経験科学の場合、物理学は私たちの最も基本的な観察のいくつかを著しく軽視する可能性があります。特定の場所に物体が存在するのを見ますが、物質の波動性がそれを洗い流します。私たちは流れる時間を知覚しますが、どうしてそれができるのでしょうか?私たちは自分たちがフリーエージェントであると感じています。物理学者は、私たちの宇宙観が偏狭であると暴露することほど好きなことはありません。これは素晴らしいことです。しかし、なぜ私たちの印象がそれほど違うのかと尋ねられると、彼らは言い訳をつぶやき、パーティーの脇のドアから抜け出します.
言い換えれば、物理学者は、神経科学者と同じ意識の難しい問題に直面しています。それは、客観的な記述と主観的な経験を橋渡しするという問題です。基礎理論を私たちが世界で実際に観察しているものに関連付けるには、「観察する」こと、つまり意識することの意味を説明する必要があります。そして、彼らはそれについてスラップダッシュになる傾向があります。彼らは世界を「システム」と「観察者」に分け、前者を熱心に研究し、後者を当然のことと考えています。
世界の完全な自然主義的説明を作成するという野心の中で、物理学者は、ブラック ホールのパラドックスや粒子の標準モデルの恣意性など、いくつかの手がかりを持っています。これらは、アインシュタインなどを量子力学と相対性理論の開発に駆り立てた原子と光のパラドックスの私たちの時代のバージョンです。心の謎はめったに出てきません。そして、彼らはすべきです。心を理解することは難しく、現在の科学的枠組みではまったく不可能かもしれません。哲学者のデビッド・チャーマーズが昨年の夏にファウンデーショナル・クエスチョンズ・インスティテュートの会議で語ったように、「意識の理論がなければ、すべての理論はありません。」開いた陽子を割って、現在の理論では説明できないものを求めて空を精査した物理学者は、すべての最大の例外が私たちの頭蓋骨にある可能性があることを知って恐縮しています.
これらの深刻な問題を解決することは多世代にわたるプロジェクトになりますが、収束の初期段階が見られます。理論物理学者が意識に加担し、その恩返しとして神経科学者が物理学に加担することになった。神経科学者は、範囲が包括的で、基本原則に基づいて構築され、実験的検証に開かれており、数学的に重要な理論を開発してきました。つまり、物理学の理論です。
これらの理論の中で最も重要なのは、ウィスコンシン大学マディソン校の神経科学者ジュリオ・トノーニによって開発された統合情報理論です。脳、ボット、ボーグなどの意識システムを、ニューロンまたは同等のコンポーネントのネットワークとしてモデル化します。この理論は、システムは、その部分が調和して一緒に作用する程度まで意識的であると言います.根底にある前提は、意識的な経験は心理的に統一されているということです。私たちは自分自身を分割できないと感じており、私たちの感覚はシームレスな全体を形成しています。したがって、それを生成する脳機能も統一されている必要があります.
これらのコンポーネントは、相互に配線され、マスター クロックによって制御されるオン/オフ デバイスです。時計が刻むと、接続されているデバイスの状態に応じて、各デバイスがオンまたはオフになります。このシステムは、2 つのコンポーネントと、それぞれが互いにどのように影響するかのルール (たとえば、照明スイッチと電球) のように単純なものにすることができます。そのシステムはいつでも 4 つの状態のいずれかにあり、刻一刻とある状態から別の状態へと変化します。これらの遷移は確率的である可能性があります:状態は、それぞれがある程度の確率で、いくつかの新しい状態の 1 つを生成する可能性があります。
システムの結束と意識的であるというその主張を定量化するために、理論はシステム内の集合情報の量を計算する手順を提示します。情報は、個々の部分に局在するのではなく、ネットワーク全体に広がっています。懐疑論者はさまざまな異議を唱えます。特に、トノニが提案する尺度は言うまでもなく、意識を単一の数に減らすことはできないということです。しかし、理論が有用なツールであることがわかるために、意識の完全な説明としてその理論を購入する必要はありません。
まず第一に、この理論は、物理学で発生する出現のパズルを解決するのに役立つ可能性があります。世界の最も顕著な特徴の 1 つは、その階層構造です。これは、膨大な数の分子が理想気体の法則や流体の流れの方程式などの単純な規則に従う方法、または狂ったスズメバチのクォークとグルオンの巣がから見える方法です。穏やかな陽子のような外側。統計力学やくりこみ理論などの物理学のすべての分野は、さまざまなスケールでプロセスを関連付けることに専念しています。しかし、高レベルの記述は有用であるとはいえ、物理学者は従来、それらは単なる近似値であると想定しています。世界のすべての実際の行動は、最下層で発生します。
しかし、多くの人にとって、それは困惑しています。微視的スケールのみが現実である場合、なぜ世界はより高いレベルの記述を認めているのでしょうか?かつてのように、なぜそれは単なる未分化の粒子のかたまりではないのでしょうか?また、高レベルの説明が低レベルの詳細から独立している傾向があるのはなぜですか?より高いレベルでの実際のアクションがなければ、これらの説明の成功は奇跡です。そのため、より高いレベルは、私たち人間がたまたま便利だと思う素粒子物理学の再パッケージ化にすぎないと考える人々と、それらが真に新しいものを表していると考える人々の間で、激しい議論が繰り広げられています.
