意識是什麼？（二）

前文：

意識是什麼？（一）

後續：

意識是什麼？（三）

意識是什麼？（四）

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複製人思維實驗

(Update：很多人都猜測意識問題跟量子物理有關，我這裡提供了一種思路，先假設「我」或「我的意識」的有效組成部分是可以使用經典信息來描述的，然後根據意識的性質導出矛盾，從而證明「我」或「我的意識」的有效組成部分是不能用經典信息來描述的，只能用量子信息描述。）

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讓我們回到之前提過的複製人思維實驗，這個實驗是這樣的：

在你進入無夢睡眠並失去意識的時候，有一群邪惡的科學家，對你的身體（包括大腦）進行了完整的掃描並記錄，然後在另外一個地方，通過某種科技進行了重建了一個一模一樣的身體（包括大腦）。這樣你就被複制了一份。當你醒來的時候，你會怎麼樣？你在哪裡呢？

這個思維實驗有很多類似的版本，比如大腦神經元替換實驗、大腦交換實驗、火星傳送實驗等等。這些實驗的核心思想都是一樣的。大部分人都會覺得結果會很怪異，但是又不知道怪異在什麼地方。我們可以先思考一下這個實驗的弱化版本（本質上是一樣的）：在第三人稱上（比如你的一個朋友）做這個思維實驗，而不是在你自己身上做這個思維實驗。如果你看過電影《第六日》，你其實已經做過這個克隆朋友的思維實驗了。這部電影的內容如下，如果沒有看過這電影的，可以先去看看。

在不久的將來，人類科技的技術已發展到可以克隆任何生物，例如複製羊，魚，甚至包括人類本身的地步。不過克隆人類仍然被宣布為非法行為。但充滿野心的科學家卻死心不息繼續秘密地研究複製人類的可能性，而他們其中的一個成功的實驗品就是亞當.吉布森（阿諾·施瓦辛格飾）。有一天他回到家中，卻驚異地發現有一個同他一模一樣的克隆人已經霸佔了他的家。正在亞當驚疑之際，一伙人綁架了他，並把他投進了一個神秘的邪惡世界，因此他必須要在最短的時間內找出他背後的陰謀是什麼，奪回屬於他的生命和他最愛的家庭，揭發這一天大陰謀。

（以上電影介紹和海報來自百度百科）

就像看這部電影的時候一樣，如果複製的是你的朋友而不是你，對你不會造成任何困擾。你並不會覺得有什麼奇怪的地方，不過就是多了一個朋友而已，跟這兩個朋友交談，也跟以往一樣，其中一個記得的事情，另外一個也記得。

但是這個思維實驗其實比我們預想的要深邃得多，真正出問題的是在第一人稱上進行這個實驗：在被邪惡科學家複製之前，你有意識，知道你是處於這個空間的某個位置，可以感受到那個位置的環境，獲取到那個位置的信息，這些都是你的意識的內容。而在你被複制之後，你在客觀世界的存在——你的身體（包括大腦），分別處於兩個位置，而且這兩個位置的身體（包括大腦）是一模一樣的，對外部觀察者來說是不可區分的。那麼，你在醒來之後是在哪個位置呢？你看到的、聽到的東西是位於哪個位置的？

我們可以把原來你所在的位置稱為A，而複製的「你」所在的位置稱為B。如果你想「你」只可能在其中一個位置，比如原來的你所在的A處，而B處的只是一個無意識的殭屍，那麼是什麼導致兩個完全相同的身體（包括大腦）具有不同的「意識」能力呢？是因為其中一個有靈魂，另外一個沒有靈魂嗎？如果是靈魂，那靈魂的本質是什麼？我們一直追問下去，能得到答案嗎？看起來這條路走不通（我們在這裡不會討論沒有答案的神秘主義）。

從身體（包括大腦）的完全相同，再加上你原來可以意識到你是處於空間的某處，得出的這個思維實驗的推論應該是：在被複制後，你將覺得你同時處於A處和B處，同時獲取到A處和B處的信息，你將感覺到你同時在兩個地方！（補充一點：這個並不是一個科學上的證明，因為這個推論的兩個前提之一是依賴於自省得到的，所以這個自相矛盾的推論只是提供了一個線索。）

