不确定性的崛起

L让我给你讲一个关于一个真正的西班牙征服者弗朗西斯科·德·奥雷亚纳的虚构故事。

1546年，他被捕入狱，关在一个又小又潮湿的牢房里。没过多久他就被传唤了，法官判他死刑。雪上加霜的是，法官决定对他进行一点精神折磨。判决是在一个星期天通过的，法官下令在周末前绞死Orellana，但也只在他行刑的早上被告知这件事。每天晚上，Orellana入睡时都不知道这是否是他的最后一天。

但是等一下，Orellana想(大概是在面对死亡时保持着理性)。处决不能在周五进行，因为如果奥雷拉娜在周四早上没有被告知他将在当天被处死，那么他就需要在第二天被处决，这让他有了一整天的预见。曲折的惊喜将不复存在。因此，他最迟将在星期四被处死。

但是星期四也是不可能的，因为如果他在星期三早上没有被告知他将在那天去世，他将得到同样的全天通知。按照这一思路，奥雷利亚纳得出结论，周三、周二以及周日之前的所有其他日子都是行不通的与刽子手的约会。

奥雷拉娜的结论是，他完全靠思想的力量转移了自己的痛苦。行刑永远不会让人感到意外!

这一著名的谜题被称为“刽子手悖论”，多年来一直存在于许多不同的变体中。直到今天，哲学家们还在争论捕获物在哪里。法官的指示怎么会这么简单？有没有隐藏的假设？逻辑上的微妙突破？这个词的定义是什么惊喜始终如一？

不确定性

刽子手悖论的核心是决定论和机会之间的紧张关系。决定论简单地告诉我们，历史的第一个时刻决定着直到最后一个时刻的每一个时刻。用波斯诗人和天文学家奥马尔·哈亚姆的话来说，“创造的第一个早晨写下了/清算的最后黎明将读到什么。”机会剥夺了我们的控制和远见，就像法官想象中的奥雷利亚纳。

奥雷利亚纳认为，他已经带领决定论战胜了法官判决的不确定性。但当我们更仔细地观察他的胜利时，我们开始感到付出了代价。有人反对。我们可以凭直觉相信，法官的命令事实上放大了死刑判决的恐怖性。刽子手悖论反映了任何确定性主张的矛盾性。

事实上，我们大多数人可能已经对决定论产生了矛盾。从心理上说，我们的所有行为都完全由我们的历史和环境决定，这一可能性使我们感到厌恶。此外，我们对世界的主观体验充满了随机性。

创世的第一个早晨写道
清算的最后曙光会读到什么。”
-奥马尔·卡亚姆

另一方面，决定论在智力上令人愉悦，并吸引了一些最伟大的思想家。德国哲学家和数学家戈特弗里德·莱布尼茨将其发展为“充分理性原则”认为一切都是有原因的。荷兰哲学家Baruch Spinoza是一位理性主义者，他用充分的理由论证了一个完全确定的宇宙，上帝基本上是所有原因的总和。对斯宾诺莎来说，宇宙只能由一种方式构成，甚至上帝也没有选择。

对于决定论者来说，随机性是一种错觉，是我们人类无知的结果。在这一幻觉之下是一个发条的世界。对于一个深刻的反决定论者来说，自然界的现在和过去本身有着不确定的关系。那么，决定论者和反决定论者都会同意随机性的存在。但对一方来说，这是人类的失败，而对另一方来说，这是一种物质属性。

这就是物理学家进入辩论的地方。正如我们将看到的，量子物理学为决定论、随机性、对偶性提供了一个有趣的解决方案，这种二元性能够兼容并包。它在整个宇宙的层面上描绘了决定论，同时允许宇宙的任何部分基本上是随机的。

不确定的短暂历史

也许在决定论阵营中最明显的科学结果是牛顿发现了运动定律。他们使科学家能够精确地预测遥远未来行星的位置。考虑到宇宙中所有其他物体也遵循这些规律，所有的存在似乎都是决定性的。法国物理学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）推断，一个足够强大的智能，能够“理解大自然所受的一切力量”，并知道每个物体的初始位置，可以从头到尾了解一切：“……没有什么是不确定的，未来和过去一样，将呈现在它眼前。”

想象一下，他说，我们想知道单个电子的位置和速度。为了观察它，我们必须将光从电子上反射回来，然后用显微镜检测反射光。但是有一个问题：光与电子相互作用会给它一个推力，因此我们在显微镜中看到的位置将不再准确。更糟糕的是，推力会给电子带来一个随机的速度，使得位置和速度都不确定。海森堡认为，无论我们的工具多么敏感，我们永远无法同时知道位置和速度。

也许这并不令人惊讶。由于物体以复杂的方式相互作用，你可能会说，它们的某些属性变得不确定。但即使在没有直接相互作用的情况下，也会产生不确定性。

假设你有许多电子处于完全相同的物理状态。现在随机选择其中一半，测量它们的位置，同时测量另一半的速度。物理学家发现，越精确地测量前半部分的位置，就越无法精确地测量后半部分的动量。海森堡的不确定性又来了。但这一次，在测量过程中，两半之间没有相互作用。更重要的是，这种不确定性关联持续存在，不管两半之间的距离有多远，即使是在巨大的范围内。一半对另一半的测量结果的反应是瞬时的。

