自由意志存在嗎?從混沌到自由意志


自由意志存在嗎?從混沌到自由意志的頭圖

自由意志存在嗎?從混沌到自由意志

时至今日,仍有物理学家充满信心地宣称,我们不可能有自由意志,因为物理学决定一切,包括大脑功能。这完全忽略了复杂的背景和约束的力量。如果你真的相信物理学没有给自由意志留下空间,那么我们就不可能作为有道德的人真正做出选择。我们对全球气候变化、贩卖儿童或病毒性流行病的反应,将不会以任何有意义的方式被问责。潜在的物理学将在现实中支配我们的行为,责任将不复存在。还好,这个毁灭性的结论并不是真的。作者George Ellis 是南非开普敦大学复杂系统教授,曾与斯蒂芬·霍金合著《时空的大尺度结构》(1973)。

撰文| George Ellis

譯者| 郭瑞東

審校| 張澳

1. 自由意志存在嗎?

法國數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace )認為宇宙是一台機器,物理學決定一切。讀過拉普拉斯作品的拿破崙,就他的理論中明顯缺乏造物主的問題向他提出質疑。 “我不需要那個假設,”他回答說。拉普拉斯可能也會對自由意志說同樣的話,他的機械論宇宙讓自由意志變得多餘。

圖1:拉普拉斯妖,拉普拉斯想像的知曉全部初始條件並可以根據物理定律預測一切未來的“妖怪”

自拉普拉斯時代以來,科學家、哲學家甚至神經科學家都跟隨他的腳步,否認自由意志的可能性。這反映了理論物理學家們的一個廣泛的信念:如果你知道一個物理系統變量的初始值,以及解釋這些變量如何隨時間變化的方程,那麼你就可以在以後的所有時間裡計算這個系統的狀態。例如,如果你知道組成氣體的所有粒子在容器中的位置和速度,你可以在以後的時間裡確定所有粒子的位置和速度。這意味著任何偏離這個物理上確定的軌道的行為都不存在。

想想看,我們周圍的一切——岩石、行星、青蛙和樹木、你的身體和大腦——都是由質子、電子和中子以非常複雜的方式組合而成的。就你的身體而言,它們由許多種類的細胞組成;這些細胞構成組織,如肌肉和皮膚;這些組織構成系統,如心臟、肺和大腦;這些系統使身體成為一個整體。似乎在更高層次發生的一切都應該由更低一層的物理特性決定。這就意味著你此時此刻的想法在宇宙誕生之初就已經基於那時基本粒子的物理狀態,被預先確定。

現在,如果你懷疑威廉·莎士比亞的十四行詩、溫斯頓·丘吉爾的演講以及史蒂芬· 霍金的《時間簡史》(1988)中的話是否真的以這種方式產生,你的懷疑是對的:“自由意識不存在”的立場有很多問題。

2. 生命的秘密——分子結構

在非常小的尺度上,量子理論支撐著世界上正在發生的事情。海森堡的不確定性原理在量子結果中引入了不可避免的模糊性和不可減少的不確定性。你可以獲知一個變量的值,比如一個粒子的動量,但這同時意味著你不能準確地檢測到它的另一個變量,比如它的位置。這似乎從根本上破壞了初始數據和物理結果之間存在的一一對應關係。然而,量子力學是否會影響自由意志,是有爭議的,所以我暫時把它放在一邊,儘管它很重要。相反,我將集中討論大腦神經元分子中發生的關鍵性的因果關係。

上個世紀最令人震驚的發現之一是,微觀層面的生物活動實際上以生物分子的物理形狀為基礎,其中最重要的生物分子就是DNA、 RNA 和蛋白質。這個發現只有在X 光散射技術發展到足以讓我們確定這些分子極其複雜的結構和折疊時才成為可能。

