社科网首页|客户端|官方微博|报刊投稿|邮箱 中国社会科学网
新兴领域

【吴胜锋】量子力学与当代心灵哲学中的二元论

量子力学创立之后,物理学与唯物主义和二元论这两种哲学理论之间的关系变得微妙起来。历史地看,物理学所确立的客观主义自然观直接推动了唯物主义的迅速发展,直至在哲学领域中居于支配地位。在当代哲学中,物理学是唯物主义的天然同盟者,在以赖尔、克里普克等为代表的英美分析哲学家那里,唯物主义与物理主义通常被认为是一样的,物理主义被看成是一种强的唯物主义纲领。但20世纪量子力学的创立,既颠覆了人们有关传统物理学的认识,又颠覆了人们有关与物理学存在密切联系的自然哲学的认识。其结果是,在一些物理学家看来,如果要恰当地理解量子物理学,就离不开人的意识;而在一些哲学家看来,如果要恰当地理解人的意识,亦离不开量子物理学。由此,在对量子理论的一些解释中,自然科学与哲学的关系发生了戏剧性的转变:过去唯物主义一直是以物理学为榜样的,物理学也支持唯物主义的自然观,但如今,物理学的基本理论竟然要求引入主观性条件,二元论竟然能够与物理学的基础理论相互支撑。

一哥本哈根学派的量子意识理论

在量子力学的创立和阐释中,以丹麦物理学家波尔(NielsHenrikDavidBohr)为代表的哥本哈根学派曾发挥重要作用,以致他们有关量子物理学的解释被称为“哥本哈根诠释”(CopenhagenInterpretation)。在物理学领域,哥本哈根学派被评价为“把我们的思想卷入了一场彻底的革命”[1]68

众所周知,哥本哈根的量子力学中存在着三大核心原理:概率解释、不确定性原理和互补原理。根据波尔、海森堡等哥本哈根学派代表人物的观点,所谓概率解释,即认为量子世界在本质上是不确定的,只能通过概率来描述,任何对量子状态的测量过程只能是随机地“抓住”其波动函数所允许的可能状态之一;所谓不确定原理,也就是人们常常讲到的“测不准原理”,由海森堡首先提出,即一个微观粒子的某些物理量(如位置和动量,或方位角与动量矩,还有时间和能量等),不可能同时具有确定的数值,其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大,测量一对共轭量的误差的乘积必然大于常数h/2π(h是普朗克常数);所谓互补原理,主要由波尔提出,即认为微观粒子同时具有波动性与粒子性,而这两个性质是相互排斥的,不能用一种统一的图像去完整地描述量子现象,但波动性与量子性对于描述量子现象又是缺一不可的,必须把两者结合起来,才能提供对量子现象的完备描述,量子现象必须用这种既互斥又互补的方式来描述。

在哲学领域,以波尔为代表的哥本哈根学派认为,量子物理学暗示了将主体性的意识、经验纳入到人类知识统一体的可行性。对于波尔等人来说,量子物理学中的上述原理并不能借助于统计学规律,在传统物理学的决定论框架中给予解释。相反,量子的物理后果显示了与主观精神之间的显著相似性,“原子现象的观察对该现象所发生的不可避免的影响,就和心理经验的一种众所周知的色调变化相对应;这种变化是由于对心理经验的各种要素之一加以注意而引起的”[2]38

