轉自 認知物理

古希臘哲學家亞里士多德提出，可以用第一性原理回歸到問題的本質來理解事物的規律。愛因斯坦在提出廣義相對論之后，于20世紀20年代開始試圖尋找一種更為宏大的統一理論來解釋物質的相互作用，他試圖用場論來作統一解釋，但未能取得成功。本文由CAAI 名譽理事長李德毅院士等幾位專家撰寫，文章指出，這種嘗試需要區分物質世界的物理空間和人類精神世界里的認知空間，區分物質硬構體和思維軟構體。

李德毅1劉玉超2 鮑泓3蔣升4*

1. 軍事科學院 系統工程研究院，北京 100091

2. 中國指揮與控制學會，北京 100083

3. 北京聯合大學機器人學院，北京 100101

4．之江實驗室前沿基礎研究中心，浙江杭州，31112，通信作者，郵箱jiangsheng@zhejianglab.com

摘要：古希臘哲學家亞里士多德提出，可以用第一性原理回歸到問題的本質來理解事物的規律。愛因斯坦在提出廣義相對論之后，于20世紀20年代開始試圖尋找一種更為宏大的統一理論來解釋物質的相互作用，他試圖用場論來作統一解釋，但未能取得成功。本文指出，這種嘗試需要區分物質世界的物理空間和人類精神世界里的認知空間，區分物質硬構體和思維軟構體。宇宙是物質的，宇宙里不存在虛空，也不存在時間。虛空和時間是人類認知的精神產物，并非客觀存在。人類對客觀存在的大自然的認知是無盡的，不可能不帶有漸進性、主觀性和局限性，做不到絕對客觀，盡管我們希望盡可能地客觀。物質、能量、結構和時間構成人類認知和機器認知的最基礎要素，“四要素說”是統攬人類認知和機器認知的第一性原理，通過“四要素說”可以更深入地理解事物之間的關聯，生命的復雜過程，解釋智能的產生，實現智能的度量，尤其是理解人的認知和機器認知的同源性和同一性。人工智能就是把生命體的認知從人的智慧中剝離出來，用時序維持負熵，用物理機器進行實際操作，通過機器的物質、結構變化和運行時隙精度的提高，用較低能耗實現甚至超過人的智能。

關鍵詞：第一性原理愛因斯坦四要素說認知物理學智能方程

作為一種哲學概念，公元前3世紀，古希臘哲學家亞里士多德最早提出“第一性原理”[1]。它指的是在任何領域中那些最基本的、不可通過其他原理推導出來的原理或假設。更早，公元前5世紀，中國古代思想家、哲學家老子在《道德經》[2]中有“萬物之始，大道至簡，衍化至繁”的觀點。宇宙萬物的起始，大道是極其簡單的，只是在演化過程中才變得復雜紛繁。把握事物最本質、最純粹的“道”，以簡單、自然的方式行事，不刻意，不妄為，回歸到事物的本真狀態，回歸到問題的最本質的第一性原理，概括為：“道生一，一生二，二生三，三生萬物”。第一性原理是強大的思考工具，可超越傳統的學科局限，用于不同學科的交叉融合和創新，不斷抽象，層層蒸餾，一問到底，更深入地理解問題，發現新的解決方案，回歸到問題的最本質。

1.尋找認知的第一性原理需要追溯到空間和時間是否真實存在

愛因斯坦主張：“Everything should be made as simple as possible，but not any simpler ”，即所有的事情都應該解釋得盡可能的簡單到不能再簡單?？上?，后來發展起來的信息論、系統論、控制論和復雜系統科學都沒有為尋找第一性原理做出突出貢獻。愛因斯坦在提出廣義相對論之后，于 20 世紀 20 年代開始試圖尋找一種更為宏大的統一理論來解釋物質的相互作用，他試圖用場論來作統一解釋，但未能取得成功。后來，量子力學的研究，似乎為第一性原理的尋找展現出希望。

