我们的大脑里发生着什么？

著名的双缝干涉实验

　　新浪科技讯 北京时间3月3日消息，据国外媒体报道，没有人了解意识到底是什么，以及意识如何运作。同样的，也没有人完全了解量子力学的原理。二者之间，是否存在着某种超越巧合的联系？

　　量子力学是物理学家用来描述宇宙中最微小物质的理论。“我无法定义真正的问题所在，因此我怀疑不存在真正的问题，但我并不能肯定不存在真正的问题，”美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在谈到量子力学的困惑和悖论时如此说道。不过，他这番话或许也可以用来描述同样令人纠结的意识问题。

　　一些科学家认为，意识是什么的问题已经有了答案，也有人认为意识仅仅是一种幻觉。然而，更多的人认为，我们根本就不知道意识到底来自哪里。长期以来，意识之谜一直困扰着科学家，一些研究者甚至尝试用量子力学来对其进行解释。意料之中的是，这一主张总是受到外界的质疑：用一个未解之谜来解释另一个未解之谜听起来很不可取。不过，这样的想法并非看上去那么荒谬，而且也不是研究者的一时兴起。

双缝实验是一种岩石光子或电子等微观物体波动性和粒子性的实验

粒子可以处于两种状态

　　首先，思维在早期量子理论中扮演着不容忽视的角色——这让物理学家感到很不愉快。其次，量子计算机被认为能完成普通计算机无法做到的任务，这让人想到，大脑也能做到一些人工智能无法做到的事情。“量子意识”虽然广受嘲讽，但并不会消失。

　　量子力学是目前用来描述原子和亚原子世界的最佳理论，也被认为是现代物理学的支柱之一。量子力学中最广为人知的谜题或许是这样一个现象：量子实验的结果会因为我们选择测量哪种粒子的性质而发生改变。

　　当这种“观察者效应”首次被量子物理学的先驱注意到时，他们感到非常困惑。这似乎推翻了所有科学背后的基础假设：存在一个与我们完全无关的客观世界。如果世界是根据我们是否观察以及如何观察而运作的，那么“现实”的真正含义又是什么呢？

　　这些研究者中，有些人不得不做出“客观性”其实是一种幻觉的论断，并认为意识必须被允许在量子理论中扮演一个主动的角色。对其他人而言，这完全讲不通。当然，爱因斯坦也曾经抱怨道，月亮只有在我们看它的时候才存在！

　　现在，一些物理学家推测，暂且不论意识是不是会影响量子力学，事实上，意识可能正是源自量子力学。他们认为，我们需要借助量子理论才能完全理解大脑运作的机制。可能是这样吧，或许因为量子物体能同时出现在两个地方，所以量子大脑也能同时拥有两个互相排斥的想法？

　　这些观点都纯粹是猜测，量子物理学是否在意识的运作中扮演着重要角色，我们还不得而知。不过，如果不考虑其他，这种可能性本身就显示了量子力学会不可思议地促使我们思考。

　　展示思维在量子力学中如何发挥作用的最著名例子当属“双缝实验”。想象一束光照在一块具有两条狭缝的不透明屏幕上，一些光会穿过狭缝，抵达另一块屏幕。

　　光可以被视为一种波，当波从两条狭缝穿过之后，它们会互相干涉。如果它们的波峰相同，就会达到加强的效果；如果波峰和波谷重合，它们就会互相抵消。这种波的干涉被称为衍射，会在后一块屏幕上形成一系列明暗交替的条纹，分别是相长干涉和相消干涉的区域。

尤金·维格纳奠定了量子力学对称性的理论基础

物理学家兼数学家罗杰·彭罗斯

　　这一实验在两百多年前就被用来展示光具有波的行为特征，远早于量子力学的出现。双缝实验还可以用量子粒子（如电子或组成原子的其他微小带电粒子）来做，结果十分违反我们的直观感觉：这些粒子呈现出类似波的行为特征。也就是说，当一束粒子穿过两条狭缝时也会发生衍射，产生干涉图案。

　　假设这些量子粒子是一个一个地穿过狭缝，它们也是一个一个地到达屏幕。很显然，并没有什么东西会让这些粒子在运行路线中发生干涉——然而最终的结果就是会出现干涉条纹。这样的结果暗示我们，每个粒子会同时穿过两条狭缝，并且与自己发生干涉。这种“同时经过两条路径”的状态被称为“叠加态”。

　　接下来便是真正不可思议的地方。

　　如果在其中一条狭缝中（或者就在狭缝之后）放置一个探测器，我们就可以知道任意一个粒子是否穿过这条狭缝。然而，此时干涉现象就会消失。只是观察一个粒子的路径——即使观察行为没有干扰粒子的运动——结果就发生了改变。

　　物理学家帕斯库尔·约当（Pascual Jordan）曾经在20世纪20年代师从量子物理学大师尼尔斯·玻尔（Niels Bohr），他曾这样描述：“观察不仅会干扰需要被测量的东西，而且会创造它……我们迫使（一个量子粒子）接受了一个确定的位置。”换句话说，“我们自己制造了测量结果。”

