从形式因理解神经科学动力学模型的底层逻辑

孟佳莹

在当代心灵哲学和神经科学中，亚里士多德的形质论和四因说受到越来越多的关注。笛卡尔的身心二元框架所产生的身心问题，如心理因果、现象意识等，在传统框架下很难有新的突破[1]。泰伦斯·迪肯（Terrence Deacon）、威廉·贾尔斯基（William Jaworski）和艾丽西亚·阿雷罗（Alicia Juarrero）等哲学家都回到亚里士多德的理解模式，以期对生物、意识和自我等重要的科学哲学问题发现新的启发与探索。本文首先简单介绍形式因与动力因，然后揭示迪肯动力学模型的底层逻辑，最后阐释形式因在模型中起到的作用。本文想要表明，理解身心问题需要新的框架，这种框架不仅是概念研究，而是概念研究和经验探索的结合，是哲学和科学的交叉研究。

一、形式因与动力因

亚里士多德在《物理学》中，把构成世界的基本成分看作是元素，他并不认为这些元素本身具有内在的动因。所以，亚里士多德认为这些元素都是被动的、消极的质料，无法为事物为什么变化提供充足可信的理由，因此仅用这些元素来解释事物变化的原因是不完备的。虽然亚里士多德否定了事物是连续运动的，但这也具有部分合理性。在当代心智哲学中，有另一种解释亚里士多德的方式，它更宽容，更具启发性。比如迪肯、威廉·贾尔斯基和艾丽西亚·阿雷罗都类似地提出用一种新的视角理解亚里士多德的因果观点。

威廉·贾尔斯基在《心智的形而上学和结构：如何用形质论解决身心问题》一书中提到，形质论认为大脑不产生思想、感觉、知觉和行动，这些反而是大脑其他有机子系统和周围的材料三者力量的协调表现；思考、感觉、感知和行动体现在肌肉收缩、神经元收发信号等生理现象中，但它们不是由这些现象产生的，因为结构化的事物一般来说不是它们结构中低层次事物发生因果关系后的副产品[2]277-278。艾丽西亚·阿雷罗在《复杂系统中自上而下的因果关系和自主性》一文中指出，复杂的动力学系统既不是完全僵化也不是完全随机的，他们会在全局层面显示出一种独特的平衡，也就是保持系统内部一种相对稳定性，同时又在系统的各个部分显示出分化和多重可实现性。随着时间的推移复杂的动力系统越来越趋向于自我导向，这种变化主要集中于自上而下的因果关系类型上[3]83-84。阿雷罗所提出的在组成复杂系统方面的全局特性与迪肯的观点类似，迪肯也认为一事物的变化是在其形式中受全局制约，所体现的特性也是这种系统内部特殊的平衡。二者的理论依据都是建立在动力学基础之上的，为此阿雷罗认为迪肯抄袭她的观点，虽然起诉以失败告终，但足以证明用动力学系统的描述使读者重新思考因果关系，亚里士多德的形式因已经被越来越多的哲学家和科学家所认同。

自启蒙运动以来，动力因成了科学家、哲学家关注的焦点：由能量和力驱动的因果关系。世界在基本层面由原子、电子、甚至是夸克等更小的粒子构成，这些粒子只具有数学或物理特性，按照可以表示为数学形式的定律运动[4]260。一切原因和结果之间的关系都可以还原为物体在时空中的运动关系。通过这种运动所表现出来的力，其原因和结果在数学上是等价的。我们对于事件的解释可以将它们拆分或分解成构成他们基本单位的运动，用方程来表述和计算，这种方法在时间上是可逆的。如果某个事件在等式的一端发生，那么我们就可以精确计算得出等式的另一端，从而精准地推断或预测事件发生的前件和后件。但是，亚里士多德的因果观与隐含在科学中的因果关系相比更加多元化，亚里士多德将原因分为四个方面：回答了事物为何存在的质料因、事物为何开始或停止运动的动力因、事物为何以特定方式运动的形式因和事物为何运动的目的因[5]29-30。