可是這個結果實在太荒謬了，我能感覺同時在兩個地方，意味著能夠同時獲取兩個不同位置的信息，就像是一種心靈感應嗎？如果這兩個位置相距甚遠，難道我的意識還能超越光速？這些都不是在我們決定論客觀世界存在的性質，這裡面肯定是有什麼搞錯了！

讓我們重新審視一下我們這個實驗：

在你進入無夢睡眠並失去意識的時候，有一群邪惡的科學家，對你的身體（包括大腦）進行了完整的掃描並記錄，然後在另外一個地方，通過某種科技進行了重建了一個一模一樣的身體（包括大腦）。這樣你就被複制了一份。當你醒來的時候，你會怎麼樣？你在哪裡呢？

這個思維實驗有一個問題，當「一群邪惡的科學家，對你的身體（包括大腦）進行了完整的掃描並記錄」的時候，我們隱含的假設是你的身體（包括大腦）的信息，全部都是經典的（確定性的），只有經典的確定性信息才可以進行複製（量子不可克隆原理）。也就是說，我們根據身體（包括大腦）包含信息的確定性，再加上自我意識的存在（我可以意識到我在這個空間的某個位置），就可以推導出我們上面所描述的奇怪結論！而這結論卻是一種不可能存在於經典的決定論客觀世界圖景裡面的性質！

在這種情況下，要麼就是隱含假設「身體（包括大腦）的信息全部都是經典的（確定性的）」是錯誤的；要麼就是我的意識的存在是錯誤的。而我無法令我自己相信我（或者我的意識）不存在，所以唯一的可能推測就是：身體（包括大腦）的信息，不是全部都是經典的（確定性的）！

哥本哈根解釋

如果意識不是經典的信息所能描述的，那就應該使用量子的信息來描述。我們應該放棄我們之前建立的決定論客觀世界圖景，取而代之，我們需要使用新的量子論客觀世界圖景。這裡要先介紹的是一個半經典、半量子的客觀世界圖景：哥本哈根解釋。

哥本哈根解釋認為存在兩個領域：由經典物理學支配測量儀器的宏觀經典領域和薛定諤方程支配原子以及其他小東西的微觀量子領域。這種解釋認為，由於我們永遠無法直接與微觀領域的量子客體打交道，因此我們不必擔心他們有無物理實在性。它們作為能使我們的宏觀意識對其效應進行計量的一種「存在」，就足夠了。畢竟，我們報告的只是經典意義上的儀器的行為。由於原子和蓋革計數器之間的尺度差異是如此巨大，因此哥本哈根學派對微觀領域和宏觀領域採取區別對待。

（以上圖文引用自《量子力學：當物理學遭遇意識》，作者：布魯斯·羅森布魯姆、弗雷德·庫特納）

哥本哈根解釋認為，可以把我們這個世界分為兩部分：經典物理學支配的宏觀領域和量子力學支配的微觀領域。在宏觀領域，基本上跟經典決定論世界圖景一樣，信息是確定性的，並且仍然遵守著經典的宏觀物理學。但是，除了宏觀領域，還存在一個微觀領域，它由量子力學所支配。在微觀領域裡，粒子可以處在模糊不清的疊加的狀態；也可以互相糾纏在一起，多個粒子表現的就像一個粒子一樣。微觀粒子的這種狀態，可以以波的形式進行描述（稱之為量子波），這個波嚴格按照薛定諤方程以一種確定性的方式進行演化（彭羅斯所描述的U過程，完全確定、可逆。有興趣可以參考他的著作《皇帝的新腦》）。我們可以通過設定實驗的條件和環境，控制這個波的初始條件和演化方式（選擇哪個U過程）。如果我們通過儀器測量並獲取這個狀態，那麼結果將會是眾多疊加狀態中的其中一個；而給出哪一個的概率，等於量子波絕對值的平方（彭羅斯所描述的R過程，隨機、不可逆）。最終我們的測量結果是一個經典狀態，而不是原本的疊加狀態。

