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科学大佬们养的宠物妖怪们

2018-05-23

科学家们最爱干的事情就是两眼放空开始幻想。和你的白日梦差不多,他们也喜欢在白日梦里云养宠物。其中最著名的当属薛定谔的猫了。可是除了薛家的猫,你还听说过别的思想萌宠么?


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「麦克斯韦妖」


在热力学里,麦克斯韦妖也是继薛定谔的猫之后一个知名度比较高的幻想生物。它是由19世纪的物理学家,现代热力学奠基人之一——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)创造和饲养的。


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麦克斯韦创造麦克斯韦妖的主要目的是想证明热力学第二定律——不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响——存在可以被违反的情况。


麦克斯韦妖的宠物力:可以识别一个封闭的系统中任何物体的热力学状态以及熵,并且可以对它们进行相应的操作。


假设有一个充满气体,并且中间有一道隔门的房间,房间的左边气体更热,运动速度更快。房间右边的气体更冷,运动速度更慢。那么如果把中间的隔门打开,那么左边和右边的气体应该会混合,最后达到平衡,房间的熵增。一般情况下事情的进展应该是这样的,这也是热力学第二定律的预测。


可是麦克斯韦的宠物却可以把门,让温度高的气体分子往热的那半个房间跑,当温度高的气体想要跑到温度低的那一边时迅速地关上门,对温度低的气体也是一样。这么一来,有了麦克斯韦妖的话,左右不同温度的气体不但不会混合,温差还会变大,这样房间的系统熵不会增加,那热力学第二定律不就完蛋了吗?


不过后来物理学家们逐渐解决了这个矛盾。他们证明,记录信息实际上让系统的熵增加了,而且擦除信息的过程也会释放能量(兰道尔原理,Landauer's principle)。麦克斯韦的宠物这么全知的话,它必须要能保存系统的信息,每次在放气体分子通过隔门的时候,它还要记录下这些信息。


不管他是一直无限储存这些信息,还是先擦除再添加新信息,都不可避免地造成了熵增。因此这个房间系统的整体并没有违反热力学第二定律。


不过,后来有人表示不服,提出了麦克斯韦僵尸等更加奇特的闹腾热力学第二定律的宠物。所以到目前为止麦克斯韦妖依然是物理学家们最爱的宠物之一。



「拉普拉斯妖」


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19世纪时,法国数学家拉普拉斯也养了一只宠物,它被人称为拉普拉斯妖。


拉普拉斯妖的宠物力:拉普拉斯的宠物了解宇宙的一切,比如任何物体在任何时间的精确位置。


通过这个全知的萌宠,拉普拉斯是物理学史上第一个提出可以通过宇宙某个时间的状态推测它的过去和未来的人。也就是说,拉普拉斯妖就是一种万物理论。


现在的许多物理学实践都在应用拉普拉斯妖的思想。不过,拉普拉斯妖有一些致命的缺陷,因为某些物理过程是无法回溯的。比如根据杨振宁和李政道发现的宇称不守恒原理,一些信息在某个时刻被永远丢失了,我们无法重建那一时刻前的历史。


另外,量子力学和拉普拉斯妖也有矛盾。量子力学的不确定性原理限制了拉普拉斯妖(以及我们人类)在某一时刻同时获知微观粒子位置和动量的信息的能力,也就是说,拉普拉斯妖不可能全知。



「尼采妖」


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好吧,我们这儿物理学家开会呢,尼采一个哲学家乱入是肿么回事?


其实尼采也养过一个萌宠,这个萌宠对后世的物理学和数学影响也很大。尼采是在1882年的《快乐的科学》中提出了这个妖精。


尼采妖的宠物力:尼采的宠物的功能比上面几个萌宠妖更令人畏惧。尼采说,他养的宠物掌控着宇宙中的任何事件,而且不管大事还是小事,它都能让这些事一遍遍重复发生。


这又如何?


想想看,不管你过得快乐还是悲伤,你会一遍遍重复这些痛苦或快乐,我们无法违抗尼采妖的旨意,只能陷入一遍遍的死循环。这个宇宙未来经历的和现在经历的,以及过去经历的没有差别。


听起来像发疯的尼采的又一次胡扯是吗?那么,尼采妖的思想体现在了许多科幻电影,还有庞加莱回归定理中,你现在感觉如何?


庞加莱回归定理说,对于任何有限系统来说,它会无限次地轮回,接近初始状态。谐振子就是一个例子。庞加莱回归定理后来被应用到了混沌理论中,也被用来解释三体问题,对就是刘慈欣的《三体》的灵感来源。



「达尔文妖」


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这个萌宠并不是达尔文本人养的,而是后来的生物学家根据达尔文的理论创造出来的。


达尔文妖的宠物力:它可以一下子将自己的所有基因适应度调成最优,这样它就不用慢慢地适应环境,而是可以立刻适应环境。


当然了,现实中并不存在达尔文妖这样的妖孽。如果它真的存在,生物学家们说,在理论上它可以在出生后立刻繁殖,而且能够无限繁殖而不会死亡。这种情况显然会违反热力学定律。



「预言家-纽科姆悖论」


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这个预言家是美国理论物理学家威廉·纽科姆(William Newcomb)创造的纽科姆悖论中的关键角色。


什么是纽科姆悖论?这是博弈论中的一个经典思想实验。游戏里有一个玩家和一个预言家,还有2个盒子A和B。


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A里面永远有1000美金,而且玩家知道这件事。

B里面有多少钱未知,取决于预言家的预言。玩家知道预言决定了B里的金钱数量。


玩家要选择拿走B盒子或2个盒子。


如果预言家预言玩家拿走2个盒子,那么B盒子里什么都没有。如果预言家预言玩家拿走1个盒子,那么其中B盒子里会出现1百万美金。


所以玩家应该怎么做呢?


