從混沌到自由意志——人類的思想和行為能否被自己控制？

法國數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯認為宇宙是一個機械部件，物理決定一切。拿破崙讀過拉普拉斯的著作，就他的理論中明顯缺少一個創造者的問題與他對質。「我不需要這種假設，」拉普拉斯回答說。拉普拉斯也可能對自由意志說過同樣的話，但他的機械論宇宙認為造物者是多餘的。

自拉普拉斯時代以來，科學家、哲學家甚至神經科學家都追隨他的腳步，否認自由意志的可能性。這反映了一個在理論物理學家中廣泛存在的信念：如果你知道表徵一個物理系統的變量的初始值，以及解釋這些變量如何隨時間變化的方程，那麼你就可以計算出系統在以後所有時間的狀態。例如，如果你知道容器中構成氣體的所有粒子的位置和速度，你就可以確定以後所有這些粒子的位置和速度。這意味著不應該有任何偏離物理確定軌跡的自由。

那麼請考慮一下，我們周圍所看到的一切——巖石和行星，青蛙和樹木，你的身體和大腦——都是由質子、電子和中子以非常複雜的方式組合在一起組成的。就你的身體而言，它們製造多種細胞，這些細胞依次形成肌肉和皮膚等組織，這些組織構成心臟、肺和大腦等系統，這些系統使身體成為一個整體。這意味著你此時此刻的想法在宇宙形成之初就已經確定了，這是基於當時粒子物理變量的狀態。

現在，如果你懷疑威廉·莎士比亞的十四行詩、溫斯頓·邱吉爾的演講以及史蒂芬·霍金的《時間簡史》一書中的詞語是否真的就是以這種方式產生的，你也許會原諒你。你有理由懷疑：懷疑論者的立場存在許多問題。

在非常小的尺度上，量子理論是世界上正在發生的事情的基礎。海森堡的不確定性原理在量子結果中引入了不可避免的模糊性和不確定性。你可能知道一個變量的值，比如一個粒子的動量，但這意味著你不能準確地探測到另一個變量，比如它的位置。這似乎從根本上破壞了最初數據和物理結果之間所謂的聯繫。然而，這是有爭議的，所以我暫時把它放在一邊，儘管它很重要。相反，我將集中討論大腦神經元分子生物學中因果關係的關鍵方面。

上個世紀最令人震驚的發現之一是，微觀層面上的生物活動實際上是基於生物分子的物理形狀，尤其是DNA、RNA和蛋白質。只有當x射線晶體學發展到允許我們確定這些分子異常複雜的詳細結構和摺疊時，這一發現才成為可能。

在羅莎琳德·富蘭克林的幫助下，弗朗西斯·克裡克和詹姆斯·沃森發現了DNA的雙螺旋結構，他們宣稱，這些分子的結構確實是生命的秘密。這理所當然地引起了公眾對DNA分子如何編碼我們的遺傳基因的巨大興趣。DNA之所以重要，只是因為它為從事真正生物學工作的蛋白質編碼。例如，血細胞中的血紅蛋白將氧氣從肺部輸送到身體的其他部位。眼睛中的視紫紅質吸收光線並將其轉化為電信號。驅動蛋白和動力蛋白是在細胞內將物質從一個地方運輸到另一個地方的運動蛋白。酶在很大程度上加速了化學反應。電壓門控離子通道就像生物版的電晶體，配體門控離子通道讓信使分子(「配體」)，比如神經遞質，在大腦中把信息從一個細胞傳遞到另一個細胞。就這樣。所有這些功能都來自於這些蛋白質複雜形狀的細節。

這意味著，要把物理學和生物學聯繫起來，我們需要研究構成分子形狀基礎的理論。這個理論就是量子化學，基於量子物理學的基本方程：薛丁格方程。在量子理論中，系統的狀態是由所謂的波函數來描述的，它決定了事件發生時不同結果的概率。薛丁格方程支配著波函數如何隨時間變化。例如，它控制著量子隧道的過程，而量子隧道反過來又構成了一些重要的物理效應，比如太陽如何通過核聚變產生能量，植物的光合作用，以及你用來在電腦USB快閃記憶體驅動器中存儲數據的快閃記憶體。

我將想當然地認為薛丁格方程的有效性，它是物理學中最可靠的方程之一。為了將其與生命的功能聯繫起來，我們需要將薛丁格方程應用到相關分子的波函數上——在這種情況下，是蛋白質——以便確定它們的形狀如何隨時間變化。所以真正的問題是：薛丁格方程和波函數的初始狀態一起描述了早期宇宙中存在的一切，是否決定了我今天想的一切因為它決定了我體內所有生物分子的狀態？

讓自由意志懷疑論者感到困惑的是，所有的結果並不僅僅依賴於方程和初始數據。它們還依賴於約束。舉個例子，一個受重力影響的蘋果，比如艾薩克·牛頓在伍爾索普莊園看到的一個蘋果從樹上掉到地上。

