意识的“难问题”及其量子解释

蒋正清，尤 洋

(山西大学 科学技术哲学研究中心，山西 太原 030006)

意识问题一直是哲学家们关注的研究对象，在早期哲学家们的著作中，不乏对意识问题的相关论述。19世纪中叶，冯特创立了实验心理学，通过内省法来对意识问题进行研究。由此，对意识本质的探讨开始成为当时心理学研究的主要任务。20世纪初期，行为主义开始兴起，试图由关注人的内在意识转向为关注人的外部行为，将意识和行为视为相对立的范畴。行为主义的兴盛基础就在于相比意识的不可捉摸，人的外部行为是可把控的，可以通过刺激和反应的联系进行研究，意识的表征和处理也因此成为意识研究进一步发展的桎梏。20世纪60年代，随着认知心理学的出现强调信息处理及内部心理的过程建模，对意识的认识得到进化，人们开始从认知的视角去解释包括意识、记忆、感觉在内的一系列认知功能。特别是20世纪80年代之后，借助物理学、神经科学、计算机科学等自然科学和实验技术的引入，意识研究进一步地得到深化。

一、意识的“难问题”概述

查尔莫斯(David J. Chalmers)在《面对意识难题》一文中对意识问题做出了划分，即“易问题”与“难问题”。他认为意识是思维科学中最令人困惑的问题，它涉及非常多的精神现象，虽然有很多人对此问题努力推进，但都没有取得理想的成绩。因此，为了让意识研究能够向前发展，必须将意识问题做出划分。所谓“易问题”，就是大脑如何进行模式识别、如何对模式做分类、如何解决实际问题、如何控制行为等等，它们可以通过计算和神经机制来解释；而“难问题”就是大脑如何产生主观性的感受，它不能通过认知科学和神经科学常用的方法来进行解释。“意识的真正困难问题是关于经验的问题，当我们思考和感知时，存在着一种信息处理的方式，但是也存在主观层面，这个主观方面就是经验。”[1]在意识研究中，感受质的问题是不可避免的。内格尔(Thomas Nagel)认为，“某个生物体完全具有意识经验主要意味着：存在对成为那个生物体的那种感受......从根本上说，当且仅当存在对成为某个生物体的那种感受(即对这个生物体而言的感受)，这个生物体才具有意识的心理状态。”[2]也就是说，意识经验具有主观特性，我们无法感知他人的经验，亦无法让他人感受到我们的经验，那么我们如何来描述经验的产生以及经验的特性呢？即我们如何来解决意识的“难问题”呢？

功能主义是意识问题解释的一条重要的径路。它认为在所属部分的认知系统中，会使某种思想、欲望、痛苦或者任何其他类型的精神状态，不依赖于它的内部构造，而仅仅依赖于它的功能，或所扮演的角色。更准确地说，功能主义理论认为，精神状态的同一性取决于它与感官刺激、其他精神状态和行为的因果关系。在解决意识问题的某些方面，功能主义虽然取得了不错的成就，但是在面对感受质这一问题时，却受到了挑战：(1)理论的黑箱问题。功能主义的最大缺陷就是无法洞悉大脑内部结构和活动机制，只能通过刺激输入和反应输出之间的因果联系作为其衍推机理，用“黑箱”来表述再恰当不过。由于功能主义不关注也无法描述其感受质产生的内在状态，因此它不能作为解释意识难题的优位理论。(2)难以对“感觉差异性”做出仲裁。这一问题主要表现在对于相同的感官输入却产生不同的感觉，一种常见的诘难来自于感受质颠倒的论证。面对这一挑战，功能主义者对这一问题的反应各有所不同。如丹尼尔·丹尼特(Daniel Dennett)采取了一种强硬的态度，直接否认了这一现象。他提出以第三人称视角来建构意识理论，通过这一研究方法来对感受质进行解构，对感受质的特性进行分解，从而达到消解感受质问题。而另一些功能主义者，如西德尼·舒梅克(Sydney Shoemaker)则坚持认为可以从功能上对感受质加以界定，以缓和感受质与功能主义之间不可调谐的矛盾。

