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既然观测量子系统会影响结果,所以量子力学与意识相关吗?

时间: 2017年03月20日 | 作者: Philip Ball | 来源: BBC
量子力学与人类意识之间,是否存在某种关联?


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 “我不能定义什么是‘真实问题’,因此我怀疑‘真实问题’并不存在,但我也不确定是不是真的没有。”美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)所说的这段话,讲的就是量子力学中最著名的谜题和悖论。量子力学是理论物理学家们用来描述宇宙中最小物体的理论,但是现在我们认识到,费曼所说的量子力学问题,可能与意识也有关。

 

一些科学家认为我们已经弄清了意识是什么,有人认为它仅仅只是幻觉,但也有许多人认为我们根本没有抓住意识的本质来源。

 

意识到底是什么?这是一个长久未解之谜,后来也有人用量子物理来解释它。不过这一想法也遭到很多人质疑:量子物理本身尚未拨开云雾,何以来解释另一谜题? 不过用量子物理解释意识,也不是随便乱想出来的。

 

首先,虽然一开始有些抗拒,但是心理学研究也慢慢开始用量子理论解释一些问题了。此外,科学家预测,量子计算机能够完成普通计算机不能做的事情,这说明我们的大脑或许也可能实现人工智能无法实现的东西。也有很多人认为“量子意识”太过天方夜谭,但这一领域的发展也还在继续。

 

目前为止,量子力学是目前能具体描述原子和亚原子粒子层面物质的最好的理论,它最著名的未解之谜是关于它的基本概念的:在实验中,我们是否选择测量粒子的某些属性,将会改变实验结果。

 

这种 “观察者效应”,让量子理论先驱们深感困扰。它似乎破坏了所有的科学基本假设:我们原本以为观察者对物理定律并无影响,但如果这个世界会根据我们怎么看待它而改变,那又有什么现象可以称得上是“事实”呢?

 

有些科学家认为,我们永远无法完全客观看待事物,因为“客观”并不存在,而意识一定在量子理论中发挥了重要作用。对一些人来说,这有些不可理喻。爱因斯坦也曾“抱怨”,月亮不可能只有当我们看着它的时候才存在!

 

如今,也有一些物理学家认为,无论意识是否影响量子力学测量,它可能是建立在量子力学基础上的。他们认为,要完全理解大脑的运转方式,量子力学也会发挥很大作用。在量子世界中,一个物体可以同时出现在两个不同的地方,所以,或许我们的“量子大脑”也会同时产生矛盾的思想?

 

这只是一些推测,可能量子物理跟意识其实根本没有关系。但不管怎样,这些可能的解释都展示了量子理论可以如何神奇地影响我们的思考方式。

 

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著名的双缝实验。图片来源:Victor de Schwanberg/Science Photo Library

 

将意识引入量子力学领域的最著名的实验是“双缝实验”。想象一下,在有着两个靠近的平行狭缝的屏幕后投射一束光。一些光通过狭缝,随后投射到另一个屏幕上。

 

我们可以把光看做一种波,当光波从两个狭缝出来时,它们会彼此干涉。如果它们的波峰一致,则波增强,如果一束光的波峰正对上另一束光的波谷,则互相抵消。这种现象称为衍射,会在背屏上会产生一系列明暗交替的条纹,显示光波被增强或抵消的部分。早在200年前,这个实验就被用来解释波的行为,远远早于量子力学的提出。

 

我们也可以用量子性的粒子,譬如电子进行双缝实验。在这类实验中,电子可以呈现出违反直觉的波动性:这意味着当它们在通过两个狭缝时可以衍射,并产生干涉图案。

 

假设量子粒子一个接一个地通过狭缝,并且一个接一个地到达屏幕,这样总该没有粒子相互干扰了吧——然而随着时间的推移,在屏幕上还是出现了明暗相间的条纹。这意味着,每个粒子都同时通过两个狭缝,并与其自身干扰。这种“一次通过两条路”的状态被称为叠加态。

 

这已经够奇怪了,但还有更奇怪的事情。

 

如果我们想知道每个粒子到底经过了哪条狭缝,而将探测器放在狭缝内部或狭缝后面,干涉条纹就消失了。就算只是观察粒子走的路径——即使观察者本不应该干扰粒子的运动,结果还是会随之改变。

 

曾在20世纪20年代与量子力学大师尼尔斯·玻尔合作的物理学家帕斯夸尔·约当(Pascual Jordan)认为:“观察不仅会干扰测量结果,我们甚至可以说正是测量本身产生了测量结果……通过测量,我们强制一个量子粒子占用了一个确定的位置。”换句话就是“自己创造测量结果”。如果这样的话,似乎就没有“客观事实”存在了。

 

