诡异的著名数学悖论:缸中之脑

2017-03-01作者:张天蓉编辑:茹鑫

无限的概念与哲学思想密切相关。中国古代有位哲学大师庄子 (公元前369—前286年),或称庄周,就非常善于观察周围世界中的科学现象,并提出一系列有意义的问题。庄子给“宇宙”一词的定义: “有实而无乎处者,宇也;有长而无木剽者,宙也。”可翻译为:“有实体但不静止于某处,叫做宇;有外延但无法度量,叫做宙。”显然给出了一副无限而动态的宇宙图景。


庄子不仅是著名哲学家和思想家,也是文学家。庄周善于用短小精悍又文字优美的寓言故事来表达深刻的哲理。诸如庄周梦蝶、 混沌开窍、庖丁解牛、惠施相梁、螳螂捕蝉等都是出色的例子,其中庄周梦蝶的故事(图3-4-1(a))与我们本节要介绍的悖论有关。



有一天庄子做梦,梦见自己变成了一只翩翩起舞、快乐无比的蝴蝶,梦醍之后他发现自己仍然是僵卧在床的庄子。于是庄子提出一个发人深省的疑问:我到底是蝴蝶还是庄周呢?也许我本为蝴蝶, 在梦中变成了庄周。但也可能我本为庄周,在梦中变成了蝴蝶。这两种情形哪个是真实的?继而扩展到思考生与死、物和我的微妙界限,我们真的能够区分它们吗?


仅寥寥数言,庄子的描述惟妙惟肖、妙趣横生,因而常被文学家、 哲学家们引用。后人对这个短短的故事有各种不同的诠释,甚至在现代科学中也有一个绝妙的类比。


距离庄周的时代过去2000多年之后,1981年,美国哲学家希拉里· 普特南(Hilary Putnam,1926—)写了一本书:《理性,真理和历史》,书中叙述了一个被称为“缸中之脑”的思想实验,与“庄周梦蝶”有异曲同工之妙,实验的大意如下:


从现代科学的角度,人所感知的一切都将经过神经系统传递到大脑。那么,有疯狂科学家便作如此设想:如果将一个人大脑皮层中接收到的所有信号,通过计算机和电子线路传送到另一个大脑,情形将会如何呢?这第二个大脑是放在一个装有营养液的缸中的,见图 3-4-1(b)。


让我们将这个思想实验叙述得更为具体一些。白天,一个人进行各种活动:划船、游泳、爬山、跑步、看电视、听音乐……假设科学家将这十几小时大脑神经末枘接收到(及传出去)的信号全部记录下来并储存到计算机里。当然,实际上这是一个相当复杂的过程,人脑并非只是被动地接收信号,它还需要对不同的信号进行分析处理并发出反馈信息。但无论如何,这一切都是通过大脑自身以及神经末梢的输出输入来实现的。当然就目前而言,这只是一个“思想实验”。 夜晚到了,科学家将此人的大脑从头颅中取出,放入实验室的缸中。 缸里装有营养液以维持大脑的生理活性。同时,科学家将原来储存的白天活动的全部信息通过人造的神经末梢传递到缸中的大脑。大脑反馈发出指令,计算机按照储存的程序给予回应。如此反复循环以致实现完成自天十几小时内大脑所经历的整个活动过程。


这颗“缸中之脑”,虽然已经和原来的身休完全没有关系了,但是它却自以为有一个“形体”,它在进行跑步、游泳、划船等各种运动,感觉与白天一样。


我们进一步想象,这个过程可以每天夜以继日、曰以继夜地重复下去。也就是说,让这颗“大脑”,白天活在人的头频中,晚上“活”在实验室的缸中。


现在,疯子科学家提出一个和几千年前庄子提出的类似的问题: 因为“颅中之脑”和“缸中之脑”的体验是一模一样的,所以该大脑无法分清楚它是在缸中还是在颅中。从我们传统“实验者”的角度来看,颅中之脑认识的世界是“真实”的,缸中之脑认识的世界是虚幻的、模拟的、计算机制造出来的。然而,如果你从“大脑”的角度来思考的话:“两种情形既然一模一样,我怎么知道何时是现实,何时为虛拟呢?”


人类认识世界也是靠着我们头颅中的这颗“大脑”,所以上面的问题也可以这么问:我们大脑认识的世界是真实的吗?该不会是某个“疯子、恶魔”操纵的恶作剧吧?


或许这个问题根本没有什么意义,既然无法判断我们的大脑是 “颅中之脑”还是“缸中之脑”,即使有某个恶魔正在操纵着我们,那又何妨呢?我们照常快快乐乐地活着,早观沧海日出,晚看人间焰火,生活得开开心心,就让魔鬼尽情“操纵”好了。只要虚幻一直持续,它和真实就没有什么区别!


何为虛幻,何为真实?不由得使人联想到量子力学的哥本哈根诠释。物理学家约翰·惠勒可算是哥本哈根学派的最后一位大师, 他有一句名言:“任何一种基本量子现象只有在其被记录之后才是一种现象。”笔者当初乍一听此话觉得怪怪的,但越仔细推敲越觉得有道理。所有我们认为是客观存在的物休,山、水、太阳、月亮、房屋、 树木,都不过是来自于大脑的意识。经典理论中,我们将人类所有正常大脑能得到的共同认识,总结抽象为“客观实体”。比如说,我们认为月亮是独立于意识而客观存在的,只不过是因为每个正常人(生物)都能看到它,航天员甚至还曾经站在它的表面挥动国旗。但是,务必提醒大家注意:这一切仍然难以“证明’’月亮独立于意识而存在,因为“实际”仍然来自于意识,正如缸中之脑不能证明它体会到的 “外部世界”的真实存在性一样。


但无论如何,尽管无法证明,人类仍然可以将这些日常生活中能得到的“共同”休验称之为“客观存在”。因为它们是每个人(包括动物)的感官都能感觉到的东西。不过,人类总是会犯一个同样的错误:常常希望把自己在常识范围内总结的东西加以推广,推广到与他们的日常经验相违背、难以理解的领域,比如说极小的微观世界和极大的宇宙范围。人们往往会错误地以为被他们称为“客观存在”的东西在那些领域也“真的”客观存在,并且存在的形式也都“应该”是他们见过的模样。


但实际上,到了极其微小的量子世界,大多数人的感觉器官无法 “感觉到”那些量子现象了,只有少数从事量子研究的物理学家们,从 实验和理论中(最终也是来源于意识的)得出了一些与我们日常生活经验相悖的规律。但人们却仍然希望用他们的日常经验来“理解”和 “诠释”这些现象,建立符合他们所能感受到的经验的理论。然而,对尺度完全不同的量子世界,这个要求难以实现,对极大的宇宙范围的研究也会有类似的问题。


我们人类是否永远不能越过自身的认知条件而最终无法妄言理解了“客观世界”?即使存在一个“客观世界”,这个客观世界的样貌在不同的尺度中也将有不同的可能性。


“大脑”分不淸自己是在缸中还是在颅中。看看下面图3-4-2这幅埃舍尔的画中的青年,他也分不淸自己是在“画廊里”,还是在自己正在欣赏的“图画中”。



内容来源:书问

作者张天蓉
出版清华大学出版社
定价39.8元
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