在宾夕法尼亚州立大学的一个小教室里，牛津大学数学家兼物理学家罗杰·彭罗斯正向座无虚席的同事和学生们讲课。这位温文尔雅的62岁教授是广义相对论和量子力学领域的世界顶尖专家之一，这两大复杂理论几乎解释了我们宇宙中发生的一切。然而，他今天的演讲似乎与一小束管子有关，他匆匆地在黑板上勾勒出来。
这束管子可能是彭罗斯的数学和物理对象宝库中数十种不同奇特实体中的任何一种——“超扭子”、“虫洞”和“世界管”——所有这些时空怪癖现在对他的听众来说都已是家常便饭。
然而，这束特殊的管子对他的听众来说却很陌生，尽管它实际上更为寻常。它是一种在所有活细胞中都能找到的蛋白质结构排列。根据彭罗斯的说法，这些结构可能在宇宙中扮演一个非常特殊的角色：它们可能使大脑，这个本质上由构成岩石和恒星的相同物质组成的团块，能够产生心灵，那个无形、无限的实体，为我们提供内在的声音、想象力、情感、思想以及我们自身的自我意识。
尽管这个主题对这次聚会来说可能有点遥远，但彭罗斯认为它完全在小组的权限范围内。对自然终极规律的探索已将物理学家带到诸如巨大黑洞内部和粒子加速器中产生的难以想象的微小物质岛屿等奇妙之地。彭罗斯坚持认为，这条线索最终会蜿蜒到更接近家的地方，直接穿过我们头骨中颤动的三磅半灰色黏液。他说，要理解心灵，你需要新的物理学——而且，几乎是自相矛盾地，揭示这种新物理学可能非常依赖于对心灵的新概念。
彭罗斯在1989年意外畅销书《皇帝新脑》中首次提出了心灵与物理之间深刻（尽管有些模糊）联系的论点。在那本书中，他提出意识是由大脑细胞中发生的某种神秘量子力学现象创造的。不幸的是，大脑细胞似乎不太可能是量子力学活动发生的地方。众所周知的量子行为的怪异性几乎只出现在孤立的亚原子粒子中，并且在原子的大而拥挤的系统中，例如普通物质和细胞中，很容易被掩盖。当时，彭罗斯无法提供任何关于如何解决这种冲突的线索。但在过去的一年里，他找到了一种方法。彭罗斯现在可以指出大脑细胞的一个组成部分，它似乎是量子力学现象的理想载体。这个组成部分，被称为微管，是彭罗斯提出的意识的物理根源。
令人惊讶的是，彭罗斯关于微管的见解并非受神经科学主流期刊上的文章启发，而是源于与亚利桑那州图森市一位思想自由的麻醉师斯图尔特·哈默罗夫的一次意外相遇。尽管形象鲜明但默默无闻的哈默罗夫与内敛但享誉盛名的彭罗斯构成了一个不太可能的团队，但他们的合作却催生了有史以来最明确的意识物理基础理论——一个如果被证明正确，可能会颠覆物理学、生物学、计算机科学和哲学等多个领域的理论。
彭罗斯自称是个“杂家”。他说这是他从父亲那里继承的特质，他的父亲是一名医生，积极投身于心理学、哲学和数学难题。彭罗斯无法或不愿将自己的精力集中在别人可能认为足以从事一份职业的材料上，在过去的几十年里，他不断积累新的专业。1957年在剑桥大学获得数学博士学位后，他曾短暂从事计算机科学，然后又回到物理学，并在普林斯顿大学和锡拉丘兹大学任教期间，先专注于量子力学，后转向广义相对论，最后在牛津大学任职。
