01自然界的思想實驗

歷史上出現過很多著名的思想實驗，特別是關于自然界的思想實驗，愛因斯坦的“駕乘光束”實驗就是其一。研究大腦，也可以采用同樣的辦法。通過簡單的思想實驗，我們就能很好地理解人類智慧是怎么一回事兒。

達爾文的自然選擇學說出現于思想史發展的晚期。

它遲遲未出現，是因為它與神所啟示的真理相矛盾，是因為它是科學史上一個全新的概念，是因為它反映的只是生物特征，還是因為它給出的只是目的和最終原因，而未曾假定一種創造行為？我認為都不是。達爾文只是發現了自然選擇的作用，這是一種與當時推拉式的科學機制有很大區別的因果關系。各種奇妙生物的起源由此得到解釋——因為有許多可能隨機出現的新特征，所以得以存活下來。而當時的物理和生物科學幾乎沒有預見到自然選擇是一種因果關系。

唯有自身心靈的健全才是最神圣的。

B.F.斯金納

拉爾夫·沃爾多·愛默生

思想實驗1：大峽谷和大洞穴的形成

19世紀初期，地質學家們在思考一個十分重要的問題：美國科羅拉多大峽谷和希臘維科斯大峽谷（Vikos Gorge）這樣的大洞穴、大峽谷遍布全球，這些宏偉奇觀到底是如何形成的呢？

盡管這些自然景觀中無一例外都有水流的身影，但直到19世紀中期，人們都無法接受這些平緩的水流就是壯觀的峽谷峭壁形成的原因！英國地理學家查爾斯·賴爾（Charles Lyell）提出，確實是水流的長期作用造成了這樣的地理結構巨變——量變導致質變。這種觀點剛提出的時候引來噓聲一片，不過，十幾年后，賴爾的觀點得到了普遍認可。

英國博物學家查爾斯·達爾文（見圖1—1）當時密切關注著賴爾的全新觀點在科學界引起的反響。1850年左右的生物學領域大致情況如下：學科十分復雜，研究對象涉及無數復雜難懂的動植物。為紛繁多樣的自然界建立單一的通用理論極其困難，因此大部分科學家都反對這樣的嘗試。實際上，這種多樣性被視為上帝創造的偉大的證明，而不是精通此道的科學家們的智慧。

達爾文采用對賴爾的觀點進行類比的方法解釋了物種特征隨時間推進的漸變，并由此入手解決物種間基本規律的問題。在著名的《乘小獵犬號環球航行》（Voyage of the Beagle）一書中，他將這種觀點融入自己的思想實驗和觀察當中。達爾文提出，最容易在自己的生態位中存活下來的個體是那些可以繁衍下一代的個體。

1859年11月22日，達爾文的《物種起源》一書開始發售，這本書奠定了生物進化論的基礎。他在書中明確表示自己受到賴爾的影響。

我明白，由上述虛構事例例證的自然選擇學說，肯定會像查爾斯·賴爾先生的高見——“地球如今的變化就是一部地質史”最初提出時一樣，引來許多不贊同的聲音。不過，如今人們已經普遍認識到，水流在大峽谷以及狹長的內陸懸崖峭壁的形成過程中發揮了重要的作用。同樣，自然選擇也是一個積少成多的過程，只有通過不斷選擇有利的細微改變并進行保存和積累才能實現。既然現代地質學已經基本摒棄了大峽谷由單一洪積波開鑿而成之類的觀點，自然選擇也應如此。如果這種觀點是正確的，那就應該摒棄新生物持續再生，以及生物結構突發重大轉變的理念。

新觀點最初提出時備受抵制的原因可能多種多樣，但就達爾文的情況而言，原因卻很明顯。人類并非上帝創造的，而是猴子進化而來，之前則是蠕蟲——許多評論家都接受不了這種說法。更何況，這暗示著寵物狗、毛毛蟲、毛毛蟲爬過的植物都和人類沾親帶故。雖然可能只是極其遠房的親戚，但還是親戚啊！所以，人類的神圣性被褻瀆了，人類又怎會心甘情愿地屈尊降貴呢？

