自然界的思想实验

历史上出现过很多著名的思想实验，特别是关于自然界的思想实验，爱因斯坦的“驾乘光束”。实验就是其一。研究大脑，也可以采用同样的办法。通过简单的思想实验，我们就能很好地理解人类智慧是怎么一回事儿。

达尔文的自然选择学说出现于思想史发展的晚期。

它迟迟未出现，是因为它与神所启示的真理相矛盾，是因为它是科学史上一个全新的概念，是因为它反映的只是生物特征，还是因为它给出的只是目的和最终原因，而未曾假定一种创造行为？我认为都不是。达尔文只是发现了自然选择的作用，这是一种与当时推拉式的科学机制有很大区别的因果关系。各种奇妙生物的起源由此得到解释——因为有许多可能随机出现的新特征，所以得以存活下来。而当时的物理和生物科学几乎没有预见到自然选择是一种因果关系。

B.F.斯金纳

唯有自身心灵的健全才是最神圣的。

拉尔夫·沃尔多·爱默生

思想实验1：大峡谷和大洞穴的形成

19世纪初期，地质学家们在思考一个十分重要的问题：美国科罗拉多大峡谷和希腊维科斯大峡谷（Vikos Gorge）这样的大洞穴、大峡谷遍布全球，这些宏伟奇观到底是如何形成的呢？

尽管这些自然景观中无一例外都有水流的身影，但直到19世纪中期，人们都无法接受这些平缓的水流就是壮观的峡谷峭壁形成的原因！英国地理学家查尔斯·赖尔（Charles Lyell）提出，确实是水流的长期作用造成了这样的地理结构巨变——量变导致质变。这种观点刚提出的时候引来嘘声一片，不过，十几年后，赖尔的观点得到了普遍认可。

英国博物学家查尔斯·达尔文（见图1—1）当时密切关注着赖尔的全新观点在科学界引起的反响。1850年左右的生物学领域大致情况如下：学科十分复杂，研究对象涉及无数复杂难懂的动植物。为纷繁多样的自然界建立单一的通用理论极其困难，因此大部分科学家都反对这样的尝试。实际上，这种多样性被视为上帝创造的伟大的证明，而不是精通此道的科学家们的智慧。

图1—1　查尔斯·达尔文

达尔文采用对赖尔的观点进行类比的方法解释了物种特征随时间推进的渐变，并由此入手解决物种间基本规律的问题。在著名的《乘小猎犬号环球航行》（Voyage of the Beagle）一书中，他将这种观点融人自己的思想实验和观察当中。达尔文提出，最容易在自己的生态位中存活下来的个体是那些可以繁衍下一代的个体。

1859年11月22日，达尔文的《物种起源》一书开始发售，这本书奠定了生物进化论的基础。他在书中明确表示自己受到赖尔的影响。

我明白，由上述虚构事例例证的自然选择学说，肯定会像查尔斯·赖尔先生的高见——“地球如今的变化就是一部地质史”最初提出时一样，引来许多不赞同的声音。不过，如今人们已经普遍认识到，水流在大峡谷以及狭长的内陆悬崖峭壁的形成过程中发挥了重要的作用。同样，自然选择也是一个积少成多的过程，只有通过不断选择有利的细微改变并进行保存和积累才能实现。既然现代地质学已经基本摒弃了大峡谷由单一洪积波开凿而成之类的观点，自然选择也应如此。如果这种观点是正确的，那就应该摒弃新生物持续再生，以及生物结构突发重大转变的理念。

新观点最初提出时备受抵制的原因可能多种多样，但就达尔文的情况而言，原因却很明显。人类并非上帝创造的，而是猴子进化而来，之前则是蠕虫——许多评论家都接受不了这种说法。更何况，这暗示着宠物狗、毛毛虫、毛毛虫爬过的植物都和人类沾亲带故。虽然可能只是极其远房的亲戚，但还是亲戚啊！所以，人类的神圣性被亵渎了，人类又怎会心甘情愿地屈尊降贵呢？

