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日志

大师演讲字幕——如何在决定论宇宙当中生活

已有 1354 次阅读2016-2-15 21:34 |个人分类:杂谈| 决定论, 宇宙

今天下午大家已经听过了不少关于人性与自由意志的演讲。我不会从哲学家、神经学家或者心理学家的角度来攻击、讨论或者思考这两个问题,而是要谈一谈物理学定律如何揭示了关于宇宙与未来的事实以及我们在宇宙当中的位置。首先我要排除掉一批显然错误的论点,或者说至少是在座各位都肯定不会认同的论点。比方说居然有这么多人信奉占星术,并且想出了各种云山雾罩的理由来主张星辰的位置能够主宰我们的人生,实在令我诧异不已。这些人相信,宇宙当中发生的一切都要归因于更高一层的力量或者某种无所不能的存在,因此我们自以为拥有的自由意志其实只是上帝意志的体现,世间的一切都已经注定了。同样错误的反对观点则认为我们的命运掌握在自己手里,一个人绝不仅仅是全身原子的总和,无论是基于灵魂还是基于心智,总之我们具有自由意志。在我看来这些看法都是错误的。首先我想定义三个将会在我的演讲当中反复出现的名词。第一个词是决定论(determinism)。我对这个词的理解遵照哲学定义,即过去的事件会导致未来的事件。因此假如我们知道了宇宙当中某一给定时刻的一切,例如每一个粒子的位置,任意粒子之间的互动方式与相互作用力强弱,那么从理论上来说我们就能开动计算器,推算出宇宙的未来状态。像这样的宇宙就是决定论的宇宙。第二个词是随机性(randomness)。这个词的定义也有很多,我这里的意思很具体:独立的事件不会遵循决定论,因为它们并不是由先前的事件导致的。这些事件的运作无法预测,因此也就无法事先决定。这个词的另一种表述方式就是非决定论,待一会儿我谈到量子物理的时候还要细说。第三个词是可预知性(predictability)。假如某个过程遵循决定论,原则上我们就能预测或计算接下来将会发生什么。可预知性并不等同于决定论。一个宇宙可以完全遵循决定论,每一起事件都由之前的事件引发,但是我们依然无法对其加以预测。在这样的宇宙里,预测未来仅仅在原则上是可行的,在实际层面上则做不到。我想向大家展示四种可能的宇宙。我相信可能存在的宇宙绝不仅只有四种,不过为了方便讨论我只说四种。第一种可能,决定论是真的,我们的宇宙遵循决定论,我们的一切行为都是宇宙的一部分,在原则上可以预测,因此我们没有自由意志,只有做出自由选择的幻觉。第二种可能,决定论是真的,但是我们依然可以具有自由意志,这就是所谓的相容性主张。第三种可能,决定论是假的,随机性是宇宙根本结构的一部分,并且为我们提供了开放的未来,这个未来不可能提前预知,不可能事先注定,因此自由意志也就得救了。第四种可能,决定论是假的,但是我们依然没有自由意志,因为事件的发生是随机的,不受我们控制,就像注定的事件不受我们控制一样。或许还有其他的组合。但是由于我的本业不是哲学,所以我想得还不够深,也不够全面。我的思考就仅仅达到了这一层而已。今天在座的各位有很多都具有物理学背景,或者足够理解现代物理学。也有很多人肯定听不懂我接下来打算说什么。我会尽量讲得浅显一些,但是如果有人听完了我的演讲觉得头疼,我也肯定不会道歉(笑声)。艾萨克.牛顿与同时代的其他科学家们描述了一个我们今天所谓的“钟表宇宙”,一个决定论的宇宙。在这个宇宙里,假如我们知道一切粒子的位置、运动状态与受力情况,那么一切都会像钟表部件那样有序运行。