心靈時間的數學原理

最新 08-31

心靈哲學PHILOSOPHY OF MIND

意識的絕技是設想各種可能的未來中的行動與時間。

Reno Nogaj

KARL FRISTONAEON

我要坦白。作為一名物理學家兼精神病學家，我發現我很難跟人討論有關意識的問題。最讓我看不慣的是，哲學家和認知科學家在提出那些問題時，總是把心靈看做一個物體，可以由它具有的屬性和它實現的目的來確證它的存在。

但在物理學領域，認為物體是任何傳統意義上的「存在」都是不謹慎的。這背後其實有更深層的問題：怎樣的過程讓我們認為（或者誤認為）一物存在？例如，牛頓在解釋物質世界時，論述的是有質量的物體如何對力做出反應。而在量子物理學產生之後，人們發現，測量的本質及意義才是根本問題，因為質量和力的概念都依賴於它。但這一問題至今沒有定論。

這些問題迫使我把意識當做一種有待理解的過程，而不是一個有待定義的物體。簡而言之，我認為意識僅僅是一種自然過程，與進化或天氣一樣。為了更好地說明「意識是一種過程」，我很喜歡這麼做：把一個問題中的「意識」一詞替換成「進化」，然後看看它還能不能成立。比方說，把「為什麼要有意識？」這個問題換成「為什麼要有進化？」按照科學的說法，進化當然沒有任何目的。進化沒有任何功能，也沒有任何理由；它是一個演變的過程，只能依其自身而被理解。既然我們都是進化的產物，意識和自我同樣能夠作這種『是一種自然過程』的理解。

我對意識的觀點與哲學家丹尼爾·丹尼特（Daniel Dennett）的觀點相似。丹尼特整個學術生涯都在探尋心靈的本源。他很在意這個問題：無意識的、純粹的「起因」（A導致B）如何演變為我們所了解的有意識的「理由」（A發生，所以B能發生）。丹尼特的結論被他稱為「達爾文的危險思想」：可以存在沒有設計者的設計、不源於理解的能力、和無人提出就自己產生的理由（或者說「無根基的根據」）。一個甲蟲種群如果超越了另一個甲蟲種群，我們一定能從中找出某種「理由」來。比如一個有利的變異增強它們的隱蔽色。在《從細菌到巴赫：心智的進化》（From Bacteria to Bach and Back）中，丹尼特寫道，「自然選擇是一個自動尋找理由的機制，在跨越很多個世代的時間內『發現』各種理由、『選用』一些理由並『專註』於發展它們。我之所以打引號，是要提醒人們：自然選擇不是一個有意識的過程，它本身也沒有理由，但它卻能勝任完善設計的『任務』。」

哲學

《從細菌到巴赫：心智的進化》——意識揭秘？

Steven Rose

我希望能讓各位讀者明白，大自然本身不需要任何理由，就能產生出理由來。我接下來想說的是，事情不是因為某種理由而存在，但某些過程確實相當於在找理由。我說「找理由」，是指通過推理或溯因找到解釋，也就是為觀察到的現象尋找潛在的原因、規律或原理。

用「推理」的視角來理解「過程」，我們就能優雅地解釋心靈為何存在，不過這個解釋可能會讓「心靈」的內涵貶值。推理的過程近乎萬物至理，可以解釋進化、意識乃至生命本身。推理的過程，就是一路溯因到底。我們呱呱墜地時，已經是一個正在運行的過程了；而任何過程都只能根據極少量的信息來推斷外部的世界，前提是那些信息還必須選對了。這一觀點消解了心靈和物質、自我與世界、表徵主義（我們如實把握現實）與湧現論（我們在溯因推理中接觸世界，在此過程中湧現出現實）這幾組常見矛盾。那麼，推理是如何先於推理者而存在的呢？最終產生了意識的那個過程，是如何被無生命的物質開啟的呢？

