爱因斯坦的奥卡姆剃刀



事情应该力求简单,不过不能过于简单。——爱因斯坦

本文节选自得到APP每天听本书《那些让你更聪明的科学新概念》,作者:傅渥成



《那些让你更聪明的科学新概念》封面

“简单”无疑非常重要,但过于简化未必就是最好。爱因斯坦的奥卡姆剃刀,这个概念可以帮助我们理清简单与复杂之间的关系,帮助我们理解各种复杂的事情。

爱因斯坦的奥卡姆剃刀是经典的奥卡姆剃刀概念的延伸,因此要想准确理解这个概念,我们首先必须对奥卡姆剃刀原则有一个准确的理解。这个原则讲的是:如无必要,勿增实体。简单说就是:如果关于同一个问题有多种不同理论,而且每一种都能作出同样准确的预言,那么应该挑选其中使用假定最少的理论。



奥卡姆的威廉,14世纪逻辑学家、圣方济各会修士。他的观点如无必要,勿增实体,被称为奥卡姆剃刀。

比如说,早期的化学家在研究各种元素的物理和化学性质时,他们根据实验的结果总结了大量的规则和定律,比如碱金属元素的性质比较活泼,而稀有气体元素通常很难进行化学反应等等。这都是我们在中学的化学课上花过不少时间去记忆的原理。尽管存在大量的反例,这些原理仍然大体上能总结各种元素的性质。

到了二十世纪,随着量子力学的发展,物理学家们发现原子的化学性质由其外层电子排布所决定,而电子的运动方程可以由薛定谔方程来描述。在量子力学的视角下,碱金属元素的外层有一个处在S轨道的最外层电子,这个电子很容易失去,所以碱金属元素的性质比较活泼,而稀有气体元素外层的电子形成了稳定的8电子结构,所以难以发生反应。基于量子力学的电子排布理论,不但可以很好地解释各种原子的奇特性质,更重要的是,量子力学本身只需五个基本原理就能全部导出。在这种时候,奥卡姆剃刀就提醒我们,应该选择更简洁的量子力学,而不是那些繁琐复杂的经验规则和定律。这个经典的原则让我们可以更接近科学的真理,它提供了一个进行规范性思考的普遍原则,能帮我们简化各种复杂的现象。



核外电子排布

然而简化就一定是正确的吗?德国软件和图形用户界面设计师卡伊·克劳泽(Kai Krause)提供了另外一种视角。他从设计师的角度来看,简单相对应的就是极简主义。而极简主义的简单并不意味着简陋,很多事物的简单可能来源于较为复杂的精心设计。克劳泽引用了爱因斯坦的一句名言,“万物应该尽可能简单,但又不总是更简单”,这句话所阐述的观点与经典的奥卡姆剃刀原则有所背离,这句话背后的思想被概括为爱因斯坦的奥卡姆剃刀原则。克劳泽信奉这一原则是有原因的,他提到了自己在上世纪70年代曾经制作过大型的音效合成器,他发现自己很难造出一些听起来简单的声音。钢琴弹出的简单的音符,背后可能是由几十个振荡器和滤波器作用形成的,简化反而不能实现极简的效果。

另一方面,简单本身不是一件可以简单定义的事情。我们都知道,两点之间,直线段最短,这个结论足够简洁,但没有哪一条河流会用这种最简单的方式,一条直线直通大海。我们追寻复杂现象背后的简单原则,但我们不能对这些现象本身做过度地简化。河流在大地上形成复杂的分支和弯曲,它与陆地之间存在着复杂的互动。如果我们观察错综复杂的河道,我们会觉得这一点也不简单,但这并不是说我们面对这些复杂的现象就无能为力了。

事实上,复杂的现象背后常常存在着一些普适性的规律,就像河流的网络,物理学家可以用分形的方法对它进行描述,用简单的规则就可以重现河流网络形成的全过程。这样描述的河流网络到底是简单呢,还是复杂呢?恐怕不好回答,唯一可以确定的就是,我们对简单的理解可能有些太过于简单了。



黄河、长江、珠江轮廓

总结一下爱因斯坦的奥卡姆剃刀这个概念,一方面,它延伸了奥卡姆剃刀“万物应该尽可能简单”的基本理念,另一方面,它又提醒我们“万物并不总是更简单”。这表示我们相信复杂的世界背后有着简单的基本原则,我们完全有能力去认识和理解这些原则。比如说当我们看到天空中飞翔的鸟群,不断变换着形态,这一现象无疑很复杂,但我们知道其中必然有一些简单的原则,例如,相邻的两只鸟速度必须大体保持同步,否则它们就会撞上嘛;然而它又不总是更简单,如果所有的鸟都像大阅兵一样严格按照同一个速度前进,那无疑太过单调了,没法灵活地应对外界环境中的刺激。因此,简单的原则和复杂多元的个体,再加上个体间的互动和博弈又导致了系统出现层次化的复杂结构,这些结构最终建构起了纷繁复杂的世界。爱因斯坦的奥卡姆剃刀是我们理解和分析复杂事物的重要工具。

标签: 爱因斯坦, 奥卡姆剃刀

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