arXiv論文：以自指建模觀(guān)察者破解量子力學(xué)基礎(chǔ)難題

導(dǎo)語(yǔ)

人們普遍認(rèn)為，量子物理是構(gòu)成理解萬(wàn)物的基礎(chǔ)，我們的大腦與意識(shí)系統(tǒng)則是架構(gòu)在其上的復(fù)雜系統(tǒng)。然而本文提出的反向模式則認(rèn)為，量子物理也許可以解釋為意識(shí)自指現(xiàn)象的一種衍生結(jié)果。也就是說(shuō)，之所以會(huì)有量子力學(xué)，特別是那些反直覺(jué)的量子效應(yīng)：疊加、糾纏、互補(bǔ)、非對(duì)易性等，是因?yàn)槿魏挝锢碛^(guān)測(cè)都伴隨著有意識(shí)的觀(guān)察者的存在，而我們卻忽略了他（她）所導(dǎo)致的。將觀(guān)察者建模為一個(gè)類(lèi)似“自打印程序”那樣的自指系統(tǒng)，量子力學(xué)方程就會(huì)自然地被導(dǎo)出。本文將觀(guān)察者視為自指的經(jīng)典物理系統(tǒng)，并堅(jiān)持第一人稱(chēng)視角來(lái)描述實(shí)驗(yàn)，從而自然導(dǎo)出量子力學(xué)的非對(duì)易性、虛時(shí)間與互補(bǔ)性。量子理論由此不再是外在世界的神秘屬性，而是觀(guān)察者信息處理這一物理過(guò)程的必然結(jié)果，并在物理學(xué)、意識(shí)研究與人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)之間架起一座橋梁。

關(guān)鍵詞：觀(guān)察者建模、第一人稱(chēng)視角、自指性、互補(bǔ)性、量子理論基礎(chǔ)、意識(shí)與物理

John Realpe-G′omez丨作者

jk丨譯者

論文題目：Modeling observers as physical systems representing the world from within: Quantum theory as a physical and self-referential theory of inference 論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1705.04307 發(fā)表時(shí)間：2019年6月12日 論文來(lái)源：arxiv

摘要

1929年，Szilard就曾指出觀(guān)察者的物理特性可能在實(shí)驗(yàn)分析中起到關(guān)鍵作用。同一年，Bohr指出：心理學(xué)中可能也存在著互補(bǔ)性（complementarity）——被感知的物體和感知主體都屬于“心智內(nèi)容”（mental content）。本文中，我們指出從兩個(gè)緊密相關(guān)的原則中可以自然導(dǎo)出量子理論框架（formalism of quantum theory）：（1）推斷是一個(gè)由經(jīng)典物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的物理過(guò)程，其中觀(guān)察者作為實(shí)驗(yàn)設(shè)定的一部分，因此蘊(yùn)涵了量子力學(xué)中的非互易性（non-commutativity）以及虛時(shí)間（imaginary time）；（2）實(shí)驗(yàn)必須以第一人稱(chēng)視角來(lái)描述——這自然導(dǎo)出：自指性（self-reference），互補(bǔ)性，以及對(duì)觀(guān)察者主觀(guān)狀態(tài)進(jìn)行迭代性構(gòu)建的量子動(dòng)力學(xué)（quantum dynamics）。這一理論能夠?qū)ζ绽士顺?shù)的起源以及相關(guān)的量子理論基礎(chǔ)性問(wèn)題給出一個(gè)自然的解釋——所有這些都是觀(guān)察者信息處理過(guò)程的物理相互作用的結(jié)果。這一理論同樣指出物理學(xué)的基礎(chǔ)方程為什么一般都是二階的，而不是一階的（一階看起來(lái)似乎更“經(jīng)濟(jì)”，parsimonious），其實(shí)這都是由觀(guān)察者的物理特性決定的。我們進(jìn)一步提出了一些實(shí)驗(yàn)猜想：（1）行動(dòng)的量子化（quantum of action）可以被解釋為由無(wú)意識(shí)到意識(shí)態(tài)轉(zhuǎn)變所需要的額外能量——這是符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的；（2）人類(lèi)可以觀(guān)察到可見(jiàn)光的單個(gè)光子——這是與（1）有關(guān)的，并且與已存在的心理物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；（3）自我（self）的神經(jīng)相關(guān)物是由兩個(gè)互補(bǔ)的子過(guò)程構(gòu)成的，這兩部分本質(zhì)上就是在建模對(duì)方，這與DNA分子由兩條鏈構(gòu)成，并且任意一條鏈都是另一份的拷貝這一事實(shí)相符，這也可以解釋為什么我們的大腦會(huì)分成兩個(gè)半球，而且這一結(jié)論可以被自然地推廣：更一般的自我覺(jué)知（self-aware）系統(tǒng)都應(yīng)該具備相似的結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，通過(guò)顯式一致地將我們觀(guān)察者和第一人稱(chēng)視角與物理基礎(chǔ)視角相結(jié)合，這一方法可以幫助我們建立科學(xué)與人性體驗(yàn)（human experience）的橋梁。我們討論了這些思想在由諾貝爾獎(jiǎng)得主Francis Crick所主導(dǎo)的當(dāng)代意識(shí)研究計(jì)劃與新興的內(nèi)觀(guān)科學(xué)（contemplative science）中的潛在價(jià)值。作為副產(chǎn)物我們還展示了：（1）消息傳遞算法（message-passing algorithms）與隨機(jī)過(guò)程可以被寫(xiě)成類(lèi)量子的形式——這意味著使用消息傳遞算法模擬量子系統(tǒng)的可能性以及在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行強(qiáng)有力的并行計(jì)算的全新方法；（2）我們?yōu)榉莝toquasticity性（non-stoquasticity，stoquastic指在某一計(jì)算基下，哈密頓量的非對(duì)角元可取為非正實(shí)數(shù)，使量子蒙特卡洛（QMC）方法無(wú)符號(hào)問(wèn)題），即量子計(jì)算資源在某些情況下與非平衡現(xiàn)象有關(guān)提供了證據(jù)——這意味著與非stoquasticity性有關(guān)的量子計(jì)算機(jī)的潛在優(yōu)勢(shì)可能與在細(xì)致平衡遭到破壞的非平衡蒙特卡洛方法中的計(jì)算優(yōu)勢(shì)有關(guān)；（3）我們?yōu)榻?jīng)典電磁場(chǎng)中的量子粒子給出了一個(gè)不同的哈密頓函數(shù)——這可能為電磁現(xiàn)象提供一種概率化的解釋。

介紹

也許人類(lèi)探索宇宙演化過(guò)程中最難的轉(zhuǎn)變就在于把我們觀(guān)察者的特殊狀態(tài)移除出去——就像哥白尼當(dāng)年指出我們并不是宇宙的中心，或者如達(dá)爾文指出的我們與一般的動(dòng)物別無(wú)兩樣類(lèi)似。然而，歷史一次次地證明，每當(dāng)我們能夠接受新的狀態(tài)，大自然規(guī)律中隱藏的簡(jiǎn)潔性就會(huì)突然出現(xiàn)。

由于我們的主觀(guān)性所帶來(lái)的誤導(dǎo)，我們經(jīng)常希望繞開(kāi)主觀(guān)性而尋找一個(gè)客觀(guān)的現(xiàn)實(shí)。甚至對(duì)于人類(lèi)大腦的研究都采用一種第三人稱(chēng)視角，也就是科學(xué)家們通常會(huì)研究別人的大腦而不是他們自己的。這就給我們自己制造了一個(gè)特殊的地位：可以以獨(dú)立于我們自己的方式來(lái)理解世界，也賦予我們一種在沒(méi)有科學(xué)家的前提下做科學(xué)研究的特殊地位，然而，這同時(shí)創(chuàng)造了科學(xué)與人文體驗(yàn)之間的深度割裂（見(jiàn)圖1）。

