隨著ChatGPT和大模型時代的到來，我們第一次離真正的智能如此接近，作為賽博朋克風格的狂熱愛好者，我不禁好奇，我們離創造出具有自我意識的機器人到底還有多遠？人類為什麽會有自我意識，機器到底能不能模擬意識？或者說究竟什麽是意識？
帶著最初的幾個問題，我研究了接近一年時間，本以為前人或許已經想清楚了這個問題，實際上書越看越深，卻發現從來沒有人類真正意義上想清楚這個問題。 不過功夫也算沒有白花，現在的我大概也擁有了一個答案，不過要說清楚這個問題，需要大量的篇幅。
第一章 意識的誕生
第一節 什麽是生命？
在探索意識的誕生之前，我們需要先探討生命是怎麽誕生的。
相信每個人小時候都應該思考過一個問題，為什麽在這個荒蕪的星球上，會產生現在如此豐富多彩的生命。雖然說我們有進化論，但似乎還是很難理解，如此複雜的生態係統是怎麽蹦躂出來的。
其實這一切，甚至包括意識本質，都和2021年諾貝爾物理學獎的三位科學家的研究方向相關，既複雜科學、混沌係統與秩序。
生命是什麽？
就是薛定諤方程的那個薛定諤
生命是什麽？
薛定諤在功成名就後，開始投入了另一個方向的研究，研究生命的起源？他寫了一個小冊子《生命是什麽》，在這本書中，薛定諤下了一個定義：生命是維持在非平衡態上的物理係統，這通過從環境中汲取“負熵而存在”。
生命是一個吸取負熵，排放正熵的係統
說到熵，如果你還記得最好，如果忘了我在這裏幫你複習一下。
熱力學第二定律，是這麽表述的：熱量可以自發地從較熱的物體傳遞到較冷的物體,但不可能自發地從較冷的物體傳遞到較熱的物體。這個表述被稱為克勞修斯表述，簡單做個比喻，冰箱會製冷，但熱量不會自發的從低溫的冰箱內部跑到高溫的冰箱外部，需要通電做功，才能將熱量進行定向轉移。一般情況下，熱量隻會從溫度高的地方轉移到溫度低的地方。這就是熱力學第二定律。
但是熱力學第二定律還有另外一種表述方式，被稱為熵表述：隨時間進行,一個孤立體係中的熵總是不會減少。事實上這句話與克勞修斯表述是等價的。
熵的定義就是係統的無序度，比如你蓋了一棟房子，這個房子處在沙漠之中。那麽這個房子就是有序的，是相對的低熵體，周圍的沙漠則是無序的，是高熵體。
隨著時間的推移，低熵體會變成高熵體
如果你不去修繕這個房子，這個房子最終會破損，會變得混亂，會又變回沙漠，這個過程被稱為熵增。如果你想阻止這個熵增的過程，你需要不停的去修理這個房子，但是你一旦去修理他，你就做了功，這個係統也不再是個孤立的係統。這就是熵表述。
現在回頭再看薛定諤的這個定義，生命就是一個能夠自發的在外界吸取負熵（也就是把自己變得有序），同時排出正熵（讓外界更加無序）的係統。
這句話是不是還是不好理解？
再進行一個比喻，人吃下食物，就相當於吸收了能量，就相當於外界對人做了功，人從而可以通過這個做功來獲得負熵（有序），人排泄出廢物（包括但不限於CO2，尿液，糞便等等），就相當於給外界增加了無序。
第二節 在寂滅的宇宙中，生命如何能誕生？
愛德華 洛倫茲
1963年，美國的氣象科學家愛德華 洛倫茲提出了一個重要的理論，混沌理論，並且發現了蝴蝶效應。所謂蝴蝶效應，就是說在極端複雜的係統中，一個微小的擾動，可能會引發一連串的連鎖效應，最終會產生你一開始根本想象不到的偏差。而大氣就是這麽一個極端複雜的係統。
在氣象學中，這個表現就像是在南美洲亞馬遜森林一隻蝴蝶，扇動了一下翅膀，最終卻引發了得克薩斯州上的一陣劇烈的龍卷風。
蝴蝶效應
然而越是混沌，卻越是充滿奇跡。
波的幹涉
