从混乱到自由意志|宇宙|牛顿|物理学|粒子|薛定谔

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对物理学的粗略理解可以看到决定论在宇宙中起作用。幸运的是，分子不确定性确保情况并非如此

法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749-1827）认为宇宙是一台机器，物理学决定了一切。读过拉普拉斯著作的拿破仑质问他，他的理论中明显没有创造者。“我不需要那个假设，”他回答说。拉普拉斯可能对自由意志说了同样的话，但他的机械宇宙使自由意志变得多余。

自拉普拉斯时代以来，科学家、哲学家甚至神经科学家都追随他的脚步，否认自由意志的可能性。这反映了理论物理学家的普遍信念，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系统在以后的所有时间的状态。例如，如果您知道容器中构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意志。

我是斜杠青年，一个PE背景的杂食性学者！♥致力于剖析如何解决我们这个时代的重大问题！♥使用数据和研究来了解真正有所作为的因素！

那么，想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。就您的身体而言，它们会产生多种细胞;反过来，这些细胞制造组织，例如肌肉和皮肤;这些组织构成心脏、肺和大脑等系统;这些系统使身体成为一个整体。看起来，在更高的 “涌现 ”层次上发生的一切都应该由它们下面的物理学唯一决定。这意味着你此时此刻的想法是在宇宙开始时根据当时粒子物理变量的值预先确定的。

现在，你可能会怀疑威廉·莎士比亚的十四行诗、温斯顿·丘吉尔的演讲和斯蒂芬·霍金的《时间简史》（1988 年）一书中的文字是否真的以这种方式产生，这是可以理解的。你有理由怀疑：怀疑论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。您可能知道一个变量的值，例如粒子的动量，但这意味着您无法准确检测另一个变量，例如它的位置。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定联系。然而，这是有争议的，所以我暂时把它放在一边，尽管它很重要。相反，我将重点介绍大脑神经元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 射线晶体学发展到允许我们确定这些分子极其复杂的详细结构和折叠时，这一发现才成为可能。

这些分子的结构确实是生命的秘密，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）的工作的帮助下发现 DNA 的双螺旋结构时所惊叹的那样。这理所当然地引起了公众对 DNA 分子如何编码我们的基因遗传的巨大兴奋。然而，实际上是其他分子的结构——蛋白质和相关的信使分子——使事情发生在细胞水平上。DNA 之所以重要，只是因为它编码执行真正生物学工作的蛋白质。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并将其转化为电信号。驱动蛋白和动力蛋白是将物质从细胞中的一个地方运输到另一个地方的运动蛋白。酶以如此大量的量加速化学反应，以至于它们基本上会打开和关闭它们。电压门控离子通道用作晶体管的生物版本，而配体门控离子通道允许信使分子（“配体”）（例如神经递质）将信息从大脑中的一个细胞传递到另一个细胞。事情就这样发生了。所有这些功能都来自这些蛋白质的复杂形状的细节。

这意味着，要将物理学和生物学联系起来，我们需要研究分子形状的基础理论。这个理论就是量子化学，它基于量子物理学的基本方程：薛定谔方程。在量子理论中，系统的状态由所谓的波函数描述，波函数决定了事件发生时不同结果的概率。薛定谔方程控制波函数如何随时间变化。例如，它控制着量子隧穿的过程，而量子隧穿过程又是重要的物理效应的基础，例如太阳如何通过核聚变产生能量、植物的光合作用以及用于在计算机 USB 闪存驱动器中存储数据的闪存。

我将理所当然地认为薛定谔方程的有效性，这是物理学中测试最好的方程之一。为了将其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（在本例中为蛋白质）的波函数，以确定它们的形状将如何随时间变化。所以实际的问题是：薛定谔方程，以及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？

他让自由意志怀疑论者感到困惑的是，所有结果都不仅仅取决于方程式和初始数据。它们还依赖于约束。一个例子是受重力影响的苹果，例如艾萨克·牛顿（Isaac Newton）在伍尔索普庄园（Woolsthorpe Manor）看到的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系在树柄上的绳子将苹果挂在树枝上。因此，它会变成一个钟摆，因为绳子限制了它的运动。它不会掉到地上，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决定。因此，构成苹果的所有数十亿个原子的运动也将由弦决定。这将使他们每个人在支撑下也呈圆弧移动。这就是约束如何塑造结果。

