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腦和意識的量子力學機制

2017-08-17
量子力學,科學探索,腦和意識
腦和意識的量子力學機制

作者:劍橋大學哲學博士,科倫坡大學教授甘維爾·達瑪瓦迪納

國際腦研究項目講座組項目

1999年12月9日,科倫坡

心理學家們常常習慣性地將心靈和肉體當作兩個分離的實體來談論,但是其中大多數都承認它們是密切地糾纏在一起的。然而沒有人知道它們是如何糾纏的,或者說有多密切。所以心身問題頑固地抵抗著明確的解答。哲學家約翰·塞爾(加州大學伯克利校區的Mills講座哲學教授)說,今天的哲學家們不愿意處理如人們一直在嘗試的理解人們與宇宙的關系這樣一些大的問題。

所 有這些都牽涉到難以琢磨的身心關系,而心又更廣泛地涉及到腦心問題。對腦心關系的認識匱乏已經阻礙人們很長一段時間了。人們可以為此辯解說,這是因為直到 最近它都沒有被當作是科學研究的對象的關系。心理學和相關科學已經持續很多年要么根本無視腦,要么最多將其當作一個黑箱,認為其操作結果可以在不涉及其內 部成分的情況下被理解。

人腦無疑是宇宙中最復雜的器官。它是物理的和生物的。因此可以用科學來研究它而不會受到哥德爾定理的干涉,哥德爾定理認為在數學體系中存在一些命題,它們雖然是真的,但卻無法在這些體系中得到證明。

另一方面,意識既不是物理的也不是生物的,因此它是更加難以捉摸的研究對象。哥德爾定理相關的考慮也許在此處將要發揮作用。理解腦和意識的嘗試一直主要遵循嚴格的牛頓經典科學并完全基于物質的領域。

雖然人的感覺理解能力和牛頓經典科學的范圍局限于三維空間,但我們宇宙的范圍卻不局限于三維。我們宇宙中發生的許多自然現象超出了三維場景。因此假定腦和意識的運作機制仍然囚禁在牛頓的三維物質宇宙的疆界內是不切實際的。

幾百年來在牛頓的宇宙中理解腦心問題的各種努力,引入了許多分割和概念。這些分割和概念已經成為從現代科學的觀點,特別是從量子力學的觀點重新看待腦心問題的障礙了。

在經典科學領域中想要解決超越經典科學問題的智力雜耍不可能產生任何正確的答案。

要嘗試解釋人腦運作機制并發展可以解釋所有實際觀察資料的意識模型,首先必須要拋棄傳統的垃圾,清理場地。還必須要列舉觀察到的所有腦和意識的特性,并保證開發的模型要能解釋所有這一切。

大家一致公認意識的處所在大腦。我們可以附和這一概念。哲學家Colin McGinn(美國Rutgers大學哲學教授)引進了腦的特性P。借助特性P,可認為腦是意識的基礎;再借助與特性P相關的理論 T,則完全解釋了意識對于腦的狀態的依賴性。他補充說,如果我們知道了T,那么我們就對心身問題有了一個建設性的解答。

考慮腦的特性P是合理的,但是在這個階段不應當排斥這樣的可能性,正如諾貝爾獎獲得者John Eccles 爵 士所指出的那樣:意識的范圍可能并不局限于人腦的范圍內。這尤其是因為我們和許多其他人的很多實際觀察清楚地顯示出,意識時常能夠完全脫離肉體。因此,我 們可以把我們的注意力集中在對三個因素的理解上,即意識的本質,使得意識在腦中運作的腦的特性以及解釋腦的和意識如實際觀察到的那樣進行行為的模型。

物質的腦在很長的時間內已經得到了經典和現代科學家們很多的關注。經典科學關于大腦結構的說明和運作機制的闡釋在醫學和生物學教科書中很容易就能找到。大腦包括大約1.3 公斤的灰質,它是由幾百億叫做神經元的分化細胞組成,這些細胞具有類似電子計算機中晶體管電路的電子特性。像在晶體管電路中一樣,這些細胞彼此連接起來, 在腦中由幾千萬億這樣的神經元-神經元連接。像在晶體管電路中一樣,電信號由去極化電脈沖通過神經元來傳輸。這些電脈沖由其他神經元中的脈沖所激發、調節 或抑制,并被傳遞到其他的神經元。

