人類思維，終有邊界？

利維坦按：如同生活在水裡的魚無法理解三維世界，我們這些三維世界的生物想要理解三維以外的世界也是困難的。不過，當愛因斯坦說，“宇宙最不可理解的地方，是它竟然可以被人理解”，這究竟是什麼意思呢？

前提是，我們都在假定這個宇宙是獨特的，且物理定律沒有一處不同。這個假設被稱為宇宙學原理。我們或許只覺得理所當然，認為愛因斯坦所描述的問題應該能適用於整個宇宙。在此脈絡下，這隻會讓問題更加激化：如果一個典型的宇宙對生命充滿敵意，那我們能偶然活在一個生命可存在且能夠理解的宇宙，實在是幸運無比。看起來這的確像個奇蹟，就像“一個我們既不瞭解也不配擁有的美好禮物”。我們還有什麼比依靠奇蹟更高明一點的辦法嗎？

比如，本文作者就認為，從物理還原論角度來看待這個世界乃至宇宙固然有它的道理，但就“有用”這個標準來衡量的話，我們大可不必用還原論來理解世界。

譯/斬光

校對/喬琦

原文/www.theatlantic.com/science/archive/2017/12/limits-of-science/547649/

本文基於創作共同協議（BY-NC），由斬光在利維坦發佈

藝術家對超大質量黑洞的表現。圖源：NASA / REUTERS

愛因斯坦曾說過，“宇宙最不可理解的地方，是它竟然可以被人理解。”他當然應該對此感到震驚。人類的大腦之所以發生進化，是為了適應環境。但自我們的祖先在稀樹草原上游蕩起，直到今天，人類的基礎神經架構很難說得上有什麼變化。那時的神經架構是為了應對草原上的萬物生靈帶來的挑戰，但現在它竟然可以理解量子力學和宇宙這些遠離“常識”、遠離我們進化而出的日常世界甚遠的概念，實在是非同尋常了。

不過，我認為科學的航程終將以觸礁告終。我這麼說，有兩個理由。樂觀的理由是，科學將會解決某些領域內的所有問題，將這些領域全部編錄在案（比如原子物理學），然後舉目四望、空空蕩蕩，陷入獨孤求敗的境地。第二種理由頗為讓人擔心——我們終將到達大腦的觸手伸展極限之地。或許會有一些高深的概念，它們對於全面理解物理現實必不可少，但我們卻摸不到夠不著，就像猴子理解不了進化論和氣象學一樣。

事實上，人類現有科學知識支離破碎的程度令人驚訝，而最深處的謎團往往相依而居。如今，我們能很有把握地把測量數據闡釋為兩個距地球10多億光年的黑洞碰撞合併在一起，但同時，儘管我們在流行病學上已經向前走了很遠，卻在治療普通感冒上幾乎毫無進展。不過，我們對理解高深莫測的事物和遙遠的宇宙現象充滿信心，卻被日常事物搞得頭昏腦脹，這兩件事並不像表面上看起來那麼違背常理。天文學比生物學和人文科學簡單多了。黑洞雖然看似殊不可解，但其實它們是宇宙中最簡單事物的一種。幾個簡單的方程就能完全描述它們。

那麼，我們如何定義複雜性呢？科學能走多遠，部分就取決於這個問題的答案。屈指可數的幾個原子構成的事物當然不會太複雜。很大的事物也未必就複雜。恆星雖大，卻很簡單——它的內核如此之熱，複雜的分子都分崩離析，沒有化學反應可存在於此，只剩下一團無固定形狀的原子核和電子氣體。

另外，再想想一塊鹽晶體，在其內部，鈉原子和氯原子一個個交替堆積起來，形成無數個重複排列的方格子。

圖源：Mod DB

宇宙中極小和極大的兩端，原子和天文現象，可能是相當簡單的。正是落在中間區域的所有事物把事情搞複雜了。其中最為複雜的莫過於生物體了。在動物體內的各種不同尺度上都存在內部結構，小至單個細胞，內部有蛋白質結構，大至整體，則包括肢體和主要器官。生物絕不能像鹽晶體那樣斬其半、再斬其半，卻仍保有完整的結構。一刀下去，便是死亡。

有時，人們把科學知識想象成一個多層結構，就像建築物一樣一層層摞起來。處理越複雜事物的學科樓層越高，處理越簡單事物的學科樓層則越低。數學是地基，往上是粒子物理，然後是其餘物理學，再然後是化學、生物學、植物學、動物學，最後是行為科學和社會科學，至於經濟學，它無疑位於閣樓之上。

給科學“排序”不會引起爭論，但那些底層學科——尤其是粒子物理——是否真的比其他學科更深刻或者更有包容能力，卻是一個值得懷疑的問題。從某種角度來說，它們明顯如此。正如物理學家斯蒂芬·溫伯格（Steven Weinber）在《終極理論之夢》（Dreams of a Final Theory，1992）中所說，所有的解釋之箭都指向下邊。

