李德毅院士：21世紀的物理學——認知的物理學

原文發表于《科技導報》2026 年第10 期 《 21世紀的物理學 —— 認知的物理學 》

認知物理學是用物理學的理論和方法解釋人的智能，用物理機器模擬人類的思維活動，認為其依靠暴力思維，把千萬年的人類認知濃縮到今天硅基的機器里面，生成人工智能。《科技導報》邀請軍事科學院系統工程研究院李德毅院士撰寫文章，文章認為，認知物理學突破了傳統認知科學的邊界，重構了人類對智能本質的底層邏輯和認知框架，物質、能量、結構和時間是人類認知也是機器認知的最基本要素，人的智能和機器智能物理同源，數學同構，操作同序，都基于熵的物理法則；激活機器的鑰匙是時鐘、時序和遞歸；智能時代的“圖靈測試”將不再是主觀測試。解釋了基因進化和認知進化之間的尺度失配問題，把智能從長期以來人類意識的黑箱糾纏和困擾中解放出來，變得透明、物理可解釋，從人類獨有走向人機共生、共融、共成長。提出認知物理學是一場值得認真對待的思想革命，是21世紀的物理學。

物理學是研究物質及其基本結構、相互作用和運動形式的科學，其目標是探究蘊藏在自然、生命和人工系統中各種現象與效應背后的基本規律。楊振寧（1922—2025）于1991年在《科技導報》發表《二十世紀的物理學》一文，討論1905—1930年基本物理學的3次觀念大革命，以及1930—1990年包括生物物理學在內的各項物理學進展。21世紀，隨著人工智能技術的迅猛發展，認知物理學誕生并迎來發展良機，而這一點，楊振寧在展望20世紀的物理學時并未提及。

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物理學新百年走向

如何用物理學的理論和方法解釋生命體的新陳代謝和生老病死、解釋人的智能？尋求這些現象的物理機理，讓人們越來越關心生物物理學。進入21世紀后的最近10年，人工智能作為時代的新質生產力，無處不在，無時不在，其技術發展和應用如火如荼。全球發達國家奮力研發能夠認知的機器。人們時而憤怒，時而焦慮，捍衛或重申那傳統的邊界，留戀那個我們認為存在唯一智能體——我們自己——的時代，總想說機器不是“真正”的智能。這正是人工智能工作者長期面對的挑戰。

人類作為碳基生命中的高等生物，認知是其生存和繁衍的基本活動。機器不是生命，只是機械的、物理的、電子的裝置。1946年在美國賓夕法尼亞大學誕生的世界第一臺ENIAC通用計算機，占地150 m2，質量27 t，使用了1.8萬只電子管、6000個開關、7萬只電阻、1萬只電容器、50萬條電線，耗電量140 kW，可進行5000次/s的加法運算。那時，誰也不會認為這是一臺“電腦”或者“機器人”。因此，有必要用物理學的理論和方法，解釋智能，解釋機器如何被激活、如何進行計算、如何思維以及如何感知、認知和行動。

物理學原本是研究自然界物質基本結構及其運動規律的學科，它探索大至宇宙、小至基本粒子最原本的自然規律，屬于物質科學。宇宙里有銀河，銀河系里有太陽，太陽系里有地球，地球上有生命，生命體中包括人類，可見人類也是自然的一部分。自然界里的一切都是由物質和能量構成的。因此，人類自身也遵從自然界的這些普適規律。生物物理學最著名的教科書當數美國理論物理學家菲利普·納爾遜（Philip Nelson）的《生物物理學：能量、信息、生命》（Biological Physics: Energy, information, life）。今天或許該寫《生物物理學：物質、能量、結構、時間》，甚或是《認知物理學：物質、能量、結構、時間》——因為這是21世紀的物理學。有時候想，研究生物物理學的施一公，創辦西湖大學，為什么不成立一個“認知物理學院”呢？

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認知物理學的誕生

人類感知宇宙和環境中的萬事萬物，認識并解釋它們，形成經驗和知識，進而指導和支配人類行為，并且不斷累積完善。對于一般壽命不到百年的個人來說，在人類這個生生不息的高級物種中的地位，實在太渺??；即使整個人類，在宇宙中的地位也實在太渺小。唯有人類自己普遍地相信，這個廣宇長宙是可以被人類逐漸認知的；人類不但能認知宇宙，認知銀河、太陽、地球和生命，還能認知自身，包括精神世界。

