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我们生活在一个虚拟世界的概率有多大？

晰数塔互联网快讯
2020-11-05 20:00

利维坦按：我们在以前的文章中介绍过约翰·惠勒提出的延迟实验：

第一步：我们拿一块经过半镀银处理的反射镜BS1来代替双缝实验中的挡板。根据量子的分布随机性，从图示左侧射入的单个光子有一半可能通过反射镜，一半可能会被反射。如果我们把光子的入射角度设置为45度角，则一个光子可能会直飞（I1→M2），可能会被反射成直角（I1→M1）。

第二步：我们在I2处再放上一个全反射镜，则可以将穿过半反射镜的光子路径和被反射的光子路径交汇出一个所有光子的终点I2来。我们通过测量这个终点位置上的光子射入角度，可以知道单个光子是通过了半反射镜，还是被反射了。

第三步：我们将终点处的全反射镜同样换成了半反射镜。根据双缝实验的结论，角度合适的时候，光子会在此处发生干涉。换句话说，光子同时走过了 I1→M1→I2和 I1→M2→I2两条路。

第四步：诡异的事情发生了。当我们去观测光子的射入角度的时候，我们可以明确知道光子的运动轨迹。也就是说，此时光子只走了一条路。当我们放上半反射镜的时候，光子发生了干涉。也就是说，此时光子同时走了两条路。观测者的自由意志（是否插入半反射镜）改变了光子的路径选择。

更诡异的是，我们可以在光子实际通过了第一块半反射镜且快要到达终点时才决定是否插入半反射镜。换句话说，我们可以在事情发生后再来决定它应该怎样发生。

不知道这个实验能否作为“我们生活在模拟现实”中的一个佐证？

本文来自微信公众号：利维坦（ID：liweitan2014），作者：Anil Ananthaswamy，翻译：BUG、镝木，校对：桐谷和人，头图来自：视觉中国

一般来说，当脱口秀演员在自己的节目里谈及物理定律时，很少能达到把天体物理学家惊艳到起一身鸡皮疙瘩的水平。不过在最近一期的播客节目《星谈》（Star Talk）中，喜剧演员查克·尼斯（Chuck Nice）做到了。这档节目的主持人奈尔·德葛拉司·泰森（Neil deGrasse Tyson）在节目中解释了什么是模拟假说（Simulation Theory），即我们也许生活在谁的电脑里，只是虚拟世界中的虚拟生物罢了。

如果真是这样的话，维系我们这个世界的模拟系统很可能是根据我们的观察需求来模拟现实带给我们的感知，而不是每时每刻都在模拟现实世界的每一个角落——就好像我们所处的这款游戏会优先渲染玩家可见区域的场景。

“也许这就是为什么我们永远都不能以超光速旅行，因为一旦我们能做到超光速，我们就可以到达其他星系，”尼斯随后在节目中说，他是这档节目的客串主持人，也正是这句话让泰森激动地打断了他的话头，兴奋地说道，“所以就在他们给我们这个虚拟程序敲代码之前，”这位天体物理学家也因为这个想法激动起来，“那些程序员先给我们的世界设置了光速这样一个极限！”

两位主持人在节目中的这段对话听起来也许过于天马行空，但是自从2003年牛津大学的哲学家尼克·波斯特罗姆（Nick Bostrom）发表了一篇堪称模拟假说领域奠基石的论文之后，其他的哲学家、物理学家、技术专家，当然也包括其他脱口秀演员一直在试图研究这个课题，即我们所处的现实世界是否是虚幻的。他们中有些人试图找到一些方法来确定我们到底是不是虚拟存在（Beings），另外一些人则试图计算我们是虚拟实体（Virtual Entities）的概率到底是多少。（www.birdlife.org/asia/projects/helmeted-hornbill）

如今一项全新的数据分析研究表明，我们生活在虚拟现实的概率，与生活在基本现实（Base Reality）——也就是非虚拟的存在——的概率几乎各占一半。不过这项研究也论证了另外一个观点，虚拟假说的可能性在未来也许会压倒性地蹿升，一旦人类未来能够发展出模拟意识的技术，那么我们自己就很有可能是别人电脑中的虚拟常住人口。

