說到物理學的作用，自然是探索自然界的奧秘，但也可能尋求解決一些重大問題（不一定是科學問題）的方法，比如意識、時間逆轉等。德國物理學家霍森菲爾德經常遇到這些問題，于是她寫了《存在主義物理學》（：一本關于生命的指南）一書。本文旨在回答這個問題：物理學是否排除了自由意志的可能性？自由意志是一個長期存在、融合科學與哲學的問題，存在許多不同的觀點。作者給出了自己的見解。
本文授權摘自《存在主義物理學》（中信出版社·鸚鵡螺出版社2023年6月）第六章《物理學排除了自由意志的可能性嗎？》小標題為編輯所加。
作者： （）
翻譯 | 白江洙
關于自由意志的討論的主要問題是，哲學家們提出了一堆與非哲學家如何理解自由意志無關的定義。我很想用“普通人”來代替“哲學家”這個詞，但那有點殘忍物理學家的問題，我不想那么殘忍，絕對不想。
因此，我想在不使用自由意志這個術語的情況下來陳述這個問題。目前建立的自然法則是確定性的，具有量子力學的隨機性。這意味著未來是確定的，除了我們無法影響的偶然量子事件。混沌理論也包括在內——混沌定律仍然是確定性的，但它們很難預測，因為所有結果都高度依賴于初始條件，一旦初始條件稍有改變，就有可能帶來巨大的變化（例如蝴蝶效應）。
因此，我們的生活并不是豪爾赫·路易斯·博爾赫斯所說的“岔路花園”，每條路都通向一個可能的未來，由我們來決定哪條路成為我們的現實（見圖 1）。大自然不是那樣運作的。在大多數情況下，花園里只有一條路，因為量子效應很少在宏觀尺度上表現出來。你今天所做的一切都源于昨天宇宙的狀態，而昨天宇宙的狀態又源于上周三宇宙的狀態……等等，一直追溯到大爆炸。
圖 1：岔路。自由意志的問題在于我們無法選擇岔路的方向。
但有時隨機量子事件確實會對我們的生活產生重大影響。路徑可能會偶爾出現分歧，但我們對此無能為力，也無能為力。量子事件本質上是隨機的，不會受到任何事物的影響，當然也不會受到我們思想的影響。
自由意志的定義
正如承諾的那樣，我在這次討論中避免使用自由意志這個詞。現在讓我們來探討一下未來是確定的，除了我們無法影響的偶然量子事件之外，這意味著什么。
就我個人而言，我只想說這意味著自由意志并不存在，就這樣吧。我對此很滿意，因為自由意志本身就是一個悖論，許多比我聰明的人都指出了這一點。如果你的意志是自由的，那么就不應該有任何東西可以指導你的意志。但如果是這樣的話，如果自由意志真的是一個“自我原因”——這是弗里德里希·尼采創造的一個概念——那么它就不是由你指導的，不管你認為“你”是什么意思。正如尼采總結的那樣，這是“有史以來最好的悖論”。我同意尼采的觀點。
我認為意志的真正含義是：我們的大腦根據輸入進行計算，遵循適用于初始狀態的方程式。這些計算是否是算法尚有爭議，但我們的大腦皮層中沒有神奇的魔力讓我們可以超越自然法則。我們所做的只是評估如何根據有限的信息做出最佳決策。決策是我們評估的結果，它不需要任何超越自然法則的東西。我的手機每次決定在鎖定屏幕上顯示哪些通知時都會進行計算，顯然它可以在沒有自由意志的情況下做出決定。
我們可以花很長時間討論哪些決策是“最佳的”，但這不是物理問題，所以不必為此煩惱。關鍵在于，我們不斷評估傳入的信息，并試圖根據一些標準來優化我們的生活，這些標準部分是大腦中固有的，部分是學習到的。這一結論并不依賴于神經生物學。目前尚不清楚我們的決策有多少是有意識的，有多少是受到大腦中潛意識過程的影響，但有意識和潛意識之間的區別與結果是否確定的問題無關。
