皇帝新脑：有关电脑、人脑及物理定律

　　牛津大学的罗杰·彭罗斯的《皇帝新脑》一书的出版是国际书界的一件大事。剑桥大学前年曾为它专门召开了一次学术会议。这本洋洋大观的贯穿了电脑科学、数学、物理学、宇宙学、神经和精神科学以及哲学的巨著体现了作者向哲学上最重大的问题之一“精神——身体关系”挑战的大无畏精神。迄今为止的科学基本上都可纳入形而下学的范畴，而这本书可认为是首次对形而上学进行的严肃尝试。历史上曾重复地出现过还原主义的思潮，最近代的便是人工智能专家的断言：电脑最终能代替人脑甚至超过人脑。彭罗斯的论断却是：正如皇帝没有穿衣服一样，电脑并没有头脑。电脑具有智慧吗？人们的共识是用通过图灵检验来定义智慧。彭罗斯认为要制造出满意地通过这种检验的机器还是非常遥远的事。即使它真的通过了，我们还是不能断定其真有理解力，西尔勒中文屋子的理想实验强有力地表明，用图灵检验来定义智慧还是远远不够充分的。希尔伯特曾经有过一个非常宏伟的规划，一旦公理和步骤法则给定，一切真理都应该能被推导出来。著名的哥德尔定理使这个规划的宏图化为泡影。以算法来获取真理的手段是非常受局限的，在任何一个形式系统中总存在不能由公理和步骤法则证明或证伪的正确的命题。康托关于无理数集合的不可列性、罗素集论的理发师佯谬、哥德尔定理以及电脑停机问题都是一脉相承地沿用了康托对角线删除法而给予证明的。一言以蔽之，世界万花筒般的复杂性不可能用可列的算法步骤来穷尽。灵感和直觉在发现真理方面比逻辑推导重要得多。彭罗斯和柏拉图相认同，发现真理是精神和数学观念的柏拉图世界进行接触。正如询问宇宙在大爆炸之前是什么样子的问题是没有意义的一样，柏拉图世界是超越时空的，具有“遗世独立”的品格。柏拉图世界至少和物理世界一样地具有实在性甚至两者是合二为一的。他认为著名的孟德勒伯洛特集合一定是栖息在这个世界中，否则的话何以这么美丽呢？真可谓“此曲只应天上有，人间能得几回闻？”牛顿力学、马克斯韦电磁学、爱因斯坦相对论和量子力学给人类带来了神速的技术进步，在使人们充满了自信心的同时也给套上了宿命论的枷锁。我们宇宙的一切都已完全为第一推动所决定。过去人们将第一推动归于上帝。而量子宇宙论却把第一推动也都摒除了，宇宙在时空上是有限无界的！这肯定是自以为具有自由意志的人类所不能忍受的，什么人愿意生活在这种宇宙中呢？远离平衡态的热力学耗散结构也许是生命现象的雏形，动力系统的不稳定性导致的混沌之中又隐含着新的秩序，这些是对理解生命的努力，也是半个世纪前人们始料不及的，但这还不是形而上学的精神。彭罗斯猜测，宇宙也许的确是宿命论的，但同时是不可计算的。我们的宇宙究竟有自由意志的存身之所吗？人类智慧的最伟大工程之一是爱因斯坦的统一场论。其主要困难在于量子力学和相对论之间的不协调。绝大多数物理学家都是责备相对论，认为广义相对论只是一种唯象的理论。其实，就理论的美丽和经济性而言，相对论是远远地比量子力学优胜。前者是人类智慧的产物，而后者是人们不得不接受的规则。量子力学的解释中仍有许多困难，譬如波函数的坍缩、薛定谔猫佯谬和爱因斯坦——玻多尔斯基——罗逊“矛盾”。这些困难也许在超越过它们的量子引力中可以得到解决。广义相对论的美丽和经济性体现在非线性之中，彭罗斯曾提出过非线性引力子的概念，这是从他早年对引力波碰撞的研究中得到启发的。他猜测到，发生量子波函数的坍缩的判据在于其引力效应超过单引力子的阈值。彭罗斯镶嵌是除了孟德勒伯洛特集合之外的对柏拉图观念存在性的有力支持。这两个例子的共同性是它们的发现和近代科学的进展基本无关。准晶体的五重对称性是这种镶嵌的三维体现。彭罗斯猜测到，准晶体的生长的神经元的行为既涉及到单引力子判据又涉及到量子引力的非定域性。时间及其方向也许是意识的最大秘密。彭罗斯提出了魏尔曲率猜测，宇宙的引力熵由魏尔曲率来度量，而在大爆炸奇点处它必须为零，可惜迄今连这种关系的表达式都还没有找到，也许它必须是非定域的。他认为时间流逝的方向是由此衍生而来的。原子时间、生物时间和宇宙时间以及时间箭头只不过是对时间概念的粗糙近似。爱因斯坦——玻多尔斯基——罗逊“矛盾”表明波函数坍缩是和狭义相对论的定域性以及因果性相矛盾，更遑论广义相对论了。在精神现象中，甚至时序都发生混乱，在灵感、直觉过程中或者在与柏拉图世界接触时似乎时间被不可思议地压缩了，它们甚至不发生在时间里。我们在洋洋自得的同时，又发现科学理论的成就还是这么贫弱。要完全弄清时间的含义得有待于量子引力的成功，这也是推动精神物理发展的关键。彭罗斯对引力物理有过许多重要贡献，他（和霍金一道）证明了广义相对论的奇点的不可避免性，提出了黑洞的捕获面，以及克尔黑洞的能层概念。他发明了研究时空的拓朴结构的主要工具即彭罗斯图。他对类空、类时和零无穷的阐释使引力辐射的图像更具形象。他把旋量引进引力物理，使辐射问题的研究更新，这就是纽曼——彭罗斯形式，在此框架中他证明了剥皮定理，即向无穷远辐射的引力可按照其衰减方式被分成四个层次（电磁波只有两个层次）。本书充满了许多猜测，正如历史上的许多猜测的命运一样，一些会存活，另一些会被淘汰。不管它们的命运如何，这正是当代思想家、哲学家和科学家必须去做正面冲突的问题。本书的字里行间充满了作者探索真理的灵感和激情。译者历经一个寒暑的辛苦，终于把这译本奉献在读者面前。但愿在浏览此书之时，会有王献之行走于山阴道上目不暇接之感。人们在忙碌于都市生活之余，抽空到兰亭一游不也是件赏心乐事吗？<

