# 羅傑·彭羅斯：意識物理學與無限宇宙 > 諾獎物理學家談意識與量子力學的關係、宇宙的無限性與圖靈機之外的計算可能。 - 原標題：#85 – Roger Penrose: Physics of Consciousness and the Infinite Universe - 期數：第 85 期 - 釋出日期：2020-03-31 - 嘉賓 / 主題：羅傑·彭羅斯 - 網頁版：https://lex.qiaomu.ai/tw/ep/roger-penrose/ - 官方頁面：https://lexfridman.com/roger-penrose/ - 精讀字數：約 7512 字（閱讀約 17 分鐘） > 本文為 lex.qiaomu.ai 基於原始訪談的 AI 改寫中文精讀，非官方翻譯；引用請註明出處並連結網頁版。 佩特·彭羅斯（Roger Penrose）與 Lex Fridman 的這場對話，從一部五十多年前的電影開始。2001 年上映的《2001 太空漫遊》，在彭羅斯眼裡仍然是科幻電影里科學細節做得最紮實的一部。他說很多人誇《星際穿越》嚴謹，可跟《2001》比差得遠，光是自由落體那段就處理得極其講究。 真正讓對話變得鋒利的是 HAL 9000。 這臺機器決定殺掉宇航員，理由是它認為人類會干擾任務。彭羅斯在對話裡把這個問題拆得很乾淨：如果 HAL 只是一臺複雜的計算機，關掉它和關掉一臺冰箱沒有區別。如果按照很多人工智慧研究者的隱含假設，算力堆到某個閾值，意識就會自然湧現，那麼 HAL 就是有意識的，關掉它等於謀殺。 這個假設本身很少有人明說，卻被廣泛預設。彭羅斯的整個學術生涯，幾乎都在跟它較勁。 ## 小腦：一個被忽略的反例 他給出的第一個反例，來自解剖學。 人的小腦（cerebellum）藏在大腦後下方，看起來像一團毛線球，很多人根本沒聽說過它。彭羅斯念研究生時被告知小腦的神經元數量大概是大腦的一半，後來的估算一路往上修，現在普遍認為小腦的神經元數量遠超大腦皮層。 小腦的連線密度、計算複雜度，都比大腦皮層更高。它負責什麼？鋼琴家彈奏時小指在某個精確到毫秒的瞬間按下去，這個動作的細節，他自己完全不知道是怎麼完成的。網球選手判斷球的角度並揮拍，肌肉在哪個方向用力多少，也不在意識裡。所有這些精確到令人咋舌的運動控制，全部由小腦完成。 而小腦，按目前的神經科學共識，幾乎完全是無意識的。 > 這裡有海量的計算在進行，可據我們所知，它完全是無意識的。那麼差別在哪裡？我認為這是很重要的一點。（彭羅斯） 這句話是整場對話的樞紐，它把"意識等於計算"這個等式直接劈開了。如果計算能產生意識，小腦應該是最有意識的那部分腦組織，事實恰好相反。 彭羅斯順帶吐槽了大腦皮層的組織方式。視覺區在腦後，腳的控制區在最頂上，左右半球的感官和運動控制交叉對調，感覺區和運動區彼此相對而不相鄰。任何一個工程師來設計這麼一套系統，都會被老闆開除。他說這不像電路圖，這裡面有別的東西在發生。 ## 哥德爾定理真正說了什麼 對話往回倒了幾十年。 彭羅斯在劍橋念研究生時，本行是純數學。他跑去聽了三門跟本行無關的課：赫爾曼·邦迪（Hermann Bondi）的廣義相對論，保羅·狄拉克（Paul Dirac）的量子力學，還有一門數理邏輯。 那門邏輯課上講了兩樣東西，一樣是圖靈機，一樣是哥德爾不完備定理。彭羅斯原本擔心哥德爾定理是在說"數學裡有永遠證不出來的東西"，這是件讓人沮喪的事。結果講師講的方式完全不同。 論證是這樣的：假設你有一套形式化的證明系統，每一步推導都能被機器檢查。你相信這套規則只推出真命題，因為你逐條看過，每一條都成立。那麼哥德爾可以構造出一個命題，你讀懂了它的構造方式後能看出它是真的，但這套規則證不出它。 彭羅斯說，他當時被震住了。 > 你能看出這個命題是真的，這個看出的過程，和你相信那套證明規則可靠的過程一樣可靠。