首先我們需要明確關於過程的一些基本規則，然後我再逐漸闡明。我們只關心構成複雜系統的過程。這些複雜系統，整體大於各組成部分之和。為了方便各位理解，不妨對比一下此類過程的相反面：如果你在打靶，物理學家能根據子彈離開槍膛時的角度和動量來確定子彈在靶子上的落點。這是因為射擊過程是一個近乎線性的系統。射擊過程的各組成部分之間的相互作用，單向決定著射擊過程整體的行為。相比之下，你卻不能確定一個圍繞原子運動的電子具體在什麼位置，也不能確定紐約明年會不會受到颶風侵襲。這是因為颶風、原子、以及一切自然過程，都不完全由其初始條件所決定，因為系統整體的行為會反過來影響其組成部分之間的相互作用。因此我們稱其為複雜系統。

物理學家們認為，複雜系統可以通過其狀態來表徵；狀態由一些變數和取值範圍來表述。比如說，在量子系統中，一個粒子的狀態可由包含了其位置、動量、能量和自旋的波函數來描述。而對於宏觀系統，例如我們自己，我們的狀態包括身體各部分的位置和動作、大腦的電化學狀態、器官的生理活動，等等。系統的狀態對應於它在可能狀態空間中的坐標，每一個變數形成該空間的一個坐標軸。

一切都應該隨著時間的推進，變得更加隨機、更加分散、更加混亂。為什麼沒有變成那樣呢？

事物在狀態空間中運動的方式取決於它的李雅普諾夫函數（Lyapunov function）。該數學量能夠描述一個系統在具體條件之下有怎樣的行為。它表達的是有多大概率作為某個具體狀態的函數處於那種狀態（即：系統在狀態空間中坐標的函數。可以類比氣壓——氣壓是空氣分子被測量時的密度的函數）。如果我們知道系統每一個狀態的李雅普諾夫函數，我們就能得出從一個狀態到下一個狀態的流（flow），並通過這個流來表徵整個系統的存在。這就好比知道山地每一點的高度，以此推知一條小溪如何流過這一地形的表面。李雅普諾夫函數就好比那座山的地形，而系統隨著時間的發展過程就好比水的流動方式。

複雜系統的一個重要特點是，它們似乎根據各自的李雅普諾夫函數向更加可能的狀態演變。也就是說，函數的輸出值越來越小。這意味著，複雜系統通常只佔據很少量的狀態，並且那幾種狀態被反覆佔據。如果接著用山與溪流的比喻來解釋，就是水向下匯入大海之後，會蒸發、形成雨雲並最終通過降水返回山上。你也可以用自己的身體作為例子：你的體溫總是維持在恆定範圍內，你的心臟有規律地跳動，你有規律地吸氣、呼氣，而且你大概還遵循某種每日或每周的時間安排。

此類周而復始的自組織行為與宇宙通常的行為間有著強烈反差。一切都應該隨著時間的推進，變得更加隨機、更加分散、更加混亂。這是熱力學第二定律——一切都趨向於混亂，而熵通常會增加。為什麼沒有變成那樣呢？

複雜系統能夠自組織，是因為它們有吸引子（attractors）。吸引子是那些能夠相互加強的狀態形成的一種循環：它會使過程達到穩定點，但這不是通過損耗能量而最終停止運動，而是會達到動態平衡。穩態就是一個最直觀的例子。如果你被猛獸嚇到了，你的心率和呼吸頻率都會加快，但你會（在「戰或逃」反應之後）自動做出一些反應，讓你的心血管系統恢復平靜。每當偏離了吸引子，就會引發思想、感情和行動的「流」，最終將你拽回你所熟悉的吸引循環。就人類而言，我們身體和大腦的一切興奮狀態都可以被理解為是在靠近吸引子，也就是靠近我們最可能的狀態。

這樣來看，人類不過是「奇怪的循環」（哲學家侯世達（Douglas Hofstadter）的說法）。我們都在一個巨大的、高維的、由多種可能性組成的狀態空間中流動，但我們的吸引子迫使我們在閉合圓圈內運動。我們就像一片秋葉；在湍急的溪流旋渦中打轉，畫出一個永無止境的軌跡，並把那個小小的軌跡當成整個世界。把我們自己描述為這種調皮的循環，從目的論的角度似乎沒有多大意義。但它對於理解任何具有吸引狀態的複雜系統（比如你、我），有著深遠影響。