人類作為地球生物鏈的最高端，具有智能。物質的機器如果也可以有智能的話，那么跨越人的認知和機器認知的第一性原理是什么？這里涉及一個最基本的問題：空間和時間是真實的客觀存在物嗎？

在商務印書館1976年出版、由許良英和范岱年編譯的《愛因斯坦文集》第一卷第558頁[3]中，愛因斯坦說：“不存在空虛空間這種東西，即不存在沒有場的空間?？臻g—時間本身并沒有要求存在的權利，它只是場的一種結構性質?！?/p>

對愛因斯坦的這個重要思想，我們的理解是：世界是物質的，物質是運動的，離開物質，別無他物。宇宙里充滿各種各樣的物質和能量，形成引力場、電磁場[4]和光場等等。所有場都有結構性質。結構本身不是物質，不是能量。各種各樣的、或簡單或復雜的結構，在宇宙里不能獨立存在，也不存在絕對的虛無。結構只能承載或者寄生在物質形成的場上面，場是某種特定結構形態的能量，結構只承載或者寄生在事物宏觀或微觀的不同層次上面，包括量子層面，都可以用物質、能量、結構和時間四要素統攬。

這就是說，在人的精神世界里，抽象的結構可以存在于認知空間里，作為思維軟構體，可以有虛空，也可以有時間的概念，描述結構的性質和變化；在物理世界里，實體不實，因為有結構；空間不空，因為有場。宇宙里可以有場，但不存在虛空，不存在孤立的結構和孤立的時間，物質在運動，能量在轉換。結構和時間寄生在物質和能量上，它們不是物理空間獨立的存在物。

2.結構和時間是把自然物和人造物、生命與非生命緊密聯系在一起的“橋”

人類經常會夸大了自身的力量，忘卻了在這個浩瀚的宇宙里，自己根本上的有限和渺小。認知物理學[5-8]的研究發現，人類對客觀存在的大自然的無盡認知，不可能不帶有漸進性、主觀性和局限性，做不到絕對客觀。認知是人的感覺、知覺和記憶的共同產物。把它看作獨立的精神存在，用這種主觀認知說明物理世界的客觀存在是非常困難的。人類自以為是真實的、客觀的“現實”，只是說明物理世界在人的大腦里留下了“自感的現實”。自然界星辰大海，萬物運轉，像一部沒有觀眾的大劇，并不為包括人類在內的任何物種存在著、運動著、變化著。通過人的感官，人腦把物質世界構建在一個主觀的空無結構之中，稱作空間。空間是人類描述物質存在與運動的“虛空”，是一個主觀虛構的場所或參照系。另外，人腦將感知到的現實進行抽象，存入神經網絡中的瞬時記憶區、工作記憶區和長期記憶區，使得記憶有了連續性。這是人類創造時間、描述和解釋物質運動和能量變化的生物學基礎。因此，空間和時間都是人類認知的精神產物——思維軟構體，并不是客觀的獨立存在物——物質硬構體，人類用空間結構和時間度量來主觀描述運動的物質世界，認知自然和宇宙，也認識自身。

2.1結構和時間是聯系自然物和人造物的“橋”

自然界地殼運動，大面積火山爆發，巍巍山脈淪為一片海洋，這是宇宙中物質運動和能量流動的結果。人類力圖用地殼結構的變化來認知、解釋這些現象。一棟人造的、真實存在的、精致的石頭房子坍塌了，變成地上的一堆石頭，房子的結構消失了，石頭一塊也沒有少。但是眾所周知，房子不是石頭，房子沒有了，人們不可能在一堆石頭的層面理解早先房子的組織結構和功能結構，更不可能在更微觀的層面，如原子或者分子的層面，理解房子的組織結構和功能結構。實際上，人造房子的每一塊石頭的大小、形狀、石質、紋理和結構都不同，形成時間也不同，承擔的功能也不同。原先的那棟精致的人造物——石頭房子，包含有不同層次的物質、能量、結構和時間四要素。在人腦的認知里，結構、時間、物質、能量都是最基本的要素。房子倒了，房子的結構還在人的記憶里。正如一個偉人去世了，他的觀點、思想、理論，還活在許多人的精神里。

