天生的邏輯

人的邏輯思維能力從何而來？嬰兒也具有邏輯推理能力嗎？如何知道不會說話的嬰兒有沒有邏輯推理能力？

知識的起源一直是一個爭論不休的問題。先天學派（Nativism）認為存在與生俱來的基本知識，這些基本知識是各種複雜知識和能力的基石。相反，後天學派（Empiricism）則認為人出生就是一塊白板，嬰兒只有基本的感知覺，知識都是後天習得的。兩千年來，兩派理論爭論不休。然而，思辨的爭論最終還是需要實證的研究來裁決。

近日，《科學》（Science）雜誌發表的研究《前語言期嬰兒邏輯推理的先兆》（Precursors of logical reasoning in preverbal human infants）通過研究嬰兒的行為和眼動，表明了12個月和19個月的嬰兒能夠進行簡單的選言三段論（Disjunctive Syllogism），說明人類的邏輯能力存在獨立的起源，並不依賴於語言的習得。一些基本的邏輯能力可能是與生俱來的。

為了深入了解這項研究，我們採訪了此研究的一作Nicoló Cesana-Arlotti博士以及受《科學》雜誌邀請為此研究撰寫評論文章《嬰兒的邏輯》（Logic in babies）的Justin Halberda教授。我們會從以下三個方面介紹這項研究。

1. 從《科學》文章本身出發介紹這項研究。
2. Cesana-Arlotti博士向我們講述了這項研究背後的故事，以及他對科學研究的思考。
3. Halberda教授對這項研究的解讀

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天生的邏輯

讓我們先一起來看兩個動畫。

第一個動畫合情合理，第二個動畫出人意料。在第二個動畫中，一條蛇和一個球被遮擋住了，碗從遮擋物後舀出了其中一個：可能是蛇，也可能是球。之後蛇從遮擋物後面出來，這時你大概會想，碗里的肯定是球了。但是接下來，球又從遮擋物後出現了！這是怎麼回事？你也許會覺得這是實驗者在惡作劇，但正是這種小把戲，能幫助我們了解還不會說話的嬰兒的邏輯推理能力。

為什麼我們會感到驚訝？因為我們進行了一個簡單的推理：碗裡面或者是球，或者是蛇，如果不是蛇，那就一定是球！這個推理的過程被哲學家描述為選言三段論：

我們在做單選題時經常使用這個方法：有四個選項可能是對的，用排除法去掉錯誤的選項，那麼剩下的那一個就是正確答案。

Cesana-Arlotti博士發現，在看到這兩個動畫之後，不會說話的嬰兒也會表現出不同的反應。12個月大的嬰兒在看完第一個動畫之後，一會就失去興趣，東張西望。但是看完第二個動畫後，他們會盯著碗看很久。嬰兒會對意外的事件格外關注。他們在動畫二之後長久地凝視著碗，說明他們也跟我們一樣覺得動畫二出乎意料，碗里的東西有什麼不對勁。

由於兩個動畫的差別只是第二次從遮擋物後出現的物體，從嬰兒對動畫二感到驚訝，研究者推測他們一開始看到蛇從遮擋物後出現，就推理出到碗里的應該是球，但是沒想到第二次從遮擋物後出現的東西（球）不是他們所預期的（蛇）。

光憑這樣一個簡單的實驗結果還不足以表明嬰兒確實具備邏輯推理能力。於是，研究者給出了更有力的證據。他們記錄了嬰兒在觀看動畫時的眼動位置和瞳孔大小。

當第一個物體從遮擋物後出來的時候，實驗進入了「潛在推理階段」（potential inference stage)。在這個階段，出現的物體不僅表明了遮擋物後的物體是什麼，同時也提示了碗里的物體。結果發現，嬰兒看到第一個物體從遮擋物後出來之後，會轉而看向碗。不僅如此，嬰兒眼動的幅度越大，之後看到不合理的物體從遮擋物候出來時會越驚訝（看碗的累計時間越長）。

