引 言
在自然界的所有秘密中，两个最大的奥秘是心灵和宇宙。我们已经能够用我们丰富的技术，拍摄数十亿光年以外的星系，操纵控制生命的基因，探测原子的密室，但心灵和宇宙仍然迷惑和折磨着我们。对科学来说，它们是最神秘的和迷人的前沿领域。
如果你想欣赏宇宙的威严，只需凝视闪耀着无数星星的夜空。自从我们的祖先最初看到星空的辉煌，我们就被这些永恒的问题困惑：所有这一切都是从哪里来的？这一切意味着什么呢？
要见证我们心灵的秘密，我们要做的是盯着镜子中的自己，想想我们眼睛背后隐藏着什么？这也提出了类似这样的问题：我们有灵魂吗？我们死后会发生什么呢？“我”到底是谁？最重要的是，这给我们带来了最后一个问题：我们在何处融入到这个宏伟的宇宙规划中？正如维多利亚时代伟大的生物学家托马斯·赫胥黎（Thomas Huxley）曾经说过：“人类的所有问题中的问题，最根本和最有趣的问题，是确定人在自然界中的位置和他与宇宙的关系。”
在银河系中有1 000亿颗恒星，大致与我们大脑中的神经元的数量相同。也许要走24万亿英里（38.62万亿公里）才能到达太阳系外的第一颗恒星，才能找到一个像你肩膀上面的头颅那样复杂的东西。［1］心灵和宇宙构成了最大的科学挑战，但它们也有一种奇特的关系。它们一方面是两极对立的：一个是关于外层空间的广阔性，在那里我们遇到陌生的事物，如黑洞、爆发星和星系碰撞；另一个涉及内部空间，在那里我们发现我们最亲密的、个人的希望和愿望。心灵和我们下面要讲的意识的意思差不多，但我们却往往不能清楚地用语言表达和解释它。
但是，尽管它们可能在这方面是对立的，它们也有一个共同的历史和故事。自无法追溯的时间以来，两者都被笼罩在迷信和巫术之中。占星学家和颅相学家声称，在每一个生肖的星座中和在你头盖骨上的隆起之处找到了宇宙的意义。同时，读心者和预言家也交替地相互庆祝和诋毁了很多年。
宇宙和心灵继续以各种方式相交，多亏在科幻小说中我们会经常遇到不少眼界开阔的思想。我小时候阅读这些书时，我会梦想成为斯兰（Slan，超人），一种由阿尔弗雷德·埃尔顿·范沃格特（A. E. van Vogt）创建的人种的成员。我惊讶于一个称为杂交种的突变体可以释放它巨大的心灵感应力量，几乎夺取了在艾萨克·阿西莫夫的《基地三部曲》（Foundation Trilogy）中银河帝国的控制权。在电影《紫禁星》（Forbidden Planet，又译《禁忌星球》）中，我惊讶在我们之后几百万年的先进文明，能够引导它巨大的心灵感应能力去按照它的想法和愿望重塑现实。
随后，在我十岁的时候，“惊人的邓宁格”（The Amazing Dunninger）出现在电视上。他用他的精彩的魔术让他的观众惊异不已。他的座右铭是“对于那些相信的人不需要解释；对于那些不相信的人，再多的解释都不够”。有一天，他宣布，他要把他的想法发送到全美国几百万人的头脑中。他闭上眼睛，开始集中思想，声称他正在发射美国一位总统的名字。他要人们把出现在他们头脑中的名字写在明信片上并邮寄出去。接下来的一周，他宣布自己胜利了，成千上万的明信片写着“罗斯福”的名字，正是他发送给全美国的同样的名字。
对此我并没有太受感动，因为在那个时候，在经历了大萧条和第二次世界大战的人们心中，罗斯福是伟大的，因此一点也不奇怪。（我想，如果他发送的是米勒德·菲尔莫尔总统，结果也应验了那才真正了不起。）
然而，它却激起了我的想象力，我忍不住在自己身上尝试心灵感应，试图尽我所能地集中思想去读懂别人的心。闭上我的眼睛和神情专注，我会试图“听”到其他人的想法和用意念力在我的房间里移动物体。
我失败了。
