量子物理可以解释人类的意识吗?

2021年07月21日 10:23 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间7月21日消息,科学中最重要的一个未决问题是,我们的意识是如何建立的。在上世纪九十年代,早在因预测黑洞而获得2020年诺贝尔物理学奖之前,物理学罗杰·彭罗斯曾与麻醉学家斯图尔特·哈默罗夫合作,试图回答这个问题。

他们宣称,大脑的神经元系统构成了一个复杂的网络,这个复杂网络产生的意识应该遵循量子力学的规则。量子力学理论决定了电子这样的微小粒子的移动方式。他们认为,这或许可以解释人类意识的神秘复杂性。

但是,彭罗斯和哈默罗夫的假设遭到了怀疑。量子力学定律通常仅适用于非常低的温度。例如,当前的量子计算机需要再零下272℃左右运行。温度再高一点的话,就该经典力学上场了。由于我们的身体总是在室温下工作,那么,理所当然的,我们的身体——包括我们的大脑——应该受经典力学的支配。出于这个原因,许多科学家早已彻底放弃量子意识理论,但仍有其他人选择继续相信。

最近,荷兰乌得勒支大学的研究人员和上海交通大学金贤敏教授领导的团队展开合作,着手测试了支持量子意识理论的一些原则。

在他们的最新论文中,研究团队研究了量子粒子如何在类似大脑这样的复杂结构中移动,不过测试在实验室环境中进行。如果有一天研究团队的发现,可以和在大脑中测量到的量子活动进行比较的话,我们或许离验证或驳斥彭罗斯与哈默罗夫的争议性理论又近了一步。

大脑和分形

我们的大脑由被称为神经元的细胞构成。人们相信,这些神经元的综合活动会产生意识。每个神经元都包含微小管,微小管可以将物质运输到细胞的不同部分。彭罗斯和哈默罗夫的量子意识理论认为,微小管以分形模式构建,从而得以使量子过程的发生成为可能。

分形这种结构,既不是二维的,也不是三维的,而是介于两者之间的一些分数值。在数学中,分形以美丽的图案显示,无限重复,产生看似不可能的结构:面积有限但周长无限的结构。

这些听起来可能难以想象,但分形在自然界中其实常有发生。如果你仔细观察花椰菜的小花块或蕨类植物的枝条,你会发现它们都是由相同的基本形状组成,一遍又一遍地重复自己,只是规模越来越小。这也是分形的一个重要特征。

我们体内也有类似的分形。例如,我们的肺部结构是分形的,循环系统中的血管也是如此。分形也出现在一些迷人的艺术作品中,它们在技术中的使用也已经有几十年历史,比如天线的设计。这些都是经典分形的例子。所谓经典分形,即它们遵循的是经典物理学定律,而非量子物理学定律。

莫里茨·科内利斯·埃舍尔的艺术作品:《圆极限III》

莫里茨·科内利斯·埃舍尔的艺术作品:《圆极限III》

用分形来解释人类意识的复杂性,这并不难理解。因为两者都无限复杂,允许简单的重复模式生成复杂性,所以分形这种结构或许支持着我们神秘而又深邃的思维。

但如果是这样的话,它只能发生在量子水平上,微小粒子在大脑神经元内以分形模式运动。这就是为什么彭罗斯和哈默罗夫的提议被称为“量子意识”理论。

量子意识

我们目前还不能测量大脑中的量子分形行为——假如它们确实存在的话。不过,先进的技术意味着我们现在可以在实验室内测量量子分形。在最近涉及扫描隧道显微镜(STM)的研究中,荷兰乌得勒支大学的研究人员小心翼翼地将电子排列成分形图案,创造出一个量子分形。

接着,在测量描述电子量子状态的波函数时,他们发现这些电子也活动于由他们制作的物理模式决定的分形维数上。在这个实验中,他们在量子尺度上使用的模式是谢尔宾斯基三角形,一种介于一维和二维之间的形状。

这是一个令人激动的发现,只是扫描隧道显微镜技术还不能探测到量子粒子的运动轨迹。如果可以的话,这将向我们揭示更多大脑中可能正在进行的量子过程。所以,在和上海交通大学的最新合作研究中,研究人员又前进了一步。他们使用最先进的光子学实验,以前所未有的细节展示分形内发生的量子运动。

研究人员通过将光子(光的粒子)注入一个精心设计成小谢尔宾斯基三角形的人工芯片内,来达到实验的目的。他们从三角形的顶部注入光子,然后观察它们在称为“量子传输”的过程中,如何在其分形结构内传播。研究人员还在两种不同的分形结构上重复了这个实验,这两种不同的分形结构都是正方形,而非三角形。然后,在每个结构上,他们都进行了数百次实验。

研究人员还在被称为“谢尔宾斯基地毯”的分形结构内进行实验

研究人员还在被称为“谢尔宾斯基地毯”的分形结构内进行实验

实验的观察结果表明,量子分形的行为实际上不同于经典分形的行为。具体而言,研究人员发现,和在经典力学的情况下不同,在量子力学的情况下,光子在分形结构内的传播受制于不同的定律。

这种关于量子分形的新知识可以为科学家们提供实验测量量子意识理论的基础。如果有一天,我们可以对人脑做量子测量,我们就可以将大脑的量子测量结果与上述研究结果进行比较,从而确定意识是经典现象还是量子现象。

这项研究也可能对整个科学领域产生深远的影响。通过研究人工设计的分形结构内的量子传输,我们或许已经朝着将物理学、数学和生物学一体化的方向迈开了第一步,这或将极大地丰富我们对周围世界、对意识世界的理解。

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