霍金為什麼說哥德爾定理是物理學的終結?

2020-12-23 物理科普

霍金生前被聘為英國劍橋大學的盧卡遜數學講座終身教授,這個教授職位有多崇高呢?看看歷史上曾經擔任過此教授職位的僅有的幾個人名你就知道了:牛頓、狄拉克(量子力學的創始人之一)。霍金的人生寫滿了傳奇,一件有趣的事是,他出生在伽利略的祭日,同時又去世於愛因斯坦的誕辰,而他在生前也對自己的出生日期充滿了敬畏之情。

霍金(1942.1.8—2018.3.14)

雖然霍金在物理學界的地位是比不上楊振寧的——大部分物理學家認為,楊振寧對於規範場論的貢獻足以使得他進入歷史物理學家排名的前十位——但是霍金的身殘志堅,對生命的嚮往,對真理的渴望,使得他在所有人的心目中,成為了人生勵志與探索真理的代言人。這種偉大的生命不屈的精神力量,已經使得霍金在中國的知名度遠遠超過了楊振寧。

霍金在去世之前做過一次演講,題為「哥德爾與物理學的終結」。他在演講中說道,「這和哥德爾不完備性定理非常相似……根據實證論科學哲學,一個物理理論乃是一個數學模型。因此如果有數學命題不能證明的話,那就有物理問題不能預測。……現在我很高興我們尋求知識的努力永遠都不會達到終點,我們始終都有獲得新發現的挑戰。」

霍金演講照

那麼什麼是哥德爾不完備性定理呢?霍金為什麼會說我們永遠不可能找到物理學的終極理論?哥德爾定理是怎樣終結物理學的?

哥德爾不完備性定理

哥德爾是20世紀最偉大的數學家、邏輯學家,他和愛因斯坦是非常要好的朋友。愛因斯坦說過一句非常有趣的話:我之所以每天堅持來普林斯頓的辦公室上班,就是因為來回途中可以和哥德爾一起步行。愛因斯坦還曾這樣評價哥德爾:我在物理學界得到的一切榮譽,哥德爾教授都應該在數學界得到。

哥德爾與愛因斯坦

哥德爾不完備性定理是純粹的邏輯數學中,關於形式系統不完備性的一個定理:在任何包含一階謂詞邏輯及初等算術的一致的公理系統中,總存在著一個命題,既不能被證明也不能被證偽。

一階謂詞邏輯通俗來講指的是邏輯學中最基本的一些邏輯關係,例如「與」、「或」、「推出」等,一致性指公理系統是自洽的、無矛盾的,而初等算術大家都知道是什麼。公理系統指的是,在數學中純粹從一些不證自明的公理出發建立起來的一個命題系統。

在哥德爾定理出現之前,數學家認為公理系統中的命題要麼是真命題,要麼是偽命題,而且真命題一定可以被證明——完全從幾條公理出發(或者對公理進行擴展),經過邏輯推理而進行證明。但哥德爾定理指出,包含一階謂詞邏輯和初等算術的一致性公理系統中,必定存在著至少一個命題,這個命題是一個真命題,但是不可能被證明,同樣不可能被證偽!

哥德爾定理

哥德爾研究的公理系統完全是形式化(符號化)的,但為了解釋得更清楚,我們用語言的形式來說明。哥德爾證明此定理的關鍵就是構造出來了這樣一個命題G:此命題不可被證明。

我們來研究一下,如果G被證明了,就表明G是個偽命題,因為它自己說它不可被證明;如果G不能被證明,就表明G被證明了,同樣因為它自己說它不可被證明。這種自指式的內在邏輯矛盾,決定了命題G是不能被證明也不能被證偽的。這就是哥德爾不完全定理。

有趣的理髮師悖論

為了說明哥德爾命題G的自指式矛盾,我們再來說說著名的理髮師悖論(羅素悖論的通俗版)。

左右為難的理髮師

一個理髮師說:我只給「不給自己理髮的人」理髮。那麼請問,他能否給自己理髮?這裡就包含著這種自指式的悖論,很明顯,他如果給自己理髮了,他就不屬於他的理髮對象:不給自己理髮的人,那麼他就不應該給自己理髮;如果他不給自己理髮,他就屬於他的理髮對象,他就可以給自己理髮。

