说到物理学的作用，自然是探索自然界的奥秘，但也可能寻求解决一些重大问题（不一定是科学问题）的方法，比如意识、时间逆转等。德国物理学家霍森菲尔德经常遇到这些问题，于是她写了《存在主义物理学》（：一本关于生命的指南）一书。本文旨在回答这个问题：物理学是否排除了自由意志的可能性？自由意志是一个长期存在、融合科学与哲学的问题，存在许多不同的观点。作者给出了自己的见解。
本文授权摘自《存在主义物理学》（中信出版社·鹦鹉螺出版社2023年6月）第六章《物理学排除了自由意志的可能性吗？》小标题为编辑所加。
作者： （）
翻译 | 白江洙
关于自由意志的讨论的主要问题是，哲学家们提出了一堆与非哲学家如何理解自由意志无关的定义。我很想用“普通人”来代替“哲学家”这个词，但那有点残忍物理学家的问题，我不想那么残忍，绝对不想。
因此，我想在不使用自由意志这个术语的情况下来陈述这个问题。目前建立的自然法则是确定性的，具有量子力学的随机性。这意味着未来是确定的，除了我们无法影响的偶然量子事件。混沌理论也包括在内——混沌定律仍然是确定性的，但它们很难预测，因为所有结果都高度依赖于初始条件，一旦初始条件稍有改变，就有可能带来巨大的变化（例如蝴蝶效应）。
因此，我们的生活并不是豪尔赫·路易斯·博尔赫斯所说的“岔路花园”，每条路都通向一个可能的未来，由我们来决定哪条路成为我们的现实（见图 1）。大自然不是那样运作的。在大多数情况下，花园里只有一条路，因为量子效应很少在宏观尺度上表现出来。你今天所做的一切都源于昨天宇宙的状态，而昨天宇宙的状态又源于上周三宇宙的状态……等等，一直追溯到大爆炸。
图 1：岔路。自由意志的问题在于我们无法选择岔路的方向。
但有时随机量子事件确实会对我们的生活产生重大影响。路径可能会偶尔出现分歧，但我们对此无能为力，也无能为力。量子事件本质上是随机的，不会受到任何事物的影响，当然也不会受到我们思想的影响。
自由意志的定义
正如承诺的那样，我在这次讨论中避免使用自由意志这个词。现在让我们来探讨一下未来是确定的，除了我们无法影响的偶然量子事件之外，这意味着什么。
就我个人而言，我只想说这意味着自由意志并不存在，就这样吧。我对此很满意，因为自由意志本身就是一个悖论，许多比我聪明的人都指出了这一点。如果你的意志是自由的，那么就不应该有任何东西可以指导你的意志。但如果是这样的话，如果自由意志真的是一个“自我原因”——这是弗里德里希·尼采创造的一个概念——那么它就不是由你指导的，不管你认为“你”是什么意思。正如尼采总结的那样，这是“有史以来最好的悖论”。我同意尼采的观点。
我认为意志的真正含义是：我们的大脑根据输入进行计算，遵循适用于初始状态的方程式。这些计算是否是算法尚有争议，但我们的大脑皮层中没有神奇的魔力让我们可以超越自然法则。我们所做的只是评估如何根据有限的信息做出最佳决策。决策是我们评估的结果，它不需要任何超越自然法则的东西。我的手机每次决定在锁定屏幕上显示哪些通知时都会进行计算，显然它可以在没有自由意志的情况下做出决定。
我们可以花很长时间讨论哪些决策是“最佳的”，但这不是物理问题，所以不必为此烦恼。关键在于，我们不断评估传入的信息，并试图根据一些标准来优化我们的生活，这些标准部分是大脑中固有的，部分是学习到的。这一结论并不依赖于神经生物学。目前尚不清楚我们的决策有多少是有意识的，有多少是受到大脑中潜意识过程的影响，但有意识和潜意识之间的区别与结果是否确定的问题无关。
如果自由意志毫无意义，那么为什么这么多人认为它描述了他们评估现实的方式？因为我们不知道一个想法的结果会是什么，直到它完成，否则我们就不必思考了。正如路德维希·维特根斯坦所说，“意志自由在于未来的行动不是现在意识到的。”他的《逻辑哲学论》出版于一个世纪前，所以这一认识肯定不是什么突破性新闻。
问题解决了吗？当然没有。
因为人们可以定义某种东西并称之为自由意志。这在哲学上被称为相容论，即自由意志与决定论相容的理论，认为除了我们无法影响的量子事件之外，未来是固定的，我们不必担心这一点。在哲学家中，相容论占多数。在 2009 年对专业哲学家的调查中，59% 的人自称是相容论者。
哲学家的第二大阵营是自由意志论者，他们认为自由意志与决定论是不相容的，而决定论一定是错误的，因为自由意志是存在的。我不会过多地谈论自由主义，因为它与我们对自然的了解是不相容的。
