意识本能（下）

The Consciousness Instinct

如果我们想理解心智与脑之间的鸿沟，就必须深入挖掘另外一些大问题，例如生命如何由无生命的物质诞生。

本章的内容将告诉我们，为了搞明白有生命的物质与无生命的物质到底有何差别，我们就必须理解所有可进化实体所固有的二元性：即所有生命都可被分为两种状态。你将看到，物理学和生物符号学会告诉我们如何在不假借他手的情况下填补生命系统与无生命系统之间的固有鸿沟。这些学科的理念能告诉我们思考此类鸿沟问题的大体方法，以及具体到心脑问题上的研究思路，并为神经科学家指出一条破解层级结构中心脑鸿沟问题的途径，顺带提供描述层级界面的工作协议。首先，我们来看物理学。

物理学的起点与决定论

故事的起点是艾萨克·牛顿，以及发生在17世纪的经典物理学的华丽诞生。这就是我们中大多数人在学校里费劲学习的物理学。事实证明，那个关于苹果的故事竟然是真的。牛顿本人将其讲述给他的传记作者威廉·斯图克利（William Stukeley），说是大约在1666年的某一天，他坐在一棵苹果树下，开始思考：

为什么苹果总是垂直落地……为什么它不会斜着掉，或是向上跑？而是永远指向地心？毫无疑问，原因是地球在吸引它。物质中一定存在一种吸引力。并且，地球物质吸引力的总和一定在地球的中心，而不是地球的某一边。因此，苹果总是垂直落地，或者说落向中心。如果物质能像这样吸引物质，那么就一定与其大小成比例。因此，苹果吸引着地球，地球也吸引着苹果。

牛顿的外甥女婿约翰·康杜特（John Conduitt）讲述了牛顿随后如何想到这种吸引力可能不光存在于地球表面：“他对自己说，为什么不可能延伸至月球呢？如果是这样的话，那么它必然会影响月球的运动，或许还是保持其在轨道内运动的原因，于是，他开始计算这一假设所产生的影响。”没错，他的确进行了计算。牛顿将伽利略的斜面运动实验结果转化为代数公式，这就是我们所说的运动定律。伽利略证明，物体会保持固定的速度和运动轨迹，除非被施加外力；物体对运动改变具有天然的抵抗，即惯性；最后，摩擦力是一种力。最后这一条发现出现在牛顿第三定律里：所有的作用力都对应一个等大、反向的反作用力。牛顿对苹果落地的思考和计算让他发现了普世存在的万有引力定律，并发现被他写成公式的斜面运动原理同样能解释约翰尼斯·开普勒观察到的行星运动。这真是充实的一天！

接下来，牛顿真正揭示了世界的真相。他给出了一系列固定的、已知的数学关系，用以解释宇宙中所有物质的运作原理，从意大利室外地滚球到行星。这些法则是普适的，不可阻挡的。它们独立于观察者牛顿、开普勒和其他所有人存在。宇宙和其中所有的系统都在按照这些关于空间、时间、质量和能量的法则轰鸣运转，有没有观察者都一样。当林中有树倒下时，即便没有人在场，它也会发出声波。有没有人听到声音是另一回事，我们将很快看到，这其中的差异恰恰体现了生命起源问题的症结所在。

牛顿不仅在科学界掀起了波澜。当时有观点认为，如果牛顿的法则是普适的，那么，从理论上来讲，如果初始条件已知，那么物理宇宙中的每一个事件都是可以被预测的。这就意味着，万物都是注定的，包括你的行为，因为你也是这个宇宙中的一个物理实体。将初始条件代入公式，就能得出未来会发生什么，甚至包括你下周二下班以后要做什么。但这种想法忽视了一个关键要点。我们将看到，为初始条件定值的做法其实是由实验者做出的主观选择，而主观选择是一头披着羊皮的狼。事情没有那么简单。

牛顿法则似乎削弱了自由意志的力量，以及个体对自身行为所负的责任。决定论很快控制了物理学家们的想象力，随即，其他人也受到了影响。但是，尽管牛顿的世界观需要一定时间来适应，他的法则似乎能很好地解释人们在物理世界中观察到的大部分现象，并在接下来的两百年间一直处于不可动摇的地位。很快，牛顿物理学遇到了一个新的挑战，这个挑战与一个新发明有关：蒸汽机。1698年，第一台商品化的蒸汽机由军方工程师托马斯·萨弗里（Thomas Savery）申请专利，被用于给淹水的矿井排水。尽管工程师不断改进机器的设计，他们依旧无法解决一个问题：和烧掉的木头相比，蒸汽机所做的功实在是太少了。

早期的引擎效能很低，因为太多能量被浪费或丢失了。在牛顿预见的完全决定论世界里，这根本说不通，因此理论物理学家不得不出手解决这个能量消失之谜。很快，一个新的研究领域诞生了，这就是热力学，随之而来的是关于世界性质的理论改变。热力学探讨的是热量、温度与能量、做功之间的关系。当这些问题被解决后，物理学面貌一新，牛顿眼中的决定论世界看上去也发生了改变。

量子力学与因果关系的统计学观点

没过多久，蒸汽机难题催生了热力学的两大定律。第一定律称：一个独立系统的内部能量是恒定的。从本质上来说，这相当于能量守恒定律的另一种表达方式，后者认为能量可以从一种形式转化为另一种形式，但不能被创造或消灭。这与牛顿的决定论世界完全相符，但也是一个限制性很强的声明，因为它只对独立且可控的系统为真。

热力学第二定律使事情变得更有趣也更棘手，它引入了一种叫作“熵”的东西。第二定律指出，热量无法自发地从一个冷的地方流向一个热的地方。我还记得自己奋力理解这个概念的时刻。那是一个寒冷的冬日，在达特茅斯，我邀请一位物理学家来我的办公室开会。他刚刚步行横穿校园的中央绿地，户外的寒冷几乎冻住了他的外套。我开心地说，每当有人走进我的办公室，他们的衣物总会裹挟一股冷空气，让我感到一丝凉意。他看着我说：“你犯了个物理学错误。寒冷无法被传递给你，是你身体中的热传给了我，因为热量离开了你的身体，所以你感觉变冷了。”他让我意识到，热力学第二定律在帮助我们理解日常生活现象方面非常有用，这也顺便提醒我，我们的团队还需要聘请一位理论物理学家。

“熵”的概念最早由19世纪的德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）提出，用于描述“被浪费的热能”。它是一种衡量无法做功的热能的方法。物理学家身上冰冷的外套增加了我的熵，使得能用来维持我体温的能量变少了。热力学第二定律使得事情开始混乱。简而言之，对外套和蒸汽机来说，热量的交换都是不可逆的。起初，这对那些受牛顿思想影响、信仰决定论世界观的物理学家来说，是一个令人震惊的消息。突然之间，时间变得不再可逆：时间之箭只能向一个方向前进。这让热力学站在了牛顿的普适法则的对立面，后者认为万物在原则上都是可逆的。这个震撼学界的思想逐渐发展为另外一种理论，我们将在后面的内容中看到，该理论甚至与层级化结构和心脑鸿沟难题有关。

奇怪的是，在19世纪中叶，原子理论即物质由原子构成的理论已经被化学家广泛接受且发扬光大，却未能在物理学界成为共识。有一个物理学家开始对这个理论产生疑惑，他就是奥地利人路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）。他最出名的成就是提出了动力理论，用于描述气体中的大量原子和分子如何一刻不停地运动，在彼此之间和容器表面撞击、反弹，产生出随机的混乱运动。他将伽桑狄于17世纪提出的想法转化为一套艰深的科学，这就是如今我们所说的统计力学。如果将分子的种类和位置纳入考虑范畴，动力理论能够解释气体可被观察的宏观属性：压力，体积，黏度，以及热导率。

总体而言，玻尔兹曼的伟大洞见推进了我们对系统混乱度（熵）的定义，即分子运动的整体结果。他认为，既然分子时刻在四处反弹，热力学第二定律就不是一个死气沉沉的绝对性结论，仅在统计学意义上成立。也就是说，到底哪一个特定粒子会被转移是不确定的。当那件冰冷的外套出现在我附近，我的系统整体变得更混乱了。正如迈克尔·柯里昂（Michael Corleone）所说：“这不是私人恩怨，这纯粹是生意。”

在那些将宇宙看作遵循牛顿法则的绝对性系统的物理学家中间，玻尔兹曼的理论掀起了轩然大波。他们坚信，这个世界并非仅凭预测就能获知结果的统计学宇宙。因此，玻尔兹曼的理论遭受了反复攻击。令人悲伤的是，他因此深感沮丧和抑郁，最终于1906年在的里雅斯特与家人度假期间自杀了，不久以后，他的理论就获得了证明，他毫无疑问是正确的。

直至今日，物理学家还在被统计学法则困扰着。一方面，牛顿的法则是相对时间对称的，因此是可逆的。很显然，在牛顿定义的决定论宇宙中，事情总能递向发展。但统计学法则并非如此。一件事的发生如果存在一定概率，而非必然，那么它怎么可能是可逆的呢？结论是不能。如此看来，这两种描述真实世界的方法是矛盾的。要想应对这种二元论局面，我们需要新的思路。物理学家接受原子理论的过程很慢，但一旦接受以后，他们就开始在这条道路上飞奔，开足马力思考这个全新的世界。最开始，在1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）发现并确认了第一个亚原子粒子：电子。汤姆逊既是一位伟大的物理学家，也是一位伟大的教师。他因为学术成就受封爵士并获得了诺贝尔奖，不仅如此，他的8位研究助理和他的儿子也获得了诺贝尔奖。这个团队中的一员尼尔斯·玻尔最后提出了互补的概念。但这都是后话了。在接纳这个新世界之前，我们还需要更多证据。

