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作为2020年诺贝尔物理学奖得主，罗杰·彭罗斯在宇宙宏观物理学、微观世界量子力学和心灵物理学领域独树一帜、引人深思的理念一直众口纷纭。这些理念是他在畅销书《皇帝新脑》和《心灵的影子》里提出的。

而在这本出色的科普小书里，他总结、更新了自己在这几个复杂领域的新思考。他认为物理学的这些领域仍有重要的问题亟待解决，并对此进行了精辟的总结。在这个过程中，他引入了颠覆性的新概念，他相信这能帮助我们理解大脑的工作机制和人类心灵的本质。随后，这些理念受到了三位背景迥异的杰出专家的挑战——他们分别是科学哲学家艾伯纳·西蒙尼、南希·卡特莱特及理论物理学家暨宇宙学家史蒂芬·霍金。后，罗杰·彭罗斯回应了他们富有启发性的批评。

本书以通俗易懂、振聋发聩和激励性的方式介绍了罗杰·彭罗斯对21世纪理论物理学的看法。他的热情、洞见和良好的幽默感在这本精彩总结了现代物理学诸多问题的著作中熠熠生辉。

作者简介

前言（马尔科姆·朗盖尔）

康托版序

第1章   时空和宇宙

第2章   量子力学之谜

第3章   物理和心灵

第4章   关于精神、量子力学和潜在可能性的实现（艾伯纳·西蒙尼）

第5章   为什么是物理？（南希·卡特莱特）

第6章   一位问心无愧的还原论者的异议（史蒂芬·霍金）

第7章   罗杰·彭罗斯的回应

附录1  古德斯坦定理和数学思维

附录2  测试引力导致态坍塌的实验

作者

罗杰·彭罗斯（ROGER PENROSE）是牛津大学劳斯鲍尔荣誉数学教授。因为“发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测”获得2020年诺贝尔物理学奖。

艾伯纳·西蒙尼（Abner Shimony）是波士顿大学哲学和物理学荣誉教授。

南希·卡特莱特（Nancy Cartwright）是伦敦政治经济学院哲学、逻辑与科学方法教授。

史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）是剑桥大学卢卡斯数学教授。

编者

马尔科姆·朗盖尔（Malcolm Longair）是剑桥大学杰克逊自然哲学教授。

译者

阳曦，自由撰稿人、译者，毕业于北京航空航天大学宇航学院，曾从事航天研发工作。目前专注科普及幻想文学创作和翻译，《环球科学》、果壳网等知名媒体及新媒体长期合作译者，曾荣获“全国优秀科普作品”奖及全球华语科幻星云奖“翻译小说”银奖，已出版译作《赶往火星》《元素的盛宴》《从一到无穷大》等。

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编辑推荐

1.2020年诺贝尔物理学奖得主、畅销书《皇帝新脑》作者罗杰?彭罗斯科普力作。

2.跨越宏观、微观和人类心灵，惊心碰撞史蒂芬·霍金等物理学巨匠。

3.一部通俗易懂、振聋发聩的物理学小经典，突破性描绘21世纪的理论物理学。

4.大量插图，其中部分插图由彭罗斯亲自绘制！

5.精装双封，印制考究，用纸上乘，常规开本，便于阅读和长期收藏。

书摘插图

前言

马尔科姆·朗盖尔（剑桥大学杰克逊自然哲学教授）

过去十年里鼓舞人心的进展之一，是诸多优秀的科学家出版了一系列书籍，试图将他们学科的精华和激动人心之处介绍给普通读者。这方面惊人的例子包括史蒂芬·霍金的《时间简史》（

A Brief History of Time

）获得的非凡成功，如今这本书已经载入出版史册；詹姆斯·格雷克（James Gleick）的《混沌》（

Chaos

）让我们看到了原本艰深的题目竟能成功化作惊心动魄的侦探故事；而史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）的《终极理论之梦》（

Dreams of a Final Theory

）以通俗易懂的方式令人信服地阐述了当代粒子物理学的本质和目标。

在这波大众化的浪潮中，罗杰·彭罗斯出版于1989年的著作《皇帝新脑》显得独树一帜。其他作者的目标是介绍当代科学的内容和趣味，而彭罗斯的书提出了一个极具原创性的惊人设想： 物理学、数学、生物学、脑科学甚至哲学，这些看起来截然不同的学科有可能被整合并纳入一套新的基本过程理论，尽管这套理论目前还未被定义。不出所料的是，《皇帝新脑》引发了大量争议；1994年，罗杰出版了第二本书《心灵的影子》，在这本书里，他试图反驳一些批评，提出更深层的洞见，并对自己的理念进行拓展。1995年，他在坦纳系列讲座中全面介绍了这两本书的核心议题，并与艾伯纳·西蒙尼、南希·卡特莱特和史蒂芬·霍金探讨了这些问题。本书前三章收录的三场讲座概括介绍了那两本书中详细阐述的内容，而三位讨论者在第4、5、6章中提出了人们长期以来对这些观点的诸多疑虑。罗杰将在第7章中对这些疑虑做出回答。

