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沒看過顏色的色彩科學家瑪麗——《詩性的宇宙》

PanSci_96
・2017/11/21 ・5618字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

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意識超越了物理世界

地球上的生命歷經了一連串劇烈相變。自我複製生物體、細胞核、多細胞生命、攀爬上陸地、語言的起源——這一切全都展現出生命的新本領,改變了它們力能所及的範圍。意識的出現,稱得上是最有趣的相變,也是物質展現自組織新方法,以及行為表現新方式的起點。原子不只是能自行組織成複雜的自我維持模式,而且那些模式還能養成自我察覺,以及思考自己在宇宙間所占地位的能力。

生命的誕生需要經過激烈的巨變,圖/by NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)@wikipedia commons。

除非還有更為深遠的作用。哲學家托馬斯.內格爾(Thomas Nagel)便曾說過:「意識的存在似乎意味著⋯⋯自然秩序遠非物理學和化學能解釋萬象的情況那般嚴謹。」(對某件事物「是什麼樣子」的感受,就是完整理論應該能解釋的事項,真正強調這觀點的人是內格爾。他的著名實例是,我們不可能知道身為一隻蝙蝠的感覺,不過這裡的重點還更廣)。根據這項觀點,我們不該期望能單純從核心理論的量子場之物理行為層面來解釋意識經驗,因為意識超越了物理世界。

我們不難理解為什麼會有人這樣覺得。好吧,這種想法繼續發展,我可以接受宇宙存在,服膺於自然律,毋須訴諸外界任何事物。我完全相信,生命是種種互鎖化學反應的複雜網絡,也認同它是自發性地開始,並且在幾十億年期間當中經歷天擇演化而出現。不過,我肯定不只是在重力和電磁力影響下彼此互撞的一堆原子。我能感知,我有感覺——有什麼讓我成為我,那是某種個人經驗上的獨特事項,一種豐富的內在生活,完全不可能以不做思考的運動物質來做解釋,不論你把多少原子凝聚在一起都一樣。

這個課題如今已冠上身心問題的稱號;我們怎麼能期望只以物理概念來說明心理現實?

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就如生命的起源和宇宙的起源,我們沒辦法聲稱自己能完全理解意識的本質。有關我們如何思考和感覺的研究,目前仍處於較初階的發軔期,至於如何思考我們本質身分的課題,就更別提了。神經科學家暨哲學家派翠西亞.邱奇蘭(Patricia Churchland)便曾說道:「我們是前牛頓、前克卜勒。我們依然在猜想木星也許有衛星繞行。」

不過就我們對意識的認識方面,應該沒有任何事物會促使我們懷疑自然主義派的尋常世界概念,畢竟那在其他背景脈絡向來十分成功。就眼前而言,應該沒有哪項因素可以促使我們認為物理定律需要更新、修訂或增補。

體驗紅色是什麼意思?

就如「生命」一般,意識也不太算是種統一概念,而比較像是某種屬性和現象的群集。我們都能意識到自己,且和外在世界是有區別的。我們可以思忖種種不同未來。我們能體驗感覺。我們可以做抽象和符號推理。我們能感受情緒。我們能喚醒記憶,說故事,有時還會撒謊。這所有層面的同時運作,共同對滋生意識做出貢獻,其中有些層面比其他層面更容易以純物理術語來解釋。

想想紅色。那是種有用的概念,而且是能普遍客觀被認出的概念,起碼就擁有視力且不因色盲影響而見不到紅色的人來說是這樣。操作性指令「燈轉紅就停止」清楚分明,毫不含糊。不過仍有個著名的潛藏問題:當我們看到某件紅色的東西時,你和我看的是同一個東西嗎?那就是現象性意識(phenomenal consciousness)問題——體驗紅色是什麼意思?

