Chọn lọc tự nhiên Vs. Thiết kế thông minh: Góc nhìn của một nhà vật lý

Hãy nghĩ về một vài con số ngẫu nhiên. Những con số như 8, 12, 876, 93 ...Đây là những con số ngẫu nhiên trong sinh học, và những con số tưởng chừng đơn giản này lại nắm giữ chìa khóa mở ra những bí ẩn sâu sắc nhất của vũ trụ--- chính chúng ta. Nói cụ thể hơn (và ít kịch tính hơn), không phải những con số mà là quá trình tạo ra những con số này có những hàm ý nghiêm trọng. Ví dụ, người ta có thể hỏi một số câu hỏi hấp dẫn như

1. Những con số này có thực sự ngẫu nhiên?
2. Tôi có khả năng đưa ra những con số tương tự nếu được yêu cầu những con số ngẫu nhiên trong tương lai không?
3. Làm thế nào bộ não của chúng ta tạo ra những con số ngẫu nhiên này?
4. Có khả năng là bộ não vừa gắn thẻ một vài con số là ngẫu nhiên?
5. Có thuật toán nào liên quan đến các quá trình ngẫu nhiên như tung xúc xắc diễn ra một cách vô thức trong não không?
6. Quá trình suy nghĩ của chúng ta có tự do không?
7. Có cái gì gọi là ý chí tự do để bắt đầu?

Tất cả các bạn hẳn đã nhận thấy đúng rằng đây là những câu hỏi mà hiện tại chúng tôi chưa có câu trả lời thỏa đáng. Một số bạn sẽ tin rằng khoa học cuối cùng sẽ tìm ra câu trả lời chính xác cho những câu hỏi này, và cho đến lúc đó, không cần phải nói nhảm và tạo ra sự cường điệu. Hầu hết các bạn có thể không nhận ra rằng khoa học có một vài câu trả lời và một số dẫn chứng mà chỉ cần nỗ lực thêm một chút cũng có thể trả lời được một số câu hỏi sâu sắc.

Ở cuối bài đăng này, tôi sẽ đề xuất một thí nghiệm mà bạn có thể thực hiện ở nhà để thăm dò quá trình suy nghĩ của mình. Trong khi đó, hãy nói về một số quá trình ngẫu nhiên.

Sự ngẫu nhiên được cảm nhận không phải là ngẫu nhiên

Hãy cùng tìm kiếm những con số ngẫu nhiên trong thế giới máy móc ngoài kia. Đây là kết quả của các quá trình ngẫu nhiên như tung đồng xu hoặc tung xúc xắc. Có những hiện tượng ngẫu nhiên khác như số lượng ô tô màu đỏ đi qua nút giao thông trong một ngày, số lượng thiên thạch bay vào bầu khí quyển của chúng ta, v.v.

Sau đó là đầu ra của numpy.random.rand() (hoặc bất kỳ quy trình nào khác bằng ngôn ngữ máy tính yêu thích của bạn). Cái cuối cùng chắc chắn không phải ngẫu nhiên vì nó là đầu ra của một thuật toán. Thuật toán sẽ tạo ra các số giống nhau nếu nó bắt đầu tính toán từ cùng một số 'hạt giống'. Trên thực tế, đây là những con số giả ngẫu nhiên. Tốt cho mọi mục đích thực tế, nhưng hoàn toàn có thể dự đoán được và do đó không hẳn là ngẫu nhiên.

Hầu hết sự ngẫu nhiên mà chúng ta trải qua trong cuộc sống thực chất là sự ngẫu nhiên giả tạo, do thiếu thông tin.

Lấy ví dụ khác - số lượng ô tô màu đỏ băng qua một nút giao. Người chờ ở nút giao có thể thấy sự xuất hiện của ô tô màu đỏ là một quá trình ngẫu nhiên, nhưng một người có chế độ xem giao thông trực tiếp trong khu vực qua vệ tinh sẽ biết có bao nhiêu ô tô màu đỏ sẽ băng qua nút giao. Quá trình này, dường như là ngẫu nhiên đối với một người quan sát, lại hoàn toàn mang tính quyết định đối với một người quan sát khác có nhiều thông tin hơn. Đây là đặc điểm chung của hầu hết những điều ngẫu nhiên mà chúng ta trải qua trong cuộc sống hàng ngày. Sự ngẫu nhiên rõ ràng là do thiếu thông tin.

