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人类思维,终有边界?

2018-11-13 11:18| 发布者: gooyeah| 查看: 19| 评论: 0

摘要: 利维坦按:如同生活在水里的鱼无法理解三维世界,我们这些三维世界的生物想要理解三维以外的世界也是困难的。不过,当爱因斯坦说,“宇宙最不可理解的地方,是它竟然可以被人理解”,这究竟是什么意思呢?前提是,我 ...

利维坦按:如同生活在水里的鱼无法理解三维世界,我们这些三维世界的生物想要理解三维以外的世界也是困难的。不过,当爱因斯坦说,“宇宙最不可理解的地方,是它竟然可以被人理解”,这究竟是什么意思呢?


前提是,我们都在假定这个宇宙是独特的,且物理定律没有一处不同。这个假设被称为宇宙学原理。我们或许只觉得理所当然,认为爱因斯坦所描述的问题应该能适用于整个宇宙。在此脉络下,这只会让问题更加激化:如果一个典型的宇宙对生命充满敌意,那我们能偶然活在一个生命可存在且能够理解的宇宙,实在是幸运无比。看起来这的确像个奇迹,就像“一个我们既不了解也不配拥有的美好礼物”。我们还有什么比依靠奇迹更高明一点的办法吗?


比如,本文作者就认为,从物理还原论角度来看待这个世界乃至宇宙固然有它的道理,但就“有用”这个标准来衡量的话,我们大可不必用还原论来理解世界。



文/Martin Rees

译/斩光

校对/乔琦

原文/www.theatlantic.com/science/archive/2017/12/limits-of-science/547649/

本文基于创作共同协议(BY-NC),由斩光在利维坦发布



艺术家对超大质量黑洞的表现。图源:NASA / REUTERS


爱因斯坦曾说过,“宇宙最不可理解的地方,是它竟然可以被人理解。”他当然应该对此感到震惊。人类的大脑之所以发生进化,是为了适应环境。但自我们的祖先在稀树草原上游荡起,直到今天,人类的基础神经架构很难说得上有什么变化。那时的神经架构是为了应对草原上的万物生灵带来的挑战,但现在它竟然可以理解量子力学和宇宙这些远离“常识”、远离我们进化而出的日常世界甚远的概念,实在是非同寻常了。


不过,我认为科学的航程终将以触礁告终。我这么说,有两个理由。乐观的理由是,科学将会解决某些领域内的所有问题,将这些领域全部编录在案(比如原子物理学),然后举目四望、空空荡荡,陷入独孤求败的境地。第二种理由颇为让人担心——我们终将到达大脑的触手伸展极限之地。或许会有一些高深的概念,它们对于全面理解物理现实必不可少,但我们却摸不到够不着,就像猴子理解不了进化论和气象学一样。恐怕,有的洞见只能等待后人类智能做出了。


事实上,人类现有科学知识支离破碎的程度令人惊讶,而最深处的谜团往往相依而居。如今,我们能很有把握地把测量数据阐释为两个距地球10多亿光年的黑洞碰撞合并在一起,但同时,尽管我们在流行病学上已经向前走了很远,却在治疗普通感冒上几乎毫无进展。不过,我们对理解高深莫测的事物和遥远的宇宙现象充满信心,却被日常事物搞得头昏脑胀,这两件事并不像表面上看起来那么违背常理。天文学比生物学和人文科学简单多了。黑洞虽然看似殊不可解,但其实它们是宇宙中最简单事物的一种。几个简单的方程就能完全描述它们。


那么,我们如何定义复杂性呢?科学能走多远,部分就取决于这个问题的答案。屈指可数的几个原子构成的事物当然不会太复杂。很大的事物也未必就复杂。恒星虽大,却很简单——它的内核如此之热,复杂的分子都分崩离析,没有化学反应可存在于此,只剩下一团无固定形状的原子核和电子气体。


另外,再想想一块盐晶体,在其内部,钠原子和氯原子一个个交替堆积起来,形成无数个重复排列的方格子。如果你抄起一块盐晶体,斩其半,再斩其半,一直重复下去,那它的结构几乎不会有什么变化——直到你把它斩成一个个孤零零的原子为止。即便是很大的一块盐晶体,也称不上复杂。


图源:Mod DB


宇宙中极小和极大的两端,原子和天文现象,可能是相当简单的。正是落在中间区域的所有事物把事情搞复杂了。其中最为复杂的莫过于生物体了。在动物体内的各种不同尺度上都存在内部结构,小至单个细胞,内部有蛋白质结构,大至整体,则包括肢体和主要器官。生物绝不能像盐晶体那样斩其半、再斩其半,却仍保有完整的结构。一刀下去,便是死亡。


有时,人们把科学知识想象成一个多层结构,就像建筑物一样一层层摞起来。处理越复杂事物的学科楼层越高,处理越简单事物的学科楼层则越低。数学是地基,往上是粒子物理,然后是其余物理学,再然后是化学、生物学、植物学、动物学,最后是行为科学和社会科学,至于经济学,它无疑位于阁楼之上。


给科学“排序”不会引起争论,但那些底层学科——尤其是粒子物理——是否真的比其他学科更深刻或者更有包容能力,却是一个值得怀疑的问题。从某种角度来说,它们明显如此。正如物理学家斯蒂芬·温伯格(Steven Weinber)在《终极理论之梦》(Dreams of a Final Theory,1992)中所说,所有的解释之箭都指向下边。