雙縫干涉實驗

[雙縫實驗]包含著唯一的謎團。我們無法通過「解釋」它是怎麼工作的來解開這個謎團……在告訴你他的作用原理的同時，我們也告訴了你整個量子力學的基本特性。

——理查德·費曼

為了更清楚地理解哥本哈根解釋的內涵，我們結合雙縫干涉實驗進行介紹。這裡引用的是《費曼物理學講義》裡面描述的實驗（並非實際的實驗，只是講述原理；真正的實驗是用另外的方法實現的）。

首先要進行的是子彈（類似經典物理學裡面的粒子）的雙縫實驗：在一個有兩條縫的牆前面，放了一隻機槍，不停地射出一連串的子彈，這些子彈由於機槍本身的原因，沿著相當大的角度無規則地散開，而且子彈是不會分裂的；而在牆的後方，放著一個檢測屏幕，可以檢測在落在屏幕上的子彈的數目（原本的實驗是一個移動檢測器，這裡描述的時候就略去了，直接用屏幕去做檢測。可以想像成子彈會嵌在屏幕上，只要數某個位置子彈數目就可以了）。當只打開縫1的時候，我們數落在屏幕上的子彈數目，得到的分布如；當只打開縫2的時候，得到的分布如 。如果兩條縫一起打開，落到屏幕上的子彈數目的分布 ，即等於分別打開一條縫時候的子彈數目簡單相加。這說明子彈（經典物理學裡面的粒子）沒有產生干涉。

接著要進行的是電子（量子世界的粒子）的雙縫實驗：在一個有兩條縫的牆前面（當然尺度不一樣，不過為了跟前面一致，我們還是用這種講法），放了一個電子槍，可以持續地發放電子（這些發放的電子也呈現一種無規則的方向）；然後在牆的後方，也放了一個檢測屏幕，可以直接探測打在某個位置的電子的數目。當只打開縫1，我們得到的電子數目的分布如；當只打開縫2，我們得到電子數目的分布如。到這裡為止，跟子彈的情形沒有什麼區別。最後，兩條縫一起打開，我們得到的電子數目的分布卻不是，而是呈現一種類似波的周期性分布。

為了描述這種規律，物理學家發現，必須把電子以電子波ψ的方式描述，而探測到電子的分布，等於電子波的絕對值的平方。當只打開縫1時，得到的分布；當只打開縫2時，得到分布。最後，當兩條縫一起打開時，得到的分布。

乍看之下，這並沒有什麼奇怪的，因為這種條紋正是波的干涉性質。但是這個實驗的另外一個細節卻揭示了這個實驗的神秘之處：我們可以放慢電子發放的速度，讓每個時刻到達屏幕的電子數目僅有一個，這樣在屏幕上每次只會出現一個亮點（我們假設屏幕可以每檢測到一個電子，就在那個位置顯現一個亮點）。一開始，屏幕上的亮點比較少，還看不出什麼規律來，隨著時間的推移，亮點慢慢增多，呈現出我們之前描述的明-暗相間的條紋。

（圖片來自網路）

由於亮點的出現是一個接一個的，所以我們認為電子確實是一個接一個發射出來的，就跟子彈的情形一樣。為了更清楚地看清電子是不是同時通過雙縫，我們可以把檢測屏幕移動到牆後方很近的地方（如下圖），然後一個接一個地緩慢發射電子。假如電子是同時通過雙縫，那麼在兩條縫後方對應的屏幕位置上，將會同時出現亮點；而假如電子只是通過其中一條縫，那麼只會在其中一條縫後方的屏幕出現亮點。當我們做這個實驗的時候，得到的結果是同一時間只會在其中一條縫的後方屏幕上出現亮點，而具體在那條縫後方，則完全隨機。這表明電子確實只通過了其中一條縫。

但是我們把檢測屏幕移到後方比較遠的位置的時候，顯現出來的干涉條紋，又說明了電子是同時通過兩條縫的。這就矛盾了，電子究竟是同時通過兩條縫還是一條縫呢？它究竟是粒子還是波呢？當我們想做干涉實驗的時候，電子錶現得就像波；而當我們想做粒子實驗的時候，電子錶現的就像粒子。怎麼解釋這個實驗結果呢？難道我們實驗者做出的選擇會導致電子行為的改變嗎？有人確實這麼解釋，但是在哥本哈根學派看來，並不需要這麼解釋，兩類實驗中電子的行為是一致的。

