F作为一门经验科学，物理学可以对我们的一些最基本的观察结果不屑一顾。我们看到存在于特定位置的物体，但物质的波动性质将其冲走。我们感觉时间在流动，但它怎么可能呢，真的?我们觉得自己是自由的，这真是奇怪。物理学家最喜欢暴露我们对宇宙的看法是狭隘的。这是伟大的。但当被问及为什么我们的印象如此不一致时，他们含糊地说了些借口就溜出了派对的侧门。
换句话说，物理学家的脸同样的难题就像神经科学家所做的:连接客观描述和主观经验的问题。为了将基本理论与我们实际观察的世界联系起来，他们必须解释“观察”的含义——即意识到什么。他们在这方面往往很草率。他们将世界划分为“系统”和“观察者”，认真研究前者，并将后者视为理所当然——更糟糕的是，将其视为傻瓜。
对行为的纯原子解释可能就是:解释原子的行为。它不会说大脑，更不用说思想。
在他们的抱负中创造了一个完全自然主义解释的世界，物理学家有一些线索，如黑洞的悖论以及粒子标准模型的任意性。这些是我们这个时代的原子和光悖论，正是这些悖论推动了爱因斯坦和其他人发展量子力学和相对论。头脑的奥秘很少出现。他们应该。理解大脑是困难的，在我们目前的科学框架中可能完全不可能。正如哲学家大卫·查默斯去年夏天在基础问题研究所(fundamental Questions Institute)的一次会议上所说，“没有意识理论，我们就不会有万物理论。”物理学家们已经破解了质子，搜寻了天空中现有理论无法解释的东西，他们谦卑地发现，最大的例外可能就在我们的头骨里。
年代解决这些深层次的问题将是一个多代人的项目，但我们看到的是一个融合的早期阶段。对于理论物理学家来说，研究意识已经成为了一件事，作为回报，神经科学家也开始研究物理学。神经科学家一直在发展一些理论，这些理论在范围上是全面的，建立在基本原则的基础上，对实验测试是开放的，并且在数学上是充实的——一句话，就是物理学。
其中最重要的理论是综合信息理论，由威斯康星大学麦迪逊分校的神经学家朱利奥·托诺尼(Giulio Tononi)提出。它模拟了一个意识系统，无论是大脑、机器人还是博格人(Borg)，都是由神经元或等效组件组成的网络。该理论认为，在某种程度上，系统是有意识的，它的各个部分一起和谐地行动。潜在的前提是，意识体验在心理上是统一的——我们觉得自己是不可分割的，我们的感觉形成了一个无缝的整体——所以产生它的大脑功能也应该是统一的。
这些元件是连接在一起的开关设备，由一个主时钟控制。当时钟滴答作响时，每个设备根据它所连接的设备的状态打开或关闭。这个系统可能很简单，只要两个组件和一个相互影响的规则，比如一个电灯开关和一个灯泡。在任何时刻，系统都可能处于四种状态之一，它会从一种状态移动到另一种状态。这些转变可能是概率性的:一个状态可能会产生几个新状态中的一个，每个状态都有一定的概率。
为了量化一个系统的内聚性及其宣称的意识，该理论提出了一个程序来计算系统中集体信息的数量——这些信息散布在整个网络中，而不是局限于任何一个单独的部分。怀疑者提出了各种各样的反对意见，尤其是意识不可能被简化为一个数字，更不用说托诺尼提出的衡量方法了。但你不需要为了发现它是一个有用的工具而去购买这个理论作为意识的完整描述。
首先，这个理论可以帮助解决物理学中出现的涌现之谜。世界最显著的特点之一是它的层次结构,分子的方式,极大的数据服从简单的规则如理想气体定律或流体流动的方程,或者疯狂的马蜂窝的夸克和胶子从外面看起来像一个平静的质子。物理学的整个分支，如统计力学和重正化理论，都致力于在不同尺度上联系过程。尽管更高层次的描述很有用，但物理学家传统上认为它们只是近似。世界上所有的实际行动都发生在底层。
然而，对许多人来说，这令人费解。如果只有微观的尺度是真实的，为什么世界允许更高层次的描述?为什么它不是像曾经那样，只是一团无差别的粒子呢?为什么更高层次的描述往往是独立于较低层次的细节的——这难道不意味着更高层次的描述不只是寄生的吗?如果没有在更高一级采取实际行动，这些描述的成功将是一个奇迹。因此，一些人认为更高的层次只是我们人类碰巧觉得方便的亚原子物理学的重新包装，另一些人则认为它们代表了某种真正的新东西，这两种人之间的争论非常激烈。
