从混乱到自由意志

法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace，1749-1827)认为，宇宙是一块机械，物理决定一切。拿破仑曾研读过拉普拉斯的著作，他就他的理论中明显缺少创造者一事与他进行了对质。“我不需要这个假设，”他回答说。拉普拉斯可能也会对自由意志说同样的话，而他的机械论宇宙则显得多余。

自拉普拉斯时代以来，科学家、哲学家甚至神经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中的一种普遍信念，即如果你知道表征物理系统的变量的初始值，以及解释这些变量如何随时间变化的方程式，那么你就可以计算出以后任何时候的系统状态。例如，如果您知道容器中组成气体的所有粒子的位置和速度，则可以在以后的所有时间确定所有这些粒子的位置和速度。这意味着不应该有任何偏离这个物理决定的轨迹的自由。

那么，想一想，我们周围看到的一切-岩石和行星，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在一起的。就你的身体而言，它们制造多种细胞；反过来，这些细胞制造组织，如肌肉和皮肤；这些组织制造系统，如心、肺和脑；这些系统构成整个身体。似乎在更高的“紧急”水平上发生的每一件事都应该由它们下面运行的物理唯一地决定。这将意味着你在这个非常时刻的想法是在宇宙开始的时候预先确定的，基于当时粒子物理变量的值。

现在，如果你怀疑威廉·莎士比亚的十四行诗、温斯顿·丘吉尔的演讲以及斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的“时间简史”(A Brief History of Time，1988)中的文字是否真的是这样产生的，那也是情有可原的。你的怀疑是正确的：怀疑者的立场存在许多问题。

在非常小的尺度上，量子理论是世界上正在发生的事情的基础。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约的不确定性。你可能知道一个变量的值，比如粒子的动量，但这意味着你不能准确检测另一个变量，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所谓的铁板一块的联系。然而，这是有争议的，所以我现在把它放在一边，尽管它很重要。取而代之的是，我将集中在大脑中神经元的分子生物学中发生的因果关系的关键方面。

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是以生物分子的物理形状为基础的，特别是DNA、RNA和蛋白质。只有当X射线结晶学取得进展，使我们能够确定这些分子的异常复杂的详细结构和折叠时，这一发现才成为可能。

正如弗朗西斯·克里克(Francis Crick)和詹姆斯·沃森(James Watson)在罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)的工作帮助下发现DNA的双螺旋结构时所说的那样，这些分子结构确实是生命的秘密。这理所当然地引起了公众对DNA分子如何对我们的遗传进行编码的巨大兴奋。然而，实际上是其他分子-蛋白质和相关的信使分子-的结构使事情在细胞水平上发生。DNA之所以重要，只是因为它编码了真正进行生物工作的蛋白质。例如，血细胞中的血红蛋白将氧气从肺部输送到身体的其他部位。眼睛中的视紫红质吸收光线并将其转化为电信号。动蛋白和动力蛋白是在细胞中将物质从一个地方运送到另一个地方的马达蛋白。酶以如此巨大的数量加速化学反应，以至于它们基本上是打开和关闭的。电压门控离子通道充当晶体管的生物版本，而配体门控离子通道允许信使分子(“配体”)，如神经递质，将信息从大脑中的一个细胞传递到另一个细胞。事情就这样过去了。所有这些功能都来自于这些蛋白质复杂形状的细节。

这意味着，要将物理学和生物学联系起来，我们需要看看分子形状背后的理论。这个理论就是量子化学，它基于量子物理的基本方程：薛定谔方程。在量子理论中，系统的状态是由它的波函数来描述的，它决定了当事件发生时不同结果的概率。薛定谔方程支配着

我认为薛定谔方程的有效性是理所当然的，它是物理学中检验最充分的方程之一。为了将这与生命的功能联系起来，我们需要将薛定谔方程应用于相关分子(在这种情况下是蛋白质)的波函数，以确定它们的形状将如何随时间变化。所以真正的问题是：薛定谔方程，连同描述早期宇宙中存在的一切的波函数的初始状态，是否决定了我今天所想的一切，因为它决定了我体内所有生物分子的状态？

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取决于方程式和初始数据。它们还依赖于约束。一个例子就是受重力影响的苹果，比如艾萨克·牛顿在伍尔索普庄园看着苹果从树上掉到地上。那是它不受约束的运动。

现在假设牛顿用一根绳子把苹果挂在树枝上。因此，它会变成一个钟摆，因为绳子限制了它的运动。它不会落到地面上，而是在树枝下以圆弧来回摆动，其运动状态由其初始位置和速度唯一确定。因此，组成苹果的所有数十亿个原子的运动也将由这根弦决定。这将使它们中的每一个在支承下也在圆弧内运动。这就是约束如何塑造结果。

