量子意识

　　作者：陈向群

　　长期以来，人们都将意识排除在物理学的大门之外，认为意识只是哲学、心理学和神经科学的研究议题，然而，20世纪80年代以来，我们发现，在意识研究领域，相当多的量子物理学家从量子力学角度来寻求解释意识问题的答案，从而将我们对意识的关注目光引向了物理学领域。

　　一 意识是物质的全息投影

　　饮誉当代的量子物理学家和科学思想家戴维·玻姆的量子力学思想深受爱因斯坦的影响，他始终坚持从整体性的视角来把握量子力学及其相关现象。20世纪70年代，玻姆在其量子力学隐变量理论基础上提出了一种隐缠序(implicate order)理论，试图以一种完全不同于经典物理学中机械序的新序的语言来描绘我们所生活的世界。

　　在有关意识的解释上，玻姆将意识理解为物质的全息投影，提出了一种基于隐缠序理论的意识新解释，我们称之为意识的序解释。

　　隐缠序理论主要是通过墨水滴-甘油实验来作相应说明。

　　实验过程是这样的：在一个有两个同轴的玻璃筒内盛满甘油，然后将一滴黑色油墨滴入玻璃筒内，转动外面的玻璃筒，黑色墨水就会“卷入”到浅色的甘油之中，散开后几乎看不见。接着反转外面的玻璃筒，原先的墨水滴又奇迹般地从甘油中“展现”出来。

　　玻姆认为，当墨水滴随机分布在甘油中时并不是杂乱无章的，而是以某种序的形式“卷入”或“隐含”在浅色的甘油中，即隐缠序。而当反转玻璃筒使得墨水复现时，隐缠序就变成了显析序。

　　然而，玻姆是如何从隐缠序理论角度寻找到对意识的序解释的呢?这就不得不提到引起玻姆灵感的全息摄影。我们知道，在全息摄影的过程中，激光从银面镜射入后被分为两束光：一束光直接经银面镜投射在全息底片，被称为参考光；另一束光照射物体，通过物体反射到全息底片，被称为物光。参考光和物光在全息底片上相互干涉，构成了一幅复杂而又精细的干涉图案。全息底片经过特殊的冲洗之后，就成为了我们所看到的全息图。令人惊奇的是，即便全息图分成许多碎片，我们仍然可以从每块碎片中看到原物体完整的影像。

　　全息图的这种“未破碎性的整体”给了玻姆从序观念解释意识以灵感。他认为，在全息摄影的过程中，实际上就是原物体的结构信息被光“卷入”到运动过程中，然后再通过全息图“展现”出来，使得原物体与全息图之间形成时空区域的一一对应关系，即全息图像的每个时空区域都“隐含”原物体结构的某种序。因此，当我们看物体时，物体的所有结构和信息通过视网膜以一种看不见的序的方式“卷入”到我们的大脑中，以全息形式贮存起来，在全息记录被激活时还原为“隐含”了所有客体物质结构和信息的全息图，即意识。

　　二 意识是微管中量子引力效应的结果

　　作为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，不仅在宇宙学上研究成果硕果累累，而且长时间关注意识问题。他认为，意识是微管中量子引力所引起的波函数坍缩的结果。

　　“意识是微管中量子引力效应的结果”，那么，到底量子效应是如何在微管中出现的呢?哈梅洛夫是这样解释的：我们微管和其他分子细胞一样，有着自身不停运动的特性。而且，微管的自身运动类似于一种振荡运动，在这个过程中，镶嵌其表面上的微管蛋白会沿着某种特殊的螺旋结构相互之间出现构像(conformation)上的转换，从而导致微管蛋白内的偶极子产生运动状态的耦合态。

　　在微管内，偶极子的耦合态由于微管自身的振荡使得各态在能量分布上产生不均衡，在量子引力达到一定临界值时，偶极子的耦合态(叠加态)就坍缩为之前的单一态。这样的还原过程在量子理论的概念下就是波函数的坍缩过程，即客观还原发生在微管中，进而导致了我们所谓的意识的出现。

　　三 意识是对顶层编码的选择

　　美国加州大学伯克利分校物理学教授，著名量子物理学家亨利·斯塔普虽然长期在劳伦斯伯克利国家物理实验室从事量子力学及其相关基础研究，但他对意识研究的成果也相当丰富，先后发表多篇从量子力学角度阐释意识的论文。在其1993年所编辑的论文集《精神、物质和量子力学》中，斯塔普提出了一种心理物理理论，他认为，意识行为就是对顶层编码(top-level code)的选择。

