天涯君:到底宇宙是個什麼樣的東西?我們小時候會問,宇宙是有邊還是無邊的,長大了很多人就不會問了。但還是有很多人會去想這些問題。我以前看一些書,發現人擇原理很有趣。可惜中文資料中,關於人擇原理的論述極少,而且很多也是機器從外文資料翻譯過來的的,讀起來很拗口,我因此做了一些梳理和語序的調整。同時我也查閱了一些英文資料,把它整合編譯在這裡。斜體就是我自己寫的,其餘來自相關資料。部分可能是第一次被翻譯成中文。由於比較繁雜,這裡就不一一註明引用來源。在此,向他們表示謝意。
人擇原理看上去荒謬,但的確也有一些鼎鼎大名的物理學家包括諾貝爾獎獲得者也在很嚴肅的討論這個東西。「黑洞之父」惠勒就是一個支持者。
當代人對宇宙有這樣一些猜想:
荒謬(孤獨)的宇宙:我們的宇宙碰巧就是這樣。
(天涯君:存在即合理,沒有原因。萬物之間的很多關係其實也是關聯關係,不是因果關係。我們為什麼一定要追尋個因果呢?因果論明顯受線性思維和決定論思維的影響。)
獨特的宇宙:在物理學中有一個深層的內在統一,這使得宇宙成為了它的樣子。一些關於萬物的理論將解釋為什麼宇宙的各種特徵必須有我們所看到的精確的值。
多元宇宙:多重宇宙存在,有所有可能的特徵組合,我們不可避免地發現自己在一個允許我們存在的宇宙中。
智能設計:造物主設計宇宙的目的,是為了支持複雜性和智能的出現。
生命原則:有一個潛在的原則約束著宇宙向生命和思想進化。
自我解釋的宇宙:一個封閉的解釋或因果循環:「也許只有具有意識能力的宇宙才能存在」。這是惠勒的參與性人擇原理(PAP)。
模擬宇宙:我們生活在虛擬實境模擬世界裡。
(天涯君:「缸中之腦」的翻版。不過《宇宙的琴弦》、《隱藏的現實》的作者,者,著名物理學家格林說宇宙本來就是以最節省能量和信息量的方式存在的,能夠以比現有宇宙還節約信息能量的方式來模擬它嗎?如果不能,模擬它有何意義?)
宇宙自然選擇模型:也被稱為「多產的宇宙」,它提出宇宙有「後代」,如果它們與我們的宇宙相似,它們就會更豐富。就如同生命的演化一樣。李•斯莫林(Lee Smolin)提出的,該理論假設宇宙通過創造黑洞而有「子子孫孫」,其子子孫孫的宇宙具有物理常數的值,這取決於母體宇宙的值。
(天涯君:上面這幾個關於宇宙的材料,在人擇原理的中文資料裡很少見,由本人從英文資料翻譯過來。)
人擇宇宙學原理(簡稱人擇原理)由鮑羅和泰伯拉提出。這條原理很複雜,但簡而言之:正是人類的存在,才能解釋我們這個宇宙的種種特性,包括各個基本自然常數。因為宇宙若不是這個樣子,就不會有我們這樣的智慧生命來談論它。宇宙為了使我們能存在來思考它,它就必須要使自己變得能讓我們生存。(天涯君:人擇原理並不是民哲,民科提出來的,是嚴肅的物理學家提出來的。)
事實上,進化生物學家阿爾弗雷德羅素華萊士早在1904年就預言了類似的原理:「像我們所知道的那樣一個巨大而複雜的宇宙,可能是必需的。為了創造這樣的一個世界,其應該精確地適應每一個細節,以實現人類的有序發展」。 1957年,羅伯特迪克寫道:「現在宇宙的時代不是隨機的,而是由生物因素決定的。」物理基本常數的值的變化將使人無法考慮這個問題(天涯君:為什麼基本常數的值的變化使人無法考慮這個問題?因為基本常數值的變化,導致宇宙可能形成不了人類。也就沒人來考慮這個問題)。
「眾所周知,我們在這個宇宙中的存在依賴於無數的宇宙常數和參數,它們的數值必須落在非常窄的數值範圍內。如果連一個,哪怕是輕微的參數有改變,人類(問題是,智能生命必須是碳基生命嗎?)也就不存在了。如此多的參數是偶然地排列在一起嗎?這種可能性很小。這使得一些科學家和哲學家們提出了一個建議:是上帝為我們的特殊需要提供了一個特殊的工程。
這就是人擇原理:宇宙似乎是為我們的存在而進行調整的。例如,考慮質子。質子是帶正電的亞原子粒子(和中子一起)形成了原子核的原子核(圍繞著負電荷的電子軌道)。無論是出於天意還是偶然的運氣(取決於你的觀點),質子的大小剛好是電子的1836倍。如果它們稍微大一點或者小一點,我們就不存在了(因為原子不能形成我們需要的分子)。那麼質子是如何比電子大1836倍呢?為什麼不是100倍或者10萬倍呢?為什麼不更小呢?在所有可能的變量中,質子是如何最終形成合適的大小的?是運氣還是創造?或者質子攜帶的正電荷和帶負電荷的電子是一樣的?如果質子沒有平衡電子,反之亦然,我們就不存在了。它們的大小沒有可比性,但它們是完全平衡的。難道大自然只是偶然發現了這樣一種幸運的關係,還是上帝因為我們的緣故而決定了它?這裡有一些例子,說明人擇原理是如何直接影響我們星球的宜居性的
水的獨特性質:每一個已知的生命形式都依賴於水。值得慶幸的是,與人類已知的其他物質不同,水的固體形態(冰)密度比液體的密度要小。這就導致了冰的漂浮。如果冰沒有漂浮,我們的星球將會經歷失控的冰凍。水的其他重要特性包括其表面張力、內聚性、黏性和其他熱學性質。
地球的大氣層: 如果有太多的氣體構成了我們的大氣層,那麼我們的星球將會遭受失控的溫室效應。另一方面,如果沒有足夠的氣體,這個星球上的生命將會被宇宙射線摧毀。地球的反射率或反照率(反射的光的總量與所吸收的總光量相比)。如果地球的反射率比現在大得多,我們就會經歷失控的嚴寒。如果它比它小得多,我們就會經歷一場失控的溫室效應。
地球磁場:如果它更弱,我們的星球將會被宇宙射線摧毀。如果它更強大,我們將會被嚴重的電磁風暴摧毀。
地球在太陽系中的位置:如果我們離太陽遠一點,我們星球的水就會結冰。如果我們離得更近,它就會沸騰。這只是眾多例子中的一個,說明我們在太陽系中的特殊地位如何允許地球上存在生命。
