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【转载】意识的产生 人类大脑可能是台量子计算机!  

2017-03-02 23:01:58|  分类: 科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  出品︱网易科学人 栏目组 王真

  作者︱金良

  没人理解意识是什么,或其是如何工作的。同样,也没人理解量子力学。这难道是巧合吗?理论物理学家们用量子力学描述宇宙中最小的物体,美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)曾就量子力学悖论说过:“我无法确定真正的问题,所以我怀疑是否存在真正的问题,但我不确定是否没有真正的问题。”显然,费曼的说法也可以用于描述同样棘手的意识问题。

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  有些科学家认为,我们已经理解了何为意识,或者它只是幻觉。但其他科学家觉得,我们根本不知道意识从何而来。意识带来的各种困惑甚至促使许多研究人员尝试利用量子物理学来解释它。这种说法总是受到怀疑,但并不令人感到惊讶:用一个神秘事物去解释另一个听起来似乎不够明智,但这样的想法绝不荒谬,而且也并不主观武断。

  首先,令物理学家们感到极为不安的是,思维似乎正与早期量子理论联系起来。此外,量子计算机被预言能够完成普通计算机无法胜任的工作,这也提醒我们,我们的大脑依然能够完成许多人工智能无法做到的事情。“量子意识”被普遍嘲弄为神秘学,但它不会消失。

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图:我们的脑子里到底发生了什么?

  量子力学是我们在原子、亚原子粒子水平下描述世界的最好理论,其最广为人知的神秘之处在于,量子实验的结果可依据我们是否选择衡量粒子的某些属性而有所改变。当这种“观察者效应”被量子理论的先驱们注意到时,他们曾陷入深深的困扰之中。它似乎破坏了所有科学背后的基本假设:如果不考虑到我们,存在着一个客观的世界。如果世界的行为取决于我们看待它的方式,那么“现实”到底还有何意义?

  有些研究人员认为,被迫得出客观性是一种幻觉,这种意识必须在量子理论中发挥积极作用。但对于其他人来说,这似乎毫无意义。爱因斯坦(Albert Einstein)甚至曾经抱怨道,月亮是不存在的,只有当我们观看时它才会出现。如今,有些物理学家对此感到怀疑,是否意识影响到量子力学,后者甚至可能因为前者而出现。这些人认为,量子理论可能需要充分理解我们的大脑如何工作才行。

  可能是这样的,正如量子物体可同时出现在2个地方,因此量子大脑也可能同时存在2种互相排斥的想法吗?这些思考都是推理而来,可能证明量子物理根本没用。但是如果没有其他解释,这些推论可能表明奇怪的量子理论正迫使我们去思考。

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图:著名的双缝实验

  在量子力学中,最著名的思维干涉量子力学现象就是“双缝实验”。想象下一束光照射在屏幕上,这块屏幕上有2个紧密间隔的平行缝隙。部分光线穿过缝隙,照射在另一个屏幕上。光可被想象为一种波,当波能从两道缝隙中出来时,它们会互相干扰。如果它们的波峰重合,则会互相加强,如果波峰与波谷重合,则会互相抵消。这种波的干扰被称为衍射,它可在第二块屏幕上产生一系列明暗交替的条纹,显示光波加强或消失。

  在200多年前,这个实验被理解为波动行为的重要特征,当时量子理论还未出现。双缝实验也可以用于测试量子粒子(比如电子),即组成原子的微小带电粒子。与正常直觉相反的是,这些粒子的行为可以很像波。这意味着,它们在穿过两道缝隙时也会产生衍射现象,出现干涉图像。

  现在,假设量子粒子分别穿过裂缝,它们到达屏幕也有先后顺序。显然没有任何粒子干扰它们的路线,然而随着时间推移建立起的粒子影响图案,依然显示出干扰带。无独有偶,每个粒子同时穿过2道缝隙时,其本身也会对自己造成干扰。这种粒子同时穿过“两条路径”的现象被称为叠加态,它绝对是非常奇怪的现象。