德国理论物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）对熵的概念和热力学第二定律着了迷。起初他相信的是该理论的绝对正确性，而不是玻尔兹曼提出的那个稀里糊涂的统计学版本。尽管身为牛顿力学的捍卫者，普朗克还是意识到了熵产生的问题，从此深陷其中，坚信熵增才是这个不可逆的残酷现实。普朗克接受了不可逆的观点，但他期望能用经典法则对熵增法则进行严格的推演，从而证明后者的不可逆性。和大多数物理学家一样，他渴望用一个统一的物理学描述来解释一切。然而已有的理论都铩羽而归。

1894年，一个机会出现了，当时他正在执行一个特殊的任务——优化灯泡，让灯泡发光最大化的同时耗能最小。为此，他不得不着手解决一个如今被称为“黑体辐射”的难题。要想理解黑体辐射，不妨去野外生一个篝火。如果你把烤肉用的金属扦子伸进火里，很快就会发现尖端被烧红了。如果温度继续上升，颜色将从红色变成黄色、白色，最后变成蓝色。随着烤肉扦子内部升温，其表面开始向外以光的形式散发电磁辐射，也叫作热辐射。内部温度越高（能量越高），发出的光波长越短（频率越高），从而表现出颜色的改变。物理学家很快假设了一个理想物体，一个“完美”的辐射体和吸收体，它在冷却的时候呈现黑色，因为所有打在其表面的光都会被完全吸收。

这个完美物体被称作黑体，它发出的电磁辐射叫作黑体辐射。没有人能够用经典物理法则来准确预测黑体的辐射量及频率。牛顿法则在低频光（红光）辐射的情况下运行完美，一旦频率上升，预测结果就会完全跑偏。在数次经典物理学层面的尝试和失败之后，普朗克懊恼地转向熵的统计学概念。他引入了一个“能量子”的概念，并将能量看作“离散的量、由整数个有限等大的部分组成”，他还得出了一个公式，能够很好地预测黑体辐射。

当时，无论是普朗克本人还是其他人都没有意识到，他的辐射法则为一个全新的概念奠定了基础，正是这个概念彻底改变了我们看待世界的方式。这是我们对量子世界的惊鸿一瞥。普朗克的发现还表明，可能不存在统一的基础法则或宇宙模型。有些人或许会说，这是往牛顿决定论世界观的棺木上敲的第一颗钉子。

有趣的是，普朗克自己也被辐射理论的准确性给逗乐了，还说这种特定的能量子“是单纯的假设，其实我还没想好”。普朗克没有完全理解自己用数学技巧意外发现的新概念，即微观物体与宏观物体性质不同。哇！普朗克无意间抽出了一块关键的砖头，使得他钟爱的大一统理论大厦顷刻坍塌。

The Consciousness Instinct

量子世界的发现不光改变了人类对宇宙的理解，还让我们认识到真相存在两个不同的层级，每个层级都有自己的语言和规则。和任何复杂系统一样，每个层级有自己的工作协议：在原子层级，事物按照统计学规律运作，宏观物体则遵循牛顿的法则。

由于缺乏层级化结构概念，认知论学派简直要发疯。这群研究“我们如何认识世界”的学者乱成一团。大一统理论失效了。物质的运作原理似乎有两种解释——这就是互补原理。

物理学家在无意中接触了这一全新理念，此时他们刚发现光既具有粒子的特性也具有波的特性。这就是物质的互补，是一种二元论。他们与这种观点抗争了数十年，但最后还是接受了它。最近，研究者捕捉到了一个令人难以置信的画面：在同一时间，一部分光子展现出了波动特性，而另一部分光子展现出了粒子特性。尽管如今互补原理已经被物理学广泛接纳，但还没有多少人相信它会是解决心脑解释空缺的关键。我认为互补原理应当是一个重要的概念，所以首先想了解一下物理学如何接纳这个看似古怪的理论。理解它被物理学接纳的过程后，互补原理在生物学以及心脑鸿沟问题上的重要性也将不证自明。

互补原理的诞生

1901年，22岁的阿尔伯特·爱因斯坦获得了物理学和数学教师资格证，他加入了瑞士国籍，开始了艰难的求职之路。没有任何一家教育机构愿意聘用他。他最后在伯尔尼专利局谋得一职，成了一位“三级技术专家”，同时兼职做家教。在这段人生低谷里，他和几位好友组建了一个名叫奥林匹亚科学院的研讨小组，经常聚在一起进行思想碰撞。

1905年是爱因斯坦的奇迹之年，他在这一年提出了4个伟大理论，将物理学推进了一个完全不同的宇宙。他创立了光的量子理论，明确了光线中的能量是一份一份的（后来被称为光子），且能量只能以微小的、离散的量进行交换。这里的“小份能量”不再是那个把普朗克逗笑的、能让公式变漂亮的数学技巧。在那之前，人们一直在争论光到底是一种波还是一团小粒子。将光视为一种波能解释许多现象，诸如光的反射和折射、衍射以及偏振。但是，波动理论无法解释光电效应：当光打在金属平面上时，金属表面可能会弹射出电子（在这个例子中也被叫作光电子）。

起初，物理学家并没有把这当回事。根据光的波动理论，他们推测光越强（光波幅值越大），金属表面弹射出的电子能量也越大。但是，事实与此恰好相反。逸出的电子能量与光强无关：当光波频率固定时，无论光是亮是暗，金属表面弹出的电子能量都一样。一个意外的发现是，真正能增加表面弹出电子能量的方法是提高光波的频率。然而，如果光是一种波，这个结果就说不通。这就好比说当海中巨浪或小水波击中一个沙滩球时，球弹起时的能量竟然是完全相同的。爱因斯坦意识到，只有将光视为粒子，并认为光粒子与金属中的粒子发生了互动，才能够解释这些现象。在他的模型里，光由独立的量子（后来被称为光子）组成，量子与金属的电子发生了互动。每个光子携带一份能量。增加光的强度相当于增加单位时间内光子的数量，但每个光子携带的能量保持不变。几个月后，爱因斯坦为硕果累累的这一年又增添了一份新的成就，他发现光也可以是一种波。光的确存在于两种现实中。

爱因斯坦一路势如破竹。他找到实验证据证明原子的存在，结束了关于原子存在与否的争论，并为统计物理学的应用点了个赞。为一切锦上添花的是，他还创立了相对论，并提出了著名的E=mc2公式。物理学界花费了好一阵子才理解了这些新思想，短时间内爱因斯坦也没有获得太多关注。这些工作的直接影响不过是为他赢来了一次升职，现在他是“二级技术专家”了。

一旦物理学家们搞清楚原子理论并追上化学家的进度，他们很快就发现，与其说包括亚原子粒子、原子和分子在内的这些构建万物的微观粒子不遵循牛顿的法则，不如说它们公然蔑视这些法则。一个有力的证据是，围绕原子核旋转的电子在失去能量后，并不会像牛顿定律所预测的那样一头扎进原子核，而是继续旋转。怎么会这样？

1925年至1926年，一群物理学家进一步发展了量子理论，其中包括哥廷根大学的沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）。他频繁造访尼尔斯·玻尔在哥本哈根的研究所，旨在研究三个难题：黑体辐射现象、光电子效应以及旋转电子的稳定性。不管乐不乐意（很多人不乐意，其中就包括普朗克和爱因斯坦），物理学家们纷纷脱离了牛顿的决定论世界，这是一个物理“层级”，我们生活于其中，它能被我们看见也能被我们触摸，是一个能被大一统理论解释的世界。他们转向了一个底层层级，一个不可见、反直觉、遵循统计学规律、不确定的量子力学世界。他们从一个非黑即白的世界来到了一个充斥着灰色答案的世界：一个同时拥有另外一个工作协议的层级。

举个例子，思考一下光反射现象。当光子击中波粒，4%的粒子会被反射，余下的则被吸收。是什么决定了哪些粒子被反射？历经多年研究，用尽各种方法，答案似乎是：随机。特定光子是被反射还是吸收，这是随机的。理查德·费曼曾提问道：“我们是否会沦入这样一种恐怖的境地，即物理学不再是美妙的语言，而是沦为概率？是的，我们已经沦陷了，这就是如今的境况……尽管哲学家曾说过：‘科学的必要条件是设定完全相同的二次实验会产生完全相同的结果。’并非如此。你做25次实验，结果有时向上，有时向下……无法预测，完全随机……这就是现实。”世界是不确定的。当时的物理学家对此深恶痛绝。即便是爱因斯坦，这个打开通往不确定世界的大门的人，也想狠狠把门摔上。他对这一理论给决定论世界与因果关系可能带来的影响充满疑虑，并说出了那句名言：“上帝不对宇宙掷骰子。”但是，如果想成为优秀的科学家，物理学家就必须抛弃先入为主的思想，接纳实验发现的事实。

在思考古怪的量子世界时，不要忘记我们已经习惯了遵循牛顿物理法则的宏观世界。常识，也就是我们普通人所掌握的关于宏观世界的物理知识，不能帮我们理解量子世界。它和我们体验过的世界完全不同。放下你的直觉，直觉在这里没有用，甚至还会成为负担。费曼曾经准备了一堂轻松的物理课，他用下面这样一则免责声明来传授量子原理：