雙縫干涉實驗的哥本哈根解釋

當電子從電子槍中發射出來，到達有雙縫的牆前方的時候，已經擴散成一個波包（U過程）。它的位置已經不確定，在x軸方向上呈現一種分布（x軸上多個位置的疊加態）。

當這個電子波通過牆的時候，產生了第一次塌縮（R過程），大部分的電子都塌縮到牆上的其他位置了（不在實驗考慮範圍了）；而小部分的電子同時通過了雙縫，塌縮到態

。這個波的圖示如下：

（圖片引用自彭羅斯《皇帝新腦》）

如果我們在此時在牆後方很近的位置放一個屏幕，去探測電子到底通過哪一條縫，那麼電子將從疊加狀態塌縮到其中一個位置：或者（R過程）。具體會塌縮到哪一個則隨機，概率由電子波的絕對值的平方決定。此時在我們看來電子只通過了其中一條縫，行為就好像是粒子。

如果探測屏幕放在離牆比較遠的位置，那麼電子波會從繼續演化（U過程），和都會擴散成一個波包，並且互相干涉。當達到檢測屏幕的時候，兩個互相干涉的波塌縮（R過程），隨機出現在檢測屏幕的一個位置上；而出現在某個位置的概率，由電子波的絕對值的平方決定（歸一化後）。在我們看來電子就同時通過了兩條縫，行為就好像是波。此時由於相位的關係，有些地方的波被抵消了，到達的電子就比較少，而有些地方的波被增強了，到達的電子就比較多。

這兩個實驗中，電子都嚴格按照U過程進行確定性演化；而當我們進行測量時，都按照R過程隨機塌縮到經典狀態。這種電子的U-R過程是客觀和一致的，電子行為並不會根據實驗者的意識進行選擇，使用人的意識對量子現象進行解釋也是不必要的。

哥本哈根解釋有一個問題，就是它沒有提供測量以及量子態塌縮的機制。而且對於客觀世界來說，宏觀領域裡的一切都是由微觀粒子組成的，也就是說，所有的經典物理定律應該都可以還原為量子力學的定律。事實上，大部分經典物理定律和現象確實可以還原為量子力學定律，但仍然有例外。像R過程就仍然無法用量子力學本身解釋，只是作為一種既有的量子力學基本假設存在著。為什麼存在U和R兩種過程呢？為什麼不是全部按照U過程進行演化，所有的狀態都存在於一種疊加和模糊不清的狀態呢？在量子計算機研製過程中，為什麼讓實驗對象保持U演化這麼困難，而R過程則隨處可見？我們這個世界看起來如此堅實而確定的原因是什麼呢？

有一些奇怪的理論嘗試給出自己的答案，比如多世界詮釋，不過這跟我們在這裡討論的問題關係不大，就不做介紹了。還有一些人認為需要用意識來解釋測量問題，在我看來似乎有些本末倒置了，意識是這個世界的一部分，而不是世界是意識的一部分，因此，反而是意識可能需要量子理論來解釋。

另外一個哥本哈根解釋帶出的問題是非定域性。在電子波塌縮（R過程）的時候，它的位置可以從彌散到整個空間中，直接跳到空間中的一個狹小區域，這個塌縮過程是超越距離的，即非定域的，在量子糾纏現象中，也可以推出相同的結論。雖然這個非定域現象不能用來傳遞信息，但是仍然值得我們深思。在笛卡爾的二元論中，物質被認為是具有「廣延性」的，而精神則是「非廣延性」的，笛卡爾通過直覺發現的精神「非廣延性」是否就是我們量子理論中的「非定域性」呢？

疊加和糾纏

微觀世界中的粒子，可以存在於一種疊加的狀態，比如上面雙縫實驗中的電子，當它通過雙縫的時候，它同時在兩條縫的位置上，用波函數表示就是。不單單位置，其它的像動量這樣的屬性，也可以同時處於多個甚至無限個狀態的疊加。（量子力學裡面有一個海森堡不確定原理：，如果位置越確定，動量就越不確定；反之亦然。）

疊加這樣的量子特性在經典世界是找不到的，而我們之前在複製人思維實驗中，推導出來的「我同時存在於兩個地方」，看起來就像是疊加性，這可能是解決意識問題的一個重要線索。