理解編碼是否正確，就足以讓你超越那個系統。（彭羅斯） 超越系統靠的是什麼？靠的是對規則本身的理解。你必須先明白這些符號在說什麼，才能判斷它們只推出真命題。這個"明白"，站在規則之外。哥德爾定理沒法直接證明人腦不是計算機，它證明的是：一套只能靠規則運作的系統，完成不了對自身規則的把握，而人類顯然在做這件事。 ## 理解是退後一步看自己在幹什麼 彭羅斯承認，"理解"這個詞極難定義。他作為數學家，一輩子沒能給它下過一個形式化定義，但他能指出它長什麼樣。 他畫過一幅漫畫。前景是一個數學家正在證定理，定理裡藏著一個小玩笑，但這不是重點。重點是他身後灌木叢裡蹲著一隻劍齒虎，隨時要吃他。遠處是他的表親們在種地、蓋房、馴養動物，旁邊還有一個掉進陷阱的猛獁象，一群人圍著準備動手。 這幅畫想說的是：理解力從來都是數學家的專利之外的東西，它才是讓人類祖先活下來的那種能力。判斷陷阱挖在哪裡、猛獁象會往哪個方向跑、什麼時候收網，這些都需要在行動之前先在腦子裡把局面過一遍。這種能力在自然選擇上有巨大的優勢，數學只是它後來長出來的一個分支。 具體是什麼感覺？彭羅斯的描述很樸素： > 你正在做一件事，然後你停下來問自己，我到底在幹什麼？你退後一步，看著讓你這樣思考的那個東西。你已經不在遊戲裡了，你在想這個遊戲本身是怎麼回事。（彭羅斯） 這個"退後一步"，恰好也是哥德爾論證裡發生的事。你沒有在規則內部推導，你在規則外面看規則。彭羅斯說，這大概就是理解的雛形，雖然描述得一點都不精確，但感覺很真。 ## 狗、大象、章魚：意識不是人類的專利 對話在這裡轉向了一個更有意思的方向。 Lex 問，如果理解力跟演化掛鉤，那這條線要往回追多遠？彭羅斯說，肯定不止靈長類。 他提到非洲野犬的圍獵。犬群會分成兩隊，一隊繞到河邊埋伏，另一隊從反方向驅趕羚羊，把獵物往河的方向逼。羚羊到了河邊速度會慢下來，埋伏的一隊正好撲上去。整個計劃需要事先分工、協調、預判對方的逃跑路線。彭羅斯說，他完全想不出這些狗是怎麼商量的，但這裡面顯然有某種有意識的規劃。 更打動他的是大象。象群由年長的雌象帶領，有一次領頭象帶著整個族群走了一條大彎路，繞到一個地方停下。那是她姐妹死去的地方，骨頭還散在那裡。象群把骨頭撿起來，一根根傳遞，用鼻子撫摸，然後再放回去，之後才離開。 > 它們到底在幹什麼？這裡面有某種很深的情感在發生，跟它們的意識體驗有關。這對自然選擇整體上是有利的，但不是直接為了自然選擇。（彭羅斯） 這個區分很微妙。哀悼行為不直接提高生存率，它不像是被自然選擇一步步雕刻出來的功能模組，更像是意識體驗本身溢位來的東西。彭羅斯說，他傾向於認為這類行為整體上有演化優勢，路徑卻是間接的。 章魚也被點了名。章魚的行為表現出的智慧水平讓很多人願意用"意識"這個詞，而章魚和哺乳動物的演化路線在六億年前就分開了。如果章魚也有某種意識，那意識要麼有非常古老的共同祖先，要麼在完全不同的神經架構上獨立演化出來過。這兩種可能，對理解意識的本質都極其重要。 ## 量子力學裡那個被繞過去的問題 話題轉到物理學。彭羅斯說，他年輕時是個唯物主義者，可他理解的唯物主義裡，沒有任何神秘的東西從不知何處鑽進來。 他緊接著補了一句：我不喜歡"唯物主義者"這個詞，因為我們根本不知道物質是什麼。 這句話值得停一下。一個研究了一輩子廣義相對論和量子力學的人，說我們不知道物質是什麼。這不是謙虛，是字面意思。標準模型告訴你場和粒子怎麼相互作用，不告訴你為什麼會有這些東西。 彭羅斯的思路是這樣展開的：如果理解靠的不是計算，那它總得落在某種物理過程上。牛頓力學可以放到計算機上跑。廣義相對論也可以，效果還好得驚人。2015 年 LIGO 探測到的引力波訊號波形，跟超級計算機算出來的黑洞併合波形吻合得嚴絲合縫。至少在引力這個領域，計算能無限逼近物理。 然後他講狄拉克的第一堂課。 