為了進一步確認這種眼動與最後看碗的累積時間的正相關關係是因為嬰兒在進行邏輯推理，研究者又讓嬰兒看了動畫三。

動畫三跟前兩個動畫唯一的差別在於，動畫三一開始就表明了碗裡面的物體是什麼。嬰兒根本不需要進行任何邏輯推理來猜測碗裡面的物體。這時，嬰兒看到物體從遮擋物後出來時，眼動的位置就與之後的驚訝程度沒有關係了。不僅如此，研究者還發現嬰兒看到遮擋物後物體出現時的瞳孔半徑可以預測嬰兒之後的眼動幅度以及最後看到不合理物體出現時的驚訝程度。瞳孔放大得越多，嬰兒就越會去查看碗，面對不合理物體從遮擋物後出現時的驚訝程度也會更高。這一系列生物指標都實時地反映了，在看到物體第一次從遮擋物後出現時，嬰兒在進行邏輯推理。

這項研究旨在尋找不會說話的嬰兒也具備選言三段論推理的證據，其實驗設計精巧，文字平實。我非常推薦大家有機會讀一讀原文，了解一下如何研究嬰兒的思維以及實驗背後的邏輯。

當然，沒有一項研究能解決所有問題。這項研究也只是尋找到了嬰兒邏輯推理的先兆。即使是先天論者，也不會認為嬰兒一生下來就具有所有的認知能力與知識。

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背後的故事：對話Nicoló Cesana-Arlotti博士

Q: 12個月和19個月的嬰兒有什麼特別之處？你為什麼選擇這兩個年齡段的嬰兒？

A: 之前的研究表明，嬰兒的邏輯能力取決於語言中邏輯辭彙的發展，邏輯推理能力在兩歲之後才會形成。但是12個月和19個月的嬰兒還不具備語言能力，處於前語言階段。我們想知道這兩個年齡段的嬰兒是否擁有簡單的邏輯推理能力。

另外，我們也想知道從一歲到兩歲，人的認知能力有什麼變化。19個月左右是現有研究中發現嬰兒能使用排除法學習新辭彙的最小年齡，但是並沒有人在19個月大的嬰兒身上研究過邏輯推理能力本身 。

Q: 為什麼不找年齡更小的嬰兒？

A: 當然也可以找更小的嬰兒做實驗，但是難點在於，邏輯推理的實驗本身需要嬰兒有能力對多個物體進行加工。如動畫所示，這些物體會被遮擋住。為了使用排除法推理，嬰兒必須至少記住整個實驗過程中有兩個物體（蛇和球）。然而，要記住兩個不同的物體，這本身對於嬰兒來說就很難。所以我們在測試12個月大的嬰兒時，簡化了任務。但即便如此，對於年齡更小的嬰兒來說，這些任務可能依然非常困難。如果嬰兒無法完成實驗，我們就無從得知實驗失敗到底是因為嬰兒沒有邏輯推理能力，還是因為他們缺乏其他完成這個實驗所需要的能力。

Q: 你最喜歡這個研究中的哪個部分？

A: 研究前語言階段嬰兒的高級認知功能，比如邏輯推理、建構和檢驗假設的能力，以及這些能力的起源，是很有意思的，因為這些能力很強大也很令人驚訝。

了解這些能力的基石和初始狀態，是了解這些認知能力發展的必要部分，也能幫我們了解這些能力到底是怎麼運作的。畢竟人類最重要的能力之一就是使用邏輯，在各種假設空間中探索，尋找各種可能性。

另外，我有邏輯學和哲學的背景。我特別感興趣什麼是邏輯，邏輯如何工作，以及邏輯在我們腦中是怎麼表徵的。研究還不會說話的嬰兒，了解沒有語言支持的邏輯形式和概念，對我來說非常好玩。

Q: 你認為最令人振奮的發現是什麼？你一開始就知道你會找到這些結果嗎？

某種程度，我們覺得能找到結果。通過理論思辨，我們相信能找到嬰兒的邏輯表徵，但是我們也需要實證數據來表明。所以，真的找到了實證證據，我們還是挺驚喜的。我們的實驗結果驗證了我們的預期。