在此过程中，彭罗斯开始思考心灵。特别是，他想知道计算机是否能被编程以获得某种类似于意识的东西。人工智能研究人员已经创建了似乎至少捕捉到心灵所有无意识活动精髓的程序，包括五种感官、肌肉控制和本能的工作。这些程序允许机器人寻找并拿起积木，计算机回答关于汽车维修的问题，以及卡通般的“人工生命”生物在视频屏幕上交配、寻找食物并以其他方式度过它们的生活。然而，研究人员对于如何让计算机直观地评估微妙论证的真实性或理解笑话中的幽默、感受音乐的情感冲击、哲学地思考生命的意义，或者提出解决陌生问题的反直觉解决方案一无所知。简而言之，他们不知道如何让计算机具备那些看起来明显有意识的心灵方面——正是这些让笛卡尔宣称：“我思故我在。”
为什么这些过程如此难以捉摸？这可能仅仅是，正如大多数人工智能研究人员所断言的，在计算机上模拟它们需要比任何现有程序都复杂得多的程序。但彭罗斯认为这种解释不能令人满意。首先，研究表明，大多数脑细胞都忙于处理和存储图像、控制肌肉等无意识任务，只有相对较小的大脑部分专门用于我们与意识思维相关的任务。这种证据与意识是从产生无意识思维的相同类型大脑过程的更复杂版本中出现的观念相悖；如果真是这样，人们可能会期望它占据大部分脑物质。
此外，如果意识不过是一个程序——哪怕是一个极其复杂的程序——为什么人工生命研究人员或神经科学家至少没有对其本质获得一点点见解呢？彭罗斯的结论是，原因在于“人类所拥有的理解和感受的质量是无法通过计算模拟的”；也就是说，它根本无法分解成一系列步骤，一种食谱，按照它在计算机上操作，就能合理地模仿真实事物。
非计算过程的概念对数学家和计算机科学家来说并不陌生。一个特别知名且引人注目的例子来自铺砖数学，它涉及不同集合的平面形状或瓷砖如何或不能排列以覆盖无限平面而不留缝隙。某些形状——正方形、三角形或六边形——可以做到这一点，这似乎是直观的。但奇怪的是，数学家已经证明，不可能设计出一个计算机程序——一套通用规则——可以预测任何给定形状的瓷砖是否能完全覆盖一个平面。（彭罗斯本人曾探索过这个问题，在他的研究中，他于1973年发现了一对菱形瓷砖，它们可以完全覆盖一个表面，但只能以无限多种永不重复的图案排列。）
如果某个瓷砖能否铺满地面是不可计算的问题，那么评估物体美感以及意识的任何其他任务不也一样吗？彭罗斯确信它们是相同的。但如果意识是不可计算的，那么大脑中产生意识的任何过程也必须是不可计算的。这个结论有着令人不安且不可避免的含义：据推测，大脑中发生的一切都遵循物理定律，而且如果将宗教和形而上学排除在外，所有已知的物理定律都是可计算的。根据这些定律，宇宙中每个物理过程——从原子碰撞到星系碰撞——至少在原则上都可以在计算机上完美模拟。在这种情况下，彭罗斯认为大脑必须包含一个现有物理定律无法涵盖的物理过程。他得出结论，意识植根于新物理学——也就是说，植根于尚未发现或尚未形成的定律。此外，他认为他知道在哪里寻找它们：在量子力学的怪异地下世界中。
量子力学是一个令人费解的奇怪理论。其中，它告诉我们，一个电子或亚原子世界的其他居民倾向于同时存在于多种状态：它同时在这里和那里，快速移动和缓慢移动，以一种方式和另一种方式旋转。但当电子与普通物质或能量相互作用时——例如，当它撞击探测器中的分子，或者被一束光轰击时——这种扰动不知何故导致电子“选择”一个单一状态。此时，它的行为就如人们所期望的一个微小台球的行为一样。现实生活中的台球从不表现出多重人格，因为量子力学的怪异性通常只出现在大小约等于原子或更小的物体中，并且存在于“安静”的环境中，与周围其他粒子和力的随机扰动隔绝。