狄拉克講疊加原理，說一個粒子通常被認為在這裡或那裡，量子力學裡它可以同時在這裡和那裡。然後他拿起一支粉筆，據說當場掰成兩半，用這個動作示意同一個東西可以同時處於兩個位置。彭羅斯說，他當時走神了，沒聽清狄拉克後面怎麼解釋。他後來一直後悔，因為那個解釋很可能就是"別擔心，這只是數學形式"，他要是聽進去了，可能就不會為此困擾一輩子。 他的困擾是：薛定諤方程描述的演化完全確定、完全可以計算、完全可以在計算機上模擬。那麼波函式什麼時候坍縮成一個確定結果？這個坍縮過程不在薛定諤方程裡。它被人硬生生加了進去。 薛定諤本人對這個局面極度不滿。他提出那隻貓，正是為了說明：按我的方程推下去，貓會處於死和活的疊加態，這顯然是荒謬的，所以方程一定缺了什麼。後人經常把薛定諤的貓理解成"量子世界就是這麼詭異"，彭羅斯說這是誤讀，薛定諤是在抗議。 > 薛定諤本人對他自己的方程引出的結論極度不安。他提出那隻貓，就是在說：看，我的方程把你帶到這兒來了，這裡一定有問題。（彭羅斯） 狄拉克也說過類似的話，只是說得非常謹慎，藏在某篇文章的某個段落裡：量子力學是暫定的理論，我們需要某種東西來解釋波函式的坍縮。 ## 兩個基本原理打架 彭羅斯的猜想是：坍縮發生在引力介入的時候。 他花了很大力氣解釋為什麼。量子力學的核心是疊加原理，一個系統可以同時處於多個狀態。廣義相對論的核心是等效原理，這是伽利略就懂的東西：自由下落時引力被區域性消除了。伽利略舉的例子是煙花，爆炸後火花四散，整個火花球在下落過程中仍然保持球形，因為每一顆火星都在一起自由下落，球內感受不到引力。國際空間站上的宇航員低頭就能看見地球，他們漂浮著，因為他們在自由下落。 這兩個原理在深層是衝突的。疊加原理說一個質量可以同時處於兩個位置，等效原理說引力場取決於質量分佈。一個質量塊同時在這裡和那裡，它產生的引力場該按哪個算？ 彭羅斯說，這個衝突在極小尺度上無關緊要，質量足夠大、疊加態足夠"重"的時候，兩種描述就沒法同時成立。他認為大自然會在某個臨界點上強迫系統二選一，這個選擇過程就是波函式坍縮，而這個過程不可計算。 這個不可計算性，就是他給意識留的位置。 ## 微管：一個外行收到的關鍵提示 寫《皇帝新腦》（The Emperor's New Mind）的時候，彭羅斯碰到一個硬傷。他需要一個生物結構，能夠長時間維持量子相干性，不讓量子態洩漏到周圍環境裡。他去查神經生理學文獻，讀到的結論是：神經電訊號在腦組織裡傳，周圍全是水和離子，量子相干維持不了哪怕一瞬間。 他幾乎放棄了。書快寫完時，斯圖爾特·哈默羅夫（Stuart Hameroff）寫信給他，說你好像不知道微管（microtubules）這東西。 微管是細胞骨架的一部分，細胞分裂時把染色體拉向兩極的就是它們。它們遍佈幾乎所有細胞，結構是規整的管狀對稱體。彭羅斯說，打動他的正是這個對稱性。對稱結構保護量子相干的能力遠遠強於無序結構，這一點他非常確定。 哈默羅夫的本職是麻醉醫生。他關心的問題很具體：全身麻醉劑是怎麼讓人失去意識的？這類氣體分子結構各異，作用機制卻不清楚，效果完全可逆，關掉就恢復。哈默羅夫認為它們直接作用於微管，而且有一些實驗證據指向這個方向。 彭羅斯說，這是研究意識為數不多的抓手之一。 > 能真正摸到意識是什麼的地方不多，其中一個就是什麼能讓它關掉。全身麻醉劑非常特異，它們把意識關掉了，那它們到底幹了什麼？（彭羅斯） 這就構成了 Orch-OR 理論，全稱 Orchestrated Objective Reduction，"編排"加上"客觀坍縮"。理論分兩半：OR 那一半說波函式坍縮是引力導致的客觀物理事件，每一次坍縮產生一個"原意識"（proto-consciousness）的瞬間。Orch 那一半說大腦透過某種方式把這些瞬間編排成連貫的意識體驗。 彭羅斯對後半部分非常坦白： > Orch 那部分，我先把"編排"這個詞擺在那兒，它到底意味著什麼，比"物質"還要不清楚。