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你的意識到底來自哪里？ 已有3人參與
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秦鵬 發(fā)表于 2014-04-24 15:00 人為什么會有意識？意識的物理學(xué)基礎(chǔ)是什么？麻省理工的一位物理學(xué)教授認為，或許跟氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)一樣，意識只是一種物態(tài)而已。圖片來源：《新科學(xué)家》 （文/Max Tegmark）你此刻為什么會有意識？確切地說，你為什么會有閱讀這些文字、看到顏色以及聽到聲音的主觀體驗，而你周圍那些無生命的物體想來不會有任何主觀體驗？ 不同的人所說的“意識”含義也不盡相同，包括對環(huán)境或者自身的感知。我所問的是一個更基本的問題：你為什么會有所體驗？這也是哲學(xué)家大衛(wèi)·查莫斯（David Chalmers）提出的關(guān)于意識的“大難題”的本質(zhì)。 這一問題的傳統(tǒng)答案是二元論——有生命實體與無生命之物有所不同，在于它們含有某種諸如“靈魂”之類的非物質(zhì)元素�？茖W(xué)家里面二元論的支持者已經(jīng)越來越少。想要知道為什么，想一想你的身體是由大約1029個夸克和電子組成的，而據(jù)我們所知，它們的運動都遵循簡單的物理定律。設(shè)想一種未來的技術(shù)能夠追蹤組成你身體的所有粒子：如果我們發(fā)現(xiàn)它們精確地遵守物理定律，那么所謂的靈魂對你的粒子就毫無影響，因此你的意識及其控制運動的能力也與靈魂毫無關(guān)系。 如果我們發(fā)現(xiàn)你的粒子并不遵守已知的物理定律，因為它們正被你的靈魂驅(qū)來趕去，那么就可以將靈魂看作另一種能夠?qū)αＷ邮┝Φ奈锢韺嶓w，繼而研究它遵守什么樣的物理定律。 現(xiàn)在，我們來探究另一個選項，被稱為物理主義（physicalism）：意識是能夠在特定物理系統(tǒng)中發(fā)生的過程。這引出了一個令人著迷的問題：為什么一些物質(zhì)實體有意識，另一些卻沒有？ 如果我們探討的是有意識體驗的最普遍物質(zhì)狀態(tài)，不妨稱之為“感知態(tài)”，那么它具備哪些原則上我們能在實驗室里測量的性質(zhì)？意識與物理學(xué)有著何種關(guān)聯(lián)？你大腦的一部分此刻顯然擁有這些性質(zhì)，昨夜做夢時亦是如此，但你在陷入深層睡眠時就沒有。 想象一下你曾經(jīng)吃掉的所有食物，將你自己僅僅看作是那些食物的一部分被重新組合在一起。這說明，你的意識并不僅僅取決于你吃下的原子，而是有賴于這些原子被排列成的復(fù)雜模式。如果你再想象一下由其他類型的原子組成的意識實體，比如外星人或者未來的超級智能機器人，它們的存在將表明意識是一種“涌現(xiàn)現(xiàn)象”（emergent phenomenon），其復(fù)雜行為是從很多簡單的相互作用中涌現(xiàn)出來的。懷著類似的想法，一代又一代物理學(xué)家和化學(xué)家研究了把大量原子組合起來會發(fā)生什么，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們的集體行為由其排列模式?jīng)Q定。比如說，固體、液體和氣體的關(guān)鍵區(qū)別不在于原子的類型，而在于它們的排列。蒸發(fā)或者凍結(jié)液體，不過是重新排列了原子而已。 我希望，我們最終能夠像理解其他物質(zhì)狀態(tài)一樣理解感知態(tài)。正如同液體有很多種一樣，意識也有很多種。然而，這阻止不了我們?nèi)プR別、量化、模仿和理解所有液態(tài)物質(zhì)共有的獨特性質(zhì)，意識態(tài)也應(yīng)當(dāng)如此。拿波來舉例，這種現(xiàn)象與介質(zhì)無關(guān)，因為它能夠發(fā)生在所有液體中，不管它由什么原子構(gòu)成。