現在假設牛頓用一根拴在蘋果柄上的繩子把蘋果掛在了樹枝上。這樣它就變成了一個鐘擺，因為弦限制了它的運動。它不會掉到地上，而是會在樹枝下繞著一個圓弧來回擺動，它的運動狀態由它的初始位置和速度決定。因此，構成蘋果的數十億原子的運動也將由弦決定。它會使它們在支撐下沿著一個圓弧運動。這就是約束如何塑造結果。

現在讓我們研究一下約束隨時間的變化。當蘋果來回擺動時，想像牛頓剪斷了繩子。蘋果就會掉在地上。初始狀態不再決定結果。決定發生什麼事情的是意外的剪切，因為它刪除了之前的約束。這個故事的寓意是，當約束條件發生變化時，結果並不取決於初始條件；它們取決於約束隨時間變化的方式。

就構成生命存在基礎的生物分子而言，是分子的形狀限制了所發生的一切。這些分子非常靈活，可以像鉸鏈一樣彎曲。分子中原子核之間的距離決定了彎曲的可能性。任何特殊的分子「構象」都限制了離子和電子在底層物理水平上的運動。根據生物學的需要，這可能會以一種依賴時間的方式發生。通過這種方式，生物學可以向下影響物理結果。它改變了適用的薛丁格方程中的約束條件。

一個關鍵的例子是細胞壁中的離子通道，它將細胞內部和外部分隔開來。離子是由於失去或獲得一個電子而帶電的原子。鈉和鉀原子是帶正電荷的，因為它們失去了一個電子，而氯離子是帶負電荷的，因為它們獲得了一個電子。離子通道是嵌在細胞壁中的蛋白質，控制離子進出細胞的流動。它們可以打開或關閉，取決於它們的鉸鏈部件的位置。因此，它們要麼允許離子進入或離開細胞，要麼阻止它。

這種門控在大腦功能中起著至關重要的作用。例如，神經元通過被稱為軸突的纖維相互連接。軸突壁上的電壓門控離子通道的開啟或關閉取決於細胞內外的電壓差異。離子通過這些離子通道進出軸突，導致電信號沿著神經元纖維移動，從而產生我們認為的神經電脈衝。這些離子通道是計算機中電晶體的生物類似物，它能不能允許電流流動取決於電路兩部分之間的電壓差。

另一種類型的離子通道是配體門控通道，它發生在連接神經元彼此的突觸中。這個過程是一個複雜的生化版本，就像用一把鑰匙開門一樣：只有當鑰匙的形狀與特定的鎖相吻合時，鑰匙才會被打開。配體，在這裡是一種神經遞質，是一種信使分子，它與離子通道上的受體結合，並通過改變其形狀來打開受體。

這使得離子流入神經元，將化學物質轉變為電信號。只有當配體與受體結合併改變離子通道的形狀使其打開時，離子通道才能進入細胞。如果沒有配體存在，通道就關閉，沒有離子可以進入。導致這種開啟和關閉的結合是配體特殊形狀的結果：只有當配體與特定受體的形狀恰好吻合時，它才能結合。因此，門控功能是由離子通道的詳細形狀決定的。

• 配體門控離子通道。生命的秘密就在於如此精細的分子結構。

這就是信號分子如何改變對離子通過細胞壁離子通道流動的限制。在信使分子結合之前和之後，約束是不同的。這種依賴時間的結合特性控制著一個神經元與另一個神經元連接的突觸上的離子流。正是這些分子形狀的變化，而不是初始條件，決定了分子薛丁格方程的哪個具體解會在你思考的時候出現在你的大腦中。它們是思想成為可能的基礎。

那麼是什麼決定了信號分子將哪些信息傳遞到突觸上呢？它們是由思維過程所決定的信號，不能在更低的層次上加以描述，因為它們以一種本質的方式涉及概念、認知和情感。你的思想和感受「向下」，通過改變離子和電子流動的限制，以一種隨時間而改變的方式，在大腦中形成較低層次的過程。

例如，假設你正走在街上，就在你面前發生了一場可怕的事故——汽車被撞壞，人受傷，到處都是血。你的反應是恐懼：同情那些受傷的人，害怕他們會死，一種內疚的解脫感，因為這些沒有發生在你身上。這些都是由於你的大腦在心理層面運作的方式而發生的心理事件，是基於過去的經驗和先天反應的某種結合。這些品質——同情、恐懼、內疚——都不會在離子或突觸水平上發生。這些高水平的思維活動通過改變離子通道的形狀，從而改變大腦中數十億離子和電子的運動。之間錯綜複雜的因果的舞蹈在你的大腦中。物理學使你的大腦和身體發生的事情成為可能，但並不能決定它；是你對這件事的心理解釋。

