量子物理学来解释意识–新研究
科学中最重要的开放性问题之一是我们的意识是如何建立的。在 1990 年代，早在因对黑洞的预测而获得 2020 年诺贝尔物理学奖之前，物理学家罗杰彭罗斯与麻醉学家斯图尔特哈默罗夫合作提出了一个雄心勃勃的答案。这项研究可以证实或驳回彭罗斯和哈梅洛夫的有争议的理论.
他们声称大脑的神经元系统形成了一个复杂的网络，由此产生的意识应该遵守量子力学的规则——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。
彭罗斯和哈梅洛夫遭到了怀疑。量子力学定律通常只适用于非常低的温度。例如，量子计算机目前在 -272°C 左右运行。在更高的温度下，经典力学接管。由于我们的身体在室温下工作，您会期望它受经典物理定律的支配。出于这个原因，量子意识理论已被许多科学家彻底驳回——尽管其他人被说服了支持者。
我没有参与这场辩论，而是决定与上海交通大学金贤敏教授领导的中国同事联手，测试支撑量子意识理论的一些原则。
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。如果有一天我们的发现可以与大脑中测量的活动进行比较，我们可能离验证或驳回彭罗斯和哈默洛夫有争议的理论又近了一步。
大脑和分形
我们的大脑由称为神经元的细胞组成，它们的综合活动被认为会产生意识。每个神经元都包含微管，将物质运输到细胞的不同部分。 Penrose-Hameroff 量子意识理论认为，微管以分形模式构建，这将使量子过程发生。
分形是既不是二维也不是三维的结构，而是介于两者之间的一些分数值。在数学中，分形以美丽的模式出现，无限重复，产生看似不可能的东西：一种面积有限但周长无限的结构。
这听起来可能无法想象，但分形实际上在自然界中经常发生。 如果你仔细观察花椰菜的小花或蕨类植物的枝条，你会发现它们都是由相同的基本形状组成，一遍又一遍地重复自己，但规模越来越小。 这是分形的一个关键特征。
如果您查看自己的身体内部，也会发生同样的情况：例如，您的肺部结构是分形的，循环系统中的血管也是如此。 分形也出现在 MC Escher 和 Jackson Pollock 迷人的重复艺术作品中，并且它们已经在技术中使用了几十年，例如在天线设计中。 这些都是经典分形的例子——遵守经典物理学而不是量子物理学定律的分形。
埃舍尔圆极限 III 的扩展显示了它的分形、重复性质。很容易理解为什么分形被用来解释人类意识的复杂性。因为它们无限复杂，允许从简单重复的模式中出现复杂性，它们可能是支持我们思想深处的结构。
但如果是这种情况，它只能发生在量子水平上，微小粒子在大脑神经元内以分形模式移动。这就是为什么彭罗斯和哈默洛夫的提议被称为“量子意识”理论。
量子意识
我们还不能测量大脑中量子分形的行为——如果它们存在的话。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。在最近的一项涉及扫描隧道显微镜 (STM) 的研究中，我和我在乌得勒支的同事们小心翼翼地将电子排列成分形图案，创造了一个量子分形。
然后，当我们测量描述电子量子态的波函数时，我们发现它们也生活在我们制作的物理模式所决定的分形维数上。在这种情况下，我们在量子尺度上使用的模式是谢尔宾斯基三角形，它是一种介于一维和二维之间的形状。
这是一个令人兴奋的发现，但 STM 技术无法探测量子粒子如何运动——这将告诉我们更多关于量子过程如何在大脑中发生的信息。 所以在我们最新的研究中，我和上海交通大学的同事更进了一步。 使用最先进的光子学实验，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（光粒子）注入人工芯片来实现这一目标，该芯片精心设计成一个微小的谢尔宾斯基三角形。 我们在三角形的尖端注入光子，并观察它们如何在称为量子传输的过程中在其分形结构中传播。 然后我们在两种不同的分形结构上重复了这个实验，它们的形状都是正方形而不是三角形。
在这些结构中的每一个中，我们都进行了数百次实验。
我们还对称为 Sierpiński 地毯的方形分形进行了实验。
我们从这些实验中观察到的结果表明，量子分形实际上与经典分形表现不同。具体来说，我们发现与经典情况相比，在量子情况下，分形上的光传播受不同定律的支配。
这种关于量子分形的新知识可以为科学家们提供实验测试量子意识理论的基础。如果有一天从人类大脑中进行量子测量，它们可以与我们的结果进行比较，以确定意识是经典现象还是量子现象。
我们的工作也可能对整个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，我们可能已经迈出了统一物理学、数学和生物学的第一步，这可以极大地丰富我们对周围世界以及存在于我们头脑中的世界的理解。
（文章来源：乌得勒支大学理论物理学教授 Cristiane de Morais Smith 的文章， 本文根据知识共享许可从 The Conversation 重新发布。版权归创作人所有，我们尊重著作权所有人的合法权益，如涉及版权争议，请著作权人告知我方删除! 编辑：Steven，选稿：Maggie 本网只做转载，不做盈利用途 . info@voicetoday.net)