對于宇宙中作為自然物存在的水，人類認知認為：氫原子和氧原子在其化學鍵的作用下組成分子，兩個氫原子和一個氧原子通過共價鍵結合形成了一個水分子。這個結構很重要，其中氫原子和氧原子之間的電子云重疊，形成了穩定的化學鍵。水分子在氫鍵的作用下組成了水。不能忽視化學鍵結構，而去簡單逆轉、還原。人類使用的是自然界的水，而不是水分子，更不是氫原子和氧原子。當大量的水分子聚集在一起時，它們之間會通過氫鍵相互連接。氫鍵是一種較弱的化學鍵，它足以使水分子保持在一起，以多種形態存在，包括液態、固態和氣態。這些形態之間的轉換是由溫度、壓力等物理條件決定的。大量水分子的集體動力學行為表現出復雜性和不確定性，例如水流、波浪和湍流等形成的宏觀現象，難以逆轉，難以用簡單的還原論、確定論來描述。當然在更深層次上，氫原子和氧原子又是由更基礎的粒子，如質子和中子（它們本身又由更小的粒子如夸克組成）以及電子組成的。

自然物也好，人造物也好，我們一定得重視事物復雜結構和用時間描述的結構變化，不能簡單地認為人造物——房子——是由石頭直接組成的，也不能簡單地認為自然物——水——是由基礎粒子直接組成的。亞里士多德“整體大于部分之和”的哲學思想[1]中“大于”的那部分恰恰是結構產生的。這種對事物組成層次結構變化過程的認知是認識物質世界的基礎，有助于理解事物的本質和性質，以及它們在不同條件下的行為。這正是物質、能量、結構、時間四要素說[9]的意義所在。人工智能不僅是替代人類已有的工作，人類可以創造新的人造物——認知機器，構成新的文明生態，用于發現未知的宇宙。

2.2結構和時間是聯系生命與非生命的“橋”

“四要素說”有助于理解生命的本質和性質。生命始于細胞，人體生命的基本單元是細胞，不能直接說成是分子。分子組成細胞的過程涉及多個層次的組織結構和調控[10]。分子通常由兩個或更多個原子通過化學鍵連接而成，如水分子、氨基酸、核苷酸等。生物大分子、蛋白質由氨基酸通過肽鍵連接而成，具有多種功能，包括催化反應（酶）、結構支持、信號傳遞等。核酸（DNA和RNA）由核苷酸通過磷酸二酯鍵連接而成，攜帶遺傳信息。多糖，如糖原和纖維素，由單糖單元組成，主要功能是能量儲存和結構支持。脂質包括脂肪、磷脂、固醇等，磷脂是細胞膜的主要成分。細胞內的各種分子通過相互作用和組裝，形成具有特定功能的細胞器，如線粒體、內質網、高爾基體、核糖體等。細胞結構包括細胞膜、細胞質、細胞核等。細胞膜由磷脂雙層和嵌入其中的蛋白質組成，是細胞的邊界，控制物質進出。細胞質是細胞膜內的膠狀物質，包含細胞器和細胞骨架。細胞核由核膜、核質、染色質（DNA）、核仁、核基質、核小體等組成。

分子組成細胞是一個復雜且有序的過程，包括自我組裝、基因表達、分子間的相互作用、調控機制、細胞分裂和生長等過程。首先是自我組裝：一些分子如磷脂可以在水中自發形成雙層結構，這是細胞膜形成的基礎。蛋白質可以折疊成特定的三維結構，以執行其功能；然后是基因表達：DNA中的遺傳信息通過轉錄和翻譯過程轉化為RNA和蛋白質，DNA序列被復制成mRNA，其上的密碼被核糖體解讀，合成相應的蛋白質；進而通過分子間的相互作用：蛋白質與其他分子（如脂質、核酸、糖類）通過非共價相互作用結合，形成復合物或結構；細胞內的分子活動有嚴格的調控機制，包括基因表達的調控、蛋白質修飾（如磷酸化、乙?；┑龋蝗缓?，細胞分裂和生長，細胞通過有絲分裂或減數分裂增長和繁殖，在這個過程中，分子被精確地復制和分配到子細胞中。經過億萬年自然演化的人類，人體物質結構從納米級別的分子到米級別的具身，從納秒級別的分子馬達到百歲人生蹉跎，跨越如此大數量級的尺度規律（Scaling Law），結構復雜度隨著組織層次和時間呈現非線性增長，導致涌現，認知朝向整體最小能耗逼近。