歷史上3位科學巨人薛定諤（1887—1961）、圖靈（1912—1954）和維納（1894—1964）均討論過生命的物理觀和機器的生命觀。1936年圖靈提出圖靈機模型，計算機用時鐘和時序維持機器自身及產生有序事件。后來他又發出“天問”：機器能思維嗎？1944年薛定諤撰寫《生命是什么？》（What is life?），熵增和熵減都用時間來度量，用物理學解釋生命的最小單元——細胞，生命進化的方向是熵減。1948年維納撰寫《控制論》（Cybernetics: Or control and communication in the animal and the machine）一書，用負反饋維持系統的秩序——穩定性，讓控制論成為強化學習的發源地。1950年圖靈發表《計算機器與智能》（Computing machinery and intelligence）一文。1950年維納撰寫《人有人的用處——控制論和社會》（The human use of human beings: Cybernetics and society）一書，強調人機交互。3位科學巨人是同一時代的人，可惜沒有記錄顯示他們曾見過面、討論過。受其影響和啟發，我們拓展其學術思想，統一在熵的物理法則之上，交叉互補，與時俱進，創建了認知物理學。

和物理機器認知的速度相比，人類認知的自然進化過于緩慢。200萬年前直立人走出非洲，25萬年前人類以狩獵和采集為生，1萬年前開始定居農耕，5000年前有了語言文字、文化和文明，2000年前古希臘哲學的奠基人亞里士多德誕生，300多年前現代物理學奠基人牛頓誕生，他于1687年發表的《自然哲學的數學原理》（Philosophiae naturalis principia mathematica）為人類后來認識自然以及區分哲學、科學和數學奠定了基礎。200多年前，隨著紡紗機、蒸汽機等動力機器的發明，人類開始了工業革命；1879年科學革命的先驅、理論物理學家愛因斯坦誕生，他于1915年提出廣義相對論；1912年，計算機和人工智能之父圖靈誕生。人類普遍使用電子計算機還不到百年，但今天機器和人類對話、博弈已經司空見慣。如果說，胚胎發育濃縮重演了人體組織器官漫長的自然進化過程，教育盡可能讓個人能夠獲得人類幾千年的文明和相關知識的積累，那么人工智能用物理機器模擬人類的思維活動不過百年，就能依靠暴力思維把千萬年的人類認知濃縮到今天硅基的機器里面，這是多么了不起、多么飛快的進步啊！

人類擁有一個非物質的精神世界，孕育了文化和文明，創造了很多人造物并置之于物理世界之中。特別是，人類發明了認知的物理機器，將人類體能和智能延伸到體外。機器具身成為真實世界的物質存在，成為人類文明的生態。這就是我們身處的智能時代，智創未來，未來已來，人類迎來百年之大變局，反過來正在深刻地改變人類自身。

科學精神尊重事實，追問本質，捍衛真理。在這樣的時代背景下，2000年我們在“不確定性人工智能”研究成果的基礎上，提出“認知物理學”思想。歷經20余年的研究與發展之后，我們總結出人類歷史上近5000年、近500年和當下正在發生的3次認知大革命，力圖用自然科學探索人的主觀認知奧秘，尋找人的智能和機器智能的共同底層邏輯，用物理學解釋精神，解釋人類認知，用物理機器來拓展人的認知。

我們發現，物質、能量、結構和時間是人類認知也是機器認知的最基本的4個要素。其中，結構是寄身在不同尺度（層次）的物質物體上的主觀認知，本身無量綱；我們同時指出，激活機器的鑰匙是時鐘、時序和遞歸，由此實現機器里面的物質硬構體和思維軟構體的相互糾纏。我們論證了：認知機器賴負熵為生，用能量產生時序，依靠遞歸暴力思維，突破圖靈機唯計算智能的局限，發展記憶智能和具身智能。我們用模型、場、勢等經典物理學的理論與方法，完成包括概念在內的思維軟構體記憶的形成和重構。我們用云模型形式化概念，證明了正態云模型表示定性概念的普遍適用性，用云變換形式化不同尺度的抽象概念，用數據場、拓撲勢進行網絡數據挖掘和知識發現，完成記憶的提取和調控。

我們構建了4種認知模型：記憶驅動的經驗模型、知識驅動的推理模型、聯想驅動的創造模型、假設驅動的發現模型。它們之間的切換帶有不確定性，形成認知的螺旋。當前，深度學習、模式識別和生成式大語言模型異軍突起，已經取得巨大成功，但那僅僅是屬于記憶驅動的經驗模型。人們經常使用的記憶驅動的經驗模型側重于結構思維，即形象思維。因此，如果用機器實現這種模型，就要求機器具有的硬核是算法、算力和數據。人們不時使用的知識驅動推理模型側重于邏輯思維，即因果推理，但如果用機器實現這種模型，則要求機器具有的硬核是算法和算力。

我們指出，難能可貴的聯想驅動的創造模型和極為罕見的假設驅動的發現模型更多依賴于人的靈感和頓悟；如果用機器實現這種模型，則要求機器具有新的硬核，那就是抽象、聯想、交互和涌現。我們還解釋了機器認知如何像人、又如何不像人。我們指出，人的智能和機器智能，物理同源，數學同構，操作同序，都基于熵的物理法則。智能時代的“圖靈測試”將不再是主觀測試。智能將從長期的意識黑箱糾纏和困擾中解放出來，變得透明，變得物理可解釋，從人類獨有，走向人機共融。