圖 1：主流范式中的科學(xué)等級(jí)結(jié)構(gòu)：在當(dāng)前的科學(xué)范式中，物理學(xué)被認(rèn)為是最基本的理論，它提供了自然的客觀(guān)規(guī)律，其他所有學(xué)科都從中逐步產(chǎn)生（見(jiàn)第 I 節(jié)和圖 4）。在這種科學(xué)等級(jí)結(jié)構(gòu)的末端，我們發(fā)現(xiàn)人類(lèi)體驗(yàn)被視為由數(shù)十億神經(jīng)元放電產(chǎn)生的幻覺(jué)。Varela、Thompson 和 Rosch [1] 建議人類(lèi)體驗(yàn)應(yīng)當(dāng)反饋到神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)之中，形成一種根本的循環(huán)性，從而產(chǎn)生一個(gè)對(duì)認(rèn)知現(xiàn)象更為一致的理論。在本工作中，我們提出這種反饋應(yīng)該擴(kuò)展到科學(xué)等級(jí)結(jié)構(gòu)的最底層，即物理學(xué)本身。從這個(gè)視角來(lái)看，自然規(guī)律可以被看作是在主體與客體相互作用中出現(xiàn)的自洽規(guī)律性（見(jiàn)第 X C2 節(jié)）。在一個(gè)相當(dāng)微妙的層面上，科學(xué)范式設(shè)定了我們對(duì)社會(huì)的觀(guān)念。也許主流范式強(qiáng)調(diào)去除主觀(guān)性（我們自己）無(wú)意中將我們的注意力轉(zhuǎn)向了對(duì)機(jī)制的關(guān)注，例如資源優(yōu)化或自動(dòng)化，從而將更加以人為中心的社會(huì)生態(tài)關(guān)切推遲到以后去考慮？（見(jiàn)第 X C3 節(jié)）。

這篇文章希望邀請(qǐng)讀者一起反思主流物理學(xué)在反對(duì)人本體驗(yàn)在科學(xué)基礎(chǔ)中的作用是什么。當(dāng)然，我們并不是第一個(gè)發(fā)出邀請(qǐng)的人。事實(shí)上，類(lèi)似的邀請(qǐng)?jiān)缭?5年前就由Varela，Thompson和Rosch發(fā)出過(guò)了，他們證明了這種考慮對(duì)于認(rèn)知科學(xué)意義重大。正如Varela，Thompson和Rosch在表達(dá)科學(xué)與人本體驗(yàn)方面時(shí)曾說(shuō)：

“在我們當(dāng)今的世界里，科學(xué)占據(jù)如此主導(dǎo)的地位，以至于我們賦予它解釋一切的權(quán)威，即便它否定了那些最直接、最即時(shí)的東西——我們的日常經(jīng)驗(yàn)。因此，大多數(shù)人會(huì)將物質(zhì)/空間被描述為原子粒子集合的科學(xué)說(shuō)法視為根本真理，同時(shí)把在直接經(jīng)驗(yàn)中獲得的，豐富的感受視為不那么深刻和真實(shí)的東西。然而，當(dāng)我們?cè)陉?yáng)光明媚的一天里放松地享受身體的安適，或在焦急地奔跑去趕公交時(shí)感受到身體緊張的時(shí)候，這類(lèi)關(guān)于空間/物質(zhì)的論述便會(huì)作為抽象且次要的東西退居背景。……

在科學(xué)對(duì)我們自身進(jìn)行研究時(shí)否認(rèn)了我們自身體驗(yàn)的真實(shí)性，這不僅令人不滿(mǎn)意，還會(huì)讓對(duì)我們自身的科學(xué)研究失去對(duì)象。但如果我們斷言科學(xué)無(wú)法幫助我們理解體驗(yàn)，便可能在現(xiàn)代語(yǔ)境中放棄自我理解的使命。體驗(yàn)與科學(xué)理解像兩條腿，缺一不可。”

F. Varela, E. Thompson, E. Rosch, 參考文獻(xiàn) [1] (第12-13頁(yè))

這樣的邀請(qǐng)即使在物理學(xué)中也不是首例，例如觀(guān)察者這個(gè)話(huà)題，自從麥克斯韋開(kāi)始就有許多科學(xué)家在研究有關(guān)信息和量子理論基礎(chǔ)等領(lǐng)域，以及有關(guān)量子理論怪異特性與“意識(shí)”概念爭(zhēng)論（見(jiàn)第II節(jié)）的時(shí)候探索過(guò)。這樣的討論遠(yuǎn)沒(méi)有成為主流，也沒(méi)有引起足夠的重視。然而，我們這篇文章認(rèn)為現(xiàn)在對(duì)這一問(wèn)題討論的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟了。

關(guān)于量子力學(xué)的基礎(chǔ)，人們已經(jīng)爭(zhēng)論了一個(gè)多世紀(jì)。雖然人們獲得了一定的進(jìn)展，例如[2-10]，但與該理論的成功應(yīng)用相比，并沒(méi)有得到普遍認(rèn)可的結(jié)論。背后的主要原因就是人類(lèi)的經(jīng)驗(yàn)與對(duì)自然的科學(xué)理解形成了巨大的反差，這種反差阻止了我們抓住量子理論中的主要信息[8,13]。事實(shí)上，人們經(jīng)常對(duì)將觀(guān)察者或意識(shí)引入到量子理論中的做法給予批判。然而，我們也見(jiàn)證了我們以前覺(jué)得不可觸達(dá)，不能理解并掌控的部分到了今天都成為了強(qiáng)大的科學(xué)方法（附錄A）。

我們經(jīng)常看到人工智能達(dá)到人類(lèi)水平的新聞。腦科學(xué)家已經(jīng)可以成功閱讀并控制人類(lèi)的想法、情感，甚至其他的人類(lèi)體驗(yàn)，這使得類(lèi)似《黑客帝國(guó)》那樣，人們可以生活在虛擬世界之中的想法實(shí)現(xiàn)僅僅是一個(gè)時(shí)間的問(wèn)題[16-19]（見(jiàn)圖3）。最近，理論和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，以及關(guān)于主觀(guān)性的課題，已經(jīng)把含糊的意識(shí)概念呈現(xiàn)在了實(shí)驗(yàn)室中，并允許科學(xué)家們以以前難以想象的方式開(kāi)始破解意識(shí)之謎的某些方面（見(jiàn)圖3以及附錄B1）。今天，頂尖科研機(jī)構(gòu)與不同靈修派別的僧侶進(jìn)行合作已經(jīng)不算新鮮事兒了。這樣的合作使得以前被人們認(rèn)為是‘精神性’的嘗試，例如正念冥想（mindfulness meditation）可以顯著地改善我們的大腦并提高我們的生活質(zhì)量[22,23]——這些研究都被稱(chēng)為意識(shí)的神經(jīng)相關(guān)物研究[20,21,24]，它們都是以第三人稱(chēng)視角作出的（如圖2）。

圖 2：本文中使用的視角。(a) 第三人稱(chēng)視角下對(duì)人類(lèi)觀(guān)察者的分析，例如在由諾貝爾獎(jiǎng)得主弗朗西斯·克里克（Francis Cric）及其合作者克里斯托夫·科赫（Christof Koch）倡導(dǎo)的現(xiàn)代意識(shí)研究計(jì)劃中所進(jìn)行的那種分析 [24]（參見(jiàn)文獻(xiàn) [20, 21]）。被研究的人類(lèi)觀(guān)察者是從不屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)置的一位外部觀(guān)察者的視角進(jìn)行分析的。觀(guān)察者所提供的主觀(guān)報(bào)告與所記錄的相關(guān)神經(jīng)活動(dòng)相對(duì)照（見(jiàn)圖 3 和附錄 B1）。(b) 第一人稱(chēng)視角，如 Ernst Mach 于 1886 年的自畫(huà)像所示。本文將使用該自畫(huà)像來(lái)表示從執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家自身視角對(duì)物理系統(tǒng)的分析——該科學(xué)家本人即為所研究系統(tǒng)的一部分。盡管對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)這似乎很明顯，但我們要強(qiáng)調(diào)，據(jù)我們所知這是人類(lèi)從出生到死亡所擁有的唯一視角。我們?cè)诖颂岢觯@種視角會(huì)導(dǎo)致自我指涉（self-reference），如果天真地處理可能會(huì)引起無(wú)限回歸（見(jiàn)圖 7 和附錄 B2）。

