机械决定论、自由意志及其他

机械决定论、自由意志及其他
月冷塘寒
2018-03-16
https://zhuanlan.zhihu.com/p/28637176

都说保安是世界上哲学修养最高的人,因为他们天天都在向形形色色的人提问这三个问题:“你是谁?你从哪里来?你要到哪儿去?”这三个问题要深究的话着实不好回答,因此也常被戏称为哲学的终极三问。

那有人该说了,这个问题很好回答嘛,比如我们的祁同伟祁厅长就曾表示,“我是祁同伟,我从娘胎里来,要到坟墓中去。”当然,生老病死乃人之常态,这么说也不能算错,不过我们更想知道,我们在从起点到终点的这条路上,每一步都在干些什么,以及下一步会遇见什么;换句话说,我们此刻在做什么事情,下一时刻我会做什么,周围会发生什么。而要回答清楚这样一个问题,就需要搞清楚两件事情:机械决定论是否存在,以及我们是否真的有自由意志。

我们先来说说前者。

在物理学中有几个著名的小妖精,下面即将提到的拉普拉斯妖就是其中一例。话说当年牛顿建立了系统的微积分理论和力学理论后,西方科学家群情振奋,感觉世界的奥秘即将揭晓,以至于有了如下段子。

上帝说,“这世界太黑了,要有光。”

于是牛顿出现了。

也难怪当时的物理学家们会这么想。毕竟当所有物体的运动都可以由确定的数学公式来描述时,人们自然会觉得整个运动过程的细节都将被确定,因此如果我们知道了宇宙中所有物质在某时刻的运动状态,例如它在该时刻的位置、速度等信息,那么我们就能够通过一系列的方程来描述它在过去和未来的所有状态,虽然这个方程组极为庞大,但是数学家们相信它终究可以严格求解。那么如果有一个小妖精计算能力和信息搜寻能力均极为强大,它就能尽知宇宙过去未来所有事情,这就是著名的拉普拉斯妖(法语:Démon de Laplace)。

当然我们现在都知道,拉普拉斯妖并不存在,这里可以作如下考虑。

拉普拉斯妖对小明说:“我知道未来的所有事情。”

小明诡异地笑了笑,“那你说说我下一步是迈左脚还是迈右脚?”

这个故事告诉我们,即使存在拉普拉斯妖,它也不能和我们有信息上的交流。

于是拉普拉斯妖缄口不言,每天只是默默地收集数据,然后默默计算。但很快它伤心了,因为它对宇宙中所有客体建立了模型,并代入那个极端复杂的方程计算,但是那个模型中,有一个和它自己一样的家伙也在建立模型计算,而那个模型中也有一个这样的家伙……这是一个无穷递归序列,它算不下去了。

拉普拉斯妖并不死心,它跑到了我们隔壁的一个平行宇宙中,“虽然我已经不在你们那边了,但我的精神与你们同在。”这是拉普拉斯妖的美好幻想。

但是这个幻想也被无情打破。这次出场的是一只蝴蝶。

某位名为洛伦兹的气象学家在解大气环流的三元偏微分方程组时发现,初始条件的微小变化会使得数值模拟的最终结果发生巨大的改变,即所谓的初值敏感性。他将其表述为一句传世名言,“亚马逊流域的一只蝴蝶扇动了一下翅膀,几周后可能会在北半球造成一场飓风。”这就是混沌理论中著名的蝴蝶效应。

举个不太恰当的例子:要是当初搭载阿波罗11号的“土星五号”火箭初速度低了那么万分之一,也许飞船、地球、月球的三体系统状态就会改变,飞船就进入不了绕月轨道,阿姆斯特朗就不会是登月第一人,美苏冷战中美国在航天领域进一步被苏联压制,肯尼迪面对国会的阵阵质疑毅然挑起第三次世界大战,全球被核平而回到石器时代,想想就很恐怖呢……

听上去这有点像那首著名的讽喻诗,丢了一颗铁钉结果导致一场战役失败,最终一个王朝灭亡。当然那首诗说的是小细节影响着成败,和我们这里还不太是一回事:这里变化的是体系中某客体的初速度,是一个可测量物理量,混沌效应就是说,对于一个客观物理体系而言,如果其中的某个可测量物理量的初始状态发生微小变化,体系的演化就可能完全不同。因此拉普拉斯妖就算躲在隔壁平行宇宙中,仍然无法完全确定体系的末状态。

这次拉普拉斯妖又后退一步。混沌效应的深不可测来自其数值计算过程,但如果我只要求获得足够精度,比如我只想求得后天正午天安门旗杆顶部的温度,而且只需要精确到小数点后面一位,那还是可以办到的吧?

这个我相信随着科技的发展应该可以办到,但不幸的是,小数点后面要是再多要求几位,或许就永远无法实现了。这又怎么理解呢?

