既然觀測量子系統會影響結果，所以量子力學與意識相關嗎？

迄今為止，還沒有人能完全理解意識的本質及機理，也沒有人能完全理解量子力學。這難道僅僅是一個巧合嗎？量子力學與人類意識之間，是否存在某種關聯？

撰文 Philip Ball

編譯 怡若樂

審校 丁家琦

「我不能定義什麼是『真實問題』，因此我懷疑『真實問題』並不存在，但我也不確定是不是真的沒有。」美國物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）所說的這段話，講的就是量子力學中最著名的謎題和悖論。量子力學是理論物理學家們用來描述宇宙中最小物體的理論，但是現在我們認識到，費曼所說的量子力學問題，可能與意識也有關。

一些科學家認為我們已經弄清了意識是什麼，有人認為它僅僅只是幻覺，但也有許多人認為我們根本沒有抓住意識的本質來源。

意識到底是什麼？這是一個長久未解之謎，後來也有人用量子物理來解釋它。不過這一想法也遭到很多人質疑：量子物理本身尚未撥開雲霧，何以來解釋另一謎題？ 不過用量子物理解釋意識，也不是隨便亂想出來的。

首先，雖然一開始有些抗拒，但是心理學研究也慢慢開始用量子理論解釋一些問題了。此外，科學家預測，量子計算機能夠完成普通計算機不能做的事情，這說明我們的大腦或許也可能實現人工智慧無法實現的東西。也有很多人認為「量子意識」太過天方夜譚，但這一領域的發展也還在繼續。

我們的大腦內部究竟在發生什麼事情？圖片來源：Mehau Kulyk/Science Photo Library

目前為止，量子力學是目前能具體描述原子和亞原子粒子層面物質的最好的理論，它最著名的未解之謎是關於它的基本概念的：在實驗中，我們是否選擇測量粒子的某些屬性，將會改變實驗結果。

這種 「觀察者效應」，讓量子理論先驅們深感困擾。它似乎破壞了所有的科學基本假設：我們原本以為觀察者對物理定律並無影響，但如果這個世界會根據我們怎麼看待它而改變，那又有什麼現象可以稱得上是「事實」呢？

有些科學家認為，我們永遠無法完全客觀看待事物，因為「客觀」並不存在，而意識一定在量子理論中發揮了重要作用。對一些人來說，這有些不可理喻。愛因斯坦也曾「抱怨」，月亮不可能只有當我們看著它的時候才存在！

如今，也有一些物理學家認為，無論意識是否影響量子力學測量，它可能是建立在量子力學基礎上的。他們認為，要完全理解大腦的運轉方式，量子力學也會發揮很大作用。在量子世界中，一個物體可以同時出現在兩個不同的地方，所以，或許我們的「量子大腦」也會同時產生矛盾的思想？

這只是一些推測，可能量子物理跟意識其實根本沒有關係。但不管怎樣，這些可能的解釋都展示了量子理論可以如何神奇地影響我們的思考方式。

著名的雙縫實驗。圖片來源：Victor de Schwanberg/Science Photo Library

將意識引入量子力學領域的最著名的實驗是「雙縫實驗」。想像一下，在有著兩個靠近的平行狹縫的屏幕後投射一束光。一些光通過狹縫，隨後投射到另一個屏幕上。

我們可以把光看做一種波，當光波從兩個狹縫出來時，它們會彼此干涉。如果它們的波峰一致，則波增強，如果一束光的波峰正對上另一束光的波谷，則互相抵消。這種現象稱為衍射，會在背屏上會產生一系列明暗交替的條紋，顯示光波被增強或抵消的部分。早在200年前，這個實驗就被用來解釋波的行為，遠遠早於量子力學的提出。

我們也可以用量子性的粒子，譬如電子進行雙縫實驗。在這類實驗中，電子可以呈現出違反直覺的波動性：這意味著當它們在通過兩個狹縫時可以衍射，併產生干涉圖案。

假設量子粒子一個接一個地通過狹縫，並且一個接一個地到達屏幕，這樣總該沒有粒子相互干擾了吧——然而隨著時間的推移，在屏幕上還是出現了明暗相間的條紋。這意味著，每個粒子都同時通過兩個狹縫，並與其自身干擾。這種「一次通過兩條路」的狀態被稱為疊加態。

這已經夠奇怪了，但還有更奇怪的事情。

雙縫實驗。圖片來源：GIPhotoStock/Science Photo Library

如果我們想知道每個粒子到底經過了哪條狹縫，而將探測器放在狹縫內部或狹縫後面，干涉條紋就消失了。就算只是觀察粒子走的路徑——即使觀察者本不應該干擾粒子的運動，結果還是會隨之改變。

