https://dailydreamer.me/tags/%E7%A7%91%E5%AD%A6/ Recent content in 科学 on dailydreamer Hugo -- gohugo.io zh-cn Sun, 24 Oct 2021 00:19:53 +0800 https://dailydreamer.me/posts/2021-10-24-the-minds-i/ Sun, 24 Oct 2021 00:19:53 +0800 https://dailydreamer.me/posts/2021-10-24-the-minds-i/ 《我是谁或什么》是认知科学学者、美国文理科学院院士侯世达编辑的一本科幻短篇小说集。里面的多篇小文章从不同的侧面对“意识”这一神秘话题进行探讨。我试图通过斑驳的拼图拼凑出一副完整的图景，通过整理对意识的理解，从中一窥自由意志的真谛。更重要的是，对意识更充分的理解，可以为我们妄图创造真正智能的尝试打下基础。 意识是什么 - 从概念到科学 意识，作为一种概念一直难以被精确定义。不同于其它物理现象，意识存在着罕见的不对等性：意识者本人作为一位受到偏爱、享有特权的观察者，他观察这一现象的途径与其他所有人都完全不同，而且远胜于其他人，无论他人拥有什么样的仪器。基于这种不对等性，衍生出了不同的视角。例如对于“我”这一客体的观察，就存在各种不同的视角：我眼中的我、他人眼中的我、我想象他人眼中的我、他人想象我眼中的我，等等彼此各不相同。由于这种“不对等性”，过去对于意识的科学研究一直处于模糊不清的状态。 随着近代物理中相对论和量子力学的发现，意识“意外地”成为了科学研究中不可或缺的一部分。相对论描述了，处于相对运动的不同系统中的观察者感知到的世界并不一样；而在量子力学中，观测结果的描述需要考虑观测者的观测这一事实本身。因此，观测者也参与了物理现实的建立。科学家失去了旁观者的角色，成为所研究系统的主动参与者。物理事件也因此与观测者意识不可分割了。 随着近代物理学、生物学和心理学的研究逐渐深入，对于意识有了如下的认识： 首先，意识可以用中枢神经系统的活动来解释，神经活动又可以还原为生理系统的生物结构和功能 其次，所有层级的生物学现象都能完全通过原子物理学，即通过组成生物的碳、氮、氧等原子的运动和相互作用来理解 最后，要研究原子物理学，现在对其最充分的理解方式来自量子力学，而量子力学又把观测者的意识作为系统的重要部分 至此，目前对意识的研究从模糊的概念走向了科学，但似乎陷入了一种发乎心、止乎心的奇妙循环。 意识的判定 - 从现象上观察 要真正理解意识是什么，就需要研究清楚意识是如何判定的。对意识的研究最早是从现象上开始。我们常常推己及人的认为他人也同样有意识，那么对于一个动物或者一个机器人，我们如何判断他们是否有意识呢？ 因为意识的不对等性，对于意识并没有可靠的探测手段。另一方面，我们相信他人有意识其实是基于对他人的外部观察。那么对于意识的判定，就可以使用基于观察或问询的方法。 至于观察和问询的内容，就要考虑到：意识的本质是一种思维活动，重要的是思考的模式。可以从如下几个方面进行考量： 首先，能够能够区分主体和客体，即认识到自我的存在。 其次，能够进行自省性报告，即汇报自己内部的状态。 最重要的是，能够形成类别的抽象概念，学习到不同类别的表征。特别的是，能够学习到关于自我的表征，即能够认识不同视角下的自我这个类别。 举个栗子。婴儿刚一出生没有自我的意识，通过不断从观察中学习，慢慢的能够区分自己和其他的世界，能够向妈妈哭出自己饿了，直到18个月左右才能渐渐认出镜子中的自己。这时候，我们可以认为这个婴儿有了完整的意识。 这些判定条件是如何得出的，就要从对意识涌现的观察谈起。 意识的涌现 在复杂性科学领域中，“涌现”是指复杂系统在从微观到宏观自组织过程中，新结构、新属性的突破性出现。