罗杰·彭罗斯：意识物理学与无限宇宙

佩特·彭罗斯（Roger Penrose）与 Lex Fridman 的这场对话，从一部五十多年前的电影开始。2001 年上映的《2001 太空漫游》，在彭罗斯眼里仍然是科幻电影里科学细节做得最扎实的一部。他说很多人夸《星际穿越》严谨，可跟《2001》比差得远，光是自由落体那段就处理得极其讲究。

真正让对话变得锋利的是 HAL 9000。

这台机器决定杀掉宇航员，理由是它认为人类会干扰任务。彭罗斯在对话里把这个问题拆得很干净：如果 HAL 只是一台复杂的计算机，关掉它和关掉一台冰箱没有区别。如果按照很多人工智能研究者的隐含假设，算力堆到某个阈值，意识就会自然涌现，那么 HAL 就是有意识的，关掉它等于谋杀。

这个假设本身很少有人明说，却被广泛默认。彭罗斯的整个学术生涯，几乎都在跟它较劲。

小脑：一个被忽略的反例

他给出的第一个反例，来自解剖学。

人的小脑（cerebellum）藏在大脑后下方，看起来像一团毛线球，很多人根本没听说过它。彭罗斯念研究生时被告知小脑的神经元数量大概是大脑的一半，后来的估算一路往上修，现在普遍认为小脑的神经元数量远超大脑皮层。

小脑的连接密度、计算复杂度，都比大脑皮层更高。它负责什么？钢琴家弹奏时小指在某个精确到毫秒的瞬间按下去，这个动作的细节，他自己完全不知道是怎么完成的。网球选手判断球的角度并挥拍，肌肉在哪个方向用力多少，也不在意识里。所有这些精确到令人咋舌的运动控制，全部由小脑完成。

而小脑，按目前的神经科学共识，几乎完全是无意识的。

这里有海量的计算在进行，可据我们所知，它完全是无意识的。那么差别在哪里？我认为这是很重要的一点。（彭罗斯）

这句话是整场对话的枢纽，它把"意识等于计算"这个等式直接劈开了。如果计算能产生意识，小脑应该是最有意识的那部分脑组织，事实恰好相反。

彭罗斯顺带吐槽了大脑皮层的组织方式。视觉区在脑后，脚的控制区在最顶上，左右半球的感官和运动控制交叉对调，感觉区和运动区彼此相对而不相邻。任何一个工程师来设计这么一套系统，都会被老板开除。他说这不像电路图，这里面有别的东西在发生。

哥德尔定理真正说了什么

对话往回倒了几十年。

彭罗斯在剑桥念研究生时，本行是纯数学。他跑去听了三门跟本行无关的课：赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）的广义相对论，保罗·狄拉克（Paul Dirac）的量子力学，还有一门数理逻辑。

那门逻辑课上讲了两样东西，一样是图灵机，一样是哥德尔不完备定理。彭罗斯原本担心哥德尔定理是在说"数学里有永远证不出来的东西"，这是件让人沮丧的事。结果讲师讲的方式完全不同。

论证是这样的：假设你有一套形式化的证明系统，每一步推导都能被机器检查。你相信这套规则只推出真命题，因为你逐条看过，每一条都成立。那么哥德尔可以构造出一个命题，你读懂了它的构造方式后能看出它是真的，但这套规则证不出它。

彭罗斯说，他当时被震住了。

你能看出这个命题是真的，这个看出的过程，和你相信那套证明规则可靠的过程一样可靠。理解编码是否正确，就足以让你超越那个系统。（彭罗斯）

超越系统靠的是什么？靠的是对规则本身的理解。你必须先明白这些符号在说什么，才能判断它们只推出真命题。这个"明白"，站在规则之外。哥德尔定理没法直接证明人脑不是计算机，它证明的是：一套只能靠规则运作的系统，完成不了对自身规则的把握，而人类显然在做这件事。

理解是退后一步看自己在干什么

彭罗斯承认，"理解"这个词极难定义。他作为数学家，一辈子没能给它下过一个形式化定义，但他能指出它长什么样。

他画过一幅漫画。前景是一个数学家正在证定理，定理里藏着一个小玩笑，但这不是重点。重点是他身后灌木丛里蹲着一只剑齿虎，随时要吃他。远处是他的表亲们在种地、盖房、驯养动物，旁边还有一个掉进陷阱的猛犸象，一群人围着准备动手。