曾在20世紀20年代與量子力學大師尼爾斯·玻爾合作的物理學家帕斯誇爾·約當（Pascual Jordan）認為：「觀察不僅會干擾測量結果，我們甚至可以說正是測量本身產生了測量結果……通過測量，我們強制一個量子粒子佔用了一個確定的位置。」換句話就是「自己創造測量結果」。如果這樣的話，似乎就沒有「客觀事實」存在了。

別著急，科學家們還發現了比這更奇怪的事情。

粒子可以有兩種態。圖片來源：Victor de Schwanberg/Science Photo Library

如果粒子行為會因為我們的觀察而改變，我們可以通過某種方式迫使它「攤牌」。我們可以測量粒子穿過雙縫隙時走了哪條路，但只是在它穿過之後測量，這樣我們就可以知道它當初「決定」走一條路還是同時走兩條路。

20世紀70年代，美國物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）首先提出了這個方法，這個「延遲選擇」實驗自此被沿用了十年。它使用了一些技巧來對量子粒子（通常是光子）的路徑進行測量，然後確定粒子是採取了單路徑策略還是兩條路徑疊加的策略。

然而，事實證明，正如玻爾所說，什麼時候測量並不會對實驗造成差別。只要我們在光子到達檢測器之前測量其路徑，光子就會瞬間失去相干性。看起來就像光子不僅知道我們在觀察它，就算我們打算去觀察它，也會被它發現。

尤金·維格納。圖片來源：Emilio Segre Visual Archives/American Institute of Physics/Science Photo Library

在這些實驗中我們發現，關於量子粒子，由所有可能路徑組成的「概率雲」總是會坍縮成一個單一態。更重要的是，延遲選擇實驗表明觀察這一行為會導致粒子坍縮。這是否意味著，坍縮只在測量結果影響到我們意識的時候發生呢？

20世紀30年代，匈牙利物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）提出了這種聯繫的可能性。他寫道：「物體的量子描述會受人意識印象的影響，如今的量子力學理論背後的哲學可能與唯我論相符。」惠勒甚至認為，不談測量，哪怕是能夠「注意到」量子現象的生物的存在，就已經很大程度上改變了量子力學的歷史。他認為，我們從宇宙的一開始就成為了宇宙演化的參與者。也就是說，我們生活在一個「參與式宇宙」中。

到目前為止，物理學家對於解釋這些量子實驗還沒有達成統一意見，在某種程度上，怎麼解釋跟個人認知有關。但是，在另一種程度上，意識和量子力學確實以某種方式聯繫著。

從20世紀80年代開始，英國物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penroses）就提出，量子與意識的聯繫可能還存在於其他方面。他認為，無論意識是否可以影響量子力學，量子力學都可能是意識的一部分。

數學和物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）。圖片來源：Max Alexander/Science Photo Library

彭羅斯提出，如果我們的大腦中存在能夠改變自身狀態以響應單個量子事件的分子結構，這些結構是否可以疊加，就像雙縫實驗中的粒子一樣？而這些量子疊加是否可以通過觸發神經元的方式，來進行電信號傳遞來交流信息？

彭羅斯認為，也許我們能維持矛盾精神狀態的能力並不是意識的功勞，而是由量子效應引起的。畢竟，人類大腦的認知能力仍然遠超計算機。也許我們可以完成使用經典數字邏輯計算的普通計算機所不可能實現的任務。

彭羅斯在1989年出版的《皇帝的新腦》一書中首次提出了人類認知的量子效應特徵。這個想法被稱為「協同客觀崩現」（orchestrated objective reduction ，簡稱Orch-OR）。「客觀崩現」意味著量子干涉的塌縮和疊加態是一個真實的、物理性的過程，就像氣泡的破裂一樣。

彭羅斯指出，之所以像椅子和星球這樣的普通物體不會表現出量子效應，原因就在於引力。他認為量子疊加不可能發生在比原子大得多的物體上，就是因為引力效應會迫使兩種不相容的時空無法同時存在。

彭羅斯與美國物理學家斯圖爾特·哈默洛夫（Stuart Hameroff）一起進一步發展了Orch-OR理論。在1994年出版的《意識的陰影》一書中，他提出在量子認知中，發揮作用的結構可能是一種被稱為「微管」的蛋白質聚合物。微管存在於人體大部分細胞中，包括大腦中的神經元中。彭羅斯和哈默洛夫認為，微管的振動可以包含量子疊加態。