人作为我们最熟悉又最陌生的复杂系统，意识一直是其中最神秘的部分。自底向上看从生理的角度看，我们的脑在低级神经生理层次上的各种动作，其本身没有对意识的感知，却从中涌现出了高级符号层次才能理解的意识。每一个神经元时空上的局部发放，层层组合成了长期目标、理想、兴趣、口味、希望、道德等全局表征，最终组合而成了人对自我的表征。 意识究竟是如何涌现的，自底向上我们还未研究透彻。但是可以自顶向下从进化的意图去理解，为了能够在这个快速变化的世界迅速反应并作出更优的决策，人类进化出了脑。除了根据当前的情况直接反应，为了预测未来以进行更好的决策，模拟的能力也进化了出来。而主观意识则是模拟能力演化的顶峰：当模拟足够复杂的时候，模拟中就必须要包括自我的表征。这种自我表征的能力最终促成了意识的诞生。同时为了更快地更新表征以适应不断变化的环境，人类还进化出了学习的能力。这使得人类在后天还可以从环境中不断更新这种表征，从而形成独特的意识。这样看来，意识的涌现是优胜劣汰进化的必然。 这里还存在一个有趣的问题，我模拟出了自我的表征模型，那么这个自我的模型是否也需要模拟出一个自我的模型呢？我想为了更好的预测这个世界，答案应该是肯定的，正如高手都会预判你的预判的预判的。。。为了更好的预测世界，“意识”会给世界建模（表征），也会给处在世界中的自己建模（自我表征）。然而，建模中的自己也具有不断变化的意识，因此，“意识”建模时也需要对自己的意识建模。不过出于实际计算量的考虑，这种包含无穷自指的模拟会在某一层停止，取得一个效率和性能的平衡。这种无穷的自指，就像你前后有两面对立的镜子，那么一眼望去镜子中的你也看着镜子中的你也看着镜子中的你。。。层层递进。 “我是我身体里的一场梦” - 关于自由意志 当我们认识到意识是在神经系统的发放中涌现的，而这种发放是受到决定性的物理法则约束的。那么我们不禁会怀疑，人是否有自由意志呢？ 在牛顿力学的时代，物理法则和结果都是决定性的。虽然量子力学的发现带来了概率描述的结果，不过这并不影响物理法则的决定性，这种结果的概率分布中也并没有留下自由意志影响的余地。所以在世界的角度看，如果有一位全知的造物主的话，他会残酷地掷骰子，摆弄着不存在自由意志的我们。 然而巧妙的是，意识是一个如此不对等的现象，即使是造物主也不能妨碍我们意识到自己是有自由意志的。模拟出一个带有自由意志的自我模型，对人类的生存、繁衍、发展，对我们合理化的行动，都是有着积极的意义的。只有意识到自己的主观能动性，意识到美好的生活可以通过努力奋斗得到，我们才会对当下所得感到满足，对明天所期充满希望，即使我可能只是我身体里的一场梦。 所以真正重要的是，我们是否感到有自由意志。人本无自由意志，正如人生本无意义。是我们不懈地追求，最终赋予这段旅程以意义。哪怕这个残酷的世界糟糕透顶，只要继续踏上旅程，就能感受到街边飘来的花香，午后温暖的阳光，这些小小的幸福的断片；当然也会有面对未知的恐惧，脸上划过的泪水，这些更加丰满的体验。旅途本身就是奖励，而这正是我们的自由意志，是我们无悔的选择。 https://dailydreamer.me/posts/2017-08-26-the-grand-design/ Sat, 26 Aug 2017 10:47:29 +0800 https://dailydreamer.me/posts/2017-08-26-the-grand-design/ 自从高中收到一本作为生日礼物， 时隔多年重读霍金的《大设计》， 颇有感触，想记下一点东西。 《大设计》是一部关于近代物理学对终极问题的探索成果以及霍金对此的哲学思考的书， 英文书名《The Grand Design》更能体现这其中神圣而伟大的意味。 近代物理尤其是量子论的发展使得科学界对终极问题的认识远远领先于哲学界。 为什么存在实在之物而非一无所有？ 我们为什么存在？ 《大设计》试图站在科学的角度来解释这些问题。 