这幅画想说的是：理解力从来都是数学家的专利之外的东西，它才是让人类祖先活下来的那种能力。判断陷阱挖在哪里、猛犸象会往哪个方向跑、什么时候收网，这些都需要在行动之前先在脑子里把局面过一遍。这种能力在自然选择上有巨大的优势，数学只是它后来长出来的一个分支。

具体是什么感觉？彭罗斯的描述很朴素：

你正在做一件事，然后你停下来问自己，我到底在干什么？你退后一步，看着让你这样思考的那个东西。你已经不在游戏里了，你在想这个游戏本身是怎么回事。（彭罗斯）

这个"退后一步"，恰好也是哥德尔论证里发生的事。你没有在规则内部推导，你在规则外面看规则。彭罗斯说，这大概就是理解的雏形，虽然描述得一点都不精确，但感觉很真。

狗、大象、章鱼：意识不是人类的专利

对话在这里转向了一个更有意思的方向。

Lex 问，如果理解力跟演化挂钩，那这条线要往回追多远？彭罗斯说，肯定不止灵长类。

他提到非洲野犬的围猎。犬群会分成两队，一队绕到河边埋伏，另一队从反方向驱赶羚羊，把猎物往河的方向逼。羚羊到了河边速度会慢下来，埋伏的一队正好扑上去。整个计划需要事先分工、协调、预判对方的逃跑路线。彭罗斯说，他完全想不出这些狗是怎么商量的，但这里面显然有某种有意识的规划。

更打动他的是大象。象群由年长的雌象带领，有一次领头象带着整个族群走了一条大弯路，绕到一个地方停下。那是她姐妹死去的地方，骨头还散在那里。象群把骨头捡起来，一根根传递，用鼻子抚摸，然后再放回去，之后才离开。

它们到底在干什么？这里面有某种很深的情感在发生，跟它们的意识体验有关。这对自然选择整体上是有利的，但不是直接为了自然选择。（彭罗斯）

这个区分很微妙。哀悼行为不直接提高生存率，它不像是被自然选择一步步雕刻出来的功能模块，更像是意识体验本身溢出来的东西。彭罗斯说，他倾向于认为这类行为整体上有演化优势，路径却是间接的。

章鱼也被点了名。章鱼的行为表现出的智能水平让很多人愿意用"意识"这个词，而章鱼和哺乳动物的演化路线在六亿年前就分开了。如果章鱼也有某种意识，那意识要么有非常古老的共同祖先，要么在完全不同的神经架构上独立演化出来过。这两种可能，对理解意识的本质都极其重要。

量子力学里那个被绕过去的问题

话题转到物理学。彭罗斯说，他年轻时是个唯物主义者，可他理解的唯物主义里，没有任何神秘的东西从不知何处钻进来。

他紧接着补了一句：我不喜欢"唯物主义者"这个词，因为我们根本不知道物质是什么。

这句话值得停一下。一个研究了一辈子广义相对论和量子力学的人，说我们不知道物质是什么。这不是谦虚，是字面意思。标准模型告诉你场和粒子怎么相互作用，不告诉你为什么会有这些东西。

彭罗斯的思路是这样展开的：如果理解靠的不是计算，那它总得落在某种物理过程上。牛顿力学可以放到计算机上跑。广义相对论也可以，效果还好得惊人。2015 年 LIGO 探测到的引力波信号波形，跟超级计算机算出来的黑洞并合波形吻合得严丝合缝。至少在引力这个领域，计算能无限逼近物理。

然后他讲狄拉克的第一堂课。

狄拉克讲叠加原理，说一个粒子通常被认为在这里或那里，量子力学里它可以同时在这里和那里。然后他拿起一支粉笔，据说当场掰成两半，用这个动作示意同一个东西可以同时处于两个位置。彭罗斯说，他当时走神了，没听清狄拉克后面怎么解释。他后来一直后悔，因为那个解释很可能就是"别担心，这只是数学形式"，他要是听进去了，可能就不会为此困扰一辈子。

他的困扰是：薛定谔方程描述的演化完全确定、完全可以计算、完全可以在计算机上模拟。那么波函数什么时候坍缩成一个确定结果？这个坍缩过程不在薛定谔方程里。它被人硬生生加了进去。

