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挑战唯物论?诺奖得主彭罗斯:意识产生可能是大脑内的「量子叠加」的结果

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新智元报道

编辑:David

【新智元导读】量子物理学取得了巨大成功,但其解释仍然不确定。大脑由神经元组成,而神经元又由分子组成,很可能会受到量子效应的影响。量子力学和神经科学能否融合成「量子意识」理论?

「我们是谁」?

恐怕没有什么比这个问题更触及我们的本质了。

诚然,探索这个问题的方法有很多,科学并不是唯一的方法。古往今来的艺术家和哲学家们都在探索我们的自我认同和生活方式。

从某种意义上说,科学家反而是后来才加入的。


第一个关于「意识和物质」的科学思考,可以追溯到 17 世纪早期的笛卡尔。

在笛卡尔提出了「身心二元性」之后,又出现了既令人兴奋又含糊不清的新问题:在大脑的日常运作中,量子物理学是否起了某些作用?

更深刻一些的说法是,作为可能的大脑状态的集合,思维是由量子效应维持的,还是用经典物理学解释就够了?


量子物理,意识。这两个谜团碰撞在一起,会产生一个更大的谜团吗?

目前的情况是,量子物理学在其应用方面取得了巨大成功,但对这门科学的解释仍然不确定,物理学家还在激烈争论中。我们知道如何使用量子物理学,但并不知道它所阐释的关于现实本质到底是什么。

「我思故我在」与唯物论的冲突

至于大脑如何维持我们的思想和意识,我们仍然知之甚少。不过随着成像技术的进步,在一定程度上揭示了大脑不同区域的神经元如何在不同的刺激下激发放电,就像圣诞树上的灯一样。


上面说的是理解神经元运行方式的简单部分。而困难的部分,则是了解活跃的神经元如何共同创造出「我们是谁」的感觉的。也就是说,生物电活动和血液流动,是如何转化为自我意识的。

17世纪,笛卡尔提出将精神和物质分开:物质具有空间上的延展性,而精神则没有。精神不是物质,但可以影响物质。

非物质的事物如何影响物质的事物?笛卡尔假定,精神先于物质,即「我思故我在」。但这种身心的「二元论」引起了很多混乱。如果没有物质大脑的基础结构,「我」是如何持续存在下去的?

科学家和哲学家在很大程度上捍卫唯物论观点。大脑的运作方式之所以仍然神秘,不是因为某些非物质,而是因为我们自己难以理解其复杂性。

有人提出,要了解大脑,必须沿着自下而上道路:从单个神经元到突触链接,再到在它们之间流动的神经递质,再到神经元簇和大脑回路。

还有些人,尤其是一些哲学家,有时被称为「神秘主义者」,他们坚持认为,我们是无法从认知上的理解意识的。

量子力学+意识=量子意识?

那么,量子力学呢?

毕竟,如果我们采用自下而上的方法,大脑是由神经元组成的,和任何其他细胞一样,神经元需要蛋白质和大量生物分子才能发挥作用。由于量子效应发生在分子水平,因此量子力学有可能在意识的产生中起到了一些关键作用。


第一个可能和意识相关的量子效应是「叠加」,即从亚原子到分子尺度,系统可以同时以多种量子态存在。

比如,在检测到一个电子之前,它可以同时出现在许多地方。量子力学的数学机制使我们能够计算出电子一旦被测量,就会在某个位置被发现的概率。但在进行测量之前,我们无法确定电子在哪里。因此,数据是在测量设备精度范围内对电子位置的测量。

同样,意识的存在是否也可能像电子一样,存在于某种无意识水平的「量子叠加」中,只有在有特定选择时,才会变得有意识呢?


这就是诺贝尔奖获得者物理学家罗杰·彭罗斯和麻醉学家斯图尔特·哈默罗夫提出的观点。

他们提出,激励这种「特定选择」的活性实体是一种称为「微管蛋白」的蛋白质,它形成的微管为神经元提供骨骼支持。


微管可能是一种量子高速公路网络,可以支持神经元内微管蛋白的叠加和纠缠状态。据称,这种结构可以充当量子计算机,优化神经元和神经元间的性能。


第二个可能和意识相关的量子效应是「纠缠」,即两个或多个量子系统在它们之间建立跨越长空间距离的联系的能力。量子在纠缠态表现为一个单一的实体,失去了它们的个体身份。利用纠缠态的空间特性,在神经元网络内长距离「传播」具有给定特征的量子效应。

来自科学界的强烈批评

从实验和理论的角度,彭罗斯和哈默洛夫的理论受到了强烈的批评。

麻省理工学院的物理学家 Max Tegmark 提出的理论论证表明,大脑太忙,且大脑内的环境太热,无法维持相干的量子态。


相干量子态非常脆弱:周围环境的影响(如碰撞分子或热振动)很容易破坏量子态的叠加。实际上,在温暖的大脑环境中可以将量子力学转变为经典物理学。在这种情况下,量子效应可以忽略不计。

毫无疑问,量子效应给我们对世界的理解增加了一定程度的困惑。的确,至少在突触水平,量子效应可能确实发挥了作用。

不过目前,大多数观点都遵循对意识产生的经典解释,即神经元簇的无数耦合及其不断放电,是大脑运行的意识产生的主要因素。

鉴于神经元间连接的复杂性,这个问题当然仍有探索和推测的空间。通常情况下,解决方案可能不是「非此即彼」的,而是「两者兼而有之」。量子效应和经典理论之间可能存在合作,共同决定了大脑在不同层面的功能。

参考资料:

https://bigthink.com/13-8/quantum-consciousness-2/

https://www.pnas.org/content/106/11/4219


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