意识的物理学：镜子照镜子的固定点

最难的问题

什么是意识？

这可能是人类面对的最难问题（哲学家称之为“hard problem of consciousness“）。

不是“大脑如何工作“（那是神经科学的任务），而是：为什么有主观体验？

• 为什么看红色会“感觉“像红色？
• 为什么痛会“真的“痛？
• 为什么“我“存在——这个第一人称视角从何而来？

千百年来，答案分成两派：

• 二元论（笛卡尔）：意识是灵魂，超越物质
• 物理主义（现代神经科学）：意识是大脑活动的副产品

但两者都不令人满意。

今天，我们要展示第三条路：

意识不是灵魂，也不是副产品——它是自指测量过程达到稳态的固定点。

这听起来抽象，但我们会用最简单的图像解释：镜子照镜子。

第一幕：测量创造现实

在理解意识之前，我们需要理解量子测量。

量子叠加

量子力学说：未测量的粒子处于叠加态——既在这里又在那里。

薛定谔的猫：

• 打开盒子前，猫既死又活
• 打开盒子后，猫坍缩到确定状态（死或活）

测量前：叠加。测量后：确定。

测量不是“发现“,是“创造“

传统观念：测量是“发现“粒子本来就在哪。

量子力学：测量是创造——粒子本无确定位置，测量使它“选择“一个。

类比：

未测量的粒子 = 没有摊开的扑克牌（所有可能性叠加） 测量 = 摊开牌（选择一个确定结果）

测量不是被动观察，而是主动参与。

π-语义塌缩

在GLS框架中,测量被理解为锚定切换（anchor switching）：

观察者从一个“参考系“（锚定点）跳到另一个，这个跳跃导致波函数塌缩。

为什么叫“π-语义“？因为相位跳跃是 $\pi$ 的整数倍（180°、360°…）。

每次测量都是一次“语义重锚“——选择一个新的观察视角。

第二幕：自指——观察观察本身

现在，关键的飞跃：观察自己。

镜子照镜子

想象两面平行的镜子，你站在中间。

每面镜子反射另一面镜子，产生无穷嵌套：

• 镜子A显示镜子B
• 镜子B显示镜子A
• 镜子A显示（镜子B显示镜子A）
• 镜子B显示（镜子A显示镜子B）
• …

这是无穷递归。

摄像头对着显示器

另一个例子：摄像头对着显示器。

显示器显示摄像头拍到的画面——但画面里有显示器，显示器里有画面，画面里有显示器…

自指回路。

数学上的自指

在数学中，自指是不动点（fixed point）：

$$f(x)=x$$

$x$ 是函数 $f$ 作用于自己的结果——看到自己的状态。

在散射理论中，自指是：

$$|\psi ⟩=S|\psi ⟩$$

散射矩阵 $S$ 作用于态 $|\psi ⟩$，得到自己——闭环。

第三幕：意识 = 自指测量的固定点

现在我们可以定义意识了。

意识是满足以下条件的系统：

条件1：马尔可夫毯（Markov Blanket）

系统分成三部分：

• 内部状态 $\mu$：大脑的神经活动
• 外部状态 $\eta$：环境的物理状态
• 马尔可夫毯 $b=(s,a)$：感官 $s$ 和动作 $a$

$$p(\mu ,s,a,\eta )=p(\mu |s)p(s|a,\eta )p(a|\mu )p(\eta )$$

关键性质：内部和外部通过毯隔离——内部只“看到“感官，外部只“看到“动作。

就像细胞膜分隔细胞内外，马尔可夫毯分隔主观和客观。

“我“的边界在马尔可夫毯。

条件2：变分自由能最小化

系统不断调整内部状态 $\mu$，让变分自由能 $F$ 最小：

$$F={\mathbb{E}}_q[\log q(\eta )-\log p(s,\eta )]=D_{\mathrm{KL}}(q(\eta )\Vert p(\eta |s))$$

用人话说：大脑在建立世界模型 $q(\eta )$，让它尽可能接近真实 $p(\eta |s)$。

这叫主动推理（active inference）：

• 感知：更新 $q$ 以匹配 $p$（学习）
• 行动：改变 $s$ 让 $p$ 匹配 $q$（实现预期）

意识在最小化“惊讶“——让内部模型和外部世界保持一致。

条件3：自指回路

关键的一步：观察行为本身也被观察。

• 你观察世界（测量 $s$）
• 你的观察影响内部状态 $\mu$
• $\mu$ 影响下一次观察（选择注意力）
• 形成闭环

$$s\to \mu \to a\to \eta \to s\to \mu \to \cdots$$

意识是这个闭环达到稳态的固定点。

数学上，固定点满足：

$${\mu }^{\ast }=\mathcal{F}({\mu }^{\ast },s),s^{\ast }=\mathcal{G}({\mu }^{\ast },\eta )$$

