本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯认为宇宙是一个机械部件，物理决定一切。拿破仑读过拉普拉斯的著作，就他的理论中明显缺少一个创造者的问题与他对质。“我不需要这种假设，”拉普拉斯回答说。拉普拉斯也可能对自由意志说过同样的话，但他的机械论宇宙认为造物者是多余的。自拉普拉斯时代以来，科学家、哲学家甚至神经科学家都追随他的脚步，否认自由意志的可能性。这反映了一个在理论物理学家中广泛存在的信念：如果你知道表征一个物理系统的变量的初始值，以及解释这些变量如何随时间变化的方程，那么你就可以计算出系统在以后所有时间的状态。例如，如果你知道容器中构成气体的所有粒子的位置和速度，你就可以确定以后所有这些粒子的位置和速度。这意味着不应该有任何偏离物理确定轨迹的自由。那么请考虑一下，我们周围所看到的一切——岩石和行星，青蛙和树木，你的身体和大脑——都是由质子、电子和中子以非常复杂的方式组合在一起组成的。就你的身体而言，它们制造多种细胞，这些细胞依次形成肌肉和皮肤等组织，这些组织构成心脏、肺和大脑等系统，这些系统使身体成为一个整体。这意味着你此时此刻的想法在宇宙形成之初就已经确定了，这是基于当时粒子物理变量的状态。现在，如果你怀疑威廉·莎士比亚的十四行诗、温斯顿·丘吉尔的演讲以及斯蒂芬·霍金的《时间简史》一书中的词语是否真的就是以这种方式产生的，你也许会原谅你。你有理由怀疑：怀疑论者的立场存在许多问题。在非常小的尺度上，量子理论是世界上正在发生的事情的基础。海森堡的不确定性原理在量子结果中引入了不可避免的模糊性和不确定性。你可能知道一个变量的值，比如一个粒子的动量，但这意味着你不能准确地探测到另一个变量，比如它的位置。这似乎从根本上破坏了最初数据和物理结果之间所谓的联系。然而，这是有争议的，所以我暂时把它放在一边，尽管它很重要。相反，我将集中讨论大脑神经元分子生物学中因果关系的关键方面。上个世纪最令人震惊的发现之一是，微观层面上的生物活动实际上是基于生物分子的物理形状，尤其是DNA、RNA和蛋白质。只有当x射线晶体学发展到允许我们确定这些分子异常复杂的详细结构和折叠时，这一发现才成为可能。在罗莎琳德·富兰克林的帮助下，弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森发现了DNA的双螺旋结构，他们宣称，这些分子的结构确实是生命的秘密。这理所当然地引起了公众对DNA分子如何编码我们的遗传基因的巨大兴趣。DNA之所以重要，只是因为它为从事真正生物学工作的蛋白质编码。例如，血细胞中的血红蛋白将氧气从肺部输送到身体的其他部位。眼睛中的视紫红质吸收光线并将其转化为电信号。驱动蛋白和动力蛋白是在细胞内将物质从一个地方运输到另一个地方的运动蛋白。酶在很大程度上加速了化学反应。电压门控离子通道就像生物版的晶体管，配体门控离子通道让信使分子(“配体”)，比如神经递质，在大脑中把信息从一个细胞传递到另一个细胞。就这样。所有这些功能都来自于这些蛋白质复杂形状的细节。这意味着，要把物理学和生物学联系起来，我们需要研究构成分子形状基础的理论。这个理论就是量子化学，基于量子物理学的基本方程：薛定谔方程。在量子理论中，系统的状态是由所谓的波函数来描述的，它决定了事件发生时不同结果的概率。薛定谔方程支配着波函数如何随时间变化。例如，它控制着量子隧道的过程，而量子隧道反过来又构成了一些重要的物理效应，比如太阳如何通过核聚变产生能量，植物的光合作用，以及你用来在电脑USB闪存驱动器中存储数据的闪存。我将想当然地认为薛定谔方程的有效性，它是物理学中最可靠的方程之一。为了将其与生命的功能联系起来，我们需要将薛定谔方程应用到相关分子的波函数上——在这种情况下，是蛋白质——以便确定它们的形状如何随时间变化。所以真正的问题是：薛定谔方程和波函数的初始状态一起描述了早期宇宙中存在的一切，是否决定了我今天想的一切因为它决定了我体内所有生物分子的状态？让自由意志怀疑论者感到困惑的是，所有的结果并不仅仅依赖于方程和初始数据。