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為什麼我們可以體驗紅色?圖/by Pezibear@pixabay。

感質這個詞(qualia,quale之複數詞)有時用來指稱某種事物在我們看來呈現什麼相貌的主觀經驗。「紅」是個顏色,是在物理上客觀存在的光波波長,或者其合宜組合;不過「關於紅色的體驗」則是我們想在完整意識認識當中說明的一種感質。

澳洲哲學家大衛.查默斯(David Chalmers)提出一項著名的觀點,彰顯出他所稱意識的「簡單問題」(Easy Problem)和「困難問題」(Hard Problem)之差別。「簡單問題」具有多種形式——解釋醒覺和睡眠之間的差異,還有我們如何感知、儲存並整合資訊,以及我們如何能夠回憶過去並預測未來。「困難問題」則是解釋感質——即經驗的主觀特性。這可以設想成意識中不可化約之第一人稱層面;我們的私人感受,而不是世界其餘部分所見,以及我們如何表現舉止並做出反應。「簡單問題」關乎運作;「困難問題」則關乎體驗。

「困難問題」對純世界的物理性認識,提出了一項明顯的挑戰。「簡單問題」並不簡單,它們完全位於傳統科學研究的駕駛室內。當我們端詳一條魚時,光子如何照射我們的視網膜,最後還在我們腦中喚出了「魚」的概念,關於這方面的認識,我們還沒有最後定論。不過從神經科學來看,通往那裡的路徑看來相當直截了當。相較而言,「困難問題」就完全像另一缸魚了。我們可以隨心所欲在腦中任意翻攪,不過我們究竟指望什麼,那樣做如何能幫助我們認識我們內在完全主觀的經驗?一批依循核心理論演化成形的量子場群集,到底是怎麼擁有「內在經驗」的?

你心中所認定最重要的核心事項,其實根本就不是個問題,圖/by 3dman_eu@pixabay。

許多意識專家依循彼得.漢金斯(Peter Hankins)的說法,把這兩類議題想成「(其實很難的)簡單問題和(難如登天的)困難問題)」。不過有些人認為,「困難問題」不只相當容易;事實上還根本不是問題——完全就是概念混淆的問題。兩陣營間的討論讓人氣餒;再也沒有比這個更令人沮喪的了:有人告訴你,你心中所認定最重要的核心事項,其實根本就不是個問題。

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這基本上就是身為詩性自然主義派的人士要做的事。意識的屬性,包括我們的感質和內在主觀經驗,都是有用的談論方式,適合用來描述我們所稱人類之原子群集所表現的實際行為。意識不是種錯覺,不過它也沒有指出,有任何事情背離了目前所知的物理定律。

「困難問題」有多困難?

好幾種臆想實驗都嘗試闡明「困難問題」實際上有多困難。「色彩科學家瑪麗」(Mary the Color Scientist)就是個著名案例,這是說明我們所稱知識論證(knowledge argument)的一個(實實在在)富有色彩的實例。這是澳洲哲學家弗朗克.傑克森(Frank Jackson)在 1980 年代提出的實驗,目標是要表明,世上除了物理事實之外,肯定還有其他事項。它和希爾勒的中文房間比肩同列最著名的臆想實驗,而且實驗中哲學家都把人鎖進古怪房間裡,以此來闡述意識的某種屬性。

瑪麗是個出色的科學家,她在一種怪誕環境下長大。她一輩子都待在一個房間裡,從不曾離開,而且那房間完全沒有色彩。房間裡的所有東西都是黑白或明暗灰階。她的皮膚被漆成白色,她的衣服全是黑的。更怪異的是,儘管環境如此,瑪麗長大後卻變成精研色彩的科學家。她能取得她想要的一切設備,還有色彩學科的完整科學文獻。所有色彩插圖都經化約為灰階影像。

當瑪麗第一次看見色彩會發生什麼事?圖/by Pexels@pixabay。

從物理學觀點來看,瑪麗知道關於色彩一切的知識。她知道光的物理學,也知道眼睛如何傳遞信號到腦的神經科學。她讀遍藝術史、色彩理論,以及涉及如何種出一種全紅番茄的農耕專業技術。但她從未見過紅色。傑克森問道,當瑪麗決定離開她的房間,第一次真正看見色彩時會發生什麼事?特別是,她會不會學到任何新鮮事?他主張會。