别着急,科学家们还发现了比这更奇怪的事情。

 

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粒子可以有两种态。图片来源:Victor de Schwanberg/Science Photo Library

 

如果粒子行为会因为我们的观察而改变,我们可以通过某种方式迫使它“摊牌”。我们可以测量粒子穿过双缝隙时走了哪条路,但只是在它穿过之后测量,这样我们就可以知道它当初“决定”走一条路还是同时走两条路。

 

20世纪70年代,美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)首先提出了这个方法,这个“延迟选择”实验自此被沿用了十年。它使用了一些技巧来对量子粒子(通常是光子)的路径进行测量,然后确定粒子是采取了单路径策略还是两条路径叠加的策略。

 

然而,事实证明,正如玻尔所说,什么时候测量并不会对实验造成差别。只要我们在光子到达检测器之前测量其路径,光子就会瞬间失去相干性。看起来就像光子不仅知道我们在观察它,就算我们打算去观察它,也会被它发现。

 

在这些实验中我们发现,关于量子粒子,由所有可能路径组成的“概率云”总是会坍缩成一个单一态。更重要的是,延迟选择实验表明观察这一行为会导致粒子坍缩。这是否意味着,坍缩只在测量结果影响到我们意识的时候发生呢?

 

20世纪30年代,匈牙利物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)提出了这种联系的可能性。他写道:“物体的量子描述会受人意识印象的影响,如今的量子力学理论背后的哲学可能与唯我论相符。”惠勒甚至认为,不谈测量,哪怕是能够“注意到”量子现象的生物的存在,就已经很大程度上改变了量子力学的历史。他认为,我们从宇宙的一开始就成为了宇宙演化的参与者。也就是说,我们生活在一个“参与式宇宙”中。

 

到目前为止,物理学家对于解释这些量子实验还没有达成统一意见,在某种程度上,怎么解释跟个人认知有关。但是,在另一种程度上,意识和量子力学确实以某种方式联系着。

 

20世纪80年代开始,英国物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penroses)就提出,量子与意识的联系可能还存在于其他方面。他认为,无论意识是否可以影响量子力学,量子力学都可能是意识的一部分。

 

彭罗斯提出,如果我们的大脑中存在能够改变自身状态以响应单个量子事件的分子结构,这些结构是否可以叠加,就像双缝实验中的粒子一样?而这些量子叠加是否可以通过触发神经元的方式,来进行电信号传递来交流信息?

彭罗斯认为,也许我们能维持矛盾精神状态的能力并不是意识的功劳,而是由量子效应引起的。毕竟,人类大脑的认知能力仍然远超计算机。也许我们可以完成使用经典数字逻辑计算的普通计算机所不可能实现的任务。

 

彭罗斯在1989年出版的《皇帝的新脑》一书中首次提出了人类认知的量子效应特征。这个想法被称为“协同客观崩现”(orchestrated objective reduction ,简称Orch-OR)。“客观崩现”意味着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。

 

彭罗斯指出,之所以像椅子和星球这样的普通物体不会表现出量子效应,原因就在于引力。他认为量子叠加不可能发生在比原子大得多的物体上,就是因为引力效应会迫使两种不相容的时空无法同时存在。

 

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》一书中,他提出在量子认知中,发挥作用的结构可能是一种被称为“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中。彭罗斯和哈默洛夫认为,微管的振动可以包含量子叠加态。

 

但是,甚至没有证据证明这种事情有一丝丝的可能实现。

 

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细胞中的微管结构。图片来源:Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library

 

有人提出,量子叠加态存在于微管中的说法在2013年所做的一系列实验中获得了支持,但事实上,这些研究根本没有提到量子效应。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。在这项研究中,物理学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)计算出,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来使信号传递出去。

 

量子叠加状态很容易受到破坏,这是由于一种被称为退相干(decoherence)的效应。退相干是指量子物体因为与外在环境发生作用,使得量子相干性逐渐丧失的过程。在温暖潮湿的细胞环境中,退相干现象发生得极快。

 

神经信号的本质是电脉冲,由带电原子通过神经元通路时产生。马克斯·泰格马克的计算表明,如果其中一个处于叠加态的原子撞上了神经元,叠加态就会在10^18分之一秒内消失,而神经元发出电信号的时间至少是其10^16次方倍。这一结果表明,大脑中存在量子效应的说法相当存疑。

 

不过,彭罗斯还是站在Orch-OR假说这一边。尽管泰格马克预测了细胞中量子退相干过程极快,但其他研究者还是发现了生物中存在量子效应的证据。有些研究者认为,候鸟依靠地球磁场导航,绿色植物在通过光合作用制造糖分的时候,都会用到量子力学。

 

此外,人脑中有量子效应的观点依然存在,但是出现了另一种说法。

 