圖3：研究意識(shí)的現(xiàn)代科學(xué)策略。如今即便以前被認(rèn)為不具科學(xué)性的現(xiàn)象，例如身外體驗(yàn)[27–29]，也可以被研究，甚至可以在實(shí)驗(yàn)室中被隨意誘發(fā)了；此類(lèi)研究被視為足夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模档迷凇禨cience》一類(lèi)的頂級(jí)期刊上發(fā)表[27, 28]。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的策略是將主觀(guān)報(bào)告作為第一人稱(chēng)的原始數(shù)據(jù)，與對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的第三人稱(chēng)分析相結(jié)合。因此，通過(guò)收集若干個(gè)體的主觀(guān)報(bào)告并記錄相應(yīng)的神經(jīng)活動(dòng)，我們就能從對(duì)同一現(xiàn)象的第一人稱(chēng)和第三人稱(chēng)視角得到一對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)集。通過(guò)對(duì)這對(duì)數(shù)據(jù)集的精細(xì)分析，我們?cè)瓌t上可以識(shí)別主觀(guān)體驗(yàn)的神經(jīng)相關(guān)物。如果檢測(cè)到的相關(guān)具有因果性，那么這些知識(shí)就可以幫助我們對(duì)個(gè)體大腦進(jìn)行干預(yù)以誘發(fā)該主觀(guān)體驗(yàn)。圖中給出的例子還暗示，即便某些人體驗(yàn)到的“脫離自己身體”的感覺(jué)這一現(xiàn)象似乎非常符合物理學(xué)中隱含的假設(shè)，即我們可以像不屬于世界的一部分那樣從外部觀(guān)察這個(gè)世界，但實(shí)際上它也是從這些人的自身主觀(guān)視角所體驗(yàn)到的。

在第一人稱(chēng)視角理解我們主觀(guān)體驗(yàn)方面有一些重要進(jìn)展。一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)是所謂橡皮手幻覺(jué)實(shí)驗(yàn)[25,26]，它展示了我們可以體驗(yàn)到一只與我們分離的假手，就好像它是我們身體的一部分一樣。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，你自己在家就能做。你只要將注意力集中到橡皮手上，而你真實(shí)的手則被隱藏了起來(lái)。然后實(shí)驗(yàn)人員會(huì)同時(shí)同步地用一個(gè)探測(cè)器去觸摸人造的假手和真實(shí)的隱藏起來(lái)的手。大概一兩分鐘后，你就會(huì)體驗(yàn)到橡皮假手仿佛就是你自己的了。你會(huì)持續(xù)地感覺(jué)到對(duì)假手的觸摸就像是對(duì)真手的一樣，而且你還會(huì)感到你的肩膀和假手似乎存在著某種連接。進(jìn)一步，人們還將這個(gè)實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到了整個(gè)身體上[27-29]。

Metzinger認(rèn)為這些實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)實(shí)際上是大腦對(duì)世界，以及現(xiàn)象上的我的一個(gè)模擬。換句話(huà)說(shuō)，所謂的我，僅僅是對(duì)我們的大腦的一種表征結(jié)構(gòu)，一種自我模型（self-model，見(jiàn)[32]中的第9章的綜述，對(duì)于Metzinger的主要思想，可以參考他在TEDx巴塞羅那上的演講“你自己大腦中的透明替身（Avatar）”）。為了避免無(wú)限遞歸（自我模型的自我模型的自我模型……），一個(gè)包含了自我模型的世界模型，就成為了終極現(xiàn)實(shí)。Metzinger將這種特征稱(chēng)為“透明性”（參考[30,32]）。

“透明性只是意味著我們沒(méi)有意識(shí)到信息到達(dá)我們所經(jīng)過(guò)的媒介。我們看不到窗戶(hù)，只看到飛過(guò)的鳥(niǎo)。我們看不到在大腦中放電的神經(jīng)元，只看到它們?yōu)槲覀兯碚鞯臇|西。如果大腦沒(méi)有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)它所擁有的是一個(gè)模型——我們仿佛直接透過(guò)它、直接看向世界——那么在大腦中起作用的有意義的世界模型就是透明的。[…][主體性的自我模型理論]的核心主張是：自我作為一種有意識(shí)的體驗(yàn)之所以出現(xiàn)，是因?yàn)槟愦竽X中相當(dāng)大的一部分[現(xiàn)象學(xué)上的自我模型]具有透明性。” ——T. Metzinger, 參考[31] (第7頁(yè))

進(jìn)一步，Metzinger還認(rèn)為在大腦中執(zhí)行的自我模型會(huì)展現(xiàn)為第一人稱(chēng)視角（見(jiàn)圖2b，以及參考文獻(xiàn)[30,32]）：

“通過(guò)將自我模型置于世界模型之中，就產(chǎn)生了一個(gè)中心。我們所體驗(yàn)到的‘自我’就是這個(gè)中心……它是哲學(xué)家常說(shuō)的第一人稱(chēng)視角的起源。我們并不與外在現(xiàn)實(shí)或與自我有直接接觸，但我們確實(shí)擁有一種內(nèi)在的視角。我們可以使用‘我’這個(gè)詞。” ——T. Metzinger, 參考[31] (第7頁(yè))

這些科學(xué)進(jìn)展通常隱含地建立在當(dāng)今占主導(dǎo)地位的科學(xué)世界觀(guān)之上，即這樣一種觀(guān)念：存在一個(gè)客觀(guān)的機(jī)械世界（Mechanical world），而我們具有理解該世界的特殊地位，仿佛我們是一個(gè)獨(dú)立于它之外的抽象實(shí)體（見(jiàn)圖4）。 今天，人們幾乎想當(dāng)然地認(rèn)為物理定律，特別是量子物理定律是科學(xué)摩天大廈非常基礎(chǔ)的部分，剩下的科學(xué)定律都是在此基礎(chǔ)之上建立起來(lái)的（如圖1）。

例如，化學(xué)是分子尺度涌現(xiàn)的有效規(guī)律。然后，生物學(xué)是化學(xué)之上的有效規(guī)律，它在細(xì)胞層面涌現(xiàn)，等等。最后，根據(jù)主流的范式，在這一層級(jí)金字塔的最頂層，我們找到了人類(lèi)體驗(yàn)，它是一種由分布于大腦和身體中的百億個(gè)神經(jīng)元的不停的活動(dòng)所產(chǎn)生的幻覺(jué)。克里克在“驚人的假說(shuō)”中很好地概括了這種世界觀(guān)：

“驚人的假設(shè)是：你——你的歡樂(lè)與悲傷、記憶與抱負(fù)、個(gè)人身份感與自由意志——實(shí)際上不過(guò)是一大群神經(jīng)細(xì)胞及其相關(guān)分子的行為。” F. Crick, 參考[33] (第3頁(yè))

在所謂的“科學(xué)學(xué)”[34]中，也有類(lèi)似的情況發(fā)生，即科學(xué)家研究科學(xué)的機(jī)制是什么。如果研究科學(xué)也部分受到在我們頭腦中運(yùn)作的物理過(guò)程的影響，那么一個(gè)自然的問(wèn)題是，關(guān)于宇宙的科學(xué)描述是不是也會(huì)受到我們認(rèn)知系統(tǒng)的影響呢？所以我們可以很自信的說(shuō)，很多在物理學(xué)中曾經(jīng)被看作是禁忌的概念現(xiàn)在有機(jī)會(huì)被我們拿出來(lái)進(jìn)行嚴(yán)格討論了，而且這些概念有可能成為科學(xué)的基礎(chǔ)。

早在1929年，Szilard[35]就已經(jīng)指出，觀(guān)察者所遵循的物理規(guī)則可能在分析實(shí)驗(yàn)的時(shí)候起到關(guān)鍵的作用。同一年，波爾（Bohr）[36]指出互補(bǔ)性原理（Complementarity）也會(huì)自然地發(fā)生在心理現(xiàn)象中，在這里感知者和被感知的客體都屬于“我們的心智內(nèi)容”。大概一年前，我們?cè)赱37]中論證到量子理論可以從兩個(gè)基本原則出發(fā)來(lái)理解。在主流科學(xué)范式中，人們?cè)噲D讓潛在的物理現(xiàn)象與觀(guān)察者退相干，但是我們這里卻采用了一種相反的范式，認(rèn)為世界本身是經(jīng)典的，量子現(xiàn)象是由觀(guān)察者的某種物理性質(zhì)所引起的（見(jiàn)圖4），這里觀(guān)察者是另一個(gè)經(jīng)典的物理系統(tǒng)。這篇文章將對(duì)這一想法進(jìn)行更細(xì)致的研究，并更充分地討論它的外延（更濃縮的討論見(jiàn)[38]）。特別是，我們討論了為什么我們認(rèn)為這些想法可以把物理學(xué)和人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)拉得更近。

