自由意志定理 Free Will Theorem
自由意志定理 Free Will Theorem的形式描述为：在某些条件下，如果实验者可以自由决定在特定实验中测量什么量，那么基本粒子必须能够自由选择其自旋，以使测量结果与物理定律一致。该定理由约翰·何顿·康威 John Horton Conway和Simon B. Kochen提出，他们指出：如果我们拥有自由意志（即我们的选择与过去时间无关），那么在一定的假设前提下，一些基本粒子必须表现出类似的行为。 Conway和Kochen的论文发表在2006年的《物理学基础 Foundations of Physics》上。[1] 2009年，Conway在AMS中发布了该定理的一个加强版本。[2]后来，在2017年，Kochen对其中一些细节进行更进一步的阐释论证。[3]
公理内容
康威和Kochen提出了三个公理，他们称其为“ 鳍式 fin”，“自旋 spin”和“孪生 twin”。自旋和孪生公理可以通过纠缠实验验证，鳍式是相对论的一个结果。
- 鳍式：信息的传播有一个最大的速度（不一定是光速）。康威和Kochen说这是“有效因果关系 effective causality”的结果。
- 自旋：在三个正交方向上获得的自旋一的某些基本粒子的平方自旋分量，将是（1,1,0）的排列。
- 孪生：这是可以“缠结”的两个基本粒子，并将它们隔开很大的距离，如果在平行方向上进行测量，它们具有相同的平方自旋结果。假设有两个实验者，如果第一个实验者a（在地球上）对这个框架（x，y，z）进行三重实验，得到结果：[math]\displaystyle{ x \rightarrow j, y \rightarrow k , z \rightarrow l }[/math]这是量子纠缠的结果。而第二个实验者b（在火星上，至少5光分以外）测量方向w的单一自旋，那么如果w是x，y，z中的一个，结果分别是[math]\displaystyle{ w \rightarrow j, k 或 l }[/math]。所以“孪生”公理指明离子间的纠缠关系，但是对于“孪生”公理来说，完全纠缠不是必需的（纠缠是充分不必要条件）。
在他们2009年的论文“强自由意志定理”[2]中，Conway和Kochen用一个更弱的定理“Min”代替了鳍公理。 Min断言：两个以类似空间的方式分离的实验者可以独立地做出测量结果的选择。 特别地，假定中所有信息的传输速度没有受到最大限制，而仅受有关测量选择的特定信息的限制。在2017年，Kochen辩称Min可以由Lin代替实验可验证（Lorentz covariance）。[3]
定理概要
自由意志定理指出：
根据公理，如果所讨论的两个实验者可以自由选择要进行的测量，那么测量结果就不能由实验之前的任何事情来确定。
这是“结果开放 outcome open”定理：
如果实验的结果是公开的，那么一个或两个实验者可能会自由地选择所要采取的行动。
由于该定理适用于与公理一致的任何物理理论，因此它不能以特殊的方式将信息放入宇宙的过去进行研究。该论点源自Kochen–Specker定理，该结果表明，对自旋的任何单独测量的结果都不是独立于测量选择而固定的。正如Cator和Landsman关于隐藏变量理论 hidden-variable theories所述[4]：“隐藏变量（在相关的因果关系上）一方面应包括与实验有关的所有本体信息，但另一方面应该让实验对象自由选择他们倾向的任何设置。”
讨论
根据Cator和Landsman [4]的说法，Conway和Kochen证明“确定性与许多'先验'理想假设不相容”。 Cator和Landsman将Min假设与Bell定理中的局部性假设进行了比较，并得出加强版自由意志定理的结论，因为它使用的假设比Bell 1964年的定理更少（因为它没有用到概率论的相关内容）。
哲学家戴维·霍奇森 David Hodgson 支持该定理，因为该结论非常明确地表明“科学不支持决定论”：比如量子力学证明粒子的确以与过去不同的方式运动。[5]
但有一些言论认为这个定理只适应于确定的模型。 [6]
闲话自由意志
微观和亚宏观
如果生命个体具有“自由意志”，那么微观量子是否具有“自由意志”，就像生命个体那样？同时生命机体内的亚宏观物质是否可以与微观量子之间形成“双向影响”，如同微观量子之间的“相互影响”？
俄罗斯量子生物学家普普宁和格瑞尔菲曾经做了一个实验：他们拿来一个试管，抽尽里面的空气，创造出所谓的真空环境。开始光子是以完全随机的方式散布在试管中。接下来，他们把人类的DNA样本放进了试管中，结果出现了令人意外的表现：光子不再像以前那样随机分布，而是进行了重新排列，很显然DNA对光子造成了影响。再接下来，他们又把DNA从试管中移了出去，结果又发生了一个惊人的现象：光子仍然有序地排列着，彷佛DNA仍在试管中一般。
