0

2
2

文字

分享

0
2
2

解析《攻殼機動隊》的未來科技:光學迷彩、腦機介面都不是幻想?

活躍星系核_96
・2017/04/21 ・3504字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/許經夌|中原大學物理系副教授
    中原大學物理系副教授,更為人所知的身分是動漫畫評論團體「傻呼嚕同盟」的 ZERO 老師。自幼被《科學小飛俠》中的大反派物理博士辛格萊爵士所製造的機械鐵獸吸引,因而「誤入歧途」投身物理學界。擅長從熱門動漫中找出有趣的物理問題,曾因「超級英雄的物理學」線上開放課程獲得教學特優教師獎。

你能預測未來的科技嗎?

對於沒有哆啦 A 夢時光機的我們來說,預測未來可是件非常困難的事,但是漫畫家士郎正宗在《攻殼機動隊》這部傑作中做到了!

這部漫畫最早是從 1989 年開始連載的,至今已經超過了 28 個年頭,但是現今看起來不但不過時,其中種種關於未來科技的想像,更可說是在逐漸實現中。

讓士兵像變色龍一樣的「光學迷彩」

翻開漫畫,一開始最讓人印象深刻的,可能就是主角草薙素子在執行暗殺任務時所使用的「光學迷彩」(Optical Camouflage)。迷彩的概念大家應該都不陌生,在軍事上已被廣泛採用,士兵的迷彩服不僅平時看起來帥氣,在戰場上更可融入背景,不易被敵人發現,提高了存活率。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
草薙素子在執行暗殺任務時便使用了「光學迷彩」。圖/臉譜出版提供© Shirow Masamune/Kodansha Ltd.

但是,傳統迷彩有著一個大弱點:它的圖案是固定的,一旦環境背景改變了,例如穿著綠色叢林迷彩服的士兵進入了灰濛濛的城鎮中時,就很容易暴露出來,被敵人逮個正著!

而所謂的光學迷彩,就是利用光學的原理,主動地隨著環境改變其表面的顏色與圖案,隨時保持在與背景融合的狀態中,所以又被稱為「主動式迷彩」(Active Camouflage)。這個概念推到極致,也會讓人聯想起《哈利波特》中的「隱形斗篷」(Invisible Cloak)。

source:IMDb

要實現光學迷彩,其中的關鍵問題是在於:要如何將「原本應該被身體擋住的背景」重現在身體表面上?

只要能解決這個問題,身體看起來就會有如「透明人」,難以被人發現。東京大學的館暲教授實驗室是這方面研究的先驅,有趣的是,《攻殼機動隊》也正是他們實驗室必讀的參考文獻。他們的設計原理說穿了相當容易理解,就是利用有著高反射特性的材料來製作服裝,然後用攝影機拍攝身體後面的影像,再投影到身體的前方。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這個方法雖然簡單有效,但是目前還難以真正運用在軍事上,因為要讓一位士兵的身影「消失」,就至少得出動一台攝影機及一台投影機跟著他,這也太不實際了吧!

可是隨著科技發展,只要利用裝在身上的微型攝影機取代大型攝影機,並且以軟性顯示器技術來製作可以顯示影像的服裝,取代投影機的投影成像,光學迷彩的實現也許不是那麼遙遠。

圖中央為東京大學館暲教授實驗室呈現的光學迷彩示意圖。圖/截自實驗室官網

也有科學家嘗試以另一個思路來實現光學迷彩:所謂的「透明」,就是光線可以直接穿透而不受阻礙,如果有某種材料能讓光線轉彎而「繞過」物體,那麼該物體看起來就會像是透明的了。

這種可以讓光線大幅度轉彎的材料,就是近年來備受矚目的「超穎材料」(Metamaterial,或譯為「超材料」),它是以奈米科技製作的人造材料,其中的週期性奈米結構,可以讓特定波段的電磁波產生顯著的偏折,而我們熟悉的可見光,其實也是一種電磁波,當然也可以藉由設計恰當的超穎材料加以偏折,現在杜克大學等研究機構已經製作出可使微波、紅外線轉彎的超穎材料,他們也期待未來能將這項技術應用到可見光波段上。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當然,以目前的發展情況看起來,這些光學迷彩的技術就算是成功了,一時之間大概還是難以緊緻化。我們可以開玩笑地說,要做出有如《攻殼機動隊》動漫畫或電影裡的光學迷彩「緊身衣」,以凸顯出穿著者玲瓏有致的好身材,大概會是下一個階段的發展難題。

「腦機介面」:可以意識或是靈魂可以被上傳嗎?

source:IMDb

除了光學迷彩之外,《攻殼機動隊》世界中無所不在的「腦機介面」(Brain-Computer Interface)技術,更是預言了當今科技的努力方向。透過腦機介面,人腦可以直接向電腦或機器下達指令,也能直接接收電腦所傳送過來的資訊,甚至能夠透過電腦與網路相連,使自己的意識遨遊在廣大的網路資訊之海。

對於越來越依賴行動裝置及網路的現代人來說,腦機介面如果成真,那可是不得了的方便!

