量子认知:物理理论还能解释人类行为?
2020-03-26 18:21

量子认知:物理理论还能解释人类行为?

本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:Nicoletta Lanes,封面:Matt Chinworth


在量子理论的世界中,薛定谔的猫处于生与死的叠加态,两个粒子即便在光年之外也能“相互对话”。通过量子理论,我们或许能真正理解这世界上最神秘的现象:人类行为。


量子力学与心理学大概是看起来毫不相干的两个领域。然而,近来科学家们认为这两个领域可能存在着一些有意思的关联:这些理论的目的都是预测看似随机的系统在未来的表现。他们的区别在于,一个领域旨在通过物理粒子理解世界本质,而另一个是从认知层面理解人类本质(及其包含的潜在缺陷)。


来自中科大的生物物理与神经学家张效初谈到,“认知学家们认为人类行为中存在着很多‘与理性相悖’的表现”。经典的决策理论常被用于预测人们是否会基于一些给定参数而作出合理的选择,但由于人类这种“非理性”的倾向,这些预测常常落空。而张效初认为,“量子概率理论能很好地解释”这种逻辑上的失误。


—  Matt Chinworth


张效初是量子认知(quantum cognition)的倡导者。在1月20日发表于《自然-人类行为》期刊的研究中,他与团队成员探究了心理学家们能否通过借鉴量子理论来更好地预测人类行为决策。在这个研究中,他们让被试参与了一项经典的心理学任务。在这项任务中,人们需要做出一些决定。与此同时,研究人员也在检测参与者的大脑活动:他们的脑成像结果表明部分脑区可能与这种“与量子相似”(quantum-like)的思维进程相关。


张效初表示:“这是首个在神经学层面支持量子认知的研究。”


是挺酷的,但这又代表了什么呢?


不确定性


量子力学理论描述了构成宇宙一切物质的微小粒子——原子及其亚原子成分的活动。该理论的一项中心原则是微观世界的不确定性(uncertainty)。与之相对的是,在宏观世界中,客观事件的发生大多是确定的。譬如,在宏观世界里,假如我们知道一辆火车此时在其轨道的什么地方以怎样的速度行驶,根据这些数据,我们能够计算出该列车将在何时到达下个站台。倘若数据精确可信,这种预测结果将是切实可靠的,它不会被不确定性所左右。


而当我们转而考虑电子活动时,情况便完全不同了——我们无法知道某个电子的确切位置及其动量,但我们可以计算出它以某一速率出现在某一位置的可能性。通过这种方式,我们可以模糊地预测出该电子未来的活动。


不确定性不仅仅充斥在微观世界,不确定性还渗透在我们的决策过程当中:下至决定该刷什么连续剧,上到选择给哪个总统候选人投票,不确定性无处不在。从这个角度看来,比起经典心理理论,量子力学因其理论对不确定性的包容,或许更适合预测人们的决策。


—  Matt Chinworth


经典心理理论认为人们做决定是为了实现“奖赏”的最大化与“惩罚”的最小化——换句话说,人们的决定结果是为了获得更多积极的结果以及更少的消极后果。心理学家们把这个过程称作“强化学习(reinforcement learning)”,根据2009年发表于《数学心理学》(Journal of Mathematical Psychology)的研究,强化学习承继于巴普洛夫的条件反射,两者均认为人们能通过总结过往经验来对自己行动的结果作出预测。


如果强化学习的理论框架真的成立,人们应当一贯地根据两个选择的客观价值来进行决策。然而在现实生活中,人们的行为决策并不总是如此:人们的主观感受往往会左右他们进行决策的能力。


薛定谔的硬币


让我们来想象这样一个例子:想象你正在进行一个抛硬币的游戏。如果硬币落地是正面,你能获得的两百元,落地是背面,你将输掉一百块。你能够选择只玩一局或是玩两局。1992年发表于《认知心理学》(Cognitive Psychology)中的研究显示,在这个情景中,无论第一局结果如何,人们往往选择再玩一局。一轮赢家选择抛第二次硬币可能是由于无论第二局结果如何他们都会赢钱,输家继续是为了减少损失。但是,如果玩家们不知道第一局结果,他们很少选择抛第二次。


在知道一轮结果的情况下,无论其结果是什么,人们大多选择继续。但在不知道第一轮的结果时,这种决策倾向发生了巨大的改变。这样一个看似不合常理的行为转变与传统的强化学习理论相悖——沿用该理论的预测,客观选择不应随情景变化而改变。然而,基于其理论中的不确定性,量子力学却能很好的预测这样一个奇怪的结果。


《量子社会科学》(Quantum Social Science)(牛津大学出版社,2013)的合著者伊曼·黑文(Emmanuel Haven)与安德烈·赫伦尼科夫(Andrei Khrennikov)认为,“我们可以这样理解:将‘量子模型’应用于决策中,其核心在于将量子概率(quantum probability)引用到了认知领域”。


