心如何具有物理性？——亨利·斯塔普的心理物理理论探析

陈向群

(南昌大学 人文学院，江西 南昌 330031)

在意识科学不断发展的今天，意识的研究版图发生了深刻的变革。进而言之，在以神经生物学为主要研究方法的同时，量子力学在意识研究中扮演着越来越重要的角色，大多数物理学家都相信，意识同样是物理学的研究对象。美国劳伦斯伯克利国家物理实验室著名量子物理学家亨利·斯塔普(Henry Stapp)就认为，意识并非仅仅是心理活动的结果，它还离不开大脑的物理作用。在《心灵、物质和量子力学》一书中，斯塔普提出了一种量子意识理论——心理物理理论(psychophysical theory)，该理论认为，意识行为就是对大脑顶层神经编码选择的结果，从而为我们看待意识问题提供了一种全新的物理学视角。由于国内对这方面的研究还不充分，本文首先介绍心理物理理论的主要内容，然后对该理论分别作实在论、二元论的分析和解读，最后对其所存在的几点争议作一番检讨。

一、关于心理物理理论

心理物理理论是斯塔普基于量子理论来解释意识如何产生于人脑神经活动过程的意识理论。斯塔普认为，与经典物理学只对自然界作物理意义上的解释不同，量子力学不仅可以对微观世界作物理描述，而且还可以对人类心灵问题给予解释，量子力学与人类心智之间是存在关联的。“究竟意识过程是如何与大脑过程相关联的？我对此的理解与其他量子物理学家对于心脑问题的解释是不一样的，在我看来，每种意识经验如何与相应的脑神经过程的描述还包括心理学术语，而不仅仅是以物理学的语言来描述。”(1)Henry H. Stapp. Mind, Matter and Quantum Mechanics, Springer, 3rd ed.,2009, p.x.斯塔普将人脑视为具有量子行为的复杂生物系统，认为意识极大地依赖于其中的量子过程。

(一)理论基础：大脑中的量子不确定性

我们都知道，不确定性是量子一个很重要的特征，对于量子的位置、动量、速度和时间，我们不可能同时测量出各自的精确数值，而只能测量它们的近似值或概率。海森堡(Werner Karl Heisenberg)将量子的不确定物理态称之为量子系统中的“客观倾向性”(objective tendencies)，将确定的物理态称之为量子系统中的“事实事件”(actual events)。根据量子力学的哥本哈根解释，一旦量子系统受到测量仪器的干扰，不确定性就会坍缩为确定性，“倾向性”转变为“事实性”。而海森堡所提出的量子不确定性原理成为了斯塔普解释意识产生于人脑的理论基础。斯塔普相信，量子不确定性特征同样存在我们的大脑内。这是因为，我们大脑是个极为复杂的动态系统，其内部的神经元分子、神经传递质离子(Na+, Ca+)就如量子系统中的量子，它们在活动规律上与量子极为相似，神经细胞之间的信息传递同样遵循不确定性机制，从而导致大脑的神经激发模式呈现多重性，即量子叠加态。“脑过程涉及化学过程，因此必须在原则上用量子力学来处理。特别是，发生在突触连接处的传递过程显然是由少量钙离子在适当位置的行为所触发的。在量子力学中，这些钙离子的位置必须用概率函数表示。在量子统计意义上，这有效地将这些粒子出现的概率在某些地方显示出来。因此，一个突触是否会传递信号必须从量子力学的规则来理解，即不确定性。”(2)Henry, H. Stapp. Mind, Matter and Quantum Mechanics, p.44.这样，根据量子理论的动力学规律，物理大脑的动态演化在有意识的大脑中产生了许多相互排斥且具有不同统计权重的自我维持模式的叠加。在斯塔普看来，意识行为在物理世界中的图景就是选择这些模式的行为。