總之，分子組成細胞的過程，是一個多層次結構、多時序步驟的變化過程，涉及精確的分子識別、相互作用和調控，以確保細胞結構和功能的完整性和穩定性。細胞承擔遺傳、代謝、生長、繁殖等功能，是生命活動的承擔者?！八囊卣f”有助于理解生命的本質和性質，以及它們在不同條件下的行為，不能直接說成生命的基本單元是由分子組成。正如非生命體，例如工具、動力機械、認知的機器等，它們的基本單元是零部件，但必須按照不同層次性的組織結構形成整體，完成調控，實現功能和行為，不能直接說工具、動力機械和認知機器的基本單元是材料，結構和時間是聯系生命與非生命的“橋”。

2.3認知的核心是抽象、聯想和交互

認知有兩個層面。一是依靠具身的物質硬構體完成感知，完成形而下的實證和行為控制的物理層面，可理解為“腳踏實地”；二是依靠思維軟構體認知完成形而上的思維、想象和創造的精神層面，可理解為“仰望天空”。認知就是這兩個層面互動融合的過程。當人類借助工具和認知機器依然無法抵達浩瀚的物理世界之處的時候，就會不可避免地更多依靠思維、想象和創造，以達到超越世俗的深奧高遠之境界。在人的精神世界里，人的想象力和創造力源于抽象、聯想和交互[11]，這是人類在長期的生存和繁衍活動中被催生出來并變得越來越強大的認知能力。抽象就是把物質硬構體抽離成不同層次的思維軟構體，人類用結構來表達物質在空間的拓撲與形變，用時間來表達物質的運動與變化，以及能量的傳遞與轉換。通過去偽存真、去粗取精、由表及里[12]的抽象，揭示事物的本質，產生結構，或者模型。不同粒度的抽象思維產生不同層次的結構；聯想導致由此及彼，觸類旁通，形成泛化能力，形成類比和推理；交互可以在物理世界獲得認知的驗證。早先主修動物學的控制論之父諾伯特·維納的代表作《Cybernetics: on Control and Communication in the Animal and the Machine》[13]其實更應該理解成《在動物和機器中的控制和交互》，形成物理世界中的閉環，形成認知的螺旋，即感知、思維、行為、再感知[14]。在認知空間里表現出來的思想，即思維軟構體，寄生在硬構體或者已有的其他軟構體之上，能夠進行自我引導、自我復用、遞推使用和自我復制、或修改等復雜操作，從而構成我們的想象和思維。一切藝術，無論是繪畫、雕塑、建筑、音樂、文學，也都源于抽象、聯想和交互，反映藝術家精神層面的創作活動。數學是人類使用的最抽象語言，大自然里并不真實地存在著獨立的數學，它只是人類對現實世界中量與形的規律的抽象。抽象的數學概念,從無到有的形成極不容易，例如數和直線的形成，先于文字出現，就經過了漫長的時間。數學是發明而不是發現，數字、數學不是客觀事物本身，而是來自研究事物的人的抽象認知，是人類思維的手段，是人類的精神活動，是想象的現實，是形而上。數學是抽象學、拓撲學。宇宙之大，粒子之微，地球之變，生物之謎，無處不用人類發明的數學來解釋。愛因斯坦說：“純粹的數學構造，使我們能夠發現概念和聯系這些概念的規律，這些概念和規律給了我們理解自然現象的鑰匙?！彼裕瑪祵W享受高于其他一切科學的特殊尊重。物理世界求真，宇宙里不存在數學，但需要數學來解釋。避開繁瑣的現象，撇開各種噪聲和干擾，蒸餾或抽象出拓樸關系，歸納總結，通過發現數學的美來反推物理的真，這也是一條認知的途徑。但不要忘了，再美的數學也需要得到驗證，最終指向物理的真。數學的美也能夠產生物理上的預言，可以被實驗證實或證偽，隨著人類更深刻認識形成科學思想的歷史和文化過程，人們開始懷疑“大一統”的信仰，抑或它不過是神學在科學領域的翻版，是在科學里尋找神的存在，人類要破除迷信，切切不可用自己制造的“神”束縛了自己的認知。

