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迄今为止，还没有人能完全明白意识的本质及机理，也没有人能完全明白量子力学。这岂非仅仅是一个偶合吗？量子力学与人类意识之间，是否存在某种关联？

　　【风云之声按】意识是不是必须用量子力学来表明？假如你对这个题目感爱好，就应该读读这篇文章。纵然你不能明白此中全部的技能内容，你至少可以明白，量子意识是一个严厉的科学题目，不是胡思乱想，不是伪科学。这个范畴正在活泼的研究中，研究者提出了多少种可以通过实行来查验的科学假说，固然还没有定论。知道这些，你的见地就已经高出大多数吃瓜群众了。

　　“我不能界说什么是‘真实题目’，因此我猜疑‘真实题目’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（RichardFeynman）所说的这段话，讲的就是量子力学中最闻名的谜题和悖论。量子力学是理论物理学家们用来形貌宇宙中最小物体的理论，但是如今我们认识到，费曼所说的量子力学题目，大概与意识也有关。

　　一些科学家以为我们已经弄清了意识是什么，有人以为它仅仅只是幻觉，但也有很多人以为我们根本没有捉住意识的本质泉源。

　　意识到底是什么？这是一个长期未解之谜，厥后也有人用量子物理来表明它。不外这一想法也遭到很多人质疑：量子物理本身尚未拨开云雾，何以来表明另一谜题？不外用量子物理表明意识，也不是任意乱想出来的。

　　起首，固然一开始有些抗拒，但是生理学研究也渐渐开始用量子理论表明一些题目了。别的，科学家猜测，量子盘算性能够完成平凡盘算机不能做的事变，这阐明我们的大脑大概也大概实现人工智能无法实现的东西。也有很多人以为“量子意识”太过天方夜谭，但这一范畴的发展也还在继承。

我们的大脑内部毕竟在发生什么事变？图片泉源：MehauKulyk/SciencePhotoLibrary

　　如今为止，量子力学是如今能具体形貌原子和亚原子粒子层面物质的最好的理论，它最闻名的未解之谜是关于它的根本概念的：在实行中，我们是否选择丈量粒子的某些属性，将会改变实行结果。

　　这种“观察者效应”，让量子理论先驱们深感困扰。它好像粉碎了全部的科学根本假设：我们本来以为观察者对物理定律并无影响，但假如这个天下会根据我们怎么对待它而改变，那又有什么征象可以称得上是“究竟”呢？

　　有些科学家以为，我们永久无法完全客观对待事物，由于“客观”并不存在，而意识肯定在量子理论中发挥了紧张作用。对一些人来说，这有些不可理喻。爱因斯坦也曾“抱怨”，玉轮不大概只有当我们看着它的时间才存在！

　　如今，也有一些物理学家以为，无论意识是否影响量子力学丈量，它大概是创建在量子力学底子上的。他们以为，要完全明白大脑的运转方式，量子力学也会发挥很大作用。在量子天下中，一个物体可以同时出如今两个差别的地方，以是，大概我们的“量子大脑”也会同时产生抵牾的头脑？

　　这只是一些推测，大概量子物理跟意识着实根本没有关系。但不管怎样，这些大概的表明都展示了量子理论可以怎样神奇地影响我们的思考方式。

闻名的双缝实行。图片泉源：VictordeSchwanberg/SciencePhotoLibrary

　　将意识引入量子力学范畴的最闻名的实行是“双缝实行”。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，它们会相互干涉。假如它们的波峰同等，则波加强，假如一束光的波峰正对上另一束光的波谷，则相互抵消。这种征象称为衍射，会在背屏上会产生一系列明暗瓜代的条纹，表现光波被加强或抵消的部分。早在200年前，这个实行就被用来表明波的举动，远远早于量子力学的提出。

　　我们也可以用量子性的粒子，譬如电子举行双缝实行。在这类实行中，电子可以出现出违背直觉的颠簸性：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，而且一个接一个地到达屏幕，如许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，但尚有更奇怪的事变。

双缝实行。图片泉源：GIPhotoStock/SciencePhotoLibrary

　　假如我们想知道每个粒子到底颠末了哪条狭缝，而将探测器放在狭缝内部或狭缝背面，干涉条纹就消散了。就算只是观察粒子走的路径——纵然观察者本不应该干扰粒子的活动，结果还是会随之改变。