实际上,数值计算过程中一般存在多次迭代,我们希望通过迭代来获得一个收敛的结果,而结果的精度和初始条件的精度、具体迭代的算法都有关系。对于某个不太好的体系,初始条件精度提高三位,结果的精度或许才能提高一位,而且迭代的次数还有可能指数增加。

当然,对于拉普拉斯妖而言,计算复杂度并不是问题,关键的问题就在于,计算之前我们获得的初始条件精度并不能无限制提高——海森堡不确定性原理(uncertainty principle,又译测不准原理)说的就是这一点。这样一来,平行宇宙中的拉普拉斯妖也只好作罢,承认自己并不全知全能这个事实。

写到这里,机械决定论便基本宣告了破产。下面我们要讨论的,是看起来更奇幻的一个问题,即我们究竟存不存在自由意志。毕竟“自由、平等、博爱”六字真言随着全球铺天盖地的西方民主化进程已经几乎人所共知;而且从古至今,无数文人墨客均在他们笔下倾吐了对自由的向往;更何况人类自诩为万物之灵,自然应有其凌驾于其他物种的特质,自由的意志理所当然地成为了绝佳候选。

翻阅西方哲学史可以发现,历史上众多著名哲学家就二元论与一元论展开了漫长的争执,其争论焦点之一是精神或物质这二者之一是否可独立于另一者而存在,我认为这在某种程度上也反映了人们对于自由意志是否存在的思考。若精神可独立于物质,那么这就意味着我们的意志并不完全依赖于客观世界,而是有着极高自由度的某种实在。而笛卡尔那句“我思故我在”的著名断言,更是将自由意志的存在提升到了等价于人之为人这样一个巨大的高度。这句断言的传播之广,甚至盖过了他作为解析几何创始人的名头。但纵观千年经院哲学的发展,对自由意志的讨论仍停留在而且只能停留在打打嘴炮上,因为落后的科学技术根本无法对精神或者说意识活动展开有效的分析,人们甚至搞不清楚思维活动的具体机制。这些问题在进入二十世纪后,随着量子力学的提出和神经科学的发展,才开始进入科学实证阶段。

首先我们需要介绍著名的自由意志定理(Free Will. Theorem),它最早由普林斯顿大学的两位数学教授提出,具体介绍可以参见论文Conway J, Kochen S. The free will theorem[J]. Foundations of Physics, 2006, 36(10): 1441-1473.,或者可以查阅著名理论物理学家李淼的科普作品《<三体>中的物理学》,它可以简单表述为:如果人有自由意志,那么基本粒子,如单个电子,也具有自由意志。稍微物理一点的说法是,如果我们人类具有自由意志,那么无论我们的理论多么完备,无论我们的实验设计多么精巧,测量多么准确,我们也无法准确预测粒子的行为。看起来这就是量子力学不确定性原理的体现,而且粒子“离经叛道”的行为乍看起来像是统计涨落,在大尺度上它会互相抵消,这有点像费曼提出的路径积分的思想。但作者相信我们大脑中存在某些机制可部分屏蔽这些涨落,从而得到一个不为零的结果,而这就是我们的自由意志。

这个定理提出后的确吸引了不少人的关注,目前Google Scholar显示其已被引近280次,而它背后的图景则更加令人迷惑:如果我们真的认为我们可以随心所欲,那么基本粒子也可以“从心所欲”地运动;如果我们的自由意志像作者所言,来自于基本粒子自由意志的某种部分和,那我们只能承认,对于尚未探测到任何内部结构的基本粒子来说,它们的自由意志似乎是它的本质属性。

这个结果听起来不算坏,至少它没有证伪自由意志的存在。但神经科学家的一系列实验却给自由意志的存在性罩上了一层迷雾。

在实验中科学家们发现,大脑活动中存在所谓的“准备电位”,它可以被脑电探测器发现,但我们不会意识到它的存在。举个假设实验作为代表性的例子,被试者被告知他需要在30秒倒计时结束的瞬间按下0或1的按钮,实验人员则在与被试隔绝的房间中观察被试者的脑电波活动,如果被试者具有自由意志,那么在倒计时结束前他可以在思维活动中不断欺骗实验者,也就是说实验者在他肌肉神经接到大脑的信号并按下按钮之前无从得知其行为结果,但事实上实验者可以提前零点几秒乃至几秒作出判断,其依据就是被试大脑中出现的所谓准备电位。换句话说,我以为巧妙地欺骗了你,而你却知晓一切,笑而不语。

当然这类实验并不能算完备,目前学术界对其严谨性还存在不小争议,但它至少可以说明,我们大脑的运作方式远比我们曾经认为的要复杂得多。而如果它最后被证明成立,那么我们将不得不接受这样一个事实:

我们并没有自由意志,你我只是时间长河中的水滴,所有的一切都是某种必然,我们都被时间长河裹挟着奔涌向前。

换句话说,拉普拉斯妖已被证明不存在,我们无法精确知道宇宙演进的过程,我们甚至不知道自身种种行为真正的出发点。我们只能确定,我们是历史的参与者与见证者。

这种结局听起来是不是很诡异?

当然,它只是一种可能,我们是否真正具有自由意志,还需要更多更深入的实验来证实。


Last update: 2018-03-21 03:38:41 UTC