2.4用“四要素說”拓展質能方程到智能方程

我們不妨先用“四要素說”來解釋愛因斯坦的質能方程。自然界本身是物質的，物質是運動的，物理學中導入時間變量是人類的認知，但大自然不是基于時間驅動的，時間只是人類創造的認知概念。1905 年愛因斯坦提出的質能方程 E = mc2，是人類在認知空間中用結構和時間對宇宙物質和能量之間關系的認知。它依靠軟構體“位移”、“米”、“千克”、“秒”、“焦耳”、“速度”等概念，對宇宙中物質的質量和能量的關系進行解釋。光速 C = λM·fM。其中，λM、fM 分別為物質對應的波長與頻率，物質發出的光波波長和頻率代表了該物質獨有的物理性質及其空間波長與時間頻率特性，表明能量和質量可以互換。每千克的質量可轉化為 9×1016焦耳的能量。宇宙中的物質是從大爆炸中的能量轉化而來的。物體以輻射形式放出能量，其質量就會減少，體現了宇宙的整體不變量和質能的統一性。若沒有“位移”“米”“千克”“秒”“焦耳”“速度”這些軟構體概念，質量和能量的轉換關系是無法解釋的。質能方程將物質、能量、結構和時間 4 個要素及其轉換規律表現在一個公式中。物理學的7個基本物理量綱中，時間量綱超越距離量綱，成為第一量綱，而后才可以獲得長度、質量和能量等多個次級測量度量。從物理常數定義的量綱可以看出，是時間T定義了長度L和質量M，是時間和結構解釋了質量和能量的轉換關系，也是時間定義了熵增。

如果說愛因斯坦的質能方程是物質和能量關系的第一性方程，我們可以通過“四要素說”從愛因斯坦的質能方程拓展到智能方程，研究智能方程中智能如何和物質、能量、結構與時間關聯。

智力或者智能只是人們相對于體力、體能的類比說法。人也好，認知機器也好，對一個特定問題認知產生的智能，會隨著認知體物質、結構的變化，隨著時間推移，朝向最小能耗逼近。智能的量綱不是牛頓，也不是焦爾，它應該是無量綱的。人在完成一個個特定問題形成解決方案的過程中需要能量支撐，從人誕生到當前T形成的生命智能，可用如下的智能方程表示：

即：

生物智能的億萬年自然演化，尤其是人腦結構近百萬年的演化，讓認知朝向具身最小能耗逼近，成為今天的人腦，產生了效率遠高于其他生物的智能，也是所有認知機器難以比擬的。人類智能是人工智能的原生家庭，人工智能從早先的電子管機器、晶體管機器，到現在的集成電路機器，甚至光芯片、量子芯片機器，就是要讓認知的機器，通過物質的改進、結構的變化和時隙精度的提高，用最小能耗實現甚至超過人的智能。人腦僅僅消耗幾十瓦的功率完成日常認知活動，所以目前依靠拼能量和算力的認知機器大模型[15]一定不是人工智能的終點。