同意識一樣，波在某種意識上說，也是一種涌現(xiàn)現(xiàn)象：波掃過湖面時，單一的水分子僅僅是上下起伏；波的運動可以用與其構(gòu)成無關(guān)的數(shù)學(xué)公式來描述。 計算領(lǐng)域也有類似的事情。阿蘭·圖靈（Alan Turing）有過一個著名的證明：所有足夠先進的計算機都能相互模仿，因此一個視頻游戲角色在它的虛擬世界中無從知曉它的計算介質(zhì)（“計算態(tài)”）是一臺MAC還是一臺PC，也無從知曉計算硬件由什么原子構(gòu)成。重要的只是抽象信息處理過程。如果被創(chuàng)造的這個角色復(fù)雜到擁有了意識，就像電影《黑客帝國》中那樣，這種信息處理過程需要具備什么性質(zhì)才行呢？ 統(tǒng)一的整體 我很久以來一直主張，意識是在被以某種復(fù)雜方式處理時信息的感覺方式。神經(jīng)學(xué)家朱利奧·托諾尼（Giulio Tononi）把這個想法推向了具體和實用，得出了一個令人信服的論點：信息處理系統(tǒng)若要有意識，它的信息必須被整合為一個統(tǒng)一的整體。換句話說，系統(tǒng)必須不可能被分解為幾乎獨立的部分才行，否則那些部分感覺起來就會像是彼此分離的意識實體。托諾尼及其同事將這一思想融入了一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論，稱之為整合信息理論（integrated information theory，縮寫為IIT）。 IIT在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域引起了重大興趣，因為它為很多有趣的問題提供了答案。比如，為什么我們腦中的一些信息處理系統(tǒng)似乎是沒有意識的？依據(jù)將腦部測量與主觀體驗報告結(jié)合起來的大量研究，神經(jīng)學(xué)家克里斯托弗·科克（Christof Koch）等人得出結(jié)論認為，小腦沒有意識，而是一個無意識的信息處理器，幫助腦的其他部分完成特定的計算任務(wù)。 IIT對此的解釋是，小腦主要是一個“前饋”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集合，信息在其中如河水一般流淌，每個神經(jīng)元基本上只影響下游。沒有反饋，便沒有整合，也就沒有意識。這個道理也同樣適用于谷歌公司的前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它最近處理了數(shù)百萬幀YouTube視頻以確定里面是否有貓。與此形成對照的是，腦中與意識有關(guān)的系統(tǒng)都是高度整合的，所有部分都能夠互相影響。 因此，對于超級智能計算機是否會有意識這個問題，IIT給出了答案：看情況。它的信息處理系統(tǒng)中高度整合的部分將真正擁有意識。然而IIT研究表明，對很多整合系統(tǒng)來說，人們可以設(shè)計出功能等效但不會具備意識的前饋系統(tǒng)。這意味著原則上有可能存在所謂的“哲學(xué)僵尸”——也就是那些行為與人類無異，也能通過針對機器智能的圖靈測試，卻沒有任何意識體驗的系統(tǒng)。目前很多“深度學(xué)習(xí)”的人工智能系統(tǒng)，都屬于這種哲學(xué)僵尸。幸運的是，像人腦這樣的整合系統(tǒng)需要的計算資源一般遠少于等效的前饋“僵尸”系統(tǒng)，這大概可以解釋為什么整合系統(tǒng)受到了演化的青睞，從而令我們獲得了意識。 另一個被IIT給出答案的問題是：為什么我們在癲癇發(fā)作、使用鎮(zhèn)靜劑以及深度睡眠時沒有意識，快速眼動睡眠階段卻有意識？在使用鎮(zhèn)靜劑或者深度睡眠階段，盡管我們的神經(jīng)元保持著完好的狀態(tài)，但它們的互動被削弱了，以至于整合度減小，繼而令我們失去了意識。癲癇發(fā)作時，互動又變得太強，以至于大量的神經(jīng)元開始互相模仿，失去了貢獻出獨立信息的能力，而根據(jù)IIT，這恰恰是意識的另一個關(guān)鍵條件。