拉普拉斯妖

拉普拉斯妖（Laplace's demon）^[1]，是由法国数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）于1814年提出的一种假想生物^[3]，拉普拉斯妖知晓宇宙中每个原子确切的位置和动量，能够使用牛顿定律来展现宇宙事件的整个过程，包括过去以及未来。^[4][2]

拉普拉斯妖是一种关于宇宙学说的科学假设，本质上是因果论和决定论。^[5]其代表着经典科学所册立的确定性，该确定性是一种以线性因果关系为本质特征的机械决定论，牛顿力学则被视作这种确定性的典范理论。^[4]

随着近代力学及物理学的发展，量子力学诠释使得拉普拉斯妖的理论基础受到质疑。1927年，德国物理学家沃纳·卡尔·海森堡（Werner Karl Heisenberg）发表了不确定性定理，该定理挑战了经典科学所建立的确定性之核心——线性因果观。^[4]此后有人对拉普拉斯妖分析数据的能力提出一个极限，这个极限是由宇宙最大熵shāng、光速、以及将信息传送通过一个普朗克长度所需要的时间得来的，约为10120比特。^[6]

1814年，法国数学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯发表了论文《论概率的哲学》（Essai philosophique sur les probabilités），在这篇文章中，导论部分写到：^[3]

Nous devons donc envisager l'état présent de l'univers，comme l'effet de son état antérieur，et comme la cause de celui qui va suivre. Une intelligence qui pour un instant donné，connaîtrait toutes les forces dont la Nature est animée，et la situation respective des êtres qui la composent，si d'ailleurs elle était assez vaste pour soumettre ces données à l'Analyse，embrasserait dans la même formule，les mouvements des plus grands corps de l'univers et ceux du plus léger atome ： rien ne serait incertain pour elle，et l'avenir comme le passé serait présent à ses yeux。^[3]

翻译：我们把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。假若一位智者^[注1]会知道在某一时刻所有促使自然运动的力和所有组构自然的物体的位置，假若他也能够对这些数据进行分析，则在宇宙里，从最大的物体到最小的粒子，它们的运动都包含在一条简单公式里。对于这位智者来说，没有任何事物会是含糊的，并且未来只会像过去般出现在他眼前。^[3][2]

从17世纪末到19世纪末，由于牛顿机械物理学的成功，使必然性的观念、决定论的思想方法统治了科学。^[7]在18世纪，法国数学家皮埃尔·路易·莫佩尔蒂（Pierre-Louis Moreau de Maupertuis）（1756年）、尼古拉·德·孔多塞（Marie Jean Antoine Nicolas de Caritat，marquis de Condorcet，known as Nicolas de Condorcet）（1768年）、法国哲学家亨利希·梯特里希（Paul Heinrich Dietrich）（1770年）的学术著作中及德尼·狄德罗（Denis Diderot）档案中未注明日期的片段中均提到对因果决定论的阐述。^[8]意大利物理学家、数学家、天文学家杰尔·约瑟普·博斯科维奇（Boscovich）在其1758年出版的《自然哲学理论》中也提出了超强计算智能的形象。^[9]

1814年，法国的皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯发表了论文《论概率的哲学》，在这篇文章中，他为牛顿理论时钟在微分方程语言下无所不能的特性做出了表达，这段内容即“拉普拉斯妖”寓言。^[2]能够预知事物某一时刻确定状况的“神灵”被称为“拉普拉斯妖”。^[4]