2015年发表的一项研究中,加州大学圣巴巴拉分校的物理学家马修·费希尔(Matthew Fisher)提出,大脑可能含有可以维持更加稳定的量子叠加态的分子。他特别指出,磷原子的原子核可能有这样的能力。

 

磷原子在活细胞中无处不在,通常以磷酸根离子形式存在,磷酸根离子由一个磷原子与四个氧原子结合。磷酸根离子是细胞内基础能量单位。细胞中大部分的能量都储存在ATP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。

 

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。费希尔提出一个理论,认为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”。

 

磷原子核有一种量子性质叫做“自旋”,可以把它们设想成两极指向特定方向的小磁针。当两个磷原子核处于纠缠态时,一个磷原子核的自旋会依赖于另一个一个磷原子核的自旋。也就是说,纠缠态是一种叠加态,它涉及不止单个量子粒子。

 

费希尔认为这些核自旋的量子力学行为可能会在人类的时间尺度上抵抗量子退相干过程。他同意泰格马克的计算结果,认为彭罗斯和哈默洛夫所假定的量子振荡会很大程度受到周围环境的影响,并且几乎都是瞬间退相干。但是核自旋并不会与周围环境发生强烈的互相作用。当然,磷原子核自旋时的量子行为需要受到“保护”,来避免退相干现象。

 

费希尔认为,如果磷原子整合成由6个磷酸根离子和9个钙离子组成的“波斯纳分子”的形状,这种现象是确实可能发生的。有一些证据表明波斯纳分子存在于活细胞中,不过现在还无法得出确切结论。

 

费希尔称,在波斯纳分子中,磷原子自旋可以处于纠缠态长达一天之久,而不会发生退相干,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,波斯纳分子可以处于神经元内部。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。

 

因为波斯纳分子可以处于纠缠状态,两种电信号可能也因此纠缠在一起,这种纠缠或许就能形成某种“想法的叠加态”。费希尔说:“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。”

 

他是在开始思考精神疾病的时候第一次提出了这种设想。“三四年前,我决定去研究锂离子到底为何可以如此有效地调整精神状态,因此踏入了大脑生物化学的领域。”费希尔说道。

 

含锂药物被广泛用于躁郁症的治疗。它们确实有一定效果,但没有人真正了解其中的机理。 “当时我并没有打算从量子物理学的角度寻找对此的解释,”费希尔说道。但是不久之后,他读到一篇论文,里面报道了含有锂的不同同位素的药物对大鼠行为会产生不同的作用。

 

这一现象确实令人困惑。从化学角度看,不同的同位素的化学反应特征应该几乎相同,所以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是相同的。

 

但是费希尔意识到,不同的锂同位素,其原子核可能具有不同的自旋,这一量子性质可能影响锂药物的作用。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,这就可以用来解释锂为什么可以用来治疗躁郁症了。

 

目前,费希尔的假说还仅仅只是一个有趣的想法。不过,有好几种方法可以用来验证它,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。不过,他也不希望自己的假说与早先有关“量子意识”的观点联系在一起,他认为这些观点仍然只是推测出来的东西而已。

 

大多数物理学家也不怎么愿意在量子力学框架中研究自己的意识。大多数人还是希望意识和大脑不要与量子理论联系在一起,量子理论也不要牵扯到意识。无论如何,我们甚至不知道意识到底是什么,更别说用什么理论描述它了。现在还出现了一种热衷“量子意识”的玄学风潮,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。这种现象造成了矫枉过正的结果,以至于物理学家甚至不会在同一个句子中提到“量子”和“意识”两个词。

 

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,我们永远都无法在量子力学中摒弃对意识的讨论。

 

2016年,英国剑桥大学最德高望重的“量子哲学家”之一,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,量子力学就是解释意识的正确的理论,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,单纯用量子物理学诞生之前的经典物理学就能完全描述意识,包括意识可能具有的所有特征,也是不大可能的。

 

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”。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“困难问题”。(关于意识有三个著名的问题:简单问题、困难问题和真实问题,详见你球之前发的一篇文章)

 

肯特表示,每一个把意识和物理联系在一起的想法都陷入了僵局。这让他提出,如果假设意识能改变(哪怕是很轻微地改变)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。

 

也就是说,意识可能确实会影响测量的结果。这么说,我们就无法明确地界定“什么是真实”了。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%。”

 

如果这些最终成真了,它将会改变我们对物理和意识的认知。因此,量子意识确实算得上一个值得探索的课题。

 

撰文 Philip Ball

编译 怡若乐

审校 丁家琦

 

原文链接:http://www.bbc.com/earth/story/20170215-the-strange-link-between-the-human-mind-and-quantum-physics


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