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知觉科学丨一篇来自诺贝尔奖大师的烧脑书评:大脑的阴影

已有 353 次阅读 2017-11-13 10:46 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记|关键词:诺贝尔奖 书评 大脑的阴影 知觉科学 科学出版社 奇妙的现实

我带着很大的疑虑开始评论几本书。我很在意曾经默许要密切关注它们,读完它们,并对某本也许不值得费力去读的书公开表示质疑。当然,我经常被邀请评论在我们这个小小的物理世界中一些大人物写的书。我知道我会经常遇到这些书的作者或他们的朋友。忠实与礼貌之间的对立常使我不安。


然而,我很有选择性地做了,并且总体说来,还是一种很有意思、很有收获的经历。


罗杰·潘洛斯(Roger Penrose)著的《大脑的阴影:寻找丢失的知觉科学》实际上是两部书合成了一本:阐述和论文。关于各种伟大理论的阐述,特别是围绕哥德尔(Gödel)原理的来龙去脉,往往是很有启发性的。但那篇原始论文是极烦人的,它通过微管、波函数塌陷和计算理论(怎么做?——最好别问),将意识起源与量子引力连接起来。它激起了我向它所严重依赖的卢卡斯哲学的陈词滥调开战,并且令我满意的是彻底打碎了它。



大 脑 的 阴 影


关于罗杰·潘若斯《大脑的阴影:寻找丟失的知觉科学》

(牛津大学出版社,1994 年)的评论


在牛津知名物理学家潘若斯的《大脑的阴影:寻找丢失的知觉科学》中,作者继续和更详尽地描述,并且在有些地方修正了他早些时候出版的书——《皇帝的新头脑》——中的讨论。在这两本非同寻常的书中,作者提出的观点非常令人吃惊:在人类经验中有一些特别的方面,它们很容易通过自省发现,但在已知的物理定律框架下,甚至原则上,都不能给出解释;在任何情况下,这个框架都是有根本缺陷的,它原则上不能适当地描写宏观物体的行为;并且这两种不适当是相互关联的,以至于只有在新的物理学框架内,纳入有待构建的引力量子理论,才有可能了解人类的意识现象。


这样的一些主张,好像已经跨出相关学科正规的科学文献的范畴,如果是出自一个不知名的来源的话,简直就不值得让人认真对待。但是潘若斯完全不是那样的,他的提议值得认真审视。我尝试过这样的审视——在下面它将要变得更明显——却得到了完全相反的结论。在进入细节之前,为公平起见我应该指出这本长长的书中大部分是解释背景资料的。这些解释大部分是充实的,偶尔也很有才气[这里我特别想到的,是关于卡尔达诺(Cardano)的袖珍传记第249~256 页]。这样,有眼力的读者就可以从这本书中受益而不必接受它初始的科学观。但是在这儿我将集中于书中发展的主线,它试图证明上面所概述的那些说法是正确的。


主线是以如下方式展开的。首先,潘若斯就认定,人类可以有一些精神行为,它们不能仅靠一台复杂的、遵从一套有限算法的机器(那就是说,一个图灵机)来完成。他注意到,当一些通常的物理学规律作用到一个有限的物质系统上时,可以用一个图灵机模拟。这样他得到结论:人类的精神行为不能在通常的物理规律范围内得到解释。其次,他主张,这些通常的物理规律包含毁灭它们自己的种子,因为量子力学在通常的法则逻辑上是不协调的,那么足够深入地应用它们,这些法则一定会给出不正确的结果。他认为突破应发生在一些小的但是“半宏观的”物体上(关于这一点,下面将详细论述)。最后,他又强调,当所探求的新物理规律应用于人类大脑时,将能解释为什么我们的能力会超过典型的图灵机,让我们来依次考察其中的每一步。