Bây giờ hãy nghĩ đến việc tung đồng xu. Kết quả một lần nữa rõ ràng là ngẫu nhiên. Nhưng bạn có thực sự nghĩ rằng chúng ta có thể phóng một tên lửa vào không gian và xác định chính xác thời gian, địa điểm nó sẽ đáp xuống Sao Hỏa nhưng lại không thể dự đoán được kết quả của việc tung đồng xu? Phải chăng các định luật điều chỉnh chuyển động của tên lửa rất khác so với các định luật xác định chuyển động của đồng xu? Thực tế không phải vậy.

Các định luật vật lý giống nhau chiếm ưu thế trong hai trường hợp. Sự khác biệt duy nhất là chúng ta thiếu thông tin chính xác về động thái của đồng xu khi nó được tung lên. Không phải là không có thông tin. Chúng ta chỉ đơn giản là không bận tâm đến nỗ lực lấy lại nó và giả vờ rằng thiên nhiên đã đưa ra một quyết định ngẫu nhiên cho dù đồng xu được tung lên có mục đích gì. Thật vậy, đoạn video ghi lại vài phân số đầu tiên của một giây của đồng xu vừa được tung qua máy quay phim nhanh có thể giải mã động lực học của đồng xu và có thể dự đoán kết quả của việc tung đồng xu.

Điều này cũng đúng với việc tung xúc xắc, xổ số yêu thích của bạn hoặc hầu hết các quy trình ngẫu nhiên mà bạn có thể nghĩ ra (ý định chơi chữ). Điều này là do các quy luật tự nhiên mà chúng ta trải nghiệm trong cuộc sống hàng ngày (để đơn giản, đó là các định luật Newton mà chúng ta học ở trường trung học) có tính chất quyết định. Nếu bạn biết các điều kiện ban đầu (vị trí, vận tốc) của các vật thể quan tâm và các lực tác dụng lên các vật thể này, bạn có thể xác định chính xác động lực học trong tương lai của các vật thể. Bất cứ điều gì xuất hiện ngẫu nhiên trong miền này là do chúng tôi không có quyền truy cập vào thông tin. Thông tin ở đó. Chúng ta chỉ cần công nghệ tốt hơn để ghi lại và xử lý thông tin đó.

Sòng bạc có thể ngừng hoạt động trong tương lai gần khi điện thoại thông minh của chúng ta bắt đầu dự đoán kết quả của viên xúc xắc trong khi nó vẫn đang lăn.

Điều này có nghĩa là trong vài thập kỷ tới, việc tung đồng xu và tung xúc xắc có thể không còn tác dụng gì nữa như bàn tính ngày nay. Chúng ta sẽ có công nghệ cần thiết trên điện thoại thông minh của mình, có khả năng giải quyết động thái của đồng xu trong chưa đầy một giây và dự đoán kết quả.

Một vài ảnh chụp nhanh về việc tung xúc xắc và điện thoại của chúng ta sẽ dự đoán kết quả của lần ném. Có lẽ hiện tại có người đang tạo ra những ứng dụng như vậy. Có lẽ hiện nay có người kiếm tiền bằng cách này. Nhưng đối với những người khiêm tốn hơn như chúng ta, một câu hỏi tự nhiên là chúng ta sẽ chơi sòng bạc trong tương lai như thế nào? Hoặc bắt đầu trận đấu? Hay trúng xổ số? Và đối với những người trong số các bạn, tôi trình bày tính ngẫu nhiên thô sơ thuần túy--- cơ học lượng tử.

