认知科学中的蝴蝶效应

（庄周：这就是蝴蝶效应）

任何一个事业中要做出成绩一般有两种方法：一是关注主流的研究，切实提出或者解决面临的问题，以推动进展，这一般适用于出身优越或者误入了核心圈的同学，比如Bengio；二是关注较为边缘的研究，从而对主流做出整体的反思，这一般适用于想要搞个大事情的人。注意到，仅边缘是不够的，还得反思。

本文简单介绍下认知科学中的一个较为边缘的流派，动态系统理论，有时候又称为动力学主义dynamicism。它从物理学引入，而它的复杂理论，又是从动力学发展而来。有趣的是，计算本是用来弥补传统物理学的缺陷，通过模拟，哪知道又回到了起点，心灵在这又回归一种动力学系统，科学史上曾经最强大、最成功的解释框架。

认知科学的一般假设是心灵具有类似于计算机数据结构的心理表示，以及类似于计算机算法的计算程序。以连接主义为例，神经元及其连接作为数据结构，神经元激发作为算法。与世界的交互，是一种被称为学习的方法，训练并形成突触结构。神经元网络的相互作用执行包含认知等任务的功能。感官是一种流式的输入，而意识是数据压缩。在此上，逻辑不是根本，类比才是。

认知科学在心灵、大脑、计算机之间进行复杂的隐喻，不同的方式可能提出几乎完全不同的思维计算模型，它们彼此之间甚至都是完全竞争的。

更抽象的计算理论（Edelman 1987; Kandel 2013）表述，是它是这样的系统中的系统操作背后的数学过程：作为输入的是环境条件，包含初始条件边界条件；作为输出的一种表达，输入的响应，呈现的物理变化，受其场方程的支配，如本构属性、本构、守恒定律；这些表达可能出现在它们与外部环境的界面上。

大脑是执行计算，感官输入，感知/概念输出，通过神经系统，流式下载到身体的生理界面。这个表达跟物理系统中的表达不一样的是它是所谓的生命功能和特性，比如生物生存；比如行为、思想、发声等；比如看似意识的感知和其他相关现象，它们共同定义了意识，尽管由于界面显示限制而存在一些信息反馈缺陷。

这种计算理论在人工智能，尤其是神经网络中得到加强（Edelman, 1987; Arbib, 1989; Shad, 2016）。人工智能之中最为雄心勃勃的描述是，DNA中有相当大一部分看起来是垃圾信息，它们很可能用于学习的。

在认知科学中，计算理论的主要竞争是具身认知、延伸心灵。身体也是认知的一部分，甚至是更为重要的部分；人的思维嵌入并延伸到世界。

发展动态系统理论的研究者认为，心灵是动态系统，而不是计算系统。计算理论所依据的现实仍是康德式的（表象），身心问题仍是笛卡尔式的，只是将笛卡尔的心换成了内在的计算机。而十七世纪之后，整个世界观在科学、哲学和人文学科中都发生了变化，海德格尔、梅洛-庞蒂、维特根斯坦、赖尔，已经确诊其为本体论和认识论上的混淆（Tim Van Gelder,1994）。他们认为动态系统理论将成为计算理论的主要替代范式。

1，2012年的TopiCS大辩论

辩论由当时的执行编辑Wayne Gray发起，主题是将复杂系统理论CT应用于认知科学，邀请科学家参与该主题。

第一篇文章是Van Orden和Stephen发起的，说明了CT应用于认知科学面临的一些基本问题。然后Gibbs和Van Orden发表了动态系统理论研究口语语用学的文章。然后是Riley、Shockley和Van Orden发表了整合身体动作和认知过程的工作，包含了CT中的自组织概念。然后是Silberstein和Chemero发表了关于延伸心灵的理论，延伸-现象学-系统是关系和动态实体，是相互依赖的相互作用的，在多个空间和时间尺度上运作。然后是Dixon、Holden、Mirman和Stephen将认知过程描述为分形关系，认知系统总体上不仅表现出波动与时间尺度之间的单一幂律关系，而且涉及到时间和空间的多重断裂，多分裂性可能为认知系统中的能量流动提供新的见解，从而推动新的形式的认知结构的出现。

TopiCS同时刊载同行批评。Van Rooij批评了身心（重新）配置以应付环境约束任务的假设。对于某些约束系统，不能存在在实际时间内找到正确配置的过程，无论是模块化的、本地的、中央处理的、或自组织的。

Eliasmith评论，引入CT并没有提供任何实质的帮助，CT只是一种解释方法。认知系统中的新发现的现象用计算来解释就足够了，引入CT并不能做得更多。

Botvinick评论，CT有两种，一种更原教旨主义，另一种更实用。前者所带来的动力学主义更像是一种修辞，而不是新的实践。CT在认知科学方面已经做了很多的工作，而且接下来应该作更实质的工作，应该是咬而不是叫（more bark than bite）。

Wagenmakers、van der Maas和Farrell评论，这些引入CT到认知科学的人并没有完成他们叙述中的观点，也未能提供对认知基本组成部分的具体见解。这些计划很可能成为“无用的哲学”。动态系统理论应该提供认知过程的模型，做出具体的预测，并拿来与计算方法进行比较。