它们还依赖于约束。举个例子，一个受重力影响的苹果，比如艾萨克·牛顿在伍尔索普庄园看到的一个苹果从树上掉到地上。现在假设牛顿用一根拴在苹果柄上的绳子把苹果挂在了树枝上。这样它就变成了一个钟摆，因为弦限制了它的运动。它不会掉到地上，而是会在树枝下绕着一个圆弧来回摆动，它的运动状态由它的初始位置和速度决定。因此，构成苹果的数十亿原子的运动也将由弦决定。它会使它们在支撑下沿着一个圆弧运动。这就是约束如何塑造结果。现在让我们研究一下约束随时间的变化。当苹果来回摆动时，想象牛顿剪断了绳子。苹果就会掉在地上。初始状态不再决定结果。决定发生什么事情的是意外的剪切，因为它删除了之前的约束。这个故事的寓意是，当约束条件发生变化时，结果并不取决于初始条件；它们取决于约束随时间变化的方式。就构成生命存在基础的生物分子而言，是分子的形状限制了所发生的一切。这些分子非常灵活，可以像铰链一样弯曲。分子中原子核之间的距离决定了弯曲的可能性。任何特殊的分子“构象”都限制了离子和电子在底层物理水平上的运动。根据生物学的需要，这可能会以一种依赖时间的方式发生。通过这种方式，生物学可以向下影响物理结果。它改变了适用的薛定谔方程中的约束条件。一个关键的例子是细胞壁中的离子通道，它将细胞内部和外部分隔开来。离子是由于失去或获得一个电子而带电的原子。钠和钾原子是带正电荷的，因为它们失去了一个电子，而氯离子是带负电荷的，因为它们获得了一个电子。离子通道是嵌在细胞壁中的蛋白质，控制离子进出细胞的流动。它们可以打开或关闭，取决于它们的铰链部件的位置。因此，它们要么允许离子进入或离开细胞，要么阻止它。这种门控在大脑功能中起着至关重要的作用。例如，神经元通过被称为轴突的纤维相互连接。轴突壁上的电压门控离子通道的开启或关闭取决于细胞内外的电压差异。离子通过这些离子通道进出轴突，导致电信号沿着神经元纤维移动，从而产生我们认为的神经电脉冲。这些离子通道是计算机中晶体管的生物类似物，它能不能允许电流流动取决于电路两部分之间的电压差。另一种类型的离子通道是配体门控通道，它发生在连接神经元彼此的突触中。这个过程是一个复杂的生化版本，就像用一把钥匙开门一样：只有当钥匙的形状与特定的锁相吻合时，钥匙才会被打开。配体，在这里是一种神经递质，是一种信使分子，它与离子通道上的受体结合，并通过改变其形状来打开受体。这使得离子流入神经元，将化学物质转变为电信号。只有当配体与受体结合并改变离子通道的形状使其打开时，离子通道才能进入细胞。如果没有配体存在，通道就关闭，没有离子可以进入。导致这种开启和关闭的结合是配体特殊形状的结果：只有当配体与特定受体的形状恰好吻合时，它才能结合。因此，门控功能是由离子通道的详细形状决定的。配体门控离子通道。生命的秘密就在于如此精细的分子结构。这就是信号分子如何改变对离子通过细胞壁离子通道流动的限制。在信使分子结合之前和之后，约束是不同的。这种依赖时间的结合特性控制着一个神经元与另一个神经元连接的突触上的离子流。正是这些分子形状的变化，而不是初始条件，决定了分子薛定谔方程的哪个具体解会在你思考的时候出现在你的大脑中。它们是思想成为可能的基础。那么是什么决定了信号分子将哪些信息传递到突触上呢？它们是由思维过程所决定的信号，不能在更低的层次上加以描述，因为它们以一种本质的方式涉及概念、认知和情感。你的思想和感受“向下”，通过改变离子和电子流动的限制，以一种随时间而改变的方式，在大脑中形成较低层次的过程。例如，假设你正走在街上，就在你面前发生了一场可怕的事故——汽车被撞坏，人受伤，到处都是血。你的反应是恐惧：同情那些受伤的人，害怕他们会死，一种内疚的解脱感，因为这些没有发生在你身上。这些都是由于你的大脑在心理层面运作的方式而发生的心理事件，是基于过去的经验和先天反应的某种结合。这些品质——同情、恐惧、内疚——都不会在离子或突触水平上发生。这些高水平的思维活动通过改变离子通道的形状，从而改变大脑中数十亿离子和电子的运动。之间错综复杂的因果的舞蹈在你的大脑中。物理学使你的大脑和身体发生的事情成为可能，但并不能决定它；是你对这件事的心理解释。