在初中物理，我們學過波與波的幹涉，當波峰與波峰相遇時，波會增強，波穀與波峰相遇時，波會減弱。這是一種最簡單的同步。
在混沌係統中也充斥著大量自發同步現象。
最簡單的自發同步現象來自於負反饋與自激震蕩平衡。
一個典型的負反饋電路
學過模擬電路的人都應該學過負反饋放大器電路， 其原理也很簡單，一個最簡單的放大是線性放大，比如你給他輸入X，如果你的放大係數是5倍，那最終輸出就是5倍的X。但是我們如果想做一個開關電路，希望這個放大器能給我們一個穩定的電平，從而實現0與1編程的可能性，就不能簡單地線性放大了。
我們的前人很聰明的將輸出的一部分變成負的反饋Y給輸入，這樣輸入就會變成（X-Y），如果X越大，Y也會跟著變大，最終輸入也會被抑製住，從而將輸出也抑製住。無限的增大X不會導致無限增大的輸出，隻會變成一個震蕩平衡在一條直線上的電平，這就是負反饋放大電路的思路。
在自然界中，存在大量的負反饋平衡同步的例子，《同步：秩序如何從混沌中湧現》幾乎一整本書都在介紹這些例子。
在這裏，我舉幾個更容易理解的例子。如果你是一個街舞少年，恰好你在跟著團隊跳一個舞蹈，而音響又不給力，你們聽不到音樂。這時如果你跳的快一點，你會發現比你前頭的人快，你會可以放慢，而如果你放慢後，發現你又比前麵的人慢了，你又會加快。你周圍的所有夥伴都是這個策略，最終經過一段時間，雖然你們沒有音樂，但是你們還是成功的達成了一致。這就是一次成功的負反饋同步。
街舞少年們
再好比，當你和你的新歡對象聊天時，你們發現都喜歡一部電影，都喜歡一個明星，都喜歡一本書，喜歡一個作者，你們心中產生大量波峰與波峰疊加，你們在一起震蕩了起來，非常開心。你們一起被放大了，如果每天都能這麽同步，你們的生活將會多麽開心？
不過隨著時間的推移，你發現你們還有更多你喜歡的他不喜歡，他喜歡的你不喜歡，負反饋就出現了，最終你們會達到震蕩平衡，成為一對大差不大的普通情侶。
當更多的人參與進來後，這種同步也會出現。比如，粉絲們聚到一起，當一個粉絲放開自我後，其他粉絲會受到感染，他們會想，如果他都能這麽放開，為什麽我不能放開？於是就會進一步產生同步，最終產生同步的海洋。
在其他動物中也有類似的現象，一個普通的蝗蟲，是綠色的。
人畜無害的蝗蟲
但當食物缺乏時，幾隻或者幾十隻蝗蟲將會開始進行遷徙，尋找食物，沿途的蝗蟲看到後，將會自發的，不明所以的跟上他們，一起尋找食物，同時他們會一起分泌5-羥色胺，身體變成棕色，最終形成蝗蟲群。
毀天滅地的蝗蟲
在量子尺度下，這種負反饋同步也大量存在，一個比較典型的案例就是前一陣子比較火的超導。
不過由於篇幅問題，這裏不展開細講，但大概原理也是在量子尺度上，所有的電子達到了同步狀態，對外表現的完全步調一致，天文數字級別的電子表現得就好比同一個電子，要麽在流動，要麽在靜止。所謂電阻，就是有一部分的電子，因為導體的晶格結構，運動受到了阻塞產生了停止。在超導體中，如果想要讓這個流動起來的電子停下，難度就相當於讓天文數字級別的電子同時停下，因此超導體對外表現得就像零電阻。
另外一種高階一點的自發同步現象則是重頭戲。
B-Z震蕩反應
BZ震蕩反應 （Belousov-Zhabotinsky反應），是一類著名的化學振蕩反應。當鈰作催化劑時，丙二酸在稀硫酸水溶液中被溴酸鹽氧化的反應，會出現一連串巧妙的螺旋型花紋。
這個反應的形成機理，也許可以有公式來預測，也許物理化學的微分方程可以表示。但是始終沒有一個答案能解釋這種花紋產生的根本原因。