我們的太陽系在銀河系中的位置:再一次,有很多這樣的例子。例如,如果我們的太陽系離銀河系中心太近,或者在它螺旋臂的邊緣,或者太靠近任何一群恆星,我們的星球將會被宇宙射線摧毀。我們的太陽如果更紅,或者更藍,光合作用將會受到阻礙。光合作用是一種自然的生化過程,對地球上的生命至關重要。上面的例子絕不是詳盡的。它只是眾多因素中的一個小樣本。這些因素必須是合適的,才能讓生命存在於地球上。我們很幸運地生活在一個享有特權的太陽系中的特權星球上,在一個享有特權的宇宙中享有特權的星繫上。
現在的問題是,有這麼多的宇宙常數和宇宙參數定義了我們的宇宙,這麼多可能的變量,它們是如何在我們生存所需的極窄的範圍內發生的呢?流行的觀點是,我們要麼是純粹的偶然性,要麼是通過有目的的智能設計。
持「偶然性觀點'」的人尋求通過一種假設,來試圖淡化其中運氣的因素。這種假設說:我們的宇宙只是眾多被稱為多元宇宙的宇宙中的一個,這給了大自然更多的機會去做正確的事情,This gives nature many more chances to 「get it right,」 bringing the odds against its success down significantly。這給了大自然更多的機會去做正確的事情,從而大大降低了它的成功機率。
在無數無生命的宇宙中,一個或多個必要的變量不能落在生命所需的特定值範圍之內。我們的想法是,大自然最終會把它做對,而且顯然是這樣做的,因為我們的存在就是證據(或者爭論中所說的)。我們是幸運的,我們的宇宙偶然發現了宇宙價值的正確組合。人擇原理通常被認為是作為數學假設的多元宇宙的經驗基礎。
想像一下無數的無生命的宇宙,其中一個或多個必要的變量不能落在生命所需的特定價值範圍之內。智慧設計論者將人擇原理作為進一步的證據來支持他們的論點,即生命是由一個卓越的策劃者策劃的。生物系統不僅具有設計的特徵(DNA的信息內容、指定的複雜性、不可約的複雜性等),而且支持和提供生命環境的宇宙似乎被設計成達到這一目的的手段。」
(天涯君:打引號的這段材料來自國外某個類似於知乎的網站,由天涯君進行翻譯。可以看得出來這段材料有個預設,就是把生命預設為碳基生命。實際上生命不一定是碳基,但我們現在看到的地球上的生命都是碳基。)
弱人擇猜想
人之所以存在並且能觀測宇宙,是因為宇宙並不具有完全平均的性質,按照 Carter 的說法(弱人擇原理),「我們必須準備好接受這樣一個事實,那就是我們在宇宙中所處的位置必然是經過選擇的,正是因為這一位置的特殊性才讓我們能夠成為宇宙的觀察者」。在 Carter 的論文中,他將「位置」解釋為我們在時間和空間雙重意義下的位置。認為人們生存在眾多個宇宙演化模型中一個,假如我們不是身處當前這模型,即宇宙會以不同方式演化,我們也不會在這裡。
(天涯君:也許宇宙的存在也如同生命一樣物競天擇,也在演化中,有部分就演化出了智能生命。)
物理學常數,它們偏愛那些應該存在使碳基生命得以進化的地域,而且以及宇宙應該足夠年老,以便能夠實現這一點。
(天涯君:宇宙的年齡要長到足夠智能生命的出現。)
為什麼?憑什麼?
各種物理學常數?首先都是智能生命在研究測量。比如說,某個宇宙沒有演化出智能生命,那所謂光速還有其他物理學定律,物理學常數都是沒有意義的。Why? 智能生命都沒出現,哪來的物理學?有誰去測量這些常數?
你又會問:「智能生命不存在,並不代表這些自然常數不存在啊?」拜託,自然常數正是你們這些吃抱著撐著的智能生命才發明的概念 ,好不好。
我們所有的自然常數,之所以是這個數值,有可能為了更大概率保證類似於人類這種智能生命的誕生。而只有智能生命的誕生,才會去定義、測量這些自然常數。
你也可以說,這樣子太武斷了吧。宇宙想怎麼演化就怎麼演化,憑什麼要為人類這種卑微的生命而存在。是的,宇宙有可能是演化成另外一個樣子。但是,演化成另外一個樣子,我們就不會在這討論「人擇原理對不對」?宇宙已經演化出了人類適宜的環境。)
Carter 的理論在提出後不斷受到質疑,但在學術界和其他領域也有大量的支持者。例如有人認為碳基生命的出現並不是偶然的,而是物理常數作用的必然結果。而這些宇宙常數又恰好是被精心「設計」的,使得碳基生命以及人類這樣的智慧生物能夠最終出現並且試圖探索宇宙的奧妙。持這種觀點的人認為如果一些常見的物理常數與現在的值有微小的差別的話,人類乃至碳基生命都不可能存在。
我們觀測到的宇宙中的很多宇宙常數是至關重要的,他的任何一點變化都會使得宇宙的面貌發生完全的改變,從而不會有現在這個形式的宇宙,更加不會有智慧生命思考「宇宙為什麼是這個樣子」的問題。
但是從另一個角度講,我們很容易理解如果這個宇宙可以在一百幾十億年前形成,那麼就很可能有更多的宇宙在「不同時候」形成,帶有不同的宇宙常數,產生不同的結果。因而,人擇原理也可以理解為在非常非常多的宇宙中,有一個的宇宙常數恰好在能產生智慧生命的那個小範圍內,它誕生後過了一百幾十億年,終於有個「弱智生物群體」中的智者提出了一個偉大的問題:「這個宇宙為什麼會是這個樣子」 。
在卡特最初的定義中,弱人擇原理僅僅涉及到確定的「宇宙學」參數,即我們在宇宙中空間和時間上的位置,而沒有牽涉到後來屬於強人擇原理的基本物理常數的值。他同樣也只是提到「觀測者」而不是「碳基生命」。不過這些模稜兩可的話,卻是導致無休止的對於各種版本人擇原理誤解的原因。智慧設計論的支持者聲稱得到了強人擇原理的理論支持。
一方面,多宇宙理論或稱為多選擇宇宙理論的存在,是基於另一些理由,而弱人擇原理提供了一個貌似正確的理由,來解釋我們宇宙的良好秩序。如果存在可以支持智慧生命存在的宇宙,實際上這種宇宙也必定存在,而我們的宇宙無疑也是其中之一。不過有些進化論的支持者也聲稱得到了人擇原理的理論支持,例如Ikeda及Jefferys就認為人擇原理是表面上支持智慧設計論,實際上卻否定了智慧設計論。
強人擇猜想
宇宙必須具備某些性質,這些性質允許生命在宇宙的某個歷史階段得以存在.
