在 19 世纪末至 20 世纪初，物理科学中有两个相当重大的科学发现：一个是迈克尔逊—莫雷（Michelson-Morley）实验，它表明，光顺着地球转动和逆着地球转动的速度是完全一样的；另外一个是普朗克（Planck）提出的黑体辐射实验，它表明，热的东西放光时，会有不同的波长，普朗克对波长的分布公式提出了一个猜想，这与实验符合得很好，这个问题用经典的方法是无法解决的。
这两个发现，即光顺着地球转动和逆着地球转动的速度一样和热的东西发光的光谱，都很稀奇，当时它们同日常生活并没有什么关系。可是，从第一个发现产生了狭义相对论，从第二个发现产生了量子力学。到1925年，对这两个重大科学领域完全了解了，并且由此发展了原子构造、分子构造、核能、激光、半导体、超导体、X光、超级计算机等等。假如没有狭义相对论和量子力学，这些都不会有。从 1925 年之后，几乎所有的 20 世纪的物质文明都是从这两个物理基础科学的发展衍生的。现在，不光是应用，还在广泛地开发。
关于 21 世纪的科学发展，我主要想讲讲物理科学的前景，我不敢讲其它的科学，就是物理科学的前景也是我个人的看法。我认为，物理科学的发展前景是很好的。为什么呢？因为目前的情况正像 20 世纪初出现的情况一样。20 世纪初的两个著名的科学发现，提出了两个科学疑问：即光顺地球转动和逆地球转动时的速度为什么一样？如何解释热的东西发光的光谱？现在，我们同样也有两个疑问：第一，目前我们的物理理论都是对称的，而实验表明有些对称性在弱作用过程中被破坏了（1997年是吴健雄先生做的宇称不守恒定律实验的 40 周年纪念，她的文章是 40 年前的2月15日发表的，她是1997年2月16日去世的）；另外一个疑问是一半基本粒子是永远独立不出来的。我们现在知道，所有的中子、质子、原子、分子都是由两类基本粒子组成的：一类是夸克，另一类是轻子。一共有6种夸克，6种轻子。可是这6种夸克，每一个都不能单独自由行动，从来没有人观察到它们可以自由地存在。我们现在认为，理论是对称的而实验表明对称被破坏这个疑问被解答为这个破坏来自于真空。什么是真空？真空是没有物质的态，可它仍有作用，有作用就有能量的涨落。这能量的涨落是可以破坏对称的。为什么夸克走不出来呢？这和超导类似。超导是抗磁场的，假如有一块材料没有变成超导前有磁场通过，一变成超导，磁场就被排出来了。假如有一个圆圈，里面有磁场，没变成超导前磁场可以任意进出，一旦变成超导，磁场就走不出来了。我们认为，在真空的涨落中，很可能有单磁子和反单磁子，它们抗量子色动力学的场。我们认为，真空是物理的相对论性的凝聚态，它虽然是没有物质的态，但却是有作用的，也是可以激发的。
相对论的重离子碰撞，通过高能量 100GeV/N 的金核和金核相碰撞后，金核可以相互穿过去，在二核中间产生新的真空，这里面夸克就可以自由行动。这个方面正在研究，这台对撞机建造在 Brookhaven，1999 年就可以造成，总投资约十亿美元。如果真空是可以被激发的，那么粒子的微观世界和宏观的真空就结合起来了。这将是一个新的发展。
在宇宙中，有一种叫做类星体（quasar）的东西，我们不知道它是什么，它不是普通的星，它的能量来源我们不知道，每个类星体的能量可以是太阳的E15（10^15）倍，这是很大很大的。估计在宇宙里约有100万个类星体，其中有1000个我们在仔细研究。这个能量绝对不是核能量，太阳的能量来自核能量，它比太阳的能量大得多。类星体的发现是在 1961 年，那年发现了两个。最早发现的两个类星体之一，是 3C273 , 3C 是英国剑桥目录的第三本，273 是其中第 273 星。这个类星体在 1982 年 2 月，一天之内能量增加一倍，这是非常稀奇的，不仅能量大，而且可以一天之内增加一倍。宇宙中还有很大能量的来源我们是不知道的。
