将其当成原先复数线性叠加的部分；或者它根本不进入该盒子，或者它会
沿着特定的路径进入，并且掠飞过一些气体原子。在第二种情形下，气体
原子会以巨大的速度跑开，如果该粒子没有进入，气体原子就不会这样子
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行为。它会继续碰撞并掠飞过其余的原子。这两个原子中的每一个都以一
种前所未有的方式飞走，并很快地引起气体原子的连锁运动。如果原先粒
子没有进入盒子，这一切都不会发生 （图8.8）。在第二种情形下，不用
很长时间，气体中的每一个原子实际上都被这个运动所扰动。
图8.8 如果一个粒子进入到某种气体的大盒子中，则实际上气体的每
一个原子很快就都会受到扰动。粒子进入和粒子没进入的量子线性叠加会
牵涉到描写气体粒子的这两种形态引力场的不同空间——时间几何线性叠
加。这两种几何的差别什么时候达到单引力子的水平呢？
现在让我们想想应该如何用量子力学来描述。最初，在复线性叠加中
只需要考虑原先粒子的不同位置——将其当作粒子的波函数部分。但是在
很短的时间后，所有气体原子都被涉及，考虑该粒子可能采取的两个途径
的复线性叠加，一个途径进入盒子，而另一个途径不进入盒子。标准的量
子力学坚持，我们要把这种叠加推广到气体中的所有原子：我们必须把两
种状态叠加，一种状态下的所有原子都从另一种状态下的位置移动开。现
在考虑所有原子总体的引力场的差别。尽管气体的整体分布在叠加的两种
状态下实际上是一样的 （而且整体引力场也如此），如果我们把一个场减
去另一个场，便得到一个 （高度振荡的）差场。在现在我所关心的意义上，
该差别也许是“重要的”——也就是说这个差场很容易超过单引力子水平。
只要达到这水平，态矢量缩减就会发生：在系统的实际状态中，或者是粒
子进入，或者没有进入盒子。复线性叠加被归结为统计的加权的不同选
择，其中只有一种真正发生。
在前例中，我把云雾室当作提供量子力学观察的一种方法。依我看来，
其他类型的观察 （照相底片、火花室等等）似乎也可利用“单引力子判据”
来处理，正如我在上述的气体盒子情况所用的方法。为了解这一步骤的细
节还有许多事要做。
到此为止，这只是一个观念种子，我相信它是非常需要的新理论。我
坚信，任何完全满意的方案必须牵涉到空间——时间的某种激进的新观
9
念，也许是某种本质上非定域的描述 。这个信念最吸引人的理由来自于
EPR 类型的实验 （参阅322，330 页）。这种实验中，在屋子一个角落的观
察 （这里指光电管记录）会在另一角落引起态矢量的瞬息缩减。建立一个
和相对论精神一致又完全客观的态矢量缩减理论是一个深远的挑战。因为
在相对论中， “同时性”不是一个恰当的概念，它依赖于某些观察者的运
动。我的意见是，眼下的物理实在的图像，尤其在和时间性质的关系中，
将要受到巨大的、也许甚至迄今为止比相对论和量子力学所引起的都要大
的冲击。
我们应回到原先的问题上来。所有这一切如何与制约我们大脑行为的
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物理相关联呢？它和我们的思维以及情感有何关系呢？为了回答这类问
题，就必须首先考察我们大脑的实际构造。我在后面将要回到我认为是基
本问题上来。当我们有意识地思维或感觉时，会牵涉到何种新的物理行
为？
注 释
1．流行的修正包括有：(i)实际上改变爱因斯坦方程里奇=能量 （通
过 “高阶的拉格朗日量”）；(ii)把空间——时间的维数从四维改变成高
维 （诸如在所谓的“卡鲁查——克莱因类型理论”中）；(iii)引入“超对
