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脑和意识的量子力学机制

2017-08-17
量子力学,科学探索,脑和意识
脑和意识的量子力学机制

作者:剑桥大学哲学博士,科伦坡大学教授甘维尔·达玛瓦迪纳

国际脑研究项目讲座组项目

1999年12月9日,科伦坡

心理学家们常常习惯性地将心灵和肉体当作两个分离的实体来谈论,但是其中大多数都承认它们是密切地纠缠在一起的。然而没有人知道它们是如何纠缠的,或者说有多密切。所以心身问题顽固地抵抗着明确的解答。哲学家约翰·塞尔(加州大学伯克利校区的Mills讲座哲学教授)说,今天的哲学家们不愿意处理如人们一直在尝试的理解人们与宇宙的关系这样一些大的问题。

所 有这些都牵涉到难以琢磨的身心关系,而心又更广泛地涉及到脑心问题。对脑心关系的认识匮乏已经阻碍人们很长一段时间了。人们可以为此辩解说,这是因为直到 最近它都没有被当作是科学研究的对象的关系。心理学和相关科学已经持续很多年要么根本无视脑,要么最多将其当作一个黑箱,认为其操作结果可以在不涉及其内 部成分的情况下被理解。

人脑无疑是宇宙中最复杂的器官。它是物理的和生物的。因此可以用科学来研究它而不会受到哥德尔定理的干涉,哥德尔定理认为在数学体系中存在一些命题,它们虽然是真的,但却无法在这些体系中得到证明。

另一方面,意识既不是物理的也不是生物的,因此它是更加难以捉摸的研究对象。哥德尔定理相关的考虑也许在此处将要发挥作用。理解脑和意识的尝试一直主要遵循严格的牛顿经典科学并完全基于物质的领域。

虽然人的感觉理解能力和牛顿经典科学的范围局限于三维空间,但我们宇宙的范围却不局限于三维。我们宇宙中发生的许多自然现象超出了三维场景。因此假定脑和意识的运作机制仍然囚禁在牛顿的三维物质宇宙的疆界内是不切实际的。

几百年来在牛顿的宇宙中理解脑心问题的各种努力,引入了许多分割和概念。这些分割和概念已经成为从现代科学的观点,特别是从量子力学的观点重新看待脑心问题的障碍了。

在经典科学领域中想要解决超越经典科学问题的智力杂耍不可能产生任何正确的答案。

要尝试解释人脑运作机制并发展可以解释所有实际观察资料的意识模型,首先必须要抛弃传统的垃圾,清理场地。还必须要列举观察到的所有脑和意识的特性,并保证开发的模型要能解释所有这一切。

大家一致公认意识的处所在大脑。我们可以附和这一概念。哲学家Colin McGinn(美国Rutgers大学哲学教授)引进了脑的特性P。借助特性P,可认为脑是意识的基础;再借助与特性P相关的理论 T,则完全解释了意识对于脑的状态的依赖性。他补充说,如果我们知道了T,那么我们就对心身问题有了一个建设性的解答。

考虑脑的特性P是合理的,但是在这个阶段不应当排斥这样的可能性,正如诺贝尔奖获得者John Eccles 爵 士所指出的那样:意识的范围可能并不局限于人脑的范围内。这尤其是因为我们和许多其他人的很多实际观察清楚地显示出,意识时常能够完全脱离肉体。因此,我 们可以把我们的注意力集中在对三个因素的理解上,即意识的本质,使得意识在脑中运作的脑的特性以及解释脑的和意识如实际观察到的那样进行行为的模型。

物质的脑在很长的时间内已经得到了经典和现代科学家们很多的关注。经典科学关于大脑结构的说明和运作机制的阐释在医学和生物学教科书中很容易就能找到。大脑包括大约1.3 公斤的灰质,它是由几百亿叫做神经元的分化细胞组成,这些细胞具有类似电子计算机中晶体管电路的电子特性。像在晶体管电路中一样,这些细胞彼此连接起来, 在脑中由几千万亿这样的神经元-神经元连接。像在晶体管电路中一样,电信号由去极化电脉冲通过神经元来传输。这些电脉冲由其他神经元中的脉冲所激发、调节 或抑制,并被传递到其他的神经元。

