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你的意識(shí)到底來自哪里?

來源:程序員人生   發(fā)布時(shí)間:2014-09-22 08:00:00 閱讀次數(shù):4475次


人為什么會(huì)有意識(shí)?意識(shí)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(rèn)為,或許跟氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)一樣,意識(shí)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(huì)有意識(shí)?確切地說,你為什么會(huì)有閱讀這些文字、看到顏色以及聽到聲音的主觀體驗(yàn),而你周圍那些無生命的物體想來不會(huì)有任何主觀體驗(yàn)?

  不同的人所說的“意識(shí)”含義也不盡相同,包括對(duì)環(huán)境或者自身的感知。我所問的是一個(gè)更基本的問題:你為什么會(huì)有所體驗(yàn)?這也是哲學(xué)家大衛(wèi)·查莫斯(David Chalmers)提出的關(guān)于意識(shí)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(shí)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。科學(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(gè)夸克和電子組成的,而據(jù)我們所知,它們的運(yùn)動(dòng)都遵循簡(jiǎn)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(duì)你的粒子就毫無影響,因此你的意識(shí)及其控制運(yùn)動(dòng)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?yàn)樗鼈冋荒愕撵`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?shí)體,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(gè)選項(xiàng),被稱為物理主義(physicalism):意識(shí)是能夠在特定物理系統(tǒng)中發(fā)生的過程。這引出了一個(gè)令人著迷的問題:為什么一些物質(zhì)實(shí)體有意識(shí),另一些卻沒有?

  如果我們探討的是有意識(shí)體驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室里測(cè)量的性質(zhì)?意識(shí)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(mèng)時(shí)亦是如此,但你在陷入深層睡眠時(shí)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(shí)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(shí)實(shí)體,比如外星人或者未來的超級(jí)智能機(jī)器人,它們的存在將表明意識(shí)是一種“涌現(xiàn)現(xiàn)象”(emergent phenomenon),其復(fù)雜行為是從很多簡(jiǎn)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(huì)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(shí)也有很多種。然而,這阻止不了我們?nèi)プR(shí)別、量化、模仿和理解所有液態(tài)物質(zhì)共有的獨(dú)特性質(zhì),意識(shí)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?yàn)樗軌虬l(fā)生在所有液體中,不管它由什么原子構(gòu)成。同意識(shí)一樣,波在某種意識(shí)上說,也是一種涌現(xiàn)現(xiàn)象:波掃過湖面時(shí),單一的水分子僅僅是上下起伏;波的運(yùn)動(dòng)可以用與其構(gòu)成無關(guān)的數(shù)學(xué)公式來描述。

  計(jì)算領(lǐng)域也有類似的事情。阿蘭·圖靈(Alan Turing)有過一個(gè)著名的證明:所有足夠先進(jìn)的計(jì)算機(jī)都能相互模仿,因此一個(gè)視頻游戲角色在它的虛擬世界中無從知曉它的計(jì)算介質(zhì)(“計(jì)算態(tài)”)是一臺(tái) MAC 還是一臺(tái) PC,也無從知曉計(jì)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(gè)角色復(fù)雜到擁有了意識(shí),就像電影《黑客帝國(guó)》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(shí)是在被以某種復(fù)雜方式處理時(shí)信息的感覺方式。神經(jīng)學(xué)家朱利奧·托諾尼(Giulio Tononi)把這個(gè)想法推向了具體和實(shí)用,得出了一個(gè)令人信服的論點(diǎn):信息處理系統(tǒng)若要有意識(shí),它的信息必須被整合為一個(gè)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(dú)立的部分才行,否則那些部分感覺起來就會(huì)像是彼此分離的意識(shí)實(shí)體。托諾尼及其同事將這一思想融入了一個(gè)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?yàn)樗鼮楹芏嘤腥さ膯栴}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(shí)的?依據(jù)將腦部測(cè)量與主觀體驗(yàn)報(bào)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(rèn)為,小腦沒有意識(shí),而是一個(gè)無意識(shí)的信息處理器,幫助腦的其他部分完成特定的計(jì)算任務(wù)。

  IIT 對(duì)此的解釋是,小腦主要是一個(gè)“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(gè)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(shí)。這個(gè)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(duì)照的是,腦中與意識(shí)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(duì)于超級(jí)智能計(jì)算機(jī)是否會(huì)有意識(shí)這個(gè)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(shí)。然而 IIT 研究表明,對(duì)很多整合系統(tǒng)來說,人們可以設(shè)計(jì)出功能等效但不會(huì)具備意識(shí)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(duì)機(jī)器智能的圖靈測(cè)試,卻沒有任何意識(shí)體驗(yàn)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(yùn)的是,像人腦這樣的整合系統(tǒng)需要的計(jì)算資源一般遠(yuǎn)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(shí)。

  另一個(gè)被 IIT 給出答案的問題是:為什么我們?cè)诎d癇發(fā)作、使用鎮(zhèn)靜劑以及深度睡眠時(shí)沒有意識(shí),快速眼動(dòng)睡眠階段卻有意識(shí)?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(dòng)被削弱了,以至于整合度減小,繼而令我們失去了意識(shí)。癲癇發(fā)作時(shí),互動(dòng)又變得太強(qiáng),以至于大量的神經(jīng)元開始互相模仿,失去了貢獻(xiàn)出獨(dú)立信息的能力,而根據(jù) IIT,這恰恰是意識(shí)的另一個(gè)關(guān)鍵條件。這就像是一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了這些想法。他們發(fā)明了一種“意識(shí)指數(shù)”,利用腦電圖監(jiān)測(cè)人腦在接受磁力刺激后的電活動(dòng),通過這種方式來測(cè)量這一指數(shù),并利用它成功預(yù)測(cè)被測(cè)者是否有意識(shí)。