另一个在宇宙中的大问题是暗物质。从引力我们知道有暗物质存在，可是用光看不见，红外、紫外、X-光都看不见。宇宙里 90% 以上是暗物质。暗物质存在的证明很简单，拿一个星系（galaxy），在距离这星系中心 r 处，量任何星或星际尘埃（dust）、粒子等的速度 u，M(r) 是从星系中心至 r 间的引力质量。从牛顿定理，离 galaxy 向非常远，如果 M(r) 不继续增加，u 应该越来越小，可是事实上不然。拿任何一个星系，u 并不减小，就说明有很多引力质量在里面。NGC3192 不是单独的一个例子，现在已测量的有 967 个星系，所有的都是这样，没有一个例外。这些暗物质是什么我们不知道。所以在宇宙中有 90% 以上的物质我们不知道，有极大的能量来源我们不知道。真空有可能被激发。我们研究这个问题的方法是想制造一个状态，它和当初宇宙开始大爆炸的情况相似。大爆炸开始就是一个激发的真空，制造出这个状态也许可以使我们测量出它的特性。
在整整 100 年前，汤姆逊（Thompson）发现电子，从那以后影响了我们这世纪的物理思想，即大的是由小的组成的，小的是由更小的组成的，找到了最基本的粒子就知道最大的构造。这个思想不仅影响到物理，还影响到本世纪生物的发展，要知道生命就应研究它的基因（gene），知道基因就可能会知道生命。我们现在发现这并不然。小的粒子，是在很广泛的真空里，而真空很复杂，是个凝聚态，是有构造的。也就是微观的粒子和宏观的真空是分不开的，这两个必须同时处理。知道基本粒子就知道真空的观念是不对的。从这个简单化的观点出发不会有暗物质，也不会有类星体这类的东西。我觉得，基因组（genome）也是这样，仅是基因并不能解开生命之谜，生命是宏观的。
20 世纪的文明是微观的。我认为，21 世纪微观和宏观应结合成一体。
就如造计算机，是不是越小的集成电路就越好呢？我们可以把集成电路越造越小，小到氢原子，可是我们对氢原子完全懂，这里不可能再有什么信息。可能 21 世纪的计算机要的是较大的，是个凝聚态的单位，这里的信息才更多。20 世纪是越微小越好，我们觉得小的是操纵一切的，而我猜测，21 世纪将要把微观和宏观整体地联系起来，这不光是影响物理，也许会影响到生命的发展。微观和宏观必须要结合起来，这个结合对应用科技可能会有极大的影响。这 20 世纪的科学文化发明在 19 世纪末都是很难想象的！没有 20 世纪初基础科学的发展，本世纪的科技应用和开发也没法产生出来。21 世纪也许会有同样的发展。目前，微观和宏观的冲突已经非常尖锐，靠一个不能解决另一个，把它们联系起来会有一些突破。这个突破会影响科学的将来。
让我看 21 世纪的物理学的前景：激发真空，微观和宏观的物理的结合，制造像宇宙开始的状态，了解暗物质，了解类星体的能源，了解 CP 不对称的原理。什么是 CP 不对称呢？粒子和反粒子，左和右不对称，就是 CP 不对称。因为 CP 不对称，所以我们能够存在。我们都是由质子和电子组成的，我们宇宙里没有很多的反质子和正电子。在大爆炸一开始它们应该是一样的，所以 CP 不对称也是一个很重要的问题。
01
过去十年的突破性进展与引出的难题
80年代中期以来，无论是心理学、认知神经科学还是分子神经生物学，对意识及其神经科学基础的研究，都取得了较大的进展。心理学家们通过巧妙设计的实验，以数据为依据客观地分析了意识和无意识的认知过程；认知神经科学家们应用无创性脑功能成像技术和其他生理学方法在人类被试和猴的实验研究中，收集了大批科学数据，对意识的脑机制问题积累了相当多的新科学事实；分子神经生物学家们与精神药理学家们，进一步研究了影响人类意识水平的化学物质及其在脑内的代谢过程。我们首先回顾过去十多年间所取得的研究进展，这是对未来进行预测的基础。
