数学和物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)
彭罗斯提出,如果我们的大脑中存在能够改变自身状态以响应单个量子事件的分子结构,这些结构是否可以叠加,就像双缝实验中的粒子一样?而这些量子叠加是否可以通过触发神经元的方式,来进行电信号传递来交流信息?
彭罗斯认为,也许我们能维持矛盾精神状态的能力并不是意识的功劳,而是由量子效应引起的。毕竟,人类大脑的认知能力仍然远超计算机。也许我们可以完成使用经典数字逻辑计算的普通计算机所不可能实现的任务。
彭罗斯在1989年出版的《皇帝的新脑》一书中首次提出了人类认知的量子效应特征。这个想法被称为“协同客观崩现”(orchestrated objective reduction ,简称Orch-OR)。“客观崩现”意味着量子干涉的塌缩和叠加态是一个真实的、物理性的过程,就像气泡的破裂一样。
彭罗斯指出,之所以像椅子和星球这样的普通物体不会表现出量子效应,原因就在于引力。他认为量子叠加不可能发生在比原子大得多的物体上,就是因为引力效应会迫使两种不相容的时空无法同时存在。
彭罗斯与美国物理学家斯图尔特·哈默洛夫(Stuart Hameroff)一起进一步发展了Orch-OR理论。在1994年出版的《意识的阴影》一书中,他提出在量子认知中,发挥作用的结构可能是一种被称为“微管”的蛋白质聚合物。微管存在于人体大部分细胞中,包括大脑中的神经元中。彭罗斯和哈默洛夫认为,微管的振动可以包含量子叠加态。
但是,甚至没有证据证明这种事情有一丝丝的可能实现。
细胞中的微管结构。
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有人提出,量子叠加态存在于微管中的说法在2013年所做的一系列实验中获得了支持,但事实上,这些研究根本没有提到量子效应。此外,大多数研究者认为,Orch-OR理论已经被2000年的一项研究所否定。在这项研究中,物理学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)计算出,与神经信号传递有关的分子的叠加态甚至无法维持足够的时间来使信号传递出去。
量子叠加状态很容易受到破坏,这是由于一种被称为退相干(decoherence)的效应。退相干是指量子物体因为与外在环境发生作用,使得量子相干性逐渐丧失的过程。在温暖潮湿的细胞环境中,退相干现象发生得极快。
神经信号的本质是电脉冲,由带电原子通过神经元通路时产生。马克斯·泰格马克的计算表明,如果其中一个处于叠加态的原子撞上了神经元,叠加态就会在10^18分之一秒内消失,而神经元发出电信号的时间至少是其10^16次方倍。这一结果表明,大脑中存在量子效应的说法相当存疑。
不过,彭罗斯还是站在Orch-OR假说这一边。尽管泰格马克预测了细胞中量子退相干过程极快,但其他研究者还是发现了生物中存在量子效应的证据。有些研究者认为,候鸟依靠地球磁场导航,绿色植物在通过光合作用制造糖分的时候,都会用到量子力学。
此外,人脑中有量子效应的观点依然存在,但是出现了另一种说法。
磷能维持量子态吗?
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2015年发表的一项研究中,加州大学圣巴巴拉分校的物理学家马修·费希尔(Matthew Fisher)提出,大脑可能含有可以维持更加稳定的量子叠加态的分子。他特别指出,磷原子的原子核可能有这样的能力。
磷原子在活细胞中无处不在,通常以磷酸根离子形式存在,磷酸根离子由一个磷原子与四个氧原子结合。磷酸根离子是细胞内基础能量单位。细胞中大部分的能量都储存在ATP内,ATP分子由腺苷和三个磷酸基组成。当其中一个磷酸基脱离时,就会释放出能量供细胞使用。
细胞内具有将磷酸根离子组合起来并使其分解的分子机制。费希尔提出一个理论,认为两个磷酸根离子可能会出于一种特殊的叠加态,称为“纠缠态”。
磷原子核有一种量子性质叫做“自旋”,可以把它们设想成两极指向特定方向的小磁针。当两个磷原子核处于纠缠态时,一个磷原子核的自旋会依赖于另一个一个磷原子核的自旋。也就是说,纠缠态是一种叠加态,它涉及不止单个量子粒子。
费希尔认为这些核自旋的量子力学行为可能会在人类的时间尺度上抵抗量子退相干过程。他同意泰格马克的计算结果,认为彭罗斯和哈默洛夫所假定的量子振荡会很大程度受到周围环境的影响,并且几乎都是瞬间退相干。但是核自旋并不会与周围环境发生强烈的互相作用。当然,磷原子核自旋时的量子行为需要受到“保护”,来避免退相干现象。
费希尔认为,如果磷原子整合成由6个磷酸根离子和9个钙离子组成的“波斯纳分子”的形状,这种现象是确实可能发生的。有一些证据表明波斯纳分子存在于活细胞中,不过现在还无法得出确切结论。
费希尔称,在波斯纳分子中,磷原子自旋可以处于纠缠态长达一天之久,而不会发生退相干,甚至在活细胞中也是如此。这意味着它们可能会影响大脑的运作。 这一假说认为,波斯纳分子可以处于神经元内部。一旦进入神经元内部,波斯纳分子就能通过分解并释放钙离子来触发神经元,将信号发送给另一个神经元。