在此需要对这一结论附上一句备注：由于目前各方意见几乎无法对“意识”（Consciousness）一词的含义达成任何一致，就更别提所谓模拟意识到底是什么意思了。

2003年，波斯特罗姆设想了这样一种情况：假设有一个对模拟技术极其娴熟的高等文明，他们拥有强大的运算能力，而且只需其中极小一部分的运算能力就可以模拟出包含有意识存在的虚拟现实——如果该假设成立，那么下面这一组三元悖论（Trilemma）中至少有一个命题是成立的：

第一，人类每次接近或掌握类似模拟技术时就会遭到灭绝。

第二，即使人类掌握了这项技术，我们（他们）也不会有兴趣模拟出自己的祖先。

第三，我们生活在一个模拟现实中的概率接近100%。

在波斯特罗姆发表论文以前，电影《黑客帝国》（The Matrix）已经在很大程度上推广了模拟现实的概念，而且这一概念早就深深植根于东方、西方的哲学思想之中了，自古就有柏拉图的洞穴之喻（Allegory of the Cave）、庄周梦蝶这样的典故流传至今。

直到最近，埃隆·马斯克（Elon Musk）还在为我们生活在虚拟世界的概念添柴加薪。“我们生活在基本现实中的概率只有十亿分之一，”他在2016年的一次会议上如是说。

“只有当我们假定那组三元悖论中的命题一、命题二是伪命题，马斯克才是对的，”哥伦比亚大学天文学家大卫·基平（David Kipping）如是说，“但是谁会做出那么离谱的假设呢？”

为了进一步研究波斯特罗姆的模拟假说，基平采用了贝叶斯推断（Bayesian Reasoning）分析法。这是一种基于贝叶斯定理（Bayes' Theorem）的分析方法，以18世纪英国统计学家、长老会牧师托马斯·贝叶斯（Thomas Bayes）命名。而贝叶斯的分析法可以帮助人们计算某事发生的概率，即所谓的后验概率（Posterior Probability），而分析的第一步就是对被分析的客体进行假设——这时会给该客体指定一个先验概率（Prior Probability）。

基平在研究之初首先把那组三元悖论转变为一对两难困境（Dilemma），他将命题一与命题二重新打散合并，用一个命题表述出来，因为无论是命题一还是命题二，最终的结论都是并不存在所谓的模拟现实。

因此，在得到的这对两难困境中，对立的双方分别是一个基于物理学的假设（并不存在所谓的模拟现实）与模拟假说（基本现实与模拟现实都存在）。“你只需要给每一个模型指定一个先验概率，”基平说，“而当我们没有任何数据或者倾向时，只需要默认并假设不充分理由原则（Principle of Indifference）成立，即每一种可能性的概率都是相等的。”

因此每一种假设得到的先验概率都是50%，基本上就和抛硬币赌博的情形是一样的。

下一阶段的分析涉及到关于两种不同现实的分类，其一是“经产的”（Parous）现实，即能够生产出其他现实的现实；其二是“非经产的”（Nulliparous）现实，即那些不能生产出后代现实的现实。如果上文提到的那个物理学的假设是真的，那么我们生活在非经产现实的概率就不难计算了，即可能性为100%。

接着基平通过其研究证明即使在模拟假说中，绝大多数的模拟现实都是非经产现实。这是因为随着模拟现实不断产出更多的模拟现实，该文明能够为每一个后代现实提供的运算能力就被不断分摊、减少，直至减少到一个临界值，即绝大多数的现实都是那些并不具备足够运算能力的现实，它们无法作为主机来支撑内部的意识存在。

把这些都代入贝叶斯公式（Bayesian Formula），就会在运算结果中找到我们想要的答案：我们生活在基本现实中的后验概率与我们是被模拟出来的后验概率几乎是一致的，我们生活在基本现实中的后验概率只是稍微大一点而已。

