Our Narratives 300 px

Peter D Gowdy, Ph.D.

Dr. Melvin M. Vopson, Physicist, Information Scientist, UK

揭示并探索现实的边缘：梅尔文·沃普森博士（Dr. Melvin M. Vopson）对物理学、信息理论和宇宙本质的研究及物理与数据的互联

Science and Technology /

Self portrait, Courtesy: Dr. Melvin M. Vopson 揭示并探索现实的边缘：梅尔文·沃普森博士（Dr. Melvin M. Vopson）对物理学、信息理论和宇宙本质的研究及物理与数据的互联 作者: Peter D Gowdy, Ph.D., 翻译: 艾德琳 梅尔文·沃普森博士（Dr. Melvin M. Vopson）在科学领域的探索之旅既充满复杂性也极富魅力，这一切始于他在中央兰开夏大学攻读博士学位时，对磁性数字数据存储领域的好奇和探索。此初步尝试为他理解数字数据技术及其背后的深层物理过程奠定了基础。在2002年完成博士学位后，他在约克大学进行了博士后研究，在那里他更深入地研究了磁性数据存储，将焦点从存储介质转移到读/写换能器的复杂机制。这种兴趣和专业知识的发展，为他在磁性数字数据存储领域的领军企业——希捷科技公司（Seagate Technology）中担任关键角色奠定了基础。2006年，他加入了英国国家物理实验室，为他的职业生涯迎来了重大转变。在那里，他开始探索多铁性材料，这是一种在数据存储中具有潜在应用的新型材料。他的工作产生了具有影响力的文章，展示了多铁性材料在革新信息存储方面的巨大潜力。 自2012年起，他的学术生涯在朴茨茅斯大学进一步蓬勃发展，标志著更理论化方法的转变。在此期间，他发现了“多热量效应”，并开发了铁电体和反铁电体的极化反转模型。值得注意的是，他对反铁电学的研究成为他目前在资讯物理学领域追求的跳板。 在研究多状态数字数据存储技术时，他遇到了一个挑战，即如何为具有超过两种物理状态的单元分配记忆状态，这与传统的二进位储存单元有所不同。这一难题让他接触到了香农资讯理论和兰道尔原理，从而在资讯物理学方面做出了新的贡献。 Courtesy: Dr. Melvin M. Vopson 信息熵与模拟宇宙理论背后的灵感 沃普森博士对信息熵以及它与模拟宇宙理论之间关联的研究起始于一系列连续的思考，而促成他在2019年发表关于质量-能量-信息（M/E/I）等效原理的文章。他将爱因斯坦的质量-能量等价和兰道尔原理（将信息等同于能量）结合起来，提出了一个开创性的观点：质量、能量和信息在根本上是等价。这一原理不仅与现有的物理定律完美契合，还为诸如暗物质这样的现象提供了一种新的解释，可能将其重新概念化为信息。 M/E/I等效原理有趣地支持了模拟宇宙理论，这意味着构成我们模拟宇宙的数字比特可能表现为不可检测的质量，类似于暗物质。这一假说为宇宙的起源和本质、相互交织的物理学、信息论和形而上学推测提供了一个全新的视角。 简化信息动力学第二定律 简化信息动力学第二定律用通俗的话来说，它主张系统和过程在达到平衡时普遍趋向于最低的信息熵。这个概念与热力学第二定律形成鲜明对比，热力学第二定律断言孤立系统中的熵或无序性往往会随著时间的推移而增加。 沃普森博士的发现揭示了一个令人惊讶的转折：仅关注信息状态的系统，随着时间的推移表现出降低或恒定的熵，这与热力学熵恰恰相反。这对多个领域产生了深远的影响，挑战了遗传学、进化论和癌症研究等领域的既有理论。 模拟宇宙理论对我们理解现实的影响 尽管沃普森博士在物理学与信息理论交汇处的研究支持了模拟宇宙的哲学理论；重要的是要认识到，即使这种启示被证明是真实的，它也不会改变我们的日常生活。这一理论虽然有可能重塑科学和宗教信仰，但由于我们无法感知什么是真正的真实或模拟，所以我们的日常现实没有改变。他的发现将这一古老的哲学争论带入了科学的聚光灯下，尽管它们最初源于目标不同的研究。 克服挑战并开拓新的研究领域 将信息动力学第二定律的适用性扩展到各种不同的系统中，是一个重大的挑战。沃普森博士的初步研究虽然很有希望，但仅限于数字和遗传信息存储系统。将其扩展到其他领域对于将其确立为一个普遍法则至关重要。他预计这不仅会涉及个人的探索，还会激发科学界内的并行研究。 模拟宇宙的证据和对怀疑论的回应 信息动力学的第二定律是模拟宇宙最强有力的指标之一，它暗示了信息内容中的一种内在优化，这与计算机数据压缩技术相呼应。虽然这暗示了模拟宇宙的可能性，但确凿的证据仍然难以捉摸。沃普森博士最近的书籍《重新加载现实：科学论证模拟宇宙》更深入地探讨了支持这一假说的证据和理论，旨在促进广泛而包容的科学对话。 展望未来 未来的实验和研究，包括沃普森博士提出的M/E/I原理和物质概念DNA的测试，对于验证模拟宇宙理论和资讯动力学第二定律是首要的环节。整个科学界的合作努力和多样化的实验方法对于进一步探索这些开创性的想法至关重要。 多方面的影响 沃普森博士的研究超越了传统界限，影响了物理学、宇宙学、遗传学，甚至哲学。M/E/I 等效原理和资讯动力学第二定律的意义都是深远的，为宇宙的奥秘（包括暗物质、自然的对称性和基因突变的机制）提供了新的见解。这种跨学科的影响强调了我们的物理世界和资讯世界之间深刻的相互联系，为理解和创新带来了令人兴奋的新途径。

