彭羅斯的「新物理學」與「新三個世界理論」
作者：高新民
男，1957年3月生，湖北省新洲人，二級教授，華中師範大學馬克思主義學院博士生導師，湖北省普通高校跨世紀學術帶頭人，國務院政府特殊津貼享受者。現任華中師範大學心靈與認知研究所所長。
第三節 彭羅斯的「新物理學」與「新三個世界理論」
彭羅斯（R. Penrose, 1931—）是世界著名物理學家，牛津大學勞斯·鮑爾（Rous Ball）數學講席終身榮譽教授，1988年與霍金一道獲得了沃爾夫物理獎。難得的是，他在研究廣泛的物理現象時，對人及其意識產生了強烈的形而上學驚詫感，並發揮自己精通數學和物理學等的優勢，對之作了一發而不可收拾的探究，完成了多本專著和大量論文，如《皇帝新腦》、《通向實在之路》、《心靈的隱秘處》等。
一、意識探秘的出路與彭羅斯思想的整體特徵
面對意識棲身的大腦，他驚嘆道：「在我們的腦袋中，有一個控制我們動作並使我們了解周圍世界的非常了不起的結構。正如阿倫·圖靈有一回說過的，它和一碗涼粥再相像不過了！非常難以想像，具有如此平淡無奇外觀的東西怎麼可能創造這麼多的奇蹟？」
他對解開意識這一宇宙之謎的出路也作了自己的思考，認為揭開意識的神秘面紗是一項系統工程，而物理學尤其是量子力學在其中享有舉足輕重的作用。但是已有的物理學是遠遠不夠的。即便是已有的量子力學也是如此。因為在他看來，從好的方面說，已有的量子力學充其量為我們提供了一種非常奇怪的世界觀；從壞的方面看，它沒有提供任何世界觀。它表現出的神秘性有兩方面，一是令人困惑的神秘性，如EPR佯謬，二是悖論性神秘性，如薜定諤之貓。
他所找到的揭露意識之本來面目的出路是：對物理學、量子力學進行變革。他自認為，他完成了這種變革，並通過變革建立了所謂的「新物理學」或「新量子力學」。他關於意識與大腦、外部世界關係的理論主要是以此為基礎而建立起來的。由於這一理論帶有世界觀的性質，因此他把它稱作「三個世界理論」。為了區別於哲學中早已耳熟能詳的波普爾的三個世界理論，我們不妨把它稱作「新三個世界理論」。從實質上說，他的理論既有反還原論、反等同論的特點，同時也對立於二元論，當然是傳統的主張心身有兩種獨立本質和存在的實體二元論。在筆者看來，他的理論並沒有超越二元論，因為他儘管強調心靈依賴於、根源於大腦（對立於傳統二元論、接近於物理主義），但他又認為，心靈一經產生，又有自己的非物質性和獨立性，他說：「我們的『頭腦』（毋寧講『意識』）中顯然有某種非物質的『東西』。一方面，它受物質世界的召喚，另一方面，又能影響物質世界。」這就是說，在我們身上有一些作用不是由物質產生的，而是由非物質的東西產生的，如控制身體各部分乃至整個身體的作用，了解周圍的世界的作用，等等，都是由意識完成的。更重要的是，我們的意識中有非物質的目的，而此目的是人的世界中的一種根本性的決定力量，因而是對世界作出完滿終極性解釋的不可或缺的要素。他說：「在意識現象中，或許存在某種神聖或神秘的目的，可能是還未被我們揭示的目的。」此目的是超物理學的。因為在按照純物理學、自然選擇理論去說明世界時，意識中的這種目的是被排除了的。在他看來，承認有這種目的，非但不是非科學的，而恰恰是「更科學的」。因為訴諸人擇原理這一「更科學的形式」，可對之作出更好的論證。所謂人擇原理是這樣的原理，它斷言：「我們存在於其中的宇宙的性質受到如下強調的限制，即必須存在像我們這樣有知覺的生物，以便對它們進行觀察。」
二、新三個世界理論
彭羅斯的洋洋百萬言的大部頭著作《通向實在之路》（The Road to Reality）的書名本身足以表明：他關心的問題除了有物理學的旨趣之外，還有很強的本體論意味。因為這裡要探尋的「實在」恰恰是本體論上所說的真或事實或實際的、真實的存在（reality）。他要弄清的是：世界上究竟有哪些真實的存在。他謙遜地認為，他並未完全找到終極答案，而只是在尋找通向它的道路上。而他的三個世界理論就是尋找此出路的一個嘗試。
他的三個世界理論儘管受到了波普爾的啟發和影響，但內容及說明有很大不同。在他看來，世界上的確有真實的存在物。大致說來，有三大類。它們組成了三個世界。一是直接知覺或知道的世界，即能訴諸內省、體驗直接認識到的由思想、情感、觀念、知覺等所構成的主觀經驗世界。這個世界的成員很多，如心智的各種有物理基礎或沒有物理基礎的活動，等。
二是不太直接的世界，即由物理實在所組成的物理世界。對它們，我們知道得很多。它由人、人腦、自然事物等所構成，分子、原子、電子、光子、時空等也屬於這個世界。
三是由數學實在（如自然數0、1、2……，數學定理，圖林機行為，等等）、概念、共相等所組成的柏拉圖主義世界。相對於波普爾的三個世界理論和現當代大多數物理實在論者而言，這個世界顯然是彭羅斯在探尋真實存在中的一項「新的發現」。它包括哪些成員？有什麼理由說這個世界像其他兩個世界一樣存在？