Stephen和Van Orden后来针对这些批评也做出了回应，说大部分批评都源于对理论提供解释认知现象这种意义的误解。传统的认知科学将认知作为在操作规则上可分解的系统，并依赖于其组件主导的动态，然后由计算来创建认知过程，比如学习。而复杂理论，更看重认知系统各组成部分之间的相互作用，依赖于相互作用主导的动态。这在认知科学的一系列实证研究中已经得到了支持。

原则上，动态系统理论和计算理论之间可以有着更多的互动，以产生新的成果。

2，超图灵

动态系统理论DST，这个名字跟复杂系统理论CT一样，并不能说明什么。不像计算理论基于计算。复杂系统理论，是比较复杂吗？系统是动态的？还是系统采用动力学？

实则，命名为DST的理论是一类解释框架或者研究方法的通称。

其实这有一个基本信念的争议。就是物理现实是图灵可计算的，还是超图灵的。DST、CT都认为物理不是图灵可计算的，心灵是物理世界的一部分，也是超图灵的。而计算机仍然等同于图灵机，不可能描述全部的物理现实，或者拟真心灵的所有功能。哥德尔就说过，心灵超过一切计算机。

并且，这个争议牵涉到一个研究方法上的根本差异，是将世界作为既成事实接受下来，研究它；还是认为世界不过是研究的进路而已。由此，对于科学本身是什么，作科学研究的目的，就会给出两种完全不同的回答。

或者，这个差异只是隐含的决定对同一个现象的不同关注点。比如，对于复杂系统，一些人关注的是，从混沌到有序，如耗散结构；而另一些人关注的是，从简单规则到混沌，如Morphogenesis。

或者，它只是简单的影响对数学或计算工具的不同态度。究竟是从现实世界规律中寻找或归纳新的数学工具呢，还是先得出一个数学上自洽的体系，然后寻找它与物理世界的联系。

DST指责计算主义有根本缺陷，来源其实还是哥德尔。递归计算不能穷尽心灵直觉。而世界中存在不可计算的东西。大部分实数是不可计算的，是停机问题的另一种表述。其实可以简单的称之为哥德尔信念。

而自然世界看上去确实相当混乱，各种怪异的形状和斑块相互混杂，各种模式从来都不是非常有规律，似乎也绝不精确的重复。然而，所有的混乱无序，包含生命本身，都可以由精确的数学法则得到支持和确定。复杂来源于简单的规则。其实可以简单的称之为图灵信念。

图灵计算不是简单的引入可计算的概念，而是界定了二种不同的信念。

3，泛计算理论

在这个方面走得最远的其实是泛计算理论，它一开始其实是一些物理学家持有的信念。

泛计算理论的基本原则包含：

－宇宙本质上是信息的。参考惠勒的it from bit，万物由比特组成。

－宇宙本质上是可以计算的。参考图灵的形态发生学。

－宇宙可以数字化描述/本质上是数字的。参考苏士侃能量、物质的数字化描述的极限；或兰道尔极限。

－宇宙是一台计算机/信息处理机。参考Konrad Zuse、Seth Lloyd、Carl Friedrich von Weizsäcker、Max Tegmark。Tegmark就是力推平行宇宙那个，他的理论叫做终极合奏ultimate ensemble，关于普遍相关性和量子宇宙的理论。

－物质世界是一种模拟输出。参考苏士侃世界是一张全息图。

4，元胞自动机和动力学系统

泛计算理论被指责的主要缺陷还是哥德尔定理。但一般通过两种方式来修正，通过分层和自指。比如Jürgen Schmidhuber的自指哥德尔机器。

元胞自动机一开始是被霍夫特等物理学家所深恶痛绝的，说这种看法把事物看得过分简单了，当然，他只是担心主张通用元胞自动机就是万物之理，会像把婴儿与洗澡水一同泼掉一样。霍夫特在2012年提出的弦论的量子引力理论中也有一种类似于元胞的方法，即基于离散的时空晶格。

不过元胞自动机本身其实是一套动力学系统的研究方法，而不是计算系统或新的计算架构。把它当作计算系统，是后来Stephen Wolfram等人的做法，Matthew Cook证实了Rule110是图灵完备的。

动力学系统的核心是，将系统的组件之间的相互作用作为关注重点，而不是看重组件的特性。如果一个离散的元胞自动机中，一个元胞本身的状态，依赖于其他元胞的状态，而不是一个事先确定的公式，那么，它就是一种自指。自指在这里是通过修改系统自身，以改变系统行为（或者说程序通过修改源代码，以修改程序的运行结果），它将为系统增加系统本身不具备的、不可预测的复杂性，这种复杂性在Chaitin，就是系统复杂度高于系统元素；在Stephen Wolfram，就是系统哪怕确定的初始状态，确定的计算规则，其结果仍然是不确定的；在Jürgen Schmidhuber，它就是真随机。

5，连接主义

原则上，连接主义也可以认为是看重组件（神经元）的相互作用，而不是单个神经元的状态。

原则上，连接主义也可以看作是一种自组织。

当然，这样的解释看起来不过也是“无用的哲学”而已。

6，结语

我们将在认知科学中引入复杂系统理论，包含目前较为主要的成果，动态系统理论，称为认知科学中的“蝴蝶效应”，或是引发认知科学巨变的蝴蝶，的效应。这只蝴蝶小小的扇动一下翅膀，是不是会引发认知科学中的一场大飓风呢？我们拭目以待。