神经科学与自由意志
周不润
neurotim
神经科学范围内，自由意志是指人可以有意识地控制自己的行为。然而一直以来，很多人都认为人类的自由意志根本是个幻觉。
这种说法的主要来源是1980年代美国科学家Benjamin Libet的一个实验。实验中，研究人员要求被试者坐在桌子前，面对桌上的一个计时器。然后把EEG的电极连在被试者的头上，然后要求被试者做一些小动作，例如按一个按钮，摇一摇手指等等。被试者被要求，在意识到自己将要做动作之前，注意一下计时器上的时间；被试者做出动作的时间同样被记录下来。通过这两个时间的间隔，研究人员可以得知被试者从意识到自己要做动作，到真正做出动作，需要多长时间。这个时间平均是200毫秒。
被试者的EEG数据也同样被记录下来。研究人员发现，被试者在做出动作之前，次级运动皮层总会先有活动，这个活动发生的时间平均比做出动作的时间早500毫秒。这就是说，被试者意识到自己要做动作的时间，其实比大脑产生活动的时间晚了300毫秒。换句话说，大脑先“决定”了要做动作（这时候你并没有意识到，但EEG能检测到），然后你才意识到要做动作，最后做出动作。那么这也许意味着，人也许是没有自由意志的，人的每一个决定，其实是大脑已经安排好的，只是没有意识到而已。
Benjamin Libet之后的很多研究试图挑出他的错误，但更多的研究证实了Benjamin Libet研究的结论。更先进的技术如功能磁共振成像（fMRI）以及电极植入对神经元活动的直接记录，都验证了Benjamin Libet实验的正确性。这些结果都说明，人是没有自由意志的，人的每一个决定都是由意识控制之外的神经活动所决定的。
而上个月PNAS上的一篇文章给了人们一点新希望。研究人员希望看到被试者的无意识大脑活动发生以后，是不是还能取消预定的动作，如果能，就意味着人可能可以有意识地干预和否决那些超出意志控制的活动。
任务很简单，被试者被要求看到绿灯就踩脚踏板，看到红灯就停止。然而在脑机接口的辅助下，电脑一旦检测出被试者试图做出动作的脑部活动，就打开红灯。如果人的动作是无法被意识控制的，那么被试者会无法应对突然出现的红灯，踩脚踏板的动作就会一直做下去。事实证明，很多被试者都可以中止自己的动作。这就表明，人不是完全被无意识的大脑活动所控制的，人可以在决策过程中干预和中断某些行为，虽然不能认为自由意志完全存在，最起码人类的“自由”比之前想象的要多一点。
在这之前，同样有一批法国的科学家认为，Benjamin Libet实验中检测到的大脑活动，只是人们在形成一个模糊的意图过程中，神经活动发生涨落的背景。而当神经活动一旦超过某个阈值时，决定就被作出，这时人就可以主观上感觉到决定的产生。因此，人还是有自由意志的。
这场争论，显然还会持续很久。
我们“信奉”一个很大的宇宙，这个宇宙比托勒密、哥白尼、伽利略以及牛顿时代人们相信的宇宙要大的多。
“标准科学”告诉我们，大约在137~140亿年前，宇宙从一个奇点开始发生大爆炸，在大约10-30秒内，宇宙空间暴涨，从微观变成宏观长大了1026倍，在这个极短的暴涨期内，存在“量子涨落”的现象，各个方向存在极其微小的不均匀性，大约是十万分之一。
物理学家告诉我们，正是因为这十万分之一的涨落，才使得恒星、星系以及星系团的产生，才有我们现在的世界【1,2】。
如果你愿意，不妨可以简单的理解这十万分之一的随机涨落就是或者可能是宇宙的“自由意志”，因此在宏观的层面，自由意志的存在是可能的。
在微观的层面，有两位学者John H. Conway和Simon Kochen在2006年证明了一个“自由意志”定理（CK定理）【3】，2009年又给出了一个更强的证明【4】，淼叔（著名物理学家李淼教授）花了很长的篇幅来解释CK定理的推导过程，细节我没有看懂，但这个定理的结论很容易搞懂，即如果我们人类有自由意志，则基本粒子也同样有自由意志（“It asserts, roughly, that if indeed we humans have free will, then elementary particles already have their own small share of this valuable commodity.”）
为这个问题我请教过淼叔，这玩意儿能证明人有自由意志吗？答：不能证明，我认为是证据。因为有这个定理的存在，所以很多人开始相信微观层面可能是存在自由意志的。
不过，无论是宏观还是微观，是否存在自由意志都不能解释我们，或者说人类，或者说，介观，是否存在自由意志。
淼叔今年撰写的两本书里，对这个问题都有很详细的探讨，例如基督教或经院哲学的两位大家奥古斯丁和托马斯·阿奎那都认为人有自由意志，所以我们可以自由决定究竟是否信仰上帝。
但康德坚决支持决定论，排除自由意志的存在，其中最有力的证据是，决定论的基本规则是普遍因果性原理，这个原理是我们用来解释任何经验的规则之一【6】。
举个例子，我现在坐在办公室里写博文，突然就不写了站起来拿头去撞墙，撞完了之后又爬地上打滚，滚完了之后又开始大喊大叫，这叫自由意志不？不是，这叫神经不正常。所以我这些假设的行为是果，神经不正常是因，仍然符合因果律，所以也就没有自由意志。
但假如我正在写着博客，突然一下就漂浮在空中，然后下一时刻出现在家里，再一下刻又突然站在天安门广场享受雾霾，再再下一刻又骑着引力波穿越地球了，各个前后出现的事件之间没有因果关系，并且假如是真的出现了，那我是有自由意志的。
康德的这个证据非常之有力，以至于后来再探讨自由意志的存在性时，因果性是否存在成为绕不过去的坎。
我最喜欢的哲学家休谟，否定因果性的存在，认为事件出现的先后顺序不必须存在必然的因果关系。
另一位哲学家伯格森，将决定论的观点分为物理的和心理的，然后证明物理的决定论其实等同于心理的决定论，然后证明决定论其实就是心理上的幻觉，既然是幻觉，那么决定论当然是不存在的，人是有自由意志的【7】。