称” （一种从玻色子和费米子的量子行为中借来的思想，结合成一个更广
泛的方案，并将其 （不是完全逻辑地）应用于空间——时间座标；(iv)弦
理论 （目前流行的激进方案，用“弦历史”来取代 “世界线”——通常和
观念(ii)和(iii)相结合。不管它们是多么流行以及多么有力的表达，所有
这些设想，按照第五章的分类，肯定应被归于尝试类中。
2．虽然量子化过程不总能保持经典理论的对称性 （参阅特赖曼等
1985，阿斯特卡1989），这里所需要的是所有四种通常表为 T，PT，CT 和
CPT 对称的破坏。这似乎 （尤其是CPT破坏）是在传统量子方法的能力之
外。
3．就我所知，霍金目前为这事提供量子引力解释的设想中就隐含了这
种观点 （霍金1987，1988）。哈特尔和霍金 （1983）关于初态量子引力起
源的提议也许能给予初始条件魏尔=0 一些理论实质内容。但是 （依我的意
见），这些观念目前还没有把根本的时间不对称引入进去。
4．按照在第六章注释6 给出的标量积的运算<ψ/x>来看这些事件将
更加透彻。我们在时间向前的描述中计算概率 P 为
2 2
P= 丨＜ψ丨x＞丨 = 丨＜x 丨ψ＞丨 ，
而在时间向后的描述中为
2 2
P= 丨＜x′丨ψ′＞丨 = 丨＜ψ′丨x′＞丨 。
从＜ψ′丨x′＞=＜ψ丨x＞得出上面两种结果必须是一样的。＜ψ
′丨x′＞=＜ψ丨x＞的本质是说 “演化”是“么正的”。
5．有些读者也许很难了解，当未来事件已定，要问过去事件的概率能
有什么意义！然而，这不是根本的问题。想像描述在空间——时间中的宇
宙整个历史。为了求在q 发生情况下，P 发生的概率，想像考察在所有的q
发生的情形下，计算所有这些之中伴随有p 发生的部分。这就是所需的概
率。q 是否发生于比P更晚或更早无关紧要。
6．这些必须是所谓的纵向引力子—— “虚”引力子，它构成了恒定
引力场。不幸的是，想以一种清晰明了和 “不变的”数学方式来定义这种
东西，有些理论性的困难。
7．我自己原先计算这个数值的粗略方法被阿拜·阿斯特卡大大改善。
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我在这里用他的数值 （见彭罗斯1987a）。然而，他向我强调，在人们似
乎必须使用的一些假设中存在大量的任意性，所以在采用所得到的精确质
量值时必须相当小心。
8．在文献中时时出现其他不同的尝试，企图为态矢量的缩减提供客观
理论。最相关的是卡拉里哈奇 （1974），卡拉里哈奇、佛伦克尔和路卡克
斯 （1986），柯玛 （1969），派尔 （1985，1988），吉拉地、雷米尼与韦
伯 （1986）。
9．我本人多年来致力于发展称之为“扭量理论”的空间——时间的非
定域理论，主要是从其他方向引发的 （见彭罗斯和林德勒1986，胡格特和
托得 1985，瓦尔德和韦尔斯1990）。然而，这个理论至少缺乏某些重要的
部分，所以不适合于在此进行讨论。
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第九章 真实头脑和模型头脑
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头脑实际上是什么样子的？
在我们的脑袋中有一个控制我们动作并使我们了解周围世界的非常了
1
不起的结构。正如阿伦·图灵有一回说过 ，它和一碗凉粥再相像不过了！
非常难以想象，具有如此平淡无奇外观的东西怎么能创造这么多的奇迹。
然而，更周密的考察揭示，头脑的结构极其错综复杂 （图9.1）。盘旋在
顶上的 （最像粥样的）巨大部分称为大脑。它很清楚从中间分成左边和右