　　如果确实如此，“客观真实”似乎就不再存在了，但情况其实更加诡异。

　　如果自然的行为变化取决于我们是否“观察”，那我们可以尝试一些小把戏，使自然亮出底牌。为了做到这一点，我们可以测量一个粒子在双缝实验中的路径，但只在它穿过狭缝之后进行测量。届时，这个粒子应该已经“决定”好要选择一条路径还是同时走两条路径。

　　美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）在20世纪70年代提出了这样的思想实验，而在下一个十年就有人进行了这个“延迟选择”实验。实验中采用了很聪明的技术方法，对量子粒子（光子）的路径——此时应该已经做出了单一路径或叠加态的选择——进行了测量。

　　实验的结果正如玻尔所预测的那样，我们的测量是否延迟其实并没有什么不同。只要我们在光子到达探测器之前进行测量，结果就是注定的，所有干涉都会消失。大自然似乎不仅“知道”我们在观察，而且知道我们想要去观察。

细胞内部的微管

磷能否维持量子态？

　　在这些实验中，无论我们在何时发现了一个量子粒子的路径，它的可能路线就会“塌缩”到单一的明确状态。此外，延迟选择实验的结果显示，纯粹的观察，而非测量引起的任何物理干扰，就可以导致塌缩。但是，这是否意味着真正的塌缩只会发生在测量结果映入我们意识之中的时候？

　　20世纪30年代，匈牙利物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）接受了这种可能性。“顺理成章地，对物体的量子描述受进入我意识中的意念所影响，”他写道，“在逻辑上，唯我论可能与目前的量子力学相吻合。”

　　惠勒甚至提出，生命的存在，包括所有具有“观察”能力的生命，可能已经使之前众多可能的“量子过去”转变成了实在的历史。惠勒称，从这个角度而言，我们从宇宙一开始就成为了参与者。用他的话说，我们生活在一个“参与性的宇宙”中。

　　到了今天，物理学家在如何最好地解释这些量子实验的问题上并没有达成一致，在某种程度上，怎么解释还要取决于你。无论如何，我们都很难忽视这样的暗示：意识和量子力学之间存在着某种联系。

　　从20世纪80年代开始，英国物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）就提出，意识和量子力学之间的联系也可以作用于另一方向。他指出，无论意识能否影响量子力学，或许量子力学本身就包括在意识之内。

　　彭罗斯问道，假设我们的大脑中存在能对单个量子事件作出反应并改变状态的分子结构，那这些结构能否转变为叠加态，就像双缝实验中的粒子？在神经元受电信号触发进行交流的过程中，是否会出现这样的量子叠加态？

　　彭罗斯称，这是有可能的。我们能够同时保持看似矛盾的精神状态，这并非什么古怪的感觉，而是实实在在的量子效应。毕竟，人类大脑所能处理的认知过程目前还远在计算机之上。或许我们还能进行某些计算任务，是使用传统数字逻辑的常规计算机所无法胜任的。

　　在1989年出版的《皇帝新脑》（The Emperor‘s New Mind）一书中，彭罗斯首次提出了人类认知中的量子效应。这一构想被称为“Orch-OR”，是“协同客观崩现”（orchestrated objective reduction）的缩写。彭罗斯认为，所谓“客观崩现”，即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。

　　彭罗斯还指出，引力是日常事物——从我们所用的桌椅到宇宙中的行星——不表现出量子效应的原因所在。他认为，比原子大得多的物体不可能达到量子叠加态，因为它们的引力效应会迫使两种不相容的时间-空间形式实现共存。

　　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》（Shadows of the Mind）一书中，彭罗斯提出，在量子认知中涉及的结构可能就是被称为“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。彭罗斯和哈默洛夫认为，微管的振动可以吸收量子叠加态。

量子态粒子可能具有不同的自旋

碳酸锂胶囊

　　不过，并没有证据表明这一过程是完全不可能的。

　　一些报道称，在2013年的一些实验中，微管中存在量子叠加态的说法获得了支持。但事实上，这些研究并没有提到量子效应。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。物理学家马克斯·铁马克（Max Tegmark）的计算结果显示，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，使信号传递出去。

　　由于量子退相干这一物理过程的存在，诸如叠加态等量子效应很容易消失。量子力学中，量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠而随着时间逐渐丧失。在温暖、潮湿的环境中，比如活细胞内，退相干现象的发生极其迅速。

　　神经信号是一种电脉冲，是由带电的源自经过神经元通路而产生的。马克斯·铁马克的计算显示，如果其中一个原子处于叠加态并撞上神经元，其叠加态会在不到10-18秒内就会消失。相比之下，神经元发出电信号的时间是其至少1016倍。