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Dr. Melvin M. Vopson, Physicist, Information Scientist, UK

Unveiling and Exploring the Edge of Reality: Dr. Melvin M. Vopson’s Journey into Physics, Information Theory, and the Nature of the Universe Interconnectedness of Physics and Data

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The path Dr. Melvin M. Vopson has journeyed through in the realm of science as intricate as it is fascinating, began with an inquisitive…

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Researchers led by Dr. Ole Kiehn have identified a unique group of nerve cells in the midbrain that can pause all movement, resembling a ‘pause-and-play’ pattern, and restart precisely where it ceased. (Artist’s concept.)

哺乳动物运动中的’暂停-继续’复杂角色

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Self portrait, Courtesy: Dr. Ole Kiehn 哺乳动物运动中的’暂停-继续’复杂角色 作者: Peter D Gowdy, Ph.D., 翻译: 艾德琳 在复杂的哺乳动物运动网络功能中，“暂停-继续”的概念为运动和感觉刺激提供了一个全新的视角。与一些人的想法相反，停顿不是没有运动。它标志着运动的停滞，而控制肌肉的脊髓和神经细胞的活动仍在继续。在这种状态下，尽管身体停止了，但并没有崩溃，而是保持著一种主动的惯性。 “我们在中脑中发现了一组神经细胞，当受到刺激时，它们会停止所有运动。不仅仅是行走；所有的运动活动都会停止。这些细胞会导致小鼠停止呼吸或呼吸减慢，甚至他们的心率也会降低，”丹麦-瑞典神经科学家、这项开创性研究的合著者Ole Kiehn教授解释说。这项研究已经在2023年7月27日发表在《Nature Neuroscience》上，并受到了广泛的关注。”有多种机制可以停止运动。但是，这些特定的神经细胞格外突出。一旦被激活，它们会导致动作暂停或冻结，就像按下电影的暂停按钮一样，导致演员停在原地。”Kiehn教授解释道。 近期关于运动控制的研究，深入探讨了大脑如何协调动作。通过检查神经系统中的各种回路，包括脊髓（大脑信号的中心），研究人员重点关注了桥脚核（PPN）。之前的研究已经确定了促进运动的神经细胞。然而，这项研究发现了PPN中的一个独特的神经元集合。当这些神经元被刺激时，它们表现出了引人注目的“暂停-继续”模式，暂停所有的动作，并且是自愿。这种独特的反应与脑干中先前检测到的其他暂停动作机制（例如，非自愿的由恐惧引起的“冻结”反应）有所区别。 Ole Kiehn教授拥有辉煌的职业生涯和双重身份。他是丹麦哥本哈根大学神经科学系综合神经科学教授，并拥有瑞典卡罗林斯卡学院神经生理学教授头衔。他的开创性工作证明了这一发现的重要性。 Researchers led by Dr. Ole Kiehn have identified a unique group of nerve cells in the midbrain that can pause all movement, resembling a ‘pause-and-play’ pattern, and restart precisely where it ceased. (Artist’s concept.)