现在，让我们检查约束随时间的变化。当苹果平静地来回摆动时，想象一下牛顿剪断了绳子。然后苹果就会掉到地上。初始状态(开始时在圆弧中的速度)不再决定结果。是绳子的意外切割决定了发生了什么，因为它消除了之前的限制。这个故事的寓意是，当约束条件变化时，结果不是由初始条件决定的，而是取决于约束条件随时间变化的方式。

就生命存在的生物分子而言，分子的形状对所发生的事情起到了制约作用。这些分子相当灵活，像铰链一样绕着关节弯曲。分子中原子核之间的距离决定了什么是可能的弯曲。任何特定的这种分子“构象”(一种特定的折叠状态)都会限制离子和电子在底层物理水平上的运动。根据生物需要，这可能会以一种依赖时间的方式发生。通过这种方式，生物学可以深入到塑造身体结果。它改变了适用的薛定谔方程中的约束条件。

一个关键的例子是细胞壁中的离子通道，它将细胞的内部和外部分开。离子是因为失去或获得电子而带电的原子。钠和钾原子带正电是因为它们失去了一个电子，而氯离子带负电是因为它们获得了一个电子。离子通道是嵌入在细胞壁中的蛋白质，控制着离子进出细胞的流动。它们可以打开或关闭，具体取决于其铰链部分的位置。因此，它们或者允许离子进入或离开细胞(取决于它们的类型)，或者阻止离子进入或离开细胞。

这种门控在大脑功能中起着至关重要的作用。例如，神经元通过称为轴突的纤维相互连接。轴突壁上的电压门控离子通道根据细胞内外电压的不同而打开或关闭。通过这些离子通道进出轴突的离子会导致电信号沿着神经纤维移动，从而产生我们思考的神经电脉冲(被称为“尖峰链”，因为它们由一系列小的电压浪涌或“尖峰”组成)。这些离子通道是计算机中晶体管的生物模拟，根据电路两部分之间的电压差，允许电流流动或不流动。

另一种类型的离子通道是配体门控通道，它发生在将神经元相互连接的突触中。这个过程是一个复杂的生化版本，就像用钥匙开门：只有当钥匙的形状适合特定的锁时，它才会打开。配体，在这种情况下是神经递质，是一种信使分子，它与离子通道上的受体结合，因此通过改变其形状来打开它。

这允许离子流入神经元，将化学物质转变为电信号。只有当配体与受体结合时，离子通道才允许离子进入细胞，并改变离子通道的形状，使其打开。如果不存在配体，则通道关闭，没有离子可以进入。引起这种打开和关闭的结合是配体的特殊形状的结果：当且仅当它具有与该特定受体完全相同的形状时，它才能结合。因此，选通功能是离子通道的详细形状的结果。

这就是信号分子如何改变对通过细胞壁离子通道的离子流动的限制。信使分子结合前后的约束是不同的。这种与时间相关的结合性质控制着一个神经元与另一个神经元连接的突触上的离子流。正是这些分子形状的变化，而不是初始条件，决定了当你思考时，分子薛定谔方程的哪些特定解会出现在你的大脑中。它们构成了思考的可能性。

那么，是什么决定了哪些信息通过信号分子传递给你的突触呢？它们是由思维过程决定的信号，不能在任何更低的层面上描述，因为它们本质上涉及概念、认知和情感。心理体验驱动着事情的发生。你的思想和感觉通过改变对离子和电子流动的限制，以一种随时间变化的方式，“向下”塑造大脑中的较低水平的过程。

例如，假设你正走在街上，就在你前面发生了一起可怕的事故--汽车被撞坏了，有人受伤，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，对没有发生在你身上的事情感到内疚和宽慰。这些都是因为你的大脑在心理层面上的运作方式，基于过去的经验和天生的反应的某种组合而发生的心理事件。所有这些特质--同情、恐惧、内疚--都不会发生在离子或突触水平上。这些高水平的心理操作会改变离子通道的形状，从而改变你大脑中数十亿个离子和电子的运动。在你大脑各层之间错综复杂的因果舞蹈中，这些想法之所以能够出现，是因为潜在的尖峰链，但它们本质上是心理性质-识别事故意味着什么，当你决定做什么时，哪些想法在你脑海中流淌，体验看到事件的震撼是什么感觉-导致了发生的事情。物理学使你的大脑和身体发生了什么，但不是由你决定的，而是由你对事件的心理解释决定的。

学习和记忆提供了另一个例子，说明向下的因果效应如何塑造潜在的物理学。记忆是由开启和关闭的基因控制的，这就是所谓的“基因调节”。基因由DNA分子组成，包含细胞在正确的地点和时间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，并且编码所有出现在身体其他部位的蛋白质。但每个细胞都需要产生特定的蛋白质，这取决于环境。因此，相同的DNA链在不同的细胞中在不同的时间产生不同的蛋白质。这是怎么发生的？它是通过基因调控发生的：基因被开启和关闭，因此表达或不表达。基因调控是由称为转录因子的蛋白质控制的。这些调控蛋白结合到DNA分子上的特定位置，识别它们的形状，从而决定当读取DNA时将产生哪些蛋白质。