（彭羅斯） ## 三種理論，以及我們現在連門檻都沒進 彭羅斯把物理學理論分三檔：superb（卓越）、useful（有用）、tentative（試探性）。 牛頓力學曾經是 superb，後來被相對論修正，降級成有用。量子力學現在是有用，能不能升到 superb 還不知道。至於意識的理論，Lex 問他我們是不是還在試探性階段，彭羅斯說，恐怕連試探性都沒進去。 這個判斷的依據很直接：領域裡沒有一個被多數人接受的清晰圖景。主流觀點認為意識是某種計算，彭羅斯追問，如果它是計算，那它到底算的是什麼？這個問題沒人能答上來。他自己也承認，"計算"這個詞用在這裡，含義其實很模糊。 量子力學史上還有一段有趣的公案。早期有一批相當有地位的物理學家認為，波函式坍縮發生在"有意識的觀察者"看它的時候。也就是說，意識導致坍縮。彭羅斯的觀點幾乎完全相反：坍縮是自然每時每刻都在自發發生的事件，不需要觀察者，每一次坍縮產生的原意識，才是構成意識體驗的原材料。 順序顛倒了。世界每一次確定下來的瞬間，構成了意識，而不是意識讓世界確定。 ## 熱寂、暴漲與那個沒人願意看的房間 對話後半段轉到宇宙學，彭羅斯在這裡的情緒明顯更激動。 先說標準圖景。宇宙在大爆炸中開始，一直膨脹。未來會越來越無聊：星系併合，黑洞吞掉大部分物質，然後黑洞透過霍金輻射蒸發，宇宙只剩光子，溫度趨近絕對零度。彭羅斯說，他坐在那兒想這個未來，覺得這也太無聊了，然後他意識到，沒有誰會無聊，因為那時候沒有人在。 他真正在意的是另一個問題，他稱之為"房間裡的大象"。 熱力學第二定律說熵隨時間增加。倒推回去，越早的宇宙熵越低。可觀測宇宙最早的直接證據是宇宙微波背景輻射，它完美符合普朗克黑體譜，這是熱平衡的標誌，也是熵達到最大值的標誌。 這就矛盾了。宇宙早期物質的熵已經最大，那後來的熵是從哪兒漲上去的？ 彭羅斯的答案是：你只看物質和輻射，漏掉了引力。引力的熵極低，低在它的均勻性上，微波背景在全天各個方向幾乎完全一致，這種均勻本身就是引力高度有序的表現。物質處於熱平衡，引力遠離平衡，兩相抵消之後，總熵才有一個巨大的上升空間。 這才是宇宙學最大的謎題：為什麼大爆炸時引力處於如此特殊的低熵狀態？ > 這是宇宙學最大的問題。好像沒人操心這件事。他們說所有問題都解決了，他們根本不擔心這個。（彭羅斯） 他不接受暴脹理論能解決它。暴脹說的是在大爆炸後極短極短的一瞬間，宇宙以指數方式膨脹，把一切抹平。彭羅斯的反駁是：暴脹只能把已有的均勻性放大，它沒法憑空製造均勻性。初始條件如果本身不均勻，暴脹之後還是不均勻。這個論證他覺得再清楚不過，可學界就是繞過去了。 ## 共形迴圈宇宙：把無窮遠折成一個點 他的替代方案叫共形迴圈宇宙學（Conformal Cyclic Cosmology，簡稱 CCC）。 核心工具是"共形"這個概念。彭羅斯用埃舍爾（M.C. Escher）那幅天使與魔鬼的畫來解釋：畫面邊緣，天使和魔鬼越擠越小，越來越密，但它們的大小比例保持不變，形狀不變，只是尺度在縮。對畫中角色來說，那條邊界就是無窮遠。對畫外的我們來說，那條邊界只是一個圓。 把這個幾何直覺用到物理上。宇宙裡測量尺度的東西是什麼？是有質量的粒子。因為 E=mc²，質量對應能量；因為 E=hν，能量對應頻率。兩個公式一合併，任何有質量的粒子都是一個振動頻率極其精確的時鐘。原子鐘、核鍾之所以精確到令人難以置信，根子就在這兩條公式。 反過來推：沒有質量，就沒有時鐘；沒有時鐘，就沒有尺度；沒有尺度，空間和時間的大小就失去意義。剩下的只有形狀，也就是共形結構。 宇宙的極遙遠未來，所有粒子要麼湮滅，要麼被黑洞吞掉，黑洞再蒸發，最後只剩光子。光子沒有質量，沒有時鐘，沒有尺度。這個宇宙在尺度上是一片空白，只剩共形結構。 大爆炸時刻呢？溫度趨近無窮，粒子能量趨近無窮，質量相對於能量可以忽略，它們以接近光速運動，同樣失去了尺度感。 