意识和哥德尔不完备定理

本篇是对Artificial intelligence上个月的一集的注释。里面谈了很多我喜欢的东西。

什么是意识？

主持人Lex是前MIT下属无人驾驶实验室的研究人员。从他所研究的方向可知，他对人工智能是推崇备至的。在本次Podcast节目中，双方从我最喜欢的电影之一“2001太空漫游”展开话题。在这部电影里面，人类的文明已经打造出了人工智能。在电影里面，人工智能的决定最终与人类的意愿而相反，引发了悲剧。

if you increase the power of computation,naturely,consciousness will
emerge.
Lex

接着，主持人Lex提出了上面的看法。这句话既是当前许多人工智能研究者的论点又是主流影视所表现的观点。比如，最近大热的西部世界剧集里，未来人类研发的人工智能同时需要超强的计算能力和海量的行为数据。这样，人工智能才能解析人的意识，从而对人的行为做出可信的预测。

主持人所讨论的观点由来已久，其中对计算理论的集大成之作就是图灵机的理论。

Turing’s idea abot Computation: Universal Turing machine(finite computation ability with unlimited storage)
Church–Turing thesis

但 Roger认为可计算性和意识可能关系不大。

They cannot think anything else.
So it is a reasonable thing.
I think most of what you call the computation is done by cerebellum.
it can be a mistake in nature. there is something going on there.
but cerebellum is all about precise actions, is unconsciousness
it is not a complicated computer.
Roger Penrose

Roger谈到Paul Dirac，量子三杰之一，因狄拉克方程而闻名。在我们电子领域最为熟悉的是狄拉克函数。狄拉克函数来源于量子场动力学，具体是能量在量子场里突然的阶跃，从而产生粒子。狄拉克是个数学天才，也和大部分数学天才一样，严谨而无趣，以寡言少语而闻名。Roger的原话：“it was very organized and never got excited about anything”。

Godel’s theorem-Incompleteness theorem:

If you got a formal system of proof, suppose what you mean by proof is something you could check with a computer.in other words, follow the computational procedures correctly that it can be checked by an algorithm.if it is good,you get an algorithmic system whether it’s true or false.why you believe the conclusion is right,because you look at the rules and it’s all right.So you belief that it’s ture ,depends upon looking at the rules and understanding them.What Godel shows, if you have such a system,you can construct a statement that it is true but not be provable by the rules that you have been given and it depends on your trust on the rules to give your truth.

As long as you can understand what it’s doing and why you believe it only gives your truth,then you can see beyond that system,in other words,you transcend that system.the quality of understanding whatever it is, is not governed by rules. you can understand the mean of rules.

So,the intelligence or consciousness is outside of the rules.

I always concentrated on understanding
Roger

The qulity of understanding is a tremendous advantage to us.

Roger的观点在于我们不是受规则制约的计算机，而是理解这些规则从而超越这个形式系统（formal system）智能。

Roger认为这是生物所特有的属性。比如非洲象群，旱季的时候，领头的母象会在寻找水的路上突然做一个曲折（detour）。从而，象群走到逝去的亲属旁边，抚摸它们的骨头，就与人类纪念先祖的仪式一般。它们为什么做这些？我觉得计算机是不会执行的行为。这种行为无益于自然选择，也就是自然界中的最优计算。这种追忆行为只能来自我们的深层体验（deep feeling），和我们的意识有关。

Take step outside of this game you are playing. you are not thinking about playing this game anymore,but why you are playing the whole game. it is kind of feeling of understanding.it goes way back to our ancestors, even the first creature in this earth.

If consciousness is not a kind of computation, what it could be?