Tononi と彼の同僚は、統合情報理論を作成する際に、まったく同じ問題に取り組まなければなりませんでした。 「Scale は IIT への即時の再結合です」と、Tononi の元学生で現在はコロンビア大学のポスドクである Erik Hoel は言います。 「情報は相互作用する元素の間にあるとおっしゃっていますが、私は原子で構成されているので、それらの上に情報があるべきではありませんか？ …『私はニューロンを選ぶ』と恣意的に言うことはできません。」
すべてのネットワークは、個々のコンポーネントに至るまで、サブネットワーク、サブサブネットワークの階層です。これらのネストされたネットワークのどれが意識的ですか?私たちの神経系は頭からつま先まで伸びており、そのニューロンやその他の構成要素は、それ自体が複雑で小さな生き物です。しかし、私たちの意識的な経験は、大脳皮質の特定の領域で発生します。これらは、実行していると認識しているタスクを実行しているときに脳スキャンで点灯する場所です.残りの脳の多くを失う可能性があり、それについて満足していないかもしれませんが、少なくとも満足していないことを知っているでしょう. 3 年前、24 歳の女性がめまいと吐き気を訴えて中国の病院を受診しました。医師はCATスキャンを行い、小脳があったはずの脳に大きな穴を見つけました.彼女のニューロンの 4 分の 3 を奪われたにもかかわらず、彼女は私たちと同じくらい意識があるというあらゆる兆候を示しました.
皮質の何が特別なのですか？タコのように腕に意識がないのはなぜですか?なぜ私たちは意図的なニューロン、ニューロン内の酵素、または原子と亜原子粒子の広大な社会ではないのでしょうか?意識が存在する場所に存在する理由を説明するために、Tononi、Hoel、および同僚の Larissa Albantakis と William Marshall は、階層システムを分析する方法を考え出さなければなりませんでした。それは、生物全体から最小のビルディング ブロックまで、あらゆるスケールでの活動を調べることです。 、そして心がどこにあるべきかを予測します。彼らは、このスケールのダイナミクスが他のものを先取りすると仮定して、集合的な情報が最大化されるスケールに意識を帰します.
統合情報理論は神経系に着想を得ていますが、神経系に限定されません。ネットワークは、物理学者が研究する多層システムのいずれかである可能性があります。意識がどこに存在するかという問題は脇に置き、ヒエラルキーがより一般的にどのように機能するかを研究することができます。 Hoel は、階層的因果関係の独立した理論の開発に着手しました。彼は最近、今年の Foundational Questions Institute のエッセイ コンテストのエントリーと、ジャーナル Entropy の論文で議論しました。 .