另外一项实验由以色列与德国研究所共同进行，论文发表在《科学》杂志上。他们在一块金制培养基上安置了一层可以自组成的DNA，然后让其与分别处于+1/2自旋和-1/2自旋的电子们碰触，观察有无不同反应，结果令人吃惊——DNA与一类电子会有激烈的反应，而对另一组电子则几乎毫无反应，并且这种对于电子自旋的选择性是随着DNA的长度、规模和完整性增加而更加明显的：DNA的单链和破损片段对于两组电子就没有这种选择性。换言之，这一属性取决于DNA的手性。可以说完整、长段的DNA是优良的自旋过滤器。
光量子或者电子可以影响DNA，DNA也可以影响微观量子，是否就是微观量子的“相互影响”导致了亚宏观物质也具有了“自由意志”？如果这个假设成立，换而言之，就是生命个体具有的自由意志，本质是微观量子决定的（此处属于编者个人观点，仅供参考）。
自由意志和决定论
生命很难用物理和人文理论解释，它是DNA经历了无数混沌过程后形成的有序性形式，具有机械（数学）物理确定性的推理方式，在遇到非线性变化或复杂系统 complex systems之后（不是量子的不可预测，而是类似蝴蝶效应的非线性不可预测），它便无法运作。物理学告诉我们，世界会走向无序（[[熵]}值单增加），但生命的进化走向了熵值减少，走向了更有序，细胞、DNA都有稳定的性状，而且能自我复制。
注：（熵律：宇宙万物从一定的价值与结构开始，不可挽回地向混乱和荒废发展。出自《熵：一种新的世界观》第4页，熵律适用于孤立封闭系统的一切过程，小到一个生命体，大到整个宇宙。与熵律相对应的有赫尔姆霍茨的宇宙观：密集能源的大爆炸形成银河系、星体，它们将沿着熵律的方向，走向永恒的死亡与平衡。又有生命的再解释：生命体以秩序和活力出现，以衰亡结束：生命体不断与外界交换物质与能量的实质是为了减缓内部熵值的增加）
人到底有没有自由意志（自由意志 Free will 指能在各种可能的方案中，进行选择，决定行动的能力），是否是命中注定（决定论 determinism）？有些哲学家认为没有自由意志，因为人的选择受欲望、必需品、外在（内在）力量蔑视等影响，也有哲学家试图调和自由意志和决定论，认为二者可以相容。
如果人类没有自由意志，人们会产生恐惧，似乎一切都被决定，没有未来。但物理学知识告诉我们，一切现象背后都有规律，因果关系是被限定的，这就是“决定论”的物理解释。但现代物理不能解释一切，比如超自然现象等，以波粒二象性为例，光波的本质到底是什么至今没有明确认知。量子力学理论中的“薛定谔的猫”处在“生死叠加状态”，使微观不确定原理变成宏观不确定原理，违背了逻辑思维，就能看出物理定律的局限。
唯物论认为物质决定意识，这个决定关系存在，但不能解释意识产生的根源，情感、意志、超验、第六感等神秘现象的出现。
看来传统物理、生物和人文无法对超出现实知识储备的现象进行合理解释，于是量子力学延伸出“平行宇宙”理论（按照波的概率，会出现很多平行宇宙），试图超越三维空间，在未知领域进行解释。存在即合理，再小的概率都有存在可能，那按照概率出现的任何现象都是合理的，人生有很多选择（概率），看到的随机现象只是进入了不同的平行宇宙而已。比如很懒和很勤奋的你同时存在，只是在你通过个人意志选择更好的平行世界，这时物理规则并没有限制人们选择一条道路，在这种情境下人的自由意志发挥了作用。
自由意志和量子力学
遇事不决，量子力学。这是很多人对量子力学的调侃，连爱因斯坦也说，他不相信上帝会掷骰子。
爱因斯坦认为，量子力学背后还存在着某种“隐藏的变量”，这种所谓的“隐变量”是确定的。事后无数的实验证明了爱因斯坦是错的。
而康威用数学的方法证明了所谓自由意志定理，再次论证了“隐变量不存在”。自由意志定理指出：量子力学的测量结果无法通过实验之前的任何方法来确定。
用康威的话来说：如果实验者有自由意志的话，那么基本粒子也是如此。
在一篇关于约翰•惠勒 John Wheeler 的自由意志定理的文章中，康威和Kochen写道:
- 自由意志定理的一个优点是，通过明确必要的自由意志假设，它用一个简单的相对论推论取代了所有这些可疑的观点。 更重要的一点是，它直接应用于现实世界，而不仅仅是理论。 正是这一点阻止了局部还原机制 local mechanisms for reduction的存在。
- 自由意志呈现给我们的世界是一个迷人的世界，其中基本粒子不断地做出自己的决定。 没有理论能够准确地预测这些粒子在未来将会做什么，因为它们可能还没有决定这将是什么！ 当然，他们的大多数决定不会对事情产生很大影响——我们可以把他们描述为仅仅是无效的混乱，在很大程度上几乎相互抵消，因此可以忽略不计。 然而，作者坚信，我们的大脑有办法阻止这种抵消，从而允许我们整合剩下的部分，产生我们自己的自由意志。
- 仅仅是自由意志的存在就已经对广义相对论哲学产生了影响。 一些人认为这个理论表明“时间的流动 the flow of time”是一种幻觉。 我们只引用许多杰出作家中的一句话，大意如下: “客观世界就是，它不会发生”(赫尔曼 · 威尔)。 值得注意的是，这种观点通常被称为“块宇宙 block universe”的普遍观点，这种观点中将广义相对论中的数学建模作为：一种关于广义相对论的永恒存在的理论。 根据自由意志定理，这种观点是错误的，因为宇宙的未来不是决定性的。 西奥多·罗斯福决定修建巴拿马运河表明，自由意志可以移动山脉，这意味着，到21世纪广义相对论，甚至连空间的曲率也不是决定的。 在演化进行期间，事物都是在不断发展和构建。
