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用物理和数学理论来破译人类意识,驳斥传统哲学对“意识”的解读

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老胡说科学 2021-06-14 18:30
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1805年,瑞士工程师亨利·梅拉德特设(Henry Maillardet )计了一台能画四幅画、写四首诗的机器人!梅拉德特设的发明后来成为科学家们质疑“意识的固体本质”的典型事例。

快进到今天,现代版本的自动驾驶汽车、无人机和机器人正在慢慢融入我们的生活。这些复杂的机器配备了高度敏感的传感器,使它们能够看到、与环境互动并作出反应。有些人甚至可以基于机器学习做出决定。而另一些,比如类人性机器人,可以理解人类的情感并提供适当的反应。这个现实提出了一个复杂的问题——这些机器有意识吗?

如果有的话,这是否意味着我们可以对我们的意识进行逆向工程,用一套数学或物理定律来定义它?如果我们选择这样来检验意识,一个非常有趣的假设就会产生。这一假设是以还原论( The theory of reductionism)为基础的。

还原论是一种理论,认为每一个复杂的现象,特别是在生物学或心理学中,都可以通过分析在现象中运行的最简单、最基本的物理机制来解释。

假设:人类是复杂版本的机器人

我们人类离机器并不远。我们是自动驾驶、能做出决策的机器的复杂版本。就像这些机器一样,关于我们的一切最终都归结为物理。我们只是一些基本的、不变的物理法则和规则的结果,这些法则和规则决定了我们的行为。因此,任何感知意识都是基础物理的结果,就像机器人是移动齿轮和杠杆的结果一样。

根据还原论,系统组成部分的性质决定了系统作为一个整体是如何工作的。许多学者都会同意还原论是哲学的产物,而不是科学的产物。两者之间的差别很小。

哲学是非常灵活的,而科学是建立在明确的基本原则之上的,保持不变,并且可以被全面复制。哲学因观察者的视角而异。此外,随着时间的推移,新的观点出现,改变了哲学赖以存在的碎片。

那么,科学和哲学之间的界限到底在哪里呢?

两者应该融合在一起,共存。但在我们的意识问题上,我们处在语言专家所说的“进退两难”的境地。

意识难题

纽约大学著名的哲学和神经科学教授大卫·查默斯对意识问题颇有研究。在他的著作《意识的特征》(The Character of Consciousness)中,他在第一章《直面意识的问题》(Facing to The Problem of Consciousness)中写道:“意识是心智科学中最令人困惑的问题之一。没有什么比意识经验更让我们熟悉的了,但也没有什么更难解释的了。”

查默斯在物质问题上的立场粉碎了哲学家和科学家们普遍持有的观念,即“意识理论”仅仅是一个有待发现的真理,或一个尚未解决的系统。查默斯继续将他的解释分为两大类,“简单问题”和“困难问题”。

简单的问题

物理、化学、生理学等科学领域,可以通过推理和科学方法解决的问题是一个简单的问题。这并不是说它已经得到解决,甚至也不是说它将得到解决。相反,我们有理由相信这些方法——那些构成我们目前对解释性科学的理解的方法——在解决这个问题时是适用的。

这些现象并不是很容易解决,而是作为一个群体很容易理解,因为它们遵守常规规则。

困难的问题

困难的问题是简单问题的对立面。解剖它们以适应现有的科学教条几乎是不可能的。

意识本身是一种个性化的体验,如此独特,没有两个人可以以相同的方式体验任何事情。意识的各个方面包括对注意力和行为的控制,进入其内部状态的能力,以及对环境刺激的辨别、分类和反应的能力。

更困难的是,我们知道“意识体验”是什么,但我们不知道如何定义它。

量子物理与意识难题

量子力学是我们在原子和亚原子粒子的具体层面上描述世界的最好理论。在我们深入研究量子物理学之前,我觉得找到一个关于意识的假定定义是很重要的,这是为了了解我们所面对的是什么。

我们可以模糊地把意识定义为:

体验世界的感觉,而不是仅仅通过输入和输出与之互动。

从这个定义来看,我们可以认为每个交互都始于一个输入:我们听到的,看到的,闻到的,触摸到的等等。为了让我们体验这些输入,刺激必须被转换成电信号或化学信号,然后传送到我们的大脑。