一、对意识与无意识的认知活动能否进行实验性分离
机能学派和构造学派心理学家以内省法研究人类的意识活动，相反，行为主义心理学废除了内省法，利用客观观察法研究人类的行为以取代意识的研究。50-60年代，认知学派则综合了上述两种方法学原理，提倡用出声思维一类研究范式分析认知活动中的信息加工过程。70-80年代间认知心理学家们发现注意水平对知觉、记忆等认知活动具有重要制约关系，形成了选择性注意的两大理论学说。其理论焦点在于选择注意发生在信息加工的那一阶段，并不关心注意与意识间的内在联系。直到80年代中期，认知心理学家和神经心理学家在他们共同关注的记忆研究中，才发现元意识的内隐记忆与有意识的外显记忆借助于脑的不同功能系统而实现。随之，内隐知觉、内隐学习、内隐患维和内隐人格的研究全面开展起来。90年代初，将这些研究成果汇集起来，心理学家们才认识到，外显知识及其运作的认知活动是意识活动，内隐知识及其自动转化是人类的无意识的认知活动。[本文由后现代科学公众号整理，2请勿无权转载]换言之，直到80年代中期，心理学家们才开始对人类无意识的内隐认知活动进行系统的实验分析；在此之前的科学心理学，主要研究人类外显认知活动的规律。
在过去十多年间，心理学家们采用了许多方法对无意识的认知活动进行精细的实验研究。以知觉为例，最初采用阈下刺激法，将刺激材料以极短的时间呈现，以致被试来不及看清刺激物。随后将这种阈下刺激物与未呈现过的性质相似的刺激物强合起来，随机地逐一呈现，记录被试的知觉反应时，扣除事先阈下呈现过的刺激物的反应时，两种反应时的差值就是阈下知觉的实验证据。在这一实验起式中，阈下刺激呈现后经过意识知觉的测验，才能间接地表现出无意识的内隐知觉效应。任务分离法也是研究元意识知觉的常用实验范式，给被试呈现两类刺激物，一种刺激为目标物要求被试给出选择反应；另一类刺激则为背景或参考框架，不要求被试给出任何反应。完成这种知觉反应实验后，改变刺激物，则发现对做过背景刺激的新目标刺激物的知觉反应时明显缩短。这种反应时缩短的数据也是无意识内隐知觉存在的实验证据。无论是阈下刺激法还是任务分离法都中介于意识知觉反应时而间接测量，这就难以避免意识知觉对无意识知觉所产生的混杂或污染，于是过程分离法又应运而生，以便能分离出纯无意识和意识两种不同知觉过理。现在我们先介绍无意识的内隐记忆研究中最常采用的补笔实验范式，然后再对过程分离法进行简单解释。所谓词干补笔实验，就是先让被试无目的地看一些字词，并不要求他们做出什么反应。[本文由后现代科学公众号整理，3请勿无权转载]事后再呈现一些英文词干或中文的偏旁部首之类的字词片断，要求被试以其头脑中最先闪现出的字词把词干、偏旁、部首填充成字词。结果发现，先前无意中看到的宇词对随后的词干补笔作业有明显的易化作用。多次补笔作业完成的大量字词中，先前无意中看到的字词所占比例比未事先呈现字词所占比例的差，就称之谓词干补笔的启动效应，表明先前出现的词在被试头脑中存在着无意识记忆。除了词干补笔法，还有知觉辨认法、补笔法，图形或物体辨认法和填图法等。通过这些方法对启动效应的研究结果表明，可将启动效应粗略分为两大类：知觉或重复启动效应与语义启动效应。进一步研究还发现重复启动或知觉启动效应是数据直接驱动的，不受加工深度的影响；而语义启动效应经语义加工概念而间接驱动，因而，制约于加工深度。前者是典型的无意识记忆，后者与意识记忆间存在相通之处。深入研究又发现，如果采用字词补笔一字词辨认、分组词表、选择性回答、自由回忆、字符线索回忆等多种方法，则不仅有意识的外显记忆，而且概念驱动的无意识的内隐记忆，甚至数据驱动的典型无意识记忆都可能受信息加工深度的影响。这就是说意识的认知过程很难与无意识认知过程分离开。直接测验的意识记忆中包含着无意识记忆过程，间接测验的无意识的内隐记忆也受到意识加工过程的污染。