当然，如果人类能够创造一个包含有意识存在的模拟现实，那么这些概率就会发生戏剧性的改变，因为该事件将改变我们给之前那个物理学假设指定的概率。

“当然了，你可以因此立刻否定那个物理学的假设，于是我们就只剩下模拟假说了，”基平说，“根据上述计算，我们是真实存在或我们是虚拟的概率原本几乎是各占一半，但是只要人类在某一天掌握了那样的技术，这个概率就会马上转变，到那时几乎可以确定我们根本不是真实存在着的。这一天无疑是人类智慧的一场胜利，但随之而来的奖励也的确太奇怪了。”

基平的研究结论是，基于现有的证据，马斯克提出的我们生活在基本现实的概率只有十亿分之一的这个说法是错的。波斯特罗姆基本同意了基平的结论，但他提出了几点建议。“这与模拟假说并不冲突，因为该理论只是关于逻辑或（Disjunction，是逻辑和数学概念中的一个二元逻辑算符。其运算方法是：如果其两个变量中有一个真值为“真”，其结果为“真”，两个变量同时为假，其结果为“假”）做出了一些推断，”即那组三元悖论中一个命题是真命题，波斯特罗姆如是说。（www.mdpi.com/2218-1997/6/8/109）

但是波斯特罗姆反对基平在其分析一开始就给那个基于物理学的假设与模拟假说指定了相同先验概率的做法。“在这里援引不充分理由原则并默认其成立是有问题的，”基平说，“我们同样能够在我提出的那组三元悖论中援引不充分理由原则，这样每一个命题就都可以被指定三分之一的概率。或者，我们也可以通过其他方式分割概率空间（Probability Space），并得到任何人期望的任何结论。”

即使是这种如同狡辩的说辞目前也是有效的，因为并没有任何证据可以支持某一个观点并证伪其他观点。如果我们能找到模拟现实的证据，这样的僵局就会被打破。那么谁能在我们的“矩阵”中找到那些小故障呢？

加州理工学院的计算数学（Computational Mathematics）专家侯曼·奥瓦迪（Houman Owhadi）曾经思考过这个问题。“如果模拟现实拥有近乎于无限的运算能力，那么我们就永远没有任何方法能够意识到我们正生活在一个虚拟现实世界中，因为这个模拟现实可以计算出你想要的任何东西，并且以你所期待的真实度呈现出来，”他说，“如果这个模拟现实可以被探知，那么我们必须以它的计算资源有限为前提考虑问题。”

如果我们再次以游戏举例，这就像很多游戏都凭借巧妙的编程尽可能地节省构建游戏中虚拟世界所需的运算能力。

奥瓦迪认为，如果类似的编程捷径存在，那么人类最有可能发现这些潜在矛盾点的领域就是量子物理学的各种实验。量子系统可以维持多种状态的叠加态并持续存在，而我们可以通过一种被称为波函数（Wave Function）的数学抽象方法来描述这样的叠加态。

在标准量子力学中，观察系统这一行为将导致这种波函数随机坍缩到众多可能性中的一种状态。至于这种坍缩的过程是否真的存在，亦或它也许反映了我们对这一量子系统理解的某种转变，为此争论的物理学家们分为了两派。

“如果这个量子系统是绝对的模拟产物，那么就不应该存在坍缩的过程，”奥瓦迪说，“当你观察它的时候，一切就已经是确定的了。就像你在玩游戏时发生的情况，你看到的那部分虚拟现实已经完成了计算，而余下的虚拟世界只是一种模拟。”

为了进一步研究，奥瓦迪及其团队已经进行了5个双缝实验（Double-slit Experiment）的不同变体实验，每一个实验都是为了打乱模拟现实的某一次模拟过程而设计的。然而他也承认，在现阶段我们甚至无法知道这样的实验是否能够说明问题。“这5次实验只不过是在猜测而已，”奥瓦迪如是说。（ijqf.org/archives/4105）