接下來我們再回到哥德爾定理對物理學的限制上。

霍金通過哥德爾定理對物理學的論證

結合哥德爾定理,霍金逐漸改變了自己對物理學的看法。霍金之前認為物理學家會通過不懈的努力,最終會得到物理學的終極理論。這個終極理論可以描述宇宙中一切事物的演化,理論本身就會代表著宇宙所有的運行規則。

霍金又是怎樣改變他對終極理論的期望了呢?

物理理論是一個數學模型

霍金認為,我們現有的物理理論都是一個個的數學模型,本質上它們都是從一些基本的原理(公理)發展而來的,那麼在理論的框架中研究物理問題,就類似於在數學公理系統中證明數學問題一樣,始終會在理論的框架中存在著不能被解決的物理問題。這是對物理理論在邏輯上的一種限制,是不可避免的。哪怕我們得到了再怎麼完善的理論,都不可能突破這種哥德爾定理所給出的極限。

因此,霍金認為我們永遠無法得到一個完備的、可以解決一切物理問題的理論,物理學家將永遠前進在奮鬥的路上。

其它物理學家的看法

因為霍金的這場演講只是針對於普通大眾的一場科普演講,相關的內容他並沒有在正式的學術會議上提出,也沒有發表過相關的論文,因此大多數物理學家認為霍金的觀點只是一種針對物理學未來前景的猜測。當然,有物理學家支持,也有物理學家表示反對,認為將純粹邏輯學中的定理用在現實世界的物理理論上是不妥當的。

不論霍金的觀點對與錯,有意義的是他對未來物理學的發展提出了一種綱領,就像是二十世紀初希爾伯特對數學提出的問題大綱一樣,將會指引著未來物理學的發展。而至於哥德爾定理到底會不會終結物理學,哥德爾定理對物理學的限制到底有多大,這些問題在終極理論面前,或許是同樣重要的。

讀者朋友們有什麼看法呢?

