诺奖得主Wilczek：猫咪翻身，翻出了一个新学科

撰文 | Frank Wilczek

翻译 | 胡风、梁丁当

猫是出色的体操运动员。哪怕被四脚朝天地扔下，它也能稳稳落地。猫的这种神奇本领，吸引了19世纪两位最杰出的数学物理学家——斯托克斯爵士和麦克斯韦的关注，促使这两位理论学家在19世纪50年代开展了一系列关于“猫翻身”的传奇实验。正如麦克斯韦后来所描述的：

乔治·斯托克斯（左）和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（右）。丨来源：wikipedia

“三一学院一直流传着一个传闻，说我发明了一种扔猫的办法，能让猫没法四脚落地，还说我经常把猫往窗外丢。我必须得澄清一下：这些研究的真正目的，是为了搞清楚猫翻身的速度到底有多快。我发现，正确的做法是让猫从约两英寸高度落到桌子或床上。但即便是这么短的距离，猫也照样能四脚着地。”

这些关于猫翻身的开创性实验，受限于当时的技术条件。而高速摄影术的出现，彻底改变了这项研究。艾蒂安-朱尔·马雷发明了一台每秒可拍摄12帧的连续摄影相机。1894年，他发表了一组无比精彩的猫的定格动作照片。这些经典照片揭示了猫在空中调整姿态并稳稳落地的完整动作序列。

1969年，一个后来成为经典的动力学模型诞生了。直到今天，这个课题也没有过时。在今年的一项最新研究中，科学家们用真实猫脊柱的实测数据进行建模，取代了过去理想化的铰链和圆柱体模型。

同样地，跳水运动员和体操运动员经过训练，也能像猫那样学会在空中控制身体重新定向。对猫来说，这种控制大多源于本能反射；而对运动员来说，它可以通过设计、练习与调整来实现。乍看之下，这些能力似乎违背了牛顿力学。牛顿力学告诉我们，加速运动靠的是物理力，而不是意志力。我想，这种矛盾正是让斯托克斯和麦克斯韦对猫的翻身如此着迷的一大原因。另一个原因则更偏技术性，涉及角动量与旋转之间的关系。猫从零角动量出发，在没有受到任何外力矩作用的情况下，竟然改变了自己的朝向。这对刚体来说是不可能的。但猫可以通过在其可能形态空间里完成一个闭环动作，成功地实现了翻身。

经典牛顿力学之所以难以被发现，而它的发现之所以又是如此卓越的科学成就，很大程度上是因为它需要一种认知上的失调。具体来说，无论是过去还是现在，它都要求人们去调和两种截然不同、甚至近乎矛盾的关于运动的描述。这两种描述在其各自的适用范围内都行之有效、令人信服。第一种是对运动的“常识性”理解，它以人的意志和目的为核心。这正是我们日常生活的体验：当我们伸手去拿东西时，并不会去计算力和加速度，我们只是决定去做而已。第二种则是经典力学本身，它严谨、精确、数学化，并且是决定性的，排除了任何主观因素。在机械论世界观占据主导地位之前，自主性的运动常被视为某种“活力”法则（即灵魂）存在的证据。而这种法则是无生命物质所不具备的。如今，科学已经认识到，物质承载着一套已知的、（相对）简单的、可用数学公式表达的法则。这套法则足以支撑我们在分子生物化学、神经生物学和人工智能中所发现的复杂的涌现行为。基于这一认识，我们便可以在不损害力学体系完整性的前提下，重新将心智纳入力学之中。

当然，猫、跳水运动员和体操运动员的能力，并没有真正脱离物理定律的约束。（要是真的违背了，我们早就修改物理定律了！）探讨这个问题最有成效的方式，不是否认心智在力学中的作用，而是欢迎它的加入。猫并没有创造什么新的力；它只是在形态空间中选定一条路径，然后用肌肉重新分配自身的质量，普通力学定律再将这条路径转化为旋转。因此，要想真正讲清楚猫的翻转，我们就必须拓展力学的词汇与概念。我们可以把这个在原有力学体系中引入了意志、控制和目的性的学科称为“意志力学”。它所涉及的不同技术内容，分别在生物力学、控制论和机器人科学等领域中蓬勃发展。而“意志力学”这个名字，则概括了它们共有的概念创新。

在意志力学中，我们假设猫、跳水运动员或体操运动员可以通过“意志”来改变自身的形态。“意志”是心智的产物。“心智”拥有旨在达成目标的计划，会监控进展，并对外部信号做出响应。“目的性”不是一种新的力，而是一种协调力的新方式。普通力学——主要是牛顿力学——决定了由意志引发的形态变化如何转化为空间中的运动。因此，意志不是力，而是一种选择与协调力的策略。要描述有目标的运动，我们既需要力，也需要心智，二者的融合定义了意志力学。而这，也正是生物学家、运动员和教练们在思考他们所面对的力学问题时，通常会采用的方式。

