人類意識到底來自哪裡?

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我們的大腦裡發生著什麼?

著名的雙縫幹涉實驗

北京時間3月3日訊息,據國外媒體報道,沒有人瞭解意識到底是什麼,以及意識如何運作。同樣的,也沒有人完全瞭解量子力學的原理。二者之間,是否存在著某種超越巧合的聯絡?

量子力學是物理學家用來描述宇宙中最微小物質的理論。“我無法定義真正的問題所在,因此我懷疑不存在真正的問題,但我並不能肯定不存在真正的問題,”美國物理學家理查德·費曼(Richard Feynman)在談到量子力學的困惑和悖論時如此說道。不過,他這番話或許也可以用來描述同樣令人糾結的意識問題。

一些科學家認為,意識是什麼的問題已經有了答案,也有人認為意識僅僅是一種幻覺。然而,更多的人認為,我們根本就不知道意識到底來自哪裡。長期以來,意識之謎一直困擾著科學家,一些研究者甚至嘗試用量子力學來對其進行解釋。意料之中的是,這一主張總是受到外界的質疑:用一個未解之謎來解釋另一個未解之謎聽起來很不可取。不過,這樣的想法並非看上去那麼荒謬,而且也不是研究者的一時興起。

雙縫實驗是一種巖石光子或電子等微觀物體波動性和粒子性的實驗

粒子可以處於兩種狀態

首先,思維在早期量子理論中扮演著不容忽視的角色——這讓物理學家感到很不愉快。其次,量子計算機被認為能完成普通計算機無法做到的任務,這讓人想到,大腦也能做到一些人工智慧無法做到的事情。“量子意識”雖然廣受嘲諷,但並不會消失。

量子力學是目前用來描述原子和亞原子世界的最佳理論,也被認為是現代物理學的支柱之一。量子力學中最廣為人知的謎題或許是這樣一個現象:量子實驗的結果會因為我們選擇測量哪種粒子的性質而發生改變。

當這種“觀察者效應”首次被量子物理學的先驅注意到時,他們感到非常困惑。這似乎推翻了所有科學背後的基礎假設:存在一個與我們完全無關的客觀世界。如果世界是根據我們是否觀察以及如何觀察而運作的,那麼“現實”的真正含義又是什麼呢?

這些研究者中,有些人不得不做出“客觀性”其實是一種幻覺的論斷,並認為意識必須被允許在量子理論中扮演一個主動的角色。對其他人而言,這完全講不通。當然,愛因斯坦也曾經抱怨道,月亮隻有在我們看它的時候才存在!

現在,一些物理學家推測,暫且不論意識是不是會影響量子力學,事實上,意識可能正是源自量子力學。他們認為,我們需要藉助量子理論才能完全理解大腦運作的機製。可能是這樣吧,或許因為量子物體能同時出現在兩個地方,所以量子大腦也能同時擁有兩個互相排斥的想法?

這些觀點都純粹是猜測,量子物理學是否在意識的運作中扮演著重要角色,我們還不得而知。不過,如果不考慮其他,這種可能性本身就顯示了量子力學會不可思議地促使我們思考。

展示思維在量子力學中如何發揮作用的最著名例子當屬“雙縫實驗”。想象一束光照在一塊具有兩條狹縫的不透明螢幕上,一些光會穿過狹縫,抵達另一塊螢幕。

光可以被視為一種波,當波從兩條狹縫穿過之後,它們會互相幹涉。如果它們的波峰相同,就會達到加強的效果;如果波峰和波穀重合,它們就會互相抵消。這種波的幹涉被稱為衍射,會在後一塊螢幕上形成一系列明暗交替的條紋,分別是相長幹涉和相消幹涉的區域。

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尤金·維格納奠定了量子力學對稱性的理論基礎

物理學家兼數學家羅傑·彭羅斯

這一實驗在兩百多年前就被用來展示光具有波的行為特徵,遠早於量子力學的出現。雙縫實驗還可以用量子粒子(如電子或組成原子的其他微小帶電粒子)來做,結果十分違反我們的直觀感覺:這些粒子呈現出類似波的行為特徵。也就是說,當一束粒子穿過兩條狹縫時也會發生衍射,產生幹涉圖案。

假設這些量子粒子是一個一個地穿過狹縫,它們也是一個一個地到達螢幕。很顯然,並沒有什麼東西會讓這些粒子在執行路線中發生幹涉——然而最終的結果就是會出現幹涉條紋。這樣的結果暗示我們,每個粒子會同時穿過兩條狹縫,並且與自己發生幹涉。這種“同時經過兩條路徑”的狀態被稱為“疊加態”。

