提到物理学的作用，自然是探索自然世界的奥秘，但它可能也寻求某些重大问题（不一定是科学问题）的方法，比如意识问题，时间倒流等等。德国物理学家霍森菲尔德时常遇到这些问题，由此她写下了《存在主义物理学》（Existential Physics：A scientist’s guide to life’s biggest questions）一书。本文即图回答，物理学是否排除了自由意志存在的可能？自由意志是一个长久以来科学与哲学交融的问题，观点纷纭，作者给出了自己的见解。

本文经授权节选自《存在主义物理学》（中信出版社·鹦鹉螺，2023年6月）第六章《物理学是否排除了自由意志存在的可能？》，小标为编辑所加。

(相关资料图)

撰文︱扎比内·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）

翻译︱柏江竹

在有关自由意志的讨论中，主要的问题在于哲学家提出了一大堆定义，但是这些定义与非哲学家对自由意志的理解毫无关系。其实我很想把“哲学家”这个词换成“普通人”，但这样可能有些无情，而我不想这么无情，绝对不想。

出于这个原因，我想先在不使用自由意志这个术语的前提下表述这个问题。目前确立的自然规则是决定论的，其中伴有量子力学的随机性。这意味着除了我们无法影响的偶发量子事件之外，未来是确定的。混沌理论也包含在内——混沌规律仍然是决定论的，只是它们非常难以预测，因为所有结果都与初始条件高度相关，一旦初始条件发生细微的改变，就有可能带来巨大的变化（比如蝴蝶效应）。

因此，我们的生活并不是豪尔赫·路易斯·博尔赫斯口中 “小径分岔的花园”，其中每条路都对应着一个可能的未来，而哪条路会成为现实则取决于我们自己（参见图1）。自然规律不是这样运行的。在大多数情况下，这片花园中其实只有一条路径，因为量子效应很少在宏观上表现出来。你今天所做的一切都源自宇宙昨天的状态，而昨天的一切又都源于宇宙上周三的状态……以此类推，可以一直追溯到大爆炸。

图1 分岔路径。自由意志的问题在于，我们无法在岔口选择方向

但有时随机的量子事件确实会对我们的生活产生很大的影响。小径可能每隔一段时间就会分岔，但我们对此毫无发言权可言，更没有任何能做的。量子事件从根本上就是随机的，不受任何影响，当然也不会被我们的想法左右。

自由意志的定义

正如之前承诺的那样，我在论述的过程中避开了自由意志这个术语。接下来让我们探讨一下，“除了我们无法影响的偶发量子事件之外，未来是确定的”意味着什么。

就个人而言，我只会说这意味着自由意志不存在，然后就此打住。我对此感到满意，因为自由意志本身就是一个自相矛盾的概念，之前已经有很多比我更聪明的人指出了这一点。如果你的意志是自由的，那就不应当有任何事物能引导你的意志。但是如果真是这样的话，如果自由意志真的是一种“自因”——这是弗里德里希·尼采提过的概念——那么它就不是由你引导的，不论你认为“你”的含义是什么。正如尼采所总结的，这是“人们迄今为止构想出来的最佳之自相矛盾”。我支持尼采。

我认为意志其实是这么一回事：我们的大脑根据输入的信息，遵循作用于初始状态的方程执行计算。这些计算是否基于算法，目前还有待讨论，但是我们的大脑皮质中并没有什么神奇的汁液能让我们凌驾于自然规律之上。我们所做的只是根据有限的信息来评估如何做出最优决策。决策就是我们评估的结果，它不需要任何超出自然规律的东西。我的手机每次都会经过计算再决定应该在锁屏界面显示哪些通知，显然，即使没有自由意志也一样可以做出决策。

我们可以花很长时间来讨论什么样的决定是“最优”的，但这不是物理学的问题，所以不用理会它。重点在于，我们一直都在对输入的信息做评估，并试图根据一些准则来优化我们的生活，这些准则中有一部分是大脑中固有的，有一部分则是后天习得的，如此而已。这一结论并不依赖于神经生物学。目前尚未探明我们的决策中有多少是有意识的，又有多少是受大脑潜意识过程的影响，但意识和潜意识之间的区分与结果是否确定这一问题无关。

