歷史上出現(xiàn)過很多著名的思想實驗，特別是關(guān)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(dá)爾文的自然選擇學(xué)說出現(xiàn)于思想史發(fā)展的晚期。

它遲遲未出現(xiàn)，是因為它與神所啟示的真理相矛盾，是因為它是科學(xué)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(chuàng)造行為？我認(rèn)為都不是。達(dá)爾文只是發(fā)現(xiàn)了自然選擇的作用，這是一種與當(dāng)時推拉式的科學(xué)機(jī)制有很大區(qū)別的因果關(guān)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(jī)出現(xiàn)的新特征，所以得以存活下來。而當(dāng)時的物理和生物科學(xué)幾乎沒有預(yù)見到自然選擇是一種因果關(guān)系。

B.F.斯金納

唯有自身心靈的健全才是最神圣的。

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(jì)初期，地質(zhì)學(xué)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(jì)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(xué)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(jié)構(gòu)巨變——量變導(dǎo)致質(zhì)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(rèn)可。

英國博物學(xué)家查爾斯·達(dá)爾文（見圖1—1）當(dāng)時密切關(guān)注著賴爾的全新觀點在科學(xué)界引起的反響。1850年左右的生物學(xué)領(lǐng)域大致情況如下：學(xué)科十分復(fù)雜，研究對象涉及無數(shù)復(fù)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(xué)家都反對這樣的嘗試。實際上，這種多樣性被視為上帝創(chuàng)造的偉大的證明，而不是精通此道的科學(xué)家們的智慧。

圖1—1　查爾斯·達(dá)爾文

達(dá)爾文采用對賴爾的觀點進(jìn)行類比的方法解釋了物種特征隨時間推進(jìn)的漸變，并由此入手解決物種間基本規(guī)律的問題。在著名的《乘小獵犬號環(huán)球航行》（Voyage of the Beagle）一書中，他將這種觀點融人自己的思想實驗和觀察當(dāng)中。達(dá)爾文提出，最容易在自己的生態(tài)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(dá)爾文的《物種起源》一書開始發(fā)售，這本書奠定了生物進(jìn)化論的基礎(chǔ)。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(gòu)事例例證的自然選擇學(xué)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(zhì)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(jīng)普遍認(rèn)識到，水流在大峽谷以及狹長的內(nèi)陸懸崖峭壁的形成過程中發(fā)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(xì)微改變并進(jìn)行保存和積累才能實現(xiàn)。既然現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)已經(jīng)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(yīng)如此。如果這種觀點是正確的，那就應(yīng)該摒棄新生物持續(xù)再生，以及生物結(jié)構(gòu)突發(fā)重大轉(zhuǎn)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(dá)爾文的情況而言，原因卻很明顯。人類并非上帝創(chuàng)造的，而是猴子進(jìn)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(yuǎn)房的親戚，但還是親戚??！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(xiàn)象聯(lián)系了起來。1872年，《物種起源》第6版出版，達(dá)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(nèi)容……其中有幾句話暗示著博物學(xué)家們以前一直相信物種是獨立創(chuàng)造出來的，我則因為提出了進(jìn)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(xiàn)在進(jìn)化論已經(jīng)得到了博物學(xué)家們的普遍認(rèn)可?！?/p>

在接下來的一個世紀(jì)里，達(dá)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(yī)學(xué)家弗雷德里?！っ仔獱枺‵riedrich Miescher）就在細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)了一種被他命名為“核素”的物質(zhì)，實際上就是DNAo 1927年，生物學(xué)家尼古拉·科利佐夫（Nikolai Koltsov）對被他稱為“大遺傳分子”的物質(zhì)進(jìn)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(jìn)行復(fù)制?？评舴虻陌l(fā)現(xiàn)也受到諸多指責(zé)。有人認(rèn)為這是為法西斯做宣傳，他的意外死亡也被認(rèn)為是蘇聯(lián)的秘密警察所為。

1953年，達(dá)爾文這部影響深遠(yuǎn)的著作出版將近一個世紀(jì)之后，美國生物學(xué)家詹姆斯·沃森和英國生物學(xué)家弗朗西斯·克里克（Francis Crick）第一次對DNA的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確描述，即一個由兩個長分子纏繞而成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。值得一提的是，他們的發(fā)現(xiàn)建立在著名的“照片51”的基礎(chǔ)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(jié)晶學(xué)拍攝而成，這是人們第一次得到展現(xiàn)出雙螺旋結(jié)構(gòu)的圖示。鑒于這些發(fā)現(xiàn)得益于富蘭克林拍攝的照片，有人認(rèn)為富蘭克林應(yīng)與沃森和克里克共同分享諾貝爾獎。

圖1—2　羅莎琳德·富蘭克林

隨著能編碼生物學(xué)程序的分子被曝光，統(tǒng)一的生物學(xué)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(chǔ)。僅僅根據(jù)細(xì)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(jī)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(xiàn)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(jié)構(gòu)所致。