也许在某处存在着心灵感应，但我不是其中之一。在这个过程中，我开始意识到，奇妙地利用心灵感应也许是不可能的，至少在没有外界的援助下是不可能的。但在随后的几年里，我也慢慢地上了另一课：理解宇宙中最大的秘密，并不需要心灵感应或超人的能力。只需要有一个开放、执着和好奇的心。特别是，为了了解科幻中奇幻的设备是不是可能的，你必须让自己沉浸在先进的物理学中。要了解什么时候可能的会成为不可能的，你必须理解物理规律。
这些年来，这两种感情激发了我的想象去了解物理学的基本定律，并看看科学技术将如何影响我们未来的生活。为了说明这一点，并分享探索物理学的终极理论的兴奋，我写了三本书《超空间》（Hyperspace）、《超越爱因斯坦》（Beyond Einstein）和《平行宇宙》（Parallel Worlds）。为了表达我对未来的幻想，我写了《构想未来》（Visions）、《不可能的物理学》（Physics of the Impossible）和《物理学的未来》（Physics of the Future）。在研究和写作这些书的过程中，我不断地提醒自己，人类的心灵仍然是世界上最伟大、最神秘的力量。
事实上，在漫长的历史长河中，我们没有理解心灵是什么，它是如何工作的？古埃及人，他们在艺术和科学上取得了辉煌的成就，但却认为大脑是一个无用的器官，在给法老做防腐处理时把大脑扔掉了。亚里士多德认为，灵魂居住在心脏里，而不是在大脑里，他认为大脑的唯一作用是冷却心血管系统。其他人，像笛卡尔，认为灵魂是通过大脑中微小的松果体进入人体的。但是没有任何确凿的证据，这些理论都没能得到证明。
这个“黑暗时代”持续了几千年，这是有其原因的。大脑只有3磅（1.36千克）重，但它是太阳系中最复杂的物体。虽然大脑的重量只占身体的2%，却有一个贪婪的胃口，它消耗身体能量的20%（在新生儿期，婴儿的大脑消耗能量更惊人，达到65%），而80%的人类基因的编码是用于大脑的。估计头颅内有1 000亿个神经元，还有大量的神经连接和通路。
回到1977年，天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）写了他的获得普利策奖的图书《伊甸园之龙》（The Dragons of Eden），他大致总结了到他那个时候所知道的大脑的全部知识。他的书写得很美，并试图给出神经科学的最新研究成果，在那个时候这些成功的获得主要依赖三个主要来源。首先是比较我们的大脑与其他物种的大脑。这是一项繁琐和困难的工作，因为它涉及成千上万种动物的大脑解剖。第二种方法同样是间接的：分析中风病的受害者，他们往往因为自身的疾病表现出奇怪的行为。只有在他们死后的尸检可以揭示大脑的哪一部分出了故障。第三，科学家可以利用电极探针探测大脑，将得到的信息慢慢地、耐心地拼凑起来，确定大脑的哪一部分影响哪种行为。
但是，这些神经科学的基本方法未能系统地分析大脑。你不能简单地要求一个中风患者的大脑损伤就在你想研究的特定地区。因为大脑是一个活的、动态的系统，尸体解剖通常不能发现最有趣的功能，如大脑的各个部分之间的相互作用，更不要说它们如何产生爱意、仇恨、嫉妒和好奇心等不同的思想。
双重革命
400年前，望远镜发明了，几乎一夜之间，这个新颖的、神奇的工具窥见了天体的心脏。这是自古以来一个最具革命性的（和煽动性的）仪器。突然，你能亲眼看到过去的神话和教条如同早晨的云雾蒸发了。月亮并不像神的智慧说的那样完美而是有锯齿状的火山口，太阳有黑色的斑点，木星有卫星，金星有相，土星有环。在望远镜发明后15年所学到的东西比人类历史的总和还多。
像望远镜的发明一样，在20世纪90年代和21世纪，磁共振成像（MRI）机和各种先进的脑部扫描器的引进改变了神经科学。我们在过去的15年对大脑的了解比之前所有的人类历史所了解的更多，并且心灵，一度被认为是遥不可及的，终于呈现在舞台的中心。
