想一些随机数。像8、12、876、93这样的数字……这些都是生物学中的随机数，而这些看似简单的数字却掌握着宇宙最深奥的奥秘——我们自己的钥匙。更具体地说（不那么戏剧化），产生严重影响的不是数字，而是数字产生的过程。例如，人们可以提出一些有趣的问题，例如 这些数字真的是随机的吗？ 如果将来要求随机数，我可能会得到相同的数字吗？ 我们的大脑如何产生这些随机数？ 大脑是否可能只是将一些数字标记为随机的？ 是否存在一种涉及大脑无意识地进行的随机过程（例如掷骰子）的算法？ 我们的思维过程是自由的吗？ 是否存在自由意志这样的东西？ 你们所有人都会正确地注意到，这些问题目前我们还没有令人满意的答案。你们中的一些人会相信科学最终会找到这些问题的正确答案，在那之前，没有必要拐弯抹角和炒作。你们中的大多数人可能没有意识到科学有一些答案和一些线索，只要多一点努力就可以回答一些深刻的问题。 在这篇文章的最后，我将提出一个你可以在家进行的实验来探索你的思维过程。同时，我们来讨论一些随机过程。 感知到的随机性并不是随机的 让我们在机械世界中寻找随机数。这些是随机过程的结果，例如抛硬币或掷骰子。还有其他随机现象，例如一天内穿过立交桥的红色汽车的数量、进入大气层的陨石的数量等。 然后是 （或您最喜欢的计算机语言的任何其他例程）的输出。最后一个肯定不是随机的，因为它是算法的输出。如果算法从相同的“种子”数字开始计算，它将产生相同的数字。事实上，这些是伪随机数。适用于所有实际目的，但完全可预测，因此不完全随机。 numpy.random.rand() 我们在生活中经历的大多数随机性实际上都是伪随机性，是由信息缺乏造成的。 再举另一个例子——穿过立交桥的红色汽车的数量。在立交桥处等待的人可能会发现红色汽车的出现是一个随机过程，但通过卫星了解该地区实时交通视图的人会知道有多少红色汽车将穿过立交桥。这个过程对于一个观察者来说显然是随机的，但对于另一个拥有更多信息的观察者来说却是完全确定性的。这是我们在日常生活中经历的大多数随机性的普遍特征。明显的随机性是由于缺乏信息造成的。 现在想想抛硬币。结果显然又是随机的。但你真的认为我们可以在太空发射火箭并准确确定它何时何地降落在火星上，但却无法预测抛硬币的结果吗？控制火箭运动的定律与决定硬币运动的定律有如此不同吗？事实并非如此。 相同的物理定律适用于两种情况。唯一的区别是我们缺乏有关硬币被抛掷时的动力学的精确信息。并不是说信息不存在。我们根本不费力去捡回它，并假装大自然已经随机决定了抛硬币的目的。事实上，通过快速摄像机拍摄的硬币最初几分之一秒的视频片段可以解码硬币的动态，并可以预测抛掷的结果。 对于掷骰子、您最喜欢的彩票或您能想到的大多数随机过程（双关语）也是如此。这是因为我们在日常生活中经历的自然定律（为了简单起见，我们在高中学习的牛顿定律）是确定性的。如果您知道感兴趣对象的初始条件（位置、速度）以及作用在这些对象上的力，则可以精确确定对象的未来动态。该领域中出现的任何随机情况都是由于我们无法访问该信息。信息就在那里。我们只是需要更好的技术来记录和处理这些信息。 当我们的智能手机在骰子仍在滚动时就开始预测结果时，赌场可能会在不久的将来破产。 这意味着在未来的几十年里，抛硬币和掷骰子可能不会比今天的算盘更有用。我们的智能手机将拥有所需的技术，能够在不到一秒的时间内解析硬币的动态并预测结果。 掷骰子的一些快速快照和我们的手机将预测掷骰子的结果。也许现在有人在制作这样的应用程序。也许现在有人通过这种方式赚钱。但对于像我们这样谦虚的人来说，一个自然的问题是我们将来如何玩赌场？或者开始比赛？或者中彩票？对于你们这些人，我呈现纯粹的、赤裸裸的原始随机性——量子力学。 满足真正的随机性 是一种从最基本的层面描述自然的理论。在这个层面上，我们处理物质和能量、原子、分子、电子、光子等的组成部分。在这个层面上，自然的行为与我们日常生活中的表现非常不同，我们很快就会看到。 