如果自由意志没有意义，那么为什么很多人都觉得这描述了他们评估现实的方式呢？因为在思考结束之前，我们不会知道结果是什么，否则我们就不用思考了。正如路德维希·维特根斯坦所说：“意志的自由就在于，未来的行动是现在无法意识到的。”他的《逻辑哲学论》已经面世一个世纪了，所以这样的认识肯定不是什么爆炸性新闻。

问题解决了吗？当然没有。

因为一个人完全可以给某个事物下定义，然后就称其为自由意志。这就是哲学中所谓的相容论，该理论认为自由意志与决定论是相容的，除了我们无法影响的量子事件之外，未来就是确定的，我们对此不需要介怀。在哲学家当中，相容论的支持者占了大多数。在2009年的一项针对职业哲学家的调查中，有59%的人认为自己是相容论者。

哲学家中的第二大阵营是自由意志主义者，他们认为自由意志与决定论是不相容的，并且正是因为自由意志存在，决定论才一定是错误的。我不会对自由意志主义着墨过多，因为这与我们所了解的自然不相容。

所以我们就多谈谈相容论。伊曼努尔·康德形象地将相容论描述为“狡猾的诡计”，19 世纪的哲学家威廉·詹姆斯认为它是“逃避的泥潭”，当代哲学家华莱士·马特森（Wallace Matson）则称之为“转移话题谬误中最华丽的范例”。那么，在除了我们无法影响的偶发量子事件之外的未来已然确定的情况下，你要如何使得自由意志与自然规律相容？

若想继续推进这一论证，也许你可以稍微改进一下物理学。哲学家约翰·马丁·费希尔（John Martin Fischer）把这样做的哲学家称为“多重过去相容论者”以及“定域奇迹相容论者”。前者认为你的行为会改写过去的事件；后者则认为，超越自然规律的超自然事件可以让你以某种方式避开那些已经被证实无数次的理论所做出的预测。我不会再针对这一问题深入讨论下去，因为这本书的内容是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视物理学。

在一些没有太大瑕疵的相容论观点中，最普遍的观点是，你的意志是自由的，因为它不可预测——在目前的实践中完全无法预测，甚至有可能在理论上也是不可预测的。这一立场最突出的代表人物是丹尼尔·丹尼特（Daniel Dennett）。如果你想这样理解自由意志，那也没问题，但除了我们无法影响的偶发量子事件之外，未来依然是确定的。

哲学家热南·伊斯梅尔（Jenann Ismael）进一步提出，自由意志是自主系统所具备的属性。她的意思是说，宇宙中不同子系统的行为对外部输入和内部计算的依赖程度的相对比重会有所不同。举个例子，烤面包机就几乎没有自主性——你按下按钮，它就会做出反应。人类有很高的自主性，因为人的思考可以在很大程度上与外部输入脱钩。如果你认为这就是自由意志，那也没问题，但除了我们无法影响的偶发量子事件之外，未来依然是确定的。

有相当多的物理学家通过在自然定律中嵌入自由意志来支持相容论。肖恩·卡罗尔和卡洛·罗韦利认为可以将自由意志解释为系统的涌现性质。菲利普·鲍尔最近还对这一观点给出了一定的补充，认为我们应当借助宏观概念（包括涌现性质在内）之间的因果关系来定义自由意志。

物理学家（包括我在内）通常不会讨论自由意志是否与决定论相容（这是经典的自由意志主义/相容论的划分），而是在考虑标准诠释下量子力学随机性的前提下，讨论自由意志是否与自然规律相容。这两种划分方式没有什么区别，因为在量子随机性中没有“意志”，但它有时会导致混乱。例如，在被问到人类行为是否由宇宙初始状态决定，或是能否根据完整的信息来预测时，相容论物理学家往往会回答“不”，但是在一些调查中，这样的回答将使得他们被划入自由意志主义阵营。