但這一觀點還是迅速傳播開來，因為它將眾多以往看似互不相干的現象聯系了起來。1872年，《物種起源》第6版出版，達爾文在書中添加了這樣一段文字：“作為對事情最初狀況的記錄，我保留了以上內容……其中有幾句話暗示著博物學家們以前一直相信物種是獨立創造出來的，我則因為提出了進化論的觀點而受到頗多非難。毫無疑問，本書第1版出版時，人們普遍接受的是前一個觀點，而無法接受我的觀點……不過，今非昔比，現在進化論已經得到了博物學家們的普遍認可。”

在接下來的一個世紀里，達爾文的想法得到越來越多的支持。1869年，《物種起源》第1版出版后僅10年，瑞士醫學家弗雷德里希·米歇爾（Friedrich Miescher）就在細胞核中發現了一種被他命名為“核素”的物質，實際上就是DNA。1927年，生物學家尼古拉·科利佐夫（Nikolai Koltsov）對被他稱為“大遺傳分子”的物質進行了描述，他說它由兩條對稱鏈組成，以一條鏈為模板按半保守方式進行復制。科利佐夫的發現也受到諸多指責。有人認為這是為法西斯做宣傳，他的意外死亡也被認為是蘇聯的秘密警察所為。

1953年，達爾文這部影響深遠的著作出版將近一個世紀之后，美國生物學家詹姆斯·沃森和英國生物學家弗朗西斯·克里克（Francis Crick）第一次對DNA的結構進行了精確描述，即一個由兩個長分子纏繞而成的雙螺旋結構。值得一提的是，他們的發現建立在著名的“照片51”的基礎上，該照片是他們的同事羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin，見圖1—2）利用X射線結晶學拍攝而成，這是人們第一次得到展現出雙螺旋結構的圖示。鑒于這些發現得益于富蘭克林拍攝的照片，有人認為富蘭克林應與沃森和克里克共同分享諾貝爾獎。

隨著能編碼生物學程序的分子被曝光，統一的生物學理論得以確立。它為所有生命確立了一個簡單而高貴的基礎。僅僅根據細胞核中組成DNA鏈的堿基對（從更低的層面來說，線粒體），就能判斷有機體可能成長為一株草還是一個人。這一見解與人們樂見的自然界的多樣性并不矛盾，但我們現在知道自然界的紛繁多樣是由這個無處不在的分子編碼成各種各樣的結構所致。

思想實驗2：駕乘光束

20世紀初期，物理學領域被另外一系列思想實驗所顛覆。1879年，一個男孩出生在德國的一個家庭中，他的父親是工程師，母親是家庭主婦。據說，他3歲才開始說話，9歲時被學校認為存在學習障礙，16歲時，他就開始幻想著駕乘月光。

這個年輕人當時在思考英國數學家托馬斯·楊（Thomas Young）1803年所做的實驗，那個實驗證實了光由波組成。那時的推論是光波必須借由某種介質傳播。畢竟，水波借助水傳播，聲波借助空氣或其他物質傳播。科學家稱光波傳播的介質為“以太”。那個男孩也在思考1887年美國科學家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson）和愛德華·莫利（Edward Morley）所做的實驗，該實驗試圖借助小船在河流中順流和逆流而行的類比證明“以太”的存在。如果你恒速劃槳行進，順流而行時，從岸上觀測的速度會較逆流而行更快。邁克爾遜和莫利假定光會在“以太”中勻速前進（即以光速運動），他們推斷地球沿其軌道朝太陽運動時（從地球上的有利位置觀測）與地球朝遠離太陽方向運動時陽光運動的速度會不同（甚至可以達到地球運動速度的兩倍） 。這一點一旦得到證實，就能證明以太的存在。然而他們發現，不管地球處于軌道上的哪個位置，陽光向地球運動的速度都不變。他們的發現否定了“以太”存在的觀點。那真實的情況究竟是怎樣的呢？此后20年中，這一直是一個謎。

這個德國男孩則幻想與光束同游，他認為他應該能看到光束凍住，就像與火車保持同速前進時，火車看似靜止一般。不過，他意識到這不可能，因為不管你如何運動，光速都被視為恒定。所以，他幻想著以稍微慢些的速度與光束同游。如果以光速的90%的速度運動會怎樣呢？如果光束像火車那樣，他推論他會看到光束在他前面以10%的光速運動。實際上，那就是地球上的觀測者將看到的一幕。但我們知道邁克爾遜—莫利的實驗表明光速恒定。因此，他應該看到光束在他前面全速前進。這似乎產生了矛盾——怎么可能呢？