你之前见过的东西给你带来的体验是不充分的，是不完整的。在微小的尺度上，事物的表现完全不同。它们不只像粒子。它们不只像波……（电子）和你之前见过的任何一种东西都不同。有一种简化的方法，从这个角度来看，电子的运作原理和光子完全一样，即它们都很古怪，但古怪的方式完全相同。理解它们需要强大的想象力，因为我们将描述一种和你已知任何事物都不一样的东西……它与你的经验不符，从这个角度来看，它是很抽象的。

他接着提到，如果你想学习物理规律的特征，就必须谈论这一点，“因为这是自然界所有粒子共有的特征”。

我们是看不见微观的量子世界的。这意味着，要想研究它，我们就必须使用某种测量手段。这就涉及宏观世界中的一些仪器，它们也由原子构成，这些原子会与我们想观察的粒子发生作用，扰乱它们的正常活动。这种扰动会让系统发生变化，变得与观测前不同。简而言之，似乎出现了一个不可避免的测量问题。窥探量子世界很难，我们需要新的思路。

现在揭开答案：结果证明，就如爱因斯坦发现的那样，光既是一种波也是一种粒子。几年后，科学家发现物质也一样：电子也同时拥有光和粒子的属性。物理学家很快接受了这种观点，即我们在宏观世界认为是连续的东西（而不是几十亿个独立原子），比如餐桌，不过是一种被模拟出来的平均过程，应用数学家、物理学家和博学大师约翰·冯·诺伊曼后来将之称为“一个本质上是不连续的世界”。他还说：“这种虚拟过程即人通常感知到的是数以十亿计的、同时发生的基础过程之总和，根据大数定律，单个过程的真实属性就被完全隐去了。”所谓“大数定律”，指的是这些粒子的运动会彼此抵消，因此桌子能待在一个地方不动，而不是在地板上跳肚皮舞。但是，我们所看到的固体桌子其实是一个幻觉，一个符号表征，它是由我们的大脑创造出来的，用于指代真实存在的物体。这个幻觉非常逼真，也能给出足够多的信息，使得我们能够高效地在这个世界上生活。

因“盒子里的猫”出名的奥地利物理学家埃尔温·薛定谔同样迫切希望修复这个符合因果关系的决定论世界。他提出了后来被称为“薛定谔方程”的公式，一个用于描述量子力学波动方式及其随时间变化的“法则”。这条“法则”是可逆的、符合决定论的，却无法描述系统的整体状态。它没有将电子的粒子属性纳入考虑，薛定谔特意回避了这一点。这条法则无法确定一个电子在特定时间所处的轨道位置。它只能对电子特定时间所处位置即所谓量子态给出一个基于概率论的预测。

为了确定电子的位置，就必须进行某种测量，对顽固的决定论者来说，这就是麻烦的开始。一旦做出测量，电子的量子态就会发生坍缩，这意味着各种可能的状态坍缩为一个，也就是所谓的“叠加态”。当然，观测行为是不可逆的，引发的坍缩效应对系统造成了限制。在接下来的几年里，物理学家发现，无论是经典概念中的“粒子”还是“波”都无法完整描述量子尺度下物体在给定时间点的状态。正如费曼的打趣：“它们的表现不像波也不光，它们像量子力学。”

于是轮到丹麦的电子专家、诺贝尔奖获得者尼尔斯·玻尔出手相助了。他花了几周时间独自一人在挪威滑雪，同时思考关于电子和光子的两种形态问题，等到回家时，他已经构思好了互补原理的框架，其中波粒二象性被用作一个典型例子。该原理认为，量子物体具有互补属性，因此对它们的观测和理解无法发生在同一时间。正如吉姆·巴戈特（Jim Baggott）在《量子故事》（ The Quantum Story）中所写：

玻尔意识到位置-动量和能量-时间的不确定性关系其实体现了经典波动和粒子概念的互补关系。所有被实验观察的量子系统都同时拥有波的行为和粒子的行为，在对实验方法的选择上，无论选择从波的角度还是粒子的角度观察，都不可避免地会造成测量对象的不确定性。这不是海森堡所说的因为测量方法“太粗糙”而导致的不确定性，而是我们对手段的选择迫使量子系统只向我们展现出一种形态，而不是另外一种。

这里又一次提到，在特定时间点上，你可以测量电子的位置或者动量，但二者无法同时发生——就像电子的波属性和粒子属性。当你瞬时测量它在某个时间点的位置，电子是待在一个位置不动的，因此，它的另外一个属性——动量消失了。在这个时间点上，我们不可能测量它的动量。你可以推测其概率，但无法给出确定数值。当我们试图测量成对属性中的某一个时，系统就会产生互补性。一个系统同时拥有两种描述模式，且二者不可相互替换。

玻尔花费了6个月的时间来完善这一理论，并在1927年的科莫会议上首次对其进行了介绍，大会是为了纪念亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）的百年忌辰而召开的，听众全是当时杰出的物理学家。爱因斯坦没有参会，直到一个月以后玻尔在布鲁塞尔第二次作报告时，爱因斯坦才得知他的理论。爱因斯坦不喜欢双重描述和不确定性的概念。他和玻尔开始了长达数年的交锋。爱因斯坦会想出一个例子试图击溃量子理论，玻尔则给出与量子理论相符的论证来解决他的问题。从那时起，为了支持爱因斯坦，物理学家们提出了很多设想，做了很多实验——结果都失败了。尽管在决定论派那边不受待见，玻尔的互补原理一直立于不败之地。

他们争论的根本在于客观性的定义与物理学的本质。罗伯特·罗森解释了个中症结：

物理学的底线是保持“客观性”。这就假定在客观事物和非客观事物之间存在清晰的界限，而前者在物理学的管辖范围之内。关于辖区之外事物的观点是分裂的。有些人认为，不管外面有什么，它们之所以在外面是因为现有理论技术不完善，因此这个问题是可解决的、暂时的，也就是说，物理辖区之外的事物能被“简化”为辖区内已有的事物。另外一些人则认为，二者界限是绝对存在的，不可逾越。

玻尔属于后一种人，他提出，光到底看上去像粒子还是像波，不取决于光的自身属性，而取决于我们的测量和观察方法。光和测量一起都是系统的一部分。对玻尔来说，经典物理学世界太狭隘，无法描述物质的全貌。对他来说，宇宙和其中的物质太过复杂，仅有单一层级以及其间由经典物理学法则组成的单一工作协议是不够的。罗森提到，玻尔改变了“客观性”概念本身，从原本的只适用于物质系统变为适用于物质系统与其观察者的组合。爱因斯坦无法接纳这个观点，把宝押在了经典物理学上，而经典物理学忽略了测量过程，将测量的结果视为光的固有属性。对爱因斯坦来说，物体的客观性意味着其独立于测量和观察方法。罗森如此总结道：“爱因斯坦相信存在某种真相，其为物质所固有，而与引发这种真相的手段无关。玻尔认为这种观点是‘经典的’，与量子世界观不相容，后者需要指定条件，而且条件总包含一些不可分解的信息。”

玻尔的互补原理可不仅仅是一场对手是爱因斯坦的趣味科学辩论赛。我们将看到，它其实是理解心脑问题的基础。

第8章　从无机到生命，从神经元到心智

无名，天地之始；有名，万物之母。

老子

中国古代思想家

在寻求对物质更精准的理解的道路上，物理学家遭遇了互补原理，即所有物质都能同时以两种状态存在。接受这种二元论概念不仅能拓宽物理学边界，它还要求我们发展新思想来理解自然世界，超越我们从过往对自然现象的亲身体验中获取的想象力。如今，研究心脑二元论的学者也需要拓宽自己的思维和想象力。我们需要有人能跳出前人在过去2500年间制定出来的、塞满了人类知觉与传统智慧的陈旧框架。我们需要有人能跟上现代物理学的兴衰浪潮，正是后者发觉了互补的重要性。我们需要有人能认识到，过去几千年的努力其实已经被哲学家浪费在了错误的方向，企图在高度进化的人类大脑中寻找答案。我们需要像霍华德·帕蒂（Howard Pattee）这样的人，他是一位毕业于斯坦福大学的物理学者，后来在纽约州立大学宾汉姆顿分校开启了一段硕果累累的学术生涯，并且投入了理论生物学的怀抱。帕蒂热衷于观察人类思想，他觉得哲学家解决心脑分离问题的切入点似乎选在了进化论错误的一端。通过毕生的研究，帕蒂得出了一个惊人的结论：二元论是所有具有进化能力的实体所必需且固有的属性。

帕蒂并不在意物质脑与非物质心智之间的鸿沟。他挖掘得更深。问题的根源即最原始的鸿沟早在大脑出现之前就已存在。无生命物质与有生命物质之间的鸿沟是一切鸿沟之母。这一基本问题从生命诞生于地球之时就已出现。

The Consciousness Instinct

我们不应当只着眼于物理的脑与灵性的心智之间的鸿沟。我们必须理解，构成无生命物体的物质聚合体与构成有生命物体的物质聚合体之间到底有何区别。生命与无生命之间的鸿沟是心脑鸿沟的根源，为解决心脑问题提供了框架。