2.5人類的認知活動促進了難以逆轉的復雜宇宙

宇宙中充滿著的各式各樣的物質和運動的形態，可以被人類創造的科學予以解釋，但大自然本身對科學，對數學，全然無動于衷。地球上的其他生物對人類創造的科學技術，也不置可否。例如老虎捕捉小動物有超強的具身智能，但對人類創造的具身動力學沒有興趣。然而，人類一旦創造出包括寄生在物質和能量上的結構和時間在內的許許多多人造物，又會成為真實的、客觀的存在。譬如，全球異彩紛呈的圖書館和藝術館、氣勢恢宏的城市建筑、四通八達的道路橋梁、千姿百態的機器具身智能體，千行百業崗位上勞作的機器人，還有那圍繞地球的一顆顆精致璀璨的人造衛星等，它們成為人類生產、生活和社會活動的文明生態，成為大自然的一部分，進一步和人類后續的認知相互作用和轉化，共同影響著現代人的認知和思維，也略許改變了宇宙的一絲形態。但是，我們并不奢望研發一臺能夠集中表達全人類所有認知能力的物理機器，構成通用萬能的人工智能。

自然是一個內在的整體。人類的認知把它分解為一個個單獨的學科，并不是因為事物本身，而是由于人類認識能力的漸進性和局限性。物理學基于原子涌現出化學；化學基于分子涌現出生物學；生物學基于細胞涌現出人類學；人類學基于人腦，通過抽象、聯想和交互涌現出認知科學，產生人工智能技術。原子、分子、細胞、組織、器官、人腦都寄生了不同層次、不同尺度的結構，塑造萬物之形，體現萬物整體之魂。形與魂乃精神產物，是思維軟構體。正是思維軟構體和物質硬構體的糾纏，不同層次或者不同尺度的一次次涌現，才演化出越來越復雜的、難以逆轉和簡單還原的宇宙和人類社會。

3.人的認知和機器認知具有同一性

3.1用第一性原理理解同一性

受小鳥在空中飛翔的啟發，人類發明飛行器，始于抽象、聯想和類比。但飛機的發明和飛行，只有依靠空氣動力學才能解釋。小鳥和飛機都服從空氣動力學，而空氣動力學更加靠近解釋飛行物的第一性原理。當然，飛機的速度是小鳥無法相比的。

下面再看一個能量轉換的例子。電可以由各種能量轉換產生，煤、水、光、化學和生物都可以生成電。生成電的方式不同，污染不同，但從生成電的結果來看并沒有什么不同。煤電、水電、光電、化學電、生物電都用庫侖來度量。細胞也可以認為是一部發電機，它在維持生命的化學過程中起到了生產能量的作用。細胞產生的電量取決于多種因素，包括細胞類型、細胞膜的電導性、離子濃度梯度、細胞的活動狀態等。細胞產生的電量非常微小，通常以皮庫侖（10-12庫侖）或者納庫侖（10-9庫侖）來衡量。例如，神經細胞在動作電位產生時，可能會產生大約100皮庫侖的電量。人體的細胞數量估計在3.72 x 1013，即大約37萬億個細胞[16]。不同類型的細胞大小不同，數量也不同。例如，紅細胞、神經細胞和肌肉細胞等在人體中的數量和比例都不一樣。由于細胞并不持續產生電，而且不同類型的細胞在電活動上差異很大，在生物化學上人們更關注的是細胞如何在需要時產生和傳遞電信號，而不是計算產生的總電量。

3.2后圖靈測試不再是“模仿游戲”

人的認知和機器認知，通常都是指“學習的能力，以及解釋解決現實問題的能力”[17]，而學習的內容常常是被良式定義了的問題。智能是認知的結果，是對特定問題的決策和解決方案。人類社會已經進入物質科學、生命科學和社會科學交叉融合的時代，進入一個科學和技術高度發達、人工智能高度發達的時代。近200年來社會生產力的提高、知識的增長、認知的能力超過了人類幾千年的積累。我們試圖跨越這些傳統學科的界限，來更深入地理解人類認知和機器認知以及它們之間的關系。認知強調過程，智能強調結果，都基于物質、能量、結構和時間四要素之上，是在學習和實踐中不斷積累的結果。從這個意義上看，人的智能和機器智能是同一的。如果說，早先的圖靈測還是一種主觀測試，那么，后圖靈測試將不再是“模仿游戲”，可以客觀驗證、科學評價[18]。