每一次测量都支持了这种奇特的图景，因此物理学家将其视为金科玉律。然而，对于粒子在受到干扰时如何选择单一状态，目前还没有被广泛接受的解释。就大多数物理学家而言，它就是如此。当然，如果能有一个好的解释出现，即使是从像意识研究这样不太可能的地方出现，他们也不会介意。但很可能，任何这样的解释也需要对我们对量子力学的理解进行根本性的改变——就像爱因斯坦的广义相对论要求对我们对引力的理解进行根本性改变一样。即使是很小的改变，对于一个经受住如此多严格考验的理论来说，也可能是一个令人震惊的发展。
彭罗斯一直对量子力学世界观中的这一空白感到不安，并长期主张该理论必须进行修改，以精确解释选择单一状态的过程。但在思考大脑中需要一个不可计算的物理过程时，他突然想到，他也许能一石二鸟，或者至少能擦边球。如果量子力学选择一个状态的过程是不可计算的呢？那么它就可能成为产生意识的物理过程的可行候选。他说：“有时，这些随意探索似乎毫无缘由地结合在一起。”
根据标准的神经科学，大脑通过神经细胞或神经元之间交换的电脉冲模式来处理信息。彭罗斯推测，也许这些信号一开始处于一种量子力学状态的混合体，允许无数亿种不同模式的同时存在；从这种量子力学混合中，一种模式浮现出来，完成了手头的任务——它“点击”了——然后这种模式就变成了有意识的思想。
彭罗斯没有具体阐述大脑如何知道何时某个解决方案是“正确”的。它当然不会；但是，在无意识活动的喧嚣中，有时一种思想、灵感或感觉会从背景噪音中浮现出来，进入我们的意识。为什么选择这种状态而不是另一种状态，可能与心灵中模式之间某种匹配有关。除此之外，至少目前，没有人能说得清。
这种在多种状态中进行量子力学选择的模式，是彭罗斯在《皇帝新脑》中提出的意识模型。（这个论点实际上出现在书的最后几页；其余部分是对理解该论点所需的物理学、信息科学、神经生物学等领域的精彩入门。）该书引发了几乎所有方面的异议。人工智能研究人员怒斥彭罗斯关于不可计算性的优雅论述未能提供令人信服的证据证明意识是不可计算的。他们说，直觉、洞察力和自我意识现在对我们来说似乎很神秘，那又怎样？四十五年前，我们甚至没有计算机，而今天它们可以教孩子下棋，达到国际象棋大师的水平；谁知道四十五年后计算机将思考什么？至于物理学家，仅仅因为从多种状态中选择一种状态的过程看起来是武断的，就修改量子力学的想法，几乎没有追随者。
1992年初，彭罗斯着手撰写一本后续书籍来支持他的论点。但他进展越大，就越被一个问题困扰：神经冲动——神经元在兴奋时相互交换的电能包——如何能是量子力学的呢？神经冲动在你能想象到的最嘈杂的环境中飞速传播：大脑是一个致密的细胞结构，充满了化学和电活动。然而，正是这种与周围物质和能量的相互作用往往会淹没量子力学行为。“我对神经元放电可能是量子事件的想法完全不舒服，”彭罗斯说。但是，除了神经冲动之外，量子力学还能在思想中扮演什么有意义的角色呢？
20世纪70年代初，作为费城哈内曼医学院的学生，斯图尔特·哈默罗夫被细胞如何进行分裂的问题所吸引。答案似乎与新发现的细胞组分——微管有关——微管是长而薄的中空蛋白质管，直径约千万分之一英寸。这些细丝相互并列形成长束，有点像松散包裹的延长吸管。微管束，仍然比百万分之一英寸厚不了多少，遍布整个细胞，形成网状结构。这些微管网络作为细胞的一种骨架，赋予其结构，并为细胞内的化学物质运输创建途径。但最有趣的是，当细胞即将分裂时，这些束会溶解；然后微管会以新的配置重新形成，将细胞在完全正确的位置分开。它们表现得像细胞交通警察，指导复杂的细胞分裂过程。