现在，我们来检查一下约束随时间的变化。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（开始时呈圆弧状的速度）不再决定结果。正是字符串的意外切断决定了发生的事情，因为它消除了之前的约束。这个故事的寓意是，当约束条件发生变化时，结果不是由初始条件决定的;它们取决于约束随时间变化的方式。

对于构成生命存在的生物分子来说，分子的形状对发生的事情起到了限制作用。这些分子非常灵活，在关节周围弯曲，就像铰链一样。分子中原子核之间的距离决定了可能的弯曲。任何特定的此类分子“构象”（一种特定的折叠状态）都会在潜在的物理水平上限制离子和电子的运动。根据生物需要，这可以以时间依赖的方式发生。通过这种方式，生物学可以向下影响物理结果。它更改了适用的薛定谔方程中的约束。

它是门的生化版本，只有当钥匙的形状适合特定锁时才会打开

一个关键案例是细胞壁中的离子通道，它们将细胞内部与外部分开。离子是由于失去或获得电子而带电的原子。钠原子和钾原子带正电是因为它们失去了一个电子，而氯离子是带负电的，因为它们获得了一个电子。离子通道是嵌入细胞壁中的蛋白质，控制离子流入和流出细胞。它们可以是打开的或关闭的，具体取决于其铰链部件的位置。因此，它们要么允许离子进出细胞（取决于它们的类型），要么阻止离子运动。

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。轴突壁中的电压门控离子通道根据细胞内部和外部之间的电压差打开或关闭。通过这些离子通道进出轴突的离子导致电信号沿着神经元纤维移动，从而产生我们思考的电神经冲动（称为“尖峰链”，因为它们由一系列小电压浪涌或“尖峰”组成）。这些离子通道是计算机中晶体管的生物类似物，它根据电路两部分之间的电压差来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离子通道，它发生在将神经元相互连接的突触中。这个过程是用钥匙打开门的复杂生化版本：只有当钥匙的形状适合特定锁时，它才会打开。配体，在本例中为神经递质，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。

图 1：配体门控离子通道功能。这就是信使分子控制细胞内物理结果的方式。来自膜受体

这允许离子流入神经元，将化学物质转换为电信号。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。导致这种打开和关闭的结合是配体特定形状的结果：当且仅当它具有适合该特定受体的正确形状时，它才能结合。因此，门控功能是离子通道详细形状的结果。

图 2：配体门控离子通道。正是如此详细的分子结构，才是生命的秘密。由维基百科提供

这就是信号分子如何改变离子流经细胞壁中离子通道的约束。信使分子结合前后的约束是不同的。这种结合的时间依赖性控制离子在一个神经元连接到另一个神经元的突触处流动。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将出现在你的大脑中。它们是思考可能性的基础。

所以，什么决定了哪些信息通过信号分子传达到您的突触？它们是由思维过程决定的信号，无法在任何较低层次上描述，因为它们以基本方式涉及概念、认知和情感。心理体验推动了事情的发生。您的思想和感受通过以随时间变化的方式改变对离子和电子流的约束，从而“向下”塑造大脑中的较低层次的过程。

例如，假设你走在街上，就在你面前发生了一场可怕的事故——汽车被砸毁，人们受伤，到处都是血。你的反应是恐惧：同情那些受伤的人，担心他们会死，一种没有发生在你身上的内疚感。这些都是由于你的大脑在心理层面的运作方式而发生的心理事件，基于过去的经验和先天反应的某种组合。这些品质——同情、恐惧、内疚——都没有发生在离子或突触水平。这些高级心理操作会改变离子通道的形状，从而改变大脑中数十亿个离子和电子的运动。在你大脑中各个层次之间错综复杂的因果关系中，这些想法之所以能够发生，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，哪些想法在你的脑海中流动，体验到看到事件的震惊是什么感觉——导致了发生的事情。物理学使你的头脑和身体中发生的事情成为可能，但并没有决定它;你对事件的心理解释做到了。

学习和记忆提供了另一个向下的因果效应如何塑造基础物理学的例子。记忆由基因的开启和关闭控制，称为“基因调控”。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：我们身体的几乎每个细胞都有相同的基因，并且编码身体其他部位出现的所有蛋白质。但每个细胞都需要产生特定的蛋白质，具体取决于环境。因此，相同的 DNA 链在不同时间在不同的细胞中产生不同的蛋白质。这是怎么发生的？它通过基因调控发生：基因被打开和关闭，因此是否表达。基因调控由称为转录因子的蛋白质控制。这些是与 DNA 分子上识别其形状的特定位点结合的调节蛋白，从而决定读取 DNA 时将产生哪些蛋白质。