假设有某种超级智能能够计算未来,那么包括我们自身以及我们的大脑活动在内的一切事物都是这个钟表宇宙的一部分。这是一个合理的假设。好比说有一桌弹球游戏,一杆打出去弹球满桌乱滚。你无法再打一杆,让每一颗弹球重复刚才的运动轨迹,因为每一颗弹球之间的碰撞都会稍有不同,并且累计导致越来越大的改变。所以我们永远无法重复之前的一杆。但是这并不意味着决定论法则的失效,你只是无法将所有因素都考虑进来而已,例如桌面上的尘埃,空气的湿度,温度,每一颗弹球的精确起始位置,等等。牛顿主义钟表宇宙的理念后来被爱因斯坦的成果取代了。1905年,爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》,其中首次提出了狭义相对论。许多人一听到相对论就会想到指明了质量与能量互换的E=MC^2。事实上E=MC^2只是爱因斯坦后来的想法,首见于几个月之后发表的另一篇论文,而且这篇论文其实挺无聊的,根本不如上一篇论文那样深刻。他在《论动体的电动力学》的开篇就指出,光速在一切参考系当中都是恒定的,任何运动的物体都追赶不上光速。这句话单独听起来并没有什么大不了的,但是假如我们将这句话的逻辑发展下去,就会得出不得了的结论。我已经给大一物理系新生上了十七年狭义相对论课程。我的一位学生如今在谢菲尔德大学工作,她已经结婚了,如今即将奔四,也生了孩子。有一次她对我说,“我还记得您的狭义相对论课程,当时我就放弃了。”她入学后的第二年,我们学校来了一位年轻帅气的天文学家,于是她立刻改了专业(笑声)。我在教授狭义相对论的时候,总要耗费十节课才能让学生们意识到爱因斯坦对于宇宙以及时空结构究竟抱有怎样的看法。如果今天有些听众不熟悉相对论,在现场我肯定给你们讲不清楚。所以我想将相对论最重要的侧面挑出来着重说一说。爱因斯坦的理论认为,空间并不仅仅是事件发生的三维舞台,时间也不是独立流逝的宇宙钟表。爱因斯坦证明了时间与空间相互纠缠。仅仅将时间视为第四维度未免看轻了时空纠缠的深刻程度。当然,我们描述任何事件都需要四个数字,三个数字表示事件发生的空间位置,一个数字代表发生时间。从这个角度来说时间的确是第四维度。可是爱因斯坦的眼光要深得多。爱因斯坦的思想推导出了块状宇宙(block universe)的概念。块状宇宙是四维时空宇宙,而不是三维空间外加一维打酱油的时间。研究四维空间的最大问题在于我们的头脑无法想象四维空间。凡是号称自己能够想象四维空间的人都是在胡说八道。于是物理学家们说道:“我们姑且想象一下我们的宇宙空间不是三维的,而是二维的,没有深度。”这是块状宇宙的简化模式,因为在这个模型当中时间可以充当第三维。我们想象空间只是一张薄片,在时间轴上从左向右推进。在任意给定的时间,薄片左边就是过去,右边就是未来,薄片上面的某一个点就是此时此地。这样的宇宙观远比牛顿宇宙更加骇人。牛顿的钟表宇宙观认为未来已经注定。因为一切事物都要服从于我们能够理解的物理原则,因此我们至少在原则上可以预测未来。可是在爱因斯坦看来,未来并非尚未发生,而是与过去并存。假如你能像上帝一样摆脱这个宇宙的时空结构,就能看到时空结构的整体存在。换句话说时间的流逝仅仅存在于我们的想象当中。未来不仅已经确定了,而且根本不可能存在不一样的未来,只不过身处于宇宙之内的我们看不到这一点罢了。这就是爱因斯坦在1905年提出的宇宙观。到了几年之后的二十年代,物理学领域爆发了一场更大的革命:量子力学问世了。