哈默罗夫对意识和智力的奥秘也感兴趣，当他在图森医疗中心开始实习时，他倾向于专攻神经内科。但一位麻醉科的同事通过告诉他一个奇怪的发现，将他劝走了：像乙醚或氟烷这样的气态麻醉剂，可以在不显著损害大脑功能的情况下“关闭”意识，似乎是通过某种方式暂时削弱神经元中的微管来发挥作用的。构成微管的蛋白质分子沿其长度有一个口袋；一个电子可以在这个口袋中来回滑动，电子在口袋中的位置决定了蛋白质自身的构型，从而决定了微管的构型和功能。麻醉气体分子可以使电子固定，使蛋白质和微管无用武之地。尽管没有人确切知道蛋白质的形状如何导致特定的活动，但这个理论似乎表明微管与意识直接相关。
哈默罗夫在亚利桑那大学图森医学院担任教职后继续研究微管，并与其他研究人员一起发现，这些长管是非常好的物理振动或声波导体。他使用计算机模型模拟微管行为，发现从管子一端引入的振动可以在其充满水的空心内部完整地传播。此外，他发现相邻微管中的扰动表现出“相干性”——也就是说，一个微管中的振动可以使另一个微管以完全相同的方式振动，就像振动的音叉可以使附近的音叉振动一样。最终，一个微管中传播的微小颤动可以传递给整个微管束，使它们同步振动，甚至可能直接穿过细胞膜，传递到相邻细胞中的微管。
哈默罗夫怀疑这种特性与微管在细胞中的“交通警察”功能有关：如果它们负责组织细胞内的行为，那么它们就需要相互沟通，为此它们需要一个精确、快速的信号系统。“微管似乎非常擅长传递信号，”哈默罗夫说。它们在这方面如此出色，以至于这样一个高效的通信网络不可能没有更复杂的用途。“但这些信号还能用于什么呢？”哈默罗夫想知道。
1982年，一个可能的答案出现了，当时隔壁的电气工程师里奇·瓦特（Rich Watt）知道了哈默罗夫对微管的兴趣，他走进哈默罗夫的办公室，给他看了一张通过电子显微镜拍摄的照片。“这是什么？”瓦特问。“它看起来像一个微管，”哈默罗夫立刻回答。“再看看，”瓦特说。这张照片实际上是构成计算机芯片的微电子开关之一。哈默罗夫意识到在他脑海中盘旋已久的想法：微管构成了某种信息处理网络。
哈默罗夫在接下来的十年里大部分时间都在研究一个理论，即微管的这种信号传输特性如何使它们的网络在脑细胞内充当一台计算机。计算机芯片所做的就是将电脉冲传输到由晶体管作为微小开关互连的铁路调车场网络中。这也是大脑功能的一种方式，神经元充当开关。但哈默罗夫强烈怀疑细胞中的微管网络也可以充当这样的调车场，将振动脉冲沿着细胞内的某些路径以及细胞之间引导；通过以正确的方式排列和互连，它们将像电线引导电信号流一样，将振动信号引导到此处和彼处。由于这样一个网络可以存在于一个单个的脑细胞中——一个本身就是计算网络一部分的脑细胞——微管网络实际上将是计算机中的计算机。
如果大脑的神经元网络本身就是一台计算机，为什么它还需要每个神经元都充当自己的计算机呢？根据哈默罗夫的说法，仅凭大脑的常规神经网络，其计算能力远远不足以完成一个人走进房间并立即识别出其中每个物体这样的任务。尽管这在我们看来可能完全不值一提，但实际上，这是一项近乎奇迹般的信息处理壮举；即使是世界上十二台最大的超级计算机也无法接近复制它。哈默罗夫认为，神经元作为相对简单的开关，根本无法提供这种水平的计算。他声称，额外的脑力是在每个神经元内部提供的。在这一点上，哈默罗夫甚至没有专门关注意识本身。他只是对大脑似乎需要比神经元所能提供的更多的计算能力感到印象深刻，而微管通过共鸣振动相互发出信号似乎提供了一种合理的额外机制。