圖4：主流范式與本工作所遵循的反向范式的比較。物理學(xué)的主流范式認(rèn)為在“微觀(guān)”層面上，自然由于某種我們尚不理解的原因是量子的（上圖）。在該范式中，觀(guān)測(cè)行為可以引起“波函數(shù)塌縮”，使系統(tǒng)呈現(xiàn)經(jīng)典性；因此，觀(guān)察者會(huì)使量子態(tài)發(fā)生退相干。此外，當(dāng)對(duì)觀(guān)察者本身進(jìn)行分析（例如麥克斯韋妖的研究）時(shí)，分析是從第三人稱(chēng)視角進(jìn)行的，即從外部觀(guān)察者——被分析系統(tǒng)之外的另一觀(guān)察者——的視角出發(fā)（參見(jiàn)圖2a）。相反，本工作置于反向范式的語(yǔ)境之中（下圖），該范式認(rèn)為自然在根本上是經(jīng)典的，即可以用經(jīng)典概率論來(lái)描述，但由于系統(tǒng)與觀(guān)察者（被視為另一個(gè)經(jīng)典系統(tǒng)）會(huì)發(fā)生物理相互作用，所以量子現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)。因此，在此范式中，觀(guān)察者并不會(huì)引起退相干，她反而成為世界對(duì)其呈現(xiàn)出量子特性的原因。此外，在該范式中，對(duì)觀(guān)察者的建模采用第一人稱(chēng)視角，這會(huì)導(dǎo)致自指（參見(jiàn)圖2b）。

量子物理可以由馮諾伊曼方程描述[39]：

這里，ρ,H,?以及i分別是密度矩陣、哈密頓算符、普朗克常數(shù)，和虛數(shù)單位，并且[H,ρ]=Hρ-ρH。進(jìn)一步，ρ上的對(duì)角線(xiàn)元編碼了在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中所有可能觀(guān)測(cè)結(jié)果的概率。更一般地，如果厄米算符O代表我們感興趣的物理量，那么它的數(shù)學(xué)期望就是〈O〉。當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)ρ，數(shù)學(xué)期望由波恩規(guī)則給出：

要想理解量子理論，就需要關(guān)注如下關(guān)鍵問(wèn)題是：為什么ρ是一個(gè)矩陣？為什么ρ是復(fù)數(shù)的？為什么ρ滿(mǎn)足（1）式？為什么期望值滿(mǎn)足（2）式？

讓我們引入[37]中介紹的兩個(gè)基本原則，并展開(kāi)討論：

• 原則I：推斷是一個(gè)由經(jīng)典物理系統(tǒng)執(zhí)行的經(jīng)典的物理過(guò)程，觀(guān)察者是實(shí)驗(yàn)的一部分。

• 原則II：實(shí)驗(yàn)必須從第一人稱(chēng)視角進(jìn)行描述。

首先，這里所說(shuō)的“物理的”，我們是指存在著某種可以被數(shù)學(xué)變量描述的事件，正如教科書(shū)所描述的那樣。我們不會(huì)對(duì)這一概念再做更多的討論。事實(shí)上，我們將在后續(xù)討論中比較我們的方法和量子力學(xué)基礎(chǔ)的信息論方法，在后者中可以用“信息”來(lái)替代“物理”。更重要的是，我們應(yīng)該將自然看作一個(gè)一致性的整體，要么是“萬(wàn)物皆信息”或“萬(wàn)物皆物理”。在我看來(lái)，這里的關(guān)鍵詞是等價(jià)的，既不是“信息”，也不是“物理”，而重要的是“萬(wàn)物”，它蘊(yùn)含了普適性（Universality）和自指。

術(shù)語(yǔ)“觀(guān)察者”代表了一個(gè)物理系統(tǒng)，如一個(gè)可以在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人。本文所討論的萬(wàn)物可以是人工觀(guān)察者，也可以是人類(lèi)觀(guān)察者。雖然在后面的分析中，我使用了“人類(lèi)”、“我們”、“我們自己”等等詞語(yǔ)，而沒(méi)有用“機(jī)器人”使得我們像是在做哲學(xué)研究而不是物理學(xué)，我們要強(qiáng)調(diào)的是無(wú)論人工還是人類(lèi)觀(guān)察者，它們無(wú)一例外都是物理系統(tǒng)，別無(wú)他物——例如，神經(jīng)科學(xué)天天都在將人類(lèi)視作物理系統(tǒng)研究。一方面，我們認(rèn)為，關(guān)于原則II中所說(shuō)的第一人稱(chēng)視角的最好的理解方式就是我們自己的主觀(guān)體驗(yàn)。另一方面，我們也認(rèn)為我們的工作隱含著與我們自己的關(guān)系。

原則I和II可以被認(rèn)為是對(duì)這個(gè)世界描述的物理規(guī)則之上的兩個(gè)額外的假設(shè)。這篇文章整體上可以被看作是對(duì)這些額外假設(shè)的引申含義的深入分析。然而，我想強(qiáng)調(diào)的是這兩個(gè)原則最好被看作是兩個(gè)不重要的假設(shè)。

實(shí)際上，大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明了任何觀(guān)測(cè)都需要由底層的物理過(guò)程支撐。例如，由本頁(yè)電子文檔帶來(lái)的電磁輻射正在和你的眼睛交換電荷，并引發(fā)了你大腦中的一個(gè)高度復(fù)雜的過(guò)程，這一過(guò)程本質(zhì)上就是由你讀到這些文字的主觀(guān)體驗(yàn)的神經(jīng)相關(guān)物引起的（見(jiàn)圖2a、3以及6）。然而，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)的物理描述大大忽略了與觀(guān)察者相關(guān)的物理過(guò)程。甚至是在那些明確地研究有關(guān)觀(guān)察者物理過(guò)程的實(shí)驗(yàn)中，例如有關(guān)麥克斯韋妖的研究，科學(xué)家所遵循的物理法則也被忽略了。當(dāng)然，我們可以這樣解釋?zhuān)粋€(gè)精確的對(duì)于人的物理學(xué)描述是超級(jí)復(fù)雜的，以至于科學(xué)家們不可能全部掌握它以得到任何科學(xué)進(jìn)展。

圖6：原則 I 的示意圖。實(shí)驗(yàn)裝置通常如左側(cè)虛線(xiàn)框所示，它忽略了觀(guān)察者。如果包含觀(guān)察者，她也通常只是以卡通形式出現(xiàn)，并不扮演任何動(dòng)態(tài)作用角色。據(jù)我們所知，這種做法隱含地假設(shè)觀(guān)察者是抽象的東西，而不是應(yīng)受物理定律約束的物質(zhì)實(shí)體。原則 I 要求我們放棄這種假設(shè)，并始終如一地將觀(guān)察者視為與實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)生相互作用的物理系統(tǒng)。實(shí)際上，觀(guān)察者通常通過(guò)可見(jiàn)電磁輻射或光來(lái)獲取關(guān)于系統(tǒng)的信息。同樣，實(shí)驗(yàn)干預(yù)（例如制備態(tài)）也需要某種相互作用，通常表現(xiàn)為按按鈕或使用計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)。按照教科書(shū)中的物理學(xué)，接觸也是身體原子與被觸碰裝置原子之間的物理相互作用。此外，觀(guān)察者要檢測(cè)或“意識(shí)到”初始制備態(tài)與最終觀(guān)測(cè)態(tài)之間的任何相關(guān)性，所需的信息處理至少需要與信息處理裝置的一些組成部分發(fā)生物理相互作用（見(jiàn)圖5），在此例中即為大腦。再者，由于我們對(duì)物理所做的任何陳述通常包含我們“有意識(shí)地”獲知的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，我們期望信息處理應(yīng)包括意識(shí)訪(fǎng)問(wèn)的過(guò)程。我們?cè)诒疚闹姓撟C，這些此前被忽視的相互作用能夠解釋行動(dòng)的量子化（quantum of action）的起源。

在這方面，原則 I 要求我們不能忽略有關(guān)實(shí)驗(yàn)中科學(xué)家所遵循的物理學(xué)這一假設(shè)。為了本文的目的，我們可以把觀(guān)察者作為實(shí)驗(yàn)裝置的一部分來(lái)考慮，我們只需加入一種有效相互作用，這種相互作用本質(zhì)上將線(xiàn)性的鏈狀因果關(guān)系變成了一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)。從這種觀(guān)點(diǎn)看，與觀(guān)察者有關(guān)的相互作用就可以被通俗地視為通向量子理論的一個(gè)環(huán)節(jié)——這一環(huán)節(jié)以前被人們忽略了。

以上討論是從第三人稱(chēng)視角來(lái)分析觀(guān)察者的，即從未被納入分析的外部觀(guān)察者的視角出發(fā)的（見(jiàn)圖2和圖7）。