統合情報理論に基づくアプローチでは、因果関係が複数のレベルで発生する可能性が考慮されます。因果関係の定量的尺度を使用して、研究者は最初に答えを推測するのではなく、各レベルがシステムの機能にどの程度寄与するかを計算できます。 「因果関係の適切な尺度や概念がない場合、マイクロスケールが必然的に因果関係のすべての作業を行っているというあなたの主張について、どのように確信していますか?」
物理学者としての目標は、研究している内容について最大限の情報を提供する記述を作成することであり、システムの元の仕様が常に最適であるとは限りません。潜在的な構造が含まれている場合は、ビルディング ブロックをひとまとめにし、それらのリンクを微調整してより高いレベルの説明を作成すると、より効果的です。たとえば、2 成分系の成分が常にロックステップで変化する場合は、それらを 1 つの単位として扱うこともできます。それらを個別に追跡しても何も得られず、さらに悪いことに、システムに関する重要な情報を取得できません。
Hoel は、上位レベルが下位レベルを改善できる 3 つの方法に焦点を当てています。まず、ランダム性を隠すことができます。空気分子は際限なく再構成され、永続的な効果はありません。彼らの無数のアレンジメントはすべて基本的に同じであり、違いはありません。第二に、レベルが高いほどスポイラーを排除できます。コンポーネントの唯一の役割が、システム内の他のリンケージを強化することである場合があり、それを削除した方がよい場合もあります。その効果は、残りのコンポーネントの動作にランダム性を導入することで、より簡単に捉えることができます。第 3 に、より高いレベルで冗長性を取り除くことができます。時間の経過とともに、システムはいくつかの状態のうちの 1 つに落ち着く可能性があります。他のものは無関係であり、より高いレベルはそれらを削除することで説明の価値を高めます.この種のアトラクタ ダイナミクスは、物理システムでは一般的です。 「より高いスケールは、単なる圧縮された記述ではありません」と Hoel 氏は言います。 「むしろ、決定性を高める場合や冗長性を減らす場合にノイズを取り除くことで、より有益な説明が得られます。」新しい説明が与えられたら、このプロセスを繰り返して、追加の構造を探し、さらに高いスケールに移動できます。
構造を探す方法 - まあ、それは一種の芸術です。レベル間の接続は、非常にわかりにくい場合があります。物理学者は通常、平均をとってより高いレベルを構築しますが、統合情報理論では、生物学者やソフトウェア エンジニアのように、コンポーネントを体の器官やコンピューターのサブルーチンなどの特定の機能を実行するグループにチャンクすることで、より高いレベルにアプローチすることを奨励しています。平均をとるだけでは、このような関数関係が失われる可能性があります。 「ニューロン内の分子には特定の機能があり、それらを平均化するだけでは、通常、因果関係の力が高まるわけではなく、混乱を招きます」と Albantakis 氏は言います。
ベース レベルが決定論的で冗長性がない場合、Hoel が設定した基準による最適な記述が既に提供されており、出現はありません。その場合、物理学者の通常の直観 — より高いレベルは近似値としてのみ有効である — が成り立ちます。おそらく、そのようなシステムでは因果関係の概念そのものが崩壊します。システムは完全に可逆的であるためです。これが原因であるとは言えません。逆に、ベース レベルではまったく情報が得られない可能性がありますが、より高いレベルでは強い規則性が示されます。これは、数学者 Henri Poincaré と物理学者 John Wheeler にさかのぼる基礎物理学の推測を思い起こさせます。この推測は、自然の根本レベルは完全に無法であり、すべての自然の法則は全体としてのみ現れるというものです。
より高いレベルは何かを失います。定義上、システムを細部まで捉えているわけではありません。しかし、トレードオフは通常、それだけの価値があります。その証拠は、コミュニケーション理論の定理にある、とHoelは言います。システムの現在の状態を送信機、その後の状態を受信機、2 つの関係をワイヤーと考えることができます。 「それぞれの状態は、因果構造が未来に送るメッセージです」と彼は言います。ランダム性と冗長性は回線上のノイズのようなものです:メッセージを破損します.