想想看，你要是像蹣跚學步的小孩兒一樣打破砂鍋問到底，“為什麼，為什麼，為什麼”一直問個不停， 那你最後肯定停在了粒子層面。幾乎所有科學家都是溫伯格意義上的還原論者。他們相信，萬事萬物，不論有多複雜，都一定只是薛定諤方程的解而已。

但還原論者的解釋並不總是最佳或者最有用的。正如物理學家菲利普·安德森（Philip Anderson）所說，“多就是不同。”誠然，無論多麼精緻複雜的事物，譬如熱帶雨林、颶風、人類社會等，都是由原子構成的，都遵從量子力學定律，但就算這些無數個原子集合的方程能夠解出來，那個解裡面也絲毫沒有科學家尋求的一點靈光。

圖源：The Daily Dot

由大量粒子構成的宏觀系統會表現出“湧現”的特性，只有經由適合於該系統層級的新型的、非還原論的概念，才能達成對於湧現性質的最佳理解。化合價、原腸胚形成（胚胎髮育中細胞開始分化的階段）、印跡效應和自然選擇都是這方面的例子。就算那些毫無神秘可言的現象，譬如管道中的水流和野外的江河，也最好是以黏度和湍流等概念來理解，而非原子之間的相互作用。流體力學專家根本不在乎水是不是由H₂O分子構成的，只需假設水是連續體，就能解釋波浪何以停止，水流何以激盪。

這種新概念對於理解極其複雜的事物特別有幫助，比如遷徙的鳥群和人類大腦。大腦是細胞聚集而成，油畫是化學色素混雜而成。但最重要和最有趣的是，圖案和結構在層級上升時是如何出現的——這就是湧現複雜性。

綜上可見，還原主義在某種意義上的確是正確的，但拿“有用”這個標尺來衡量，它就很少正確了。只有大約1%的科學家是粒子物理學家或者宇宙學家。其餘99%的科學家都在“更高”的層級上工作。

如此說來，科學和建築物之間的類比實在是拙劣不堪。建築的地基不穩，就會成為危樓。而處理複雜系統的“高層級”科學，卻不會因為地基不穩而受到任何危害。科學的每一層都有其獨到的解釋方法，不同層次的複雜性現象必須以各不相同的非還原論概念來理解。

於是乎，我們就有了三個可以期待出現大幅進步的科學前沿領域：非常小、非常大和非常複雜。然而，我要冒險進言——我的直覺是，人類的理解能力是有限度的。理解非常複雜系統的努力，譬如理解我們自己的大腦，很可能首先觸及認知邊界。或許，任何原子的複雜集合，不論是大腦還是電子機器，永遠都不會掌握有關自身的一切知識。而且，如果我們沿著溫伯格的解釋之箭一路向下，也可能會碰到另一堵認知之牆：如果最低層是弦理論家所暢想的那種多維幾何學，物理學家或許永遠都無法理解時間、空間的本質，因為所需的數學實在是太複雜了。

我的這番“人類有認知邊界”的論斷受到了戴維·多伊奇（David Deutsch）的挑戰。他是提出“量子計算”概念的先驅，一位著名的理論物理學家。在他那本引起爭議的佳作《無窮的開始》（The Beginning of Infinity，2011）中，他說道，原則上，任何過程都是可計算的。事實的確如此。但是，能算出某種東西絕不意味著我們對該事物產生了洞見。描述名為“曼德勃羅特集”的美麗分形圖案的算法，只需幾行代碼就能寫下。一臺性能平平的計算機就能描繪出它的形狀。

一個曼德勃羅特集。圖源：Flickr / Dominic Alves

然而，寫下這些算法的人全都無法用像看待正方形和圓形那樣一目瞭然的眼光，輕鬆愜意地審視這種極度複雜的圖案。

國際象棋冠軍加里·卡斯帕羅夫（Garry Kasparov）在《深度思考》（Deep Thinking，2017）中提出，“人類加機器”比兩者各自為戰都更有威力。或許通過利用這兩者之間正逐漸加強的共生關係，我們還能得出更新的發現。例如，在藥物設計和材料研發領域，使用計算機模擬遠比做實驗的優勢大得多。至於計算機最終會不會從本質上超越人類——甚至自己就擁有意識——則是一個在目前有廣泛爭議的話題。

生物大腦的抽象思考能力是所有科學和文化的源泉。但這種至多延續了幾十萬年的大腦活動，卻很可能只是後人類時代裡更偉大智能的過渡性前導而已。那種更偉大的智能不是來自達爾文的物競天擇，而是源於“智慧設計”。至於這種遠期的未來是站在有機的後人類這一邊，還是電子的超級人工智能機器這一邊，則是一個尚待商榷的問題。

本文作者馬丁·里斯（Martin Rees）是劍橋大學宇宙學和天體物理學名譽教授。他是英國皇家天文學家，美國國家科學院的外籍院士。

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