我们孤身一人，抑或和万物共舞
哲学上关于自由意志的探讨已经持续了很久，当我们把目光放在物理学上的时候也会出现类似的问题。今天给大家带来的平行宇宙系列的第四篇（前几篇的传送门），关于量子力学给我们带来的“宇宙究竟是如何运转”的思考。
周五晚上11点，我正打算写一篇关于自由意志的文章。我做这件事是基于我的自由意志吗？虽然我交稿的时间马上就到了——而这让我很困扰，但是我仍然认为我是具有自由意志的，我当然也可以和我的朋友一起去酒吧喝上一杯。
大部分人大概都会同意我的观点。除了患有精神疾病的人，我们中的大多数都认为可以按照自己的意愿行事。我们的道德体系，我们的法律体系和我们的文化都建立在自由意志存在的基础上。
宇宙不就像一个巨大的时钟一样在运转吗？
但是经典物理学却不这么认为。1687年，艾萨克·牛顿发表了他的运动定律，这些定律描述了从粒子到行星的所有物体在运动中所要遵循的规律。它可以准确的预测物体受到推动后的运动状态。如果没有任何推动，那么物体将保持原有的运动状态不发生改变。所有结果都有它发生的原因，所有的原因都会导致相应的结果。
牛顿的伟大成就导致了这样一种观点（最早由拉普拉斯提出）：整个宇宙的运行像是一个巨大的钟表。“如果在某一时刻知道了宇宙中所有物体的运动状态，同时你也知道作用在整个系统上的力，那么宇宙的未来就是唯一确定的，”剑桥大学的物理哲学家杰米·巴特菲尔德说到。“系统的初始状态和作用在系统上的力决定了未来的一切。”如果你认同我们是物质实体的一部分，那也就意味着我们的未来是确定的。那也就意味着自由意志是不存在的，我们也不需要什么道德责任。
命中注定却又不可预测
当你第一次接触决定论时，你也许会觉得它很荒谬，但它已经深入到科学之中。它曾经拥有，现在仍拥有很多著名的拥护者。爱因斯坦就是其中之一，他以非常巧妙的方式提出了这样的观点：“一切事物的开始和结束都是由我们无法控制的力量决定的。它既决定了昆虫的命运，也决定了星星的命运。人类，蔬菜乃至宇宙尘埃都伴随着神秘的曲调起舞，这曲调来自于远处一个看不见的风笛手。”
宇宙像时钟一样运转的观点追溯到艾萨克·牛顿的运动定律
但是决定论并不像它最初出现时那样可怕。实际上，任何人都不可能精确地计算出宇宙的未来。要做到这一点，首先你需要精确掌握整个宇宙当前状态。但是，即使对这些初始条件的测量存在极小的误差，很快预测结果就会偏离系统的真实状态，这就是著名的蝴蝶效应。即使整个宇宙中只有三个粒子，准确预测它们的运动状态都是不可能的。
更重要的是，想要计算出未来的状态一定要将我们自身包含进去。如果我根据一组初始条件计算出你接下来要做什么，那么揭示这些信息的行为将会让我的计算失效。告诉你说你接下来要喝一杯咖啡，而这就会改变你的大脑状态，从而改变初始条件。如此我就需要重新计算，结果可能会非常不同。
那么，如果我们并不能获取关于未来的任何知识，那么未来一切都是确定性的吗？大自然让我们对自由意志有强烈的感知，可能这正是我们想要善待他人的基础。由于互利比互害更加有利于社会的发展，自由意志可能是通过自然选择进化出来的幻觉。史蒂芬·霍金认为，我们关于自由意志的概念形成了一个很好的“有效理论”（例如，见他的书《黑洞和婴儿宇宙》）。即使一切在现实中都是预先确定的，自由意志的幻觉对我们来说已经足够好了，那么为什么不就此接受它呢？
量子随机性
如果这些还是让你感到不太满意，你也许会很高兴听到牛顿力学并不是真理。二十世纪初期产生了量子力学，这是一个非常难理解和反直觉的理论。它的结果之一是在微观尺度上存在本征的不确定性。这件事还是另一件事发生是无法被预测的。
“假设有一个粒子，你把它放在磁场中，它将会在A或B处出现，”数学家约翰·康威说。康威正在设想一个实验，比如斯特恩-格拉赫实验，在这个实验中，磁场改变了电子的路径。“即使你知道粒子在哪里，磁场强度是多少等等，你也只能预测粒子出现在某处的概率。一个粒子可以沿着路径A或路径B运动，它到达A的概率是2/3，到达B的概率是1/3。如果你不相信我，你可以重复实验1000次，你会发现669次，它在A处，331次在B处。”
