物理世界是如何由信息构成的？

1. 物质与信息

长期以来人们就把信息看作是消息的同义语，简单地把信息定义为能够带来新内容、新知识的消息。如果要造张桌子，先要有桌子的概念。只把金属和塑料给汽车厂的机器人，它们几乎不可能做出任何有用的东西，必须给它们下达如何加工、焊接、组装的指令，它们才能造出汽车。这些指令就是信息。

申农在其著作《通信的数学理论》中给信息下的定义：信息是使人们对事物了解的不确定性的消除或减少的东西，可以用来帮助我们做出决策和预测的工具。此外，香农还基于热力学中的熵概念，认为信息是人类在混乱的可能性中找到有价值的东西的过程。

黑格尔在《逻辑学》一书中讲：理念就是信息，是绝对的和永恒的实在， 绝对理念（absolute idea）先于物质世界存在，它经历了一个漫长的发展过程，转化成它的对立物--物质世界。

人体由大约包含1029个夸克和电子的一堆原子组成。在人体中，同一时刻每个细胞都在有条不紊地进行着数千个代谢过程。成千上万神经和肌肉细胞密切协作，产生了井然有序的运动：心跳，呼吸或思维。所有这些高度协凋、密切相关的过程只有依靠信息交换才能实现。因此可以说：生命是一种信息。

主流的科普杂志《科学》（Scientific American），曾发表过一篇文章《走过爱因斯坦》认为物理世界是由信息构成的，信息才是最重要的，物质和能量不过是附属物而已。

2. 信息的度量

在经典力学系统中，一个最简单的、只有0，1两个取值的系统，它的信息就是一个比特。比如我们可以把0和1这两个态看作是电子自旋的|上〉，|下〉两个态。，如二进制数0100就是4比特。

量子信息的基本单位是量子比特（quantum bit，简称qubit）。从物理上来说量子比特就是量子态，因此，量子比特具有量子态的属性，具有量子的叠加和纠缠特性。叠加（superposition）特性指每个量子比特可以同时存在于多个状态，例如处于0和1的叠加态。

想象薛定谔猫实验：在一个密封的盒子中，有一只猫、一瓶毒药、一个榔头，和一个量子比特探测器（图4）。我们给探测器一个量子比特，让其测量。如果量子比特处于1态，榔头就会落下，放出毒药，我们就会得到一只死猫；如果量子比特是处于0态，榔头就不会落下，猫还是活的。如果量子比特是处于0和1的一个叠加态，那么过了一段时间，这只猫到底是死的还是活的？按照量子理论，这只猫应该是处于一个不死不活，又死又活的状态。

当我们了解薛定谔猫之后，我们就可以了解量子通讯。如果我们只用0态和1态，这两种相互排斥的状态来传递信息的话，那么我们做的就是经典通讯。如果我们用0态和1态，再加上亦0亦1、非0非1的两个态 |0〉+ |1〉和 |0〉- |1〉，这4个相互不排斥的量子态来传递信息的话，那我们做的就是一种形式的量子通讯。

此外，量子比特还具有纠缠（entanglement）的特性，多个量子比特之间可以形成一种量子关联，一个量子比特的状态会瞬间影响另一个量子比特的状态，即使它们相隔很远。这种特性是实现量子计算强大性能的关键之一。

3. 量子比特海

由大量处于复杂的纠缠态的量子比特组成的系统，称为量子比特海，其中每个量子比特的状态都与其他量子比特的状态相关，而且每个量子比特都可以处于多个状态的叠加态中，所以量子比特海的状态非常复杂，难以描述和理解。

举个例子来说，假设有三个量子比特A、B和C，它们处于纠缠态中。如果测量了A的状态为0，那么B和C的状态也会瞬间确定下来。但是，如果A的状态是处于0和1的叠加态中，那么B和C的状态也会处于相应的叠加态中，这种状态的复杂性随着量子比特数量的增加而呈指数级增长。总的来说，量子比特海是一个用来描述大量量子比特所处的复杂纠缠状态的概念，这种状态对于量子计算的研究和理解非常重要。

物理学家发现：所有的基本粒子都可以起源于一个有纠缠的量子比特海，而这一量子比特海就是我们的真空。只要量子比特海有适当的纠缠，那么量子比特的集体运动不但能给出满足麦克斯韦方程的电磁波，也能给出满足狄拉克方程的电子波，夸克波等其它基本粒子。这就是基本粒子的弦网理论。这一图像代表了一个新的世界观：万物(包括基本粒子，基本相互作用等)起源于量子信息(量子比特)。在这一理论中，由于有纠缠的的量子比特海对应于空间，所以量子纠缠不但是物质的本源，也是空间的本源。

4. 量子比特海与真空

真空，从字面上来理解就是“什么都没有”，不过这样的真空是不存在的。物理学上对真空的定义是，只有时空，其他什么都没有的状态。然而真空并非真正“什么都没有”，它充斥着不同类型的量子场和能量，称为真空零点能。虚粒子在真空中不断衍生和湮灭，尽管无法直接观测，但可通过与真实粒子的相互作用来证实其存在。

那么，如果把所有的电磁波，中微子等微观粒子全部去除掉，剩下的环境仍然不是真空。到了微观世界在量子层面，我们就会发现，即便我们能去除真空中的一切物质，甚至让真空的温度达到绝对零度，真空也不会是绝对的真空。

根据量子力学发展起来的量子场论，所谓的真空其实时刻充斥着不同类型的量子场，每种量子场都对应着一种基本粒子。通常情况下，量子场处于基态，也是最稳定的状态，就像风平浪静的大海一样。不过根据量子力学的不确定性，时间和能量的不确定性必须不小于一个常数，这意味着处于基态的量子场一定会存在波动，而且时间越多，能量波动就越大。这就像温度不可能达到绝对零度，速度不可能超越光速一样，量子场也不可能完全处于基态，它一定会受到扰动从而成为激发态。

在某一瞬间，量子场的波动可能非常大，这样真空就能凭空衍生出一对正反虚粒子，这并不违反能量守恒定律，因为衍生出来的正反虚粒子会瞬间湮灭消失。之所以被称为“虚粒子”，就是因为我们不能直接观测到它们的存在，与真实存在的粒子有些不同，严格意义上来讲，虚粒子并不是粒子。你可能会问：既然看不到虚粒子，怎么确定它们的存在呢？虽然看不到，但我们可以根据它们与真实存在的粒子发生作用，进而确定虚粒子的存在。