　　罗杰·彭罗斯（RogerPenrose）英国数学物理学家，从1973年起担任牛津大学的罗斯·波勒数学教授，是全世界公认的最博学和最有创见的科学家、思想爱、哲学家。许明贤，1947年出生于上海，1968年清华大学无线电系毕业，之后任教于中国科技大学。目前在美攻读博士学位。吴忠超，1946年出生于福州，1968年毕业于中国科技大学无线电系，并任教于该校。1984年在霍金教授指导下，得到剑桥大学博士学位。

题献
敬启读者
译者序
前言
感谢
序言
第一章 电脑能有精神吗
引论
图灵检验
人工智能
用人工智能得到“快乐”和“痛苦”
强人工智能和西尔勒中文屋子
硬件和软件
第二章 算法和图灵机
算法概念的背景
图灵概念
数据的二进位码
撤屈一图灵主题
不同于自然数的数
普适图灵机
希尔伯特问题的不可解性
如何超过算法
撤屈的拉姆达计算法
第三章 数学和实在
托伯列南国
实数
有多少个实数
实数的“实在性”
复数
孟德勒伯洛特集的构成
数学概念的柏拉图实在
第四章 真理、证明和洞察
数学的希尔伯特规划
形式数学系统
哥德尔定理
数学洞察
柏拉图主义或直觉主义
从图灵结果到类哥德尔定理
递归可列集
孟德勒伯洛特集是递归的吗
一些非递归数学的例子
孟德勒伯洛特集像非递归数学吗
复杂性理论
物理事物中的复杂性和可计算性
第五章 经典世界
物理理论的状况
欧几里得几何
伽利略一牛顿动力学
牛顿动力学的机械论世界
撞球世界中的生活是可计算的吗
哈密顿力学
相空间
麦克斯韦电磁理论
可计算性和波动方程
洛伦兹运动方程：逃逸粒子
爱因斯坦和彭加莱狭义相对论
爱因斯坦广义相对论
相对论因果性和决定论
经典物理的可计算性：我们的立场如何
质量、物质和实在
第六章 量子魔术和量子神秘
哲学家需要量子理论吗
经典理论的问题
量子理论的开端
双缝实验
概率幅度
粒子的量子态
不确定性原理
U和R演化步骤
粒子同时在两处
希尔伯特空间
测量
自旋和态的黎曼球面
客观性和量子态的可测量性
复制量子态
光子自旋
大自旋物体
多粒子系统
爱因斯坦一玻多尔斯基一罗逊“矛盾”
光子实验：相对论的一个问题
薛定谔方程；狄拉克方程
量子场论
薛定谔猫
现存量子理论的不同看法
何处出了差错
第七章 字宙论和时间箭头
时间的流逝
熵的无情增加
什么是熵
第二定律在起作用
宇宙中低熵的起源
宇宙论和大爆炸
太初火球
大爆炸能解释第二定律吗
黑洞
空间—时间奇点的结构
大爆炸是何等特殊¨
第八章 量子引力的寻求
为什么需要量子引力
魏尔曲率假设的背后是什么
态矢量缩减的时间不对称
霍金盒子：和魏尔曲率假设的一个关联
态矢量何时缩减
第九章 真实头脑和模型头脑
头脑实际上是什么样子的
意识栖息在何处
头脑分裂实验
盲视
视觉皮层的信息加工
神经信号如何工作
电脑模型
头脑可塑性
并行电脑和意识的“一性”
量子力学在头脑活动中有作用吗
量子电脑
超越量子理论
第十章 精神物理的寻求
精神是做什么的
意识究竟是做什么的
算法的自然选择
数学洞察的非算法性质
灵感、洞察和创造性
思维的非言语性
动物意识
与柏拉图世界的接触
物理实在的一个观点
宿命论和强宿命论
人择原理
镶嵌和准晶体
与头脑可塑性可能的关联
意识的时间延迟
时间在意识知觉中的奇怪作用
结论：孩子的观点
跋