牛顿力学中隐含的现代意义上的“动力因”，也仅仅是抓住了亚里士多德思考变化和因果关系的一种方式。而亚里士多德的因果关系假设了一个与我们现代观点不同的因果观。亚里士多德认为，宇宙中具有的四种基本物质——土、水、气和火；每种物质都具有下沉或上升的内在属性，直到它达到其宇宙层次中的自然位置；结果，每一种物质表现出相对于其他物质形式改变位置的倾向，直到它最终到达这个稳定的状态，也就是回到它原来的自然位置。由于这些基本趋势与其他形式的物质混合在一起，并在许多其他方面受到阻碍，因此这些基本趋势可以保持潜能，并能够在不太受限制的情况下在以后表达自身。如果一个人想要以偏离这些自然趋势的方式混合事物，或者以与这些自然趋势相反的方向移动事物，例如，在山上向上举起石头，或者将空气向下注入水中，就需要一个动力因。虽然对现代科学来说，这仅仅是亚里士多德的假想，但是处理事物为什么会发生变化的不同方法表明了一种观点：可以部分地调和亚里士多德的多元因果观与现代因果观，使我们对亚里士多德的因果观有一个更合理的解读。

二、动力学模型的底层逻辑

迪肯是加州大学伯克利分校的教授，神经科学家，人类学家。迪肯以进化生物学和神经科学结合起来的研究人类认知的进化而著称，特别关注人类认知的进化、人类语言能力和功能的进化。2011年出版的《不完备的自然：心智是如何从物质中涌现的》一开始就接受了其他理论试图否认的观点：尽管心智缺乏物理属性，但这些属性是事物发生物理过程所必需的环节。而且心智和物理属性之间具有因果关系，这种因果关系本质上是不完备的，因此与迄今为止仅有的物理学和化学所解释的任何东西都不一样。该书具有根本挑战性的结论是：我们是由这些特定的缺失构成的，没有实体化的心智可以通过指导实践活动一样具有物理效力。它提供了一个思想的转变，表明即使是意义和价值也可以被理解为物理世界的合法组成部分。哲学家伊文·汤普森（Evan Thompson）认为迪肯的作品描绘了动力学、信息论、复杂系统理论和生物学，使我们理解与生命有关的心智特征以及与无生命物质有关的生命特征，并不忽视其连续性。

国内对于迪肯的研究：周理乾的研究侧重于迪肯动力学模型对于系统科学的意义以及用迪肯涌现动力学理论试图回答生命与心灵强连续性的问题[6]；王萍等从信息论的角度出发，通过迪肯基于约束和做功所提出的物理性机制，建立起从句法到语义再到规范性的三层级动力学机制[7]。

迪肯认为从笛卡尔的“我思”（Cogito）出发是不明智的。这一观点假定了我们最终需要解释的心智（mind）。但这面临着两难：第一，因为心智的实在性是显而易见的，所以我们不能否认心智是确实存在的。第二，因为主观经验是一种高级的意识经验，里面包含很多因素，所以我们也不能将复杂而特殊的主观经验作为研究的起点[8]319-338。

迪肯试图从最基本的有机体、生物体开始来理解心智。迪肯将笛卡尔解决心身问题的方法加以悬置，把研究心智问题的视角回归亚里士多德，他从亚里士多德对事物变化原因的批评出发，用动力学刻画简单的有机体，试图为理解复杂的心智问题获得一些新的视角和观点。笔者认为，人就是一个动力学系统，人类的大脑尤其反映了动力学特征，因此从动力学进路来理解大脑及心智就是一个相当重要的工作。

迪肯对于事物为什么变化的解释不同于亚里士多德，亚里士多德把事物的变化看作是被引发的，事物的自然状态就是静止和被动的，如果某一事物没有持续被引发，那么这一事物将趋于静止。迪肯认为根据亚里士多德这种常识理解会造成一些困难。例如，原子是由持续围绕原子核运动的粒子组成的，那么又需要解释这些粒子又是由什么“推动”的。迪肯认为造成理解困难的根源在于我们混淆了不需要其他任何影响的自发发生的变化（spontaneous change）和需要外在其他事物影响的非自发发生的变化（non-spontaneous change）[9]213-214。可以简单称之为自发变化和非自发变化。自发变化就是指像匀速直线运动，将一冷一热两个物体接触，这两个物体最终达到温度的平衡这样的变化；非自发变化是类似于物体被加速，或被撞开，或被加热成不同的温度，或者原来稳定的结构被打破这样的变化[9]213-214。