這些分子的結構確實是生命的秘密,正如弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森在化學家羅莎琳·富蘭克林工作的幫助下而發現DNA 的雙螺旋結構時所說的那樣。這項發現自然引起了公眾對於“DNA 分子如何為我們的遺傳編碼”的極大興趣。然而,反而是其他分子的結構——蛋白質和相關的信使RNA——使得遺傳在分子層面發生。 DNA 之所以重要,僅僅是因為它編碼了承擔真正的生物工作所需的蛋白質。例如,血細胞中的血紅蛋白將氧氣從肺部運輸到身體的其他部位。眼睛中的視紫紅質吸收光線並將其轉化為電信號。驅動蛋白和動力蛋白都是馬達蛋白,它們在細胞中將物質從一個地方運輸到另一個地方。酶大幅加速化學反應,甚至能決定反應發生與否。電壓控制的離子通道可以被看作生物晶體管,而配體門控制的離子通道通道允許信使分子(“配體”),如神經遞質,在大腦中從一個細胞傳遞信息給另一個細胞。所有這些功能都來源於這些蛋白質的複雜形狀。

圖2:沃森(左)和克里克(右)與他們的DNA雙螺旋模型

這意味著,為了把物理學和生物學聯繫起來,我們需要了解構成分子形狀的理論。這個理論就是量子化學( quantum chemistry),該理論基於量子物理的基本方程:薛定諤方程。在量子理論中,一個系統的狀態是由所謂的波函數來描述的,波函數決定了事件發生時不同結果的概率。薛定諤波函數方程描述了量子的波函數如何隨時間變化。例如,它決定了量子隧穿過程,而量子遂穿過程是一些重要物理現象的基礎,例如太陽如何通過核聚變產生能量、植物光合作用、以及你用來存儲數據的USB閃存。

我理應認為薛定諤方程是有效的,它是物理學中經過最多檢驗的方程式之一。為了將其與生命的功能聯繫起來,我們需要將薛定諤方程應用到相關分子(即上述蛋白質)的波函數上,以確定它們的形狀將如何隨著時間而改變。因此,真正的問題是:薛定諤方程以及描述早期宇宙中一切存在的波函數的初始狀態,是否決定了我身體中所有生物分子的狀態?進而決定了我今天所思考的一切?

3. 約束的改變帶來的意外

對於自由意志懷疑論者來說,令人困惑的是:所有的結果並不僅僅依賴於方程式和最初的數據,它們還取決於約束條件(constraints)。一個例子就是受到引力影響的蘋果,比如艾薩克· 牛頓看到的那個從伍爾索普莊園樹上掉落地面的蘋果。這就是蘋果不受約束的運動。

圖3:蘋果樹下的牛頓

現在假設牛頓用一根系在樹枝上的繩子懸掛起蘋果。它會變成一個鐘擺,因為繩子限制了它的運動。它不會落在地面上,而是在樹枝下方形成一個圓弧來回擺動,其運動狀態由其初始位置和速度決定。因此,組成蘋果的數十億個原子的運動也將由繩子決定。這將使它們也在約束下以一個圓弧移動。這說明了約束如何影響結果。

現在讓我們研究一下約束隨時間變化的情況。當蘋果平靜地來回擺動時,想像一下牛頓切斷了繩子。蘋果就會掉到地上。初始狀態(它開始時在一個圓弧中的速度)不再決定結果。是繩子的意外切割決定了要發生什麼,因為這移除了先前的約束。這個故事的寓意是,當約束髮生變化時,結果由取決於約束隨時間變化的方式而不是初始條件。

對於構成生命存在基礎的生物分子來說,分子的形狀起著約束作用。這些分子非常靈活,在關節周圍彎曲,就像鉸鏈一樣。分子中原子核之間的距離決定了彎曲的可能性。任何特定的分子“構象”(一種特定的折疊狀態)在基本的物理層面上都約束著離子和電子的運動。根據生物學需要,這可能在特定時間發生。通過這種方式,生物過程可以影響物理結果,因其改變了適用的薛定諤方程的約束條件。