托诺尼和他的同事们在创建综合信息理论时也必须解决同样的问题。“规模是对IIT的直接回应，”托诺尼以前的学生、现在哥伦比亚大学(Columbia University)博士后埃里克•霍埃尔(Erik Hoel)说。“你是说，信息是在相互作用的元素之间，但我是由原子组成的，所以信息不应该高于这些元素吗?”你不能武断地说，‘我选择神经元。’”
任何网络都是由子网、子子网、一直到单个组件组成的层次结构。哪些嵌套网络是有意识的?我们的神经系统从头部延伸到脚趾，它的神经元和其他组成部分本身就是复杂的小生物。然而，我们的意识体验产生于大脑皮层的特定区域。当你意识到自己正在做的任务时，这些地方会在大脑扫描中亮起来。你可能会失去大脑的其他部分，尽管你可能会不高兴，但至少你知道你不高兴。三年前，一名24岁的女子因头晕和恶心住进一家中国医院。医生给她做了CAT扫描，在小脑的位置发现了一个大洞。虽然失去了四分之三的神经元，但她表现出了和我们一样清醒的所有迹象。
物理学家和神经科学家面临着同样的难题:连接客观描述和主观经验的问题。
皮质是如此特别？为什么你的手臂意识并不是，像八达通'还为什么我们不是巨大的初始神经元或神经元中的酶，或原子和亚杀菌颗粒的酶解释为什么意识居住在哪里，Tononi，Hoel和Consgeagues Larissa Albantakis和William Marshall必须提出一种分析等级系统的方法：从整个有机体到最小的建筑块来看所有鳞片上的活动，并预测心灵应该居住的地方。他们将意识归于集体信息最大化的规模，假设这种规模的动态将抢占他人的动态。
综合信息论虽然受到神经系统的启发，但并不局限于神经系统。这个网络可以是物理学家研究的任何多层系统。你可以把意识存在于何处的问题放在一边，研究更普遍的等级制度是如何运作的。Hoel已经着手开发一个独立的层次因果关系理论，他最近在今年的基础问题研究所(fundamental Questions Institute)的一篇文章中讨论了这个理论作文比赛上周在杂志上发表了一篇论文熵．
基于综合信息理论的方法允许因果关系在多个层面上发生的可能性。使用因果关系的定量测量，研究人员可以计算出每个层次对系统功能的贡献，而不是在一开始就假设一个答案。“如果你没有一个很好的因果关系的测量方法或概念，”Hoel说，“那么你如何确定你的说法，即微观尺度必然会做所有的因果工作?”
一个作为一名物理学家，你的目标是为你正在学习的任何东西创造最大信息量的描述，而系统的原始规格并不总是最佳的。如果它包含潜在的结构，您可以通过将构建块集中在一起并调整它们的链接来创建更高级别的描述。例如，如果双组件系统中的组件总是同步变化，那么不妨将它们视为单个单元。通过独立地跟踪它们，您将一无所获，更糟糕的是，将无法捕获系统的重要内容。
Hoel着重介绍了三种高水平可以提高低水平的方法。首先，它可以隐藏随机性。空气分子无休止地重新组合，没有持久的影响;他们无数的安排基本上都是一样的——一个没有区别的差异。第二，较高的水平可以消除扰流器。有时候，组件的唯一作用就是搞乱系统中的其他链接，所以最好将其删除。通过在剩余组件的行为中引入一些随机性，可以更简单地捕捉其效果。第三，较高的级别可以删除冗余。随着时间的推移，该系统可能只会在少数几个州中的一个州站稳;其他的是不相关的，更高的层次通过删除它们来获得解释价值。 This kind of attractor dynamics is common in physical systems. “The higher scale is not just a compressed description,” Hoel says. “Rather, it’s that by getting rid of noise, either in the case of increasing determinism or by reducing redundancy, you get a more informative description.” Given the new description, you can repeat the process, looking for additional structure and moving to an even higher scale.