我們只要頭腦動念一想,隨時隨地都可以調閱電腦裡的資料,也能直接喚出電腦進行複雜的計算,更可以即時上網搜尋大量的資訊,與成千上萬的網民交流。這麼一來,傳統教育中的「記憶」與「背誦」就不再重要,人腦的價值可以更發揮在「思考」與「創意」的方向上。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當然,《攻殼機動隊》也預言了這樣「方便」的世界,可能會帶來怎麼樣的麻煩。個人的隱私權會大受影響不說,當電腦病毒或駭客入侵,出問題的可不只是電腦,連人的腦袋都會跟著遭殃,輕則記憶遭到竄改,重則整個大腦神經迴路跟著電腦一起被燒掉!

以腦機介面目前的發展趨勢來看,要達到《攻殼機動隊》所呈現的世界,還有一大段路要走。非侵入式的腦機介面,像是在頭部接上電極所讀取的腦電圖(Electroencephalography, EEG),雖然在醫療上已被廣泛應用,甚至有腦波控制的玩具產品面市,但是其訊號讀取及解析方面仍有許多困難。而侵入式的腦機介面,例如以人工手術的方式植入電極直接與腦部神經相連,或像《攻殼機動隊》漫畫中所想像的,利用微機械(Micromachine, MM)來執行相關的腦機連接手術,除了技術上的難題要克服之外,人類對於「異物」侵入身體的先天性恐懼,更是心理層面上的大障礙。

《攻殼機動隊》的腦機連接裝置屬於侵入性的介面。圖/臉譜出版提供© Shirow Masamune/Kodansha Ltd.

但還是有許多科學家十分樂觀,他們認為,目前腦機介面發展的最主要應用,就是連接人工裝置(也就是所謂的「義體」或「假體」)去取代原有功能已經喪失的神經或器官,例如使殘障人士藉由仿生義肢、電子耳、電子眼等裝置去重獲運動或感知的能力,長遠來看,這也會是人類對抗老化衰弱的有效手段,企冀永生的人類,未來不但不會排斥這樣的技術,甚至像《攻殼機動隊》中全身「義體化」的生化人(Cyborg)的出現也將是大勢所趨。

就算是全身義體化了,腦細胞也總有一天會衰老,那麼,能不能逐漸地把人腦的功能轉移到電子腦中?甚至把人格與意識也一併轉移過去?沿著腦機融合的話題往前走,就一定要問到人類的終極問題:到底什麼是「生命」?什麼是「靈魂」?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

現在的科學對這些問題還沒有解答,甚至對人類意識的運作機制都還搞不大清楚。但是科學界主流的看法是:我們的「意識」(Consciousness),或者你要套用《攻殼機動隊》中的慣用詞,叫它「靈魂」(Ghost)也可以,和我們的腦部神經網路結構密不可分。甚至有學者主張,我們人類思考的根源,推到大腦神經元連結上的電傳導訊號時,是和量子力學中所呈現的隨機現象息息相關的。

如果我們的意識真的是基於量子現象,那麼根據量子力學中的不可複製定理(No-Cloning theorem),我們每一刻的意識與思考都是獨一無二的,不可能複製到別的個體或是轉移到電腦上。就這個觀點來看,《攻殼機動隊》漫畫中所描繪的「靈魂翻印」技術會伴隨著「資訊劣化」現象,也不算是沒有道理的想像呢。

攻殼機動隊》中充滿了對未來科技的前瞻想像,讓人不得不佩服士郎正宗研讀相關資料的認真態度,以及他天馬行空的想像力。我們沒有時光機,但是藉由《攻殼機動隊》這扇「窗戶」,我們可以窺見未來世界各式各樣可能實現的科技風貌,還真是充滿樂趣的享受啊!