然而神經網絡和晶體管電路也有差別。在晶體管電路中,電脈沖由電子的遷移以近二分之一光速(1.5×108m/s)的高速運動跨越電路來傳輸,而在神經元中,電脈沖由比電子要重得多的離子以相比之下慢得多的每秒最多一百二十米的速度(1.2×102m/s)來傳輸。這個速度太慢了,不足以解釋人類行動的速度。神經元之間的連接是通過生物化學的連接建立的,信號通過離子的釋放從一個神經元經過這些連接傳送到另一個神經元,而在晶體管電路中所有的連接完全是電的。

腦在人體中(從等級的觀點看)是最復雜和最重要的器官,并且它是貪婪的能量消費者,每單位物質所消耗的能量比其他人體器官多十倍。幾分鐘不向大腦提供能量就會導致腦的實質性損傷并最終導致死亡。在神經元中所表達的蛋白質種類多達三萬種,這比其他任何人體器官中都要多。

理解腦的結構和運作機制的重要性促使美國前總統喬治·布什宣布上世紀九十年代為腦的十年。EEG(Electro Encephalo Graph,腦電圖)是原先用于研究大腦機制的技術。三種新的技術, PET ( Positron Emission Tomography,正電子發射型計算機斷層成像), MRI(Magnetic Resonance Imaging,磁共振成像)和Magneto Encephalography(腦磁波圖),在過去十年中出現并應用于研究腦的機制。這些技術使我們今天對腦功能的理解比之前的一、二十年提高了許多。

電脈沖以最高每秒120米 的速度傳遞也許可以恰當地解釋某些人體內的有意識的功能,但是顯然不適用于解釋人類涉及到計算的行為和心靈。在計算機電路和腦細胞之間的相似性驅使腦研究 者們構建大腦的計算機模型。一開始他們嘗試串行計算機,后來為了解釋速度,并行計算機也參與進來了。今天計算機模型主導了大多數的腦研究。

然 而計算機模型在解釋人類的思考速度方面比需要的要慢了許多個數量級。一位神經生理學家曾計算過,如果腦是標準的串行計算機或并行計算機,它將需要花費比宇 宙年齡更多的時間才能完成僅僅一個知覺事件所需的全部計算量,但是如果腦是量子計算機,它會立刻嘗試所安排的數字的各種可能的組合,并整合其經驗。

許多研究腦心問題的研究者們繼續持有一種先驗的假定,即意識是一種突現的屬性。他們把意識當作另外一種屬性來看待,從腦中穿梭的幾千萬億電脈沖中作為屬性P的結果涌現出來。按照這種假定,意識不過是由大腦中底層微觀過程所導致的自然的生物現象,并不能很好地適應心靈和物質的傳統范疇。然而基于我們和許多其他人所作的實際的觀察,我們拋棄了這些假定,并將意識視為可以獨立存在的非物質實體

對于OBE(離體經驗)和NDE(瀕 死經驗)的觀察顯示,在身體處于一種麻痹狀態或無活動狀態時意識能夠離體,從體外觀察事件,之后再重新回到腦中。在身體重新恢復正常后,當事人可以敘述他 的意識在他的身體停止活動的狀態時從體外的位置所觀察到和聽到的內容。其他的實驗則顯示了意識能夠離開正在死亡的人,在周圍漂浮著觀察事物和事件,之后正 如Eccles指出的那樣,意識將自身附著到一個未出生的嬰兒開始另一個人的新生。

因此,意識是一種可以獨立存在的非物質實體,而非一種屬性。意識不是涌現,它可以停留在人腦中,并與人腦相互作用。通過腦的屬性P控制人體。一旦屬性P崩潰,意識就可以離開大腦并進入一種獨立的漂浮的狀態。

意 識的這種行為類似于電子進出原子的行為。電子是一種可以停留在原子中的量子實體,通過量子力學機制與圍繞著原子核的電磁場相互作用,它本身是量子性質的, 只要原子的量子狀態所獲得的能量與電子所擁有的能量相匹配,電子就能穩定地停留在原子中。一旦原子與電子的能量不再相配,電子就轉換到了另一個相配的狀態 或者開始離開而成為一個自由電子。這個案例中,在原子中電子停留時的屬性,電子的本性以及相關的原子模型是眾所周知的。所有這些都是自然中的量子。