从此后就有了盒子里不死不活的猫,同时位于两个位置的原子以及自发跃迁并且相互关联的粒子。量子理论告诉我们,在亚原子层次上,自然界高度遵循着随机与概率原则。比方说有一个具有放射性的原子,例如铀原子。这个铀原子会自行分裂并且释放一个阿尔法粒子。不仅我们无法预测某一个铀原子是否会分裂,而且就连铀原子自身也尚未决定什么时候分裂。并不是说我们的理论还不完善,无法理解原子内部的运行机制。“这个阿尔法粒子会在明天下午一点半发射出来。”事实上这个粒子有可能下一秒就发射出来,也可能要再等一百万年才会喷射。但是假如铀原子的数量非常非常大,我们就能很精确地计算出铀的半衰期。半衰期是一个基于统计学的数值:特定的时间过后,一半铀原子肯定会衰变。这一点告诉我们,宇宙在量子层面上并不遵循决定论,非决定论是自然运作机制的固有部分。就算大自然本身也无法提前决定某一个量子现象是否一定会发生。这一点能否拯救自由意志呢?许多量子物理学家都认为确实可以,而我认为他们都是错的。他们认为既然宇宙并不遵循决定论,既然量子层面存在着随机性,那么未来就是不确定的。这种看法很令人宽慰,因为根据这种看法,我们的选择确实是自由的,一切尚未注定,命运并不存在。量子力学非常奇怪。量子力学的奠基人是奥地利物理学家薛定谔。如今大学里教授的量子力学就叫薛定谔方程。这个方程描述了特定的量子体系会如何随着时间流逝而改变。这个公式的确遵循决定论。只要你知道某一个量子系统——例如一个原子——的起始状态,就能非常精确地预测出这个系统未来的状态。但是一切都取决于我们如何理解“初始状态”。任意性确实是量子力学的基础,因此薛定谔方程的预测结果也是可能性,尽管是非常精确的可能性。至于实际发生的结果则取决于你在观察时的系统状态,这个量子系统此时如何与整个宇宙互动。我想谈一下美国物理学家理查德.费曼所谓的“量子力学的核心谜团”,也就是双缝实验。假设你有一个光源,向一道开了两条平行细缝的屏幕放射光波。光波穿过细缝之后会发生衍射并且扩散开来,因此穿过两道细缝的光波会相互交叠。交叠的结果取决于光波是否同相位。假如两道光波同相位,波峰与波峰重叠,光波的强度就会增大。假如两道光波反相位,波峰与波谷重叠,就会相互抵消。然后你就会得到一幅所谓的干涉图像,上面有着明暗交替的光带。明亮的光带显示了同相位的光波,黯淡的光带显示了反相位的光波。这并不是量子力学,而是波的性质。托马斯.扬在两百年前就指出了这方面的原理。假如我们用粒子而不是波来重复双缝实验,例如沙粒,那么每一粒没有被屏障挡住的沙粒都必然通过两条狭缝当中的一条,并且在屏障后方堆成两堆。这个模式与光暗交替的光波模式非常不同。粒子与波的表现非常不一样。假如我用原子再做一次双缝实验,向双缝屏障发射一束原子,穿过双缝的原子会在屏障后方的光敏材料上留下印记。假如我们只开放一条缝,原子流的印记就像粒子一样。假如我们将两条缝都打开,原子流的印记就像光波一样,出现了明暗交替的干涉图像,只不过这里的光带与暗带都是由大量原子轰击光敏材料造成的小点形成的。原子在发射出来的时候是一个小点,落在屏幕上还是一个小点,但是在穿过双缝的时候却表现得像波一样。假如我们不了解量子力学,可能会认为原子之间会相互作用,只有特定数量的原子能够集中出现在某一个区域。如果我们不理解原子的运作机制,那么这个实验结果看上去并没有不合逻辑之处。不过我们还可以一次发射一个原子,使得原子之间无法互动。