心理学家们近年设计的过程分离法，试图由包容和排除两类实验范式所得数据中，分离出纯粹的无意识和意识认知过程。在包容（inclusion）实验范式中，先给被试极快地呈现字词，随后要求他们尽可能按模糊所见的字词完成词干补笔作业。这种作业成绩中即包含意识认知（C），也包含无意识的认知（U）以及两者间的交互作用（CU），即其成绩由C U CU组成。在排除（exclusion）实验范式中，要求被试绝对不许用预先呈现的字词去完成补笔作业。[本文由后现代科学公众号整理，4请勿无权转载]可见，此时的作业成绩已由被试在头脑中排除了意识的认知成分，仅存在无意识认知（U）及其与意识认知的交互作用CU，即其作业成绩为U CU。将两个实验范式的作业成绩相减，就会得到纯粹的有意识认知过程，即（C U CU）-（U CU）=C；纯粹的无意识认知过程由排除实验成绩U-CU除以包容实验中意识加工以外不发生作用部分（1-C）所得，即（U-CU）I（1-C）=u。假如实验条件能使被试每次都对预刺激产生明确的意识知觉即C的发生概率为1（或100%），那么排除实验中的作业成绩必然为零；而包容实验成绩满分，此时则完全是有意识的认知实验情境。[本文由后现代科学公众号整理，5请勿无权转载]当控制实验条件，使被试的意识知觉与记忆不能完成全部词干补笔作业时，则意识与无意识认知即可用过程分离法如以研究。然而，这种过程分离法真的能把意识与无意识活动完全分离开么？对此心理学家的看法各异，同时设法找到更好的实验性分离手段。由此可见，认知心理学家们巧妙构思了多种实验范式试图对意识认知与无意识认知进行精细的实验分析，这与精神分析的理论与方法存在着天壤之别。近几年认知心理学家们努力吸收神经科学中有效的研究方法，沿认知神经科学的方向把意识与无意识的研究推向新的水平。
二、意识与无意识认知过程的脑结构有何不同
认知神经科学从认知科学中吸收了意识与无意识加工过程的理论概念和实验范式，从神经科学中吸收了脑功能成像技术和其它神经生理学方法；将两者有机地结合起来，直接观察认知活动中脑功能的动态过程，为意识的脑机制积累了许多新科学事实，其中对视知觉和记忆脑机制的研究在过去十年间取得了突破性进展。关于视觉生理机制的知识在过去十年间发生了面貌皆非的巨大变革，视觉已不限于枕叶视区，而是包括额、颞、顶、枕60%以上皮层结构的功能，至少可分30多个功能区及其间数以千计的通路。现已搞清32个脑区之间到多条联系。皮层下可分M、P、K三通路，皮层间MD、BD和田三条特异通路和背、腹两大功能系统的形态与功能研究得更为清楚。这些研究表明意识唤起的脑内视觉表象活动中，高层次脑结构激活区较多；而由现实刺激引起的视觉以低层次脑结构激活为主。但也有些研究发现，参与“想象”与“看见”活动的脑结构并无很大差异。[本文由后现代科学公众号整理，5请勿无权转载]有趣的是单侧忽视症病人，虽然视皮层正常无损，却对一侧视野的物体视而不知。换言之，单侧视野中的物体投射不到意识中来，这是顶叶皮层、额叶皮层、基底神经节等许多脑结构参与的注意朝向网络发生注意转移障碍的结果。这可能说明意识的视觉比元意识的有更广泛的脑结构参与。
记忆脑机制的理论在过去十年间也发生了面貌皆非的巨大变化，记忆再也不是海马等记忆中枢的特殊功能。许多脑结构构成了多重的记忆系统，间脑和内侧颞叶等许多大脑皮层参与了意识的记忆。杏仁核参与情绪性记忆活动，小脑参与快速肌肉运动的记忆活动，纹状体参与习惯和技能的元意识记忆，大脑皮层感觉区参与知觉启动效应的无意识记忆。一些脑损伤病人有明显的回忆和再认等有意识的外显记忆障碍；但他们的无意识的内隐记忆测验却与正常人一样，说明元意识的内隐记忆与有意识的外显记忆可以分离。在退行性痴呆的病人中发现，词干补笔测验成绩很差，但运动技能学习中的成绩却很好。