边两个大脑半球。它的前面和后面不那么清楚分成了额叶和三片其他的
叶：顶叶、颞叶和视叶。再下去，头脑后面小很多而有点像球形——或像
两团羊毛球——的部分是小脑。里面深处藏在大脑下面有些奇怪而显得很
复杂的不同结构：桥脑和髓质 （包括我们以后要关心的网状形成），它们
由脑干、丘脑、下视丘、海马、胼胝体和其他许多命名奇怪的古怪构造组
成。
人类感到最为骄傲的即是大脑，不仅因为它是人脑中最大的部分，而
且作为整体而言，人的大脑在比例上比其他任何动物的都大。 （人的小脑
也比大多数其他动物的大）。大脑和小脑具有比较薄的灰色物质外表面，
以及具有白色物质的更大的内部区域。人们把这些灰色物质的区域分别称
为大脑皮层和小脑皮层。灰色物质正是实行不同种类计算任务的地方，而
白色物质是由很长的神经纤维所组成，负责从头脑中一个部分传递信号到
另一部分。
图9.1 人脑：上、边、下、剖视图。
大脑皮层不同的部位和非常特别的功能相关联。视觉皮层处于视叶
内，在大脑的正后方，它与图像的接收和解释有关。至少对人类而言，大
自然会选择这个区域来解释从头部正前方的眼睛传来的信号是很奇怪
的！但是，大自然还有比这更古怪的行为。正如大脑的右半球几乎完全关
联身体左边，而大脑的左半球关联身体的右半部分。这样，实质上所有的
神经在进入或离开大脑时都要从一边穿到另一边。对于视觉皮层的情形，
右边并不和左眼相关，而是和两只眼睛的左边视野相关。类似，左边的
视觉皮层和两只眼睛的右边视野相关。这表明，从每只眼睛视网膜的右边
来的信号必须进入右边的视觉皮层 （记住视网膜上的影像是上下颠倒的），
而从每只眼睛的视网膜左边来的信号必须进入左边的视觉皮层 （见图
9.2）。这样在右边的视觉皮层中形成了一个左边视野的一个界限清楚的映
射，而在左边视觉皮层中形成了右边视野的另一个映射。
图9.2 两只眼睛的左边视场被映射到右边的视觉皮层上去，而右边视
场被映射到左边的视觉皮层上去。（下视图；注意视网膜中的像是颠倒的。）
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从耳朵来的信号又是以这种古怪方式穿越到大脑的相反一边。右边的
听觉皮层 （为右边颞颥叶的一部分）主要是处理在左边接收到的声音，而
左边的听觉皮层处理从右边来的声音。嗅觉似乎是这个一般规则的例外情
形。位于大脑前面的右边嗅觉皮层 （位于额叶内——对感觉区域而言，这
很特殊）主要是应付来自右鼻孔的气味，而左边的是处理左鼻孔的气味。
触觉和称之为触觉皮层的顶叶区域相关。这个区域刚好发生于额叶和
顶叶分开的地方。在身体表面和触觉皮层的区域之间有一种非常特别的对
应。有时按照所谓的 “触觉侏儒”的图示法来表示这一种对应，也就是如
图9.3 中沿着触觉皮层躺着的变形人体。右边触觉皮层处理左边的身体，
而左边的处理右边的身体。在额叶和顶叶的交界处正前方，有一个称为运
动皮层的额叶对应区域。这和激发身体不同部位的动作有关，在身体不同
的肌肉和运动皮层的不同区域之间又有一个非常特别的对应。我们用一个
“运动侏儒”来描绘这一种对应，正如图9.4所表示的那样。右边的运动
皮层控制身体的左边，而左边的运动皮层控制右边。
图9.3 “触觉侏儒”图解额叶和顶叶分界后面的大脑部分，它和身体
不同部位的触觉有最直接的相关。
图9.4 “运动侏儒”图解额叶和顶叶分界前面的大脑部分，它最直接
激发身体不同部位的动作。
刚才提到的大脑皮层的区域 （视觉的、听觉的、嗅觉的、触觉的和运
动的）被称作首位的，这是由于它们和大脑的输入和输出有最直接的关
联。和这些首位区域邻近的是大脑皮层第二位区域，它处理更微妙更复杂