(二)核心假设：意识是对多重神经激发模式的选择的结果

究竟何为心理物理理论？其核心假设是什么？在《心、物质和量子力学》一书中，斯塔普是这样说的：“心理物理理论的核心观点就是某种选择行为，即，从多重相互独立且自我维持的神经激发模式中选择其中的一种，以此作为物理世界图景中量子理论关于意识的一种创造性行为。”(3)Henry, H. Stapp. Mind, Matter and Quantum Mechanics, p.103.从中我们可以看出，斯塔普将神经系统的多重神经发放比拟为量子的叠加态，而意识就是从多重神经发放模式中进行选择的结果，用量子力学的术语来说，意识是人脑内波函数坍缩所引起的。然而，如果人脑内存在多重神经激发模式，那么，究竟选择何种神经激发模式才是意识状态呢？斯塔普认为，只有那种最高兴奋的神经激发模式才代表意识状态。就如电子计算机，它通过编码符号来表征人类的智能行为，每种神经编码相当于一种量子态，而多重神经编码相当于量子叠加态，意识就是对最高水平神经编码(顶层神经编码)的选择行为。“意识行为的物理表现就是选择一个最高水平的(神经)代码，然后通过量子理论定律的自然作用，自动地对大脑中的神经激发进行控制。”(4)Henry, H. Stapp. Mind, Matter and Quantum Mechanics, p.108.在此基础上，斯塔普还从心理物理理论角度对被查尔莫斯A.F.Chalmers称为的意识“困难问题”作了量子层面的解释。在他看来，不同的主观性经验意识(颜色、声音和气味等)是由大脑内不同的神经编码所代表的，而对感受性的实际体验事实上就是从中选取相应的顶层神经编码。“一种疼痛经验的物理解释就是，选择一种能够启动将身体损伤部位进行注册行为的编码。”(5)Henry, H. Stapp. Mind, Matter and Quantum Mechanics, p.109.

从上述心理物理理论的理论基础和核心假设来看，心理物理理论是斯塔普基于量子力学而对意识所作的物理学解释，其对意识的解释包含着量子力学的基本特征：从多重神经编码中选取其中的一种，在量子理论的语言下，就是波函数从多重叠加态坍缩为其中的单一态。从这个意义上说，心灵不仅仅是神经生物学层面的，它还具有物理性，因而斯塔普的心理物理理论是从量子理论的视角对心灵问题所作的解释。

二、心理物理理论的实在性分析

在科学哲学内，“实在”的概念和内涵不断发生着变化。起初，人们只将自然界中客观存在的物体，如树木、山丘、桌子和石头等视为具有实在性的东西。后来，随着量子理论、弦论的影响力越来越大，“实在”的内涵也有了进一步的深化和扩展，它也包括能从效应上反映客观事实的现象，即便它不可以时刻被观察到。“实在”内涵的变化导致了科学实在论的新发展。当代科学实在论者认为，科学理论所描述的对象无论是否客观存在，只要理论陈述能如实反映对象的客观运动规律，与观察数据相符合，我们就可以说这样的理论具有实在性。就如查尔莫斯所说：“科学实在论中的科学为我们提供了完全超出世界表面所呈现出来的现象，不仅描述了可观察的世界，而且描述了隐藏在现象背后的世界。”(6)A.F.查尔莫斯：《科学究竟是什么？》，鲁旭东译，商务印书馆，2007年版，第264页。