前几年物理学家对引力波的成功探测很好的说明了计算对人类理解物理的重大推动作用。之后，人们再一次利用超算和数据合成了第一幅黑洞的影像。但这一切，真的说明计算是人类理解物理的根本力量吗？这样的论断是不尽然的。早在16世纪的弗洛伦萨，现代科学的先驱伽利略就已经深刻的理解重力现象。具体上，就是当物体发生自由落体运动时，在相邻空间里，它摆脱了重力场的约束，或者是感觉摆脱了重力。而人们早已利用这个规律，让璀璨的烟花绽放在夜空。这一切都发生在牛顿形式化，爱因斯坦完善化引力理论之前。可见，人类对物理的理解，走在将物理变为可计算系统（formal system）之前。

所以说，计算能让计算机逼近对物理的理解，但是是否达到我们所说的理解，是个待解的问题？（though it can get very close to the understanding of physics,is it close enough?）

Dirac的课：

Roger回忆自己上的第一堂量子物理的课，课上，Dirac讲的是Superposition。简而言之，在量子理论中，对于一个粒子，它的位置具有不确定性，它既能同时处于这个位置，也有可能处于另外一个位置。而这种现象符合一种概率分布，可以用薛定谔方程来表征。

当时还是学生的Roger觉得，量子力学很显然是一种不完备的理论（incomplete theory）。这种感觉的来源于量子力学的基础：薛定谔方程是图灵机器可解的，从而量子力学本身就是可计算的。另外我们所观测的世界并非如量子力学所描述的。物体的状态明显具有唯一性。这就是量子力学的巨大争论: 世界是如何从微观态走向宏观态的？薛定谔自己也没有得出满意的结论，这也就是有名的薛定谔的猫。爱因斯坦也无奈的说道，上帝是不是在掷骰子？而根据主流的Copenhagen interpretation，当我们进行所谓的观测时，粒子的wave equation将发生崩塌，从而我们的观测结果获得了唯一性。

更具体来说，量子力学里面的Superposition对The general relativity(the principle of equivalence of gravitational fields to acceleration of P)理论有着不小的挑战甚至是矛盾。量子理论如同其他可计算理论一样，若以这种理论解释意识，总会缺少一些东西。

Roger接着谈到微管这个神奇的东西。微管是细胞骨架的一个组成部分，遍布于细胞质中。微管蛋白的这些管状聚合物可以增长长达50微米，具有25微米的平均长度，并且是高度动态的。微管的外径约为24纳米，而内直径为约12纳米。此外微管具有高度的对称性。而Roger认为这个对称特性让微管能够保持量子的一些微观状态。具体说，在微管里面的粒子具有quantum coherence，不会发生薛定谔方程的崩塌。

“The origin of consciousness reflects our place in the universe, the nature of our existence. Did consciousness evolve from complex computations among brain neurons, as most scientists assert? Or has consciousness, in some sense, been here all along, as spiritual approaches maintain?” ask Hameroff and Penrose in the current review. “This opens a potential Pandora’s Box, but our theory accommodates both these views, suggesting consciousness derives from quantum vibrations in microtubules, protein polymers inside brain neurons, which both govern neuronal and synaptic function, and connect brain processes to self-organizing processes in the fine scale, ‘proto-conscious’ quantum structure of reality.”
Consciousness depends on anharmonic vibrations of microtubules inside neurons, similar to certain kinds of Indian music, but unlike Western music which is harmonic.
A review of the ‘Orch OR’ theory

而这些存在于微管中不同且嘈杂的量子态（spinning），最终会递减(reduction)到一个状态。如同观测过程的发生（measurement process），薛定谔方程的崩塌。Lex问到：为什么？Roger说到一个很关键的点，这联系到我们的美学 : Symmetry。微管这种超对称的结构让它天然的适用于保存量子状态。而这些保存的量子状态或是我们意识的基础模块（building block）。我们的意识或许就是源于量子世界，量子世界中我们尚未可知的一部分（black box）。总所周知，生命活动的基础是化学反应，而所有化学反应皆受量子物理的约束。生物新陈代谢的能量反应是这个链条最典型的代表。