圖7：原則 II 的示意圖。（a）在圖6 中缺少了一件非常重要的東西：你！實(shí)際上，圖6中的觀(guān)察者是從一個(gè)外部觀(guān)察者的視角來(lái)分析的——在這里就是你——而你同樣沒(méi)有被包含在圖中。（b）原則 II 要求無(wú)論它多么成功，我們都應(yīng)該放棄這樣一種假設(shè)——即我們可以像不屬于世界那樣從第三人稱(chēng)視角觀(guān)察世界。換言之，原則 II 要求我們與從出生到死亡每一秒鐘都在觀(guān)察到的事實(shí)保持一致：即除非有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，否則，我們只能從第一人稱(chēng)視角感知世界。然而，如果我們?cè)噲D像在圖6中那樣把（a）中的新觀(guān)察者納入進(jìn)來(lái)，就會(huì)遇到同樣的問(wèn)題——只是現(xiàn)在有兩個(gè)觀(guān)察者。如果我們堅(jiān)持這樣做，就會(huì)陷入無(wú)限追溯（無(wú)限遞歸）。這個(gè)問(wèn)題由自指造成，可以用理論計(jì)算機(jī)科學(xué)中遞歸定理（Recursion Theorem）的思想來(lái)處理。遞歸定理所涉及的核心思想的一個(gè)簡(jiǎn)單概念性解釋見(jiàn)圖12（另見(jiàn)圖8）。

圖12：自指與互補(bǔ)性。 (a) 目標(biāo)是構(gòu)造一臺(tái)圖靈機(jī)（此處用一臺(tái)計(jì)算機(jī)表示），讓它在屏幕上打印出關(guān)于它自己的描述（這里用同一臺(tái)加上引號(hào)的計(jì)算機(jī)來(lái)表示）。遞歸定理的一般形式在附錄 C 中給出，并參考文獻(xiàn) [90]；在這里我們給出的是一個(gè)略作修改、更對(duì)稱(chēng)并更簡(jiǎn)化的版本，以說(shuō)明其中涉及的主要概念。 (b) 這是通過(guò)兩個(gè)互為補(bǔ)充的子機(jī)器 Alice 和 Bob 實(shí)現(xiàn)的，它們本質(zhì)上打印出彼此的描述，這里用放在（綠色）引號(hào)中的圖畫(huà)來(lái)表示。為避免循環(huán)性，當(dāng) Alice 直接打印或生成 Bob 的描述時(shí)，Bob 實(shí)際上是從Alice的輸出中推斷出她的描述的。這類(lèi)似于現(xiàn)代通過(guò)主動(dòng)推斷進(jìn)行大腦建模的自由能原理 [140]，或者赫姆霍茲?rùn)C(jī)（Helmholtz Machine）的相關(guān)結(jié)構(gòu) [155, 156]。 (c) 然而，在 Alice 和 Bob 互相打印出對(duì)方之后，他們需要交換各自的描述，才能得到一個(gè)正確的圖像；這里用彩色箭頭來(lái)象征這一點(diǎn)。 (d) 以這種方式，我們得到了一臺(tái)圖靈機(jī)，它在運(yùn)行時(shí)會(huì)打印出關(guān)于它自己的描述。

圖8：說(shuō)明第一人稱(chēng)觀(guān)察者構(gòu)架的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)。（a）一個(gè)由兩位觀(guān)察者組成的系統(tǒng)，Alice 和 Bob（此處將他們表示為攝影師），彼此觀(guān)察，畫(huà)面為另一個(gè)觀(guān)察者 Chris 的視角——Chris 是位于由 Alice 和 Bob 組成系統(tǒng)之外的外部觀(guān)察者。（b）由 Alice 和 Bob 組成的系統(tǒng)，從由 Alice 和 Bob 組成的合成系統(tǒng)的視角所觀(guān)察。

然而，壓倒性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，我們只能從主觀(guān)的或第一人稱(chēng)的視角來(lái)做科學(xué)。我們?cè)诖伺e出幾個(gè)顯而易見(jiàn)的例子。據(jù)我們所知，伽利略、牛頓、愛(ài)因斯坦、玻爾以及我們所知的所有科學(xué)家，都是從他們自身的主觀(guān)視角來(lái)進(jìn)行分析并撰寫(xiě)他們的科學(xué)報(bào)告的。當(dāng)我們閱讀他們的著作并嘗試重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，我們也是以自身的主觀(guān)視角來(lái)進(jìn)行的。由機(jī)器人完成的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)（例如參見(jiàn)文獻(xiàn)[42]）實(shí)際上可以被看作是更大型的實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人是實(shí)驗(yàn)裝置的一部分。此類(lèi)更大型的實(shí)驗(yàn)仍由科學(xué)家以他們自己的主觀(guān)視角來(lái)執(zhí)行。如果科學(xué)家們自動(dòng)化地做實(shí)驗(yàn)，并且也從來(lái)不去收集實(shí)驗(yàn)結(jié)果，那么無(wú)論他們?nèi)绾温暦Q(chēng)結(jié)果怎樣，都將是一種他們自己做出的假設(shè)。當(dāng)科學(xué)家們研究其他人觀(guān)察物理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)時(shí) [43]，他們也是從自身的主觀(guān)視角出發(fā)的。即使有些人體驗(yàn)到的那種離體的感覺(jué) [44]——這種現(xiàn)象看上去更符合“我們可以從外部觀(guān)察世界”這一假設(shè)——也仍然是以他們自己的主觀(guān)視角來(lái)體驗(yàn)的（見(jiàn)圖3）。

這種我們可以理解的、高度成功的忽略觀(guān)察者的假設(shè)可以給我們帶來(lái)一個(gè)副產(chǎn)品，那就是人們經(jīng)常在物理學(xué)中引入另一個(gè)假設(shè)：我們總是能夠以某種客觀(guān)的，第三人稱(chēng)視角的方式來(lái)描述世界，仿佛我們自己并不是世界的一部分一樣。即使事實(shí)是從生到死、每時(shí)每刻我們只能以第一人稱(chēng)視角來(lái)體驗(yàn)。在這一點(diǎn)上，原則II讓我們放棄這樣的假設(shè)，并盡量與我們所觀(guān)察的保持一致，直到找到實(shí)驗(yàn)證據(jù)。從這個(gè)角度看，對(duì)客觀(guān)性的感知是如何從我們多種主觀(guān)性觀(guān)測(cè)的交織中誕生的，也就是從一組對(duì)我們來(lái)說(shuō)是普遍的感知，如何構(gòu)建出客觀(guān)性就成為了關(guān)鍵的問(wèn)題。在這方面，所有關(guān)于量子到經(jīng)典轉(zhuǎn)換的研究可能都值得參考。

從這個(gè)意義上說(shuō)，我們可以認(rèn)為原則 I 和原則 II 與愛(ài)因斯坦的建議是一致的：我們應(yīng)該描述“真的事實(shí)”[45]（第85頁(yè)；另見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12]），這一格言我們會(huì)稱(chēng)為“模型化實(shí)在”（model what is），即我們實(shí)際所經(jīng)驗(yàn)到的，而不是我們假定它是什么（見(jiàn)圖9及附錄A）。有趣的是，這一格言與一些禪修傳統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)是一致的，這些觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為現(xiàn)實(shí)如同藍(lán)天，但被我們?cè)谝簧兴@得的大量概念性構(gòu)造之云所遮蔽了。從這個(gè)角度看，這些云或“概念包袱”使我們難以看到“真的事實(shí)”。因此，在這種觀(guān)點(diǎn)下，科學(xué)理論應(yīng)當(dāng)指導(dǎo)我們?nèi)绾螐闹苯拥娜祟?lèi)經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行推理并構(gòu)建抽象概念，以便我們能夠就共同的人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)與同行達(dá)成可互驗(yàn)的（或稱(chēng)為跨主體的）一致。