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當瑪麗走出她的黑白房間,或者拿到一台彩色監視器時,會發生什麼事?她會不會學到任何東西?看來道理清楚分明,她會學到關於世界以及我們對世界相關視覺經驗的某些事項。不過話說回來,她先前的知識肯定不完整,然而她擁有所有的物理學資訊。所以在這之外還有其他知識,而物理主義是錯誤的。

瑪麗知道關於色彩的所有物理事實,不過她仍有不知道的事項;也就是體驗紅色「是什麼」。因此世上不只存有物理性事實,還有其他類型的事項。這種論述不只是在講,我們還不知道如何解釋瑪麗在物理上的新經驗;而是在講,根本不可能有這樣的解釋。

source:Ruslan Burlaka

就像文中房間實驗,瑪麗的困境取決於一種臆想實驗配置,這種安排看來相當無害,實際上卻是不合理至極。「關於色彩的所有物理事實」是多得不得了的事實。以下就是一個關於色彩的物理事實:上週我切洋蔥時割傷手指,我的血是紅的。瑪麗知不知道上週我切洋蔥時割傷我的手指?她知不知道全宇宙可見光的所有光子的位置、動量和頻率?還有宇宙的過去和未來呢?就像「全知全能、全善的存在」這樣的措詞般,「關於色彩的所有物理事實」這句話,也在我們心中喚出了某種含糊的印象,然而這詞句卻完全不能清楚對應任何定義明確的概念。

「知識」和「經驗」的定義

當我們引述瑪麗的案例,來證明宇宙存在不純粹為物理性的屬性時,就會發現物理事實含糊不清。不過,這還不是最大的問題所在。真正的問題出在「知識」和「經驗」的定義游移不定。

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讓我們從詩性自然主義的角度來設想瑪麗的困境。眼前的世界已有某些基本描述,或秉持演化的量子波函數,也或許以更深邃的事項為本。我們提到的概念如「房間」和「紅」,都屬於能提供有用近似模型的語彙,而那種模型可代表該基底現實在某合宜適用範圍內的特定層面。舉例來說,我們發明了「人」的概念,並以特定方式來映射於基底現實——那種方式就原則上或許很難明確定義,不過實務上很容易辨識。

我們很難定義「知識」,圖/by Lunaphoto@pixabay。

「人」擁有許多不同的屬性,好比年齡和身高。這當中有一種屬性是「知識」。倘若一個人(多少)能正確回答關於某件事的一些問題,或是能有效執行與之相關的某些活動,則那人對該事就具有相關知識。倘若有個可靠人士告訴我們:「琳達知道如何換車胎」,我們對這段話就應該賦予高度信任度,認為那個號稱「琳達」的人,能回答許多問題並執行若干活動,包括在我們的汽車爆胎時幫忙換上車胎。一個人擁有知識,就相當於那人的腦中神經元間存有特定的突觸連結網絡。

所以我們聽說有個人名叫「瑪麗」,她擁有某項知識——關於色彩的完整物理事實。那麼當她走出房間頭一次體驗色彩時,是否也算「獲得新知」?

這就取決於你指的是什麼。倘若瑪麗知道關於色彩的所有物理事實,這就等於她在大腦層級擁有正確的突觸連結,能正確回答我們就色彩方面向她提出的物理事實相關問題。她是否真的看過紅色,則對應於她視覺皮質的特定神經元放電,接著這會長出其他的突觸連結,形成「見過紅色的記憶」。根據該臆想實驗的設計,這還沒有真正發生在瑪麗身上——合宜神經元群集的放電現象,從未發生在她身上。

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瑪麗是否有「學到新東西」的經驗?圖/by geralt@pixabay。