例如，人類歷史上計算π值，小數點精度提高1個位數，用了1700 年；提高4個位數，又用了800年。然而，計算機可算到小數點后萬億位，僅用了70 年，現在已經可算到100萬億位。硅基機器暴力計算可以濃縮重演人類思維，其速度是碳基生命遠不能及的。歷史的進程呈現無人非議的π的唯一性解，證明人的智能和機器智能是同一的。物理同源，數學同構，認知同序。

人類這個物種進化的“長項”是自然賦于人腦皮質特別強的記憶和記憶提取能力，“缺陷”是人的壽命太短，人腦的短時工作記憶力似乎不那么強大。如果拿自然物——生物腦的結構和人造的認知機器——計算機的設計作比較，人腦的“緩沖存儲器”硬構體實在是太小了。可以說，自然進化并沒有過分關照人類。一個人短時間很難一下子記住 7 個 11 位的移動電話號碼，相當于一個蹩腳的計算機硬件設計：3 GHz 的 CPU 主頻，1 GB 硬盤的電腦，但只配置了一個 10 KB 的內存。人腦的短時工作記憶容量似乎配不上強大的瞬時記憶和長期記憶能力。所以，人類的認知形成的記憶，早期就需要借助人類自身發明的文字和符號、算盤等各種人造的工具、后來需要計算尺、計算器、計算機作為記憶的外部緩沖區，來補充記憶的不足，現在人類更需要人造的、可交互、會學習、自成長的認知機器了。

人的思想，尤其是智能，通過數億年的生物進化緩慢發展而形成。其中有著自然選擇和遺傳變異等因素，并伴隨有意識、情感和信仰等，是人的智慧的一部分。它以有機物為載體，個體生命結束，人的智能終止。人造物的認知機器，像人又不像人，它是由物質硬構體和思維軟構體構成的、具有復雜結構的機器，是人類設計和制造的工具。機器通常依賴外部能源，不具備自我修復能力，不具備意識和情感，可以宕機再激活。由于人類技術的發明和創新，人的智能被延伸到體外成為人工智能，與人的智能迭代發展。認知機器等人造物成為實實在在的存在，成為人類后續文明和進步的生態環境。

進一步看，人類近百年來一直試圖用我們自已的碳基腦做為主體來解釋人類自身的認知機理，但至今還未搞清楚。那么，不妨用現在已經很強大的認知機器作為工具，來協助研究人腦，即AI for Brain Science, 這或許是人工智能對腦科學研究的貢獻。更進一步地，可能會有AI for All Sciences 和 AI for Scientists。所以，認知物理學是所有人的物理學。

電能可以由各種能量轉換產生；智能可以由人或者認知機器產生。站在生命學科和熱力學看，生物電和燒煤發電不一樣；站在“四要素說”的第一性原理上看，煤電、水電、光電、生物電，最終都可獲得一樣的庫侖電；人的認知和機器認知，都可獲得一樣的智能。這正是“四要素說”的意義所在。

有了認知的機器，既可用人類的語言為基準，測試機器的語言智能，例如ChatGPT[19]；也可用機器智能為基準，測試人的智能。例如，人類發明了時間。今天人們用銫原子基準鐘，統一全球各地的時間，一億年誤差可以不超過一秒，讓全球人類服從機器時間。各類時鐘成了宇宙里的客觀存在物，融入人類文明的生態。對此，人們已經習以為常。

結束語

科學是人類認知的產物?？茖W植根于討論，科學的本源就是否定或批判。否定或批判的對象，常常是之前的一個現象的有限認知。然后，提出新的擴展后的認知，于是科學才能不斷發展，才能更加逼近真理。從牛頓力學[20]到愛因斯坦相對論[21]，從人的認知到機器認知，就是典型的對研究客體認知的不斷擴展。