但这一观点还是迅速传播开来，因为它将众多以往看似互不相干的现象联系了起来。1872年，《物种起源》第6版出版，达尔文在书中添加了这样一段文字：“作为对事情最初状况的记录，我保留了以上内容……其中有几句话暗示着博物学家们以前一直相信物种是独立创造出来的，我则因为提出了进化论的观点而受到颇多非难。毫无疑问，本书第1版出版时，人们普遍接受的是前一个观点，而无法接受我的观点……不过，今非昔比，现在进化论已经得到了博物学家们的普遍认可。”

在接下来的一个世纪里，达尔文的想法得到越来越多的支持。1869年，《物种起源》第1版出版后仅10年，瑞士医学家弗雷德里希·米歇尔（Friedrich Miescher）就在细胞核中发现了一种被他命名为“核素”的物质，实际上就是DNAo 1927年，生物学家尼古拉·科利佐夫（Nikolai Koltsov）对被他称为“大遗传分子”的物质进行了描述，他说它由两条对称链组成，以一条链为模板按半保守方式进行复制。科利佐夫的发现也受到诸多指责。有人认为这是为法西斯做宣传，他的意外死亡也被认为是苏联的秘密警察所为。

1953年，达尔文这部影响深远的著作出版将近一个世纪之后，美国生物学家詹姆斯·沃森和英国生物学家弗朗西斯·克里克（Francis Crick）第一次对DNA的结构进行了精确描述，即一个由两个长分子缠绕而成的双螺旋结构。值得一提的是，他们的发现建立在著名的“照片51”的基础上，该照片是他们的同事罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin，见图1—2）利用X射线结晶学拍摄而成，这是人们第一次得到展现出双螺旋结构的图示。鉴于这些发现得益于富兰克林拍摄的照片，有人认为富兰克林应与沃森和克里克共同分享诺贝尔奖。

图1—2　罗莎琳德·富兰克林

随着能编码生物学程序的分子被曝光，统一的生物学理论得以确立。它为所有生命确立了一个简单而高贵的基础。仅仅根据细胞核中组成DNA链的碱基对（从更低的层面来说，线粒体），就能判断有机体可能成长为一株草还是一个人。这一见解与人们乐见的自然界的多样性并不矛盾，但我们现在知道自然界的纷繁多样是由这个无处不在的分子编码成各种各样的结构所致。

思想实验2：驾乘光束

20世纪初期，物理学领域被另外一系列思想实验所颠覆。1879年，一个男孩出生在德国的一个家庭中，他的父亲是工程师，母亲是家庭主妇。据说，他3岁才开始说话，9岁时被学校认为存在学习障碍，16岁时，他就开始幻想着驾乘月光。

这个年轻人当时在思考英国数学家托马斯·杨（Thomas Young）1803年所做的实验，那个实验证实了光由波组成。那时的推论是光波必须借由某种介质传播。毕竟，水波借助水传播，声波借助空气或其他物质传播。科学家称光波传播的介质为“以太”。那个男孩也在思考1887年美国科学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫利（Edward Morley）所做的实验，该实验试图借助小船在河流中顺流和逆流而行的类比证明“以太”的存在。如果你恒速划桨行进，顺流而行时，从岸上观测的速度会较逆流而行更快。迈克尔逊和莫利假定光会在“以太”中匀速前进（即以光速运动），他们推断地球沿其轨道朝太阳运动时（从地球上的有利位置观测）与地球朝远离太阳方向运动时阳光运动的速度会不同（甚至可以达到地球运动速度的两倍）。这一点一旦得到证实，就能证明以太的存在。然而他们发现，不管地球处于轨道上的哪个位置，阳光向地球运动的速度都不变。他们的发现否定了“以太”存在的观点。那真实的情况究竟是怎样的呢？此后20年中，这一直是一个谜。