然而神经网络和晶体管电路也有差别。在晶体管电路中,电脉冲由电子的迁移以近二分之一光速(1.5×108m/s)的高速运动跨越电路来传输,而在神经元中,电脉冲由比电子要重得多的离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)来传输。这个速度太慢了,不足以解释人类行动的速度。神经元之间的连接是通过生物化学的连接建立的,信号通过离子的释放从一个神经元经过这些连接传送到另一个神经元,而在晶体管电路中所有的连接完全是电的。

脑在人体中(从等级的观点看)是最复杂和最重要的器官,并且它是贪婪的能量消费者,每单位物质所消耗的能量比其他人体器官多十倍。几分钟不向大脑提供能量就会导致脑的实质性损伤并最终导致死亡。在神经元中所表达的蛋白质种类多达三万种,这比其他任何人体器官中都要多。

理解脑的结构和运作机制的重要性促使美国前总统乔治·布什宣布上世纪九十年代为脑的十年。EEG(Electro Encephalo Graph,脑电图)是原先用于研究大脑机制的技术。三种新的技术, PET ( Positron Emission Tomography,正电子发射型计算机断层成像), MRI(Magnetic Resonance Imaging,磁共振成像)和Magneto Encephalography(脑磁波图),在过去十年中出现并应用于研究脑的机制。这些技术使我们今天对脑功能的理解比之前的一、二十年提高了许多。

电脉冲以最高每秒120米 的速度传递也许可以恰当地解释某些人体内的有意识的功能,但是显然不适用于解释人类涉及到计算的行为和心灵。在计算机电路和脑细胞之间的相似性驱使脑研究 者们构建大脑的计算机模型。一开始他们尝试串行计算机,后来为了解释速度,并行计算机也参与进来了。今天计算机模型主导了大多数的脑研究。

然 而计算机模型在解释人类的思考速度方面比需要的要慢了许多个数量级。一位神经生理学家曾计算过,如果脑是标准的串行计算机或并行计算机,它将需要花费比宇 宙年龄更多的时间才能完成仅仅一个知觉事件所需的全部计算量,但是如果脑是量子计算机,它会立刻尝试所安排的数字的各种可能的组合,并整合其经验。

许多研究脑心问题的研究者们继续持有一种先验的假定,即意识是一种突现的属性。他们把意识当作另外一种属性来看待,从脑中穿梭的几千万亿电脉冲中作为属性P的结果涌现出来。按照这种假定,意识不过是由大脑中底层微观过程所导致的自然的生物现象,并不能很好地适应心灵和物质的传统范畴。然而基于我们和许多其他人所作的实际的观察,我们抛弃了这些假定,并将意识视为可以独立存在的非物质实体

对于OBE(离体经验)和NDE(濒 死经验)的观察显示,在身体处于一种麻痹状态或无活动状态时意识能够离体,从体外观察事件,之后再重新回到脑中。在身体重新恢复正常后,当事人可以叙述他 的意识在他的身体停止活动的状态时从体外的位置所观察到和听到的内容。其他的实验则显示了意识能够离开正在死亡的人,在周围漂浮着观察事物和事件,之后正 如Eccles指出的那样,意识将自身附着到一个未出生的婴儿开始另一个人的新生。

因此,意识是一种可以独立存在的非物质实体,而非一种属性。意识不是涌现,它可以停留在人脑中,并与人脑相互作用。通过脑的属性P控制人体。一旦属性P崩溃,意识就可以离开大脑并进入一种独立的漂浮的状态。

意 识的这种行为类似于电子进出原子的行为。电子是一种可以停留在原子中的量子实体,通过量子力学机制与围绕着原子核的电磁场相互作用,它本身是量子性质的, 只要原子的量子状态所获得的能量与电子所拥有的能量相匹配,电子就能稳定地停留在原子中。一旦原子与电子的能量不再相配,电子就转换到了另一个相配的状态 或者开始离开而成为一个自由电子。这个案例中,在原子中电子停留时的属性,电子的本性以及相关的原子模型是众所周知的。所有这些都是自然中的量子。