每當遇到新的體驗，你的生理系統都會進行推理，試圖將正在發生的事情套入某種熟悉的模型。

小結：只有當複雜系統（包括我們自己）的李雅普諾夫函數能夠精確描述其過程時，複雜系統才能存在。並且，如果我們要存在，我們的全部過程，我們的全部思維和行為，都必須降低李雅普諾夫函數的輸出值，讓我們進入更加可能的狀態。那麼在實際操作中，這是怎麼樣的呢？（了解這一點的）秘訣在於理解李雅普諾夫函數的本質。如果我們能理解它，我們就能知道是什麼在驅動我們了。

事實上，李雅普諾夫函數有兩種很有啟發性的表述。第一種表述源自資訊理論。按照這種表述，李雅普諾夫函數就是意外度（surprise），也就是處於某一具體狀態的不可能程度。第二種表述源自統計學。按照這種表述，李雅普諾夫函數就是（負）證據（evidence)，即邊際似然（marginal likelihood），也就是對某一狀態給出正確解釋或模型的概率。簡而言之，這意味著如果我們要存在，我們必須要增加自己模型的證據（或者增加它不證自明的程度），同時最小化我們的意外度。有了這兩種表述，我們就能為「存在性動力學」賦予意義和目的論了。

我們現在可以探討「推理」的問題了。推理的過程，也就是找到最合適的原理或者假設，來解釋「世界」這個系統中的現象。嚴格意義上來說，推理意味著為解釋世界的模型找到儘可能多的證據。由於我們總要讓證據儘可能多，我們實際上就相當於用自己作為模型，來對世界做出推理。因此，每當你有了新的經歷時，你就會作出某種推理，來把這種經歷套入某種熟悉的模式，或是調整你的內在狀態從而使這一新情況也被考慮在內。與此相同的是，當一名統計學家在考慮要不要引入新的規律來解釋某場疫情的傳播，或是衡量自己需不需要因為某家銀行的倒閉而修改自己的經濟模型時，她也是在經歷這樣的過程。

這就是為什麼吸引子至關重要。吸引狀態的意外度低、證據多。因此，複雜系統總是進入熟悉而可靠的循環——只有這樣的過程才能維持它們賴以存在的先決條件。吸引子會促使系統進入可預測的狀態，從而強化系統為自己所處的世界建立的模型。如果這樣一個總在降低意外度的不證自明的推理行為失敗了，系統就會衰變，進入令人意外的陌生狀態，直至形神俱滅。過程通過推理來為自己的存在「招魂」，便產生了吸引子。換句話說，吸引子就是生命之源。

如果你能夠接受上面的解釋，你就擁有了一個關於一切複雜系統（包括生命體）的極限收縮論。任何一個反覆佔據特定狀態的過程（包括你我），只要存在，就一定在進行某種推理。

但真的是這樣嗎？怎麼可能把進化或者自然選擇的過程理解為推理呢？難道真的可以？事實上，這種解釋真的就是理論神經生物學給出的最新解釋。例如，自然以生存和繁殖能力來「選擇」生物體，就是基於推理。以一個螃蟹種群為例，並以即個體的表現型為「狀態」：這群螃蟹可以有大小不一的鉗子、或軟或硬的殼；有些螃蟹的眼睛在水下看得更清楚，有些螃蟹的眼睛在水面以上看得更清楚。有眾多的表現型，就相當於假設了眾多的可行性方案。群體中的每一個個體都是這樣一個假設或者模型，該模型可用來推測（具備哪些表現型的）個體適合佔據這個生態位，以及（具備哪些表現型的）個體必須在環境壓力下為了生存而競爭。

由於進化也是一個複雜系統，它就也必須是不證自明的。也就是說，進化總是會「選擇」那些越來越有可能站穩各自生態位的生物體。大鉗子有利於螃蟹捕食，因此該性狀很有可能會流傳；堅硬的殼能幫助螃蟹抵禦捕食者；水下視覺能讓螃蟹在食物最充足的地方更容易找到食物。於是，適應性就等價於能在某一環境中找到某一表現型的邊際似然（marginal likelihood）。換句話說，它的生存完全等價於能作為其生態位優良模型的證據。