定律规则 定律的定义 我们的祖先使用神话和神学来解释这个世界， 甚至牛顿在发现了今天仍在被广泛使用的牛顿三大定律之后还认为是上帝设计了这些自然定律。 今天大多数科学家会说自然定律是一种基于观察到的规律以及为超过它所基于的直接情形提供预言的规则。 自然定律可以是在一族约定的条件下成立， 比如虽然我们现在知道牛顿定律在物体接近光速运动时必须被修正， 但是它依然提供了日常生活中很好的近似。 如果自然由定律制约，那么 定律的起源是什么？ 定律存在任何例外，或者说奇迹么？ 是否可能只存在一族定律？ 神学家、哲学家、科学家对于这些问题给出了不同的答案。 上帝与奇迹 对于第一个问题的传统答案认为定律是上帝的杰作。 但是这只是使用一个神秘来代替另一个而已。 如果使用上帝作为第一个问题的答案， 那么第二个问题随之而来： 是否存在奇迹？ 这里存在明显的分歧。 神学家们认为根据《圣经》显然上帝可以施行奇迹。 甚至牛顿也信仰奇迹， 他认为比如行星轨道是如此精密与不稳定， 以至于需要上帝不时的施行奇迹来进行重置。 而以拉普拉斯为代表的科学家则认为没有奇迹。 比如对于行星轨道， 存在周期性的扰动， 使得不需要上帝也可以稳定运行。 科学决定论是他们对第二个问题的答案。 自由意志 由此会引出另一个有趣的问题： 如果科学决定论对人也成立， 那么人还拥有自由意志么？ 许多人认为人是科学决定论的例外。 比如笛卡尔将身体和灵魂区分开来以保留自由意志。 然而我们对生物分子基础的理解表明生命过程也是受到物理定律制约的， 正如行星轨道一样。 那么人就没有自由意志了么？ 也不尽然。 数个分子之间的作用的计算已经是一个足够复杂的问题， 而人由\(10^{28}\)数量级的分子构成， 使得即使受到科学决定论的制约， 人的行为也无法由计算预言。 因此我们可以说人是有自由意志的。 有效理论 因为使用基本物理定律去预言人的行为不切实际， 我们采用所谓的有效理论。 有效理论是创造来模仿某种被观察的对象， 而不仔细的描述所有基本过程的框架。 例如，我们不能解人的每个分子和地球每个分子的引力作用的方程， 因此使用和质量有关的公式这个有效理论； 我们不能解复杂反应中每个原子和分子行为的方程， 因此发明了化学这个有效理论； 我们不能解人行为的方程， 因此发明了心理学和经济学等有效理论来预言人的行为。 定律的必然性 对第三个问题的传统答案认为自然的原理由于“必然性”而存在， 即它们是仅有的合乎逻辑的规则， 是上帝精妙设计的杰作。 https://dailydreamer.me/posts/2017-08-07-a-new-kind-of-science-2/ Mon, 07 Aug 2017 23:45:43 +0800 https://dailydreamer.me/posts/2017-08-07-a-new-kind-of-science-2/ 摘要 本文是我在上次挖坑之后读完沃尔夫勒姆的著作《一种新科学》后的一些感想。 《一种新科学》是一本贡献和争议并存的书籍，它深入的探讨了元胞自动机的演化，也即计算复杂性而非传统科学方法中数学公式的复杂性，作为宇宙本质的一种可能性。 本文简述了该书的成书背景和内容，探讨了争议和贡献的部分。 《一种新科学》虽然是一种视野的开阔，但是离颠覆现有的科学研究方法还相去甚远。 背景介绍 《一种新科学》是斯蒂芬·沃尔夫勒姆的一本长篇巨著。 在2002年5月14日发行之后的一个星期里，《一种新科学》初版五万册就全部销售一空，在亚马逊排行榜上一度高居榜首，成为2002年夏天最畅销的书。 作者斯蒂芬·沃尔夫勒姆1959年出生于伦敦，父亲是相当成功的作家，母亲是牛津大学的哲学教授。 他幼年聪慧，13岁入伊顿公学，15岁发表首篇粒子物理方面的学术论文。 在获得牛津大学的奖学金并在牛津学习一年之后，即到了美国阿格纳国家实验室的理论高能物理小组工作。 