只要实验进行的时间足够长,发射的原子数量足够多,最后还是会出现干涉图像。换句话说,每一个原子在发射途中都为波的干涉模式做出了一点贡献。难道原子在双缝面前也会像波一样一分为二吗?难道原子会像云雾一样同时穿过两条狭缝吗?我们可以检查一下这个假说。我们可以监视原子的行为。我们可以用监测器来监测穿过某一条狭缝的原子。假如一个原子在光敏屏幕上留下了印记却没有触发监测器,那么这个原子肯定穿过了另一道狭缝。自然,击中屏幕的原子当中有一半都触发了监测器。可见原子并不能同时穿过两条狭缝。但是此时屏幕上就只剩下了两条亮斑,干涉图像消失了。原子似乎知道自己遭到了监视。我们可以试图智胜原子,将监测器关上。然后双光带模式立刻就变成了明暗交替的干涉模式。这并不是理论,也不是什么疯狂科学家的空想,而是重复了无数遍的实验结果。我们知道量子层面的事物运作机理非常奇怪,观察行为能够决定事物的结果。我们要怎样解决这个现象呢?要借助数学而不是逻辑。我们不知道某个原子的具体位置,只知道这个原子处于各个不同位置的概率。因此可以将这个原子的位置视为一个同心球体,原子出现在球心的概率最大,出现在外层的概率较小。我们可以借助数学来计算概率随时间变化的情况,从而得知未来某一时刻这个原子出现在某个位置的概率。我们可以将概率也视为波,尽管原子无法同时穿过两道狭缝,概率波却可以。这道基于数学的概率波就像真正的光波一样会产生干涉效应,因此原子出现在某些区域的概率会很高,出现在另一些区域的概率则会很低。因此大量原子依然可以累积形成干涉图像。量子理论是科学界最强大的理论。我说的不客气一点,量子理论只用一只手就能将达尔文进化论打得满地找牙(笑声)。量子力学理论已经成为了绝大部分其他物理理论与化学理论的基础,没有量子力学理论就没有现今的世界。这项理论彻底解释了亚原子世界,解释了原子与分子的相互影响机制,解释了原子与分子如何形成了宇宙当中的各种物质。但是这个理论的核心非常古怪。几年前我为BBC拍摄了《原子》这部纪录片,现在我要播放这部纪录片当中三位物理学家的访谈内容。让我们来听一下他们如何看待量子理论的怪异之处。——对于那些坚持想要知道未经观察的原子会做些什么的人们,您有什么说法吗?——安迪.杰克森,尼尔玻尔研究所:我不敢说我是在引用费曼还是狄拉克的言论,反正答案是,“闭上嘴,多计算。”根据这种看法,谁也不该因为原子如何穿过两条狭缝而伤脑筋,反正它能穿过去。量子世界就是这样的,你只管接受现实就好了。这个解释多少让人有些不满意。——戴维.多伊奇,牛津大学:原子与电子是存在于多重宇宙当中的物体。量子力学描述了多重宇宙物体的表现。这意味着量子理论描述的现实世界的平行宇宙层面适用于一切尺寸的物体——人体、星体乃至星系。根据戴维.多伊奇——现今世界上最聪明的物理学家之一——的说法,原子穿越双缝的时候,整个宇宙都分裂成了两个平行宇宙,我们看到的干涉图像则是两个宇宙相互重叠的结果。用保罗.戴维斯的话来说,这就叫“物理学家张张嘴,整个宇宙跑断腿”(笑声)。用这种观点来看待单个原子的行为未免太极端了。——保罗.戴维斯,亚利桑那州立大学:今天的实验人员的测量结果会影响到五十亿年之前的现实的本质。他的看法更糟糕,连目的论都抬出来了。他认为我们现在做的实验可以影响已经发生的过去。这三位物理学家的看法表明,作为数学理论的量子力学非常强大,也非常精准,但是我们却无法依照逻辑与常识来理解它。整体来说,量子理论的怪异之处仅仅局限于量子世界内部。不过接下来我就要向大家展示一个反例。