另外一個奇特的量子特性是糾纏。在前面討論電子通過的是哪一條縫的時候，我們把檢測屏幕挪到牆的後面很近的位置，這時候我們得到的是一個R過程，電子會塌縮在檢測屏幕上。假如不使用檢測屏幕，換一種方式，比如使用光子去探測電子通過的是哪一條縫，這時候會發生什麼？這時候電子會和光子糾纏在一起（仍然是一個U過程），用量子態表示就是：

題外話：為什麼使用光子探測電子的時候，光子就會和電子糾纏在一起（這是一個U過程），而使用屏幕去探測電子的時候，電子就會塌縮（這是一個R過程）？這裡面的區別是什麼？是因為屏幕是宏觀物體嗎？可是宏觀物體也是由微觀粒子構成的，所以仍然無法解釋。是因為糾纏的規模嗎？如果糾纏的規模越來越大，是否就越容易塌縮？作者並非專業人士，無法給出答案，希望有物理學家可以做出解答。

這時候電子和光子的命運已經完全連在一起了，它們表現的就像一個整體。為了描述這種性質，我們使用量子信息的語言會比較方便，這裡稍微介紹一下。

大家都知道，經典信息裡面的比特可以使用二進位0和1進行表示，它的取值可以是0或者1。相對應的，為了描述量子化的信息，使用兩個量子比特表示：|0? 和 |1?，外面的符號|?表示這是一個量子狀態。量子比特的取值可以是|0?或者 |1?，也可以取疊加態

就像前面的雙縫干涉實驗一樣，我們不能直接獲得疊加的量子信息，為了要獲得這個量子比特的信息，我們需要對它進行測量（測量過程是一個R過程），測量的結果會是一個經典態0或1，它們的概率分別是和 。

下圖左方的經典門，叫受控非門，它的作用是：如果第一個比特是0，則第二個比特不變；如果第一個比特是1，就把第二個比特反轉。可以看到，左方的受控非門可以對第一個比特進行複製。比如，當我們輸入X=0（輸入Y硬連線到0）的時候，輸出的結果是X=0，Y=0；當輸入X=1，輸出X=1，Y=1，也就是說，這個邏輯門實現了對X的複製。

右方則是等價的量子線路——量子受控非門（這是一個U過程）。我們把疊加態 輸入到第一個量子比特，輸出卻並不是第一個量子比特的複製：

而是產生了兩個量子比特的糾纏態：

在最後，我們對輸出的糾纏態進行測量，會發現奇怪的特性：對第一個量子比特測量的結果，跟第二個量子比特測量的結果完全一樣，它們表現得就好像是同一個量子比特。上面提到的光子/電子的量子態，就是一種糾纏態。

有人會說，經典比特也有這種特性啊，只要它們相等就行了。但是，這是完全不同的性質。量子比特在測量之前是處於一種疊加態，在測量之前並不確定，而是在測量的時候才「選擇」呈現出經典態，最後兩個糾纏的量子比特的測量結果完全一樣，表示他們做出的「選擇」是完全一樣的，看起來就像是被同一個東西控制著一樣。這種性質跟意識的特性有關係嗎？

在新的世界圖景下解釋意識

為了解釋意識，我們需要做什麼？在這裡，我把對意識的理解分為幾個階段：

第一階段：發現意識的性質。

第二階段：在客觀世界中解釋意識的性質（意識的物質基礎）。

第三階段：解釋意識的作用，使用量子演算法描述。

第四階段：研究意識的物理實現（大腦機制或等效物理過程）。

第五階段：製造人工意識。

哲學家已經基本上完成了第一階段，但是對第二階段無能為力。在本文的第一部分，我們已經介紹了哲學家發現的意識的主要性質：主觀性、意向性、感受性、整體性和同一性。但是沒有能夠在經典的決定論客觀世界圖景下解釋這些性質為什麼可以存在；在使用還原論分析意識問題的時候，我們發現無法把意識還原為經典物理世界的性質。

這裡提出一種假設，就是意識是一種宏觀的量子現象，只能還原為最底層的量子物理學。我們之前在複製人思維實驗中，給出了重要的線索，接下來我們沿著這條路走下去看看會發生什麼。修正後的還原論如下圖：

(未完待續）

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