文章轉載自OKAPI,原文為「不是幻想,是真的!《攻殼機動隊》中的未來科技大解析」。文章圖片由臉譜出版社© Shirow Masamune / Kodansha Ltd.提供,更多內容請參考《攻殼機動隊 Complete Box》。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

 

文章難易度
活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 121 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

6
1

文字

分享

0
6
1
你聽過「量子意識」嗎?電子雙狹縫實驗讓人猜測意識會影響物質世界,真的假的?
PanSci_96
・2024/03/06 ・3800字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在市面上,我們常會看到號稱運用量子力學原理的商品或課程,像是量子內褲、量子能量貼片、量子首飾、量子寵物溝通、量子速讀、量子算命、量子身心靈成長課程等等。有人說,量子力學代表了意識具有能量,藉由調整心靈的共振頻率,就能保持身心健康,只要你利用量子力學原理進行療癒或冥想,就能提昇自己的能量,人能長高、身體變壯、每次考試都考一百分;又像是,量子力學就代表一種信息場,讓你跟別人有心電感應,只要轉念,讓宇宙能量幫助你,你就能發大財還能避免塞車。也有人說,別人吃一個下午茶,你也馬上吃一個下午茶,別人喝一杯咖啡,你也馬上喝一杯咖啡,別人跟家人吵架,你也馬上找一件事跟家人吵架,這就是量子糾纏。

然而,量子到底是什麼?跟身心靈、宗教和玄學真的扯得上關係嗎?是否真能幫助你維持健康又賺大錢呢?

在這一系列影片裡,我們就要來討論,量子力學的原理為何?背後又是基於哪些科學的研究成果。等你看完之後,相信對於量子力學跟上述五花八門商品究竟有沒有關係,心裡自然會有所答案。

量子力學和意識有關?

坊間常會聽到量子力學跟意識有關的說法;或許也是因為這樣,量子力學被許多身心靈成長課程甚至玄學拿來作為背書。但,量子力學真的是這樣子嗎?

說到量子力學跟意識的關係,我們就必須來看看,量子力學最著名的實驗之一,20 世紀的物理學大師費曼(Feynman)甚至曾經說過,這個實驗「包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。」它,就是雙狹縫干涉實驗。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

雙狹縫干涉實驗

現在我拿的器材,上面有兩道狹縫,中間間隔了非常短的距離。等一下,我們會讓雷射光通過這兩道狹縫,看看會發生什麼事。

我們看到,雷射光在打向雙狹縫之後,於後面的牆上呈現有亮有暗的條紋分布,這跟我們在國、高中學過的波的性質有關。

在兩道光波的波峰相會之處,會產生建設性干涉,即亮紋的位置;而暗紋的部分,則是來自破壞性干涉,是兩道光的波峰和波谷交會之處,亦即,光的效應被抵銷了。

在歷史上,雙狹縫干涉實驗占有非常重要的地位。19 世紀初,英國科學家、也是被譽為「世界上最後一個什麼都知道的人」的湯瑪士.楊(Thomas Young),利用雙狹縫實驗,證明了光是一種波。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

那麼,如果我們拿不是波的東西,來進行雙狹縫實驗,會看到什麼結果呢?讓我們試驗一下。

現在我手邊有一堆的彈珠,前面是用紙板做成的兩道狹縫,後面則是統計彈珠落點的紙板。我們讓這些彈珠朝狹縫的地方滾過去,並在彈珠最後的落點劃下記號;若在同樣位置的記號越多,就代表有越多彈珠打中該位置。

在丟了一百顆彈珠之後,我們可以看到,扣除掉一部份因為路徑被擋住、通不過狹縫的彈珠之外,彈珠最終抵達的位置,大致分別以兩道狹縫的正後方為最多,呈現兩個區塊的分布,不像先前光的雙狹縫干涉實驗中,出現明暗相間的變化。

所以,我們得到結論:若是拿具有物理實體的東西進行雙狹縫實驗,因為其一次只能選一邊通過,所以落點最終只會聚集在兩個狹縫後方的位置;而且要是行進的路徑不對,還可能會被擋住。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

至於波的情形,那就不同了,只要狹縫的大小適當,波可以同時通過兩個狹縫,並互相干涉,產生明暗相間的條紋。

換言之,是波,還是物質,兩者在雙狹縫實驗的表現是截然不同的。

只不過,以上的實驗似乎並沒有什麼太令人感到意外的地方,我們也看不出來,它跟量子,還有意識,到底有什麼關係?事實上,若要真正顯示出它的獨特之處,就要來看電子的雙狹縫干涉實驗。

電子的雙狹縫干涉實驗

我們知道,電子是組成原子的基本粒子之一,而原子又組成了世間萬物。可以說,電子是屬於物質的一種極微小粒子。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在電子的雙狹縫干涉實驗,科學家朝雙狹縫每次發射一顆電子,並在發射了很多顆電子之後,觀察電子的最終落點分布會怎麼呈現。

既然電子是物質的微小粒子,那麼在想像中,應該會跟我們前面使用彈珠得到的結果差不多,電子會分別聚集在兩道狹縫後方的區域。

從實驗的記錄影片中可以看到,在一開始、電子數量還很少的時候,其落點比較難看得出有明顯規律,但隨著電子的數目越來越多,我們慢慢能夠看出畫面上具有明暗分布,跟使用光進行雙狹縫實驗時得到的干涉條紋,有著類似的結構。