如果自由意志毫無意義，那么為什么這么多人認為它描述了他們評估現實的方式？因為我們不知道一個想法的結果會是什么，直到它完成，否則我們就不必思考了。正如路德維?！ぞS特根斯坦所說，“意志自由在于未來的行動不是現在意識到的?！彼摹哆壿嬚軐W論》出版于一個世紀前，所以這一認識肯定不是什么突破性新聞。
問題解決了嗎？當然沒有。
因為人們可以定義某種東西并稱之為自由意志。這在哲學上被稱為相容論，即自由意志與決定論相容的理論，認為除了我們無法影響的量子事件之外，未來是固定的，我們不必擔心這一點。在哲學家中，相容論占多數。在 2009 年對專業哲學家的調查中，59% 的人自稱是相容論者。
哲學家的第二大陣營是自由意志論者，他們認為自由意志與決定論是不相容的，而決定論一定是錯誤的，因為自由意志是存在的。我不會過多地談論自由主義，因為它與我們對自然的了解是不相容的。
那么，讓我們多談談相容論。伊曼紐爾·康德將相容論描述為“狡猾的詭計”，19 世紀哲學家威廉·詹姆斯稱其為“逃避的泥潭”，當代哲學家華萊士·馬特森 ( ) 稱其為“轉移注意力的謬誤最精彩的例子”。那么，當未來已經確定時，除了我們無法影響的隨機量子事件外，如何讓自由意志與自然法則相容呢？
為了進一步論證這一論點，也許你可以稍微改進一下物理學。哲學家約翰·馬丁·菲舍爾將這樣做的哲學家稱為“多重過去相容論者”和“局部奇跡相容論者”。前者認為你的行為會改寫過去的事件；后者認為自然法則之外的超自然事件可以讓你以某種方式規避已被無數次證明的理論的預測。我不會進一步討論這個問題，因為這本書是關于我們可以從物理學中學到什么，而不是我們如何創造性地忽略物理學。
相容論者最普遍且不太錯誤的觀點是，你的意志是自由的，因為它是不可預測的——在目前的實踐中根本不是，甚至在理論上也可能是不可預測的。這一立場最著名的倡導者是丹尼爾·丹尼特。如果你想以這種方式理解自由意志，那很好，但未來仍然是確定的，除了我們無法影響的隨機量子事件。
哲學家雷南·伊斯梅爾更進一步提出，自由意志是自主系統的一種屬性。她的意思是，宇宙中不同的子系統的行為取決于外部輸入和內部計算的不同相對權重。例如，烤面包機的自主性非常小——你按下按鈕，它就會做出反應。人類的自主性很高，因為他們的思維可以在很大程度上與外部輸入脫鉤。如果你認為這是自由意志，那沒問題，但未來仍然是確定的，除了我們無法影響的偶發量子事件。
許多物理學家通過將自由意志嵌入自然法則來支持相容論。肖恩·卡羅爾 (Sean ) 和卡洛·羅韋利 (Carlo ) 認為，自由意志可以解釋為系統的一種新屬性。菲利普·鮑爾 ( Ball) 最近補充了這一觀點，他認為我們應該根據宏觀概念（包括新屬性）之間的因果關系來定義自由意志。
物理學家（包括我）通常不討論自由意志是否與決定論相容（這是典型的自由意志論/相容論分裂），而是討論自由意志是否與自然法則相容，因為在標準解釋下，量子力學具有隨機性。這兩種分裂沒有區別，因為量子隨機性中沒有“意志”，但有時會導致混淆。例如，當被問及人類行為是由宇宙的初始狀態決定的還是可以根據完整信息進行預測時，相容論物理學家通常會回答“否”，但在某些調查中，這樣的答案會讓他們處于自由意志陣營。
