拉普拉斯妖:未來早已註定,每個人都是機械宇宙的傀儡

1687年牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，這是第一次科學革命的集大成之作,被認為是古往今來最偉大的科學著作，這本書標誌著牛頓經典力學體系的建立，預示著科學時代的到來。而這本書也闡釋了牛頓的宇宙觀，牛頓認為世界就好像一個鐘錶，當鐘錶師傅完成裝配之後，將鐘錶上發條，接著鐘錶會自行運作，師傅不會再過問。

牛頓的宇宙觀，也被稱為機械宇宙觀。在這個世界裡，上帝在完成創造萬物以後，退居幕後，不過問世事，而人類可以憑藉其理性發掘世界的自然規律。所以牛頓一直也就認為宇宙存在第一推動力，他是這樣說的: 「一切物體開始運動必有第一推動力,那就是造物主」。也就是上帝（第一推動力）給整個宇宙上好發條之後，整個宇宙就開始自行運轉。第一推動力幫助牛頓解決了「太陽系如何形成」、「地球何以會繞太陽運轉」這些問題。

機械宇宙觀揭示了人類相信隨著科學理性的進展，人類將脫離以往矇昧無知的情況，而進入一個一切可由人類掌控、社會不斷進步的新時代。

愛因斯坦也是這種機械宇宙觀的擁護者，在愛因斯坦看來，所謂的隨機現象或概率事件中的偶然性，純粹是人類的認識上的特徵。世界萬物都有其發展規律，愛因斯坦的相對論雖然推翻了牛頓的絕對時空觀，卻仍保留了嚴格的因果性和決定論。

牛頓去世後，經典力學在描述世界上產生了巨大的成功，人們逐漸的相信世界是可以用物理定律機械地描述的。比較極端地就是拉普拉斯，他在牛頓機械宇宙觀之上，提出了拉普拉斯信條。

拉普拉斯是天體力學的主要奠基人、天體演化學的創立者之一，他還是分析概率論的創始人，因此可以說他是應用數學的先驅。

拉普拉斯比牛頓更為極端，牛頓還認為宇宙存在第一推動力，而拉普拉斯則認為世間萬物（包括人類、社會）都逃不過確定的物理定律的掌控，所以也就不存在什麼上帝，世間萬物都是按照其既有規律來運動發展，所以他認為宇宙不存在什麼上帝。

所以拉普拉斯就要著重解決宇宙形成問題,所以他寫下了《宇宙體系論》和《天體力學》兩書，「天體力學」這個詞就是誕生於此。拉普拉斯認為太陽系是從一團原始星雲中形成的。原始星雲由於運動和質點的相互吸引而形成原始火球，原始火球進一步收縮，並且由於吸引和排斥的綜合作用,逐漸分化形成太陽系各行星，最後構成了 現在的太陽系。

他對太陽系的特點進行推算，深刻地解釋了太陽系各行星的運動和軌道，他還把牛頓的萬有引力定律應用到整個太陽系。他的學說充滿了數學和力學理論,很具有說服力，逐漸為科學界所承認。星雲學說帶來了宇宙觀的變革，它指出宇宙是在自然界自身運動中發展產生的，將上帝驅逐出宇宙。

所以當拿破崙問拉普拉斯為什麼他的學說中沒有上帝時，拉普拉斯就自豪地說：「我不需要那個假設」。

正是因為拉普拉斯利用數學解釋天體星辰都取得了成功，拉普拉斯更加深信機械宇宙觀，所以後來提出了拉普拉斯信條，也被稱為決定論。

拉普拉斯信條是指假定如果有一個智能生物能確定從最大天體到最輕原子的運動的現時狀態，就能按照力學定律推算出整個宇宙的過去狀態和未來狀態。

拉普拉斯信條的誕生放出了物理學界的四大神獸之一——拉普拉斯妖。

拉普拉斯指出：我們可以把宇宙現在的狀態視為其過去果以及未來的因。如果一個智能知道某一刻所有自然運動的力和所有自然構成的物件的位置，假如他也能夠對這些數據進行分析，那宇宙裡最大的物體到最小的粒子的運動都會包含在一條簡單公式中。對於這智者來說沒有事物會是含糊的，而未來只會像過去般出現在他面前。

簡單來說就是存在一個智者，能夠清楚的知道宇宙中某一刻當中所有的物質，包括宇宙中每個原子確切的位置和動量。他能知道所有物質的運動狀態和位置，還有所受到的力。還能夠使用牛頓定律來展現宇宙事件的整個過程，過去以及未來。而且這個智者，還擁有足夠強大的運算能力，能夠分析並對數據進行處理！

這個智者就是拉普拉斯妖，拉普拉斯妖是基於經典力學可逆過程而誕生的。可逆性是指時間反演，即過程按相反的順序進行。在經典力學的運動方程中，把時間參量 t換成-t，就意味著過程按相反的順序歷經原來的一切狀態，最後回到初始狀態。