对于决定论者来说，随机性是人类的一个缺陷。对于反决定论者来说，它是一种物理属性。

这幅世界图景确实让爱因斯坦感到困扰，因为远距离信息交流似乎违反了他的相对论，也因为他反对现实是极不确定的观点。他认为量子力学是不完整的，并提出了一个思想实验来证明这一点。在他与同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）共同设计的实验中，两个粒子相互作用的方式使得它们的位置和速度完全相关。测量其中一个的位置可以让我们知道另一个的位置，也可以让我们知道它们的速度。

但是如果我们能够确定两个粒子的确切位置和速度，这将与海森堡的测不准原理相矛盾（我们将测量一个粒子以确定其位置，另一个粒子以确定其速度）。由于量子物理学是以海森堡为基础的，它一定是不完整的。这被称为EPR悖论。（阿兰·阿斯佩特（Alain Aspect）和其他人随后的实验调和了量子力学这些令人不安的方面，证明爱因斯坦和他的同事们是错的。）

物体和事件之间的量子关联，如我们所描述的，称为纠缠。量子物理学规定，宇宙中所有相互作用的物体都已纠缠在一起。相互作用仅仅意味着物体，比如原子，通过交换其他物体，比如光子，来共享信息。更一般地说，当一个对象的属性受到另一个对象的影响时，我们说它们相互作用。

几乎所有的物质都以某种方式纠缠在一起。这是因为物质通过光和其他场不断地相互作用。更重要的是，在遥远的过去，所有物质的相互作用甚至更密切，因为整个宇宙的体积(可以说)小于10^-43米立方（大约10米）^-34大爆炸后的几秒钟）。

因此，物理学将我们从牛顿和拉普拉斯精确确定的世界观，带到海森堡的局部不确定世界，带到了方位的全球不确定世界。如果所有物质都是相互纠缠和相互依赖的，那么我们了解宇宙任何部分的性质的能力取决于与遥远物体的不可思议的联系。这种简单的观察可能是决定论和偶然性之间调和的基础。

概率的起源

为了了解这是如何工作的，我们必须首先假设我们在实验室小系统中研究的量子物理学适用于整个宇宙。

如果是这样，宇宙就处于一个巨大的纠缠状态。宇宙作为一个整体有可能完全确定性地演化，而宇宙的各个部分保持着不确定性。从我们有限的角度来看，在我们宇宙的一角，看着我们能够接触到的微小物质，在不知道相关纠缠的情况下，事情确实会显得不确定。同时，从宇宙之外的角度来看，一切都被视为一个整体，他们不会这样做。

按照这种观点，我们生活在一个决定论的宇宙中，但无法逃避不确定性。纠缠成为我们宏观生命不确定性的一个重要来源。例如，抛硬币是随机的，原因有两组。第一种情况是我们对初始条件的无知:我们的手处于一个意想不到的位置，我们给硬币的速度是随机的，等等。但是，即使我们对这些因素进行了修正，并在看似相同的条件下进行投掷，原则上，结果仍然是随机的，因为还有另一个独立的不确定性来源:硬币、我们的手和其他所有东西都通过纠缠与其他物质联系在一起。而其他物质的性质是我们无法控制的。

一个比随机抛硬币更重要的结果是不确定性，这是进化所必需的随机DNA突变的基础。一个真正不确定的局部物理保证了这个过程有一些“噪音”，而且原则上变异总是可能的。毕竟，DNA复制的化学过程涉及电子和原子的交换，它们是量子对象。

我们生活在一个确定性的宇宙中，但无法逃避不确定性。

确定性宇宙符合现代物理学所呈现的一幅更为广阔的图景，这幅图景被认为是极其平衡的。一个系统的无序程度可以用熵来衡量，熵是一个反映系统各部分组成整体的不同方式的量。一个完全确定的宇宙具有零熵，因为只有一种排列是可能的（未来的排列完全由固定定律决定）。如果宇宙是确定性的，那么它的熵为零。根据热力学第二定律，与宇宙其他部分的纠缠度的增加平衡了我们对宇宙中我们这一部分的熵（或无序）增加的观察。由于纠缠度的增加会使态之间相互关联，从而降低熵。总的来说，熵总是保持在零。

最近的测量还表明，宇宙作为一个整体具有零能量、零电荷和零角动量。这怎么可能？由物质产生的所有能量（正）被等量的引力能（负）抵消。有等量的正电荷和负电荷，我们不能不产生另一个就产生一个。零角动量意味着宇宙没有净自旋。那么，宇宙就是一大堆虚无：阴阳相互抵消。在本地，在我们自己的社区，我们似乎有很多东西：物质、电荷、运动、熵和不确定性。但在全球范围内，这些都不存在，从未有过，也永远不会有。

这幅画会让古希腊哲学家伊壁鸠鲁感到高兴。他声称“无所生无所成”，也就是说，有些东西不能凭空创造出来。否则，他说，任何东西都可以从任何东西中创造出来。这一观点与梵蒂冈官方关于宇宙起源的立场相反，但与现代物理学完全一致。

而它的熵为零的决定论，正好符合这个范例。

吉伯特·基斯·切斯特顿认为，悖论之所以有价值，是因为它们是“为了吸引注意力而倒立的真理”。在我们的例子中，我们就像Orellana一样，推理出了一种深刻的决定论。就像刽子手悖论一样，它与深刻的不确定性并存，尽管令人不安。

Vlatko Vedral是解码现实：作为量子信息的宇宙.