柏拉圖世界中最重要的、數量最多的成員是數學規律、數學對象（點、線、面、體、自然數等）、數學觀念、數學定理等。它們都是理想化客體或抽象的數學實在，是大自然的一種存在方式，因此可以說是自然的實在。這是一種極為特殊的實在，正是它鑄就了數學力量的巨大和堅韌性。它不同於第二世界中的物理實在，因為後者由它派生出來。它們儘管都是抽象的，沒有具體時空特性，但與其他世界一樣實在。他說：「我們確實應當將柏拉圖的世界看成是一種由數學理念提供的『實在』。」它不僅存在，而且是三個世界中更為基本的一個。他說：「柏拉圖世界是三個世界中最基本的。因為數學具有一種必然性，我們幾乎僅憑邏輯就能夠設想其存在。」它之所以不僅存在，而且更具根本性，是因為「深藏的數學規律在物理世界的運行中起著重要的作用。」當然，為什麼是這樣，物理世界為什麼從數學世界中突現出來，這的確是一個難題，可稱作三大神秘中的一個。
柏拉圖世界中的第二大類實在是強人工智慧觀所說的演算法之類。第三大類實在是抽象概念。他說：抽象概念王國「除了數學概念之外，也許還可把柏拉圖式的實在授予其他的抽象概念。」第四類實在是「真」、「善」、「美」之類的概念。「真」與數學實在有關，但不能等同。他說：「數學與真這一特殊的理想化概念息息相關，」至於美與善，他說：「我完全相信這類理念的存在，也相信在柏拉圖世界中還存在著具有同樣本性的其他絕對理念。」他之所以相信有美的存在，是因為它有在前的引導作用。如果有這種作用，那麼一定可推斷說：它們是存在的，並先於對物理世界的認識。他說：「美不僅在探尋物理世界背後的數學原理方面有著毋庸置疑……的作用，審美標準對數學概念本身的發展也是至關重要的，它不僅導致新發現，而且還是通向真理的嚮導。」人們相信有理念世界存在，「正是源於……數學概念中所潛藏的奇妙且出於意料的美。」
一般認為，彭羅斯所說的第三世界中的所謂的實在不過是數學家們時常與之打交道的一堆概念而已。彭羅斯反對這種流行的觀點，而認為這類實在有像前兩類實在一樣的獨立存在地位。他說：「它的存在就依賴於這些概念的深層的、無時間性的和普遍的本質，依賴於它們的規律獨立於發現它們的人這一事實。……自然數在人出現之前就存在於那裡，……在所有生命消失之後，它們還會一如既往。」
彭羅斯是熟悉哲學的本體論的。這表現在：看到了人們否認第三世界存在的本體論根源，即把是否具有形體性、粒子性實物性看作存在與否的標準。因此要論證第三世界有存在地位，其前提性的工作是「拓展一下對於『存在』的理解」。在他看來，有形的物理實在的確是存在的，但這只是存在的一種方式，除此之外，還有心智的和柏拉圖式實在的存在方式。他說：「柏拉圖世界裡數學形式的存在方式與物理世界中各種對象（如桌椅）的存在方式不同。它們沒有空間位置，也不在時間中。客觀存在的數學觀念必須被當作與時間無關的對象。」
彭羅斯對第三世界存在地位的證明除了上述本體論論證之外，還有訴諸事實的證明，如基於它們的作用的證明。在他看來，數學實在有作用，如幫助物理學建構自己關於基本粒子的標準模型，這說明它是存在的，至少先於關於物理實在的理論。他說：20世紀關於粒子物理的標準模型「是一個在很多方面與觀察事實符合得非常好的數學模型。這個模型包括了好些獨創的、與大自然有著深刻和諧統一的數學要素。」「理論的預言能力從根本上說就依賴於作為這一理論基礎的數學相容性。」因此有理由說，物理學家沒有數學概念，將寸步難行。他說：它有不可否認的作用，「物理學家時常關注的只是這樣的模式，在那裡，數學概念碰巧可恰到好處地應用於物理行為。因此可以說，物理學家格外傾心於數學描述起作用的領域。一點也不奇怪，數學在物理學家所作的描述中總有其作用。」「在我們關於基本物理過程的成功理論中，總存在著一種基本的數學結構，它不只被證明是極其準確的，而且是數學上深思熟慮的。」
再以集合為例，他說：「這個概念是一種抽象，從任何意義上說，它都與物理世界的具體結構無關」，但是這個概念有實實在在的作用，如我們可以用集合來定義自然數，而這樣定義又有助於揭示自然數的本質。例如對於，可以說它是一個零集，他說：「對於零集，括弧中沒有任何元素，因此這種集合是名副其實的空集。」對於其他自然數也可如此定義。而這樣定義又足以說明：「像自然數這樣的對象是可以無中生有的，用到的僅僅是『集合』這一抽象概念。」每個自然數是一個集合，它們「完全獨立於宇宙的實際物理性質」。
他承認，在相信存在著柏拉圖世界時，他與柏拉圖有一致之處，如都承認抽象概念構成的世界的存在性和作用，但他又認為，他們也有不同，因為他認為這個世界不是本原性的，而是根源於心靈的創造。他說：「把數學世界當作是我們思維的諸樣式的產物，就是堅持康德的路線，而不是柏拉圖路線。」如果是這樣，那麼便可得出結論說：心靈不僅存在，不僅有作用，而且更具根本性。因為按他的邏輯，第二世界即物理世界依賴於第三世界，因此後者比前者根本，現在第一世界即心靈世界是創造第三世界的東西，因此它不僅是存在的，而且是根本的根本。當然，彭羅斯對根本與非根本的理解帶有循環論的特點，而且還強調這種根本性的作用是限制在較小的範圍之內的。下面就可看到這一點。