自发变化与非自发变化之间的差异常见于日常经验之中，迪肯认为这也是“对称性破缺”（broken symmetry）的基础，这种不对称性也是热力学第二定律的本质①对称性破缺也是不可逆的过程，当孤立系统自发地从一状态变成其他状态，不能回到原状态的过程。自然界中没有纯粹的热力学过程，即使在理想的情况下也会有摩擦和热耗散，所以自然界中可见的现象都是不可逆的。第二热力学定律就是描述的这种不可逆性，比如像克劳修斯讲的“不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响”，开尔文讲的“不可能从单一热源吸收能量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。”它们都描述了热力学的过程的非对称性。。不妨设想一个常见的热力学现象，正常温度下在一个杯子中放入一块糖，可以观察到这块糖缓慢地溶化在水中，直到其消失在水中，这是一个自发的过程。如果想要使糖更快地溶于水，可以使用更热的水，或者用搅拌的方式，加快微观分子运动速率，不需要干预糖溶于水的基本过程。但是，如果用物理化学的方法将糖从水中提取出来，不干预其基本过程则无法得到原初的数量和结构②这里的数量和结构既指宏观上即物理的质量和形态，也指微观上的分子原子的数量结构发生变化。。这种需要干预才可以把糖从水中提取出来的过程叫作非自发的变化。

迪肯认为这两种变化的因果不对称是合理的，我们不该误解“原因导致发生”（cause-tohappen）的含义，因为自发变化和非自发变化的发生都是某些形式的相互作用或是受到发生条件的约束[9]222，也就是某种动力因的形式因，虽然这两种变化都是原因造成的，但是它们的结果是二分的。比如，一个与外部环境隔离的容器气体，在这个容器的外部使用加热器加热，容器内加热区域的分子比其他非加热区域的分子移动速率更快。但是如果把加热器拿开，容器内气体开始趋于平衡，较冷分子和较热分子之间的空间位置分布变得越来越均匀。在这里，迪肯认为我们可以区分两种情况：第一，从干预外部条件加强原因才能发生变化；第二，事物内部存在原因，需要受到外部干预，对内在原因产生阻碍，变化才会发生。

更进一步讲，迪肯认为要区分通过外部干预发生的变化和需要干预以防止的变化，但是缺乏描述这种差异的术语。为此，他提出了两个新的词语：“我将把系统状态的变化称为与自发的‘自然’变化趋势相一致的变化，不管外部干扰如何，这就是顺势变化（orthograde changes）。这个术语字面上指的是随着事物的等级、倾斜或趋势而变化，如在下降中，或‘随波逐流’。相比之下，我将把一个系统状态的变化称为必须是外在强制的，因为它们与顺势趋势相反，叫作逆势变化（contragrade changes）。”[9]223逆势变化是非自发和内在的，并不代表是非自然和人为的。顺势变化是所有变化的基础，逆势变化是顺势变化发生相互作用的自然结果，而不是人为的，也就是说我们不能用人为和非人为把顺势变化和逆势变化作简单的二分。

我们从相对因果隔离的角度可以较为清晰地区分顺势变化和逆势变化，即区分内在因果和外在因果的影响。在一个与外界隔离的系统内部会自然、内在地展现出顺势变化趋势，而逆势变化趋势只会与具有不同顺势趋势的系统的外在关系有关。迪肯认为用顺势变化和逆势变化重新定义热力学过程为我们提供一种比牛顿和热力学分析更加普遍的区别。比如，在牛顿运动定律中，匀速直线运动的小球保持其运动状态被叫作顺势变化，如果两个来自不同方向做匀速直线运动的小球相互碰撞，改变了各自原有的运动轨迹，这种现象被描述为逆势变化。在热力学系统中，糖自发地溶于水，微观层面上的水分子和糖分子的分布会变得越来越均匀，直到达到一种平衡状态，把这个过程称为顺势变化；而用物理化学的方法将糖从水中提取出来的过程则是逆势变化，这里的溶解和提取都是宏观的、一般意义上的变化。迪肯认为，这种变化的解释也与规模有关，溶解过程中糖分子从其原有的晶格中移出也是微观逆势的结果，与此同时，糖分子与水分子之间的相互碰撞改变了各自原先的所处的位置，分子之间每一次的相互碰撞，一定程度上也是一次次逆势变化的结果[9]225。另外，糖分子与水分子的相互碰撞，改变其原有的运动状态，最终达到平衡分布，所以可以说较低层级的逆势动力学可以产生更高层级的顺势动力学。

