精緻冰冷的還原論
「The love of complexity without reductionism makesart; the love of complexity with reductionism makes science」
「對複雜性的熱愛，無還原論，成就了藝術；和還原論一起，則成就了科學」
–E.O. 威爾遜
那麼，我來總結一下拉普拉斯之妖的核心，它包括兩個層面：
1.一切複雜運動的規律皆可以還原至最基本組成粒子的運動規律，「還原論」
2.當一個事物在某一時刻狀態已經確定時，我們可以預言它的一切未來軌跡，「決定論」
這一章我首先來簡單地說一下還原論這件事。
以典型的還原論觀點來看，萬物的運動，最終都是它們的每個組分綜合而成的。對於一個宏觀的事物而言，如果組成這個事物的每一個部分的運動狀態，以及這每一部分相互之間的相互關係和相互作用，對這些情況我們都已經了如指掌的話，那麼，這個宏觀事物的整體運動，我們只需要把每個部分的運動綜合起來，就可以很清楚地知道了。比如說，我們在欣賞一副油畫，如果對畫布上的每一個點的顏色，我們都已經知道了，那麼毫無疑問，整個畫面的狀態我們也就知道了。
我們這個宇宙間的萬物，大到天體，小到細菌病毒，歸結到最終，都是由一些基本粒子組成的。在我們地球上常見的物體中，我們基本上可以說，所有的東西都是由原子組成的。而原子，則是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的。原子核呢，則是由兩種粒子：質子和中子組成的，不論質子還是中子，它們都是由一種叫做夸克的粒子組成的。這些粒子，原子、電子、質子、中子等等，它們有些是可以再分的（例如原子、質子、中子），有些已經是最小單位，沒有辦法再分了（例如電子、夸克）。這些沒有辦法再分的粒子，就叫做「基本粒子」。
你必須知道，所有這些基本粒子，都是完全相同的，它們之間沒有任何區別。旺財身上的某一個電子，和你身上的某一個電子，乃至於和我們電視裡面正在給我們顯示畫面的某一個電子，是一模一樣的，在現代物理學裡面，很多時候我們甚至沒有辦法把它們編號，區分為電子1、電子2……等等。一個電子，不會因為在你的身體裡面，就會與旺財拉的一泡屎中的電子有絲毫不同。夸克之間的互相不同組合，就形成了中子或者質子，而中子和質子的不同組合，再加上電子，就形成了不同的原子，比如說，碳原子就有12個質子；而1個質子組成的呢，就是氫原子。同樣道理，一個在你身體里的碳原子，也不會與一堆煤炭裡面的碳原子有絲毫不同。
原子呢，它們的電子可以和其它原子的電子互相「握手」而緊緊地拉在一起，「在一起」的這些個原子組成的，就是分子。比如說，一個水分子就是一個氧原子和兩個氫原子相互拉手組成的。而無數個分子「堆積」在一起，就是我們看到宏觀世界的各種物體。我們看到的物體不同，是因為組成它們的分子不同。然而，如果我們繼續細分，組成它們的所有基本粒子都是相同的，所不同的是，這些基本粒子相互之間的關係不同。
那麼生物呢？我們人類是細胞組成的，而細胞無非就是一些以蛋白質為主的各種分子的組合、以及遺傳物質DNA。蛋白質和DNA都是一種由數以萬億計的原子組成的一些巨大的分子（當然，「巨大」只是相對而言的，它們相對於一個原子是巨大的，但是實際上，它們只有幾到幾十納米，需要很精密的電子顯微鏡才能夠看得到）。我們的精神活動，包括我們的喜怒哀樂、我們的思維，都是一些電流信號，這些電流是通過神經細胞長長的觸鬚連接成的「電線」傳遞的，電流的開關，則是由神經細胞連接中間的一些特殊小分子物質的運動來控制的。
那麼，可以說，精神運動，無非就是某些特定的蛋白質分子構成的電路系統和電路元件而已。
