我們生活在一個虛擬世界的概率有多大?

2020-12-16 澎湃新聞

利維坦按：

我們在以前的文章中介紹過約翰·惠勒提出的延遲實驗：

第一步：

我們拿一塊經過半鍍銀處理的反射鏡BS1來代替雙縫實驗中的擋板。根據量子的分布隨機性，從圖示左側射入的單個光子有一半可能通過反射鏡，一半可能會被反射。如果我們把光子的入射角度設置為45度角，則一個光子可能會直飛（I1→M2），可能會被反射成直角（I1→M1）。

第二步：

我們在I2處再放上一個全反射鏡，則可以將穿過半反射鏡的光子路徑和被反射的光子路徑交匯出一個所有光子的終點I2來。我們通過測量這個終點位置上的光子射入角度，可以知道單個光子是通過了半反射鏡，還是被反射了。

第三步：

我們將終點處的全反射鏡同樣換成了半反射鏡。根據雙縫實驗的結論，角度合適的時候，光子會在此處發生幹涉。換句話說，光子同時走過了 I1→M1→I2和 I1→M2→I2兩條路。

第四步：

詭異的事情發生了。當我們去觀測光子的射入角度的時候，我們可以明確知道光子的運動軌跡。也就是說，此時光子只走了一條路。當我們放上半反射鏡的時候，光子發生了幹涉。也就是說，此時光子同時走了兩條路。觀測者的自由意志（是否插入半反射鏡）改變了光子的路徑選擇。

更詭異的是，我們可以在光子實際通過了第一塊半反射鏡且快要到達終點時才決定是否插入半反射鏡。換句話說，我們可以在事情發生後再來決定它應該怎樣發生。

不知道這個實驗能否作為「我們生活在模擬現實」中的一個佐證？

一般來說，當脫口秀演員在自己的節目裡談及物理定律時，很少能達到把天體物理學家驚豔到起一身雞皮疙瘩的水平。不過在最近一期的播客節目《星談》（Star Talk）中，喜劇演員查克·尼斯（Chuck Nice）做到了。這檔節目的主持人奈爾·德葛拉司·泰森（Neil deGrasse Tyson）在節目中解釋了什麼是模擬假說（Simulation Theory），即我們也許生活在誰的電腦裡，只是虛擬世界中的虛擬生物罷了。

如果真是這樣的話，維繫我們這個世界的模擬系統很可能是根據我們的觀察需求來模擬現實帶給我們的感知，而不是每時每刻都在模擬現實世界的每一個角落——就好像我們所處的這款遊戲會優先渲染玩家可見區域的場景。

「也許這就是為什麼我們永遠都不能以超光速旅行，因為一旦我們能做到超光速，我們就可以到達其他星系，」尼斯隨後在節目中說，他是這檔節目的客串主持人，也正是這句話讓泰森激動地打斷了他的話頭，興奮地說道，「所以就在他們給我們這個虛擬程序敲代碼之前，」這位天體物理學家也因為這個想法激動起來，「那些程式設計師先給我們的世界設置了光速這樣一個極限！」

兩位主持人在節目中的這段對話聽起來也許過於天馬行空，但是自從2003年牛津大學的哲學家尼克·波斯特羅姆（Nick Bostrom）發表了一篇堪稱模擬假說領域奠基石的論文之後，其他的哲學家、物理學家、技術專家，當然也包括其他脫口秀演員一直在試圖研究這個課題，即我們所處的現實世界是否是虛幻的。他們中有些人試圖找到一些方法來確定我們到底是不是虛擬存在（Beings），另外一些人則試圖計算我們是虛擬實體（Virtual Entities）的概率到底是多少。

（www.birdlife.org/asia/projects/helmeted-hornbill）

如今一項全新的數據分析研究表明，我們生活在虛擬實境的概率，與生活在基本現實（Base Reality）——也就是非虛擬的存在——的概率幾乎各佔一半。不過這項研究也論證了另外一個觀點，虛擬假說的可能性在未來也許會壓倒性地躥升，一旦人類未來能夠發展出模擬意識的技術，那麼我們自己就很有可能是別人電腦中的虛擬常住人口。

