量子和粒子物理学可以解释一切（人脑由粒子构成）

我确信没有人能真正懂得量子力学一一《费恩曼讲义》理查德·费曼

美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）谈到了量子力学中那些臭名昭著的难题和悖论，量子力学是物理学家用来描述宇宙中最小物体的理论。但是研究人员也可能一直在谈论意识时会遇到同样棘手的问题。

没有人知道意识是什么或意识是如何起作用的。也没有人了解量子力学。这不就是巧合吗？

一些科学家认为我们已经了解意识是什么，或者它仅仅是一种幻想。但是许多其他人觉得我们根本没有意识到意识是从何而来的。

意识的长期困扰甚至导致一些研究人员援引量子物理学对其进行解释。这个概念总是引起怀疑但这并不奇怪：将一个奥秘与另一个奥秘解释在一起听起来并不像是明智之举。但是这些想法显然并不荒谬，也不是任意乱来的。

一方面使物理学家感到极大不适的是，这种思想似乎迫使其进入了早期的量子理论。更重要的是，量子计算机有望完成普通计算机无法完成的工作，这使我们想起了大脑如何能够完成人工智能之外的工作。人们普遍嘲笑“量子意识”是神秘的求爱，但它不会消失。

我们大脑中正在发生什么？

量子力学是我们用原子和亚原子粒子的精确描述世界的最佳理论。也许其最著名的谜团是这样一个事实，即量子实验的结果会根据我们是否选择测量所涉及粒子的某些特性而改变。

当量子理论的早期开拓者首次注意到这种“观察者效应”时，他们深感困惑。它似乎破坏了所有科学背后的基本假设：无论我们身在何处，都有一个客观的世界。如果世界的行为方式取决于我们如何看待或看待它，那么“现实”到底意味着什么？

这些研究人员中的一些人被迫得出结论，认为客观性是一种幻觉，必须让意识在量子理论中发挥积极作用。对其他人来说似乎没有什么道理。当然爱因斯坦曾经抱怨量子力学说，只有当我们看着月亮时，月亮才会存在！这显然是一件很荒唐的事情

一些物理学家怀疑无论意识是否影响量子力学，它实际上可能是由于粒子而产生的。他们认为可能需要量子理论来充分了解大脑的工作原理。

可能就像量子物体显然可以同时存在于两个地方一样，一个量子大脑也可以同时存在两个互斥的意识吗？这些想法是推测性的，并且可能证明量子物理学对于头脑的运作或在头脑的运作中没有根本的作用。但是如果没有别的，这些可能性说明了量子理论迫使我们思考的奇怪程度。

著名的双缝实验

大脑对量子力学最著名的是入侵来自所谓的“双缝干涉实验”。想象一下在一个包含两个紧密间隔的平行狭缝的屏幕上照射一束光束。一些光穿过狭缝然后入射到另一个屏幕上。

可以将光视为一种波，当波从两个狭缝中发出时，它们会相互干扰。如果它们的峰重合，则它们会相互增强，而如果一个峰和低谷重合，则它们会相互抵消。这种波干扰称为衍射，它会在后屏幕上产生一系列交替的明暗条纹，从而增强或抵消了光波。

暗示似乎是每个粒子同时穿过两个狭缝

早在量子理论出现之前该实验就被预示具有波动行为的特征。双缝实验也可以用像电子这样的量子粒子来完成，微小的带电粒子是原子的组成部分。与直觉相反这些粒子的行为可能像波浪一样，这意味着当它们的流通过两个狭缝时它们可能会发生衍射从而产生干涉图样。

现在假设量子粒子被穿过狭缝并且它们到达屏幕的方式同样被看见。每个粒子沿其路径显然都没有干扰-但随着时间的推移而累积的粒子撞击模式会显示出干扰带。

暗示似乎是每个粒子同时穿过两个狭缝并相互干扰。“两条路径同时存在”的这种组合被称为叠加状态。

双缝实验

如果我们将检测器放置在一个狭缝的内部或后面，则可以发现是否有任何给定的粒子穿过它。但在那种情况下干扰就消失了，只需观察粒子的路径（即使该观察不应干扰粒子的运动）我们就可以改变结果，如果真是这样那么客观现实似乎就没有了。

粒子可以处于两种状态

如果大自然似乎根据我们是否“看”而改变其行为，我们可以尝试诱使它显示出自己的手。为此可以预先测量粒子穿过双缝的路径，但是只有在双缝穿过它们之后才能测量。

由测量引起的任何物理干扰，都可能导致崩溃

物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）在1970年代提出了进行“延迟选择”实验的操作，此实验在接下来的十年中进行了。在选择了一条路径还是两条路径的叠加之后，它使用聪明的技术对量子粒子（通常是光粒子，称为光子）的路径进行测量。

