意识的数学模型

zhixun

BY boxi


编者按：何为虚拟？何为现实？你以为你感知到的世界就是现实吗？认知科学家 Donald Hoffman 用进化博弈理论来说明，我们对独立现实的感知不过是幻觉罢了。就像图灵将得主 Leslie Valiant 努力想寻找生命的基础算法以及 Pedro Domingos 思考有没有主宰世界的主算法一样， Donald Hoffman 也想找出一个意识产生的数学模型。感兴趣的还可以看看他的 TED 演讲：眼见为实？

我们在日常生活当中往往认为我们的认知—那些我们看到的、听到的、摸到的、尝到的东西，就是对真实世界的精确描绘。当然，一旦我们停下来思考一下，或者当我们发现自己被某种错觉欺骗时，我们就会震惊地意识到，我们所感知到的从来都不是真正的世界，而是我们大脑对世界样子的最好猜测，一种对客观现实（external reality）的主观模拟（internal simulation）罢了。尽管如此，我们仍然指望着这个事实，即我们的模拟还是像模像样的。否则的话，现在我们岂不是应该被进化淘汰掉了？真正的现实也许我们永远也难以企及，但当然，至少我们的感觉能够为现实的样子提供一些头绪。

未必，加州大学认知科学教授 Donald D. Hoffman 这样认为。过去 30年Hoffman 一直在研究认知，人工智能、进化博弈理论以及大脑，他的结论相当引人注目：我们的认知呈现给我们的世界跟现实一点都不像。而且他还说由于这种了不起的错觉，我们已经实现了自我进化，通过推动事实（truth）走向灭绝来实现演进适应度的最大化。

理解现实本质，以及让观察者摆脱被观察对象，是跨越神经科学与基础物理边界的一项努力。一方面你会发现，研究人员绞尽脑汁想要理解为什么仅重 3 磅左右、服从的不过是普通的物理定律的大脑却能够引发第一人称的意识经验。把这问题叫做 “疑难杂症” 是很合适的。

另一方面，量子物理学家则对量子系统似乎是不确定的对象（直到我们—无论是有意识的人还是无生命的测量设备观察它们时才会在空间中固定下来）这一奇怪事实惊奇不已。接二连三实验已经表明，如果我们假定构成一般物体的粒子有客观的、独立于观察者的存在的话，那我们就会得到错误的答案—这一点有悖于常理。量子物理的核心经验很清楚：在先存的空间中并无公共对象的存在。正如物理学家 John Wheeler 所概括那样：“尽管在一般情况下我们都说世界是独立于我们而存在的，但这种观点（在量子物理当中）却是没有支撑的。”

所以尽管神经科学家努力想要理解怎么会有第一人称现实这么一个东西，量子物理学家却要设法破解可以有任何东西就是没有第一人称现实的神秘。简而言之，一切线索都指回到观察者身上。想打破这两种科学边界的 Hoffman 试图构建观察者的数学模型，然后再通过它来理解错觉背后的现实。Quanta 杂志就此对 Hoffman 进行了采访，下面就是采访的摘要。

问：大家往往用达尔文进化论作为论据说明我们的感知是精确反映现实的。他们说 “显然我们必须以某种形式跟现实结合，因为否则的话我们早就被淘汰掉了。如果我认为我看到的是一颗棕榈树但实际却是一头老虎的话，我可就麻烦了。”

DONALD HOFFMAN：是的。经典的观点认为我们看得更精确的祖先相对于看得没那么精确的那些具有竞争性优势，因此更有可能把这些带有更精确的知觉遗传密码的基因传递下去，经过成千上万代之后，我们对自己是那些看得更精确的人的后代可以相当有信心了，所以我们也看得精确。这听起来似乎挺合理。但我认为这完全是错误的。这误解了进化的基本事实，这个事实跟适应度函数有关—这个数学函数描述了给定策略是如何实现生存和繁殖目标的。数学物理学家 Chetan Prakash 已经证明了我设计的一个定理：根据自然选择的进化，看到现实确切样子的有机体的适应度永远不会超过复杂度一样、但没看到现实的任何一面而只是调整适应度的有机体。永远不会。