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Simultaneous contrast. The bar in the middle of this figure is all one grey level, but it appears lighter on the left and darker on the right due to the gradient in the background. This is called simultaneous contrast, where dark surrounds make targets appear lighter, and vice-versa by Dr. Jolyon Troscianko, Vision Scientist, UK

揭示视觉：通过Jolyon Troscianko博士的模型，探索感知的复杂性

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Self portrait, Courtesy: Dr. Jolyon Troscianko 揭示视觉：通过Jolyon Troscianko博士的模型，探索感知的复杂性 作者: Peter D Gowdy，翻译: 艾德琳 来自英国埃克塞特大学的著名研究员Jolyon Troscianko博士，最近在视觉科学领域上取得了重大飞跃。他提出了一种新模型，可以更深入地理解视觉感知和视错觉。几世纪以来这是一个令人困惑且费解的现象。如今Troscianko博士的研究提供了更深层次的理解。 在《公共科学图书馆 – 计算生物学》（PLOS Computational Biology）上发表的一篇开创性文章中，Troscianko博士和他的团队深入探讨了色彩外观的复杂原理。这一原理强调了物体与其背景之间的对比度如何显著影响我们对物体的感知。这种现象被称为同时对比，其中较暗的环境可以使物体看起来更亮，反之亦然。（这个模型预测的效果中，同时对比只是其中之一。明度诱导和对比度诱导是其他重要的效果。） Simultaneous contrast. The bar in the middle of this figure is all one grey level, but it appears lighter on the left and darker on the right due to the gradient in the background. This

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Dr. Oliver Warr collection groundwater sample by Dr. Oliver Warr - University of Toronto