(天涯君: 憑什麼?這是典型的決定論的想法。如果贊同強人擇原理的話,可能要贊同有一個上帝。當然,排除上帝的存在,也可能宇宙在物競天擇的演化,不能產生出觀測者的宇宙就消失了。宇宙不能產生出觀測者來觀測它,她的存在有何意義?當然,怎樣定義觀測者,這是一個問題、
它暗示著宇宙的目的是產生智慧生命,設定自然法則和基本物理常數,是為了確保我們所知道的生命會出現和進化。)
終極人擇猜想
提普勒提出了Omega點宇宙論作為假設,同時仍然聲稱他的這些分析是建立在已知的物理定律上的。
Omega點是一個術語,它用來描述遙遠的未來宇宙的狀態,他認為這是已知的物理定律所要求的。根據這一宇宙論,即智能生命接管了宇宙中的所有物質,並最終迫使它崩潰。在那次坍塌中,宇宙的計算能力發散到無窮大,而隨著宇宙達到一個孤立點的宇宙奇點,計算能力被模擬的環境持續了無限的時間。這個奇點是提普勒的Omega點。隨著計算資源的逐漸分化,蒂普勒指出,未來的社會將能夠通過模仿宇宙大爆炸時所產生的其他宇宙來復活死者(天涯君:能量量需要太大了吧,估計只能是一個空想。感覺很偽科學。)。他看來,歐米加點具有上帝的所有屬性,大多數傳統宗教都宣稱擁有上帝的屬性。(天涯君:這個Omega點的理論的材料暫時在中文的資料中沒見過,由本人從英文資料中翻譯過來的。若非必須,勿增實體,為什麼一定要假定上帝的存在?)
他和合著者約翰.巴羅在1986年出版的著作《人擇宇宙原理》中,定義了「最終的人擇原理」(FAP),作為對人擇原理的概括:智能信息處理必須在宇宙中存在,一旦它存在,就永遠不會消亡。宇宙及其賴以存在的基本常數必然保證在某一階段會出現能夠觀察它的物種。
包含智慧的信息處理過程一定會在宇宙中出現,而且,它一旦出現就不會滅亡;
為了讓宇宙在邏輯上存在,它必須包含觀察者;否則,說宇宙是否存在或不存在,在邏輯上是沒有意義的。顯然我們的宇宙存在。如果我們宇宙中的最後一個觀察者死了,沒有更多的觀察者,那麼宇宙將不復存在(天涯君:「我思故我在的另外一個版本」?)。它與物理定律不一致,因為宇宙要停止存在;因此,必須有一個「歐米加點」,它能永遠維持生命。
(天涯君:提普勒是美國數學物理學家和宇宙學家,在杜蘭大學的數學和物理系中擔任聯合職務,正兒八經麻省理工畢業的。不過George Ellis認為他的理論很大程度上是偽科學。約翰.巴羅是劍橋大學的物理學教授。)
完全荒謬人擇猜想
生命將會掌握所有的物質和力量,不止在一個宇宙,而是在所有邏輯上可能存在的宇宙;生命將會傳播到邏輯上可能存在的所有宇宙的每一個角落,而且將會儲有所有邏輯上可能被理解的、無限的知識;
(天涯君:這是某個業餘物理學家為了嘲笑人擇原理,捏造出來的。)
其他:
普林斯頓大學的康韋和寇辰教授在2006年提出了自由意志定理,被學界看作是結合了寇辰和史拜克早前的工作與貝爾不等式思路的產物。康韋和寇辰於2009年發表了一個改進和加強了的版本,即:如果人類擁有自由意志,則基本粒子也有。康韋等對自由意志的定義,主要指兩層含義:(1)能在不同的可能性之中做出選擇;(2)這個選擇不能由過去發生過的一切歷史所決定。即,即使掌握了整個宇宙過去所有的一切信息,也無法對該選擇作出準確預測。
其實看人擇原理的提出就會發現,人擇原理有可能就是基於進化論的觀點。進化論是現代生物學的基礎,包括霍金、溫伯格等世界最頂級的科學家都宣布支持進化論。根據上面的分析,宇宙不僅必然會出現能夠感應光量子的智慧生命(人擇原理),甚至智慧生命的自由意志本源在於量子的自由意志,是它們決定了智慧生命對外部環境具有熵減作用。
當然這些量子不是游離於生命之外的,而是生命體內的,這一點很重要,非常重要。這一點決定了宗教理論最好遠離人擇原理。
(天涯君:見附錄二)
部分反對意見:
1、生命的化學本質是碳的化合物嗎?目前的人擇原理特別是弱人擇原理假設生命就是碳基生物,但實際上允許碳基生物進化的物理常數的界限也比預想的要少了很多限制?