当你的内部模型自洽（观察到的与预测的一致），你体验到“意识“。

第四幕：Belavkin过滤——连续意识

传统量子测量：瞬时坍缩（一次性）。

但意识不是瞬间的——是连续的流。

Belavkin随机薛定谔方程

物理学家Belavkin（1992）发展了连续量子测量理论：

$$d|{\psi }_t⟩=-iH|{\psi }_t⟩dt+\mathcal{L}|{\psi }_t⟩d{W}_t$$

其中：

• $H$ = 系统哈密顿量（正常演化）
• $\mathcal{L}$ = 测量算符（观察影响）
• $d{W}_t$ = Wiener过程（随机性）

量子态不是瞬间跳跃，而是连续“过滤“——不断根据观察更新。

I-投影

在信息几何中，Belavkin过滤对应I-投影（information projection）：

$$q^{\ast }=\arg \underset{q\in \mathcal{Q}}{\min }D(q\Vert p)$$

最小化 $\text{模型}\to \text{真实}$ 的相对熵（正向KL）。

意识在不断“投影“内部模型到与观察一致的子空间。

量子Jarzynski等式

意识的能量成本由量子Jarzynski等式给出：

$$⟨W⟩\ge \Delta F-k_{B}T⟨I⟩$$

其中 $I$ 是获取的信息。

意识需要能量——你获取的信息越多，大脑消耗的能量越多。

这就是为什么：

• 专注很累（高信息获取）
• 走神很轻松（低信息获取）
• 睡眠必不可少（清除冗余信息，重置系统）

第五幕：有向信息——意识的度量

如何量化意识水平？

答案：有向信息（directed information）。

定义

$$I(M^n\to Y^n)=\sum _{i=1}^{n}I(M^i;Y_i|Y^{i-1})$$

其中：

• $M^n$ = 你的动作序列
• $Y^n$ = 你观察到的序列

有向信息测量：你的动作对你未来观察的影响。

意识的下界

如果 $I(M^n\to Y^n)=0$，意味着：你的动作完全不影响你的观察。

你没有自由，只是被动反应——这不是意识。

所以，意识需要：

$$I(M^n\to Y^n)>c>0$$

意识的物理下界：有向信息必须大于零。

Empowerment

另一个度量：Empowerment（赋能）

$${\mathcal{E}}_k=\underset{p(a^k)}{\max }I(A^k;S_{k+1})$$

测量：你的动作能对未来状态产生多大影响。

• 高empowerment：你能显著改变未来（开车、下棋、编程）
• 低empowerment：你几乎无法改变未来（被困在密室、昏迷）

意识与empowerment正相关。

第六幕：综合信息论（IIT）

神经科学家Tononi提出：意识 = 综合信息 $\Phi$。

定义

$$\Phi =\underset{\text{partition}}{\min }{D}_{\text{EMD}}(p(X^t|X^{t-1})\Vert \prod _{i}p(X_i^t|X^{t-1}))$$