让我们来考虑意识的本性,脑的属性P以及可以圆满地解决脑心问题的模型。

意识的本质

给意识下定义被认为是一个非常困难的问题。意识这个词是有一个单一的意义,还是像“bank”和“palm”一样有两个意义?在我的母语(Sinhala)和梵文中,有两个分别的词与这个问题有关。梵文中的“Smruthi”和“Vignana”有两个分别的意义,而在英文中“consciousness ”则是个覆盖了这些意思的共通的词。

意识的“Vignana”意思是指可以独立存在的非物质实体,通过属性P与脑相互作用。让我们用意识来指这种实体。意识的“Smruthi”意思是由上述实体与正常运作的脑和感觉器官相互作用所产生出来的一种状态。它是当一个人被麻痹后或头部被重击后所丧失的东西。让我们用“S-意识”来指这种状态。

量子力学家Danah Zohar将意识描述为具有包括能知晓的普遍能力与能进行有目的的反应的某种事物。以此描述,她接受了意识一词以上两种意义。Roger Penrose(牛津大学Rouse Ball数学教授)把这两种意义称为积极意识和消极意识。

当一个人觉醒时,关于他或她的环境的信息是通过其感觉器官向其脑提供的。大脑加工和计算通过感觉器官向大脑提供的每秒千百万比特的信息,并将加工所得的信息提供给意识。

通过这一程序,意识可以觉知环境,我们说此人对他或她的环境具有S-意识。当这一意识和环境的联系被阻断,意识不能觉知其环境中的事件,我们说此人S-无意识。由此可以发现,当一个刺激提供给被麻痹者的一个感觉器官时,脑对刺激的所有处理工作就好象他或她没被麻痹时一样发生。物理与药理学家Susan Greenfield(牛津大学药理学教授和伦敦Gresham College物理学教授)指出,迄今尚无一人能指出发生在清醒状态时的事件并没有发生在麻痹者的脑中。

因此,当一个人处于S-无意识状态, 属性P 停顿而切断意识和脑的联系。

在这种状态下,意识能够离体,不靠感觉器官直接观察环境中的事件,将其保留在记忆中,并且在意识回到身体并重新建立其与脑的关系后能叙述所见到的内容,这些都是可能的。按照我们的观察,离体的意识具有视觉、听觉和嗅觉。

运用诸如PET和MRI 之 类的技术已经显示,由感官从刺激中接受数据、将数据传输到脑、计算和处理数据并将处理过的数据转送给意识,可以通过对人进行催眠的方式将以上这些程序进行 颠覆。例如,一位催眠师向一位催眠对象暗示,他或她正在看着红灯,在脑中发生了以上所有过程,就好象对象真的在看着红灯一样。

一个人描述他或她的意识在处于离体状态时所观察到的或听到的能力,使我们相信记忆至少部分地是非物质的。

几十年前,David Bohm指 出在我们的思维过程和量子过程的行为之间具有许多令人吃惊的相似性。例如,当思考一连串模糊思路时,集中注意力关注一个思路以便对其更清楚观察的行为会改 变原先的结果。正如由海森堡的测不准原理所支配的电子,被观察和测量后从来都不可能再和过去一样了,通过注意被关注的思想与在此之前模糊思考的结果不一 样。被关注的思想就像波粒二象性的粒子侧面具有“位置”,而模糊的思考就像波动侧面具有“动量”。这是量子实体特有的属性。

量子体系本质上是统一的,我们的思维过程也是如此。David Bohm说:“思维过程和量子体系在他们不能被过度分析为分离元素这一点上相类似。因为,每一个元素的‘内在’性质不是一种在与其他元素分离和独立的情况下存在的属性,相反是一种部分地起源于它与其他元素关系的属性。”