我们需要一点时间来适应帕蒂的观点，它为我们带来了一条重要的警示：我们若想理解意识这一完全由生物系统进化而来的概念，就必须首先理解生物系统为何有生命、为何能进化。到底是什么将事物划分为两个领域，一个有生命，另一个没有？我们中大多数人都思考过“生命从物质中来”这个问题，但几秒钟后就会发现这实在是太难了，于是很快把它抛在脑后，开始处理眼前的事务。帕蒂不是大多数人。他在还是一个青少年时就迷上了生命起源问题，那是在20世纪30年代，他在寄宿学校初次涉足科学领域。他的校长兼科学老师保罗·卢瑟·卡尔·格罗斯博士（Paul Luther Karl Gross）给他一本书让他在暑期阅读。这可不是普通的暑期消遣。那本书是伟大的数学家、统计学家卡尔·皮尔逊（Karl Pearson）所著的《科学规范》（ The Grammer of Science）（于1892年首次出版）。

帕蒂当时很困惑，为什么校长要给他一本看上去过时的科学读物，它问世时甚至还没有量子理论。但是，在“生物学与物理学的关系”一章里，帕蒂发现了一个促使他思考数十年的问题：“如果生命与无生命物质从概念上都能用无机元素的运动来描述，我们是否有可能将二者区别开来？”帕蒂看到了这一问题的逻辑，但他也明白用同样的法则来解释有生命和无生命物质的做法并不够好。事实上，这根本不构成解释。这个故事还有更多层面。

量子力学使人头疼

能拥有一位如此杰出的校长，帕蒂真的十分幸运。为了激发学生们的思想，格罗斯博士经常带他们参加最前沿的科学活动，其中包括诺贝尔奖获得者莱纳斯·卡尔·鲍林（Linus Carl Pauling）在加州理工学院的夜间讲座。整整一晚，帕蒂聆听鲍林介绍著名的“薛定谔的猫”的悖论，即在同一时间猫可以是活的也可以是死的。具体来说是这样：一只猫被关在金属密室，里面同时还有一小块放射性物质和一个用来测量放射水平的盖革计数器。根据这块物质的放射衰减率，在1个小时之内，有50%的可能不会有任何一个原子发生衰减。当然，还有50%的可能会发生原子衰减，如果衰减发生了，就会给盖革计数器的管子充电。在这个奇怪的装置里，盖革计数器充电后会释放一个锤子，打碎一个装有氢氰酸的小烧瓶，从而把猫杀死。这个精巧的设计创造出了一个情景，即1个小时后，有50%的可能猫还活着，还有50%的可能猫已经死了。听上去很奇怪，但是倒也说得通。然而在量子力学中，这个现象并不会被描述为存在两种结局的可能性，而是会被说成是一个普西函数，一种描述系统全部量子态的方法。对可怜的薛定谔的猫来说，它的普西函数将是活猫与死猫同在！坐在台下的帕蒂一头雾水。量子力学作为一个能有力解释所有化学过程和绝大部分物理学过程的理论，怎么会提出像“薛定谔的猫”这样一派胡言的问题？这让他开启了一段寻求个中答案的毕生之旅。

这个让年轻的帕蒂困惑不已的问题也被叫作测量问题。我们在第7章曾讨论过，量子系统具有成对的互补属性，无法被同时测量。在量子层面，测量之所以会带来额外的麻烦，原因有三。第一，测量需要有观察者，一个与被测量物体分离的人物或工具。第二，（不可逆的）测量过程不受经典物理学法则控制。第三，测量具有随机属性，即观察者对测量的时间、地点、对象及表述测量结果的符号（本身即具备随机性）的选择。测量过程具有选择性，被测对象的大部分属性其实是被忽略的。比如说，我想描述你这个人，我应该选择哪一项测量方法来捕捉你的特征？我决定测量你的体重。我将用一个体重测量结果来描述所有人生阶段的你。我该在什么时间来测量呢？你的婴儿期，还是等到你成年，20岁，35岁，或是60岁？感恩节前一天还是后一天？到底哪个时间最有代表性？单体重一项能很好地测量你吗？要不要同时测量身高和体重？测量本身可能是精准客观的，但测量的过程是主观的。

测量过程具有随机性，这意味着它无法被客观的法则描述，无论是量子法则还是经典法则。这就给所有物理领域带来了一个问题，而不仅仅是量子多样性。为了预测一个系统的未来状态，物理学家必须知道系统的初始状态。怎么做到呢？通过测量系统的初始状态。但是这种测量是随机的，在测量的过程中，物理学家会对初始状态造成干扰。决定论者在认为世界是完全可预测的时候，往往忽略了初始测量的主观性。但是，这个问题是无法逃避的。不管你如何努力成为一名客观的观察者，测量行为本身就已经为系统引入了主观性。“测量问题”给物理学家带来了巨大冲击，但这或许正是神经科学所需要的。

断面与生命起源

物理学家将个体（测量者）与物体（被测量者）之间无可避免的分离称为断面（die Schnitt）。（多么美妙的一个词！）帕蒂称“这个无法回避的概念分离，关于认知者与被认知者或是事件的符号记录和事件本身，即为认知断面”。在负责记录事件的观察者的世界里存在一套行为。事件本身则又是另一套行为。这听上去让人很迷惑，但想想你对一个事件的主观体验（比如“徒手冲浪真开心”）和事件本身（一个人在海里游泳）之间的解释空缺。或者，你也可以思考一下同一个主观体验（“真开心”）与脑中发生的事情（一个人在海里游泳，一些神经元被激活）之间的解释空缺。这些都是物理学中的主观与客观互补关系的例子。真正疯狂的地方在于：谁来观测这些事件？要想发现主观体验与客观真实之间的差别，我们需要科学家来帮忙吗？谁又来观测科学家？

帕蒂指出，无论是经典理论还是量子理论，都没有正式定义个体，即决定测量角度的工具或观察者。因此，物理学无法决定在哪里切开认知断面。但是，量子测量方法不需要物理学家当观察者。帕蒂认为，其他东西也能进行量子测量。例如，酶（如DNA聚合酶）可以充当一个测量工具，对细胞的复制过程进行量子测量，不需要人类观察者参与。

年轻的帕蒂也不想掺和的“薛定谔的猫”之所以说不通，并不是因为猫或盖革计数器，而是因为人类进行的这样一个奇怪的实验。在薛定谔的思想实验里，猫被描述为一个普西函数，既是活的也是死的。这种状态会持续至我们打开盒子进行观测的一刻；也就是说，我们将看到一只活猫或一只死猫，而不再是二者兼有。观测干预（人类打开盒子）的结果看似瞬时且不可逆，且该结果的物理表现（活猫或死猫）是随机的。既然所有微观事件都应遵循可逆的量子力学法则（比如薛定谔方程），这种情况为何会发生呢？帕蒂指出，正是不完全的观测模型导致薛定谔的猫在被观测之前生死不明。他说：“正是人类相信意识会瓦解波函数，才产生了“薛定谔的猫”的问题。”事实上，薛定谔在写下这个关于猫的例子时，是为了说明这个概念有多么荒谬。他想证明量子叠加对宏观物体来说不存在，例如猫（狗和人也一样，在这种情况下）。

薛定谔跟我们开了一个玩笑。他试图指出我们对事物的理解缺乏某个环节。帕蒂（在高中的时候）明白了这一点，并开始着手解决这个问题。我们应该在哪里打开突破口、鸿沟或是断面？出于对生命起源的浓厚兴趣，他逐渐发觉人类意识在生物体结构中所处的层级实在太高，以至于并不适合被用于当作观察者与被观察者的认知断面。亚原子粒子与人类大脑之间存在无数的层级。事实上，无论是猫、老鼠、苍蝇还是蠕虫的脑，它们和亚原子粒子之间都存在足够多的层级。将认知断面放在如此高的层级，就会出现薛定谔的猫能以量子系统存在这样的无稽之谈。帕蒂没有畏手畏脚，而是直接提出：“我认为，量子力学中的观察者问题一定出现在初期，其复杂度远不如脑。事实上，我提出……量子与经典行为之间的鸿沟存在于无生命物质与有生命物质的差别之中。”

这样我们就明白了。帕蒂提出，类似量子观测过程引起的鸿沟开始于生命起源时期的自我复制活动，当时细胞是最简单的生命形式。认知断面，无论是主观与客观之间的断面，还是心智与物质之间的断面，都源自生命起源时期的那个原始断面。主观感受与客观神经放电之间的鸿沟并非诞生于脑的出现。早在第一个细胞诞生之时，它就已经存在了。生命本身就存在两种互补的行为模式、两个层级的解释方法，这种二元论出现于生命初始，并在进化过程中一直得以保留，是区别主观体验与事件本身的关键。这真是一个令人晕头转向的想法。

符号中的生命：冯·诺伊曼的引导

尽管组成成分相同，有生命的物质的运作方式似乎与无生命的物质截然不同。为什么二者之间会存在差异？难道有生命的物质作弊了，违反了我们所知的掌管无机物质的物理学原理？帕蒂认为，有生命的物质之所以区别于无生命的物质，是因为它们具有复制和随时间进化的能力。那么，如何才能做到复制和进化？

约翰·冯·诺伊曼出生于匈牙利，是一位数学天才，一个充满活力的享乐主义者，他的学术贡献就像他对生活的热情一样令人瞩目。他出身于布达佩斯的一个犹太贵族家庭，临终前却接受了一位天主教牧师的祈祷——他开玩笑说，自己这是在践行帕斯卡的赌局。在他人生中的某一个时期，他加入了普林斯顿高等研究院，据称他经常用留声机最大音量播放德国进行曲，差点把爱因斯坦逼疯。

