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作 者 作 品

愛因斯坦的宇宙
2100科技大未來:從現在到2100年,科技將如何改變我們的生活
2050科幻大成真:超能力、心智控制、人造記憶、遺忘藥丸、奈米機器人,即將改變我們的世界
愛因斯坦的宇宙:想跟光賽跑、從椅子摔落……世紀天才這樣想出相對論及量子力學
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譯 者 作 品

2050科幻大成真:超能力、心智控制、人造記憶、遺忘藥丸、奈米機器人,即將改變我們的世界
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2050科幻大成真:超能力、心智控制、人造記憶、遺忘藥丸、奈米機器人,即將改變我們的世界(BEB0255)──(紐約時報暢銷書,2019年全新封面版)
The Future of the Mind: The Scientific Quest to Understand, Enhance, and Empower the Mind

類別: 人文‧思潮‧趨勢>NEXT
叢書系列:NEXT
作者:加來道雄
       Michio Kaku
譯者:鄧子衿
出版社:時報出版
出版日期:2018年12月21日
定價:380 元
售價:300 元(約79折)
開本:18開/平裝/344頁
ISBN:9789571376523

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序  我們需要開放、堅決和好奇心

大自然中有兩個最大的謎團,就是心智(mind)和宇宙。人類擁有眾多的科技,能拍攝數十億光年外的星系、操控生命的基因、探測原子內部的隱密殿堂,但是心智和宇宙依然難倒我們,也引誘我們。這兩者是科學中最神祕也最迷人的領域。

如果你想要親身體會宇宙的壯麗,可以在晚上眺望無垠的蒼穹,上面有無數星星閃閃發光。人類祖先因為壯麗的星空而嘆息,自此我們就被這些永恆的問題迷惑:宇宙從哪裡來?宇宙的意義究竟是什麼?

如果想要見證人類心智的神祕之處,只要看著鏡中的自己,然後思量:我們的眼睛後面隱藏什麼?這也會讓我們想起一些縈繞心頭的問題,例如:人類有靈魂嗎?人死後會如何?「我」到底是誰?最重要的,是讓我們想到一個終極問題:在宇宙巨大的架構中,人類的位置在哪裡?一如英國維多利亞時代偉大生物學家赫胥黎(Thomas Huxley)所說:「對人類而言,最重要的疑問、問題背後的終極問題、最有趣的問題,就是人類在自然中的定位,以及人類與宇宙的關係。」

在銀河系(Milky Way Galaxy)中約有一千億個恆星,和人類腦中神經元的數量差不多。你得穿越二十四兆公里才能抵達距離太陽系最近的恆星,在那裡尋找和我們腦袋一樣複雜的事物。心智和宇宙都是科學上最大的挑戰,但是這兩者之間的關連十分有趣。心智問題和宇宙問題根本南轅北轍,宇宙關注的是外在巨大的空間,我們在那裡會遇到黑洞、爆炸的恆星,和相撞的星系等奇特現象;心智問題則關注內在,在那裡我們可以找到最私密、最個人的希望和欲念。心智雖然和我們的思維緊緊相繫,但是要清楚說明與解釋心智時,我們卻又經常一無所知。

雖然心智和宇宙在這方面可能彼此相反,但是它們也有相同的歷史與故事。遠古以來,心智和宇宙的歷史就蒙上迷信和神祕外衣。占星學家宣稱找到了黃道上每個星座的意義,而顱相學家也宣稱找到了頭上每個隆起的意義。在此同時,多年來讀心者有時受到稱讚,有時遭到毀謗。宇宙與心智以多種不同的方式持續交會,在科幻小說中,我們常見到讓人大開眼界的想法。我年幼時閱讀這些書後常夢想自己能成為「史蘭族」(Slan)的一員。這是科幻小說家凡沃果(A. E. van Vogt)創造的種族,他們能進行心靈感應。艾西莫夫(Isaac Asimov)筆下《基地三部曲》(Foundation Trilogy)的變種人「騾」(the Mule),心靈感應的力量大到可以控制銀河帝國(Galactic Empire),這讓我驚奇不已。在《禁忌的星球》(Forbidden Planet)這部電影中,一個比人類進步數百萬年的文明,可以運用巨大的念力(telekinetic power),把真實的物體照著自己的想法改變形狀,這也讓我非常好奇。

