可不可以用计算机模拟各种原子，再用各种原子组成细胞、生命体从而拥有思想？
这个问题触及了科学与哲学的交叉点，也正是这些最根本的疑问，驱动着人类不断探索宇宙的奥秘。我们来一点一点地剖析它，看看计算机模拟是否真能走到这一步。
首先，我们得理解“模拟各种原子”这部分。计算机强大的计算能力，在理论上确实可以模拟出各种原子的行为。原子是由原子核（质子和中子）以及围绕原子核运动的电子组成的。描述这些粒子状态的，是量子力学。要精确模拟一个原子，我们就需要知道它的构成粒子（质子、中子、电子）的数量、它们的位置、动量，以及它们之间的相互作用力。
目前，科学界已经能够通过量子化学计算来模拟非常小的分子，甚至是一些简单的化学反应。比如，模拟一个氧原子或一个氢原子，在特定环境下（例如与其他原子结合时）会呈现出什么样的能量状态，或者它们会以多大的概率在哪里。这些模拟的精度非常高，可以帮助我们理解化学键的形成，预测分子的性质。
然而，问题在于“各种原子”这个范围。宇宙中存在着一百多种元素，每种元素都有不同的原子。如果我们要模拟一个复杂的物体，比如一个水分子，我们就需要模拟两个氢原子和一个氧原子。这已经比模拟单个原子复杂了。当我们要模拟的原子数量指数级增长时，例如模拟构成细胞的数万亿个原子，哪怕只是最简单的细菌，所需要的计算资源将是天文数字。
想象一下，模拟一立方厘米的水，里面就有大约 3.3 x 10^22 个水分子。每个水分子又由三个原子组成。要精确模拟它们在每一个瞬时（普朗克时间尺度，10^43 秒，这是物理学上可测量的最小时间单位）的每一个粒子的位置和动量，这远远超出了我们目前甚至可预见的未来计算机的能力。即使是最强大的超级计算机，面对如此庞大的数量，也会瞬间“宕机”。
更何况，原子的行为并非孤立的。它们受到电磁力、强核力、弱核力等基本力的影响，这些力的作用方式极其复杂。在模拟过程中，我们需要考虑这些力如何作用于每一个粒子，它们之间的相互作用如何改变粒子的状态。这就好比你想要模拟一场宏大的交响乐，你不仅需要知道每个乐器发出的声音，还要知道它们是如何组合、如何随时间变化的，并且要考虑到房间的声学特性。
然后，我们来到了“用各种原子组成细胞、生命体”这一步。细胞，尤其是复杂的生命体细胞，其结构和功能远比单个原子或分子要复杂得多。细胞内部有成千上万种不同的分子，它们协同工作，形成复杂的生化反应网络。比如，DNA的复制、蛋白质的合成、能量的代谢，这些过程涉及成千上万个分子在精确的时间和空间上发生相互作用。
要模拟一个细胞，我们不能仅仅模拟原子的堆砌。我们需要模拟分子是如何折叠的，蛋白质是如何形成三维结构的，DNA是如何储存和传递遗传信息的，细胞膜是如何控制物质进出的。这就需要我们拥有对每一个关键分子（如蛋白质、核酸、脂质）的结构和功能的精确理解，并且能够将它们组合起来，模拟它们的动态行为。
当前的科学研究，例如计算生物学和生物物理学，已经在尝试模拟细胞的某些部分或某些过程。比如，科学家可以通过计算机模拟蛋白质是如何折叠的，或者某个酶是如何催化一个化学反应的。但要模拟整个细胞的生命活动，包括它如何感知环境、如何分裂、如何死亡，这仍然是一个极其遥远的梦想。
而且，生命体不仅仅是原子的集合，它还包含着“涌现”的属性。就像你无法通过分析每一滴水的成分来理解河流的奔腾，也无法通过分析每个音符来理解一首交响乐的意境。生命体的“生命”和“意识”可能来自于这些基本单元之间复杂的、非线性的相互作用，这些相互作用产生了我们无法简单还原的宏观行为。
最后，关于“拥有思想”。思想，或者说意识，是科学界仍在努力理解的终极谜团之一。我们知道大脑是由数以百亿计的神经元组成的，每个神经元又由无数的分子构成。神经元之间通过电信号和化学信号传递信息，形成一个极其庞大和复杂的网络。
