意識的產生——人類大腦可能是台量子計算機！

沒人理解意識是什麼，或其是如何工作的。同樣，也沒人理解量子力學。這難道是巧合嗎?理論物理學家們用量子力學描述宇宙中最小的物體，美國物理學家理查德·費曼(Richard Feynman)曾就量子力學悖論說過:「我無法確定真正的問題，所以我懷疑是否存在真正的問題，但我不確定是否沒有真正的問題。」顯然，費曼的說法也可以用於描述同樣棘手的意識問題。

有些科學家認為，我們已經理解了何為意識，或者它只是幻覺。但其他科學家覺得，我們根本不知道意識從何而來。意識帶來的各種困惑甚至促使許多研究人員嘗試利用量子物理學來解釋它。這種說法總是受到懷疑，但並不令人感到驚訝:用一個神秘事物去解釋另一個聽起來似乎不夠明智，但這樣的想法絕不荒謬，而且也並不主觀武斷。

首先，令物理學家們感到極為不安的是，思維似乎正與早期量子理論聯繫起來。此外，量子計算機被預言能夠完成普通計算機無法勝任的工作，這也提醒我們，我們的大腦依然能夠完成許多人工智慧無法做到的事情。「量子意識」被普遍嘲弄為神秘學，但它不會消失。

圖:我們的腦子裡到底發生了什麼?

量子力學是我們在原子、亞原子粒子水平下描述世界的最好理論，其最廣為人知的神秘之處在於，量子實驗的結果可依據我們是否選擇衡量粒子的某些屬性而有所改變。當這種「觀察者效應」被量子理論的先驅們注意到時，他們曾陷入深深的困擾之中。它似乎破壞了所有科學背後的基本假設:如果不考慮到我們，存在著一個客觀的世界。如果世界的行為取決於我們看待它的方式，那麼「現實」到底還有何意義?

有些研究人員認為，被迫得出客觀性是一種幻覺，這種意識必須在量子理論中發揮積極作用。但對於其他人來說，這似乎毫無意義。愛因斯坦(Albert Einstein)甚至曾經抱怨道，月亮是不存在的，只有當我們觀看時它才會出現。如今，有些物理學家對此感到懷疑，是否意識影響到量子力學，後者甚至可能因為前者而出現。這些人認為，量子理論可能需要充分理解我們的大腦如何工作才行。

可能是這樣的，正如量子物體可同時出現在2個地方，因此量子大腦也可能同時存在2種互相排斥的想法嗎?這些思考都是推理而來，可能證明量子物理根本沒用。但是如果沒有其他解釋，這些推論可能表明奇怪的量子理論正迫使我們去思考。

圖:著名的雙縫實驗

在量子力學中，最著名的思維干涉量子力學現象就是「雙縫實驗」。想像下一束光照射在屏幕上，這塊屏幕上有2個緊密間隔的平行縫隙。部分光線穿過縫隙，照射在另一個屏幕上。光可被想像為一種波，當波能從兩道縫隙中出來時，它們會互相干擾。如果它們的波峰重合，則會互相加強，如果波峰與波谷重合，則會互相抵消。這種波的干擾被稱為衍射，它可在第二塊屏幕上產生一系列明暗交替的條紋，顯示光波加強或消失。

在200多年前，這個實驗被理解為波動行為的重要特徵，當時量子理論還未出現。雙縫實驗也可以用於測試量子粒子(比如電子)，即組成原子的微小帶電粒子。與正常直覺相反的是，這些粒子的行為可以很像波。這意味著，它們在穿過兩道縫隙時也會產生衍射現象，出現干涉圖像。

現在，假設量子粒子分別穿過裂縫，它們到達屏幕也有先後順序。顯然沒有任何粒子干擾它們的路線，然而隨著時間推移建立起的粒子影響圖案，依然顯示出干擾帶。無獨有偶，每個粒子同時穿過2道縫隙時，其本身也會對自己造成干擾。這種粒子同時穿過「兩條路徑」的現象被稱為疊加態，它絕對是非常奇怪的現象。