学习和记忆提供了另一个例子，说明向下的因果效应是如何塑造潜在的物理学的。记忆是由基因开关控制的，被称为“基因调控”。由DNA分子构成的基因包含着细胞在正确的时间和地点制造特定蛋白质所需的信息。现在有一个问题：我们身体里的几乎每个细胞都有相同的基因，并且对身体其他部位的所有蛋白质都有编码。但每个细胞都需要特定的蛋白质来产生，这取决于环境。所以相同的DNA链在不同的细胞中在不同的时间产生不同的蛋白质。这是怎么发生的呢？它是通过基因调控发生的：基因被打开或关闭，然后被表达或不被表达。基因调控是由一种叫做转录因子的蛋白质控制的。这些调节蛋白结合在DNA分子的特定位置，识别它们的形状，从而决定当DNA被读取时将产生哪些蛋白质。这个基因调节的过程加强或削弱了我们大脑中的神经连接。大脑皮层有密集的神经元柱，它们通过极其复杂的网络连接在一起。这个网络的广泛结构对每个人来说都是一样的，但是细节却不一样。是每个大脑的详细结构体现了我们之间的差异，特别是我们的长期记忆。哪些神经元与哪些神经元相连的细节，以及每个连接的强度，都是由我们自己的历史和记忆决定的。学习改变了宏观层面上的结构，进而改变了微观层面上的联系。这些是怎么发生的？正如奥地利裔美国医生埃里克·坎德尔在年诺贝尔奖演讲中所解释的那样，心理层面的学习过程导致基因表达模式的改变，从而产生特定的蛋白质，从而改变突触处神经连接的强度。这改变了神经元之间的连接强度，从而储存了记忆。这种学习是一种心理现象。你可能会记得吃一顿美味佳肴的快乐，演奏巴赫的奏鸣曲，或者车祸的痛苦记忆。再说一次，这些都是不可简化的心理事件：它们不能在任何较低的层次上被描述。随着时间的推移，它们向下延伸以改变神经元的连接。这些变化是不能根据神经连接的初始状态预测的，但是，之后，它们会以不同的方式限制电子流动，因为连接已经改变了。学习改变了宏观层面上的结构（我们有一个“可塑的大脑”），进而改变微观连接和底层电子流动的细节。另一个例子是理性思维。大约在公元前年，毕达哥拉斯学派发现了一件令人吃惊的事情：2的平方根是无理数。这是如此令人震惊，以至于这个发现被当作一个官方秘密。他们不希望这是真的，而且知道这件事很危险。这个令人震惊的结论是根据数学规则经过理性论证得出的。各级抽象逻辑驱动这些大脑操作的心理，这些纤维离子进出的通过离子通道、电子和质子之间的交互,使整个事情发生。我们不知道脉冲链编码思想的细节，但我们知道这种编码一定会发生。如果我们记住了这个证据，数学上的争论就会深入到通过基因调控来重塑神经元之间的联系。然后，逻辑论证从字面上体现在大脑连接的细节上。这些实例表明，通过改变物理层面上的限制条件，心理上的理解可以影响离子和电子的运动。也就是说，心理状态会改变蛋白质的形状，因为大脑拥有真正的逻辑能力。这种向下的因果关系胜过了初始条件的力量。逻辑暗示决定了宏观层面上我们思想的结果，微观层面上决定了电子和离子的流动。这些例子当然是有争议的，因为它们涉及到人类的大脑和思想，并且隐含着自由意志的问题。然而，在计算机算法中也出现了类似的问题。一个算法解决特定问题的答案用这张信用卡你能取多少钱？我可以订明天上午8:45的火车吗？又是基于抽象逻辑。这种逻辑在用高级编程语言编写的计算机程序中显式地编码。以物理学为基础的方程与这种算法没有直接关系。但计算机程序显然具有因果效应：它们改变了世界的结果。程序根据对相关数据起作用的算法的逻辑来决定发生了什么。这是计算机科学学生学习的内容。这种逻辑级联到数字层面，通过改变所施加的电压来改变晶体管中电子传导通道的结构，从而决定了电子流动发生了什么。在程序加载到计算机之前，相关算法不在其内部表示，通过加载程序，宏级别的约束已经改变。在程序执行过程中，当微级的电压每微秒都在变化时，物理学就会随着算法的节奏起舞。自由意志怀疑论者忽视了我在这里讨论的那种时间依赖性的约束，这种约束使得生物学中普遍存在的向下因果关系，尤其是大脑功能。当然，分子生物学并没有与构成所有物质存在基础的物理学相矛盾。相反，它提供了一种非常复杂的环境，在这种环境下，事情是根据这种环境来解决的。