學習和記憶提供了另一個例子，說明向下的因果效應是如何塑造潛在的物理學的。記憶是由基因開關控制的，被稱為「基因調控」。由DNA分子構成的基因包含著細胞在正確的時間和地點製造特定蛋白質所需的信息。現在有一個問題：我們身體裡的幾乎每個細胞都有相同的基因，並且對身體其他部位的所有蛋白質都有編碼。但每個細胞都需要特定的蛋白質來產生，這取決於環境。所以相同的DNA鏈在不同的細胞中在不同的時間產生不同的蛋白質。這是怎麼發生的呢？它是通過基因調控發生的：基因被打開或關閉，然後被表達或不被表達。基因調控是由一種叫做轉錄因子的蛋白質控制的。這些調節蛋白結合在DNA分子的特定位置，識別它們的形狀，從而決定當DNA被讀取時將產生哪些蛋白質。

這個基因調節的過程加強或削弱了我們大腦中的神經連接。大腦皮層有密集的神經元柱，它們通過極其複雜的網絡連接在一起。這個網絡的廣泛結構對每個人來說都是一樣的，但是細節卻不一樣。是每個大腦的詳細結構體現了我們之間的差異，特別是我們的長期記憶。哪些神經元與哪些神經元相連的細節，以及每個連接的強度，都是由我們自己的歷史和記憶決定的。

學習改變了宏觀層面上的結構，進而改變了微觀層面上的聯繫。

這些是怎麼發生的？正如奧地利裔美國醫生埃裡克·坎德爾在2000年諾貝爾獎演講中所解釋的那樣，心理層面的學習過程導致基因表達模式的改變，從而產生特定的蛋白質，從而改變突觸處神經連接的強度。這改變了神經元之間的連接強度，從而儲存了記憶。

這種學習是一種心理現象。你可能會記得吃一頓美味佳餚的快樂，演奏巴赫的奏鳴曲，或者車禍的痛苦記憶。再說一次，這些都是不可簡化的心理事件：它們不能在任何較低的層次上被描述。隨著時間的推移，它們向下延伸以改變神經元的連接。這些變化是不能根據神經連接的初始狀態預測的，但是，之後，它們會以不同的方式限制電子流動，因為連接已經改變了。學習改變了宏觀層面上的結構（我們有一個「可塑的大腦」），進而改變微觀連接和底層電子流動的細節。

另一個例子是理性思維。大約在公元前500年，畢達哥拉斯學派發現了一件令人吃驚的事情：2的平方根是無理數。這是如此令人震驚，以至於這個發現被當作一個官方秘密。他們不希望這是真的，而且知道這件事很危險。

這個令人震驚的結論是根據數學規則經過理性論證得出的。各級抽象邏輯驅動這些大腦操作的心理，這些纖維離子進出的通過離子通道、電子和質子之間的交互,使整個事情發生。

我們不知道脈衝鏈編碼思想的細節，但我們知道這種編碼一定會發生。如果我們記住了這個證據，數學上的爭論就會深入到通過基因調控來重塑神經元之間的聯繫。然後，邏輯論證從字面上體現在大腦連接的細節上。

這些實例表明，通過改變物理層面上的限制條件，心理上的理解可以影響離子和電子的運動。也就是說，心理狀態會改變蛋白質的形狀，因為大腦擁有真正的邏輯能力。這種向下的因果關係勝過了初始條件的力量。邏輯暗示決定了宏觀層面上我們思想的結果，微觀層面上決定了電子和離子的流動。

這些例子當然是有爭議的，因為它們涉及到人類的大腦和思想，並且隱含著自由意志的問題。然而，在計算機算法中也出現了類似的問題。一個算法解決特定問題的答案用這張信用卡你能取多少錢？我可以訂明天上午8:45的火車嗎？又是基於抽象邏輯。這種邏輯在用高級程式語言編寫的電腦程式中顯式地編碼。

以物理學為基礎的方程與這種算法沒有直接關係。但電腦程式顯然具有因果效應：它們改變了世界的結果。程序根據對相關數據起作用的算法的邏輯來決定發生了什麼。這是計算機科學學生學習的內容。這種邏輯級聯到數字層面，通過改變所施加的電壓來改變電晶體中電子傳導通道的結構，從而決定了電子流動發生了什麼。在程序加載到計算機之前，相關算法不在其內部表示，通過加載程序，宏級別的約束已經改變。在程序執行過程中，當微級的電壓每微秒都在變化時，物理學就會隨著算法的節奏起舞。

自由意志懷疑論者忽視了我在這裡討論的那種時間依賴性的約束，這種約束使得生物學中普遍存在的向下因果關係，尤其是大腦功能。當然，分子生物學並沒有與構成所有物質存在基礎的物理學相矛盾。相反，它提供了一種非常複雜的環境，在這種環境下，事情是根據這種環境來解決的。儘管我們的大腦確實是由基本粒子組成的，高級功能是通過向上和向下的因果過程的相互作用而產生的。