接下來便是真正不可思議的地方。

如果在其中一條狹縫中(或者就在狹縫之後)放置一個探測器,我們就可以知道任意一個粒子是否穿過這條狹縫。然而,此時幹涉現象就會消失。隻是觀察一個粒子的路徑——即使觀察行為沒有幹擾粒子的運動——結果就發生了改變。

物理學家帕斯庫爾·約當(Pascual Jordan)曾經在20世紀20年代師從量子物理學大師尼爾斯·玻爾(Niels Bohr),他曾這樣描述:“觀察不僅會幹擾需要被測量的東西,而且會創造它……我們迫使(一個量子粒子)接受了一個確定的位置。”換句話說,“我們自己製造了測量結果。”

如果確實如此,“客觀真實”似乎就不再存在了,但情況其實更加詭異。

如果自然的行為變化取決於我們是否“觀察”,那我們可以嘗試一些小把戲,使自然亮出底牌。為了做到這一點,我們可以測量一個粒子在雙縫實驗中的路徑,但隻在它穿過狹縫之後進行測量。屆時,這個粒子應該已經“決定”好要選擇一條路徑還是同時走兩條路徑。

美國物理學家約翰·惠勒(John Wheeler)在20世紀70年代提出了這樣的思想實驗,而在下一個十年就有人進行了這個“延遲選擇”實驗。實驗中採用了很聰明的技術方法,對量子粒子(光子)的路徑——此時應該已經做出了單一路徑或疊加態的選擇——進行了測量。

實驗的結果正如玻爾所預測的那樣,我們的測量是否延遲其實並沒有什麼不同。隻要我們在光子到達探測器之前進行測量,結果就是註定的,所有幹涉都會消失。大自然似乎不僅“知道”我們在觀察,而且知道我們想要去觀察。

磷能否維持量子態?

在這些實驗中,無論我們在何時發現了一個量子粒子的路徑,它的可能路線就會“塌縮”到單一的明確狀態。此外,延遲選擇實驗的結果顯示,純粹的觀察,而非測量引起的任何物理幹擾,就可以導致塌縮。但是,這是否意味著真正的塌縮隻會發生在測量結果映入我們意識之中的時候?

20世紀30年代,匈牙利物理學家尤金·維格納(Eugene Wigner)接受了這種可能性。“順理成章地,對物體的量子描述受進入我意識中的意念所影響,”他寫道,“在邏輯上,唯我論可能與目前的量子力學相吻合。”

惠勒甚至提出,生命的存在,包括所有具有“觀察”能力的生命,可能已經使之前眾多可能的“量子過去”轉變成了實在的歷史。惠勒稱,從這個角度而言,我們從宇宙一開始就成為了參與者。用他的話說,我們生活在一個“參與性的宇宙”中。

到了今天,物理學家在如何最好地解釋這些量子實驗的問題上並沒有達成一致,在某種程度上,怎麼解釋還要取決於你。無論如何,我們都很難忽視這樣的暗示:意識和量子力學之間存在著某種聯絡。

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從20世紀80年代開始,英國物理學家羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)就提出,意識和量子力學之間的聯絡也可以作用於另一方向。他指出,無論意識能否影響量子力學,或許量子力學本身就包括在意識之內。

彭羅斯問道,假設我們的大腦中存在能對單個量子事件作出反應並改變狀態的分子結構,那這些結構能否轉變為疊加態,就像雙縫實驗中的粒子?在神經元受電訊號觸發進行交流的過程中,是否會出現這樣的量子疊加態?

彭羅斯稱,這是有可能的。我們能夠同時保持看似矛盾的精神狀態,這並非什麼古怪的感覺,而是實實在在的量子效應。畢竟,人類大腦所能處理的認知過程目前還遠在計算機之上。或許我們還能進行某些計算任務,是使用傳統數字邏輯的常規計算機所無法勝任的。

在1989年出版的《皇帝新腦》(The Emperor‘s New Mind)一書中,彭羅斯首次提出了人類認知中的量子效應。這一構想被稱為“Orch-OR”,是“協同客觀崩現”(orchestrated objective reduction)的縮寫。彭羅斯認為,所謂“客觀崩現”,即量子幹涉的塌縮和疊加態是一個真實的、物理性的過程,就像氣泡的破裂一樣。

彭羅斯還指出,引力是日常事物——從我們所用的桌椅到宇宙中的行星——不表現出量子效應的原因所在。他認為,比原子大得多的物體不可能達到量子疊加態,因為它們的引力效應會迫使兩種不相容的時間-空間形式實現共存。