　　曾在20世纪20年代与量子力学大家尼尔斯·玻尔相助的物理学家帕斯夸尔·约当（PascualJordan）以为：“观察不但会干扰丈量结果，我们乃至可以说正是丈量本身产生了丈量结果……通过丈量，我们逼迫一个量子粒子占用了一个确定的位置。”换句话就是“本身创造丈量结果”。假如如许的话，好像就没有“客观究竟”存在了。

　　别发急，科学家们还发现了比这更奇怪的事变。

粒子可以有两种态。图片泉源：VictordeSchwanberg/SciencePhotoLibrary

　　假如粒子举动会由于我们的观察而改变，我们可以通过某种方式迫使它“摊牌”。我们可以丈量粒子穿过双缝隙时走了哪条路，但只是在它穿过之后丈量，如许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（JohnWheeler）起首提出了这个方法，这个“耽误选择”实行自此被相沿了十年。它利用了一些本领来对量子粒子（通常是光子）的路径举行丈量，然后确定粒子是采取了单路径战略还是两条路径叠加的战略。

　　然而，究竟证明，正如玻尔所说，什么时间丈量并不会对实行造成差别。只要我们在光子到达检测器之前丈量其路径，光子就会刹时失去干系性。看起来就像光子不但知道我们在观察它，就算我们筹划去观察它，也会被它发现。

尤金·维格纳。图片泉源：EmilioSegreVisualArchives/AmericanInstituteofPhysics/SciencePhotoLibrary

　　在这些实行中我们发现，关于量子粒子，由全部大概路径构成的“概率云”总是会坍缩成一个单一态。更紧张的是，耽误选择实行表明观察这一举动会导致粒子坍缩。这是否意味着，坍缩只在丈量结果影响到我们意识的时间发生呢？

　　20世纪30年代，匈牙利物理学家尤金·维格纳（EugeneWigner）提出了这种接洽的大概性。他写道：“物体的量子形貌会受人意识印象的影响，如今的量子力学理论背后的哲学大概与唯我论符合。”惠勒乃至以为，不谈丈量，哪怕是可以或许“留意到”量子征象的生物的存在，就已经很洪流平上改变了量子力学的汗青。他以为，我们从宇宙的一开始就成为了宇宙演化的参加者。也就是说，我们生存在一个“参加式宇宙”中。

　　到如今为止，物理学家对于表明这些量子实行还没有告竣同一意见，在某种程度上，怎么表明跟个人认知有关。但是，在另一种程度上，意识和量子力学确实以某种方式接洽着。

　　从20世纪80年代开始，英国物理学家罗杰·彭罗斯（RogerPenroses）就提出，量子与意识的接洽大概还存在于其他方面。他以为，无论意识是否可以影响量子力学，量子力学都大概是意识的一部分。

数学和物理学家罗杰·彭罗斯（RogerPenrose）。图片泉源：MaxAlexander/SciencePhotoLibrary

　　彭罗斯提出，假如我们的大脑中存在可以或许改变自身状态以相应单个量子变乱的分子布局，这些布局是否可以叠加，就像双缝实行中的粒子一样？而这些量子叠加是否可以通过触发神经元的方式，来举行电信号转达来交换信息？

　　彭罗斯以为，大概我们能维持抵牾精力状态的本领并不是意识的功劳，而是由量子效应引起的。毕竟，人类大脑的认知本领仍旧远超盘算机。大概我们可以完成利用经典数字逻辑盘算的平凡盘算机所不大概实现的任务。

　　彭罗斯在1989年出书的《天子的新脑》一书中初次提出了人类认知的量子效应特性。这个想法被称为“协同客观崩现”（orchestratedobjectivereduction，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，之以是像椅子和星球如许的平凡物体不会表现出量子效应，缘故起因就在于引力。他以为量子叠加不大概发生在比原子大得多的物体上，就是由于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（StuartHameroff）一起进一步发展了Orch-OR理论。在1994年出书的《意识的阴影》一书中，他提出在量子认知中，发挥作用的布局大概是一种被称为“微管”的卵白质聚合物。微管存在于人体大部分细胞中，包罗大脑中的神经元中。彭罗斯和哈默洛夫以为，微管的振动可以包罗量子叠加态。