至此，迪肯区分了自发变化与非自发变化，并用这两种变化解释了简单的顺势变化和逆势变化两个概念。这种概念区分有助于我们用新的组织方式，刻画不同的因果关系。使用顺势变化和逆势变化不仅可以使我们区分外部干预发生的变化和需要干预以防止的变化，还可以赋予事物定义新的内涵，即对变化的抵抗和克服对变化的抵抗。因为自发变化无处不在，非自发变化是以两个或多个自发变化相互作用的结果，所以非自发变化也会随时发生，每一个顺势变化之间的相互作用改变了原有位置，也就是“一个过程用某种方式抵消了另一个过程的影响”[9]225，也就是顺势过程之间的相互约束。一个顺势过程的全部展现①是指它可以扩散到所有可能的位置并保持相对稳定的平衡状态。使另一个或多个顺势过程的不能完全展现。

约束在迪肯的动力学概念中也是一个关键的概念，约束指的是对象被局限或限制在规定界限内的状态，有秩序或有组织的对象被局限在它的范围和变量以内，所最终呈现的形式。在统计力学中，约束是一个技术术语，指的是可能潜藏在对象内部而不被对象所集中表现的现象，用来描述在对象中变化自由度的减少或对可能特性变化的限制[9]192。在日常用语中，约束往往被理解为一种外部限制，反映了一些外在加强的因素，减少了对象发展的可能性和可选性。比如，火车的运行受到轨道的限制，农民种植作物受到了当地气候的限制，公民的社会行为受到法律的限制，等等[9]192。

迪肯认为这里的约束是相对于顺势变化最大值定义的，也就是顺势动力学变化逐渐趋于稳定的平衡状态，受到约束的过程是某些其他顺势变化过程无法发生的过程。比如，在一个充满氧气中的密闭容器中加入清水直到加满，水分子会慢慢充满整个容器，这是一个顺势变化，那么这个顺势变化的最大值就是容器的体积。那么对于水充满整个容器的约束，既来自整个容器壁所施加的约束，又来自水分子与原来存在于容器中的氧气分子相互碰撞产生的结果。迪肯认为，这也意味着一个级别上的逆势过程可以为约束生成更高级别的顺势过程生成条件，这或许也能成为重新认识具有典型动力学特征的有机体（包括自我、大脑、意识）的新思路[9]226。

迪肯理解热力学第二定律背后的微观动力学的方式使我们需要考虑物理因果关系的方式变得复杂，但它也提供了一种更精确的方法来制定顺势变化和逆势变化的概念，有助于解开围绕自然的混乱的涌现现象。

通过与亚里士多德的形式因和动力因进行比较，可以直观地了解迪肯如何重构因果关系的概念。发生顺势动力学变化是因为该系统中分子的可能运动轨迹未受干扰的反映。在这个意义上，它是这个空间顺势变化的结果。只要有任何变化发生，顺势变化就会发生。迪肯认为这是在现代科学框架中重新解释亚里士多德形式因概念的合理方式，因为导致不可逆的根源是形式或者是发生变化事物的原理[9]230-231。然而，在没有干预的情况下，逆势变化往往不会发生。它外在地强加于一个不会自发地朝着某个方向运动的系统上。逆势变化的来源是我们通常理解的事物的机械原因，从这个意义上说，它是外部干预发生变化和需要干预以防止变化的结果[9]230-231。因此，这为亚里士多德的动力因提供了一种适用于现代科学框架的更精确的重构。

