拉普拉斯妖落败

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《诗意的宇宙:蔷薇、时空与21世纪物理学》

  [奥] 斯特凡·克莱因 著
  陈轶荣 译
  中信出版集团
  2019年10月
  我们用智能设备通话,借助导航设备穿越陌生的街区,而且在不久的将来,我们会把自己的生命托付给具有自动驾驶功能的汽车。我的朋友与自己选择的配偶,第一次步入婚姻殿堂后以失败告终,可现在却与计算机为他选择的伴侣过上了幸福的生活,这使我感到惊讶。
  原则上,我并不反对机器干预我的决定。我的手机上下载了一些天气预报的APP,它们声称能够预知未来14天的天气,并精确到每个小时。
  如今,气象学家可以为他们取得的成果感到自豪。在法国近代早期,预测天气的人还被视为骗子,被绑到轮子上遭受轮刑之苦。俾斯麦也曾禁止引入国家气象服务,理由是普鲁士官员自己对天气的判断从不出错。如今,气象学家们凭借其对未来愈发精准的预测,影响着几十亿人的生活。

世界级妖精


  当下,对次日天气的预测准确率可达70%以上,而对未来三天的天气预报,比我上大学时对次日天气的预测还要可靠得多。在这方面,计算机技术当然功不可没。
  1979年,欧洲中期天气预报中心借助超级计算机“克雷-1”—它是通过液态氟利昂冷却的—开启了天气预报的新纪元。当时,这台计算机每秒可以进行1亿次运算。如今,一块智能手表Apple Watch的计算速度比它还要快30倍。
  而目前用于气象预报的机器,对德国上空的解析能力已可以精确到方圆3千米—这意味着每个村庄都可以有属于自己的天气预报。为此,这些计算机需要吞吐来自上万座气象站、成千上万的飞机与船只、几十颗卫星的数据流。
  这个世界正在被扫描、采集、转译成机器可以读取的信息:我们以令人惊异的方式,接近了皮埃尔·西蒙·拉普拉斯侯爵的幻想。1814年,这位法国天文学家提出了关于完美智慧生物的假说:“它足够广博,能够将一切数据都一并解析。”在这样的世界级妖精—人称拉普拉斯妖—的面前,任何事物都无处遁形。
  不过,拉普拉斯所指的并非全球性监控。他曾写道,他提出的这一智慧生物拥有的是预见未来的天赋。因为,一切事物的发生都遵循着自然法则;如果能够足够细致地了解今天的世界状态,那么,明天的形势就可以被计算出来。
  这个幻想已不再是幻想。在发明家康拉德·楚泽启用世界首台可编程计算机后,又过了短短70年,我们就已经能够处理海量的数据,想处理多少就处理多少,前提是得配置足够多的计算机。而且,处理器的性能每过一年半就会翻倍,仿佛没有什么能够再妨碍我们更加精细地预见未来。

恺撒的最后一口气


  计算机发展的早期,信息论之父克劳德·香农尝试教计算机下棋。
  在国际象棋领域,计算机这个拉普拉斯妖,总可以战无不胜了吧?毕竟它拥有完美的智能,能够测算出每一种棋局的走向,从而选择最优的走法。然而,每一步,双方都有差不多30种走法,而在一场对弈当中,黑白双方一般都会轮到大概40次。那么,可能的走法将达到10的120次方。这是一个多么巨大的数字:相当于1的后面有120个零。要尝试所有的走法,即便使用目前的超级计算机,也得算上个1090年,这比大爆炸后整个宇宙经历的岁月还要长十几亿倍。理论上,超级计算机还需要经历这么长的光阴,才能落子有声、无往不利。
  相比于国际象棋,天气的情况要更加混乱。在国际象棋的世界里,只有32个棋子和一块64格棋盘。即便这样,也已经存在几万亿种可能的棋局。大气内部的活动,就更加难以估量了。仅仅一口气,约250毫升的气体,里面就包含着1022个氧、氮分子,而整个大气所含气体的总量约为10的22次方升,也就是1的后面跟着22个零。
  据说,关于这组数字,美籍科学家恩里科·费米曾风趣地打过一个比方:我们每吸气一次,就相当于吸进尤利乌斯·恺撒最后一口气中的一些氧分子。因为两千年来,那位独裁者临死时吐出的最后一口气,已然均匀地分布在整个地球上。也就是说,平均每一升空气里就有一个分子,来自恺撒的最后一息。恩里科·费米于1942年成功完成原子受控核裂变,是该领域第一人。

预言天气


  世上没有哪一颗头脑、哪一台电脑,能够完全掌握大气变幻莫测的活动。
  于是,人们莫名地陷入了两难:一方面,天气不过是气体和水蒸气的运动,这在基本法则里都有依凭。有了这些大气活动,才会形成降雪、风暴、雨水和明媚的蓝天。另一方面,虽然一切事物都遵循着这个简單的基本法则,但我们无法从中得出雷雨天气的波峰。要想根据基本法则推导出卷积云那人畜无害的形状,恐怕用最快的数字计算机组,也得花上相当于好几个宇宙年龄的时间,才可能得出数据,而这么多数据,恐怕用整个宇宙都装不下。
  所以单单研究基本的自然法则,是无法了解什么是冰雹、季风、龙卷风、冻雨,什么是晴好天气的。要想发掘自然世界的丰富多彩,必须亲眼去看。
  可见,要想凭借几个基本事实推导出有用的天气结论,即便是把整个宇宙当作计算机都不可能。还原论也派不上用场,唯一的出路是转变视角,在云、风、高气压区的问题上动动脑筋。
  那么,整个世界就会变得冗杂很多。不过,不再执着于拉普拉斯妖的想法后,我们是可以在周遭世界中识别出一些基本模式的。毕竟,物质喜欢排兵列阵,分子会相互靠拢,天空中会形成片片云朵。
  因此,想要预言未来并不是件毫无希望的事情。我们可以效仿国际象棋计算机的案例,像农民借鉴农谚,学会抛开细节抓主干。有时,重要的不是细节,在这种情况下,目光别太锐利反而更有优势。虽然凭借这种方式,我们顶多只能确定可能会发生的事情,但是对于一些简单的天气情况而言,这种方法的命中率是很高的。就像我们即便不知道水壶里面的每个分子是如何运动的,也敢大胆地预言茶水沸腾的温度一样。
  (本文获出版社授权,标题为编者所加)
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