从混沌到自由意志
导语
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）。
George Ellis | 作者
郭瑞东 | 译者
张澳 | 审校
邓一雪 | 编辑
1. 自由意志存在吗？
法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace ）认为宇宙是一台机器，物理学决定一切。读过拉普拉斯作品的拿破仑，就他的理论中明显缺乏造物主的问题向他提出质疑。“我不需要那个假设，”他回答说。拉普拉斯可能也会对自由意志说同样的话，他的机械论宇宙让自由意志变得多余。
自拉普拉斯时代以来，科学家、哲学家甚至神经科学家都跟随他的脚步，否认自由意志的可能性。这反映了理论物理学家们的一个广泛的信念：如果你知道一个物理系统变量的初始值，以及解释这些变量如何随时间变化的方程，那么你就可以在以后的所有时间里计算这个系统的状态。例如，如果你知道组成气体的所有粒子在容器中的位置和速度，你可以在以后的时间里确定所有粒子的位置和速度。这意味着任何偏离这个物理上确定的轨道的行为都不存在。
想想看，我们周围的一切——岩石、行星、青蛙和树木、你的身体和大脑——都是由质子、电子和中子以非常复杂的方式组合而成的。就你的身体而言，它们由许多种类的细胞组成；这些细胞构成组织，如肌肉和皮肤；这些组织构成系统，如心脏、肺和大脑；这些系统使身体成为一个整体。似乎在更高层次发生的一切都应该由更低一层的物理特性决定。这就意味着你此时此刻的想法在宇宙诞生之初就已经基于那时基本粒子的物理状态，被预先确定。
现在，如果你怀疑威廉·莎士比亚的十四行诗、温斯顿·丘吉尔的演讲以及史蒂芬 · 霍金的《时间简史》（1988）中的话是否真的以这种方式产生，你的怀疑是对的：“自由意识不存在”的立场有很多问题。
2. 生命的秘密——分子结构
在非常小的尺度上，量子理论支撑着世界上正在发生的事情。海森堡的不确定性原理在量子结果中引入了不可避免的模糊性和不可减少的不确定性。你可以获知一个变量的值，比如一个粒子的动量，但这同时意味着你不能准确地检测到它的另一个变量，比如它的位置。这似乎从根本上破坏了初始数据和物理结果之间存在的一一对应关系。然而，量子力学是否会影响自由意志，是有争议的，所以我暂时把它放在一边，尽管它很重要。相反，我将集中讨论大脑神经元分子中发生的关键性的因果关系。
上个世纪最令人震惊的发现之一是，微观层面的生物活动实际上以生物分子的物理形状为基础，其中最重要的生物分子就是 DNA、 RNA 和蛋白质。这个发现只有在 X 光散射技术发展到足以让我们确定这些分子极其复杂的结构和折叠时才成为可能。
这些分子的结构确实是生命的秘密，正如弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森在化学家罗莎琳·富兰克林工作的帮助下而发现 DNA 的双螺旋结构时所说的那样。这项发现自然引起了公众对于“DNA 分子如何为我们的遗传编码”的极大兴趣。然而，反而是其他分子的结构——蛋白质和相关的信使RNA——使得遗传在分子层面发生。DNA 之所以重要，仅仅是因为它编码了承担真正的生物工作所需的蛋白质。例如，血细胞中的血红蛋白将氧气从肺部运输到身体的其他部位。眼睛中的视紫红质吸收光线并将其转化为电信号。驱动蛋白和动力蛋白都是马达蛋白，它们在细胞中将物质从一个地方运输到另一个地方。酶大幅加速化学反应，甚至能决定反应发生与否。电压控制的离子通道可以被看作生物晶体管，而配体门控制的离子通道通道允许信使分子（“配体”），如神经递质，在大脑中从一个细胞传递信息给另一个细胞。所有这些功能都来源于这些蛋白质的复杂形状。
图2：沃森（左）和克里克（右）与他们的DNA双螺旋模型