Oliver Warr 博士破解10亿年前地下水的秘密

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Dr. Oliver Warr – 3 km underground in a mine, Courtesy: Stable Isotope Lab Oliver Warr 博士破解10亿年前地下水的秘密 翻译: 陈伟斌博士 我们（ON）很高兴最近能够与Oliver Warr博士（OW）进行一场具有启发性的对话。话题专注于Oliver Warr博士的团队在上周（2022年7月）发表于著名的《自然通讯》杂志上的研究结果。其结果显示该团队在位于南非的Moab Khotsong的一座黄金和铀矿中发现了12亿年前的地下深水。 Oliver Warr博士表示，这一发现具有重大意义，它更清楚地解释了生命如何在地球表面以下维持，以及如何在其他行星上繁衍生息的可能性。Oliver Warr博士是多伦多大学地球科学系的研究助理，也是该研究的主要作者。这是他们的新闻稿。 以下是我们与Oliver Warr博士的面对面交谈: ON：非常感谢Oliver Warr博士，在你繁忙的夏威夷会议日程中与我们解悉你的科研成果。首先，我们想知道你是否可以通俗地向我们解释你的研究。 OW: 是的。这完全没问题。实际上，我认为最好从大约10年前说起。当时我们最初对加拿大地盾进行了一项研究，该研究发现，水可以被困于地壳深处长达10亿年。在当时，这一发现是一项开创性的研究。这发现很惊人，因为它揭示了水真的可以长时间被困在地下，比我们想像的要长得多。 但问题是，这有多普遍？可能在世界其他地方找到吗？这是单一个点？仅限于因该点的环境而保存了古老的水？还是反映了一个更广泛的现象？。因为当时我们只看到一个区域，所以我们只能把其看作是一次特殊的情况。 从那时起，我们开始在地球上其他地方寻找这种藏于地壳深处的水——基于岩石覆盖了72%地壳面，我们需要从一个更广泛的角度去了解这种水。由于这些环境是全球性的，所以它就可以容纳高达30%的地下水总量。 但这些水有多古老？从哪里来？具有什么意义？通过什么过程产生和处于哪个进程？这些问题，我们当时还没有答案，但是却把我们引向到当前的研究工作。我们去了世界上一个完全不同的地方，该地方位在南非的一个又深又黑的矿井。在那，我们又发现了古老的水。它和我们在加拿大发现的水一样古老。因此，在世界完全不同的地方，我们发现水已经被困在地下12亿年之久。这太不可思议了，因为意味着这些古老的水属于深层地壳系统的一个普遍特征，那就是在全球环境中，水可以在十亿年的时间尺度上被困住。 这意味著我们10年前的发现不是一个异常，而是具有代表性的；但这些发现只是整个现象的冰山一角。 我们在这个地点还发现，水在这些深岩石中停留了这么久，会与岩石本身发生反应。这些反应可以生产出对人类，较小的生命，和微生物都很重要的资源，例如氦气和氢气。虽然这些发现之前已经被研究和记录，但我们目前研究成果提供了一个证据，证实了这些地下水不仅产生放射性元素，如氦、氖、氩和氙，而且产生了之前从未发现过的， 从未探测到的，作为整个强大化学反应的追踪物，同位素氪。这些放射性元素来源于岩石中，而且散布于地球地壳的其他部分。这意味著它们有可能在全球范围内充当地壳深处的能量源，像发电机一样。 这些深层地下水可以提供氦气，社会需要氦气来满足医疗行业、焊接和大量应用等多种需求。但是氦气资源正在枯萎，我们并不确切地知道氦气的生成和积累机制。因此，这一发现对于理解氦气资源是如何形成和迁移至关重要。此外，如果其他放射性元素，如氢，可以迁移，将意味着这些放射性元素可以维持生命，尽管这些生命完全远离太阳。所以生物群落，生物系统，以及其他生命形式可以在十亿年的时间尺度上在地下深处运行。 Dr. Oliver Warr collecting groundwater sample, Courtesy: Dr. Oliver Warr – University of Toronto ON：哇！太棒了。所以我的下一个问题是：数十亿年的水有什么意义吗？年轻的水也可以吗？ OW:

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Textured Green Fresh Romanesque Cauliflower

