演讲者：弗兰克・维尔泽克（Frank Wilczek），理论物理学家，麻省理工学院物理学讲席教授，诺贝尔物理学奖获得者。
大家好，很高兴来到这里，继续我在中国做公开演讲的传统。看到科学在中国的被关注程度，以及中国科研的活力，不断提升的科研质量，很令人鼓舞。
今天的主题不仅是目前物理学前沿的大问题，也是哲学前沿的大问题：理解意识是如何从物质中产生的。
大多数科学家，如研究人类大脑的神经生物学家，都假设意识确实是从物质中产生的。因此，全面理解了大脑也将使我们明白人类是如何思考的。但是，在物理学中，我们也逐渐明白，信息应该被视为是物理的（ information is physical）。贯穿这次讲座，我将对这一想法详细论述，并且它可以以几种完全不同的方式体现出来。信息和思想不仅可以在大脑物质中实现，也可以在其他种类的物质，甚至与人类大脑不太相似的物质中实现。所有这些都表明，意识可以从物质中涌现，而且是以几种截然不同的形式。这就是为什么我今天的标题是“奇特新脑（Strange New Minds）”。
我将要讨论的第一种奇特新脑是大家可能都熟悉的东西。这是下面我将谈论的技术中最为成熟的一个，但是它带来了这样一种观点，即意识能够以一种现在人们非常熟悉的、切实的形式，从物质中涌现出来。数字计算机，我们知道它们所做的一切 —— 在许多方面类似于智能实体的行为，都是基于对大量 0 和 1 的操作。我们确切地知道这些奇特新脑是如何工作的，因为是我们建立了它们。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
乔治・布尔（George Boole）
信息可以通过符号来表示，一般意义上的信息都能够以 0 和 1 来表示。这一理解可以追溯至乔治・布尔（George Boole），他是 19 世纪英国的一位数学家和哲学家。他写了一本著名的书，题目是“思维的法则”（Laws of Thought）。在哲学家莱布尼茨甚至亚里士多德那里，你能发现更早的类似想法，但是把它引入科学层次的确实是布尔。布尔的核心想法可以简单地这样表述：思维中的一个过程、理性的一个过程，是逻辑演绎。布尔认为，我们可以用“1”来表示一个陈述为“真”（正确），用“0”来表示一个陈述为“假”（错误），然后就可以依据系统的法则，对这些“0”和“1”进行操作，得到新的推论、新的陈述。
例如，如果陈述 A 是真的，那么以“1”来表示，陈述 B 也是真的，也以“1”表示，那么，陈述“A 且 B”也是真的，所以也应该以“1”表示。陈述“A 或 B”也是真的，因此同样以“1”表示。陈述“非 A”是假的，因此以“0”表示。联合“0”和“1”来进行逻辑演绎的规则，叫作“布尔代数”。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
布尔代数
受此启发，也受工业对实用计算技术需求的刺激，查尔斯・巴贝奇（Charles Babbage）设计了一个更通用的机器，他称之为“分析机”（Analytical Engine）。阿达・洛芙莱斯（Ada Lovelace）与他合作密切。在某种程度上，阿达・洛芙莱斯是第一位计算机程序员，她看到了这一机器的各种可能性，并将其解释给世界。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
查尔斯・巴贝奇
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
阿达・洛芙莱斯
这是“分析机”的模型，它将“信息是物理的”这一想法，从概念阶段、从乔治・布尔意思到的符号表示阶段，发展到机械操作阶段。这台机器不同部件的设置，几乎没有来回切换的开关。这台机器通过机械操作来执行逻辑法则，或者你可以说，来实现思考。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
分析机
艾伦・图灵（Alan Turing）继承了洛夫莱斯和巴贝奇在这个特殊的机器（按照今天的标准，这个机器又小又难用）中发展出的想法，并使它更加抽象了。图灵试图“捕获”所有的思想形式，不仅仅是数学计算或逻辑推理。在运算方面人们可以想到的一切，都可以用“0”和“1”来凝练地实现。例如，你可以用“0”和“1”来编码一幅图像：用一个二进制数来描述光的强度，这个二进制数有很多 0 和 1；然后，操纵“0”和“1”可以生成不同颜色和光强的新图像。或者你也可以处理文本，以及实现很多超越布尔和洛夫莱斯所设想的逻辑和数学计算的事情。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
艾伦・图灵