前面提到，涌现性质是指小尺度上的物理细节被抹平之后，出现在大尺度上的近似描述。图 2说明了如何利用这一点为自由意志腾出地方。在微观层面上，路径（白色线条）是由初始状态决定的，也就是说，图片的左侧是起始位置。但是在宏观层面上，如果你忘记了初始条件的确切情况，那么只看所有微观路径的集合，就能发现宏观路径（黑色轮廓）出现了分岔。

图2 自由意志如何与物理学相容

上述几位物理学家的意思就是，如果你忽略了微观层面上粒子的确定行为，那就无法在宏观层面上进行预测。岔路口：好耶！当然，这只建立在你忽略了真正发生的事情的前提下，你也可以那么做，但除了我们无法影响的偶发量子事件之外，未来依然是确定的。当肖恩·卡罗尔用“自由意志就像棒球一样真实”来总结他的相容论立场时，他应该加上“也像棒球一样自由”。

话虽如此，我还是认为物理学家或哲学家对自由意志的相容论定义并没有什么太大的问题。毕竟这只是定义，没有对错之分，只有有效程度的区别。但我不认为这种语言上的伎俩能解决普通人（我指的是非哲学家）所担心的问题。2019 年，一项针对来自21个国家的5000 多名参与者的调查发现，“在不同的文化中，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”。看来我们不是天生的相容论者。这就是为什么对我们中的许多人来说，学习物理会动摇我们对自由意志的信念，我同样如此。在我看来，这才是需要解决的问题。

物理学是否排除了自由意志的可能？

你也能看到，在尊重自然规律的情况下理解自由意志并不容易。从根本上来说，问题在于，据我们目前所知，强涌现是不可能的。这意味着一个系统的所有高层级性质（宏观层面上的性质）都来自粒子物理所在的低层级。因此，你如何定义自由意志并不重要，它和其他一切事物一样，都是源自粒子的微观行为。

因此在我看来，理解自由意志的唯一方法就是，从微观理论发端的推导过程在某些情况下由于某种原因出错了。这样，强涌现就可以是自然的一种实际属性，于是我们就得到了真正独立于微观物理学的宏观现象（其中也包括自由意志）。我们现在没有丝毫证据表明这种情况确实存在，但是思考一下它需要什么条件是很有趣的。

首先，我们用来求解将微观与宏观定律联系在一起的方程的数学技巧并非一直有效。它们通常依赖于某些近似值，可是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。这当然是实践上可能遇到的问题。但就定律的性质而言，这个问题无关紧要。更低层级和更高层级之间的关系不会因为我们解不出方程而消失。

有两个案例可以让我们向着强涌现稍稍走近一步，科学家用其来研究复合系统能否具备计算机无法确定值的性质。如果答案是肯定的，那么相对于我们无法掌握计算的技巧而言，这更加能够说明宏观现象挣脱了微观物理的束缚而获得了“自由”。

这实际上可以证明宏观现象是无法计算的，但在这两个案例中，我们都需要两个无穷大的系统才能完成证明。上述证明思路可以归结为，对于一个无穷大的系统，它的某些性质无法在有限时间内通过经典计算机计算出来。但是，我们在现实中不会遇到这样的情况，因此这对自由意志毫无帮助。

然而，从微观物理推导宏观行为的过程也可能由于其他原因而出错。可能是我们在计算过程中遇到了一个奇点，而无论在实践上还是在理论上，我们都无法越过这个奇点继续进行计算。这不一定会又一次带来与无穷大相关的问题，因为在数学中，奇点并不总是意味着有什么东西变成了无穷大，它只是一个函数在此不连续的点。

我们目前没有理由认为我们宇宙的微观物理当中的确存在这种现象，但如果我们对数学的理解可以更深一层，情况也许就不一样了。因此，如果你想要信奉自由意志是由独立于基本粒子的自然规律所支配的，那么在我看来，在推导宏观物理规律的过程中遇到奇点是最合理的解释。虽然可能性不大，但这与我们目前所知道的一切相容。