想想看,你要是像蹒跚学步的小孩儿一样打破砂锅问到底,“为什么,为什么,为什么”一直问个不停, 那你最后肯定停在了粒子层面。几乎所有科学家都是温伯格意义上的还原论者。他们相信,万事万物,不论有多复杂,都一定只是薛定谔方程的解而已。(根据量子力学,薛定谔方程是掌控系统如何演变的根本大法。)


但还原论者的解释并不总是最佳或者最有用的。正如物理学家菲利普·安德森(Philip Anderson)所说,“多就是不同。”诚然,无论多么精致复杂的事物,譬如热带雨林、飓风、人类社会等,都是由原子构成的,都遵从量子力学定律,但就算这些无数个原子集合的方程能够解出来,那个解里面也丝毫没有科学家寻求的一点灵光。


图源:The Daily Dot


由大量粒子构成的宏观系统会表现出“涌现”的特性,只有经由适合于该系统层级的新型的、非还原论的概念,才能达成对于涌现性质的最佳理解。化合价、原肠胚形成(胚胎发育中细胞开始分化的阶段)、印迹效应和自然选择都是这方面的例子。就算那些毫无神秘可言的现象,譬如管道中的水流和野外的江河,也最好是以黏度和湍流等概念来理解,而非原子之间的相互作用。流体力学专家根本不在乎水是不是由H2O分子构成的,只需假设水是连续体,就能解释波浪何以停止,水流何以激荡。


这种新概念对于理解极其复杂的事物特别有帮助,比如迁徙的鸟群和人类大脑。大脑是细胞聚集而成,油画是化学色素混杂而成。但最重要和最有趣的是,图案和结构在层级上升时是如何出现的——这就是涌现复杂性。


综上可见,还原主义在某种意义上的确是正确的,但拿“有用”这个标尺来衡量,它就很少正确了。只有大约1%的科学家是粒子物理学家或者宇宙学家。其余99%的科学家都在“更高”的层级上工作。他们的脚底下是自身学科内部的复杂性,而非我们对亚原子物理的某种理解不足催生了这个学科。


如此说来,科学和建筑物之间的类比实在是拙劣不堪。建筑的地基不稳,就会成为危楼。而处理复杂系统的“高层级”科学,却不会因为地基不稳而受到任何危害。科学的每一层都有其独到的解释方法,不同层次的复杂性现象必须以各不相同的非还原论概念来理解。


于是乎,我们就有了三个可以期待出现大幅进步的科学前沿领域:非常小、非常大和非常复杂。然而,我要冒险进言——我的直觉是,人类的理解能力是有限度的。理解非常复杂系统的努力,譬如理解我们自己的大脑,很可能首先触及认知边界。或许,任何原子的复杂集合,不论是大脑还是电子机器,永远都不会掌握有关自身的一切知识。而且,如果我们沿着温伯格的解释之箭一路向下,也可能会碰到另一堵认知之墙:如果最低层是弦理论家所畅想的那种多维几何学,物理学家或许永远都无法理解时间、空间的本质,因为所需的数学实在是太复杂了。


我的这番“人类有认知边界”的论断受到了戴维·多伊奇(David Deutsch)的挑战。他是提出“量子计算”概念的先驱,一位著名的理论物理学家。在他那本引起争议的佳作《无穷的开始》(The Beginning of Infinity,2011)中,他说道,原则上,任何过程都是可计算的。事实的确如此。但是,能算出某种东西绝不意味着我们对该事物产生了洞见。描述名为“曼德勃罗特集”的美丽分形图案的算法,只需几行代码就能写下。一台性能平平的计算机就能描绘出它的形状。


一个曼德勃罗特集。图源:Flickr / Dominic Alves


然而,写下这些算法的人全都无法用像看待正方形和圆形那样一目了然的眼光,轻松惬意地审视这种极度复杂的图案。


国际象棋冠军加里·卡斯帕罗夫(Garry Kasparov)在《深度思考》(Deep Thinking,2017)中提出,“人类加机器”比两者各自为战都更有威力。或许通过利用这两者之间正逐渐加强的共生关系,我们还能得出更新的发现。例如,在药物设计和材料研发领域,使用计算机模拟远比做实验的优势大得多。至于计算机最终会不会从本质上超越人类——甚至自己就拥有意识——则是一个在目前有广泛争议的话题。


生物大脑的抽象思考能力是所有科学和文化的源泉。但这种至多延续了几十万年的大脑活动,却很可能只是后人类时代里更伟大智能的过渡性前导而已。那种更伟大的智能不是来自达尔文的物竞天择,而是源于“智慧设计”。至于这种远期的未来是站在有机的后人类这一边,还是电子的超级人工智能机器这一边,则是一个尚待商榷的问题。但无论如何,我们仍将过度以人类为中心地认为,对物理事实的全面理解终将到手,没有什么谜题能难倒我们遥远未来的子孙。



本文作者马丁·里斯(Martin Rees)是剑桥大学宇宙学和天体物理学名誉教授。他是英国皇家天文学家,美国国家科学院的外籍院士。













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