讓我們來考慮意識的本性,腦的屬性P以及可以圓滿地解決腦心問題的模型。

意識的本質

給意識下定義被認為是一個非常困難的問題。意識這個詞是有一個單一的意義,還是像“bank”和“palm”一樣有兩個意義?在我的母語(Sinhala)和梵文中,有兩個分別的詞與這個問題有關。梵文中的“Smruthi”和“Vignana”有兩個分別的意義,而在英文中“consciousness ”則是個覆蓋了這些意思的共通的詞。

意識的“Vignana”意思是指可以獨立存在的非物質實體,通過屬性P與腦相互作用。讓我們用意識來指這種實體。意識的“Smruthi”意思是由上述實體與正常運作的腦和感覺器官相互作用所產生出來的一種狀態。它是當一個人被麻痹后或頭部被重擊后所喪失的東西。讓我們用“S-意識”來指這種狀態。

量子力學家Danah Zohar將意識描述為具有包括能知曉的普遍能力與能進行有目的的反應的某種事物。以此描述,她接受了意識一詞以上兩種意義。Roger Penrose(牛津大學Rouse Ball數學教授)把這兩種意義稱為積極意識和消極意識。

當一個人覺醒時,關于他或她的環境的信息是通過其感覺器官向其腦提供的。大腦加工和計算通過感覺器官向大腦提供的每秒千百萬比特的信息,并將加工所得的信息提供給意識。

通過這一程序,意識可以覺知環境,我們說此人對他或她的環境具有S-意識。當這一意識和環境的聯系被阻斷,意識不能覺知其環境中的事件,我們說此人S-無意識。由此可以發現,當一個刺激提供給被麻痹者的一個感覺器官時,腦對刺激的所有處理工作就好象他或她沒被麻痹時一樣發生。物理與藥理學家Susan Greenfield(牛津大學藥理學教授和倫敦Gresham College物理學教授)指出,迄今尚無一人能指出發生在清醒狀態時的事件并沒有發生在麻痹者的腦中。

因此,當一個人處于S-無意識狀態, 屬性P 停頓而切斷意識和腦的聯系。

在這種狀態下,意識能夠離體,不靠感覺器官直接觀察環境中的事件,將其保留在記憶中,并且在意識回到身體并重新建立其與腦的關系后能敘述所見到的內容,這些都是可能的。按照我們的觀察,離體的意識具有視覺、聽覺和嗅覺。

運用諸如PET和MRI 之 類的技術已經顯示,由感官從刺激中接受數據、將數據傳輸到腦、計算和處理數據并將處理過的數據轉送給意識,可以通過對人進行催眠的方式將以上這些程序進行 顛覆。例如,一位催眠師向一位催眠對象暗示,他或她正在看著紅燈,在腦中發生了以上所有過程,就好象對象真的在看著紅燈一樣。

一個人描述他或她的意識在處于離體狀態時所觀察到的或聽到的能力,使我們相信記憶至少部分地是非物質的。

幾十年前,David Bohm指 出在我們的思維過程和量子過程的行為之間具有許多令人吃驚的相似性。例如,當思考一連串模糊思路時,集中注意力關注一個思路以便對其更清楚觀察的行為會改 變原先的結果。正如由海森堡的測不準原理所支配的電子,被觀察和測量后從來都不可能再和過去一樣了,通過注意被關注的思想與在此之前模糊思考的結果不一 樣。被關注的思想就像波粒二象性的粒子側面具有“位置”,而模糊的思考就像波動側面具有“動量”。這是量子實體特有的屬性。

量子體系本質上是統一的,我們的思維過程也是如此。David Bohm說:“思維過程和量子體系在他們不能被過度分析為分離元素這一點上相類似。因為,每一個元素的‘內在’性質不是一種在與其他元素分離和獨立的情況下存在的屬性,相反是一種部分地起源于它與其他元素關系的屬性。”