正是因為基於力學過程的可逆性，所以拉普拉斯妖才可以做到沒有什麼事情可以難倒他，他也沒有什麼事情是模糊的，一切都是可知的，未來只會像過去一樣出現在他眼前！

科學家一開始深受決定論（拉普拉斯信條）的影響，對拉普拉斯妖的存在深信不疑，拉普拉斯妖」的科學假想，曾經一度統治了整個西方科學。

可是到了 19 世紀中旬，隨著熱力學的發展，科學家發現從熱力學角度而言，自然界中所有複雜的熱力學過程都具有宏觀上的不可逆性。宏觀上不可逆性現象產生的原因在於，當一個熱力學系統複雜到足夠的程度，組成其系統的分子之間的相互作用使系統在不同的熱力學態之間演化；而由於大量分子運動的高度隨機性，分子和原子的組成結構和排列的變化方式是非常難於預測的。熱力學狀態的演化過程需要分子之間彼此做功，在做功的過程中也伴隨有能量轉換以及由分子間摩擦和碰撞引起的一定熱量的流失和耗散，這些能量損失是不可復原的。

克勞修斯在 1854 年的隨筆《關於熱的力學理論的第二基礎定理的一個修正形式》提出了新的物理量來解釋這種現象，,1865 年正式命名為熵,以符號S表示。

克勞修斯從熱機的效率出發，認識到正轉變（功轉變成熱量）可以自發進行，而負轉變（熱量轉變成功）作為正轉變的逆過程卻不能自發進行。負轉變的發生需要同時有一個正轉變伴隨發生，並且正轉變的能量要大於負轉變，這實際是意味著自然界中的正轉變是無法復原的。

由此克勞修斯提出了熱力學第二定律的又一個表述方式，也被稱為熵增原理，那就是：不可逆熱力過程中熵的微增量總是大於零。在自然過程中，一個孤立系統的總混亂度（即「熵」）不會減小。

簡而言之就是孤立系統的熵永不自動減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加，可以說非常鮮明地指出了不可逆過程的進行方向。

力學過程的可逆性是由普遍的力學原理做保證的。可是熱力學第二定律也是普遍成立的，因此，這個矛盾是無法用力學的根本觀念予以說明的。拉普拉斯妖的存在因此被動搖！

而到了20世紀初，海森堡提出了不確定性原理，拉普拉斯妖被測地消滅，在說海森堡的測不準原理之前，我們先來科普一下普朗克常數，普朗克常數是在量子物理學中非常重要的一個自然常數，也是一個物理常數，可以說在描述量子（一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，並把最小單位稱為量子，是能量的最小單位）大小方面具有非常重要的地位，是德國的著名物理學家和量子學的創始人馬克斯.普朗克 1900 發現的。

普朗克發現電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地進行的，由此普朗克得出來世界上不連續的結論

普朗克常數記為 h，是一個物理常數，普朗克常數用以描述量子化、微觀下的粒子，例如電子及光子，在一確定的物理性質下具有一連續範圍內的可能數值。在第 26 屆國際計量大會(CGPM)表決通過，普朗克常數的精確數約為：h=6.62607015×10-34 J·s

這個理論是說，你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，粒子位置的不確定性，必然大於或等於普朗克常數除於 4π ，這表明微觀世界的粒子行為與宏觀物質很不一樣。

大家看得懂這張圖嗎

海森堡指出，要想測量粒子的位置和速度，最好是用光照到一個粒子上的方式來測量，一部分光波被此粒子散射開來，由此指明其位置。但不可能將粒子的位置確定到比光的兩個波峰之間的距離更小的程度，所以為了精確測定粒子的位置，必須用短波長的光。

但普朗克指出，不能用任意小量的光，至少要用一個光子，而這個光子會擾動粒子，並以一種不能預見的方式改變粒子的速度。

所以，簡單來說，就是如果要想測定一個粒子的精確位置的話，那麼就需要用波長儘量短的波，這樣的話，對這個粒子的擾動也會越大，對它的速度測量也會越不精確；如果想要精確測量一個粒子的速度，那就要用波長較長的波，那就不能精確測定它的位置。

所以總結來說，你選擇以確定電子位置的實驗本身，就導致了你無法對電子的動量進行精密的測量！玻爾為首哥本哈根派認為，這一測不準原理是自然界固有的不確定性導致的！

量子力學告訴我們，物理量都是有不確定性的，不可能無誤差地精確測量。而後來的混沌理論更是把拉普拉斯妖擊殺的粉碎，說起混沌原理，大家應該都知道蝴蝶效應。

混沌現象是指發生在確定性系統中的貌似隨機的不規則運動，一個確定性理論描述的系統，其行為卻表現為不確定性、不可重複、不可預測，這就是混沌現象。

就好像蝴蝶效應一樣，一隻蝴蝶扇動翅膀，就將引起颶風。一個微小的誤差，都會與實際情況南轅北轍！

天體軌道模型

所以拉普拉斯妖的存在被徹底否定，拉普拉斯妖之所以會存在，是因為當時大家把經典力學奉為聖經，而拉普拉斯將經典力學運用到天體之上，都沒有任何偏差錯漏，所以拉普拉斯就堅定認為宇宙當中所有的變化就將包含在一條簡單的公式當中。

也正是因為拉普拉斯成功將經典力學推廣到了天體之上，所以才會深信他的決定論。

拉普拉斯妖的妖被擊殺也說明了整個宇宙充滿著太多的未知與不可測。倘若拉普拉斯妖是存在的，那這個世界也太可怕了：你我的行為全部都可以通過計算得出，我們的命運也全都被物理定律+初始條件嚴格的定出了，沒有什麼會是計算之外的，那人生還有什麼樂趣可言呢？

科學正是在一一點一滴的試錯中不斷發展和積累，真理從來不會是一蹴而就的。