马里兰大学帕克分校的物理学家佐雷·达沃迪（Zohreh Davoudi）也对此很感兴趣，特别是针对一个运算资源有限的模拟现实将如何露出马脚的问题。她的研究关注于强大的相互作用力，或巨大的核能——大自然中的四大基本力量之一，它将夸克（Quark）结合在一起形成质子（Proton）和中子（Neutron）。然而描述这种强相互作用的方程极其复杂，也无法用分析方法解开方程。

为了进一步理解这种强相互作用，物理学家不得不进行数字模拟。与那些我们假设存在的拥有无限运算能力的超高等级文明不同，我们的物理学家们必须依赖一些算法的捷径保证这种模拟对于计算机来说是可行的——通常来说，所谓捷径就是假设时空是离散（Discrete）而非连续的（Continuous）。然而迄今为止研究人员通过这种取巧的方法能获得的最新成果是模拟了1个氦原子核，它由2个质子与2个中子组成。

“人们很自然地会想到，如果你今天能模拟一个原子核，也许10年后人类可以模拟一个更大的原子核，也许20年、30年后我们还能模拟出一个分子，”达沃迪说，“而50年后，谁知道呢，也许你就能模拟出几英寸那么大的一块物质。而100年甚至更久之后，我们就能模拟人类大脑了。”

但是达沃迪认为传统的计算机很快就会撞上运算能力的天花板，她指出，“在未来10年或者20年里，我们将看到传统模拟方法在模拟物理系统时存在的局限性。”因此她将目光投向了量子计算领域，通过叠加态与其他量子效应，这种计算可以让传统方法几乎不可能完成的一些计算机问题变得可能。

“如果量子计算真的能够实现，我的意思是对于我们这些研究人员来说，它能作为一种可靠的大规模计算机运算选择，那么我们就将进入一个不可同日而语的模拟技术的新纪元，”达沃迪如是说，“我现在就已经开始想象如果我拥有一台可靠的量子计算机，那么我该如何开展针对强相互作用的物理现象及原子核的模拟。”

所有这些因素都让达沃迪猜测模拟假说也许是对的。如果我们的现实是被模拟出来的，那么这个模拟器很可能也会将时空视为离散的，这样就能节省运算资源了。（当然这需要首先假设该模拟器与我们的物理学家使用着相同的模拟机制。）沿着高能宇宙射线（High-energy Cosmic Rays）的源头方向寻找，我们也许能看到这种离散时空的特征：由于破坏了所谓的旋转对称性（Rotational Symmetry），这些射线也许在太空中会选择一个优先的运动方向。

对此，达沃迪表示，我们的望远镜“还没有观察到任何与旋转不变性（Rotational Invariance）不相符的偏差。”另外，即使我们观察到了上述效应，它也不足以构成我们生活在模拟现实中的确凿证据。

尽管基平的研究结果似乎与模拟假说并不一致，但他仍然担心未来那些关于模拟假说的研究也许会面临如履薄冰的窘境。“可以这么说，关于我们是否生活在一个模拟世界中，这一点是无法被测试的，”他说，“如果你甚至无法检验它，你又怎么能将其称为科学呢？”

有一个明显的答案可以回答基平的问题：奥卡姆剃刀原理（Occam’s Razor），该原理指出，在没有其他证据的情况下，最简单的解释也最有可能是正确的解释。模拟假说是相当精细复杂的，它假设了嵌套于其他现实中的现实，还假设了那些永远无法察觉到自己身处于模拟现实中的模拟实体。基平指出：“由于模拟假说本身是一个过于精细复杂的模型，根据奥卡姆剃刀原理，该假说远不如简单而自然的解释那样更容易被人接受。”

尽管我们的世界里有《黑客帝国》、马斯克以及奇怪的量子物理，但我们还是活在基本现实里的吧。

本文来自微信公众号：利维坦（ID：liweitan2014），作者：Anil Ananthaswamy，翻译：BUG、镝木，校对：桐谷和人，原文链接：www.scientificamerican.com/article/do-we-live-in-a-simulation-chances-are-about-50-50