我十歲的時候,魔術師「神奇的丹寧格」(The Amazing Dunninger)開始在電視上表演,他用神奇的魔術技法讓觀眾目眩神迷。他的格言是:「對於相信的人,不需要解釋。對於不信的人,解釋也沒有用。」有天,他宣稱能把自己的念頭傳給全國百千萬人。他閉起眼睛,集中注意力,說他把一位美國總統的名字發射出去了。他要求人們把腦中出現的總統名字寫在明信片背後寄給他。一個星期後,他得意洋洋的宣稱,有數千張明信片湧來,背後寫的名字都是「羅斯福」,就剛好是他「發射」到整個美國的總統名字。

我不覺得有什麼了不起,對於經歷經濟大蕭條和第二次世界大戰的人來說,羅斯福的遺澤深深的留在他們心中,因此這個結果毫不意外。我認為,如果他想的是菲爾摩爾(Millard Fillmore)總統,才會真的讓我吃驚。

不過這個事件依然刺激了我的想像力,我忍不住開始實驗心靈感應,集中注意力想要知道別人的念頭。我閉上眼睛集中意識,試著想要「聆聽」其他人心中的想法,或是以念力移動房間中的物體。但我沒成功。

或許地球上有其他心靈感應者,但我不是。在這個過程中我開始了解,開發神奇的心靈感應力量或許是不可能的,至少在沒有外力的協助之下是如此。不過在接下來的日子,我慢慢了解:如果想要探知宇宙最深奧的祕密,並不需要心靈感應或超能力,而是需要一個開放、堅決和好奇的心。如果你想了解科幻小說中神奇的機器是否可能成真,你必須埋首於高等物理學。要了解讓可能變成不可能的關鍵點,你必須領會與了解物理定律。

這些年來,有兩件事點燃我想像力的熱情。一是了解基本物理定律,另外是看看科學會如何改變我們未來的生活。為了描寫與分享我在追求終極物理定律時所發現的刺激事物,我寫了《穿梭超時空》(Hyperspace)、《超越愛因斯坦》(Beyond Einstein)和《平行宇宙》(Parallel Worlds)。為了表達我對於未來的幻想,我寫了《遠景》(Visions)、《不可能的物理學》(Physics of the Impossible)和《二一○○科技大未來》(Physics of the Future)。為了寫這些書所作的研究過程中我一直提醒自己,人類的心智依然是世界上最大與最神祕的力量之一。

事實上,人類歷史中的大部分時間,我們都無法了解心智是什麼,以及心智運作的方式。古代的埃及人在藝術與科學上都有光輝燦爛的成就,他們相信腦是一個無用的器官,因此在為法老王防腐的時候,會把腦丟棄。亞里斯多德相信靈魂位於心臟,而非腦。腦的功用只是幫助新血管系統散熱。笛卡兒與其他人則相信,靈魂是經由腦中小小的松果腺(pineal gland)進入身體,但是由於缺乏明確的證據,這些理論都沒有獲得證實。

這樣的「黑暗年代」會持續數千年,其來有自。腦不到一公斤半重,卻是太陽系中最複雜的物體。腦的重量只占身體約二%,但是食欲旺盛,會消耗全身二○%能量(在新生兒中,腦部消耗的能量高達六五%)。人類的基因中有八○%與腦部的運作相關。在我們的頭顱內,估計有一千億個神經元,而神經連結和神經路徑的數量更是神經元的數千倍以上。

在一九七七年,天文學家薩根(Carl Sagan)出版獲得普立茲獎的著作《伊甸園的龍》(The Dragons of Eden),在書中他整理當時關於腦的知識。這本書文筆優美,企圖描繪頂尖的神經科學。當時這個領域的知識主要有三個來源,首先是比較人類和其他物種的腦。這項工作繁瑣而且困難,因為要仔細研究數千隻動物的腦。第二種方法要分析中風者和病患者的腦部,這些人往往因為生病而展現異乎尋常的行為。只有在他們死亡之後加以解剖,才能知道他們腦中有哪些部位損壞。第三種方法是科學家把電極插入腦中,緩慢而且痛苦的拼湊腦中哪些部位會影響哪些行為。

但是這些神經科學的基本工具卻無法有系統的分析腦部,你當然不可能訂購腦部受損的中風病人來研究。腦是一個活生生、不斷變動的系統,驗屍通常無法揭露最有趣的問題,例如腦的不同部位之間是如何交互作用,更別說這些部位是如何產生各種想法,例如:愛、恨、嫉妒與好奇。