這樣的結果,著實令人困惑。直覺來想,既然電子是一顆一顆發射的,它勢必不可能像光波一樣,同時通過兩個狹縫,並且兩邊互相干涉,產生明暗相間的條紋。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但無可否認,當我們用電子進行雙狹縫實驗時,最後得到的結果,看起來就跟干涉條紋沒什麼兩樣。

對這出人意表的觀測結果,為了搞清楚發生什麼事,科學家又做了更進一步的實驗:

在狹縫旁放置偵測器,以一一確認這些電子到底是通過哪一個狹縫、又如何可能在通過狹縫後發生干涉。

這下子,謎底就能被解開了――正當大家這麼想的時候,大自然彷彿就像在嘲笑人類的智慧一樣,反將一軍。

科學家發現,如果我們去觀測電子的移動路徑,只會看到電子一顆一顆地通過兩個狹縫其中之一,並最終分別聚集在兩個狹縫的後面――換言之,干涉條紋消失了!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在那之後,科學家做過無數類似的實驗,都得到一樣的結果:只要你測量了電子的路徑或確切位置,那麼干涉條紋就會消失;反過來說,只要你不去測量電子的路徑或位置,那麼電子的雙狹縫實驗就會產生干涉條紋。

在整個過程中,簡直就像是電子知道有人在看一樣,並因此調整了行為表現。

在日常生活中,若有人要做壞事,往往會挑沒人看得到的地方;反過來說,當有其他人在看,我們就會讓自己的言行舉止符合公共空間的規範。

量子系統也有點像這樣,觀測者的存在與否,會直接影響到量子系統呈現的狀態。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

只不過,這就帶出了一個問題:到底怎麼樣才算是觀測?如果我們在雙狹縫旁邊只放偵測器不去看結果算嗎?我們不放偵測器只用肉眼在旁邊看算嗎?或是,整個偵測過程沒有人在場算嗎?

這就是量子力學裡著名的觀測問題(measurement problem)。

結語

在量子力學剛開始發展的數十年,有許多地方都還不是那麼清楚,觀測問題就是其一。在歷史上,不乏一些物理學家,曾經認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。

如果真是這樣的話,那麼「意識」就存在非常特別的意義,而且似乎暗示人的意識能夠改變物質世界的運作。

有一些物理學家曾認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。圖/envato

可以想見地,上述出自量子力學觀測問題的猜測,後來受到部分所謂靈性導師跟身心靈作家的注意,於是,形形色色宣揚心靈力量或利用量子力學原理進行療癒、冥想或身心靈成長的偽科學紛紛出籠,直到近年都還非常流行。

另一方面,可能因為量子兩個字帶給人一種尖端科學的想像,坊間琳瑯滿目的商品即使跟量子力學一點關係都沒有,也都被冠上量子兩字;除此之外,商品宣傳裡也常出現一堆量子能量、量子共振等不知所謂的概念,不然就是濫用量子力學的專有名詞如量子糾纏、量子穿隧等,來幫自己的商品背書。只要有量子兩字,彷彿就是品質保證,讓你靈性提升、身體健康、心想事成。

對此,我就給三個字:敢按呢(Kám án-ne)?

事實上,量子力學至今仍是持續演進的學問,我們對量子力學的理解也隨時間變得越來越豐富。現代的物理學家,基本上不認為我們可以用意識改變物質世界,也不認為「意識」在「觀測」上佔據一席之地,甚至可以說正好相反,人的意識在觀測上根本無關緊要。

不過,我們不會那麼快就直接進入觀測問題的現代觀點。在之後接下來的幾集,我們會先從基本知識開始說起,循序漸進,讓你掌握量子力學的部分概念。而在本系列影片的最後一集,我們才會重新回到觀測問題,並介紹量子力學領域近幾十年來在此問題上獲得的進展。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

討論功能關閉中。

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2176 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

2

2
4

文字

分享

2
2
4
「意識」是什麼?人們已經找到答案了嗎?
PanSci_96
・2023/11/26 ・6000字 ・閱讀時間約 12 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「意識」是什麼?

直到現在,仍是宗教、哲學、心理學、神經科學都還無法解答的難題。

但是今年, 2023 年,一場來自神經學家與哲學家對於「意識」解釋的賭注,在經過長達 25 年的研究後,終於要畫下句點了嗎?到底是誰贏了?對自己頭上頂著的大腦,我們又了解多少了?