薛定谔本人对这个局面极度不满。他提出那只猫，正是为了说明：按我的方程推下去，猫会处于死和活的叠加态，这显然是荒谬的，所以方程一定缺了什么。后人经常把薛定谔的猫理解成"量子世界就是这么诡异"，彭罗斯说这是误读，薛定谔是在抗议。

薛定谔本人对他自己的方程引出的结论极度不安。他提出那只猫，就是在说：看，我的方程把你带到这儿来了，这里一定有问题。（彭罗斯）

狄拉克也说过类似的话，只是说得非常谨慎，藏在某篇文章的某个段落里：量子力学是暂定的理论，我们需要某种东西来解释波函数的坍缩。

两个基本原理打架

彭罗斯的猜想是：坍缩发生在引力介入的时候。

他花了很大力气解释为什么。量子力学的核心是叠加原理，一个系统可以同时处于多个状态。广义相对论的核心是等效原理，这是伽利略就懂的东西：自由下落时引力被局部消除了。伽利略举的例子是烟花，爆炸后火花四散，整个火花球在下落过程中仍然保持球形，因为每一颗火星都在一起自由下落，球内感受不到引力。国际空间站上的宇航员低头就能看见地球，他们漂浮着，因为他们在自由下落。

这两个原理在深层是冲突的。叠加原理说一个质量可以同时处于两个位置，等效原理说引力场取决于质量分布。一个质量块同时在这里和那里，它产生的引力场该按哪个算？

彭罗斯说，这个冲突在极小尺度上无关紧要，质量足够大、叠加态足够"重"的时候，两种描述就没法同时成立。他认为大自然会在某个临界点上强迫系统二选一，这个选择过程就是波函数坍缩，而这个过程不可计算。

这个不可计算性，就是他给意识留的位置。

微管：一个外行收到的关键提示

写《皇帝新脑》（The Emperor's New Mind）的时候，彭罗斯碰到一个硬伤。他需要一个生物结构，能够长时间维持量子相干性，不让量子态泄漏到周围环境里。他去查神经生理学文献，读到的结论是：神经电信号在脑组织里传，周围全是水和离子，量子相干维持不了哪怕一瞬间。

他几乎放弃了。书快写完时，斯图尔特·哈默罗夫（Stuart Hameroff）写信给他，说你好像不知道微管（microtubules）这东西。

微管是细胞骨架的一部分，细胞分裂时把染色体拉向两极的就是它们。它们遍布几乎所有细胞，结构是规整的管状对称体。彭罗斯说，打动他的正是这个对称性。对称结构保护量子相干的能力远远强于无序结构，这一点他非常确定。

哈默罗夫的本职是麻醉医生。他关心的问题很具体：全身麻醉剂是怎么让人失去意识的？这类气体分子结构各异，作用机制却不清楚，效果完全可逆，关掉就恢复。哈默罗夫认为它们直接作用于微管，而且有一些实验证据指向这个方向。

彭罗斯说，这是研究意识为数不多的抓手之一。

能真正摸到意识是什么的地方不多，其中一个就是什么能让它关掉。全身麻醉剂非常特异，它们把意识关掉了，那它们到底干了什么？（彭罗斯）

这就构成了 Orch-OR 理论，全称 Orchestrated Objective Reduction，"编排"加上"客观坍缩"。理论分两半：OR 那一半说波函数坍缩是引力导致的客观物理事件，每一次坍缩产生一个"原意识"（proto-consciousness）的瞬间。Orch 那一半说大脑通过某种方式把这些瞬间编排成连贯的意识体验。

彭罗斯对后半部分非常坦白：

Orch 那部分，我先把"编排"这个词摆在那儿，它到底意味着什么，比"物质"还要不清楚。（彭罗斯）

三种理论，以及我们现在连门槛都没进

彭罗斯把物理学理论分三档：superb（卓越）、useful（有用）、tentative（试探性）。

牛顿力学曾经是 superb，后来被相对论修正，降级成有用。量子力学现在是有用，能不能升到 superb 还不知道。至于意识的理论，Lex 问他我们是不是还在试探性阶段，彭罗斯说，恐怕连试探性都没进去。