在此需要對這一結論附上一句備註：由於目前各方意見幾乎無法對「意識」（Consciousness）一詞的含義達成任何一致，就更別提所謂模擬意識到底是什麼意思了。

2003年，波斯特羅姆設想了這樣一種情況：假設有一個對模擬技術極其嫻熟的高等文明，他們擁有強大的運算能力，而且只需其中極小一部分的運算能力就可以模擬出包含有意識存在的虛擬實境——如果該假設成立，那麼下面這一組三元悖論（Trilemma）中至少有一個命題是成立的：

第一，人類每次接近或掌握類似模擬技術時就會遭到滅絕。

第二，即使人類掌握了這項技術，我們（他們）也不會有興趣模擬出自己的祖先。第三，我們生活在一個模擬現實中的概率接近100%。

在波斯特羅姆發表論文以前，電影《黑客帝國》（The Matrix）已經在很大程度上推廣了模擬現實的概念，而且這一概念早就深深植根於東方、西方的哲學思想之中了，自古就有柏拉圖的洞穴之喻（Allegory of the Cave）、莊周夢蝶這樣的典故流傳至今。直到最近，埃隆·馬斯克（Elon Musk）還在為我們生活在虛擬世界的概念添柴加薪。「我們生活在基本現實中的概率只有十億分之一，」他在2016年的一次會議上如是說。

「只有當我們假定那組三元悖論中的命題一、命題二是偽命題，馬斯克才是對的，」哥倫比亞大學天文學家大衛·基平（David Kipping）如是說，「但是誰會做出那麼離譜的假設呢？」

為了進一步研究波斯特羅姆的模擬假說，基平採用了貝葉斯推斷（Bayesian Reasoning）分析法。這是一種基於貝葉斯定理（Bayes' Theorem）的分析方法，以18世紀英國統計學家、長老會牧師託馬斯·貝葉斯（Thomas Bayes）命名。而貝葉斯的分析法可以幫助人們計算某事發生的概率，即所謂的後驗概率（Posterior Probability），而分析的第一步就是對被分析的客體進行假設——這時會給該客體指定一個先驗概率（Prior Probability）。

基平在研究之初首先把那組三元悖論轉變為一對兩難困境（Dilemma），他將命題一與命題二重新打散合併，用一個命題表述出來，因為無論是命題一還是命題二，最終的結論都是並不存在所謂的模擬現實。

因此，在得到的這對兩難困境中，對立的雙方分別是一個基於物理學的假設（並不存在所謂的模擬現實）與模擬假說（基本現實與模擬現實都存在）。「你只需要給每一個模型指定一個先驗概率，」基平說，「而當我們沒有任何數據或者傾向時，只需要默認並假設不充分理由原則（Principle of Indifference）成立，即每一種可能性的概率都是相等的。」

因此每一種假設得到的先驗概率都是50%，基本上就和拋硬幣賭博的情形是一樣的。

下一階段的分析涉及到關於兩種不同現實的分類，其一是「經產的」（Parous）現實，即能夠生產出其他現實的現實；其二是「非經產的」（Nulliparous）現實，即那些不能生產出後代現實的現實。如果上文提到的那個物理學的假設是真的，那麼我們生活在非經產現實的概率就不難計算了，即可能性為100%。

接著基平通過其研究證明即使在模擬假說中，絕大多數的模擬現實都是非經產現實。這是因為隨著模擬現實不斷產出更多的模擬現實，該文明能夠為每一個後代現實提供的運算能力就被不斷分攤、減少，直至減少到一個臨界值，即絕大多數的現實都是那些並不具備足夠運算能力的現實，它們無法作為主機來支撐內部的意識存在。

把這些都代入貝葉斯公式（Bayesian Formula），就會在運算結果中找到我們想要的答案：我們生活在基本現實中的後驗概率與我們是被模擬出來的後驗概率幾乎是一致的，我們生活在基本現實中的後驗概率只是稍微大一點而已。