　　但是，乃至没有证据证明这种事变有一丝丝的大概实现。

细胞中的微管布局。图片泉源：DennisKunkelMicroscopy/SciencePhotoLibrary

　　有人提出，量子叠加态存在于微管中的说法在2013年所做的一系列实行中得到了支持，但究竟上，这些研究根本没有提到量子效应。别的，大多数研究者以为，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（MaxTegmark）盘算出，与神经信号转达有关的分子的叠加态乃至无法维持充足的时间来使信号转达出去。

　　量子叠加状态很轻易受到粉碎，这是由于一种被称为退干系（decoherence）的效应。退干系是指量子物体由于与外在环境发生作用，使得量子干系性渐渐丧失的过程。在暖和湿润的细胞环境中，退干系征象发生得极快。

　　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·泰格马克的盘算表明，假如此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分之一秒内消散，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称存疑。

　　不外，彭罗斯还是站在Orch-OR假说这一边。只管泰格马克猜测了细胞中量子退干系过程极快，但其他研究者还是发现了生物中存在量子效应的证据。有些研究者以为，候鸟依靠地球磁场导航，绿色植物在通过光相助用制造糖分的时间，都会用到量子力学。

　　别的，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。

磷能维持量子态吗？图片泉源：PhilDegginger/SciencePhotoLibrary

　　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（MatthewFisher）提出，大脑大概含有可以维持更加稳固的量子叠加态的分子。他特别指出，磷原子的原子核大概有如许的本领。

　　磷原子在活细胞中无处不在，通常以磷酸根离子情势存在，磷酸根离子由一个磷原子与四个氧原子连合。磷酸根离子是细胞内底子能量单位。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构成。当此中一个磷酸基离开时，就会开释出能量供细胞利用。

　　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，以为两个磷酸根离子大概会出于一种特别的叠加态，称为“胶葛态”。

　　磷原子核有一种量子性子叫做“自旋”，可以把它们假想成南北极指向特定方向的小磁针。当两个磷原子核处于胶葛态时，一个磷原子核的自旋会依靠于另一个一个磷原子核的自旋。也就是说，胶葛态是一种叠加态，它涉及不止单个量子粒子。

　　费希尔以为这些核自旋的量子力学举动大概会在人类的时间标准上反抗量子退干系过程。他同意泰格马克的盘算结果，以为彭罗斯和哈默洛夫所假定的量子振荡会很洪流平受到四周环境的影响，而且险些都是刹时退干系。但是核自旋并不会与四周环境发生猛烈的相互作用。固然，磷原子核自旋时的量子举动必要受到“掩护”，来克制退干系征象。

　　费希尔以为，假如磷原子整合成由6个磷酸根离子和9个钙离子构成的“波斯纳分子”的外形，这种征象是确实大概发生的。有一些证据表明波斯纳分子存在于活细胞中，不外如今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胶葛态长达一天之久，而不会发生退干系，乃至在活细胞中也是云云。这意味着它们大概会影响大脑的运作。这一假说以为，波斯纳分子可以处于神经元内部。一旦进着迷经元内部，波斯纳分子就能通太过解并开释钙离子来触发神经元，将信号发送给另一个神经元。

　　由于波斯纳分子可以处于胶葛状态，两种电信号大概也因此胶葛在一起，这种胶葛大概就能形成某种“想法的叠加态”。费希尔说：“假如原子核自旋的量子过程真的存在于大脑中，那它很大概非常常见，险些时时候刻都在发生。”

碳酸锂胶囊。图片泉源：CustomMedicalStockPhoto/SciencePhotoLibrary

　　他是在开始思考精力疾病的时间第一次提出了这种假想。“三四年前，我决定去研究锂离子到底为何可以云云有效地调解精力状态，因此踏入了大脑生物化学的范畴。”费希尔说道。

　　含锂药物被广泛用于躁郁症的治疗。它们确实有肯定结果，但没有人真正相识此中的机理。“当时我并没有筹划从量子物理学的角度探求对此的表明，”费希尔说道。但是不久之后，他读到一篇论文，内里报道了含有锂的差别同位素的药物对大鼠举动会产生差别的作用。

　　这一征象确实令人狐疑。从化学角度看，差别的同位素的化学反应特性应该险些雷同，以是假如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雷同的。