這就像是一臺計算機的硬盤上，所有編碼信息的比特位被迫全部為1或者全部為0，造成這塊硬盤僅僅儲存了1比特的信息。托諾尼和阿登納·卡薩里（Adenauer Casali）、馬塞洛·馬西米尼（Marcello Massimini）等人合作，最近用實驗方法驗證了這些想法。他們發(fā)明了一種“意識指數(shù)”，利用腦電圖監(jiān)測人腦在接受磁力刺激后的電活動，通過這種方式來測量這一指數(shù)，并利用它成功預(yù)測被測者是否有意識。 為什么我們感知到的體驗會是現(xiàn)在這個樣子，而不是反過來？圖片來源：《新科學(xué)家》 探測設(shè)備 清醒和做夢的人具有相對較高的意識指數(shù)，而被麻醉或者處于深度睡眠階段的人指數(shù)要低得多。意識指數(shù)甚至成功地將兩名閉鎖綜合征患者判定為有意識，他們清醒且有感知，但因麻痹而無法說話或者活動。這表明，這項技術(shù)很有潛力幫助醫(yī)生判斷無反應(yīng)的病患是否還有意識。 盡管取得了這些成功，IIT還是留下了許多有待解答的問題。如果要將我們的意識探測能力延伸到動物、計算機和任意的物理系統(tǒng)，我們便需要將它的原理植根于基礎(chǔ)物理學(xué)。IIT以比特為單位來測量信息，并以此作為起點。但是當(dāng)我用物理學(xué)家的眼光將腦或者計算機看成無數(shù)運動的粒子，系統(tǒng)的哪些物理性質(zhì)應(yīng)當(dāng)被解讀為信息的邏輯比特數(shù)呢？被我解讀為“比特”的，既有我的電腦里某些電子的位置（決定微電容是否被充電），也有你的腦中某些鈉離子的位置（決定一個神經(jīng)元是否被激活），但這種解讀基于何種原理？難道不應(yīng)當(dāng)有種方法僅僅根據(jù)粒子運動就能識別意識，而不需要經(jīng)過這種信息解讀嗎？如果有的話，粒子行為的哪些特性對應(yīng)著有意識的整合信息呢？ 在任意一群運動的粒子中識別意識，與一個更簡單的問題類似，也就是在這種系統(tǒng)中識別物體。舉例來說，你在飲用冰水的時候，會把杯子里的冰塊看作一個單獨的物體，因為它各部分之間的相互連接要強于它與環(huán)境之間的連接。換句話說，冰塊相當(dāng)?shù)卣匣c杯中的液體相比也相當(dāng)?shù)鬲毩�。同樣的話，我們也可以對�?gòu)成冰塊的成份來說，從水分子到原子，再到質(zhì)子、中子、電子和夸克。將目光拉遠，我們也可以用類似的方式來理解宏觀世界，將它看成是高度整合又相對獨立的一級級物體組成的動態(tài)體系，從行星到太陽系再到整個星系。 這種將成團的粒子認作為物理的方式，其實反映出了它們是如何結(jié)合在一起的。如果要量化的話，可以用分開這些粒子所需的能量來衡量。不過，我們也可以從信息的角度來解釋：只要你知道發(fā)動機活塞里一個原子的位置，你便獲得了活塞中所有其他原子的位置信息，因為它們是作為一個單一物體共同運動的。無生命與有意識的物體的關(guān)鍵區(qū)別就在于，對后者來說，整合度太高是一件壞事：活塞原子的行為差不多就像是癲癇發(fā)作時的神經(jīng)元，盲目地相互追隨，因而系統(tǒng)中只能存在極少的獨立信息。所以說，有意識的系統(tǒng)必須在整合度太低（比如原子運動相對獨立的液體）和整合度太高（比如固體）之間找到平衡。這表明，意識是在較無序和較有序兩種狀態(tài)之間的相變點附近達到最大化。事實上，只有在腦的關(guān)鍵物理參數(shù)被維持在一個很小的范圍內(nèi)時，人才不會失去意識。 使用糾錯代碼，可以達成信息與整合之間的優(yōu)雅平衡。所謂的糾錯代碼，是一類儲存信息比特位的方法，這些信息彼此知曉，因而可以通過部分比特位恢復(fù)所有的信息。這些方法被廣泛應(yīng)用于通訊領(lǐng)域，以及無所不在的二維碼——你的智能手機能從這些個性鮮明的黑白方塊圖案中讀出網(wǎng)絡(luò)地址。