直到1969年，一位比利時科學家，伊裏亞 普裏戈津，在國際“理論物理與生物學會議”上發表了《結構、耗散和生命》一文，提出了耗散結構理論，徹底圓滿的解釋了BZ震蕩反應現象。
伊裏亞 普裏戈津
耗散結構理論的核心思想：當係統離開平衡態的參數達到一定閾值時，係統將會出現“行為臨界點”，在越過這種臨界點後係統將離開原來的熱力學無序分支，發生突變而進入到一個全新的穩定有序狀態。
聽起來很玄乎，實際上很好理解。我們假設有一塊牛角麵包，這兩塊牛角麵包表麵上有一層厚厚的焦皮，它化學性質異常穩定，又能阻擋氧氣進入麵包內部，如果你把這塊牛角麵包放到一個沙地上，且沒有任何細菌，水分。這個沙地和麵包將成為一個孤立的係統，這個係統非常穩定，能放上個幾百年不變。而我們又知道，這個孤立係統是要熵增的，這個低熵的麵包，和外麵高熵的沙地在一起格格不入，嚴重違反了熵增定律。
有沒有快速實現熵增的辦法呢？肯定有，這時候如果我們點一把火，把這個麵包燒了，那這個麵包最終就會變成水和CO2，迅速實現了熵增。這時候，這把火就是耗散結構。
堅固的表皮化學性質非常牢靠
說白了，大自然不僅會實現熵增，通常還會用最短路徑來實現熵增，而這個熵增的途徑就是耗散結構誕生的必要溫床。
假設現在有兩個盒子，這兩個盒子裝著兩種不同的氣體，而這倆個盒子中間被一張很薄的紙隔著。那麽目前這兩個盒子的氣體就處於一個極端的非平衡態，這兩種氣體處於一個相對低熵的狀態，並且極富熵增潛力。
處於非平衡態的兩種氣體
當中間的紙破了一個洞，根據擴散理論或者我們的生活經驗，最終這兩個氣體將會獲得充分的混合。達到一個平衡的混亂狀態。
達到平衡態的兩種氣體
此時這個係統的熵達到了最高。
如果我們把牛奶倒到茶裏，也能看到這個變化的過程，在兩種液體混合的過程中，我們能看到瞬息萬變的花紋。這個花紋也是一種耗散結構。
兩種液體的混合
耗散結構的自組織有序結構雖然有了理論支撐，但實際上也是各種負反饋自激同步的組合。
我們可以總結下，在混沌係統中，在極複雜的粒子運動中，會產生一些自組織秩序。但到現在，還無法解釋生命這種不但低熵，還會自我管理的係統。
不過這個問題我們可以交給計算機模擬一下，元胞自動機就是一個極經典的生命模擬遊戲。
一個元胞自動機，簡單來說就是在二維的網格中，每一個格子的生死（亮滅）都是由周圍的八個鄰居格子的生死決定的。我們可以定一個規則，比如說周圍鄰居有超過三個格子活，則自己能活，如果小於等於三個，則自己死；有了這個規則後，再隨機撒上一些初始點，然後開始迭代，就會產生各種奇妙的現象。
一個典型的元胞自動機的規則
隨機擺上一些初始點
一個典型的規則執行100步之後，可以看到出現了大量有秩序的三角形。
規則110
繼續執行到600步之後：
600步後
如果讓這些元胞自動機動態的運動起來，就更明顯了。
從元胞自動機可以看出，當一個極富熵增潛力的係統出現時，再配合一定的規則（這個規則可以是化學反應），就有可能產生具有自我管理能力的耗散結構。而這個規則，實際上本質還是負反饋，負反饋自激振蕩讓整個係統處於一個震蕩的，有序的自管理狀態下運行。這就像生命遊戲規則，如果你的規則過於簡單：比如8個鄰居有一個活，自己則活，那最終會導致這個係統迅速變成一個線性放大器，所有的格子都變成全活，一個穩定元胞自動機，一定會滿足一個負反饋條件，當活的多時，就會死亡，當死亡的多時，就會活。
現在我們回到幾十億年前的地球。那時的地球還是一片寂寞的混沌係統。但是地球已經覆蓋滿了海洋，大氣裏充斥著CO2，這些CO2融到了海洋中，整個海洋承酸性。