Gặp sự ngẫu nhiên thực sự

Cơ học lượng tử là một lý thuyết giải quyết việc mô tả tự nhiên ở cấp độ cơ bản nhất. Đây là cấp độ mà chúng ta xử lý các khối xây dựng của vật chất và năng lượng, nguyên tử, phân tử, electron, photon, v.v. Ở cấp độ này, thiên nhiên hành xử rất khác so với cách nó xuất hiện trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, như chúng ta sẽ sớm thấy.

Một đồng tiền lượng tử

Hãy nghĩ lại việc tung đồng xu. Nhưng lần này, nó là một đồng tiền lượng tử, chẳng hạn như spin của electron. Electron là một phần của các khối xây dựng của vật chất. Đây là những vị thần mà chúng ta đã thả ra khỏi ấm trà thần kỳ với điểm khác biệt là chúng ta có thể thực hiện nhiều hơn ba điều ước. Mọi thứ xung quanh bạn chuyển động đều tạo ra tiếng động và không phải em bé đều chạy bằng điện tử. Các electron có một tính chất gọi là spin. Việc đo spin của electron khá dễ dàng. Tất cả những gì bạn phải làm là cho electron đi gần một nam châm hình nêm. Từ trường của nam châm như vậy tác dụng một lực lên electron và electron bị lệch theo hướng này hoặc hướng khác tùy thuộc vào độ quay của nó.

Khi thí nghiệm đo spin của electron được thực hiện, chúng ta thấy rằng nó chỉ có hai giá trị có thể có. Chúng tôi gắn nhãn chúng là đầu (quay lên) và đuôi (quay xuống) và chúng tôi đã có cho mình một đồng tiền lượng tử.

Nếu bây giờ bạn tung đồng xu lượng tử, bạn sẽ lại nhận được kết quả ngẫu nhiên, đầu hoặc đuôi. Nhưng sự khác biệt so với phương pháp cổ điển (cái mà chúng ta đã thảo luận trước đó) là tính bất định không phải do thiếu thông tin. Chúng ta biết mọi thứ cần biết về electron, tuy nhiên, không có cách nào dự đoán liệu phép đo spin sẽ dẫn đến spin lên (đầu) hay spin xuống (đuôi).

Mọi sự kiện trong thế giới lượng tử đều là một trò tung xúc xắc.

Điều này trái ngược với đồng xu cổ điển, trong đó tính ngẫu nhiên là do thiếu thông tin. Đây là bí ẩn đầu tiên của tự nhiên ở cấp độ lượng tử. Thiên nhiên không cho phép chúng ta biết khi nào và tương tác cơ bản nào giữa các khối cơ bản của vật chất và năng lượng sẽ diễn ra. Mọi sự kiện xảy ra ở cấp độ này đều là một trò tung xúc xắc.

Trên thực tế, khía cạnh này của cơ học lượng tử đã là một phần của cuộc tranh luận sôi nổi kể từ khi lý thuyết này bắt đầu. Nhiều người, kể cả Albert Einstein, không hài lòng với cách mô tả không xác định về các sự kiện ở cấp độ lượng tử. Chắc hẳn bạn đã từng nghe câu nói nổi tiếng của ông, “ Chúa không chơi xúc xắc ”. Ông tin rằng lý thuyết này chưa hoàn chỉnh và có thể thiếu một số biến ẩn có thể khôi phục thế giới cổ điển, giống như thuyết tất định trong thế giới lượng tử, khi được thêm vào mô tả.

Tuy nhiên, vô số thí nghiệm trong 100 năm qua đã loại trừ khả năng tồn tại của những lý thuyết biến ẩn này. Và hiểu biết tốt nhất của chúng ta về tự nhiên ở cấp độ lượng tử là hiểu biết được cung cấp bởi cơ học lượng tử, về nguyên tắc nó không cho phép chúng ta dự đoán kết quả của việc tung đồng xu lượng tử.

Điểm mấu chốt cho đến thời điểm này là đối với một quy trình ngẫu nhiên cổ điển, thông tin có sẵn nhưng có thể không truy cập được, nhưng quy trình lượng tử vốn dĩ là ngẫu nhiên. Không có thông tin bị thiếu.

