宇宙中有没有一种东西，记录着宇宙中发生的一切？

文/Mandelbrot（知乎）

本文系作者授权“清南”发布

有。这个记录者，就是宇宙自己。

首先，我们来观察下面这个简单的宇宙，它只有5个粒子。
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每个粒子的属性包括质量，位置和速度。当粒子发生碰撞时，它们的动能和动量都不会损失（完全弹性碰撞）。在这样一个简单的宇宙中，只要我们测量到了所有粒子的所有属性，我们就得到了关于宇宙的所有信息。根据这个信息，我们可以很容易计算出以前任何时刻所有粒子的状态，即这个宇宙的历史状态。方法很简单——我们只要把速度设置到相反的方向，就相当于让时间倒流，再加上一些简单的计算就行了。

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当然， 真实的宇宙要复杂得多，物质有更多的属性和更多的相互作用。我们再来看一个复杂一点的例子。

我有一本百科全书，上面记录了很多信息。现在我把它烧掉，最后只剩下了一堆灰烬。看起来已经无法再知道原来书上写的东西了。
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值得注意的是，物理中的信息和这个记录在纸上的信息不一样。它实际上包括物体的所有属性、让一个物体区别于其他物体的所有数据，比如每一个原子的类型，位置，速度等等。可以认为，记录在纸上的信息是这本书的物理信息的一部分。为了便于理解，不妨就有书中的内容来代表物理信息。

回到这个例子——怎样才能从一堆灰烬中得到原来书中的信息呢？方法描述起来很简单。我们需要取得所有和这个燃烧过程有关的物质的信息：灰烬，气体，已经走向远方的各种电磁辐射（可见光，红外线），以及接收到热传递的所有分子，原子等等。设想如果我们可以把所有这些物质和能量的速度设置到相反的方向上，它们就会沿着时间相反的方向变化，最终重新变成原来的那一本百科全书。理论上，这种方法是可行的。原因是：物理定律在时间上是可逆的。
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要真正做到这一点很难，但是我们并不需要重新得到那本百科全书。我们只需要根据所有物质和能量现在的信息，通过计算，得到它们在燃烧以前的状态。

这里需要的测量和计算也几乎是不可能完成的。但是，我们讨论的问题是，宇宙本身是不是记录了自己的所有历史信息。到这里，答案已经很明确了：是，就记录在宇宙的当前状态中。根据宇宙的当前状态，理论上可以计算出它在过去任何时候的状态。

在量子力学主导的微观世界，情况稍有不同。微观粒子并没有宏观物体那样明确的状态，它们的状态是波函数描述的概率。然而，波函数也同样按照时间演化，在时间上具有单一性（unitarity）。根据波函数的当前状态，我们也可以计算出它在过去的状态。

以上是对“信息守恒定律”的简单介绍。和其他的各种**守恒定律不一样，信息守恒并不是一条物理定律。你可以把它看成是多数物理学家（并非全部）的一种信仰或哲学。如果有新的物理发现可能破坏信息守恒，他们就会想方设法推翻这个发现，让物理理论回到他们的理想国。

黑洞，这个宇宙中最奇异的天体，一直是笼罩在信息守恒定律头顶的一片乌云。根据黑洞无毛定律，一个黑洞表现出来的属性只有质量，电荷和角动量。无论你往里面扔进去一本百科全书还是一颗恒星，黑洞都不会表现出任何其他的属性。也就是说，掉进黑洞的物体的信息丢失了。信仰信息守恒的物理学家们认为，信息就藏在黑洞里面，只是从外面观察不到而已。然而，霍金辐射的发现打破了他们的美梦。

在把量子力学应用到黑洞分析以后，霍金发现，黑洞实际上并非过去人们想象的只进不出的无底深渊，而是会通过辐射慢慢蒸发。经过漫长的岁月，黑洞会在一场爆炸中最终消失。由于辐射产生的粒子并不携带黑洞内部的信息，这就产生了一个问题：当黑洞蒸发殆尽以后，掉进黑洞的信息到哪里去了呢？信息守恒定律是不是就此被打破了呢？

