我们的世界，以及我们的思维，是确定性的吗？

从伽利略开始，400年来科学家们一直在稳步推进我们对世界的认识，并建立了这样的观念，即我们的宇宙是4个方面在时间中互动的产物：离散性（即基于物体的宇宙固有的可列举性）、几何、规则和随机性。我们所处的环境大部分是离散的：存在一个个的物体。由于宇宙中到处是可区分的事物，计数和数字成为可能。如果一切都是平滑的流动，怎么可能会有计数呢？数字将毫无意义。

规则有两种形式：逻辑和物理定律。逻辑是数学的基础，幸运的是，物理定律符合逻辑。据我所知，还没有人从科学的角度解释过为什么宇宙是逻辑的，或者不符合逻辑的宇宙是什么样子，或者不符合逻辑的宇宙是否有可能。当逻辑应用于在几何空间和时间中具有特定性质的对象系统时，就必然存在规则性，并且规则性可以用数学描述。这就是我们所谓的物理定律。

宇宙中也到处都有随机性。混沌理论从数学上证明了，在一些情形下，即使系统的数学描述是完全确定性的，也不可能精确预测长期的结果。这种系统的特点是对关键参数极为敏感，如果要计算未来任意时间的结果，就必须有无穷精度。一个例子是天文学中的“三体问题”，相互之间有引力的3个天体相互围绕运动，组成了一个混沌系统。时间越长，对3个天体未来位置的预测就越不精确，虽然相关的物理定律和关系的数学描述都很清楚并且很精确。难点在于无法以足够的精度确定3个天体的质量和速度，因此也就无法在相互围绕许多次后还能准确预测它们在空间中的位置。预测的时间越长，不确定度就越大。这种不确定度就是所谓的确定性混沌。包括气体和液体分子的运动在内，许多系统都有这种特点。

混沌是看起来随机但数学描述可以很精确，量子力学则完全建立在随机的基础上，微观事件具有内在的不可知性，只能用概率表示。有两个例子展示了这种随机性，一是特定的放射性原子的衰变时间有本质的不可预测性，二是不可能同时确定一个很小物体确切的位置和动量。

现代量子力学的创建者之一阿瑟·康普顿给出了一个非常清晰的例子：

现在想象一束微弱的光线通过一个小洞，然后由于衍射扩展成很宽的一束光。在这个宽光束的光路上我们放置两个光传感器，A和B，分别连到放大器。光感器非常敏感，只要进入一个光子就能记录到。光路上有一个快门，打开的时间刚好足以通过一个光子。这个光子会进入哪个光感器？我们无法确定……第一个光子可能进入其中一个光感器，在初始条件完全一样的情形下，下一个光子可能进入另一个光感器。因此结果是不可复制的。就我们所知，这完全是随机的。

由于单个原子或分子在遇到光子时运动会改变，因此每个原子都是某种光感器。一旦光子冲击气体或液体，导致的分子运动的变化就有内在的不可预测性，因为无法知道一个特定的光子会影响哪个原子。量子力学的不确定性与确定性混沌结合在一起，使得我们的宇宙充满了细节不可预测的随机原子运动。这并不意味着发生的一切都是随机的——远不是这样——而是说随机性永远无法完全排除，并且总是存在于分子层面。

当我们想象一个由宇宙中概念上可能的所有事物组成的假想空间时，随机分子运动的存在意味着只要有足够的时间，任何局部的分子形态都有可能在某个时刻出现在某处。而如果没有随机性，许多情形将永远不可能。如果我们的宇宙是确定性的，则未来的一切在最开始就已经确定了，所有的行为，甚至我们的思想，都将只不过是一个巨大的自动机的推演。这种情形中的概率反映的只不过是无知而不是不确定性。相反，当系统中引入随机性，概率反映的就不仅仅是无知，还包括了不可知。好的一面是具有随机性的宇宙也允许创造性，没有随机性，真正的创造性就是不可能的。

回到大脑，实验证据表明大脑内部的交流是“噪声”。一些神经元同时激发，当实验探测同时激发的神经时，个体细胞的表现并不一样。如果个体细胞的特定活动源自分子层面，分子层面的不确定性就必然影响细胞的行为。有了这样的不确定性，如果大脑是确定性的，将非常让人惊讶。更有可能的是大脑具有概率性。