一個病毒具有推理過程所需的全部的自組織的動力學性質；但它不具有一個人具有的性質。

把這種思維方式應用到意識的問題時，我們可以得出結論：意識也應當是一種推理過程。意識的過程就是推理知覺狀態起因的過程，並以此在世界上生存，迴避意外事件。自然選擇通過篩選不同的生物來進行推理；而意識則是通過篩選同一生物（特別是其大腦）的不同狀態來進行推理。這種觀點有大量的解剖學及生理學證據支持。如果把大腦視為一種進行不證自明推理的器官，那麼它的每一個解剖學和生理學特徵都似乎都能夠降低意外度。例如，人腦用不同的腦區來運算某物在哪裡和某物是什麼。這不難理解，畢竟知道一個東西是什麼，通常並不能讓你知道它在哪裡；反過來也一樣。這種對外部世界因果結構的內部化，反映了這樣一個事實：若想預測自己的狀態，你就必須有一個內部模型來描述這些知覺的生成。

可是，如果意識就是推理，那麼這是否意味著所有複雜的推理過程都是有意識的呢？比如從進化到經濟體到原子的這一切？未必如此。一個病毒具有推理過程所需的全部的自組織的動力學性質；但很顯然病毒不具有人具有的性質。那麼差別在哪裡呢？

有意識的生物與無意識的生物之間，區別在於它們如何作出關於行動與時間的推理。我的這一論點，部分基於系統與世界之間的互補關係。世界作用於系統，提供感官上的印象，從而提供推理的基礎。同時，系統對世界作出反應，以改變知覺流，從而符合它所對世界推斷出來的模型。這只是有關行動與感知的循環的另一種解釋。例如，我們去看，我們看到，然後以此決定接下來往哪裡看。

如果行動依賴於推理，那麼系統必須對行動的後果做出推理。你不推測事情的可能結果，你就沒法決定該做什麼。然而，這裡有一個重要的轉折。如果一個生物對自己的未來沒有形成一個模型，那麼它就無法推測行動的結果。它需要知道自己做這件事、做那件事，分別該有怎樣的預期。比方說，我需要知道（或者下意識地模擬）當我分別往左看、往右看、合上眼時我的知覺會有怎樣的變化。可是由於時間總是向前運行，除非一個行動被執行，否則就無法在感官上知道這一行動的後果。

時間的箭頭，意味著凡是能夠預測自身未來行動的系統，都必須擁有時間的厚度（temporal thickness）。它們必須對自己和世界有著內部的模型，才能對尚未發生和有可能不會發生的事情做出推測。這樣的模型或厚或薄、或深或淺，取決於它們能向後預測多遠、向前「馬後炮」多遠——也就是取決於它們能否推斷如果自己採取不同的行動，事情有怎樣不同的結果。具有更深時間結構的系統，能夠更加有效地推測自己行動帶來的反事實的後果。神經科學家阿尼爾·賽斯（Anil Seth）稱之為「反事實的深度」。

神經科學

物質靈魂：意識為何物

Anil Seth

那麼，如果系統具有一個在時間厚度上很厚的模型，它會推測出或者選擇哪些行動呢？答案很簡單：它會盡量減少行動中可以預期的意外。證明過程用到了歸謬法，從我們已知的這件事開始歸謬：若要存在，就必須儘可能降低意外度、增強不證自明度。那麼系統具體是如何讓預期中的意外度降至最低呢？首先，它們會採取行動以減少不確定性，即避免未來可能遇到的意外（例如受凍、挨餓甚至死亡）。我們幾乎所有的行為都可視為減少不確定性的機制：無論是受到有害刺激（例如滾燙的盤子不小心脫手）時本能的躲避行為，還是看電視或者開車時為了獲取重要信息的那種「認知覓食」（epistemic foraging）。第二，上述這類系統對世界採取的行動似乎有某種目的，也就是儘可能地減少尚未發生但有可能發生的意外。

