第4章 谁定未来之事？

艾萨克·牛顿这位历史上影响最大的科学家，是一位笃信宗教的人。以他童年时期英国圣公会信仰的标准来说，他显然持有异端的观点：他不承认三位一体，并且写过许多关于预言和阐述圣经的著作，其中包含题为“论但以理第四巨兽第十一角之力，即时间与法则之变换”的章节。他不承认类似亚里士多德“不动的推动者”那种关于上帝存在的论证。他自己的著作似乎描绘了一个以一己之力完美运转的宇宙，但他在《总附注》[General Scholium，他的伟大著作《自然哲学的数学原理》（Principia Mathematica）后几个版本中附加的短文]中指出，必定有谁建立设置了这一切：

这个太阳、行星，还有彗星组成的极尽巧思的系统，不可能有别的起源，除非来自一位智慧而大能的实存，祂明智的指引和权柄。

在别的著作中，牛顿似乎暗示行星之间的相互扰动会逐渐使系统偏离正轨，这时上帝就会出手干预使其回复秩序。

皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）却持有不同的看法，他比牛顿晚一个世纪出生，是法国的物理学家和数学家。学者们对他真正的宗教观点争论不休，他的观点似乎在自然神论（上帝创造世界，但之后不再出手干预）以及彻底的无神论之间摇摆不定。拉普拉斯是这样的一个人：当时的皇帝拿破仑问他，为什么在他关于天体力学的书中没有出现上帝，据说他的回答是“我不需要那个假设”。不管他究竟持有什么信仰，拉普拉斯似乎坚定反对存在某个会直接干预世界运转的造物者这个观点。

拉普拉斯是最先真正理解经典力学（牛顿力学）的思想家之一，这种理解深入他的骨髓，甚至比牛顿本人更深刻。这样的人终有一天会出现。随着科学的发展，我们对当前最优秀的理论理解得越来越深入；今天，许多物理学家比爱因斯坦更理解相对论，或者比薛定谔和海森堡更理解量子力学。拉普拉斯解决了从太阳系的稳定性到概率的基础理论等问题，在这个过程中还不断发明了所需的新数学。他提议将牛顿的万有引力作为场理论看待，并提出了一个充满整个空间的“引力势能场”，由此解决了牛顿关于远隔千里的物体之间如何相互作用的疑难。

但也许拉普拉斯对于我们对力学理解的最大贡献并不是技术或者数学上的进展，而是哲学上的思考。他意识到，“什么决定了将来会发生的事”这个问题有一个简单的答案，那就是“当前宇宙的状态”。

有人担心这个答案会威胁人类主观能动性的存在，也就是我们选择下一步要做什么的能力。我们将会看到，这并不是个物理问题，而是关于描述的问题：什么才是我们谈论人类的最好方法？当我们讨论简单的牛顿力学系统，比如说太阳系中行星的运转时，决定论就是图景的一部分。当我们谈及像人这样复杂千万倍的事物时，没有任何方法能让我们获得足够的信息去作出滴水不漏的预测。我们最优秀的关于人类的理论拥有它自己的术语，全然没有提及位于底层的粒子和力，而它也为人类的选择提供了充足的空间。

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根据经典物理，世界在根本上并不符合目的论。无论是某种未来的目标还是宇宙为之运转的终极原因，都丝毫不会影响未来将要发生的事情。世界从本质上也不关乎历史；要知晓未来，原则上只需要对现在这一时刻的精确了解，而无需任何有关过去的额外知识。无论是过去还是未来的经历，都的确被现在完全确定。宇宙只关注当下这个时刻；在牢不可破的物理定律掌控之下，它从这个瞬间迈向下一个瞬间，既不留恋以往的光辉事迹，也不期待未来的美好前景。一个世纪之后的生物学家恩斯特·海克尔（Ernst Haeckel）将这个观点命名为无目的论（dysteleology），但这个术语太粗拙，从来没有流行起来。