前面提到，突現屬性是將較小尺度上的物理細節抹平后，出現的對較大尺度的近似描述。圖 2 說明了如何利用這一點為自由意志騰出空間。在微觀層面，路徑（白線）由初始狀態決定，也就是說，圖片左側是起始位置。但在宏觀層面，如果你忘記了確切的初始條件，那么只看所有微觀路徑的集合，就可以看到宏觀路徑（黑色輪廓）已經分裂。
圖 2 自由意志如何與物理學相容
上述物理學家的意思是，如果你忽略了微觀層面上粒子的確定性行為，那么你就無法在宏觀層面上做出預測。岔路口：太棒了！當然，這只是假設你忽略了真正發生的事情，你可以這樣做，但未來仍然是確定性的，除了我們無法影響的偶然量子事件。當肖恩·卡羅爾總結他的兼容論立場時說“自由意志和棒球一樣真實”，他應該加上“和棒球一樣自由”。
話雖如此，我認為物理學家或哲學家對自由意志給出相容論的定義并沒有什么錯。畢竟，這只是一個定義，沒有正確或錯誤的答案，只有一定程度的有效性。但我不認為這種語言技巧解決了普通人（非哲學家）擔心的問題。2019 年對來自 21 個國家的 5,000 多名參與者的調查發現，“在不同文化中，認知反應更強的參與者更有可能認為自由意志與因果決定論不相容?！笨磥砦覀兲焐筒皇窍嗳菡撜?。這就是為什么對我們許多人來說，學習物理會動搖我們對自由意志的信念，對我來說也是如此。在我看來，這就是需要解決的問題。
物理學是否排除了自由意志的可能性？
你也可以看到，在尊重自然法則的同時理解自由意志并不容易。從根本上講，問題在于，據我們所知，強涌現是不可能的。這意味著系統的所有高級屬性（宏觀層面的屬性）都來自粒子物理學所在的低級層面。因此，無論你如何定義自由意志，它都來自粒子的微觀行為，就像其他一切一樣。
因此，在我看來，理解自由意志的唯一方法是，出于某種原因，微觀理論的推導在某些情況下會出錯。然后強涌現可以成為自然的實際屬性，而我們擁有真正獨立于微觀物理學的宏觀現象（包括自由意志）。我們沒有絲毫證據表明情況確實如此，但思考一下它需要什么條件是很有趣的。
首先，我們用來解開連接微觀和宏觀定律的方程的數學技巧并不總是奏效。它們往往依賴于近似值，而當這些近似值不足以描述目標系統時，我們就不知道該如何處理這些方程了。這當然是實踐中可能遇到的問題。但就定律的性質而言，這無關緊要。較低層次和較高層次之間的關系不會因為我們無法解方程而消失。
有兩個案例可以讓我們更接近強涌現?？茖W家用它來研究復雜系統是否能擁有計算機無法確定的屬性。如果答案是肯定的，那么與其說我們沒有掌握計算的技能，不如說這更能解釋宏觀現象擺脫了微觀物理的束縛，獲得了“自由”。
這其實可以證明宏觀現象是不可計算的，但這兩種情況都需要兩個無限系統才能完成證明。上面的證明思路可以總結為，對于一個無限系統，它的一些性質是經典計算機在有限時間內無法計算出來的。然而，現實中我們不會遇到這樣的情況，所以這對自由意志毫無幫助。
然而，從微觀物理學推導出宏觀行為的過程也可能因為其他原因而出錯。也許我們在計算中遇到了奇點，無論在實踐上還是在理論上，我們都無法超越這個奇點繼續計算。這并不一定會再次引發無窮大的問題，因為在數學中，奇點并不總是意味著某物變得無窮大，它只是函數不連續的點。
目前，我們沒有理由認為這種現象確實存在于我們宇宙的微觀物理學中，但如果我們能更好地理解數學，那么也許情況就會如此。因此，如果你想相信自由意志是由獨立于基本粒子的自然法則所支配的，那么在我看來，在推導宏觀物理定律時遇到奇點是最合理的解釋。這不太可能，但它與我們迄今為止所知道的一切相符。