另外一条解释径路是还原主义。还原主义的一般定义是某系统的高阶属性、机能等可以通过低阶部分、基质等来进行解释说明，心灵哲学中的还原则是用物理术语来说明心灵属性。还原主义认为意识是特定神经活动的产物，包括意识经验等意识现象都可以还原成特定的神经活动。克里克(Francis Crick)在其《惊人的假说》一书中提出了意识的还原论观点。他认为，只有理解了神经组群之间如何相互作用和协同工作，才能理解我们的大脑，而意识问题则完全可以用大脑中一些神经元的交互作用来进行解释[3]。此外，埃德尔曼(Gerald Maurice Edelman)认为，对意识经验起作用的神经元群构成了一个功能性的聚类，并且这些神经元群的活动模式必须处于不断变化中，可以称作动态核心，动态核心的不同位置则解释了我们不同的主观特性。然则，还原主义解释的弊端在于低阶事物如何映射高阶属性，而这种映射连接中如何处理非线性关系。

除此之外，还存在一种非还原性自然主义的路径，如查尔莫斯的“自然主义二元论”。面对意识经验这一难题，查尔莫斯构建了一种非还原性的意识理论即“自然主义二元论”，该理论对意识经验等广泛意义上的精神现象提出了一种二元论的解释，查尔莫斯认为除去物理学所肯定的基本属性之外还存在着其他的基本属性，这个额外的属性就是意识经验。但是查尔莫斯的二元论跟笛卡尔式二元论并不是完全相同，它把意识经验看作是物质实体，因此从某种意义上来说它又是一种一元论。查尔莫斯认为，意识经验并非是独立存在的，而是在物理基础之上构建的，但单纯的物理特征和定律已经无法解释意识，需要新的特征和定律来解释意识。他假定存在着心理物理学原则，即能够将物理过程的属性和经验属性联系起来的原则，从而用来说明意识经验是如何产生于物理过程的。但是，为了说明意识经验的根本属性必须引入心理物理定律这样新的定律，这势必会对现存物理学定律做出修改，这一点仍值得怀疑。再者，该理论认为意识经验是非物理的，而身体是物理的，这两种是不相同的东西，那么心灵与身体是如何产生联系的呢？

综上可知，功能主义的回答实际上采取的是忽视和“曲线救国”的态度，因此并没有真正解决这一问题；还原主义开拓了哲学与自然科学创新性的融合，实现了从纯哲学研究到科学研究的转换，为意识的研究奠定了生物学的基础，这样，我们就能以全新的方法来对待意识的“难问题”。但部分属性之和是否就等于整体的属性这一问题还存在着疑问，就意识而言，意识的产生过程具有高度的复杂性，即便我们掌握了大脑某一部分结构的属性也很难解释意识经验问题，因此藉由部分解释整体的还原路径仍未能廓清意识之谜。而查尔莫斯的“自然主义二元论”是一种非还原的理论，他将意识经验看作是根本性的，不失为一种创新的解释方案，但其理论如何界定心灵和身体间的关系，曾经对于笛卡尔“身心二元论”的质疑也同样适用于查尔莫斯。鉴于上述三条径路的解释力度存在着局限性，并不能真正地解决意识难题，一些哲学家与科学家选择另寻他路，他们借助量子力学来解释意识问题，由此产生了将量子理论与意识相结合的量子解释理论。