人的認知是生命體的認知，歷經石器時代、金屬時代、能量時代進入智能時代。人類發明的工具和機器，歷經物質、結構的“二要素說”、物質、結構、能量的“三要素說”，進入到物質、結構、能量、時間的“四要素說”，利用物理學，包括經典力學、熱力學、電子學、電磁學、光學、半導體物理、統計物理、量子力學等，構成非生命的物質機器，實現人的認知，這就是認知物理學。認知物理學的“第一性原理”就是物質、能量、結構和時間組成的“四要素說”。我們進一步查閱了包括普林斯頓大學出版社2015年再版的多種出版物，發現愛因斯坦在1952年發表的《相對論和空間問題》一文中的原話是這樣說的[22]：“There is no such thing as an empty space, i.e. a space without field. Space-time does not claim existence on its own, but only as a structural quality of the field.”根據這段話的語境、語用、語意和語法，我們不妨把它翻譯并理解成：宇宙里只有場，從來沒有虛無的空間，即不存在沒有場的絕對空間。時空本身并不聲稱自己的獨立存在，它只是場的一種結構性質。虛空和時間不是真實的客觀存在物，只存在于人的精神里。

“四要素說”闡明了結構和時間不是客觀存在物，明確了物質硬構體和思維軟構體的關系、精神和物質的關系、認知和存在的關系。人類的認知，不“唯”物，也不“唯”心，結構和時間是把自然物和人造物、生命與非生命緊密聯系在一起的“橋”。

人工智能就是要讓認知機器通過機器結構的變化和時隙精度的提高，用最小能耗實現甚至超過人的智能。求知欲是人類認知的不竭動力，人類清楚地知道我們還有很多不知道，認知的開放性、不確定性和自成長性，造成公理的無盡性。不論給出什么公理系統，總能找到一個命題，這個命題在公理系統中既不能被證實、也不能被證偽，無矛盾[23]和完備不可能同時滿足，認知中永遠都會有公理以外的東西，特例、反例是無盡的。認知的核心是抽象、聯想和交互。于是，各智其智、智人之智、智智與共的多元認知，才是常態。無盡的認知放飛人類的想象力和創造力，帶來無盡的創造。

參考文獻

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Understanding Albert Einstein

-- The “Four Elements Theory” is the first principle that governs human and machine cognition

Deyi Li1Yuchao Liu2 Hong Bao3 Sheng Jiang4*

1. PLA Academy of Military Sciences，Beijing 100097，China

2.Chinese Institute of Command and Control, Beijing 100083, China

3. Beijing Union University，Beijing 100101，China

4. Zhejiang Lab, Hang Zhou，Zhejiang Province 311121, China, Corresponding Author, Email: jiangsheng@zhejianglab.com

Abstract

Aristotle, the ancient Greek philosopher, proposed that first principles could be used to return to the essence of a problem. After developing the general theory of relativity, Albert Einstein, in the 1920s, sought a more ambitious unified theory to explain the interaction of matter and complex physical phenomena using first principles. His attempts to use field theory as a unifying framework were ultimately unsuccessful. This paper argues that achieving such a unified theory necessitates distinguishing between the physical space of the natural world and the cognitive space of the human mental realm, as well as between the hard-structured ware of matter and the soft-structured ware of thought. The universe is fundamentally material; neither emptiness nor time exists objectively within it. Instead, space and time are spiritual constructs of human cognition, lacking independent, objective existence. Human cognition of objective nature is inherently endless and can never be absolutely objective, as it is inevitably progressive, subjective, and constrained. Nevertheless, striving for maximal objectivity remains a central aim. Matter, energy, structure, and time constitute the most fundamental elements of human and machine cognition. The "four elements theory" serves as the first principle to unify human and machine cognition. By employing this theory, we can better comprehend the complex processes of life, elucidate the origins and measurement of intelligence, and, importantly, understand the shared foundations and commonalities between human and machine cognition. Artificial intelligence is to make cognitive machines achieve, or even exceed, human intelligence with lower energy consumption through changes in machine structure and improvement in the accuracy of running time slots.

Keywords：First Principle, Einstein, Four Elements Theory, Cognitive Physics，Intelligence and Energy Relation Function

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