相關焦點

  • 【物理科普】哥德爾和物理學的終結
    霍金:哥德爾和物理學的終結文:霍金 譯:凌高本次演講中,我(霍金)想問的是,我們在追求理解和知識方面能走多遠:我們是否能最終發現一套完備形式的自然規律?我所說的完備形式是指一套規則,這些規則至少原則上可使我們任意精確地預測未來,了解任一時刻宇宙的狀態。
  • 哥德爾定理是如何玩壞數學的!
    關注 哆嗒數學網 每天獲得更多數學趣文哥德爾的不完備定理是那種能把你腦漿敲出來的一個定理。在上一篇博客,我們討論了定理本身及其影響。簡單說來,它們顯示出了數學本身的內在局限性。哥德爾第一定理與一致性、可證明性這兩個概念有關。一個數學系統(由一些假設組成,這些假設被稱作是「公理」)稱為一致的,如果它們沒有矛盾存在。
  • 關於宇宙的10件奇異之事 偉大的哥德爾不完備定理!(10)_遊俠網 Ali...
    1.哥德爾不完備定理(Gödel’s incompleteness theorems)  嚴格說來,這個理論並非屬於科學範疇,而是一組非常有趣的關於邏輯與哲學的數學定理,但邏輯、哲學與科學向來聯繫緊密。
  • 89年前,哥德爾提出的不完全性定理,至今數學界還沒完全理解
    美籍奧地利數學家、邏輯學家庫爾特·哥德爾(KurtGdel,1906年4月28日—1978年1月14日)是二十世紀最偉大的邏輯學家之一,其最傑出的貢獻是哥德爾不完全性定理。但是,哥德爾25歲時發表的令人震驚的不完全性定理粉碎了這一夢想。他證明了任何可以作為數學基礎的公理都不可避免地是不完整的。關於這些數字,總會有真實的事實不能被那些公理證明。他還表明,沒有任何一套公理能夠證明其自身的一致性。他的不完全性定理意味著,不可能對所有事物都進行數學理論,對可證明的和真實的事物也無法統一。
  • 思維與機器:哥德爾不完全性定理的哲學推論,人腦無限超越機器
    加拿大數學家西蒙柯亨在他對哥德爾的致敬中回憶道:在博士考試中,我被要求寫出5個哥德爾定理。這個問題的實質是,每一個定理要麼催生了一個新的分支,要麼徹底改變了現代數學邏輯。證明理論、模型理論、遞歸理論、集合理論、直覺邏輯——所有這些都被哥德爾的工作轉化了,或者在某些情況下,從哥德爾的著作中得到了它們的起源(Goldstein, 2005)。但在哥德爾的輝煌成就中,有一個格外突出——哥德爾不完全性定理。一個人不需要成為一個實踐數學家來掌握不完全性定理的基本思想和信息。
  • 既然數學不完備,為什麼基於數學的物理學能描述宇宙?
    數學非常嚴謹,它們已經在物理學中大顯威力。物理學家基於數學創立物理定律,這可以描述宇宙中的各種現象,所以數學在物理學的應用十分成功。 但即便如此,很多數學定理證明了數學之力是有極限的。那麼,這些定理與科學,尤其是物理學有多大關係呢?
  • 20世紀最重要的數學真理:哥德爾不完備定理
    哥德爾悖論說謊者悖論、卡羅爾悖論、芝諾悖論、希爾伯特悖論,所有這些悖論都與哥德爾的不完全性定理有關,並在歷史上導致了這個定理的誕生。庫爾特·哥德爾是一位邏輯學家,生於 1906 年,卒於 1978 年。他證明了一個關於數學極限性的定理(該成果發表在 1931 年的論文中),這在當時的數學家看來是相當令人震驚的。
  • 哥德爾為什麼很瞧不起維根斯坦?
    和維根斯坦天賦的戲劇性表現形成對照——他的劍橋學生回憶說你可以看到他思考時的痛苦——哥德爾通過輕微地晃動頭部來表明他的同意、不同意和懷疑。他隔絕封閉的天賦差不多沒有給狂飈突進的拔高意識留下發揮的空間,在他找到嚴格數學證明之前,哥德爾對他對維也納小組信念的根本性反對沒有透露一個字,直到他有了冗長到足夠闡釋他的形上學信念的數學定理。
  • 《西方的人權與狗權》去哥德爾不完備性定理找答案!
    16 09-2020星期三 【編者注】「當一個中國人乖乖地接受了這種人權指責,他會得到一個獎賞——你比其他中國人像個人,這與西方人對你說『
  • 人類認知的大限,哥德爾不完備性定律,令科學家絕望!
    閔可夫斯基有一次在給學生上課的時候,對學生說:地圖4色定理之所以沒被證明,就是因為那些試圖證明的人都是三流的數學家。現在我給你們演示一下,要在這堂課結束之前把它證明。結果可想而知!在經歷了幾乎無數堂證明未果的課以後,有一天閔可夫斯基來上課的時候,天上突然打了一個雷,閔可夫斯基對著教室裡的學生說:上帝被我的傲慢激怒了!