圖:複製雙縫實驗

如果我們將一個探測器放在縫隙內或縫隙後面，我們就可以發現是否有粒子穿過它。可是在這種情況下，干擾現象也消失了。僅僅通過觀察粒子的路徑，即使這種觀察不應該干擾到粒子運動，結果依然發生了改變。

20世紀20年代，曾與哥本哈根的量子大師尼爾斯·波爾(Niels Bohr)共事過的物理學家帕斯卡爾·喬丹(Pascual Jordan)認為:「觀察不僅擾亂了應該被測量的東西，甚至還產生了新的東西……我們強迫量子物理被假設在特定的位置上。換言之，我們自己也產生了可被測量結果。」

圖:粒子可以呈現雙重狀態

如果事實如此，客觀現實似乎不再重要，事情變得更加奇怪。如果粒子的行為性質取決於我們是否在觀看它而發生改變，我們可以嘗試欺騙它來引誘其現身。為此，我們可以測量粒子穿過雙縫時到底走了哪條路徑，但是只有其穿過後我們才知道。那時，它應該已經決定是否從一道或兩道縫隙中穿過。

20世紀70年代，美國物理學家約翰·慧勒(John Wheeler)曾為此做過實驗，這個「延遲選擇」實驗在隨後10年中不斷有人嘗試。當量子粒子應該已經選擇好走一條路徑還是兩條路徑後，研究人員利用更先進的技術測試它的路徑。事實證明，就像波爾預測的那樣，我們是否延遲測量沒有任何分別。只要我們在光子到達探測器前的路徑進行測量，干擾現象就會消失。

這就像大自然不僅知道我們是否在觀看，還知道我們想要看什麼。無論何時，在這些實驗中，我們發現量子粒子的路徑，其路徑雲可能最終會「崩潰」為單一明確的狀態。此外，我們的延遲選擇實驗意味著，純粹的注意行為可以引發「崩潰」，而非測量引發的任何物理干擾。但是這意味著，當測量結果衝擊我們的意識時，真正的崩潰才會發生嗎?

20世紀30年代，匈牙利物理學家尤金·魏格納(Eugene Wigner)承認了這種可能性。他說:「物體的量子描述通過印象進入我的意識併產生影響，唯我論可能與當前的量子力學在邏輯上一致。」慧勒甚至認為，生物的存在已經改變了此前許多可能的量子過去，並成為具體歷史。從這個角度來看，慧勒認為我們從一來是就是宇宙演化的參與者。用他的話說，我們活在「共享宇宙」中。

如今，物理學家們不同意解釋這些量子實驗的最好方法，某種程度上，此刻你對他們的評價取決於你的狀態。但是無論如何，這些都讓人不可避免地認為，意識與量子力學存在某種聯繫。從20世紀80年代開始，英國物理學家羅格·彭羅斯(Roger Penrose)就曾暗示，這種聯繫可能在另一個方向有效。無論意識是否影響量子力學，或許量子力學都涉及到意識。

圖:物理學家、數學家彭羅斯

彭羅斯問道，如果我們的大腦中存在分子結構，它們能夠改變自己的狀態以回應單一量子事件，結果會如何?難道這些結構不能採用疊加態，就像雙縫實驗中的粒子?這些量子疊加態在神經元中的顯示方式會通過電子信號觸發通信?彭羅斯表示，或許我們維持互相排斥心理狀態的能力並不奇怪，這實際上是真正的量子效應。

畢竟，人腦似乎能夠處理的認知過程依然遠超過數字計算機的能力。或許，我們甚至可在普通計算機(使用經典的數字邏輯)上執行看似不可能的計算任務。彭羅斯首先在他1989年著作《The Emperor s New Mind》提出，人類認知中的量子效應特性。這個想法被稱為Orch-OR,即「精心策劃的客觀還原」縮寫。在彭羅斯看來，「客觀還原」意味著，量子干擾和疊加態崩潰都是真實存在的物理過程，就像泡沫破裂那樣。

Orch-OR借鑒了彭羅斯的解釋，即重力會對每個物體做出回應，比如桌椅、行星等，儘管它沒有顯示出量子效應。彭羅斯認為，量子疊加態不可能出現在比原子更大的物體身上，因為它們的重力影響可能迫使兩個不兼容的時空共存。

