脑科学和心理学,或许正在呼唤自己的牛顿

宏观地梳理一下自然科学史,会发现一个规律:自然科学的一个分支在充分发展时,必定会经历两个连续的阶段——“描述性阶段”和“理论阶段”。“描述性阶段”通常会深入地回答自然现象“是什么”的问题,在此基础上,会有一个杰出的科学家,提出一个关于“为什么是这样”的经典理论模型。经典力学、经典电磁学,已及进化论,都经历过这样的阶段。另一方面,经典的自然科学理论通常会有一个优雅、简洁的数学模型。那么,脑科学和心理学这样的心智科学,也会呈现这样的特点吗?心智科学会有不同于其他经典自然科学的特点吗?心智科学什么时候才能迎来自己的牛顿、麦克斯韦或者达尔文?

经典力学、经典电磁学、进化论的启发

牛顿三大定律、万有引力定律和微积分,使得牛顿成为过去一千年中最杰出的科学巨人。但是,如果没有伽利略、第谷、开普勒等人的研究,就不会成就牛顿。今天,中学生可以用初等数学的知识,在开普勒行星定律的基础上推演出万有引力的公式。伽利略的故事已经人尽皆知。关于第谷,不得不提赞叹他在进行天文观测时的毅力和严谨。第谷一生与茫茫星空相伴,他所做的观测精度之高,是他同时代的人望尘莫及的。他编制的恒星表,至今仍然有价值。虽然第谷的宇宙模型后来被证明是错误的,但他精确的观测资料,让他的学生开普勒发现了行星运动三定律。伽利略的惯性定律和自由落体定律、开普勒的行星运动定律,回答的是物体“怎么运动”这样的“描述性问题”,只需要简单的数学语言和运动学概念就可以表述。牛顿的贡献是回答了物体“为什么这样运动”的问题,并用微积分这样优雅的数学语言进行了描述。

沉思的牛顿

经典电磁学,有着极其类似的故事。贫苦铁匠家庭出身的法拉第,仅上过小学,但他对电磁现象的一系列实验研究,永久地改变了人类的生活,为后人永远铭记。法拉第一生最幸运的事,就是为他的老师——著名的化学家戴维所发现。或许是因为嫉妒,戴维曾以一张反对票阻止法拉第成为皇家学会会员。虽然戴维对物理学并没有多大贡献,但晚年的戴维认为,他一生最大的贡献,就是为人类发现了法拉第。法拉第的数学底子比较薄弱,但他的工作让电磁学完成了它的“描述性阶段”。电磁学的“理论阶段”,则由麦克斯韦,另一位牛顿级别的理论物理学家来实施。麦克斯韦以其天才的想象力和数学见识,为法拉第的思想提供了数学描述,并且提出了全新的统一电磁场理论,揭示了电磁现象的本质;它还计算出了电磁播的速度与光速相同,从而预言光是一种电磁波,开启了光学的新篇章。

进化论的发展历史,也同样经历它了“描述性阶段”和“理论阶段”。进化论并不是从天而降,突然砸中了达尔文这位天才的大脑。在达尔文之前,博物学已经存在了几千年,动植物培养、化石记录、解剖比较、退化器官、胚胎发育和生物地理分布,提供了大量散乱的事实和数据。达尔文本人也曾经以博物学家的身份,参加了英国派遣的环球航行,做了五年的科学考察,对动植物和地质进行了大量的观察和采集。进化论是达尔文在这些数据的基础上经过综合探讨,才产生的概念。

脑科学和心理学处于什么阶段?

对于人类的大脑,我难以抑制自己对它的好奇。但作为一名心理学专业毕业的本科生,四年的专业学习并没有让我对大脑和心理产生多么深入的认识。中学时对经典物理学产生的那种简洁和优雅的感觉,我无法在心理学同样地感受到。四年中,我见识了与心理学有关的各种繁琐的科目:人体解剖、普通心理学、发展心理学、生理心理学、人格心理学、教育心理学、社会心理学、实验心理学、认知心理学、情绪心理学、心理学史、心理统计与测量、营销心理学、管理心理学等等;在每本厚厚的书中,我还见识了一堆又一堆的学派、方法、理论、模型。现在整理我脑中的心理学知识,我感觉就像进了一间被强盗打劫过的图书馆,一片狼藉,无比杂乱。

于是我认识到了一个的事实:如果心智科学也会经历“描述性阶段”和“理论性阶段”,那么它显然身处前者。但是我相信,这个阶段快要结束了。

正电子发射型计算机断层显像等先进技术,就像脑科学领域的天文望远镜,说明我们对人脑的物质层级已经达到了很深入的认识。形形色色的子学科和理论模型,说明人类对于心智的研究,已经积累了大量的事实和数据。如火如荼的人工智能研究,急需一个深入的、整体的心智模型。史诗级大脑研究工程的涌现,昭示着科学家探索大脑的决心。而分布在全球的神经科学实验室,还在不断地产生新的数据。但身处信息大爆炸时代,我们对心智的理解依然混乱且贫乏。或许,我们处于科技大变革的前夜,心智科学正在呼唤自己的牛顿,来完成一个划时代的、大一统的伟大理论。

脑科学和心理学具有什么自身的特点

但历史似乎从来不是简单重复。心智科学会有不同于经典自然科学的地方吗?这样大一统的心智模型,真的是可能的吗?它会像牛顿力学或麦克斯韦电磁场理论那样,拥有简洁优雅的数学形式吗?

麦克斯韦和他的电磁方程,物理学家相信,宇宙遵循简介的数学规律

麦克斯韦和他的电磁方程。物理学家相信,宇宙遵循简介的数学规律

大脑是主体和客体产生交互的场所。脑科学和心理学之前的所有经典自然科学,研究对象都是客观的物质世界。人的大脑作为物质世界的一部分,自然可以被纳入经典自然科学体系中来进行研究。但大脑同时又是主体认识世界的场所,客观的物质如何产生主观的精神呢?大脑的这种双重身份,使得心智科学面临经典自然科学未曾遇到的哲学困境。如何解决这一问题,考验着未来的某颗天才大脑。

大脑不同于经典自然科学研究对象的另一个地方,是大脑作为一个复杂巨系统,拥有自组织、自适应等非线性特征。这导致了其惊人的复杂性。如何由天量的原理简单的神经元,组织成功能丰富的大脑,需要新的方法论和数学工具。这种未来的数学工具,可能是是简洁优雅的,也可能是天书级别的,我们当然希望是前者。虽然宇宙学研究的是充满无数天体的广袤宇宙,粒子物理学研究的是无穷无尽、飘忽不定的基本粒子,但物理学家依然相信在这种庞大的数量级背后,拥有简单的数学规律。脑科学和物理学在这一点上,具有某种相似性,这种相似性背后,是否会存在一个更高层级的统一数学原理?系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、突变论、协同论,以及“复杂性思潮”,这些介于科学和哲学之间的理论,会给我们带来某种启发吗?

总结

不管如何,脑科学和心理学正在面临巨大的已有的和正在产生数据,如何消化和整理这些数据,将考验这个时代最聪明的大脑。已经有人在这么做了,不是吗?比如《On Intelligence》的作者,就提出了一个大脑皮层模型,并且开了公司,正在用计算机来模拟它呢。

你我共勉!