这意味着，为了把物理学和生物学联系起来，我们需要了解构成分子形状的理论。这个理论就是量子化学（ quantum chemistry），该理论基于量子物理的基本方程：薛定谔方程。在量子理论中，一个系统的状态是由所谓的波函数来描述的，波函数决定了事件发生时不同结果的概率。薛定谔波函数方程描述了量子的波函数如何随时间变化。例如，它决定了量子隧穿过程，而量子遂穿过程是一些重要物理现象的基础，例如太阳如何通过核聚变产生能量、植物光合作用、以及你用来存储数据的USB闪存。
我理应认为薛定谔方程是有效的，它是物理学中经过最多检验的方程式之一。为了将其与生命的功能联系起来，我们需要将薛定谔方程应用到相关分子（即上述蛋白质）的波函数上，以确定它们的形状将如何随着时间而改变。因此，真正的问题是：薛定谔方程以及描述早期宇宙中一切存在的波函数的初始状态，是否决定了我身体中所有生物分子的状态？进而决定了我今天所思考的一切？
3. 约束的改变带来的意外
对于自由意志怀疑论者来说，令人困惑的是：所有的结果并不仅仅依赖于方程式和最初的数据，它们还取决于约束条件（constraints）。一个例子就是受到引力影响的苹果，比如艾萨克 · 牛顿看到的那个从伍尔索普庄园树上掉落地面的苹果。这就是苹果不受约束的运动。
图3：苹果树下的牛顿
现在假设牛顿用一根系在树枝上的绳子悬挂起苹果。它会变成一个钟摆，因为绳子限制了它的运动。它不会落在地面上，而是在树枝下方形成一个圆弧来回摆动，其运动状态由其初始位置和速度决定。因此，组成苹果的数十亿个原子的运动也将由绳子决定。这将使它们也在约束下以一个圆弧移动。这说明了约束如何影响结果。
现在让我们研究一下约束随时间变化的情况。当苹果平静地来回摆动时，想象一下牛顿切断了绳子。苹果就会掉到地上。初始状态（它开始时在一个圆弧中的速度）不再决定结果。是绳子的意外切割决定了要发生什么，因为这移除了先前的约束。这个故事的寓意是，当约束发生变化时，结果由取决于约束随时间变化的方式而不是初始条件。
对于构成生命存在基础的生物分子来说，分子的形状起着约束作用。这些分子非常灵活，在关节周围弯曲，就像铰链一样。分子中原子核之间的距离决定了弯曲的可能性。任何特定的分子“构象”（一种特定的折叠状态）在基本的物理层面上都约束着离子和电子的运动。根据生物学需要，这可能在特定时间发生。通过这种方式，生物过程可以影响物理结果，因其改变了适用的薛定谔方程的约束条件。
一个关键的案例是细胞膜上的离子通道，它将细胞的内部和外部分开。离子是因为失去或得到一个电子而携带电荷的原子。钠和钾带正电荷是因为它们各失去了一个电子，而氯离子带负电荷是因为它们获得了一个电子。离子通道是嵌入细胞膜的蛋白质，控制进出细胞的离子流。它们可以被打开或关闭，这取决于其铰链部分的位置。因此，它们要么允许离子进出细胞（取决于细胞的类型） ，要么阻止其进出。
4. 约束在生化领域的体现——钥匙配锁芯
离子通道在大脑功能中扮演着至关重要的角色。例如，神经元之间通过称为轴突的纤维相互连接。细胞内外电压的差异决定了轴突壁上离子通道的开启或关闭。离子通过这些通道进出轴突，引起电信号沿着神经纤维传播，从而产生我们所谓的电神经脉冲（又称“尖峰链”，因为它们由一系列小电压波动或“尖峰”组成）。这些离子通道是生物版本的晶体管，而晶体管是电脑中决定电流通断的器件，它根据电路两部分间的电压差来决定电流通断。
另一种类型的离子通道是根据配体结合而开闭的蛋白通道，在突触上连接各神经元。这是一个复杂的生化过程，就像是用钥匙打开一扇门：只有当钥匙的形状与特定的锁匹配时，门才会打开。配体，也就是神经递质，是一种信使分子，它与离子通道上的受体结合，通过改变自身形状来打开受体。
该过程使得离子流入神经元，将化学物质转化为电信号。只有当配体与受体结合并改变离子通道的形状使其打开时，离子通道才允许离子进入细胞。如果没有配体存在，通道是关闭的，没有离子可以进入。配体的特殊形状决定了两者的结合：只有当且仅当配体具有特定受体的正确形状时，两者才能结合。因此，离子通道的具体形状决定了其控制进出的功能。