在美國物理學家斯圖亞特·哈莫洛夫(Stuart Hameroff)的幫助下，彭羅斯進一步研究這個理論。他在1994年著作《Shadows of the Mind》中寫道，參與量子認知過程的可能是名為「微管」的蛋白鏈。這些東西構成了我們的大部分細胞，包括我們大腦中的神經元。彭羅斯和哈莫洛夫認為，微管震動可能可能適應量子疊加態。但是沒有證據表明，這種現象可遠程進行。

圖:細胞內的微管

微管量子疊加態的想法得到2013年試驗的支持，但事實上這些研究都沒有提到量子效應。此外，大多數研究人員認為Orch-OR假想已經在2000年發表的一項研究中被排除。當時物理學家馬克斯·泰格馬克(Max Tegmark)宣稱，參加神經信號的分子量子疊加態可能無法存在足夠長的時間，更無法支持這樣的信號被發送到目的地。

類似疊加態這種量子效應很容易在被稱為「脫散過程」而被毀。這個過程是量子物體與周圍環境相呼作用下產生的，導致「量子泄露」。在溫暖和潮濕的環境中，比如活細胞體內，「脫散」進行得非常快。神經信號屬於電脈衝，是帶電原子穿過神經細胞壁引起的。如果這些原子中的某個處於疊加態，並與神經元相撞，泰格馬克證實疊加態應該在不到十億分之一秒內發生衰變。而對於神經元來說，發出信號至少需要一萬萬億倍時間。因此，人們對大腦中的量子效應想法都持很大的懷疑態度。

然而，彭羅斯並不為這些爭論和觀點所動。儘管泰格馬克預測細胞中的超快脫散行為，但其他研究人員已經在生物體內發現量子效應的證據。有些人認為，候鳥利用量子力學進行磁性導航，綠色植物在光合作用中利用陽光製造糖。此外，大腦採用量子技巧的說法並未顯示出消失跡象，只是現在有了完全不同的說法。

在2015年發布的研究中，美國加州大學聖芭芭拉分校物理學家馬修·費舍爾(Matthew Fisher)認為，大腦可能包含足夠支持更強大量子疊加狀態的分子。具體來說，他認為磷原子核可能就有這種能力。在活細胞中，磷細胞幾乎無處不在。它們經常以磷酸離子的形式存在，1個磷酸原子可與4個氧原子相結合。

這些離子是細胞內能量的基本單位，細胞的許多能量儲存在名為ATP的分子中，它包括3個磷酸基團和1個有機分子。當磷酸分子被切斷後，能量就會釋放出來供細胞使用。細胞有獨特的分子機制，可以將磷酸離子組成基團，然後再分開。費舍爾提出一個方案，將2個磷酸離子放入被稱為「糾纏態」的特殊疊加態中。

磷原子核擁有被稱為「自旋(spin)」的量子特性，這讓它們看起來就像能夠指定特定方向的小磁鐵。在「糾纏態」，一個磷原子核的自旋取決於其他磷原子核。換句話說，「糾纏態」實際上就是包含多個量子粒子的疊加態。費舍爾表示，這些原子核自旋的量子力學行為可能在時間尺度上抵制人類脫散現象。他同意泰格馬克的量子震動觀點，就像彭羅斯與哈莫洛夫等人提出的假設，它受到周圍環境的強烈影響，幾乎立即就會脫散。但是核自旋與周圍環境的交互作用並不強。

同樣，在磷原子核自旋中，量子行為必須預防脫散現象。費舍爾說，這種情況很有可能發生，特別是磷原子被納入更大的物體中，比如波斯納分子。它由6個磷酸離子組成簇，並與9個鈣離子相結合。有些證據顯示，它們可以存在於活細胞中，儘管目前尚未定論。

費舍爾認為，在波斯納分子中，磷的旋轉可以抵抗脫散1天左右，即使在活細胞內。這意味著，它們可以影響大腦的工作。這個想法源自波斯納分子可能被神經元吞噬。通過分離和釋放鈣離子，波斯納分子可觸發一個信號，並向另一個神經元發送。由於波斯納分子的糾纏，2個類似信號可能也會糾纏起來，你可能會說，這是「思想」的量子疊加。費舍爾認為:「如果大腦中真的存在核自旋的量子過程，這將是極為常見的現象，幾乎時刻都在發生。」

