存在命运吗?

标签: 精选文章 | 发表时间:2011-06-01 00:50 | 作者:Newton科学世界 Alalan
出处:http://blog.sina.com.cn/kxsj123

撰文/李 淼

    本期特别策划《未来是否已被决定?》讨论了物理学上的一个重要概念,这个概念在哲学中也是很重要的。所谓决定论,就是世界今后的发展已经完全决定了,被过去任何一个时刻的状态决定了。用物理术语说,就是世界具备因果性,未来任何时刻的物理状态由过去任何时刻的状态决定了。在哲学上,这就是命运论,无论你怎么努力,一切都在冥冥之中注定了。
     对于普通人,我们最关心的是,有自由意志吗?如果有,那么决定论在人这个层次上就是错的,因为我自己的意志是自由的,非决定论的。在宗教上,更有造物主的自由意志。这些概念,不是封面文章所要讨论的。如果你去查英文维基,你会看到很多不同种类的决定论。有:1. 因果决定论,指任何事件都有前因,这些因果关系形成一条因果链。2. 逻辑决定论,任何关于未来的命题或为真或为伪。这和因果决定论加在一起形成强决定论。其实,我在标题所用的命运论与强决定论并不是一个概念,标题完全是为了吸引人。3. 必然论或宿命论,这比决定论还要强,说世界只有一种可能,无论是开始、结束,还是中间状态,都只有一种固定的演化史。4. 神学决定论,承认上帝决定一切。5.“差强人意”决定论,是说即使量子论抛弃了经典决定论,但在宏观上决定论还是正确的。
    另外,我觉得很重要但英文维基“决定论”词条没有提到的是目的论,即一切事件都由某个最终状态决定的,凡事被未来所决定。上述各种决定论中,只有第1条和第5条以及目的论与现代物理学有关。
在牛顿经典物理学中,决定论有一个简单的形式,由牛顿力学中的方程所决定。例如,对于一个粒子,它满足牛顿第二定律,如果我们知道了粒子所受到的作用力,那么,粒子的状态就由两个量所决定,位置和速度。如果我们知道了粒子在某个时刻的状态,我们就可以预言它在未来任何时刻的状态,也可以反推粒子在过去任何时刻的状态。为什么我们需要位置和速度呢?因为牛顿方程是一个二阶微分方程。我们可以假想牛顿方程被修改为三阶微分方程,那么粒子的状态就需要三个量决定:位置、速度和加速度。无论如何修改运动方程,只要这个运动方程是有限阶微分方程,那么粒子就服从因果决定论。
    多个粒子与单个粒子并无本质不同,只是需要决定状态的量变多了。量多了,使得预言成为难题。甚至,在有些问题中出现了所谓浑沌现象,但这并不破坏因果决定论。现在我们经常关注的天气预报以及地震预报,就可能涉及浑沌现象。另外,还有个计算复杂度的问题,我们即使有最强大的计算机,也不能预言整个宇宙的精确状态,因为宇宙包含了太多粒子,至少1080以上。
    牛顿力学在麦克斯韦手中发展到不但需要粒子,还需要场,但方程仍然是有限阶微分方程,决定论继续成立。到了爱因斯坦的广义相对论,经典决定论发展到高峰,那时,人们认为没有什么是不可预言的(原则上)。
    爱因斯坦本人参与建立的量子论打破了经典决定论。海森堡告诉我们,经典的位置和速度不能再被拿来刻画一个粒子的状态,因为我们根本无法同时测量这两个量,这样,粒子运动轨迹也不是一个正确的概念了。薛定谔方程则告诉我们,我们无法确定预言一个粒子在下一时刻的位置。只有波函数本身满足微分方程,但波函数本身又不是可观察物理量。
    量子论被迫放弃用位置和速度确定粒子的状态,而改用波函数确定粒子的状态,这就产生了让我们很尴尬的问题:波函数不可测,可测的是位置和速度,但位置和速度不可能同时测准,所以,我们无法预言粒子下一时刻的位置或速度。这就是非决定论。仅仅一个微观粒子,我们都无法预言了,更不用说多粒子系统了。
现代物理实验告诉我们,量子论是正确的,没有任何问题,尽管给我们提供了一个奇异的世界。我们还可以后退一步接受修正的决定论:如果在某个时刻我们知道了波函数,那么下一个时刻波函数也确定了。
我觉得,大自然还隐藏着别的什么,也许是令我们更加惊奇的东西。例如,我就有些相信,也许目的论会在某种程度上进入基本物理。这是研究量子引力和暗能量给我的启发,但在此刻,我可不敢断言。

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