科学实在论者主张科学理论的实在性，包括观察实在、语义实在以及因果效应实在，只要理论符合其中任一标准，就可以说该理论具有实在性。那么，心理物理理论是具有实在性的意识理论吗？分析心理物理理论对意识的解释，我们认为，作为一种物理学意义上的意识理论，它所描述的对象虽然难以直接被观察到，但符合科学实在论的因果效应实在标准。所谓的因果效应实在就是说，虽然我们无法透过直接观察看到理论所描述的客观实在，但却可以根据相关效应或特征推导出这种实在。从这个意义上说，心理物理理论是对意识如何基于量子理论产生于人脑神经过程的学说，它根据人脑内的神经元分子、离子的神经信息传递不确定性的量子特征，认为意识是多重神经激发模式坍缩为其中最高兴奋水平的神经激发状态的结果。虽然，我们无法直接观察到大脑内的“神经激发的多重模式”和“波函数坍缩”现象，但就如量子的实在性一样，我们同样可以通过其所表现的效应来证实。著名神经科学家贝克(Friedrich Beck)和埃克尔斯(John Eccles)就透过相关的实验证实，人脑内神经通道中的钙离子(Ca+)在细胞突触间隙中的传递是一种概率性的事件，遵循海森堡的不确定原理。单位时间内同一个钙离子的对细胞质传递的概率总数值等于1，用公式表达就是：P1(t)+P2(t)+……+Pn(t)=1。(7)Friedrich Beck, John Eccles. “Quantum aspects of brain activity and the role of consciousness”, Proc. Nadl. Acad. Sci. USA, 1992, 89 (23)：11357- 11361.这样，神经信息的传递是不确定的，这必然会导致神经激发呈现多重模式，而根据量子力学正统解释(哥本哈根解释)，坍缩现象就自然会发生，因为大脑无时无刻不受到来自外界的干扰。此外，在科学实在论看来，不仅科学理论所描述的客观对象是不可观察的实体的状态、过程都是真的，而且这种情形还揭示了现象背后的本质规律。同样，心理物理理论是对人脑内的神经元离子真实状态的描述，它揭示了意识产生所依赖的本质特征，即，神经元离子活动的叠加性、纠缠性和不确定性等量子机制。所以，我们认为，心理物理理论是具有实在性的意识理论。

然而，由于在科学哲学内，科学实在论和反实在论长期争论不休，心理物理理论作为具有实在意义的意识理论，必然也会遭受来自反实在论的质疑和挑战。例如，反实在论不充分论证说就认为，即便某些理论陈述能够反映现象背后的规律，但如果没有实验的证实，这样的“实在”是不充分的。的确，我们无法通过实验去观察人脑内的“量子坍缩”过程，但这并不妨碍我们对心理物理理论实在性的理解。这是因为，虽然我们无法观察到脑内的“量子坍缩”现象，但是我们却可以通过神经元分子、离子的量子特征来推导出“量子坍缩”，而神经元的量子行为是已经在贝克和埃克尔斯等人通过实验所证实了的。反实在论的不充分论证说恐怕过于夸大了“实在”的经验性，而忽视了“实在”的因果效应性。事实上，随着科学的发展，经验性内容在科学理论中所占的比重已经越来越小，科学研究已经越来越多地依赖于非经验性的内容。对此，有学者已指出：“对统一进程和传统科学方法论有着严格追求的物理学已经超越了经验科学的语境，并进入到一种关于自然数学灵感的形而上学语境之中。”(8)桂起权、沈健：《物理学哲学研究》，武汉大学出版社，2013年版，第223页。

三、心理物理理论的二元论解读

众所周知，在哲学方法论上，一元论和二元论对哲学的研究都产生了深远的影响。一元论是认为世界的本源只有一个(物质或精神)的学说；相反，二元论则认为世界的本源有两个(物质和精神)，其中唯物主义认为物质决定意识，而唯心主义认为意识决定物质。二元论在哲学中的理论形式多种多样，如心身二元论、属性二元论、自然主义二元论以及最近几十年兴起的新二元论等。无论是一元论还是二元论，从哲学上来说，它们都是一种方法论，对理论研究有着指导意义。

那么，从方法论上来看，心理物理理论又是如何的？它是一元还是二元的？我们不妨从其理论构成来分析。心理物理理论是个复合性的理论，它主要包括心理和物理两个层面。从心理层面来说，斯塔普指出意识极大地依赖于大脑，是神经活动的产物。具体来说，大脑在受到外界刺激时，各个脑区的神经激发频率并不是相同的，直到它们相互协调形成统一的激发模式，或说最高水平的神经激发模式。从物理层面来说，当大脑受到外界刺激时，不同频率的神经激发模式在人脑中出现，它们最后会形成统一的模式。用量子力学的术语来描述就是，多重神经激发模式就如量子叠加态，它们在外界干扰时坍缩为最终的神经激发模式，即单一态。这样，心理物理理论从心理和物理两个层面来构建意识，它不仅指出了意识的神经生物基础，而且还指出了意识的物理活动过程。所以，我们认为，心理物理理论在方法论上仍然是一种典型的二元论。这样的方法对于意识问题的解释是积极的，因为它并非简单地如传统方法那样只是将意识视为单一学科的议题，而是从物理学和神经科学的综合视角来看待意识问题，而这是根本上符合意识问题的实质的，即，意识是包括了神经科学、生物学和物理学以及哲学在内的综合研究议题。然而，斯塔普为何选择二元论的方法来构建对意识问题的解释呢？这还要从量子测量理论谈起。