这里需要强调的一点是，尽管图灵的架构只是“符号式”的，他是一个理论家，但这个架构非常清晰。这台被称作“图灵机”的思想机器的每一步操作都非常清楚。因此，如果你想建造一台能“思考”的机器，你可以把它当作说明书来读。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
图灵机：一种通用计算机
非常重要的是，图灵提出了令人信服的论据。其他人也从不同的角度探究这一问题，虽然他们提出的执行“思考”的方案很不同，但所有这些方案都被证明可以用图灵机来实现。因此，人们普遍接受了：任何能完成图灵提出的操作的机器，只要其足够快、规模足够大，就能做任何大脑能做的事情。这被称为通用计算机。
存在一种通用的具有思考能力的机器，这是一个非常、非常强大的概念。但是我想强调一个非常重要的物理问题，也是一个非常重要的哲学问题，也许喜欢挑战权威和质疑公认智慧的年轻人可能会提出这种问题，即：任何可以计算的东西，任何可以思考的东西，任何可以在物理世界中实现的东西，真的都可以用图灵机来计算吗？
这是一个深刻的物理问题。我们不知道确切答案。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
克劳德・香农
克劳德・香农（Claude Shannon）是麻省理工学院的教授，他把故事推动到下一阶段。
当香农进行设计来实现布尔和图灵曾想实现的想法时，不是以机械齿轮和曲柄，或者纯粹的符号来实现，而是用更现代化的电子电路技术，我们称之为“逻辑门”。它们是逻辑运算的实现，我在讲到布尔时告诉过你们，但是现在它是以电路的输入和输出来实现的。
在一个非常常见的实验中，“真”以高电压表示，“假”以低电压表示。你在“（逻辑）门”的一端输入（高 / 低）两电压，经由一个合理设计的电路，通往另一端，在那里输出对输入进行布尔代数运算后的结果。如果你想表示逻辑“和”，也就是要实现：当且仅当两个输入都是高电压时，你的输出是高电压。这成为了设计电路来物理上实现布尔代数的一个问题。实际的电路相当复杂，如果你学习电子工程、计算机科学课程，你就会学习如何设计这些电路。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
逻辑门
香农的博士论文就是基于能够实际制作出执行这些操作的电路设计。看这个例子，这是一个表示“否”的逻辑电路。如果你在左面的输入端输入一个高电压，那么低电压从右边的输出端输出，而如果你在输入端输入一个低电压，那么高电压则会从输出端输出。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
电子逻辑门“否”
在早期，我指的是 20 世纪 40 年代开始的时期，实际上，这些想法是出于战争的需求而第一次被整合实现。在晶体管带来变革之前，计算机基于真空电子管。在我小时候，我父亲是一名电子技师，处理早期的收音机和电视，家里到处是这种真空管，就这样我慢慢开始了解和喜欢上它们。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
真空管
但是，正如你所看到的，按照现代标准，真空管的体积太大了。与现代计算机芯片相比，真空管要大得多，而且这只代表一个逻辑门的一个元件。同样，它们并不稳定，发热现象很严重。但第一台电子计算机就是基于真空管发明的。
现代计算机时代真正开始于晶体管和集成电路的发现，利用它们你可以在一个小地方放置很多很多逻辑门。到了 20 世纪 70 年代，IBM 生产出著名的 360 系统，虽然体积仍然很大，但却是基于晶体管、更复杂的电子学，磁带用作存储器。稍后，我会更详细些说明。多年来，这是一项占主导地位且非常实用的技术。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
早期的集成电路和存储器
如今，曾经一房间仪器才可以实现的功能可以在一个芯片上实现。这个芯片可能只有拇指这么大。英特尔处理器就这么一点点。可以看到，由于物理学和工程学的进步，现在可以在一个很小的物体里实现很多很多的逻辑门，就是它们为你的苹果手机、笔记本电脑提供动力，从而让这些现代计算设备和许多工业应用在日常生活中变得如此简单。
奇特“新脑”：意识从物质中产生的几种形式
现代处理器
这么了不起的装置，值得我们进一步去了解一下它。这里提供几个数据，这些是芯片的规格。首先是时钟频率。要进行逻辑运算，你必须完成一步，再做下一步，然后再做下一步。这是时间的函数，计算会随时间向前推进。时钟频率是每秒 30 亿次运算，记作 3 GHz。信息移动的速度类似于每秒十亿次信息从一个地方传输到另一个地方。我可能没法向大家精确地说明这一定义，需要知道的是，这些思维机器非常敏捷。人脑的时钟频率大约是每秒 1000 次，要慢 100 万倍。而一台电脑的价格只有 999 美元，比雇一个学生或助手来做计算，成本要低得多。