當費舍爾開始思考精神疾病時，產生了上述想法。他說:「在三四年前，當我開始探索鋰離子在治療精神疾病時如何發揮巨大效應時，我開始進入大腦的生物化學領域。」 鋰類藥物被廣泛用於治療躁鬱症，它們發揮效用，但沒人知道其真實原理。費舍爾說:「我並未尋找量子解釋。」但他偶然發現一篇文章，宣稱鋰類藥物在老鼠行為會產生不同影響，主要取決於鋰或其同位素被使用的形式。

從表面上看，這是令人非常費解的。從化學層面上說，不同的同位素表現幾乎相同，因此如果鋰類藥物像常規藥物那樣，其同位素也應該擁有類似效果。但是費舍爾意識到，鋰同位素不同的原子核存在不同的自旋行為。這種量子特性可能影響到鋰類藥物的治療效果。舉例來說，如果鋰替代波斯納分子中的鈣，鋰自旋可能感覺和影響磷原子，進而干擾到它們的糾纏態。

如果這種假設是正確的，它有望幫助解釋鋰類藥物為何能夠治療躁鬱症。在這個時候，費舍爾的提議似乎更像個有趣的提議。但是有多種方法可以測試其合理性，從波斯納分子中磷自旋的觀點開始，它們是否能夠長期保持量子相干性。這就是費舍爾接下來要做的。

儘管如此，他依然謹慎地將有關「量子意識」的早期想法聯繫起來，他認為這充其量存在高度偶然性。物理學家發現他們在自己發現的理論中所處的位置並不舒服。大多數人希望意識和大腦可以遠離量子理論，反之亦然。畢竟，我們甚至還不知道意識為何物，更不用說用理論來描述它了。

現在，有許多新時代的「山寨產業」致力於「量子意識」概念，宣稱量子力學為心靈傳輸和心靈感應等現象提供了合理解釋。為此，物理學家們常常羞於在一句話中同時提及量子與意識。但是撇開這些，這個觀點已經有很長歷史。自從「觀察者效應」和「思維優先」早期融入到量子理論中後，很難再被分離出去。多位研究人員認為，我們永遠無法做到這一點。

2016年，世界上最著名的「量子哲學家」之一、英國劍橋大學的艾德里安·肯特(Adrian Kent)推測，意識可能以細微而可探測的方式改變數子體系的行為。肯特對這個想法十分謹慎，他承認:「原則上，還沒有令人信服的理由讓我們相信，量子理論是試圖構想出意識理論的正確理論，或量子理論的問題肯定與意識問題有必然關係。」

但肯特表示，很難看到基於純粹的前量子物理學的意識描述可以解釋其似乎擁有的所有功能。一個特別令人感到困惑的問題是，我們的意識思維如何體驗獨特的感覺，比如紅色或熏肉的味道。除了有視力障礙的人，我們都知道何為紅色，但我們沒有辦法傳達這種感覺，也沒有物理學能告訴我們它應該是什麼樣子。

這種感覺被稱為「感受性」。我們認為它們是外部世界的同一屬性，但事實上它們是我們意識的產物，很難解釋。的確，哲學家大衛·查爾莫斯(David Chalmers)曾於1995年感嘆，意識是個「難題」。

肯特表示:「有關意識與物理關係的每個思考都會陷入深深的麻煩之中。」這促使他認為:「如果我們認為意識可以改變數子概率，我們就可以在理解意識進化問題方面取得進展。」換言之，思維可對測量結果產生真實影響。

然而，這個觀點沒有精確描述「何為真實」。但它可能影響我們目前對量子力學每個可能現狀的觀察，從某種程度上說，量子理論本身也是不可預測的。肯特表示，我們可以通過實驗尋找這種影響，他甚至大膽預測找到這種效應的幾率。他說:「我認為意識導致量子理論發生偏轉的概率為15%，在未來50年內通過實驗發現這種現象的幾率在3%左右。」

如果肯特的預測成真，這將改變我們有關物理和思維的看法，它似乎是個值得探索的機遇。

本文來自：網易科學人

作者：金良

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