思想實驗2：駕乘光束

20世紀(jì)初期，物理學(xué)領(lǐng)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(jù)說，他3歲才開始說話，9歲時被學(xué)校認(rèn)為存在學(xué)習(xí)障礙，16歲時，他就開始幻想著駕乘月光。

這個年輕人當(dāng)時在思考英國數(shù)學(xué)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(zhì)傳播。畢竟，水波借助水傳播，聲波借助空氣或其他物質(zhì)傳播。科學(xué)家稱光波傳播的介質(zhì)為“以太”。那個男孩也在思考1887年美國科學(xué)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(jìn)，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(jìn)（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(yuǎn)離太陽方向運動時陽光運動的速度會不同（甚至可以達(dá)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(rèn)為他應(yīng)該能看到光束凍住，就像與火車保持同速前進(jìn)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(yīng)該看到光束在他前面全速前進(jìn)。這似乎產(chǎn)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(fā)表的論文中對他的推理過程進(jìn)行了闡釋。如果地球上的觀測者看到男孩的手表，就會發(fā)現(xiàn)它的轉(zhuǎn)速慢了9/10。實際上，當(dāng)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(zhuǎn)，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(dāng)速度達(dá)到光速，時間就會減慢到接近于零，因此，想與光束并駕齊驅(qū)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（從邁克爾森一莫利的實驗開始），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(jì)下半葉，他們選擇信奉預(yù)先形成的現(xiàn)實運作觀，而不是這一原理的啟示，實質(zhì)上就是“摔落馬背”了——也許我應(yīng)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(jìn)，于是用手電筒給兄弟發(fā)送信號。他知道信號傳送時間為一秒鐘，于是他會在發(fā)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(lǐng)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(jìn)，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(jié)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(zhì)與能量的關(guān)系。蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在19世紀(jì)50年代證明了被稱為光子的光微粒雖然不具備質(zhì)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(nèi)部包含部分真空和繞軸旋轉(zhuǎn)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(dāng)裝置上有光照射時，葉片就會旋轉(zhuǎn)，黑色面朝遠(yuǎn)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(zhì)量的函數(shù)關(guān)系：動量是質(zhì)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(jī)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(zhì)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(nèi)有一個光子從左端射向右端。因為系統(tǒng)的總動量守恒，所以當(dāng)光子發(fā)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(zhuǎn)化給盒子。系統(tǒng)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(xì)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(yīng)該看不到盒子外部有任何變化：沒有微粒對其進(jìn)行撞擊——無論是否具備質(zhì)量，也沒有物體脫離。而根據(jù)上述情節(jié)，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(yīng)持續(xù)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(zhì)心應(yīng)與之保持相同位置。但是盒子內(nèi)部從左向右運動的光子不能改變質(zhì)心位置，因為它不具備質(zhì)量。

圖1—3　克魯克斯輻射計

還是，它具備質(zhì)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(zhì)量的等價物。運動的光子與運動的物質(zhì)完全等價。我們可以通過確認(rèn)光子運動期間，系統(tǒng)質(zhì)心必須保持靜止來計算這一等價值。通過數(shù)學(xué)計算，愛因斯坦證明了質(zhì)量和能量等價，并通過簡單的常量相聯(lián)系。然而，值得注意的是：這個常量也許簡單，但數(shù)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(zhì)相當(dāng)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?？偨y(tǒng)的信中，說明了根據(jù)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(rèn)為這一點應(yīng)該早點被發(fā)現(xiàn)，因為實驗人員早就察覺到放射性物質(zhì)的質(zhì)量虧損是受到了長期輻射的結(jié)果。然而，當(dāng)時存在一種假設(shè)，認(rèn)為放射性物質(zhì)燃燒了自身包含的某種特殊高能燃料。這種假設(shè)并非完全錯誤，只不過那種燃燒掉的燃料就是質(zhì)量。

我以達(dá)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(xiàn)出人腦的非凡能力。在沒有任何其他設(shè)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(tǒng)治物理學(xué)領(lǐng)域兩個世紀(jì)的傳統(tǒng)觀念，深刻地影響了歷史的進(jìn)程（包括第二次世界大戰(zhàn)），并開啟了核時代。

愛因斯坦確實借鑒了19世紀(jì)的一些實驗結(jié)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(jìn)的技術(shù)，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(xiàn)出來的人類思想的耀眼光芒。

雖然愛因斯坦被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家（達(dá)爾文被譽(yù)為19世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一），但隱藏在其理論背后的數(shù)學(xué)原理卻并不復(fù)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(biāo)簽？我們將在后面的內(nèi)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(xiàn)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(fù)雜的方式來思考呢？一個共同的障礙就是大多數(shù)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(zhì)如何工作后進(jìn)行更細(xì)致的討論。

大腦新皮質(zhì)的統(tǒng)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(fā)揮作用的。進(jìn)行這樣的研究，思想實驗當(dāng)仁不讓，是最恰當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

如果一個年輕人只需空想和筆紙就足以徹底改變物理學(xué)觀念，那么對于熟知之物，我們理應(yīng)能取得更深刻的認(rèn)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(jī)器重現(xiàn)這個過程的技術(shù)，我們將檢測這個模型的準(zhǔn)確度。