在三個世界的關係問題上，他首先認為，它們都有自己的獨立性。他說：「每個『世界』都有各自與眾不同的存在方式，」或者說都有自己的實在性。其次，他認為，三個世界是相互聯繫的，其表現是多方面的，如（1）它們是統一世界的不同側面。他說：它們「分別反映出某個完整世界的更深刻真相的不同側面。」（2）三個世界的聯繫還表現在它們之間有產生關係。說它們之間有產生關係，必須這樣來理解，例如只能說：柏拉圖世界中只有一小部分（即數學概念）是物理世界之構造的基礎，同樣，心理世界也只是來自於物理世界的一小部分（即只與大腦有關），數學的概念也只與精神活動的小部分有關。例如心智活動依賴於大腦活動，但只有一小部分大腦活動有這種作用，在人以外，絕大多數物理實在如石塊與心智無關。絕對數學真理只對應於部分的心智活動，人腦中發生的心理大部分（如情感、焦慮等）與數學真理無關。總之，「三個世界按順時針方向依次排列，……後一個世界僅僅對應著前一世界的某一部分。」（3）每一個都整體地包容另一個。他說：「每一個又都（深秘而深刻地）建立在前一個的基礎之上（這些世界都被想像成一個圓）。……實際上，在這些世界的圓形外觀之下，還有更深奧的謎團或疑難，那就是它們中的每一個似乎都能夠相續地整體包容另一個，而它本身則僅依賴於前一個世界的部分內容。」另外，物理世界和柏拉圖世界還有這樣的關係，即相符。他說：「實際物理世界以驚人的方式符合一些非常精密的數學方案。」彭羅斯認為，一定有「一種更深入的基本原因」使「柏拉圖世界和物理世界之間相符合」。
總之，三個世界中的每一個總是依次來自於它之前的世界，如柏拉圖世界來自於心理世界，物理世界來自於柏拉圖世界，心理世界來自於物理世界。至少與其中一部分有關。然而，每個世界在產生出來後，又有自己的獨立的存在地位和作用。如圖所示：
三、意識現象的獨特地位
彭羅斯三個世界理論中的核心思想是基於他的新物理學所建立的關於心身關係的理論。我們先看他關於意識之本體論地位的思想。
在探討意識與大腦關係時，他像分析哲學家一樣注意到了有關語詞歧義性的問題，並作了自己的梳理。對於常見的「意識」、「精神」、「靈魂」、「智慧」等，他是這樣限定的，如認為，「意識」與「精神」不是同義詞。「意識」指的是「知覺」，有兩個特點，一是「當我自己處於意識狀態時，我或多或少是知道的」，二是「必須意識到某種東西」。「精神」或「靈魂」的含義則不同，其含義「更多」，如既可泛指一切心理現象，而意識只是其中的一部分，又可指擁有心理屬性的主體或實體。彭羅斯贊成前一類用法，而反對後一類理解。
由於意識是所有一切有意識心理現象中的共同因素，同時又是理解一切心理現象的關鍵，因此他的心身問題研究主要集中在意識及其與大腦的關係問題之上。在意識的本質及其與大腦的關係問題上，他的確有對傳統二元論的超越、而近似於物理主義的一面。這表現在，他既承認意識起源於大腦（關於這一點，下部分再具體予以考察），又強調：意識產生出來後的存在也有對大腦的依賴性。他的推論是：如果心智是某種與物理實在相分離的東西，那麼我們的心理自我為什麼離不開我們的物理大腦？很顯然，心理狀態之間的不同可能根源於相關大腦的物理狀態的變化。例如特定藥物的效果與心理行為、經驗的變化具有特殊的關聯。同樣，大腦的損傷在有關個體的心理狀態中也會有可確定和可預言的影響。這裡的問題在於，如此關聯是否會陷入概念混淆的問題？
彭羅斯的看法是：表面上有這個問題。正如在愛因斯坦的公式E=MC2中那樣，把質量和能量等同起來似乎陷入了範疇錯誤，其實非但沒有，反倒在物理學中成了極為重要的定律。同樣，談論心與身，把它們關聯起來。也不會陷入範疇錯誤。他說：「意識是在『那裡』的某東西，與極其特殊的物理對象即活生生的、清醒的人腦聯繫在一起。因此我們可以對這種現象作出某種最終是物理的描述，儘管我們現在對它的理解還相當不夠。」很顯然，這裡包含有還原論的思想傾向。
應該看到：彭羅斯並沒有真正超越二元論。因為他像許多新二元論者一樣賦予了意識以獨立的本體論地位。如他承認：意識儘管與物質的某種干涉性現象有關，但不能把它們等同起來，後者只是為前者提供了一定的條件。他說：「真正的意識涉及到對無限多的質上不同事物（如花的綠顏色、事物的氣味、心中的情感等）的覺知（awareness）。」
彭羅斯還從不同方面分析了意識的特殊性及獨立性。第一，從起源上說，儘管可以一般地說，它是自然選擇的產物，但這種選擇有神秘之處，即有目的性在其中起作用，不是「瞎碰運氣」、單憑任意定律的產物。他說：「演化明顯地具有『探求』未來的目的，所以它仍有神秘之處，事情至少看起來組織得比僅僅基於瞎碰運氣的演化和自然選擇要更好。」
意識的獨立性的第二個表現是：它是時間流。具體而言之，只有在這流逝的時間中，意識才是可能的。例如經驗到疼痛或某種外部特性，不可能在一個絕對不動的時間點上發生，任何行動中的決定、意識也是如此。他說：「在任何這樣的活動中，如在外部刺激所引起的有意識地完成的反應中，在反應發生之前，似乎必須有一秒或半移的延遲。因為只有半秒之後，覺知才會發生。如果必須利用覺知，那麼自由意志的明顯緩慢的作用又必須在另一個半秒之後才會發生。」這就是說，在受到刺激時，有意識的覺知不可能與刺激同時出現，因為神經傳遞需要時間。同樣，決定之作出也會延遲。他還對李別特等人的實驗成果提出了自己的解釋。根據第一個實驗，即意識之決定先於腦內實際的電流變化，他指出：「意識行為在它發生作用之前需要一秒或一秒半的時間」，根據第二個實驗，即檢測人在接受刺激時作出反應決定所需的時間，他指出：「似乎要在外界事件發生了半秒鐘之後才意識到該事件的發生」，「必須花費比一秒還多得很多的時間，人們『意志』的反應才能進行」。
