量子力學可以解釋意識問題嗎?相信在被問到這一問題時,大多數人的臉上都充滿了疑惑。或許在他們看來,意識只是人腦內神經信息之間複雜的計算行為,是一種生物現象,它又如何能和量子力學這一描述微觀世界中粒子運動規律的物理學產生關聯呢?然而,意識研究的過往事實卻對此提出了反駁。自20世紀下半葉以來,有關從大腦中尋找量子效應的研究就從未停止過。梅沢博臣(Hiroomi Umezawa)、赫伯特·弗洛裡希(Herbert Fr hlich)、馬裡·吉布(Mari Jibu)和庫尼奧·雅蘇(Kunio Yasue)等人先後進行了相應的研究。在他們看來,人腦內包含著大量的生物分子和原子,由它們所構成的人腦就如量子系統,也同樣遵循著量子力學規律。例如,梅沢博臣從腦量子場論出發,將記憶等意識現象理解為大腦皮層場中能量子的能量交換的結果。弗洛裡希認為,神經細胞膜中的量子在電荷振蕩過程中會凝聚成具有量子相干性的同種狀態,即玻色—愛因斯坦凝聚態。吉布和雅蘇則認為,腦量子場中皮層子和玻色子的運動就是量子信息的傳遞過程,它最終導致腦皮層中的量子相干態的形成。總的來說,這些研究都是從量子相干態或疊加態角度,將人腦內的神經活動描述為相應的量子活動。從而也向我們表明,意識不僅是單純的生物性現象,它還和量子力學極為有關,同樣可以從量子力學角度得到合理的解釋。
如上所述,對量子大腦的研究啟示我們不應僅僅將人腦視為單純的生物腦,還需認識到大腦中時刻進行著量子活動,是具有量子效應的量子腦。20世紀90年代初,神經生理學家弗雷德裡希·貝克(Friedrich Beck)和約翰·埃克爾斯(John Eccles)就通過實驗發現,神經傳遞分子沿著軸突的末端從一個神經細胞傳遞到另一個神經細胞的樹突前端時,其傳遞值並不是等於1的整體事件,而是小於1的概率性事件,它就如量子的不確定性機制,是一種具有量子活動規律的概率性事件。貝克和埃克爾斯由此認為,之所以人會具有自由意志或精神意圖這樣的特殊意識現象,恰是由單個神經傳遞分子具有概率性的傳遞機製造成的。由於我們大腦皮層的樹突叢中包含無以計數的突觸連接,因而人腦中就具有數量龐大的量子傳遞行為,這必然會導致精神現象的隨機性和自由性,即所謂的自由意志。貝克和埃克爾斯從實驗層面對大腦深處的量子效應進行了深入研究,為量子力學解釋意識問題提供了可靠的實驗依據。那麼,量子力學解釋意識問題的理論又是什麼呢?
20世紀90年代中期,曾與霍金一同創立現代時空理論的英國傑出數學家、物理學家和科學哲學家、牛津大學數學系名譽教授羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)與美國亞利桑那大學麻醉學系和心理學系名譽教授、意識研究中心主任斯圖亞特·哈梅洛夫(Stuart Hameroff)共同提出了一種新的意識理論:調諧的客觀還原理論(Orchestrated Objective Reduction Theory,簡稱Orch OR),該理論認為,意識是微管中量子引力所引起的波函數坍縮的結果。應該如何來理解Orch OR理論關於意識的觀點呢?我們不妨先從其理論構成基礎來看。Orch OR理論的構建基礎主要包括客觀還原論(Objective Reduction,簡稱OR)和神經元微管結構理論,前者由彭羅斯所創立,後者則主要歸功於哈梅洛夫的工作。在彭羅斯看來,意識是量子時空結構中的產物,它和宇宙緊密聯繫,而描述意識和宇宙之間關係的理論就是OR理論。關於OR理論,它是指從客觀還原的角度來描述波函數在量子時空結構中坍縮的量子理論,與之前哥本哈根從意識坍縮波函數的觀點來解釋量子系統中波函數的坍縮不同,OR理論認為,波函數的坍縮是由量子引力導致的,所以是客觀的還原,以此區別於哥本哈根關于波函數坍縮的主觀還原解釋。