你已经利用计算机仿真来展示了这一点。能不能给个例子？

假设现实当中有一样资源，比如说水，并且你可以以客观法则量化水的多少—比如很少的水，不多不少，或者很多水。现在假设你的适应度函数是线性的，那么水很少适应度就小，水量适中适应度就适中，而水量大则适应度也打—这种情况下，看到水的真相的有机体将会胜出，但这只因为适应度函数刚好跟现实的真正结构一致罢了。但通常现实世界中情况绝对不会是这样的，钟形曲线要常见得多—水太少你会渴死，水太多你会淹死，只有处在中间的才对生存有利。这时候适应度函数跟现实世界的结构就不匹配了。而这足以把事实推向灭亡。比方说，调整适应度的有机体可能会把少量或大量某种资源看成是红色来表示低适应度，而把适中量视为绿色，表示适应度高。它不会看到小和大的任何区别，而只会看到红色，尽管现实中大小是存在区别的。

但是看到虚假的现实怎么就有利于有机体的生存呢？

我们可以打个比方，这个比方是最近 30、40年 才可以看到的，那就是桌面界面。假设你计算机桌面右下角有个蓝色矩形图标—这是不是就意味着文件本身是蓝色的、是方块形状并且就放在计算机右下角呢？当然不是。但这是唯一能断言有关桌面任何东西的东西—它有颜色、有位置，还有形状。能提供给你的只有这些，但对于文件本身或者计算机上的任何东西来说这些没一个是真的。这是一件很有趣的事情。如果你对现实的全部看法都局限在桌面的话你是没法构造出计算机内部结构的真正描述的。但是桌面还是很有用的。蓝色矩形图标对我的行为提供了指导，并且把我不需要知道的复杂现实隐藏了起来。这个思路很关键。进化已经塑造了我们的认知让我们得以生存。它们引导了适应性行为。但这部分牵涉到吧我们不需要知道的东西隐藏起来。而那些东西几乎就是现实的全部了，无论现实是什么。如果你必须耗尽所有的时间想把那些东西找出来的话，老虎会吃掉你的。

这么说我们看到的一切都是一个巨大的幻觉了？

我们已经被塑造成拥有让我们活下来的认知，所以我们必须认真对待这些认知。如果我看到一个自己认为是蛇的东西，我不会把它捡起来。如果我看见火车，我不会站在它前面。我已经演变出这些符号来让我生存下来，所以我必须认真对待它们。但认为如果我们需要认真对待的话也需要全盘接受是有逻辑缺陷的。

如果蛇不是蛇，火车不是火车的话，那它们是什么？

蛇或者列车，就像物理学的粒子一样，是没有客观的、独立于观察者的特性的。我看到的蛇是我的感官系统创建的描述，为的是告诉我我的行动会引发的适应度后果。进化塑造的是可接受的解决方案，而不是最优方案。对于告诉我如何对情况进行处置这个问题来说，蛇是一个可接受的解决方案。我的蛇和列车是我的心理表征，你的蛇和列车是你的心理表征。

你是怎么开始对这些想法感兴趣的？

我还是小孩的时候就对 “我们是机器吗” 这个问题感兴趣。我的科学读物认为我们是。但我父亲是一位牧师，在教堂里他们说我们不是。所以我决定自己去找答案。这是一个重要的个人问题—如果我是机器，我要得出这个结论！如果我不是，我想知道的是那种超越机器的特殊魔力是什么？所以 1980年 代我到了 MIT 的人工智能实验室开始研究机器感知。当时视觉研究领域正在享受着针对特殊视觉能力开发的数学模型的新成果。我注意到它们似乎都有一个共同的数学结构，所以我想也许可以写出一个包含所有那些数学模型的形式结构来用于观察，也许可以涵括所有可能的观察模式。我部分受到了图灵的启发。他发明图灵机的时候设法提出一种计算的概念而不仅仅是修修补补，他说，让我们来找出可行的、最简单、最精简的数学描述吧。这种简单的形式主义就是计算科学的基础。所以我想，我是不是也能给观察的科学提供一个类似简单的形式化基础呢？

意识的数学模型。

是的。我的直觉告诉我，意识体验是存在的。我有痛感、味觉、嗅觉，我所有的感觉体验、情绪等等。那我可以这么讲：所有可能体验的集合应该属于这种意识结构的其中一部分。当我有了一种体验之后，我可能会根据那种体验改变自己的行为。所以我需要收集可能的动作集合，然后还要有决策策略，在有了特定体验的情况下让我可以改变自己的行为。整件事情的基本想法就是这样。我会考虑体验的 X 域，行动的 G 域以及让我可以根据体验选择新动作的算法 D。然后我再把世界设定为 W，这个也是概率空间。世界会以某种方式影响我的认知，所以从世界到我的体验要有一个认知的映射 P，而当我行动时，我就改变了世界，所以从行动域到世界也有一个映射 A。整个结构就是这样。6 个要素。我的断言是这样：这就是意识的结构。我把它放出来这样大家就可以有攻击的目标了。