  • 《信條》中的物理學(一)時間機器存在嗎?
    物理學中最基本的問題無非是時間、空間與物質的關係,牛頓也曾經對這個問題發表過自己的看法,他說: 絕對的、真正的、和數學的時間,自身在流逝著,而且由於其本性而均勻地、與其他外界事物無關地流逝著。絕對的空間,就其本性而言,是與外界任何事物無關而永遠是相同的和不動的。
  • 剛剛,2020年諾貝爾物理學獎頒布!霍金「戰友」獲獎,黑洞「吸納...
    今年物理學獎公布之後,很快就有多位科學界人士感嘆史蒂芬·霍金的逝去。霍金在科學上有許多貢獻,包括與本次諾獎得主之一的羅傑·彭羅斯共同合作提出在廣義相對論框架內的彭羅斯-霍金奇性定理,以及他對關於黑洞會發放輻射的理論性預測(現稱為霍金輻射)。霍金是第一個提出由廣義相對論和量子力學聯合解釋的宇宙論理論之人。
  • 基於人的認知原理來理解哥德爾不完備定理
    哥德爾不完備定理指的是:「任何無矛盾的公理體系,只要包含初等算術的陳述,則必定存在一個不可判定命題,用這組公理不能判定其真假。」不完備定理意味著,「無矛盾性」和「完備性」不能夠同時滿足,這種性質與測不準原理有相似之處。
  • 數學家們的美好理想,全被哥德爾打破
    因為哥德爾不完備定理。20世紀初的時候,以希爾伯特為首的數學家們有一個夢想,就是證明數學是自恰的。什麼叫數學是自恰的呢?就是數學這個體系可以做到,在以一定的公理出發,在數學邏輯的運行下,推論出來的所有的定理,都是相融的,不會出現自相矛盾的地方。
  • 物理諾獎的科學哲學突破:從彭羅斯和霍金說起
    後來又探測到幾次黑洞併合所產生的引力波,結果都與黑洞面積不減定理一致。 黑洞視界面積不減定理的研究起源於霍金為了推廣彭羅斯的奇點定理而發展的因果性分析,但是可以從觀測中驗證。 彭羅斯的奇點定理說,引力塌縮下,普遍存在奇點,即質量集中的一個點(體積為0),因此在這個點,密度和時空彎曲程度都是無窮大。
  • 霍金:人工智慧要麼為人所用 要麼終結人類
    在上午的領袖峰會上,世界著名物理學家史蒂芬·威廉·霍金做了演講並回答了一些關於人工智慧的問題。雖然霍金的演講的題目為《讓人工智慧造福人類及其賴以生存的家園》,但是霍金一再表示了其對人工智慧發展的擔憂。霍金稱,我目前見證的最深刻的社會變化是人工智慧的崛起。
  • 思想上的「巨人」,被大家質疑的霍金有哪些貢獻
    霍金對於科學有什麼貢獻?最近幾年,關於霍金的質疑越來越多,很多人說霍金只不過是一個思想的巨人,理論全靠想像力,大家都誤解他了。史蒂芬·霍金在物理學和宇宙學領域的主要貢獻在於對以下方面的研究:宇宙的起源;大爆炸理論;引力和時空奇點;黑洞輻射;沒有時空邊界的宇宙;無神論;存在外星生命的可能性很高。
  • 楊振寧:物理學盛宴已過。中國的諾貝爾物理學獎在哪裡?
    霍金將物理學視為最高學科,他說:「對我而言,生物學似乎太描述性了,並且不夠基本。它在學校中的地位相當低。最聰明的孩子學數學和物理,不太聰明的學生物學。」 霍金的主要研究領域是宇宙論和黑洞,他證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理,提出了黑洞蒸發理論和無邊界的霍金宇宙模型,在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——相對論和量子力學方面走出了重要一步。
  • 物理學最重要的諾特定理,是怎樣導出三大守恆定律的?
    物理學中常見的守恆定律有能量守恆、動量守恆、角動量守恆。什麼是物理量的守恆?舉例來說,守恆量就像體育課上滿操場瘋跑的孩子們的人數,它在一整節體育課上都是不變的,不會增加也不會減少,而這一整節課,正好類似於一個力學系統。
  • 霍金是騙子嗎?他的言論靠譜嗎?為什麼很多人罵霍金?
    他還說,再過30年,人類就必須移民到其他星球。「如果人們不向宇宙空間移民,將會因人口過剩和氣候變化而滅亡,這只是個時間問題。」這些話題都具有極大爭議性,而且爭議者的範疇遠遠跨越了科學界,成為了一個大眾話題。但要說霍金是不是騙子,得看霍金具體說了什麼話,這些話是不是靠譜。