本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。
什麼是自由意志？神經迴路如何產生自由意志？乍一看，這個問題似乎相當瑣碎。我們每個人都清楚地感覺到自己擁有自由意志。感覺世界盡在掌握——憑藉我們的智慧和意志力，我們可以克服逆境。但這個問題實際上很深刻，甚至先於科學，因為它也是宗教的根本問題。耶穌會士的難題是，如果上帝是完美的，並且知道我們所有的命運，那麼未來至少對他來說是已知的，因此，既然永恆的整個範圍內每個決定都已被安排好，不可更改，又怎麼可能有自由意志呢？如果這是真的，就不可能有真正的決定，無論它們看起來多麼自由。無論任何給定的決定多麼隨機或多麼一時興起，上帝都知道你會那樣做。
同一難題的科學版本並沒有太大不同。拉普拉斯想象了一個類似的場景，完全基於一個粒子宇宙。把宇宙想象成一張檯球桌，宇宙中的所有粒子都像許多臺球。如果你能知道桌子上所有球的向量，以及球與球之間以及與球桌本身相互作用的所有物理規則，你就可以預測桌子上球的任何未來位置。所有可能的相互作用都可以向前模擬到未來的任何時間點。但是，即使在臺球桌（或其他封閉系統，比如宇宙）中，你並不完全知道每個向量，這種思路也表明，儘管你無法準確預測未來，但你仍然知道未來是可預測的。在這樣的宇宙中，一切都註定會發生。
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如果我們的宇宙以這種方式是確定性的，那麼就不可能有自由意志，因為從宇宙大爆炸的那一刻起，你就註定要做出同樣的決定——你的每一個決定。並非你不做決定：你確實做。但你在兩個具有相同大爆炸的不同宇宙中會以完全相同的方式做出決定。這意味著宇宙從一開始就密謀讓你和你的另一半走到一起。實際上，這非常浪漫，只要你足夠幸運，擁有美好的生活。但如果不是，你就真的完蛋了，宇宙在過去140億年裡一直在策劃你的滅亡。
對於一些物理學家來說，這些問題根本不是問題，因為他們聲稱宇宙不是確定性的。也就是說，量子層面對粒子的影響是真正隨機的。因此，如果相同的宇宙大爆炸在兩個由完全相同的粒子組成且具有相同初始向量的不同宇宙中發生兩次，仍然會導致不同的未來，因為量子層面的隨機效應會改變事物。其他物理學家，包括斯蒂芬·霍金，對量子策略嗤之以鼻，反而得出結論，量子效應可能在低水平上稍微隨機化粒子向量，但僅在如此微小的規模上，以至於與人類生活無關，並且宇宙在所有意圖和目的上都是確定性的。這對我來說是真實的——量子力學預測一切皆有可能，機率各不相同，但這意味著，在每次迭代中，給定相同的宇宙大爆炸和相同的粒子宇宙，事物可能會一次又一次地以現在的方式發生。
因此，宇宙要麼是確定性的，要麼是非確定性的，而你選擇墨西哥捲餅的紅色醬汁還是綠色醬汁的自由意志懸而未決。首先，為什麼自由意志會成為問題？一片草葉在一整天中旋轉以追隨太陽，這個過程被稱為向日性。但它有意要追隨太陽嗎？不，這只是一種化學反應，其基礎是已知的，而且很容易解釋。需要明確的是，我拒絕草葉在某種低水平上是有意識的這種想法。這很愚蠢。好吧，現在，如果你取一個神經元——一個腦細胞——把它放在一個裝滿它所需營養物質的培養皿中，然後在上面噴灑神經遞質呢？它會以劇烈的爆發作出反應。它有意要爆發嗎？ “嗯，啊，不，我想不是”，你可能會有些不舒服地說，因為你意識到你的顱骨只不過是一個培養皿，它提供了你的大腦所需的所有營養物質，而每個神經元上的神經遞質都來自同一培養皿中的其他神經元。
讓你的意志更加不自由的是，德國柏林伯恩斯坦計算神經科學中心John-Dylan Haynes實驗室的研究表明，從腦部掃描資料中可以預測人類志願者即將做出的決定，其水平優於偶然，甚至在志願者自己知道他們將要決定什麼之前的10秒。因此，無意識過程實際上在你甚至知道自己正在做決定之前很久就控制了你的決策。哇！
所以就這樣了，我們完了，沒有自由意志，對嗎？宇宙無法維持它，你的大腦在你之前就已下定決心，而你僅僅體驗到了一種錯覺，即自從你學會爬行並發現自主感的那一刻起，你就一直處於控制之中。
別那麼快。達特茅斯神經科學家Peter Tse出現了，他在他的新書《自由意志的神經相關性：批判性因果關係》（麻省理工出版社）中找到了一箇中間立場。Tse認真思考了這一巨大的問題，並意識到一些重要的事情，這些事情將自由意志帶回了生命領域。請記住，決定論是宇宙在宏觀層面（而非量子層面）不可避免的事實。那麼，如果宏觀宇宙不是確定性的，那又會怎樣呢？因為大腦被設計用來透過專門的神經元通道的作用，將量子層面的粒子效應放大到宏觀層面，從而使決策可能真正具有隨機性？
大多數神經元上都有化學受體，它們接收神經遞質（其他神經元分泌的化學物質團塊），然後透過開啟離子通道來響應，導致神經元產生神經衝動（又名：宏觀現實世界的事件，普通人稱之為“大腦活動”或“思想”）。好吧，在一個確定性的宇宙中……那又怎樣？如果你有足夠關於宇宙的資料，你本可以在我出生之前就預測到我曾經有過的每一個想法。對嗎？ Tse說不，因為一些化學受體，稱為NMDA受體，實際上被單個鎂原子阻斷，必須先釋放鎂原子，離子才能流動以引起大腦活動。由於宏觀大腦活動因此依賴於單個原子的位置，而原子本身是量子層面的生物，這意味著這些神經元將鎂原子的量子層面活動放大到神經迴路行為和現實生活的水平。因此，我們的行為確實受量子效應的影響，宇宙不可能是確定性的。
我喜歡Tse的書。它真的讓我感到自由。它以充分的光彩、精美的細節解釋了這些想法，並且比我在這裡總結得要好得多。
後記補充：作者Peter Tse聯絡了我，認為可以透過指出以下幾點來澄清一些潛在的讀者問題：大腦在神經元、樹突和受體水平上作為巧合檢測機器工作，量子層面的隨機性透過隨機化峰值時間來產生影響，因此這決定了什麼將被視為巧合。此外，本書的一個關鍵思想是，與計劃相關的某些大腦回路可以極快地改變突觸權重，因此神經元即使在短時間內，也可能基於量子層面效應帶來的快速突觸權重變化，對相同的輸入做出不同的反應。這可以改變神經元響應的資訊，從而使神經程式碼不僅成為峰值程式碼，而且成為突觸權重程式碼。例如，執行迴路可能會設定記憶迴路應回憶政治家的標準。瑪格麗特·撒切爾可能會浮現在腦海，因為她符合這個標準。但是，在完全相同的初始條件下，奧巴馬也可能浮現在腦海。誰浮現在腦海是偶然的。這不是確定性的，因為結果可能以其他方式出現。但它也不是隨機的，因為結果必須是一位政治家。