人为什么有意识？
赵南元
（清华大学自动化系）
摘要：几乎每个人都承认人是有意识的，而且也清楚意识这个词指的是什么，但迄今为止“意识”这个词仍缺乏明确的定义。本文从“人为什么有意识？”这个问题出发，通过讨论意识的作用、机制、存在判断等多方面的问题，对意识的概念作出较为全面的说明。
关键词：意识
一、 前言
近年来，关于意识的研究正在逐步引起心理学、脑神经科学、医学、认知科学等各相关学科的重视。但是在各学科之间，对于意识这一基本概念还缺乏明确的共识。本文的目的是从多种角度探讨意识的概念，使其逐步明确和深入。
关于意识有一个基本的共识，即意识是人脑的功能。这是每一个想要用科学的方法研究意识的人都必须接受的结论，否则就等于承认意识是超自然的灵魂表现，把关于意识的研究推给神学家，赶出科学领域。但是，达到这个基本共识的道路并不平坦，所以克里克会称之为《惊人的假说》。
曾因发现DNA双螺旋结构而获诺贝尔奖的弗朗西斯·克里克在该书的头一句话就说：“惊人的假说就是说，‘你’，你的喜悦、悲伤、记忆和抱负，你的本体感觉和自由意志，实际上都只不过是一大群神经细胞及其相关分子的集体行为。……这一假说和当今大多数人的想法是如此不相容，因此，它可以真正被认为是惊人的。”[1]当然，克里克所说的“大多数人”是指西方等受宗教影响较大的地域。就中国人而言，自孔夫子不语怪力乱神以来，中国的知识界向来不把超自然的鬼神灵魂之说看成可以认真对待的正经话题。因此在我们看来，克里克的说法完全合乎常理，并无惊人之处。
但是，我们也不可低估怪力乱神在西方的影响力。例如诺贝尔奖获得者艾克尔斯、著名哲学家波普尔、著名物理学家彭罗斯（《皇帝新脑》作者）都坚持“心脑二元论”。他们秉承笛卡尔、莱布尼兹的传统，认为存在着与物质世界独立的精神世界，灵魂、意识、自我、自由意志都是精神世界的特有现象，遵循与物质世界不同的规律。
二元论对于哲学家而言并不造成什么困难，所以波普尔可以公开承认他相信“机器中的幽灵”。但是对于科学家而言，二元论会产生两个根本性的困难。第一个是物质世界与精神世界之间如何通讯的问题，在科学中找不到非物质的通讯方法。艾克尔斯提出的“半开放皮层柱”和彭罗斯提出的“量子微管”都把解决通讯问题的希望寄托于量子力学，其原因大概是看到观察者的存在对量子现象的影响这一事实。但是这一研究方向注定不会有成果，因为要想验证这些假说首先需要测定非物质的精神信息的存在，而这用科学的方法又是不可能的。即使解决了通讯问题，第二个更大的困难依然存在，即如何用科学的方法研究那个超越的精神世界。这个问题不解决，关于心灵的研究就永远是哲学家或神学家的专利，而对于科学家将是永恒的谜团。独立于物质世界的精神世界的假说类似于燃素学说和活力论，但由于宗教的影响和问题本身的复杂性，这种假说比燃素说和活力论都要长寿。
当然，接受“惊人的假说”只是研究意识的必要开端，前面还有漫长的路要走。要理解意识，首先需要研究几个问题：（1）怎样判断人、动物、机器是否有意识？为此需要知道（2）意识到底有什么作用？从而有助于了解（3）意识是由怎样的机制实现的？
二、 为什么说人是有意识的？
几乎没有人怀疑人是有意识的。每个人通过内省都可以观察到自我意识的存在，就连笛卡尔在彻底怀疑一切的时候也不怀疑“我思”并从中推导出“我在”。但是从发现自己有意识到承认其他人也有意识的确是一个大胆的推论，因为任何人都没有亲自体验过别人的内心世界。在社会生活中，假定别人也有意识不会遇到困难，而抛弃这一假定倒是不可思议的，但这毕竟只是间接的证据。在医学上我们有规程化的方法判断人是否暂时或永久失去意识，但这些判别的前提恰恰是已经承认每一个正常人都是有意识的。这种间接性或二次性的不可靠在判断非人的意识时就会暴露无遗，例如判断狗和计算机是否有意识就会遇到难题。社会生活是靠行为类推，但这种直观的类推并不是永远管用。克里克的书中就说：“有一个老笑话说，哲学家大体上可以分为两类：自己养狗的确信狗有灵魂；自己没有狗的则否认灵魂的存在。”[1]