人類進化是為了適應當前的宇宙、宇宙常數和所有的一切,而不是宇宙適應人類,那就是說是因為我們適應了宇宙,宇宙卻不是專門為了適應我們的。強人擇原理的批評者認為它既不是可試驗的也不是可證偽的。巴羅和蒂普勒(1986)認為雖然最終人擇原理是一個站得住腳的物理學觀點,它也還是「和道德價值非常接近」。霍金認為我們所處的宇宙並不如人擇原理的擁護者所說得這般「特別」。他認為有98%的可能,一個宇宙大爆炸會產生同我們一樣的宇宙。然而,諸如霍金所使用的這些方程式是否能得出這樣的結論?而且什麼樣的宇宙可被稱為是「和我們一樣」,這些問題在科學上都是重要的。
霍金的波函數陳述了宇宙在與比它先出現的事物沒有聯繫的情況下是如何形成的,也就是說,它是怎樣從零產生的。然而,從2004年起,這個理論就在不斷地被爭論,而且,正如霍金在1988年所寫的,「是什麼打破了這種平衡從而創造了一個宇宙去解釋它們?……為什麼宇宙要不遺餘力地去打擾現有的東西?」「從無到有」是形上學的一個根本問題。
2、對巴羅和泰普勒斯SAP(強人擇原理)的批評人士聲稱,它既不是可測試的,也不是可證偽的,因此不是一種科學的陳述,而是一種哲學上的陳述。同樣的批評也針對多元宇宙的假設。這種批評的一個修正版本是,我們對生命的出現,尤其是智慧生命的理解如此之少,以至於我們實際上不可能計算出每個宇宙中觀察者的數量。另外,作為基本常數的函數的先驗分布很容易被修改以得到任何想要的結果。許多批評集中在強烈的人擇原理的版本上,如巴羅和提普勒的人擇宇宙原理,它們是目的論的概念,傾向於將生命的存在描述為可觀測的物理常數的必要前提。但實際上上大量的證據也表明,生物通過自然選擇進行了微調,以適應生命存在的物理和地球物理環境。生命似乎已經適應了宇宙,而不是相反。
附錄一:
《宇宙學新疆域》(FRONTIERS OF UNIVERSE)
[美]艾薩克.阿西莫夫 著
卞毓麟 何妙福 譯
為何事物如現在那樣
(註:本文中的「人類學原理」,「強人類學原理」和「弱人類學原理」,一般翻譯為「人擇原理」,「強人擇原理」和「弱人擇原理」。)
1988年11月,科學家們就一直討論多年的論題——人類學的原理,召開了一次極有權威的科學會議。
「 人類學的」(Anthropic)一詞源於希臘語,意思是「與人有關的」。人類學原理試圖強調人類,作為目擊者,對宇宙的真正存在來說是必需的。
也許看來它的反面是正確的。我們是在一顆普通恆星的一個小的行星上,而這顆恆星湮沒於包含了幾千億顆恆星的一個星系裡,還有另外的恆星在其他1000億個星系裡。為什麼如此無法想像的龐大的一個宇宙居然僅為我們而存在?
答案則是宇宙越小,它膨脹然後收縮而絕滅所需的時間就越少。對我們來說,為了取得進化時間,宇宙必須像它現在那樣大。
此外,自然規律使得原子能夠形成。假如這些規律稍有不同,原子便不可能形成。而且,大爆炸以後有過的經歷似乎使恆星和星系得以形成。稍有差異原本就會使它們的形成變為不可能。要不是原子、恆星和星系剛好能形成的話,那麼我們自己就不可能形成。
甚至說到地球,地球軌道或太陽質量的略微變化便會使地球無法居住。即使它能居住,其物質的組成和化學性質的微小改變——例如,假如水變成冰時並不膨脹,或者假如碳原子不能彼此鉤連在一起的話——將會使生命成為不可能。
量子理論也使得我們好像是必不可少的。根據量子理論,在有些情況下,我們實際上只有直到觀測到電子時才可能辨別它在做什麼。當沒有觀測到電子時,即使理論上也不可能推斷它在做什麼。某些科學家認為這意味著如果沒有目擊者,宇宙便不會存在。
按照這個理論,宇宙必須有目擊者,而且自始至終必須有目擊者。但另一方面,直到宇宙150億歲時,最早的人類才進化。恐龍曾有資格當目擊者嗎?直到宇宙 100億歲時,地球本身才形成。這是否意味著在其他行星上有別的形式的生命曾作見證?否則它是否意味著宇宙是上帝僅僅為了人類的利益而創造的?而且那個上帝從頭到尾是宇宙永恆的監護人嗎?根據「強人類學原理」,這個假定似乎是必然的。
然而,大多數科學家更喜歡「弱人類學原理」。為了理解其意義是什麼,請你考慮一下這個問題:為何你的耳朵就具有它們現在所有的形狀和位置?答案也許是使得眼鏡能配戴在耳朵上。假如那樣的話,耳朵必須存在且必須在它們現在的地方,而這正是眼鏡的存在所決定的。
但它是從相反方向來理解的。眼鏡被設計來適合耳朵,而不是反過來。假如耳朵長在別的地方或根本就不存在的話,那麼就會以不同的樣式設計眼鏡。
同樣情況,有可能存在無限多的宇宙,每個宇宙具有一組不同的自然規律。或許這無限多的宇宙中,除了一個之外,其餘的宇宙所具有的自然規律都不容許生命存在。而僅有一個宇宙裡,其自然規律確實考慮到了生命的存在。
這一個宇宙就應是我們的宇宙,而我們就在其中經歷了進化,然後對這個宇宙顯得多麼恰好地適合於我們感到驚異。但這實在與我們毫無關係。我們發覺我們的宇宙的完美僅僅因為它是唯一的我們能在其中生存的宇宙。多半,在其他的生命(如我們所知的)不可能存在的宇宙裡,別的種類的生命或別的類型的無法想像的現象也許會盛行。而且這些生命或現象中的每一種,若具有驚奇的能力的話,便會驚奇為何它們的宇宙顯得如此適合於它們。
我們怎樣能斷定這種弱人類學原理是否正確呢?畢竟,我們自己的宇宙是我們所能觀測的唯一一個宇宙。一位義大利科學家E·W·賽阿默(E. W. Sciama)曾提出一個建議。
要是有無數個宇宙的話,那麼可能有許多宇宙足夠接近完美而容許我們這種生命生存。我們的宇宙應只是它們中的一個,且它也許不是最臻於完美的。
要是我們更多地了解我們的宇宙,要是我們能作比至今已作的更精密的測量,我們能比現在更多地認識到生命及其需求,我們會知道我們的宇宙並不是十分完美的。我們甚至可藉助修正這個自然規律的精確形式或那個常數的精確值,設法設計(在腦海裡)一個比我們的宇宙更合適的宇宙。
附錄二:
《量子力學中的自由意志定理》
