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但这并没有阻止一些科学家进行猜测。1860年，德国生理学家古斯塔夫·费希纳（Gustav Fechner）做出了脑科学史上最大胆、最卓越的预测之一。费希纳指出，心智明显的一体性源自脑结构的完整性，这意味着如果你切断连接两个大脑半球的胼胝体，那么你将会产生两个心智。费希纳说，这两个心智最初是一模一样的，但随着经验的积累，它们会逐渐变得不同。[12] 直到一个多世纪后，这一戏剧性的假设才在美国通过精神外科学（psychosurgery）研究得到验证。
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几年后，丁达尔分别于1868年和1874年在英国科学促进会发表了两场影响深远的演讲，进一步解释了他的立场。演讲使用了莱布尼茨磨坊理论的现代版本：
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即使我们的心智和感官足够全面、强劲和聪慧，使我们能够看到和感觉到脑的每一个分子，即使我们能够追踪和观察它们的所有运动、聚集和放电现象（如果它们放电的话），即使我们非常熟悉思维和感觉的对应状态，对于“这些物理过程是如何与意识产生联系的？”这个问题，我们还是像以前一样一无所知。[13]
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对于丁达尔和莱布尼茨来说，以物理过程为基础来解释思维是不可能的，因为这两种现象存在本质上的不同。两人使用了不同的术语，但他们的结论是相同的。
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对于意识是如何产生的这个问题，当时主要有两种看法：要么承认这个问题的答案还不清楚，但总有一天会得到解答；要么像丁达尔一样，坚持认为这个问题在本质上是不可知的。埃米尔·杜布瓦-雷蒙同意丁达尔的观点，他在1872年掷地有声地指出，唯物主义永远无法解释思维的本质：“想象不出物质粒子能有什么样的运动可以将我们带入意识的领域。”[14] 他还提到，心智过程“不受因果律约束，因此是无法被理解的”。[15] 杜布瓦-雷蒙用一个拉丁短语结束了他的论述：Ignoramus et ignorabimus。几十年间，这个短语在有关科学知识局限性的争论中变得很有名，它的意思是“我们现在不知道，我们将来也不会知道”。
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这种质疑我们理解脑的能力的浪潮也影响到了进化生物学界。当涉及人类的进化时，达尔文的一些最紧密的追随者的态度也变得微妙起来，开始摒弃他们对自然选择的支持。1866年，阿尔弗雷德·华莱士提出，人类的进化，特别是人类心智的进化，不能用自然选择来解释，并认为其中一定涉及某种超自然的力量，这令达尔文大为震惊。这种态度激变的直接原因是华莱士在那年冬天参加了一个降神会，并开始痴迷于唯心论。在表演的过程中，灵媒尼科尔小姐突然出现在了一张桌子上，而且看起来是飘浮着的，她还变出了沾着露水的夏日花朵。[16] 这一切令华莱士着了魔。
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华莱士痴迷于“外质”（ectoplasm）[17] 和他眼之所见的证据，并把他新发现的关于精神世界的信念应用于人类的进化问题上，还用丁达尔的疑惑来支持他的新观点——人类不受达尔文理论的约束：
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无论是自然选择还是更普遍的进化理论，都无法解释任何有感知的或有意识的生命的起源问题……有意识的生命的出现是一个独特的现象，而人类拥有道德和高级智能也是如此。说后者起源于任何进化规律，这令人难以接受。[18]
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华莱士认为，适用于人类的法则与自然界的其他法则截然不同，其中重要的一点就是人显然无法解释思维的物理起源。[19]
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在达尔文的支持者中，华莱士并不是唯一一个认为人类进化需要某种超自然解释的人。在他出版于1863年的著作《人类古老性的地质学证据》中，著名地质学家查尔斯·莱尔整合了古生物学、地质学和人类学的一系列证据，论证了人类与其他灵长类动物拥有共同的祖先。[20] 这部著作使达尔文欣喜不已，但他对书的最后一部分却不怎么买账，因为莱尔在这一部分提出，只有神的干预才能解释人类语言的出现。[21]
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就连华莱士和莱尔这样的盟友也声称自然选择无法解释人类进化的所有方面，这使达尔文感到有必要更清楚地阐明自己的观点。1871年2月，他出版了著作《人类的由来》（The Descent of Man ），这本书采用了与《物种起源》同样有效的论证方法。在这本书中，达尔文提供了解剖学和行为学层面的同源性的例子，以揭示物种具有共同的祖先。他还将某些原始特征进行了比较，以此解释适应性的起源：这些特征曾经承担着不同的功能，但当前的用途已经变得相同。达尔文的结论是，即使是在脑、行为和道德这些领域，人类和其他灵长类动物之间也没有不可逾越的鸿沟。“我的目的，”他写道，“是要表明人类和其他高等动物在心智官能方面没有根本的区别。”[22] 达尔文的意思并不是说猿类和人类是完全相同的，而是说就像其他身体特征一样，不同物种的脑结构是存在延续性的，因此它们在心智上也是如此。