计算机的好处是完全透明。只要我们没有为计算机输入“意识的程序”我们就可以有把握说计算机没有意识。正如我们很容易制作一个具有压力、冲击传感器的机器人，使它在挨打的时候发出和人一样的尖叫或喊疼，足以使不知内部结构的人认为它感到疼痛。但编制程序的人知道机器人并不疼，因为它还没有“疼痛的程序”（鉴于现代医学还没有弄清疼痛的机理，估计目前还没有人会编疼痛的程序）。有些“复杂性”的爱好者可能认为，意识是大脑这个复杂系统在复杂到一定程度以后自然“涌现”出来的性质。这个想法非常天真，编过程序的人都知道，要让程序按照自己的设想动起来要花费多大的劳力，查错调试的时间要远远多于编制时间。而编制一个复杂到连自己也弄不清楚的程序，在运行时却表现出意外的智慧，这种事件出现的概率恐怕和在一锅臭水和甲烷中放电制造出生命一样小。人脑是高度组织化的，在理解意识的机制之前不可能编出“意识的程序”。
如果有人声称他编出了“意识的程序”，造出了有意识的计算机，我们怎样来检验这台计算机是否真有意识呢？按照图灵的提案，可以采用行为主义的检验方法，“图灵试验”的现代版是：让计算机以一个人的身份进入BBS的聊天室，如果聊了足够长的时间，聊天室里的人还是无法正确猜出哪一个“人”是计算机假装的，就可以认为计算机通过了图灵试验。就是说计算机和人有完全相同的行为。图灵试验本来是设计来测试计算机是否能思维的，由于思维是有意识的过程，所以可以说能思维者必定有意识。
思维与意识在含义上有所不同，思维更重视结果，而意识则重视内在感觉。但是对于内在感觉，我们却还没有直接的测试方法，我们不仅无法直接感受计算机的内心世界，也无法直接感受他人的内心世界。即使我们完全读懂了“意识的源程序”，或是掌握了别人脑中每一个神经元和各层次的详尽运转过程，我们也仍然在外部，不能得到计算机或他人的内心感受。对此有一个思想实验很能说明问题：假定有一对一卵性双生子，在出生后给其中的一个安装了一付隐形眼镜，眼镜的作用是使红光变成绿光，使绿光变成红光。那么他对于红绿的感觉和我们（至少和那位孪生兄弟）刚好相反，但是无论是他还是他的兄弟或其他人都不可能发现这种不同。我们可以测定色盲，却无法测定别人对红色的感觉和我是否一样。
好在“钻进别人的心里”未必是判断意识有无的唯一方法。如果我们知道意识的机制，那么只要我们可以根据源程序判断程序中是否包含意识的机制，就可以知道装有这个程序的计算机有没有意识。在了解机制的基础上，我们甚至可能制定出从行为来判断意识是否存在的测试题目。
如果我们要编制一个“意识的程序”，首先需要知道意识的机制。按照通常编程的步骤，第一步是“用户需求分析”，从而知道程序需要实现什么样的功能，进行功能设计。第二步才能根据需要的功能考虑用什么算法（机制）来实现这些功能。依照这个顺序，为了弄清意识的机制，首先要弄清意识有些什么样的功能，即意识到底是干什么用的，人为什么需要有意识。
三、 人为什么要有意识？
进化论提醒我们，虽然进化并不创造完美无缺的生物，但生物的多数重要性状是有利于生物生存的。由此可以推测出意识的功能可能对于提高人类（或其他不同程度具有意识的生物）的适应度起到很大作用，而了解这种作用对于理解意识的机制会很有帮助。
对此理查德·利基在《人类的起源》中有如下的说法：
在寻求这些问题的答案时，我们不能回避意识是“为了”什么而出现的问题，如同丹尼特所提出的，“是否存在着任何一个有意识的实体能为他自己做的事情，而那个实体的完美的无意识的模拟物却不能为他自己做的事情？”牛津大学的动物学家理查德·道金斯也承认这是令人困惑的。他讲到生物体需要能预见未来，这种能力是用计算机来模拟脑子同样可以得到的。他宣称，这个过程是不需要有意识的。然而，他提到“模拟进化的能力似乎最后达到主观的意识。”他认为为什么竟然会发生这种情况，是当代生物学面临的最深奥的问题。“也许当脑对世界的模拟变得如此完美以致于它必须包括一个它自身的模式时，意识就出现了。”[2]
