在20世纪科学涌现的知识洪流深处,人们发现了关于我们所能知晓的事物的铁定限制。维尔纳·海森堡发现,例如,提高关于物体位置的精度,不可避免地会降低对其动量确定性的程度。库尔特·哥德尔证明,在任何足够先进以至于有用的形式数学系统中,都无法使用该系统来证明其包含的每个真命题。艾伦·图灵证明,一般来说,人们无法确定计算机算法是否会停止。
大卫·H·沃尔珀特是美国宇航局艾姆斯研究中心一位接受过物理学训练的计算机科学家,他提出了自己版本的知识限制。由于这个限制,他得出结论,宇宙超出了任何可能存在于宇宙之内的智慧的掌握。具体而言,在过去的两年里,他一直在完善一项证明,即无论什么物理定律支配着宇宙,都不可避免地存在着宇宙的居民无法通过实验了解或通过计算预测的事实。夏威夷大学希洛分校的物理学家菲利普·M·宾德认为,该理论暗示,寻求统一规律的研究人员不可能期望得到比“几乎所有事物的理论”更好的理论。
沃尔珀特的工作旨在创建一个对诸如测量数量、观察现象、预测系统未来状态或记住过去信息等过程进行正式、严谨描述的框架——这种描述足够通用,以至于独立于物理定律。他观察到,所有这些过程都具有一个共同的基本结构:必须配置某些东西(无论是实验装置还是运行模拟的计算机);必须指定关于宇宙的问题;并且必须提供答案(正确或错误)。他通过定义一类他称之为推理设备的数学实体来模拟这种通用结构。
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推理设备作用于一组可能的宇宙。例如,我们的宇宙,意味着我们宇宙在所有时间和空间中的整个世界线,可能是由与我们宇宙相同的规则所允许的所有可能的此类宇宙集合中的一个成员。在沃尔珀特的分析中,不需要指定这些规则的任何内容。重要的是,各种可能的推理设备在每个宇宙中提供对问题的答案。在一个类似于我们宇宙的宇宙中,推理设备可能涉及一套数字秤,您将在明天中午站在上面,问题与您当时的质量有关。人也可能是推理设备或推理设备的一部分。
沃尔珀特证明,在任何这样的宇宙系统中,都存在着系统内任何推理设备都无法确定的量。因此,皮埃尔-西蒙·拉普拉斯在19世纪初假设的“ демоn ”(给 демоn 宇宙中每个粒子的确切位置和速度,它将计算出宇宙的未来状态)如果 демоn 必须是宇宙的一部分,就会受阻。
研究人员之前已经证明了关于特定物理系统不可计算性的结果。沃尔珀特指出,他的结果更为普遍,因为它几乎没有对物理定律做出任何假设,并且除了推理设备必须存在于所讨论的宇宙中之外,它对推理设备的计算能力没有限制。此外,该结果不仅适用于对物理系统未来状态的预测,也适用于对当前状态的观察和对过去状态记录的检查。
该定理的证明类似于哥德尔不完备性定理和图灵停机问题的结果,它依赖于说谎者悖论的变体——要求拉普拉斯的 демоn 预测关于宇宙未来状态的以下是/否事实:“宇宙是否不会是你的答案为“是”的宇宙?”对于寻求真实的是/否答案的 демоn 来说,这就像试图确定“这个陈述是假的”的真假一样。知道整个宇宙的确切当前状态,知道所有支配宇宙的定律,并拥有无限的计算能力,对 демоn 真实地说出它的答案是什么毫无帮助。
然而,从某种意义上说,这种悖论的存在并不完全是惊天动地的。正如麻省理工学院的计算机科学家斯科特·阿伦森所说:“你对宇宙的预测从根本上受到你自己是你正在预测的宇宙的一部分的约束,这对我来说似乎总是很明显的——我怀疑如果我们能问拉普拉斯本人,他也会说不是这样。”不过,阿伦森确实承认,“详细阐述一个想法背后的所有假设,以正式符号重新表达一切,并仔细思考其含义通常是一个有用的练习”,正如沃尔珀特所做的那样。毕竟,魔鬼,或者说 демоn ,就藏在细节里。
编者注:这篇文章最初以标题“不可能的推论”印刷。