计算机可以完美模拟整个宇宙吗？

即使有一台超级强大的计算机，科学家也无法在计算机中完美地模拟整个宇宙。这背后有以下几个原因。

（1）宇宙是不确定的

在基本层面上，宇宙遵循量子理论。量子理论是概率性和不确定性的。这意味着，如果知道当前时刻某个电子的一切，然后完美地将所有量子理论方程应用到这个电子上，但我们不能准确地预测这个电子在一分钟内的位置，我们只能预测电子在不同位置的概率。概率分布可以让我们大致了解一个电子的最终位置，甚至可以告诉我们很多有关电子的平均位置，但是量子理论不能告诉我们电子实际确切位置。

这个问题不在于量子理论，而是电子本身。像电子这样的量子物体不是坚硬的小球或经典的波。它们是更复杂的东西，有时会表现出像粒子，有时又像波，这就是波粒二象性。此外，量子物体天生就包含不确定性。电子根本没有精确的位置。由于固有的不确定性，它们的位置只达到一定程度上的确定性，这取决于电子的状态。

总之，我们根本不可能准确地预测一个量子物体的确切行为，因为这个物体的确定性在一开始就不存在。即使我们拥有所有存在的信息，我们也只能计算出一个量子物体最有可能的行为。这就是量子世界的本质。由于整个宇宙仅仅是量子物体的一个集合，所以宇宙本身不能被精确模拟。

如果我们把当前关于整个宇宙的所有信息都输入计算机中，乃至每一个原子和粒子；并把所有的物理定律都完美地应用到计算机中，包括量子理论和它的不确定性原理；接着按下开始键，模拟会给出一百万年内宇宙的某种预测状态。如果重置电脑，并再次运行相同的模拟，将会得到未来一百万年里一个稍微不同的结果。

甚至有可能会得到未来两秒钟一个略有不同的结果，因为宇宙量子性质的现实将会被精确地建立在计算机模拟中。模拟未来两秒钟的宇宙将准确地描述某个物理上看似合理的宇宙，只是它将不再正确地描述我们的宇宙。模拟的时间越长，模拟的宇宙就越不可能与我们的物理世界相匹配，即便所有的信息和物理定律都被完美地编入了计算机。先天的量子不确定性使得这一结果不可避免。

注意，量子不确定性不是使所有计算机模拟都变得毫无意义，它只是意味着科学家必须满足于不够完美的预测。系统中不相干的相互作用的量子物体数量越多，系统的量子不确定性就越低，系统就越接近于确定的行为。一块石头包含了数万亿个不相干原子，因此非常接近于确定性。这一事实使得我们可以根据一块被扔出去石头的飞行轨迹，来准确预测出它的下落位置。但从根本上来说，我们不能以无限的精确度来正确预测出石头的着陆位置。然而，我们不需要无限的精度就能找到石头，并把石头捡起来。同样地，对细胞、星系的计算机模拟可以非常接近精确的答案，即便我们不能从根本上知道或预测系统中每个原子和粒子的确切位置和动量。

（2）宇宙很可能是无限的

原则上，在有限的时间内不可能直接观察一个无限的物体。然而，如果我们用一个限制程序，从数学上接近无穷，我们可以合理地推导出一个物体是无限的。例如，由一个点电荷产生的电场被推断为在各个方向无限延伸。这种无限延伸的电场性质不能被人类直接观察到，但可以推断出来。如果测量一个点电荷的电场，1米远是1000 mN/C，那么当电荷是10米远的时候，测量这个场是10 mN/C， 100米远的场是0.1 mN/C，以此类推。那么根据1/r^2的规律，电场强度取决于距离r。根据这种依存关系，对于越来越大的距离，点电荷的场强变得越来越小，但它永远不会完全变成零。因此，电场能够延伸到无限远处。

同样地，即使我们不能直接观察宇宙在空间上的无限，我们所有的科学测量和理论似乎都表明宇宙确实是无限的。如果这是真的，那么，这就是计算机不能完全模拟整个宇宙的另一个原因。模拟一个无限宇宙将需要无限的计算内存空间。注意，这个论证只限制模拟整个宇宙。原则上，我们可以在量子不确定性允许的范围内，模拟整个宇宙的一部分。

（3）计算机是宇宙的一部分

本质上，模拟宇宙的计算机也是宇宙的一部分。因此，如果计算机能够完美地模拟整个宇宙，它也必须模拟自身。不仅如此，计算机必须模拟自己正进行一个完美的宇宙模拟。如果它是完美的，也必须包含计算机的模拟。因此，模拟必须包含计算机正进行整个宇宙的模拟，这又必须包含计算机进行整个宇宙的模拟……直到永远。在计算机科学领域，这个过程被称为“无限递归”，这会导致计算机死机，而且计算过程永远不会取得任何进展。因此，一台正模拟所在宇宙的计算机永远无法对整个宇宙进行精确的模拟。

有些人可能会说，为了避免无限递归，可以在除去计算机本身的情况下模拟整个宇宙，这样最终也会得到正确的模拟。但是这种方法不会给出一个正确的模拟结果，因为宇宙中的一切都有可能与其他事物相互作用。例如，也许这个计算机阻止坠落的陨石撞击杀死房间里的一名科学家，这名科学家正研究如何创造黑洞，并利用这个知识毁灭火星。如果模拟排除计算机，那么它就会预测陨石会飞过计算机所在的位置，并在科学家做出发现之前杀死他。因此，模拟将错误地预测火星在一年后仍然存在，而实际上并不是这样。因此，把计算机本身从模拟中删除可能导致严重错误的预测。

（4）我们不可能知道整个宇宙的状态

由于有限的光速，信息传播不能超过光速的事实，我们只能了解宇宙中那些足够靠近我们的那一部分。这是自宇宙大爆炸以来有充足的时间让这部分光到达地球，我们称宇宙的这一部分为“可观测宇宙”。基本上，我们被禁止了解可观测宇宙之外的宇宙区域。