圖9：對(duì)“模型化實(shí)在”（model what is）這一格言的說(shuō)明。物理學(xué)中一個(gè)隱含的假設(shè)是測(cè)量裝置（此處為一只鐘表）將觀(guān)察主體移出了環(huán)路，從而使我們能夠獲得對(duì)世界的客觀(guān)描述。從某種意義上說(shuō)，這一假設(shè)與實(shí)驗(yàn)證據(jù)是一致的，因?yàn)槲覀儗?duì)測(cè)量裝置讀數(shù)的主觀(guān)感知似乎是一致的——也就是說(shuō)，當(dāng)我們把自己的主觀(guān)感知傳達(dá)給其他科學(xué)家時(shí)，我們通常會(huì)達(dá)成一致（圖下方），仿佛這些讀數(shù)是客觀(guān)的。然而，“模型化實(shí)在”這一格言要求我們不要從該假設(shè)出發(fā)開(kāi)始分析，而應(yīng)當(dāng)首先從檢驗(yàn)該假設(shè)有效性的推理過(guò)程本身出發(fā)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，“模型化實(shí)在”格言（參見(jiàn)第I節(jié)和附錄A）要求我們先對(duì)我們實(shí)際經(jīng)驗(yàn)到的事物建模，然后再評(píng)估所傳達(dá)的主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)是否與存在一個(gè)外在客觀(guān)世界的假設(shè)相一致；這是一種主體之間的建模（intersubjectivity）。根據(jù)最近的研究，與我們的主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的物理過(guò)程存在于大腦（和身體）中，即它們的神經(jīng)相關(guān)物（此處用綠色引號(hào)內(nèi)的外部系統(tǒng)副本表示）。例如，考慮一個(gè)植物人（圖上；此處用綠色引號(hào)括起的空白表示）坐在實(shí)驗(yàn)裝置前：盡管他接收到與其他觀(guān)察同一裝置的人相同的信息（通過(guò)光），但他的腦無(wú)法構(gòu)建出對(duì)該裝置的知覺(jué)；即沒(méi)有正常工作的腦就沒(méi)有知覺(jué)。此外，與教科書(shū)中的物理學(xué)一致，外部系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的神經(jīng)相關(guān)物必須由物理相互作用（例如光）引起。原則 I 要求我們將這種物理相互作用考慮在內(nèi)，然后再評(píng)估是否可以像物理學(xué)中通常所做的那樣將其忽略。原則 II 要求我們從主觀(guān)角度描述實(shí)驗(yàn)，即從實(shí)際做實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家的視角出發(fā)。就我們所知，唯一可獲得的第一人稱(chēng)視角就是我們自己的，原則 II 本質(zhì)上要求我們從我們自己的視角來(lái)描述實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖7），即從我們每個(gè)人自身的視角出發(fā)。鑒于在這種觀(guān)點(diǎn)下物理學(xué)是關(guān)于就一類(lèi)主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)達(dá)成共識(shí)的，我們?cè)瓌t上可以探索將物理學(xué)擴(kuò)展到其他類(lèi)型主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)的可能性（見(jiàn)圖22）。實(shí)際上，諸如情緒之類(lèi)的主觀(guān)體驗(yàn)似乎都與某些物理過(guò)程（例如面部表情）相關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)足夠一致，使計(jì)算機(jī)能夠以較高準(zhǔn)確率識(shí)別它們[198]。

一個(gè)與此相關(guān)的有趣問(wèn)題是，為什么基礎(chǔ)物理方程的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)通常都是二階的微分方程，而不是更“經(jīng)濟(jì)”（parsimonious）的一階的微分方程呢？我將論證這些與觀(guān)察者有關(guān)。

II 概覽及相關(guān)工作

這篇文章組織如下：第III-V節(jié)給出基本理論框架，并介紹主要的概念工具。第III節(jié)對(duì)整個(gè)思想的展開(kāi)一般性討論。特別是對(duì)原則I和原則II的深入討論和解讀——在附錄B和C中我們?yōu)椴皇煜さ淖x者，分別總結(jié)了與這兩條原則相關(guān)的當(dāng)代意識(shí)科學(xué)與自指的形式化分析（通過(guò)遞歸定理給出）中獲得的科學(xué)洞察。特別是，我們強(qiáng)調(diào)了遞歸定理中的主要概念工具就是打印彼此的互補(bǔ)的一對(duì)圖靈機(jī)。在第IV節(jié)中，我們重新將公式（1）寫(xiě)為了一對(duì)互補(bǔ)的矩陣方程的形式，它們可以由VII節(jié)中的原則I和原則II導(dǎo)出；進(jìn)一步我們?cè)赩、VI和VII節(jié)中將給出一些例子以說(shuō)明涉及到的核（kernel）可能用概率術(shù)語(yǔ)加以解釋。附錄D給出了相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)。在第V節(jié)中，我們展示了隨機(jī)過(guò)程如何被轉(zhuǎn)化為一個(gè)歐幾里得類(lèi)量子（Euclidean quantum-like）的形式；特別是，我們展示了消息傳遞算法如何被解釋為虛數(shù)時(shí)間中的量子力學(xué)實(shí)例。更具體的，如果經(jīng)過(guò)正確的歸一化，所謂的Cavity消息可以被看作是虛數(shù)時(shí)間上向前和向后傳播的波函數(shù)，而對(duì)應(yīng)的信念傳遞方程（belief propagation equation）可以被看作是虛時(shí)間的薛定諤方程以及它的伴隨。然而，在這一情況下，相位（phase）僅僅是可選的人為構(gòu)建，因此可以取為0（見(jiàn)附錄F）。進(jìn)一步，初始和終止條件完全由鏈上的相互作用給定。我們認(rèn)為一旦隨機(jī)過(guò)程發(fā)生在環(huán)（cycle）而不是鏈（chain）上，情況就不再如此——此時(shí)簡(jiǎn)單的信念傳播算法（na?ve belief propagation）已經(jīng)不再精確。

在第VI節(jié)中，我們討論了原則I的實(shí)施，特別是，我們展示了將觀(guān)察者視為一個(gè)物理系統(tǒng)之后，傳統(tǒng)的鏈狀因果關(guān)系將轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀。進(jìn)一步，我們展示了由最大通量原理（maximum caliber）導(dǎo)出的環(huán)上的隨機(jī)過(guò)程類(lèi)，可以被描述為虛時(shí)間版本的馮諾伊曼方程。在第VII節(jié)，我將展示從第VI節(jié)假定的第三人稱(chēng)視角到第一人稱(chēng)視角的提升（shift），這一提升將會(huì)如IV節(jié)所示那樣得到一對(duì)矩陣方程。所以，從第三到第一人稱(chēng)視角的提升實(shí)際上意味著Wick旋轉(zhuǎn)（Wick Rotation），可以將虛時(shí)間馮諾伊曼方程轉(zhuǎn)變?yōu)榉匠蹋?）。雖然我們的討論是基于非負(fù)轉(zhuǎn)移核（transition kernel）的，我們?cè)诟戒汦中指出，這種非負(fù)性并不構(gòu)成我們這一方法的限制。在第VIII節(jié)中，我們比較了主流的范式以及我們這里的倒轉(zhuǎn)的范式。基于前面的結(jié)果，我們認(rèn)為奧科姆剃刀傾向于倒轉(zhuǎn)的范式而不是主流范式。在第IX節(jié)中，我們討論了第三人稱(chēng)視角的心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，并認(rèn)為我們可以從中估計(jì)出普朗克常數(shù)。進(jìn)一步，通過(guò)與附錄B中的第一人稱(chēng)視角獲得的結(jié)果做比較，我們認(rèn)為自我覺(jué)知的系統(tǒng)的神經(jīng)架構(gòu)以及人類(lèi)自我都應(yīng)該由兩個(gè)互補(bǔ)的神經(jīng)子系統(tǒng)構(gòu)成，每一個(gè)系統(tǒng)都在試圖建模對(duì)方，這與DNA的雙鏈結(jié)構(gòu)類(lèi)似[46]; 我們猜想這一原理可能也解釋了為什么我們的大腦會(huì)分成左右兩個(gè)半球，也就是我們的大腦就是用來(lái)執(zhí)行自我建模，并指代自己的。最后，在第X節(jié)中，我們討論了這一工作的潛在內(nèi)涵。

本文所討論的思想已經(jīng)被很多不同作者甚至早在量子理論出現(xiàn)之前就探索過(guò)了。一個(gè)完整的列表超出了作者的能力。在這里，我們將回顧一些我們熟知的作者。