當她走出她的房間,而那些神經元也終於放電,瑪麗是否「學到新東西」?就某層意義來說,當然是的——這時她已具有她先前不曾擁有的記憶。所謂知識,和我們回答問題和進行某些事情的能力有關,瑪麗這時就能做出她先前無法進行的事項:憑藉視力來辨認紅色的東西。

這是否在講,宇宙比它的物理層面涵括得更廣?當然不是。我們只是引進兩種突觸連結群集的一種人為差異。「一種是經由閱讀文獻並進行黑白科學實驗誘發」、「另一種則是經由觀看紅光子並刺激視覺皮質來誘發」,這是區辨我們的宇宙知識的一種可能劃分方式,但不是必要做法。差別在於知識如何進入你的腦中,而不在於那是哪種知識。這可不是說,我們該依循這項論據,開始為我們的自然界成功模型增添全新的概念範疇。

瑪麗大有機會體驗紅色。她大可以製作出一件探針,插入自己的頭顱,由此向她的視覺皮質直接發送合宜的電化學信號,精確觸發我們心中認定「看見紅色」的那種經驗(畢竟,瑪麗的角色設定是一位出色的科學家)。我們可以選擇不讓她做這種事,不納入她「學習關於色彩的所有物理事實」的環節——不過那是我們的武斷限縮決定,而非洞悉現實結構的真知灼見。

大腦讓我們分析:我的紅色跟你的紅色一樣嗎?圖/by geralt@pixabay。

瑪麗的處境和這句陳腔濫調相關:「我的紅色和你的紅色一樣嗎?」這不是指波長,而是指紅的體驗。意思是,你的體驗和我的體驗一樣嗎?從某種嚴謹意義來講是不同的;我的紅色經驗是談論在我腦中傳播的某種電化學信號的方式,而你的則是談論在你腦中傳播的電化學信號之方式,這兩邊不可能完全相同,而且說明文字還非常無聊,如同這段敘述:「我的鉛筆和你的鉛筆不同,就算兩支鉛筆看來一模一樣,但這支是我的。」不過我關於紅色的經驗或許和你的很相似,這純粹是因為我們的腦很相像。這樣想很有趣,卻也不完全是什麼混亂渦流,所以我們不該因此就拒絕把核心理論當成這整個情況的基底描述。

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傑克森本人後來否決了知識論證的原始結論。就像多數哲學家,現在他也接受意識產生自純物理歷程的說法:「儘管我一度與多數人相違,現在我不再抗拒了」,他寫道。傑克森認為,色彩科學家瑪麗協助凸顯出,我們關於意識經驗為何不能是純物理性的直覺,不過那項論證恐怕還不足以讓人信服,並據以歸出那樣的結論。這裡的有趣使命是表明我們的直覺如何引導我們走錯了方向——因為科學不斷提醒我們,直覺經常出現這種狀況。

  • 本篇選自本書第 40 章

 

本文摘自泛科學2017年11月選書《詩性的宇宙:一位物理學家尋找生命起源、宇宙與意義的旅程》,八旗文化出版。

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「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

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「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。

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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。

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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。

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「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。

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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。

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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。

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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))。

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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!

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高速移動的話時間流速會不一樣嗎?時間暫停是可能的嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/08 ・2746字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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我們都感覺到相同的時間嗎?

在二十世紀之前,科學認為時間是普適的:每個人和宇宙中的一切,都感覺到相同時間。那時的假設是,你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘,那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟,這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下,如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑,會是多麼混亂!