綜上所述，如果宇宙中每一個粒子的命運都是註定的，那麼，每一個宏觀物體的命運也就是註定的，我們大腦中的每一個細胞的電信號如何傳遞也是註定的，我們的喜怒哀樂、自由意志也就是註定的了。這就是還原論的一條冰冷無情的鏈條。
所有這些構成宇宙萬物的基本粒子，它們各自的運動，都遵循著同樣規律,這種規律可以用量子力學來描述。這個我們後面再講。
物理學對這些粒子的運動規律已經可以說了如指掌了。然而人們會有疑問，每一個微觀粒子，它的的運動，與它們大量聚集在一起時的運動，遵循的規律會是一樣的嗎？單獨的粒子運動方程和大量粒子一起運動的運動方程是一樣的嗎？
首先，科學家至今為止，沒有發現任何證據顯示，粒子在不同的聚集狀態下，運動會有所不同。這使得科學家嗎對上面這個問題斷然持肯定的答案。
更加基本一點說，科學家們有一種信念：世界是複雜的，但規則是簡單的。
愛因斯坦曾經打了一個比方，他問，自然規律是像圍棋呢？還是像美式足球（美式橄欖球）？我們知道，圍棋和美式足球都可以形成錯綜複雜的戰局，但是兩者的規則完全不同。圍棋的規則極其簡單，就一兩條而已，落子的時候幾乎是完全自由的，只要把對方棋子全部圍死不留一口氣就可以了。但是美式足球的規則卻是非常複雜，足足有70多條。自然界的現象無疑是極其複雜的，但是自然規律是否也是複雜的呢？愛因斯坦給出的答案也代表了幾乎所有科學家的答案：自然規律必定是極其簡單的。
這不但是基於大量的觀測事實得出的結論，更加是物理學家們摻雜了哲學和美學觀念的一個信仰，這也是還原論者的一個基本理念。一個非常有代表性的原則就是大名鼎鼎的奧卡姆剃刀原則，說的是，如果兩個理論能夠得出同樣的預言，那麼更簡單的理論更優越，複雜的理論必須要把它剔除。
這種信念（當然也是經過實踐檢驗的信念）告訴我們，宇宙萬物，從宏觀到微觀，必然遵循同樣的物理定律。組成宏觀物體的粒子，和自由的粒子，它們的運動規律並無二致。
當然，人們還發現，與還原論相對的，如果我們只從整體來看，單個個體和少數個體的行為與群體行為之間的區別，並不是簡單的加和。通常，一個系統的尺度在從小到大的變化過程中，會表現出一種「層展」的現象，意指在個體數增加的時候，突然出現了某些在小尺度下不存在的特徵。也就是說，它會不斷「湧現（emerge）」出來的小尺度範圍中不曾出現的新的現象和概念。
我們可以舉一個類比。例如說，我們正在和阿爾法狗下圍棋。那麼我來問你，我們在幹什麼呢？
我們不是在和阿爾法狗下棋嗎？不是嗎？
好的，我說，在我們這個層面，是的。但是嚴格來講，到底在發生著什麼？阿爾法狗是什麼？阿爾法狗會下圍棋嗎？
我們說，圍棋是一個遊戲，其實就是按照一定邏輯規則進行的邏輯運算。阿爾法狗是一台電腦嗎？應該說不是，它可以存在於這一台電腦中，也可以存在於另外不同的電腦中，或者是手機中，平板中，甚至是某些其它的非電子類的邏輯處理系統中，它是一個程序，一個各種邏輯指令和邏輯運算的集合。如果說阿爾法狗在某一點下了一個白子，它真的是下了一個白子嗎？其實不是，它只不過是給顯示屏發了一個指令，把顯示屏上某一塊個位置的像素變成白色：它給通往顯示器的電線發出了一個怪異的電信號– 一組按照某種波形變化的電流脈衝，這組脈衝包含了電子的某種特定運動，這種運動導致了顯示屏上面相應位置的液晶分子按照某種方式排列旋轉，最終導致這個位置的光變成了白色。而我們在下棋的時候，肯定不會去琢磨這中間電子的運動、液晶分子的旋轉等等，如果我們陷入其中，我們根本就不可能得到「下了一個白子」這種概念。我們想的其實很簡單，「看，這隻狗在這裡下了一個白子」。