根据哈默罗夫的说法，当大脑试图解决问题时，它会在两个层面上处理所需的巨大信息量：微管交换振动信号的层面，以及整个神经元交换电信号的层面。哈默罗夫提出了几种机制来连接这两个略有不同的过程。例如，微管信号可以提供一个较低级别的处理，决定神经元何时作为处理的最后阶段放电。或者这两个过程可以协同工作，在持续的对话中来回交换信号。或者微管可以响应神经元放电将信号从一个神经元传递到另一个神经元，提供一种微调放电模式的方案，就像炮兵观测员告诉炮手如何调整每次射击后的目标一样。
哈默罗夫的理论，尽管具有创新性，但并未受到神经科学主流的太多关注。他热情和想象力使得他在讲座和论文中提出，微管可以人工培养和利用，以创建“纳米机器人”，用于在患者血液中提供医疗服务，或形成围绕地球轨道的巨型人工大脑，这并没有帮助他的理论得到广泛接受。
与此同时，20世纪80年代末生物物理学家的研究开始提供有趣的线索，表明微管凭借其微小的尺寸和管状形态，具有一些独特的量子力学特性。通常，大脑中的任何振动或其他能量脉冲都不能以量子力学混合状态存在，因为大脑中所有物质和活动都会干扰它并立即导致它选择单一状态。但根据一些研究人员的计算，微管可以使脉冲与嘈杂的环境隔绝；脉冲可以沿着微管传播，对周围的噪音不屑一顾，而无需与微管壁中的分子相互作用。只要脉冲不被迫选择单一状态，它就可以同时探索微管内部和微管之间的任意数量的可能模式。（即使是跨细胞传播也不会必然干扰脉冲；毕竟，一个音叉可以使另一个音叉振动，即使中间的空气充满了其他信号。）哈默罗夫怀疑微管的这个新方面可能会带来更多的可能性，但他对量子力学了解不够，无法理解其原理。
然后，在1992年，他读到了《皇帝新脑》。虽然他不得不费力地阅读一些关于物理学的部分，但他掌握了足够多的材料，认识到他有一个大脑中的量子力学结构，却没有一个意识理论来应用它，而彭罗斯有一个量子意识理论，却缺乏合适的生物结构。“我想我真的应该和这个人取得联系，”哈默罗夫回忆道。
自《皇帝新脑》出版以来，彭罗斯收到了大量邮件；其中很多他礼貌地称之为“不合理”。当他第一次开始阅读来自图森麻醉师的信时，他并没有特别受到鼓舞。但随着他读下去，然后审阅了随附的论文，他的兴趣越来越浓。“斯图尔特愿意付梓的一些东西，嗯，有点天马行空，”他说。“但即使你的想法听起来像科幻小说，你也不想因噎废食。这里似乎有什么非常重要的东西。”哈默罗夫在信的结尾告诉彭罗斯，他计划在即将到来的欧洲之行中访问伦敦。彭罗斯回信说：过来吧。
1992年一个寒冷潮湿的秋日，彭罗斯在牛津火车站与哈默罗夫会面。回到他的办公室，在壮观的杂乱中清理出一小块地方，刚好能放下两把椅子，两人坐在窗边，俯瞰花园。哈默罗夫回答了彭罗斯两个多小时的问题；他解释了微管是什么，它们在大脑中是如何配置的，以及它们似乎能够传递信号的方式。两人讨论了计算结果，这些结果表明微管的绝缘特性将允许振动脉冲以量子力学方式探索多条路径。彭罗斯听着，他对哈默罗罗夫的担忧慢慢消散。“本人，斯图尔特比他在文章中更仔细地指出了他的哪些想法是疯狂的，哪些不是，”他说。“大多数研究人员则恰恰相反。”