的抽象感觉 （见图9.5）。从视觉、听觉和触觉皮层接收到的感觉信息在
相关的第二位区域加工，而第二位运动区域和预想的动作相关，这些动作
由首位运动皮层翻译成实际肌肉运动更特定的指令。 （由于嗅觉皮层的行
为不同，我们又对其所知甚少，所以先不予考虑。）大脑皮层的其余区域
称作第三位区域 （或缔合皮层）。头脑最抽象最复杂的活动大多在这些第
三位区域进行。在一定程度上，头脑正是在这些区域，连同它们的周围，
使不同感觉区域来的信息以非常复杂的方式相互交流并接受分析，留下记
忆，建立外界的图像，构想并衡量一般计划以及理解和表达语言。
图9.5 大脑作用的大致划分。外部的感觉数据进入首位的感觉区域，
在第二位和第三位的感觉区域逐步加工到越来越复杂的程度，转移到第三
位的运动区域，最后改善成为在首位运动区域的特殊的动作指令。
语言是特别有趣的，这是由于它通常被认为是人类智慧所特有的能
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力。很古怪的是 （至少在绝大多数用右手的人和大部分用左手的人），语
言中心主要是在头脑的左边。主要的区域是伯洛卡区域，这是处于额叶的
后下部，还有另一区称作温尼克区域，它处于颞颥叶的后上部（见图9.6）。
伯洛卡区域是用来形成句子，而温尼克区域是理解语言；损害伯洛卡区域
会减少讲话能力，但不影响理解；而损害温尼克区域，则讲话仍然流利而
没有什么内容。称作弓状纤维束的神经束把这两个区域连接起来。当它受
到损坏时，理解力没有受到伤害而且言语仍然流利，但是不能把所理解到
的讲出来。
图9.6通常只在左边：温尼克区域和理解语言有关，而伯洛卡区域和
表达语言有关。
我们现在对大脑的作用有了一个非常粗略的图像。头脑的输入来自于
视觉、听觉、味觉和其他的信号，这些信号首先要在大脑的首位部分，主
要是后叶片 （顶叶、颞叶和枕叶）记录下来。头脑的输出表现于激发身体
的动作，主要由大脑额叶的主要部分完成。在它们之间进行了某些加工过
程。一般来讲，大脑活动是从后叶的首位部分开始，当分析输入数据时，
就进入到第二位部分；然后当这些数据被完全理解时，就进入了后叶的第
三位部分 （也就是语言在温尼克区域被理解）。弓状纤维束，也就是上面
提及的神经纤维束，但现在是在头脑的两边，把这处理过的信息带到额叶，
在额叶的第三位区域形成一般行动的计划 （例如，在伯洛卡区域形成语
言）。这些一般的行动计划在第二位运动区域被翻译成关于身体运作更明
确的概念，并且头脑的活动最后转到首位运动皮层，在那里信号最终被发
送到身体不同组的肌肉去 （而且经常一下子送到好几组肌肉去）。
呈现在我们面前的似乎是一台超等计算仪器的图像。强人工智能支持
者 （参阅第一章等）会坚持道，我们在这里有了一台算式电脑的极致范例，
实质上就等于是图灵机。该电脑有输入 （如同图灵机左边的输入磁带）和
输出 （如同机器右边的输出磁带），以及在中间实行各种复杂的计算。当
然，头脑还能独立进行特殊感觉输入以外的活动。这在人们思维、计算或
对过去的回忆沉思时发生。对于强人工智能的支持者而言，这些头脑的活
动只不过是进一步的算式活动。只要这种内部活动达到足够复杂的程度，
则他们就可以设想引起了 “知觉”的现象。
然而，我们不应该太快接受现成的解释。上面所表述大脑活动的一般
图像只不过是非常粗糙的图像。首先，甚至连视觉接受也不像我在上面表
述的那么一清二楚。人们发现，皮层中有几个不同的 （虽然是更小的）区
域进行视野的映射，这显然是带有其他不同的目的。 （我们视觉的知觉似
乎和它们不同。）似乎还有其他辅助的感觉和运动区域分散在大脑皮层（例
如，后叶中不同的点可引起眼睛的运动）。