那么，让我们多谈谈相容论。伊曼纽尔·康德将相容论描述为“狡猾的诡计”，19 世纪哲学家威廉·詹姆斯称其为“逃避的泥潭”，当代哲学家华莱士·马特森 ( ) 称其为“转移注意力的谬误最精彩的例子”。那么，当未来已经确定时，除了我们无法影响的随机量子事件外，如何让自由意志与自然法则相容呢？
为了进一步论证这一论点，也许你可以稍微改进一下物理学。哲学家约翰·马丁·菲舍尔将这样做的哲学家称为“多重过去相容论者”和“局部奇迹相容论者”。前者认为你的行为会改写过去的事件；后者认为自然法则之外的超自然事件可以让你以某种方式规避已被无数次证明的理论的预测。我不会进一步讨论这个问题，因为这本书是关于我们可以从物理学中学到什么，而不是我们如何创造性地忽略物理学。
相容论者最普遍且不太错误的观点是，你的意志是自由的，因为它是不可预测的——在目前的实践中根本不是，甚至在理论上也可能是不可预测的。这一立场最著名的倡导者是丹尼尔·丹尼特。如果你想以这种方式理解自由意志，那很好，但未来仍然是确定的，除了我们无法影响的随机量子事件。
哲学家雷南·伊斯梅尔更进一步提出，自由意志是自主系统的一种属性。她的意思是，宇宙中不同的子系统的行为取决于外部输入和内部计算的不同相对权重。例如，烤面包机的自主性非常小——你按下按钮，它就会做出反应。人类的自主性很高，因为他们的思维可以在很大程度上与外部输入脱钩。如果你认为这是自由意志，那没问题，但未来仍然是确定的，除了我们无法影响的偶发量子事件。
许多物理学家通过将自由意志嵌入自然法则来支持相容论。肖恩·卡罗尔 (Sean ) 和卡洛·罗韦利 (Carlo ) 认为，自由意志可以解释为系统的一种新属性。菲利普·鲍尔 ( Ball) 最近补充了这一观点，他认为我们应该根据宏观概念（包括新属性）之间的因果关系来定义自由意志。
物理学家（包括我）通常不讨论自由意志是否与决定论相容（这是典型的自由意志论/相容论分裂），而是讨论自由意志是否与自然法则相容，因为在标准解释下，量子力学具有随机性。这两种分裂没有区别，因为量子随机性中没有“意志”，但有时会导致混淆。例如，当被问及人类行为是由宇宙的初始状态决定的还是可以根据完整信息进行预测时，相容论物理学家通常会回答“否”，但在某些调查中，这样的答案会让他们处于自由意志阵营。
前面提到，突现属性是将较小尺度上的物理细节抹平后，出现的对较大尺度的近似描述。图 2 说明了如何利用这一点为自由意志腾出空间。在微观层面，路径（白线）由初始状态决定，也就是说，图片左侧是起始位置。但在宏观层面，如果你忘记了确切的初始条件，那么只看所有微观路径的集合，就可以看到宏观路径（黑色轮廓）已经分裂。
图 2 自由意志如何与物理学相容
上述物理学家的意思是，如果你忽略了微观层面上粒子的确定性行为，那么你就无法在宏观层面上做出预测。岔路口：太棒了！当然，这只是假设你忽略了真正发生的事情，你可以这样做，但未来仍然是确定性的，除了我们无法影响的偶然量子事件。当肖恩·卡罗尔总结他的兼容论立场时说“自由意志和棒球一样真实”，他应该加上“和棒球一样自由”。
话虽如此，我认为物理学家或哲学家对自由意志给出相容论的定义并没有什么错。毕竟，这只是一个定义，没有正确或错误的答案，只有一定程度的有效性。但我不认为这种语言技巧解决了普通人（非哲学家）担心的问题。2019 年对来自 21 个国家的 5,000 多名参与者的调查发现，“在不同文化中，认知反应更强的参与者更有可能认为自由意志与因果决定论不相容。”看来我们天生就不是相容论者。这就是为什么对我们许多人来说，学习物理会动摇我们对自由意志的信念，对我来说也是如此。在我看来，这就是需要解决的问题。
物理学是否排除了自由意志的可能性？
你也可以看到，在尊重自然法则的同时理解自由意志并不容易。从根本上讲，问题在于，据我们所知，强涌现是不可能的。这意味着系统的所有高级属性（宏观层面的属性）都来自粒子物理学所在的低级层面。因此，无论你如何定义自由意志，它都来自粒子的微观行为，就像其他一切一样。
因此，在我看来，理解自由意志的唯一方法是，出于某种原因，微观理论的推导在某些情况下会出错。然后强涌现可以成为自然的实际属性，而我们拥有真正独立于微观物理学的宏观现象（包括自由意志）。我们没有丝毫证据表明情况确实如此，但思考一下它需要什么条件是很有趣的。
首先，我们用来解开连接微观和宏观定律的方程的数学技巧并不总是奏效。它们往往依赖于近似值，而当这些近似值不足以描述目标系统时，我们就不知道该如何处理这些方程了。这当然是实践中可能遇到的问题。但就定律的性质而言，这无关紧要。较低层次和较高层次之间的关系不会因为我们无法解方程而消失。