通信回線にノイズが多い場合、多くの場合、エラー修正コードを使用してデータを高速に送信できます。たとえば、3 通で送信し、コピーを分散させて、通過する可能性を高めることができます。一見、データレートは 3 分の 1 に低下しますが、エラーを修正できるようになれば、優位に立つことができます。正確な数学的な意味では、より高いレベルの記述はそのようなコードに相当します。システムの本質的なダイナミクスをかき消すノイズを抑えます。詳細が失われたとしても、説明の牽引力は純増します。 「より高いスケールは、コードと同様の方法で動作することによってエラー修正を提供します。つまり、より高いスケールが余分な作業を行い、より有益になる余地があることを意味します」と Hoel 氏は言います。
たとえば、2 要素 4 状態システムで、状態の 1 つが常にそれ自体を生成し、他の 3 つの状態がランダムに循環するとします。システムがどのような状態にあるかを知ることで、次に何が起こるかについて、平均で 0.8 ビットの情報が得られます。しかし、これら 3 つの状態をひとまとめにして、それらを使用して 1 つの状態を 3 重に格納するとします。システムは小さくなり、2 つの状態だけになりましたが、完全に決定論的です。現在の状態を知ることで、後継者に関する 1 つの情報が得られます。余分な 0.2 ビットは、元の説明が隠していた構造を反映しています。システムの因果的力の 80% がその基本レベルにあり、20% がより高いレベルにあると言えます。
因果関係を研究しているコーネル大学のコンピューター科学者ジョセフ・ハルパーンは、ホエルが何かに取り組んでいると考えています。 「この研究では、物事をマクロ レベルで見ることで、ミクロ レベルで見るよりも多くの情報が得られるという興味深い観察結果が得られています」と彼は言います。しかし、彼は、Hoel の情報の尺度が因果関係と相関関係を区別していないことを心配しています。統計学者なら誰でも言うように、一方は他方ではありません。近年、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のコンピューター科学者 Judea Pearl は、因果関係を把握するための完全な数学的枠組みを開発しました。 Hoel はこの研究の一部を取り入れていますが、Halpern は、Pearl のアイデアをより徹底的に適用することは興味深いと述べています.
通信のアナロジーで特に興味深いのは、同様のアナロジーが宇宙の起源に関する量子重力理論に登場することです。エラー訂正コードは、ホログラフィック原理として知られている考え方に横方向の考え方を提供します。簡単な例では、3 次元空間は 2 次元システム (ホログラムの「フィルム」) によって生成される場合があります。 3 次元空間の内容は、2 次元システムに塗りつぶされます。これは、データのビットが 3 重に分散して格納される場合と同じです。 2 次元システムでパターンを探すことにより、空間の 3 次元を構築できます。簡単に言えば、システムの基本的な説明から始めて、構造を探し、最初から推測することなく、スケールと距離の概念を導き出すことができます。
統合情報理論に基づく考え方は、それを引き起こした心身の問題にループバックする可能性もあります。物理学と心理学は、古代ギリシャの原子論者の時代から対立してきました。物理法則に支配された世界では、人間の行為の余地はほとんどないように思われます。クッキーを食べるかどうかと格闘し、そのおいしさと最新のコレステロール レポートの間で引き裂かれた場合、心理学は相反する欲求について語りますが、物理学は原子の動きと衝突の連鎖としてあなたの決定を説明します。ホエルは、実際の行動は心理的なレベルで起こると主張しています。すべての行動の原子の前例をたどることはできますが、純粋に原子の説明はまさにそれです:原子が何をするかの説明.それは頭脳については何も言わず、精神についてはなおさらです。原子の記述には、非常にスクランブルされた形で脳が含まれていますが、それを見つけるには、無関係な活動を取り除く必要があり、原子の記述に欠けている追加の理解が必要です。原子はあなたの脳細胞に出入りし、それらの因果関係が形成されたり壊れたりするかもしれませんが、それでも精神は持続します.その因果関係がシステムを駆動します。