　　在量子力学正统解释(哥本哈根解释)看来，函数只有在一个有意识的观察者的观察下才会坍缩，否则，物理实在将不存在。斯塔普从哥本哈根解释出发，认为意识是量子测量中的关键因素，量子波函数的坍缩过程实际上是意识从多种量子态中选择其中的一种。斯塔普还指出，经典物理学由于其逻辑性、决定性和机械性的原则难以描述意识之类具有非定域性、非逻辑性和非还原性的活动，意识必须依靠量子力学的方法来解释。这是由量子力学本身的特点所决定的。在量子系统中，量子具有不确定性、纠缠性和非定域性的活动特征，而这恰好与人脑中神经细胞的概率性、整体性和分化性活动特征相似。

　　斯塔普首先分析了神经生物学对人脑结构的研究。在神经生物学家看来，我们的大脑是一个具有多重神经系统结构的动态模型，从表层到里层分别为脑皮质层系统，脑缘系统以及脑核系统。这些神经系统不仅在神经结构上是相互连接的，而且每个神经系统内部又包含多重相互独立且自我维持的(self-sustaining)神经发放模式，它们的整合或分化对意识的产生起了关键的作用。

　　在意识产生的多重神经发放模式基础上，斯塔普将其与量子效应的叠加性相结合，从量子理论的多态性特征出发，提出了其基于量子力学的意识理论，即心理物理理论。该理论的主要内容是说，大脑中的每种神经发放模式就是量子系统中的单一量子态，而多重神经发放模式的同时发放行为就是量子态的叠加效应。根据量子理论的波函数坍缩理论，意识在物理学图景中就是从同时发放的多重神经发放模式中选取其中的一种。

　　不仅如此，斯塔普还从计算机模拟人脑的认知过程中得到启发，将人脑中的神经发放模式理解为电脑中的编码，从而进一步扩展了其心理物理理论。于是，在其心理物理理论中，每种编码就是单一量子态，而多重编码的同时运行就是量子叠加效应，意识在物理学角度下，就是从这些编码中选取其中最高水平的编码(顶层编码)。

　　斯塔普指出，意识主体对诸如颜色、声音和气味等所具有的不同感受性质，是由大脑中不同类型的顶层编码所代表的。不同的感受特征实际上就是从这些顶层编码中选取其中相应的那种。“一种疼痛经验的物理解释就是，选择一种能够启动身体损伤部位进行意识行为的编码。”

　　从古希腊时期人们对于“灵魂居所”的追问，到笛卡尔的身心二元论，再到弗朗西斯·克里克等人所倡导的物理主义“还原论”，人类对意识问题的探索已经几千年。即便如此，意识谜团仍未完全厘清。可以说，量子物理学家们之所以从量子力学角度来寻求解释意识问题的答案，很大部分原因是基于当前意识研究方法的某些局限性，我们不敢断言这样的物理学方法就一定能破解意识所有难题，但却可以留给我们深刻的启迪。

　　一方面，量子物理学家将人脑理解为量子脑，将神经细胞理解为量子，意识就是人脑中量子的活动过程。而量子是微观世界中具有实在性的实体粒子，因此，意识就有了实在性的一面，进而突破了我们对意识等精神现象的固有认知；

　　另一方面，在玻姆意识的序解释中，“意识是物质的全息投影”，意识与物质之间的关系，就如全息摄影中被投射物与全息图之间的信息时空对应关系一样，是一种相互“卷入”的关系。这样的意识解释不仅削弱了传统哲学中的意识与物质的二元分裂思维，更是超越了物质与意识谁是第一性、谁是第二性这样的古老哲学难题。

　　再者，按照量子物理学家们对意识的理解，意识依赖于具有量子效应的量子脑。而现有的人工智能以“机器脑”来模拟人脑神经计算过程，其无论如何都不可能具有量子脑的结构和功能。因此，要使得人工智能能真正具有人类的智能，人工智能的研究者们或许可以借鉴量子物理学家对意识的研究，依照科学的方法构建、一个具有量子特征的量子脑，不愧为一种候选的研究方法。

　　然而，作为一种全新的意识研究方法，从量子力学视角来解释意识也遭受了来自多方面的质疑。英国伦敦国王学院的神经生物学家约翰·泰勒(John G.Taylor)就指出，即便量子叠加态能出现在我们人脑中，但由于人脑是个又热又粘的生物系统，量子叠加态很快就会坍缩，根本无法维持产生意识所需的足够时间。

　　美国著名神经科学家安东尼奥·达马西奥(Antonio R.Damasio)还从方法论上对意识的量子力学解释提出质疑。他指出，彭罗斯和斯塔普对意识的解释也许与物理学基础有关，但他们并没有将焦点集中在意识问题上，而是集中在并不重要的心理过程的生物学基础上，所以，从量子力学角度来解释意识的方法并不是一个真正意义上的物理学方法。以上种种质疑也向我们表明，要使从量子力学角度来解释意识的方法能被全面接受和认同，量子物理学家们还有很长的一段路要走。