第三，意識有獨立的作用，例如在靈感和創造性思維中，就是如此。靈感儘管是瞬間形成的，但它離不開長期的有意識思維。創造過程離不開兩個因素，即提出想法和淘汰。前者是無意識，而後者是有意識的。有意識的主動的作用特別有助於說明意識的獨立性。因為如果意識有這種作用，特別是不按必然性發揮作用，那麼就可證明意識的作用是自己獨立完成的，而非由物質完成的。他說：「意識有時的確能夠具有操作上辨別得出的主動作用」，或主動效應。這表現在：有意識生物有時能以滑稽的方式行為，有時能不按必然性作出選擇。
第四，他從量子力學角度論證了意識的存在。他說：「意識在……量子力學R過程的各種解釋中同樣起著重要作用。事實上，幾乎所有量子力學的『傳統』解釋最終都取決於『智慧生物』的存在。」另外，在解釋中，我們有時還會面臨對實在的多世界描述，而「多世界觀點顯然依賴於對『自覺觀察者』概念構成的正確理解。因為每個感知到的『實在』都與一種『觀察態」相聯繫。……如果沒有智慧觀察者的適當理論的介入，多世界觀點的解釋肯定不可能從根本上得到完善。」最重要的是，被觀察宇宙或量子實在的存在足以證明存在著獨立的意識。他說：「作為一種邏輯必然性，任何『可觀察』的宇宙必然能夠成為存在意識活動的佐證。因為在『觀察』中起決定作用的正是意識。」之所以如此，是因為量子實在只有在被測量時，才表現出它的現實存在性和特性，這就是說，量子實在之所以以特有的形式表現於世界，是離不開測量的。因此測量是它的對人的現實存在的必不可少的一個條件。而測量是有意識的活動。可見，量子實在的存在足以證明它之外還有一個不同於它的意識。
第五，意識是一種非計算或非演算法的行為，而此特點足以說明它有不同於演算法行為的根源。他說：「這種作用和『精神』概念本身密不可分。」他承認：大腦的許多行為是計算的，即是有規律的形式轉換，如神經信號在神經元中的傳遞，神經元的激活和抑制、神經元與神經元的聯繫，以及關聯的強弱等都是如此。但是大腦中又客觀存在著非演算法的行為。例如理解所具有的性質、審美的性質，以及人對美和善的把握，對絕對的領悟。非演算法行為的特點是：混沌、不確定、非決定性、隨機、捉摸不定。由這些特點所決定，非演算法行為在計算系統中都是無法被模擬的。不僅如此，非演算法行為超出了已有科學的解釋範圍，如它們是經典物理學和量子力學說明不了的。他說：「基於現在的理解，經典物理學和量子物理學都無法說明不可計算的行為，因此我們必須到別的地方去尋找說明非計算行動的根據。」
在他看來，要予解釋，必須訴諸意識。他說：「非演算法行為的確與意識的作用有關，最低限度上，至少與某些意識作用尤其是理解的性質有關。」人之所以是有智慧的動物，也是與他有意識有關。他說：「如果沒有意識的伴隨，那麼真正的智慧是不會呈現的。」
進一步的問題是：如果意識不在已有物理學的世界之內，那麼能否為之找到科學的解釋呢？或能否為之找到一個物理的家？他的回答是：有希望找到，但必須對已有的物理理論作出改進和拓展，尤其是要發展新的關於量子狀態收縮的理論。因為意識現象與已有的理論理論是不相容的，後者不能接納、解釋前者。這樣說無疑讓他進到了哲學和科學中最困難的問題（即意識如何產生出來）之中。他不僅不否認這一點，而且對意識的這個困難問題作了下述新的表述：意識現象為什麼只產生於大腦之中？作為非演算法行為的物理過程怎麼可能來自於物質事物的運動？他的回答有點含糊。這表現在：他有時強調意識根源於大腦的非演算法的物理過程，有時又認為，必須訴諸純精神的作用，才能解釋非演算法行為。如認為，非演算法過程根源於大腦中有許多隨機的因素。而「隨機因素真正是隨機的」。由此當然可以推出二元論的外在於身體的心靈觀念。因為要解釋這種隨機性，一種可能的辦法就是用心靈作用的介入來解釋。當然，彭羅斯對此語焉不詳。
四、意識的困難問題與物理學變革
彭羅斯熟悉當代心靈哲學的一個重要表現是：他知道心靈哲學近幾十年來一直爭論的一個熱點問題,即意識如何可能從大腦中產生出來。不僅如此，他也像大多數哲學家一樣承認它是一個困難問題，甚至把它稱作三個有神秘性的問題之一。他說：「具體的物理世界不知何故能引起『影子式』的現象，即我們所說的現象。」換言之，意識怎麼可能從這些似乎沒有希望的物質、時空等因素中產生出來？他承認：他尚未找到最終答案。他說：「在某種意義上，我不知道物質的本質以及制約它們的規律。」換言之，他對物質的認識尚未達到足以據此解釋意識之起源的程度。
在建立自己的解決困難問題的模型之前，他對已有理論作了梳理和分析。他認為，哲學和認知科學中產生了關於心靈的四種理論：（1）思維不過是計算，尤其是，感覺到有意識的覺知不過是在執行相應的計算。（2）覺知是大腦物理行為的一個特徵，而任何物理行為都可從計算上加以模擬，但計算模擬本身不依賴於覺知。（3）大腦的物理行為離不開覺知，但這種物理行為不能嚴格地從計算上加以模擬。（4）覺知可能用物理的、計算的或任何別的科學術語來解釋。在他看來，這些解釋，都不令人滿意，如：觀點（1）是關於心靈的計算模型，（2）代表的是對心靈活動之外部表現形式的計算模擬。要否定它們，是不困難的。他說：在人類理解中存在著某種內在的東西，它不可能為用任何計算手段來模擬。（3）和（4）也好不到那裡，同樣充滿著深刻的困難。