Danah Zohar再對意識像量子一樣的行為進行分析后,得出結論,意識按照量子力學的規律運作。

我們可以得出結論,意識是一種量子力學的實體,當屬性P提供必要的有利于意識與腦相互作用并在腦中運作的量子力學基礎時,它可以具有獨立的存在并可以在人腦中定位。當屬性P瓦解,意識飛離并開始漂浮。它至少可以帶走部分記憶的內容。它具有獲得視覺、聽覺和嗅覺信息的能力,盡管沒有感覺器官與之相連。

腦的屬性P使得腦與意識可以相互作用

在大多數解決心身問題的嘗試中,都假定了計算機可以用于模仿或者模擬腦中的心靈的和神經-生物過程,而這可以解釋意識。Roger Penrose指出,量子力學和哥德爾定理使我們拋棄這些假定。

John Searle指出,由神經元構成的大腦知曉它所處理的內容,而模仿腦的某些活動的被用作模型的計算機并不知道其內部正在處理的內容。 Penrose指出,在大腦中進行物理活動的某些事物激發了覺知。這個側面超出了計算的范圍。他還指出任何不可能發生錯誤的事物都不可能是智能,因此不可能錯誤的計算機不可能是智能。腦的計算機模型不能解釋我們思維、知覺和感覺獨特的不可分割性。

在大多數標準的腦模型中,心靈據信是從腦中穿過數十億神經元的不斷穿梭的千萬億信號中涌現出來的。按照力學原理建構起來的腦不可能解釋屬性P,它可以通過與意識相互作用創造S-意識。

最近由英國南安普頓大學的一組物理學家完成的一些EEG實驗證實,思維過程是本質上是量子化的。在實驗中測量了左腦和右腦的行動對左腦工作任務所產生的影響。他們發現,測量左腦時,EEG改善了左腦的表現,而測量右腦時,EEG干擾了右腦的表現。在另一實驗中,發現測量左腦時,EEG使得右手的活動更加精確。

在 解決腦心問題中主要的障礙是腦-心如何將幾百萬分離的神經元活動捆在一起,形成一個知覺的整體經驗。“我”或“自我”或“我的世界”的被感知到的整體性如 何從一個由如此多的部分——幾十億神經元組成的系統中涌現出來?什么創造了思維程序的“單一性”和“綜合性”?什么創造了個體性和“我”性或“自我”?什 么創造了感覺、自由意志和創造性?

沒有一個由彼此分離而相互作用的部分所組成的力學系統能夠產生以上的內容。是腦中的什么結構創造了屬性P,使得后者保證我們可以達到量子的王國?

已經清楚,要解釋屬性P,人們需要考慮宇宙中最有序和最一體化的結構。具有這兩個特性——最有序和最一體化——的結構就是玻色-愛因斯坦凝聚態。

在 經典科學中,我們可以發現的最有序的結構就是晶體。晶體是剛硬的,不可移動的結構。在玻色-愛因斯坦凝聚態中,量子特性允許既具有“流動”的秩序也具有高 度的一體化。在玻色-愛因斯坦凝聚態中每一個粒子彌漫在所有的空間中,任何時候在任何容器中保持著凝聚態。它們許多的特性是相關的。它們像一個粒子一樣整 體地行動。不存在“噪聲”或者在分離的部分之間沒有干涉。這就是為什么超流體和超導體具有其特殊無摩擦的性質而激光能變得如此一致的原因。超導體、超流體 和激光是玻色-愛因斯坦凝聚態。激光束的光子重疊其邊界,并像單個光子行動,而整個系統可以用一個單個的方程來描述。

超導體、超流體和激光是或者溫度很低,或者能量很高的系統。超導體和超流體在其遠未達到室溫之前就松開了量子的一致性。在室溫下身體細胞中的量子一致性是由Herbert Frolich發現的。在此之前,物理學家Fritz Popp發現,生物組織當在合適的能量層次上受到刺激時能放射微弱的輝光。

生物組織的細胞壁包含了無數的蛋白質和脂肪分子,它們是電極化的。當一個細胞處于靜止狀態時,這些雙極子的相位不同,以雜亂隨機的方式排列。但是當它們受到刺激時,它們便劇烈地振蕩或搖動并播散一個微弱的微波信號。Frolich發現,當流經細胞的能量達到一個臨界的水平時,所有細胞壁雙極分子整隊并獲得相同的相位。它們就像是突然地協同一致進行振蕩。這種涌現的量子場是玻色-愛因斯坦凝聚態,具有與任何量子場一樣的整體特性。