為什么我們感知到的體驗(yàn)會(huì)是現(xiàn)在這個(gè)樣子,而不是反過來?圖片來源:《新科學(xué)家》

  探測(cè)設(shè)備

  清醒和做夢(mèng)的人具有相對(duì)較高的意識(shí)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(shí)指數(shù)甚至成功地將兩名閉鎖綜合癥患者判定為有意識(shí),他們清醒且有感知,但因麻痹而無法說話或者活動(dòng)。這表明,這項(xiàng)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(shí)。

  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(shí)探測(cè)能力延伸到動(dòng)物、計(jì)算機(jī)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(cè)量信息,并以此作為起點(diǎn)。但是當(dāng)我用物理學(xué)家的眼光將腦或者計(jì)算機(jī)看成無數(shù)運(yùn)動(dòng)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?cái)?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(gè)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(yùn)動(dòng)就能識(shí)別意識(shí),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(duì)應(yīng)著有意識(shí)的整合信息呢?

  在任意一群運(yùn)動(dòng)的粒子中識(shí)別意識(shí),與一個(gè)更簡(jiǎn)單的問題類似,也就是在這種系統(tǒng)中識(shí)別物體。舉例來說,你在飲用冰水的時(shí)候,會(huì)把杯子里的冰塊看作一個(gè)單獨(dú)的物體,因?yàn)樗鞑糠种g的相互連接要強(qiáng)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?dú)立。同樣的話,我們也可以對(duì)構(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(yuǎn),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(duì)獨(dú)立的一級(jí)級(jí)物體組成的動(dòng)態(tài)體系,從行星到太陽系再到整個(gè)星系。

  這種將成團(tuán)的粒子認(rèn)作為物理的方式,其實(shí)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(dòng)機(jī)活塞里一個(gè)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?yàn)樗鼈兪亲鳛橐粋€(gè)單一物體共同運(yùn)動(dòng)的。無生命與有意識(shí)的物體的關(guān)鍵區(qū)別就在于,對(duì)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(shí)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(dú)立信息。所以說,有意識(shí)的系統(tǒng)必須在整合度太低(比如原子運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)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(shí)是在較無序和較有序兩種狀態(tài)之間的相變點(diǎn)附近達(dá)到最大化。事實(shí)上,只有在腦的關(guān)鍵物理參數(shù)被維持在一個(gè)很小的范圍內(nèi)時(shí),人才不會(huì)失去意識(shí)。

  使用糾錯(cuò)代碼,可以達(dá)成信息與整合之間的優(yōu)雅平衡。所謂的糾錯(cuò)代碼,是一類儲(chǔ)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(jī)能從這些個(gè)性鮮明的黑白方塊圖案中讀出網(wǎng)絡(luò)地址。既然糾錯(cuò)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(cuò)碼應(yīng)該會(huì)很有意思——說不定演化已經(jīng)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了糾錯(cuò)的功效,而我們的意識(shí)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(cuò)功能,因?yàn)閮H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?yàn)樘岢瞿X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(cuò)能力。然而,如果我們腦中的幾千億神經(jīng)元確實(shí)構(gòu)成了一個(gè)霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò),計(jì)算表明它只能支持 37 比特的整合信息——相當(dāng)于幾個(gè)詞語。這就提出了一個(gè)問題:為什么我們的意識(shí)體驗(yàn)的信息容量似乎遠(yuǎn)大于 37 比特。如果我們把腦中運(yùn)動(dòng)的粒子看作量子力學(xué)系統(tǒng),謎團(tuán)就更加深重了。正如我在 2014 年 1 月論證的那樣,這會(huì)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(kuò)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(shí)的原則,便可以回避這個(gè)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(chǔ)能力)、獨(dú)立原則(系統(tǒng)必須實(shí)質(zhì)上獨(dú)立于世界的其他部分)和整合原則(系統(tǒng)不可以由接近獨(dú)立的部分組成)。如果我們追加一條動(dòng)態(tài)原則,便可以繞過前述 0.25 比特問題:有意識(shí)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(tái)計(jì)算機(jī)或者兩顆大腦無法形成一個(gè)單一的意識(shí)。

  這些原則應(yīng)當(dāng)是意識(shí)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(shí)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(shí)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(huì)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(duì)待意識(shí)。在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中,我們將“觀察者”定義為沒有實(shí)體和質(zhì)量的虛構(gòu)實(shí)體,對(duì)觀察對(duì)象沒有任何影響。與此相對(duì)的是,量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)解讀聲稱,觀察者確實(shí)會(huì)影響到觀察對(duì)象。然而,經(jīng)過了一個(gè)世紀(jì)的激烈爭(zhēng)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(shí)間仿佛只中意一個(gè)方向;甚至還有為什么時(shí)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(shí)別出有意識(shí)的觀察者,并且計(jì)算出它們?cè)鯓痈兄澜纾苍S便能夠回答這些讓人頭大的難題。

  本文作者 Max Tegmark 為美國(guó)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(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)。

  編譯自:《新科學(xué)家》,Solid, Liquid, Consciousness

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