这个判断的依据很直接：领域里没有一个被多数人接受的清晰图景。主流观点认为意识是某种计算，彭罗斯追问，如果它是计算，那它到底算的是什么？这个问题没人能答上来。他自己也承认，"计算"这个词用在这里，含义其实很模糊。

量子力学史上还有一段有趣的公案。早期有一批相当有地位的物理学家认为，波函数坍缩发生在"有意识的观察者"看它的时候。也就是说，意识导致坍缩。彭罗斯的观点几乎完全相反：坍缩是自然每时每刻都在自发发生的事件，不需要观察者，每一次坍缩产生的原意识，才是构成意识体验的原材料。

顺序颠倒了。世界每一次确定下来的瞬间，构成了意识，而不是意识让世界确定。

热寂、暴涨与那个没人愿意看的房间

对话后半段转到宇宙学，彭罗斯在这里的情绪明显更激动。

先说标准图景。宇宙在大爆炸中开始，一直膨胀。未来会越来越无聊：星系并合，黑洞吞掉大部分物质，然后黑洞通过霍金辐射蒸发，宇宙只剩光子，温度趋近绝对零度。彭罗斯说，他坐在那儿想这个未来，觉得这也太无聊了，然后他意识到，没有谁会无聊，因为那时候没有人在。

他真正在意的是另一个问题，他称之为"房间里的大象"。

热力学第二定律说熵随时间增加。倒推回去，越早的宇宙熵越低。可观测宇宙最早的直接证据是宇宙微波背景辐射，它完美符合普朗克黑体谱，这是热平衡的标志，也是熵达到最大值的标志。

这就矛盾了。宇宙早期物质的熵已经最大，那后来的熵是从哪儿涨上去的？

彭罗斯的答案是：你只看物质和辐射，漏掉了引力。引力的熵极低，低在它的均匀性上，微波背景在全天各个方向几乎完全一致，这种均匀本身就是引力高度有序的表现。物质处于热平衡，引力远离平衡，两相抵消之后，总熵才有一个巨大的上升空间。

这才是宇宙学最大的谜题：为什么大爆炸时引力处于如此特殊的低熵状态？

这是宇宙学最大的问题。好像没人操心这件事。他们说所有问题都解决了，他们根本不担心这个。（彭罗斯）

他不接受暴胀理论能解决它。暴胀说的是在大爆炸后极短极短的一瞬间，宇宙以指数方式膨胀，把一切抹平。彭罗斯的反驳是：暴胀只能把已有的均匀性放大，它没法凭空制造均匀性。初始条件如果本身不均匀，暴胀之后还是不均匀。这个论证他觉得再清楚不过，可学界就是绕过去了。

共形循环宇宙：把无穷远折成一个点

他的替代方案叫共形循环宇宙学（Conformal Cyclic Cosmology，简称 CCC）。

核心工具是"共形"这个概念。彭罗斯用埃舍尔（M.C. Escher）那幅天使与魔鬼的画来解释：画面边缘，天使和魔鬼越挤越小，越来越密，但它们的大小比例保持不变，形状不变，只是尺度在缩。对画中角色来说，那条边界就是无穷远。对画外的我们来说，那条边界只是一个圆。

把这个几何直觉用到物理上。宇宙里测量尺度的东西是什么？是有质量的粒子。因为 E=mc²，质量对应能量；因为 E=hν，能量对应频率。两个公式一合并，任何有质量的粒子都是一个振动频率极其精确的时钟。原子钟、核钟之所以精确到令人难以置信，根子就在这两条公式。

反过来推：没有质量，就没有时钟；没有时钟，就没有尺度；没有尺度，空间和时间的大小就失去意义。剩下的只有形状，也就是共形结构。

宇宙的极遥远未来，所有粒子要么湮灭，要么被黑洞吞掉，黑洞再蒸发，最后只剩光子。光子没有质量，没有时钟，没有尺度。这个宇宙在尺度上是一片空白，只剩共形结构。

大爆炸时刻呢？温度趋近无穷，粒子能量趋近无穷，质量相对于能量可以忽略，它们以接近光速运动，同样失去了尺度感。

一个是极稀薄极冷，一个是极致密极热，看起来完全相反。从共形结构的角度看，两者是同一个东西。

于是彭罗斯的图景是：一个宇宙的极遥远未来，通过共形变换，直接接上下一个宇宙的大爆炸。不需要奇点，不需要从无到有，是同一个几何结构的两次不同呈现。

这个图景有可检验的预言。上一个宇宙里黑洞并合产生的引力波，会以某种形式把信息带进我们这个宇宙，在微波背景里留下同心圆环的痕迹。彭罗斯和合作者古尔扎迪扬（Vahe Gurzadyan）写过论文找这些痕迹，争议很大，目前没有定论。他说，这只是值得一看的地方之一。