　　根据这些结果，有关大脑中存在量子效应的说法受到了广泛质疑。然而，彭罗斯不为这些质疑所动，他还是坚持Orch-OR假说。另一方面，尽管铁马克预测了细胞中极快的量子退相干过程，但其他研究者已经发现了生物中存在量子效应的证据。一些研究者争论称，依靠地球磁场导航的候鸟会利用量子力学，绿色植物在利用光合作用制造糖分的时候也会用到量子力学。

　　与此同时，认为人类大脑可能会运用量子力学的说法依然存在，并且出现了另一个非常与众不同的观点。

神经元以突触相连接

意识是一个很深奥的谜题

　　在2015年发表的一项研究中，加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家马修·费希尔（Matthew Fisher）提出，大脑可能含有某些特定分子，能维持更加稳固的量子叠加态。他特别指出，磷原子的原子核可能就具有这种能力。

　　磷原子在活细胞中无处不在，它们通常以磷酸根离子的形式存在，1个磷原子会与4个氧原子结合。这些离子是细胞内的基础能量单位。细胞的大部分能量储存在三磷酸腺苷（ATP）分子内。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。

　　活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，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”（entangled state）。

　　磷的原子核具有一种被称为“自旋”的量子性质，这使它们更像是微型的磁体，两极指向特定的方向。在纠缠态中，一个磷原子核的自旋取决于另一个磷原子核的自旋。换句话说，纠缠态是一种涉及不止单个量子粒子的叠加态。

　　费希尔称，这些原子核的量子力学行为很可能会在人类的时间尺度上抵抗量子退相干过程。他同意铁马克的计算结果，认为量子振荡（如彭罗斯和哈默洛夫所假定的）会受到周围环境的强烈影响，并且“几乎随即退相干”。但是，原子核的自旋并不会与周围环境发生强烈的互相作用。

　　很显然，磷原子核自旋时的量子行为也必须受到“保护”，以免因退相干过程而过快消失。费希尔称，如果磷原子整合形成了“波斯纳分子”（Posner molecule），那这种情况是可能的。波斯纳分子是由6个磷酸根离子和9个钙离子组成的集群。有证据表明，这种分子集群可以存在于活细胞中——尽管现在还远未有确切结论。

　　费希尔称，在波斯纳分子中，磷原子的自旋可以抵抗退相干达一天左右的时间，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，波斯纳分子可以被神经元吞噬。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。

　　由于波斯纳分子处于纠缠状态，神经元发出的电信号可能也因此纠缠在一起：或许可以称之为一个“想法”的某种量子叠加态。“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，”费希尔说道。

我们并不了解思维如何运作

我们的意识是怎么运作的？

　　费希尔最初是在开始思考精神疾病的时候想到这一假说的。“三、四年前，当我决定探索锂离子在精神疾病的治疗中到底有没有显著效果时，我踏入了大脑生物化学的领域，”费希尔说道。

　　含锂药物广泛用于躁郁症的治疗，具有一定效果，但没有人真正了解其中的机理。“当时我并没有在寻找量子物理学的解释，”费希尔说道。但是不久之后，他翻到了一篇论文，里面报道了含锂药物对大鼠行为的不同作用取决于锂元素的不同形式——又称同位素。

　　这一现象实在令人困惑。从化学上来说，不同的同位素有着几乎相同的反应特征，因此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具有相同的作用。

　　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特征。这一量子性质可能影响了锂药物的作用。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，就可以解释锂为什么可以用来治疗躁郁症了。目前，费希尔的假说还只是一个有趣的想法，未经证实。不过，有好几种方法可以用来验证这个假说，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。

　　当然，费希尔也十分谨慎，不希望自己与早先有关“量子意识”的观点联系在一起。他认为这些观点充其量只是高度推测性的假说。

　　物理学家们很不习惯在量子理论中发现自己。大部分研究者希望把意识和大脑隔离在量子理论之外，或许反之也亦然。毕竟，我们甚至都不知道意识是什么，更别说用一个物理理论来描述它了。

　　现在还出现了一种热衷“量子意识”的风潮，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，造成的结果反而是，物理学家往往羞于在同一个句子中提到“量子”和“意识”。

　　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做到这一点。

　　2016年，最著名的“量子哲学家”之一、英国剑桥大学的阿德里安·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。

　　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，量子力学就是那个正确的理论；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，我们很难单纯用量子物理学之前的理论来描述意识，包括意识可能具有的所有特征。

　　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，物理学上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”（qualia）。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“研究难题”。

　　“每一次对意识和物理学之间关系的思考都会陷入深深的麻烦之中，”肯特说道。这也促使他提出，“如果假设意识能改变（尽管可能是很轻微和微妙）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。”

　　换句话说，意识可能真的会影响测量的结果。这么说来，我们就无法明确地界定“什么是真实”。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%。”

　　如果这一切最终成真，那我们对物理学和意识的认识必将发生重大的改变。（任天）

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http://tech.sina.com.cn/d/f/2017-03-03/doc-ifycaasy7389120.shtml