美国科学作家约翰·霍根（John Horgan）称我为“自由意志的否认者”，现在你可能知道他为什么要这么说了。但我绝对不会否认很多人都认为他们拥有自由意志。然而，我们也会觉得当下这一时刻具有特殊性，而前文已经清楚地揭示了，这是一种错觉。如果只听从自己的直觉，那我会认为图 12 中的水平线并不平行。要问我从基础物理学的研究中学到了什么的话，那就是人不能任由直觉支配自己的想法。仅凭直觉不足以推断出自然运作的规律。

图 3咖啡馆墙错觉。图中的水平线是平行的

虽然我们的大脑有其局限性，但是毫不夸张地说，我们人类在探索自然规律方面做得相当不错。毕竟，我们已经可以理解“现在”是一种幻觉，而且可以充分利用我们的大脑，可以对图 3中的线条进行精确的测量，从而说服自己它们确实是平行的。虽然它们看上去仍然不平行，但你已经知道了它们是平行的。我认为我们应该以同样的态度来对待自由意志：抛开我们的直觉感受，遵从理性得出的结论。你仍然会觉得自己拥有自由意志，但你心里清楚，自己实际上只是由神经处理器所运行的一套复杂的计算。

但我并不是要向你传教。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。如果你更喜欢相容论者对自由意志的定义，并且想要继续在这个意义上使用这一术语，那也没问题，科学并未对此表示反对。因此，我们现在可以回答本章标题的问题了。物理学是否排除了自由意志存在的可能？没有，它只是排除了某些关于自由意志的观点。因为就我们目前所知，除了我们无法影响的偶发量子事件之外，未来是确定的。

那我们要怎么应对这一结果呢？很多人会这样问我。在我看来，问题在于，我们中的很多人在成长的过程中一直以直觉来看待我们做出决策的机制，但当这些天真的想法与我们所学的物理知识发生冲突时，我们必须及时调整自我认知。这绝非易事，但是有几种方法可以解决这个问题。

最简单的方法就是利用二元论。该理论认为，心灵是非物质的东西。如果你愿意采纳二元论的观点，那你可以把自由意志当作自己灵魂的属性，这是一种无关乎科学的概念。只要非物理组分与物理组分不发生相互作用，那么这种属性就是与物理相容的，但二者一旦发生相互作用，它就与我们所掌握的证据相冲突——它就成了物理概念。因为我们大脑中用来做决定的显然是物质的那部分，所以我不知道信奉非物质的自由意志会有什么好处，但这不是二元论要面临的新问题，至少它不是错误的。你也可以利用我刚刚详细介绍过的微观物理中的小漏洞。不过我怀疑，如果你告诉别人，你认为自由意志真实存在是因为 “重正化群方程可能会遇到一个本质奇点”，那么你身上的“极客”标签估计就摘不掉了。

我个人认为，应对无法改变未来这一事实的最佳方法就是重新定位我们自己在宇宙历史中所扮演的角色。无论是否具有自由意志，我们都存在着，因此我们很重要。但是我们的故事将会幸福还是悲伤，我们的文明将会繁荣还是衰落，我们将会被铭记还是遗忘——这些我们还不知道。与其认为是我们自己在选择可能的未来，我觉得倒不如对未来的事情保持好奇，并且尽全力去更加全面地认识我们自己以及我们所居住的宇宙。

作者／译者简介

作者：扎比内·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）：德国物理学家、作家，拥有数学学士学位和物理学博士学位，德国慕尼黑数学哲学中心外部成员，主要研究方向是基础物理学，并致力于科学传播，YouTube著名创作者。

译者：柏江竹：中国科学技术大学科技传播系科技哲学专业博士研究生。译著有《万物原理》《万物认知指南》《极简天文学》《物质是什么》《时间的边缘》等，译作《极简天文学》曾获评为“全国优秀科普作品”。

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