关于亲爱的拉普拉斯妖

作者: 失落的地平线 | 来源:发表于2015-04-17 16:34 被阅读5910次

关于拉普拉斯妖的存在,确实让我纠结了好几年,曾经致信问Prof.王,Dr.王还有一些学习科学和哲学的朋友,均未能解开心中谜团。也尝试看一些Chaos的书籍,并未发现对拉普拉斯妖和确定性的关系做一些深入的分析和思考,那些高喊机械唯物主义过时的人也并不能从本质上说出根源。《不可预测的哲学悖论 》(不可预测的哲学悖论 - 简书)叙述的就是我的这个疑问和思考。当我决定开始再学习一些分形的时候,一些新的发现完全的解答了我的疑问,缠绕了自己几年的问题总算是放下来了,那一刻真的是欣喜若狂。

缠绕我脑中的问题主要是决定论为什么被宣布死刑?确定性系统会因为混沌的存在偏离了原有的轨道导致确定性的崩溃?

一、因果关系和混沌的关系

因果关系分为强因果关系和弱因果关系。拉普拉斯妖描述的是是强因果关系,就是严格意义上的确定性,也是经典的牛顿力学的体现。从实验获得的数据来看,我们从来没有获得过可以用于强因果关系的数据,我们的计算能力也达不到强因果关系的要求,但是我们的实验就要停止,研究就不能进行下去了么?而且关于拉普拉斯妖,海森堡还说过“因果律的严格表达的是--‘当精确知道当前时,我们可以计算出未来‘--它不是个目的从句而是假设从句,那是错误的。我们不能知道当前的所有的确定性细节。”所以根本上没有判了拉普拉斯妖的死刑,只是海森堡号召大家跳出经典因果律的藩篱,通过概率这种不确定的方式去研究微观量子世界,然而实验结果证明了海森堡的正确。

海森堡的不确定原理并不完全是终结了确定性,而只是对他的修正,因为科学家从来就没有完全将拉普拉斯妖的神话当真,因为神话要求的条件,我们根本达不到,微小的误差是一定存在的,所以科学家笃信的是:在自然界以及任何好的实验中,大致相同的原因会引起大致相同的结果,特别是在短的时间内,不然我们就不能确定任何自然规律,不可能构造任何有用的机器。

对于拉普拉斯妖而言,还有一个打击,就是来自于Lorenz,混沌的老祖师,他提出所谓的确定性系统中可能存在的混沌系统会打破确定性的理念。书中并没有解释得很清楚,我个人的认为有两个重要的观点在里头。第一是确定性的系统,中间隐含着未知的混沌系统,当误差慢慢背放大后确定性会崩溃;第二就是在确定了的混沌系统中,有限计算精度的问题会导致确定性的崩溃。因此书上介绍了可预测和确定性是两个不同的概念,可预测是包含着误差的描述,与现实比较接近,确定性就是现实。

二、确定性混沌的悖论

混沌是确定性的,由固定的规则产生,但是在计算的过程中引入的有限精度的误差又破坏了它的确定性,这就是确定性的悖论。这原本是我的猜测,书中很明确的指出,因为有限精度,旅行者二号飞船离开地球12年之后才飞过海王星,此时与原来预测的轨道只相差几千米。而且对于非线性系统,有限精度的误差不仅仅来源于浮点数的位数,还来源自计算方法{同一计算机,计算p+rp(1-p)与(1+r)p-p*p也有巨大的差异}。实际上,人类对确定性的执着从来就没有放下过 ,天气预报就是一个最显著的例子。1922年Richardson就提出了《用数值方法实现天气预报》,试图把世界划分开小区域,每台计算机计算这个小块的数据然后交到相邻的计算机。毫无意思百年之后的今天,我们的天气预报就是这么计算出来,不同的就是每个区域只有采样的机器,计算全部在一个大盒子里头完成。大规模的计算和仿真依赖于黑匣子算法,只关注于计算机的速度,不控制误差传播,科学计算的质量就会直线下降。面对这个问题,科学界采用了设计一些方法评估和仿真混沌的出现,设定一个“可预报的水平线”,超过这个水平线之后对应的模型与真实的差距就变大。所以不单只是混沌系统,所有只要是参与了有限精度计算的系统,都有可能偏离真实最后出现大失真。

三、结语

存在的现实就是存在的确定性,拉普拉斯妖不会湮没,但是拉普拉斯妖不会成为人类前进的绊脚石。所以简单的否定拉普拉斯妖是错误的!