彭羅斯認為,在量子系統中,由於粒子疊加態中各態的時空幾何在質量和能量上的分布不均,因而它們時刻處於非常不穩定的狀態。這樣,當量子引力能量(EG)達到一定的臨界值時,疊加的時空幾何就會發生坍縮,即客觀還原(OR)的出現。在彭羅斯和哈梅洛夫看來,神經元微管的精細生物結構具備量子效應產生的相關條件。微管是細胞骨架的主要構成部分,它是長度從幾百納米到幾米不等空管狀結構,直徑約為25納米,內部包含了13根由微管蛋白所組成的纖維柱。在微管表面,鑲嵌著由α單體和β單體組合而成花生狀的微管蛋白,其內部是具有電性或磁性的偶極子(dipole)。這樣的特殊結構使得相鄰微管蛋白在微管自身振蕩過程中能夠產生構像上的相互轉換,進而導致微管蛋白內的偶極子產生運動狀態的耦合態,即量子疊加效應。這樣,根據OR理論,意識是量子時空結構中量子引力所導致的波函數坍縮的結果。那麼,由於在微管內同樣存在著量子疊加效應,在量子引力達到一定的臨界值而引起其中的疊加態發生坍縮時,意識也就出現了,或說客觀還原發生在微管中。
我們可以看出,Orch OR理論不再將意識拘泥於傳統複雜的神經計算,而是從量子力學和神經元微管角度來構建對意識的描述,可以說在意識解釋上是極具創新性的。然而,Orch OR理論也面臨著一個非常棘手的問題,那就是,微管中量子疊加態持續的時間是否足夠引起意識。我們知道,量子疊加態是非常脆弱的量子現象,只要稍微受到外界的幹擾,就會發生坍縮而引發退相干。而我們大腦是個又熱又溼的生物環境,勢必時刻幹擾著微管中的量子疊加態。而且,在Orch OR理論中,彭羅斯和哈梅洛夫計算出微管中量子疊加態持續的時間僅僅為10—20到10—13秒,這麼短的時間如何能引起意識呢?針對這個問題,彭羅斯和哈梅洛夫也未能給出令人信服的回答。Orch OR理論對意識解釋的合理性也由此大打折扣。
然而,近年來,美國加州大學聖塔巴巴拉分校的維理理論物理研究中心教授馬修·費舍爾(Matthew Fisher)的研究則有望為Orch OR理論提供支持。不同於Orch OR理論從微管結構中尋找量子效應,費舍爾則從波斯納分子中來尋找相應的線索。所謂的波斯納分子是一個包含了6個磷原子的分子結構,它大量地存在於神經細胞外液中。費舍爾推測,與自然界中原子的原子核具有自旋性質一樣,磷原子核也同樣如此。由於原子核自旋的方向並不是一致性的,那麼,相鄰波斯納分子內的磷原子在原子核的自旋過程中就會產生量子糾纏態。而大量的波斯納分子所組成的波斯納分子集群內就存在著更為複雜和數量龐大的糾纏態,當它們參與到大腦內的化學反應過程中時,就會影響神經元信號的傳遞行為,進而影響我們的思維和記憶等意識現象。同樣的問題是,磷原子核的糾纏態的時間是否足夠引起意識呢?費舍爾經過詳細的計算,最終確定磷原子核糾纏態時間預估可以達到105秒。這樣的結論對彭羅斯來說的確是個好消息,它可以大大緩解人們對於Orch OR理論的質疑。不僅如此,近年來,還不斷有新的研究表明生物過程中也包含著較長時間的量子相干性。例如,2007年,克裡尼等人就通過對蛋白質的研究表明,蛋白質不僅在光合作用過程中存在著量子相干性,而且其持續的時間甚至和蛋白質本身存在時間相等。2010年,《物理評論快報》上也有文章聲稱,生物系統中的疊加和糾纏態時間可以持續至100秒,超過了某些人造分子所能持續的時間。對此,牛津大學教授維拉特科·弗德拉(Vlatko Vedral)就指出,認為人腦溫暖溼潤的環境無法擁有足夠引起意識的有效量子相干性的想法不免過於簡單,對量子意識的研究我們還需給予更多的期待。
(作者單位:東南大學人文學院)