事实证明正如惠勒预测的那样，我们是否延迟测量都没有区别，只要在最终到达检测器之前测量光子的路径我们就会失去所有干扰。好像大自然不仅知道我们在看，而且还在计划看。

无论何时在这些实验中我们都会发现量子粒子的路径，其可能路线的云“塌陷”为一个明确定义的状态。更重要的是延迟选择实验暗示着注意的纯粹行为，而不是由测量引起的物理干扰，其干扰可能会导致实验崩溃。但这是否意味着只有当测量结果影响到我们的意识时才发生真正的崩溃？

很难避免意识和量子力学以某种方式联系在一起的暗示。

匈牙利物理学家尤金·威格纳（Eugene Wigner）在1930年代承认了这种可能性。他写道：“随之而来的是，物体的量子描述受到进入意识印象的影响。”即意识在逻辑上可能与目前的量子力学相一致。

惠勒甚至接受了这样一种思想，即能够“注意到”的生物的存在已经将以前的多种可能的量子过去转变为一个具体的历史。惠勒说从这个意义上说我们一开始就成为宇宙进化的参与者，我们生活在一个“参与性的宇宙”中。

直到今天物理学家仍未就解释这些量子实验的最佳方法达成共识，在某种程度上对它们的理解（目前）取决于自己。无论如何很难避免意识和量子力学以某种方式和大脑意识联系在一起的暗示。

从1980年代开始物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）提出这种联系可能会朝另一个方向发展。他说意识是否会影响量子力学，也许量子力学与意识有关。

彭罗斯问道，如果我们的大脑中存在能够响应单个量子事件而改变其状态的分子结构，该怎么办？难道这些结构不能像双缝实验中的粒子那样采用叠加状态吗？然后这些量子叠加会以触发神经元通过电信号进行通信的方式出现吗？

也许量子力学与意识有关

毕竟人脑似乎能够处理远远超过数字计算机能力的认知过程。也许我们甚至可以执行使用经典数字逻辑的普通计算机无法完成的计算任务。

彭罗斯（Penrose）在1989年的畅销书《皇帝的新脑》（The Emperor's New Mind）一书中首次提出量子效应是人类认知的特征。这个想法称为“调谐客观还原理论”(Orch-OR)彭罗斯相信，“客观还原”一词的意思是量子干涉和叠加的崩溃是一个真实的物理过程就像气泡的破裂一样。

研究人员认为彭罗斯的理论对于当比原子大得多的物体时量子叠加变得不可能，因为它们的引力效应将迫使两个不兼容的时空版本共存。

彭罗斯进一步发展了这个想法。在他1994年还出版了畅销书《心灵的阴影》他提议参与这项量子认知结构可能是蛋白链称为微管。这些存在于我们大多数细胞中，包括我们大脑中的神经元，而且微管的振动可以采用量子叠加。

细胞内的微管

有人提出微管中量子叠加的想法得到了实验的支持，但实际上这些研究并未提及量子效应。

此外大多数研究人员认为Orch-OR的想法是在2000年发表的一项研究中排除的。研究人员计算出与神经信号有关的分子的量子叠加即使在这种信号到达任何地方所需要的时间中也无法存活一小部分。

其他研究人员发现了生物中量子效应的证据

由于称为退相干的过程，叠加等量子效应很容易被破坏。这是由于量子物体与其周围环境的相互作用所引起的，“量子性”通过该相互作用而泄漏出去。在温暖和潮湿的环境（例如活细胞）中，去相干性预计将非常迅速。

神经信号是电脉冲由带电原子穿过神经细胞壁而引起的。如果这些原子之一处于叠加状态，然后与神经元发生碰撞就会在不到十亿分之一秒的时间内显示出该叠加的衰变。神经元释放信号至少需要一万亿倍的时间。

结果人们对大脑中量子效应的想法遭到了极大的怀疑，但彭罗斯（Penrose）不受这些论调的影响，并支持Orch-OR假设。尽管曾预测过细胞会出现超快退相干，研究人员却发现了对生物产生量子效应的证据。

一些人认为量子力学是由利用磁力导航的候鸟以及当它们利用阳光在光合作用中制造糖时的绿色植物所利用的。此外大脑可能使用量子技巧的想法没有消失的迹象。因为现在有另一种完全不同的说法。

磷能维持量子态吗？

研究人员认为大脑可能含有能够维持更强健的量子叠加分子，具体而言磷原子的核可能具有这种能力。磷原子在活细胞中无处不在，它们通常采用磷酸根离子的形式，其中一个磷原子与四个氧原子相连。