有两个案例可以让我们更接近强涌现。科学家用它来研究复杂系统是否能拥有计算机无法确定的属性。如果答案是肯定的，那么与其说我们没有掌握计算的技能，不如说这更能解释宏观现象摆脱了微观物理的束缚，获得了“自由”。
这其实可以证明宏观现象是不可计算的，但这两种情况都需要两个无限系统才能完成证明。上面的证明思路可以总结为，对于一个无限系统，它的一些性质是经典计算机在有限时间内无法计算出来的。然而，现实中我们不会遇到这样的情况，所以这对自由意志毫无帮助。
然而，从微观物理学推导出宏观行为的过程也可能因为其他原因而出错。也许我们在计算中遇到了奇点，无论在实践上还是在理论上，我们都无法超越这个奇点继续计算。这并不一定会再次引发无穷大的问题，因为在数学中，奇点并不总是意味着某物变得无穷大，它只是函数不连续的点。
目前，我们没有理由认为这种现象确实存在于我们宇宙的微观物理学中，但如果我们能更好地理解数学，那么也许情况就会如此。因此，如果你想相信自由意志是由独立于基本粒子的自然法则所支配的，那么在我看来，在推导宏观物理定律时遇到奇点是最合理的解释。这不太可能，但它与我们迄今为止所知道的一切相符。
美国科学作家约翰·霍根称我为“自由意志否定者”，现在你可能知道为什么了。但我当然不会否认，很多人认为自己有自由意志。然而，我们也觉得这一刻很特别，而正如我所清楚地表明的那样，这是一种幻觉。如果我只听从自己的直觉，我会认为图 12 中的水平线不是平行的。如果说我从学习基础物理学中学到了什么，那就是你不能让直觉支配你的思想。仅凭直觉不足以推断自然法则。
图3 咖啡厅墙壁错觉。图片中的水平线是平行的
尽管我们的大脑存在局限性，但毫不夸张地说，我们人类在理解自然法则方面已经做得相当不错了。毕竟，我们已经认识到“现在”是一种幻觉，而且我们已经非常有效地利用了我们的大脑，以至于我们可以对图 3 中的线条进行精确测量，从而说服自己它们确实是平行的。它们仍然看起来不平行，但你已经知道它们是平行的。我认为我们应该以同样的方式对待自由意志：抛开我们的直觉，遵循理性的结论。你仍然觉得自己有自由意志，但你心里知道，你实际上只是一组由神经处理器运行的复杂计算。
但我并不是想向你们说教。正如我之前所说，自由意志是否存在完全取决于你如何定义它。如果你更喜欢兼容论者对自由意志的定义，并希望继续以这种意义使用这个术语，那很好，科学也没有反对这样做。所以我们现在可以回答本章标题中的问题了。物理学排除了自由意志的可能性吗？不，它只是排除了某些自由意志的观点。因为据我们所知，未来是确定的，除了我们无法影响的随机量子事件。
那么我们该怎么做呢？我经常被问到这个问题。我认为问题在于我们中的许多人从小就对如何做决定有着直觉的理解，但当这些天真的想法与我们所学到的物理知识相冲突时，我们就必须调整我们的理解。这并不容易，但有几种方法可以解决这个问题。
最简单的方法是使用二元论。该理论认为心灵是非物理的东西。如果你愿意采用二元论的观点，那么你可以把自由意志视为你灵魂的属性，这是一个非科学的概念。只要非物理成分不与物理成分相互作用，那么这种属性就与物理学兼容物理学家的问题，但一旦两者相互作用，它就会与我们掌握的证据相冲突——它就变成了一个物理概念。由于我们大脑中做决定的部分显然是物理的，我不知道相信非物理的自由意志有什么好处，但这对二元论来说并不是一个新问题，至少它不是错误的。你也可以利用我刚刚详述的微观物理学中的小漏洞。但我怀疑，如果你告诉人们你认为自由意志是真实的，因为“重正化群方程可能会遇到一个本质奇点”，你可能会被贴上“极客”的标签。
我个人认为，应对我们无法改变未来的最好方法是重新定义我们在宇宙历史中的角色。无论有没有自由意志，我们都存在，因此我们很重要。但我们的故事是快乐还是悲伤，我们的文明是繁荣还是衰落，我们将被铭记还是被遗忘——我们还不知道。与其认为我们在选择可能的未来，我认为最好是对未来充满好奇，并尽最大努力更充分地了解我们自己和我们居住的宇宙。
关于作者/译者
作者：萨宾·霍森菲尔德（ ）：德国物理学家、作家，拥有数学学士学位和物理学博士学位，是德国慕尼黑数学与哲学中心外聘委员，主要研究方向为基础物理学，同时也致力于科学传播，是一位著名的创作者。
译者：白江柱：中国科学技术大学科技传播系科学技术哲学博士研究生。译著有《万物原理》、《通晓万物的指南》、《最简天文学》、《物质是什么》、《时间的边缘》等，其译著《最简天文学》被评为“全国优秀科普作品”