(天涯君:這篇文章的技術細節比較難懂,看不懂就算了,我沒看懂,不一樣的享受人生。看不懂的就看下美女吧。你們既然進我了的公眾號,就不能讓你們空手而歸。)
(天涯君:給女士們也準備了帥哥一枚)
唐先一
作者簡介:唐先一,中國科學院自然與社會交叉科學研究中心客座學者;
……
二、自由意志定理簡介
康韋等的自由意志定理最初發表於2006年,被學界看作是結合了寇辰和史拜克(Ernst Specker)早前的工作與貝爾不等式思路的產物。⑦在一些學者的質疑之下,⑧康韋和寇辰於2009年發表了一個改進和加強了的版本。下文所介紹的,即此2009年的版本——自由意志定理(Strong Free Will Theorem)。
通過反證法,自由意志定理證明了如下事實:如果人類擁有自由意志,則基本粒子也有。其中康韋等對自由意志的定義,主要指兩層含義:(1)能在不同的可能性之中做出選擇;(2)該選擇不能由過去發生過的一切歷史所決定。即,即使掌握了整個宇宙過去所有的一切信息,也無法對該選擇作出準確預測。
定理預設人類具有自由意志,其中當然包含了:實驗者可以自由地選擇在哪個方向上測量粒子的自旋。在此基石之上,定理的證明還需要三條基本公理:SPIN、TWIN和MIN。依次介紹如下:
SPIN:對一個自旋1粒子,依次在空間三個彼此垂直的方向上測量其自旋的平方,總是得到兩個1,一個0,按某種順序。(該公理是量子力學的嚴格推論。)
TWIN:兩個自旋1粒子可以建立起這樣的關聯,使得當它們在相同方向上被測量自旋平方時,總是給出相同的1或0的結果。這樣兩個粒子叫做「twinned」。進一步地,若實驗者A對粒子a依次在三個彼此垂直方向x、y、z上測量自旋平方,而實驗者B對粒子b在w方向上測量自旋平方,且恰好w與x、y、z中的一個方向相同,則實驗者B測得結果將與該方向上A測得的結果一致。(twinned即量子糾纏,只要兩個粒子建立了量子糾纏,此公理即可由量子力學嚴格導出。)
MIN:當實驗者A和B處於類空間隔之中,分別進行測量實驗時,實驗者B可以憑其自由意志自由地從33個候選方向中選擇一個w方向,來測量粒子b的自旋平方,而該選擇不會對粒子a產生任何影響;同樣地,實驗者A也可以完全自由地從33個候選方向中選取三個彼此垂直的方向x、y、z(共40種不同的選取可能)來測量粒子a,且此選取也不會影響到粒子b。(此即定域性條件:處於類空間隔中的事件彼此不能影響。由相對論和因果的時序性嚴格保證。)
在有了這三條公理之後,給出定理的嚴格證明之前,還需要介紹一個數學上的事實——寇辰—史拜克佯謬:⑨在如下圖所示的空間33個方向上,若給每個方向上都安排一個0或1的數值,則不可能存在這樣一種安排,使得任意三個彼此垂直的方向上,都恰被安排有兩個1和一個0。
圖1(a),寇辰—史拜克佯謬中所選取的空間的33個方向(引自康韋等的論文,2009)
圖1(b),寇辰—史拜克佯謬中所選取的空間的33個方向(引自康韋等的論文,2009)
於是,以反證法來證明自由意志定理:假設待測的自旋1粒子沒有自由意志,即其行為服從決定論。那麼,在每次測量即將開始之前,其測量結果就已經可以預先確定。現在,由於實驗者B具有自由意志,可以在33個方向中任意選擇,這樣粒子b必須面對所有33種可能,任意一個方向w的測量,它都必須有一個0或1的結果。這樣,一個決定論的粒子就必須有一個「萬全的腳本」,即,其測量結果是之前整個宇宙的歷史和w的函數,記之為β=β(H0,w),完全可以預先確定。其中H0代表整個宇宙之前的完備信息,w可在33個方向中選一,β只能等於0或1。
現在再來看實驗者A和粒子a,當A進行實驗時,他知道對粒子b的實驗也正在類空間隔中進行,但由於身處類空間隔之中,他既無從知道實驗者B選擇了哪個方向,也不知道粒子b的測量結果。但是,實驗者A確定地知道:在33個方向中,每個都有可能是w,而對每一個可能的w,粒子b都會給出明確的測量結果β。於是,可將之記為β(w),也就是「萬全的腳本」,且β(w)=β(H0,w),這就構成了一個分布於33種可能的w上的函數。由於公理TWIN,實驗者A知道,當他進行測量時,將在任意方向得到和B完全相同的結果,即他的測量結果也將必須符合函數β(w)。而另一方面,實驗者A擁有自由意志,他是可以任意選擇三個彼此垂直的方向進行測量的,由公理SPIN,三個測量結果必定是兩個1,一個0。這樣,函數β(w)就必須滿足這樣的性質:在任意三個彼此垂直的方向上,函數β(w)給出的值為兩個1,一個0。然而,寇辰—史拜克佯謬已經證明,這樣的函數β(w)是不存在的,故導出了矛盾!所以粒子必須具有自由意志。
回顧自由意志定理的整個邏輯鏈條,可見其為:
人有自由意志+SPIN+TWIN+MIN+決定論的粒子→矛盾
正如康韋等在其論文中所述:SPIN、TWIN、MIN三條公理告訴了我們,自旋1粒子面對三個彼此垂直方向上自旋平方的測量時,其反應必須是自由的。
自由意志定理在貝爾不等式工作的基礎上更進了一步。因為在結果上,貝爾不等式只是否定了所有定域性的隱參量理論;而自由意志定理,在承認人類自由意志的前提下,否定了所有決定論性地描述粒子行為的理論。在前提假設上,貝爾不等式需要隱參量的靜態系綜條件;而自由意志定理要求的SPIN、TWIN、MIN三公理更普適,也更弱,可以說並不直接依賴量子力學。⑩實驗上,貝爾不等式需要較苛刻的實驗條件,(11)而自由意志定理只需一個假想實驗。
三、學界對自由意志定理的反饋
自由意志定理的發表引起了學界熱烈的反響。其中當然有眾多支持的聲音,如施特勞曼(Norbert Straumann)對自由意志定理的另一證明進路;(12)阿倫茨(Felix Arends)等人的工作,認為康韋等的證明可以進一步簡化,33個自由選擇的測量方向可減少至18個。(13)也有學者討論了自由意志定理進一步的應用和影響,其中科爾貝克(Colbeck)的工作可能對量子論有著相當的意義。(14)