如何寻找结构——嗯，这是一门艺术。等级之间的联系可能非常不明显。物理学家通常通过取平均值来构建更高的层次，但综合信息理论鼓励他们更像生物学家或软件工程师那样:将组件分成执行某些特定功能的组，比如身体的一个器官或计算机子程序。如果你只是取平均值，那么这种函数关系就会消失。阿尔巴塔基斯说:“神经元内部的分子有它们特定的功能，仅仅将它们平均一下一般不会增加因果效应的力量，反而会造成混乱。”
如果基础水平是确定性的，并且没有冗余，那么它已经提供了Hoel提出的标准的最佳描述，并且没有出现。那么物理学家通常的直觉——任何更高的层次都是好的，只是作为一个近似值——就成立了。可以论证的是，因果关系的概念对于这样一个系统来说是不成立的，因为这个系统是完全可逆的;没有办法说这个导致了那个，因为那个很可能导致这个。相反，基础水平可能完全没有信息，而更高的水平显示出很强的规律性。这让人想起了基础物理学的猜想，这可以追溯到数学家亨利Poincaré和物理学家约翰惠勒，他们认为自然界的根本层面是完全没有规律的，所有的自然规律都只是在总体上出现的。
T他更高的水平会失去一些东西;根据定义，它不会以每个细节捕获系统。但权衡通常值得。Hoel说，证明是沟通理论的定理。您可以将系统的当前状态视为发射器，后续状态作为接收器，以及两个作为电线之间的关系。“每个州都是一种消息，即因果结构正在发送到未来，”他说。随机性和冗余就像线上的噪音：它们损坏了消息。
当通信线路有噪声时，使用纠错码通常可以更快地将数据传输下去。例如，你可能以三份的形式传播，分散副本，使它们更容易通过。从表面上看，这将数据速率削减到三分之一，但如果它允许你修正错误，你可以领先。在精确的数学意义上，更高层次的描述等同于这样的代码。它能消除那些淹没系统基本动态的噪音。即使您失去了细节，您在解释性的牵引力中还是有净收益的。Hoel说:“高阶量表以类似于代码的方式提供错误纠正，这意味着高阶量表有空间做额外的工作，获得更多信息。”
例如，在二元四态系统中，假设其中一种态总是自成体系，而其他三种态则随机地相互循环。知道系统的状态，平均来说，给你0.8比特的信息，接下来会发生什么。但是假设你把这三个状态放在一起，并使用它们将一个状态存储为三份。这个系统现在更小了，只有两个状态，但完全确定。知道它的当前状态可以为您提供1比特的继承者信息。额外的0.2位反映了原始描述隐藏的结构。你可以说，这个系统80%的因果力存在于它的基础水平，20%存在于更高的水平。
Joseph Halpern，康奈尔的计算机科学家们，他们研究因果关系，认为高音是对某事的。“这项工作有关如何看待宏观级别的东西，可以提供比在微观水平上的更多信息，”他说。但他担心并没有区分因果关系和相关性;由于任何统计名人都会告诉你，一个不是另一个。近年来，加利福尼亚大学加利福尼亚大学的计算机科学家Judea珍珠制定了一个捕捉因果关系的整个数学框架。Hoel包含一些这项工作，但Halpern表示将更彻底地应用珍珠的想法将会有趣。
关于通信类比的特别有趣的是，类似的类比出现在量子 - 重力理论中宇宙的起源．纠错代码提供了一些横向思考的想法，称为全息原则．在一个简单的例子中，我们的三维空间可能是由一个二维系统(全息图的“胶片”)生成的。3-D空间的内容被涂抹在2-D系统上，就像少量的数据可能被存储在三份和分散中一样。通过寻找二维系统中的模式，你可以构建三维空间。简单地说，您可以从系统的基本描述开始，寻找结构，并推导出规模和距离的概念，而不需要在一开始就假定它。