一個關鍵的案例是細胞膜上的離子通道,它將細胞的內部和外部分開。離子是因為失去或得到一個電子而攜帶電荷的原子。鈉和鉀帶正電荷是因為它們各失去了一個電子,而氯離子帶負電荷是因為它們獲得了一個電子。離子通道是嵌入細胞膜的蛋白質,控制進出細胞的離子流。它們可以被打開或關閉,這取決於其鉸鏈部分的位置。因此,它們要么允許離子進出細胞(取決於細胞的類型) ,要么阻止其進出。

4. 約束在生化領域的體現——鑰匙配鎖芯

離子通道在大腦功能中扮演著至關重要的角色。例如,神經元之間通過稱為軸突的纖維相互連接。細胞內外電壓的差異決定了軸突壁上離子通道的開啟或關閉。離子通過這些通道進出軸突,引起電信號沿著神經纖維傳播,從而產生我們所謂的電神經脈衝(又稱“尖峰鏈”,因為它們由一系列小電壓波動或“尖峰”組成)。這些離子通道是生物版本的晶體管,而晶體管是電腦中決定電流通斷的器件,它根據電路兩部分間的電壓差來決定電流通斷。

另一種類型的離子通道是根據配體結合而開閉的蛋白通道,在突觸上連接各神經元。這是一個複雜的生化過程,就像是用鑰匙打開一扇門:只有當鑰匙的形狀與特定的鎖匹配時,門才會打開。配體,也就是神經遞質,是一種信使分子,它與離子通道上的受體結合,通過改變自身形狀來打開受體。

圖4:配體結合而開啟的離子通道的功能示意圖,展示了信使分子如何控制細胞內的物理結果

該過程使得離子流入神經元,將化學物質轉化為電信號。只有當配體與受體結合併改變離子通道的形狀使其打開時,離子通道才允許離子進入細胞。如果沒有配體存在,通道是關閉的,沒有離子可以進入。配體的特殊形狀決定了兩者的結合:只有當且僅當配體具有特定受體的正確形狀時,兩者才能結合。因此,離子通道的具體形狀決定了其控制進出的功能。

圖5:配體結合而開啟的離子通道,這精細的分子結構正是生命的秘密

這就是信使分子改變離子通過通道所受到約束的方式。在信使分子結合前後,約束條件是不同的。這種依賴於時間的結合,控制著突觸處的離子流動,進而決定著一個神經元與另一個神經元之間的連接。正是這些分子形狀的變化,而非初始條件,決定了你思考時大腦中出現的薛定諤方程的特定解。它們構成了自由意志的可能。

5. 對事件的心理解釋決定了感受

那麼,是什麼決定了哪些信息通過信使分子傳遞到你的突觸呢?這一決定思維過程的信號,不能在任何更低的層次上被描述,因為其以最基礎性的方式影響了概念形成、認知和情感。心理體驗推動著事情的發生。你的思想和感受隨時改變離子及電子流的約束,從而自上而下影響大腦中的微觀運作。

例如,假設你走在街上,面前發生了一起可怕的事故——被撞毀的汽車、受傷的人,到處都是血。你的反應是恐懼:同情那些受傷的人,害怕他們會死去,為其沒有發生在你身上而感到寬慰。這些心理活動的發生,是因為你的大腦在心理層面,基於過去的經驗和內在反應的組合而成的的運作方式。同情、恐懼、內疚等情緒,都不是發生在離子或突觸層面上的。這些高水平的心理活動改變了離子通道的形狀,從而改變了你大腦中數十億離子和電子的運動。在你大腦各個層次之間錯綜複雜的因果之舞中,這些想法能夠發生是因為潛在的電神經脈衝,但實際上是其心理本質——碰到到一場事故意味著什麼、當你決定行動時腦海中有何想法、看到事件發生時的震驚感覺是什麼——導致了上述情緒的發生。物理學使你的大腦和身體中發生的事情成為可能,但不能決定它;是你對事件的心理解釋決定了有哪些情緒。