彭羅斯對神經科學的意識探討也發表了自己的意見，認為它儘管基於實驗和觀察對意識提出了理解，但仍沒有抓住意識的某些關鍵特點，如意識的統一性作用、非計算性特點、前意識與意識的區別與過渡、非決定論自由意志，等。
彭羅斯對意識研究所作的診斷是：要解決困難問題，只能寄希望於物理學。當然僅靠已有的物理學又是不夠的。因為原有的關於時間的概念，不管是量子實在論的，還是相對論的時空觀，都是有問題的，不能滿足揭示意識本來面目的需要。因為經典力學是機械的，新的量子理論儘管是革命性的，但並未從根本上超越於傳統的物理世界觀，根據這種觀點，「物理對象是藉助力場而相互作用著的東西。」同樣，愛因斯坦所設想的、得到許多物理主義者支持的「大全」（everything）理論也是如此。它儘管試圖解釋一切，但留有意識這一空白。總之，「迄今，尚無能直接解釋我們的意識和智能的物理學、生物學或計算理論，但這不妨礙我們去努力尋找一條的解釋途徑。」在他看來，解決意識困難問題的出路只能是：在科學理論上完成一種革命性變革，即拋棄過去的物理學的時間觀。他說：「要想在從物理上理解意識現象的過程中取得真正的進步，作為其提條件的是，必須有物理世界觀上的根本性變化。」在這方面，強調時空具有非定域性的扭量（twistor）理論，以及阿哈諾夫（Yakir Aharonov）等人的看起來有點瘋狂的理論（強調應該用向前和向後兩種狀態矢量描述量子實在），是值得考察和研究的，亦即是有希望的。當然，這仍不夠。在他看來，最好的選擇是：在徹底改革物理學的基礎上，探討和揭示意識的本質，換言之，根據經他「徹底變革」了的物理學或量子力學，去說明意識的本質。這裡所說的「變革」是有特定所指的，即指改變人們看待量子理論的流行方式。這種變革有點類似於愛因斯坦相對論對經典物理學的變革，不過也有不同。因為愛因斯坦關心的是如何描述引力現象，這與心靈的本質問題沒有多大關係。而彭羅斯關心的是與心理過程密切相關的物理事件。這就是說，他的經變革而形成的新物理學在方法和內容上都有重大變革，如在內容上，它將觸角指向了與意識、非演算法過程有關的物理過程，而不只是與演算法過程有關的物理過程。因此他的理論才是名副其實的「大全」理論，它不只是關於一切物理事物的理論，除此之外，還有關於意識的理論。兩者的關係不是還原、包含的關係，而是並列或平行關係。
他認為，新物理學要想說明非演算法行為，要真正揭示意識的本質，建構更好的計算機，當務之急是探索關於量子狀態收縮的適當的物理理論。他說：「沒有這樣的理論，要觀察到非計算行為或讓它在物理地建構的對象上表現出來，那是完全不可能的。」
五、新物理學與意識的「家」
「新物理學」是彭羅斯基於大量科學理論和成果、通過「變革」而提出的用來說明意識之物理基礎的理論。它認為，意識的家在細胞膜上的微管之中。正是在這裡，所發生的集合性的、干涉性的量子效應，成了意識現象出現的充分條件。如果是這樣，是否可以說，有這種結構的生物都有意識呢？回答是肯定的。人因為有此結構，因而有意識。但是由於意識是可多樣實現的，因此其他未知的結構也有實現意識的可能性。因此他說：「在這個星球上，意識不為人類所獨有。」甚至很低級的生命形式也可能有意識。
彭羅斯關心的主要是人的意識。他有什麼根據認為，人的意識與細胞膜尤其是微管的行為有密切關係呢？他的根據既有實證方面的，也有思辨性的。
首先看他的反事實推論。他認為，只要考察一下是什麼讓意識不出現，就不難明白上述道理。例如對一個人實施全身麻醉，就可讓他一度喪失意識，這足以說明意識對某些物理過程有依賴性，或離不開它們。其機理在於，隨著麻醉物質在個體神經細胞中的滲透，它們的電偶極屬性就能阻斷微管的行為。進而，「微觀的隨後的功能阻斷就會導致意識的消失。」因此可以得出結論說：「我們的意識狀態是離不開起作用的細胞膜的。」當然這不是說有關大腦系統在這裡沒有用，而只是說，「這些神經元的細胞膜自旋作用對於意識的出現是必不可少的。」
其次，他利用了反證法。根據矛盾律，如果二元論是對的，那麼他把意識的「家」安在微管之中就是錯的。反之，則是對的。然而要證明二元論的下述主張，即外在於身體的心靈能影響身體的行為，是沒有希望的。因為「承認有一個本身不服從物理規律的外在心靈，就是讓我們超越於能合理地被稱作科學解釋的東西。」「如果心靈是某種外在於物理身體的東西，那麼難以說明的是：它的那麼多的屬性為什麼能直接與物理大腦的屬性發生直接的聯繫？」