雙重革命

約四百年前發明望遠鏡,幾乎一夕之間,這種神奇的新儀器就被用來探究天上的星體。望遠鏡是史上最具革命性(與煽動力)的儀器之一。就這麼突然,我們用自己的雙眼發現,以往的迷思與教條有如晨霧般消散了。天體並非神聖智慧的最佳示範,月球上有凹凸不平的坑洞、太陽表面有黑子、木星有衛星、金星有盈虧、土星有環。望遠鏡發明的十五年之間,所得到的宇宙知識超過人類之前歷史的總和。

如同望遠鏡,在一九九○年代中期到二○○○年代,磁振造影(MRI)和其他多種先進的腦造影技術出現了,徹頭徹尾改變了神經科學。在十五年之間所得到的腦知識,也超過人類之前歷史的總和。以往認為遙不可及的心智,現在終於登上舞台中央。

德國馬克斯普朗克科學促進協會(Max Planck Institute)諾貝爾獎得主肯戴爾(Eric R. Kandel)寫道:「在這段期間,對於人類心智最重要的見解,並非來自傳統上與心智有關的學科,例如:生理學、心理學或心理分析,而是這幾個學科和腦生物學結合的新領域。」

物理學家在此工作中扮演關鍵角色,他們提供許多新工具,這些儀器常以字母縮寫表示,譬如:MRI、EEG(腦電圖)、PET(正子斷層掃描)、CAT(電腦軸面斷層掃描)、TCM、TES(經顱電磁掃描)和BDS(深部腦刺激術),這些儀器大幅改變研究大腦的發展。藉助這些儀器,科學家可以觀察活生生正在思考的腦。正如美國加州大學聖地牙哥分校的神經學家拉瑪錢德朗(V.S. Ramachandran)所說:「這些問題,哲學家已經研究數千年了,現在我們科學家的研究工作是藉由腦部掃描、研究病人和提出正確的問題。」

現在回頭看,一些我在物理世界最先嘗試研究的內容,有些牽涉讓心智科學得以開展的重要技術。例如我在高中的時候知道有一種新型態的物質,稱為「反物質」(antimatter),於是決定就這個題目展開一項科學計畫。由於反物質是地球上最怪異的物質之一,我得向原子能委員會(Atomic Energy Commission)申請才能得到一點鈉22,這種物質能發射正電子(就是反電子,也稱為正子)。有這一小塊樣本之後我打造一間雲霧室(cloud chamber),並且在其中施加強大磁場,我就可以拍下反物質在通過雲霧室時留下的軌跡。當時我並不知道,鈉22很快就成為新科技「正子斷層掃描」的一部分,這項科技讓我們對於思考中的腦部有令人震撼的新見解。

我在高中實驗過的另一項科技是磁共振(magnetic resonance)。當時我讀過美國史丹佛大學布洛赫(Felix Bloch)所寫的一篇文章,他和普賽爾(Edward Purcell)因為發現核磁共振(nuclear magnetic resonance),兩人在一九五二年共同獲得諾貝爾物理獎。布洛赫博士對我們高中生解釋,如果你有一個夠強的磁場,原子就能像指南針一樣縱向排列。如果你發出一道精確共振頻率的無線電衝擊波,這些原子的方向就會翻轉,當這些原子翻轉成原來狀態時,就會發射另一道無線電波,就好像回聲一般,這樣的「回聲」可以讓你確定這些原子的特性。(後來我用磁共振原理,在我母親的車庫打造一台具有二.三百萬電子伏特能量的粒子加速器。)

幾年後,我成為哈佛大學的新鮮人,有幸受教於普賽爾博士的電動力學(electrodynamics)。大約在同時,我有機會在暑期打工時和恩斯特(Richard Ernst)博士一起工作,他當時正在嘗試把布洛赫和普賽爾關於磁共振的研究推廣到其他領域。後來他大獲成功,為磁振造影機器奠定了基礎,在一九九一年獲得諾貝爾化學獎。磁振造影機器所拍攝活生生腦部的細緻影像,要比正子斷層掃描影像有更多細節。

後來我成為理論物理學教授,但是對於心智依然著迷不已。最近十年,物理學的進步使心智研究獲得一些成就,讓我激動不已,這些事情在我還是小孩時就很興奮。現在科學家利用磁振造影掃描,可以解讀腦中運行的思維。科學家也可以把晶片植入麻痺病人腦中,把晶片與電腦連接,病人用思考就能上網、看電子郵件、玩電動、控制自己的輪椅、操作家庭設備與機械手臂。一般人利用電腦完成的事情,這些人一樣可以完成。

現在科學家甚至進一步,將腦和穿戴在麻痺肢體上的機械外骨骼連接在一起。癱瘓的患者將來有一天可能過著接近一般人的生活。這樣的外骨骼也能賦予人類更強大的力量,處理可能致死的緊急事件。