这个德国男孩则幻想与光束同游，他认为他应该能看到光束冻住，就像与火车保持同速前进时，火车看似静止一般。不过，他意识到这不可能，因为不管你如何运动，光速都被视为恒定。所以，他幻想着以稍微慢些的速度与光束同游。如果以光速的90%的速度运动会怎样呢？如果光束像火车那样，他推论他会看到光束在他前面以10%的光速运动。实际上，那就是地球上的观测者将看到的一幕。但我们知道迈克尔逊—莫利的实验表明光速恒定。因此，他应该看到光束在他前面全速前进。这似乎产生了矛盾——怎么可能呢？

到这个德国男孩26岁时，答案似乎是显而易见的了。顺便提一下，男孩的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦。显然，时间为青年大师爱因斯坦变慢了。爱因斯坦在1905年发表的论文中对他的推理过程进行了阐释。如果地球上的观测者看到男孩的手表，就会发现它的转速慢了9/10。实际上，当他返回地球时，他的手表会显示只过了1/10的时间（暂时不考虑加速和减速）。然而，从他的角度来看，他的手表却是正常运转，旁边的光束也是以光速运动。时间的速度会自行减慢9/10（相对于地球的时间）就可以解释看似存在矛盾的分歧了。在极端的情况下，当速度达到光速，时间就会减慢到接近于零，因此，想与光束并驾齐驱是不可能的。不过，尽管不可能以光速运动，但理论上来说，速度超越光束并非不可能，到那时，时间就会倒退。

这个解释在许多早期评论家看来十分荒诞。时间怎么会因为某人运动的速度而自行减慢呢？实际上，18年来（从迈克尔森一莫利的实验开始），对爱因斯坦来说显而易见的论断，其他研究者却无法得出。他们中许多人对于这个问题的思考贯穿了整个19世纪下半叶，他们选择信奉预先形成的现实运作观，而不是这一原理的启示，实质上就是“摔落马背”了——也许我应该说他们“摔落光束”了。

爱因斯坦第二次思想实验是想象自己和兄弟一起飞越时空。他们相距186000英里。爱因斯坦想在保持彼此距离不变的情况下加速前进，于是用手电筒给兄弟发送信号。他知道信号传送时间为一秒钟，于是他会在发出信号一秒钟之后再开始加速。而他的兄弟接收到信号就立即加速。这样，两兄弟恰好同时加速，因此能保持相互间距离不变。

但是想想，如果我们在地球上，看到的情况会怎样呢？如果两兄弟正向背离我们的方向运动（阿尔伯特领先），看上去就会是光抵近他兄弟的时间不足一秒，因为他在向光运动。同样，我们也会看到他兄弟的计时器变慢（由于他加速时离我们更近些）。鉴于所有这些原因，我们将看到两兄弟越靠越近，并最终相撞。然而，在两兄弟看来，他们始终保持着186000英里的距离不变。

怎么会这样？答案显然就是距离与运动平行，而不是垂直。于是，随着他们加速前进，爱因斯坦兄弟越靠越近（假定他们头朝前飞行）。也许，这个怪诞的结论比时间流逝的差异更不能让人信服。

同一年，爱因斯坦又用另一个思想实验思考了物质与能量的关系。苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在19世纪50年代证明了被称为光子的光微粒虽然不具备质量但仍具备动量。孩童时，他有一个名为克鲁克斯辐射计（Crookes radiometer，见图1—3）的装置，该装置由一个密封玻璃球茎组成，其内部包含部分真空和绕轴旋转的4个叶片。叶片一面白，一面黑。每个叶片的白色面反射光，黑色面吸收光。（这就是为什么热天穿白色T恤衫更凉爽的原因。）当装置上有光照射时，叶片就会旋转，黑色面朝远离光的方向运动。这就直接证明了光子具备足够的动量，可以推动辐射计的叶片运动。

爱因斯坦苦苦思索的是动量与质量的函数关系：动量是质量和速度的乘积。因此，一辆以每小时30英里的速度运动的机车，比以相同速度运动的虫子具备更大的动量。但是，不具备质量的光子怎么会有正动量呢？

爱因斯坦的思想实验由一个在空中飘浮的盒子组成。盒内有一个光子从左端射向右端。因为系统的总动量守恒，所以当光子发射时，盒子向左退。一定时间后，光子与盒子右端相撞，将其动量转化给盒子。系统总动量仍需守恒，所以此时盒子静止不动。