二、意识的“难问题”的量子理论方案

功能主义、还原主义亦或是非还原性自然主义者都对意识的“难问题”给出了回答，但是这些方法在面对“难问题”上都有着很大的局限。随着量子理论研究成为热门话题，一些学者相信量子理论与意识问题之间存在着某种联系，试图借助量子理论来构建自己对于意识的解释，从而为研究意识开拓了新的视野。当前量子力学理论正试图建构出一种新的解释范式，呈现出意识问题研究的心理“物理化”的趋势。在相关理论中，最具代表性的是由彭罗斯(Roger Penrose)和哈梅洛夫(Stuart Hameroff)的 Orch OR模型(Orchestrated Objective Reduction Model)以及斯塔普(Henry P. Stapp)的心理物理理论。

(一) Orch OR模型

哈梅洛夫在泛经验主义的基础上结合他和彭罗斯的量子意识模型提出了一个新的解释，即Orch OR模型。通常泛经验主义者认为意识的经验是最基本的，是宇宙的一个内在组成部分，彭罗斯和哈梅洛夫认为感受质亦是如此。量子理论表明，在原子及其以下的微观尺度上，微观粒子可以处于量子叠加态，即在量子世界，物体没有固定的位置和状态。但在我们日常生活的宏观世界中，物体却有其确定的位置和状态，我们把这一确定状态称为经典状态。量子态到经典态的这一转换问题被称为量子态还原，也可以说是波函数塌缩。在此基础上，彭罗斯和哈梅洛夫认为，前意识或意识自身存在于这种普朗克尺度的时空几何中，并在各个普朗克尺度上保留着全部信息。当事物到达普朗克尺度时是不可再分的，在这样的尺度上时空失去了其稳定性，变得不再平稳，而感受质就是存在于这种普朗克尺度的量子信息。同时，彭罗斯和哈梅洛夫将人脑看作是一个量子脑，认为意识是量子效应在大脑神经活动过程中作用的结果，从而构建了量子意识模型，即Orch OR模型。

“在这个模型中，产生于亚基蛋白(微管蛋白二聚体)中的量子叠加态将会持续保持下去，直至达到一个质量—时间和能量(与量子引力有关)的临界值为止。在这一时刻，量子叠加态自我坍缩或者说客观还原突然出现。我们将还原前或量子处于叠加态的阶段等同于原(前)意识过程，并且将每一个即时的(非计算性的)客观还原或自我坍缩看成一个具体的意识事件。一系列的客观还原事件就导致了我们所称之为的意识流。微管联结蛋白能够调整相干叠加态的量子振荡。于是，客观还原是自我发生的，或者说是精心编制的，也可称为编制的客观还原。”[4]对于感受质这一问题，彭罗斯和哈梅洛夫把它理解为一种量子信息。哈梅洛夫认为，神经元内的微管起到细胞自动机的作用，在微管中，微管蛋白通过振荡作用会使其表面形成具有量子效应的叠加态，而这样的叠加态是不稳定的。按照彭罗斯的客观还原理论，每个叠加态都有属于自己的时空几何，叠加态中各态的质量差异决定了它们之间的能量差异，这样的能量差异会导致时空几何的分离，当量子引力达到了其分离的临界程度时，叠加态就会还原成为一个特定的经典状态。因此，微管内的量子态按照这样的客观还原塌缩成为单一态。通过这一量子过程，就会伴随着意识经验的产生。正如，“哈梅罗夫提出，玫瑰的基本属性，如红色、气味及其他特征，哲学家称之为‘感受特征’(qualia)的，其实是在非常基本的时空层面上的特定波动。由于时空几何结构由虚空构成，是全息的，所以我们的视网膜和大脑能通过量子过程和玫瑰的本质属性连接，从而在头脑里获取这些信息。通过量子过程，我们得以体验到红色、香味及其他性质，也在意识中以各种形状、各种形式体验着爱、善良、真实等感受特征，在意识中把这些特质理解为是外部世界的。”[5]