这种自然内禀的随机性给决定论画上了句号。但这是否为自由意志争取到了生存空间？“我们必须非常谨慎，”维也纳大学物理学教授安东·蔡林格说到，“不确定性意味着找不到足够的原因来充分解释一个事件。”但没有充分的原因并不意味着我们具有自由意志。不管你是因为命中注定，还是因为你大脑中的某个随机事件要去杀人，你都无法自由支配自己的行为，你可以因此免罪。这里假设了量子领域的随机事件实际上可以影响你的大脑，这一说法目前还存在争议。
蔡林格本人是维也纳大学的物理教授
一个事件缺少物理原因并不意味着背后没有其它的非物理原因。正如勒内·笛卡尔和卡尔·波普尔所描述的那样，一个完全脱离物理实在的人类思维，会是导致随机性发生的根本原因吗？“有人可能会说，不确定性和我们只能对平均值做预测的事实表明还有一些人们没有注意到的原因存在。”，蔡林格说。“这完全是猜测，但在逻辑上是可能的。”
然而，这种方式可以赋予心灵的自由也是非常有限的：它可能会以这种或那种方式影响某个独立事件的结果，但对于多个事件，它无法在不违反物理定律的前提下改变事件发生的概率。如果你像上面描述的那样做了很多实验，2/3的粒最终到达A处，1/3最终到达B处。
观察者的作用
然而，随机性并不是量子物理的全部。它也揭示观测与物理现实之间的神秘联系。海森堡著名的测不准原理指出，粒子的某些物理特性之间可能是相互排斥的。位置和动量就是一个例子。当没有人观测时，粒子不具有特定的的位置和动量。相反，它存在于鬼魅般的叠加态中，它可以同时处于不同的位置并具有不同的动量。只有当你对粒子的动量或者位置进行测量时，动量或位置才会塌缩到某个固定的值上。如果你测量一个粒子的位置，它会告诉你粒子的精确位置。如果你测量它的动量，你也会得到一个精确动量。只是你不可能同时做到这两件事。
1933年的维尔纳·海森堡
这表明，如果世界上真的存在自由，即你或粒子的行为都不是由宇宙过去的历史预先决定的，那么这种自由有两种形式。”一种是我有选择做哪个实验（测量位置或动量）的自由，另一种是大自然拥有展现它想展现的结果的自由——这就是大自然的随机性，”蔡林格解释说。“从某种意义上说，这两种自由是殊途同归的。这是大自然的一个迷人的特征。”
然而，我们完全不清楚测量过程是如何导致一个叠加态塌缩到特定的状态上的——这就是著名的量子力学测量问题。一些物理学家，例如尤金·维格纳和约翰·冯·诺依曼，提出了塌缩是由物理世界外的意识引起的，这又回到了笛卡尔提出的心物二元论。但这种理解颇具争议。根据巴特菲尔德的说法，这些理论“具有令人愉悦的模糊感和神秘感，但完全是不可信的”。而它们对于自由意志的确切含义更是无能为力。
多重世界？
然而，量子力学还有另一种解释，它不需要引入塌缩这一概念。根据休·埃弗雷特在20世纪50年代首次提出的多世界理论，每进行一次测量，世界就会分裂成几个分支。每一个平行世界对应一个可能的结果。当你决定是右转还是左转时，宇宙立即一分为二。在一个世界种你会右转，在另一个世界中你会左转。
那么，自由意志存在吗？
尽管物理学在过去100多年里取得了巨大的进步，但它并没有为关于自由意志的问题提供答案。即使是量子不确定性也不能完全否定决定论。量子效应发生在微小的尺度上，它们是否能以一种有效的方式影响宏观世界是有争议的。
正如康威所指出的，我们总有可能生活在“第二次重播的宇宙（second time around Universe）”中。第一次，量子事件可能是随机的，人们的选择可能是自由的，但如果我们生活在重播中，那么一切都会以完全确定的方式发生。“最终，一个完全确定的世界与量子力学并不矛盾。”蔡林格说，“任何一种解释都是猜测，所谓事物具有确定性的本身猜测，当然随机性也是猜测。这是一个悬而未决的问题。”
但蔡林格也指出，那些声称没有自由意志的人通常不会遵循他们的信仰。”当我年轻的时候我参加过一个会议，有人声称没有自由意志，一切都是决定的。所以我站起来在300人面前侮辱了他。他生气了，我用一种非常安静的声音说：“你为什么生气，我别无选择！”
蔡林格说得有道理。除了固执的科学家，我们大多数人认为决定论是一种很难下咽的药丸。接下来的问题是，我们能否解释人类的意志怎样在不违反物理定律的情况下影响物理世界的变化。
作者：Marianne Freiberger
翻译：Nothing
审校：C&C
原文链接：
https://plus.maths.org/content/freedom-and-physics