这就是信使分子改变离子通过通道所受到约束的方式。在信使分子结合前后，约束条件是不同的。这种依赖于时间的结合，控制着突触处的离子流动，进而决定着一个神经元与另一个神经元之间的连接。正是这些分子形状的变化，而非初始条件，决定了你思考时大脑中出现的薛定谔方程的特定解。它们构成了自由意志的可能。
5. 对事件的心理解释决定了感受
那么，是什么决定了哪些信息通过信使分子传递到你的突触呢？这一决定思维过程的信号，不能在任何更低的层次上被描述，因为其以最基础性的方式影响了概念形成、认知和情感。心理体验推动着事情的发生。你的思想和感受随时改变离子及电子流的约束，从而自上而下影响大脑中的微观运作。
例如，假设你走在街上，面前发生了一起可怕的事故——被撞毁的汽车、受伤的人，到处都是血。你的反应是恐惧：同情那些受伤的人，害怕他们会死去，为其没有发生在你身上而感到宽慰。这些心理活动的发生，是因为你的大脑在心理层面，基于过去的经验和内在反应的组合而成的的运作方式。同情、恐惧、内疚等情绪，都不是发生在离子或突触层面上的。这些高水平的心理活动改变了离子通道的形状，从而改变了你大脑中数十亿离子和电子的运动。在你大脑各个层次之间错综复杂的因果之舞中，这些想法能够发生是因为潜在的电神经脉冲，但实际上是其心理本质——碰到到一场事故意味着什么、当你决定行动时脑海中有何想法、看到事件发生时的震惊感觉是什么——导致了上述情绪的发生。物理学使你的大脑和身体中发生的事情成为可能，但不能决定它；是你对事件的心理解释决定了有哪些情绪。
学习和记忆提供了另一个例子，说明了自上而下的因果效应是如何塑造大脑中潜在的物理过程的。记忆是由基因开关控制的，这被称为“基因调控”（gene regulation）。由 DNA 分子组成的基因组包含了细胞在正确的时间和地点制造特定蛋白质所需的信息。现在这里有一个问题：几乎我们身体里的每个细胞都有相同的基因，能为身体其他部分的所有蛋白质编码。但是每个细胞，取决于其环境，都需要特定的不同蛋白质。所以相同的 DNA 链在不同的时间，于不同的细胞中产生不同的蛋白质。这是怎么发生的？它通过基因调控发生：基因被开启或关闭，因此被表达或不被表达。基因调控是由一种叫做转录因子（transcription factor）的蛋白质控制的。这些调节蛋白与 DNA 分子上的特定点位结合，识别它们的形状，从而决定转录 DNA 时会产生哪些蛋白质。
图6：真核细胞中转录因子作用过程的示意图
这个基因调控的过程会加强或削弱我们大脑中的神经连接。大脑皮层有一列密集排列的神经元，通过极其复杂的网络相互连接。这个网络的整体结构对每个人来说都是一样的，但是细节却不一样。正是大脑的细节展现了我们之间的差异，特别是我们长期记忆间的差异。哪个神经元与哪个神经元相连，以及每个连接的强度这类细节，都是由我们自己的历史和记忆所塑造的。
6. 宏观到微观的因果传递
这一切是怎么发生的呢？正如奥地利裔美国医生埃里克 · 坎德尔（Eric Kandel）在2000年的诺贝尔奖演讲中解释的那样，在心智层面的学习过程导致了基因表达模式的改变，从而产生了特定的蛋白质，这些蛋白质改变了突触神经连接的强度。这改变了神经元之间连接的强度，从而储存了记忆。
这样的学习是一种心理上的变化。你可能会记得你享用美味佳肴时的快乐、Yo-Yo Ma演奏巴赫奏鸣曲时的细节，或者车祸时的痛苦记忆。再次强调，这些都是不可简化的心理事件：它们不能在任何更低的层次上被描述。随着时间的推移，它们将改变神经元的连接。这些变化不能根据神经连接的初始状态来预测（你的神经元并不知道车祸即将发生） ，但是之后它们会以不同的方式限制电子流动，因为连接已经被改变了。学习会改变宏观尺度上的结构（我们有一个可塑的大脑），进而将其传递到微观连接及底层电子流的改变。
另一个恰当的例子是理性思考。在公元前500年左右，毕达哥拉斯学派发现了一件令人吃惊的事情：2 的算术平方根是无理数。也就是说，如果 2 是 n 与自身的乘积（n 乘以 n 是 2 ） ，那么 n 不能表示为整数的比率，例如 n 不能是 3/2。这是如此令人震惊，以至于这一发现被视为官方机密。这不是他们所希望的真相，知道这一点是危险的。