彭羅斯意識到：在證明他的新的結論的過程中，僅訴諸上述間接推理是不夠的，必不可少的一步是：深入到構成大腦的更深的，實際的物理性的「物質」結構之中，真正在事物的量子層面弄清那物質結構究竟是什麼？當然在這種探討中，沒有必要只盯住單個粒子、原子、分子的量子作用。而應關注量子系統的作用，如讓它們在更大的尺度上表現量子本質的作用。例如應關注量子相干性或連貫性。所謂量子相干性是指大量粒子集合在量子狀態中共同發生作用。可以肯定，這種協同的量子作用對生物系統肯定是有影響的，但問題是，它們對意識之產生有作用嗎？它們能成為意識出現的關聯物嗎？即使它們有關聯，僅靠它們是否一定會產生出意識來？換言之，在意識發生時，大腦中有多少因素牽涉進來了？是否是與大腦的全部物質都有關係？彭羅斯的回答是：「大腦行為的大部分似乎是無意識的。」這就是說，意識在產生時，用不著那樣興師動眾，讓大腦的所有成員都捲入進來，因為意識經驗只與部分因素有關。既然如此，接下來的任務就是找出「部分因素」，然後探討它們與意識的關係。
尋找意識的神經關聯物或密切相關的「部分因素」，這是當今意識研究中的一項重要課題。已有許多模型或方案。在彭羅斯看來，這些都是不令人滿意的。因為令人滿意的模型必須能再現意識的這樣一些重要特徵：（1）受神經作用的控制或制約，（2）意識可從前意識轉化出來，（3）不可計算性，（4）有因果作用，（5）把不同時間和空間尺度上的疊加組合成共例示的「現在」，（6）在時間中流動——意識流，（7）與基本的時空幾何學有關聯。
上述標準既是他評判他人模型的標準，也是他在建立他的意識理論過程中瞄準的目標。根據這些標準，他首先認為，意識必然涉及的因素是大腦中的部分神經元或神經細胞。這裡有關的既不是一切細胞（理由已如前述），也不是一個細胞。因為如果只有個別細胞起作用，那麼就不會出現那麼大的整體性。意即意識具有整體論特徵，只有當出現了細胞的聯合行為時才有可能出現意識。其次，就對此整體性事件出現有關聯的單個細胞而言，也不是它的一切都對意識出現有用，只有它的膜上的微管（microtubules）才是必要的。所謂微管即是神經元中的細胞膜上的大分子。進一步的問題是此大分子中的什麼過程或作用導致了意識的產生呢？對此問題的回答，構成了他的意識理論的核心。他把他的關於此問題的理論簡稱為OR或Orch OR模型。
所謂OR是Objective Reduction的縮寫，可譯為客觀的收縮或衰減。指的是量子態的收縮。該概念是物理學家描述量子測量過程所用的一個概念。所表述的對象是否真的存在，尚有爭論。有的否認它的存在，有的把R即收縮看作是客觀收縮過程（OR）的近似反映。而彭羅斯認為，它指的是這樣的真實過程，其特點是具有純隨機性、不可計算性、非定域性、疊加性、自協調性或自和諧性。
在彭羅斯看來，客觀收縮是量子系統內發生的客觀的坍縮過程或引力收縮現象，亦即是時空發生的自組織過程，具有自協調、自和諧（Orchestrated）的特點，因此他後來把這一過程稱作自和諧客觀收縮，可簡寫為（Orch OR）。他說：「按照這個方案，疊加態將在h/Ec的平均時間範圍內自發收縮到兩個組分定態之一，這裡Ec是兩質量分布之差的引力自能。我把這個方案稱作引力OR（OR表示量子態的『客觀收縮。』）」「我對粒子態收縮的看法是，它確實是一種客觀過程，而且始終是一種引力現象。」根據這一方案，意識可用量子力學來解釋，即它其實不過是發生在大腦中的一種粒子態收縮過程，是一種引力現象。
他有時像弗勒利希（H. Fr?hlich）一樣把微管中發生的客觀收縮稱作量子干涉現象。後者在1975年就提出：生物系統中可能存在著量子干涉現象。只要具備有關的物理條件，大尺度量子干涉現象就會出現，它類似於超導中的同類現象。彭羅斯進一步認為，這樣一種量子狀態不僅會出現在細胞之中，而且會出現在微管之中。這樣說是有實驗上可檢驗的根據的。例如哈默羅夫（S. Hameroff）所作的A-格點神經微管研究認為：在大腦相當廣泛的區域上，存在著大尺度的量子相干作用，A-格點神經管在其中起著重要作用。在這裡，一次意識活動可能與這個量子體系的一次部分態收縮（OR的協奏）相關聯。再如，要使能在蛋白質分子水平上實現像引力OR那樣足夠強度的相干活動，通常離不開大腦許多部分的協同工作。彭羅斯說：「大尺度量子效應是知覺活動的一部分。」因此「『基本』物理理論也應當能夠有能力處理意識活動等心智問題。」
他自認為，他關於意識的Orch OR模型可以解釋人身上發生的無意識和有意識行為。因為微管單元中的相干激活讓「細胞自動機」式的信息加工以古典的疊加和量子相干性的疊加兩種方式表現出來。由於有前一形式的加工，因而便有無意識的、自動的活動，由於有後一形式的加工，因而便有前意識及子意識的活動。也就是說，這一模型能說明從前意識到意識的過渡、意識的非計算性、當下的「現在」意識如何可能（「現在」意識是將各種疊加結合在一起的產物），因而可以看作是關於意識的最合理、最專門的模型。這就是說，他的關於意識的Orch OR模型可以解決意識的困難問題。因為意識的困難問題之所以困難，就在於人們無法說明它是怎樣從物質中產生出來的。根據他的模型，意識的產生可以用他的Orch OR模型給出完全的說明。因為這一模型的下述諸要素可以對意識的諸特徵作出說明。