Orch OR模型在解释意识经验问题时，将意识经验看作是世界的基本属性，这对我们在物理基础上构建意识的解释则提供了新的思路。该理论建立在自然科学研究的基础之上，有其生物基础和物理基础，通过加入经验科学的成分，使得意识这一问题不再只是哲学家在扶手椅上思辨论证来解决的问题。Orch OR模型理论是一个大胆的假设，甚至带有很大的推测性成分，某种意义上尚未有充分的实验和经验证据支撑，但它提供了具体的、可检验的模型，就此而言，Orch OR模型理论就有继续研究的价值。

(二)心理物理理论

不同于彭罗斯和哈梅洛夫两人建立在量子引力理论基础之上的量子意识模型，斯塔普是在冯·诺依曼对量子过程的描述基础上构建了自己的意识理论，即心理物理理论。“心理物理理论的最核心的思想就是将某种选择行为，即从多重相互排斥且自持的神经兴奋模式中选择其中一种，作为物理世界中的图景和量子理论关于意识的一个创造性行为。”[6](P103)他认为意识是对大脑顶级神经层码的选择。因此，对于主观经验这一问题，他认为每个人的经验都是一种人的意识行为，而这种意识行为是一种顶层代码的选择。斯塔普认为大脑像一个计算机一样运作，而神经元兴奋的模式则构成了顶层代码，顶层代码能够指示低层次的处理中心根据外部刺激信息和记忆中的神经模式图像形成新的顶层代码，而这个新的顶层代码又可以将信息保存到自己的记忆中。也就是说，每一个意识行为的神经模式图像都是与之前的模式图像相关的。但是大脑中神经元的状态可以处于兴奋、抑制或者两者的结合，因此神经活动的模式是多样的，由此产生的新代码也将是许多代码的叠加。

在斯塔普看来，意识行为就是从这些叠加代码中选择一个，对应到量子理论中，每种代码就是一种量子态，而叠加代码就是叠加态，这种选择也就是波函数的塌缩。根据量子理论，宏观世界中物体的状态是由于波函数的塌缩，物体得以从多种状态塌缩成为一种状态。因此，斯塔普认为意识也是一种这样的过程，意识行为也就是大脑中多种神经兴奋模式塌缩到一种量子态。也就是说，我们会感到疼痛，是因为我们的大脑选择了一种顶级代码，这种代码能够启动将对身体造成损害的信息输入到神经兴奋模式中的行为。“通过对这种类型(疼痛经验)的分析，每个人类经验可以被看作是通过启动某些可感知行为的有意识行为，然后将该行为在物理世界中的表征看作是启动这些行为的顶级代码的选择。因此，人类意识(经验)在物理世界中得到了体现，如量子理论所描述的那样，它是一种精确运用主观经验的客观控制的属性。”[6](P110)心理物理理论目前仍处于较模糊的状态，其细节部分尚有待推敲和证实，例如对于多种神经活动模式如何进入到某一种神经模式，斯塔普将其归为纯粹的概率问题，并没有阐明其中具体的选择机制。

综上所述，两种量子解释方案是建立在不同的量子理论基础之上的。Orch OR模型理论需要引入“引力”这一概念，彭罗斯提出的状态还原是一种客观还原，而现今的量子理论提出的还原是一种主观还原，由此彭罗斯提出需要将引力效应加入到状态还原中。而将量子理论与引力结合则是迄今为止物理学领域仍未解决的问题，量子引力理论仍处于完善或补充的阶段，并没有一个完整的理论，在这一解决方案上，还有很多问题有待探索。心理物理理论是建立在对量子力学“正统”解释之上的，也就是说量子态的塌缩是一个概率问题，完全是随机选择的。但是他又将观察者的心理状态引入到了量子理论中，按照当前的量子理论的标准，斯塔普的心理物理理论方法则是“非正统”的，彭罗斯和哈梅洛夫的模型并非建立在现今的量子理论基础上，而斯塔普的方法和理论却建立在当今量子理论基础上，由此可知目前基于量子理论解释意识产生仍需要进一步地探究，特别是斯塔普的理论如何界定选择问题，如果能够合理地阐释清楚其合理性，那么这一进步有望带来认识上的巨大突破。需要指出的是，对于随机选择这一问题，斯塔普近来表示并不是随机的，而是由观察者心中积极或消极的价值观形成的，或者积极或消极地偏差带来这种选择，由此可以看出相关问题正在引发深入的思考。总之，上述两种解释方案均较为新颖，将量子理论与神经生物学进行了巧妙的结合，也为感受质问题提供了一种新的解题方式，尽管当下这两种方案还有抽象化或理论化之嫌，但有理由认为随着量子理论认识的深入发展以及当前的神经科学研究进一步深入，基于意识的量子理论有望在相关问题上取得较大的突破，而这将引发一场新的认识变革。