但後來,愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」*1 概念,改變了一切。愛因斯坦強調,移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星,那麼你體驗的時間,將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢,像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣,而是說地球上的人和時鐘測量到的時間,會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式(以每秒一秒的節奏)體驗時間,但是如果我們彼此以相對高速移動,我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方,製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行,似乎違背了所有的邏輯論證,但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的,因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機(或汽車、飛機)上的 GPS 接收器,會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢(衛星以每小時數千里的速度,在受地球巨大質量彎曲的空間中移動)。沒有這些資訊,你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中,精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時,這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說,宇宙有個最高速限:光速。根據愛因斯坦的相對論,沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率,可以比光跑得快。這個速率(每個時段所移動的距離)的絕對上限,會產生一些奇怪後果,並挑戰我們的時間概念。

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首先,先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是:從任何角度來衡量任何人的速率時,這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時,無論你用什麼觀點來看,就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說,手電筒的光線以光速遠離你。不過,我們是否可以把你的沙發綁在火箭上,點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢?如果此時你打開手電筒,會發生什麼事?如果把手電筒指向火箭前方,光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢?

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎?〉花更多時間在這些想法上。但重要的是,為了讓所有觀察者(在火箭上的你和我們其他在地球上的人)看到,手電筒的光線都是以光速移動的,於是某些東西必須改變,這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念,讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間,而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡,你沒有穿越空間(相對於地球)的速率,所以你穿越時間的速率可以很高。

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但如果你坐在火箭上,對地球而言,火箭的移動速度接近光速,那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此,為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時,保持在宇宙速限之內,你的時間速率必須減少,在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎?

對於不同人可以回報不同時間長度,你可能很難接受,但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是,人們可能會在某些情況下,看到事件以不同順序發生,而且都是正確的。舉例來說,兩位誠實的觀察者,如果以非常不同的速度移動,他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑,那麼,依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離,你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本,如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動,她看到的比賽結果可能完全不同。而且,所有人都是正確的!(不過要注意的是,每個人的時間起始點都不相同。)

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圖/《關於宇宙我們什麼都不知道》

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史,所以不同人可以體驗不同的時間,是令人難以接受的想法。我們可以想像,原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事(這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊)。如果這故事存在,那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查,除非是無心之過或視力模糊,每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的,所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序,會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域,但驚人的是,這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣,我們被迫拋棄自我的直覺,並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎?

打從一開始,人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前,我們從未見過它做過其他事,既然如此,時間怎麼可能還有別的選項呢?由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進,所以很難自信的說,時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信,時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說,時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的,當宇宙達到最大熵時會發生什麼事?在這樣的宇宙裡,一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼,時間會在這一點停下來嗎?還是時間不再有意義?一些哲學家猜測,在這個時刻,時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來,導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過,這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測,而不是實際的科學預測。

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還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙,一個時間向前流逝,一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢?我們可以在三個(或更多)空間方向中移動,為什麼不能有兩個或更多的時間方向?真相為何?如往常一樣,我們不知道。

註解

  1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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諦聽宇宙深處的低吟,宇宙低頻重力波訊號代表的意義——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・3782字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 作者/陳哲佑
    • 任職於日本理化學研究所,專長為黑洞物理、宇宙學、重力理論等。
    • 熱愛旅行、排球與珍珠奶茶
  • Take Home Message
    • 今(2023)年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(NANOGrav)團隊觀察到宇宙中的低頻重力波。
    • NANOGrav 團隊利用數個脈衝星組成「脈衝星陣列」(PTA),測量各脈衝星訊號到達的時間,計算不同訊號的到達時間是否存在著相關性。
    • PTA 得到的重力波訊號相當持續,沒有明確的波源。科學家推測此訊號可能來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。

2015 年 9 月,位於美國的雷射干涉儀重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)成功偵測來自雙黑洞碰撞的重力波訊號(請見延伸閱讀 1)。

這個發現不僅再次驗證愛因斯坦(Albert Einstein)「廣義相對論」的成功,更引領人類進入嶄新的重力波天文學時代。到了現在,我們不僅能使用各種電磁波波段進行觀測,還多了重力波這個強而有力的工具能夠窺探我們身處的宇宙,甚至還有同時結合兩者的多信使天文學(multi-messenger astronomy)註1,皆能帶給人類許多單純電磁波波段觀測無法觸及的資訊(請見延伸閱讀 2)。