潘若斯书的中心——实际上也是它仅有的部分——展示,人类能做的事图灵机不能做,这意味着人类数学家“明显地”超越哥德尔定理限制的能力。哥德尔论点的核心是,在任何足够强大的形式系统中(粗略地讲,是任何一个这样的特定系统,它强大到足以处理算术运算,并且它的过程都可以完全确定,而且按图灵方式机器化),他能构造出一个这样的命题,这个命题可以被解释为“我不是可证明的”。如果这个命题为真,那么它就是不可证明的;如果它是错的,那么该系统就是不自洽的。所以任何一个强大的、自洽的形式系统都将允许这样的一些陈述,即它们都是真的但是不可证明的。现在,潘若斯说,我们可以看到任何用形式系统去获取一个人类数学家能力的企图一定是失败的。因为人类数学家可以理解哥德尔论点的含义,甚至包括对论点的假定性描述,从而认识哥德尔命题是合理的。按照潘若斯的说法,这表明人类具有能达到真理的方法,而且有证明这方法的能力,但它不能被任何形式系统的证明过程捕捉到。研究者承认(并且潘若斯也认识到)这些议论是从牛津哲学家约翰·卢卡斯1961 年的著名文章派生出来的,它引出了大量有争论的文献,并且没有赢得普遍的接受。在涌现出来的众多反面论证中,对我来说,特别清楚和有说服力的是哥德尔命题的真理性仅仅是自洽性假定的必然结果。然而,对于强有力的系统来说,自洽性绝不是显然的。事实上,按照哥德尔另一条与之密切相关的定理,自洽性是不能证明的(如果它是对的话)。因此,预期通往真理的大道包括一条有疑问的捷径,这条捷径不管怎么说能得到些什么,虽然没有证明。


任何情况下,要在这个可疑领域内划出一条战线都似乎很奇怪。让我们作一个比较稳当的探讨,寻找一个范例说明,人类所做的一些具体事情,对图灵机来说不是严格不可能的,只是太难了。让我们看一下,在进化所指的方向也许我们会有所发现,包括一些似乎被自然选择所优化的感知过程(不像数学逻辑那样)。是否存在人类比任何经典计算机做得快得多的知觉任务呢?精确一点说:是否存在一些困难等级为NP的“整体”知觉任务,人类能在多项式时间内完成呢?在潘若斯一些零零碎碎的讨论中,他似乎慢慢地向这类问题移近,但是他并没有提到过任何系统实验的尝试。关于这种能力的任何令人信服的证实,哪怕给出的结果比潘若斯所声称的弱得多,也将具有革命性的含义。


现在回到物理学:潘若斯觉察到量子理论基础中的大麻烦。他承认量子理论的物理解释需要一些他称之为R- 过程的东西,它是哥本哈根解释的某些讨论中所引进来的“态矢量的扁缩”的精神等价物。这要和薛定谔方程所描绘的一般确定论的动力学区分开来,那些他称之为 U- 过程。按照潘若斯的说法,R- 过程的某个版本,在振幅相加的量子规则与概率相加的经典规则之间搭建桥梁,是必不可少的。


再强调一次,这是一个可怀疑的领域。情况是这样:绝不意味着所有见识广博的物理学家都认为需要R- 过程;确实,现代的趋势(对这点,评论人是很有同感的)似乎是打算看一看我们是否可以只要U- 过程就够了。虽然宣称这种途径最终胜利的时机还不成熟,但我相信,这将要求在量子理论形式中构造一幅理智观察者的可认知图像,以至于模型经验与我们作为一个真实观察者获得的主观经验可以相比——在某些有挑战性的战斗中,还没有任何决定性的失败。


关于这意味着什么,在某种程度上,可参考潘若斯尝试性的(说句公道话,是极模糊的)建议来作为说明。他声称,若量子力学包括进引力效应,则会以这样的一种方式定性地改变对宏观客体行为的预言,即经典概率的法则可以用于足够大的物体。那么K 介子、中子,甚至光子的行为怎么处理呢?根据用干涉仪做的一些精密的实验我们知道,它们在穿过任何一段可以合理地认为是宏观距离后仍保持量子相干性。超导体又怎么样?它完美地将电流传导过“1 英里污秽的导线”[卡塞米尔(Casimir)];或者类似的超流液氦又如何?还有最近完成的对介观系统研究深奥而漂亮的工作,它们定量地探测了,对一些纯的、小的和冷的但一定是宏观的系统(包括千千万万个电子),典型的量子力学行为在逐渐变得更微妙——不像被破坏了或消失了——这又如何解释呢?