當然,也有反對的觀點。例如,梅農(Menon)撰文指出,(15)自由意志定理能論證粒子的非決定性意義不大,此結論早已暗含於其兩條前提假設中:其一,由粒子構成的人是非決定性的;其二,TWIN實為量子力學的嚴格推論,而量子力學所描述的粒子當然是非決定性的。梅農進一步提出懷疑:既然SPIN、TWIN、MIN加決定論的粒子導出了矛盾,可能不是粒子有自由意志,而是MIN有問題,即因果時序性可能並不嚴格成立!(即未來可以影響過去,但其並未就之展開。)
戈爾茨坦(Goldstein)等則認為,(16)因為定理的前提中包含定域性條件,其當然能證明量子力學與決定論矛盾,這是貝爾不等式已經完成的工作,毫無新意。
另一種反對來自霍爾(Hall)和巴雷特(Barrett),(17)就如同TWIN所展示的,粒子a、b的選擇具有極強的關聯性(總是相同)。而如果身處類空間隔中的實驗者A、B在「自由」選擇方向x、y、z、w時,其選擇因某種原因(例如參加同一研究項目,受過相同培訓等)而具有一定的關聯性,則定理的推導將失效。於是,實驗者測量選擇間的關聯性能否被排除成了一個關鍵性問題。隨後,2012年,科爾貝克等在《自然》上發表論文證明:只要兩名實驗者的選擇有一定程度的彼此獨立,則此獨立性可通過技術過程被放大,達到完全的隨機而擯除所有的關聯性。(18)自由意志定理被挽救了。
最嚴峻的反對觀點是:自由意志定理所證明的只是非決定性(indeterministic),而不是自由意志(free will)。如梅拉利(Merali)和莫德琳(Maudlin)等所述:粒子非決定性的行為,充其量只是一種隨機性(randomness)的體現,既不能被稱為自由意志,也不清楚如何能以之來構建出人類的自由意志;粒子的行為是自由的,但沒有體現出意志。(19)關於這個爭論,目前的文獻沒能很好地給出解決方案,本文第六節中將就此做進一步解決。
就這一點,康韋和寇辰其實也提出了反駁,(20)他們認為自由意志定理所揭示的不可能是隨機性。因為所有的隨機性都可以從一個事先製備的隨機數列當中來依次提取,從而獲得實現。但自由意志定理證明了所有的選擇必須是新鮮的,不可能是事先預存的,因此不是隨機性。然而,這個說法,康韋等其實是收窄了隨機性的概念範圍,即認為「新鮮的隨機」不是隨機。但事實可能並非如此,因為粒子的這種量子不確定性恰恰是量子信息技術中的一個重要隨機源。(21)儘管如此,康韋等據此進一步地聲稱:自由意志定理不僅排除了決定論性的理論,也排除了所有隨機過程演化類的理論。此類理論的進路是在原先決定論性的力學方程中添入隨機性,使之能夠給出與實驗相符的統計預測,從而成為量子力學的替代理論,典型例子是GRW模型。
圖莫爾卡(Roderich Tumulka)等GRW模型的支持者隨即做出反擊,(22)認為事先製備的隨機數列這一提法不妥,這等同於抹殺了GRW可以擁有「新鮮的隨機」。但同時,圖莫爾卡也承認在GRW模型中,類空間隔裡的新鮮隨機之間存在相互影響,從而使得該理論中,在A處的新鮮隨機結果,在某些慣性參照系中看來,將勢必逆時間之流,影響在B處的過去發生的隨機結果。但其認為這種對因果時序性的破壞是可以接受的。持相同觀點的還有吉鑫(Gisin),(23)其建議將GRW理論中的隨機分作兩個層次:理論預言的隨機分布函數(probablity distribution)和隨機結果真實發生(realization)。雖然後者如康韋所言會破壞嚴格的因果時序,但前者不會。故而GRW理論仍然在可以接受之範疇。
四、自由意志定理的意義
首先,自由意志定理非常清晰地證明:基本粒子的行為是非決定論的。它們在被測量時的行為,即便人們擁有整個宇宙之前的所有信息,也無法精確預測。這對試圖尋找決定論性的力學理論,例如隱參量類理論,無疑是巨大的否定。雖然,定理本身並不能否定決定論,因為其前提假設中已經先行排除了決定論的可能,但是,定理給出了一條非常清晰而堅固的邏輯鏈條,即只要實驗者具有自由意志,則基本粒子也有。而人具有自由意志,是難以反駁的,不然無異於承認我們所有的研究工作,都是百億年前就已經既定的——無疑是荒謬的。
定理的這一意義其實宣告了:基本粒子也有自由,故而整個宇宙都有。宇宙的未來並不確定,由人類和其他所有物質共同來描繪。正如蘇亞雷斯(Suarez)的論文指出的,(24)這種不確定性,可能比量子力學本身更為基本。如同牛頓力學所揭示的動量守恆定律,到了相對論中仍然成立;也許有一天,量子論被更先進的理論取代,而物質的自由意志、未來的不確定性將仍然存在。
其次,自由意志定理為最終解釋我們人類的自由意志提供了可能的進路。量子力學之前的牛頓力學,是完全決定論的,整個宇宙如同精密的機械座鐘般運轉著。在這樣一個力學框架之內,是不可能解釋人類的自由意志的。故而,如經典物理學家們所信奉的,力學是描述「死物」的;而如何描述人類意識則不在此框架之中。可以說,該問題被迴避了,正如彭羅斯(Penrose)的書中指出的。(25)但如今,有了量子力學和自由意志定理,便提供了這樣一種空間和可能:物質系統本身就是非決定性的,可能做出全新的決策。(26)康韋等人也說:人類的自由意志可被看作由基本粒子的自由意志組合而成。與他們的觀點遙相呼應的是聖塔菲學院考夫曼教授(Kauffman)的觀點:大腦在接受外部信息之後,可能做出若干種宏觀經典的行為反應。而具體做出其中的一種反應,對應了一個量子波包坍縮的過程;而決定了具體坍縮到哪一種反應,則是人的自由意志發生作用的結果。(27)
第三,定理的一個引申意義在於:揭示了量子力學可能是預測能力最好的理論。這其實並不是康韋他們的工作,而是科爾貝克等人基於自由意志定理所做的工作。(28)他們從數學上證明了,由於粒子具有自由意志,不可能存在另外的理論,能在統計意義上對粒子行為做出更加精準的刻畫。而這是一條非常強的觀點,否定了所有試圖尋找比量子力學更精確理論的努力。這樣一來,原來只是實驗上到目前為止都支持量子力學,現在就成了實驗上支持預測能力上沒有比量子論更好的理論。這既是對量子論的巨大肯定,也為粒子們的自由意志留下了不容侵犯的領地。