同時，我們也驚喜地發現這種邏輯能力在嬰兒和成年人之間具有連續性。我們發現，在做我們的實驗的時候，嬰兒和成年人擁有相似的邏輯推理過程。成年人和嬰兒都會使用非語言的邏輯推理能力，這種推理過程都會在他們的眼動行為上表現出來。這些認知結構和能力上的相似性說明一些最基本的邏輯推理能力在發展中是連續的，貫穿整個人生。

Q: 你的博士論文的第一句話說「關於前語言邏輯概念，我們知之甚少。」你怎麼想著做這個項目的，以及你怎麼在沒有參考文獻的情況下進行研究？另外，皮亞傑之前說過邏輯推理能力是後天學會的，在形式運算階段(Formal Operation)才形成。你為什麼認為皮亞傑不對，轉而去研究年幼兒童的邏輯推理能力？

A: 你的問題有兩個方面。

第一，我們為什麼對嬰兒有沒有邏輯能力這個問題感興趣，為什麼我們認為嬰兒天生有基本的邏輯能力，而皮亞傑等人不這麼認為？從哲學的論證出發，我們覺得我們應該能夠在個體發展的早期找到基本的邏輯表徵。福多（Fodor）的論證很有道理，非常有說服力。他基本上建立了認知先天論的哲學基礎。他認為，如果人類完全沒有基礎概念（primitives），而是要從感知覺信息之中建立起邏輯概念，這很不合理，也很難實現。人雖然可以通過假設檢驗的過程學習複雜的新的概念，但是那些基本的、無法被分解的簡單概念是如何學會的，這一點令人疑惑。有些概念不能被分解為更加基本的概念，包括一些基本的邏輯概念，比如否定（negation）和析取（disjunction）。這些基本概念不能被其他更加基本的邏輯操作所定義或詮釋，這時候我們就不知道如何通過組合來學習這些概念了。福多認為，這些最基本的概念是與生俱來的。嬰兒根本不需要學習這些基本概念。從哲學家的思維論證出發，我們覺得我們應該能夠在個體發展的早期找到這些基本的表徵。

第二，如何找到一個方法去回答前人完全沒有問過的問題？這裡，我綜合了幾件事情。首先，我有哲學和邏輯學的背景，所以我內心中有一個邏輯表徵應該什麼樣，邏輯過程應該怎麼運作的模型。然後，我需要設計實驗來驗證如何在沒有語言的情況下檢測邏輯能力。其次，很多人設計過很多聰明的實驗來研究不會說話的嬰兒的別的能力，比如Halberda博士做過一些關於辭彙學習的實驗，發現嬰兒通過排除法來學習新的單詞的意思[1]。所以我知道，有些方法可以有效地測試不會說話的嬰兒的認知功能。當然，我需要找到一種新的方法來檢驗邏輯能力。在閱讀了大量的文獻之後，我的腦子裡浮現出了實驗設計的原型。

我用了八年的時間做這一系列研究。這八年來，我不斷地在思考如何回答這個問題。很多次我都覺得我肯定沒法回答這個問題。我花了很多時間，一步一步，嘗試了很多方法。每次我們都覺得結果不是很好，而且還有很多新的問題。我們花了很長時間，終於逐一解決了這些問題。

Q: 為什麼你願意承擔這個風險？

A: 一方面，我對這個問題非常感興趣，我也覺得這個問題很重要。另一方面，我覺得科學就是這樣的——要花很多時間，想清楚，想好了，再做很多實驗。這樣，這些實驗才是正確的、真正需要做的實驗。思考很重要。沒有想好問題就跑很多實驗，我不覺得那樣是做科學的合理方法。在構建模型之前，我們需要對比各種不同的模型和參數，需要生成很多假設，然後再嘗試找到或者收集證據來支持或者反對這樣的假設，再更新假設。

Q: 在《科學》雜誌上發表文章的過程大概是什麼樣的？是什麼讓你決定一開始就向《科學》雜誌投稿？

A: 為什麼不呢？我覺得每個人都應該試一試。一開始，我們覺得我們有一些很有趣的結果，同時《科學》雜誌的編輯可能有興趣。我當然有點不確定最後能不能被接受。最後發表了，我還是挺意外的。如果你熱衷於你的研究，並且想讓大眾了解你的研究，完全可以向《科學》投稿試試。另外，《科學》雜誌拒稿也特別快。你很快就會知道被拒了，所以不會耽誤太多時間。