學習和記憶提供了另一個例子,說明了自上而下的因果效應是如何塑造大腦中潛在的物理過程的。記憶是由基因開關控制的,這被稱為“基因調控”(gene regulation)。由DNA 分子組成的基因組包含了細胞在正確的時間和地點製造特定蛋白質所需的信息。現在這裡有一個問題:幾乎我們身體裡的每個細胞都有相同的基因,能為身體其他部分的所有蛋白質編碼。但是每個細胞,取決於其環境,都需要特定的不同蛋白質。所以相同的DNA 鏈在不同的時間,於不同的細胞中產生不同的蛋白質。這是怎麼發生的?它通過基因調控發生:基因被開啟或關閉,因此被表達或不被表達。基因調控是由一種叫做轉錄因子(transcription factor)的蛋白質控制的。這些調節蛋白與DNA 分子上的特定點位結合,識別它們的形狀,從而決定轉錄DNA 時會產生哪些蛋白質。

圖6:真核細胞中轉錄因子作用過程的示意圖

這個基因調控的過程會加強或削弱我們大腦中的神經連接。大腦皮層有一列密集排列的神經元,通過極其複雜的網絡相互連接。這個網絡的整體結構對每個人來說都是一樣的,但是細節卻不一樣。正是大腦的細節展現了我們之間的差異,特別是我們長期記憶間的差異。哪個神經元與哪個神經元相連,以及每個連接的強度這類細節,都是由我們自己的歷史和記憶所塑造的。

6. 宏觀到微觀的因果傳遞

這一切是怎麼發生的呢?正如奧地利裔美國醫生埃里克· 坎德爾(Eric Kandel)在2000年的諾貝爾獎演講中解釋的那樣,在心智層面的學習過程導致了基因表達模式的改變,從而產生了特定的蛋白質,這些蛋白質改變了突觸神經連接的強度。這改變了神經元之間連接的強度,從而儲存了記憶。

這樣的學習是一種心理上的變化。你可能會記得你享用美味佳餚時的快樂、Yo-Yo Ma演奏巴赫奏鳴曲時的細節,或者車禍時的痛苦記憶。再次強調,這些都是不可簡化的心理事件:它們不能在任何更低的層次上被描述。隨著時間的推移,它們將改變神經元的連接。這些變化不能根據神經連接的初始狀態來預測(你的神經元並不知道車禍即將發生) ,但是之後它們會以不同的方式限制電子流動,因為連接已經被改變了。學習會改變宏觀尺度上的結構(我們有一個可塑的大腦),進而將其傳遞到微觀連接及底層電子流的改變。

另一個恰當的例子是理性思考。在公元前500年左右,畢達哥拉斯學派發現了一件令人吃驚的事情:2 的算術平方根是無理數。也就是說,如果2 是n 與自身的乘積(n 乘以n 是2 ) ,那麼n 不能表示為整數的比率,例如n 不能是3/2。這是如此令人震驚,以至於這一發現被視為官方機密。這不是他們所希望的真相,知道這一點是危險的。

這個在當時令人震驚的結論是根據數學定理得到的理性論證,這些定理決定了希帕索斯(畢達哥斯拉學派門生,發現無理數的第一人)頭腦中發生的過程。抽象邏輯從心理學的各個層面推動著這些大腦運作(哪些整數之比能夠成為2 的算術平方根?)電子脈衝沿著神經纖維傳播,離子通過離子通道在這些纖維中進進出出,電子和質子之間的相互作用使整個事情發生。

圖7:希帕索斯在遊船時向學派成員提出直角邊為1的等腰直角三角形的斜邊不為整數,卻被視為違背學派信條,被拋進海裡,為科學而獻身

我們不知道思想是如何通過電神經脈衝編碼的細節,但我們知道這種編碼一定會發生。電神經脈沖一定以某種方式反映了“2的算術平方根是無理數”這一邏輯論證。如果我們想記住這個論證,那麼該記憶存儲的過程在微觀上就是通過基因調控,重塑記憶中的神經連接。隨後邏輯論證將正確地體現在大腦連接的細節上。