这就是著名的“黑洞信息悖论”。霍金相信，信息守恒确实并不成立。基普·索恩（Kip Thorne）也同意这一观点。然而，多数物理学家并不甘心。约翰·普雷斯基尔（John Preskill）和霍金与索恩打赌：霍金辐射并不能推翻信息守恒。伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）与杰拉德·胡夫特（Gerard 't Hooft）甚至与霍金发起了一场“黑洞战争”。

后来，萨斯坎德提出了基于弦论的全息原理，认为物体进入黑洞时，它的信息以二维的方式停留在黑洞表面（视界），而不会进入黑洞。这个理论的一个推论是全息宇宙（holographic universe）：我们的整个三维宇宙实际上是一个遥远的二维视界的投影。

2004年，霍金在一篇论文中提出，黑洞视界的量子摄动可以让信息逃离黑洞，从而说明黑洞并不毁灭信息。他也承认输掉了赌约，并送给普雷斯基尔一本棒球百科全书，并开玩笑说：“也许我应该把书烧掉的灰烬送给他，因为信息总是守恒的。” 然而，索恩却并不认可霍金的论证，仍然坚持信息不守恒的观点。

除了霍金和萨斯坎德，很多其他物理学家也提出了各种猜想，试图解决黑洞信息悖论。可以看出，多数物理学家都坚持信息守恒的信仰。如果我们也同意信息守恒的话，对这个问题的回答就是宇宙的当前状态就记录着它所有的历史信息。


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​有很多反对意见，这里统一回应一下。

1. 复杂系统中信息量和计算量都太大，超出了人类的能力。
注意这里讨论的是宇宙中有没有记录信息，和人类有没有能力获取和处理是两回事。

2. 混沌系统是无法解析的
混沌系统不是真正的随机系统，而是复杂的多次反馈系统。输入上的一点点差别，都会在多次反馈中放大，造成结果的巨大差异。人类无法完美处理这类系统的根本原因是1）无法获取所有细节；2）系统过于复杂，计算量超过人类的能力。然后，参见第一条。

3. 三体问题没有解析解
三体问题也可以看做一个混沌系统。一个三体系统的当前状态——每一个个体的位置，质量和速度都是可知的。人类无法用数学方法解析，并不意味着宇宙无法运行三体系统。否则，所有的三体或多体系统都应该傻傻的停在哪里，等着人类算出运动方程，告诉它们往哪里跑。继续参见第一条。

4. 量子力学具有不确定性
虽然有人（如爱因斯坦）认为不确定性的背后有更深层的规律，但是我们这里还是依据量子力学本身的思想来讨论。不确定性（uncertainty）是微观粒子内禀的属性，这是和宏观物体的属性比较而言的。本质上，微观粒子的属性是概率。而从概率的角度来看，微观粒子的属性仍然是确定(deterministic)的，而计算概率的波函数，在时间上是可以回溯的。

5. 能够推算过去就意味着可以预测未来
虽然我也认为未来是确定的，但是不能同意这一条推论。请看下面的例子。
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一个系统可以在状态A, B, C, D,Ｅ之间演化。在状态Ｃ，它按照不同的概率进入状态Ｄ或Ｅ。这样，如果它的当前状态是Ｄ或者Ｅ，我们都知道它的前一个状态是Ｃ。然而，如果当前状态是Ｃ，我们无法预测它的下一个状态是Ｄ还是Ｅ。

也许你想到了下面这个例子
https://pic2.zhimg.com/58e367aeb4e61388681316e4187da55d_b.png状态Ｄ和Ｅ的下一个状态都是Ｃ。那么，如果系统当前状态是Ｃ，我们就无法回溯到前一个状态了。然而，物理学中不会有这样的例子。处于不同状态的系统，无论如何也不会进入同一个状态。

６.这是机械唯物论，所以是错的
虽然大家对从小学到大学无数的政治课深恶痛绝，但是看起来至少辩证唯物主义还是深入人心的。我个人对哲学毫无兴趣。与之相比，我更愿意相信逻辑和计算。很多现代物理学家（见回答内容）都把信息守恒看成是物理学的基础。贴上一个机械唯物论的标签就把它否定掉是不是太儿戏了？

7. 自由意志？
自由意志是一种信仰吗？反正我不相信。

来源邀稿：Mandelbrot

原文链接：https://www.zhihu.com/question/48068647/answer/109469071

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https://www.zhihu.com/question/48068647/answer/109469071