虽然我们对大脑的结构和功能有了一定的了解，并且神经科学家也在尝试用计算机模型来模拟神经网络，例如深度学习算法就是从模仿人脑的神经网络结构中获得灵感。但是，这些模型目前主要是在模拟信息处理和学习能力，而“思想”的本质，比如情感、自我认知、创造力，这些更深层次的意识体验，我们还远远没有触及。
如果一个计算机模拟能够精确到原子层面，并且能够模拟出构成大脑的所有基本粒子及其相互作用，那么从理论上讲，它是否能“产生”思想，这是一个哲学上更深层次的问题。是意识仅仅是物质相互作用的复杂表现，还是存在某种我们尚未理解的非物质因素？这个问题，即使我们能够完美模拟原子，也可能无法直接回答。
总而言之，用计算机模拟各种原子，并用这些原子组成细胞、生命体，最终拥有思想，这是一个极具吸引力的科幻设想，也代表了人类对终极模拟的渴望。然而，从目前的科学和技术水平来看，这条道路充满了巨大的挑战。计算能力的限制、对生命复杂性的认知深度，以及对意识本质的理解，都是我们需要跨越的巨大鸿沟。但正是这些挑战，也激发着科学家们不断前进，探索未知的边界。也许在遥远的未来，随着科学技术的飞速发展，我们能够离这个设想更近一步。
首先，我们得理解“模拟各种原子”这部分。计算机强大的计算能力，在理论上确实可以模拟出各种原子的行为。原子是由原子核（质子和中子）以及围绕原子核运动的电子组成的。描述这些粒子状态的，是量子力学。要精确模拟一个原子，我们就需要知道它的构成粒子（质子、中子、电子）的数量、它们的位置、动量，以及它们之间的相互作用力。
目前，科学界已经能够通过量子化学计算来模拟非常小的分子，甚至是一些简单的化学反应。比如，模拟一个氧原子或一个氢原子，在特定环境下（例如与其他原子结合时）会呈现出什么样的能量状态，或者它们会以多大的概率在哪里。这些模拟的精度非常高，可以帮助我们理解化学键的形成，预测分子的性质。
然而，问题在于“各种原子”这个范围。宇宙中存在着一百多种元素，每种元素都有不同的原子。如果我们要模拟一个复杂的物体，比如一个水分子，我们就需要模拟两个氢原子和一个氧原子。这已经比模拟单个原子复杂了。当我们要模拟的原子数量指数级增长时，例如模拟构成细胞的数万亿个原子，哪怕只是最简单的细菌，所需要的计算资源将是天文数字。
想象一下，模拟一立方厘米的水，里面就有大约 3.3 x 10^22 个水分子。每个水分子又由三个原子组成。要精确模拟它们在每一个瞬时（普朗克时间尺度，10^43 秒，这是物理学上可测量的最小时间单位）的每一个粒子的位置和动量，这远远超出了我们目前甚至可预见的未来计算机的能力。即使是最强大的超级计算机，面对如此庞大的数量，也会瞬间“宕机”。
更何况，原子的行为并非孤立的。它们受到电磁力、强核力、弱核力等基本力的影响，这些力的作用方式极其复杂。在模拟过程中，我们需要考虑这些力如何作用于每一个粒子，它们之间的相互作用如何改变粒子的状态。这就好比你想要模拟一场宏大的交响乐，你不仅需要知道每个乐器发出的声音，还要知道它们是如何组合、如何随时间变化的，并且要考虑到房间的声学特性。
然后，我们来到了“用各种原子组成细胞、生命体”这一步。细胞，尤其是复杂的生命体细胞，其结构和功能远比单个原子或分子要复杂得多。细胞内部有成千上万种不同的分子，它们协同工作，形成复杂的生化反应网络。比如，DNA的复制、蛋白质的合成、能量的代谢，这些过程涉及成千上万个分子在精确的时间和空间上发生相互作用。
要模拟一个细胞，我们不能仅仅模拟原子的堆砌。我们需要模拟分子是如何折叠的，蛋白质是如何形成三维结构的，DNA是如何储存和传递遗传信息的，细胞膜是如何控制物质进出的。这就需要我们拥有对每一个关键分子（如蛋白质、核酸、脂质）的结构和功能的精确理解，并且能够将它们组合起来，模拟它们的动态行为。