25 年前,一場圍繞「意識」之謎的賭局

1998 年,神經科學家克里斯托夫・科赫(Christof Koch)和哲學家戴維・查爾莫斯(David John Chalmers)打賭一箱葡萄酒,如果 25 年後,人們已經能清楚地解釋意識背後的神經機制,那麼就是科赫贏了。反之,如果還是未能解答意識之謎,就是查爾莫斯贏了。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但在揭曉勝者之前,我們要先來談談一個最基本的問題,「意識」到底是什麼?首先我們要先定義清楚,因為在中文中,意識指的可能是一個人的清醒狀態、也可以是對內在自我的一種感知、又或是包含感知、情緒、思考等等的一種總和、又甚至可以是指在精神分析理論中與前意識和潛意識的比較。

若要深入探討意識定義的發展以及不同的哲學論點,那真的不做個三十集做不完,在這集的時間內,就讓我們把重點放在感質(Qualia)的相關概念。感質,指的是個人直接體驗的主觀感受,被認為無法通過客觀描述或第三人稱觀察來完全理解或解釋。我們感知世界的方式、感受事物的質感、觸覺、視覺、聽覺、嗅覺等等都是屬於感質。

感質,指的是個人直接體驗的主觀感受,被認為無法通過客觀描述或第三人稱觀察來完全理解或解釋。圖/wikipedia

舉一個例子。若是把一顆紅蘋果放在大家面前,詢問蘋果這是什麼顏色,相信大家應該都會說這是紅色。然而,雖然科學能解釋紅色是因為有波長約 620 到 750 奈米的光,刺激到視網膜的錐細胞,產生一連串的神經反應,最後形成大腦的表徵,但卻無法解釋我們對紅色的主觀感受是怎麼形成的。

哲學家們也常思考,你看到的紅色,和我看到的紅色究竟是否一樣,是否有可能我眼中的紅其實是你眼中的綠。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

舉另一個例子,這件數年前爆紅的衣服,你覺得是藍色與黑色相間,還是白色與金色相間呢?

另外,像是這張圖究竟是兔子還是鴨子?

圖/wikipedia

這張圖究竟是狗還是小女孩?

明明有張客觀的圖片存在,每個人的主觀感受卻有不同的答案。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「困難問題」(Hard problem of consciousness)是找不到答案的問題?

在意識賭局中的哲學家戴維・查爾莫斯,就提出感質以及主觀經驗為什麼(why)存在以及如何(how)產生是所謂的困難問題(Hard problem of consciousness),相較於簡單的問題是討論意識相關的功能和行為,困難問題涉及意識的經驗(現象、主觀),是沒辦法客觀觀察測量。也就是這個問題,是沒有答案的。

舉一個屬於困難問題的例子,明明都只是大腦的神經在放電,為何某些神經放電後會導致飢餓感而不是其他感覺,譬如口渴?他認為即使沒有飢餓這種「感覺」,飢餓衍伸出的行為,例如進食,也可以發生。因此這些產生的感覺,無法單純簡化由大腦等物理系統解釋。

圖/giphy

然而,困難問題的說法其實也存在爭論。根據 2020 年哲學期刊文章的互動式學術資料庫 PhilPapers 的調查, 29.72% 的受訪哲學家認為難題不存在,而 62.42% 的受訪哲學家認為難題是一個真正的問題。

也有一群神經科學家們雖然接受困難問題的存在,卻也認為困難問題未來可以被解決,又或是被證明這不是一個真正的問題。並開啟了他們對於意識相關神經區(neural correlates of consciousness)簡稱 NCC 的研究發展,試圖找到足以產生意識的最小神經集合。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
精神科學家開啟對於意識相關神經區(neural correlates of consciousness)簡稱 NCC 的研究發展,試圖找到足以產生意識的最小神經集合。圖/PanSci YouTube

但 NCC 的研究被認為最多只能找到神經反應與意識的相關性,解決的仍然只是簡單問題而非困難問題。為了突破 NCC 本身的限制,人們又開始轉往重視意識理論(theories of consciousness (ToCs))的發展。希望透過意識理論來超越以 NCC 為基礎的方法論,轉向提供更具解釋性見解的意識模型。

在意識模型這邊還在爭論不休,讓我們先把鏡頭換到神經學家這一邊。

研究科技進步,為意識研究帶來哪些幫助?

面對意識這個艱難的大哉問,克里斯托夫・科赫當初怎麼那麼有自信,敢發起這個看起來勝算就不大的挑戰呢?有那麼愛喝嗎?