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图:复制双缝实验

  如果我们将一个探测器放在缝隙内或缝隙后面,我们就可以发现是否有粒子穿过它。可是在这种情况下,干扰现象也消失了。仅仅通过观察粒子的路径,即使这种观察不应该干扰到粒子运动,结果依然发生了改变。

  20世纪20年代,曾与哥本哈根的量子大师尼尔斯·波尔(Niels Bohr)共事过的物理学家帕斯卡尔·乔丹(Pascual Jordan)认为:“观察不仅扰乱了应该被测量的东西,甚至还产生了新的东西……我们强迫量子物理被假设在特定的位置上。换言之,我们自己也产生了可被测量结果。”

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图:粒子可以呈现双重状态

  如果事实如此,客观现实似乎不再重要,事情变得更加奇怪。如果粒子的行为性质取决于我们是否在观看它而发生改变,我们可以尝试欺骗它来引诱其现身。为此,我们可以测量粒子穿过双缝时到底走了哪条路径,但是只有其穿过后我们才知道。那时,它应该已经决定是否从一道或两道缝隙中穿过。

  20世纪70年代,美国物理学家约翰·慧勒(John Wheeler)曾为此做过实验,这个“延迟选择”实验在随后10年中不断有人尝试。当量子粒子应该已经选择好走一条路径还是两条路径后,研究人员利用更先进的技术测试它的路径。事实证明,就像波尔预测的那样,我们是否延迟测量没有任何分别。只要我们在光子到达探测器前的路径进行测量,干扰现象就会消失。

  这就像大自然不仅知道我们是否在观看,还知道我们想要看什么。无论何时,在这些实验中,我们发现量子粒子的路径,其路径云可能最终会“崩溃”为单一明确的状态。此外,我们的延迟选择实验意味着,纯粹的注意行为可以引发“崩溃”,而非测量引发的任何物理干扰。但是这意味着,当测量结果冲击我们的意识时,真正的崩溃才会发生吗?

  20世纪30年代,匈牙利物理学家尤金·魏格纳(Eugene Wigner)承认了这种可能性。他说:“物体的量子描述通过印象进入我的意识并产生影响,唯我论可能与当前的量子力学在逻辑上一致。”慧勒甚至认为,生物的存在已经改变了此前许多可能的量子过去,并成为具体历史。从这个角度来看,慧勒认为我们从一来是就是宇宙演化的参与者。用他的话说,我们活在“共享宇宙”中。

  如今,物理学家们不同意解释这些量子实验的最好方法,某种程度上,此刻你对他们的评价取决于你的状态。但是无论如何,这些都让人不可避免地认为,意识与量子力学存在某种联系。从20世纪80年代开始,英国物理学家罗格·彭罗斯(Roger Penrose)就曾暗示,这种联系可能在另一个方向有效。无论意识是否影响量子力学,或许量子力学都涉及到意识。

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图:物理学家、数学家彭罗斯

  彭罗斯问道,如果我们的大脑中存在分子结构,它们能够改变自己的状态以回应单一量子事件,结果会如何?难道这些结构不能采用叠加态,就像双缝实验中的粒子?这些量子叠加态在神经元中的显示方式会通过电子信号触发通信?彭罗斯表示,或许我们维持互相排斥心理状态的能力并不奇怪,这实际上是真正的量子效应。

  毕竟,人脑似乎能够处理的认知过程依然远超过数字计算机的能力。或许,我们甚至可在普通计算机(使用经典的数字逻辑)上执行看似不可能的计算任务。彭罗斯首先在他1989年著作《The Emperor's New Mind》提出,人类认知中的量子效应特性。这个想法被称为Orch-OR,即“精心策划的客观还原”缩写。在彭罗斯看来,“客观还原”意味着,量子干扰和叠加态崩溃都是真实存在的物理过程,就像泡沫破裂那样。

  Orch-OR借鉴了彭罗斯的解释,即重力会对每个物体做出回应,比如桌椅、行星等,尽管它没有显示出量子效应。彭罗斯认为,量子叠加态不可能出现在比原子更大的物体身上,因为它们的重力影响可能迫使两个不兼容的时空共存。