因为波斯纳分子可以处于纠缠状态,两种电信号可能也因此纠缠在一起,这种纠缠或许就能形成某种“想法的叠加态”。费希尔说:“如果原子核自旋的量子过程真的存在于大脑中,那它很可能十分常见,几乎每时每刻都在发生。”
碳酸锂胶囊。
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他是在开始思考精神疾病的时候第一次提出了这种设想。“三四年前,我决定去研究锂离子到底为何可以如此有效地调整精神状态,因此踏入了大脑生物化学的领域。”费希尔说道。
含锂药物被广泛用于躁郁症的治疗。它们确实有一定效果,但没有人真正了解其中的机理。 “当时我并没有打算从量子物理学的角度寻找对此的解释,”费希尔说道。但是不久之后,他读到一篇论文,里面报道了含有锂的不同同位素的药物对大鼠行为会产生不同的作用。
这一现象确实令人困惑。从化学角度看,不同的同位素的化学反应特征应该几乎相同,所以如果锂发挥作用的方式与传统药物一样的话,那它的同位素应该也是相同的。
神经细胞通过突触相连。
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但是费希尔意识到,不同的锂同位素,其原子核可能具有不同的自旋,这一量子性质可能影响锂药物的作用。例如,如果锂取代了波斯纳分子中的钙,那锂的自旋可能会“感受”并影响磷原子的自旋,从而干扰磷原子的纠缠。如果确实如此,这就可以用来解释锂为什么可以用来治疗躁郁症了。
目前,费希尔的假说还仅仅只是一个有趣的想法。不过,有好几种方法可以用来验证它,首先就是验证波斯纳分子中磷原子的自旋能否长时间保持量子相干性,这正是费希尔下一步的目标。不过,他也不希望自己的假说与早先有关“量子意识”的观点联系在一起,他认为这些观点仍然只是推测出来的东西而已。
意识是一个深奥的谜题。
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大多数物理学家也不怎么愿意在量子力学框架中研究自己的意识。大多数人还是希望意识和大脑不要与量子理论联系在一起,量子理论也不要牵扯到意识。无论如何,我们甚至不知道意识到底是什么,更别说用什么理论描述它了。现在还出现了一种热衷“量子意识”的玄学风潮,宣称量子力学可以用来解释心灵感应和心灵遥控等现象。然而,这些对真正的科学研究并没有帮助。这种现象造成了矫枉过正的结果,以至于物理学家甚至不会在同一个句子中提到“量子”和“意识”两个词。
不过,暂且把这些放在一边,我们应该看到“量子意识”其实有着相当长的历史。量子理论发展的初期就有了“观察者效应”和有关思维作用的假说,从那时开始,量子力学中就很难排除意识的部分。一些研究者甚至认为,我们永远都无法在量子力学中摒弃对意识的讨论。
2016年,英国剑桥大学最德高望重的“量子哲学家”之一,阿德里安·肯特(Adrian Kent)推测,意识可能会以微妙但又可以可探测的方式改变量子系统的行为。
我们并不清楚思想是怎么工作的。
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肯特对于这一假说十分谨慎。他说:“在尝试明确地表述关于意识的问题时,并没有令人信服的原因让人相信,量子力学就是解释意识的正确的理论,量子理论的问题也不能确定与意识的问题有关系。”不过肯特也表示,单纯用量子物理学诞生之前的经典物理学就能完全描述意识,包括意识可能具有的所有特征,也是不大可能的。
一个特别令人困惑的问题是,我们的意识能体验到非常独特的感觉,比如红色或烤培根的气味。除了那些视觉受损的人之外,我们都知道红色是什么样的,但我们无法交流这种感觉是什么,物理学也无法告诉我们红色应该是什么样的。
类似这样的感觉被称为“感受性”。我们将这些感觉视为外部世界的统一特征,但它们其实只是我们意识的产物——这一点很难解释。事实上,哲学家大卫·查默斯(David Chalmers)在1995年就将此称为意识的“困难问题”。(关于意识有三个著名的问题:简单问题、困难问题和真实问题,详见
你球之前发的一篇文章)
我们的意识是如何工作的?
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肯特表示,每一个把意识和物理联系在一起的想法都陷入了僵局。这让他提出,如果假设意识能改变(哪怕是很轻微地改变)量子可能性,那我们就可能在意识演化的问题上取得一些进展。
也就是说,意识可能确实会影响测量的结果。这么说,我们就无法明确地界定“什么是真实”了。但是,意识可能会影响我们在量子力学中进行观察时各个可能结果出现的机会,以一种量子理论本身无法预测的方式。肯特表示,我们或许能用实验方法寻找这些效应。
肯特还勇敢地估计了发现这些效应的概率,他说:“我觉得或许有15%的概率可以说,某些与意识有明确关系的东西会导致量子理论出现偏差;在未来50年里用实验方式探测到这一结果的概率或许有3%。”
如果这些最终成真了,它将会改变我们对物理和意识的认知。因此,量子意识确实算得上一个值得探索的课题。