看来我们面临的是一个“最深奥的问题”，对此很难有一种单刀直入的解决方法，需要两方面的迂回包抄。一个是进化论的启示，一个是人工智能的成果。
人类自称是“万物之灵”。灵与不灵姑且不论，至少我们还没有发现另一种动物可以在智力方面向人类提出挑战，因此说人是最聪明的动物大概不会错。问题在于什么是智力，人怎么会进化到如此聪明,须知那些“愚蠢”的动物们也可以活得很好。人的智力首先体现在人是有“文化”的。动物也存在“文化”现象，但与人相比，其生存技能主要来自遗传本能，而人却是主要来自后天习得的文化。在有文化资源可利用时，显然善于学习者更有利于生存。
这里面有个先有鸡还是先有蛋的问题，智力可以创造文化，文化有利于智力发展，到底何者在先呢？这个进化过程可以这样考虑：群居的猿由于需要处理复杂的个体间关系（玩政治），导致智力一定程度的发达，同时在智力不太发达的状态下，也可以在长时间里积累一定的文化。当文化中积累的生存技能与本能相比占到一定比例，足以使智力的高下影响生存和繁殖的适应度，就会形成促使智力提高的进化压力，而较高的智力又会创造更多的文化，增加文化积累，加大对智力的进化压力，在这样的正反馈机制作用下，使人类在几十万年的短暂时间里脑容量急剧增大，进化成智人。
由此可知，所谓“智力”指的就是学习的能力，是通过学习掌握文化提供的生存技能的能力（也包括创造新文化的能力，但学习与创造的机制是很相似的，学习是有引导的创造）。
早期的人工智能是编制求解智力问题的程序，例如河内塔、八皇后问题，其后是各种游戏程序，例如跳棋、国际象棋，再后是所谓专家系统，都没有涉及学习的问题。直到人工神经网络研究热潮的兴起，开始进入了关于学习的研究。人们研究了很多学习算法，发现了学习的共同特征，也发现了学习的共同困难。学习的问题可以归结为高维空间中的非线性优化问题，而相应的算法都是NP完全或NP困难的。在实际运行中的表现就是，如果设定一个很大的搜索范围，结局是在漫长的时间里也得不到结果，而缩小搜索范围的结果是很快给出一个不精彩的答案。
人脑中的天然神经网络和计算机中的人工神经网络具有相同的数学局限性，其实人也不能一下子学会一种极其复杂的技能。机器目前的学习实验与人类学习的最大区别在于，机器学习的实验是设定初始条件之后，经过一次性的计算，得到结果就结束了；而人类的学习却是持续不断的，几十年如一日，把分分秒秒得到的小成果积累成惊人的大成就。由此可见，目前计算机学习所欠缺的是一种积累的机制，因此目前计算机可以毫不困难地模仿巴甫洛夫实验中的狗，却还不能模拟人的持续性学习。
持续性学习的关键在于把此次学习的结果当成下次学习的前提条件，或者说是转移学习焦点的机制。我们有足够的理由认为“意识”就是这样一种机制。
克里克在《惊人的假说》一书中说：“早在一百年前，三个基本的观点就已经盛行：
１．并非大脑的全部操作都与意识有关。
２．意识涉及某种形式的记忆，可能是极短时的记忆。
３．意识与注意有密切的关系。”[1]
第１条的作用很明显，意识到的部分只是大脑活动“冰山的一角”，如果我们能意识到大脑的全部操作，恐怕几分钟就要累死了。重要的是，在意识中印象较深的，是那些新颖的﹑意外的信息，而司空见惯的事则印象不深。由此可以推测意识可能与学习有关。
第２条所说的记忆，与学习的关系更为紧密。显然，任何学习过程都依赖于某种形式的记忆，没有记忆能力的系统不可能学习。但意识可能只涉及短时记忆，因为丧失中长期记忆的患者并未出现意识障碍。
