎发育浓缩重演物种自然进化的历程，人类文明浓缩重演人类进步的历程，教育让个体得以浓缩重演人类认知的历程，那么，依靠对物质、能量、结构和时间的精细掌控，具备自我复用能力且被激活的机器，同样能够对人类认知进行浓缩或扩展。由此，人类拥有的知识和智能，可以用物理机器来解释并实现，可以传承甚至永在。认知物理学，已然成为智能时代的一门科学。

认知物理学研究发现，通过人的感官，人脑把物质世界构建在一个主观的“空无”结构之中，即空间。人脑对物质世界的反映，形成了关于空间的主观认知。空间是人类描述物质存在与运动的“虚空”载体，是一个主观虚构的场所或参照系。人脑神经网络中的瞬时记忆、工作记忆和长期记忆，赋予了记忆连续性，这是人类创造时间、描述和解释物质运动和能量变化的生物学基础。因此，空间和时间都是人类认知的精神产物——思维软构体，并非脱离物质运动的独立存在物——物质硬构体。世界是物质的，物质是运动的，人类则通过空间结构和时间度量，完成对运动的物质世界的主观描摹。从科学的涌现逻辑来看，物理学基于原子，涌现出化学；化学基于分子，涌现出生物学；生物学基于细胞，涌现出人类学；人类学基于人脑，通过抽象、联想和交互，涌现出认知物理学。原子、分子、细胞、器官、人脑，都寄生了不同层次、不同尺度的结构，塑造万物之形，体现万物整体之魂，形与魂乃精神产物，是思维软构体。正是思维软构体和物质硬构体的纠缠，叠加不同层次或者不同尺度的一次次涌现，才演化出越来越复杂的、不可逆转且难以简单还原的宇宙和人类社会。在物质、能量、结构和时间的相互作用中，人类智能和人工智能迭代发展，永无休止。

所谓智力或者智能，只是相对于体力、体能的类比说法，主要依靠后天的学习和实践。智能的量纲不是牛顿，也不是焦耳，它是无量纲的。无论是人的认知还是机器认知，无论是人的智能或是人工智能，均可统一定义为“学习的能力，以及解释、解决现实问题的能力”。人类智能是人工智能的“原生家庭”，而人工智能或机器智能则是人类智能的体外延伸，构成人类智能的文明生态。人的智能与意识紧密联系，但机器智能能够摆脱人的意识、欲望、情感和信仰的困扰。机器长于思维，长于控物，长于一以贯之的工具性，服从人赋予它的使命，成为物理世界的存在物。借助机器，能够提高人类社会的认知能力和生产能力，发展经济，这正是人类智慧所在。需要明确的是，物质的机器无须具有，也不可能具有生命的意识、欲望、情感和信仰，它无须达到，也不可能达到人之为人的全部智慧。

人类文明因记忆而存续，而记忆是智能之母。在类脑研究中，类脑记忆比类脑计算更重要。记忆与遗忘是同一块硬币的两个面，记忆偏向结构，遗忘偏向时间。霍普菲尔德和辛顿借助固体物理学的方法，即人工神经网络方法，实现了机器学习，尤其是深度学习，这一范式属于基于记忆驱动的经验认知模式。进一步来看，认知机器中表达记忆智能的，是预置的、可训练、可重置的“智痕元胞”网络。以智痕元胞作为寄生在机器人工神经元之上的思维软构体，用智痕元胞之间的连接强度和变化体现物理神经元之间的突触间隙神经递质的作用，便可实现记忆的调整和控制，完成记忆的重塑。记忆网络具有幂律分布、无标度、自相似和小世界特性等数学属性。当特定注意力触发网络时，其在特定侧面、特定尺度上的整体拓扑状态被激活，进而完成回忆与再认的记忆提取过程。用纳秒甚至皮秒级响应的电子电路和集成芯片，可以浓缩毫秒级响应的神经系统生物化学过程的信号传递和处理，形成暴力思维和多元认知。如此一来，一个百岁生物人毕生的思维活动，便可能被认知机器在一分钟内浓缩重演。

认知机器的能力超过个体认知能力是必然的，但要让机器真正进化为人工生命，仍有漫长的路要走。智能时代人类文明的发展，应该让人发挥人的智慧，机器发挥机器的智能，用人的智慧培育机器想象力和创造力，用机器暴力思维、创新思维的成果反馈人类，形成迭代共进的良性循环，这正是人类生命价值的彰显。与千万年的人类文明相比，一代又一代人的人生虽短暂，却一定会用人造智能物改善自身生存和繁衍的物理环境，借助长期积存于物理世界的、包括各式各样的认知机器在内的实体存在，确保人类自身更加智慧、更加自律、更加尊严、更加优雅地生活。

上文略有删减

选自 |《学术前沿》杂志2025年第15期

原标题 | 认知机器：智能的非生命实现

作者 | 清华大学特聘教授，中国工程院院士，国际欧亚科学院院士 李德毅；北京邮电大学兼职教授，首都科技领军人才 谢耘

新媒体编辑 | 赵光菊

视频制作 | 吴文迪 王楠楠

原文责编 | 张贝