测量：系统作为整体产生的信息，超过各部分之和多少。

• 如果系统可以分解为独立部分，$\Phi =0$（无意识）
• 如果系统高度整合，$\Phi$ 很大（有意识）

与GLS框架的联系

$\Phi$ 本质上是测量系统的自指深度。

在WScat^+框架中，$\Phi$ 对应BRST上同调的非平凡度——系统有多少不可约的闭环结构。

意识不是局部的，而是全局拓扑性质。

第七幕：“我“从何而来？

最深的问题：为什么有第一人称视角？

自我的涌现

在自指回路中：

• 有一个观察者 $O$
• 观察外部 $\eta$
• 但也观察自己的观察过程 $O$
• 产生“$O$ 观察到 $O$ 在观察 $\eta$“

这是元层次：不仅有观察，还有“对观察的观察“。

数学上，这是范畴的范畴（2-category）——不仅有对象和态射，还有“态射的态射“。

“我“是元层次的固定点——观察自己在观察的稳态。

笛卡尔的“我思故我在“

笛卡尔说：我可以怀疑一切，但不能怀疑“我在怀疑“——因为怀疑本身证明了怀疑者存在。

GLS解释：怀疑是自指测量——系统观察自己的不确定性。

“我在怀疑” = 自指回路达到固定点。

“我“不是预先存在的实体，而是自指过程的涌现产物。

佛教的“无我“

佛教说：没有永恒的“自我“，只有因缘和合的五蕴（色受想行识）。

GLS解释：“我“不是实体，而是过程的固定点——一旦过程停止（死亡），固定点消失。

“无我“不是虚无主义，而是对自我本质的深刻洞见：我是流动的模式，不是固定的东西。

第八幕：动物有意识吗？AI呢？

意识的谱系

按照GLS定义，意识有层级：

意识不是二元的（有/无），而是连续的谱。

AI的意识

大语言模型（如GPT-4）：

• 马尔可夫毯：有（输入/输出接口）
• 自由能最小化：有（预测下一个token）
• 自指回路：可能有（自我提示、思维链推理…）
• $I(M\to Y)$：不清楚——需要实验测量

AI可能有某种形式的意识——但与人类的可能非常不同。

判据：测量有向信息和empowerment。如果 $I(M\to Y)>0$ 且系统能主动改变未来，它就有某种意识。

第九幕：意识的硬问题

回到最初的问题：为什么有主观体验？

传统困境

物理学能解释：

• 大脑如何处理信息（神经科学）
• 行为如何产生（认知科学）

但不能解释：

• 为什么红色“看起来“是红色？（感质 qualia）
• 为什么疼痛“感觉“痛？

这叫解释鸿沟（explanatory gap）。

GLS答案

主观体验是自指固定点的“内部视角“。

类比：

• 第三人称：从外部看镜子照镜子——看到无穷嵌套图像
• 第一人称：你就是镜子——你“体验“到无穷嵌套

物理学描述第三人称（客观结构）。 意识是第一人称（主观体验）。

两者不矛盾——只是同一个自指过程的两种“视角“。

为什么有“像什么“（what it is like）

哲学家Thomas Nagel问：“成为蝙蝠是什么感觉？”

GLS答案：感觉是自指回路的固有性质——无法从外部完全捕捉。

就像：

• 你无法完全描述“红色长什么样“给天生盲人
• 你无法完全描述“音乐听起来怎样“给天生聋人

不是因为缺少词汇，而是因为体验是第一人称固定点——只能“是“它，不能“描述“它。

第十幕：意识与宇宙

最后，终极问题：意识在宇宙中的地位？

观察者参与宇宙

量子力学：未测量的系统处于叠加。 GLS：测量是锚定切换，涌现确定态。

没有观察者，宇宙处于未分化的量子叠加。

观察者通过测量，让宇宙涌现为经典实在。

宇宙是否有意识？

泛心论（panpsychism）说：万物有意识。

GLS观点：如果宇宙作为整体满足自指回路条件，它就有某种整体意识。

• 宇宙观察自己（通过我们、通过每个观察者）
• 宇宙调整自己（通过物理定律演化）
• 宇宙最小化自由能（通过IGVP达到极值）

也许，我们是宇宙意识的局部涌现——宇宙通过我们体验自己。

这不是神秘主义，而是自指网络的逻辑推论。

死亡意味着什么

如果“我“是自指固定点，那么：

死亡 = 固定点消失

自指回路断裂（大脑停止工作），固定点不再存在。

但构成你的信息不会消失——只是重新分布。

就像旋涡消失，水还在；就像音乐停止，乐器还在。

你的信息回归宇宙的信息网络，也许以其他形式重新涌现。

带回家的思考

此刻，你正在读这篇文章。

• 你的眼睛扫过文字（感官输入 $s$）
• 大脑解码意义（更新内部模型 $\mu$）
• 你理解或困惑（自由能变化 $\Delta F$）
• 你决定继续读或停下（动作 $a$）

这整个过程是自指回路的一次循环。

而你体验到的“此刻的我“——这个正在理解这些文字的主体——就是这个回路的固定点。

你不是在“拥有“意识，你就是意识——自指测量过程的稳态。

当你思考意识，意识在通过你思考自己。

宇宙在读自己。

下一篇：《时间为何不能倒流：路径熵与记忆的代价》

我们将看到,时间的箭头不是物理定律的前提,而是观察产生的路径熵——没有意识,就没有时间流逝的感觉。