第３条在直感中也容易理解，对于学习而言，注意的必要性显而易见。古人也说过：不专心致志，则不得也。但是注意对于学习还有更深一层的意义：人工神经网络的研究结果表明，神经网络的所有学习算法，都是ＮＰ完全或ＮＰ困难的，这意味着对参予学习的神经网络的规模必须有所限制，可以称之为学习的局部化。而注意机制恰恰起到了约束信息规模的作用。从人类学习复杂技能的过程可以看出注意的作用，以学习汽车驾驶为例，在整个学习过程中注意的内容大致按以下顺序实现焦点转移：
点火开关﹑油门﹑刹车﹑离合器﹑换档﹑方向盘→拐弯﹑直行﹑倒车→沿路行驶﹑避让﹑停车→交通规则﹑标识→前往目的地的路径→环境变化
由此可见，意识是持续学习过程的组织者。从而可以推论出不具备学习能力或只有简单学习能力的动物是没有意识的。或者说意识的完善程度与持续学习能力成正相关。
在上述观点的基础上，我们探讨意识的机制就可以以学习为主线，重点研究意识的机制怎样支持持续学习过程。毕竟人类是最善于持续学习的动物，同时又是意识现象最突出的动物，可能并非偶然。
四、 为什么人会有意识？
这个问题是说人靠什么机制实现了意识对持续学习的支持，或者说意识的机制是什么。
关于上述的第1条，我们可以认为人脑的绝大部分信息处理是在无意识中完成的。通过简单的内省就可以发现，我们从内部只能观察到信息处理的结果（或一系列结果），却不可能观察到信息处理的过程（如果我们能观察到大脑信息处理过程，大脑对我们自己将完全透明，而不象现在这样充满谜团）。
关于第2条，我们需要知道为什么意识只与短时记忆有关。实际上人类的学习过程存在着一个难题：我们应该记住对我们将来有用的信息，但是在信息出现时我们还不知道它将来有没有用。如果全部记忆，我们的大脑显然不够用，如果全都不记，我们就不能学习。为此人脑的记忆采用了一种巧妙的方法，把记忆分成短中长期不同的方式。短时记忆内容较全，然后根据其短时内表现的重要性被转为中期记忆，再根据中期内表现的重要性转为长期记忆。这种转移不是单纯的复制，而是抽取重要部分加以结构化，占用较小的存储容量而达到较大的效果。中长期记忆在被使用时仍然被调入短时记忆，因此意识只要与短时记忆有关就可以知道一切。短时记忆的内容取决于“注意”的方向。
关于第3条，我们感兴趣的是注意的方向由“谁”控制？这个问题不解决，我们很容易回到二元论的“灵魂”学说。忽略细节，一种集中简化的说法可以是，控制注意方向的是运行于无意识中的“技能”。这种技能就像开汽车的技能一样，是在使用过程中不断提高的。例如眼球运动的控制，只要观察从婴儿到专业人员的眼球运动方式的变化过程，就可以直观地理解“技能”是怎样提高的。我们的眼球运动通常是无意识的，“贼输一眼”就是这个原因。而眼动与注意方向的关系也是众所周知的，即所谓“眼睛是灵魂的窗户”。当然注意不仅仅是眼动，还包括其他感觉和记忆，努力回忆起什么事情时，注意就指向了中长期记忆。如果有人突然问你：“你在想什么呢？”你的注意就会指向自己的短时记忆。实际上你要回答的是自己“刚才”在想什么。这样的短时记忆和注意的相互作用就是我们知道“我思”的机制，从而也可以实感到“我在”。
总结这三条，可以看到这样一个“超循环”：无意识的技能控制注意的方向操作，注意方向所决定的内容进入短时记忆，短时记忆的内容经由学习算法的精炼进入中长期记忆，从而改进和提高长期记忆中存在的技能，其中包括控制注意方向的技能。就是这些各自无意识的功能的循环作用产生了意识，产生了自我的感觉，也实现了持续学习的积累过程，使得人类在具有意识的同时获得了超群的智力——持续学习能力。
五、 人为什么会有自由意志？
自由意志是一个与意识密切相关的概念。对此克里克也有了一套初步的说法：
我的第一个假设是：人脑的某个部分与制定进一步行动的计划有关，但不一定执行它。我也假定人可以意识到这个计划，即，至少可以直接回忆起来。