三、动力学逻辑与形式因

迪肯认为区分顺势变化和逆势变化的方式来分解因果概念的价值有两点。

第一，它可以帮助我们避免粗略的还原论和朴素的涌现论这两个缺陷。可以避免用简单的自上而下的因果（top-down causation）解释涌现现象或向下的因果（downward causation）来解释还原论[9]231。自上而下因果涌现论认为系统的最高层次出现的新的属性可以对系统中较低层次的过程施加影响。比如维持生物分子之间相互合成营养物质和代谢废物的细胞，并不是独立于整个生物系统，而是在这个系统中通过参与合成营养物质和代谢废物产生的，它们既是更大系统的组成部分，又是相对的较小系统的产物[9]231。迪肯认为这些分子可以通过自下而上的因果逻辑（bottom-up causation）生成系统，系统也可以用自上而下的因果逻辑方式产生分子。相同级别的分子之间相互作用，产生约束，进而产生更高级别的系统，更高级别的系统会产生一种新的组织模式，每个分子被不断运动的动力学系统所捕获，它不仅与其他分子有外部联系，它的行为也受到所在系统的约束。在更高级别系统中，迪肯同意克鲁兹·伊迈克（Claus Emmeche）的观点，认为“向下的因果关系不能被解释为任何一种动力因果关系”[9]232。因此，迪肯把向下的因果关系解释为一种描述形式因关系的组织原则。

第二个价值在于，可以对微观层面的变化或者分子或粒子间的相互作用进行描述，而不是认为不存在的东西就不会对真实事件产生因果影响。迪肯认为从一个状态到另一个状态的可能变化形态或运动轨迹并不重要。虽然准确地说，从一个状态到另一个状态的变化的原因是气体中分子碰撞的动力学使气体向平衡转变，但将这种分子轨迹的不对称性归因于这些分子间碰撞是不准确的。在迪肯对形式因和动力因的重新表述中，状态的不断变化是形式上引起的，但这些变化的不对称性也是形式上引起的。这种分析表明：如果所有逆势变化都是顺势过程相互作用的结果，根据亚里士多德的术语，可以得出结论，所有动力因最终都取决于形式因。

然而，在物理世界和心智中，逆势过程和顺势过程之间的关系可能要复杂得多。顺势和逆势过程也可以相互之间具有层次依赖关系。这隐含在这样一个事实中，即热力学熵的宏观顺势增加（向平衡的变化）取决于微观逆势过程（分子相互作用，例如碰撞）。但是，虽然这些微观相互作用的动力因果关系不足以解释熵增加的高阶顺势动力学所固有的不对称性，但如果没有这种持续的源源不断的微观逆势动力学，高阶顺势过程将不存在[9]233-234。如果不是在较低级别发生不断的逆势变化，系统在不同时刻的各种状态将无法“探索”这种不对称的可能性轨迹。尽管如此，形式因依旧对于理解心智动力学具有根本的作用，形式因规定了生物体的基本形态，为心智动力学的涌现提供了形式上的可能。身体的有机部分不是机器，没有所谓的灵魂，因为身体是由低级别自我组织起来的，是一个循环的动力学系统。从形式到生成的这种动力学角度来看，人的主体性并不是一个需要用高度复杂的手段和工具分析来解决所谓的意识的“难问题”①“难问题”是由大卫·查尔莫斯提出的，参见《有意识的心灵》一书。诸如什么是意识，为什么意识经验存在，如果起因于身体系统，它是怎样产生的，这是意识理论必须回答的核心问题。。因为它会使我们放弃一个实质性的自我，去支持由约束构成的自我，而约束是没有呈现出来的东西，而约束的边缘却是呈现出来的东西。这种复杂的动态过程，以及各种不同形态的动力学都是动力学的相互限制，心智动力学是底层逻辑，不是过程本身，物质或能量变化是心智问题的实例化研究。

四、小结

我们承认从基本的物理存在到意识经验过程中存在解释难题，但迪肯认为这并非形而上学的难题。现代神经科学用科学的手段探测人脑的奥秘，而哲学家们则假设着解释身心问题的各种可能性。迪肯认为，哲学家和科学家都忽略了复杂因果的中间层次。用形式因调解从动力因到目的因的涌现，而不是将目的因简化为动力因，这就是亚里士多德形式因学说带给当代哲学和科学最重要的教训。迪肯主张用这种动力学模型调节知觉经验和物理过程的关系。理解生命体、有机体以及大脑、自我、身心问题需要新的因果框架。这种框架不仅是概念反思，而是概念反思和经验探索的结合，哲学和科学的交叉研究预示了未来哲学的发展方向。