1978年19岁的沃尔夫勒姆受著名物理学家穆雷·盖尔曼之邀去到加州理工学院，从事基本粒子物理学方面的研究，取得显著成就，一年内获得理论物理学博士学位。 1980年沃尔夫勒姆成为加州理工学院一员，与费曼共事。 1981年被授予麦克阿瑟“天才人物”奖，并成为该奖最年轻的获得者。之后他又到了爱因斯坦度过后半生的普林斯顿高级研究所工作，再后来又成为伊利诺斯大学的物理学、数学和计算机科学教授。 1986年27岁的沃尔夫勒姆创立了以他的姓氏命名的沃尔夫勒姆研究公司，成为一位企业家。 1988年他的公司发布了Mathematica，一种科学计算软件。 由于其先进的符号计算理念，成为最广泛使用的数学软件之一。 沃尔夫勒姆也因此实现了财务自由。 其实早在1981年的时候，沃尔夫勒姆就对自然界复杂性起源这一命题产生了兴趣，但是由于研发Mathematica和忙于公司事物，这一兴趣一直被搁置。 90年代初，在Mathematica第二版发行后，公司也渐渐步上正轨。 沃尔夫勒姆便将自己的几乎全部时间都投入了研究和陪伴家人中。在新世纪的开端，百万行代码之后，这些成果变成了1200多页的长篇著作《一种新科学》。 除了畅销之外，沃尔夫勒姆还声称《一种新科学》是科学史上最为重要的一部著作，而他所做的一切不亚于牛顿的贡献。 这种豪言壮语自然十分吸引我去一探究竟。 于是在一个假期里读完了这本大部头。 内容简介 全书围绕元胞自动机这一核心概念进行展开。 元胞自动机是由上个世纪50年代乌尔姆和冯·诺伊曼为了研究机器人自我复制的可能性提出一种离散型动力系统。 元胞自动机是研究复杂系统行为的最初理论框架，也是人工智能的雏形。 设想一个平面上纵横相交的许多直线构成了许多网格，每一个网格就是一个元胞。 这些元胞可以具有一些特征状态，譬如被染成黑、白、红、绿等颜色。 在每个特定的时刻每个元胞只能处于一种特征状态中。 随着时间的增加，或者叫做叠代过程的进行，每个元胞根据周围细胞的状态，按照相同的规则自动地改变它的状态。 这就构成了一台元胞自动机。 一个元胞自动机可以由四个参数唯一决定： 元胞活动的空间维度数 元胞可能具有的状态集合 元胞改变状态的规则 元胞自动机中各元胞的初始状态 书中主要考虑空间维度为一维的元胞自动机，元胞可能具有的状态只有两种，用颜色表示成黑色或白色，一个元胞只根据自己的状态和相邻的两个元胞的状态来改变自己的状态。 可以很容易计算出这样的一维元胞自动机的规则数有\(2^8=256\)种。 图1：110号元胞自动机规则及20步后的状态 图2：110号元胞自动机250步后的状态 如图1所示，上面是第110（二进制表示\(01101110_2\)）号元胞自动机的规则，下面是其20步之后的状态（0代表白，1代表黑），初始状态为一个黑色元胞。 20步时一切似乎都还跟规则一样简单有规律。 但是如图2所示，250步之后，一些结构开始既不是周期性地也不是完全随机地出现在画面上。 沃尔夫勒姆探索了这256种元胞自动机，以及更高维的2维和3维的情况，发现复杂性增加了但是模式类似。他将元胞自动机划分为四种模式： 只生成简单重复的图案，比如全黑、全白、或黑白相间如国际象棋棋盘等等 产生一些自相似的分形图案，形成稳定的嵌套结构 产生的图案具有明显的随机性 产生的图案既不是规则的也不是完全随机的复杂图案。它们呈现出某种有序性，但却不能被预测。 第四类元胞自动机是沃尔夫勒姆最感兴趣的，而规则30号和110号则是其中最有代表性的。 书中将随机分为了三类：一是每一步输入都随机结果随机，二是初始输入随机结果随机，如混沌效应，三则是系统内在的随机性，与输入无关。 第四类元胞自动机即是这类。甚至Mathematica的伪随机数生成器都是用30号元胞自动机实现的。 而自然界的许多现象也是如此，那么这种元胞自动机和自然现象有什么关系呢？ 一方面来看，宏观上看似连续的事物微观上可能是离散的，比如水流和空气在微观尺度下都是一个个分子。 