用现代的语言来说，拉普拉斯指出的是宇宙很像某种计算机。你放进一个输入（宇宙当前的状态），它会进行计算（依据物理定律）并给出一个输出（下一时刻宇宙的状态）。此前戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）和罗格·博斯科维克（Roger Boscovich）也提出过类似的观点，甚至在两千年前古印度哲学中一个名为“阿耆毗伽”（Ajivika，又译邪命教）的异端学派中就有这类观点的萌芽。因为当时还没发明计算机，拉普拉斯想象出一个“无尽的智者”，它知道宇宙中所有粒子的位置和速度，也知晓影响它们的所有力，同时拥有充足的计算能力去应用牛顿的运动定律。在这种情况下，他说：“对于这样的智者，没有不确定的事物，未来就像过去一样展现在它眼前。”他同时代的人很快觉得“无尽的智者”这个名字太无趣，取而代之的是一个新名字：拉普拉斯妖（Laplace's Demon）。

“下一个瞬间”说起来容易，但对于牛顿和拉普拉斯，甚至从我们目前对理论物理学最深入的理解来说，时间的流动是连续而不是离散的。这并不是问题；这就是微积分的任务，也是牛顿和莱布尼兹发明微积分的目的。宇宙或者它子系统的“状态”，实际上指的是其中每个粒子的位置和速度。速度就是位置随着时间流逝的变化率（导数）；物理定律会告诉我们加速度是多少，也就是速度的变化率。组合起来的话，你给我宇宙在某个时刻的状态，我就能利用物理定律对时间（无论是向未来还是过去）积分，从而得到任意时刻宇宙的状态。

我们在这里用的是经典力学的语言——粒子和力——但这个想法本身更强大而普适。拉普拉斯引入了“场”的概念，将它作为物理学至关重要的概念，而确立这个概念的，是19世纪迈克尔·法拉第（Michael Faraday）和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦关于电磁学的工作。与在空间中占据特定位置的粒子不同，场在空间中每一点都有一个值——这就是场。但我们可以将场的值看成一个“位置”，而将它的变化率看成“速度”，这样拉普拉斯的整个思想实验不差分毫同样成立。无论是爱因斯坦的广义相对论，还是量子力学中的薛定谔方程，又或者像超弦理论这样的现代探索，这个论证同样成立。自拉普拉斯起，每次对理解宇宙最深层次行为的严肃尝试都有着同一个特点，就是过去和未来都被系统的当前状态完全确定。（可能的反例有量子力学中波函数的坍缩，我们会在第20章对此进行详尽的讨论。）

这个原则有着一个简单得会引起误解的名字：信息守恒。就像动量守恒表明宇宙能一直运转下去，而不需要幕后某个不动的推动者那样，信息守恒表明每个时刻都正好包含足以决定其他时刻情况的信息。

在这里，我们要小心使用“信息”这个术语，因为科学家在不同的上下文中用这个术语表达不同的意思。有时“信息”意指你实际拥有的关于某个情况的知识。有时它的意思又是某个体系中可以轻易获得的信息，无论你有没有去实际观察并获取，这些信息就包含在体系宏观层面上的表现之中。我们在这里用的是第三种可能的定义，也可以叫作“微观”信息，就是系统状态的完整描述，所有你可以知道的有关它的一切。当我们说信息守恒的时候，指的就是所有这些信息。

这两个守恒定律，动量守恒和信息守恒，给我们的基础本体论带来了巨变。之前亚里士多德式的视点感觉很自然，在某种意义上也很人性化。当事物移动时，必定有推动者；当事物发生时，必定存在原因。拉普拉斯的观点——也就是直到今天科学一直持有的观点——却建立在模式上，而不是本质或者目的。如果某件事发生了，我们知道某件别的事必然会接着发生，这个相继的序列由物理定律所描述。为什么会是这样呢？因为这就是我们观察到的模式。

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拉普拉斯妖是一个思想实验，而不是我们可以在实验室里重复的实验。在现实中，不会也不可能存在某个拥有足够知识的智慧能从宇宙现在的状态去推断它的未来。如果你坐下来想想能做到这一点的计算机会是什么样子的话，你最终会察觉它必须与宇宙本身有着差不多的体量和能力。你基本上需要用上整个宇宙才能以足够的精确度模拟整个宇宙。所以我们在这里不关注具体的工程问题，因为在现实中不可能做到。

我们关注的是原则性的问题，也就是宇宙当前的状态决定了未来这个事实，即使我们不能借助这个事实去作出预测。这个性质，也就是确定性，会令一些人感觉不舒服。这值得我们仔细考虑它的局限性与深意。