Maxwell、Szilard、Landauer以及很多其他學(xué)者早就探索了觀(guān)察者可能在物理學(xué)中扮演重要角色的想法（見(jiàn)[47]以及其中的參考文獻(xiàn)）。自從量子理論誕生伊始，Wigner[48]，von Neumann[49]，以及Bohm[50]，Penrose[51,52]，Hameroff[53]等人就討論了觀(guān)察者和意識(shí)究竟是否在量子理論中扮演著角色的問(wèn)題。Bennett、Hoffman以及Prakkash[54]很早就探索了觀(guān)察者的機(jī)制模型（mechanics of observer）；這些作者也指出了對(duì)觀(guān)察者建模可能導(dǎo)出一些量子現(xiàn)象的可能性。Rossler[59]曾提出量子理論可能與我們只能從內(nèi)部看世界有關(guān)。McKeon與Ord[60]探討了將前向與后向隨機(jī)過(guò)程組合在一起就有可能用類(lèi)量子方程進(jìn)行描述這一想法。Caticha[61,62]探索了通過(guò)最大通量（maximum caliber）原理推導(dǎo)出量子理論的方向。Grossing[63]探索了非平衡現(xiàn)象可能在量子理論的推導(dǎo)中扮演一定角色。量子理論可以從一對(duì)互補(bǔ)變量中得出的想法曾被Goyal[64]、Kunth，以及Skilling[9]等人提出。Kauffman[65]則探索過(guò)量子理論和自指的關(guān)系，他同樣探索過(guò)自指可能構(gòu)成物理學(xué)基礎(chǔ)的想法。Dalla Chiara[66]，Penrose[51,52]，Brukner[67]，Breuer[68]，Calude[69]等人討論了通過(guò)哥德?tīng)柖ɡ砗筒煌耆缘慕嵌扔懻摿孔雍妥灾傅年P(guān)系。Bohr[36]、Aerts[70]，Khrennikov[71]、Bruza、Wang以及Bussemeyer[72]等人指出量子理論和認(rèn)知科學(xué)可能關(guān)系密切。Maturana和Varela[73]等人通過(guò)他們的自創(chuàng)生（Autopoiesis）概念指出自我由互補(bǔ)的系統(tǒng)構(gòu)成，這一想法最近又由Deacon[74]提出。Hofstadter[75, 76]也探討了自我與哥德?tīng)柖ɡ碇械淖灾感问街g的關(guān)系。Fuchs、Schack[77]以及Mermin[13]等人探索過(guò)將觀(guān)察者納入其中有可能解決量子理論的概念難題。佛陀早在26世紀(jì)前，Varela、Thompson以及Rosch[1]等人早在25年前，F(xiàn)uchs、Schack[8]，以及Rovelli[78]早在幾年前，Muller[58],Brukner[79]以及Chiribella[80]早在幾個(gè)月前就曾指出主觀(guān)性可能對(duì)于我們描述客觀(guān)現(xiàn)實(shí)起到重要的作用。

III 大圖景

A 作為物理過(guò)程的推斷

在這一節(jié)，我將討論如何解釋原則I。我們主要的貢獻(xiàn)在于提出升級(jí)的麥克斯韋妖，這是一個(gè)具有內(nèi)存的物理系統(tǒng)并可以與實(shí)驗(yàn)裝置（經(jīng)典計(jì)算機(jī)）進(jìn)行交互，這是圖靈機(jī)的一種物理實(shí)現(xiàn)，它可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行推斷，也可以執(zhí)行自指。然而，我們的焦點(diǎn)并不是在這樣的計(jì)算機(jī)上做計(jì)算，而是執(zhí)行它們的最小物理?xiàng)l件（見(jiàn)圖16、17，以及B1節(jié)中的vi條目和圖6；對(duì)于人類(lèi)觀(guān)察者的進(jìn)一步討論見(jiàn)附錄A）。

為了對(duì)這些想法獲得一些早期的直覺(jué)，讓我們考慮一個(gè)判斷兩比特，即x與y是否相等（即x=y）的計(jì)算機(jī)硬件裝置，以及實(shí)現(xiàn)它的物理要求。首先，我們需要有兩個(gè)物理系統(tǒng)Sx和Sy分別代表了比特x和y。例如，物理系統(tǒng)Sx可能是一塊兒北極指向上的磁鐵，表示為x=0，或者向下，可以表示為x=1。第二，計(jì)算機(jī)硬件需要執(zhí)行比較“=”。這個(gè)比較需要一個(gè)Sx和Sy之間在硬件上的物理交互。例如，我們可以通過(guò)以能量E(Sx, Sy)=-SxSy來(lái)執(zhí)行一個(gè)成對(duì)的交互。這一能量當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)磁鐵同向的時(shí)候達(dá)到最小值（圖5），也就是x=y。因此，根據(jù)能量，計(jì)算機(jī)能確定兩個(gè)比特是否相等。

圖5：信息處理需要物理相互作用。（a）信息被編碼在物理系統(tǒng)中。這里展示了如何用磁鐵編碼兩個(gè)比特 x 和 y：如果表示 x 的磁鐵的北極朝上或朝下，則分別對(duì)應(yīng) x = 0 或 x = 1；y 的編碼方式類(lèi)似。（b）為回答諸如“x = y 嗎？”這樣看似抽象的問(wèn)題所需的信息處理，可以在此通過(guò)表示 x 和 y 的兩塊磁鐵的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。（c）如果 x = y，則兩塊磁鐵相互吸引；（d）否則它們互相排斥。

更一般的，任何非平凡的門(mén)或函數(shù)的物理執(zhí)行都需要代表計(jì)算的比特物理系統(tǒng)之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

類(lèi)似的，一個(gè)計(jì)算機(jī)或機(jī)器人如何決定一個(gè)開(kāi)關(guān)的上下位置是否與臺(tái)燈是否亮起有關(guān)？（見(jiàn)圖17）首先，計(jì)算機(jī)硬件分別需要兩個(gè)物理系統(tǒng)代表開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，也就是開(kāi)或關(guān)，臺(tái)燈也需要亮或滅。假設(shè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)用x=1代表，否則用x=0代表；類(lèi)似的y=1代表臺(tái)燈亮，y=0代表滅。假設(shè)機(jī)器人用這對(duì)開(kāi)關(guān)與臺(tái)燈進(jìn)行了n次實(shí)驗(yàn)，獲得了數(shù)據(jù)對(duì)(xi,yi)的集合，這里i=1,…,n。那么，機(jī)器人就可以計(jì)算，例如皮爾遜相關(guān)系數(shù)：

這里為樣本均值，而為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，它們都與開(kāi)關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。樣本均值和樣本方差σy對(duì)應(yīng)了臺(tái)燈的狀態(tài)。

進(jìn)一步，對(duì)rxy的計(jì)算需要代表所有變量的硬件系統(tǒng)之間發(fā)生直接或間接的相互作用。這樣的計(jì)算可以被這樣執(zhí)行，例如，先使用物理系統(tǒng)Sx以及Sy（對(duì)i=1,…,n）將所有的數(shù)據(jù)保留到內(nèi)存中，然后讓它們進(jìn)行物理交互，這是一種典型的離線(xiàn)學(xué)習(xí)方式。另一種方式是，機(jī)器人可以一個(gè)對(duì)一個(gè)對(duì)的接受數(shù)據(jù)(xi,yi），并用它更新對(duì)rxy的估計(jì)，這一過(guò)程也是通過(guò)相應(yīng)的物理交互來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種方式是一種在線(xiàn)的學(xué)習(xí)方式。

下面，機(jī)器人如何確定開(kāi)關(guān)會(huì)引起臺(tái)燈亮起呢？一種方式就是通過(guò)干預(yù)[81-83]。例如，機(jī)器人可以強(qiáng)制讓開(kāi)關(guān)打開(kāi)或關(guān)閉，這可以被表示為Do(x=x*)，這里x*代表機(jī)器人的行動(dòng)（見(jiàn)文獻(xiàn)[81]中的例2）。那么，機(jī)器人可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中估計(jì)對(duì)應(yīng)的分布P(y|Do(x=x*))，如果條件：

被滿(mǎn)足，那么機(jī)器人就可以推斷開(kāi)關(guān)的位置可以引起臺(tái)燈打開(kāi)。在這個(gè)例子中，我們假設(shè)了一種沒(méi)有隱變量的場(chǎng)景；在更一般的情景下，因果推斷可以變得非常有趣[81-83]。這里的關(guān)鍵點(diǎn)是，任何上面的計(jì)算包括比較都會(huì)牽涉到物理硬件上的交互。

總之，機(jī)器人總共有兩個(gè)物理約束條件來(lái)判定X與Y的因果（或非因果）影響的存在。首先，機(jī)器人在硬件上必須要有內(nèi)在的物理系統(tǒng)SX以及SY來(lái)分別表示外部系統(tǒng)X和Y。接下來(lái)，注意每個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)允許機(jī)器人檢測(cè)或‘感知’對(duì)應(yīng)到它所表示的外部系統(tǒng)。在這個(gè)意義上，粗略地說(shuō)，機(jī)器人正在使用內(nèi)部系統(tǒng)SX來(lái)表示或覺(jué)察外部系統(tǒng)X，然而機(jī)器人不能使用內(nèi)部系統(tǒng)SX來(lái)表示或感知內(nèi)部系統(tǒng)SX自身——就像眼睛不能看到眼睛自己一樣。到這里，我們已經(jīng)看到了某種“分辨率限制”[11]以允許機(jī)器人感知到兩個(gè)物理系統(tǒng)中的一個(gè)。這樣的分辨率限制已經(jīng)可以導(dǎo)出量子理論的若干性質(zhì)[11,84-86]（見(jiàn)VIII C）。