這些例子表明,心理上的理解通過改變物理層面的約束條件,可以影響離子和電子的運動。也就是說,心智狀態改變了蛋白質的形狀,因為大腦擁有真正的邏輯能力。這種向下的因果關係勝過了初始條件的力量。邏輯推論不僅決定了我們宏觀層面的思想,還決定了微觀層面電子和離子的流動。

當然,這些例子是有爭議的,因為它們涉及到人類的大腦和思想,隱含著自由意志的問題。然而,類似的問題也出現在計算機算法中。谷歌將推送什麼網頁給您?您用這張信用卡可以取多少錢?我可以訂明天早上8點45分的火車嗎?這些具體問題的答案將由算法決定,而算法則又基於抽象邏輯。這種邏輯經過FORTRAN、 Java 或Python 等高級語言編寫後,在計算機程序中被編碼。

物理學的基礎方程與這些算法沒有直接關係。但是計算機程序顯然是有因果效應的:它們改變了世界的發展結果。程序根據作用於相關數據的算法邏輯決定發生的事情。這就是計算機科學專業學生所學的。這種邏輯在數字電路層面,通過改變外加電壓來改變晶體管中電子傳導通道的結構,從而決定電子流會發生什麼。在程序被加載到計算機之前,相關的算法在其內部並沒有被表示;在程序被加載之後,它就表示出來了。通過加載程序,宏觀層面的約束已被更改。在程序執行過程中,當微觀層面的電壓呈微秒級變化時,物理學隨著算法的調子起舞。

對自由意志持懷疑論的人,忽略了我在這裡討論的那種特定時間上的限制,這種限制使生物學中的因果關係總體自上向下,特別是對大腦功能。當然,分子生物學的任何過程都不與構成所有物質存在基礎的物理學相矛盾。然而,生物體提供了一個非常複雜的環境,在這種環境下約束會發生改變。儘管我們的大腦確實是由基本粒子組成的,但高層次的功能是通過自上而下和自下而上兩個因果過程的相互作用而產生的。

7. 宇宙和分子中的混沌與秩序

但是仍然有一個令人不安的想法:如果最初的數據是關於整個宇宙所有粒子的,那麼為什麼它不能以一種機械論的方式,確定所有低層次粒子的動力學呢?畢竟,粒子運動不就是這個大圖景中的小尺度細節嗎?在這個圖景中,我們可以聲稱沒有任何約束存在?宇宙被定義為一切存在的集合,所有它不會被來自更高層的環境所約束。在這種情況下,物理學還有可能是非決定論的嗎?以及我的論證會土崩瓦解嗎?

对该问题的回答来自两个层面。首先,在大尺度宇宙学和小尺度分子生物学中都存在一个显著的随机因素。在如宇宙这样的大尺度上,我们很难得到正确的细节,甚至在银河系尺度上也是如此;我们只能在统计学上可能的范围内工作。还有一些重要的问题没有解决,比如暗物质如何以比太阳系更大的尺度聚集在星系周围。我们不能根据宇宙学的初始条件来实际地确定在太阳或地球这样的较小尺度上发生了什么。而想要预测人体尺度的细节也是根本没有任何希望的。

圖8:洛倫茲吸引子(Lorenz attractor)揭示了天氣系統中的混沌現象,指出天氣系統的不可預測性,但同時也指出了統計性工作在天氣預測中的重要意義

然而,懷疑論者仍然認為這只是缺乏足夠的數據和計算能力的問題。他們認為原則上,預測是可行的。但若考慮在微觀尺度上發生的事,這實際上是不可行的。在分子尺度上,每秒發生著數十億次分子間的碰撞,這一過程會抹去最初的數據。正如彼得· 霍夫曼(Peter Hoffman)在他2012年出版的《生命的棘輪》(Life’s Ratchet)一書中所說的,生物學正是在這種紊亂中發展起來的一場“分子風暴” 。分子機器確實在工作,比如運動蛋白將“貨物”從一個地方運到細胞中的另一個地方,從混沌中提取出秩序。所有分子每一微秒的能量交換意味著它們運動初始狀態的細節都不可挽回地丟失了,這與拉普拉斯所設想的具有確定性質的物理學相去甚遠。正是這種分子層面的混沌運動阻止了實踐中的微觀決定論。

