【细解典故】拉普拉斯妖

作者: 十酒三 | 来源:发表于2016-08-28 23:29 被阅读772次

          "我们应将宇宙的现在视作过去之果和未来之因。某时若有位通晓大自然的一切驱动力和它的组成状况的智者,只要其智慧强至足以解析这些数据,它就能用同一个公式掌握大至日月星辰,小至微末原子的运行。在它眼中,没有什么是不确定的,未来正如过去一般清晰可见。"(Pierre Simon Laplace,A Philosophical Essay on Probabilities,1814

         大数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯笔下的这位“智者”,现在一般称作拉普拉斯妖,它被认为准确体现了强决定论的思想,有时被视作将经典力学的方法推向极端的例子。描述混沌现象的著作很喜欢将它当做反面案例,认为细微的误差将随时间推移而放大产生无法预测的后果(俗称蝴蝶效应,更严格的说法是初值敏感性),从而“命中”所谓牛顿-拉普拉斯决定论的死穴。另一种较为常见的批评则是:量子效应中的不确定性不在经典力学能够把握的范围,因此它无法预测量子现象。当然,混沌和量子都不是拉普拉斯时代人可能了解的内容,所以这些否定拉普拉斯妖的思想有时也被当做时代进步的证明。

       上述对拉普拉斯妖的流行认识,有一个微妙的矛盾,那就是拉普拉斯这段文字的出处——英译名为A Philosophical Essay on Probabilities的著作(原题为法文:Essai philosophique sur les probabilités),论述的主题是概率论和归纳推理基础在概率论著作中强调决定论,用意何在?正是这一疑问驱使笔者去查阅这部年代久远的书籍的英译本,并在此解释个中缘由。

      根据原著第二章的内容,拉普拉斯从未认为人们可以实现拉普拉斯妖的预测能力,也承认人类观测能力和智力的局限会导致很多事情变得十分不确定。但是这些不确定结果的出现依然是有原因的,只是这原因因为上述局限不为我们所知罢了。拉普拉斯的真正论点是:既然所谓偶然事件只是有不为人知的起因,可以把概率理解成反映的是我们的无知程度和信念状况,概率的主观性可以通过对比这个虚构的智者看出来。设想拉普拉斯妖的目标,用现在的话说,其实就是贝叶斯主义,而拉普拉斯这本著作正是贝叶斯方法的早期经典,不是什么阐述决定论的名著。

    拉普拉斯的目的是解释概率的性质

      拉普拉斯试图论证:随着人类逐步积累知识,概率性的理论也可取得越来越接近拉普拉斯妖的成就,例如原著中讨论的日出问题就可以看做这样一个例子(“明天,太阳照样升起的概率非常接近1”)。虽然人类有能力向这样的方向发展,但恐怕永远无法企及真正的拉普拉斯妖。

    拉普拉斯很清楚这位“智者”是人力难及的,但仍是求真趋势所向

      至此,容易看出用混沌的初值敏感性对拉普拉斯妖进行的批评,几乎全是建立在断章取义上的。经典混沌系统确实允许存在无法长期预测的现象,但它们是没有原因的么?不是,它们有十分明确的原因,是被初始条件中的误差严格决定的。表面随机性完全诞生于对误差值的无知。这恰恰证明了拉普拉斯真正的主张。并且,即使混沌能够说明准确预测的困难,凸显统计方法的必要性,等等,这些也都是拉普拉斯在原著中表明出来的,很难说在根本思想上有任何实质进步。既然如此,单从不可实现性来否定拉普拉斯妖的意义,就等于从弹性模量的有限性来否定刚体力学。

      那么,拉普拉斯对决定论的这种强烈信心是从何而来呢?虽然用经典力学描述天体运行在这章中作为例子被提出,但经典力学并不是拉普拉斯妖的推理出发点。拉普拉斯在原著中的论述其实是基于莱布尼茨的充足理由律,他将其理解为任何现象必有其他现象作为原因,这是一种独立于具体物理理论的哲学思想。因此,即使经典力学不正确,也未必能影响拉普拉斯妖。 

       因此,如果我们要指明拉普拉斯妖的局限性,就必须在一定程度上否定充足理由律,承认某种现象没有前因才行。量子物理学确实可能帮我们做到这一点,那就是:假定哥本哈根诠释正确,则测量叠加态时,系统坍缩到哪一个本征态是没有被什么前因确定的,而各个本征态的概率并不能被解释为纯粹来自主观上的无知。所以,从量子效应来批评拉普拉斯妖是有一定意义的。

       但是这种评判也有不足之处。第一,它只能对量子效应比较明显的系统起效,否则预测还是大体上正确。第二,它完全依赖于一种曾经流行的理论诠释,但这诠释本身不是量子理论的必要成分,一旦用其他诠释取而代之,它的依据就会瓦解了。例如,在玻姆的导波诠释中,测量结果是被全局隐变量决定的,同样有一个明确的前因。在多世界诠释中,拉普拉斯妖会预测到很多个包含不同测量结果的分支世界,但它们组成的宇宙整体还是确定的。第三,存在至少一种可以调和拉普拉斯的概率观与哥本哈根诠释的途径,如量子贝叶斯主义

       综上所述,笔者认为拉普拉斯妖绝不是纯粹的反面教材。可惜的是,由于历史悠久的误会,它恐怕是要一直在文化现象中继续扮演真正的“妖魔”角色了。

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