將來,太空人甚至可以舒服的坐在自家客廳,用心智控制機器人在其他行星探險。就如同電影《駭客任務》(The Matrix),我們有天或許可以用電腦下載記憶和技術。在動物研究中,科學家已經能把記憶插入腦中。我們把人造記憶插入我們的腦中,藉此來學習新學科、到新的地方度假,或是精通新的嗜好,這些都可能實現,只是時間長短而已。若是工人和科學家可以把科技技術下載到自己腦中,就會影響世界經濟。我們甚至可以分享彼此的記憶,有一天科學家或許能打造「心智網路」(Internet of the mind)或是「腦網路」(brain-net),藉此讓思維與情緒以電訊號的方式傳送到全世界。甚至連夢都可以拍攝下來,藉由網際網路傳遞。

科技的力量也能增進我們的智慧。學者症候群(savant syndrome)患者的心智、藝術與數學的能力真的讓人驚訝不已,我們現在開始要了解這些超乎常人的能力。此外,讓人類與猿類不同的基因也已經定序出來,我們能用前所未有的方式,一窺腦的演化起源。能增加動物記憶能力與心智表現的基因,現在也已經找到了。

這些讓人大開眼界的進展,帶來許多刺激的事物和動人的願景,連政治家都注意到了。事實上,腦科學現在已是大西洋兩岸最強經濟體之間競爭的項目。二○一三年一月,美國總統歐巴馬和歐盟各自宣布,要展開一個最後可能要花費數十億美元的計畫,以逆向工程(reverse engineer)的方式研究腦。以往人們認為,要以現代科學技術來解析腦中錯綜複雜的神經迴路,希望渺茫,但現在卻有兩個彼此競爭的計畫(如人類基因組計畫),將會改變科學與醫學的樣貌。這些計畫不但讓我們對於心智的了解達到前所未有的境界,也會產生新的產業、刺激經濟活動,為神經科學描繪新遠景。

一旦腦中神經連接的路徑解析出來,我們就可以了解心智疾病的確切原因,找出治癒這類古老疾病的方法。解析的結果還可能讓我們拷貝一個腦,不過這會引起哲學和倫理問題。如果我們的意識能上傳到一台電腦,那麼「我」究竟是「誰」?我們也可能會玩弄永生的概念。我們的身體終究會死亡,但是我們的意識能永恆嗎?

此外,有一些科學家推測遙遠的未來,我們的心智可能會從身體束縛中掙脫出來,在星際間漫遊。我們可以想像數百年後,可以把我們整個神經藍圖以雷射方式發射到遙遠的太空,這可能是讓我們的意識遨遊星際最方便的做法。

一個光輝燦爛的科學新遠景,將會重塑人類的命運,這個遠景現在確實展開了,我們正在進入神經科學的黃金時代。

我在設想這些預測時,曾經得到許多科學家無價的幫助,他們慷慨允諾接受我的訪問,將他們的想法經由全國性電台播送出去,甚至讓電視工作團隊到他們的實驗室拍攝。這些科學家為心智的未來奠定基礎。他們的概念都融入本書,我只有兩個要求:(一)他們的預測必須嚴格遵守物理定律。(二)這些深遠的概念必須能證明其理論的原型存在。

精神疾病的影響我曾經寫過愛因斯坦的傳記,書名叫做《愛因斯坦的宇宙》(Einstein's Cosmos),因此當時必須鑽研愛因斯坦私生活的種種細節。我知道愛因斯坦最小的兒子罹患精神分裂症,但是當時不了解此事對這位偉大科學家的生活帶來多少悲傷。精神疾病還以另一種方式影響愛因斯坦。物理學家艾倫費斯特(Paul Ehrenfest)是愛因斯坦最密切的研究夥伴,他幫助愛因斯坦發展廣義相對論。但是艾倫費斯特在遭受一次又一次憂鬱症發作之後,他殺了自己有唐氏症的兒子,然後自殺。許多年來,我發現我的許多同事與朋友,都曾為了具有精神疾病的親人而奮鬥掙扎。

精神疾病也曾經深深影響我自己的生活。許多年前,我的母親與阿茲海默症(Alzheimer's disease)對抗多年之後去世了。眼見她漸漸失去對於所愛之人的記憶,注視著她的雙眼就可以了解她已經不認識我了,這種種都讓人心碎。我看見人性的光芒慢慢熄滅。她一生努力照顧家庭,無法享受最後的黃金歲月,她對於所愛之人的所有記憶都喪失了。

我出生於戰後嬰兒潮,許多人和我都經歷過的這種悲傷事件,將在世界各地重複上演。我希望神經科學的快速進展,有天能減輕精神疾病患者與痴呆症者的痛苦。

腦科學演進的推手

現在研究人員正在解析從腦造影而來的大量資料,進展速度讓人震驚。一年之中總有幾個全新的突破占據媒體頭條。望遠鏡發明三百五十年之後,人類才進入太空時代,但是在MRI和其他先進的腦部掃描方式發明十五年之後,我們已能從外面世界連接到活動中的腦部。為什麼進展如此快速?將來的發現會有多少呢?