经典力学，也就是牛顿和拉普拉斯研究的方程组，并不拥有完美的确定性。在一些例子中，从系统当前的状态预测出的未来结果并非唯一。对绝大多数人来说这不是个问题，因为这样的情况万中无一——实际上在系统的所有可能的行为中遇到这种情况的概率无限小。它们是刻意制造的产物，能带来有趣的思考，但对于我们周遭的尘世中发生的事情来说无足轻重。

另一个更流行的反驳确定性的论点就是混沌现象。这个晦涩的名字掩盖了它简单的本质：在许多系统中，有关系统初始状态的知识如果失之毫厘，会导致最终结局谬以千里。然而对于确定性而言，混沌的存在确实无关紧要。拉普拉斯的论点一直是完美的信息能得出完美的预测。混沌理论讲述的则是稍稍不完美的信息会导致与完美相差甚远的预测。此言非虚，但对整个图景没有丝毫影响。一个头脑清醒的人不会觉得可以利用拉普拉斯的论证来建造能预测未来的实用机器；这个思想实验从头到尾都是原则性的，与实际毫不相关。

经典力学的真正问题在于，世界实际上并不是这样运转的。现在我们知道得更多：20世纪早期出现的量子力学就带有完全不同的本体论。在量子力学中没有“位置”和“速度”，只有“量子态”，或者说“波函数”，它们被用来计算对某个系统的观察得出的结果。

量子力学已经取代经典力学成为我们所知的在深层次上描述宇宙最好的方法。不幸的是，我们仍没有完全理解这个理论到底是什么，这也令全世界的物理学家烦恼不已。我们知道孤立体系的量子态会以完全确定性的方式演化，不像经典物理学那样会找到稀有但烦人的出现非确定性的例子。但当我们观察一个体系时，它的行为似乎是随机而非确定。波函数会“坍缩”，而我们能以非常高的精度得到出现不同结果的概率，但绝不可能知道最后的结果到底是什么。

要透彻地理解量子力学中的测量问题，我们有几种互相竞争的想法，其中有一些牵涉到真正的随机性，而另一些（比如说我的最爱，多世界阐释）则保持着完美的确定性。我们会在第21章讨论这些选择。然而，所有这些量子力学的流行版本，即使抛弃了完美的可预测性，都保持了拉普拉斯的分析中的哲学内核：要预测下一步会发生什么，只需要宇宙的当前状态，不需要未来的目标，也不需要有关体系以往经历的记忆。就我们当前最先进的物理学而言，时间流逝中的每个瞬间都可以从前一个瞬间得出，而这依据的是明确客观的量化规则。

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在拉普拉斯关于确定性的观念以及绝大部分人在听到“未来是确定的”时的想法之间有着不小的差异。“未来是确定的”唤起的是有关宿命或者天意的印象——也就是那些将来会发生的事情“已经被注定”的想法，暗示着未来已经被某个人或者某种东西决定了。

但物理上的确定性这个概念与宿命或者天意有着微妙且至关重要的区别：因为拉普拉斯妖实际上不存在，即使未来被现在所确定，但没有任何人知道未来会是什么样子。当我们想到宿命时，我们联想到的是像希腊神话中的命运三女神，又或者是莎士比亚的《麦克白》（Macbeth）中的三位女巫，这些年迈的先知用谜语来指示我们未来的道路，即使不断挣扎，最终也无法逃避。真实的宇宙根本不是这样，而更像是一个熊孩子，喜欢到处黏着别人说：“我知道以后在你身上会发生什么！”但当你问他到底会发生什么时，他却说：“我不能告诉你。”而当事情发生之后，他会说：“你看看你！我就知道会发生这种事情！”这就是我们的宇宙。

物理演化的这种只关注瞬间的特性，或者说拉普拉斯式的本性，与我们在日常生活中要面对的种种选择并没有多大的关系。对于诗性自然主义而言，这再明显不过了。宇宙的其中一种描述方式会将它描述为一堆基本粒子或者量子态的集合，在其中拉普拉斯的理念统治一切，下一步发生什么只取决于体系现在的状态。但宇宙还有别的描述方式，我们可以把镜头拉远一点，引入类似“人”和“选择”这样的类别。与行星或者单摆不同，我们关于人类行为最优秀的理论不是确定性的。我们没有什么方法可以通过对某个人当前状态的观察来预测他将会做什么。我们是否认为人类行为是确定性的，这依赖于我们知道什么。