—  Matt Chinworth


根据量子力学理论,正如同一个电子在同一时刻可能同时处于两个地方一样,第一轮抛硬币结果可能同时处于“落地正面”和“落地背面”两种状态(此处可以借鉴著名的思想实验:薛定谔的猫可能同时处于存活和死亡的叠加态)。而当一轮结果处于这样模糊的“叠加态”时,玩家们的最终选择将变得难以预测。同时,量子力学理论还认为,人们对于自己选择的预期后果,常常反映在他们的最终决策上。也就是说,人们的预期与他们的最终决策是交互影响,或是互相“纠缠”的(借鉴量子纠缠理论)


即便是两个相距很远的亚原子颗粒之间也可能相互纠缠、互相影响。例如,测量位于日本一个粒子的行为表现可能影响此时正位于美国的该粒子纠缠对象的行为。类比到心理学中,这种“纠缠”可能发生在信念(beliefs)与行为(behaviors)之间。黑文与赫伦尼科夫认为,“恰恰是这种‘纠缠’,影响了最终的行为反应”。这句话中的行为反应即每个玩家们的选择决策。“而通过量子概率,我们能够将这种纠缠模拟进我们的预测模型之中。”


根据美国人工智能促进协会(Association for the Advancement of Artificial Intelligence)于2007年发表的报告,科学家们能够通过数学模型来模拟两个相距甚远的叠加态粒子是如何进行量子纠缠的。该模型的厉害之处在于,它能够对人们在抛硬币范式中作出的不合理决策给出有力的预测。黑文与赫伦尼科夫认为,“这些通过逻辑推理无法解释的结果都能在量子理论中能得到很好的解释”。


量子游戏


张效初的团队在他们的新研究中比较了两个量子模型与十二个传统心理模型在预测决策行为上的表现。在研究中他们使用了爱荷华博弈任务(Iowa Gambling Task),该任务能够检测出人们根据错误经验调整选择策略的能力


在该任务中,玩家将被要求从四叠牌中抽牌。牌面数字代表玩家将会赢钱或是输钱,玩家的任务是赢得尽可能多的钱。这个游戏的机关在于每叠牌中牌面的配置。其中的一叠牌中赢钱的牌面较大,但整体输钱的牌也更多:从这叠牌中抽牌,玩家会在短期内赢得大量的钱,但长远的来看,这种策略将使玩家在游戏结束时输掉的更多;其余三叠牌中赢钱的牌面数目较小,但输钱的牌也更少。随着游戏进程,最终的赢家逐渐习得了从“稳扎稳打”的其余三叠牌中抽牌,而输家总是在能够短期赢钱的那一叠牌中抽牌。


在过往研究中,药瘾人群及有脑补损伤的患者在爱荷华博弈任务中的表现总是劣于健康人群。一篇2014年发表于《应用神经学:儿童》(Applied Neuropsychology: Child)上的研究强调,特殊群体在该任务中表现不佳可能与他们受损伤的决策能力相关。张效初的研究中招募了近六十个健康被试与四十个嗜尼古丁的吸烟者,该研究的结果也印证了这个结论。


Matt Chinworth


在该研究中,量子模型在预测结果的表现上与传统模型中的最佳模型表现相近。但张效初认为,“尽管我们的量子模型并没有显著优于传统模型......我们应当认清的现实是量子强化学习理论仍处于襁褓之中,我们需要更多的研究来完善这个理论框架”。


为了进一步推进研究价值,该研究团队在被试完成爱荷华博弈任务时同时通过fMRI脑成像技术扫描了他们的大脑。这样做的目的是揭示在习得、调整游戏策略时,被试的大脑中发生了什么变化。由于量子模型能够良好预测行为结果,研究者们认为,该模型或许也能预测该研究中的脑成像结果。


脑成像的确成功预测出健康被试在该游戏进行中被激活的一些脑区,其中包括了与决策相关的前额叶内的神经褶。而在吸烟组被试的脑成像中,被激活的脑区与量子模型的预测结果不尽相同。研究人员认为,由于该模型反映了被试(普通人群)基于错误经验进行学习的能力,该结果也进一步印证了吸烟人群的决策能力失调。


然而,研究者也表示,“我们仍需要进一步的实验调查”来证实吸烟人群与健康人群的大脑活动差别究竟意味着什么。黑文与赫伦尼科夫认为:“将量子模型与大脑中的神经生理学活动相联系将会带来许多复杂的问题。张效初团队的这项研究是非常重要的,因为他们是通向这条道路的开拓者。”


经典强化学习理论模型在涉及情绪、心理异常、社会行为、自由意志以及许多其它认知功能方面的学习中都取得了“巨大的成功”。张效初说:“我们希望量子强化理论也能照亮这些领域,为研究人员们提供更新颖独到的理解。”


假以时日,也许量子力学理论不仅能从宏观层面为人类逻辑上的缺陷找到答案,更能为我们解答,这种缺陷是如何在个体神经元上彰显的。


原文链接:https://www.livescience.com/quantum-like-model-of-decision-making-proposed.html


本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:Nicoletta Lanes,封面:Matt Chinworth

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