如同不同波段的電磁波觀測結果為我們捎來不同的訊息,重力波也有不同的頻譜,且頻譜與產生重力波的波源性質有非常密切的關係。以雙黑洞碰撞為例,系統中黑洞的質量與碰撞過程中發出的重力波頻率大致上成反比,因此當系統中黑洞的質量愈大,它產生的重力波頻率就愈低。

目前地球上的三個重力波天文臺:LIGO、處女座重力波團隊(The Virgo Collaboration, Virgo),以及神岡重力波探測器(Kamioka Gravitational wave detector, KAGRA, or Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope, LCGT)都受限於干涉儀的長度,只對頻率範圍 10~1000 赫茲(Hz)的重力波有足夠的靈敏度,此範圍的重力波對應到的波源即是一般恆星質量大小的雙黑洞系統。

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然而,來自超大質量黑洞互繞所發出的重力波頻率幾乎是奈赫茲(Nano Hertz,即 10-9 Hz)級別,如果想要探測到此重力波,就需要一個「星系」規模的重力波探測器。雖然這聽起來彷彿天方夜譚,但就在今年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav)的團隊利用「脈衝星計時陣列」(pulsar timing array, PTA)成功地觀測到這些低頻重力波存在的證據。

以不同方式觀察不同頻率的重力波

與電磁波相似,重力波也有不同的頻率。不同頻率的重力波會對應到不同性質的波源,且需要不同的方式觀測。圖/科學月刊 資料來源/Barack, et al. 2018

NANOGrav 如何觀測低頻重力波?

讀者聽過脈衝星(pulsar)嗎?它是一種高速旋轉且高度磁化的中子星(neutron star)註2,會從磁極放出電磁波。隨著脈衝星的旋轉,它的電磁波會以非常規律的時間間隔掃過地球,因而被身處於地球上的我們偵測到,就像是海邊的燈塔所發出的光,會規律地掃過地平面一般。由於脈衝星的旋轉模式相當穩定,掃過地球的脈衝就如同宇宙中天然的時鐘,因此在天文學上有相當多的應用——甚至可以用來觀測重力波。

利用脈衝星觀測重力波的第一步,首先要記錄各個脈衝星的電磁脈衝到達地球的時間(time of arrival),並且將這些訊號與脈衝星電磁脈衝的理論模型做比對。

如果訊號和理論模型相符,那麼兩者相減後所得到的訊號差(residual)只會剩下一堆雜訊;相反的,如果宇宙中存在著重力波,並且扭曲了該脈衝星和地球之間的時空,那麼兩訊號相減之後就不會只有雜訊,而會出現時空擾動的蹤跡。

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利用數個脈衝星組成的脈衝星計時陣列,可用來尋找宇宙中低頻的重力波訊號。圖/Tonia Klein, NANOGrav 

然而以觀測的角度來看,即便我們從來自單一脈衝星的訊號中發現訊號差出現偏離雜訊的跡象,也不能直接推論這些跡象一定是來自重力波。畢竟科學家對脈衝星的內部機制和脈衝傳遞的過程也並未完全了解,這些未知的機制都可能會使單一脈衝星的訊號差偏離雜訊。

因此為了要判斷重力波是否存在,就必須進行更進一步的觀測:利用數個脈衝星組成脈衝星陣列,測量每個脈衝星訊號到達的時間,並且計算這些不同脈衝星訊號的到達時間是否存在某種相關性。

舉例來說,如果脈衝星和地球之間沒有重力波造成的時空擾動,那麼即便每顆脈衝星的訊號差都出現偏離雜訊的跡象,彼此之間的訊號也會完全獨立且不相干;反之,如果脈衝星和地球之間有重力波經過,這些重力波便會扭曲時空,不僅會改變這些脈衝訊號的到達時間,且不同脈衝星訊號到達的時間變化也會具有某種特定的相關性。

根據廣義相對論的計算,一旦有重力波經過,不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線,稱為 HD 曲線(Hellings-Downs curve)。