基于综合信息理论的思路也可能会回到启发它的身心问题。自古希腊原子主义者时代起，物理学和心理学就一直存在分歧。在一个受物理法则支配的世界里，似乎没有多少人类能动的空间。如果你纠结于是否要吃一块饼干，在它的美味和你最新的胆固醇报告之间徘徊，心理学说的是相互冲突的欲望，而物理学认为你的决定是原子运动和碰撞的连锁反应。Hoel认为真正的行为发生在心理层面。虽然你可以追溯你所有行为的原子前因，但一个纯原子的解释只能是:解释原子的行为。它不会说大脑，更不用说思想。原子描述中包含了大脑，以一种高度混乱的形式存在，但要找到它，你必须剥离那些无关的活动，而这需要对原子描述所缺乏的额外理解。原子可能在你的脑细胞中进进出出，它们的因果关系形成又打破，但思维却经久不衰。它的因果关系驱动着系统。
E合并并不是综合信息理论可能帮助解开的唯一一门复杂的物理学科。另一个是量子测量。量子理论认为一个物体可以存在于多种可能性的叠加中。一个粒子可以同时在这里和那里。然而，我们只能在这里或那里看到粒子。如果你不知道得更多，你可能会认为这个理论已经被证伪了。是什么把单词“and”变成了“or”?教科书上的解释，或哥本哈根解释，是当我们去观察粒子时，叠加会“坍缩”。这种解释在遵从量子定律的系统和遵循经典物理学的观察者之间划出了一条线——所谓的海森堡切线。后者不受叠加的影响。 In gazing upon a particle that is both here and there, an observer forces it to choose between here or there.
量子力学中最大的谜团是为什么有人会认真对待哥本哈根会议。它的支持者从来没有解释过观测究竟是什么，也没有解释过观测的行为是如何导致粒子在多种选择中做出选择的。这些缺陷导致其他物理学家和哲学家寻求替代解释，以消除坍塌，例如量子多重宇宙．但为了想尽一切办法，假设哥本哈根会议基本上是正确的，只是需要修改一下。多年来，人们一直试图更明确地说明海森堡的切割。
也许尺寸决定了裁剪。足够大的系统，含有足够的粒子，或者有足够的引力能可能就不再是量子了。因为一件测量仪器满足所有这些标准，它会瓦解你指向的任何叠加。这种情况是如何发生的仍然相当神秘，但至少这个想法足够具体，可以进行测试。实验人员一直在寻找这样的东西一个门槛目前还没有发现，但还没有完全排除这种可能性。
涌现并不是综合信息理论可能帮助解开的唯一一门复杂的物理学科。
但对哥本哈根更直接的解读是，意识是决定因素，物理学家弗里茨·伦敦(Fritz London)和埃德蒙·鲍尔(Edmond Bauer)在20世纪30年代以及尤金·维格纳(Eugene Wigner)在60年代采纳了这一观点。因为意识经验，就其本质而言，是内在连贯的——你总是感觉自己处于某种确定的状态——心灵似乎无法进入叠加状态。因此，无论它抓住什么，它都会崩溃。这个猜想没有太大进展，因为没有人知道如何量化大脑，但集成信息理论现在提供了一种方法。2015年，牛津大学数学家Kobi Kremnizer和André Ranchin在一篇简短的论文中探讨了这种可能性。Ranchin曾是伦敦帝国理工学院的研究生，后来离开了学术界。纽约大学的查尔默斯和查普曼大学的物理学哲学家凯文·麦昆也开始研究这个问题。
转向意识理论以了解量子，这些学者倒置了物理学家等的方法，如罗杰潘多斯谁看看量子理论要理解意识。他们的主张是，一个大脑或类似大脑的网络可以进入一种叠加状态——一种双重思维的状态，在这种状态下，你随处可见同一粒子——但这只是暂时的。网络的互联程度越高，它崩溃的速度就越快。实验人员可以通过调整他们现有的搜索值来验证这个想法。例如，他们可能会比较两个大小和质量相同但内部互联程度不同的物体，比如一个尘埃和一个细菌。如果信息整合是关键因素，前者可以叠加，而后者则会抵抗。麦昆说:“理想情况下，在纳米计算机上进行实验会很好，我们可以用大量的综合信息来编程。”细菌或与之对应的半机械人可能没有多少头脑，但它可能有足够资格成为一个站在量子领域之外的观察者。