注:有必要再说说线性和非线性的问题。线性意味着决定一个系统下一步动作的规则不受当前的行为影响。我们以前学的物理,弹簧的力和被拉伸的长度是线性成正比的,当年我就有过疑问,这是真的么?我们在中学学习的物理,包括在大学学习的大学物理,大部分都是理想的模型,这些模型其实不是现实,因为残酷的现实是弹簧的张力和被拉伸的长度根本不是成正比,只是在另外一个理想的平行宇宙有这么一个理想的弹簧,拉伸的弹簧随着被拉伸形变之后的系数是会变小的,所以弹簧根本就是一个非线性系统,但是在一定程度上通过控制可以看做是线性的。

本文大部分观点来源于《混沌与分形》

2014年7月22日

于法政路

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网友评论

  • ianwest:@LostAbaddon 公交 太急。
  • LostAbaddon:@ianwest 您老。。。这是手抖点了两下了吧。。。
  • ianwest: @LostAbaddon 善于分类可都是聪明人。。
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 大家都有自己的坚持 也算是个好事
  • LostAbaddon:@失落的地平线 我说过了啊,这样的联系在我看来是现象级的。
    不同的纲领对于这种现象级的相关性的重视程度是不同的,这个很正常啊。
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 本质上两个都是动力学系统,混沌最开始从三体运动中求微分方程的根中被发现的 如果通过相空间的分析它的轨迹是一个奇怪吸引子 这个吸引子在三维空间里头的轨迹是周期无限的 二维投影可以看到其趋向一个值 而分形是引进了复数的动力学系统 其物理意义是在复平面上的三体系统 所以从这个角度来看 分形和混沌都是三体系统的不同的表现形式
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 这我是有思考过的问题 只是在公车上把公式和人名打出来很痛苦刚刚的例子的确说明不了问题 分形和混沌的统一不只是简单的现象相似
  • LostAbaddon:@失落的地平线 形而上的问题是没有争论意义的,因为不可能有严格证明或者证伪。
    这种争论就是纯粹的浪费时间啦。
    再说了,世界上物理流派这么多,何必所有流派都统一呢?没必要嘛。
  • LostAbaddon:@失落的地平线 这句话其实等价于这么一句:
    本质上水果是吃的,肉也是吃的,所以水果是肉。。。。。。

    至少就这一句话来说,等于什么都没说。。。。。。
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 很有必要争论一下
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 本质上混沌系统是个动力学系统 分形也是一个动力学系统
    如果拿一维logistic系统和一维的曼德布劳集合来说的话
  • LostAbaddon:@失落的地平线 这样的观点以前在别的书上也看到过,但我从来都不敢苟同。
    这不是你要不要科普的问题,而是这个流派的观点在我看来是混淆了现象与本质的联系。
    当然,这事一争论就又上升到形而上了。
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 其实我可以写一篇关于这个话题的科普文 这是真的本质上的联系
  • LostAbaddon:@失落的地平线
    "混沌就是时间上的分形
    分形是空间上的混沌"

    这点个人不表同意。
    两者虽然有关联,但我不认为现象级上的相关性代表着本质上的如此关系。
  • 失落的地平线:@ianwest 如果我问你你是否能想象一个周长无限而面积有限的东西 再问你一个体积有限而面积很大的东西 这样的话你可能就明白分形了
    至于混沌就是时间上的分形
    分形是空间上的混沌
  • ianwest:混沌和分形 在我听来有很强的伪科学或前科学气息。
  • LostAbaddon:@ianwest 同意。

    @失落的地平线 这个。。。大家人身攻击就不好了哦。。。
  • ianwest: @LostAbaddon 其实吧,说测不准不需要公式大多数人就能理解。。说不确定,没个几行数学公式垫底就不行了。。
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 我在很多场合引发过这个疑问的讨论 最后都变成对我的人身攻击
  • ianwest: @失落的地平线 这个功能还没开发呢。
  • LostAbaddon:@失落的地平线 主流或者非主流不是人身攻击,而是一个客观现实。
    或者也可以说是“大部分科研共同体”与“小部分科研共同体”这样的称呼,无关乎价值评判,更无关乎人身攻击。
  • 失落的地平线:@ianwest 我好像没找到inline可以在哪里选 是要自己写标签么
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 我写这个的第一反应是大家对我们以为自己都知道的东西 到底真正了解多少
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 因为大家心里有解不开的谜团 才会有可能发现新的事物
    无论是主流或者非主流 我是第一次可以在无关人身攻击的环境下来探讨问题
  • 贝龙: @LostAbaddon 也有道理,毕竟我不是学这方面的,总会带有一些世俗的偏见╮(╯▽╰)╭
  • LostAbaddon:@贝龙 本质是什么当然是不可能直接知道的,但我们可以知道哪些是“非观测”的,这方面大家已经研究百年啦,可不是才起步哦。
  • ianwest: @LostAbaddon 这篇文章需要in line的公式。
  • 贝龙: @LostAbaddon 对不起,刚刚没看完……可是本质的事情你怎么可能知道呢?人应该用远只能看到事物的表面才对
  • LostAbaddon:@失落的地平线
    “只是一种基于现象的概率描述”
    这个已经涉及到形而上的问题了。我只能说:就现代主流认识来看,这可不是简单的现象问题。
    当然,形而上的问题都是无解的,纯粹看信仰。