創発は、統合情報理論がもつれを解くのに役立つかもしれない唯一の複雑な物理学の主題ではありません。もう一つは量子計測です。量子論によれば、物体は可能性の重ね合わせの中に存在することができます。粒子は、同時にあちこちに存在することができます。しかし、粒子はここかそこかしか見えません。よくわからない場合は、理論が改ざんされたと思うかもしれません。 「そして」という言葉が「または」になるのは何ですか?教科書の説明、またはコペンハーゲン解釈では、粒子を観察すると重ね合わせが「崩壊」します。この解釈は、量子法則に従うシステムと古典物理学に従う観測者との間に線引き、いわゆるハイゼンベルグ カットを行います。後者は重ね合わせの影響を受けません。あちらこちらにある粒子を見つめると、観察者は粒子にこちらかあちらのどちらかを選択させます。
量子力学の最大の謎は、コペンハーゲンを真剣に受け止めた理由です。その支持者は、観察が正確に何であるか、または観察を行う行為がどのようにして粒子に複数のオプションから選択をさせるかを説明しませんでした。これらの失敗により、他の物理学者や哲学者は、量子多元宇宙など、崩壊を排除する別の解釈を模索するようになりました。しかし、万全を期すために、コペンハーゲンが基本的に正しく、修正する必要があるとします。何年にもわたって、人々はハイゼンベルク カットについてより明確にしようとしてきました。
おそらくサイズがカットを定義します。十分に大きい、十分な粒子を含む、または十分な重力エネルギーを持つシステムは、量子でなくなる可能性があります。測定装置はこれらすべての基準を満たしているため、指定した重ね合わせは崩れます。それがどのように起こるかはまだかなり謎ですが、少なくともアイデアはテストするのに十分具体的です.実験者はそのようなしきい値を探していましたが、これまでのところ何も見つかりませんでしたが、完全に除外したわけではありません.
しかし、コペンハーゲンのより直接的な解釈は、意識が決定的な要因であるということです。この考えは、1930 年代に物理学者のフリッツ ロンドンとエドモンド バウアー、そして 60 年代にユージン ウィグナーによって取り上げられました。意識的な経験は、その性質上、内部的に首尾一貫しているため、常に自分自身が一定の状態にあると感じているため、心は重ね合わせに入ることができないようです。したがって、それが把握するものは何でも崩壊します。誰も心を定量化する方法を知らなかったため、この推測はあまりうまくいきませんでしたが、統合情報理論は現在、その方法を提供しています. 2015 年、オックスフォード大学の数学者である Kobi Kremnizer と、インペリアル カレッジ ロンドンの大学院生であり、その後学界を離れた André Ranchin は、短い論文でこの可能性を探りました。ニューヨーク大学の Chalmers と、チャップマン大学の物理哲学者である Kelvin McQueen も取り上げました。
量子を理解するために意識理論に目を向けることで、これらの学者は、意識を理解するために量子理論に目を向けるロジャー・ペンローズなどの物理学者がとったアプローチを逆転させます。彼らの命題は、脳または脳のようなネットワークが重ね合わせ状態 (同じ粒子をあちこちで知覚する二重思考の状態) に入ることができるというものですが、それは一時的なものにすぎません。ネットワークが相互接続されればされるほど、ネットワークはより速く崩壊します。実験者は、既存の検索をサイズのしきい値に適合させることで、このアイデアをテストできます。たとえば、サイズと質量は同じだが、内部の相互接続の程度が異なる 2 つのオブジェクト (ダストのモートとバクテリアなど) を比較する場合があります。情報統合が重要な要素である場合、前者は重ね合わせることができますが、後者は抵抗します。 「理想的には、非常に大量の統合された情報をプログラムできるナノコンピューターで実験するのが良いでしょう」と McQueen は言います。バクテリアやそのサイボーグに相当するものはあまり知性を持っていないかもしれませんが、量子領域の外に立つ観察者としての資格を得るには十分かもしれません.