伯格森这本书不长但通篇口水仗云里雾里，咱没有本事看明白推导过程，所以只看了结论。康德虽然坚决捍卫因果关系支持决定论，但又偷偷给自由意志的存在性留了个可能的窗口，即我们面对过去要用因果关系来解释，面对未来我们又是自由的。
所以哲学和宗教上千年的口水仗打下来，最终究竟大家看的云里雾里，搞不清楚自由意志究竟是有，还是没有。因此哲学也开始在做实验了【8】。
对，你木有看错，哲学家真的要做实验，而且一个很好的问题就是要验证自由意志是否存在。所以，连哲学家们都在做实验，生物信息学家们还能不做实验吗？
另外，从生命科学的角度探索自由意志是否存在，主要是神经科学领域的菜，其中认知神经科学领域的牛人迈克尔·加扎尼加的书里，认为意识的基础是大脑，或者是神经元，或者是神经元的活动【9】。
神经元或大脑的活动受到环境的影响，从而决定意识的产生，进而决定我们的行为，所以因果关系是存在的，我们没有自由意志。有意思的事，这本书前三章基于科学证据，基本上可以推断自由意志不存在，但后三章开始，作者又开始想办法找各种理由推测自由意志可以存在，不过貌似证据不怎么有力。所以看后不禁莞尔。
当然，这里你肯定要问，好吧，我们清醒的时候，也就是有意识的时候，我们的行为是受控的，可问题是我们常常处于无意识状态。
例如我们进入考场坐下看到试卷的时候，打开基金委网站准备开始写本子的时候，脑子里一片空白，事后我都不知道我究竟写了什么东西，这也是决定的？还是自由意志的结果？
研究表明，即使是无意识，也能决定下一步的行为【10,11】。例如2008年的一项研究表明，根据大脑的无意识活动，可以比较准确的预测其7秒之后的行为【10】。
这个研究组在2013年的另一项研究里，发现人类面对抽象问题的决策，可以被4秒之前的大脑无意识活动所决定【11】。所以即使是无意识的大脑活动，也决定了我们的行为。那么是否可以据此断定自由意志必然不存在？先看下图：
这两幅图摘自上述的两篇论文，用的什么实验方法做的什么实验得到什么结果，我们可以忽略掉，这两张图纵轴是预测准确性，横轴是时间（单位是秒）。很显然，准确性最高也就60%左右，考虑到不同被试者之间存在差异，所以预测准确性也就马马虎虎，不能算很高，因此有两种解释，一是实验技术有待提高，等提高了之后预测也就准了；另一种解释就是自由意志还是存在的，所以预测不够准确。
好，做个总结：
第一，很多以前看起来不应该是科学来解决的问题，已经逐渐开始成为科学可以并且也必须面对和解决的问题；
第二，科学给我们的承诺，就是沿着科学的方向，我们可以尝试探索一些“大问题”的答案；
第三，自由意志是否存在，这显然已经成为一个科学问题，除了从神经科学的角度去探讨，其他领域诸如胚胎学、细胞学以及进化生物学也有探讨，例如我写完《周期素：学渣的惊天逆袭》【上，下】之后发给我的老师看，他推荐我看他师公Marc Kirschner和太师公John C. Gerhart合写的一本书《生命的合理性》（The Plausibility of Life）【12】，提出了“促进变异”（Facilitated Variation）理论，认为生命在进化过程中，其表型的变异是有方向而不是随机的，所以有限的变异即可在自然选择的作用下达到当今的物种多样性。因此生命的进化过程并不需要自由意志。
第四，为什么量子纠缠会和自由意志扯到一起？这个咱懂的不多，貌似量子纠缠有很多奇妙的特性，可以不符合因果律。
参考文献：
1. 李淼，《想象另一种可能》，鹭江出版社，2015年，176页起（宇宙学）；126页起（探讨自由意志）
2. 查尔斯·詹克斯（Charles Jencks），《现代主义的临界点：后现代主义向何处去》，北京大学出版社，2011年，145页起
3. Conway, John; Simon Kochen(2006). ''The Free WillTheorem''. Foundations of Physics 36 (10): 1441.arXiv:quant-ph/0604079.
4. Conway, John H., and Simon Kochen (2009). ''The strong free will theorem'' (PDF). Notices of the AMS 56 (2): 226–232.
5. 李淼，《<三体>中的物理学》，四川科学技术出版社，2015年，第12、13章
6. 罗伯特·所罗门，凯思林·希金斯，《大问题：简明哲学导论》，广西师范大学出版社，2014年，294页起
7. 伯格森，《时间与自由意志》，商务印书馆，1958
8. Nichols S. (2011) Experimental philosophy and the problem of free will. Science, 331(6023):1401-3
9. [美] 迈克尔·加扎尼加著，《谁说了算?自由意志的心理学解读》，浙江人民出版社，2013年
10. Soon CS, Brass M, Heinze HJ,Haynes JD. (2008) Unconscious determinants of free decisions in the human brain. Nat Neurosci., 11(5):543-5.
11. Soon CS, He AH, Bode S, HaynesJD. (2013) Predicting free choices for abstract intentions. Proc Natl Acad Sci U S A., 110(15):6217-22
12. Kirschner, Marc W./ Gerhart, John C./ Norton, John (ILT). 《The Plausibility of Life》，2006-11，Yale Univ P
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