将心智和意志纳入考量，极大地丰富了力学的内容。它催生了新的问题，也开启了新的解答方式。有目标的意志行为可以调动哪些自由度？什么样的观察有利于做出正确的决策？反馈如何帮助维持稳定？练习与学习扮演着怎样的角色？猫的能力是如何演化而来的？而运动员又该如何才能动得更高效、更优美？

工程师们在设计用于交通、制造或其他各种用途的机器的时候，其实就是在实践意志力学。以自动驾驶汽车的设计为例：传感器负责感知，计算机执行控制策略，执行器则将策略转化为力。传感器和计算机构成了一个高度专注的心智，而执行器就像是它激活的肌肉。如今的“机械”工程师不仅要学习力学，还得掌握控制理论、运筹学和优化方法。

意志力学的趣味性和实用性，不应掩盖其深刻之处。将意志与物质联系起来，这本身就是一大步。而我们在此恰恰做到了这一点，具体而切实地做到了。脚踏实地，方可仰望云天。意志力学为自由意志与决定论这一幽暗不明的哲学问题，投下了一束明亮的光。

当今物理学的基本方程告诉我们，一个封闭系统的完整物理状态决定了它的未来。但这极少是我们真正关心的问题！我们通常只对系统状态的少数几个方面有近似了解，关注点也只集中在它行为的有限部分。举个例子，试图通过演化患者的波函数来做精神病学治疗，不仅困难到令人绝望，更是荒唐可笑的（试想“今天你体内的胶子排列得怎么样？”这个问题）。通常情况下，我们对系统的少数几个方面只有近似了解，而想预测的也只是它可能表现出的某些行为。在仅有这些局部信息的情况下，许多底层状态都是可能的，从而会导致一系列可能的宏观结果——我们通常用概率来描述它们。

决定论描述的是一个动力学理论的性质：给定一个封闭系统在某一时刻的完整状态，该理论便能推演出它之后的状态。然而，观察者不可能掌握完整的描述，更重要的是，也不会提出那样的问题。因为问题并非仅仅是“会发生什么？”，而是“如果我这么做，而不是那么做，会发生什么？”它拥有部分信息、若干个可选择的行动，以及一个目标。它面对的，是一个控制问题。

这些选择并不与决定论相矛盾。如果我执行动作A，就会产生一个结果；如果我执行动作B，则会产生另一个结果。深思熟虑本身就是一个物理过程。通过这个过程，其中一个条件得以变成现实。记忆、推理以及对后果的想象，都是塑造这一选择的诸多原因之一。选择并非置身于因果链之外，而是其中的一环。

用哲学的语言来说，决定论是一个本体论的主张，而非认识论的馈赠。换句话说，它关乎现实论的终极本质，而非我们对现实的认识。决定论并不意味着在所有情境下都能预测，它也不会抹去一个嵌入其中、信息有限的行动者的内部视角。从外部来看，一个理想化的完整描述只包含一条轨迹；而从内部来看，行动者面对的是信息、反事实、目标和操控手段。

对于与人相关的问题，物理决定论很少派得上用场。从物理意义上说，我们无从知晓一个人完整的“心理状态”。即便掌握了这样的信息，我们也用不了，因为所需的计算量实在过于庞大。在实践中，如果想预测某人的行为，我们会通过知识、动机和情绪来理解他们的心理状态，再判断其人格如何将这种状态转化为行动。这也适用于我们对自我的认知。自由意志并非幻觉，而是一种有用且合理的理解自我的方式。在我看来，自由意志很可能是智慧的心智处理和体验决定论的方式。简而言之，自由意志就是从内部看到的决定论的样子。

封闭系统的量子态和经典物理学一样，也是确定性地演化的。但有一个新的变数：任何身处系统内部的观察者，原则上都无法在不改变量子态的前提下获知其全部信息。就我们现在讨论的问题而言，本体论上的决定论很大程度上只是一个学术问题。量子理论只不过进一步拉大了形式描述与经验现实之间的距离。另一只著名的物理猫——薛定谔的猫——戏剧性地展现了完整的形式描述与不确定的经验结果之间的鸿沟。而那只落下的猫则展现了另一种鸿沟：从外部描述的轨迹与从内部预测的未来之间的区别。在这两只猫之间，或许落下的猫能教给我们更多关于自由意志的道理。

本文经授权转载自微信公众号“墨子沙龙”，原标题”猫咪翻身，翻出了一个新学科：意志力学 | Wilczek's Multiverse“。