波尔早期所写的一系列阐述量子力学基本理论的论文,表现出较为明显的唯心主义哲学倾向。例如,在《量子公设和原子理论的晚近发展》一文中,波尔谈及量子力学的不确定原理时指出,传统物理学描述的通常是不受干扰的对象,而在量子力学的理论框架下,所涉及的任何对象都必须考虑到观察对象与观察器械之间的相互作用。由此,传统物理学中观察对象的客观性消解了。从观察对象客观性的消解出发,波尔得出的结论是:“每一种观察,最终都可以归结为我们的感觉。”[2]25谈及量子力学的互补性原理时,波尔将之与相对论比较。波尔指出,就像相对论有关时空的理解超出了人们的常识经验一样,对量子物理学的理解也要超越根深蒂固的知觉概念模式,因为在理解互补原理时面临的情形,“这种形势和人类概念形成中的一般困难深为相似,这种困难是主观和客观的区分中所固有的”[2]35。在《作用量子和自然的描述》《原子理论和描述自然所依据的基本原理》等文中,波尔暗示说,与传统物理学困囿于无机世界不同,量子力学的解释范围将扩展至有机生物领域、生命现象。之所以如此,波尔认为是因量子力学确立的物理规律与心理规律存在着类似性,其涉及的因果链条适用于主观性的经验,而且在复杂的相互作用关系中,人的感性情绪也是必须考虑的因素之一。

在一些量子物理学家看来,哥本哈根学派关于测量的解释取消了外部世界的客观性,直接导致了关于外部世界形而上学上的主观唯心主义。因为在量子力学中存在着两个系统:测量系统与被测量系统。不仅被测量系统是一个量子系统,而且测量系统本身也是一个量子系统。这样问题就产生了,因为测量系统本身就是一个量子系统,根据量子物理学的基础理论,在没有对一个系统进行观察测量之前,该量子系统是不确定的,那么我们还需要另外的测量系统去测量前面的一个测量系统。如此一来就产生了一个测量链,并且这个测量链似乎是无穷无尽的。为了解决这个问题,哥本哈根学派引入了有意识的观察者,即认为测量链终止于有意识的观察者。为什么如此呢?因为人有一种特殊的品质,与其他的一般的测量装置相比,人是有意识经验的观察者。作为观察者的人对测量本身是有意识的,测量事件存在于他的脑中,他能够把我们自身与宇宙中的其他的客体区分开来。如此一来,经典物理学所确信的客观实在性已经被量子物理学的结果所蒸发,哥本哈根学派的量子理论中所蕴含的形而上学与17世纪的唯心主义哲学家贝克莱的“存在即被感知”的观点惊人地相似。波尔在1927年的《量子公设和原子理论的晚近发展》曾谈到量子系统的这一特性,并表现出唯心主义的哲学立场,他说:“量子公设意味着,原子现象的任何观察,都将涉及一种不可忽略的和观察器械之间的相互作用。因此,就既不能赋予现象又不能赋予观察器械以一种通常物理意义下的独立实在性了。归根结底,只要观察概念取决于哪些物体被包括在所要观察的体系之内,这一概念就是不确定的。当然,每一种观察,最终都可以归结为我们的感觉。”[2]25

哥本哈根学派对互补原理的说明与经典物理学中的决定论相对立,颠覆了人们日常持有的世界中一切事物是处于因果相关的联系中的观念。互补原理的一个中心思想是:被测量系统的特征与我们使用的测量工具密切相关,测量的结果取决于你所使用的工具。在波粒二象性中,粒子的波动性与粒子性是一对互补的变量,它们的特性不能同时被观察到。由此波尔认为,在自然界中,事物之间不是以决定论的关系形式存在,而是以一种互补性的关系形式存在的。但同是量子物理学创立者的爱因斯坦并不赞同哥本哈根学派的非决定论的观点,他坚信我们对自然界进行理解的基础物理学理论应该体现出简洁、和谐、优美等特点,而决定论符合了这种要求,互补性的关系则显得相当的怪异。以至爱因斯坦向哥本哈根学派问道:“上帝掷骰子吗?”1935年,爱因斯坦、波尔多斯基和罗森共同发表了一篇论文《量子力学对物理世界的描述可能是完备的吗?》,为论证量子力学的不完备性而提出的一个悖论,又称EPR论证。尽管后来的贝尔定理和艾斯贝克特实验证明了波尔猜想的正确性,但是决定论与非决定论的争论仍然存在于今天的量子物理学中。