在斯塔普看来，无论是被称为正统解释的哥本哈根解释，还是冯·诺依曼解释、多世界理论解释等，它们都离不开“心”和“物质”两个要素的相互作用。“所有的(量子力学)解释都需要一种二元的本体，一方面是以量子为基础的物质，另一方面是相关的经验。因而量子理论家们对量子力学的争论事实上都是围绕着心和物之间的关联性来进行的。”(9)Henry, H. Stapp. “The Hard Problem: A Quantum Approach”, Journal of Consciousness Studies, 1995, 3(17)：4.例如，哥本哈根学派代表人物之一的尼尔·玻尔(N. Bohr)就认为，量子测量中的主观性(经验)与我们的大脑相关联，而客观性(物质)与科学家在量子系统中所操作的客观对象相关联。“我们对自然描述的目的并不是要去揭示现象的本质，而是为了尽可能地在各种经验中找到它们的联系。”(10)Niels Bohr. Atomic Physics and Human Knowledge, Cambridge University Press, 1934, p.18.不仅如此，哥本哈根学派另一代表人物马克斯·波恩(M. Born)也指出，量子测量过程中需要观察者的参与，观察者的心灵是导致波函数坍缩的主要原因。这样，在哥本哈根解释中，既存在观察者“心”的主观因素，也存在着被测客体的“身”的客观因素，它同样是一种特殊意义上的心身二元论。同样，冯·诺依曼的心理物理平行主义也将心理和物理视为量子系统中两个分离的实体，也是一种典型的身心二元论。“这是一个基本的科学观点，所谓的心理物理平行原则，它必须能够描述主观感知的额外物理过程，就好像它在物理世界中是现实的，即在普通空间内将相应的物理部分分配至主观的环境中。”(11)John von Neumann. Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, New Jersey: Princeton University Press, 1955, p.418.在斯塔普看来，多世界解释理论从根本上来说，也是一种具有身心二元论性质的量子理论，其中的“心”即“意识”，而“身”则是“被测系统”，不同世界分支就是观察者心灵作用的结果，由此形成了观察者和被观察对象之间的二元关系。“在埃弗雷特的解释中，除了波函数之外所唯一存在的因素就是我们的经验，而且，不同分支世界中也存在着不同的经验”。(12)Henry, H. Stapp. “The Hard Problem: A Quantum Approach”, Journal of Consciousness Studies, 1995，3(17)：10.

四、心理物理理论所面临的挑战

如上所述，心理物理理论将心理和物理两个部分作为解释意识的基本单元，在解释意识问题上具有独特的意义。但与其他意识理论一样，心理物理理论在解释意识问题上也遭受不少质疑，既有对其意识解释的模糊性和难以解释“现象心灵”的质疑，也面临延展心灵和具身认知等第二代认知科学理论的挑战，它们都认为其结论难以得到相关实验的证实。具体有如下四点：

第一，对意识的解释显得过于模糊，缺乏普遍意义。在心理物理理论中，斯塔普将每种神经编码视为一种量子态，多重神经编码的同时运行则理解为量子叠加效应，意识就是从多种编码中选取其中的一种。然而，这个过程中，大脑中量子坍缩是什么所引起的？为何波函数坍缩为单一态会导致意识的产生？由此所形成的意识又具有何种特点？斯塔普并没有对这些问题作相应的解答。而且，对于大脑的多重神经编码是否就直接可以比拟为量子叠加态，似乎还需从方法论上作更进一步的讨论。这些都表明，斯塔普对意识的解释并不具有普遍意义，只能是作为其从自身研究角度而得出的一种解释意识问题的意识理论。就如丹柯·乔吉夫(Danko Georgiev)所认为的那样，“意识在斯塔普的模型中没有真正意义上的波函数，但却可以通过虚拟的观察者来作用于大脑，其显然是不符合标准量子力学解释的。因为，在这个模型中，我们可以通过虚拟观察者将心灵与脑中任何地方联结起来共同作用于量子系统。因而斯塔普的模型并不是建立在普遍的物理原则基础之上的，而是对普遍物理原则的否定”(13)Danko Georgiev. “Mind Efforts, Quantum Zeno Effect and Environmental Decoherence”, NeuroQuantology, 2012，10(3)：374-388.。