Q: 投稿後你等了多久編輯和評審人才告訴你結果？

A: 編輯大概就兩三周吧，非常快。評審意見也很快。評審人都非常棒。我覺得他們的建議讓這項研究變得更好了。當然，他們也提出了一些批評意見，但是我並不覺得沮喪或者受挫。我覺得整個過程很有幫助。

Q: 你希望別人，尤其是普通大眾，比如家長們，怎麼理解你的研究？你希望他們從你的研究中學到什麼？

A: 我需要說明一點：我們的結果既不說明家長們要做什麼特別的事來發展孩子的邏輯能力，也不能具體地指導家長怎樣教育孩子。因為這還只是一些初期結果。

我們的研究說明嬰兒在自然的成長過程中，有一些與生俱來邏輯能力，所以家長不要過度擔心他們這方面的能力。他們應該跟孩子們一起玩耍，共度好時光，提供自然、開心和豐富的成長環境。我非常希望公眾了解這些信息，而不要過渡詮釋我們的研究。

文章在《科學》上發表已吸引了公眾的注意和討論。我很驚訝原來大家對這樣的研究這麼有興趣又有明顯的擔心。我現在收到很多郵件，主要是普通公眾的郵件，告訴我他們的體會。我想說，發展心理學有很多人們特別關心和想知道的關於嬰兒心智發展的研究。我們這種研究很重要，沒想到一般人也很認可，我很開心。

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研究邏輯起源的新領域：對話Justin Halberda教授

Q: 你最喜歡這項研究的哪個部分？

推理能力之所以難研究，是因為人的邏輯推理是個隨著時間展開的過程——你得到一些信息，經過思考分析，推測某個假設可能是對的，然後你檢查這個假設是否成立。這是一個序列過程。我們通常測量的數據是特定時間點的行為反應，很難記錄隨時間展開的整個推理過程。這篇文章的研究，通過記錄嬰兒在觀看影片的眼動和瞳孔大小，向我們呈現了嬰兒推理過程的實時變化。通過瞳孔大小和眼動，你可以看到，當推斷碗裡面肯定是球的時候，嬰兒就會盯著那個碗看，覺得球肯定在碗里。你可以看到嬰兒確實正在做出推斷。這就是這個研究美妙的地方。

Q: 這個實驗任務會不會太簡單了。通過這麼簡單的任務我們真的能說明嬰兒有邏輯能力嗎？

人們對知識和科學存在非常嚴重的臆想和誤解，以為一個實驗就能回答所有問題，找到答案證明你是對的，然後就萬事無憂了。大錯特錯！你這輩子想到的每一個想法都有錯誤的方面。任何一個科學理論都有錯誤的方面。只不過有時候，有些理論流傳的時間更長罷了。牛頓很聰明，他發明了微積分來研究瞬時速度。在某個瞬間怎麼可能測量到速度？但是牛頓通過數學解決了這個問題。他還提出了萬有引力理論，這是個關於引力的很好的理論，也預測了很多物理事件。但是這個理論是錯的，但是人們不知道，一直到愛因斯坦出現說：「不對，引力不是在時空中傳遞能量，引力是扭曲的時空本身。」我們都說地球繞著太陽轉啊轉。不對！地球是在扭曲的時空中走直線——穿越兩點間最短的距離。

通過單一的實驗來回答某個問題，這種想法是錯誤的。這個問題不值得回答，這個問題應該被改正。

Q: 站在後天論的角度，你覺得他們會如何反對這項研究？

絕大部分科學家都是後天論者，絕大部分發展心理學家也是。絕大部分的心理學家不希望這項研究被發表在《科學》雜誌上，不喜歡這篇文章被發表在《科學》雜誌上，也不認為這項研究有什麼重要的，甚至認為這項研究一團糟。這就是絕大部分發展心理學家的看法。他們，就像普通公眾一樣，都有後天論的偏見，看到嬰兒會說：「哦，這就是一團物體，啥也做不了，也不能自己吃東西，也不能走動，也不能說任何話。」