诺贝尔奖得主，德国图宾根的马克斯·普朗克研究所教授埃里克·理查德·坎德尔（Eric R. Kandel)写道：“在这个时期出现的对人类心灵最有价值的见解不是来自与心灵有关的传统学科，如哲学、心理学或心理分析。相反，这些见解来自这些学科与大脑生物学的结合……”
物理学家在这一努力中起了举足轻重的作用，提供了大量新颖的以首字母缩略词表示的工具，如磁共振成像（MRI）、脑电图（EEG）、正电子发射断层显像（PET）、轴向计算层析成像技术（CAT）、经皮血气监测仪（TCM）、经颅电磁扫描仪（TES）和深部脑刺激术（DBS），极大地改变了大脑的研究。突然，这些机器让我们可以看到思想在活的、思维着的大脑中运动。正如加利福尼亚大学圣迭戈分校的神经学家维兰努亚·苏博纳玛尼亚·拉玛钱德朗（V. S. Ramachandran)所说：“所有这些哲学家研究多年的问题，我们的科学家可以通过脑成像、研究患者和问适当的问题进行研究了。”
回首往事，我少年时的一些初步的对物理世界的接触正好与现在的打开心灵的技术有关。例如，在高中时我开始意识到一个新的物质形态，称为反物质，并决定进行一个该主题的科学项目。反物质是地球上最奇异的物质，我不得不向老原子能委员会索要一点点钠22，一种自然散发一个正电子（反电子，或阳电子［positron］）的物质。有了这个小样品在手中，我可以建立一个云室和强大的磁场，让我能够拍摄反物质粒子留下的蒸气踪迹。我当时并不知道它，但钠22将很快成为一个新的技术工具，称为PET（正电子发射断层显像），从此它给了我们惊人的了解大脑思维的工具。
在读高中时，我尝试的另一个技术是磁共振。我参加了斯坦福大学费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）的一个演讲，由于发现核磁共振，他与爱德华·珀塞尔（Edward Purcell)分享了1952年的诺贝尔物理学奖。布洛赫博士向我们这些高中的孩子解释，如果你有一个强大的磁场，原子就会在这个磁场里像罗盘针一样垂直对齐。如果你以精确的共振频率发射一个无线电脉冲到这些原子上，就可以使它们快速翻转。当它们最终翻转回来，它们会发出一个脉冲，就像一个回声，这将允许你确定这些原子的身份。（后来，我用这个磁共振原理，在妈妈的车库里建了一个230万电子伏的粒子加速器）。
两年后，我成为哈佛大学的一个新生，非常荣幸有珀塞尔博士教我电动力学。与此同时，我也有一个暑期工作，有机会与理查德·恩斯特（Richard Ernst）博士一起工作，他试图推广布洛赫和珀塞尔关于磁共振的工作。他令人吃惊地成功了，由于奠定了现代的MRI（磁共振成像）机的基础，他获得了1991年的诺贝尔物理学奖。接下来，MRI机器给了我们活生生的大脑的详细照片，甚至比PET（正电子发射断层显像）扫描更精细。
强化心灵
最终，我成为一个理论物理学的教授，但我对心灵的迷恋仍然依旧。真是激动人心地看到，仅仅在过去的10年中，物理学的进步使得某些心灵的壮举成为可能，这些壮举曾让我在儿时异常兴奋。现在，科学家通过磁共振成像扫描可以读取在我们大脑中流动的思想。科学家也可以插入一枚芯片到完全瘫痪病人的大脑中，并把它连接到计算机上，病人就可以浏览网页、阅读和写邮件、玩视频游戏、操控自己的轮椅、照管家用电器，并操纵机械臂。事实上，这样的病人可以通过计算机做任何一个正常的人能做的事。
科学家们现在更进了一步，通过将大脑直接连接到外骨骼，这些病人就可以活动他们瘫痪的四肢。总有一天，四肢瘫痪者可以过上接近正常人的生活。这种外骨骼也会给我们超级力量，使我们能够处理紧急情况。会有一天，我们的宇航员可以在他们舒适的卧室中，用心灵控制机械替身去探索行星。