一個是極稀薄極冷，一個是極致密極熱，看起來完全相反。從共形結構的角度看，兩者是同一個東西。 於是彭羅斯的圖景是：一個宇宙的極遙遠未來，透過共形變換，直接接上下一個宇宙的大爆炸。不需要奇點，不需要從無到有，是同一個幾何結構的兩次不同呈現。 這個圖景有可檢驗的預言。上一個宇宙裡黑洞併合產生的引力波，會以某種形式把資訊帶進我們這個宇宙，在微波背景裡留下同心圓環的痕跡。彭羅斯和合作者古爾扎迪揚（Vahe Gurzadyan）寫過論文找這些痕跡，爭議很大，目前沒有定論。他說，這只是值得一看的地方之一。 費米悖論也被他順手提了一句。宇宙一個接一個迴圈，足夠古老的文明完全可能留下能穿透宇宙邊界的資訊。我們沒收到，可能只是不知道該往哪兒看。 ## 最美的東西是複分析 Lex 問他，物理和數學裡最美的東西是什麼。 彭羅斯的答案不是引力，不是量子，是複分析。 他的講法很樸素：你從整數出發，填進分數，再填進實數，用來測量一條連續的線。然後你問，x²=-1 有解嗎？沒有實數解。於是你造一個 i 出來，加上去，得到複數。就這麼一個小小的新增，整個數學版圖隨之展開，各種你原本想不到的結構自己冒出來。 更奇妙的是，這個純數學構造後來被證明是量子力學的核心。量子態用複數描述，這是本質需要。薛定諤方程裡那個 i 拿不掉，拿掉方程就不成立。 彭羅斯由此給出他對"數學是發明還是發現"的立場： > 絕對是發現。它比你想象的更像考古。（彭羅斯） 這個立場跟他整套思想是自洽的。數學既然是發現的，數學家的工作就是在挖掘一個本來就在那裡的結構。哥德爾定理說的正是：任何一套形式系統都無法窮盡這個結構，總有東西在外面。人類的心智，恰恰能站到系統外面去看。 ## 生命的意義 最後 Lex 問了個大問題，生命的意義是什麼。 彭羅斯先替同事們回答了一遍：很多科學家會說這是個蠢問題，生命就是分子湊到一起的產物，就這樣，沒什麼可問的。然後他說，他不這麼看，這裡面還有更多東西。 更多的東西是什麼，他沒給答案。他說這些謎團是纏在一起的：意識的謎、量子力學的謎、量子力學怎麼過渡到經典世界的謎，甚至還有複數的謎。這些看起來是純數學的謎，卻跟物理世界怎麼運作有直接關係。 > 我們只是在撓表面。要真正理解這些，還有極其漫長的一段路要走。（彭羅斯） 整場對話裡，彭羅斯反覆在做一件事：把公認的答案推開，看看底下壓著什麼。小腦的算力遠超大腦卻毫無意識，哥德爾定理說明規則之外還有理解，波函式坍縮不在方程裡，宇宙早期的引力熵低得不可思議，暴脹解釋不了它。每一個都是學界主流已經繞過的地方。 他從不假裝自己有完整答案。Orch 的"編排"是什麼意思，他說不知道。意識的理論處在什麼階段，他說連試探性都沒進。引力的量子化怎麼和量子力學平起平坐，他說沒有理論。 一個九十歲的人，把一生花在這些問題上，最後的結論是"我們只是在撓表面"。這句話聽上去像謙辭，其實是一種方法論：把"還沒搞懂"當成可以公開說的狀態，而不用術語和模型把它掩蓋過去。 - 讀彭羅斯時，先抓住哥德爾那一節。理解"規則之外還能看出規則為真"這個結構，後面關於意識、關於量子力學、關於共形迴圈的論證都能順著這條線接上。 - 下次聽到"算力足夠大意識就會湧現"這種說法，可以拿小腦反問：神經元更多、計算更密的結構，為什麼反而毫無意識。 - 想跟進 Orch-OR 的實驗進展，盯兩條線：迪爾克·布梅斯特（Dirk Bouwmeester）在萊頓和聖塔芭芭拉做的量子疊加引力效應實驗，以及哈默羅夫團隊關於麻醉氣體對微管作用的實驗。 - 對宇宙學感興趣，可以從"引力熵為什麼這麼低"這個具體問題入手，比從暴脹理論入門更能看清各家分歧在哪。 - 想體會彭羅斯說的"理解"，找一個你自己熟練掌握的技能，回想它是怎麼從一步步的規則變成不再需要想的過程，再想想你現在還能不能退後一步，看清自己當時在做什麼。