1998 年,年輕有為的克里斯托夫・科赫已經是加州理工學院的助理教授,並和生命科學領域大咖中的大咖弗朗西斯・克里克,合作研究意識這個主題。沒錯,就是和華生一同發現 DNA 是雙股螺旋結構的克里克。除此之外,克里斯托夫還擁有物理的碩士學位,擁有跨領域的知識,讓他更加相信透過實證的方式,能找到意識的神經機制。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
克里斯托夫・科赫合作研究意識的對象便是與華生一同發現 DNA 是雙股螺旋結構的弗朗西斯・克里克。圖/PanSci YouTube

當時有許多大腦研究的技術蓬勃發展,像是功能性磁振造影(fMRI)已經獲得廣泛使用,使得科學家們能在對象進行活動或是受外界刺激時,同步從大腦血氧濃度的變化來推斷神經反應。

此外,光學遺傳學(optogenetics)技術也在那個時期開始萌芽,這讓研究者能用極佳的時間解析度來調控特定的大腦神經元,並藉此解碼大腦的秘密。舉例來說,現在的光學遺傳學能讓科學家們鎖定小鼠的特定神經細胞,並在小鼠頭上裝上 LED 光纖,只要開啟 LED 的光刺激,那些特定神經細胞就會興奮或抑制。藉由觀察小鼠行為的變化,就能了解不同行為表現是由哪些神經元所調控。

現在的光學遺傳學能讓科學家們鎖定小鼠的特定神經細胞。圖/PanSci YouTube

厲害的是,在 1979 年光學遺傳學的技術還未誕生前,克里克就認為如果想要了解大腦的運作,精準控制大腦中一種類型的所有細胞是非常重要的,而若想要有極佳的時間和空間精細度,必須使用光的技術,這與後來光學遺傳學的發明不謀而合。

有了這些科技加持,長達 25 年對於意識的賭注也即將來到結局。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

所以,誰贏了賭注?

2023 年 6 月 23 日,在科學意識研究協會的年會上,揭曉了這長達 25 年的賭局。神經科學家克里斯托夫・科赫(Christof Koch)最終承認,目前還不能解釋大腦的神經元是如何產生意識,並買了一箱好葡萄酒(1978 Madeira)給哲學家戴維・查爾莫斯(David John Chalmers)實現諾言。

克里斯托夫・科赫最終承認,目前還不能解釋大腦的神經元是如何產生意識,並買了一箱好葡萄酒給戴維・查爾莫斯。圖/PanSci YouTube

當然,這不是說意識的來源永遠沒有解答,只是當初賭局設下的 25 年時限到了。實際上到了 2018 年,他們兩位根本都忘了這場賭局,直到一位科學記者佩爾・斯納普魯德重新提及這個話題,才讓大家重新想起。

恰巧那個時間點,克里斯托夫・科赫和戴維・查爾莫斯都參與了鄧普頓世界慈善基金會支持加速意識研究的大型項目。該計畫建立一系列意識理論的「對抗性」實驗,希望透過讓兩個或多個持相反觀點的競爭對手共同合作研究,來挑戰各種意識假設。

意識理論的百家爭鳴

而其中包含兩個著名的意識理論,全局工作空間理論(Global Workspace Theory (GWT))和整合資訊理論(Integrated Information Theory (IIT))。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
全局工作空間理論(Global Workspace Theory (GWT))。圖/PanSci YouTube

全局工作空間理論(Global Workspace Theory (GWT))的概念,最早是由認知科學家伯納德・巴爾斯和斯坦・富蘭克林在 1980 年代晚期提出。他們認為意識的產生就像是劇場聚光燈一樣,當這個意識劇場透過名為選擇性注意的聚光燈在舞台上照出內容,我們就會產生意識情境。這聚光燈的投射也代表著全局工作空間,只有當感官輸入、記憶或內在表徵受到注意時,它們才有機會整合成為全局工作空間的一部分,被我們主觀意識到。而我們的行為決策,也是透過這個全局工作空間整合訊息,並分配到其他系統所產生。目前認為全局工作是發生於大腦前方的前額葉區域。

整合資訊理論(Integrated Information Theory (IIT))。圖/PanSci YouTube

與全局工作空間理論打對臺的,是整合資訊理論(Integrated Information Theory (IIT)),最早由朱利奧・托諾尼(Giulio Tononi)在 2004 年提出。這理論認為,意識背後是有數學以及物理為基礎的因果關係。應該先肯定意識的存在,再回推尋找其背後的物質基礎,並認為主觀意識是由客觀的感覺經驗產生的。克里斯托夫・科赫就是此理論的擁護者,他進一步認為,意識背後的那個神經機制,就存在於大腦後方後皮質熱區(Posterior cortical hot zone),包括頂葉、顳葉和枕葉的感覺皮質區域。

讓我們稍微總結一下兩者差異:

全局工作空間理論——

  • 意識只能透過訊息投射到一個稱做「全局工作空間」之後才能呈現
  • 訊息本身不會形成意識
  • 訊息要被注意到才會產生意識

整合資訊理論——

  • 意識存在
  • 產生的關鍵是需要將大腦處理感覺的皮質區域訊息整合

然而,經過六個獨立實驗室的研究,雖然有較多的證據支持整合資訊理論,但兩個理論都存在缺陷和質疑,直到目前都尚未有明確解答能解釋意識的神經機制,這也讓克里斯托夫・科赫大方承認自己輸掉了這 25 年的賭局。

隨著科學測量技術的演進以及越來越多的研究進展,有一些神經科學家認為意識理論即將崛起,目前的狀態只不過是一種研究過渡期。科學哲學家托馬斯・庫恩(Thomas Kuhn)將這種過渡期以「前典範式」(preparadigmatic science)來形容,認為一門不成熟的科學在成熟前,會面臨相互競爭的思想流派並各說各話。就像是當初達爾文提出演化論的物競天擇前有拉馬克主義、災變論與均變論來試圖解釋物種起源一樣。

下一場賭約?

雖然這次的打賭由戴維・查爾莫斯獲得一勝,但克里斯托夫・科赫在今年加倍賭注,認為下一個 25 年他一定會贏。到時候克里斯托夫已經 91 歲,戴維 82 歲了。

大家別擔心,這一集是會員共同選出來的題目, 25 年之後,我們也會再為各位泛糰做一集討論賭局的結果。

最後也想問問大家, 25 年之後,你賭這場對決會是誰贏呢?

  1. 我壓在克里斯托夫・科赫身上,我們一定能解開意識之謎
  2. 我賭戴維・查爾莫斯,意識這個問題,可能很難用科學來解釋
  3. 在那之前, AI 可能都已經有意識了,直接問 AI 還比較快

趕快來留言吧,記得 25 年後要回來看啊!

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

參考資料

所有討論 2
PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2176 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

1

4
1

文字

分享

1
4
1
【從中國經典認識大腦系列】從「子非魚,安知魚之樂?」淺談主觀意識的本質
YTC_96
・2023/10/18 ・3086字 ・閱讀時間約 6 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

宋劉寀群魚戲荇。圖/npm.edu.tw

惠施觀點:人不能知道魚的快樂

「子非魚,安知魚之樂?」出自《莊子.秋水》篇中的濠梁之辯。惠施認為莊子不是魚,又怎麼能知道魚是快樂的?這看似簡單的一句話卻點出困擾哲學家以及科學家數百年之久的問題,那就是主觀意識到底是什麼?

圖/Pixabay

濠梁之辯的情境是這樣子的。莊子和惠施同遊至濠水的橋梁。莊子說:「鯈魚出遊時很從容,這就是魚的快樂啊。」惠施說:「你不是魚,怎麼知道魚的快樂?」莊子回答說:「你不是我,怎麼知道我不知道魚的快樂?」惠施說:「我不是你,當然不知道你的想法,而你當然也不是魚,所以你不知道魚的快樂,這完全是可以肯定的。」莊子說:「請回到開頭的話題。你問我『你怎麼知道魚的樂趣?』既然你已經知道我知道,並且問我,那我就是在濠梁上知道的。」

既然莊子認為自己能知道魚的快樂,那我也想問莊子,你知道成為一隻魚又是怎麼樣的感覺嗎?

圖/YouTube

成為一隻蝙蝠可能是什麼樣子

在濠梁之辯後的兩千多年,美國著名哲學家湯瑪斯.內格爾(Thomas Nagel)也從想像自己是蝙蝠(注意不是小小鳥)的過程中獲得靈感,並在 1974 年發表了〈成為一隻蝙蝠可能是什麼樣子〉(What is it like to be a bat?)。他認為主觀經驗無法透過客觀描述來獲得,是心靈與物理之間的解釋鴻溝(Explanatory Gap)。簡單來說,就算我們知道蝙蝠是透過聲納來感知並飛行在空中,但因為我們不是真正的身歷其境成為一隻蝙蝠,我們還是無法知道作為蝙蝠是什麼樣的感覺。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/YouTube

這種主觀經驗,哲學上稱作感質(Qualia),是指主觀意識經驗的特殊品質或性質。它們是個人直接體驗的主觀感受,無法通過客觀描述或第三人稱觀察來完全理解或解釋。感質是一種主觀的、非物理的屬性,無法被完全捕捉或解釋。它們涉及到我們感知世界的方式、感受事物的質感、觸覺、視覺、聽覺、嗅覺等等。

