互动科普

能够准确回击来球，意味着未来已经完全被决定？

在网球场上，有经验的选手能够看准从对方飞来的网球将它击打回去。这位选手所以能够如此，是因为他凭借自己的经验能够根据他所看到的飞行中的球的位置、运动方向和飞行速度等，准确地判断出它在什么时刻将会到达什么位置。

网球选手能够作出这种预测，是因为飞来的网球是在按照支配我们日常世界的物理定律进行运动。换句话说，飞来的网球的未来，也就是网球今后的命运，已经由它所遵循的物理定律预先决定了。这样一种观点被称为“决定论”。

我们这个世界发生着各种各样的现象，当然不会只有网球的运动。如果这些现象全都按照决定论发展的话，那么，便可以认为这个世界上将要发生的一切全都是预先决定了的。然而我们知道天气预报并非如此，掷骰子会出现多少“点”也是无法预测的。事实上，我们对于自己10年后将会在哪里的问题也不可能作出确切的回答。

更令人沮丧的是，诸如“电子”这样一些构成“原子”的微观粒子，它们根本就不符合决定论。

比如说，我们可以用一只发射电子的电子枪对准正前方的一个靶子射击。这时，即使你确实对准了正前方的靶子，也不能保证射出的电子真正是朝着正前方的目标飞行。这就是说，即使对准靶子射击，有的电子会飞向正前方目标，有的电子却会偏离正前方目标。换句话说，电子飞向哪里（未来）并没有惟一决定（非决定论）。

图1. 决定论和非决定论

符合决定论的一个具有代表性的例子是宏观球的运动，符合非决定论的一个具有代表性的例子是无法确定原子核周围的微观电子的位置。骰子虽然是宏观物体，但是掷骰子得到的“点”数也是几乎不可预测的。

物体的运动仅由简单的定律决定

我们先来介绍按照决定论是如何看待未来或者说命运的。

上抛的小球会很快向下掉落，推动重物体需要施加较大的力，物体的这些运动全都受到物理定律的支配。这些物理定律则是由“牛顿力学”加以总结和阐明的。

牛顿力学是在17世纪由英国科学家艾萨克·牛顿（1643〜1727）所建立的一种力学理论。从我们周围物体的运动到天上行星的运行，对于这个层次范围的所有运动，牛顿力学都可以作出几近完美的说明。

比如说，一只静止的球不会自行移动，而一只在水平地板上滚动着的球（忽略摩擦）则会以恒定的速度向着同一个方向一直向前滚动。物体所具有的这种性质被称为物体的“惯性”。

再比如，用手拿起一只球，突然撒手，这只球便会下落，而且下落的速度越来越快，即作加速下落。这是因为地球上的物体全都要受到“重力”（地球的万有引力）牵拉的缘故。一个物体受到力的作用，它的运动状况便会按照一定的规律发生变化。

我们周围物体的运动全都遵循这样的规律。接下来，我们就来介绍“物体运动遵循牛顿力学”这个事实同“未来”之间的关系。

台球彩球的行踪（未来）仅由击球瞬间决定

在地板上向前滚动的一只球，它既不会自行改变行进方向，也不会突然加快速度。它只能按照牛顿力学所决定的方式运动。

我们以台球比赛为例来说明这个问题。台球比赛时，要求参赛者用球杆的尖端击打一只叫做“主球”的白色球，让它去碰撞叫做“目标球”的某一只彩色球，使目标球滚入球台六个球袋中的某一个球袋。

假定现在你就在玩台球游戏，你用球杆击打主球。主球完全按照受到球杆尖端击打的方式向前滚动。滚动的主球碰撞目标球，碰撞后，两者分别向着不同方向滚动。这时，主球和目标球各自的行进方向也是由牛顿力学决定的。

换句话说，在主球最初受到球杆击打之后，主球和目标球都分别按照牛顿力学所决定的方式运动。主球受到击打的那个时刻已经预先决定了球台上将要发生的一切。你能得到什么结果，完全取决于你最初怎样用球杆击打主球。

在你用球杆击打之后，无论球台上出现怎样复杂的局面，全都取决于你朝着某个方向击打主球的那个时刻。

图2. 击打主球的瞬间惟一决定了结果

在所有球体的大小和重量都相同的情况下，根据牛顿力学进行计算可以知道，目标球受到碰撞后将沿着碰撞时主球中心和目标球中心的连线的延长线运动。碰撞后的主球则将朝着与目标球行进方向呈90°的方向行进。在此图解所示的例子中，最初击打主球的瞬间决定了会有3个彩球滚入球袋中。当然，这个例子所作的说明是一种假想的“理想情况”，忽略了球体的旋转和摩擦等因素的影响。事实上，这些影响是不能忽略的。因此，在现实的台球比赛中，要做到一次击杆让多个彩球进袋，从而实现“一击清台”，其实是非常难的。不过，即使将球体的旋转和摩擦等考虑进来，球体的运动符合决定论，这个结论仍然不变。

我们周围物体的运动都是如此。物体最初开始运动的时刻惟一决定了运动的结果。运动开始时的状况（物体的位置、速度和重量，以及作用力的方向和大小）叫做“初始条件”。

这个结论当然不限于台球。事实上，棒球、保龄球的球路，还有从树上掉落的苹果，全都是在遵循物理定律运动，运动的结果（未来）全都预先已经决定。

（本文发表于《科学世界》2011年第6期）