罗杰的章节本身就很有说服力，但几句话的介绍也许能奠定一点基础，让我们更好地理解他对现代科学的一部分深刻问题采取的特殊方法。他一直是国际公认的当代有天赋的数学家之一，但他的研究工作一直深植于现实的物理学领域。他在天体物理学和宇宙学领域著名的工作，涉及相对论引力理论的相关定理，其中有一部分是和史蒂芬·霍金共同完成的。其中一条定理表明，根据经典相对论引力理论，黑洞内不可避免地存在一个物理奇点，该空间区域中的空间曲率——等价于物质密度——会变得无穷大。另一条定理表明，根据经典相对论引力理论，大爆炸宇宙模型的源头不可避免地存在一个类似的物理奇点。从某种意义上说，上述结论意味着这些理论存在严重缺陷，因为任何有意义的物理理论都应避免出现物理奇点。

但在数学和数学物理的诸多不同领域，这只是他做出的大量贡献中的一个方面。彭罗斯过程（Penrose process）描述的是粒子能从旋转的黑洞中提取旋转能量。彭罗斯图（Penrose diagram）用于研究物质在黑洞周围的行为。纵观本书前三章，他的方法蕴含着一种近乎画面感的强烈几何感。对于他在这方面的成就，大众熟悉的例子是M. C.埃舍尔的“不可能”画作和彭罗斯瓷砖（Penrose tile）。有趣的是，埃舍尔好些“不可能”画作的灵感正是源于罗杰和他父亲L. S.彭罗斯的论文。此外，在本书第1章中，彭罗斯利用了埃舍尔的圆极限画，来阐释自己对双曲几何的热忱。彭罗斯瓷砖是一种神奇的几何结构，它只用几种不同的形状就能完全铺满一个无限的平面。不可思议的彭罗斯瓷砖，可以不重复地铺满无限平面——换句话说，瓷砖的花色在无限平面上的任何位置都不会重复出现。这个主题在第3章中再次出现，此时它涉及的问题是，一组精确定义的特定数学过程能否由计算机执行。

因此，罗杰为现代物理学某些深刻的问题提供了一系列强大的数学武器，并在数学和物理学领域取得了非凡的成就。毋庸置疑，他提及的问题的确存在，而且相当重要。宇宙学家有充分的理由坚信，大爆炸为我们理解宇宙的宏观特性提供了说服力的图景。但从很多方面来说，它也存在严重的缺陷。大部分宇宙学家坚信，对于解释宇宙从它诞生后约千分之一秒到现在的整体特性所需的基本物理学，我们已经有了很好的理解。但我们必须非常小心地设定初始条件，这幅图景才能成立。严重的问题在于，当宇宙的年龄显著小于千分之一秒时，所有经过验证的物理学都会失效，因此我们只能基于已知的物理定律进行合理的外推。我们对宇宙必然具备的初始条件已经有了相当深入的了解，但它为什么会这样，我们依然只能猜测。人们公认，这是当代宇宙学重要的问题之一。

为了试着解决这些问题，人们建立了一个标准框架，即早期宇宙的暴胀图景。哪怕在这幅图景中，我们仍假设了宇宙的特定特征源自有意义的早时间，即普朗克时期（Planck epoch），这时候我们需要了解量子引力。普朗克时期是宇宙诞生的大约前10

-43

秒，这看起来可能有些，但基于今天我们所知的东西，我们必须严肃看待这个极度短暂的时期内发生的事情。

就目前而言，罗杰接受常规的大爆炸图景，但他不认可大爆炸理论早期阶段的暴胀图景。取而代之的是，他相信物理学必然缺失了一部分，它涉及真正的量子引力理论，目前我们还没掌握这套理论，尽管多年来理论家们一直在试图解决这个问题。罗杰认为，他们搞错了努力的方向。他的顾虑有一部分涉及将宇宙的熵（entropy）视为一个整体的问题。因为熵，或者用更简单的话来说，无序（disorder），随时间而增长，所以宇宙必然诞生于一个熵极小的高度有序的状态。这种状态的存在完全出于偶然的概率，小得可以忽略不计。罗杰提出，要构建正确的量子引力理论，就应该解决这个问题。