这些离子是细胞内能量的基本单位。细胞的大部分能量都存储在称为ATP的分子中，该分子包含一串与有机分子连接的三个磷酸基团，当其中一种磷酸盐被切掉时能量就会被释放出来供电池使用。

细胞具有将磷酸根离子分解成团并再次分裂的分子机制。费舍尔提出了一种方案，其中可以将两个磷酸根离子以一种特殊的叠加方式放置，称为“纠缠态”。

磷自旋即使在活细胞中也可以抵抗一天左右的退相干

磷核具有称为自旋的量子性质，这使其像极小的磁铁一样具有指向特定方向的磁极。在纠缠状态下，一个磷核的自旋取决于另一个磷核的自旋。

换句话说，纠缠态实际上是涉及多个量子粒子的叠加态。费舍尔说，这些核自旋的量子力学行为可以合理地抵抗人类时标上的退相干。量子振动将受到周围环境的强烈影响，“并且将几乎立即分解”。但是核自旋与其周围的环境相互作用不大。同样，必须“保护”磷核自旋中的量子行为免于退相干。

量子粒子可以具有不同的自旋，如果将磷原子掺入称为“波斯纳分子”的较大物体中，则可能会发生这种情况。这些是六个磷酸根离子结合九个钙离子的簇，有证据表明它们可以存在于活细胞中，尽管目前尚无定论。

神经细胞在突触处相连

但是费舍尔意识到，不同锂同位素的原子核可以具有不同的自旋。这种量子性质可能会影响锂药物的作用方式。例如，如果锂替代波斯纳分子中的钙，则锂自旋可能会“感觉”并影响磷原子的自旋，因此会干扰它们的纠缠。如果这是真的那将有助于解释为什么锂可以治疗躁郁症。

在这一点上，费舍尔的提议只不过是一个有趣的想法。但是有几种方法可以测试其合理性，首先是波斯纳分子中的磷自旋可以长时间保持其量子相干性。费舍尔接下来就是要这样做。尽管如此他对于早期关于“量子意识”的观点保持警惕，他认为这种观点充其量只是高度投机性的。大多数人希望意识和大脑可以脱离量子理论，反之亦然。毕竟我们甚至都不知道意识是什么更不用说有一个理论来描述它了。

我们都知道红色是什么样的，但是我们无法传达这种感觉

现在有一个致力于研究“量子意识”概念的新时代也无济于事，研究人员常常不好意思甚至在同一句话中分开提到“量子”和“意识”两个词。但撇开这一点，这个想法由来已久。自从“观察者效应”和头脑意识在早期就被最早引入量子理论以来，就很难将它们逐出魔鬼般添乱的行为。一些研究人员认为我们可能永远无法做到这一点。

著名的量子哲学家阿德里安·肯特（Adrian Kent）推测意识可能以微妙但可检测的方式改变量子系统的行为。 只是我们还不了解意识思想是如何运作的

肯特对这个想法非常谨慎。他承认没有令人信服的理由认为量子理论是试图建立意识理论的正确理论，或者量子理论的问题必须与意识问题有关。但是他说很难看到纯粹基于前量子物理学的意识描述如何解释它似乎具有的所有特征。

一个特别令人困惑的问题是我们的意识如何才能体验到独特的感觉，例如红色或煎培根的味道。除了有视觉障碍的人以外，我们都知道红色是什么样的，但是我们无法传达这种感觉，物理学上没有任何东西可以告诉我们红色应该是什么样。

这样的感觉被称为“ 量子效应的特性”。我们将它们视为外部世界的统一属性但实际上它们是我们意识的产物。

我们的意识如何运作？

研究人员肯特苦恼地说：“关于意识与物理学关系严肃的每条思路都陷入了深度的麻烦”。这促使他提出如果我们假设意识改变改变量子概率，我们就可以在理解意识进化问题上取得一些进展。

这使人们普遍嘲笑“量子意识”像是神秘的求爱，但它不会就此而消失。换句话说头脑可以真正影响测量的结果。在这种情况下它不能完全确定“什么是真实的”。但这会影响到量子力学所允许每种观测条件实际上都是我们所观察到事实的可能性，这是量子理论本身无法预测的，我们可能会通过实验寻找这种效果。

即与意识有关的特定事物会导致偏离量子理论，也许会有很高的可信度将在未来50年内通过实验检测出来。

如果发生这种情况时我们将获得关于物理学和意识之间的关系有新的认识。这似乎是一个值得探索的机会。

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