但是，甚至沒有證據證明這種事情有一絲絲的可能實現。

細胞中的微管結構。圖片來源：Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library

有人提出，量子疊加態存在於微管中的說法在2013年所做的一系列實驗中獲得了支持，但事實上，這些研究根本沒有提到量子效應。此外，大多數研究者認為，Orch-OR理論已經被2000年的一項研究所否定。在這項研究中，物理學家馬克斯·泰格馬克（Max Tegmark）計算出，與神經信號傳遞有關的分子的疊加態甚至無法維持足夠的時間來使信號傳遞出去。

量子疊加狀態很容易受到破壞，這是由於一種被稱為退相干（decoherence）的效應。退相干是指量子物體因為與外在環境發生作用，使得量子相干性逐漸喪失的過程。在溫暖潮濕的細胞環境中，退相干現象發生得極快。

神經信號的本質是電脈衝，由帶電原子通過神經元通路時產生。馬克斯·泰格馬克的計算表明，如果其中一個處於疊加態的原子撞上了神經元，疊加態就會在10^18分之一秒內消失，而神經元發出電信號的時間至少是其10^16次方倍。這一結果表明，大腦中存在量子效應的說法相當存疑。

不過，彭羅斯還是站在Orch-OR假說這一邊。儘管泰格馬克預測了細胞中量子退相干過程極快，但其他研究者還是發現了生物中存在量子效應的證據。有些研究者認為，候鳥依靠地球磁場導航，綠色植物在通過光合作用製造糖分的時候，都會用到量子力學。

此外，人腦中有量子效應的觀點依然存在，但是出現了另一種說法。

磷能維持量子態嗎？圖片來源：Phil Degginger/Science Photo Library

2015年發表的一項研究中，加州大學聖巴巴拉分校的物理學家馬修·費希爾（Matthew Fisher）提出，大腦可能含有可以維持更加穩定的量子疊加態的分子。他特別指出，磷原子的原子核可能有這樣的能力。

磷原子在活細胞中無處不在，通常以磷酸根離子形式存在，磷酸根離子由一個磷原子與四個氧原子結合。磷酸根離子是細胞內基礎能量單位。細胞中大部分的能量都儲存在ATP內，ATP分子由腺苷和三個磷酸基組成。當其中一個磷酸基脫離時，就會釋放出能量供細胞使用。

細胞內具有將磷酸根離子組合起來並使其分解的分子機制。費希爾提出一個理論，認為兩個磷酸根離子可能會出於一種特殊的疊加態，稱為「糾纏態」。

磷原子核有一種量子性質叫做「自旋」，可以把它們設想成兩極指向特定方向的小磁針。當兩個磷原子核處於糾纏態時，一個磷原子核的自旋會依賴於另一個一個磷原子核的自旋。也就是說，糾纏態是一種疊加態，它涉及不止單個量子粒子。

費希爾認為這些核自旋的量子力學行為可能會在人類的時間尺度上抵抗量子退相干過程。他同意泰格馬克的計算結果，認為彭羅斯和哈默洛夫所假定的量子振蕩會很大程度受到周圍環境的影響，並且幾乎都是瞬間退相干。但是核自旋並不會與周圍環境發生強烈的互相作用。當然，磷原子核自旋時的量子行為需要受到「保護」，來避免退相干現象。

費希爾認為，如果磷原子整合成由6個磷酸根離子和9個鈣離子組成的「波斯納分子」的形狀，這種現象是確實可能發生的。有一些證據表明波斯納分子存在於活細胞中，不過現在還無法得出確切結論。

費希爾稱，在波斯納分子中，磷原子自旋可以處於糾纏態長達一天之久，而不會發生退相干，甚至在活細胞中也是如此。這意味著它們可能會影響大腦的運作。 這一假說認為，波斯納分子可以處於神經元內部。一旦進入神經元內部，波斯納分子就能通過分解並釋放鈣離子來觸發神經元，將信號發送給另一個神經元。

因為波斯納分子可以處於糾纏狀態，兩種電信號可能也因此糾纏在一起，這種糾纏或許就能形成某種「想法的疊加態」。費希爾說：「如果原子核自旋的量子過程真的存在於大腦中，那它很可能十分常見，幾乎每時每刻都在發生。」

碳酸鋰膠囊。圖片來源：Custom Medical Stock Photo/Science Photo Library

他是在開始思考精神疾病的時候第一次提出了這種設想。「三四年前，我決定去研究鋰離子到底為何可以如此有效地調整精神狀態，因此踏入了大腦生物化學的領域。」費希爾說道。

含鋰藥物被廣泛用於躁鬱症的治療。它們確實有一定效果，但沒有人真正了解其中的機理。 「當時我並沒有打算從量子物理學的角度尋找對此的解釋，」費希爾說道。但是不久之後，他讀到一篇論文，裡面報道了含有鋰的不同同位素的藥物對大鼠行為會產生不同的作用。