在那个年代，学术界的氛围十分活跃。薛定谔刚于1943年在都柏林发表了划时代的演讲《什么是生命》，其间他提出了某种“编码脚本”的概念，与细胞的分子机制恰好吻合。等到了20世纪40年代晚期，冯·诺伊曼也为自己提出了一个关于生命问题的思想实验。什么是生命？或者说，有生命的物体是怎样的？一个答案是，它们能复制。生命能创造出更多生命。但是，逻辑告诉他“实际发生的比自我复制高出一个等级，因为生物体似乎可随时间推移变得愈发精巧”。

生命不仅能创造更多生命，还能增加复杂度，它能进化。冯·诺伊曼开始对一个问题产生兴趣，即若想把一个可进化、自动、能自我复制的机器（或“一个机器人”）放在一个能与之互动的环境中，在逻辑上有哪些先决条件。通过逻辑推理，他得出了结论，认为机器人需要一个关于如何进行自我复制的说明，以及一个关于如何复制这个说明的说明，好把它传递给全新的下一代机器人。原始的机器人还需要一个用于完成制造和复制任务的机制。它需要信息和制造。但是这只能实现生命的复制能力。冯·诺伊曼继续推理，认为必须添加某种机制，使得机器人获得进化能力，变得能自我提升复杂度。他最后总结道，机器人需要一个符号化的自我描述，一种基因型，一种独立于描述对象即表现型的物理结构。现在，我们需要有某种代码来连接符号化描述与其所指代的内容，这样一来，机器人就能进化了。我们很快会看到原因。

事实证明，冯·诺伊曼押对了宝。他在沃森和克里克之前准确地预测了细胞的复制方式。打一开始，在生命起源的时刻，在单分子层级，当DNA还是大自然母亲的一个设想，可进化的自我复制能力就已存在两大要素：

·　撰写与读取遗传记录的方法，以某种符号形式存在。

·　截然不同的描述过程与建造过程。

这场小小的思想实验结束后，冯·诺伊曼开始研究其他问题。但是，他的工作其实是未完成的：他没有提及实现这套逻辑的物理基础。于是，帕蒂摩拳擦掌地接下了这项挑战。

符号的物理学：帕蒂按下了起始键

我们通常会认为符号是抽象的，而非遵循物理学规律。但是，作为科学家，我们就是一群物理个体，志在寻找遵循物理学规律和法则的物理学证据。冯·诺伊曼的符号一定存在物理属性。帕蒂将之称为“符号物理学”，随之而来的是几个问题。第一个问题出现在遗传记录即信息描述的撰写和读取上。涉及记录过程的描述是一种不可逆的观测，需要某种观测者的参与，我们将在后续的内容中讲到这一点。帕蒂意识到，生命起源时刻的信息描述过程与量子力学的测量问题撞了个满怀。测量是主观的，意味着它们无法被客观法则描述，无论是量子法则还是经典法则都不行。任何一种有生命的物体在“记录”信息时，都为系统引入了某种形式的主观性。

第二个问题出现在基因型与表型之间的关系。例如，以DNA为例，基因型指的是包含生命体指令的DNA序列。表型指的是生命体可被观察的特征，诸如其解剖结构、生物化学表现、生理活动以及行为。基因型与环境互动产生表型。如果我们将其切换到日常生活场景，蓝图相当于房屋的基因型，而实际建筑相当于表型。表型建造过程就是根据蓝图信息指导建造房屋的过程。表型与描述它的基因型相关，但是基因型与表型，甚至是表型的建造过程分属完全不同的物理世界。例如，基因型是不变的；它是一个静止的、一维的符号序列（比如DNA的符号是核苷酸），没有能量与时间的限制。就像你在电视剧《犯罪现场调查》里学到的一样，它就像个蓝图，能在角落里静静地待上数年。基因型指定了建造的对象（比如一条特别可爱的狗），但DNA本身无论是外表还是行为都和可爱的狗子不沾边。另一方面，表型（可爱的狗）是动态的，需要消耗能量，如果是边境牧羊犬的话尤其如此。

表型的建造过程同样与基因型相关。蓝图禁止建筑工人给民居造塔楼，类似的，基因型也限制了这条可爱的狗会有多少条尾巴。这种联系是如何构建的？从蓝图到房屋，以及其间诸如浇灌水泥和敲钉子的过程，它们的关系是什么？遗传记录不光包含了建造对象的信息，也包含了建造方式的信息。主观的记录符号（基因型）和表型建造过程及表型本身之间存在一条鸿沟。在建造开始时，符号必须被翻译为其所指内容。如果从层级化结构的角度来考虑这个问题，这就相当于两个层级之间的工作协议。帕蒂提出，这两个层级之间的控制界面才是认知断面的所在地。在DNA的例子中，基因型和表型之间的桥梁是遗传编码。在蓝图的例子中，桥梁则是建筑承包商为施工人员解释蓝图内容。

帕蒂延展了冯·诺伊曼的逻辑，称负责编造指令（遗传记录）的符号必须拥有一个物质结构，并且在表型制造过程中（建造新的机器人），该结构能依照牛顿定律约束这个过程。这里没有什么魔术戏法。符号都是物理结构，一串遵循经典物理法则的核苷酸。

重点来了：符号是随机的，无论是DNA中的一段核苷酸序列，一段摩尔斯电码，还是一段心理模拟。想想一直处于变化状态的俚语，你就很容易理解符号的随机性。例如，“本杰明”（Benjamins）、“票子”（simoleons）和“面团”（dough）都曾是美语中风靡一时的用于指代“钱”的符号，尽管用法都很随意。每种语言都有自己的一套符号，就如喜剧演员史蒂夫·马丁（Steve Martin）曾经警告前往巴黎的游客说：“帽子说成chapeau，鸡蛋说成oeuf。那些法国人好像不管什么东西都有另外一种说法”。问题在于，牛顿法则可不随机。如果牛顿的固定法则掌管符号系统，那么全世界所有人都会用同样的词来表示“钱”，次次如此，直至永恒。遗憾的是，用于传达信息的符号可以有很多种。每种符号性质不同，各有各的优缺点，但由于符号区别于物体本身，二者无法建立完全一一对应的关系。

你或许不同意DNA和语言一样具有随机性，认为存在物理化学限制。但是，符号的选择并不遵循物理法则，而只是遵循一个规则：所选符号应能携带对系统来说最有用、最可靠（稳定）的信息。我们将看到，DNA的组成原件本身就是从一系列备选中挑选出来的，以更好地限制其所属系统的功能。符号如果是稳定的，就能进行传播。目前DNA的组成部分属于帕蒂所说的“被封冻的偶然事件”。符号系统其实包含了能适用于多个历史阶段的版本（注意其本身与时间无关），而不仅仅适用于当前环境。因此，回到钱的例子上来：如果只有一小撮人把钱叫作“贝蒂”，那么它就不是一个可靠的符号，因而不会被选择，也不会被传播。

这是一个有点令人困惑的概念，因为在我们的社会中，“规则”和“法则”是可以互换的。我们会将诸如驾驶规则一类的东西称为“法则”。帕蒂解释说，法则和规则在本质上存在一个基本且重要的区别。法则是不可改变的，这意味着它们无法变动，无法逃离，无法避免。我们永远无法改变或回避自然界的法则。自然法则规定行驶中的汽车会一直保持运动状态，直到一个等大反向的力将其停止，或是燃料消耗殆尽。这不是我们能干预的东西。法则是无形的，这意味着它们不需要实体或结构来执行：不存在什么物理学警察会在汽车没油的时候跳出来强迫它停下。法则也是普适的，它们在所有时间、所有地点都成立。无论你在苏格兰还是西班牙，运动法则都是对的。

另一方面，规则则是随机可变的。在大不列颠群岛，驾驶规则规定车辆靠马路左侧行驶。但在欧洲大陆，规则是靠右侧行驶。规则与负责执行的结构或约束有关。在开车的例子中，这个结构就是警察机关，对所有违反规则、开错边的人处以罚款。规则是局部的，这意味着它们只会在执行结构存在的时间和地点生效。如果你生活在澳大利亚的内陆地区，你说了算，你想在哪边开车就在哪边开。因为这里根本没有能够约束你的结构！规则是局部的，可变的，可被打破的。一个由规则管束的符号从竞争者中脱颖而出、被系统选中，是因为它能更好地约束其所属系统的功能，从而产生更成功的表型。选择是灵活的，牛顿法则不是。

The Consciousness Instinct

符号负责传达信息，它们独立于负责掌管能量、时间和变化率的物理法则。它们不遵循任何一条牛顿法则。它们是一群只看规则的“法外之徒”！这告诉我们，符号并不受自己所表达含义的约束。

符号具有两面性，根据具体的任务，存在两套互补的描述模式。其中一方面，符号由物理物质构成（DNA由氢、氧、碳、氮和磷分子构成），后者遵循牛顿法则，其物理结构约束了建造过程。但是，另一方面，符号作为信息仓库，又不受这些法则的约束。过去，符号的两面性在很大程度上被忽视。对信息过程感兴趣的人往往会忽视其客观物质的一面，即符号的物理构成。分子生物学家和决定论者则只对物质的一面感兴趣，忽略了其主观的、符号性的一面。两派人马都只关注某一面，而没人研究其完整的、互补的性质。这不仅是一种遗憾，也是一种对科学的歪曲，因为正如我们在上文探讨过的那样，一个能够自我复制、可进化的生命形式之所以能存在，正是因为物理符号系统能二者兼顾。帕蒂认为，没有任何一面是充分的。回避这条纽带的任何一头都会丢失其全貌。他大胆提出：“正是这种天然的符号-物质关联使得生命区别于无生命的物理系统。”

