如果我知道所有的原子坐标，能不能算出未来会发生什么？
这是一个引人入胜的问题，也触及了科学中最核心的探索之一：决定论。简单来说，决定论认为宇宙的演化完全是由其初始状态所决定的，如果能够精确知道某个时刻所有粒子的状态，理论上就能推算出任何未来的状态。
那么，如果我们真的拥有“所有原子坐标”，我们能预测未来吗？答案是：理论上，可能，但实际上，几乎不可能，而且即使可能，也存在深刻的限制。
让我们一层层剥开这个问题：
1. 理论上的可能性：一个近乎完美的起点
如果“知道所有的原子坐标”意味着我们拥有宇宙在某个特定时刻，所有构成物质的粒子的精确位置信息，并且我们还知道它们的质量、动量（速度），那么，在经典物理学的框架下，理论上是可以通过牛顿定律等经典力学方程来模拟计算的。
牛顿的宇宙： 想象一下，宇宙就像一个巨大的、精密运转的钟表。牛顿定律告诉我们，任何物体在受到力的作用时，都会以一种可预测的方式改变其运动状态。如果知道钟表里每一个齿轮的位置、大小、材质，以及施加在它们身上的所有力（例如摩擦力、重力），你就能计算出它下一秒、下一分钟、甚至几百年后每一个齿轮的位置。
巨大的计算挑战： 这里的“知道”是关键。一个原子，只是构成物质的基本单位。而一个宏观物体，甚至我们人类，都包含着天文数字般的原子。举个例子，一滴水（大约 0.05 毫升）就包含了约 1.3 x 10^22 个水分子。一个成年人体，则有约 7 x 10^27 个原子。要精确知道并记录这无数个原子的坐标和动量，这本身就是一个无法想象的工程。
模拟的复杂性： 即使我们克服了信息收集的难题，接下来的挑战是如何进行模拟。我们需要一个极其强大的计算系统，能够实时处理这些庞大的数据，并用物理定律进行求解。这个计算量会指数级增长，远远超出我们目前任何超级计算机的能力。
2. 量子力学的阴影：不确定性的根本性
然而，科学的发展并没有止步于经典物理学。当我们深入到原子和亚原子粒子的世界，量子力学取而代之，它带来了根本性的不确定性。
海森堡不确定性原理： 这个原理是量子力学的基石之一。它告诉我们，我们无法同时精确地知道一个粒子的位置和它的动量。你越精确地测量它的位置，你就越不确定它的动量，反之亦然。这意味着，即使我们能够“知道”所有原子的坐标，我们对它们的动量（速度）的了解也必然存在一个固有的不确定性。
概率的王国： 量子力学描述的是粒子的概率行为。我们无法说一个电子“确切地”在哪里，只能说它“很可能”在哪里。原子与其说是有确定的轨迹，不如说是在一种“概率云”中存在。这意味着，即使我们知道了所有粒子的“起始位置”，它们的“未来位置”也无法被精确预测，只能给出多种可能性的概率分布。
观察者的效应： 在量子世界，测量行为本身会影响被测量的系统。你试图去“知道”原子的具体位置，这个“知道”的过程（也就是测量）就会不可避免地改变它的动量。这就像你试图抓住一个极其滑溜的泥鳅，你越想抓住它，它就越难以被你确定住。
3. 混沌的放大器：微小扰动的巨大影响
即使我们暂时忽略量子力学的限制，回到一个“近似经典”的视角，我们还会遇到另一个巨大的障碍：混沌理论。
蝴蝶效应： 混沌系统对初始条件极其敏感。一个极其微小的变化，在系统演化的过程中，会被不断放大，最终导致截然不同的结果。想象一下，你计算地球上所有空气分子的位置和速度，然后稍微修改其中一个分子的速度，哪怕只有万亿分之一，在足够长的时间后，你可能会发现整个地球的天气模式完全不同。
不可避免的误差： 即使我们的测量能力再强，也永远不可能做到绝对的精确。总会有微小的误差，总会有我们不知道的外部因素（例如来自遥远星系的微弱引力扰动，宇宙背景辐射的涨落等等）。在经典物理学看来，这些微小的误差在混沌系统中会被指数级放大，使得长期预测变得不可能。
信息的海洋： 要准确预测未来，你不仅要了解地球上的每一个原子，你可能还需要了解整个宇宙中每一个粒子的状态，以及它们之间所有可能的相互作用。这是一个信息量无法想象的“海洋”。
4. 实践中的鸿沟：我们离“知道”还差多远？
回到最初的设问，“如果我知道所有的原子坐标……”这个“知道”本身就是目前我们科学认知和技术能力无法企及的。