這項快速進展的原因之一是現在的物理學家很了解電磁學,人類神經元快速傳遞電訊息,遵守的就是電磁學原理。馬克士威(James Clerk Maxwell)的數學方程式能用來計算天線、雷達、收音機、微波發射塔的物理結果,也是MRI技術的基石。人們花了數百年才完全解開電磁學的奧祕,但是神經科學享用這項偉大成就的果實。在第一篇,我將大致描述腦的歷史,同時解釋來自物理實驗室的儀器,是如何描繪思考機器多采多姿的樣貌。在所有關於心智的討論中,「意識」(consciousness)一直占有核心地位,所以我也以物理學家的身分給予定義,這個定義可以用於整個動物界。事實上,我提出的是意識的等級。我認為,意識可以分成許多不同種類的形式。

對於科技進步的程度,我們要完全回答這個問題可以參考摩爾定律(Moore's law),根據這項定律,每十八個月電腦的計算能力就可以倍增。有個簡單的事實:現在人們使用的智慧型手機,其電腦運算能力強過美國航太總署(NASA)在一九六九年送兩位太空人登陸月球時所有電腦的總和。這讓人驚訝。現在的電腦強大到能記錄腦部發出的電訊號,並且把其中一部分解讀成為普通的數位語言。這種能力使得腦能和電腦直接連繫,以控制與電腦連接的物體。這個進展迅速的領域稱之為「腦機介面」(brain-machine interface, BMI),其中主要的科技是電腦。在第二篇,我將一探腦機介面,這個新技術能讓記錄記憶、讀取心智、錄影睡夢和念力移動(telekinesis)這些事情成真。

在第三篇,我將深入探討意識的各種不同變化,從夢、藥物和精神疾病開始,到機器人,甚至外太空的異形生物。這一篇也會介紹控制與操縱腦部的可能方式,以對抗憂鬱症、帕金森氏症、阿茲海默症,以及其他多種疾病。我也會詳細說明由美國總統歐巴馬宣布推動的「推進創新神經技術腦部研究」(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN),以及歐盟的「人腦計畫」(Human Brain Project),這兩個計畫可能會獲得數十億美元經費去解析腦中的路線,精細到神經層次。毫無疑問,這兩項同時出現的計畫將會打開全新的研究領域,讓我們找到新方法治療精神疾病,同時揭開意識最深的祕密。

我們已對意識下了定義,所以我們也可以用這個定義來探討非人類的意識(例如機器人的意識)。機器人能進步到什麼程度?機器人會有情感嗎?它們會造成威脅嗎?我們也可以探究外星人的意識,他們可能和人類有完全不同的目標。

在附錄,我會討論可能是科學中最怪異的想法:來自量子物理學的概念,可能是現實世界中意識最根本的基礎。

在這個爆炸性成長的領域,從來不缺各種想法,只有時間才能揭露哪些是來自科幻小說家,從極度想像中衍生的白日夢,哪些才是能通往未來科學研究的康莊大道。神經科學已經取得非常大的進展,在許多方面的關鍵是現代物理學,其中運用了電磁學與核子力的強大能力,探索埋藏在心智中的重大祕密。

我要特別指出,我並非神經科學家,而是一直對心智有興趣的理論物理學家。我希望以物理學家所處的優勢,能使我們的知識更為豐富,同時為人類心智,這個我們最熟悉又最陌生的東西提出全新見解。不過,由於這個領域基礎的新見解正在發展,速度之快讓人頭暈眼花,因此我們最好對於腦的組織架構先要確實了解。

所以我們會先討論現代神經科學的起源,有些歷史學家認為那是從鐵棒穿過蓋吉(Phineas Gage)的腦開始。這個重大的事件引發一連串反應,使得人們對於大腦開始進行嚴肅的科學研究。雖然這個事件對於蓋吉先生而言頗為不幸,但卻為現代科學鋪下坦途。

 
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