基因编码真的是一种代码

为了更好地理解符号-物质关联及其对我们的启示，让我们近距离观察DNA，这个生命系统中符号-物质关联的最佳示例。首先，为了理解生命系统中的符号，我们需要学习一点生物符号学知识。我们的老师是马塞洛·巴比里（Marcello Barbieri），来自费拉拉大学的一位理论生物学家。

符号学是研究标识（即符号）及其含义的学问。该领域的基础理论为根据定义，符号总与其含义相关。我们已经从史蒂夫·马丁和他对巴黎的意见中看出，符号和其含义之间并不存在决定性的关系。无论是在美国还是在法国，鸡蛋就是鸡蛋，但我们对鸡蛋的称呼不一样。物体完全区别于其符号表征（英语的“egg”或是法语的“oeuf”）及我们对符号的理解。巴比里指出，符号和其含义的关系是由一种代码实现的，即一套用于指定符号和含义对应关系的约定俗成的规则。代码由某种媒介产生，即代码生成器。负责编制代码的代码生成器产生了符号系统。因此，巴比里说：“符号系统是由标识、含义与由单一媒介即单一代码生成器产出的代码构成的三位一体。”

生物符号学是研究生命系统中的标识与代码的学问。该领域的基础理论认为，“基因编码的存在表明所有细胞都是一种符号系统”。巴比里称，现代生物学还没有接受这条生物符号学基本假说，因为现代生物学中有3个核心概念与之不符。其一是将细胞看作计算机。在这个比喻中，基因（生物信息）相当于软件，蛋白质相当于硬件。计算机有代码，但它并不是符号系统，因为代码来自系统外部的代码生成器，而根据我们从上文中学到的知识，符号系统应当包含代码生成器。“细胞就像计算机”的观点认为，遗传编码也来自系统之外的代码生成器，即自然选择。在这个语境下，生物就不是符号系统，“遗传编码”不过是一个比喻。

现代生物学与生物符号学的第二个概念冲突来自唯物主义，即任何事物都可被简化为物理实体。生物学家认为物质（包括DNA、分子、细胞、生物体等）及其行为遵循一定的法则。而符号学编码遵循的是非决定论的、模糊不清的规则，而不是决定论的、将系统与其含义紧密相连的法则。第三个矛盾来自对一切生物革新都来自自然选择的确信与否。

巴比里认为，生物学家在给出以上这些基本假设时忽视了某些基本问题：他们无视了生物的起源。自然选择下的进化需要遗传记录的复制和蛋白质的制造，但这些过程本身也拥有某种起源。巴比里指出，生物系统中的基因和蛋白质与其他分子具有本质区别，主要原因在于它们的产生方式与其他分子截然不同。

由诸如计算机和石头一类物体构成的无机世界中的分子结构由原子自发形成的关联决定。这种关联本身又由原子的内在属性，即其化学与物理性质决定。这很符合决定论观点。

生物系统不一样。基因是由核苷酸构成的精巧链条，蛋白质是由氨基酸构成的精巧链条。这些链条并不是在细胞内自发形成的。它们并非一见钟情，从而在某种不可逆的化学力量下聚合在一起。相反，它们之所以能形成链条，是因为有一系列分子、一整套核糖核苷酸（RNA）系统和蛋白质组装器来辅助这一过程。巴比里指出，这对生命起源的意义是重大的。

负责将核苷酸绑定在一起的原始“关联制造”分子，即RNA系统的前体，诞生时期远早于第一个细胞的出现。负责按照模板聚合核苷酸的“关联制造”分子、或者说“复制者”分子同样古老。这些关联制造者和复制者通过随机的分子聚合形成。自然选择以一种精雕细琢的方式制造了生命，但进化所需的分子即关联制造者和复制者早在生命出现之前就已存在。

巴比里指出：“自然选择是分子复制活动的长期产物，如果复制是生命的基本机制，分子复制也将是进化的唯一机制。”但事实并非如此。基因可以当自己的模板并进行自我复制，蛋白质不能。蛋白质不能从其他蛋白质那里复制产生。巴比里还强调，最早的蛋白质制造者具有一个了不起的特性，即“能够确保基因与蛋白质之间的特定关联，因为如果没有这种关联，就不会有生物独特性，没有生物独特性，就不会有遗传和繁殖。没有基因与蛋白质之间的特定对应关系，我们所认识的生命就不会存在”。他所说的特定对应关系就是代码。必须先有代码，其后才能有自然选择。

这里有一个有趣的概念：如果如同早期学说所认为的那样，基因与蛋白质之间的对应关系不是某种代码，而是由某种经典化学原理所决定的，生物系统就会是自动的，因此也是符合决定论的。但事实并非如此，这对生物学家来说是个意外。基因与其编码的、负责组成蛋白质的氨基酸序列之间的桥梁是由转运RNA分子构建的。这些分子具有两个识别位点：一个用于识别密码子（3个核苷酸的组合），另一个用于识别氨基酸，从而将二者连接在一起。如果密码子与特定核苷酸之间的连接是由它们的物理结构所决定的，这个过程或许也可以被看作一个自动化机制，但事实并非如此。RNA上的两个识别位点彼此独立，并存在物理结构上的分离。巴比里指出：“密码子和氨基酸之间根本不存在必要连接，它们之间的特定对应关系只能是某种约定俗成的规则的产物。简而言之，只有真正的代码能够保证生物特异性，这意味着遗传编码概念不可能仅仅是一个语言学上的比喻。”因此，他给出了如下的结论：“细胞是真正的符号系统，因为它包含此类系统的所有基本特征，例如符号、含义、以及由同一个代码生成器产出的代码。”

生物符号系统违背了现代生物学的几大基本概念，而最新发表的论文提供了相关证据。最近，科学家们发现头足动物（包括章鱼在内的一类动物）能对自己的RNA进行重编码。RNA分子具有同时编码DNA（分子的一部分结构负责识别由三个核苷酸构成的DNA密码子序列）与蛋白质（另一部分负责识别氨基酸）的优势。RNA重编码意味着可以根据同样DNA符号序列合成不同的蛋白质，其结果导致基因与蛋白质之间一对一关系被破坏。重编码使得章鱼的基因在DNA序列不变的情况下生产出许多不同种类的蛋白质。这是一个重大发现。它表明生物学中与生物个体符号系统相违背的三大概念可能是错误的。这个系统可以改变自己的代码。这个系统拥有一个内在的代码生成器，后者可以带来生物学革新即新的蛋白质，且无须自然选择参与。这个发现还表明，生命系统中的符号与其含义的对应关系具有随机性。

如果生物系统中的符号具有随机性，RNA又是代码生成器，为什么DNA会成为主宰？为什么在过去的数亿年间，DNA都在分子符号系统中一家独大？就其物理构成来说，DNA分子极其稳定，不像RNA。因此，DNA的符号结构能在进化历程中得以保留。尽管我们和其他生物细胞中的DNA结构现在十分稳定，但是在生命起源初期，DNA的结构并不是这样的。通过不可逆的、概率性的自然选择过程，分子的随机打乱与重组产生了由核苷酸构成的大分子。再通过进一步打乱，成功的DNA组件与序列得以生存下来，并开始自我复制。

但是，当我们在谈论DNA时，“成功”到底指的是什么？DNA由4种不同的核苷酸构成。基因是特定核苷酸组合的序列，它们是用于制造蛋白质的符号说明，或者说配方。什么样的DNA序列是成功的？成功是指在生命在世期间保持物理结构稳定吗？还是说是指在生物复制过程中保持稳定的信息编码？二者都是。DNA通过对其产生过程的限制成为记忆遗传信息的结构，它遵循牛顿法则，在细胞的液体环境中，DNA能够通过其核苷酸碱基的性质保持自身热力学稳定。但是，在信息（主观）模式下，DNA遵循的是规则，而不是物理法则。进化对碱基序列的选择依照的是一条规则：选择对生物生存和繁衍最可靠、最有用的信息。核苷酸组成了DNA，并以符号形式携带被选择的信息，尽管具有随机性，但因为它们漂亮地完成了自己的工作，所以在进化过程中能保持稳定，并且持续表现优秀，不像某些拿到终身教职以后就开始吃老本的大学教授。

通过复制，这些核苷酸被读取、翻译为线性的氨基酸序列（构成酶与蛋白质），这个过程遵循的也是规则。这些规则被称为基因编码。DNA包含序列，执行代码的却是RNA分子。特定DNA序列被称为密码子，由3个核苷酸构成，代表特定的氨基酸序列。这是一个明确的关系，但并非一一对应。例如，有6种不同的密码子代表精氨酸，而只有一种密码子代表色氨酸。但是，DNA序列的组成部件（即符号）与氨基酸序列的组成部件（即含义）并不相像，就好比指代配方成分的词语和成分本身并不相像。