而它是如何做出決定在這個特定的地方下這個白子的呢？再一次，我們「嚴格地」來看一下。這是阿爾法狗的程序中按照一種邏輯運算（可能是很複雜的運算）計算的一個結果。而這種邏輯運算又是怎麼完成的？它是由很多很多「單元」的邏輯過程組成的：與、或、非、與非等等。而進一步，這些單元邏輯過程，其實是由電腦中一個個的邏輯電路完成的：例如，一個高電平和一個低電平通過一個「或」的邏輯電路，就成為一個高電平。而這種邏輯電路，其實是用電子元件「邏輯門」對電子的操作完成的，它在某些時候讓電子通過，或不讓電子通過。而邏輯門又是如何實現對電子的操作的呢？這是大量的按照特定晶體網格排列的半導體（例如硅等）原子等和局部的摻雜元素在一起共同作用，形成的價帶結構，電子在其中躍遷的過程中完成的。而電子又是如何在半導體的價帶結構中躍遷呢？這才涉及到最底層的種種量子性質：疊加、糾纏、幺正演化等等。
那麼，當這麼層層深入下去，我們可以直達量子底層。但是，如果我們只關注這些電子、以及半導體的原子的運動，無論如何我們是不可能得到「下棋」這個概念的。即使是我們把整個電腦的所有微觀粒子全部研究得清清楚楚（這將是一個現實中不可能完成的任務！），我們仍然只知道一堆粒子的運動，我們甚至不知道邏輯電路的存在，當然不可能知道下棋是個什麼東西。
當我們把眼光向上移動，不去關注單個的電子和原子，而是在一個邏輯門的尺度上觀察這個邏輯門的變化規則，我們就完全忽視了電子的量子效應。我們當然從原理上知道，邏輯門的電路必須是在建立在電子原子的運動規律基礎之上的，但是我們在這個層面上不必關心每個微觀粒子是怎樣運動的–過渡追求這些細節不但毫無用處，反而會使得邏輯電路的整體概念支離破碎。我們所關心的，是一個電平通過一個邏輯門之後，輸出的是一個什麼樣的電平：這完全是宏觀概念。
那麼，在一個個邏輯門之上呢？是巨大的數字電路系統，每一個晶元，都是無數個邏輯門之間按照複雜的關係組成的整體。按照這個數字電路系統的宏觀構架，我們就有了CPU、GPU、存儲器、I/O系統等等數字模塊。例如說CPU，我們就不再關注每個邏輯門的情況，而是關注CPU的每個管腳的輸入輸出模式：各種指令集。以單個的邏輯門的眼光，我們永遠不會理解CPU的運行模式。
那麼又是什麼在支配著整個數字電路的運轉呢？是一系列的邏輯指令。我們根據數字電路的特徵，用這些電路可以理解的二進位語言，來命令它們如何運轉。這些二進位語言，是一串連綿不絕的0和1組成的數字串。我們拿到整串的邏輯指令，完全可以預言整個電路的運行結果，但是我們仍然不知道這串邏輯指令的意義何在。它與人類想要實現的功能之間，必須有機器語言和程序語言之間的翻譯過程。於是有了各種程序設計：比如說彙編、C++、Fortran等等。我們可以讀懂這些程序的指令以及它所想要實現的過程：演算法。
演算法則是把我們真正想要完成的功能進行分析、分解、數學模型化等等之後，把「下棋」這個宏觀規則（例如有眼殺無眼、長氣殺短氣等等）拆解成複雜的數學運算過程。它本身是一個巨大的邏輯運算集合。而所有的這些邏輯運算整合在一起，就實現了下棋這個功能。
然後，根據運算結果，阿爾法狗才能實現諸如「把顯示屏上的某塊區域變成白色」這種人機交互層面的動作。然後，下棋的我們把這種顯示屏上的變化詮釋為「下了一個白子」。
那麼，「嚴格」講，阿爾法狗到底是一個什麼「現實」？它是一大堆的微觀粒子的運動和它們之間的相互作用嗎？在微觀層面上說，是的。但是，無論我們對這堆微觀粒子的運動理解得有多深，我們都不可能產生「下棋」這樣的概念。所以說，這種強還原論的說法又不對：它無法反映出我們遊戲的層面上「下棋」這個現實。阿爾法狗絕不僅僅是一堆微觀粒子的運動的集合。後面我們會看到，在最微觀的底層，很難找到一個明確的「現實」的定義，但是隨著我們層層向上，我們卻產生了各種明確的現實：邏輯門、數字電路、CPU、指令集、程序、演算法、人機交互、乃至下棋。這就是「層展」的現實。它們在每一層都不「嚴格」，但是卻確確實實存在。