另一方面，在1994年，数学家马修·库克证明了110号元胞自动机是图灵完备的。 所谓图灵完备即是说它能像计算机一样完成所有的计算任务。 之后的几章里，沃尔夫勒姆用元胞自动机完成了乘法、除法运算，和求素数、求平方根、求π值，甚至解偏微分方程。 并把一维元胞自动机扩展到多维元胞自动机，产生更高的复杂程度，模拟了雪花、生物细胞等等。 更进一步，弹子球、纸牌游戏、布朗运动、三体问题等等问题中的随机性都可以用元胞自动机来解释； 流体的湍流、晶体生长的规律、华尔街股票的涨落也都可用元胞自动机来模拟； 还有自然界中的树叶、贝壳、生物色素沉着等，元胞自动机能生成与它们一模一样的图案和形态。 传统科学在解释这些问题上展示了惊人的复杂性，有些问题甚至不能很好的解释，而沃尔夫勒姆用元胞自动机简单直接的解释了这一切。 之后，他试图使用元胞自动机来解释整个宇宙，认为宇宙就是一个元胞自动机，从简单的规律中产生复杂性。 同行对《一种新科学》的一些评价 在《一种新科学》出版之后，由于其畅销和沃尔夫勒姆可以称之为狂妄的一些论调，很多科学家也对这本书发表了自己的评价。 https://dailydreamer.me/posts/2016-03-20-a-new-kind-of-science/ Sun, 20 Mar 2016 20:00:00 +0800 https://dailydreamer.me/posts/2016-03-20-a-new-kind-of-science/ 本书作者是Mathematica之父Stephen Wolfram。 他在完成Mathematica后挣了一大笔钱，然后几十年一直在搞自己喜欢的研究和探索，最终著成本书（论经济基础对研究的重要性）。 虽然书中的研究缺少确实的证据而更多的是作者的猜测，但是以目前的科学也不足以证伪。 不过有计算复杂性科学家发过paper评判这种没有同行评阅和修改的出书模式，并且质疑了其内容的价值。 但是作为思路开阔一读也未尝不可。 而且这本书实在是太长了，并且充满了各种论断但是缺少证据，最终没有看完，日后有机会再补完。 The Foundation for a New Kind of Science 实际上系统理论没必要必须建立在传统数学规律之上。 使用传统数学规则经常无法使用简单的规则解释复杂的自然现象，但是遵从简单规律的程序却可以产生复杂的结果。 Principle of Computational Equivalence: Whenever one sees behavior that is not obviously simple - in essentially any system - it can be thought of as correspoding to a computation of equivalent sophitication. 这个原理揭示了传统数学规则的局限性，它只能解释简单的系统因为它大大简化了计算复杂度。 现在的物理太依赖连续的数学表示或概率，但是离散的其实更简单，并且可以解释很多基本现象。 现在数学不能解释复杂的生物系统，而简单程序可以。 A new kind of science不仅能够解释各个学科的复杂问题，也能对经典的基础问题进行解释。 The Crucial Experiment How do simple program behave? 细胞自动机即使从简单条件开始，遵从简单条件发展，也会展示惊人的复杂性，正如我们在自然中看到的。 尽管每个cell都遵从相同的规律，但是因为环境的不同，它们的行为也不同。 The need for a new intuition 细胞自动机的复杂性与我们认为一个复杂事物必然构成复杂的直觉相反，而这种直觉可能来自于工程中，那里我们从功能出发，逐步将系统分解到细节，我们能预测系统的一切行为。 但是却不是这样，事实上类似细胞自动机这种不可预测的结构在自然中很常见。