當然，如果人類能夠創造一個包含有意識存在的模擬現實，那麼這些概率就會發生戲劇性的改變，因為該事件將改變我們給之前那個物理學假設指定的概率。

「當然了，你可以因此立刻否定那個物理學的假設，於是我們就只剩下模擬假說了，」基平說，「根據上述計算，我們是真實存在或我們是虛擬的概率原本幾乎是各佔一半，但是只要人類在某一天掌握了那樣的技術，這個概率就會馬上轉變，到那時幾乎可以確定我們根本不是真實存在著的。這一天無疑是人類智慧的一場勝利，但隨之而來的獎勵也的確太奇怪了。」

基平的研究結論是，基於現有的證據，馬斯克提出的我們生活在基本現實的概率只有十億分之一的這個說法是錯的。波斯特羅姆基本同意了基平的結論，但他提出了幾點建議。「這與模擬假說並不衝突，因為該理論只是關於邏輯或（Disjunction，是邏輯和數學概念中的一個二元邏輯算符。其運算方法是：如果其兩個變量中有一個真值為「真」，其結果為「真」，兩個變量同時為假，其結果為「假」）做出了一些推斷，」即那組三元悖論中一個命題是真命題，波斯特羅姆如是說。

（www.mdpi.com/2218-1997/6/8/109）

但是波斯特羅姆反對基平在其分析一開始就給那個基於物理學的假設與模擬假說指定了相同先驗概率的做法。「在這裡援引不充分理由原則並默認其成立是有問題的，」基平說，「我們同樣能夠在我提出的那組三元悖論中援引不充分理由原則，這樣每一個命題就都可以被指定三分之一的概率。或者，我們也可以通過其他方式分割概率空間（Probability Space），並得到任何人期望的任何結論。」

即使是這種如同狡辯的說辭目前也是有效的，因為並沒有任何證據可以支持某一個觀點並證偽其他觀點。如果我們能找到模擬現實的證據，這樣的僵局就會被打破。那麼誰能在我們的「矩陣」中找到那些小故障呢？

加州理工學院的計算數學（Computational Mathematics）專家侯曼·奧瓦迪（Houman Owhadi）曾經思考過這個問題。「如果模擬現實擁有近乎於無限的運算能力，那麼我們就永遠沒有任何方法能夠意識到我們正生活在一個虛擬實境世界中，因為這個模擬現實可以計算出你想要的任何東西，並且以你所期待的真實度呈現出來，」他說，「如果這個模擬現實可以被探知，那麼我們必須以它的計算資源有限為前提考慮問題。」如果我們再次以遊戲舉例，這就像很多遊戲都憑藉巧妙的編程儘可能地節省構建遊戲中虛擬世界所需的運算能力。

奧瓦迪認為，如果類似的編程捷徑存在，那麼人類最有可能發現這些潛在矛盾點的領域就是量子物理學的各種實驗。量子系統可以維持多種狀態的疊加態並持續存在，而我們可以通過一種被稱為波函數（Wave Function）的數學抽象方法來描述這樣的疊加態。

在標準量子力學中，觀察系統這一行為將導致這種波函數隨機坍縮到眾多可能性中的一種狀態。至於這種坍縮的過程是否真的存在，亦或它也許反映了我們對這一量子系統理解的某種轉變，為此爭論的物理學家們分為了兩派。

「如果這個量子系統是絕對的模擬產物，那麼就不應該存在坍縮的過程，」奧瓦迪說，「當你觀察它的時候，一切就已經是確定的了。就像你在玩遊戲時發生的情況，你看到的那部分虛擬實境已經完成了計算，而餘下的虛擬世界只是一種模擬。」

為了進一步研究，奧瓦迪及其團隊已經進行了5個雙縫實驗（Double-slit Experiment）的不同變體實驗，每一個實驗都是為了打亂模擬現實的某一次模擬過程而設計的。然而他也承認，在現階段我們甚至無法知道這樣的實驗是否能夠說明問題。「這5次實驗只不過是在猜測而已，」奧瓦迪如是說。