既然糾錯已經(jīng)在技術(shù)領(lǐng)域被證明是非常有用的，在我們的腦中尋找糾錯碼應(yīng)該會很有意思——說不定演化已經(jīng)獨立發(fā)現(xiàn)了糾錯的功效，而我們的意識或許只是由此帶來的副作用而已。 我們知道腦具有一定的糾錯功能，因為僅憑不太準(zhǔn)確的片言只語，你就能回憶起一首歌完整準(zhǔn)確的歌詞。生物物理學(xué)家約翰·霍普菲爾德（John Hopfield）因為提出腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型而成名，他證明以自己的名字命名的這一模型恰恰具備了這種糾錯能力。然而，如果我們腦中的幾千億神經(jīng)元確實構(gòu)成了一個霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)，計算表明它只能支持37比特的整合信息——相當(dāng)于幾個詞語。這就提出了一個問題：為什么我們的意識體驗的信息容量似乎遠大于37比特。如果我們把腦中運動的粒子看作量子力學(xué)系統(tǒng)，謎團就更加深重了。正如我在2014年1月論證的那樣，這會讓腦的最大整合信息量從37比特降到大約0.25比特，而且擴大系統(tǒng)并無助益（參見arxiv.org/abs/1401.1219）。 追加另一條物理系統(tǒng)必須遵循才能夠擁有意識的原則，便可以回避這個問題。目前為止我已經(jīng)列出了3條原則：信息原則（系統(tǒng)必須具備充足的信息存儲能力）、獨立原則（系統(tǒng)必須實質(zhì)上獨立于世界的其他部分）和整合原則（系統(tǒng)不可以由接近獨立的部分組成）。如果我們追加一條動態(tài)原則，便可以繞過前述0.25比特問題：有意識的系統(tǒng)必須擁有充沛的信息處理能力，而被整合的必須是這種處理過程而非靜態(tài)信息。比方說，分立的兩臺計算機或者兩顆大腦無法形成一個單一的意識。 這些原則應(yīng)當(dāng)是意識的必要而非充分條件，就好像低可壓縮性是液體的必要而非充分條件。正如我在《我們的數(shù)學(xué)宇宙》（Out Mathematical Universe）一書中探討過的，這為將意識和IIT立足于基礎(chǔ)物理學(xué)帶來了很有希望的前景，盡管還有很多研究工作有待開展，而且能否成功還不好說。 如果這種努力確實成功，其重要性將不光體現(xiàn)在神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)，還會體現(xiàn)在基礎(chǔ)物理學(xué)。在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域，一些最令我們?nèi)缱槡值膯栴}反映出我們并不知道該如何對待意識。在愛因斯坦的廣義相對論中，我們將“觀察者”定義為沒有實體和質(zhì)量的虛構(gòu)實體，對觀察對象沒有任何影響。與此相對的是，量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)解讀聲稱，觀察者確實會影響到觀察對象。然而，經(jīng)過了一個世紀(jì)的激烈爭論，到底該如何看待量子觀察者，仍然眾說紛紜。最近一些論文主張，觀察者是理解其他基礎(chǔ)物理謎題的關(guān)鍵，比如為什么我們的宇宙看起來那么有序；為什么時間仿佛只中意一個方向；甚至還有為什么時間看起來在流逝。 如果我們能夠弄清楚如何在任意物理系統(tǒng)中識別出有意識的觀察者，并且計算出它們怎樣感知世界，也許便能夠回答這些讓人頭大的難題。 本文作者Max Tegmark為美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授，他在新書《我們的數(shù)學(xué)宇宙》中探索了意識的物理學(xué)基礎(chǔ)。 編譯自：《新科學(xué)家》，Solid, Liquid, Consciousness 美億美生物轉(zhuǎn)載果殼 |
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