Được trang bị sự hiểu biết về các quá trình ngẫu nhiên trong thế giới cổ điển và lượng tử, chúng tôi sẵn sàng khám phá những câu hỏi thực sự lớn trong thế giới sinh học. Đầu tiên, bạn có thể đánh giá cao rằng ý chí tự do vắng mặt trong thế giới tất định của các quy luật cổ điển có thể được phục hồi nhờ tính bất định trong thế giới lượng tử. Điều duy nhất chúng ta phải khám phá là tìm kiếm các dấu hiệu lượng tử trong hoạt động của não. Nhiều người đã đề xuất điều này trước đây, nhưng công nghệ ngày nay hứa hẹn sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Chúng ta có thể sớm nghe được những tin tức tuyệt vời từ những người nghiên cứu sinh học lượng tử.

Thiết kế ngụy trang?

Sau đó, có một câu hỏi khác mà tôi muốn nói đến. Hãy xem xét cuộc sống. Có hai lý thuyết nổi bật liên quan đến sự xuất hiện của sự sống trên hành tinh này. Hoặc chúng ta là một phần của thiết kế thông minh nào đó, hoặc sự sống xuất hiện trên hành tinh này như một sự tình cờ và thông qua những đột biến ngẫu nhiên, nó đã phát triển thành tất cả các dạng sống mà chúng ta chứng kiến ngày nay (và thật đáng buồn là những dạng chúng ta đã xóa sổ khỏi hành tinh). Khoa học đương nhiên ủng hộ quan điểm thứ hai. Nhưng hầu hết những người ủng hộ quan điểm khoa học đều không nhận ra rằng vẫn có khả năng thiết kế trong thế giới quan của họ. Điều này là do chúng ta vẫn phải xác định xem các quá trình gây đột biến trong bộ gen có bị chi phối bởi định luật cổ điển hay định luật lượng tử hay không.

Nếu các định luật cổ điển có thể mô hình hóa một cách thỏa đáng những đột biến này thì chúng không phải là ngẫu nhiên. Đây là những quy trình mang tính quyết định mà thông tin, hay còn gọi là thiết kế, đã có sẵn.

Việc ai đó có thông tin đó (Đức Chúa Trời toàn năng?) hay không là một câu hỏi riêng biệt và có thể được trả lời một cách chủ quan. Điều có thể xác định một cách khách quan là thiết kế đã có sẵn. Đây là một góc nhìn độc đáo về cuộc tranh luận giữa chọn lọc tự nhiên và thiết kế thông minh mà một nhà vật lý đưa ra. Nghiên cứu sâu hơn về sinh học lượng tử và khám phá các dấu hiệu lượng tử trong đột biến gen sẽ cho biết liệu chúng ta là một phần của thiết kế hay là kết quả của những tai nạn thực sự ngẫu nhiên.

Sinh học lượng tử sẽ tiết lộ liệu chúng ta có được thiết kế hay không.

Cuối cùng, tôi muốn đề xuất một thí nghiệm để khám phá quá trình suy nghĩ như tôi đã hứa. Với một chút kiên nhẫn và lòng can đảm, bạn có thể dễ dàng thực hiện thí nghiệm này tại nhà. Lấy một tờ giấy và viết một vài con số ngẫu nhiên lên đó. Gấp tờ giấy lại và cho vào hộp. Đặt chiếc hộp sang một bên. Bây giờ, hãy đợi một vài tuần. Trong khi đó, đừng cố nhớ lại những con số bạn đã viết. Rõ ràng là không mở hộp. Sau một vài tuần, hãy lấy một tờ giấy khác, viết lại một vài con số ngẫu nhiên lên đó và đặt vào cùng một hộp. Một lần nữa chờ đợi một vài tuần và lặp lại. Trong một khoảng thời gian dài (chẳng hạn như một năm hoặc sáu tháng), bạn sẽ có rất nhiều giấy tờ được gấp lại trong hộp.

Bây giờ hãy mở hộp và xem tất cả các số ngẫu nhiên bạn đã viết theo thời gian. Có phải tất cả đều ngẫu nhiên? Có một số số ngẫu nhiên yêu thích? Có mẫu không? Có thiết kế không?