（1）這一模型包含了量子理論的諸理論，如關於量子相干性的理論，關於量子波函數自坍縮的物理現象（此即客觀收縮）的理論。而藉助量子相干性、自坍縮可對意識的諸條件作出說明。（2）微管中的諸結構狀態與內在量子事件相關聯，並以經典和量子計算兩種形式與別的微管相互作用。（3）量子相干性發生在微管的管道之中。（4）在前意識加工中，量子相干疊加或計算髮生在微管之中，並一直持續下去，直到管子中的分離狀態中的質量分布差異達到量子引力的三倍為止。（5）客觀收縮過程源於微管的最終經典狀態，而這些狀態又起著神經生理的作用。根據關於客觀收縮的觀點，那些最終狀態是非計算的，即是說，它們不能從演算法上被決定。（6）微管中自調節的客觀收縮過程就是自和諧、自組織的客觀收縮過程。（7）每個疊加狀態都有自己的時空幾何形狀，當相干的質－能差異度達到時空幾何的充分分離時，該系統就一定會作出選擇，進而衰變為（或收縮或坍縮為）單個的宇宙狀態，因此Orch OR包含著基本的時空幾何中的自選擇過程。（8）為了將Orch OR加以量化，我們必須計算出引力的自我能量E。（9）一個典型的大腦神經元大約有107個微管蛋白，而每個神經元內的10%的微管蛋白與量子相干狀態有關，要維持相干性，大約需要103的神經元。（10）一個自組織的收縮過程可以看作是一個有意識事件，常說的意識流就是由這樣一串事件構成的。（11）量子態是非局域性的。
總之，意識的許多特徵可為Orch OR模型予以說明。例如控制、組織神經活動、從前意識到意識的過渡、非計算性、因果作用、把各種時空疊加結合為當下的「現在」、隨著時間流動、與經驗以之為基礎的基本時空幾何形態相關聯等等。
從表面上看，這一模型是難逃泛心論的扼運的。因為根據此模型，有OR，一定有意識，而OR可以發生在許多媒介之上，或者說是一種普遍現象。如果是這樣，它們之上便都有意識現象。彭羅斯認為，不會得出這樣的結論。因為意識的產生依賴於眾多條件，每個條件缺一不可，例如首先要有自衰減發生。他說：「如果一個有組織的量子系統能獨立出來，且能一直支持相干疊加，直到它為時空分隔的量子引力值被滿足，那麼意識就出現了，因為意識要出現，就必須有自衰減。」其次，「只有相干地作為一個單個微觀量子態中的大型的粒子集合，才能孤立出來，並支撐相干疊加」，因此只在特殊環境下才會有意識出現。第三，只有這樣的有機體才能產生意識，即在500微秒的時間內能在10%的微管蛋白中維持量子干涉的有機體，才有可能表現出意識活動。正是由此所決定，只有複雜的動物才會表現出有意識的經驗。第四，能產生意識的微管和其中的OR，只有有漫長的進化歷史，才能成為產生意識的關聯物。從進化角度看，在第一個單細胞造物之內，由於「前－進化」的作用，就獲得了最原始的細胞膜和微管，由於有這些東西，它們在後來的進化中不斷獲得更多更大的利益，甚至有了以「初步的有目的性的方式行動的能力」，心靈就是在後來的發展中出現的。他說：「藉助量子層面的過程和經典層面的過程之間的某種微觀的相互作用，心靈便出現了。」這種相互作用之所以出現，又是因為有更複雜的物理過程。最後，意識的出現離不開相對大尺度上的量子干涉現象的出現。他說：「不只是有單個的細胞膜的作用，而且這樣一種狀態還會從一個微管擴展到另一個之上。」這就是說，只有當細胞膜以及它裡面的微管都加入到同一個量子干涉狀態之中，進而量子干涉越過神經元與神經元之間的突觸障礙，具有統一和整合作用的意識或具有同一性的心靈才會出現。他說：「如果量子狀態中只有個別的細胞起作用，那麼就不會出現那麼大的整體性！根據這樣的描述，只有當某種形式的量子干涉至少超出整個大腦的一個可見的部分，那麼單一心靈的統一性才會出現。」
從本質上看，彭羅斯的關於意識的OR模型是一種物理主義的等同論。他本人也有這樣的表白，如說：他把「意識現象……視作真實的物理過程」。在其他地方，他還常說，經驗是時空中的一種性質，是時空幾何中的非計算的自選擇過程，等等。但是由於每個人心底里潛藏的民間心理學的慣性作用，彭羅斯的模型中又沒有從根本上超越二元論，這主要表現在：他常把意識與OR過程的關係比作被支配和支配、非基礎與基礎的關係，相應地，把從宏觀上所形成的心理學描述和從他的新物理學角度所作的描述的關係看作是對大腦中不同層面的過程的描述。質言之，他的許多論述並沒有把同等論原則貫徹到底，而把意識和OR分別看作是兩種不同的東西，如被支配的東西和支配的東西，或非基礎的東西和基礎的東西。如說：「正是真實的R過程支配著意識活動。」「正是在這個更深的層面（指神經細胞膜及微管——引者注），我們一定能找到心靈的物理基礎。」很顯然，只要承認裡面有支配關係，有基礎作用，相關的東西就不可能是同一個東西，而一定是兩個以上的東西。正像說一個人有支配作用一定意味著有一個被支配者存在一樣。從描述的角度來說，兩種以上的描述儘管可以指向大腦內部發生的同一過程或事件，但由於關注或抓住的層面、部分、方面不一樣，兩種描述對應的東西就不可能是同一個對象。例如彭羅斯在用OR等術語描述大腦行為時還常用「意識」、「自由意志」等民間心理學術語描述大腦行為。他承認：這兩種描述是不同的，如用「自由意志」等所作的「描述提供的是關於大腦和心靈的常見的圖畫，它不過是關於更深層面的細胞膜行為的影子（shadow）。」