第四,自由意志定理揭示了自由意志帶有某種非定域性的色彩。因為從康韋他們的假想實驗中可以看出,處於類空間隔中的兩個粒子,其各自做出自由選擇卻能彼此保持一致。這體現了量子關聯的非定域性。對於這種非定域性,一個最強的解讀來自吉鑫的文章,(29)他認為自由意志既不能從過去的時間導出,又處於類空間隔,卻能保持一致,這說明了自由意志具有「超越時空」的非定域性。這個結論可能偏強,因為若仔細查看量子理論和相關實驗,可以看出,一個簡潔平實的解讀是:介由量子糾纏,兩粒子間存在某種默契,而此默契是非定域性的。故而,本文的提法是:自由意志帶有某種非定域性的色彩。康韋等的定理中也提到了這一點,並抱以積極的態度,認為正是這種非定域性,揭露了基本粒子亦有自由意志這一事實。
儘管自由意志定理有著堅固的邏輯和重要的意義,學界對之仍存疑問和爭議。一個重要的疑問是:人類的自由意志與粒子的非決定性行為,可說有本質性的差別。若真如康韋和寇辰所說,人的自由意志是由粒子的自由意志構成的,那如何構成?而一條重要的反駁則是:非決定論性,是否能等同於自由意志?尤其是考慮一個粒子的行為,更像是隨機性,而隨機性怎能等同於自由意志呢?(30)下文將就此兩點,結合有關文獻,來做一番探討。
五、從粒子到人
在宏觀低速的世界中,大多數沒有生命的「死物」都不體現自由意志,而服從決定論性的運動規律。例如,集成電路中的大量電子、不斷衰變的核燃料等。這是因為在宏觀層面,粒子的自由意志為統計平均所掩蓋。
但在生物系統中,情況可能並非如此。有研究顯示,基本粒子的不確定性,可能導致生物化學反應中的不確定性,並可能反而對生存競爭有利。(31)亦有綜述論文概覽了基因的表達過程中存在著大量的內稟的隨機性(32)——即便在基因序列、環境因素全同的情況之下,並討論了其進化論意義上的好處。
黏菌群是由許多相似的黏菌細胞構成的集合體。普林斯頓大學的邦納(Bonner)和格雷戈爾(Gregor)等發現,黏菌細胞之間通過釋放和接收一種化學物質cAMP進行溝通和交流,(33)由之組成菌團,協調行動,移動覓食。雪梨大學的拉蒂(Latty)等,對質量為0.01克的黏菌群做了生物行為策略的研究,發現其能權衡環境因素與食物質量,並做出具有內稟不確定性的決策。(34)
梅耶(Maye)等人對果蠅的行為研究中,也發現了內稟的不確定性,並認為他們的實驗支持了果蠅具有自由意志。(35)大腦中的神經細胞,其電脈衝行為也包含大量的自發性和不確定性。(36)鮑盧什考(Baluska)等學者發現,與大腦中神經元的溝通決策相類似的過程和機制也存在於植物繁茂的根系之中。(37)高等動物的行為更是與人類接近,展現出不確定性和自由意志。(38)最後,當把研究的視線投向我們人類時,大腦的行為決策也具有非常大的不確定性,個人的行為總是難以被精準地預測。
由上述研究工作,我們可以大致地得出如下結論:
結論一:在生物系統中,粒子的不確定性並沒有完全被統計平均所掩蓋,而是能在宏觀行為中體現出來。
結論二:自由意志並不是人類所專有,從人到果蠅、植物、黏菌,自由意志體現出一個從複雜到簡單的漸變過程。
這樣,結合自由意志定理所揭示的,可以做出內稟不確定選擇的粒子,使我們有理由相信:基本粒子也擁有某種極簡的自由意志。
結論三:知覺也並非人類專有,而是從人到黏菌都有,亦是從複雜到簡單的漸變。
粒子自由意志的選擇,可以被實驗測得。而「知覺」卻具有隱蔽性。我們有理由設問:粒子是否也具有極簡的知覺,就如同萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)所說的無機物有「微知覺」、動物有知覺、人類有統覺,是一個漸變過程?(39)
第四,就我們人類而言,我們體驗到擁有一個「完整、複雜、單一」的意識;同時,生物學明確無誤地告訴我們,人腦由大約100億個神經元構成,其間由100萬億個神經突觸進行聯通。如果我們認定以上兩點都是事實,且後者是前者的物質基礎和保障的話,則可進一步導出:一旦神經元間的聯接被破壞,我們精神體驗的完整性和單一性將被破壞,取而代之的是「碎片的、非單一的」體驗。例如,一些癲癇病人在胼胝體切斷手術之後,表現出似乎有兩個獨立的自我同時存在。(40)
埃爾德裡奇(Eldridge)的論文(41)詳細記載了一位稱作L.B.的病人,該人1952年出生,3歲開始發作癲癇,1965年進行胼胝體切斷手術,成為「裂腦人」。儘管術後恢復很好,L.B.逐漸顯現出一個奇怪的後遺症:左手不受控制。據稱,他感覺自己的左手有一個「wicked will of its own」。他的左手會自行去毆打朋友家的狗,會阻止他用餐,會將門猛地關上來撞他。而且他越試圖去控制,「the wilder it gets」,並會表現出更強的攻擊性。L.B.稱之為一場「battle of wills」。雷伊(Reay)等總結,(42)此左手就像一個L.B.不得不接受的惡魔,來作為治好癲癇的代價。由L.B.的例子,我們已經可以清晰地看出,其實「裂腦人」的神經系統中,存在著不止一個獨立意志。而從謝克特(Schechter)的論文中,(43)更是可以通過特殊設計的實驗來揭示這一點,從而使得人類意志是若干「agency」組合而成的觀點逐漸進入了學界視野。
人類大腦中的一小片擁有數萬神經細胞的區域,其生物特性則和黏菌其實極其相似——都是一群用化學或電信號相互溝通的同種細胞。如黏菌,這一小片區域也應擁有其簡單的自由意志。若將其與周圍的神經聯結破壞,則其必定將表現出獨立的自由意志。由之可得結論四:人類自由意志是一種拼裝組合的結果,由大腦的更細微的結構之簡單自由意志組合而來。這很類似幾個人做一項需要緊密配合的任務,隨著配合的熟練和專注,他們可能會感覺幾人構成了一個整體。而大腦的情況可能也是如此。
六、隨機、還是自由意志?粒子有知覺嗎?