這一現象確實令人困惑。從化學角度看，不同的同位素的化學反應特徵應該幾乎相同，所以如果鋰發揮作用的方式與傳統藥物一樣的話，那它的同位素應該也是相同的。

神經細胞通過突觸相連。圖片來源：Sebastian Kaulitzki/Science Photo Library

但是費希爾意識到，不同的鋰同位素，其原子核可能具有不同的自旋，這一量子性質可能影響鋰藥物的作用。例如，如果鋰取代了波斯納分子中的鈣，那鋰的自旋可能會「感受」並影響磷原子的自旋，從而干擾磷原子的糾纏。如果確實如此，這就可以用來解釋鋰為什麼可以用來治療躁鬱症了。

目前，費希爾的假說還僅僅只是一個有趣的想法。不過，有好幾種方法可以用來驗證它，首先就是驗證波斯納分子中磷原子的自旋能否長時間保持量子相干性，這正是費希爾下一步的目標。不過，他也不希望自己的假說與早先有關「量子意識」的觀點聯繫在一起，他認為這些觀點仍然只是推測出來的東西而已。

意識是一個深奧的謎題。圖片來源：Sciepro/Science Photo Library

大多數物理學家也不怎麼願意在量子力學框架中研究自己的意識。大多數人還是希望意識和大腦不要與量子理論聯繫在一起，量子理論也不要牽扯到意識。無論如何，我們甚至不知道意識到底是什麼，更別說用什麼理論描述它了。現在還出現了一種熱衷「量子意識」的玄學風潮，宣稱量子力學可以用來解釋心靈感應和心靈遙控等現象。然而，這些對真正的科學研究並沒有幫助。這種現象造成了矯枉過正的結果，以至於物理學家甚至不會在同一個句子中提到「量子」和「意識」兩個詞。

不過，暫且把這些放在一邊，我們應該看到「量子意識」其實有著相當長的歷史。量子理論發展的初期就有了「觀察者效應」和有關思維作用的假說，從那時開始，量子力學中就很難排除意識的部分。一些研究者甚至認為，我們永遠都無法在量子力學中摒棄對意識的討論。

2016年，英國劍橋大學最德高望重的「量子哲學家」之一，阿德里安·肯特（Adrian Kent）推測，意識可能會以微妙但又可以可探測的方式改變數子系統的行為。

我們並不清楚思想是怎麼工作的。圖片來源：Andrzej Wojcicki/Science Photo Library

肯特對於這一假說十分謹慎。他說：「在嘗試明確地表述關於意識的問題時，並沒有令人信服的原因讓人相信，量子力學就是解釋意識的正確的理論，量子理論的問題也不能確定與意識的問題有關係。」不過肯特也表示，單純用量子物理學誕生之前的經典物理學就能完全描述意識，包括意識可能具有的所有特徵，也是不大可能的。

一個特別令人困惑的問題是，我們的意識能體驗到非常獨特的感覺，比如紅色或烤培根的氣味。除了那些視覺受損的人之外，我們都知道紅色是什麼樣的，但我們無法交流這種感覺是什麼，物理學也無法告訴我們紅色應該是什麼樣的。

類似這樣的感覺被稱為「感受性」。我們將這些感覺視為外部世界的統一特徵，但它們其實只是我們意識的產物——這一點很難解釋。事實上，哲學家大衛·查默斯（David Chalmers）在1995年就將此稱為意識的「困難問題」。（關於意識有三個著名的問題：簡單問題、困難問題和真實問題，詳見你球之前發的一篇文章）

我們的意識是如何工作的？圖片來源：Victor Habbick Visions/Science Photo Library

肯特表示，每一個把意識和物理聯繫在一起的想法都陷入了僵局。這讓他提出，如果假設意識能改變（哪怕是很輕微地改變）量子可能性，那我們就可能在意識演化的問題上取得一些進展。

也就是說，意識可能確實會影響測量的結果。這麼說，我們就無法明確地界定「什麼是真實」了。但是，意識可能會影響我們在量子力學中進行觀察時各個可能結果出現的機會，以一種量子理論本身無法預測的方式。肯特表示，我們或許能用實驗方法尋找這些效應。

肯特還勇敢地估計了發現這些效應的概率，他說：「我覺得或許有15%的概率可以說，某些與意識有明確關係的東西會導致量子理論出現偏差；在未來50年里用實驗方式探測到這一結果的概率或許有3%。」

如果這些最終成真了，它將會改變我們對物理和意識的認知。因此，量子意識確實算得上一個值得探索的課題。

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