到這個德國男孩26歲時，答案似乎是顯而易見的了。順便提一下，男孩的名字叫阿爾伯特·愛因斯坦。顯然，時間為青年大師愛因斯坦變慢了。愛因斯坦在1905年發表的論文中對他的推理過程進行了闡釋。如果地球上的觀測者看到男孩的手表，就會發現它的轉速慢了9/10。實際上，當他返回地球時，他的手表會顯示只過了1/10的時間（暫時不考慮加速和減速）。然而，從他的角度來看，他的手表卻是正常運轉，旁邊的光束也是以光速運動。時間的速度會自行減慢9/10（相對于地球的時間）就可以解釋看似存在矛盾的分歧了。在極端的情況下，當速度達到光速，時間就會減慢到接近于零，因此，想與光束并駕齊驅是不可能的。不過，盡管不可能以光速運動，但理論上來說，速度超越光束并非不可能，到那時，時間就會倒退。

這個解釋在許多早期評論家看來十分荒誕。時間怎么會因為某人運動的速度而自行減慢呢？實際上，18年來（從邁克爾森—莫利的實驗開始），對愛因斯坦來說顯而易見的論斷，其他研究者卻無法得出。他們中許多人對于這個問題的思考貫穿了整個19世紀下半葉，他們選擇信奉預先形成的現實運作觀，而不是這一原理的啟示，實質上就是“摔落馬背”了——也許我應該說他們“摔落光束”了。

愛因斯坦第二次思想實驗是想象自己和兄弟一起飛越時空。他們相距186000英里。愛因斯坦想在保持彼此距離不變的情況下加速前進，于是用手電筒給兄弟發送信號。他知道信號傳送時間為一秒鐘，于是他會在發出信號一秒鐘之后再開始加速。而他的兄弟接收到信號就立即加速。這樣，兩兄弟恰好同時加速，因此能保持相互間距離不變。

但是想想，如果我們在地球上，看到的情況會怎樣呢？如果兩兄弟正向背離我們的方向運動（阿爾伯特領先），看上去就會是光抵近他兄弟的時間不足一秒，因為他在向光運動。同樣，我們也會看到他兄弟的計時器變慢（由于他加速時離我們更近些）。鑒于所有這些原因，我們將看到兩兄弟越靠越近，并最終相撞。然而，在兩兄弟看來，他們始終保持著186000英里的距離不變。

怎么會這樣？答案顯然就是距離與運動平行，而不是垂直。于是，隨著他們加速前進，愛因斯坦兄弟越靠越近（假定他們頭朝前飛行）。也許，這個怪誕的結論比時間流逝的差異更不能讓人信服。

同一年，愛因斯坦又用另一個思想實驗思考了物質與能量的關系。蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在19世紀50年代證明了被稱為光子的光微粒雖然不具備質量但仍具備動量。孩童時，他有一個名為克魯克斯輻射計（Crookes radiometer，見圖1—3）的裝置，該裝置由一個密封玻璃球莖組成，其內部包含部分真空和繞軸旋轉的4個葉片。葉片一面白，一面黑。每個葉片的白色面反射光，黑色面吸收光。（這就是為什么熱天穿白色T恤衫更涼爽的原因。）當裝置上有光照射時，葉片就會旋轉，黑色面朝遠離光的方向運動。這就直接證明了光子具備足夠的動量，可以推動輻射計的葉片運動。

愛因斯坦苦苦思索的是動量與質量的函數關系：動量是質量和速度的乘積。因此，一輛以每小時30英里的速度運動的機車，比以相同速度運動的蟲子具備更大的動量。但是，不具備質量的光子怎么會有正動量呢？

愛因斯坦的思想實驗由一個在空中飄浮的盒子組成。盒內有一個光子從左端射向右端。因為系統的總動量守恒，所以當光子發射時，盒子向左退。一定時間后，光子與盒子右端相撞，將其動量轉化給盒子。系統總動量仍需守恒，所以此時盒子靜止不動。