  在美国物理学家斯图亚特·哈莫洛夫(Stuart Hameroff)的帮助下,彭罗斯进一步研究这个理论。他在1994年著作《Shadows of the Mind》中写道,参与量子认知过程的可能是名为“微管”的蛋白链。这些东西构成了我们的大部分细胞,包括我们大脑中的神经元。彭罗斯和哈莫洛夫认为,微管震动可能可能适应量子叠加态。但是没有证据表明,这种现象可远程进行。

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图:细胞内的微管

  微管量子叠加态的想法得到2013年试验的支持,但事实上这些研究都没有提到量子效应。此外,大多数研究人员认为Orch-OR假想已经在2000年发表的一项研究中被排除。当时物理学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)宣称,参加神经信号的分子量子叠加态可能无法存在足够长的时间,更无法支持这样的信号被发送到目的地。

  类似叠加态这种量子效应很容易在被称为“脱散过程”而被毁。这个过程是量子物体与周围环境相呼作用下产生的,导致“量子泄露”。在温暖和潮湿的环境中,比如活细胞体内,“脱散”进行得非常快。神经信号属于电脉冲,是带电原子穿过神经细胞壁引起的。如果这些原子中的某个处于叠加态,并与神经元相撞,泰格马克证实叠加态应该在不到十亿分之一秒内发生衰变。而对于神经元来说,发出信号至少需要一万万亿倍时间。因此,人们对大脑中的量子效应想法都持很大的怀疑态度。

  然而,彭罗斯并不为这些争论和观点所动。尽管泰格马克预测细胞中的超快脱散行为,但其他研究人员已经在生物体内发现量子效应的证据。有些人认为,候鸟利用量子力学进行磁性导航,绿色植物在光合作用中利用阳光制造糖。此外,大脑采用量子技巧的说法并未显示出消失迹象,只是现在有了完全不同的说法。

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图:磷能维持量子态吗?

  在2015年发布的研究中,美国加州大学圣芭芭拉分校物理学家马修·费舍尔(Matthew Fisher)认为,大脑可能包含足够支持更强大量子叠加状态的分子。具体来说,他认为磷原子核可能就有这种能力。在活细胞中,磷细胞几乎无处不在。它们经常以磷酸离子的形式存在,1个磷酸原子可与4个氧原子相结合。

  这些离子是细胞内能量的基本单位,细胞的许多能量储存在名为ATP的分子中,它包括3个磷酸基团和1个有机分子。当磷酸分子被切断后,能量就会释放出来供细胞使用。细胞有独特的分子机制,可以将磷酸离子组成基团,然后再分开。费舍尔提出一个方案,将2个磷酸离子放入被称为“纠缠态”的特殊叠加态中。

  磷原子核拥有被称为“自旋(spin)”的量子特性,这让它们看起来就像能够指定特定方向的小磁铁。在“纠缠态”,一个磷原子核的自旋取决于其他磷原子核。换句话说,“纠缠态”实际上就是包含多个量子粒子的叠加态。费舍尔表示,这些原子核自旋的量子力学行为可能在时间尺度上抵制人类脱散现象。他同意泰格马克的量子震动观点,就像彭罗斯与哈莫洛夫等人提出的假设,它受到周围环境的强烈影响,几乎立即就会脱散。但是核自旋与周围环境的交互作用并不强。

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图:量子粒子的自旋也不尽相同

  同样,在磷原子核自旋中,量子行为必须预防脱散现象。费舍尔说,这种情况很有可能发生,特别是磷原子被纳入更大的物体中,比如波斯纳分子。它由6个磷酸离子组成簇,并与9个钙离子相结合。有些证据显示,它们可以存在于活细胞中,尽管目前尚未定论。

  费舍尔认为,在波斯纳分子中,磷的旋转可以抵抗脱散1天左右,即使在活细胞内。这意味着,它们可以影响大脑的工作。这个想法源自波斯纳分子可能被神经元吞噬。通过分离和释放钙离子,波斯纳分子可触发一个信号,并向另一个神经元发送。由于波斯纳分子的纠缠,2个类似信号可能也会纠缠起来,你可能会说,这是“思想”的量子叠加。费舍尔认为:“如果大脑中真的存在核自旋的量子过程,这将是极为常见的现象,几乎时刻都在发生。”