- 爱因斯坦无法让自己相信“上帝与世界玩骰子 God plays dice with the world ” ，但也许我们可以让他接受“上帝让世界自由运行 God lets the world run free ”的想法
文献引用
- ↑ Conway, John; Simon Kochen (2006). "The Free Will Theorem". Foundations of Physics. 36 (10): 1441. arXiv:quant-ph/0604079. Bibcode:2006FoPh...36.1441C. doi:10.1007/s10701-006-9068-6.
- ↑ 2.0 2.1 Conway, John H.; Simon Kochen (2009). "The strong free will theorem" (PDF). Notices of the AMS. 56 (2): 226–232.
- ↑ 3.0 3.1 Kochen S., (2017), Born's Rule, EPR, and the Free Will Theorem arxiv
- ↑ 4.0 4.1 Cator, Eric; Klaas Landsman (2014). "Constraints on determinism: Bell versus Conway–Kochen". Foundations of Physics. 44 (7): 781–791. arXiv:1402.1972. Bibcode:2014FoPh...44..781C. doi:10.1007/s10701-014-9815-z.
- ↑ David Hodgson (2012). "Chapter 7: Science and determinism". Rationality + Consciousness = Free Will. Oxford University Press. ISBN 9780199845309. https://books.google.com/books?id=4SGsmowYARsC&pg=PA121&dq=%22Conway+and+Kochen+call+the+free+will+theorem%22&hl=en&sa=X&ei=UiMYVeTBII3woATFkoKAAQ&ved=0CB4Q6AEwAA#v=onepage&q=%22Conway%20and%20Kochen%20call%20the%20free%20will%20theorem%22&f=false.
- ↑ Sheldon Goldstein, Daniel V. Tausk, Roderich Tumulka, and Nino Zanghì (2010). What Does the Free Will Theorem Actually Prove? Notices of the AMS, December, 1451–1453.
其他参考文献
- Conway and Kochen, The Strong Free Will Theorem, published in Notices of the AMS. Volume 56, Number 2, February 2009.
- Rehmeyer, Julie (August 15, 2008). "Do Subatomic Particles Have Free Will?". Science News.
- Introduction to the Free Will Theorem, videos of six lectures given by J. H. Conway, Mar. 2009.
- Wüthrich, Christian (September 2011). "Can the World Beshown to be Indeterministic after all?". In Beisbart, Claus; Hartmann, Stephan (eds.). Can the world be shown to be indeterministic after all? (PDF). Probabilities in Physics. Oxford University Press. pp. 365–389. doi:10.1093/acprof:oso/9780199577439.003.0014. ISBN 978-0199577439.
相关链接
编者推荐
自由意志定理证明复杂系统是具有不可预测性和不确定性的。
如何理解复杂系统？如何分析复杂系统？如何设计复杂系统？这是研究和学习复杂性科学会遇到的问题。
本文对研究复杂系统与不确定性（COMPLEX SYSTEMS AND UNCERTAINTY）的研究做了一个长文综述。
本中文词条由费米子编辑，欢迎在讨论页面留言。
本词条内容源自wikipedia及公开资料，遵守 CC3.0协议。