量子力学 量子币 再想想抛硬币的情况。但这一次，它是一个量子硬币，例如电子的自旋。电子是物质组成部分的一部分。这些是我们从魔法茶壶中释放出来的精灵，不同的是我们可以许三个以上的愿望。你周围所有移动的东西都会发出声音，而不是婴儿，它们都是靠电子运行的。电子具有称为自旋的特性。电子自旋的测量非常容易。您所要做的就是让电子靠近楔形磁铁。这种磁铁的磁场对电子施加力，电子根据其自旋向一个或另一个方向偏转。 当进行测量电子自旋的实验时，我们发现它只有两个可能的值。我们将它们标记为头部（向上旋转）和尾部（向下旋转），我们就得到了一枚量子币。 如果你现在扔量子硬币，你将再次得到一个随机输出，要么是正面，要么是反面。但与经典（我们之前讨论的）的区别在于，不确定性并不是由于信息的缺乏造成的。我们知道有关电子的一切，但仍然无法预测自旋测量是否会导致向上自旋（头部）或向下自旋（尾部）。 量子世界中的每个事件都是一掷骰子。 这与古典硬币形成鲜明对比，古典硬币的随机性是由于缺乏信息而导致的。这是量子层面上自然的第一个谜团。大自然不允许我们知道物质和能量的组成部分之间何时以及会发生哪些基本相互作用。此级别发生的每个事件都是掷骰子。 事实上，自该理论诞生以来，量子力学的这一方面一直是激烈争论的一部分。许多人，包括阿尔伯特·爱因斯坦，对量子层面事件的不确定性描述并不满意。你一定听过他的名言：“ ”。他认为该理论是不完整的，并且在添加到描述中时可能缺少一些可以恢复经典世界的隐藏变量，例如量子世界中的决定论。 上帝不掷骰子 然而，过去100年的无数实验已经排除了这些隐变量理论的可能性。我们在量子层面上对自然的最佳理解是量子力学提供的，原则上它不允许我们预测抛掷量子硬币的结果。 到目前为止的关键点是，对于经典随机过程，信息是存在的，但可能无法访问，但量子过程本质上是随机的。没有遗漏的信息。 有了对经典世界和量子世界中随机过程的理解，我们就准备好探索生物世界中真正的大问题了。首先，你可以体会到，由于量子世界中的非决定论，经典定律的决定论世界中所缺失的自由意志可以得到恢复。我们唯一需要探索的就是寻找大脑功能中的量子特征。许多人之前已经提出过这一点，但当今的技术有望通过实验验证。我们可能很快就会从从事量子生物学的人们那里听到好消息。 变相设计？ 那么还有一个问题我想谈一下。考虑一下生活。关于这个星球上生命的出现有两种主流理论。要么我们是某种智能设计的一部分，要么生命在地球上出现是一次意外，通过随机突变，它演变成我们今天看到的所有生命形式（可悲的是，我们已经从地球上消灭了那些生命形式）。科学自然倾向于第二种观点。但大多数支持科学观的人并没有意识到，他们的世界观中仍然存在设计的可能性。这是因为我们仍然必须确定导致基因组突变的过程是否受经典定律或量子定律支配。 如果经典定律可以令人满意地模拟这些突变，那么它们就不是随机的。这些是确定性的过程，其中的信息（又称设计）已经存在。 某人是否拥有该信息（全能的上帝？）是一个单独的问题，可以主观地回答。可以客观地确定的是，设计是可用的。这是物理学家对自然选择与智能设计辩论提供的独特视角。更多的量子生物学研究和对基因突变量子特征的探索将告诉我们，我们是否是真正随机事故的设计或结果的一部分。 量子生物学将揭示我们是否被设计。 最后，我希望提出一个实验来探索我所承诺的思维过程。只要有一些耐心和勇气，您就可以在家轻松地进行这个实验。拿一张纸，在上面写下一些随机数字。将纸折叠并放入盒子中。把盒子放在一边。现在，请等待几周。同时，不要试图回忆你写下的数字。显然，不要打开盒子。几周后，拿另一张纸，再次在上面写一些随机数字，然后将其放入同一个盒子中。再次等待几周并重复。在很长一段时间内（例如一年或六个月），盒子里会有很多折叠的纸。 现在打开盒子，看看你随着时间的推移写下的所有随机数。它们都是随机的吗？有一些最喜欢的随机数吗？有模式吗？有设计吗？