但是如果有一个 W 的话，是不是说就存在着一个外部世界了？

说出来你可能会感到吃惊。我可以把模型中的 W 去掉，然后用一个意识代理替代它这样来得到一圈的意识代理。实际上，你可以得到任意复杂性的整个网络。而这就是世界。

世界只是另一个意识代理？

我把它叫做意识现实主义：客观现实只是意识代理，只是看法而已。有趣的是，我可以找两个意识代理然后让它们进行交互，这种交互的数学结构也能满足意识代理的定义。这种数学告诉了我一些东西。我可以把两个想法放到一起互动产生一个新的、统一的想法。我来举一个具体的例子。我们的大脑有两个半球。但当你进裂脑手术，把连接左右脑的胼胝体切断时，你可以得到有两个独立意识的清晰证据。但在切断之前，似乎只有一个统一的意识存在。所以有单个的意识代理并不是难以置信的事情。但是你也可以看到两个意识代理存在的情况，那就是左右脑分开的似乎。我没想到会这样，但数学迫使我认识到这一点。数学认为我可以把独立的观察者放到一起，然后创造新的观察者并且一直这样做下去。这一路上都是意识代理。

如果这一路都是意识代理、都是第一人称视角的话，那科学又是怎么回事？科学对这个世界可一直都是用第三人称描述的。

认为我们做的是衡量可公共访问的对象，认为客观结果来自你我可以在完全相同的情况下衡量同一个对象并且得到同样的结果—很显然，从量子力学来看这种想法已经不对了。物理告诉我们，公共的物体并不存在。这是怎么回事呢？我是这么想的。我可以告诉你我头痛，并且我认为跟你的沟通是很有效的，因为你自己也头痛过。这个道理对于苹果、月亮、太阳以及宇宙来说是一样的。就像你有自己的头痛一样，你也有自己的月亮。只是我认为你的跟我的很类似。这只是假设，这种假设可能有误，但这是我沟通的来源，就共同物体和客观科学来说我们也只能做到这样。

似乎神经科学或者精神哲学领域没有多少人考虑过基础物理。你认为这对于理解意识来说是不是一块绊脚石？

一直如此。他们不仅忽视了基础物理的发展，而且往往对此还态度鲜明。他们公开说量子物理跟大脑功能与意识方面的东西没有关系。他们确定有关系的应该是神经活动的典型属性，比如脉冲频率、突触的连接强度，可能还包括动力学方面的属性等，而这些东西都是独立于观察者的。这是牛顿物理学非常典型的观念，认为时间是绝对的，物体的存在也是绝对的。然后（神经学家）又对自己不能取得进展感到困惑。他们并没有让自己受益于物理学取得的令人难以置信的洞察和突破。这些洞察就摆在那里供大家使用，但我的领域还有人说，“谢谢，但我们还会坚持牛顿学说，我们还会坚持落后 300年 的东西。”

我怀疑他们会对 Roger Penrose 和 Stuart Hameroff 的（量子意识）模型做出反应，你仍然有一个实体的大脑，这个大脑仍然存在于空间里面，但可能它执行的是一些量子方面的东西。但相反你的看法是，“看，量子力学告诉我们必须质疑有 ‘实体’ 存在于 ‘空间’ 这种观念。”

我想这绝对是对的。神经学家说，“我们不需要唤起这类的量子过程，我们不需要神经元内部的量子波函数的崩塌，我们只需要经典物理就可以描述大脑的处理。” 我要强调量子力学得出的一个更大的教训：神经元、大脑、空间……这些都是我们使用的符号，它们不是真的。并不是说存在一个典型的会一些量子魔法的大脑。而是说大脑根本就不存在！量子力学认为典型的物体，包括大脑在内，并不存在。就现实的性质来说这是一个非常非常激进的看法。甚至 Penrose 也还不怎么接受。但你知道，我们大多数人生来就是现实主义者。我们生来就是物理主义者。这一点是很难很难摆脱的。

回到你小时候提出的那个问题，我们是机器吗？

我一直在研究的意识代理的形式理论是一个计算普遍化的—从这个意义上来说，这是一个机器理论。正因为这种理论是计算普遍化的，所以我才能让所有的认知科学和神经网络。但不管怎样现在我还不认为我们是机器—部分是因为我能区分数学表达与被表达的东西之间的区别。作为意识现实主义者，我把意识经验视为本体论的基元，这是这个世界最基础的成分。我认为，体验是王国真正的货币。日常生活的体验—我对头痛的真切感受，我尝到的巧克力的味道—这些真的就是现实的终极实质。