量子物理学可以解释意识吗?

科学中最重要的开放问题之一是我们的意识的建立方式。在1990年代,在赢得2020年诺贝尔物理学奖之前,他的黑洞预测,物理学

科学中最重要的开放问题之一是我们的意识的建立方式。

在1990年代,物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)与麻醉师斯图尔特·哈默夫(Stuart Hameroff)合作提出了一个雄心勃勃的答案,在1990年代很久以来就获得了2020年诺贝尔物理学奖。

他们声称大脑的神经元系统形成了一个复杂的网络,并且产生的意识应遵守量子力学规则 – 该理论决定了像电子这样的微小粒子如何移动。他们认为,这可以解释人类意识的神秘复杂性。

Penrose和Hameroff令人难以置信。通常仅发现量子机械定律适用于非常低的温度。例如,量子计算机目前在-272°C左右运行。在较高的温度下,经典力学接管。由于我们的身体在室温下工作,因此您希望它受物理的经典定律管辖。因此,量子意识理论已被许多科学家彻底驳回 – 尽管其他科学家被说服了。

我决定没有参加这场辩论,而是决定与来自中国的同事联手,由上海北大大学的Xian-Min Jin教授领导,以测试基于意识量子理论的一些原则。

在我们的新论文中,我们研究了量子粒子如何在像大脑这样的复杂结构中移动,但在实验室环境中。如果有一天可以将我们的发现与大脑中测得的活动进行比较,那么我们可能会更接近验证或解雇Penrose和Hameroff的有争议的理论。

大脑和分形

我们的大脑由称为神经元的细胞组成,它们的联合活性被认为会产生意识。每个神经元都包含微管,这些微管将物质传输到细胞的不同部位。量子意识的Penrose-Hameroff理论认为,微管是以分形模式结构的,可以使量子过程发生。属性是既不是二维也不是三维的结构,而是介于两者之间的某些分数值。在数学中,分形出现为美丽的图案,无限地重复自己,产生看似不可能的东西:一种具有有限区域的结构,但是无限的周边。

这听起来不可能可视化,但是分形实际上经常出现在自然界中。如果您仔细观察花椰菜或蕨类植物的树枝,您会发现它们都是由相同的基本形状组成的,一遍又一遍地重复,但在越来越小的尺度上。这是分形的关键特征。

如果您看着自己的身体,也会发生同样的情况:例如,肺的结构是分形的,循环系统中的血管也是如此。分形还具有麦克·埃舍尔(Mc Escher)和杰克逊·波洛克(Jackson Pollock)迷人的重复艺术品,并且已经在技术中使用了数十年,例如在天线设计中。这些都是经典分形的例子 – 遵守古典物理学定律而不是量子物理学的分形。

Escher圆极限III的扩展显示了其分形,重复的性质。 (vladimir-bulatov/deviantart,cc by-nc-sa)

很容易看出为什么分形被用来解释人类意识的复杂性。因为它们是无限复杂的,因此使复杂性从简单的重复模式中浮现出来,所以它们可能是支持我们思想神秘深度的结构。在大脑神经元内以分形模式移动。这就是为什么Penrose和Hameroff的建议被称为“量子意识”的理论。

量子意识

如果根本存在,我们尚无法测量大脑中量子分形的行为。但是先进的技术意味着我们现在可以在实验室中测量量子分形。在涉及扫描隧道显微镜(STM)的最新研究中,我在乌得勒支(Utrecht)的同事和我以分形模式仔细排列电子,创建了量子分形。

然后,当我们测量描述其量子状态的电子的波函数时,我们发现它们也生活在由我们制作的物理模式决定的分形尺寸上。在这种情况下,我们在量子标度上使用的模式是Sierpiński三角形,该形状是一维和二维之间的形状。

这是一个令人兴奋的发现,但是STM技术无法探测量子粒子如何移动 – 这将告诉我们更多有关大脑中量子过程如何发生的信息。因此,在我们的最新研究中,我在上海北北大学的同事们和我迈出了一步。使用最新的光子学实验,我们能够以前所未有的细节揭示分形内发生的量子运动。

我们通过将光子(光颗粒)注入人造芯片来实现这一目标,该芯片精心设计成小小的Sierpiński三角形。我们在三角形的尖端注射光子,并在称为量子传输的过程中观察它们如何在其整个分形结构中散布。然后,我们在两个不同的分形结构上重复了该实验,均为正方形,而不是三角形。在每个结构中,我们进行了数百个实验。我们还在称为Sierpiński地毯的方形分形上进行了实验。 (约翰内斯·罗斯塞尔/维基梅迪亚)

我们从这些实验中观察到的观察结果表明,量子分形实际上与经典的分形行为不同。具体而言,我们发现,与经典案例相比,在量子情况下,光的传播受量子案例不同的法律管辖。

对量子分形的新知识可以为科学家提供实验测试量子意识理论的基础。如果有一天从人的大脑中进行量子测量,则可以将它们与我们的结果进行比较,以确定意识是经典还是量子现象。

我们的工作也可能在科学领域产生深远的影响。通过在人工设计的分形结构中调查量子运输,我们可能已经采取了第一步,朝着物理,数学和生物学统一迈出了第一步,这可以极大地丰富我们对周围世界以及存在于我们脑海中的世界的理解。

乌得勒支大学理论物理学教授Cristiane de Morais Smith

原创文章,作者:互联世界,如若转载,请注明出处:http://www.dsonekey.com/3334.html

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

联系我们

400-800-8888

在线咨询:点击这里给我发消息

邮件:admin@example.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息