正如在电影《矩阵》（The Matrix，又译《黑客帝国》）中，我们可能有一天能够利用计算机下载记忆和技能。科学家们已经能够在动物实验中将存储器插入到大脑中。也许我们的大脑也可以插入人工存储器去学习新的学科，到新的地方度假，掌握新的爱好，这仅仅是个时间早晚的问题。如果技能可以下载到工人和科学家的头脑中，这甚至可能会影响世界的经济。我们甚至也可以分享这些记忆。有一天，科学家可以构建一个“心灵互联网”，或是一个脑网，用电子操作将思想和感情发送到全世界。甚至梦想将能录像，然后“脑-邮”（brainmailed）到互联网上。
技术也可以给我们力量来提高我们的智力。在理解“学者”在智力、艺术和数学上为什么具有非凡能力上已经取得了进展。此外，将我们与猿区分开的基因现已排序，让我们无与伦比地瞥见了大脑的进化起源。在动物身上已提取出可以提高记忆力和智力的基因。
这些令人眼界开阔的进展所产生的兴奋和希望是如此巨大，以至于也引起了政客们的注意。事实上，脑科学突然成为世界上最大的经济强国与经济体之间的跨大西洋的竞争之源。2013年1月，巴拉克·奥巴马（Barack Obama)总统和欧盟宣布，最终有可能成为数十亿美元资金资助的两个独立的项目将是大脑逆向工程。解读大脑的复杂的神经电路一度被视为毫无希望，超越了现代科学的范围，现在成为两个相互碰撞的项目的重点，如同人类基因组计划将改变科学和医学的景观。这不仅会给我们了解大脑的无与伦比的洞察力，这也会产生新的工业领域，刺激经济活动，为神经科学开辟新的前景。
一旦大脑的神经通路最终被解码，我们就能了解精神疾病的确切起源，并可能最终治愈这一古老的疾病。大脑解码也使得创建一个大脑的复制品成为可能，这会引起哲学和伦理问题。我们是谁，如果我们的意识可以被上传到一台电脑中？不朽这个概念也许就有可能。我们的身体可能最终会腐烂和死亡，但我们的意识能永恒吗？
除此之外，也许在遥远未来的某一天，心灵将离开身体的约束在恒星际间漫游，正如几位科学家所推测的那样。也许从现在算起几百年后，我们可以想象把我们整个的神经蓝图放到激光束上，发射到深空，也许这是我们的意识探索星空的最便捷方式。
一个辉煌的、将重塑人类命运的、崭新的科学景观现在真正打开了。我们正在进入一个新的神经科学的黄金时代。
在做出这些预测时，我得到了科学家的宝贵援助，他们慷慨地允许我采访他们，在国家电台广播他们的想法，甚至带领摄制组到他们的实验室里。这些是奠定心灵的未来基础的科学家。要把他们的想法纳入本书，我只做了两个要求：（1）他们的预测必须严格遵循物理定律；（2）必须有原型出示这些影响深远的思想原理的证据。
被精神疾病所触动
我曾经写了一本阿尔伯特·爱因斯坦的传记，叫做《爱因斯坦的宇宙》（Einstein’s Cosmos），并已深入到他私生活的细节。我知道，爱因斯坦的小儿子得了精神分裂症，但没有认识到在这位伟大科学家的生活中付出了多大的感情代价。爱因斯坦也以另一种方式被精神疾病所触动；他的一个最亲密的同事，物理学家保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）曾帮助他建立了广义相对论的理论。在遭受抑郁症的折磨后，埃伦费斯特残酷地杀害了自己的患有唐氏综合征的儿子，然后自杀了。多年来，我发现我的许多同事和朋友也难以在他们的家庭里控制精神疾病。
精神疾病也深深地触动了我自己的生活。几年前，我的母亲与阿尔茨海默氏病做了长期斗争之后去世了。看到她逐渐失去她对所爱的人的记忆，凝视着她的眼睛，发现她不知道我是谁，真是令人心碎。我能看到人性的火花慢慢熄灭。她花了一辈子的努力养活一个家庭，却享受不了自己的黄金岁月，她失去了所有的最美好的记忆。
我和其他许多人在幼儿时代的伤心经历，都会在整个世界重演。我的愿望是随着神经科学的快速发展，有一天会减轻精神病人和痴呆病人的痛苦和折磨。
是什么推动了这场革命？