舉例來說,如果你試圖向另一個人解釋一朵玫瑰的芬芳,或者試圖描述一個人的愉快感受,這些主觀感受都屬於感質。它們是我們內心獨有的體驗,無法被他人直接體驗或理解。

另一個哲學家們喜歡舉的例子是「你和我看到的紅色是一樣的嗎?」這或許聽起來是一個很蠢的問題,因為當紅色物品擺在眼前,非色盲或沒有眼疾的一般人都能異口同聲說出該顏色。透過醫學研究,我們也都知道波長約 700 nm 的紅色光刺激到視網膜的錐細胞是我們大家都能看到紅色的原因。

不過,雖然紅色光能刺激每個人相同的視網膜錐細胞是不變的客觀物理事實,但沒有人能保證你和我主觀感受到的紅色是相同的,就像是幾年前網路爆紅的藍黑白金裙 (The Dress)(圖一),即使是同一條裙子的照片,有人說是藍黑裙,卻有人說是白金裙。這也說明看似客觀的色彩,也存在有主觀性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖一、藍黑裙?白金裙?都幾咧。圖/The dress – Wikipedia

人類或許能想象自己作為一隻蝙蝠使用聲納來飛行導航,又或是把自己像蝙蝠般倒掛休息,但這和成為一隻真正蝙蝠的感受還是不同的。

感質可能埋藏在複雜的神經網路中

莊子和惠施的辯論背後探討了意識的本質,也引發人們對於知覺和主觀體驗的一種思考。即使經過數千年的探索,「意識究竟是怎麼產生的?」仍是一個深奧而又複雜的問題,也是所謂的「意識的困難問題(Hard Problem of Consciousness)」。從哲學角度,感質無法透過描述去感受,但從科學上來說,我們無法否認大腦是產生主觀感受的關鍵,這也讓神經科學家們好奇是否能找到感質的神經機制。

英國巴斯大學疼痛研究中心的教授羅傑奥普伍德(Roger Orpwood) 多年來進行感質的理論研究,他認為感質是局部大腦皮質網路訊息處理的結果。這個網路能轉換訊息結構(Information Structure; 訊息在大腦中的物理表現,主要是動作電位的模式)和訊息資訊(Information Message; 感質的基礎)(圖二)。當輸入的訊息結構被網路辨識,而產生訊息資訊,這網絡還可以輸出一個訊息資訊的表徵並進行下一個傳遞與轉換(Structure → Message → Structure → Message…)(圖三)。舉例來說,臭雞蛋的硫化氫(H2S)氣味感質是透過一層一層的網路後產生。 當鼻腔吸入硫化氫氣味分子後,嗅覺系統的訊息結構通過嗅覺神經束傳遞到嗅覺皮質網絡。而傳遞的訊息所獲得的資訊都建立在前一個資訊的基礎上。這資訊從硫化氫的第一階段的辨識內在身份(Inner Identiy),演變為硫化氫的內在形式(Inner Form),到發展成硫化氫的意象(Inner Likeness or Image),也就是硫化氫的感質體驗(圖四)。

知名美國神經科學家,研究意識神經機制多年的克里斯托夫.科赫(Christof Koch),也認為意識不是來自個別大腦區域,而是來自區域內和區域間高度網絡化的神經元。意識相關的神經區域(Neural Correlates of Consciousness (NCC))概念的興起,也希望透過實驗研究的方式來找到產生意識的最小神經集合,並了解哪些大腦的區域是產生意識所不可或缺的。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖二、當我們看到藍色後,大腦透過訊息結構的模式傳送到視覺皮層 V4 區域。對大腦來說,這就是一種訊息資訊,是我們主觀上看到的「藍色」。圖/frontiersin.org
圖三、網絡或神經元集合中的​​基本訊息處理。輸出訊息結構從被辨識的訊息資訊從輸入訊息結構中形成。訊息(Information)從結構(Structure)到資訊(Message),再到結構。圖/frontiersin.org
圖四、嗅覺感質的產生示意圖。圖/frontiersin.org

結論

莊子和惠施辯論河中的鯈魚是否快樂,以及雙方怎麼知道魚是否快樂,很有趣的帶到了哲學以及神經科學重要的議題。意識到底是什麼?我們能否知道其他人又是其他物種的真正主觀感受?

圖/Pixabay

感質是意識研究中的一個重要議題,它引發了關於意識本質和主觀體驗的哲學和科學辯論。有些人認為感質是生物或腦部運作的結果,而另一些人認為它們是超出物理過程的主觀現象。不論如何,未來仍需要更多的研究來了解意識產生的機制。

參考資料

所有討論 1
YTC_96
11 篇文章 ・ 17 位粉絲
從大學部到博士班,在神經科學界打滾超過十年,研究過果蠅、小鼠以及大鼠。在美國取得神經科學博士學位之後,決定先沉澱思考未來的下一步。現在於加勒比海擔任志工進行精神健康知識以及大腦科學教育推廣。有任何問題,歡迎來信討論 ytc329@gmail.com。