当一串DNA序列被翻译成氨基酸序列后，DNA的指导任务就（暂时）结束了。但这并不意味着符号对氨基酸物理结构的约束也结束了。氨基酸序列被建造出来后（记住氨基酸之间的连接不是自发的），它会自我折叠，在分子间形成微弱的连接，就如同很弱的磁铁。连接的种类与折叠的形式取决于每个氨基酸的位置，这完全由符号系统决定。这个步骤非常关键。一旦氨基酸各就各位，物理法则就决定了它们之间的连接。有些氨基酸讨厌水，有些喜欢水；有些氨基酸喜欢抱团，有时甚至表现得十分热情。氨基酸序列与环境的互动将序列折叠成三维的结果，即蛋白质。折叠使遵循规则的、一维线性的氨基酸转变为一个遵循法则的、三维的、动态的、功能明确的结构（蛋白质）。

The Consciousness Instinct

当然，蛋白质遵循物理与化学的因果法则。但是，DNA序列中随机的、符号化的信息才真正决定了蛋白质的物质组成与生化功能。

这真是太神奇了。DNA是一个天然的例子，表现了符号信息（核苷酸序列）如何控制物理功能（酶的运作），连接二者的是一套遵循规则的代码，也就是冯·诺伊曼提出的假说中所认为的，一个可进化、自我复制的机器人所必需的一种机制。不过等等：蛋白质是谁造的？DNA持有信息，被解码用于制造蛋白质，那么是谁启动了这个过程？答案是：另一个蛋白质。为了启动复制过程，必须先有一个酶（蛋白质）将DNA链条解开。将DNA链撬开的是一个全新的蛋白质。这就像是古老的“先有鸡还是先有蛋”问题：没有催化酶解开DNA链，DNA携带的信息就会丧失作用，无法被复制、转录或翻译，但没有DNA，就没有催化酶。玻尔的互补原理——两个互补的部分，两种描述模式，共同构成了一个独立的系统。

冯·诺伊曼在他关于自我复制的思想实验中，指出他回避了“最引人入胜、最激动人心、最关键的问题，即为什么自然界会出现分子或分子聚集……这样两种现象，为什么在有些情况下它们是大分子，在有些情况下则是大的聚集体”。帕蒂认为，是分子的大小将量子世界与经典物理世界联系在了一起：“酶足够小，可以利用量子相干性获得生物所依赖的、巨大的催化能力，但它也足够大，从而获得了高特异性与随机性，能够产生足够不相干的、能按照经典结构模式运作的产物。”简单来说，量子相干指的是亚原子粒子能够彼此同步、合作产生不相干的产物，即不具有量子性质的粒子。帕蒂还指出，已有研究支持了他的假说，即酶需要量子效应，而生物无法在严格的量子世界中诞生。量子层级与经典物理层级，二者都很重要。

符号闭环：吃尾巴的蛇

冯·诺伊曼明确提出，他的机器人需要学会自我复制。为了实现自我复制，就必须对自我有清晰的界定。要想创造一个“自我”，你需要负责描述、翻译和建造的零件。要想创造另一个自我，你就需要描述、翻译并建造这些负责描述、翻译和建造的零件。这种自我指向性的循环不仅仅是一个令人头疼的概念。它其实非常接近一个逻辑闭环，后者恰恰是“自我”的定义。

这种实现符号-物质-功能之间的紧密关联所必需的物理条件被帕蒂称为符号闭环。他强调，要想在物理上执行这一闭环，符号指令就必须存在实体结构。系统内不能有神神鬼鬼，物理结构也必须依照牛顿的法则来实现所有动态过程。符号回路的闭合（即分子之间的物理连接）定义了“自我复制”的主体——“自我”的界限。在周围四处飘荡的物质不会被纳入系统；界限是明确的。这里不是说细胞具有自我觉察能力。但是，没有自我就不会有自我觉察。通往自我觉察的第一步就是得到一个清晰界限的自我。接下来的目标，包括自我觉察、自我控制、自我体验、自我意识和自我专注等等，都是以后的事情。

符号闭环一定存在于所有能自我复制的细胞中。没错，随着进化，“自我”变得越来越复杂，但是，哪怕是一个小小的细胞也会听从警探哈里的建议，“清楚自己的界限”。

The Consciousness Instinct

无论符号-物质回路的物理过程有多复杂，它们都是连通物理学家所说的“断面”，即解释空缺、主客观鸿沟两侧的桥梁。它们是量子层级与牛顿物理学层级之间的工作协议。符号-物质回路的机制将两种描述模式统一起来，填补了自生命起源之日起就一直存在的鸿沟。

这告诉我们，主观意识体验与我们的物理大脑中客观存在的神经放电，这两种描述模式之间的桥梁或许也是一种类似的机制，这种机制甚至可能存在于细胞之内。

投降与停战

在量子物理学发展早期，尼尔斯·玻尔提出的互补原理就像一杆白旗，用于解释光的双重属性（波粒二象性）。在解释这一现象时，互补原理既承认客观的因果法则，也承认主观的测量规则。玻尔强调说，尽管两种描述模式都是必要的，这并不意味着被观察的系统存在二元性。系统本身是一体的。它同时具有两种属性，就好比一枚硬币具有两面。

这对于我们来说是一个理解难点，如果我们真的能理解的话。没错，理查德·费曼曾经说过：“我认为我能肯定地说，没有人懂量子力学。”在1927年的科莫演讲中，玻尔用一个类比描述了主观与客观之间的差别，这种差别可延伸到心智与物质之间，他说道：“我希望……互补的理念能够用来描述这一状况，它是主客观差异的基本特征，与人类思想的形成极其相似。”

但是，帕蒂更大胆。他看到的不只是一个类比。他认为互补原理具有不可替代的认知论意义，适用于生命起源及所有进化阶段。其核心不仅是描述主观与客观的分裂关系，而是“两种知识体系的看似矛盾的表述”。这个矛盾让哲学家和科学家在过去的几千年内被二元论耍得团团转。如果他们像现在这样继续研究，同样的困境还会持续几千年。两种研究模式发现了两种现象，这是无法被同一套物理法则所解释的。帕蒂笑道，客观模式使得“还原论者坚信生命不过是普通的物理物质，事实也的确如此，如果你不愿考虑测量和描述中的主观问题的话……互补原理说的是，单用一种客观的描述模式是不够的，哪怕是物理学也不能被还原成这种模式”！

就像过去的科学家和哲学家不得不接受世界不是平的，我们也不得不在讨论心智与脑的问题时处理互补原理问题。互补原理如今仍具有争议性，因为它违背了人们的信念，即最完美的解释往往是唯一的解释。但是，早在一百年前，物理学就通过量子世界的发现证明了唯一解释观的错误性。微观世界中的法则与宏观世界不一样，二者处于不同的描述层级，不可相互转换。

那些把唯一解释当作金科玉律的人忽略了物理学中的真相。帕蒂痛心地感慨道，互补原理“之所以被量子力学接受，仅仅是因为其他所有解释都失败了”。这恰如夏洛克·福尔摩斯的名言：“当你排除了不可能之后，不管剩下的是什么，不管多么不可能，一定是真相。”帕蒂想知道，互补原理若要融入生物学与社会学理论，是否也会遭遇类似的困难。就像理查德·费曼曾经说过的那样：“你要是不喜欢，就去别的地方……去另外一个宇宙，那里的规则更简单，那里的哲学更令人愉快，在心理上接受起来更容易。”你不喜欢这个理论，不意味着这不是事实。

鸿沟问题的可能答案

有生命的物质区别于无生命的物质，因为它的运转路线完全不同。无生命的物质遵循物理法则。而生命自打诞生起就将宝押在规则、代码和符号信息的随机性上。这种符号信息与物质之间的区别与独立关系使得开放结局式的进化成为可能，从而产生了如今我们所熟知的生命。过去成功的经验信息被符号记录、保存。这些记录本身就是一种测量，具有概率性质。无论如何，生命需要这些随机的、概率性的符号在物理世界中实现物质的建造。符号与测量所固有的随机属性提供了一些刺激，一些不可预测性，它们与可预测的物理法则结合，让生命随时间流逝变得越来越有序，越来越复杂。

主观与客观之间的差异不仅仅是一个有趣的反常现象。它起始于物理学层级，表现为符号测量的随机性与物质法则的确定性之间的差异。这一差异随后又体现在基因型（构成生物DNA的核苷酸符号序列）以及表型（符号描述的实际物理结构）之间。它伴随着进化层层向上，最终出现在心智与大脑之间的差异中。

在过去的2500年里，关于思想与意识的讨论一直集中在人类身上，并在最近被进一步锁定于进化完全的人类大脑。这并没有帮助我们跨越解释空缺。我们应当开始研究霍华德·帕蒂提出的那条盘踞在生命与非生命物质之间的鸿沟。如果我们能确定二者的连接方式，即生命如何达成符号闭环，也许就能填补心智与脑之间的解释空缺。我们甚至能从威廉·詹姆斯那里获得支持！詹姆斯甚至提出了被他称为“复合单子论”的理论：“每个脑细胞都有独立的意识，其他细胞对此一无所知，每个独立意识彼此‘互斥’。”单个细胞中存在某种原始的活动，能将主观的“自我”与客观机制联系在一起。符号闭环即连接生命与无生命物质的环扣存在于所有细胞中。认识到这一点后，通过研究相关的机制，我们或许能以一个不同的视角来理解意识，在不同的地方寻找意识的存在。我不是说单细胞也有意识。我只是推测它们中存在某种加工机制，要么是意识体验的产生过程所必需的，要么具有相似之处。