他們會怎麼評論這項研究？他們會說：「所有嬰兒的反應不過是視覺、知覺和運動的反應。實驗物體有不同的顏色，嬰兒看到顏色來來去去，花花綠綠的，總之，嬰兒就是看到五顏六色很驚訝。」

Q: 你在觀點文章里提到:"一個新的研究領域正在形成「。你最希望看到這個領域有什麼樣的研究？

我希望更多人去探索到底孩子們真的知道什麼，去真正探究嬰兒的認知能力，而不是去爭吵為什麼我們應該排斥和拒絕這篇已經發表的文章，或者批評這篇文章錯在哪裡。發展科學（Developmental Science）經常疲於爭吵孰對孰錯，比如這個理由是錯的，或者那個推理不合理。這都是在浪費時間。通過這種爭吵，我們學不到任何新的東西。所以，我們要花時間去探索新的東西，然後自然有時間來寫綜述分析我們是怎麼想的，哪些是對的，哪些可能不太對，等等。我們需要先去尋找更多更新的東西。

其實，對邏輯能力的研究從一開始就是對心智進行科學研究的基礎。但是近幾十年沒有什麼人進行這樣的研究了，更沒有人研究過還不能說話的嬰兒的邏輯能力。這個新興的領域將研究嬰兒是否有邏輯能力，也將探索是否只有人類具有邏輯能力。同時，我們也要研究動物是否有邏輯推理能力。我認為有很多東西需要發掘的，有很多問題需要解答。即使研究發現嬰兒或者動物不能進行某種邏輯能力，我覺得也是很有意義的。畢竟，嬰兒也好，動物也罷，不可能擁有所有的邏輯推理能力。即使有，也只是很少的一部分，但是這一小部分能力使得幼小的心靈能夠成長並且創造未來。

Q: 發展心理學研究在尋找認知功能起源的時候目標是什麼？

當你說「嬰兒能做這做那」的時候，沒有研究過嬰兒的科學家和普通大眾總是會很驚訝，因為這些研究發現跟他們的期望不一樣。人們覺得嬰兒就是蠢蠢的：「嬰兒不會說話不會走，你得教這教那。嬰兒能知道啥呢？」 所以，發展研究的實驗結果經常出乎他們的意料。

我們發展心理學研究不僅僅要思考為什麼這種研究邏輯起源的工作很有趣，更要知道為什麼這樣的工作很重要。這類研究之所以重要，是因為它能告訴我們在嬰兒長大成人的過程中，心智發展要解決多大多難的問題。如果任何心智最初只有感知覺，那麼它無法發展成為伽利略那樣偉大的心智。為什麼不能？因為心智發展過程要解決極其複雜的溯因推理（abduction）。「心智一開始只有感覺系統，什麼先天概念都不存在」這樣的假設，並不會使得心智發展的問題變得容易。相反，這樣的後天論假設會使得心智發展成為一個不可能解決的問題。

我們不是說想發現嬰兒什麼都會、什麼都懂，而是去尋找促使學習成為可能和心智能夠發展的最基本、最不可或缺的認知基礎。

Q: 能否從評審人的角度分析為什麼這篇文章會被《科學》雜誌接受？

這篇文章發表在《科學》雜誌上一部分是因為《科學》雜誌的編輯Gilbert Chin認為先天論者提出的科學論據非常重要。這並不是《科學》雜誌第一次刊登有爭議的發展心理學研究。只有《科學》雜誌對這樣的學術爭論很重視，它曾經刊登過非常著名的學術先天論對戰後天論的交鋒：一邊是先天論的代表Gary Marcus論證句法規則在早期語言習得的重要性，另一邊是Jenny Saffran論證轉移概率在學習分割辭彙中的重要性。這是一場非常精彩、非常重要的辯論。我認為《科學》雜誌的編輯明白這種爭論非常重要，也明白「嬰兒具有一些基本的邏輯推理能力」是個非常大膽的假設，而且他們認為研究者對這個假設進行了仔細認真的求證，而且實證數據很有說服力。所以，他們認為應該把「嬰兒在能說話之前就有邏輯推理能力」這個大膽的斷言引入學術討論中。