Photosynthesis is a fundamental chemical process for chlorophyll-containing life. It turns out to be quantum, too. Biological systems exhibit the same quantum effects as non-biological ones, according to scientists who identified superpositions in molecules inside light-harvesting green sulfur bacteria.
WiKi

接下来是一个非常震撼的事实，生命活动能直接来源于量子效应。在高中生物的课堂上，我们一遍又一遍的重复着光合作用是一种基本化学反应。而事实上，光合作用是一种量子效应，如同双缝干射实验一样。这个发现就表明生命本身也是能产生并利用量子效应。

但Roger的理论更上一层楼。毕竟光合作用背后的量子理论是传统的。而传统的量子理论根据薛定谔方程是可计算的，不足以解释生物意识的存在。而对意识的理解，便将我们引到了两条路的交点。

一条路自于薛定谔方程，描述了量子状态的演变，这种演变最终会导致一个不确定的状态-薛定谔的猫。这条路自然受到量子三杰之一Paul Dirac的怀疑。狄拉克认为当时的量子力学：by Dirac, it was a blemish which indicated that the theory was only provisional。从而，有一部分人认为量子力学需要修正。而这一部分中的一部分（Mavericks）试图将量子力学和重力（gravity）结合在一起。这也是我最喜欢的物理学家—费曼的工作。量子引力学并不只是从微观角度（quantum mechanics）来解释宏观现象(gravity fields),而且反过来，宏观是能影响微观现象。世界就是这样一个双向的联系。

而另一个理解意识的要点（key point）你如何能将意识关闭（turn off）。人类在这条路上可以追溯到古希腊，西医的起源。西医在实施手术前，最关键的是将病人麻醉，也就是失去意识。各种对麻醉的研究层出不穷。从最原始的物理手段到现在的化学药剂。最近的研究表明麻醉剂能够对微管活动有着扰动，从而影响意识活动。

Indeed, Mashour has suggested “unbinding” as the key effect of anesthetic action.
Anesthetic Action and “Quantum Consciousness”: A Match Made in Olive Oil

Roger说过，物理理论可以分为三个种类：The superb;The useful and The tentative。而今，我们对于意识的认识远远不够，或许停留在The tentative level。

总而言之，自文明伊始，我们就尝试着理解意识。无数哲学家，数学家，物理学家对此绞劲脑汁，不得其解。在量子力学诞生的初期，人们觉得SuperPosition的崩溃与我们的意识活动有着千丝万缕的联系。换句话说，当我们对粒子进行观测时，这些受着如薛定谔方程所预测的粒子们突然缩减（reduce）到与我们意识相同的状态，也就是我们观测的结果。

但事实或许不是这样，我们的意识并没有决定自然。反过来，自然决定了我们的意识。当我们意识被组织（orchestrate）的时候，一种非计算的行为，一种无需过程的行为的出现，引发了薛定谔方程的崩溃（collapse），让世界变成了我们眼中那独一无二的世界。这种行为是我们意识的基础（building block), 正是在这之上，我们的意识得以涌现（emerged）。

最后Roger讨论着人类意识的三个环节。首先是awareness（认识），由认识触发understanding(理解),最后 understanding (理解)促进intelligence（智能）的诞生。这也是地球生物历史的一个浓缩。几十亿年前的徜徉在蓝海中的单细胞生物，发展出对环境的初步认识，从而能够适应环境。渐渐的生物从海洋到陆地，甚至天空。再到几千万年前的哺乳类动物，尝试的理解这个环境。鬣狗们凭借着对环境的理解，群体的猎捕行为让它们大放异彩。最后一步一步达到生命的顶峰，人类智能的诞生。这种智能甚至能畅想着未来人工智能的到来。

哥德尔不完备定理是对人类理解行为的一种描述。人类，乃至一切生物的理解行为并非完全是一种计算理论，一种图灵机所描述的现象，一种算法准则；而是超越我们所有关于自然的形式系统，一种我们远未认识到的自然机制。而这正是理解我们意识的关键。