量子力学可以解释意识问题吗?相信在被问到这一问题时,大多数人的脸上都充满了疑惑。或许在他们看来,意识只是人脑内神经信息之间复杂的计算行为,是一种生物现象,它又如何能和量子力学这一描述微观世界中粒子运动规律的物理学产生关联呢?然而,意识研究的过往事实却对此提出了反驳。
自20世纪下半叶以来,有关从大脑中寻找量子效应的研究就从未停止过。梅沢博臣(Hiroomi Umezawa)、赫伯特·弗洛里希(Herbert Fr hlich)、马里·吉布(Mari Jibu)和库尼奥·雅苏(Kunio Yasue)等人先后进行了相应的研究。在他们看来,人脑内包含着大量的生物分子和原子,由它们所构成的人脑就如量子系统,也同样遵循着量子力学规律。例如,梅沢博臣从脑量子场论出发,将记忆等意识现象理解为大脑皮层场中能量子的能量交换的结果。
弗洛里希认为,神经细胞膜中的量子在电荷振荡过程中会凝聚成具有量子相干性的同种状态,即玻色—爱因斯坦凝聚态。
吉布和雅苏则认为,脑量子场中皮层子和玻色子的运动就是量子信息的传递过程,它最终导致脑皮层中的量子相干态的形成。
总的来说,这些研究都是从量子相干态或叠加态角度,将人脑内的神经活动描述为相应的量子活动。从而也向我们表明,意识不仅是单纯的生物性现象,它还和量子力学极为有关,同样可以从量子力学角度得到合理的解释。
如上所述,对量子大脑的研究启示我们不应仅仅将人脑视为单纯的生物脑,还需认识到大脑中时刻进行着量子活动,是具有量子效应的量子脑。
20世纪90年代初,神经生理学家弗雷德里希·贝克(Friedrich Beck)和约翰·埃克尔斯(John Eccles)就通过实验发现,神经传递分子沿着轴突的末端从一个神经细胞传递到另一个神经细胞的树突前端时,其传递值并不是等于1的整体事件,而是小于1的概率性事件,它就如量子的不确定性机制,是一种具有量子活动规律的概率性事件。
贝克和埃克尔斯由此认为,之所以人会具有自由意志或精神意图这样的特殊意识现象,恰是由单个神经传递分子具有概率性的传递机制造成的。
由于我们大脑皮层的树突丛中包含无以计数的突触连接,因而人脑中就具有数量庞大的量子传递行为,这必然会导致精神现象的随机性和自由性,即所谓的自由意志。
贝克和埃克尔斯从实验层面对大脑深处的量子效应进行了深入研究,为量子力学解释意识问题提供了可靠的实验依据。那么,量子力学解释意识问题的理论又是什么呢?
20世纪90年代中期,曾与霍金一同创立现代时空理论的英国杰出数学家、物理学家和科学哲学家、牛津大学数学系名誉教授罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)与美国亚利桑那大学麻醉学系和心理学系名誉教授、意识研究中心主任斯图亚特·哈梅洛夫(Stuart Hameroff)共同提出了一种新的意识理论:调谐的客观还原理论(Orchestrated Objective Reduction Theory,简称Orch OR),该理论认为,意识是微管中量子引力所引起的波函数坍缩的结果。
应该如何来理解Orch OR理论关于意识的观点呢?我们不妨先从其理论构成基础来看。Orch OR理论的构建基础主要包括客观还原论(Objective Reduction,简称OR)和神经元微管结构理论,前者由彭罗斯所创立,后者则主要归功于哈梅洛夫的工作。
在彭罗斯看来,意识是量子时空结构中的产物,它和宇宙紧密联系,而描述意识和宇宙之间关系的理论就是OR理论。
关于OR理论,它是指从客观还原的角度来描述波函数在量子时空结构中坍缩的量子理论,与之前哥本哈根从意识坍缩波函数的观点来解释量子系统中波函数的坍缩不同,OR理论认为,波函数的坍缩是由量子引力导致的,所以是客观的还原,以此区别于哥本哈根关于波函数坍缩的主观还原解释。