Dana Zohar指出離子通道在神經元中振蕩是量子現象,這種現象產生了Frolich所說的那種一致的電場。離子通道(蛋白質分子)排列在個別神經元的膜壁上,它們響應由于刺激而導致的電流而開合。它們就像門戶一樣運作以讓鈉、鉀和其他離子通過。

它們的尺度處于量子波動和重疊的效應能發揮作用的范圍內。每一個通道當其振蕩時產生一個微小的電場。當大量的離子通道(每一個神經元上有1千 萬個)受到刺激協同開合時,整個神經元被激發,振蕩穿過整個神經元產生了大規模的電場。某些神經元像領跑者,當領跑者神經元響應一個刺激振蕩時,整個神經 束與其一起振蕩。神經生物學家發現,當一個人看一個對象時,大腦皮層的所有神經元與感覺對象一起振蕩,不管其在腦中的位置在什么地方。



Danah Zohar認為,原先的離子通道的振蕩是量子現象,正如在Frolich系 統一樣,產生了一個一致量子電場。它是玻色-愛因斯坦凝聚態。如此大規模跨越整個大腦的一致電場的存在,解釋了完全不同的和相距遙遠的神經元如何可以整合 其信息來產生一個整體的圖景。相當晚近獲得的在明顯分離的時空的粒子之間非局域性的量子關聯存在的證據,能夠幫助我們理解這些效應。

玻 色-愛因斯坦凝聚態的關鍵特點是許多協助組成有序系統的部分不僅作為一個整體行為,而且它們變成一個整體。它們的特性融合并重疊,以這樣一種方式以至于它 們完全喪失了其個體性。這是一種量子力學的特征。這樣一種大規模的量子同步性存在于激光、超導體和超流體中,并能夠對它們的特殊性質做出解釋。只有這種量 子相關的凝聚狀態才能解釋思維程序的不可分割的整體性。

腦的屬性P是非定位性量子的相互關聯,或者說玻色-愛因斯坦凝聚態像上述那樣行為,它在各種信息中創造了統一性,將它們引向有意義的整體。千百萬每時每刻從感覺器官接收到的感覺資料傳送到腦的各種不同分區,并由腦的計算設備加工處理。意識通過P獲得這種經過加工處理的信息,并創造了一種整體的情景。

正是所有處理過的信息整合成單一的整體創造了作為一個人的同一性、自我或“我”性。這里P是腦的一致的非局域量子關聯,它是一種涌現的屬性。



腦-心和意識的模型

從上面的考慮可以提出一個三層次的腦-心和意識的模型,其中腦像三明治一樣夾在身體和意識之間。這里腦-身聯系是機械的,從經典科學角度的考慮很容易理解。身體和腦在愛因斯坦的空間-時間領域中運作,其中非局域性是受禁止的。

腦-意識聯系由屬性P建立,后者將腦與非局域性可以運作的量子領域聯系起來。意識是量子領域中的可以獨立存在的非物質實體。只要涌現出來的量子屬性P有效,意識在腦中可以保持局域性,正如只要電子的能量與它所處的量子狀態相匹配,量子實體的電子可以在原子中保持局域性一樣。一旦屬性P瓦解或者減弱,意識就可以離開大腦并成為一種漂浮的存在,就像一個電子如果獲得了超額的能量就離開原子并開始作為一個自由電子那樣開始漂浮的存在。如果屬性P重新建立,意識能夠返回腦中。

這一模型解釋了所有觀察到的意識屬性包括NDE , OBE和轉世輪回。既然所有以非定位量子關聯方式的信息傳輸都是瞬間的,它解釋了人類行動的速度,它可以擴展以解釋諸如心靈感應這樣的現象,它也解釋了個體的同一性或者“我”性或自我。





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本欄目主要介紹科學探索發現方面,包括現代科學研究探索、探索奧秘、宇宙探索科學、科學探索未解之謎、腦和意識的量子力學機制等。特別關注有關人與文化的價值方面的研究。

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