量子化的必要性，引发了他在第2章中对量子力学诸多问题的讨论。在解释粒子物理学诸多实验结果以及原子和其他粒子特性的时候，量子力学和它在量子场论中的相对论扩展获得了非凡的成功。但人们花费了多年时间才真正认识到这套理论在物理学领域的重要性。正如罗杰优雅揭示的，这套理论的固有结构中蕴含着高度反直觉的特征，经典物理学里没有这样的东西。比如说，非局域性现象意味着，一对物质反物质粒子只要被制造出来就各自携带着对其创造过程的“记忆”，从这个意义上说，它们不能被视作互相完全独立。正如罗杰所说：“量子纠缠是一件很奇怪的事情。它介于物体互相独立和互相联系之间。”量子力学还允许我们获取本来可以发生但并未发生的过程的信息。他讨论的惊人的例子是神奇的伊利泽威德曼炸弹测试问题（Elitzur-Vaidman bomb-testing problem），它揭示了量子力学和经典物理学之间的巨大差异。

这些反直觉的特征是量子力学结构的一部分，但还有更深层的问题。罗杰关注的是，我们如何将发生在量子层面的现象和宏观层面上对量子系统的观察联系在一起。这是一个有争议的领域。大部分实验物理学家简单地把量子力学规则当成计算工具来使用，它只是正好能得出非常准确的结果。只要我们正确运用这些规则，就能得到正确的答案。但这牵涉到一个不太优雅的过程： 将量子层面简单线性世界的现象翻译到现实实验的世界中。这个过程涉及所谓的“波函数坍塌”（collapse of the wavefunction），或者说“态矢量还原”（reduction of the state vector）。罗杰相信，量子力学的常规图景中缺失了某些基础的物理规则。他提出，我们需要一套包含了他所谓的“波函数客观还原”（objective reduction of the wavefunction）的全新理论。这套新理论必须能在合适的条件下简化为常规的量子力学和量子场论，但它很可能会带来新的物理现象。量子引力问题和早期宇宙物理学的答案也许就藏在这套理论里。

在第3章中，罗杰试图寻找数学、物理学和人类心灵的共同特征。人们常常惊讶地发现，科学的严密逻辑——抽象数学——不能编制成电子计算机上的程序，无论这台计算机有多准确，它的内存又有多大。这样一台计算机不能以人类数学家的方式发现数学定理。这个惊人的结论是从所谓的哥德尔定理的某个变体推导出来的。罗杰解释说，这意味着数学思考的过程——推而广之，所有思考和有意识的行为——是通过“非计算”的方式实现的。这是一条富有成效的线索，因为直觉告诉我们，人类各种有意识的知觉也是“非计算”的。因为这个结论是他所有论证的核心基点，所以他在《心灵的影子》里花费了半本书的篇幅，来阐述自己对哥德尔定理的诠释多么无懈可击。

罗杰的观点是，从某个角度来说，量子力学问题和理解意识的问题在很多方面是相通的。非局域性和量子相干的存在意味着，从原则上说，脑部的大片区域能够协同工作。他相信，波函数客观还原为宏观可观测量的过程和意识都有非计算的一面，这二者之间可能有联系。不满足于简单阐述一般性的原则，他还试图确认脑部哪些类型的区域有能力支持这类新的物理过程。

上述简介其实不足以充分体现这些想法的原创性和丰富性，以及罗杰在这本书里对它们进行的精彩演绎。纵观全书，有几个隐藏的主题极大影响了他思考的方向。其中重要的可能是数学描述自然界基本过程的非凡能力。按照罗杰的表述，从某种意义上说，物理世界是从柏拉图式的数学世界里涌现（emerge）出来的。但我们对新数学的追求不是为了描述这个世界，也不是为了让实验和观测结果符合数学规则。对世界结构的理解，可能来自广泛的一般性原理和数学本身。

不出所料的是，这些大胆的创见一直饱受争议。在异议者贡献的章节中，多位知识背景迥异的专家提出了富有代表性的反对意见。艾伯纳·西蒙尼同意罗杰的一些宗旨——他同意罗杰提出的量子力学标准方程并不完善的观点，也赞同量子力学概念也许能帮助我们理解人类心灵。但他宣称，罗杰“是一位选错了山峰的登山者”，并提出了几条解决上述疑虑的富有建设性的替代思路。南希·卡特莱特提出了一个基本的问题： 要理解意识的本质，物理学到底是不是一个正确的起点？她还提出了一个棘手的问题： 那些主宰不同科学学科的定律，实际上该如何互相推导。严厉的批评来自史蒂芬·霍金，罗杰的老朋友兼同事。从很多角度来说，霍金的立场接近所谓的“一般”物理学家的标准立场。他敦促罗杰建立一套详细的波函数客观还原理论。他认为物理学在解决意识问题方面没有太大价值。这些疑虑都很合理，但罗杰在本书后一章中回应了这几位反对者，捍卫了自己的立场。