二斯塔普的“量子相互作用二元论”

斯塔普是一名美国物理学家,他因为量子力学的工作而出名。斯塔普于1993年出版了《心灵、物质与量子力学》(Mind,MatterandQuantumMechanics)一书,详细阐述了他的“量子相互作用二元论”。斯塔普的量子意识理论主要包括如下三个重要方面。

首先,斯塔普认为量子规律是一种心理物理的规律。在斯塔普看来,量子力学之所以能够与意识相关联,一个重要原因是量子力学本质上是一种心理物理规律的理论。斯塔普说:“量子理论与经典力学的不同关键在于,经典理论是关于物质世界的因果规律的理论,量子力学理论是一种基本的心理物理的规律,它提供了一种在神经过程中的意识的因果效力的解释。”[3]

斯塔普从表达物理学规律数学公式的角度区分了经典物理学与量子物理学。第一,经典物理学的数学公式是通过数量来表达的,而数量对顺序是不敏感的。量子物理学的数学公式则包含了行为的意义,行为顺序的改变直接影响到数学公式表达结果的改变。因为行为不同于数量,在顺序排列中,数量没有什么问题,2乘3与3乘2是一样的,但在行动中,顺序的颠倒则是非常成问题的。第二,经典物理学是一个关于物质的物理世界的理论,它通过被指定为时空中的点的数字所完全说明,其完全是动力学的,在某种意义上,在全部时间中,这些数字的行为被涉及数字自身的规则和初始的条件完全地说明。但在量子力学中,“行为取代数量是量子力学的数学的基础”[3]。一个充分的物理学理论要求比只是数学的规则要多得多,除了数学的规则,它也要求一个观念的框架,这个观念的框架允许把数学的说明与人的意识经验联系起来。由此,斯塔普方法的重要方面是,存在不仅仅是心物的相互联系,而且还存在着真正的因果相互作用。更准确地说,他的方法主张“人的意向能够影响他的大脑的活动”[4]

其次,斯塔普提出了“量子相互作用二元论”(QuantumInteractiveDualism),并认为“这是在现代哲学中重新回到笛卡尔哲学、甚至是古希腊哲学的传统”[5]43。这种相互作用的二元论假定两个完全不同的实体,心理的与物理的实体的存在,它们相互作用。心理实体有感觉的特征,被认为包括思维、观念、觉知、疼痛、高兴、悲伤和所有进入我们意识经验流的东西,主要被心理的语言所描述。物理的实体是这样一些元素,它们在我们的自然理论中被一些指定为时空中的点的数学的语言所描述。

斯塔普认为,“量子相互作用二元论”避免了传统二元论的问题。传统的相互作用的二元论,尤其是笛卡尔的相互作用的二元论,是与经典力学研究对象相联系的相互作用的二元论,在三百年前已经被哲学家们猛烈地攻击,在过去半个世纪这种攻击更加激烈。对经典的相互作用的二元论的第一个重要反对意见是,它设定了两个不同类的事物的存在,但对它们是否能够相互作用,以及如何相互作用,并没有提供一个合理解释。第二个重要反对意见是,物理描述自身一直是因果完备的,对时间中每一个被物理地描述的实体的演化都给出了一个完全决定论的说明,这就意味着心灵实体没有做任何事情,也没有影响物理实体的可能性。在斯塔普看来,“量子相互作用二元论”避免了上述反对意见。对上述第一个反对意见,斯塔普的回答是:心理与物理相互作用的形式能够借助于纽曼对测量过程的说明而得到解释。纽曼的说明是关于量子理论基本原则的一个谨慎的数学的描述,其把量子理论看作是一种工具,这种工具允许物理学家们去计算,而计算把物理学家关于确立探测实验的经验与他们关于对这些探测行为的可观察的反应期待联系起来了。对于上述第二个反对意见,斯塔普认为,存在于经典二元论与量子二元论之间的一个重要的不同是,在量子理论的情况中,物理地被描述的部分并不是因果完备的,完备的动力学还需要其他的一些东西。心理实体的功能即使因果的结构更加完备,也巩固了存在于我们意识经验流之间的结构联系。