测量极限： 我们目前的测量技术，即使是对于相对宏观的物体，也存在固有的误差。对于原子和亚原子粒子，直接“看到”它们的坐标并同时知道它们的动量，更是遥不可及。我们是通过间接的方式来推断它们的性质。
计算能力： 如前所述，模拟一个包含如此多粒子系统的计算量是天文数字。即使我们有了精确的初始数据，现有的计算能力也无法在合理的时间内完成模拟。
模型的局限性： 即使我们掌握了所有数据，我们使用的物理模型本身也可能是我们当前认知下的近似。我们对宇宙的理解还在不断深化，未来可能会发现新的物理规律，现有的模型可能并不完全适用于最极端的情况。
结论：
所以，回到核心问题：知道所有原子坐标，能不能算出未来会发生什么？
理论上（经典框架）： 如果忽略量子力学和混沌效应，并且假设我们可以绝对精确地知道所有粒子（包括其动量），那么理论上是可以预测的。
实际上（包含量子与混沌）：
量子不确定性是根本性的障碍，它使得对粒子状态的精确预测变得不可能，只能给出概率。
混沌效应则会将任何微小的测量误差或外部扰动放大，使得任何长期的、精确的预测变得徒劳。
测量和计算的限制使得“知道所有原子坐标”本身就成为一个无法实现的设想。
因此，即使我们掌握了所谓的“所有原子坐标”，我们也无法精确地计算出未来会发生什么。我们最多能做的，是在一定的时间尺度和一定的不确定性范围内，对某些系统的可能演化趋势进行概率性预测。
这并非否定科学的力量，恰恰相反，它揭示了宇宙运作的深刻复杂性和我们认知边界的不断挑战。我们能够理解和描述的物理定律，本身就包含了这种固有局限性，也正是这些局限性，让宇宙充满了神秘和探索的乐趣。我们永远无法完全“锁定”未来，而是在不断演进的概率中，努力理解和塑造我们所处的世界。
网友意见
高赞回答们可能比较适合吸引吃瓜群众，但是和真实情况差了太多。
事实上，我们根本用不到去考虑所谓的拉普拉斯妖的地步，更不用什么量子涨落一类的玄学。最简单的情况，我给你一个碳原子，你都算不出来这个碳原子外面的6个电子概率密度分布的解析解是怎样的。我们的量子力学就是这么拉跨。
为什么我一上来就要先提电子？因为你生活中99%的物理现象，全都是由原子核外的电子决定的。如果你不能计算各个原子的电子之间的相互作用，你也就根本没办法预测宏观物理性质。不管你把原子坐标知道的多精确，都没用。
具体来讲，题主所谓的知道所有原子的坐标，显然我们可以假设原子数n>2，这时候各个原子的电子之间会产生相互作用。我们知道描述一个原子，需要薛定谔方程。事实上，描述多个原子，包括他们的相互作用，我们有多体薛定谔方程（many body schrodinger equation）。
这个方程其实很简洁。但凡你上过大学，应该都熟悉薛定谔方程。这个多体薛定谔方程和单体薛定谔方程唯一的区别就是这个哈密顿算子。我们看到公式2里面，N代表我们体系里面的第N号电子，M代表我们体系里面的第M号原子核，Z是原子序数。注意看我们的公式实际上是5个部份的加和，哪5部分呢？
所以从上图的解释我们就看出来，当你有很多原子的时候，和只有一个原子的区别在于：你多了很多电子-原子核的相互作用，原子核-原子核的相互作用，以及电子电子的相互作用。
不要小看这些相互作用，我可以明确的说：上面这个方程是不可能得到解析解的，即使你比理查德费曼聪明一万倍，可以得到解析解，你用一个天安门广场的面积，写十天十夜，都写不完这个解析解。
至于数值近似，可以这样说，对于规则的，周期性的原子排列，我们可以用平面波去描述这个体系，这样就把整个体系的N个原子，加上了周期性边界条件，简化到了几十个原子（晶胞）。纵使如此，我们目前所有对这个平面波应该长啥样的猜测，都是一种近似，并非完全精确。至于原子核和电子的作用，我们更是直接采用实验数据拟合，连个近似解都没有。要是有人能给出原子坐标，就能精确算出相互作用，给他10个诺奖都是他吃亏了。
说这么多就是表达一个中心思想：要对我们人类自己有几斤几两有个清醒的认识，对大自然的神奇有所敬畏，脚踏实地，一步一步来，没事的时候多想想明天的饭钱怎么赚，显然比这个天马行空的问题来得更实在一些。
这个问题就是经典的四大神兽之一：拉普拉斯妖Laplace's demon
拉普拉斯的表述是