Q: 原來如此，但是這些背後的決策我們怎麼知道呢？我們平時似乎都不能知道評審人（reviewer）的身份？

《科學》雜誌讓允許投稿人知道評審人的身份。對於一份稿件，如果兩個評審人有巨大的意見分歧，比如一個說這篇文章很好，另一個說這篇文章很糟，那麼《科學》雜誌的編輯有權邀請兩位評審人互相評審——每個評審人都要告訴編輯為什麼你認為對方的意見不合理。然後，編輯會權衡雙方意見，選擇更有說服力的一方。雖然投稿人不一定知道文章發表的背後都發生了什麼，但是這種過程確實時常發生。這是《科學》雜誌的工作方式。《科學》雜誌會這麼做，其他雜誌不見得這麼做。

有爭議的文章能發表在《科學》雜誌上，並不是因為所有人都同意這篇文章表明的觀點，而是因為很多人不同意這篇文章的觀點，但是《科學》雜誌認為研究證據充分表明文章的論點是成立的。

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結語

這項關於嬰兒邏輯推理能力的研究，實驗的設計很巧妙，探討的問題也很有趣。來自作者和評審人的第一手解析讓我們知道一項科學研究遠不是一篇《科學》文章所能概括的。研究背後的各種思索、嘗試、失敗、挫折以及運氣，不去問問研究人員本人，我們可能根本體會不到。

這個研究做了八年，最後發到了《科學》雜誌上。一方面，我覺得作者對研究問題本身的興趣和執著肯定是功不可沒。另一方面，《科學》願意接受有爭議的研究課題，看重研究證據是否能支持研究結果，而不被觀點上的偏見所影響，這一點也很重要。了解這些雜誌選稿的邏輯或許有助於我們了解自己的研究到底做得如何以及到底什麼是好的原創性工作。

最後，文章的採訪原稿很長，討論的方面也很多，我們在這裡只編輯選取了部分重要內容。完整的採訪內容，我們將作為補充材料放在微信公眾號中。如果您有興趣，歡迎通過【擴展閱讀】中的鏈接點擊查看。我們初次使用微信公眾號編輯文章，發現微信公眾號的編輯環境有很多不合理的地方，我們還在學習怎麼使用這個媒介。希望在將來給大家提供更友好的閱讀體驗。

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擴展閱讀

完整的採訪和補充內容

• Nicoló Cesana-Arlotti博士採訪完整版
• Justin Halberda教授採訪完整版
• 研究介紹的補充內容也可以在這裡進行閱讀。

研究報道相關的延伸閱讀

• Halberda, J. (2018). Logic in babies. Science, 359(6381), 1214-1215.
• Cesana-Arlotti, N., Martín, A., Téglás, E., Vorobyova, L., Cetnarski, R., & Bonatti, L. L. (2018). Precursors of logical reasoning in preverbal human infants. Science, 359(6381), 1263-1266.
• Laura Schulz在2015年給了一個很精彩的Ted Talk，其中列舉了嬰兒其他的推理能力。
• 知識分子：一歲幼童也會推理：邏輯產生或與語言無關 | 前沿

Nicoló Cesana-Arlotti博士採訪中的相關信息

• Halberda, J. (2003). The development of a word-learning strategy. Cognition, 87(1), B23-B34

Justin Halberda教授採訪中相關的信息

• 《科學》雜誌Gilbert Chin的頁面
• Saffran, J. R., Aslin, R. N., & Newport, E. L. (1996). Statistical learning by 8-month-old infants. Science, 274(5294), 1926-1928.
• Marcus, G. F., Vijayan, S., Rao, S. B., & Vishton, P. M. (1999). Rule learning by seven-month-old infants. Science, 283(5398), 77-80.

補充材料

• 動畫一視頻

https://www.zhihu.com/video/972757150031978496

• 動畫二

https://www.zhihu.com/video/972757538165469184

• 動畫三

https://www.zhihu.com/video/972757787705585664
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