進(jìn)一步，外部系統(tǒng)X與Y可以指不同的時(shí)間，就像在給定時(shí)刻打開(kāi)開(kāi)關(guān)引起了下一時(shí)刻的臺(tái)燈亮起。在這一情況下，對(duì)應(yīng)的內(nèi)部系統(tǒng)SX和SY指代了不同的時(shí)間，比如“過(guò)去”（初始狀態(tài)）和“未來(lái)”（終止?fàn)顟B(tài)）。這兩個(gè)內(nèi)部物理系統(tǒng)存在著相互作用，它的狀態(tài)可以被相對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)是隱藏的變量所描述，因此它也是在“過(guò)去”和“未來(lái)”之間的有效相互作用。在這個(gè)意義下，內(nèi)部系統(tǒng)的狀態(tài)由非局域方式相互作用的隱藏變量所描述。這已經(jīng)構(gòu)成了對(duì)貝爾定理的局部條件的破壞（見(jiàn)VIII C）。

最后，支持觀(guān)察者信息處理的物理相互作用定義了一個(gè)內(nèi)在的能量尺度，外部被觀(guān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供該能量尺度。如果外部系統(tǒng)的能量小于讓觀(guān)察者產(chǎn)生感知所必需的內(nèi)部物理過(guò)程的能量，那么觀(guān)察者就可能無(wú)法感知到任何事物。這或許可以解釋能量量子化的起源，并暗示普朗克常數(shù)可能可以通過(guò)心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量（參見(jiàn)第 IX 節(jié)和圖 21）。

早在 1929 年，Leo Szilard[35] 就已把觀(guān)察者視為物理系統(tǒng)來(lái)論證麥克斯韋妖（Maxwell demon）[47]無(wú)法像麥克斯韋在 1871 年所建議的那樣違背熱力學(xué)第二定律[87]。幾十年后，Landauer在[88]中提出，從妖的記憶中擦除信息的物理過(guò)程可以解釋熱力學(xué)第二定律所假定的熵不減少現(xiàn)象。幾年前在參考文獻(xiàn)[40]中，作者們還報(bào)道了對(duì)麥克斯韋妖的首次實(shí)驗(yàn)性演示。

B 第一人稱(chēng)視角

前面的討論概括了從原則I導(dǎo)出的直觀(guān)畫(huà)面（見(jiàn)圖17和圖6）。這個(gè)視角已經(jīng)足夠我們導(dǎo)出虛時(shí)間的量子理論了，然而對(duì)于獲得關(guān)于量子理論的全部形式框架卻還不夠（見(jiàn)V和VI節(jié)）。這是因?yàn)槲覀兊姆治鍪菑囊粋€(gè)外部觀(guān)察者視角做出的：我們是站在我們自己的立場(chǎng)來(lái)描述機(jī)器人的（見(jiàn)圖7）。然而，根據(jù)原則II，實(shí)驗(yàn)必須被描述為機(jī)器人自身作為一個(gè)內(nèi)部觀(guān)察者的視角。這是更微妙的一個(gè)涉及到自指的問(wèn)題（見(jiàn)圖7、18、19，以及附錄C和圖12、14、15）。

為了說(shuō)明原則II的思想，讓我們考慮一個(gè)程序打印它自己源代碼的例子。一個(gè)樸素的嘗試是這個(gè)程序只需要打印print 'Hello world', 然而，為了打印這個(gè)程序，必須要求print 'print ''Hello world'';'。但是后者與前者并不一致；一個(gè)新的操作符print多了出來(lái)。我們可以通過(guò)加上一個(gè)新的print命令來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是最終我們得到了無(wú)窮遞歸。

用Python完成的一個(gè)自打印程序的例子是[89]:

粗略地說(shuō)，這個(gè)程序由兩部分構(gòu)成，它們彼此打印對(duì)方。事實(shí)上，第一行定義了一個(gè)字符串s，它包含了第二行代碼，而第二行代碼打印了第一行定義的字符串s。這是自打印程序的一般性特征[90]（見(jiàn)第6章），我們將在第VII A節(jié)詳細(xì)討論。在附錄C中，我們簡(jiǎn)要的回顧了計(jì)算機(jī)科學(xué)中的遞歸定理，它可以創(chuàng)造這樣的自指程序。

另一個(gè)例子就是語(yǔ)句[90]:

如果我們按照這句話(huà)中的要求去做，就會(huì)把這句話(huà)本身打印出來(lái)。這里又由兩對(duì)“互補(bǔ)”的句子組成：一方面，第一句通過(guò)指示去打印第二句而起主動(dòng)作用；另一方面，第二句通過(guò)把第一句用引號(hào)表示出來(lái)而起被動(dòng)作用；在某種意義上，第二句可以被視為關(guān)于第一句的信息。然而，兩句都是由相同的“東西”構(gòu)成的：字母表中的字符。

本篇論文將討論，當(dāng)一個(gè)機(jī)器人從內(nèi)部（包括對(duì)自身的描述）描述這個(gè)世界時(shí)，會(huì)發(fā)生類(lèi)似的情況：應(yīng)當(dāng)存在這樣一對(duì)互補(bǔ)的系統(tǒng)，它們?cè)谀撤N意義上互相“觀(guān)察”對(duì)方（參見(jiàn)圖 8、18、19）。這并不意味著存在一個(gè)神秘的實(shí)體在觀(guān)察機(jī)器人，而是說(shuō)對(duì)應(yīng)的機(jī)器人架構(gòu)應(yīng)當(dāng)支持這樣一種反身特性——這個(gè)特性的一個(gè)簡(jiǎn)單類(lèi)比是：盡管一只眼睛獨(dú)自存在時(shí)看不到自己，但在互補(bǔ)系統(tǒng)（例如鏡子）的幫助下它就能看到自己，而鏡子正好實(shí)現(xiàn)了所需的反身功能。圖 8 展示了一個(gè)我們可以在家中就可以做的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這些想法背后的直覺(jué)。

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量子信息與量子計(jì)算預(yù)讀班

量子信息是計(jì)算機(jī)、信息科學(xué)與量子物理相結(jié)合而產(chǎn)生的新興交叉學(xué)科，將為人類(lèi)提供后摩爾時(shí)代的技術(shù)，為二十一世紀(jì)信息科學(xué)的發(fā)展提供新的原理和方法。量子信息是現(xiàn)在的前沿方向，我們感受到以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的革命是顛覆性的，也將影響到未來(lái)的復(fù)雜性科學(xué)研究。集智俱樂(lè)部量子信息與量子計(jì)算預(yù)讀班主要聚焦在量子計(jì)算領(lǐng)域，對(duì)量子線(xiàn)路的經(jīng)典模擬、量子計(jì)算與人工智能的交叉、量子模擬、量子噪聲理論與糾錯(cuò)碼等方面的論文進(jìn)行研讀與討論。

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后ChatGPT讀書(shū)會(huì)——“意識(shí)機(jī)器”初探

從 AlphaGo 到 ChatGPT，隨著人類(lèi)智能一個(gè)個(gè)被機(jī)器算法突破，人們不禁開(kāi)始思考：還有什么能力是人類(lèi)具備而人工智能尚無(wú)法取代的？自我意識(shí)就是一個(gè)關(guān)鍵的未被突破的能力，它不僅可以對(duì)自我的行為進(jìn)行深度反思從而跳出循環(huán)，形成頓悟，還能夠給主體帶來(lái)真正的主觀(guān)體驗(yàn)。那么，自我意識(shí)的本質(zhì)是什么？ChatGPT 是否能夠擁有自我意識(shí)？本視頻提出了一種自我意識(shí)的最小模型，它可以一定程度上解釋人類(lèi)意識(shí)的特點(diǎn)，也可能找到判定機(jī)器是否具有意識(shí)的一種標(biāo)準(zhǔn)。

集智俱樂(lè)部特別組織，由北師大教授、集智俱樂(lè)部創(chuàng)始人張江老師聯(lián)合肖達(dá)、李嫣然、崔鵬、侯月源、鐘翰廷、盧燚等多位老師共同發(fā)起，旨在系統(tǒng)性地梳理ChatGPT技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)其弱點(diǎn)與短板。讀書(shū)會(huì)已完結(jié)，現(xiàn)在報(bào)名可加入社群并解鎖回放視頻權(quán)限。

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