海底的白煙囪
科學家在海底發現了一種白煙囪，地幔的堿性熱液從海底的這些岩石管道中噴湧而出。地幔中同時存在大量的鐵硫化合物。
在這些錯綜複雜的岩石管道中充滿了氣泡。這些氣泡和管道將堿性熱液和酸性海水分隔開，達到一個遠離平衡態的極富熵增潛力狀態。
鐵硫化合物提供了規則
而鐵硫化合物又是良好的催化劑，在這個耗散結構的良好溫床中，充當了化學規則的介質。最終大量的有序耗散結構開始產生，首先出現的是酶。
一個典型的酶，負責對CO2進行加工
其次出現的是磷脂分子，磷脂分子覆蓋在礦石表麵。當礦石表麵進入液體或者氣體，磷脂分子將變成球形，最終脫落礦石，又將這些酶包了起來，形成了最初的細胞膜。
細胞膜的誕生
這些細胞膜和酶不斷的將規則越變越多，整個係統越來越複雜。更多的秩序從混沌係統中湧現，一步一個腳印，終於，最初的細菌誕生了，他們是厭氧菌，從白煙囪中的硫化物中獲取負熵，同時會將大氣中的CO2變成O2，排出正熵，一個古早的生命誕生了。
生命規則的不斷完善
第三節 生命到底是什麽？
那麽我們現在回頭再來看，生命到底是什麽？
我們現在也許有了一個答案，最開始生命是大自然實現熵增的使者，是宇宙最終達到寂滅狀態的快速通道。也許隨著進化導致生態係統的複雜度不斷上升，生命的複雜度不斷上升，生命被賦予了新的意義，但最初的使命依然還在，並且熵增速度更快。隨著人類社會複雜度的上升，人類實現熵增的速度也會更快，畢竟一個美國人造成的碳排放，可是一個非洲原始部落人類消耗的大幾十倍！
那麽我們討論了碳基生命誕生的道路，還會不會有其他形式的生命呢？
我認為很有可能，混沌係統與耗散結構理論上支撐了低熵體的存在，即時是暗物質中也有可能會出現自同步的低熵體。隻要足夠複雜，隻要有規則，就會有生命。
綜上，我們本章節介紹了生命出現的理論基礎，也介紹了複雜中湧現秩序的定律。實際上，人類的意識也是在大腦構造足夠複雜的情況下湧現出來的。這就有點像ChatGPT幾個版本的迭代，都是建立在神經元數量的激增之上，並且智能也同步的不斷上升。在下一章節，我們將會從係統架構角度，介紹大腦中的意識是如何湧現出來的。
第二章 意識的湧現
第一節 大腦的誕生
大腦存在的意義是什麽？相信很多人都思考過類似的問題。如果簡單思考一下，應該很容易就可以得到一個結論，大腦是生命體應對外界變化的策略。
為了證明這個論點，我會簡單介紹一下神經係統的進化之路。
白細胞追殺細菌
最初的細菌，完全沒有神經係統，但是從上麵的動圖，隔著屏幕都能感覺到到麵對白細胞的追殺，細菌那旺盛的求生欲。這時的細菌隻是利用一些神經肽，作為外界信號的輸入，然後控製著自己的鞭毛朝向一個看似可能有更大生存概覽的方向不斷遊動。這時候細菌的運動算法基本上類似於Dikjstra算法（貪婪算法），即眼下最短視的目標。
隨著生物複雜度的上升，擁有最原始神經係統的動物出現了--腔腸動物。
腔腸動物的神經係統類似於一張網，他們毫無方向性，基本上牽一發而動全身，不管你觸碰哪個神經元，都會引起這個神經元無差別的向四周傳遞信息，最後幾乎都會讓它全身的神經元產生反應。
腔腸動物的網狀神經係統
水螅是一種典型的腔腸動物
隨著進化的繼續，神經係統逐漸開始產生了方向性--梯狀神經係統誕生了。
他們的代表是扁形動物，如渦蟲。
渦蟲的梯狀神經係統