彭羅斯與美國物理學家斯圖爾特·哈默洛夫(Stuart Hameroff)一起進一步發展了Orch-OR理論。在1994年出版的《意識的陰影》(Shadows of the Mind)一書中,彭羅斯提出,在量子認知中涉及的結構可能就是被稱為“微管”的蛋白質聚合物。微管存在於人體大部分細胞中,包括大腦中的神經元。彭羅斯和哈默洛夫認為,微管的振動可以吸收量子疊加態。

量子態粒子可能具有不同的自旋

碳酸鋰膠囊

不過,並沒有證據表明這一過程是完全不可能的。

一些報道稱,在2013年的一些實驗中,微管中存在量子疊加態的說法獲得了支援。但事實上,這些研究並沒有提到量子效應。此外,大多數研究者認為,Orch-OR理論已經被2000年的一項研究所否定。物理學家馬克斯·鐵馬克(Max Tegmark)的計算結果顯示,與神經訊號傳遞有關的分子的疊加態甚至無法維持足夠的時間,使訊號傳遞出去。

由於量子退相幹這一物理過程的存在,諸如疊加態等量子效應很容易消失。量子力學中,量子相乾性會因為與外在環境發生量子糾纏而隨著時間逐漸喪失。在溫暖、潮溼的環境中,比如活細胞內,退相幹現象的發生極其迅速。

神經訊號是一種電脈衝,是由帶電的源自經過神經元通路而產生的。馬克斯·鐵馬克的計算顯示,如果其中一個原子處於疊加態並撞上神經元,其疊加態會在不到10-18秒內就會消失。相比之下,神經元發出電訊號的時間是其至少1016倍。

根據這些結果,有關大腦中存在量子效應的說法受到了廣泛質疑。然而,彭羅斯不為這些質疑所動,他還是堅持Orch-OR假說。另一方面,儘管鐵馬克預測了細胞中極快的量子退相幹過程,但其他研究者已經發現了生物中存在量子效應的證據。一些研究者爭論稱,依靠地球磁場導航的候鳥會利用量子力學,綠色植物在利用光合作用製造糖分的時候也會用到量子力學。

與此同時,認為人類大腦可能會運用量子力學的說法依然存在,並且出現了另一個非常與眾不同的觀點。

神經元以突觸相連線

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意識是一個很深奧的謎題

在2015年發表的一項研究中,加州大學聖塔芭芭拉分校的物理學家馬修·費希爾(Matthew Fisher)提出,大腦可能含有某些特定分子,能維持更加穩固的量子疊加態。他特別指出,磷原子的原子核可能就具有這種能力。

磷原子在活細胞中無處不在,它們通常以磷酸根離子的形式存在,1個磷原子會與4個氧原子結合。這些離子是細胞內的基礎能量單位。細胞的大部分能量儲存在三磷酸腺苷(ATP)分子內。ATP分子由腺苷和三個磷酸基組成,當其中一個磷酸基脫離時,就會釋放出能量供細胞使用。

活細胞內具有將磷酸根離子組合起來並使其分解的分子機製。費希爾提出,兩個磷酸根離子可能會出於一種特殊的疊加態,稱為“糾纏態”(entangled state)。

磷的原子核具有一種被稱為“自旋”的量子性質,這使它們更像是微型的磁體,兩極指向特定的方向。在糾纏態中,一個磷原子核的自旋取決於另一個磷原子核的自旋。換句話說,糾纏態是一種涉及不止單個量子粒子的疊加態。

費希爾稱,這些原子核的量子力學行為很可能會在人類的時間尺度上抵抗量子退相幹過程。他同意鐵馬克的計算結果,認為量子振盪(如彭羅斯和哈默洛夫所假定的)會受到周圍環境的強烈影響,並且“幾乎隨即退相幹”。但是,原子核的自旋並不會與周圍環境發生強烈的互相作用。

很顯然,磷原子核自旋時的量子行為也必須受到“保護”,以免因退相幹過程而過快消失。費希爾稱,如果磷原子整合形成了“波斯納分子”(Posner molecule),那這種情況是可能的。波斯納分子是由6個磷酸根離子和9個鈣離子組成的叢集。有證據表明,這種分子叢集可以存在於活細胞中——儘管現在還遠未有確切結論。

費希爾稱,在波斯納分子中,磷原子的自旋可以抵抗退相幹達一天左右的時間,甚至在活細胞中也是如此。這意味著它們可能會影響大腦的運作。這一假說認為,波斯納分子可以被神經元吞噬。一旦進入神經元內部,波斯納分子就能通過分解並釋放鈣離子來觸發神經元將訊號傳送給另一個神經元。

由於波斯納分子處於糾纏狀態,神經元發出的電訊號可能也因此糾纏在一起:或許可以稱之為一個“想法”的某種量子疊加態。“如果原子核自旋的量子過程真的存在於大腦中,那它很可能十分常見,幾乎每時每刻都在發生,”費希爾說道。

我們並不瞭解思維如何運作

我們的意識是怎麼運作的?