在宇宙學和分子生物學中有一個主要的隨機性元素。

但仍有一個煩人的想法：如果整個宇宙的初始數據都是已知的，那麼為什麼它不能以一種機械的方式確定所有這些低層的動力學？畢竟，它們不就是這張大圖中的小細節嗎？在這張大圖中，我們可以宣稱不存在約束條件。根據定義，宇宙就是一切，所以它不可能被更大環境的影響所限制。在那種情況下，物理可能不是決定性的，而我的論證也會失敗嗎？

首先，在大尺度的宇宙學和小尺度的分子生物學中，都存在一個主要的隨機性元素。在大尺度上，在宇宙學中我們很難得到正確的細節，即使是在銀河尺度上;我們只研究統計概率。還有一些重要的未解決的問題，比如暗物質是如何在比太陽系規模大得多的星系周圍聚集的。我們不能現實地從宇宙學初始條件的研究中確定在更小尺度下，如太陽或地球會發生什麼。預測到人體尺寸的細節是不可能的。

然而，懷疑論者仍然認為這只是缺乏足夠的數據和計算能力的問題。原則上，這是可行的。但實際上，它不會，因為在微尺度上發生的事情。在分子尺度上，由於分子之間每秒鐘發生數十億次的碰撞，工作過程忘記了最初的數據。生物學正是在這種紊亂狀態下蓬勃發展起來的——彼得·霍夫曼在他的著作《生命的棘輪》中稱之為「分子風暴」。分子機器確實起作用，比如驅動機制將貨物從細胞的一個地方移到另一個地方，從混亂中提取秩序。與拉普拉斯所設想的具有決定性性質的物理學不同，所有分子的每一微秒的反覆無常意味著它們初始運動狀態的細節無可挽回地喪失了。正是這種分子級的混沌運動在實踐中阻止了微觀決定論。

但是，如何才能從這種混亂中恢復秩序呢？丹尼斯·諾布爾和雷蒙德·諾布爾在2018年發表於《混沌》雜誌的論文中解釋說，分子的隨機性給細胞機制提供了選擇它們想要的結果，拋棄它們不想要的結果的選擇。這種選擇的能力使心臟和大腦等生理系統不再受制於低層次的相互作用，而是從眾多的選擇中選擇最喜歡的相互作用的結果。通過這種方式，一層有序可以從較低層次的無序——以及微觀數據——中浮現出來。這並不是自由意志存在的決定性證據，但至少它為自由意志的存在開闢了一條道路。

為了討論起見，讓我們假設我錯了。讓我們忽略所有這些問題，認真對待確定性觀點。這意味著，每一本書——《大英百科全書》、《資本論》、《哈利波特》系列——的文字都被編碼進了宇宙的初始狀態，不管它是什麼。人類的邏輯思維在這些書的字句中沒有起因果作用：它們僅由物理學決定。

尚不清楚任何文字是如何被編碼進宇宙的，這導致了在物質和輻射相互分離時明顯的隨機波動。它們在這些波動中是如何表現的呢？幾乎不可能在作者寫書的時候影響他們詳細的大腦狀態。量子的不確定性給這些說法增加了另一層不可信。但現在讓我們先把這些主要問題放在一邊。讓我們假設現在的大腦狀態確實有可能是由宇宙的初始條件決定的，因為因果決定論的物理是一切的基礎。

問題是，這些詞是怎麼來的？是否存在一個把所有這些東西編碼成宇宙初始狀態的造物主？它當然不存在於薛丁格方程本身中，也不存在於宇宙研究中通常設想的早期宇宙隨機波動中。根據定義，它們既不編碼任何詳細信息，也不編碼任何邏輯論證。

那麼這些數據是如何到達那裡的呢？不只是為了一本書，而是為了所有寫過的書？這真的是可信的故事嗎，還是某種神創論的神話？

這之所以成為可能，是因為我們大腦的特殊層次結構及其功能。這種功能是通過從心理層面到物理層面的向下因果關係來實現的，而物理層面上的結果是由隨著時間變化的約束條件所決定的。不需要違反物理定律。

物理學自拉普拉斯以來已經取得了巨大的進步。事實上，他完全認不出來了。然而，今天仍有物理學家自信地宣稱，我們不可能擁有自由意志，因為物理學決定了一切，包括大腦功能——完全忽略了複雜的環境和約束的力量。

如果你真的相信基本的力量沒有給自由意志留下任何空間，那麼我們作為有道德的人就不可能真正做出選擇。對於我們對全球氣候變化、兒童販賣或病毒大流行的反應，我們不會承擔任何有意義的責任。在現實中，潛在的物理學將會控制我們的行為。