三、意识的量子解释方案的问题与意义

从量子理论的角度去诠释意识问题是近年来物理学研究者所热衷讨论的一个话题，迄今为止在这方面也产生了较多有影响的理论。相关理论能够带给研究者以更多的思考：一方面，对于物理学家来说，是否量子理论的作用范围就是外在的自然世界呢？人类的身体和大脑是否同样也在意识理论的适用领域和范围内；另一方面，对于传统的哲学家和神经科学家来说，使用物理学理论特别是处于最前沿的量子理论进行解释“扶手椅上的哲学”话题，这一结果引发的冲击是巨大的，哲学的建构、心灵的分析这类长久以来带有规范性标签的概念和话题，就不可避免地打上了自然主义的烙印，带上了描述性的符号。如此这般的冲击对于当下的神经科学哲学来说，不啻为一种带有颠覆性的思维观念，甚至可以说对当前的神经科学哲学的研究引入了一种祛魅化的色彩，由此心灵不再是不可捉摸的，而是一种和自然世界相同的基于物理准则下的适用领域。也正是在这个层面上，需要对意识的量子理论方案存在的问题包括其研究价值做出进一步的分析。

(一)意识的量子理论的问题分析

首先，目前为止还没有充分证据证明此类理论。量子意识理论是建立在物理学、化学、生物学甚至计算科学基础之上的，这些基础科学都能通过实验数据来得到证实，因此量子意识理论也会受到来自各个学科的反驳数据，例如彭罗斯和哈梅洛夫的意识模型，物理学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)表明，他计算出的退相干时间为(～10-13-10-20s)小于意识模型中的退相干时间(～10-3-10-1s)[7]，因此认定大脑中不会发生此模型所说的量子效应，从而否定了这一理论。类似的反驳一方面对量子理论提出了更高的解释力和相关论证；另一方面也引发了更多的辩护和支持，但基于当前量子物理学和神经生物学的情况来看，还需要更多的实验数据或者其他的证据来予以支持相关理论。

其次，就量子理论自身来说也存在着问题。虽然量子理论成功的描述了微观世界和宏观世界的相关方面，并因此被认为是物理领域最成功的理论，但这不代表它本身并不存在问题。量子测量即便在量子力学框架内仍有尚未解决的问题，还没有一个明确的物理或者非物理过程可以用来描述一个叠加的量子态是如何还原为一个特定的量子态的。除此之外，现今量子理论已经成功解释了除引力之外的三种力，而如何将量子理论与引力相结合则成为了物理学中另外一个尚未解决的问题。因此，量子理论本身就是一个处于探索的理论，而在此基础上来解释意识问题，则更加容易招致反对和批评。比如，“将心灵视为一种非物质现象，与创造和维持它的生物学不连续，有责任将心灵置于物理定律之外，这种区别通常不会影响其他大脑现象。这种奇怪的最显着的表现是试图将有意识的心灵与迄今为止未描述的物质属性联系起来。例如，用量子现象来解释意识。这个想法的基本原理如下：有意识的心灵似乎很神秘；因为量子物理学仍然是神秘的，也许两个谜团是相连的。”[8]