儘管影子與產生影子的東西有關，但兩者畢竟不是同一個東西。如果心靈與神經元行為也有這種關係，那麼它們也不可能是同一個東西。這種二元論傾向還體現在我們下面要分析的、他的心身相互作用論之中。
六、副現象論問題與意識的因果作用
按照一般的理解，彭羅斯的上述理論必然會碰到副現象論難題。因為他承認：意識根源於大腦中的一種自協調的客觀的收縮過程，但又認為，意識並不能等同於它們，因為它們充其只是意識產生的一個必要條件。再則，意識本身既不是物質和能量，也不具有這些東西。既然如此，意識不就成了大腦過程的沒有原因作用的附帶現象嗎？
彭羅斯自己的主觀動機是：既反對副現象論，也不贊成功能主義所說的只有計算活動才引起有意識的心智活動，而承認心身可以互為因果，即堅持心身的相互作用論。他說：「我們的心靈肯定能影響身體活動的方式，而且也必然會受到這些身體的物理狀態的影響。如果心靈不能對物理性身體施加影響，不能受後者的影響，那麼心靈的概念就沒有什麼意義。」
當然他承認：強調心靈有這樣的作用，似乎會違背物理學的這樣的原則：只有物理的東西才有作用力，進而有可能陷入二元論。而如果不授予心靈以作用，又會陷入副現象論。他的態度是：對心靈及其作用作物理主義解釋。他說：「如果讓那些制約身體行動的規律能包容自由……，那麼這種自由的特殊本質一定是這些物理規律的重要組成部分。一切能控制或描述心靈的東西一定是某種也能控制我們的宇宙物質屬性的一個組成部分。」
為了具體說明心身的相互作用，他還訴諸於量子物理學的「量子糾纏」概念。假定有兩個聯繫在一起的粒子，組合在一起便形成為自旋為O的態，為了測量，便將它們彼此分離，讓它們分別向左和向右行進相當遠的距離，最後到達探測器L和R。可以假定，它們在離開它們的源以後，行為是彼此孤立的。然而，結果卻是：粒子必須給出的量子力學期望值不可能分解為兩個粒子單獨的期望值。要得到與量子力學答案相一致的唯一辦法就是以某種方式將二者「關聯」起來，直到二者之一再次被測量。這種神秘的「關聯」就是量子糾纏。通俗地說，兩個曾結合在一起的粒子，以後不論分離得多遠，一個總是關聯於另一個，或「記住」另一個。
在日常經驗中儘管看不到量子糾纏現象，但它在微觀世界卻具有普遍性。彭羅斯說：「絕大多數量子態其實都是糾纏態」。「糾纏無處不在，似乎宇宙間的每一個粒子最終都與其他粒子糾纏在一起」，「沒有任何途徑……使我逃離這一海藻般密布的糾纏態的海洋。」
在彭羅斯看來，量子糾纏可理解為分離開的量子之間的「通信」，其更為特殊之處在於：它們的通信可超過光速，以至違背愛因斯坦所說的信息傳遞不能超過光速的論斷。基於此，彭羅斯對量子糾纏作出了更神秘的推斷：量子可以遠距離移動或傳態，如把量子態發射到遙遠的星球上去，或讓量子態由一個地方傳態到另一個地方。他說：「量子力學並沒有對這種傳態設置障礙，我們的確能以通常的方式將量子客體整個兒地從一地傳到另一地。」
按傳統觀念，信息的傳遞離不開其載體，而載體是宏觀物理的實在，因此一個信息要傳遞到另一個地方，必須藉助載體之間存在的因果關係。彭羅斯認為，如果存在著量子糾纏，那麼就可能出現信息的非因果傳遞。假設我和我的同事事先有一對量子糾纏粒子，我們每個人各有一個，此時它們都保持著完全獨立於外界干擾的狀態。在五年前，他從地球上被發射到了土衛六號之上去了。在五年後的今天，我的一位朋友向我傳遞了2比特的經典信息，我得到了這個信息後，由於我與我的同事有一對量子糾纏粒子，通過它，就將朋友的目旋的未知量子態傳遞到我在土衛六上的同事那裡。如圖所示。
彭羅斯說：「確實有某種東西從我朋友那兒兒到了我同事那兒。……因此一定存在著一種聯絡通道，它由下述三段構成，從我朋友抻長到我這兒一小段、逆時地從我這兒到我們的EPR對的原點一長段和從原點到我在土衛六的同事那兒的另一段。」
在論證心身相互作用的橋樑時，彭羅斯儘管承認：視網膜中的感光細胞可以對小量光量子作出反應，大腦中還有這樣的神經元，它們可看作是量子探測裝置，但反對把量子不確定性作為兩者聯繫的橋樑。他說：「既有量子效應的確有可能觸發大腦中的許多活動，某些人便表達了這樣的願望：在這種條件下，量子不確定性就是讓心靈影響物理大腦的東西。在這裡，二元論的觀點就可能被引進，要麼是公開的，要麼是隱蔽的。也許，『外在心靈』的『自由意志』能量影響那些來自於非決定論過程的量子抉擇。根據這種觀點，二元論的『心靈材料』大概可以通過量子理論的R—過程的行為去影響大腦的行為。」在他看來，要在心身之間建立聯繫，最好是把客觀收縮或狀態收縮來看作是兩者聯繫的橋樑。這個概念不是他的首創。許多人論證過這個概念。提出這一概念的目的是要把引力和R—過程關聯起來。一般認為，如果兩個狀態被判斷為在引力場、時空等方面彼此有很大的不同，那麼它們就不能在一個量子線性疊加中共存。彭羅斯從不同的方面提供了自己的論證和規定。他認為，不可能找到兩狀態之間的引力上不同的絕對量度。在他看來，疊加的、有廣泛不同的狀態是不穩定的，因此值得進一步探討的是，由這樣一種不同測量所決定的狀態矢量收縮的比率。差異越大，收縮發生的比率越快。
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