这种基因调控过程会增强或削弱我们大脑中的神经连接。皮层有一列密集的神经元，通过一个极其复杂的连接网络相互连接。该网络的广泛结构对每个人来说都是相同的，但细节却不是。正是每个大脑中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。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。

学习在宏尺度上改变了结构，这向下延伸到改变微观联系

这一切是如何发生的？正如奥地利裔美国医生埃里克·坎德尔（Eric Kandel）在 2000 年的诺贝尔奖演讲中所解释的那样，心理层面的学习过程导致基因表达模式的变化，从而产生特定的蛋白质，从而改变突触神经连接的强度。这会改变神经元之间连接的强度，从而存储记忆。

这种学习是一种心理上的发生。您可能还记得吃一顿美味佳肴的乐趣，马友友演奏巴赫奏鸣曲的细节，或者车祸的痛苦记忆。再一次，这些是不可简化的心理事件：它们不能在任何更低的层次上描述。随着时间的推移，它们会向下伸展以改变神经元连接。这些变化不能根据神经连接的初始状态来预测（你的神经元不知道车祸即将发生）——但是，之后，它们对电子流的约束方式不同，因为连接已经改变。学习会改变宏尺度的结构（我们有一个“塑料大脑”），它向下延伸到改变微观连接和底部电子流的细节。

另一个恰当的例子是理性思考。大约在公元前 500 年，毕达哥拉斯学派发现了一件令人吃惊的事情：2 的平方根是无理数的。也就是说，如果 2 是数字 N 与自身的乘积（N 乘以 N 是 2），那么 N 不能表示为整数的比率，例如 N 不能是 3/2。这太令人震惊了，以至于这一发现被视为官方机密。这不是他们希望成为真实的事情，而且知道它是危险的。

这个可耻的结论是根据数学规则的理性论证得出的——这些规则塑造了 Metapontum 的 Hippasus 大脑中发生的过程。抽象逻辑在各个层面上驱动着这些大脑操作，从心理（“什么比例的整数给了我 2 的平方根？”）到沿着神经纤维飞行的电脉冲，再到通过离子通道进出这些纤维的离子，再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 Spike Chain 如何编码思想的细节，但我们确实知道这种编码必须发生。尖峰序列必须以某种方式反映 2 的平方根是无理数的逻辑论证的结构。如果我们记住了这个证明，数学论证就会在存储记忆时通过基因调控重塑神经元连接。然后，逻辑论证从字面上体现在大脑连接的细节中。

这些实例表明，心理学理解通过随着时间的推移改变物理学层面的约束来塑造离子和电子的运动。也就是说，精神状态会改变蛋白质的形状，因为大脑具有真正的逻辑能力。这种向下的因果关系胜过初始条件的力量。逻辑意义决定了我们思想中宏层面的结果，以及电子和离子流动的微观层面的结果。

这些例子当然是有争议的，因为它们涉及人脑和思想，并且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。一种算法来回答特定问题 – Google 会向您显示哪些页面？这张信用卡可以提取多少钱？我可以预订明天上午 8：45 的火车吗？——再次基于抽象逻辑。该逻辑在以高级编程语言（如 FORTRAN、Java 或 Python）编写的计算机程序中显式编码。

物理学基础的方程与此类算法没有直接关系。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的逻辑确定会发生什么。这就是计算机科学学生学习的内容。该逻辑级联到数字级，它通过改变施加的电压来确定电子流向会发生什么变化，从而改变晶体管中电子传导通道的结构。在程序加载到计算机之前，相关算法不会在其内部表示;程序加载后，它就是。通过加载程序更改了宏级别的约束。物理场随着算法的曲调而跳舞，因为在程序执行过程中，微级电压逐微秒变化。

自由意志怀疑论者忽略了我在这里讨论的那种时间依赖性约束，这些约束使一般生物学，特别是大脑功能中的因果关系成为可能。当然，分子生物学与支撑所有物质存在的物理学并不矛盾。相反，它提供了一个极其复杂的背景，事情根据该背景进行。尽管我们的大脑确实由基本粒子组成，但高级功能是通过向上和向下的因果过程的相互作用出现的。

宇宙学和分子生物学中发生的事情有一个主要的随机性因素

但仍然有一个挥之不去的想法：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机械的方式确定所有这些低级动力学呢？毕竟，它们不正是这个更大图景中的小规模细节，人们可以声称没有约束吗？根据定义，宇宙就是所有的东西，因此它不能受到更大环境的影响。在这种情况下，物理学不是确定性的，我的论点就分崩离析了吗？