（ijqf.org/archives/4105）

馬裡蘭大學帕克分校的物理學家佐雷·達沃迪（Zohreh Davoudi）也對此很感興趣，特別是針對一個運算資源有限的模擬現實將如何露出馬腳的問題。她的研究關注於強大的相互作用力，或巨大的核能——大自然中的四大基本力量之一，它將夸克（Quark）結合在一起形成質子（Proton）和中子（Neutron）。然而描述這種強相互作用的方程極其複雜，也無法用分析方法解開方程。

為了進一步理解這種強相互作用，物理學家不得不進行數字模擬。與那些我們假設存在的擁有無限運算能力的超高等級文明不同，我們的物理學家們必須依賴一些算法的捷徑保證這種模擬對於計算機來說是可行的——通常來說，所謂捷徑就是假設時空是離散（Discrete）而非連續的（Continuous）。然而迄今為止研究人員通過這種取巧的方法能獲得的最新成果是模擬了1個氦原子核，它由2個質子與2個中子組成。

「人們很自然地會想到，如果你今天能模擬一個原子核，也許10年後人類可以模擬一個更大的原子核，也許20年、30年後我們還能模擬出一個分子，」達沃迪說，「而50年後，誰知道呢，也許你就能模擬出幾英寸那麼大的一塊物質。而100年甚至更久之後，我們就能模擬人類大腦了。」

但是達沃迪認為傳統的計算機很快就會撞上運算能力的天花板，她指出，「在未來10年或者20年裡，我們將看到傳統模擬方法在模擬物理系統時存在的局限性。「因此她將目光投向了量子計算領域，通過疊加態與其他量子效應，這種計算可以讓傳統方法幾乎不可能完成的一些計算機問題變得可能。

」如果量子計算真的能夠實現，我的意思是對於我們這些研究人員來說，它能作為一種可靠的大規模計算機運算選擇，那麼我們就將進入一個不可同日而語的模擬技術的新紀元，「達沃迪如是說，」我現在就已經開始想像如果我擁有一臺可靠的量子計算機，那麼我該如何開展針對強相互作用的物理現象及原子核的模擬。」

所有這些因素都讓達沃迪猜測模擬假說也許是對的。如果我們的現實是被模擬出來的，那麼這個模擬器很可能也會將時空視為離散的，這樣就能節省運算資源了。（當然這需要首先假設該模擬器與我們的物理學家使用著相同的模擬機制。）沿著高能宇宙射線（High-energy Cosmic Rays）的源頭方向尋找，我們也許能看到這種離散時空的特徵：由於破壞了所謂的旋轉對稱性（Rotational Symmetry），這些射線也許在太空中會選擇一個優先的運動方向。

對此，達沃迪表示，我們的望遠鏡「還沒有觀察到任何與旋轉不變性（Rotational Invariance）不相符的偏差。」另外，即使我們觀察到了上述效應，它也不足以構成我們生活在模擬現實中的確鑿證據。

儘管基平的研究結果似乎與模擬假說並不一致，但他仍然擔心未來那些關於模擬假說的研究也許會面臨如履薄冰的窘境。「可以這麼說，關於我們是否生活在一個模擬世界中，這一點是無法被測試的，」他說，「如果你甚至無法檢驗它，你又怎麼能將其稱為科學呢？」

有一個明顯的答案可以回答基平的問題：奧卡姆剃刀原理（Occam’s Razor），該原理指出，在沒有其他證據的情況下，最簡單的解釋也最有可能是正確的解釋。模擬假說是相當精細複雜的，它假設了嵌套於其他現實中的現實，還假設了那些永遠無法察覺到自己身處於模擬現實中的模擬實體。基平指出：「由於模擬假說本身是一個過於精細複雜的模型，根據奧卡姆剃刀原理，該假說遠不如簡單而自然的解釋那樣更容易被人接受。」

儘管我們的世界裡有《黑客帝國》、馬斯克以及奇怪的量子物理，但我們還是活在基本現實裡的吧。

文/Anil Ananthaswamy

譯/BUG 鏑木

校對/桐谷和人

原文/www.scientificamerican.com/article/do-we-live-in-a-simulation-chances-are-about-50-50