当前的科学研究，例如计算生物学和生物物理学，已经在尝试模拟细胞的某些部分或某些过程。比如，科学家可以通过计算机模拟蛋白质是如何折叠的，或者某个酶是如何催化一个化学反应的。但要模拟整个细胞的生命活动，包括它如何感知环境、如何分裂、如何死亡，这仍然是一个极其遥远的梦想。
而且，生命体不仅仅是原子的集合，它还包含着“涌现”的属性。就像你无法通过分析每一滴水的成分来理解河流的奔腾，也无法通过分析每个音符来理解一首交响乐的意境。生命体的“生命”和“意识”可能来自于这些基本单元之间复杂的、非线性的相互作用，这些相互作用产生了我们无法简单还原的宏观行为。
最后，关于“拥有思想”。思想，或者说意识，是科学界仍在努力理解的终极谜团之一。我们知道大脑是由数以百亿计的神经元组成的，每个神经元又由无数的分子构成。神经元之间通过电信号和化学信号传递信息，形成一个极其庞大和复杂的网络。
虽然我们对大脑的结构和功能有了一定的了解，并且神经科学家也在尝试用计算机模型来模拟神经网络，例如深度学习算法就是从模仿人脑的神经网络结构中获得灵感。但是，这些模型目前主要是在模拟信息处理和学习能力，而“思想”的本质，比如情感、自我认知、创造力，这些更深层次的意识体验，我们还远远没有触及。
如果一个计算机模拟能够精确到原子层面，并且能够模拟出构成大脑的所有基本粒子及其相互作用，那么从理论上讲，它是否能“产生”思想，这是一个哲学上更深层次的问题。是意识仅仅是物质相互作用的复杂表现，还是存在某种我们尚未理解的非物质因素？这个问题，即使我们能够完美模拟原子，也可能无法直接回答。
总而言之，用计算机模拟各种原子，并用这些原子组成细胞、生命体，最终拥有思想，这是一个极具吸引力的科幻设想，也代表了人类对终极模拟的渴望。然而，从目前的科学和技术水平来看，这条道路充满了巨大的挑战。计算能力的限制、对生命复杂性的认知深度，以及对意识本质的理解，都是我们需要跨越的巨大鸿沟。但正是这些挑战，也激发着科学家们不断前进，探索未知的边界。也许在遥远的未来，随着科学技术的飞速发展，我们能够离这个设想更近一步。
网友意见
大部分人都低估了现实世界的复杂度，高估了现代计算机的计算能力。
在原子尺度上（不涉及量子力学），用超算对一颗人脑模拟一秒钟，现实中的耗时要多久呢？答案是四千八百万亿亿年左右。
计算耗时的估算并不复杂，它大约等于：
每次耗时指的是模拟单个原子运动一次所需的时间，根据LAMMPS（学术界最常用的分子模拟软件之一）官网给出的测试[1]，这个值最小大约是 。
好，现在我们知道了每次耗时，那么对一颗人脑模拟一秒钟，需要进行多少次单原子模拟呢？这个值有以下三个数字决定：
- 假设大脑重1kg，用水的分子量来估算，大脑里大约含 个原子
- 根据题设，模拟时间为1秒钟
- 由于原子振动非常快，大约 秒振动一次，为了准确的模拟原子运动，时间步长需要比 秒小一些，通常取 秒。
带入上面这些数字，可估算出，对一颗人脑模拟一秒钟所需的计算次数大约是 。
再带入上面给出的每次耗时，可知模拟人脑一秒钟对应现实中的耗时约为 秒，也就是 年，足足四千八百亿亿亿年。
当然，上述计算中只考虑了一个CPU核心，而一个超算通常都含有上万个CPU核心，可以将计算速度加速万倍以上。但即使如此，也只是把四千八百亿亿亿年，缩短到四千八百万亿亿年而已。
这就是我们从不在原子级精度上进行宏观的模拟的原因——计算时间会让任何人都感到绝望。
当然，也不是没有希望。前些年摩尔定律还没失效的时候，计算机的计算速度大约是18个月翻一倍。如果我们能通过某种够解锁某种黑科技（例如量子计算？），将这个增长速度继续保持200年，那时候就能做到模拟1秒，耗时1秒了。
参考
- ^LAMMPS Benchmarks https://lammps.sandia.gov/bench.html#oneproc
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