回应是双重的。首先，在大尺度的宇宙学和小尺度的分子生物学中，发生的事情都有一个主要的随机性因素。在大尺度上，在宇宙学中，我们很难正确地了解所发生的事情的细节，即使是在银河系的尺度上也是如此;我们只使用统计似然。还有一些未解决的重大问题，例如暗物质如何以比太阳系大得多的尺度聚集在星系周围。我们无法根据宇宙学的初始条件进行的研究，现实地确定在较小的尺度上会发生什么，比如太阳或地球。预测到人体规模的细节是完全没有希望的。

然而，怀疑论者仍然表示，这只是缺乏足够的数据和计算能力的问题。原则上，它可以奏效。但实际上，它不会，因为微观尺度上发生的事情。在分子尺度上，由于分子之间每秒有数十亿次碰撞，工作过程中会忘记初始数据。生物学在这种疾病中蓬勃发展——彼得·霍夫曼（Peter Hoffman）在他的书中称之为“分子风暴” 生命的棘轮（2012）。分子机器确实在工作，例如驱动蛋白将货物从细胞中的一个地方移动到另一个地方，从混乱中提取秩序。与拉普拉斯设想的物理学具有确定的性质相去甚远，所有分子每微秒的 argy-bargy 意味着它们初始运动状态的细节不可挽回地丢失了。正是这种分子水平的混沌运动阻碍了实践中的微观决定论。

但是，如何从这种混乱中出现秩序呢？正如 Denis Noble 和 Raymond Noble 在 2018 年为《混沌》杂志发表的论文中所解释的那样，分子随机性使细胞机制可以选择它们想要的结果，并丢弃它们不需要的结果。这种选择的能力使心脏和大脑等生理系统能够以一种不受较低级别交互所奴役的方式运作，而是从众多选项中选择首选交互的结果。通过这种方式，可以从较低层次的无序和微观数据中出现一层秩序。这并不是自由意志存在的决定性证据，但至少它为自由意志的存在开辟了一条道路。

或者为了争论，让我们假设我错了。让我们忽略所有这些问题，认真对待确定性观点。这意味着有史以来写的每一本书的文字——《大英百科全书》、《资本论》、《哈利波特》系列——都被编码到宇宙的初始状态中，无论那是什么。在这些书的具体文字中，人类的逻辑思维没有起因果作用：它们完全由物理学决定。

目前尚不清楚任何单词是如何被编码到宇宙中的，这导致了物质和辐射彼此解耦时明显的随机波动。他们将如何在这些波动中体现？他们几乎不可能在作者写书时影响他们详细的大脑状态。量子不确定性的问题为这些说法增加了另一层不可信性。但是，让我们暂时把所有这些主要问题放在一边。让我们假设当今的大脑状态确实有可能是由宇宙中的初始条件决定的，因为因果决定论物理学是一切的基础。

那么问题来了，所有这些词是怎么到达那里的呢？有没有一个造物主把所有这些东西编码成宇宙的详细初始状态？它肯定不存在于薛定谔方程本身中，也不存在于宇宙学研究中通常设想的早期宇宙中随机确定的一组波动中。根据定义，它们既不编码任何详细信息，也不编码任何逻辑论证。

那么这些数据是如何到达那里的呢？不仅仅是为了一本书，而是为了写过的所有书？这真的是一个可信的故事，还是某种创造论的神话？

真正的心理功能和以理性方式做出决定的能力是对书籍如何写成的更有说服力的解释。这是可能的，因为我们大脑及其功能的非凡层次结构。而这种功能是通过从心理层面到物理层面的向下因果关系来实现的，物理层面的结果是由随时间变化的约束决定的。不需要发生违反物理定律的情况。

自拉普拉斯时代以来，物理学取得了长足的进步;事实上，这对他来说是完全无法辨认的。然而，今天仍然有一些物理学家自信地宣称我们不能有自由意志，因为物理学决定了一切，包括大脑功能——完全无视复杂的背景和约束的力量。

如果你真的相信基本力量没有给自由意志留下空间，那么我们作为道德人就不可能真正做出选择。我们不会以任何有意义的方式对我们对全球气候变化、儿童贩运或病毒大流行的反应负责。实际上，潜在的物理学将支配我们的行为，而责任不会出现在画面中。

这是一个毁灭性的结论。我们可以庆幸这不是真的。

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