至此，一切似乎都很合理。但仔细想一想，从爱因斯坦的角度来看，又会如何呢？他是从盒子的外部观察的，所以应该看不到盒子外部有任何变化：没有微粒对其进行撞击——无论是否具备质量，也没有物体脱离。而根据上述情节，爱因斯坦却看到盒子迅速向左移动，然后停了下来。按照我们的分析，每个光子应持续使盒子向左运动。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况，那么其质心应与之保持相同位置。但是盒子内部从左向右运动的光子不能改变质心位置，因为它不具备质量。

图1—3　克鲁克斯辐射计

还是，它具备质量？爱因斯坦的推论是，既然光子具备能量和动量，那么它也一定存在质量的等价物。运动的光子与运动的物质完全等价。我们可以通过确认光子运动期间，系统质心必须保持静止来计算这一等价值。通过数学计算，爱因斯坦证明了质量和能量等价，并通过简单的常量相联系。然而，值得注意的是：这个常量也许简单，但数值却极大，它是光速的平方（大约1.7×1017—即，17后面跟16个0）。这样，我们也就得出了爱因斯坦著名的方程E＝mc2。因此，1盎司（28克）的物质相当于60万吨TNT炸药爆炸时所释放的能量。爱因斯坦在1939年8月写给罗斯福总统的信中，说明了根据这个方程式计算出的原子弹的潜在能量，而这个方程式也开启了原子时代。

你也许认为这一点应该早点被发现，因为实验人员早就察觉到放射性物质的质量亏损是受到了长期辐射的结果。然而，当时存在一种假设，认为放射性物质燃烧了自身包含的某种特殊高能燃料。这种假设并非完全错误，只不过那种燃烧掉的燃料就是质量。

我以达尔文和爱因斯坦的思想实验作为本书的开篇有以下几个原因。首先，它们展现出人脑的非凡能力。在没有任何其他设施的情况下，爱因斯坦只凭笔和纸就描绘出这些简单的思想实验并写出由此得到的简单方程式，颠覆了统治物理学领域两个世纪的传统观念，深刻地影响了历史的进程（包括第二次世界大战），并开启了核时代。

爱因斯坦确实借鉴了19世纪的一些实验结果，但这些实验也没有使用精密仪器。虽然后来，爱因斯坦的理论验证实验确实使用了先进的技术，如若不然，我们也无法证实爱因斯坦理论的正确性和重要性。然而，这都无法掩盖由这些著名的思想实验展现出来的人类思想的耀眼光芒。

虽然爱因斯坦被誉为20世纪最伟大的科学家（达尔文被誉为19世纪最伟大的科学家之一），但隐藏在其理论背后的数学原理却并不复杂，思想实验本身也十分简单。所以，我们不禁好奇，爱因斯坦究竟为什么会被贴上无比聪明的标签？我们将在后面的内容中具体描述他在提出这些理论的时候，有着怎样的思维活动。

这段历史也展现了人类思维的局限性。为什么爱因斯坦能驾乘光束而不至于摔落（虽然他推断实际上不可能驾乘光束），而成千上万其他的观察者和思考者却不能借助这些并不复杂的方式来思考呢？一个共同的障碍就是大多数人难以摒弃并超越同辈人的思维观念。至于其他障碍，我们会在考察大脑新皮质如何工作后进行更细致的讨论。

大脑新皮质的统一模式

我分享这些历史上最著名的思想实验的主要原因，是为了用同样的方法研究大脑。正如你将看到的，借助简单的思想实验，我们能很好地理解人类智慧是如何发挥作用的。进行这样的研究，思想实验当仁不让，是最恰当的方法。

如果一个年轻人只需空想和笔纸就足以彻底改变物理学观念，那么对于熟知之物，我们理应能取得更深刻的认识。毕竟，在清醒的每一刻，我们都在思考。

在通过自我反省的过程建立一个思维运作的模型后，借助最新的大脑实际观测和目前机器重现这个过程的技术，我们将检测这个模型的准确度。