即使上帝亲自开挂,也有些东西是无法预测的!拉普拉斯的恶魔完败

老胡懂点星 2025-03-09 15:06:27

拉普拉斯的恶魔,完败。

19世纪初,拉普拉斯天真地以为,给他的“恶魔”提供宇宙中所有粒子的精确状态,它就能推演出过去和未来的每一个细节。从牛顿力学的角度来看,这个逻辑似乎无懈可击。但200多年后的今天,物理学家、数学家和计算机科学家给出的结论是:即使上帝亲自开挂,也有些东西是无法预测的。

量子力学给拉普拉斯恶魔的第一击。粒子的状态并不是单一的,而是概率性的。测量之前,它们既在这里,也在那里,逼得“恶魔”只能赌一把,预测的精准度被量子不确定性打了个对折。

混沌理论补上一拳。哪怕理论上知道所有初始条件,只要是混沌系统,微小误差就会被指数级放大。天气预报就是最现实的例子,今天的超级计算机已经能跑出无数种可能性,但十天以外的天气仍然没法准确预测,何况50年后。

然后是更恐怖的东西:不可判定性。拉普拉斯恶魔原以为,只要信息足够完整,计算能力足够强大,预测未来就是一个数学问题。但数学家早已证明,有些数学问题是根本无法解决的,现在,物理学家发现,这些不可判定的问题竟然广泛存在于真实世界的物理系统中。

图灵在1936年提出的“停机问题”,已经彻底封死了所有试图建立万能预测算法的希望。简单来说,不可能有一个通用算法,能判断所有程序最终会不会停机——这事儿本身就是个死循环。

然后,物理学家开始往现实世界里找这种死循环。1990年,Cris Moore 用一个极简的弹珠机,构造了一个物理版的图灵机。它的初始状态就像图灵机的磁带,而挡板的分布对应计算规则。问题来了:如果程序不会停机,那么弹珠就永远不会落出盒子,但这个问题是不可判定的。换句话说,就算给拉普拉斯恶魔上帝视角,它也无法判断弹珠最终会不会落下。

接下来的几年里,不可判定性在现实世界的影子越来越多。Cubitt 和 Pérez-García 发现,在量子材料里,也有类似“停机问题”的存在。他们设计了一种特殊的量子系统,它的“光谱间隙”——能量跃迁的关键参数——竟然是不可判定的。你给我一个具体的材料,我可以测量它的光谱间隙,但如果让我从理论上证明某种材料一定有光谱间隙,这事儿是无解的。

2021年,Eva Miranda 又在流体力学里找到了不可判定性。她用数学方法证明,在某些精心设计的流体系统里,物体的最终去向是不可预测的。哪怕把水流的所有初始条件都输给一台无限精确的计算机,它依然无法算出一只橡皮鸭会不会漂进某个区域。

这一连串发现带来的冲击,比量子力学和混沌理论的打击更加彻底。以前,我们以为是“计算能力不够”,或者是“初始信息不精确”,但现在物理学家告诉我们,就算这两点都不是问题,仍然有些事情是无法预测的。

这不仅仅是数学上的“不知道”,而是物理上的“不可能”。无限计算能力?没用。完美初始条件?没用。整个宇宙的所有信息都录入进最强大的计算系统?仍然没用。因为从理论上讲,有些问题就是没有答案。

有人可能会问,这些“无限精确的系统”在现实世界里真的存在吗?毕竟,实验室里的任何东西都是有限的,弹珠机不可能真正有无限小数的精度,量子材料也无法真的模拟无穷长的图灵机磁带。

确实,我们的现实世界并不是真的“无限”,但科学建模几乎无一例外地依赖“无限”假设。气象学的模型假设空气是连续介质,但真实世界里的空气分子是离散的;电子工程假设电流是连续流动的,但电子实际上是一个个分立的粒子。无限只是物理学的数学近似,但这个近似非常必要,否则科学几乎寸步难行。

而既然现实世界如此依赖数学建模,而数学本身又存在不可判定性,这就意味着,现实世界也无法摆脱这种不确定性。未来的某一天,科学家们可能会找到更复杂的数学模型,可能会开发出更强的计算机,但有些问题仍然是死胡同。这是物理法则本身的限制,不是技术发展的瓶颈。

这直接让科学家的工作方式发生了变化。以前,他们的目标是找到描述自然的终极方程——一个囊括宇宙万物的数学公式。但现在,他们必须承认,就算找到了方程,也不意味着能解决所有问题。有些问题的“不可解”并不是暂时的,而是根本性的。

回到拉普拉斯的“恶魔”,它不仅仅是输了,而是彻底破产了。它并不缺信息,也不缺算力,但物理世界本身就是一座数学迷宫,其中有些路口,根本没有出口。

0 阅读:51

老胡懂点星

简介:感谢大家的关注