渦蟲有兩根粗長的神經索從頭連到腳，頭部也開始發育出了聚集的神經節，開始具有一定的智能，身體的神經元也會根據神經連接將信號從梯子的主幹上傳遞給大腦。扁形動物的神經係統已經超越原始的網狀係統，起碼可以知道到底是身體上的哪個部位產生了感覺。
進一步的進化誕生的是鏈狀神經係統，如環節動物。他們的顯著特點是出現了一個又粗又長的神經索，從頭連到尾，很類似與現在的脊椎動物。
鏈狀神經係統
又過了大概千萬年量級的時間，索狀神經係統誕生，代表生物就是昆蟲。他們是鏈式神經係統的高級化，出現了強大的大腦，表現出了高級的智能。
昆蟲的索狀神經係統
以人類為代表的脊椎動物走的是另一個進化分支，雖然與昆蟲在進化樹上早早分家，但神經係統本質與昆蟲基本大差不差，隻是將那又粗又長的神經索藏在了脊椎中，並且擁有大量神經元構成的超級大腦。隻能說，條條大路通羅馬。
脊椎動物的神經係統
不過除了脊椎動物的神經係統站在進化樹巔峰，還有一種另辟蹊徑的神經係統，就是擁有九個分布式大腦的章魚。
章魚在進化樹上，從軟體動物時期開始就與脊椎動物線路分道揚鑣。人類估計章魚擁有五億個腦細胞，與狗數量級相當，無疑已經是具有相當智慧的生物。也許再過一億年，如果沒有脊椎動物出現，章魚可能在這個星球上產生文明，畢竟它們有靈活的觸手，甚至可以操控工具，它們的曆史書上可能也會將自己種族的成功歸咎在擁有可以操控工具的觸手之上。其實這也可以解釋，為什麽人類幻想的外星人中，總是不乏類似章魚的形象。
神經係統發展的三個巔峰
介紹完神經係統的發展脈絡後，我們回歸到最初的問題，腦子是用來幹什麽的？
我們可以看一下海洋裏的一種可愛小動物，從它們身上，我們可以管中窺豹一下。
這種可愛的小動物就是：
海鞘
在海鞘還是幼蟲的時候，它擁有一套完整的消化神經係統和大腦，它們在海上漂浮並吃浮遊生物，大腦指引著他們遊動，覓食，尋找岩石。
海鞘幼蟲
海鞘在海洋中不斷地遊動，但一旦它們遇到了海洋中的岩石，它們就會附著在岩石上，變成類似植物的存在。
依附在岩石上的海鞘
當他們附著在岩石上之後，神奇的事情發生了。它們的身體將會逐漸把自己的腦子吸收掉，隻保留自己的消化係統，從此以後它們就隻能靠吃飄進自己嘴裏的食物為生了。
從海鞘的一生我們可以看到一個有趣的現象，當一個生物需要運動的時候，它們就會有腦子；而當這個生物不運動的時候，它們就不需要腦子。（這也許可以給某些人一些督促自己運動的理由）
現在我們回過頭來看細菌，細菌通過神經肽接收信號，並且反饋給自己的鞭毛進行運動。腔腸動物的網狀神經係統可以識別到自己有沒有遇到危險，並且給出反饋。但是由於無法準確識別到底是身體哪裏受到刺激，因此生存能力不高。進化的方向是要給神經係統方向性，生物體需要知道自己準確的收激部位，並且通過神經與肌肉給與對應的反應。
生命的進化不斷地進行，一種生物神經係提升，其他的生物被迫會跟著一起卷進化，最終大家都有了更強的神經係統，對更多的變化有了更多的反應，從而逐漸提高自己在新環境下的適應性。而大腦就是在這種卷王環境下卷出來的產物。越是能通過反饋肌肉應對不同的場景挑戰，就越能生存。如果光有大腦，隻能感受卻無法進行肌肉動作反饋，那麽這個大腦不要也罷，因為並不能增加場景的適應能力。
第二節 新皮層
進化理論裏有一個公認的定理：大自然在執行進化時，從來不是發明家，而是修補匠。
這句話的意思就是說，大自然從來不會給一個物種創造一個新東西，而是拿現有的東西改吧改吧，縫縫合合，修修補補。原來的東西肯定不會丟，我們看到兩個物種的巨大差異，是無限的改吧改吧積累下的產物。 本章尚未完結,請點擊下一頁繼續閱讀---->>>