Danah Zohar再对意识像量子一样的行为进行分析后,得出结论,意识按照量子力学的规律运作。

我们可以得出结论,意识是一种量子力学的实体,当属性P提供必要的有利于意识与脑相互作用并在脑中运作的量子力学基础时,它可以具有独立的存在并可以在人脑中定位。当属性P瓦解,意识飞离并开始漂浮。它至少可以带走部分记忆的内容。它具有获得视觉、听觉和嗅觉信息的能力,尽管没有感觉器官与之相连。

脑的属性P使得脑与意识可以相互作用

在大多数解决心身问题的尝试中,都假定了计算机可以用于模仿或者模拟脑中的心灵的和神经-生物过程,而这可以解释意识。Roger Penrose指出,量子力学和哥德尔定理使我们抛弃这些假定。

John Searle指出,由神经元构成的大脑知晓它所处理的内容,而模仿脑的某些活动的被用作模型的计算机并不知道其内部正在处理的内容。 Penrose指出,在大脑中进行物理活动的某些事物激发了觉知。这个侧面超出了计算的范围。他还指出任何不可能发生错误的事物都不可能是智能,因此不可能错误的计算机不可能是智能。脑的计算机模型不能解释我们思维、知觉和感觉独特的不可分割性。

在大多数标准的脑模型中,心灵据信是从脑中穿过数十亿神经元的不断穿梭的千万亿信号中涌现出来的。按照力学原理建构起来的脑不可能解释属性P,它可以通过与意识相互作用创造S-意识。

最近由英国南安普顿大学的一组物理学家完成的一些EEG实验证实,思维过程是本质上是量子化的。在实验中测量了左脑和右脑的行动对左脑工作任务所产生的影响。他们发现,测量左脑时,EEG改善了左脑的表现,而测量右脑时,EEG干扰了右脑的表现。在另一实验中,发现测量左脑时,EEG使得右手的活动更加精确。

在 解决脑心问题中主要的障碍是脑-心如何将几百万分离的神经元活动捆在一起,形成一个知觉的整体经验。“我”或“自我”或“我的世界”的被感知到的整体性如 何从一个由如此多的部分——几十亿神经元组成的系统中涌现出来?什么创造了思维程序的“单一性”和“综合性”?什么创造了个体性和“我”性或“自我”?什 么创造了感觉、自由意志和创造性?

没有一个由彼此分离而相互作用的部分所组成的力学系统能够产生以上的内容。是脑中的什么结构创造了属性P,使得后者保证我们可以达到量子的王国?

已经清楚,要解释属性P,人们需要考虑宇宙中最有序和最一体化的结构。具有这两个特性——最有序和最一体化——的结构就是玻色-爱因斯坦凝聚态。

在 经典科学中,我们可以发现的最有序的结构就是晶体。晶体是刚硬的,不可移动的结构。在玻色-爱因斯坦凝聚态中,量子特性允许既具有“流动”的秩序也具有高 度的一体化。在玻色-爱因斯坦凝聚态中每一个粒子弥漫在所有的空间中,任何时候在任何容器中保持着凝聚态。它们许多的特性是相关的。它们像一个粒子一样整 体地行动。不存在“噪声”或者在分离的部分之间没有干涉。这就是为什么超流体和超导体具有其特殊无摩擦的性质而激光能变得如此一致的原因。超导体、超流体 和激光是玻色-爱因斯坦凝聚态。激光束的光子重叠其边界,并像单个光子行动,而整个系统可以用一个单个的方程来描述。

超导体、超流体和激光是或者温度很低,或者能量很高的系统。超导体和超流体在其远未达到室温之前就松开了量子的一致性。在室温下身体细胞中的量子一致性是由Herbert Frolich发现的。在此之前,物理学家Fritz Popp发现,生物组织当在合适的能量层次上受到刺激时能放射微弱的辉光。