花椰菜的分形图案，理解自然的关键

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Self portrait, Courtesy: Dr. Etienne Farcot 花椰菜的分形图案，理解自然的关键 作者: Peter D Gowdy, 翻译: 艾德琳 人们經常在葉子、花朵或枝條（例如蕨類植物的葉子）中觀察到自相似的圖案。普通花椰菜在这方面的特殊之处在于其自相似性显现在它们的小花，而这些小花则是花椰菜本身的微型版，从而组成了花椰菜。罗马花椰菜的圆锥形小花尤为明显。这个特征是抽象几何描述分形的一个例子。尽管几个世纪以来人们一直在研究植物的这种重复模式，但最近由科学家François Parcy（CNRS）和 Christophe Godin（Inria）所领导的研究小组确定并解释了导致这种独特结构的原因。通过数学建模和遗传分析的结合，他们能够在电脑上重现花椰菜和罗马花椰菜的生长过程。他们的研究成果于2021年发表在《科学》杂志上。 我们很荣幸能够采访其中一位科学家，他是目前在英国诺丁汉大学任教的Etienne Farcot博士。在接下来的采访中，Farcot博士解释了他们的研究方法和有趣的发现。 Romanesco broccoli, Courtesy: Viktar Malyshchyts@Adobestock 问：请与我们分享你的教育背景。你是如何对研究花椰菜的分形图案产生兴趣？ 答：我在大学的本科是学习应用数学和计算机科学，然后决定攻读博士学位，专攻应用数学。这也是我发现数学生物学领域的时候。几年后，我被聘为由克里斯托夫.戈丁（ Christophe Godin）所领导的一个研究植物数学模型团队的研究员。花椰菜的具体研究在我到达前不久就开始了，由生物学家弗朗索瓦·帕西（François Parcy）和克里斯托夫共同领导，他们邀请我加入这项研究工作。 问：能否让我们了解你的研究方法和这项研究的结果？ 答：众所周知，由于突变，拟南芥（一种广泛用于植物生物学研究的小花）中会出现类似于普通花椰菜的结构。这种突变包括缺少一个基因（实际上是两个非常相似的基因），植物在花形成的早期阶段会使用该基因。随著这个基因的缺失，当植物开始生产花时，只有一个“斑点”会被创造出来，这个过程就停止了。然后球茎内一些细胞状态会恢复到茎的状态，它们再次开始形成花朵，但再次失败。这些重复的尝试导致花椰菜的斑点特征的积累。 我们很早就知道这一点，但是我们想要更好地了解在相同的过程中，如何生成普通花椰菜和罗马花椰菜，两个看似不同的物种。我们所采用的一个关键方法要素是用数学术语描述我们所理解的植物生成过程，并使用电脑模拟其行为。该模型包括对支撑新植物器官形成的几何规则的描述，以及已知发挥作用的几个关键基因之间的相互作用。这是必要的，因为过程中的重复很快会导致大量的“斑点”，仅凭直觉或使用笔和纸是无法预测其组织结构。 Romanesco broccoli, Courtesy: Dr. Etienne Farcot 问：为什么花椰菜的自相似性是独一无二的？ 花椰菜，尤其是罗马花椰菜，如何如此显著地遵循斐波那契数列和分形模式？ 答：斐波那契数列的出现其实并不是花椰菜或罗马花椰菜所特有。它发生在许多植物中，这是由于植物器官沿著螺旋状排列：每个器官与前一个器官的角度固定。如果你仔细观察一朵随机的花（例如简单的杂草），你很可能会看到，从茎的底部到顶部，器官是如何按照螺旋状排列。一个仍然不完全清楚的事实是，在许多情况下，这些螺旋状中出现的角度具有称为“黄金平均角”的特定值。鉴于该值，一些（并非完全简单的）代数和几何可以用来表明最明显可见的螺旋状以斐波那契数列出现。例如，这现象在向日葵头或一些仙人掌中特别明显。 所以，花椰菜的特殊之处不是螺旋状或斐波那契数，而是它们以一种自相似的方式相互重复的事实。 问：自相似性和递归之间有什么关系（如果有的话）？是否能归于信息论吗？答：递归比自相似性更普遍和抽象。它是根据事物本身来定义事物的行为。这意味著递归生成事物的集合，而不是单个项目。一个原型示例是整数：将第一个整数定义为 0（或 1 取决于喜好），并给任何整数 n，n+1 也是整数。 在谈论自相似性时，需要某种形式的递归，但该术语指的是使用递归规则生成对象的特定属性：如果该对象的一部分对整体相似，则该对象是自相似。例如，在一条线上画点来表示整数，如果我们忽略前几个点，剩下的就类似于整组整数，见下图： Courtesy: Dr. Etienne Farcot 问：从外行的角度来看，似乎自我相似性是从简单中创建复杂结构的有效方法。换句话说，简化基因中编码遗传的信息数量，或者使遗传信息更加稳健，免受损害（冗余）。你对此有何看法？答：确实，自相似性可以由非常简单的规则产生。需要发生的是重复应用规则（理论上，无限多次，但在本质上，重复必须在某个点停止）。我不确定是否总是有理由或需要创建复杂的结构，但它们确实发生在很多情况下，尤其是在生物的生长过程中。 问：分形出现在整个自然界中，并以各种极端的规模出现。你认为这是什么原因？答：如上一题所讨论的，分形（即自相似对象）在自然界中可能会由于“简单”过程的重复发生而出现；例如：生长一个分支或器官，但还有很多其他的例子。我认为Benoit

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