至此，一切似乎都很合理。但仔細想一想，從愛因斯坦的角度來看，又會如何呢？他是從盒子的外部觀察的，所以應該看不到盒子外部有任何變化：沒有微粒對其進行撞擊——無論是否具備質量，也沒有物體脫離。而根據上述情節，愛因斯坦卻看到盒子迅速向左移動，然后停了下來。按照我們的分析，每個光子應持續使盒子向左運動。另一方面，既然不存在盒子向外部作用或受到外部作用的情況，那么其質心應與之保持相同位置。但是盒子內部從左向右運動的光子不能改變質心位置，因為它不具備質量。

還是，它具備質量？愛因斯坦的推論是，既然光子具備能量和動量，那么它也一定存在質量的等價物。運動的光子與運動的物質完全等價。我們可以通過確認光子運動期間，系統質心必須保持靜止來計算這一等價值。通過數學計算，愛因斯坦證明了質量和能量等價，并通過簡單的常量相聯系。然而，值得注意的是：這個常量也許簡單，但數值卻極大，它是光速的平方（大約1.7×1017——即，17后面跟16個0） 。這樣，我們也就得出了愛因斯坦著名的方程E=mc2。因此，1盎司（28克）的物質相當于60萬噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量。愛因斯坦在1939年8月寫給羅斯福總統的信中，說明了根據這個方程式計算出的原子彈的潛在能量，而這個方程式也開啟了原子時代。

你也許認為這一點應該早點被發現，因為實驗人員早就察覺到放射性物質的質量虧損是受到了長期輻射的結果。然而，當時存在一種假設，認為放射性物質燃燒了自身包含的某種特殊高能燃料。這種假設并非完全錯誤，只不過那種燃燒掉的燃料就是質量。

我以達爾文和愛因斯坦的思想實驗作為本書的開篇有以下幾個原因。首先，它們展現出人腦的非凡能力。在沒有任何其他設施的情況下，愛因斯坦只憑筆和紙就描繪出這些簡單的思想實驗并寫出由此得到的簡單方程式，顛覆了統治物理學領域兩個世紀的傳統觀念，深刻地影響了歷史的進程（包括第二次世界大戰），并開啟了核時代。

愛因斯坦確實借鑒了19世紀的一些實驗結果，但這些實驗也沒有使用精密儀器。雖然后來，愛因斯坦的理論驗證實驗確實使用了先進的技術，如若不然，我們也無法證實愛因斯坦理論的正確性和重要性。然而，這都無法掩蓋由這些著名的思想實驗展現出來的人類思想的耀眼光芒。

雖然愛因斯坦被譽為20世紀最偉大的科學家（達爾文被譽為19世紀最偉大的科學家之一），但隱藏在其理論背后的數學原理卻并不復雜，思想實驗本身也十分簡單。所以，我們不禁好奇，愛因斯坦究竟為什么會被貼上無比聰明的標簽？我們將在后面的內容中具體描述他在提出這些理論的時候，有著怎樣的思維活動。

這段歷史也展現了人類思維的局限性。為什么愛因斯坦能駕乘光束而不至于摔落（雖然他推斷實際上不可能駕乘光束），而成千上萬其他的觀察者和思考者卻不能借助這些并不復雜的方式來思考呢？一個共同的障礙就是大多數人難以摒棄并超越同輩人的思維觀念。至于其他障礙，我們會在考察大腦新皮質如何工作后進行更細致的討論。

大腦新皮質的統一模式

我分享這些歷史上最著名的思想實驗的主要原因，是為了用同樣的方法研究大腦。正如你將看到的，借助簡單的思想實驗，我們能很好地理解人類智慧是如何發揮作用的。進行這樣的研究，思想實驗當仁不讓，是最恰當的方法。

如果一個年輕人只需空想和筆紙就足以徹底改變物理學觀念，那么對于熟知之物，我們理應能取得更深刻的認識。畢竟，在清醒的每一刻，我們都在思考。

在通過自我反省的過程建立一個思維運作的模型后，借助最新的大腦實際觀測和目前機器重現這個過程的技術，我們將檢測這個模型的準確度。