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《人类的由来》出版后不久，达尔文意识到他需要更多进化过程中脑结构变化的详细证据，因此他请朋友和支持者托马斯·赫胥黎（有“达尔文的斗牛犬”之称）为该书的第二版准备一个附录，比较人脑和猿脑的解剖学差异。赫胥黎伸出了援手并得出结论：
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黑猩猩大脑的每一个主要沟回在人脑中都有明确的对应结构，因此适用于黑猩猩大脑的术语也适用于人脑。在这一点上，没有不同意见……那么，关于猿脑和人脑在基本特征上存在相似性这一点，就没有争议了。同样，黑猩猩的大脑和人脑之间如此相似也就不足为怪了。
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虽然人脑和猿脑并不完全相同，但正如达尔文喜欢说的那样，两者的区别在度上，而不在质上。赫胥黎在总结证据时写道：“如果人类和其他灵长类动物一样，也是通过同一种形式的生命逐渐演化而来的，那么这就应该是我们预期的结果。”[23] 正如达尔文所解释的那样，不同的灵长类动物之所以存在行为和智力上的差异，是因为两者的脑在解剖学上存在微小的差异，而不是那种“你有我无”式的巨大差异。
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达尔文不允许自己被有关脑和思想之间确切联系的疑问分散注意力，而这恰恰是许多科学家和哲学家所关心的问题。他相信这样的联系是存在的：自然选择要作用于脑的结构，进而改变行为，脑和思想之间必须存在因果联系，而不仅仅是相关性。但达尔文并没有专注于探索这种联系的确切本质。正如他在30多年前所写的那样，为了他的目的，他只需要这种联系存在即可。因此，在《人类的由来》的书页上，达尔文以一个优雅转身，避开了困住他同时代许多人的认识论泥潭：“至于心智能力最初是怎样发展起来的，这个问题和生命最初是怎样起源的这个问题一样，是没有希望破解的。这些问题更适合在遥远的未来去解决，如果那时的人类还需要解决这些问题的话。”[24]
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虽然脑和思想间的确切联系是未知的，甚至可能是不可知的，但所有动物中脑和行为之间更普遍的联系是达尔文关注的一个问题。这个问题是《人类的由来》一书的核心，书中详细描述了非人动物表现出的复杂的行为适应或本能，并从自然选择的角度对其进行了解释。蚂蚁等群居性昆虫给达尔文留下了特别深刻的印象，它们复杂的交流系统和识别同巢同伴的能力表明它们拥有记忆。蚂蚁之所以拥有这样丰富的行为能力，是因为这些昆虫拥有相对较大的脑。在达尔文看来，考虑到蚂蚁身体的大小，这些脑称得上“尺寸非凡”。在解释蚂蚁的脑如何将所有的行为都集中在这么小的空间中时，达尔文显得滔滔不绝：
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可以肯定的是，一团质量极小的神经物质就可能产生非凡的心智活动：众所周知，蚂蚁拥有惊人的多样化本能、心智力量和情感，但它们的脑神经节还没有一个小针尖的四分之一大。从这一点看，蚂蚁的脑是世界上最神奇的物质原子之一，也许比人脑更神奇。[25]
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在蚂蚁的例子中，显然没有必要对脑和心智之间的联系进行形而上的吹毛求疵——没有人怀疑蚂蚁令人惊叹的行为是由它们的脑产生的。这同时也突显了一个事实：微小动物的脑与行为之间的联系像人脑与心智之间的联系一样不可思议、神秘莫测。
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在思考这个问题的过程中，达尔文得出了一个重要的结论。他认为，大多数动物的本能行为都具有重要的意义，但在人类中，本能行为的作用却明显较小。他提出，如果本能在某种动物的行为中所起的作用相对较小，那么这种动物的脑结构就应该更为复杂：
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我们对脑的功能知之甚少，但我们可以感觉到，随着智力的高度发展，脑的各个部分必须通过非常复杂的渠道联系到一起，这些渠道承担着自由程度最高的交流的功能。因此，每一个单独的部分可能不太适合以一种明确的、可遗传的（也就是本能的）方式来对应于特定的感官或联系。
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达尔文的意思是，在更发达的脑中，功能的局域化程度会更低，因为“自由程度最高的交流”将以某种未知的方式支持更复杂的智能。
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达尔文的这些论述揭示了一个原理，可以解释为什么不同动物的脑有不同的形状——因为它们朝不同方向进化以产生不同的行为。把通过自然选择实现的进化和共同谱系的模式结合到一起，可以解释复杂结构的起源，在原则上甚至可以解释人类意识的起源，尽管后者的运作原理充满了形而上学的神秘性。达尔文坚信，某种形式的意识深入延展到动物谱系当中，人类和其他动物之间的差异只是程度上的：我们只是比我们的猿类“亲戚”们意识更强，而不是拥有一个需要特殊解释的全新特征。