罗杰成功地描绘或者说宣告了21世纪数学物理可能的发展方向。在前三章中，他系统性地阐述了故事的各个部分可能以何种方式拼成一幅完整的物理学全新图景，这幅图景涵盖了他关注的非计算性和波函数客观还原等核心问题。而且，即使这个项目无法在短时间内成功，它的大体概念中固有的想法是否有益于理论物理学和数学在未来的发展呢？如果这个问题的答案是否定的，那才真的让人大吃一惊呢。

（更多精彩内容，请见本书）

媒体评论

罗杰·彭罗斯和我合作研究空间和时间的大尺度结构，包括奇点和黑洞。对于广义相对论的经典理论，我们的看法大体一致，但当我们进入量子引力的领域，分歧就开始出现了。从本质上说，他是一位柏拉图主义者。从另一方面来说，我是一个实证主义者。

——史蒂芬·霍金

看到像彭罗斯这样有能力、有名望、有成就的科学家像表演杂技一样将现代物理学的大部分内容抛向空中，试图让它们停留在那里，同时将它们整理成协调的模式，这样的场面的确值得一观。这位一流的科学家精彩地展现了一流科学家一直在做的事情：提出大胆的猜想，并将它呈现出来，供他人确认、反驳或修正。

——基思·德夫林，《新科学家》

牛津大学的物理学家兼数学家彭罗斯……想聊聊广义相对论、量子力学和人工智能的时候，我们好听一听。

——《出版者周刊》

这本书引人入胜、发人深思地介绍了一些迷人的问题，在其中一些问题（譬如宇宙的可理解性）上，有神论者当然也可以提供一些不同的洞见。

——约翰·波尔金霍恩，《科学与基督教信仰》

想要领略物理学前沿的风景，你很难找到一个比他更有眼光、更热心的向导。

——《科学美国人》杂志

对彭罗斯本人的思考进行了发人深思的精简回顾。

——伯纳德·狄克逊，《独立报》

量子力学能让我们将意识简化为计算吗？在这本《宇宙、量子和人类心灵》中，罗杰·彭罗斯有理有据地告诉我们，答案是否定的。作为剑桥大学坦纳人类价值观系列讲座中三场演讲的底稿，本书的文本既严谨又通俗，并配有大量插图，其中部分插图由彭罗斯亲自绘制。出版前，作者邀请哲学家艾伯纳·西蒙尼和南希·卡特莱特对他的观点进行了评论和反驳，著名理论物理学家史蒂芬·霍金也就本书进行了批评，虽然他和彭罗斯是同事，但他们的意见偶尔也有冲突。后，彭罗斯为自己保留了辩解的空间，这是作者的特权。于是我们看到了一场尖锐但不失礼貌的讨论，其主题是思考的本质以及它是否可以简化。熟悉《皇帝新脑》和《心灵的影子》的读者会发现，那些基于量子力学的论点在本书中得到了更详细的讨论，同时也遭到了善意的攻击。而没有读过彭罗斯这两本旧作（或者出于某些原因，对思考的本质不感兴趣）的读者会发现，本书很好地概述了现代物理学的概念，从诡谲的亚原子领域到广阔的宇宙，并收录了一场发生在几位当代伟大思考者之间的极具启发性的辩论。尽管彭罗斯十分肯定，我们的脑子无法通过计算系统来建模——所以强人工智能只能停留在科幻的层面上——但争论并未停息，它还将持续一段时间。如果读者希望了解，我们对思考的研究有什么的进展，《宇宙、量子和人类心灵》清晰地介绍了这个领域的讨论。

——罗伯·莱特纳

书籍介绍

作为2020年诺贝尔物理学奖得主，罗杰·彭罗斯在宇宙宏观物理学、微观世界量子力学和心灵物理学领域独树一帜、引人深思的理念一直众口纷纭。这些理念是他在畅销书《皇帝新脑》和《心灵的影子》里提出的。

而在这本出色的科普小书里，他总结、更新了自己在这几个复杂领域的新思考。他认为物理学的这些领域仍有重要的问题亟待解决，并对此进行了精辟的总结。在这个过程中，他引入了颠覆性的新概念，他相信这能帮助我们理解大脑的工作机制和人类心灵的本质。随后，这些理念受到了三位背景迥异的杰出专家的挑战——他们分别是科学哲学家艾伯纳·西蒙尼、南希·卡特莱特及理论物理学家暨宇宙学家史蒂芬·霍金。最后，罗杰·彭罗斯回应了他们富有启发性的批评。

本书以通俗易懂、振聋发聩和激励性的方式介绍了罗杰·彭罗斯对21世纪理论物理学的看法。他的热情、洞见和良好的幽默感在这本精彩总结了现代物理学诸多问题的著作中熠熠生辉。