費希爾最初是在開始思考精神疾病的時候想到這一假說的。“三、四年前,當我決定探索鋰離子在精神疾病的治療中到底有沒有顯著效果時,我踏入了大腦生物化學的領域,”費希爾說道。

含鋰藥物廣泛用於躁鬱症的治療,具有一定效果,但沒有人真正瞭解其中的機理。“當時我並沒有在尋找量子物理學的解釋,”費希爾說道。但是不久之後,他翻到了一篇論文,裡面報道了含鋰藥物對大鼠行為的不同作用取決於鋰元素的不同形式——又稱同位素。

這一現象實在令人困惑。從化學上來說,不同的同位素有著幾乎相同的反應特徵,因此如果鋰發揮作用的方式與傳統藥物一樣的話,那它的同位素應該也具有相同的作用。

費希爾意識到,不同的鋰同位素,其原子核可能具有不同的自旋特徵。這一量子性質可能影響了鋰藥物的作用。例如,如果鋰取代了波斯納分子中的鈣,那鋰的自旋可能會“感受”並影響磷原子的自旋,從而幹擾磷原子的糾纏。

如果確實如此,就可以解釋鋰為什麼可以用來治療躁鬱症了。目前,費希爾的假說還隻是一個有趣的想法,未經證實。不過,有好幾種方法可以用來驗證這個假說,首先就是驗證波斯納分子中磷原子的自旋能否長時間保持量子相乾性。這正是費希爾下一步的目標。

當然,費希爾也十分謹慎,不希望自己與早先有關“量子意識”的觀點聯絡在一起。他認為這些觀點充其量隻是高度推測性的假說。

物理學家們很不習慣在量子理論中發現自己。大部分研究者希望把意識和大腦隔離在量子理論之外,或許反之也亦然。畢竟,我們甚至都不知道意識是什麼,更別說用一個物理理論來描述它了。

現在還出現了一種熱衷“量子意識”的風潮,宣稱量子力學可以用來解釋心靈感應和心靈遙控等現象。然而,這些對真正的科學研究並沒有幫助,造成的結果反而是,物理學家往往羞於在同一個句子中提到“量子”和“意識”。

不過,暫且把這些放在一邊,我們應該看到“量子意識”其實有著相當長的歷史。量子理論發展的初期就有了“觀察者效應”和有關思維作用的假說,從那時開始,量子力學中就很難排除意識的部分。一些研究者甚至認為我們永遠都無法做到這一點。

2016年,最著名的“量子哲學家”之一、英國劍橋大學的阿德裡安·肯特(Adrian Kent)推測,意識可能會以微妙但又可以可探測的方式改變數子系統的行為。

肯特對於這一假說十分謹慎。他說:“在嘗試明確地表述關於意識的問題時,並沒有令人信服的原因讓人相信,量子力學就是那個正確的理論;量子理論的問題也不能確定與意識的問題有關係。”

不過,肯特也表示,我們很難單純用量子物理學之前的理論來描述意識,包括意識可能具有的所有特徵。

一個特別令人困惑的問題是,我們的意識能體驗到非常獨特的感覺,比如紅色或烤培根的氣味。除了那些視覺受損的人之外,我們都知道紅色是什麼樣的,但我們無法交流這種感覺是什麼,物理學上也無法告訴我們紅色應該是什麼樣的。

類似這樣的感覺被稱為“感受性”(qualia)。我們將這些感覺視為外部世界的統一特徵,但它們其實隻是我們意識的產物——這一點很難解釋。事實上,哲學家大衛·查默斯(David Chalmers)在1995年就將此稱為意識的“研究難題”。

“每一次對意識和物理學之間關係的思考都會陷入深深的麻煩之中,”肯特說道。這也促使他提出,“如果假設意識能改變(儘管可能是很輕微和微妙)量子可能性,那我們就可能在意識演化的問題上取得一些進展。”

換句話說,意識可能真的會影響測量的結果。這麼說來,我們就無法明確地界定“什麼是真實”。但是,意識可能會影響我們在量子力學中進行觀察時各個可能結果出現的機會,以一種量子理論本身無法預測的方式。肯特表示,我們或許能用實驗方法尋找這些效應。

肯特還勇敢地估計了發現這些效應的概率,他說:“我覺得或許有15%的概率可以說,某些與意識有明確關係的東西會導致量子理論出現偏差;在未來50年裡用實驗方式探測到這一結果的概率或許有3%。”

如果這一切最終成真,那我們對物理學和意識的認識必將發生重大的改變。

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