生物组织的细胞壁包含了无数的蛋白质和脂肪分子,它们是电极化的。当一个细胞处于静止状态时,这些双极子的相位不同,以杂乱随机的方式排列。但是当它们受到刺激时,它们便剧烈地振荡或摇动并播散一个微弱的微波信号。Frolich发现,当流经细胞的能量达到一个临界的水平时,所有细胞壁双极分子整队并获得相同的相位。它们就像是突然地协同一致进行振荡。这种涌现的量子场是玻色-爱因斯坦凝聚态,具有与任何量子场一样的整体特性。

Dana Zohar指出离子通道在神经元中振荡是量子现象,这种现象产生了Frolich所说的那种一致的电场。离子通道(蛋白质分子)排列在个别神经元的膜壁上,它们响应由于刺激而导致的电流而开合。它们就像门户一样运作以让钠、钾和其他离子通过。

它们的尺度处于量子波动和重叠的效应能发挥作用的范围内。每一个通道当其振荡时产生一个微小的电场。当大量的离子通道(每一个神经元上有1千 万个)受到刺激协同开合时,整个神经元被激发,振荡穿过整个神经元产生了大规模的电场。某些神经元像领跑者,当领跑者神经元响应一个刺激振荡时,整个神经 束与其一起振荡。神经生物学家发现,当一个人看一个对象时,大脑皮层的所有神经元与感觉对象一起振荡,不管其在脑中的位置在什么地方。



Danah Zohar认为,原先的离子通道的振荡是量子现象,正如在Frolich系 统一样,产生了一个一致量子电场。它是玻色-爱因斯坦凝聚态。如此大规模跨越整个大脑的一致电场的存在,解释了完全不同的和相距遥远的神经元如何可以整合 其信息来产生一个整体的图景。相当晚近获得的在明显分离的时空的粒子之间非局域性的量子关联存在的证据,能够帮助我们理解这些效应。

玻 色-爱因斯坦凝聚态的关键特点是许多协助组成有序系统的部分不仅作为一个整体行为,而且它们变成一个整体。它们的特性融合并重叠,以这样一种方式以至于它 们完全丧失了其个体性。这是一种量子力学的特征。这样一种大规模的量子同步性存在于激光、超导体和超流体中,并能够对它们的特殊性质做出解释。只有这种量 子相关的凝聚状态才能解释思维程序的不可分割的整体性。

脑的属性P是非定位性量子的相互关联,或者说玻色-爱因斯坦凝聚态像上述那样行为,它在各种信息中创造了统一性,将它们引向有意义的整体。千百万每时每刻从感觉器官接收到的感觉资料传送到脑的各种不同分区,并由脑的计算设备加工处理。意识通过P获得这种经过加工处理的信息,并创造了一种整体的情景。

正是所有处理过的信息整合成单一的整体创造了作为一个人的同一性、自我或“我”性。这里P是脑的一致的非局域量子关联,它是一种涌现的属性。



脑-心和意识的模型

从上面的考虑可以提出一个三层次的脑-心和意识的模型,其中脑像三明治一样夹在身体和意识之间。这里脑-身联系是机械的,从经典科学角度的考虑很容易理解。身体和脑在爱因斯坦的空间-时间领域中运作,其中非局域性是受禁止的。

脑-意识联系由属性P建立,后者将脑与非局域性可以运作的量子领域联系起来。意识是量子领域中的可以独立存在的非物质实体。只要涌现出来的量子属性P有效,意识在脑中可以保持局域性,正如只要电子的能量与它所处的量子状态相匹配,量子实体的电子可以在原子中保持局域性一样。一旦属性P瓦解或者减弱,意识就可以离开大脑并成为一种漂浮的存在,就像一个电子如果获得了超额的能量就离开原子并开始作为一个自由电子那样开始漂浮的存在。如果属性P重新建立,意识能够返回脑中。

这一模型解释了所有观察到的意识属性包括NDE , OBE和转世轮回。既然所有以非定位量子关联方式的信息传输都是瞬间的,它解释了人类行动的速度,它可以扩展以解释诸如心灵感应这样的现象,它也解释了个体的同一性或者“我”性或自我。





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