神经细胞通过突触相连。图片泉源：SebastianKaulitzki/SciencePhotoLibrary

　　但是费希尔意识到，差别的锂同位素，其原子核大概具有差别的自旋，这一量子性子大概影响锂药物的作用。比方，假如锂代替了波斯纳分子中的钙，那锂的自旋大概会“感受”并影响磷原子的自旋，从而干扰磷原子的胶葛。假如确实云云，这就可以用来表明锂为什么可以用来治疗躁郁症了。

　　如今，费希尔的假说还仅仅只是一个风趣的想法。不外，有好几种方法可以用来验证它，起首就是验证波斯纳分子中磷原子的自旋可否长时间保持量子干系性，这正是费希尔下一步的目标。不外，他也不盼望本身的假说与早先有关“量子意识”的观点接洽在一起，他以为这些观点仍旧只是推测出来的东西而已。

意识是一个深奥的谜题。图片泉源：Sciepro/SciencePhotoLibrary

　　大多数物理学家也不怎么乐意在量子力学框架中研究本身的意识。大多数人还是盼望意识和大脑不要与量子理论接洽在一起，量子理论也不要扳连到意识。无论怎样，我们乃至不知道意识到底是什么，更别说用什么理论形貌它了。如今还出现了一种热衷“量子意识”的玄学风潮，宣称量子力学可以用来表明心灵感应和心灵遥控等征象。然而，这些对真正的科学研究并没有资助。这种征象造成了矫枉过正的结果，以至于物理学家乃至不会在同一个句子中提到“量子”和“意识”两个词。

　　不外，临时把这些放在一边，我们应该看到“量子意识”着实有着相称长的汗青。量子理论发展的初期就有了“观察者效应”和有关头脑作用的假说，从当时开始，量子力学中就很难打扫意识的部分。一些研究者乃至以为，我们永久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（AdrianKent）推测，意识大概会以玄妙但又可以可探测的方式改变量子体系的举动。

我们并不清楚头脑是怎么工作的。图片泉源：AndrzejWojcicki/SciencePhotoLibrary

　　肯特对于这一假说非常审慎。他说：“在实行明白地表述关于意识的题目时，并没有令人佩服的缘故起因让人信托，量子力学就是表明意识的精确的理论，量子理论的题目也不能确定与意识的题目有关系。”不外肯特也表现，单纯用量子物理学诞生之前的经典物理学就能完全形貌意识，包罗意识大概具有的全部特性，也是不大大概的。

　　一个特别令人狐疑的题目是，我们的意识能体验到非常独特的感觉，比如赤色或烤培根的气味。除了那些视觉受损的人之外，我们都知道赤色是什么样的，但我们无法交换这种感觉是什么，物理学也无法告诉我们赤色应该是什么样的。

　　雷同如许的感觉被称为“感受性”。我们将这些感觉视为外部天下的同一特性，但它们着实只是我们意识的产物——这一点很难表明。究竟上，哲学家大卫·查默斯（DavidChalmers）在1995年就将此称为意识的“困难题目”。（关于意识有三个闻名的题目：简单题目、困难题目和真实题目，详见你球之前发的一篇文章）

我们的意识是怎样工作的？图片泉源：VictorHabbickVisions/SciencePhotoLibrary

　　肯特表现，每一个把意识和物理接洽在一起的想法都陷入了僵局。这让他提出，假如假设意识能改变（哪怕是很轻微地改变）量子大概性，那我们就大概在意识演化的题目上取得一些盼望。

　　也就是说，意识大概确实会影响丈量的结果。这么说，我们就无法明白地界定“什么是真实”了。但是，意识大概会影响我们在量子力学中举行观察时各个大概结果出现的机遇，以一种量子理论本身无法猜测的方式。肯特表现，我们大概能用实行方法探求这些效应。

　　肯特还大胆地估计了发现这些效应的概率，他说：“我以为大概有15%的概率可以说，某些与意识有明白关系的东西会导致量子理论出现毛病；在将来50年里用实行方式探测到这一结果的概率大概有3%。”

　　假如这些终极成真了，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。

　　配景简介：本文作者为《天然》杂志编辑、闻名科普作家PhilipBall，本文于2017年3月17日发表于微信公众号环球科学ScientificAmerican（https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NDA1Njg2MA==mid=2651983696idx=1sn=e81f37422f1280dc07432a1869969a05），风云之声获授权转载。

　　责任编辑：孙远

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