引力的量子理论充满着与其高能和短距离行为相关的困难,它们也许可能由超弦理论来解决,但也许不可能。但是爱因斯坦理论的低能和长波部分的量子化没有问题,作为第一步,潘若斯提出的那类效应就应当在这个理论框架内讨论。我本人的结论是,这些可预言的效应都极小,在其他不直接相关的情形下,可能会被一些更常见的效应所掩盖。在任何情况下,这个框架在图灵机的技术意义上完全是可以计算的,那么这对潘若斯来说是不够的,他想以某种方式引入一个不可计算的R- 过程。


在潘若斯的综合体中,下一步是借助一个假设的不可计算的R- 过程去解释被认为是不可计算的人类大脑的能力。关于这点我(像潘若斯一样)只能简短地说几句。从哈默洛夫(Hameroff)想法中得到部分灵感,潘若斯声称,在人类大脑中,微管起到了关键的信息处理作用,它们的行为基本上是量子力学方式的,这使它们能超越图灵机的限制。关于大脑信息处理已经有很多的了解,特别是视觉处理的早期阶段,但是据我所知,从未证明过这需要给微管分配一个重要角色。微管不是人类神经系统的特性,实际上它们在单细胞组织中是很普遍的。从表面上看,它们似乎在许多种细胞中是一些万能的结构单元。还有,生物行为的多样性条件和温度特性似乎极不可能得益于宏观尺度上的量子相干性。那么对这种基于量子相干性和对人类知觉极为关键的微管神奇计算能力的推测,现在就显得太大胆了。至少,它们似乎会吸引将来的实验探索。




作为总结,从形式逻辑和哲学来说,我认为潘若斯关于人类进行着不可计算的操作的论点是完全错误的;他关于量子理论是不完善的论证是没有说服力的,他所建议的补救办法似乎是不合情理的;他关于对微管功能基本上的经典描述一定失败的结论,至少可以说是不成熟的;他在这个话题上的讨论和关于神经生物学的一般讨论,没有公平对待重要的具有相关经验知识的整体;还有他的议论总体结构是非常脆弱的,没有任何具体的非平庸的实验事实可以依托。也许不是从那些伟大的唯理主义形而上学哲学家——笛卡儿、莱布尼茨、斯宾诺莎——的全盛时期,就已经有了类似的作为。虽然本书确实有几段很精彩,并且这个不同凡响的作者在他的信念方面也是真诚的,在结束时,还是得同意弗朗西斯·柯瑞克(Francis Crick)的看法,他(在对《皇帝的新头脑》一书的评论中)写道:“如果他的主要想法被证明是真的话,那将是太了不起了。”


弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)






《奇妙的现实:真实、奇妙的物理世界》

作者:[美] 弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)

译者:丁亦兵,乔从丰,任德龙,李学潜,沈彭年

责编:张莉,刘巧巧

北京:科学出版社,2017.10

ISBN:978-7-03-054434-6


《奇妙的现实:真实、奇妙的物理世界》是国际著名理论物理学家、2004年诺贝尔物理学奖获得者、美国麻省理工学院教授弗兰克·维尔切克的一部介绍现代物理学知识的高级科普著作。他用通俗的语言向不具备高深数学基础知识的读者介绍了物理学从基础到最新成就的几乎所有重要方面,充分体现了作者渊博的学识、深邃的思想、独特的见解和睿智幽默的风格。同时,本书最后还收入了维尔切克夫人贝特希在他获得诺贝尔奖前后所写的博文,带领读者一同体验“诺贝尔奖奇遇”。借此,读者可以对这位杰出物理学家的生活有一定的了解。


(本期责编:李文超)



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