這樣的系統可以算作一個主體，或者一個「自我」，總之它能夠用有厚度的時間模型，對自己的未來作出積極的、有目的的推理。時間模型的厚薄之間存在的差別意味著病毒沒有意識。儘管病毒能對外部環境採取推理式的反應，它們卻既不能深刻理解自己的過去，也不能長遠規劃自己的未來。因此，它們不能採取行動防患未然，降低未發生之事的意外度。與此相反，人會積極地、有目的地採取行動來降低意外度、增強不證自明度；而在行為的決策過程中，主體未來的狀況是重要的指標。比方說，假如我們像病毒一樣活著，我們可以本能地調動自己的葡萄糖儲備來抵抗低血糖癥狀。但是人類可能會做出更長遠的規劃：開始做飯。類似地，我們一般也不會說進化有意識。自然選擇的過程確實會儘可能降低意外度（也就是儘可能增強適應性），但不會降低不確定性，也不會減少整個系統的預期中的意外度（也就是另類的，非達爾文式進化歷程下預期的適應性）。

所以說，意識活動與更普遍的自組織行為之間最大的不同在於選擇的規則。在無意識的過程中，選擇是在「此時此地」完成的。例如：多個相互競爭的系統（例如進化中的表現型）之間的選擇，或者條件反射的觸發（例如簡單生物具有化學趨向性，它們會靠近或遠離某種化學物質濃度更高的區域）。相反，與意識相關的選擇過程雖然也是並行運作，但它們都在同一系統之內——該系統同時模擬多種未來、多種不同場景，最終選擇採取的行動會使驚訝度最小。有意識的自我僅僅是這樣一種途徑：以能夠促進主動推理的方式，獲取這些反事實的未來。

從進化到意識活動的一切生物學過程都可視為是在進行推理。

「意識是主動推理」這種說法真的有現實意義嗎？我認為有。對精神病學家來說，意識狀態的改變可分為兩類。一類是意識程度的變化，例如睡眠、麻醉和昏迷狀態。另一類意識狀態的變化則與精神病癥狀、精神藥物、致幻劑等相關。意識程度不同，就會對行為有不同的影響。簡而言之，意識減弱的人，通常會缺少反應。請想像一個無意識的人，她如何對刺激作出反應。她僅有的反應就是一些條件反射，只能降低此時此地的驚訝度。相反，等到她清醒了，她就能調動起來推測過去與未來的能力了。這意味著，在我們的日常生活中，時間的厚度或深度會隨著睡眠覺醒周期波動，而我們的意識程度與我們推理的厚度正相關。因此，當我們的模型失去「厚度」，變得與病毒的模型一樣「薄」時，我們就會喪失意識。

作為一名精神病學家，我有很多理由認為意識狀態的改變就是推理的改變。關鍵是要把精神異常理解為錯誤推理。例如在統計學中，就有兩種錯誤推理：假陽性和假陰性。假陽性就是推理出某事物存在，但它並不存在，例如幻覺和錯覺。而假陰性則是某事物存在，卻未能推理出它存在。例如不能識別某事物，或者對不該有疑慮的事物懷有疑慮（例如，常有患者問道：「我是誰？」「我現在是頭朝上嗎？」）。這些錯誤推理在醫學上對應著定向障礙和各種形式的失憶症，是痴呆症和其它大腦器質性病變的癥狀。這種觀點很有實用性，因為主動推理的神經機制正被逐漸闡明。

我們的討論過程比較快，總結一下：首先，如果我們想要討論複雜系統（包括生命體），我們就必須弄清楚這些過程有怎樣的必要特徵。不難發現，生存意味著存在於一系列周而復始的吸引狀態之中。這就意味著存在一個對應著（負向的）不證自明度或者資訊理論中驚訝度的李雅普諾夫函數。也就是說，從進化到意識活動的一切生物學過程都可視為是在進行某種推理。

如果是這樣，那麼推理到什麼程度才會有意識呢？本文給出的理論認為，心靈產生的條件是，不證自明具有時間上的厚度或者反事實的深度，從而能夠對未來行為的後果作出推理。心靈的存在並無理由。之所以看起來是有理由的，是因為存在本身就是「找理由」過程的結果。因此我認為，意識不外乎對我未來的推理過程。