最后,“量子相互作用二元论”特别强调了有意识的选择行为,因为“有意识的选择行为说明了量子相互作用是如何进行的”[5]48。在这里,斯塔普再次引入纽曼的程序1行为来说明有意识的选择。程序1行为是一种突然的探测行为,或者说是一种测量行为。它们是心理———物理的事件,这些事件的内容和时间选择既不被一些所知的规则决定,也不与一些随机的原则相关。斯塔普认为意识在脑神经元的刺激之上执行了一种高层次的控制作用。量子脑事件发生在整个脑的水平上,是从脑的大尺度刺激中进行选择。神经刺激是一种编码,每一个意识经验可以被看成是一种来自这个编码的一个选择。在斯塔普的理论中,大脑被认为是一个自我编程的计算机,具有一个来自记忆的自我支持的输入,记忆自身是来自前经验的一个编码,这个进程导致了意识经验必须去选择的大量的可能性。他说:“意识行为是一个选择,其对神经刺激实行控制。这个进程指的是高层次的脑部行为,包括信息的收集、做出计划和计划执行的激励。”[5]49意识经验被认为能够把握活动的整个模式,然后能够说明意识的统一,并为“捆绑问题”提供一个解决办法。

三彭罗斯与哈默罗夫的微管量子意识理论

彭罗斯是英国牛津大学的罗斯·玻勒教学讲席教授,著名的数学家和物理学家。他与霍金一起创立了现代宇宙论的数学结构理论。哈默罗夫是美国亚利桑那大学的麻醉学教授和意识研究中心副主任,哈默罗夫在意识研究中的主要成果是把意识产生作用定位于神经元中的微管。由于彭罗斯与哈默罗夫对意识问题怀有的相同的兴趣,且他们意识理论的互补性,彭罗斯与哈默罗夫在意识问题上结成了合作关系,共同提出了关于意识的客观还原的量子理论。

在提出量子意识理论之前,彭罗斯和哈默罗夫首先对当今流行的关于意识的人工智能还原方案进行了批评。在彭罗斯看来,那些把人工智能等同于真正智能的人,就像是那些在“皇帝的新装”中认为皇帝穿了衣服的人一样,他们不愿意正视问题的真正的本质。人工智能的实质是算法的加工,而人的智力远远地在算法的加工规则之外。因此,彭罗斯把人工智能讥讽为“皇帝的新脑”[6]

为什么说人的意识不是一种计算,人脑不是一个计算机?彭罗斯在《心灵的幽灵》(ShadowsoftheMind)一书中,一开始就区分了计算与意识之间的可能的四种关系[7]:

1.强的人工智能。

意识和其他心理现象完全存在于计算过程当中。

2.弱的人工智能。

大脑过程引起意识,这些过程可以在计算机的过程上进行模拟。但是,计算模拟不能够保证意识的存在。

3.

大脑过程引起意识,但这些过程“甚至都不能通过计算方式准确进行模拟”。

4.

意识不能通过任何科学的手段进行解释,不论是计算性的手段还是其他的手段。

借助于哥德尔数学系统的不完全性证明,彭罗斯批评了上述的第一种和第二种立场,同时,彭罗斯也反对有关意识解释的神秘主义做法,即反对那种认为意识不能通过任何科学的手段进行解释的第四种立场。由此,彭罗斯选择了第三种立场,即认为大脑产生意识的过程有独特的复杂性,这种复杂性在计算机的算法之外,计算机甚至连模拟都做不到。