如同構建萬有引力、電磁力、強核力、弱核力的“大統一理論”是所有頂尖物理學家的夢想一樣，構建認知的統一世界大模型，也許是認知科學家的夢想。這些夢想不會阻擋我們開辟各智其智、智人之智、智智與共的人工智能新方向。其中，具身智能是人工智能研究的出發點和歸宿，它用千姿百態的機器替代社會更多的勞動，其成熟度與替代效率指數級提升。

認知物理學力圖站在薛定諤、圖靈、維納等科學巨人的肩膀上，目前的認知物理學不在于某個細節論證的完備性，而是提出一個顛覆性的研究綱領，把“認知”從心理學、哲學、神經科學等很難落地的、離散的概念性思考，升華成統一的學科，建立一種可用物理、數學、工程、技術等物質手段建立起來的研究對象，形成一套可驗證、可度量的物理統一框架，通過抽象得到結構，通過聯想引發類比，通過交互形成反饋，集符號主義、連接主義和行為主義之大成，旨在研發出可交互、會學習、自成長的認知機器，和人類認知相互迭代發展。

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認知物理學解釋進化論解釋不了的現象

認知物理學重新定義了“生命”“進化”和“文明”，構建了一個跨越物質科學、生命科學與社會科學的統一框架，填補了人類智能和人工智能之間“缺失的連接”，以物質、能量、結構、時間為共同基石，將“自成長系統”作為起點，推動人類社會文明5000年的累積發展和人類認知的快速變遷，提出人類文明生態變化促進人的認知。達爾文的進化論是“正在進行時”，正在被認知物理學拓展至人類認知的“現在完成時”，進而解釋了基因進化和認知進化之間“尺度失配”的原因。

人類賴以生存和演化的自然生態是人類從事一切活動的基礎，具有毋庸置疑的客觀存在性和時間上的先在性。它是人類文明的搖籃，是人類必須與之和諧共存的根基，是物理學研究的早期對象。在自然生態的基礎上，唯獨人類通過文字、教育、文化、科技和信仰等共同構建了文明生態，它的存在依賴于群體之間的認同與持續實踐，但也衍生出不確定性、不一致性，甚至沖突。獨立個體在這2個生態中，在本能的基礎上逐步形成自己的后天認知，即學習的能力，解釋現象、解決問題的能力。人工智能是人類感知、認知并回應自然生態和文明生態的結果，是人類智能的體外延伸。認知物理學力圖解釋人類認知如何用物理機器實現，無處不在，無時不在，正如火如荼。

幾百萬年來人類在純自然的物理世界里生存、繁衍和進化；5000年前人類發明了文字和教育，開始構建人類文明生態；經過3次大的認知革命，人的個體生命和認知就在這個文明不斷躍遷的生態里誕生、成長、完善。

諾貝爾獎獲得者薛定諤提出，生命進化的方向是熵減，通過能量攝入，實現局部有序，而這一局部熵減過程與宇宙整體熵增趨勢相對應。這一觀點將熱力學第二定律與生物進化論、機器智能統一起來，也將機器智能和生命智能統一起來。在此基礎上，認知物理學將“自成長系統”單列出來，突破了傳統生物學對生命的碳基定義，重新定義生命。

所謂“自成長系統”，是指能夠自我復制、自我調節、在環境中持續維持秩序的、自組織的開放系統。碳基生命是這樣的系統，圖靈和馮?諾依曼發明的計算機器、乃至硅基的認知機器中的思維軟構體，也是這樣的系統。但是，硅基機器中結構的維持需要負熵，物質硬構體自身沒有新陳代謝，還要老化，要依靠外部力量來維修、升級、換代。因此，機器智能出自“半生命系統”。只有軟件可以自我復制和自成長，通過與外界交互，能夠自組織、適應環境并持續進化。這為理解人工智能乃至未來可能的人工生命提供了理論基礎。這一概念模糊了“生命”與“非生命”的界限。這樣一來，包括文字、文化、教育、人造物品、人居環境、互聯網和認知機器在內的人類社會的文明生態，也能夠自我復制，自我調節，在自然中持續維持自身的秩序，可視為“人類進化”的延續。這就打破了自然科學與社會科學的壁壘，為理解人類社會變遷和認知躍升提供了生物學視角。

這一框架揭示了一個真理：人類的進化已從個體具身的自然進化，轉向人類社會整體的文明生態進化。過去的1萬年，人類身體結構幾乎沒有太大的變化，但生存和繁衍的環境和質量卻大大提升。1920—1950年中國嬰兒死亡率，即每1000個活產嬰兒中在1歲前死亡約有200個，而現在下降到不足3個?？梢?，5000年來人類文明迅速走向創建人類生活和工作的大大小小的環境和創建更多人造物品、走向認知文明的步伐是何等之快，影響人類自身進化是何等之快。