这个在当时令人震惊的结论是根据数学定理得到的理性论证，这些定理决定了希帕索斯（毕达哥斯拉学派门生，发现无理数的第一人）头脑中发生的过程。抽象逻辑从心理学的各个层面推动着这些大脑运作（哪些整数之比能够成为 2 的算术平方根？）电子脉冲沿着神经纤维传播，离子通过离子通道在这些纤维中进进出出，电子和质子之间的相互作用使整个事情发生。
我们不知道思想是如何通过电神经脉冲编码的细节，但我们知道这种编码一定会发生。电神经脉冲一定以某种方式反映了“2的算术平方根是无理数”这一逻辑论证。如果我们想记住这个论证，那么该记忆存储的过程在微观上就是通过基因调控，重塑记忆中的神经连接。随后逻辑论证将正确地体现在大脑连接的细节上。
这些例子表明，心理上的理解通过改变物理层面的约束条件，可以影响离子和电子的运动。也就是说，心智状态改变了蛋白质的形状，因为大脑拥有真正的逻辑能力。这种向下的因果关系胜过了初始条件的力量。逻辑推论不仅决定了我们宏观层面的思想，还决定了微观层面电子和离子的流动。
当然，这些例子是有争议的，因为它们涉及到人类的大脑和思想，隐含着自由意志的问题。然而，类似的问题也出现在计算机算法中。谷歌将推送什么网页给您？您用这张信用卡可以取多少钱？我可以订明天早上8点45分的火车吗？这些具体问题的答案将由算法决定，而算法则又基于抽象逻辑。这种逻辑经过 FORTRAN、 Java 或 Python 等高级语言编写后，在计算机程序中被编码。
物理学的基础方程与这些算法没有直接关系。但是计算机程序显然是有因果效应的：它们改变了世界的发展结果。程序根据作用于相关数据的算法逻辑决定发生的事情。这就是计算机科学专业学生所学的。这种逻辑在数字电路层面，通过改变外加电压来改变晶体管中电子传导通道的结构，从而决定电子流会发生什么。在程序被加载到计算机之前，相关的算法在其内部并没有被表示；在程序被加载之后，它就表示出来了。通过加载程序，宏观层面的约束已被更改。在程序执行过程中，当微观层面的电压呈微秒级变化时，物理学随着算法的调子起舞。
对自由意志持怀疑论的人，忽略了我在这里讨论的那种特定时间上的限制，这种限制使生物学中的因果关系总体自上向下，特别是对大脑功能。当然，分子生物学的任何过程都不与构成所有物质存在基础的物理学相矛盾。然而，生物体提供了一个非常复杂的环境，在这种环境下约束会发生改变。尽管我们的大脑确实是由基本粒子组成的，但高层次的功能是通过自上而下和自下而上两个因果过程的相互作用而产生的。
7. 宇宙和分子中的混沌与秩序
但是仍然有一个令人不安的想法：如果最初的数据是关于整个宇宙所有粒子的，那么为什么它不能以一种机械论的方式，确定所有低层次粒子的动力学呢？毕竟，粒子运动不就是这个大图景中的小尺度细节吗？在这个图景中，我们可以声称没有任何约束存在？宇宙被定义为一切存在的集合，所有它不会被来自更高层的环境所约束。在这种情况下，物理学还有可能是非决定论的吗？以及我的论证会土崩瓦解吗？
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。
图8：洛伦兹吸引子（Lorenz attractor）揭示了天气系统中的混沌现象，指出天气系统的不可预测性，但同时也指出了统计性工作在天气预测中的重要意义
8. 反证——宇宙的初始状态何来？
图8：无限猴子理论（infinite monkey theorem）由英国物理学家爱丁顿在1929年提出，“如果许多猴子任意敲打打字机键，最终可能会写出大英博物馆所有的书”。但即使可观测宇宙中充满了猴子一直不停地打字，能够打出一部哈姆雷特的概率仍然少于10183,800分之一
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