不知怎的,这些化学和电子信号的运动到我们的神经中枢创造了一种体验,比如听音乐,品尝你最喜欢的食物,或闻闻玫瑰——这就是意识。

这个论点提出了量子物理学探索意识的基础。

著名的英国物理学家、数学家、诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯爵士提出了迄今为止最流行的理论之一。协调客观还原理论( theory of orchestrated objective reduction )从我们神经网络复杂的超结构中探索意识。

在神经元结构的深处,我们发现了促进神经递质传递的微管。微管是由微管蛋白质组成的。这些蛋白质可以在两种磷酸化状态之间切换。彭罗斯假设它们可以以叠加态存在。如果这是真的,那么每个微管蛋白分子都可以充当一个量子位元。

彭罗斯接着论证说,意识是微管蛋白叠加状态崩溃的结果。这些微管可能是负责存储的计算设备。由于量子崩溃是不可预测的,大脑中的量子力学效应可能是量子自由意志的根源。

挑战协调客观还原理论

罗杰·彭罗斯无疑是当代最伟大的物理学家之一。但他的专业和学术地位并不妨碍他的理论受到评论和批评。

值得注意的是,麻省理工学院物理学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)做了详细的分析,并得出结论,大脑“太湿太热”,不适合微妙的量子效应。

这是什么意思?

叠加很难维持。它需要隔离,这样系统就不会与其他原子或任何其他经典材料(如大脑结构中的流体)相互作用。

在量子力学的语言中,量子系统将与其环境纠缠在一起,并经历退相干,从而不再保持叠加状态。

量子退相干是指一个系统的行为从量子力学可以解释的向经典力学可以解释的转变的过程。

泰格马克(Tegmark)用数学方法证明,微管中的任何叠加态都会在10^(-13秒)内消失。这比任何大脑过程发生的速度快10倍以上,因为时间太短,与神经生理学不相关。

  • 泰格马克的论文

根据泰格马克的分析,加州大学的物理学家马修·费希尔(Matthew Fisher)教授用数学方法表明,维持基于神经元放电频率的叠加所需的温度大约是10^7开尔文,这比大约310开尔文的体温要高。

然而,费希尔教授发现了一个可能支持精心安排的客观还原理论的漏洞。他提出了另一种可以维持量子叠加的理论。

有些原子具有所谓的核自旋。核自旋就像小磁铁,磁极指向一个方向。某些化学反应可以产生很薄的相关核,其中一个核的自旋依赖于另一个核。

由于原子核在原子中心更孤立,量子关联或纠缠可以维持很长一段时间。费希尔认为大脑中的磷是核自旋相关的理想候选物。磷酸离子可以长期存储量子信息。磷酸离子的退相干时间约为1秒。这段时间足以对大脑进程产生影响。

量子信息影响神经元的放电,根据费希尔的说法,它可能是量子认知的基础。

此外,大脑中的磷以ATP分子的形式存在,ATP分子包含三个磷酸基。如果磷酸盐离子被合并到一种叫做波斯纳分子(Posner Molecules)的分子中,那么核自旋的量子行为将受到保护而不受退相干的影响。

波斯纳分子是磷酸钙结构,分子式为Ca9(PO4)6。波斯纳分子为六种核自旋提供了一个理想的环境来获得很长的自旋相干时间。

越来越多的证据表明波斯纳分子可以存在于活细胞中,这可能是量子力学影响意识的一种方式。这一点也有待证实。

研究意识是必要的

从科学的角度来看,我们离解开意识之谜还很远。大多数科学家认为,研究如此私人的东西是不可行的,但这是必要的。到目前为止,还没有人知道大脑是如何产生意识的。尽管如此,人们为探索这一现象所做的努力还是令人印象深刻。

无论如何,我和其他一些人一样,急切地等待着看事情的发展。我们可以肯定的是,不久之后,科学将努力揭开人类意识的奥秘,尽管困难重重。

目前,科学家们正在开展量子大脑计划,旨在将自由意志建立为一种非确定性的量子过程,摆脱传统哲学认为自由意志只是一种幻觉的观点。

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