Monday, April 11, 2011

从不确定原理到存在性假设

不确定原理

海森堡不确定性原理英语Heisenberg Uncertainty Principle,有時也被譯成海森堡測不準原理)是由德国物理学家海森堡于1927年提出的量子力学中的不确定性,具体指在一个量子力学系统中,一个粒子位置和它的动量不可被同时确定。

位置的不确定性 \Delta x\,\! 和动量的不确定性 \Delta p\,\! 是不可避免的:

\Delta x \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}\,\! 

其中 \hbar\,\! 約化普朗克常数

类似的不确定性也存在于能量时间角动量角度等許多物理量之间”

-----摘自维基百科

这一原理一开始是数学推理上的产物,并在相当长的时间里无法得到一个合理的物理解释,一度被视为一种观察者效应。

实际上,不确定性原理确实很容易被理解为一种观察上局限。现有的观测技术存在着物理意义上的精度下限。例如要观测一个粒子,我们至少要依赖有其它粒子(常见的如光子)与其相互作用。对于宏观物体来说,光子不会对其产生显著可见的影响,但是到了微观粒子尺度,这一影响就不可忽视了。入射光子会明显干扰到被观测对象的行为。

这一理解往往导致一种错觉,就是真实世界其实并不存在这一局限,而只是因为我们观察手段的有限。换句话说,虽然我们无法确定它,但它在想象中应该确定的存在在那里。然而,随着量子力学的相关进展,人们越来越意识到,这种不确定性竟然跟量子力学是相容的,或者说,甚至是一个必须成立的基本假设。那么,这是否意味着我们的世界在真实意义上本身就存在某种不确定性?这一问题现在尚无人能给出一个明确可信的答案。

数十年后,其他的学者在其他一些新兴领域也发现了类似的不确定性原理,包括信息论、控制论。种种迹象似乎也都暗示着同一个假设。

系统的演化法则

我们的世界,大到宇宙,小到生物体,都是无比精密和复杂的系统。

作为新兴的21世纪的科学,系统科学的着眼点在于整体。任何系统无非包括两大因素,一是组成单元,一是组织结构。通过在不同层次上去分解,同一个系统可以被不同角度的理解和分析。而通过不同的组织原则,同样的单元可以构建不同功能的系统。

一个典型的大系统就是地球生态圈。在经历了几十亿年的演化后,地球从荒凉的无机世界逐步演变成繁荣的今日世界。而从物理角度去看,地球自身这个大实验瓶,在几十亿年里几乎是完全独立的,输入的无非是各类辐射(包括阳光)或者星尘。一个几乎封闭的系统,自身演化能到今天这个样子,不得不说是个奇迹。

达尔文说生物进化是自然选择的结果,而提供自然选择样本的根源则是各类变异。那么自然选择的法则是什么呢?变异的动力来源又是什么呢?

第一个问题达尔文曾试图利用基本的淘汰说来解释,第二个问题则没有能给出回答。

实际上,用控制论的角度去看,任何系统都动态的处在一个个状态的演变中,这些状态有些是不稳定的,在随机扰动下很快就偏离出去;有一些是相对稳定的,能够抵抗住一般的小扰动的干扰。给定足够精确的系统模型,给定足够准确的干扰序列,我们就可以预知其任何时刻所处在的状态。

利用这个观点去看生物的进化,也无非是个类似的过程。生态圈作为一个完整的系统,存在着自身的基本单元(风雷水火。。。)和组织法则(各种物理定律),在各种扰动的影响下,不断从一个稳态变化到另一个稳态。系统偏离稳态所需要的扰动往往是剧烈的,可想而知,每一次的演变引起的可能都是天翻地覆的变化,例如恐龙时代的结束。

用控制论的观点很完美的解释了生物进化的过程。然而接着来谈第二个问题,变异的动力来源(扰动)是什么?不可否认,来自地外的影响占据了一部分,但毕竟有限。更主要的扰动应该是来自内部……

是的,不要惊讶,很可能不确定性原理所表述的,正是这个世界演化到今天的根本源动力。

存在性假设

现在,我们要继续探讨的,是哲学上一个绕不开的话题。

世界是确定的还是非确定的?

这不仅仅是个饭后无聊用来消遣的哲学问题,更是个严肃的自然科学问题。

如果我们承认世界在本质上是不可确定的,概率存在的(似乎听起来符合“科学”些),那么科学的尽头已然出现了,不确定的东西按照我们的逻辑是无法去研究的。

如果世界是可确定的,真实意义上的,那么,我们其实否认了自身的存在,因为这意味着主观其实不存在,我们下一刻的任何行为都是被预设的,听起来似乎不那么容易被接受。

我们在前面的讨论中,暗示了世界低层次的存在很可能是不确定的。而宏观层次因为组织演化法则的约束,在某种意义上实际上是概率确定的。

这里就有一个很有趣的问题,人的意识应该属于微观层次还是宏观层次?或者说,人的意识是否是宇宙这个大系统自然演化状态的一个产物?如果承认了这一假设,那么就认可了带有悲观色彩的论点;而不承认这一点,又无法用现代的科学体系自圆自说。

所以,信仰宗教的人是幸福的。

一切搞不明白的事情,都可以丢给上帝。

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