从大脑扫描源源不断地涌现的数据现在正被解码，其中的进展是惊人的。一年几次的报纸大字标题预示着一个新的突破。自从望远镜发明以来，人类花了350年的时间进入了太空时代，但自从磁共振成像（MRI）和先进的脑部扫描引进以来，仅仅用了15年的时间就有效地把大脑和外部世界连接起来。为什么这么快，还有多少奇迹将要来临呢？
这种快速进展的部分原因是因为今天的物理学家对电磁有一个很好的了解，它支配电信号通过我们的神经元。用于计算天线、雷达、无线电接收机和微波塔物理学的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell)的数学方程，是形成磁共振成像技术的基石。最终解决电磁学的秘密花费了数个世纪，但神经系统科学可以享受这个伟大的努力的成果。在本书第一部分，我将概括大脑的历史，并解释众多的新仪器是怎样离开物理实验室，和给我们思想力学（mechanics of thought）以辉煌的彩色描绘。因为在任何有关大脑的讨论中，意识都扮演着中心角色，我也给出一个物理学家的看法，提供一个包括动物王国在内的意识的定义。事实上，我提供了一份意识的排名，显示怎么可能给各种类型的意识分配一个数字。
但要充分回答这个技术将进展到什么程度的问题，我们也不得不看看摩尔定律（Moore’s law），它说计算机的能力每两年增加一倍。我常常给出一个简单的事实让人感到惊奇，你今天的手机比美国宇航局在1969年将两个人送上月球时所有的计算机功能还要强大。计算机现在足够强大到记录从大脑发出的电子信号和部分解码成我们熟悉的数字语言。这使得大脑直接与计算机接口以控制周围的任何对象成为可能。这个快速增长的领域是所谓的“脑-机接口”（BMI，brainmachine interface），其关键技术是计算机。在本书第二部分，我将探讨这一新技术，它使得记录记忆、读心、录制我们的梦想和心灵感应成为可能。
在本书第三部分，我将研究另一种形式的意识，从梦想、药物、心理疾病到机器人，甚至外星人。在这里，我们还将了解控制和操纵大脑对付疾病，如抑郁症、帕金森氏症、阿尔茨海默氏症和许多更多疾病的潜力。我也将通过由美国总统奥巴马宣布的“推进创新型神经技术开展大脑研究”（或“大脑研究计划”）和欧盟的“人类大脑工程”项目，仔细阐述对大脑的研究。这些个项目可能拨款数十亿美元用于解码大脑的通路，所有的方法都要到神经级别。这两个相互碰撞的项目将毋庸置疑地开启一个全新的研究领域，让我们用新的方式来治疗精神病，也揭示意识的最深层的秘密。
在我们给出意识的定义后，我们也可以用它来探索非人类的意识（即机器人的意识）。机器人能变得如此先进吗？它们会有情感吗？它们会造成威胁吗？我们还可以探索外星人的意识，他们可能有着与我们完全不同的目标。
在附录中，我将讨论在所有科学中也许是最奇异的思想，一个来自量子物理学的概念，即意识也许是现实世界基础的基础。
在这个迅速发展的领域中不乏建议，只有时间会告诉你，哪些是头脑发热的科幻小说作家做的白日梦，哪些是代表未来科学研究的可信赖的途径。神经科学的进展已是一个天文数字，在很多方面，关键是现代物理学，它使用电磁和核力的全部力量去探测隐藏在我们头脑中的巨大秘密。
我要强调的是，我不是一个神经科学家。我是一个理论物理学家，对大脑有着持久的兴趣。我希望一个物理学家的观点可以帮助进一步丰富我们的知识，给出在宇宙中最常见的和最神秘的物体：我们的大脑，一个全新的理解。
但鉴于全新的观点发展的步伐极快，更重要的是我们对大脑是如何构成的要有坚实的了解。
让我们首先讨论现代神经科学的起源，一些历史学家认为，它是从一颗铁钉穿过某个菲尼亚斯·盖奇(Phineas Gage)的大脑开始的。这一开创性的事件引发了连锁反应，打开了对大脑进行严肃的科学研究的大门。虽然对盖奇先生这是一个遗憾的事件，但它却为现代科学铺平了道路。