简而言之，量子的意识理论从诞生之日便受到了众多支持、质疑与批评，但截至目前仍没有确切的证据表明此研究方向是错误的。相反，越来越多的证据显示这样的理论也许是可能的，甚至引入量子理论是必要的。正如斯塔普所述：“如果不考虑量子力学，意识问题就无法解决。”[9]自然世界和人类的心灵此前一直是作为两个完全不同的范畴存在，一直处于两类不同的研究范式下，但如果量子理论真的被普遍证明能够很好地介入到心灵和意识的领域，这一认识的革命将开启一扇研究人类自身的大门，其意义如何强调恐怕都不为过，而这正是当前神经科学乃至哲学所努力构建的图景之一。

(二)意识的量子理论的价值探析

首先，在解释意识问题时引入量子力学打破了人们将心灵与物质对立或等同的传统观念。传统物质观念认为意识是大脑内物质相互作用的结果，或是将大脑状态与心理状态视为同一种东西，但这种解释明显忽视了主观体验或感受质的问题，从而导致在传统物理学框架下解释意识问题变得越来越艰难。而在量子力学的框架下，随机性这一因素的存在则为我们解释主观体验或感受质提供了可能性，越来越多的学者在量子理论的基础上构建理论，这有助于研究逐渐从传统范式走向新范式。

其次，意识的量子理论不仅吸收了神经科学研究的成果为其奠定了生物学基础，而且量子理论的引入为神经科学的研究开启了新的方向。神经科学的快速发展让我们对大脑神经的活动模式有了更深层次的了解，依照目前神经科学的研究成果，意识的发生受到了大脑活动的影响，不同神经元活动模式对应着不同的意识活动，但仍不能对意识活动的因果机制进行充分的说明。我们知道大脑中微观粒子的活动影响着神经元的活动，但对于其中的作用机制却还无从知晓，而量子理论涉及的是对微观事物的描述。因此，对于研究意识产生的因果机制来说，量子理论的引入对于神经科学的研究极为重要。意识问题的量子研究的未来方向将会是量子理论与神经科学之间的联系，从而为解释意识问题提供科学的基础。

最后，量子特性为我们解释意识或是大脑内神经元活动提供了可能性。量子系统中量子具有非局域性和纠缠性，这样的量子特性能够保证各个部分随时处于连接状态，同时这种相互作用不会被阻隔或是干扰。经典物理学通过叠加的方式来描述复杂系统，但是部分属性之和并不等于整体属性，例如分子由原子构成，但是分子可以呈现出所有原子均不具备的新特性，而量子理论采用的是乘法的方式，这样的方式可能为整体带来新的属性，从而保证了复杂系统的整体性。从这一层面上来看，量子特性保证了系统的完备性。如果说大脑是一个信息处理器，并且存在着大量的电子，能够通过这些微观粒子传递、分析各种信息，那么当电子具有这种量子特性的时候，相关理解模式就能推动我们对大脑内神经元活动细节的描述。

综上所述，量子特性的引入为心理状态与大脑运行之间的联系提供了可能性，并为我们研究意识问题提供了崭新的思路。目前，相关的理论尚未构建一个完备的系统，不能完整的阐释出意识的周边理论，还需要厘清一些重大问题[10]。正如查尔莫斯所认为的：“一个完整的意识理论不仅要说明哪个过程引起了经验，还必须要说明为什么引起经验以及是如何引起经验的。”[11]因此，意识的量子理论仍需进一步增强理论的解释力度、仍需进一步推进意识的量子理论的发展、仍需进一步寻求理论的实证性基础，进而最终在实践的基础上构建一个完善的意识理论。较为可喜的是，当下学界已经意识到意识问题无需局限于哲学或纯科学单一领域内，而是一个多学科交叉研究的问题。虽然在该研究方向和模式内还需要厘清一些重要的问题，而这将会为意识的量子理论解释带来未来发展的无限可能。