这张美丽的图片是整个宇宙的地图,图片上的不同颜色代表了深空宇宙的不同温度。科学家们相信,深空宇宙的温度波动体现了大爆炸之后不久初生宇宙的状态。当整个宇宙体积非常小、温度非常高的时候,量子力学就是主管一切的法则。随着宇宙的膨胀,量子不确定性也随之膨胀,嵌入了最大尺度的空间当中。因此尽管量子力学的怪异之处遭到了限制,尽管我们不会看到一个大活人同时出现在两个地方,但是量子力学依然会对宏观世界造成一定的影响。有些物理学家又认为,尽管量子力学意味着非决定性与概率,但是从统计学上来说,量子力学的效果会自我抵消,因此宏观世界并不存在非决定性。我们的宇宙依然是牛顿与爱因斯坦的宇宙。尽管量子力学确实伴随着概率与随机性,但是我与其他许多物理学家都认为两次层面的不确定性与宇宙是否遵从决定论并没有关系。接下来我想提到两位法国思想家,他们对决定论问题有着自己的看法。第一位思想家是拉普拉斯,人类历史上最伟大的数学家之一。拉普拉斯提出了一个很有趣的思想实验,这是一个非常有趣的实验。假如宇宙中的一切都可知,假如所有粒子的位置以及相互作用都可知,那么我们完全可以设想一个恶魔,这位恶魔至少在原则上能够计算未来。这个实验很容易造成逻辑悖论。假设这个恶魔是一台超级计算机,你可以为这台计算机编订以下程序:“根据宇宙当前的状态,计算十五分钟后宇宙的状态。假如到时候本机依然存在,就立刻自毁。假如到时候本机不存在,就不要自毁。”本质上这个逻辑悖论就是“这项声明是谎言”的变体,是一个无法摆脱的怪圈。有一种说法能解决拉普拉斯妖悖论:拉普拉斯妖不可能存在,因为拉普拉斯妖也是宇宙的一部分,为了知晓一切,拉普拉斯妖必须有一套信息存储机制,而且这套机制必须是由实体原子与电子构成。因此这套机制还必须存储关于自身状态的信息。所以从逻辑上拉普拉斯妖就不可能存在。另一位法国思想家彭加莱也作出了同样深刻的类似尝试。在十九世纪八十年代,瑞典国王悬赏两千五百克朗,要求证明太阳系结构稳定,地球、月球或者其他行星并不会在未来冲向太阳或者飞向宇宙深处。彭加莱接受了这项挑战。他决定仅仅研究地球、月球与太阳之间的关系。然后他就发现这个所谓的三体问题无法得出准确的数学解答。并不是因为他没有足够复杂的公式或者没有计算机,而是因为三体问题从本质上就不可能得到准确解答。不要说三体问题了,就算一开头提到的弹球游戏同样不可解,因为我们无法足够准确地知道弹球系统的初始状态。无论我们对于三体系统的初始状态数值了解得多么详细,在小数点之后很远处的某一个数字的差异依然会导致最终答案的天差地别。再拿天气预报来打个比方。我们能预测明后天的天气,但是却无法预测明年的今天是否会下雨,因为天气预报的变量太多了。到了二十世纪六十年代,气象学家爱德华.洛伦佐据此提出了蝴蝶效应的理念:起始条件的细微变化可以导致未来结果的显著改变。蝴蝶效应与我们的讨论有什么关系呢?蝴蝶效应具有非常深刻的含义。按照蝴蝶效应的说法,我们可以生活在一个遵循决定论的宇宙里,宇宙中的一切都遵循决定论法则,根据非常精确的数学等式发展变化,但是我们永远无法利用这些法则与等式来预测未来,因为我们无法以无限精确的精度来确知事物的起始状态。这一主张又催生了混沌理论。在我看来,蝴蝶效应与混沌理论对于决定论的打击远比量子力学更凶狠。正是宇宙的不可预测性再一次为我们打开了未来。就算宇宙当真遵循决定论,我们依然无法在实践当中预测未来。这一点与自由意志有什么关系呢?在演讲的最后我想与大家分享几点想法。