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科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位,藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性,再比較這些數據是否符合 HD 曲線,就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是,由於重力波訊號非常微弱,用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件,因此一般會選擇自轉週期在毫秒(ms)級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。

NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory,已於 2020 年因結構老舊而退役)、美國的綠堤望遠鏡(Robert C. Byrd Green Bank Telescope)和甚大天線陣(Very Large Array, VLA)觀測 68 顆毫秒脈衝星。

他們分析了長達 15 年的觀測數據後,發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合,證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。

除了 NANOGrav,其他團隊例如歐洲的脈衝星計時陣列(European Pulsar Timing Array, EPTA)、澳洲的帕克斯脈衝星計時陣列(Parkes Pulsar Timing Array, PPTA)、印度的脈衝星定時陣列(Indian Pulsar Timing Array, InPTA),以及中國的脈衝星計時陣列(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA)等,皆得到相符的結果。

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NANOGrav 觀測結果帶來的意義

與先前 LIGO 觀測到的瞬時重力波訊號不同,目前利用 PTA 得到的重力波訊號是相當持續的,而且並沒有較明確的單一波源,反而像是由來自四面八方數個波源組成的隨機背景訊號。

打個比方,LIGO 收到的重力波訊號像是我們站在海邊,迎面而來一波一波分明的海浪,每一波海浪分別對應到不同黑洞碰撞事件所發出的重力波;而 PTA 的訊號則是位於大海正中央,感受到隨機且不規則的海面起伏。

目前對這些奈赫茲級別的重力波訊號最合理也最自然的解釋,是來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。若真是如此,那這項發現將對天文學產生重大的意義。

過去科學界對於如此巨大的雙黑洞系統能否在可觀測宇宙(observable universe)的時間內互繞仍普遍存疑,如果PTA觀測到的重力波真的來自超大質量雙黑洞互繞,那代表這類系統不僅存在,它們的出現還比過去我們預期的更為頻繁,且產生的訊號也更強。

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NANOGrav 的觀測結果

橫軸為脈衝星陣列中,兩脈衝星位置之間的夾角;縱軸為訊號之間的相關性;藍色數據點為 NANOGrav 15 年的觀測結果;黑色虛線為 HD 曲線。可看出數據點的分布與 HD 曲線相當吻合。圖/科學月刊 資料來源/Agazie et al. 2023

不過除了雙黑洞系統,也有其他「相對新奇」的物理機制也可能產生這樣的重力波背景,包含早期宇宙的相變、暗物質,以及其他非標準模型的物理等。若要從觀測的角度去區分這些成因,最重要的關鍵在於,能否從隨機背景中找到特定的波源方向。

如果是雙黑洞系統造成的重力波,勢必會有來自某些方向的訊號比較強;反之,如果是早期宇宙產生的重力波,那麼這些重力波將會隨著宇宙的膨脹瀰漫在整個宇宙中,因此它們勢必是相當均向的。

為了找到波源方向,提升訊號的靈敏度成為了當務之急。而若要提升 PTA 的靈敏度,最主要的方式有兩種——其一是將更多的脈衝星加入陣列;其二則是延長觀測的時間。

目前,不同的 PTA 團隊已經組成國際脈衝星計時陣列(International PTA)互相分享彼此的脈衝星觀測資料。隨著觀測技術的進步,解密這些奈赫茲級別的神祕重力波將指日可待。

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註解

  1. 相較於過往只能以可見光觀測宇宙,多信使天文學能利用多種探測訊號,如電磁波、微中子、重力波、宇宙射線等工具探索宇宙現象,獲得更多不同資訊及宇宙更細微的面貌。
  2. 質量較重的恆星在演化到末期、發生超新星爆炸(supernova)後,就有可能成為中子星。

延伸閱讀

  1. 林俊鈺(2016)。發現重力波!,科學月刊556,248–249。
  2. 金升光(2017)。重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場,科學月刊576,892–893。
  3. NANOgrav. (Jun 28 2023). Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony. NANOgrav.
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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