我综合信息理论还可能解决另一个困扰坍塌概念的问题。告诉你叠加会坍缩是一回事，告诉你它坍缩到什么是另一回事。粒子选择的选项菜单是什么?是“这里”和“那里”，“慢”和“快”，“大部分在这里，但一点在那里”，“大部分在那里，但一点在这里”还是什么?量子理论没有说。它在平等的基础上对待所有可能的类别。
哥本哈根解释认为，菜单是由您选择的测量仪器设置的。如果你测量位置，粒子会坍缩到某个位置:这里或那里。如果你测量动量，它会坍缩成某种动量:或快或慢。如果你测量一些太奇怪而无法命名的量，粒子就会满足你的要求。坍塌理论试图解释这是如何运作的。所有的测量仪器都是由相同类型的粒子组成的，只是它们的组合方式不同。所以，在粒子层面，坍缩过程必须是相同的——菜单在那个层面是固定的。这些理论通常假设这个基本菜单是一种立场。动量和其他量的测量最终会转化为位置的测量，比如指针在刻度盘上的位置。这个职位扮演这样的特权角色并没有深层次的原因。 The theories assume it just to ensure that they reproduce our observations of a world that consists of spatially localized objects.
量子力学中最大的谜团是为什么有人会认真对待哥本哈根会议。
但也许有一些过程主动设置菜单。例如，如果坍缩是由引力场驱动的，那么它将取决于质量的位置，这将倾向于把位置作为相关变量。同样地，如果崩溃是由意识驱动的，那么精神的本质可能决定了菜单。麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的宇宙学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)推测，这些类别可能是由思维结构决定的。世界可能是由相互独立但相互作用的部分组成的，因为根据综合信息理论，我们的思想也是以同样的方式构成的。
坍缩本身不仅是一个尚未解决的主要问题，而且可能是了解量子理论背后现实层面的一个窗口。物理学家提出，空间和时间产生的原始成分的波动可能会产生一个尺寸阈值。同样地，如果信息集成是罪魁祸首，那么这可能会揭示一些深层次的东西。它可能将崩溃与科学家们在理解意识时所需要的相同缺失原则联系起来。“当前的目标是自我一致的描述，”麦昆说。“但在实现这一目标的过程中，往往会出现意想不到的新解释。”
我请了一些物理学家和哲学家对信息整合导致的崩溃发表评论，他们普遍表示赞同，哪怕只是因为其他解释(或回避解释)崩溃的方法也有自己的缺陷。但他们担心综合信息理论并不适合这项任务。里雅斯特大学(University of Trieste)研究量子力学基础的物理学家安吉洛·巴斯(Angelo Bassi)说，信息整合是一个过于抽象的概念。量子力学涉及粒子在哪里以及它们移动的速度等细节。将两者联系起来可能比你想象的要困难。Bassi说，Ranchin和Kremnizer使用一个公式来预测诸如信号的瞬时传播等荒谬现象。他说:“我发现将崩溃与意识联系起来是可行的，但为了以一种令人信服的方式来做这件事，我认为我们需要一个意识的定义，它可以归结为大脑中粒子的配置。”在这种情况下，崩溃不是由意识或信息整合本身触发的，而是由整合系统更敏感的更原始的动力触发的。
这就把我们带回了涌现的问题，也是所有涌现问题中最大的一个问题:粒子的数量如何决定心智的质量。综合信息理论可能无法解决这个问题——意识的科学研究还很年轻，如果神经学家这么快就找到了正确答案，那将是令人惊讶的。意识是一个如此深刻和普遍的问题，以致于它成为神经科学和物理学的奇怪组合。即使答案不在于网络的互联性，但它肯定需要学科的互联性。
乔治·马瑟是一位物理学和宇宙学的作家，著有幽灵般的远距离行动和《弦理论白痴指南》。他是该杂志的特约编辑鹦鹉螺,他之前是科学美国人了14年。他曾获得美国物理科学学会写作奖等奖项。
本文首先在2017年5月的“意识”问题中出现在线。