彭罗斯认为,在量子系统中,由于粒子叠加态中各态的时空几何在质量和能量上的分布不均,因而它们时刻处于非常不稳定的状态。这样,当量子引力能量(EG)达到一定的临界值时,叠加的时空几何就会发生坍缩,即客观还原(OR)的出现。在彭罗斯和哈梅洛夫看来,神经元微管的精细生物结构具备量子效应产生的相关条件。
微管是细胞骨架的主要构成部分,它是长度从几百纳米到几米不等空管状结构,直径约为25纳米,内部包含了13根由微管蛋白所组成的纤维柱。在微管表面,镶嵌着由α单体和β单体组合而成花生状的微管蛋白,其内部是具有电性或磁性的偶极子(dipole)。
这样的特殊结构使得相邻微管蛋白在微管自身振荡过程中能够产生构像上的相互转换,进而导致微管蛋白内的偶极子产生运动状态的耦合态,即量子叠加效应。
这样,根据OR理论,意识是量子时空结构中量子引力所导致的波函数坍缩的结果。那么,由于在微管内同样存在着量子叠加效应,在量子引力达到一定的临界值而引起其中的叠加态发生坍缩时,意识也就出现了,或说客观还原发生在微管中。
我们可以看出,Orch OR理论不再将意识拘泥于传统复杂的神经计算,而是从量子力学和神经元微管角度来构建对意识的描述,可以说在意识解释上是极具创新性的。
然而,Orch OR理论也面临着一个非常棘手的问题,那就是,微管中量子叠加态持续的时间是否足够引起意识。我们知道,量子叠加态是非常脆弱的量子现象,只要稍微受到外界的干扰,就会发生坍缩而引发退相干。而我们大脑是个又热又湿的生物环境,势必时刻干扰着微管中的量子叠加态。而且,在Orch OR理论中,彭罗斯和哈梅洛夫计算出微管中量子叠加态持续的时间仅仅为10—20到10—13秒,这么短的时间如何能引起意识呢?
针对这个问题,彭罗斯和哈梅洛夫也未能给出令人信服的回答。Orch OR理论对意识解释的合理性也由此大打折扣。
然而,近年来,美国加州大学圣塔巴巴拉分校的维理理论物理研究中心教授马修·费舍尔(Matthew Fisher)的研究则有望为Orch OR理论提供支持。
不同于Orch OR理论从微管结构中寻找量子效应,费舍尔则从波斯纳分子中来寻找相应的线索。所谓的波斯纳分子是一个包含了6个磷原子的分子结构,它大量地存在于神经细胞外液中。
费舍尔推测,与自然界中原子的原子核具有自旋性质一样,磷原子核也同样如此。由于原子核自旋的方向并不是一致性的,那么,相邻波斯纳分子内的磷原子在原子核的自旋过程中就会产生量子纠缠态。而大量的波斯纳分子所组成的波斯纳分子集群内就存在着更为复杂和数量庞大的纠缠态,当它们参与到大脑内的化学反应过程中时,就会影响神经元信号的传递行为,进而影响我们的思维和记忆等意识现象。
同样的问题是,磷原子核的纠缠态的时间是否足够引起意识呢?费舍尔经过详细的计算,最终确定磷原子核纠缠态时间预估可以达到105秒。这样的结论对彭罗斯来说的确是个好消息,它可以大大缓解人们对于Orch OR理论的质疑。
不仅如此,近年来,还不断有新的研究表明生物过程中也包含着较长时间的量子相干性。例如,2007年,克里尼等人就通过对蛋白质的研究表明,蛋白质不仅在光合作用过程中存在着量子相干性,而且其持续的时间甚至和蛋白质本身存在时间相等。
2010年,《物理评论快报》上也有文章声称,生物系统中的叠加和纠缠态时间可以持续至100秒,超过了某些人造分子所能持续的时间。
对此,牛津大学教授维拉特科·弗德拉(Vlatko Vedral)就指出,认为人脑温暖湿润的环境无法拥有足够引起意识的有效量子相干性的想法不免过于简单,对量子意识的研究我们还需给予更多的期待。
来源：中国社会科学网-中国社会科学报
联系客服
