量子物理学可以解释意识吗?迷人的研究需要我们更接近发现的一步

意识的概念

一些科学家认为意识是由量子过程产生的,但该理论尚未经验经验测试。

科学中最重要的开放问题之一是我们的意识是如何建立的。在1990年代,之前赢得2020诺贝尔物理学奖,为他的黑洞预测,物理学家罗杰Penrose与麻醉师斯图尔特·哈默罗夫一起提出雄心勃勃的答案。

他们声称大脑的神经元系统形成了一个错综复杂的网络,而由此产生的意识应该遵守规则量子力学-决定像电子这样的微小粒子如何运动的理论。他们认为,这可以解释人类意识的神秘复杂性。

彭罗斯和汉默若夫遭到了怀疑。量子力学定律通常只适用于非常低的温度.例如,量子计算机目前的运行速度大约是-272°C.在更高的温度下,经典力学取而代之。因为我们的身体在室温下工作,你会认为它受经典物理定律的支配。由于这个原因,量子意识理论一直被彻底由许多科学家 - 虽然其他科学家说服的支持者

我没有参与这场辩论,而是决定与上海交通大学金贤民教授领导的中国同事一起,检验支撑意识量子理论的一些原则。

我们的新论文,我们已经研究了量子粒子如何在大脑中以复杂的结构移动 - 但在实验室设置中。如果我们的发现可以将有一天与大脑中测量的活动进行比较,我们可能会越来越近验证或驳回Penrose和Hameroff的一步有争议的理论

大脑和分形

我们的大脑是由称为神经元的细胞组成的,它们的联合活动被认为产生意识。每个神经元都包含微管,它将物质输送到细胞的不同部分。Penrose-Hameroff量子意识理论认为微管的结构是分形模式这将使量子流程发生。

分形既不是二维的也不是三维的结构,而是介于两者之间的分数值。在数学中,分形表现为美丽的图案它们会无限重复,产生看似不可能的东西:一个面积有限,周长无限的结构。

这听起来可能不可能可视化,但分形实际上经常出现在自然界中.如果你仔细观察一个菜花或分支机构蕨类植物的,你会发现它们都以同样的基本形状一遍又一遍地,但较小和更小的尺度。这是分形的关键特征。

同样的情况也会发生在你自己的身体内部你的肺部是分形的,就像血管在你的循环系统。分形也在迷人的重复艺术品MC埃舍尔杰克逊·波洛克,它们已经在科技领域使用了几十年,比如天线的设计.这些都是经典分形的例子——遵循经典物理定律而不是量子物理定律的分形。

埃舍尔圆极限

埃舍尔圆极限III的扩展展示了其分形、重复的本质。信贷:Vladimir-Bulatov / da,CC BY-NC-SA

很容易理解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,允许复杂从简单的重复模式中浮现出来,它们可能是支撑我们神秘心灵深处的结构。

但如果是这样的话,它只能在量子层面上发生,即微小粒子在大脑神经元中以分形模式移动。这就是为什么Penrose和Hameroff的提议被称为“量子意识”理论的原因。

量子意识

我们还无法测量量子分形在大脑中的行为——如果它们真的存在的话。但先进的技术意味着我们现在可以在实验室里测量量子分形。在最近的研究涉及扫描隧道显微镜(STM),我和我在乌得勒支的同事小心地将电子排列成分形图案,创造了量子分形。

当我们测量电子的波函数时,它描述了电子的量子态,我们发现它们也生活在由我们所做的物理模式所决定的分形维数中。在这种情况下,我们在量子尺度上使用的模式是Sierpiński三角形,这是一维和二维之间的某个形状。

这是一个令人兴奋的发现,但STM技术无法探测量子粒子的移动方式 - 这将告诉我们更多关于脑中的量子过程如何发生的情况。所以在我们的最新研究,我在上海交通大学的同事,我进一步走了一步。使用最先进的光子学实验,我们能够揭示在前所未有的细节中发生分数术中发生的量子运动。

我们通过注入光子这个人造芯片被精心设计成一个极小的Sierpiński三角形。我们在三角形的顶端注入光子,观察它们如何在分形结构中扩散,这个过程叫做量子运输.然后,我们在两个不同的分形结构上重复了这个实验,两种形状为正方形而不是三角形。在这些结构中,我们进行了数百个实验。

Sierpiński地毯分形

我们还对名为Sierpiński地毯的方形分形进行了实验。信贷:约翰Rossel /维基

我们从这些实验中观察到,量子分形实际上与经典分形的行为方式不同。具体来说,我们发现在量子情况下,光在分形上的传播受不同的法则支配。

这种关于量子分形的新知识可以为科学家们提供实验验证量子意识理论的基础。如果有一天对人类大脑进行量子测量,可以将它们与我们的结果进行比较,从而确定意识是经典的还是量子现象。

我们的工作也可能在科学领域产生深远的影响。通过研究我们人工设计的分形结构中的量子传输,我们可能已经朝着物理学、数学和生物学的统一迈出了微小的第一步,这将极大地丰富我们对周围世界以及存在于我们头脑中的世界的理解。yabo124

作者克里斯蒂安·德·莫莱斯·史密斯,乌得勒支大学理论物理学教授。

最初发表在谈话谈话

3评论关于“意识可以用量子物理学来解释吗?”令人着迷的研究让我们离找出答案更近了一步。”

  1. 令人着迷。分形量子。我已经收到科技的邮件了。谢谢

  2. 这种关于量子物理和智能思维之间联系的建议不时出现,但在许多层面上都是完全错误的。

    人类所需要的推理,感知和规划需要是健壮的和有组织的,它本质上是一个大规模的工程项目,由进化机制设计。

    这里唯一的巨大连接是概率似乎描述了量子物理学,以及大脑中的过程,在任何一个地方检查,似乎是概率,但这是唯一的相似性。大脑的电路已被“设计”以去除或在随机性周围工作,以便足够可靠地表现得足以让人类生存。随机性和噪音是工程系统中每种抽象级别的敌人。您不需要以随机性源以获得看似随机行为。任何复杂的数字逻辑电路,而在门级确定态度,很快就会似乎混乱而随机,如果你随意偷看成一些电线。

    This argument is usually made by physicists who have very little intuition about computation and computer engineering, and basically make the argument that “consciousness is complicated and we don’t understand it and looks kind of random, and quantum physics is complicated and appears kind of random, so they are the same thing”. As a theory it is “not even wrong” to quote Pauli

  3. 亨利,您的假设大脑是“工程项目”是荒谬的,无法衡量。无论是有什么理由相信大脑甚至类似于现代计算系统,生物系统遵守自然复杂的法律。绝对有效,认为意识完整描述是不完整的,而不包含在分子水平处发生的量子力学效果。

    也许物理学家对计算没有什么直觉(这有点不太可能,因为我们曾参与开发该领域),但我发现你们不仅缺乏直觉,而且对非线性系统如何产生复杂行为缺乏最基本的理解。此外,如果您了解统计物理的基础知识,您就会意识到概率描述可能导致看似确定的结果。毕竟,进化的力量是将生物系统内在的随机性导向适应

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