拉普拉斯以后，近代的量子力学诠释使得拉普拉斯妖的理论基础受到质疑。1927年，德国物理学家沃纳·卡尔·海森堡发表了不确定性定理，根据该定理，亚原子粒子不仅是极微的“弹珠球”，光也不仅是电磁波。一些实验中，粒子表现出波的性质，而光也表现出粒子束的性质，即量子理论中所谓的''波粒相性”，该理论挑战了经典科学所建立的确定性之核心——线性因果观，若无法获得关于电子当前状态的准确知识，则意味着完全无法预测电子下一步的状态，意味着我们并不具有准确预测未来的能力，关于未来，我们能够提出的至多只是某些可能性。^[4]此后有人对拉普拉斯妖分析数据的能力提出一个极限，这个极限是由宇宙最大熵、光速、以及将信息传送通过一个普朗克长度所需要的时间得来的，约为10120比特。^[6]2012年，物理学家伊戈尔·雷兹尼科夫（Iegor Reznikoff）提出了一个简单的逻辑证明，证明拉普拉斯的想法是不可能的，他认为妖无法预测自己未来的记忆。^[10]

近代的量子力学诠释使得拉普拉斯妖的理论基础受到质疑。英国粒子物理学家、神学家约翰·波金霍尔指出，由于电子位置的不确定性，即使在相互作用仅考虑牛顿力学的情况下，试图计算一个气态氧分子（O2）在与其他分子碰撞50次（约0.1ns以内）后的位置也是无效的。^[11]

1986年，化学家罗伯特·尤兰维奇（Robert Ulanowicz）在其著作指出19世纪物理学的不可逆过程、熵、及热力学第二定律已经使得拉普拉斯妖成为不可能。拉普拉斯妖的可能性是建立在经典力学可逆过程的基础上的，然而热力学理论则指出现实的物理过程都是不可逆的。^[12]

而随着计算机理论的发展出现一种观点，即使世界是不包含量子理论的概率论之纯粹决定论的机械世界，似乎也只能计算过去。因为如果预测未来的计算是需要在本宇宙中进行或计算结果在本宇宙中体现的，那么计算活动的物质运动及其预测结果对未来就有影响，且计算中需要使用计算活动本身的物质运动与计算结果的数据，这将造成对计算结果的无限递归，无法得到结果。^[13]

有人对拉普拉斯妖分析数据的能力提出一个极限，这个极限是由宇宙最大熵、光速、以及将信息传送通过一个普朗克长度所需要的时间得来的，约为10120比特。^[6]

有观点认为，拉普拉斯妖随着19世纪初不可逆性、熵和热力学第二定律等概念的发展而终结，既拉普拉斯妖是以可逆性和经典力学为前提的；许多热力学过程是不可逆的，因此如果将热力学量视为纯粹的物理量，那么就不可能有这样的妖，因为人们无法从当前状态重建过去的位置和动量。最大熵热力学认为热力学变量具有与确定性微观物理学不同的统计基础。^[14]

由于其决定论的规范假设，拉普拉斯妖与规定不确定性的哥本哈根解释不相容。量子力学对其的解释仍然存在很大的争议，有许多物理学家持相反的观点，如多世界解释和德布罗意-玻姆理论。^[15]

混沌理论（Chaos theory）被认为与拉普拉斯妖的矛盾，混沌理论描述了确定性系统如何表现出无法预测的行为，就像蝴蝶效应一样，两个系统的起始条件之间的微小变化可能会导致重大差异，这解释了实际情况中的不可预测性，但将其应用于拉普拉斯的情况是值得怀疑的：在严格的妖假设下，所有细节都是已知的^[注2]，因此起始条件的变化是不存在的。即混沌理论适用于系统知识不完善的情况，而拉普拉斯妖假设系统知识是完美的，因此混沌理论导致混沌的可变性与拉普拉斯妖所持有的世界知识的不变性相冲突。^[16]

美国物理学家和计算机科学家大卫·希尔顿·沃尔珀特（David Hilton Wolpert）使用对角论证法来质疑拉普拉斯妖，他通过假设拉普拉斯妖是一个计算设备来做到这一点，但表明没有两个这样的设备可以完全预测彼此。^[17]其论文在2014年被约瑟夫·鲁卡维卡（Josef Rukavicka）引用，约瑟夫·鲁卡维卡提出了一个论点，在自由意志的假设下，使用图灵机反驳了拉普拉斯妖。^[18]