与之相反，在亨廷顿氏舞蹈症病人中，词干补笔测验成绩很好，而运动技能学习成绩较差。比较两类病人脑受伤的部位不同，退行性痴呆病人主要是大脑皮层联络区受损，基底神经节正常无恙；亨廷顿氏舞蹈症病人基底神经节受损，而大脑皮层正常。两种病人脑受损部位不同，两类元意识的内隐记忆成绩出现了双分离现象。[本文由后现代科学公众号整理，6请勿无权转载]这一双分离现象说明，两种无意识内隐记忆系统的脑结构基础不同，运动技能的无意识内隐记忆以大脑皮层和基底神经节的神经联系为基础；而靠视觉、听觉对宇词知觉表征而完成的无意识的内隐忆记，则以大脑皮层特化的特异感觉区和联络皮层的正常功能为基础。
三、单个细胞活动能否产生意识
在过去十年中，我们对如何看待皮层细胞，有令人惊奇的变化。原来，人们相信脑内存在如此数目众多的细胞（皮层中10^5个/平方毫米，总共超过10^11个），以至于去考虑单个细胞与意识的关系是荒唐而无意义的，故而将大量神经元活动作平均处理是仅有的切合实际的方法。现在，已经实现了清醒行为猴皮层单个神经元的电记录，以判定它执行模式识别任务的好坏，并将此记录与同一动物行为反应作比较。行为反应与单细胞活动两阈限可比较的事实使神经生理学家们大吃一惊，神经元个体并非如很多人猜测的那样嘈杂且不可靠，而是独立有效的，并能执行复杂的模式识别任务。[本文由后现代科学公众号整理，7请勿无权转载]更进一步，由于它们在性质上差异极大，故而用记录到的电活动平均值作分析是不适当的，这就像试图分析语言时，却将发出的每个单词声作平均处理那样可笑。但是，大脑如何将许多神经元的传出整合起来仍是个未解之谜。然而低阈锁定原则无疑贯穿始终。这个原则可表述为：感觉阈限决定于对所用特定刺激有最低阈限的神经元；而几乎不为是否存在数目极多的其它低感受性神经元的反应所影响。例如记录清醒行为猴颞中回（MT，或V5的）单位活动。实验者计算出猴子给出运动方向正确判断反应与单细胞活动之间的关系。结果表明，单个神经元活动与猴子的行为反应非常一致，包括单位活动的阈限和猴作业成绩函数的斜率都几乎完全相同。
MT区细胞的特性戏剧性地阐明了一个事实：即单一神经元可成为复杂时一空兴奋模式的敏感而可靠的检测器。它也清楚地阐述了单个神经元如何以及为什么能做到这一点：它们是所需信息会聚的最终共同通路。从刚好包含此类信息的那些区域中，接收其适宜调谐的神经元子集中的信息；同等重要的是，它们还同时去除只给辨别任务带来不期望噪声的元关信息。
最后，有必要提及一些人类触觉系统的实验研究，因为它们论述了在某种条件下，单个感觉纤维上的单个脉冲能成为一个可知觉的意识事件。这些实验是将一个精致的金属微电极插入人手的神经，如果电极位置适当，可以分离出单个纤维的活动，并找到一个位置，那里轻微的触动可引起一串短暂的同样大小的动作电位。[本文由后现代科学公众号整理，8请勿无权转载]可以逐渐减小机械刺激的强度，直至只引起一个动作电位。结果让人大吃一惊：它引起明显的意识知觉。与这种单一细胞的单一动作电位产生意识现象相反，面孔识别细胞的功能却是许多细胞的群编码，即面孔细胞自身是一类非常异质的细胞群，其中一些细胞对某种面孔反应而不论其形状、朝向、表情等；而另外一些细胞与特定观察方位有关，还有些细胞甚至仅与某个特殊个体的面孔相关。这些事实说明面孔识别是由一大群细胞组合而实现的，对某一熟悉人的识别仅由这群细胞中少数单位活动而完成，即群疏编码原则而实现的。然而，这些所谓的面孔细胞，对注视方向的改变很敏感。它能对在一定距离头向下的运动反应；距离足够近时，它却能对眼朝下的运动反应，这个事实又指出了不同于群编码的另一种原则，即这些细胞的低阈锁定特性因环境条件而异。总之就细胞水平而言，意识水平的调节究竟是某些低阈锁定细胞发挥主导作用还是某些细胞的群疏编码而实现的问题已经摆在21世纪认知神经科学的研究日程上来，与此同时，分子水平上的问题也尖锐地提出来。