統合情報理論は、崩壊の概念に関する別の厄介な問題も解決する可能性があります。重ね合わせが崩壊することを伝えることと、それが崩壊するとどうなるかを言うことはまったく別のことです。パーティクルが選択するオプションのメニューは何ですか?それは「ここ」と「そこ」、「遅い」と「速い」、「ほとんどここにあるが少しそこにある」、「ほとんどそこにあるが少しここにある」、または何ですか？量子論は言わない。考えられるすべてのカテゴリを同等に扱います。
コペンハーゲン解釈では、メニューは測定装置の選択によって設定されるとされています。位置を測定すると、粒子はどこかの位置 (ここかそこか) に崩壊します。運動量を測定すると、運動量が遅くなったり速くなったりします。名前を付けるには奇妙すぎる量を測定すると、粒子は義務付けられます。崩壊理論は、これがどのように機能するかを説明しようとしています。すべての測定器は同じ種類の粒子でできており、組み立て方が異なるだけです。したがって、パーティクル レベルでは、崩壊プロセスはすべて同じでなければなりません。メニューはそのレベルで固定されます。理論は通常、この基本的なメニューがポジションの 1 つであることを前提としています。運動量やその他の量の測定値は、最終的には位置の測定値に変換されます。たとえば、ダイヤル上の針の位置などです。地位がこの特権的な役割を果たす深い理由はありません。理論は、空間的に局所化されたオブジェクトで構成される世界の観察を再現することを確実にするために、それを仮定しています.
しかし、おそらく何らかのプロセスが積極的にメニューを設定しています。たとえば、崩壊が重力場によって引き起こされる場合、それは質量の位置に依存し、関連する変数として位置を選択する傾向があります。同様に、崩壊が意識によって引き起こされる場合、心の性質がメニューを決定する可能性があります.マサチューセッツ工科大学の宇宙学者マックス・テグマークは、カテゴリーは思考の構造によって決定されるのではないかと推測しています。統合情報理論によれば、私たちの心は同じように作られているため、世界は別々の相互作用する部分で構築されている可能性があります.
崩壊は、それ自体が主要な未解決の問題であるだけでなく、量子論の根底にある現実のレベルへの可能性のあるウィンドウです。物理学者は、サイズのしきい値は、空間と時間が出現する原始成分の変動から生じる可能性があることを示唆しています。同様に、情報統合が原因であるとすれば、おそらく何か深いことが明らかになるでしょう。それは崩壊を、科学者が意識を理解するために必要とする同じ欠落している原則に結び付けるかもしれません。 「当面の目標は、首尾一貫した記述です」と McQueen 氏は言います。 「しかし、そのような目標に到達するプロセスは、予期せず新しい種類の説明につながることがよくあります。」
私が情報の統合によって引き起こされる崩壊についてコメントするように頼んだ物理学者と哲学者は、崩壊を説明する (または説明をなくす) ための他のオプションには独自の欠点があるという理由だけで、おおむね同情的です。しかし彼らは、統合情報理論がこのタスクにあまり適していないことを懸念しています。トリエステ大学の物理学者で、量子力学の基礎を研究しているアンジェロ・バッシは、情報統合は概念が抽象的すぎると述べています。量子力学は、粒子がどこにあり、どれだけ速く動いているかというザラザラした詳細を扱います。両者の関係は、想像以上に難しいものです。 Bassi は、Ranchin と Kremnizer が信号の瞬間的な伝搬などの不条理を予測する公式を使用していると述べています。 「崩壊を…意識に結びつけることは可能だと思いますが、説得力のある方法でそれを行うには、脳内の粒子の構成に要約される意識の定義が必要だと思います」と彼は言います。その場合、崩壊は意識や情報の統合自体によって引き起こされるのではなく、統合されたシステムが何らかの形でより敏感な、より原始的なダイナミクスによって引き起こされる.
ここで、創発と最大の創発問題に話を戻します。それは、粒子の量がどのように心の質を作るかということです。統合情報理論では解決できないかもしれません。意識に関する科学的研究はまだ始まったばかりであり、神経科学者がこれほど早く正しい答えにたどり着いたとしたら、驚くべきことです。意識は、神経科学と物理学を奇妙に結びつけるほど深く広範囲に及ぶ問題です。答えがネットワークの相互接続性にあるとは限りませんが、分野間の相互接続性が必要であることは間違いありません。
George Musser は、物理学と宇宙論の作家であり、 の著者でもあります。 離れた場所での不気味なアクション と ひも理論への完全なばかのガイド。 彼は の寄稿編集者です。 Nautilus、以前は の上級編集者でした Scientific American に 14 年間在籍。彼はアメリカ物理科学研究所のライティング賞などを受賞しています。
この記事は、2017 年 5 月の「Consciousness」号で初めてオンラインに掲載されました。