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图:碳酸锂胶囊

  当费舍尔开始思考精神疾病时,产生了上述想法。他说:“在三四年前,当我开始探索锂离子在治疗精神疾病时如何发挥巨大效应时,我开始进入大脑的生物化学领域。” 锂类药物被广泛用于治疗躁郁症,它们发挥效用,但没人知道其真实原理。费舍尔说:“我并未寻找量子解释。”但他偶然发现一篇文章,宣称锂类药物在老鼠行为会产生不同影响,主要取决于锂或其同位素被使用的形式。

  从表面上看,这是令人非常费解的。从化学层面上说,不同的同位素表现几乎相同,因此如果锂类药物像常规药物那样,其同位素也应该拥有类似效果。但是费舍尔意识到,锂同位素不同的原子核存在不同的自旋行为。这种量子特性可能影响到锂类药物的治疗效果。举例来说,如果锂替代波斯纳分子中的钙,锂自旋可能感觉和影响磷原子,进而干扰到它们的纠缠态。

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图:神经细胞与突触相连

  如果这种假设是正确的,它有望帮助解释锂类药物为何能够治疗躁郁症。在这个时候,费舍尔的提议似乎更像个有趣的提议。但是有多种方法可以测试其合理性,从波斯纳分子中磷自旋的观点开始,它们是否能够长期保持量子相干性。这就是费舍尔接下来要做的。

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图:对于科学家们来说,意识依然是个难解之谜

  尽管如此,他依然谨慎地将有关“量子意识”的早期想法联系起来,他认为这充其量存在高度偶然性。物理学家发现他们在自己发现的理论中所处的位置并不舒服。大多数人希望意识和大脑可以远离量子理论,反之亦然。毕竟,我们甚至还不知道意识为何物,更不用说用理论来描述它了。

  现在,有许多新时代的“山寨产业”致力于“量子意识”概念,宣称量子力学为心灵传输和心灵感应等现象提供了合理解释。为此,物理学家们常常羞于在一句话中同时提及量子与意识。但是撇开这些,这个观点已经有很长历史。自从“观察者效应”和“思维优先”早期融入到量子理论中后,很难再被分离出去。多位研究人员认为,我们永远无法做到这一点。

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图:我们还不理解意识如何工作

  2016年,世界上最著名的“量子哲学家”之一、英国剑桥大学的艾德里安·肯特(Adrian Kent)推测,意识可能以细微而可探测的方式改变量子体系的行为。肯特对这个想法十分谨慎,他承认:“原则上,还没有令人信服的理由让我们相信,量子理论是试图构想出意识理论的正确理论,或量子理论的问题肯定与意识问题有必然关系。”

  但肯特表示,很难看到基于纯粹的前量子物理学的意识描述可以解释其似乎拥有的所有功能。一个特别令人感到困惑的问题是,我们的意识思维如何体验独特的感觉,比如红色或熏肉的味道。除了有视力障碍的人,我们都知道何为红色,但我们没有办法传达这种感觉,也没有物理学能告诉我们它应该是什么样子。

  这种感觉被称为“感受性”。我们认为它们是外部世界的同一属性,但事实上它们是我们意识的产物,很难解释。的确,哲学家大卫·查尔莫斯(David Chalmers)曾于1995年感叹,意识是个“难题”。

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图:我们的意识如何工作?

  肯特表示:“有关意识与物理关系的每个思考都会陷入深深的麻烦之中。”这促使他认为:“如果我们认为意识可以改变量子概率,我们就可以在理解意识进化问题方面取得进展。”换言之,思维可对测量结果产生真实影响。

  然而,这个观点没有精确描述“何为真实”。但它可能影响我们目前对量子力学每个可能现状的观察,从某种程度上说,量子理论本身也是不可预测的。肯特表示,我们可以通过实验寻找这种影响,他甚至大胆预测找到这种效应的几率。他说:“我认为意识导致量子理论发生偏转的概率为15%,在未来50年内通过实验发现这种现象的几率在3%左右。”

  如果肯特的预测成真,这将改变我们有关物理和思维的看法,它似乎是个值得探索的机遇。

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