四、基因表达机制是否与意识调节有关
过去十年间，分子细胞学的发展速度在自然科学界并不逊色于计算机科学。人类基因库的破译已成为这一领域学者们着手实现的理想，而且正在从某些疾病或生理解剖性状的基因密码破译逐渐发展为高级功能基因密码的破译。在过去五年间，一个令人振奋的研究热点逐渐形成，这便是长时记忆形成中基因调节蛋白，特别是其中CREB的重要作用。[本文由后现代科学公众号整理，9请勿无权转载]存在于细胞核内的CREB蛋白分子的活性制约于神经信号的细胞内转导机制，当环境因素或学习过程引起的神经信息细胞间传递转化为细胞内信号转导机制激活时，细胞质内的蛋白激酶分子（如PKA等）受激解体，它的两个催化亚单元钻人细胞核内将CREB磷酸化，使后者激活而导致基因表达，合成长时记忆所需的蛋白质。利用转基因技术敲掉CREB蛋白合成的基因，动物细胞核内难以合成CREB，这种动物只能学习，不能记忆。这说明CREB调节的基因表达是长时记忆实现的不可缺少的环节。这一事实意味着，基因表达机制是意识水平调节的重要环节。有趣的是CREB蛋白分子在动物种系发展中具有相对的保守性，这就为意识的进化观提供了一种值得探讨的生物学基础理论课题。意识活动不仅与神经信息转导机制有关，还与遗传信息表达有关。这就为基于环境的意识进化观提供了新的分子生物学基础。
对21世纪研究的展望
02
基于对过去十年间突破性进展的回顾，我们可以从认知、脑整体、细胞和分子等四个层次上预测认知神经科学在21世纪能对意识给出何种新解释。首先，心理学家们将会找到比目前采用的启动效应、任务分离和过程分离等方法更为有效的途径，定量地分析和研究意识过程与无意识过程的客观规律，甚至可以发现意识活动和无意识活动的定性与定量的差异，对其中某些部分可能给出较好的形式化表达。认知神经科学家们，会采用多种脑功能成像手段在人类被试的无创性研究中阐明哪些脑区或结构参与意识活动与无意识活动及它们之间的动态变化规律；细胞水平的研究工作将会进一步确定低阈锁定的特异性细胞与参与群疏编码的细胞群间的内在联系及其相互转化的条件与意识水平的制约关系；在分子水平上将会在基因调控机制与神经信息传递、转导机制间的相互关系中，揭露意识进化中的种系差异和人类个体间的差异。总之，将意识活动作为人脑对环境与个体相互作用中的监控与调节机制，它不仅体现在主体的自我状态监控，也投射于外部客体的变化；不仅制约于个体脑发育与心理发展的历程，也制约于脑的种系发生及环境的变迁。
因此，21世纪的认知神经科学家们所面对的重大研究课题，将是意识与无意识心理活动间的关系及相互转化条件。可以肯定地说，在过去10年突破性进展的基础上，21世纪的认知神经科学一定会对意识的脑机制给出全新的解释，但它决不会是意识问题的最后的解释。
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李政道，理论物理学家，1926年11月25日生于上海，1946年入美国芝加哥大学研究院深造，1950年获博士学位，现任哥伦比亚大学教授、美国科学院院士、中国科学院外籍院士。
李政道对现代物理学的主要贡献是：1956年和杨振宁合作，深入研究了当时令入困惑的\theta-\tau之谜——后来所谓的K介子有两种不同的衰变方式——一种衰变成偶宇称态，一种衰变为奇宇称态。他们通过分析认识到很可能在弱相互作用中宇称不守恒，并提出了几种实验检验途径。次年这一理论预见被吴健雄小组实验证实，李政道与杨振宁获得了1957年诺贝尔物理学奖。除此之外，李政道在理论物理学领域还有许多为国际物理学界公认的建树。
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