現在，再反過來看看阿爾法狗的對手，作為棋手的我們。「嚴格」講，我們是什麼？按照相同的思路：
微觀層面，我們是一堆微觀粒子的運動，是一個巨大的波函數的一個分支，是一個模糊的現實。
微觀粒子增多，則產生了化學反應、以及化學反應系統。
大量的化學反應耦合，出現了大分子諸如蛋白質、核酸，然後與身體的內環境相互作用，產生了這些大分子的「生態圈」：細胞。
各種細胞之間共生，互相交換物質和能量，支持著對方的生存，也被對方所支持，形成了體內的細胞之間的生態系統：組織、器官。
所有的這些細胞，包括我們自己的細胞、外來細菌的細胞、以及大量的病毒，在一起維持著我們的新陳代謝。
神經元細胞形成的巨大網路，通過整個新陳代謝系統，產生生物電、然後形成神經網路運算，有了思維和意識。
通過手眼等人機交互器官，我們與阿爾法狗下棋。
這也是同樣的層展結構。從微觀粒子運動的角度，我們永遠不會有「人」這樣的概念。「人」本身的定義也是模糊的，何為「人」？所有皮膚下包裹的血肉總和嗎？顯然不對，我們呼吸、吃飯吸入的空氣、食物算不算？進入身體的食物從什麼時候開始才算是成為我們的一部分，變成「人」的血肉的？人不但包括了自身的細胞，還有大量外來生物：各種細菌之類，它們和我們的細胞共生，我們離不開它們，它們離不開我們，那麼它們又算不算「人」的一部分？人本身就是一個由大量微生物組成的生態系統，它的定義也是模糊的。「生存」和「死亡」也是同樣的模糊概念。但是，它們從層展中湧現，只有在生物學的層面上，我們才知道什麼是「人」。
現在你應該大致了解了何為「湧現」。所謂湧現，指的是一個系統的尺度和複雜度在不斷放大的過程中，由於系統的各個子系統之間的關係越來越複雜，系統整體漸漸地出現了小尺度中不曾有的概念。在不同的層級，這種概念會逐步顯現。湧現出的概念，並沒有一個明顯的邊界，但是在不同尺度的層級卻是不可或缺的現實內核。
例如，小群體的人群裡面不會出現國家這個概念，但是人口數量增多之後，它卻不可避免。還有，歷史長河中絕大多數人的個人的行為雜亂無章，但是但是當地球上所有的人集合成為一個整體，進而形成的宏大歷史，卻是有著非常明晰的趨勢和規律的。
最方便的一個例子還是圍棋：圍棋的規則非常簡單。然而懂得了圍棋的規則並不等於會下圍棋。局部的打劫、小範圍的爭地、大範圍的布局，在不同的尺度上的落子方法是截然不同的。在很小範圍內幾個子打劫的時候，是沒有「勢」的概念的。然而我們都知道，圍棋的規則並沒有隨著棋盤大小發生什麼變化。但是人們下棋的方式卻完全不一樣。「勢」的出現，僅僅是由於棋子之間的相互關係更加複雜而產生的。
還原論與整體論是一體兩面的，是對一個事物的兩個不同角度的觀察。一切大尺度湧現出來的複雜現象，其起源都是簡單的底層規則。就像前面圍棋的例子，所有的大範圍的落子方法和「勢」的概念，都是在基本規則基礎上出現的。這些新概念的產生卻是不可避免地由微觀底層規則所決定。正是由於圍棋的基本規則決定了「勢」這種宏觀現象會湧現出來，那麼它必然會湧現出來。
所以，拉普拉斯之妖如果能夠確知宇宙中每一個粒子的狀態，它就可以層層向上，確知每一個層面的現實表現，進而確知宇宙的整體狀態。這一點，我們暫時並不懷疑。而拉普拉斯之妖真正引起爭議的，並不是還原論，而是這樣兩個問題：
1.是不是已知一個粒子的狀態，就必然可以預測它未來的所有狀態，而不帶一點不確定性？
2.拉普拉斯之妖是不是真的能夠在原則上確知一個粒子的狀態？
這是決定論的問題，它必須回答。我們將在下一章探討一下決定論的問題。
TAG:魔鬼眼中看世界 |