尽管我们的大脑确实是由基本粒子组成的，高级功能是通过向上和向下的因果过程的相互作用而产生的。在宇宙学和分子生物学中有一个主要的随机性元素。但仍有一个烦人的想法：如果整个宇宙的初始数据都是已知的，那么为什么它不能以一种机械的方式确定所有这些低层的动力学？毕竟，它们不就是这张大图中的小细节吗？在这张大图中，我们可以宣称不存在约束条件。根据定义，宇宙就是一切，所以它不可能被更大环境的影响所限制。在那种情况下，物理可能不是决定性的，而我的论证也会失败吗？首先，在大尺度的宇宙学和小尺度的分子生物学中，都存在一个主要的随机性元素。在大尺度上，在宇宙学中我们很难得到正确的细节，即使是在银河尺度上;我们只研究统计概率。还有一些重要的未解决的问题，比如暗物质是如何在比太阳系规模大得多的星系周围聚集的。我们不能现实地从宇宙学初始条件的研究中确定在更小尺度下，如太阳或地球会发生什么。预测到人体尺寸的细节是不可能的。然而，怀疑论者仍然认为这只是缺乏足够的数据和计算能力的问题。原则上，这是可行的。但实际上，它不会，因为在微尺度上发生的事情。在分子尺度上，由于分子之间每秒钟发生数十亿次的碰撞，工作过程忘记了最初的数据。生物学正是在这种紊乱状态下蓬勃发展起来的——彼得·霍夫曼在他的著作《生命的棘轮》中称之为“分子风暴”。分子机器确实起作用，比如驱动机制将货物从细胞的一个地方移到另一个地方，从混乱中提取秩序。与拉普拉斯所设想的具有决定性性质的物理学不同，所有分子的每一微秒的反复无常意味着它们初始运动状态的细节无可挽回地丧失了。正是这种分子级的混沌运动在实践中阻止了微观决定论。但是，如何才能从这种混乱中恢复秩序呢？丹尼斯·诺布尔和雷蒙德·诺布尔在年发表于《混沌》杂志的论文中解释说，分子的随机性给细胞机制提供了选择它们想要的结果，抛弃它们不想要的结果的选择。这种选择的能力使心脏和大脑等生理系统不再受制于低层次的相互作用，而是从众多的选择中选择最喜欢的相互作用的结果。通过这种方式，一层有序可以从较低层次的无序——以及微观数据——中浮现出来。这并不是自由意志存在的决定性证据，但至少它为自由意志的存在开辟了一条道路。为了讨论起见，让我们假设我错了。让我们忽略所有这些问题，认真对待确定性观点。这意味着，每一本书——《大英百科全书》、《资本论》、《哈利波特》系列——的文字都被编码进了宇宙的初始状态，不管它是什么。人类的逻辑思维在这些书的字句中没有起因果作用：它们仅由物理学决定。尚不清楚任何文字是如何被编码进宇宙的，这导致了在物质和辐射相互分离时明显的随机波动。它们在这些波动中是如何表现的呢？几乎不可能在作者写书的时候影响他们详细的大脑状态。量子的不确定性给这些说法增加了另一层不可信。但现在让我们先把这些主要问题放在一边。让我们假设现在的大脑状态确实有可能是由宇宙的初始条件决定的，因为因果决定论的物理是一切的基础。问题是，这些词是怎么来的？是否存在一个把所有这些东西编码成宇宙初始状态的造物主？它当然不存在于薛定谔方程本身中，也不存在于宇宙研究中通常设想的早期宇宙随机波动中。根据定义，它们既不编码任何详细信息，也不编码任何逻辑论证。那么这些数据是如何到达那里的呢？不只是为了一本书，而是为了所有写过的书？这真的是可信的故事吗，还是某种神创论的神话？这之所以成为可能，是因为我们大脑的特殊层次结构及其功能。这种功能是通过从心理层面到物理层面的向下因果关系来实现的，而物理层面上的结果是由随着时间变化的约束条件所决定的。不需要违反物理定律。物理学自拉普拉斯以来已经取得了巨大的进步。事实上，他完全认不出来了。然而，今天仍有物理学家自信地宣称，我们不可能拥有自由意志，因为物理学决定了一切，包括大脑功能——完全忽略了复杂的环境和约束的力量。如果你真的相信基本的力量没有给自由意志留下任何空间，那么我们作为有道德的人就不可能真正做出选择。对于我们对全球气候变化、儿童贩卖或病毒大流行的反应，我们不会承担任何有意义的责任。在现实中，潜在的物理学将会控制我们的行为。

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