这一基因调控过程加强或削弱了我们大脑中的神经连接。大脑皮层有密密麻麻排列的神经元，通过一个极其复杂的连接网络相互连接。这个网络的大致结构对每个人来说都是一样的，但细节不同。正是每个大脑的详细结构体现了我们之间的差异，特别是我们的长期记忆。关于哪个神经元连接到哪个神经元的细节，以及每个连接的强度，都是由我们自己的历史和记忆塑造的。

这一切是怎么发生的？正如奥地利裔美国医生埃里克·坎德尔(Eric Kandel)在他2000年的诺贝尔奖演讲中所解释的那样，在精神层面上学习的过程会导致基因表达模式的改变，从而产生特定的蛋白质，从而改变突触处神经连接的强度。这会改变神经元之间连接的强度，从而储存记忆。

这样的学习是一种心理现象。你可能还记得吃一顿美味大餐时的快乐，记得马友友演唱巴赫奏鸣曲的细节，或者记得车祸的痛苦记忆。再说一次，这些是红外线的

另一个例子是理性思维。大约在公元前500年，毕达哥拉斯学派发现了一些令人震惊的事情：2的平方根是无理的。也就是说，如果2是一个数字N与其自身的乘积(N乘N为2)，那么N就不能表示为整数的比率，例如N不可能是3/2。这一发现令人震惊，以至于这一发现被视为官方秘密。这不是他们想要的事实，知道这一点是危险的。

这个可耻的结论是根据数学规则通过理性论证得出的--这些规则塑造了后桥姆河马大脑中发生的过程。抽象逻辑从心理学的角度驱动了所有层次的大脑操作(“整数的多大比例给我2的平方根？”)。到沿着神经纤维飞行的电脉冲，到通过离子通道进出这些纤维的离子，到电子和质子之间的相互作用，使整个事情得以发生。

我们不知道思想是如何被尖峰链编码的细节，但我们知道这种编码肯定会发生。尖峰序列一定以某种方式反映了逻辑论点的结构，即2的平方根是无理的。如果我们记住了这个证据，数学论证就会延伸到记忆储存时，通过基因调控来重塑神经元连接。然后，逻辑论证就会具体体现在大脑连接的细节上。

这些例子表明，随着时间的推移，心理学上的理解可以通过改变物理层面的约束来影响离子和电子的运动。也就是说，精神状态会改变蛋白质的形状，因为大脑拥有真正的逻辑能力。这种向下的因果关系胜过初始条件的力量。逻辑含义决定了我们思想中宏观层面的结果，也决定了微观层面上的电子和离子流动的结果。

这些例子当然是有争议的，因为它们涉及人类的大脑和思想，并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的情况下。计算出特定问题答案的算法-谷歌将向您显示哪些页面？用这张信用卡可以取多少钱？我可以预订明天早上8点45分的火车吗？-同样是基于抽象逻辑。该逻辑在用诸如FORTRAN、Java或Python等高级编程语言编写的计算机程序中显式编码。

物理学基础上的方程式与这些算法没有直接关系。但计算机程序显然是因果有效的：它们改变了世界的结果。程序根据作用于相关数据的算法逻辑来确定发生了什么。这就是计算机科学专业的学生学习的内容。这种逻辑级联到数字水平，在那里它通过改变施加的电压来改变晶体管中电子传导通道的结构，从而确定电子流动发生了什么。在程序加载到计算机之前，相关的算法没有在其内部表示；在程序加载之后，它是。宏级的约束已通过加载程序进行了更改。当微级电压在程序执行期间一微秒一微秒地变化时，物理随着算法的调子起舞。

自由意志怀疑论者忽略了我在这里讨论的那种依赖于时间的约束，这使得生物学中的向下因果关系总体上，特别是大脑功能中的向下因果关系成为可能。当然，分子生物学没有任何东西与构成所有物质存在基础的物理学相矛盾。相反，它提供了一个异常复杂的上下文，其中事情根据该上下文进行处理。尽管我们的大脑确实是由基本粒子组成的，但高级功能是通过向上和向下因果过程的相互作用而出现的。

但仍有一个纠缠不休的想法出现：如果整个宇宙的初始数据都是已知的，那么为什么它不能以一种机械的方式确定所有这些较低级别的动力学呢？毕竟，在这幅更大的图景中，它们不是很小的细节吗？在这里，人们可以声称没有约束发生。根据定义，宇宙就是一切，所以它不能受到来自更大环境的影响的限制。在这种情况下，物理学难道不是决定论的吗？我的论点会不会分崩离析？

反应是双重的。首先，在BOT中发生的事情有一个主要的随机性因素。

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