但是,如何才能從這種混沌中產生秩序呢?正如Denis Noble 和Raymond Noble 在2018年“chaos”雜誌上發表的論文中解釋的那樣,分子的隨機性給了細胞機制選擇權,選擇它們想要的結果,而拋棄那些它們不想要的結果。這種選擇的力量使心臟和大腦等生理系統能夠從多種選項中選擇那些產自有利混沌(prefered interactions)的結果,而不是以一種受低層次混沌約束的方式運作。通過這種方式,可以從較低層次的無序和微觀數據中產生一個有序層。這並不是自由意志存在的決定性證據,但至少它為自由意志的存在開闢了一條道路。

8. 反證——宇宙的初始狀態何來?

為了討論起見,讓我們假設我是錯的。讓我們忽略所有這些問題,認真看看決定論的觀點。決定論意味著每一本書的詞彙在宇宙的最初狀態就已被編碼,不管是《大英百科全書》、《資本論》、《哈利·波特》,還是其它任何書。在這些書中的具體文字中,人類的邏輯思維並沒有起到因果關係的作用:它們只是由物理學決定的。

目前還不清楚所有單詞是如何被編碼到宇宙中的,但該過程似乎導致了宇宙大爆炸時質量和能量分離時產生的波動。那單詞又是如何在這些波動中被表徵的呢?當作者在寫書的時候,宇宙的編碼決定著作者們頭腦中的微觀狀態,這幾乎不可能。量子不確定性也為這些說法增加了一層不可信的理由。但是讓我們暫時把所有這些主要問題放在一邊。讓我們假設,今天的大腦狀態確實有可能是由宇宙中的初始條件決定的,基於因果確定性的物理學奠定了一切。

那麼問題是,這些詞是怎麼出現在那裡的呢?是否有造物主將所有這些東西編碼成宇宙的初始狀態?它肯定不存在於薛定諤方程本身,也不像宇宙學研究所設想的那樣存在於早期宇宙中隨機決定的一系列漲落中。根據定義,隨機漲落既不編碼任何詳細信息,也不編碼任何邏輯論證。

那麼這些數據是如何到達那裡的呢?不僅僅是編碼一本書,而是編碼所有曾經寫過的書?這真的是一個可信的故事,還是某種神創論者的神話?

圖8:無限猴子理論(infinite monkey theorem)由英國物理學家愛丁頓在1929年提出,“如果許多猴子任意敲打打字機鍵,最終可能會寫出大英博物館所有的書”。但即使可觀測宇宙中充滿了猴子一直不停地打字,能夠打出一部哈姆雷特的概率仍然少於10183,800分之一

對於這些書是如何寫成的,心智的作用以及理性抉擇的能力是一個更有說服力的解釋。這種解釋是可能的,因為我們的大腦及其功能存在卓越的等級結構。這種功能通過自上而下的因果關係實現,由心理層面傳遞到生理層面,並且物理層面的結果是由隨時間變化的約束所決定的。整個過程無需發生違反物理定律的情況。

自從拉普拉斯時代以來,物理學已經取得了巨大的進步。事實上,這些進步對於拉普拉斯來說應是不可想像的。然而,今天仍然有物理學家充滿信心地宣稱,我們不可能有自由意志,因為物理學決定一切,包括大腦功能。這完全忽略了複雜的背景和約束的力量。

如果你真的相信物理學沒有給自由意志留下空間,那麼我們就不可能作為有道德的人真正做出選擇。我們對全球氣候變化、販賣兒童或病毒性流行病的反應,將不會以任何有意義的方式被問責。潛在的物理學將在現實中支配我們的行為,責任將不復存在。

這是一個毀滅性的結論,我們應該慶幸這不是真的。

本文經授權轉載自微信公眾號“集智俱樂部”。原文鏈接:
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