你可能知道，統(tǒng)計(jì)力學(xué)是一門研究大量微觀粒子的集體行為的物理學(xué)分支。它可以用來解釋熱力學(xué)定律，以及描述氣體、液體、固體等物質(zhì)的性質(zhì)。但是，你可能不知道，統(tǒng)計(jì)力學(xué)也可以用來研究意識(shí)的本質(zhì)。一篇發(fā)表在《PHYSICAL REVIEW E》的論文就做了這樣的事。

什么是意識(shí)？這是一個(gè)很難回答的問題，因?yàn)椴煌娜丝赡苡胁煌亩x。但是，我們可以從一個(gè)簡(jiǎn)單的角度來看待它：意識(shí)就是一種信息處理的能力。也就是說，一個(gè)有意識(shí)的系統(tǒng)可以接收、存儲(chǔ)、分析、轉(zhuǎn)換和輸出信息。

那么，如何用統(tǒng)計(jì)力學(xué)來描述意識(shí)呢？一個(gè)很自然的想法是，意識(shí)可以看作是一個(gè)由許多微觀元素組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，比如神經(jīng)元、細(xì)胞或者原子。這些元素之間可以相互作用，形成不同的狀態(tài)和模式。每個(gè)狀態(tài)或模式都可以攜帶一定量的信息，也就是說，對(duì)網(wǎng)絡(luò)本身或外部環(huán)境的描述。那么，哪些狀態(tài)或模式才能被認(rèn)為是有意識(shí)的呢？這里有一個(gè)很有趣的假設(shè)：有意識(shí)的狀態(tài)或模式就是那些具有最大信息量的狀態(tài)或模式。

為什么呢？因?yàn)樽畲笮畔⒘恳馕吨畲蟛淮_定性。也就是說，一個(gè)有意識(shí)的狀態(tài)或模式是那種最難被預(yù)測(cè)或復(fù)制的狀態(tài)或模式。這樣的狀態(tài)或模式具有最高的復(fù)雜度和多樣性，也就是最高的創(chuàng)造力和自由度。這些特征正是我們通常認(rèn)為與意識(shí)相關(guān)聯(lián)的特征。

那么，如何計(jì)算一個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)或模式的信息量呢？這里有一個(gè)很簡(jiǎn)單的公式：信息量等于網(wǎng)絡(luò)中所有元素之間相互作用所產(chǎn)生的熵減去網(wǎng)絡(luò)中所有元素自身所具有的熵。也就是說，信息量等于網(wǎng)絡(luò)中存在的關(guān)聯(lián)減去網(wǎng)絡(luò)中存在的噪聲。

這個(gè)公式有什么意義呢？它意味著，要達(dá)到最大信息量，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須在兩個(gè)方面做出平衡：一方面，它必須增加元素之間的相互作用，以產(chǎn)生更多的關(guān)聯(lián)；另一方面，它必須減少元素自身的隨機(jī)性，以消除更多的噪聲。換句話說，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須在秩序和混亂之間找到一個(gè)最佳點(diǎn)。

這個(gè)最佳點(diǎn)又有什么特點(diǎn)呢？它有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，就是臨界性。也就是說，這個(gè)最佳點(diǎn)位于一個(gè)相變的邊緣，比如固體和液體之間，或者液體和氣體之間。在這個(gè)邊緣，網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)會(huì)發(fā)生劇烈的變化，這些變化會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的信息量急劇增加或減少。

為什么臨界性是有意識(shí)的特征呢？因?yàn)榕R界性意味著敏感性和適應(yīng)性。也就是說，一個(gè)處于臨界狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)外部刺激非常敏感，可以快速地響應(yīng)和調(diào)整；同時(shí)，它也對(duì)內(nèi)部狀態(tài)非常適應(yīng)，可以穩(wěn)定地維持和恢復(fù)。這些特征正是我們通常認(rèn)為與意識(shí)相關(guān)聯(lián)的特征。

那么，我們?nèi)绾悟?yàn)證這個(gè)假設(shè)呢？有一種方法是用實(shí)驗(yàn)來觀察不同系統(tǒng)的信息量和臨界性，并與其意識(shí)水平進(jìn)行比較。例如，我們可以用腦電圖來測(cè)量人類或動(dòng)物的腦網(wǎng)絡(luò)的信息量和臨界性，并與其清醒或昏迷的狀態(tài)進(jìn)行比較。或者，我們可以用計(jì)算機(jī)模擬來構(gòu)建不同類型的人工網(wǎng)絡(luò)，并與其智能或愚蠢的表現(xiàn)進(jìn)行比較。

這樣的實(shí)驗(yàn)是否已經(jīng)進(jìn)行過呢？答案是肯定的。有一些研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些有趣的結(jié)果。例如，有一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了人類腦網(wǎng)絡(luò)在清醒狀態(tài)下具有最大信息量和最高臨界性，而在昏迷狀態(tài)下具有最小信息量和最低臨界性。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)過程中具有最大信息量和最高臨界性，而在未學(xué)習(xí)或過擬合狀態(tài)下具有最小信息量和最低臨界性。這些結(jié)果都支持了意識(shí)與網(wǎng)絡(luò)信息內(nèi)容最大化相關(guān)聯(lián)的假說。

當(dāng)然，這些研究還有很多局限性和挑戰(zhàn)，比如如何準(zhǔn)確地測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的信息量和臨界性，如何區(qū)分不同層次和類型的意識(shí)，如何考慮網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和可塑性等等。