    “这些不完备是可以加到所谓的假设前提去的”
    这个是以隐变量理论为代表的一批不同于主流流派的观点。
    但,这方面的流派与学说至少就目前看来,都不是太成功。至少符合传统经典物理观念的隐变量理论已经基本上算是破产了。
  • LostAbaddon:@贝龙 这里要分清楚的是:测量引起的干扰当然是存在的,现代量子领域的实验中有一个专门的手艺就是弱测量,想尽方法去除测量对量子系统带来的干扰与破坏。
    但,量子系统中的不确定是本质性的,没有测量也依然存在这种不确定性。对于这种本质属性,继续使用测不准就不合适了。

    在量子理论发展的早期,人们并不能分清楚这两点,特别是早起,本质的不确定太挑战千百年来人们的世界观了,所以才会有流派认为主要是测量的因素——但其实后来大家都认识到,本质上就是不确定的。
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 如果我们知道了初态,我们可以知道的是各种末态的概率分布
    只是一种基于现象的概率描述 而且哥本哈根诠释也是存在很多的假设前提
    如果回到决定论来说 这些不完备是可以加到所谓的假设前提去的
    就是所谓神话般的前提
    所以不应说推翻说修正我觉得 《混沌与分形》的作者这么说是可以接受的
    看来我们的分歧仍然存在 我也会继续做自己深入的认识和学习
  • 贝龙: @LostAbaddon 诶⊙▽⊙我觉得测不准这个词挺好的,我是这么理解的,狄拉克在《量子力学原理》中定义了绝对的大和小,所有可以被观测而对被观测物的影响可以忽略的不计的被观测物我们称之为大,反之就是小。而测不准原理就是说,有这样一些性质,由于它本身的属性,无论你的测量工具再精确你都无法准确测量它,它永远是小的。因为测量本身需要作用,你只要对它施加了作用,你测的就不再是它本身。而你又没有任何办法可以不通过任何作用得知它的性质,因此它测不准。至于我们从理论上推出的不确定度大小的概念,我觉得,它之所以成立,是因为它符合观测的结果。也就是说,科学,首先是一门观察的学科,所有的定理,所有的原理都是人为的解释,符合实验结果就是对的,否则就是错的。所以我觉得,用测不准,挺好的╮(╯▽╰)╭
  • LostAbaddon:“海森堡的测不准原理并不完全是终结了确定性,而只是对他的修正”
    这句话取决于如何理解“修正”了。
    以哥本哈根诠释的角度来说,量子塌缩的非幺正性的表现就是不可预测,这是和传统的观念不一样的。这个算不算是“修正”取决于对“修正”的精确定义。

    以单粒子来说,经典的情况是我们如果知道了初态(忽略操作上的不可能性,只考虑理论上的“如果我们知道了初态”,这样可以避免对细枝末节的“神话要求的条件”的苛求),那么我们就知道了一段时间后的末态。
    在量子中,如果我们知道了初态,我们可以知道的是各种末态的概率分布,而不是唯一的末态,这是和经典的一个区别。
    而,当我们测量的时候到底是从所有可能(即出现概率大于0)的末态中到底现实选择了哪一个末态,这个我们是不可能在测量前就从理论上知道的,这是和经典的另一个区别,而且也是更关键的区别。

    第一个区别导致的就是机械决定论被态概率决定论所取代,第二个区别则是后者的预言能力极限:无法预测量子塌缩到底会选择哪一个末态。

    和经典物理中的骰子问题的区别在于:原则上说如果我们知道一枚骰子的精确的初态的话,我们是可以预言最后骰子会到达的末态到底是1到6中的哪一个的,这个是理论上可以做到,虽然现实中由于“神话要求的条件”而不可能实现。
    而量子塌缩问题是即便在理论上我们也无法做到这点。
  • 失落的地平线:@LostAbaddon 明白的却是这样的 马上修改
  • LostAbaddon:先挑一个小错。
    “测不准原理”是一个不准确的术语,其之所以存在完全是我国特殊的历史遗留问题。
    正确的提法是“不确定原理”。使用“测不准”这个术语容易导致误解,以为仅仅是测量的问题。

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