第二，难以解释“现象心灵”。20世纪90年代以来，随着现象学在解释感受性等意识难问题上所具有的独特性，它引起了越来越多心灵哲学家的关注，现象学也开始介入到心灵问题的研究中。现象学的基本主张就是，放弃二元论、取消主义和还原主义等理论预设，而回归主体体验本身，以第一人称的视角来体验意识。加拉格尔(Shaun Gallagher)和扎哈维(Dan Zahavi)就说：“我们现在已经逐渐意识到，如果我们不能清楚地认识我们想要表达什么，那么我们就不能深入地了解对意识和大脑的关系的科学解释。换句话说，任何对于将意识还原为神经元结构可能性的评估，任何对于意识的自然化是否可能的评估，都将要求一种对意识体验层面的详细分析和描述。”(14)Shaun Gallagher, Dan Zahavi. The Phenomenological Mind: An Introduction to Philosophy of Mind and Cognitive Science， Routledge, 2008, p. 9.而对于这样具有体验性的“现象心灵”，心理物理理论如何能解释呢？在心理物理理论中并没有涉及主观性的意识体验，而只是对意识作第三人称的客观物理意义解释，即，意识是神经元细胞分子的量子效应的结果，它是不可能解释清楚“现象心灵”的。

第三，心理物理理论所坚持的心灵脑内主义还遭受来自以延展心灵和具身认知论为代表的第二代认知科学的挑战。经历了以认知主义和联结主义的表征计算为核心的第一代认知科学，第二代认知科学更加注重人身体在认知中的作用，它认为认知不仅是具体的、局域性和情境的，而且认知还嵌入到社会文化中，而这一点离不开与环境的相互作用。(15)刘晓力、孟伟：《认知科学前沿中的哲学问题：身体、认知与世界》，金城出版社，2014年版，第132页。这样，第二代认知科学不再只从脑功能角度来构建心灵，而是认为大脑与身体之外的环境耦合成一个动态系统。例如，延展心灵论就认为，人类的认知还离不开其所处的环境和外在物，它能与大脑进行信息交换，认知不局限在身体和大脑内，它可以延展到外在环境甚至是整个世界中。(16)Andy Clark, David Chalmers. “The Extended Mind”, Analysis, 1998(1)：7-19.与此同时，在具身认知理论看来，认知是与身体密切相关的，不可能离开身体来谈认知。如此，心理物理理论既没有将意识与大脑之外的环境联系起来，也没有从身体的角度来谈论意识，这样的意识理论显然是难以从根本上说清楚意识问题的。

第四，难以从实验上得到证实。从当前来看，神经科学在意识研究中仍然是主流的研究路径和方法，克里克(Francis Crick)和埃德尔曼(Gerald Edelman)等人所提出的意识理论在今天仍然非常具有参考意义。造成这种现象的主要原因在于，神经科学对意识的解释具有实验的支撑，在相关的实验仪器帮助下(fRMI, PET)，人脑内各个脑区在受到外界刺激时的神经激发状态可以清楚得展现在人们面前，因而基于神经科学的意识理论对意识的解释非常具有说服力。但建立在量子力学基础上的心理物理理论，虽然已经有相关实验证实了大脑中神经元离子传递的量子不确定性机制，但对于其所描述的意识产生的量子机制却仍然无法从实验中得以证实，使得其理论的解释力大打折扣。例如，它将意识的产生归结为大脑内多重神经激发模式的坍缩的结果，可是，我们如何能从实验中观察到这样的量子机制(波函数坍缩)呢？如果没有实验的证实，心理物理理论最多只是一种科学假说，而要成为真正的科学理论，还需在事实中得到更进一步的经验验证。