我们之所以会在解释空缺上栽跟头，是因为心智中的主观体验无法被简化为物质脑中的神经放电活动。它们看上去像一个系统中的两个无法消减的互补属性。我们知道，不管客观的外界观察者对大脑的结构、功能、活动以及神经放电有多么了解，这些神经放电产生的主观体验都与观察到的现象完全不同。神经放电的形式乃至其存在本身，都不属于主观的体验或直觉。知觉与思维的主体对这些活动的客观过程并不知情。正如我们在关于层级的章节中所讨论的那样，这些细节对人来说并非必需，而是被隐藏、抽象化了，因此是不可见的。更进一步，如果预先不知道神经元的功能，我们是不可能根据其结构推断出其功能的，同样，我们也无法根据神经元的功能推断出它的结构。知道其中一方面无法帮助你了解另一方面，它们是两个分离的、无法简化合并的层级，各自拥有不同的工作协议。帕蒂相信，这就是互补原理的关键，单一模型无法同时解释客观结构与主观功能。认知断面（或者说主观-客观断面）在人脑层级中无处不在。帕蒂提出“我们关于生物的模型永远无法消除自我与宇宙之间的区别，因为生命就是因为这种区别而诞生的，进化也因这种区别而成立”。

因此，我们的思想中时刻存在两种不同的行为模式和描述层级，我们也不应对此感到奇怪。主观-客观断面出现在所有伟大的哲学议题中：随机与可预测，经验与观察，个体与群体，后天与先天，以及心智与大脑。帕蒂认为互补模式是无法回避的，并且是解释体验的主客观模型关联的关键。两个模型深深扎根于生命之中，在生命起源之时诞生，在进化历程中被保留。帕蒂写道：“这是一种普适的、不可简化的互补关系。任何一个模型都无法推测出另一个模型，也无法被简化为另一个模型。遵循同样的逻辑，关于一个测量仪器的精密客观模型无法进行主观的测量，关于大脑物理结构的精密客观模型也无法产生主观的思想。”

无视鸿沟的任何一侧都会导致我们无法找到二者的关联。要想将二者联系起来，就必须承认符号的二元性与互补性。这种关联或许包含能被物理学解释的机制，但这种解释并不那么容易让人接受，无法让任何人心理获得满足，无论是决定论者还是灵魂信徒。也许就如同量子力学那样，没有人能够真正理解这种关联，它或许远远超出了我们的直觉与想象。费曼曾批评道：“我们不能告诉大自然她将是什么样的。那应该是由我们来发现的。每当我们提出一个设想，关于自然的真相、未来以及测量方法，她的表现都很聪明。她总能超越我们的想象力，并且能找到一种我们没想到的、更聪明的方式来行事。”

第9章　汩汩溪流与个人意识

“如果能有什么事情变得合理一些，那就太好了。”爱丽丝说道。

刘易斯·卡罗尔

《爱丽丝漫游奇境》

我们都拥有这个被称作“意识”的东西，能够觉察自己关于这个世界、他人与自己的源源不断的思考、渴求、情绪和感受。意识不仅无处不在，它也是私人的、决定性的，划定了自我的边界。它定义了生命的体验。意识本身似乎凌驾于脑的物理结构之上，包括后者所有的层级与模块。似乎如果没有意识，我们就与笛卡儿在巴黎公园看到的机器人没什么两样，不过是一台机器。那么，我们可以如何解释意识呢？

你也许已经猜到了，在前面的章节中，我们已经讨论了那些可能帮助我们以一种新的思路来思考意识体验本质的概念，包括模块、层级、互补原理以及符号闭环。这些概念将帮助我们理解神经回路的两面性：它们承载着符号信息，遵循随机的规则，同时它们也拥有物质结构，遵循物理法则。所有这些概念结合在一起，共同讲述了脑的故事。它是一个器官，在自然法则的力量下获得了精巧的结构，它由局部模块组成，后者又构成了层级式结构，在很大程度上，一组模块是不知道其他模块在做什么的。这个故事的主角是一群勤恳的小神经回路，它们彼此协调，共同实现了一个伟大的功能，就像渺小的公民们各自工作，合在一起就构成了社会。要想理解意识，就必须理解这些辛勤的零件如何在每一个时刻表达自我。

如果鸿沟、模块和层级能帮我们理解脑如何产生心智，它们就必须能解释脑的一些固有特性。让我们花点时间细细思考下面的例子以及它对自我感觉产生的影响：神经外科医生能够切断你的两侧大脑半球的关联，让你的脑中产生两套心智，二者在同一时间拥有不同的内容，尽管有着相同的情绪驱动力和感觉。接下来，记住一点：脑损伤能产生特定功能缺陷，却几乎不可能彻底消除意识；以及最后一点：意识体验表面看上去统一完整，实际上却像一场交响乐，其中存在许多平行运作的系统，分别输出各自的处理结果。

The Consciousness Instinct

这样一来，意识尽管看上去就像一场完整的、经过完美剪辑的电影，但它其实是一幕幕短剧，像沸腾的开水中的气泡一般此起彼伏地浮向前台，彼此之间被出场的时间联系在一起。

意识时刻在变化，犹如一条溪流，就像威廉·詹姆斯曾经说过的：“一个消失的状态不可能再出现，也无法被识别为曾经的模样。”让我们为此进行一些铺垫。

两个意识不同的有意识的半球

我必须回溯至我完成的第一个科学观察。主人公是病人W. J.，他患有严重的癫痫，一周中有大概两天无法正常生活。年轻的神经外科医生约瑟夫·博根（Joseph Bogen）在深入研究之后，建议W. J.接受一个少见的外科手术，即将连接两侧大脑半球的大神经束切断。在纽约州罗切斯特，已经有好几个病人在20年前为了控制癫痫发作接受过同样的手术。手术很成功，他们停止或大幅减少了发作次数。神奇的是，大脑被切断后，这些病人都表示自己感觉一切正常，唯一的区别就是癫痫发作消失了。

W. J.是一名参加过第二次世界大战的老兵，身经百战。他权衡一番之后，同意接受手术。我当时还是一个年轻的本科生，负责设计一些测试，以便在裂脑手术之后检查可能产生的脑功能影响。预期的结果是没有影响，因为之前罗切斯特的病人也都如此。W. J.是一个温暖和蔼的人，他的两侧脑半球似乎合作得不错，尽管它们再也无法进行直接交流了。一侧半球掌控说话功能，而另一侧半球不能。根据脑的连接原理，掌控说话功能的左半球能“看到”注视点右侧的视野，而与说话功能无关的右半球接收的是注视点左侧视野的信息。在这种情况下，我开始好奇：如果W. J.的右边闪一道光，他会说自己能看见吗？这道光会抵达左半球，而左半球拥有言语能力；这对它来说应该很简单。事实也的确如此，W. J.轻松地表示自己能看到。

之后，我又在W. J.的左侧呈现了同样的光，想看看他是否会说些什么。他什么都没说。我拍了拍他，问他是否看见了什么东西，他肯定地回答说：“没有。”他是看不见左侧的东西了，还是说光的信息没能被传达给拥有言语能力的那一侧半球？看似沉默的右半球是否知道自己“看到”了光？它有意识吗？事情的真相到底是什么？

随后的测试结果表明，沉默的右半球的确“看到”了光，因为右半球能够轻松准确地控制W.J.的左手来指向光的位置。这就是最初关于分离大脑的同时也出现心智分离的观察证据，科学家们随之开启了一段长达60年的关于心智本质及其背后物理机制的研究。掌控说话功能的左半球似乎并不挂念右半球，反之亦然。它不仅没有挂念，它甚至不记得对方的存在，也不记得对方的功能，就好像右半球从未存在过一样。对我来说，这是心智/脑研究领域的学生最应该去思考的现象。

左半球再也意识不到左侧空间的事物，它为什么一点儿都不烦恼呢？想象一下，如果你的大脑被切断了，你第二天在医院病房醒来，你的主刀医生走进来查看你的情况，你却只能看到他的左半边脸。你觉得你会意识不到他的右半边脸不见了吗？但事实就是你不会。事实上，你的左半球根本就意识不到左侧空间的存在。奇怪的地方在于：我这里好像说的是，这个新的分裂版本的你只有左半球参与，但并不是这样。你也是你的右半球。新的“你们”拥有两套心智，各自持有不同的感觉与认知信息。这就仿佛只有一个心智能随时“说话”，而另一个起初不会“说话”，但也许很多年以后，它也能学会“说”几个词。

还有更疯狂的事情：在手术后的最初几个月，在两侧半球习惯共享身体之前，你甚至能观察到它们互相争抢的场景。例如，有一个简单的任务，你需要根据卡片上的图案排列彩色方块。右半球特有的视觉运动功能可以让左手在这个任务中如鱼得水，左半球却不擅长这个任务。当一个刚接受裂脑手术的病人试图完成这个任务时，左手能够很快做好；但当右手开始尝试时，左手会搞破坏，试图插手任务。在类似的一个测试里，我们让病人把专横的左手压在屁股底下，好让右手独自完成任务，结果右手到最后也没成功！这个任务超出了左半球的能力范围。

当两侧半球失去联系，单靠能获取的信息，单侧半球不知道对侧半球所掌握的知识，也不知道对方所具备的功能。两侧大脑都会尝试独立完成任务，导致出现争抢的现象。通过这个简单的任务，一个统一意识的幻想被戳破了。很明显，如果意识是某一个脑区产生的，那么裂脑病人就不应当同时产生两种体验！

精彩的还在后面。我们都看过这样一个错觉小动画，两个球体看似出现碰撞，在这个假的碰撞之后，理应受到影响的球体被弹飞了。在心理学术语中，这被