尽管彭罗斯对微管表现出浓厚的兴趣，但哈默罗夫在被送到火车站后仍怀疑彭罗斯是否会对这个想法投入太多精力。“这似乎有点异想天开，”哈默罗夫说。直到两周后他才知道，在他们会面几天后，彭罗斯已经向听众宣布，多亏了哈默罗夫，他终于找到了意识根源的合理位置。
即使经过修改，包含了哈默罗夫的想法，彭罗斯的理论也远未定论。首先，它在许多关键点上仍然模糊不清。例如，哈默罗夫仍在努力确定思想是如何通过微管中的信号模式来表示的，以及这些模式如何触发、补充或修改神经冲动的放电。而彭罗斯似乎还没有接近精确说明量子力学模式混合体是如何“选择”其中一个的。
当然，这个理论可能完全是错的。“有很多地方可能会走错方向，”彭罗斯承认。例如，目前还没有确凿证据表明心智是基于不可计算过程的，甚至没有证据表明这种过程存在于量子力学或物理学其他任何地方。本质上，他所知道的是，大脑在创造心智时，似乎在做一些不可计算的事情，而量子力学“选择”背后的机制是如此令人遐想地不完整，它很可能也涉及不可计算的过程——而且两者之间存在一个很好的重叠，似乎在微管处汇合。
但他确实有一些想法来证实他的理论至少部分内容。他的断言，即量子力学理论存在一个漏洞，因为它无法解释选择单一状态的过程，如果他能提出一个无法从传统理论中推断出来的关于该过程的预测，那么他的断言将得到极大的加强。如果目前的理论是完整的，它至少在原则上能够提供所有可能做出的预测。如果他能做出一个不来自该理论的预测，那么该理论就是不完整的。彭罗斯和其他物理学家认为，事实上，这样一个预测很可能实现。他们提出了量子力学的一个补充，该补充将描述在给定环境中，一个给定粒子在量子力学混合状态下平均会持续多长时间，然后才选择一个单一状态——这是一个传统理论对此保持沉默的问题。“我相信这些时间很可能可以测量，”他说。“我正在和实验主义者讨论这种可能性。”
哈默罗夫则试图提出一个实验方案，以确定微管如何处理信号模式。为此，他正在设计一个带有两个微型探针的设备：一个探针会在微管网络的某些点引入微小的电脉冲；另一个探针会检测在其他点出现的任何脉冲。确定脉冲出现的位置将提供一些线索，说明微管如何互连和引导信号流，以及这些排列如何随时间变化。最终，哈默罗夫希望确定微管信号模式如何表示信息，就像计算机芯片用一长串1和0表示信息一样。“如果我们能解码这些模式，”他说，“我们也许能将微管连接到计算机上，并来回交换信息。”
但即使没有实验证据，彭罗斯对这个理论也有很好的感觉。他说：“这是老福尔摩斯的论证方法。排除不可能之后，无论剩下什么，无论多么不可能，都是真相。我百分之九十确定这些想法基本上是正确的。”他思考片刻后补充道：“嗯，也许百分之八十。福尔摩斯的论证方法可能很危险。”
量子意识模型，作为一项意外的额外收获，原则上可以帮助引导产生一种新的物理理论，从而弥补量子力学中（对某些人来说）的一个严重漏洞。彭罗斯相信这种理论迟早会浮出水面，无论他对意识的看法是否正确——但如果这个模型被证明是正确的，它可能会更快地出现。
如果所有致力于揭示宇宙终极法则的思考，最终揭示出最大的线索之一一直就编织在思想本身的结构中，那么大自然将给我们开了一个多么大的玩笑啊。