我的第二个假设是：人不能意识到这部分脑所执行的“计算”过程，而只知道它做出的最终“决定”，也就是计划。当然，这些计算将依赖于这一部分大脑的结构（部分由于进化，部分由于过去的经验），也取决于来自脑其它部分的当时输入。
我的第三个假定是：执行这个计划或那个计划的决定受到同样的限制。换句话说，人可以直接回忆起决定是什么，但不知道做出这个决定的计算过程，即使可能知道一个计划在进行中。
于是，如果这种机器能像人一样决定自己的行为，即有一个“自身”的映象，那么这种机器看来具有“自由意志”了。
决策的实际起因可能是十分清楚的，即：可能是决定性的但却是混沌的。一个非常小的扰动可能造成最终结果的巨大差异。由于这一点，输出结果在本质上成为不可预测，所以，使得“意志”看起来似乎是“自由”的。当然，意识活动也可能影响决策机制。
这样一种机器能够试着解释自己为何做出某种选择（运用内省法）。有时会达到正确的结论。而在另一些时候，它将不知不觉，或者更可能进行虚谈，因为它没有意识到做出选择的理由。这意味着一定存在着一种虚谈的机制，只要给出一定量的证据，不管它们是否会产生误导，脑的某部分总会得出一个最简单的结论。正如我们已经看到的，这一切太容易发生了。
这就是我的自由意志的理论。显然，它依赖于对意识的理解（这是本书的主要议题）、大脑是如何计划（和执行）行为的以及我们如何进行虚谈，等等。[1]
克里克的上述解释基本上行得通，但还可以进一步精确化。
首先，“制定计划”应该说是“思考”过程，而自由意志主要涉及的焦点问题是“决策”。也就是说，不是“怎样做”而是“做什么”的问题。意识知道自己决策的结果，但不知道决策的计算过程。
我们可以假定决策的算法是这样的：对每一种决策我们都可以预测其成功的概率以及实现之后的各种收益和各种开销。对于各种收益和开销都有对应的评价权值。决策时对不同的行为分别计算其总期望收益，可以是各收益和开销的加权和乘以成功概率。然后选择总期望收益最大的行为来执行。这只是算法的一个例子，还可以有很多不同的算法，但算法中都会有可变的参数，象本例中的评价权值和成功概率，改变这些参数就会改变评价决策的结果。
每当行为完成出现结果时，特别是有意外的成功或失败时，当初的决策情景会重新进入意识，使得意识察觉不到的决策学习算法自动运行，根据成败修正各种参数，使今后的决策成功率更高。这个回忆过程和当初的决策过程都是算法的计算结果，但却使我们感到决策是由“我”做出的，是我的“自由意志”在起作用。虽然决策算法是完全“决定论”的，但由于行为成败的随机性会改变今后的决策参数，使我们感到决策的不可预测性。这里面未必需要“混沌”的机制。总而言之，产生“自由意志”错觉的现象的作用是通过学习优化决策能力。这就是人有自由意志错觉的理由。
“自由意志”在中国的文化中并不占有重要的地位。从“养不教，父之过。教不严，师之惰。”到“人类灵魂的工程师”都是“外因论”的。但在西方文化之中，“自由意志”却有着至高无上的地位，由于有了自由意志，人才能为自己的行为负责。如果我们仅仅是决定论或概率论的机器，一切社会伦理道德的基础都将崩溃。所以西方人要接受“惊人的假说”非常困难。当然，这只是西方哲学形而上学化的缺陷，只要我们考虑会学习的机器，善恶、奖惩都自然会出现在必要的地方，完全不需要“自由意志”的假说。
参考文献：
[1] Francis H.C. CRICK, The Astonishing Hypothesis : The Scientific Search for the Soul,Charles Scribner's Sons 1994,(汪云九等译，《惊人的假说——灵魂的科学探索》，湖南科学技术出版社，1999
[2] 理查德·利基著，吴汝康等译，《人类的起源》，上海科学技术出版社，1995
[3]赵南元，《认知科学与广义进化论》，清华大学出版社，1994。
