宇宙已註定,人類是程序嗎?測不準原理是如何幹掉拉普拉斯妖的?

2020-11-26 科學新視界

不知道大家發現沒有,在科學界,只要有足夠的數據支撐,科學家們就能通過構造數學模型來預測事情的發展。最直接的例子就是,我們能很準確地預測未來一段時間內天氣的變化,溫度的大小和颱風的走向。

這裡大家可以試著,將我們的科學格局和視野放大到整個宇宙,我們是不是可以提出這樣一個猜想:假如存在著這樣一隻妖怪,它擁有足夠的計算力,它知道這個宇宙所有物質的運轉規律,知道每一個基本粒子的位置和速度,計算出了所有能量的流動,那麼這個妖怪會否能了解宇宙的所有過去和所有未來呢?這個妖怪名叫「拉普拉斯妖」。

假如拉普拉斯妖真的存在,那就意味著宇宙的整個演化史,就是一部早已安排好劇情的電影,宇宙的未來和過去就是固定的,未來和過去都是沒有意義的。

拉普拉斯妖是由法國數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯於1814年提出的一種科學假設,是基於牛頓經典力學的可逆過程而提出的。在經典力學裡,只要我們能夠改變時間參數,就能夠讓一切都倒轉。那經典力學的宏源真的能夠達成嗎?

在因果論和決定論讓所有科學家都陷入迷茫的時候,熱力學的橫空出世緩解了這一危機。熱力學定律告訴我們,自然界中所有複雜的熱力學過程在宏觀上都是不可逆的。這個不可逆意味著,拉普拉斯妖的地位被第一次動搖了。但是,給予拉普拉斯妖毀滅性打擊是海森堡。1927年,德國物理學家海森堡針對量子力學提出了不確定性原理,也叫測不準原理,這個理論是現代量子力學的最基本理論之一。

測不準原理告訴我們,我們不能同時精確測定一個粒子的位置和速度。當粒子的位置越確定,它的速度就越不確定,反過來就是當一個粒子的速度越確定,它的位置就越不確定。這種神奇的性質是由兩個因素決定的。

第一:當測量行為發生的時候,測量這個行為本身就會對測量對象造成影響,這會導致測量對象的狀態隨之發生改變。

第二:量子世界與宏觀世界不同,它不是具體的,量子的世界是基於概率的,想要精確確定一個粒子的狀態存在很根本的限制因素。

這兩點告訴我們,我們不可能同時知道一個粒子的位置和速度。比如我們常說的絕對零度,絕對零度為-273.25℃,是理論上的溫度下限,永遠也無法達到。為何會如此呢?因為溫度是描述粒子平均運動速度快慢的物理量,想要達到絕對零度就意味著粒子的運動速度為零,而當速度為零的時候,粒子的位置也是確定的,這就與測不準原理相違背了。

粒子位置的不確定性在物理學上必然大於等於h/4π(h為普朗克常數,π為圓周率),這意味著微觀粒子的行為與宏觀物質是截然不同的。

我們的宇宙的性質,並不僅僅由宏觀物質就能決定,所以這只能夠計算宇宙,知曉過去和未來的拉普拉斯妖其實是並不存在的,因為量子世界是真隨機的。就算拉普拉斯妖真的存在,它也只能存在一瞬間,因為在它計算預測的一瞬間,它就成為了觀測者,這就會對觀測結果產生影響。

這裡有人開了一個腦洞,會不會存在獨立於我們這個宇宙系統之外的拉普拉斯妖呢?這樣它進行計算觀測計算的時候,就不會對結果產生影響了吧。那拉普拉斯妖就背棄了它所信仰的「上帝」,這與它的提出就相違背了。

如果拉普拉斯妖存在,那就意味著我們所認知,所經歷的一切都是在138億年前宇宙大爆炸的那一刻就註定好的。我們的過去和未來都是早已設計好的程序,我們愛一個人,恨一個人,我們與一個人的擦肩而過,我們所有的悲歡離合都是註定的,那這將是這個世界上最可悲的事情。

所以,拉普拉斯妖的死亡,是人類對自由嚮往的必然結果,那麼你相信拉普拉斯妖的存在嗎?

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    拉普拉斯妖其實就是法國數學家拉普拉斯提出的一個假設實驗,拉普拉斯妖引發了很多人的思考,甚至可以說顛覆了一些科學家思想,也是決定論的重要體現。這個其實就是拉普拉斯妖的核心。如果一個惡魔可以知曉整個宇宙中每一個粒子的信息,那麼整個宇宙對於它來說都是可以預測和反推的。那我們也得到了一個信息,這個宇宙的未來是註定的,只是人類沒辦法去獲取那麼多信息。只要獲取的信息足夠多,就可以精準地預測未來。
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