在对人工智能的还原方案进行批判的基础上,彭罗斯和哈默罗夫合作提出了微管量子意识理论。彭罗斯和哈默罗夫认为,尽管人脑产生意识的过程完全不能被计算机的计算过程所实现,甚至也不能被计算过程所模拟,但我们应该相信,我们的大脑还是被某种物理的法则控制着,不过这是一种全新的物理法则,这是一种可以处理那些不可计算的东西的法则,这种新的理论和法则建立在量子理论的基础上。彭罗斯和哈默罗夫还认为,这种建立在量子理论基础上的意识理论,不是基于对当前量子理论的理解而做出的解释,而是立足于对量子理论的可能前景而做出的解释。他们对量子理论发展的可能前景提出了两个重要的理论假设。一是客观还原的理论。二是量子引力的理论。

对当代科学稍微熟悉的人都知道,现代物理学存在两类解释方式,一是经典理论的解释方式,适用于宏观的物体,二是由薛定谔方程式为基础的量子理论,适用于微观世界中的客体。但是,当你从一个水平移向另外一个水平时,问题就出现了。在量子水平,重叠状态是可以存在的,即两种不同的可能性能够同时存在,但在经典的水平则两者必须只能居其一。当我们观察时,重叠状态必定塌缩为其中的一种或另一种,这就是所谓的波动函数的塌缩。在解释波动函数塌缩何以产生的原因时,量子力学中哥本哈根学派引入了意识,例如波尔、维格纳等人认为是意识引发了波动函数的塌缩,这也就是波函数塌缩的“主观还原”的模式。“客观还原”是彭罗斯的一个新发现,它是相对于“主观还原”的一种波函数的塌缩形式。彭罗斯认为,在量子世界中还存在着另外的一种还原或塌缩形式,即客观的自我塌缩。客观的自我塌缩是“一种与观察或测量无关的还原,是某种客观的因素干扰了叠加,引发了量子状态的塌缩或还原”[8]

为了说明客观还原是如何产生的?彭罗斯与哈默罗夫又提出了量子引力的理论。量子引力是时空几何本身的内在的特性。他们认为,每一个叠加状态都有自己的时空几何,在特殊的环境下,叠加状态的时空几何的分离(即这些时空的“弯曲”)达到一个闸值,即量子引力的闸值时,量子系统必定选择一种状态,它必定自发地和突然地塌缩到一种状态,这样的一种过程就是量子状态的客观还原,而导致量子态客观还原的因素就是量子引力。彭罗斯论证说,过去传统的对波动函数的解释都只是近似的结果,而它提出的客观还原的理论这一过程是引力性的,使得大尺度的“量子同调”成为可能。

量子引力导致的量子状态的客观还原在大脑的什么地方进行的呢?在彭罗斯和哈默罗夫看来,首先,我们肯定不可能在神经元的层次找到意识问题的答案,因为神经元太大了,它可以由经典物理学来解释,并且它们已经是可计算的对象了。其次,产生客观还原的系统必须与外界环境隔绝时才能发生。因为量子现象的还原过程涉及了量子叠加的物质运动,它们必须与环境隔离开来。哈默罗夫最早提出意识产生于微管中的量子同调。微管,顾名思义,就是遍布身体各处的微小的管状蛋白质,它们参与了细胞结构的支持、细胞的划分、细胞内细胞器的传输工作。每一个神经元含有无数根微管构成的束,一根根的微管之间流通着生物水,水使微管相互联系的同时又与外部环境隔离或者绝缘。彭罗斯和哈默罗夫提出,微管就是非算术量子运算的载体,因为它们的形状、其管壁的螺旋结构以及内部的任何量子同调都能够有效地与外界隔绝。

四反思及其批评

量子物理学的创立,在物理学领域中产生了“哥白尼式”变革的效果,但它能否在哲学中再现“哥白尼式”的效应呢?或者说它能否颠覆当今自然哲学中唯物主义的主导地位,从而重振唯心主义或二元论?对上述问题的回答,主要取决于量子物理学发展的最终形式及其对它的理解。

量子物理学的奠基者波尔曾经说过:“如果谁不为量子论而感到困