费米悖论也被他顺手提了一句。宇宙一个接一个循环，足够古老的文明完全可能留下能穿透宇宙边界的信息。我们没收到，可能只是不知道该往哪儿看。

最美的东西是复分析

Lex 问他，物理和数学里最美的东西是什么。

彭罗斯的答案不是引力，不是量子，是复分析。

他的讲法很朴素：你从整数出发，填进分数，再填进实数，用来测量一条连续的线。然后你问，x²=-1 有解吗？没有实数解。于是你造一个 i 出来，加上去，得到复数。就这么一个小小的添加，整个数学版图随之展开，各种你原本想不到的结构自己冒出来。

更奇妙的是，这个纯数学构造后来被证明是量子力学的核心。量子态用复数描述，这是本质需要。薛定谔方程里那个 i 拿不掉，拿掉方程就不成立。

彭罗斯由此给出他对"数学是发明还是发现"的立场：

绝对是发现。它比你想象的更像考古。（彭罗斯）

这个立场跟他整套思想是自洽的。数学既然是发现的，数学家的工作就是在挖掘一个本来就在那里的结构。哥德尔定理说的正是：任何一套形式系统都无法穷尽这个结构，总有东西在外面。人类的心智，恰恰能站到系统外面去看。

生命的意义

最后 Lex 问了个大问题，生命的意义是什么。

彭罗斯先替同事们回答了一遍：很多科学家会说这是个蠢问题，生命就是分子凑到一起的产物，就这样，没什么可问的。然后他说，他不这么看，这里面还有更多东西。

更多的东西是什么，他没给答案。他说这些谜团是缠在一起的：意识的谜、量子力学的谜、量子力学怎么过渡到经典世界的谜，甚至还有复数的谜。这些看起来是纯数学的谜，却跟物理世界怎么运作有直接关系。

我们只是在挠表面。要真正理解这些，还有极其漫长的一段路要走。（彭罗斯）

整场对话里，彭罗斯反复在做一件事：把公认的答案推开，看看底下压着什么。小脑的算力远超大脑却毫无意识，哥德尔定理说明规则之外还有理解，波函数坍缩不在方程里，宇宙早期的引力熵低得不可思议，暴胀解释不了它。每一个都是学界主流已经绕过的地方。

他从不假装自己有完整答案。Orch 的"编排"是什么意思，他说不知道。意识的理论处在什么阶段，他说连试探性都没进。引力的量子化怎么和量子力学平起平坐，他说没有理论。

一个九十岁的人，把一生花在这些问题上，最后的结论是"我们只是在挠表面"。这句话听上去像谦辞，其实是一种方法论：把"还没搞懂"当成可以公开说的状态，而不用术语和模型把它掩盖过去。

• 读彭罗斯时，先抓住哥德尔那一节。理解"规则之外还能看出规则为真"这个结构，后面关于意识、关于量子力学、关于共形循环的论证都能顺着这条线接上。
• 下次听到"算力足够大意识就会涌现"这种说法，可以拿小脑反问：神经元更多、计算更密的结构，为什么反而毫无意识。
• 想跟进 Orch-OR 的实验进展，盯两条线：迪尔克·布梅斯特（Dirk Bouwmeester）在莱顿和圣塔芭芭拉做的量子叠加引力效应实验，以及哈默罗夫团队关于麻醉气体对微管作用的实验。
• 对宇宙学感兴趣，可以从"引力熵为什么这么低"这个具体问题入手，比从暴胀理论入门更能看清各家分歧在哪。
• 想体会彭罗斯说的"理解"，找一个你自己熟练掌握的技能，回想它是怎么从一步步的规则变成不再需要想的过程，再想想你现在还能不能退后一步，看清自己当时在做什么。