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在不知道预言家准确率的情况下的4种可能结果


因为预言家只能控制B盒子,在预言家的准确性未知的情况下,最好的策略就是拿走2个盒子,这样不管怎么说最后都有至少1千美金不是吗。所以这又有什么问题呢?


预言家的准确性就是个问题。因为预言家总是能准确预言未来,而且玩家也知道这一点,因此如果你拿走2个盒子,那么B盒子必然就是空的,你只能够获得1千美金。所以最好的策略又变成了只拿走B盒子,这样可以拿走1百万。


这个涉及自由意志和决定论的问题让搞博弈论和混沌理论的人兴致勃勃。在混沌理论里,如果真有这样从不犯错的预言家,而且人类能意识到这一点,那么人类的思想过程就会让混沌系统的结果变得很不一样。



「笛卡尔的恶魔」


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这是笛卡尔养的一个全能的恶魔,它在梦中为笛卡尔创造出了河流、山川、肉体,还有一切感觉,甚至还为笛卡尔创造出了数理逻辑,让梦中的笛卡尔信以为真。


如果真有这样的恶魔,那么人的感官都是不可信的,而依靠感官得到的物理学也自然是不可靠的。那笛卡尔是不是应该怀疑自己是否真实存在?笛卡尔此时应该怎么办?


笛卡尔说,即便所有的感官和物理世界都是假的,只要自己能怀疑一切,那么恶魔铸造的骗局就是不完美的,而能怀疑自身的人就是真实存在的。


恶魔造的假山会怀疑自己吗?假人会怀疑自己吗?如果恶魔不能阻止笛卡尔怀疑这个世界,那么笛卡尔就不是恶魔造的。这就是笛卡尔那句名言——“我思故我在”的起源。


这个恶魔是笛卡尔造出来用来解释他的怀疑论思想的,也就是一切思想都值得怀疑,你要怀疑一切。不过,“怀疑一切”这个道理,也就是说笛卡尔的“我思故我在”名言却是不能被怀疑的。如果你笃信这一点,那么笛卡尔的全能恶魔就无法完全控制你的思想,而你也必然存在。



「 Roko的蛇怪」


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这个妖怪的宠物力是这样的,它是一个未来的怪物,它会回到过去惩罚那些预测了它的存在,但是故意违逆它心意的人。


Roko 的蛇怪在人工智能中的应用就是,如果未来出现了一个超级AI,那么它就会回到现在,惩罚那些所有知道它即将出现,但阻挠它的出生的那些人。(所以 Roko 的蛇怪要是真的存在,那么现在世界上不是应该不存在反对AI的人嘛?)


这个妖怪来自于一个叫做 LessWrong 的科学论坛上的某个叫做 Roko 的网友的思想实验。它并没有经过严格的论证,但是依然引起了不少人的兴趣,其中就包括马斯克和他目前的女朋友,他俩都是这个思想实验的粉丝。



「维格纳的友人」


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大多数人只知道薛定谔的猫,但不知道的薛定谔的猫还有续集。没有这个续集,或许现在你就不知道薛定谔的猫这件事了。


实际上薛定谔的猫在薛定谔的年代并没有什么名气,薛定谔本人在生前也不太提到这个思想实验。后来,在匈牙利数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)的影响下,薛定谔的猫才稍微在学术界有了些知名度。


20世纪60年代,冯·诺伊曼的一个粉丝——匈牙利物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)利用薛定谔的猫创造了另一个虚拟人——维格纳的友人。


维格纳把这个人被取名为迷糊博士(Dr. Muddle),他在一个孤立的实验室里做了薛定谔的虐猫实验。


在看到盒子里的真相前,他的内心风起云涌,一会儿很困惑,一会儿很开心,处于情绪的叠加态之中,但是别人并不了解他的内心的真实想法。当他打开盒子的那一刹那,他的情绪才固定下来。用量子力学的说法,观察导致他的情绪“塌缩”了。


维格纳通过这个宠物人想说明的是,意识状态的改变才是量子塌缩发生的时刻。


而这个思想实验被著名哲学家和数学家、哈佛大学的希拉里·怀特哈尔·普特南(Hilary Putnam)看到了。1965年,他把薛定谔的猫以及维格纳的友人问题写成了一篇文章,收录到了一本书里,然后《科学美国人》针对普特南的书写了书评,薛定谔的猫的故事才正式在科普界流行起来。


(来源:把科学带回家)


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