人類在生存和繁衍過程中產生的認知和智能，可以說主要不是由先天的DNA突變驅動的，而是由后天認知物理學和認知工程驅動并迭代實現的。自然進化的動因是偶發和突發，如DNA突變和思維靈感。這一觀點尊重了不確定性在進化中的作用，避免了純粹的決定論。機器認知的突破恰恰源于偶然發現，或者意外的創新觸發，這些突變必須有選擇機制的篩選，在物理世界得到驗證，只有那些能有效降低系統熵的變異才會被保留下來。這就形成了“探索（隨機擾動）+驗證（選擇優化）”的驅動模型。在這一意義上，人類文明的自我進化確實是生物進化的最高形式。人類這個碳基物種不再是純粹地依賴隨機變異與自然選擇的生物進化。

曾經的生物進化研究聚焦DNA層面，忽視了人類社會文明生態的進化環境對人認知的影響，忽視了個體層面上人腦的后天可塑性與學習能力，忽視了群體層面上知識的擴散、傳承和累積，還忽視了人類社會組織結構的群體創新。機器尤其擅長深度遞歸，不擔心指數爆炸、窮舉和試錯，暴力計算是機器的強項。因此，認知物理學對人類學、社會學、經濟學等學科具有重大啟示意義。

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認知物理學：認知范式的革命

認知物理學是一場值得認真對待的思想革命。長期以來物理學被認為研究的是“死”物質，而人文研究的是“靈魂”。認知物理學終于架起了一座橋梁。它告訴人們，智能不是人類某種神秘的靈性灌注，而是生命在追求有序化過程中的必然發展。結構和時間是人類認知的主觀產物，把結構和時間與宇宙中存在的物質和能量并列，在人類認知史上還是第一次。

認知物理學或許還過于抽象，還存在一些爭議，但它代表了近年來最具原創性和整合力的思想嘗試之一。它勇敢追求底層的相同邏輯和統一解釋的框架；它不局限于學科的固定邊界，而是致力于實現物質科學、生命科學與社會科學的交叉融合，喚醒一種久違的文明主體意識：我們不再單純是被動演化的碳基自然生物，而是可以借助硅基機器主動參與甚至主導自身進化的設計師。它點亮了一盞明燈——照見我們是誰，我們從何而來，以及我們將去往何方。我們可以探索未來人類社會的形態，將科學拓展到社會的政治、文化、經濟等領域之中，讓認知物理學成為跨學科研究的底層邏輯。在這個熵增的宇宙里，我們可以利用熵減，利用人工智能和文明生態，使得人類這個物種不只是物理的生命，更是文明的生命，讓人類不再只做自然的孩子，而成為自身秩序的共建者、延續者、創造者。

認知物理學讓人類有了和自然界其他高等生物的最大不同。勞動創造人類，認知成就人類。機器智能與人類智能交叉融合、協同推進。在屏幕前的閱讀、思考、寫作、分析、決策——這些工作機器智能已經開始部分或全部代替人類完成。而當智能機器能夠承擔從農作物播種收割、能源勘探生產到精密制造加工，從基礎設施構建、物流配送到社會服務的各類任務時，人類滿足社會整體物質總需求所需的勞動時間將會大幅壓縮。到21世紀末，也許不到20%的人口從事生產勞動，就可以完全滿足整個人類生存和繁衍的物質總需求。“勞動”與“生存”這2個概念被強制綁定了數千年，或將發生歷史性分離，認知使得勞動不再僅是謀生手段，而有望成為自由創造和充分體現人的意志與價值的實踐活動。

人工智能帶來的不只是生產方式的變革，更是人類存在方式的變革。人類文明生態可在宇宙中持續維持自身秩序，成為生物進化的最高形態，而個體只是這個生態里的一分子。地球上其他高等生物并沒有這樣的生態，人類終將把它們越來越遠地拋在后頭。21世紀的物理學一定屬于認知的物理學，包括認知機器在內的文明生態是人類自身認知進化的加速器，人類將更加智慧、更加自律、更加尊嚴、更加優雅地生活。真正的超人是那些善于發明人工智能，又清醒認識到人工智能的邊界并保持自身價值和判斷的人。

本文作者：李德毅

作者簡介：李德毅，軍事科學院系統工程研究院，教授，中國工程院院士，研究方向為計算機工程、不確定性人工智能、數據挖掘、智能駕駛、認知工程以及認知物理學等。

文章來 源 ：李德毅. 21 世紀的物理學——認知的物理學[J]. 科技導報, 2026, 44(10): 17?22 .

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