美國科學作家約翰·霍根稱我為“自由意志否定者”，現在你可能知道為什么了。但我當然不會否認，很多人認為自己有自由意志。然而，我們也覺得這一刻很特別，而正如我所清楚地表明的那樣，這是一種幻覺。如果我只聽從自己的直覺，我會認為圖 12 中的水平線不是平行的。如果說我從學習基礎物理學中學到了什么，那就是你不能讓直覺支配你的思想。僅憑直覺不足以推斷自然法則。
圖3 咖啡廳墻壁錯覺。圖片中的水平線是平行的
盡管我們的大腦存在局限性，但毫不夸張地說，我們人類在理解自然法則方面已經做得相當不錯了。畢竟，我們已經認識到“現在”是一種幻覺，而且我們已經非常有效地利用了我們的大腦，以至于我們可以對圖 3 中的線條進行精確測量，從而說服自己它們確實是平行的。它們仍然看起來不平行，但你已經知道它們是平行的。我認為我們應該以同樣的方式對待自由意志：拋開我們的直覺，遵循理性的結論。你仍然覺得自己有自由意志，但你心里知道，你實際上只是一組由神經處理器運行的復雜計算。
但我并不是想向你們說教。正如我之前所說，自由意志是否存在完全取決于你如何定義它。如果你更喜歡兼容論者對自由意志的定義，并希望繼續以這種意義使用這個術語，那很好，科學也沒有反對這樣做。所以我們現在可以回答本章標題中的問題了。物理學排除了自由意志的可能性嗎？不，它只是排除了某些自由意志的觀點。因為據我們所知，未來是確定的，除了我們無法影響的隨機量子事件。
那么我們該怎么做呢？我經常被問到這個問題。我認為問題在于我們中的許多人從小就對如何做決定有著直覺的理解，但當這些天真的想法與我們所學到的物理知識相沖突時，我們就必須調整我們的理解。這并不容易，但有幾種方法可以解決這個問題。
最簡單的方法是使用二元論。該理論認為心靈是非物理的東西。如果你愿意采用二元論的觀點，那么你可以把自由意志視為你靈魂的屬性，這是一個非科學的概念。只要非物理成分不與物理成分相互作用，那么這種屬性就與物理學兼容物理學家的問題，但一旦兩者相互作用，它就會與我們掌握的證據相沖突——它就變成了一個物理概念。由于我們大腦中做決定的部分顯然是物理的，我不知道相信非物理的自由意志有什么好處，但這對二元論來說并不是一個新問題，至少它不是錯誤的。你也可以利用我剛剛詳述的微觀物理學中的小漏洞。但我懷疑，如果你告訴人們你認為自由意志是真實的，因為“重正化群方程可能會遇到一個本質奇點”，你可能會被貼上“極客”的標簽。
我個人認為，應對我們無法改變未來的最好方法是重新定義我們在宇宙歷史中的角色。無論有沒有自由意志，我們都存在，因此我們很重要。但我們的故事是快樂還是悲傷，我們的文明是繁榮還是衰落，我們將被銘記還是被遺忘——我們還不知道。與其認為我們在選擇可能的未來，我認為最好是對未來充滿好奇，并盡最大努力更充分地了解我們自己和我們居住的宇宙。
關于作者/譯者
作者：薩賓·霍森菲爾德（ ）：德國物理學家、作家，擁有數學學士學位和物理學博士學位，是德國慕尼黑數學與哲學中心外聘委員，主要研究方向為基礎物理學，同時也致力于科學傳播，是一位著名的創作者。
譯者：白江柱：中國科學技術大學科技傳播系科學技術哲學博士研究生。譯著有《萬物原理》、《通曉萬物的指南》、《最簡天文學》、《物質是什么》、《時間的邊緣》等，其譯著《最簡天文學》被評為“全國優秀科普作品”