意识也属于一种物质吗?

来源:am913114    发布时间:2018-10-10 18:10:43

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一种崭新的认识意识的方法正如野火燎原般席卷科学界。物理学家们正在史无前例地利用这种思想方法,通过构建坚实的数学模型来处理关于意识的问题。

这也许是一次正在进行中的关于理论物理学的重要变革。长期以来,在理论物理学界内一直存在着关于意识问题的禁忌。物理学家一直不愿意将意识作为一个严肃的话题来讨论,而是仅仅把它当作江湖传言。事实上,如果有物理学家不慎提及意识,都有可能毁了他的整个职业生涯。

这种状态终究还是开始出现了改变。一种新提出的关于意识的基础性思想方法,正在像野火一样在理论物理学界蔓延开来。

即使从现在看来,意识问题得到彻底解决还有一段很长的路要走,但起码目前来说意识已经可以通过数学建模的方式来分解成一整套问题组,从而供研究者理解、探索和讨论。

Max Tegmark, 麻省理工学院的理论物理学家,列举出了这种新思想所来带来的基础课题。他撰写了一篇名为《 Consciousnessas a State of Matter》(作为物质状态的意识)的有趣论文。他认为,意识可以被当作是某种物质形态,意识必须同时包含有长期存在的状态、集成化的信息、容易写入性以及复杂的动力学。气体、液体、固体,乃至计算机都只能满足其中一部分判据。

他还演示了如何通过量子力学和信息理论来建立模型。并且,他解释了这种崭新的思考意识的方法是如何推导出关于意识的本质的精确提问,而这些问题或许可以通过科学的实验来解答。

Tegmark的最新进展是将意识看做如固态、液态或者气态一般的某种物质形态来思考。我假设意识将能被理解成某一类形态的物质。就类似存在很多不同类型的液体,也会有很多不同类型的意识他说。他还阐述,意识的某些特定属性或许可以根据宇宙万物所遵循的物理定律推导出来。同时,他演示了物理学家是如何通过这些特定属性来解释意识产生的条件,以及我们或许能用此来更好地理解为什么我们感知的周围的世界像眼前这般。

有趣的是,上述关于意识的最新进展居然来源于物理学界之外,其基本理念来自于神经科学家,例如在威斯康辛大学工作的朱利奥•托诺尼


朱利奥•托诺尼的著作《PHI:从脑到灵魂的旅行》。

2008年,托诺尼曾提出一个能展现意识的系统一定会有个特点:

  • 这个系统必须要能存储和处理大量的信息。换句话说,意识的核心是一种信息的现象。

  • 这个信息必须被集成为一个统一的整体。因此它是不可再分割成独立部分的。

上述两个特点可以被数学化,从而使得像Tegmark这样的物理学家有史以来第一次将意识问题模型化。

他首先概述了那些意识系统所必须具备的基本的属,为了解释意识可以被看成是物质的一种形态,他提出了六条原理:

根据意识是一个信息现象,一个意识系统必须能被存储并且能有效恢复。这个系统也需要能处理数据,就像我们所熟悉的计算机一样,但是要比现有的硅基设备要灵活和强大得多。Tegmark借用了一个词“computronium”,用来描述能进行上述及其他工作的物质,表明当今计算机的性能远低于理论上的极限计算能力。

其次,Tegmark 讨论了“perceptronium”,这被定义成可以客观地感受到自我意识的最普通的物质。该物质应该不仅仅能存储和处理信息,而且在某种方式上能集成一个统一的不可分割的整体。

最后,就像棱镜能折射不同波长的光波一样,Tegmark 将这种新的关于意识的思想方法作为研究所谓“量子因子分解问题”(一个量子力学中基础性问题)的棱镜。作为一个有意识的的观察者,比如说我们,为什么可以感受特定的希尔伯特空间分解所对应的经典空间,而不是傅里叶空间?

量子力学是通过三个数学模型来描述整个宇宙的,从而导致了“量子因子分解问题”这个课题的提出。

  • 哈密顿函数:物理学家用其来描述整个系统能量。

  • 密度矩阵:用来描述在整个系统里所有量子态的关系。

  • 薛定谔方程:用来描述哈密尔敦函数和密度矩阵是如何随着时间变化的。

问题在于当整个宇宙被用这些模型来描述时,就会产生无穷多的数学解——包括所有可能的量子力学的结果以及其他许多更加奇特的可能性。我们如何才能从不过两个厄米矩阵中提取出三维空间和我们周围的半经典世界?

当我们看一杯冰水的时候,我们会把固体的冰块和水看作截然不同的东西,即使它们最初是同一系统中相关联的不同部分。这是如何发生的呢?在所有可能的结果中,为什么我们会选择这个结论呢?

Tegmark给不出答案来,但是关于他的进展最具吸引力的是,它能使用量子力学的语言来建立数学模型,从而使得物理学家在某种方式上能进行非常详细的科学推理。并且作为结果,会导出物理学家们乐意去做更加详细的分析的新问题。

举例来说,相关信息在意识系统中必须是集成的。这就意味着这个系统必然包含有纠错码,从而允许信息基本上完全地被集成,任意一个包含至少半个比特的信息的子系统就可从剩下的比特中重建出来。

Tegmark指出Hopfield 神经网天然地具有这种纠错机能。但是,他计算了下大小等同于人脑尺寸(包含1011次方个神经元)的Hopfield神经网,发现其只能储存大概37个比特的集成化的信息。这带给我们一个悖论:“为什么我们的意识在经验上储存的信息内容远大于37比特?”Tegmark问到。这个问题使得很多科学家最终陷入沉思。更糟的是,他发现把这个结果推广到量子信息领域,反而加重了集成性悖论:量子信息系统只能支持不多于四分之一集成化的比特。实际上,对于任意大的量子系统,无论我们如何编码,它所包含的可集成的信息都不会超过四分之一个比特。


一个有四个节点的Hopfiled神经网络。

对于Tegmark来说,这个悖论暗示他,他的关于意识的数学模型中缺少某个关键的部分。“集成性原理必须补充至少一个附加条件”他说道。

虽然Tegmark并未解决量子分解问题,但是可以帮人们把问题聚焦,并强调具体的公开子问题和从观察得来的各种暗示和线索 。他还提出了一些公开的问题:

  • 因子分解和鸡与蛋的问题:量子态和分解哪个先哪个后?

  • 因子分解和集成化悖论

  • 因子分解和时间的浮现

20世纪初,一群年轻的物理学家开始探索一些在我们所理解稍的宇宙中看起来非常微妙的奇异现象,得出崭新的相对论和量子力学理论。这些科学家最终改变了我们理解宇宙的方式。这些物理学家,其中的一些已经是家喻户晓了。

那么,在21世纪,类似的变革也正在发生吗?


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