这些想法都是我本人的主意,它们听上去或许很怪,不过并没有多少争议,尽管并非所有哲学家都一定会同意我的观点。——首先,尽管量子层面存在不确定性,但是这种不确定性会在宏观层面上遭到抵消,因此我们的确生活在一个决定论宇宙当中。——但是在实践当中,我们不可能足够精确地得知某个时刻宇宙当中所有粒子的位置与运动情况,因此也就无法预测未来。这一点为我们带来了自由意志的幻觉。——我们是否生活在决定论宇宙当中并无所谓。就算未来已经确定,就算事物必然会按照物理定律发展下去而且我们已经了解了一切物理定律,我们也不可能在实践当中知晓未来,因为我们存在于时空结构内部,我们是宇宙的一部分,因此拉普拉斯妖悖论禁止我们精确地得知整个宇宙的未来。——正是这种不可预知性打开了我们的未来。这一点让我们能够做出选择,并且享有自由意志的幻觉,因为这些选择对于我们来说确实是真实的。——你可能更乐意主张未来已经注定,自由意志只是虚幻,但是关键在于,我们的行为依然会决定无穷多个未来当中的哪一个会成为现实。作为物理学家,我认为未来确实是无限的,其中有且只有一个未来会成为现实,但是我们不可能提前知道是哪一个。我们自以为根据自由意志做出的选择会让我们踏上通向某一个未来的道路,我这样做就会导致这个未来,我那样做就会导致那个未来。回过头来我们可以说,假如我足够了解我自己的大脑与行为,我就会提前知道我的行为是不可避免的。但是在我动手之前,宇宙对于我来说依然是开放的。这些观点是否令我成为了一名调和论者呢?所谓调和论就是认为决定论与自由意志可以共存的思想。我要说我不这么认为。但是我的确打算重新定义自由意志。自由意志存在吗?出于实际考虑,自由意志的确存在,哪怕自由意志仅仅是幻觉而已(笑声)。就算自由意志仅仅是幻觉,对于身处时空结构内部的我来说这个幻觉也已经足够可靠了。最后我还想谈一谈一个新兴科学领域,这个领域将会迫使我们重新思考量子不确定性究竟是否能影响宏观世界的问题。量子物理是有机化学的基础,因为有机化学研究的是分子之间的相互作用与连接方式,电子如何从一个原子跃迁到另一个原子。有机化学分子生物学的基础,而分子生物学研究的正是生命本身。这样说来,量子力学是否会影响生命呢?早在二十世纪四十年代就有人提出过这个问题。薛定谔本人就撰写过《生命是什么》这本书,书中暗示量子力学可能确实会影响生物体的行为表现。如今名为量子生物学的领域正在兴起,我就是这个领域的研究者之一。我们正在研究分子生物学当中有可能涉及量子力学的特定理念与现象,例如光合作用,嗅觉的机理,酶在活体细胞内部的催化作用,等等。有机活体是宇宙当中唯一一种会受到单个分子控制的宏观物体。对于其他事物来说,量子不确定性固然会被淹没在无数个原子的统计结果当中,但是对于有机活体来说,一个分子的行为变化就会导致显著不同的后果。比方说DNA变异就很可能要依赖量子通道效应的驱动。根据量子通道效应,一个失去电子的氢原子可以随机且自发地从双螺旋的一侧跳到另一侧,并且导致基因变异。半个世纪之前就有人提出过这一理念,但是直到今天物理学家与化学家们才掌握了实验验证的计算能力。假如事实的确如此,那么我今天所说的一切就都要推倒重来,量子随机性的确会导致一个非决定论宇宙。换句话说,我并不认为哲学家在宇宙本质的问题上拥有最终发言权,拥有最终发言权的人们将会是量子物理学家。谢谢。

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