下面就非決定性能否等同於自由意志的爭論進行探討。
在康韋等人的自由意志定理的理論框架中,此二者是約同的。因為他們認為,能主動地在若干可能中選擇,就必然體現了自由意志。學界對此的批評很尖銳,(44)如果用量子的隨機性來解釋人類的自由意志,則人類其實並不能真正控制自身的行為;我們只是從服從決定論的機器,變成了隨機的機器。考夫曼的文章也指出了這一點(45):當我們試圖用量子力學的隨機性來解釋自由意志時,會有這樣一個難題,即如何構建一個真正的、可以擔負責任的自由意志(real and responsible free will);假設當我走在街道上,這時,我大腦中的一個放射性原子突然衰變了,讓我產生了一個後續的行為來殺死了街邊的一個老人(這裡隱喻薛丁格的貓);沒錯,我是有自由意志的,但殺死老人卻不是我的錯,因為那只是原子的隨機量子行為!可見,非決定性究竟是隨機(random),還是自由意志(free will)是一個嚴肅的問題。如莫德琳和考夫曼指出,隨機的話,將不可控、不對應責任。
其實這個問題如果放到日常生活中,就非常好理解。精神病人殺人是免責的,而正常人殺人是要負刑事責任的,但若是不知情的情況下因為過失或疏忽的,可部分免責。(46)這裡,精神病人的行為就類似隨機的,而正常人的選擇是自由意志。由之,可以清晰地看出:要達成「負責任的自由意志」(responsible free will)至少需要具備三個要素:知曉情況、知曉後果和自主選擇。
經由康韋等的自由意志定理,「自主選擇」這一要素即便基本粒子也可以擁有,沒有問題。而「知曉」的要素仍然缺失!知曉必是基於知覺的,於是我們設問:基本粒子有「知覺」嗎?
首先可以斷言的是,若基本粒子有自由意志,則其必有知覺。否則,它的「自主選擇」便只能是絕對盲目的,淪為隨機,而根本談不上自由意志。因此擁有「知覺」是粒子具有自由意志的必要條件。
其次,認為基本粒子具有知覺,絕不是生硬的或是突兀的,而是理據充足。一方面,從上文所述生物系統和腦科學研究實例可見,如同自由意志可以逐層降解一樣,知覺亦是從人到黏菌都有,是從繁至簡的漸變;另一方面,認為粒子具有知覺的思想早在萊布尼茨的單子論中就已經明確提出了:「不能因此就說,單純實體是沒有任何知覺的,根據以上所說,這是決不可能的……特殊狀態不是別的,就是它的知覺。」(47)「物質的最小的部分中,也有一個隱德萊希。(註:「隱德萊希」最早源於亞里斯多德的《論靈魂》,指生物的本質中非物質的部分,即靈魂。)」(48)「每個單子也都像靈魂一樣具有知覺和欲望。」(49)
康韋等揭示了粒子的「自主選擇」,這無疑從一個方面論證了粒子的自由意志。因為「自主選擇」反映了一種能動性,說明了粒子具有某種活性或精神性。但是自上文可見,僅僅「自主選擇」是不夠的,自由意志需要「知覺」。故此,筆者在此鄭重提出:
粒子既然能「自主選擇」,也必定具備「知覺能力」,此二者共同構成了粒子自由意志的基本涵義。
下面對粒子的知覺能力做清晰的定義和刻畫:
(1)知覺能力是粒子的一種內稟能力。
(2)當粒子面臨各種可能的選擇時,例如放射性原子核是否衰變等,粒子可以知覺到這些可能選擇。該知覺是對粒子自身及與之發生相互作用的局部外界環境的一種表達和反映。
(3)當粒子做出自主選擇時,其自由意志對該選擇不僅具有自主把握的能力,而且能知覺它選擇了諸可能性中的哪一個,而不是完全盲目的、無知的。
至此,我們可以對第四節結尾處的兩點質疑和反駁作答:第一,人的自由意志是一種拼裝組合的結果,由大腦的更細微的結構之簡單自由意志組合而來;而最終,是由粒子的自由意志由簡至繁,極其精巧地組合而成。第二,若單是非決定性,尚不足以構成自由意志;粒子的自由意志是由其知覺能力和自主選擇能力共同構成的。
當然,筆者引入知覺能力絕不僅僅限於替康韋等豐滿其自由意志之內涵。結合自主選擇與知覺能力,並將此二者與能量這一基本物理量緊密相連,本文作者已建立起一種新穎的科學哲學理論,揭示了物質實體知覺的權利與範圍,重新刻畫量子力學中的測量過程,並最終解決了量子測量問題。(50)關於該科學哲學理論的進一步闡述,限於篇幅原因,不在此展開,將於近期另行論著發表,敬請期待!
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