我们可以将宇宙当今的状态视为过去的果以及未来的因。设想某种知性的存在，能于某一刻通晓大自然运作的各种力，以及大自然一切组成物的位置。若此知性的存在也浩瀚无垠，能将这些数据加以分析，那么从宇宙中最巨大的星体到最微小的原子，其运动都将囊括于单一方程式中。在此知性的存在看来，没有任何不确定的事，而未来将如过去般呈现在眼前。
仅就理论上说，这个拉普拉斯妖就至少存在两个悖论：
- 对整个宇宙的计算预测也包括了拉普拉斯妖本身，这个计算会无穷递归。
- （就目前看）量子力学是概率性的，无法完全预测未来（哥本哈根解释），或者只能给出所有平行宇宙的相应概率（多世界解释）。
回答完毕，以下是引申一点哲学观内容
拉普拉斯妖是在19世纪初，基于牛顿力学巨大成功的基础上，衍生出的确定论的哲学观。
在这种哲学观下，人类是没有自由意志的。你的一切未来都可以计算出来。即使因为技术问题没有计算出来，那也是确定的。所以可以推论出，你的选择不重要，该发生的无论如何都会发生。
无论未来的科学发展能给自由意志留下多少空间，我总是私心希望还能留一点。
首先，光知道坐标没用，你还得知道速度，以及原子间的相互作用力。
这样的话，有了初始坐标、初始速度、力（加速度）随坐标的变化，你就可以进行时间积分，计算体系随时间的演化。
一个典型的分子动力学模型就搭起来了。
其次，光有模型没用啊，你总不能用纸笔计算吧？所以你还需要一台超级计算机。
假设你拥有一台Anton 3 (专门用来跑分子动力学模拟的顶级超算[1]），那么恭喜你，你可以预测未来了。
但是预测速度很慢，你用这台超算在现实世界中算一天，大概能预测1亿个原子（直径大概一两百纳米的颗粒），在一微秒（百万分之一秒）内的未来。
而且预测精度还不咋地，因为上述计算都是基于牛顿力学的，量子效应一概不予考虑。
想考虑量子效应也行啊，不妨考虑用速度较快的无轨道密度泛函理论计算。那么用一台大型超算算一天，你大概能处理100万个原子，计算它们在一皮秒（万亿分之一秒）左右的未来[2]。
密度泛函理论一般仅考虑电子的量子效应，但你也可以结合路径积分分子动力学，把核量子效应也考虑进去，当然这也是有代价的，计算速度会进一步降低。
最后，所有计算都做不到绝对精确，只能给出一个总体走向。
一方面，任何计算模型都存在一定程度的近似，误差不可避免，而多体系统的演化是非线性的，误差会逐渐累积并指数放大；另一方面，即便没有任何误差，量子世界本质上也是随机的，确定性的预测从原理上就不可能。
参考
- ^Anton 3: twenty microseconds of molecular dynamics simulation before lunch https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3458817.3487397
- ^Petascale Orbital-Free Density Functional Theory Enabled by Small-Box Algorithms https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jctc.6b00326?casa_token=O6HI9f7tR-IAAAAA:K4D45JPbCTSfLCfQl3cndP-shc3GixpmCaSI3LsFZNbG837gQZBgtypsyjYzVwZejG-XwebCKhGv3LE
能算出一件会发生的事，那就是你马上死。
按氢原子质量计算，可观测宇宙中约有 10^80 个原子。我们可以不谈“从观测点出发，原子散布的平均半径约 2.2*10^26 米”、忽略非原子的自由粒子和原子内的情况、不要求记录每个原子的坐标的精度，记录以上全部原子的类型与坐标，需要的数据量起码会超过 10^80 比特。
10^80 这种大到离谱的数字，你看了就知道这要出问题了。
人脑以突触或其内部的蛋白（二进制分子开关）等储存信息，一个突触能储存约 4.7 比特信息，其中的 Talin 等蛋白质若能参与则还能多储存 800 比特左右的信息。将上面那巨大的信息灌进你小小的脑袋并让你“知道”，需要将你的脑子塞上大量额外的结构，那些结构的质量大到会立即坍塌为黑洞并将你完全毁灭。
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