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意識是怎么完善的？量子熱學(xué)可以解釋人類意識的神秘復(fù)雜性嗎？
deSmith|作者
小雪|編輯
原理|來源
意識是怎么完善的？這是科學(xué)上最大的未決之謎之一。20世紀(jì)90年代，化學(xué)學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger）與麻醉師斯圖爾特·哈默羅夫（）曾一起提出過一個大膽的議案，她們覺得量子熱學(xué)可以解釋人類意識的神秘復(fù)雜性。
量子熱學(xué)是決定了如電子等微觀粒子怎樣運動的理論。我們的腦部是由神經(jīng)元細(xì)胞構(gòu)成的，它們的共同活動被覺得意識形成的源頭。每位神經(jīng)元都富含微管，它們可以將物質(zhì)運輸?shù)郊?xì)胞的不同部份。彭羅斯和哈默羅夫提出，微管的結(jié)構(gòu)是分形的，這促使量子過程得以發(fā)生，因而由腦部的神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的復(fù)雜網(wǎng)路所形成的意識，理應(yīng)遵守量子熱學(xué)的規(guī)則。
但是，這樣的觀點受到了嚴(yán)重指責(zé)。反對者覺得，量子熱學(xué)定理一般只適用高溫條件，比如目前的量子計算機就只在接近絕對濕度的高溫下能夠運行；在更高的氣溫下，精典熱學(xué)都會取而代之。而我們的身體是在溫度下工作的，因而它遭到的是精典數(shù)學(xué)學(xué)定理的支配。基于這個緣由，許多科學(xué)家對彭羅斯和哈默羅夫的“量子意識論”都給以了徹底否定的心態(tài)。
如今，大連交通學(xué)院與英國烏得勒支學(xué)院的一隊研究人員展開了一項與“量子分形”有關(guān)的新研究，新的研究結(jié)果朝著對意識的量子理論的一些原理進行了測試往前邁入了一大步。
分形（）是種誘人的結(jié)構(gòu)，除了由于它們的美學(xué)上的吸引力，但是在物理上也十分奇特——它們以無限重復(fù)的美麗圖案的方式出現(xiàn)，形成了有著有限的面積，卻又有著無限的邊長的結(jié)構(gòu)。分形既不是二維的也不是三維的，而是介于兩者之間的非整數(shù)維度。
這聽上去好像很不可能，但實際上分形在自然界中常常出現(xiàn)（詳見）。假如你仔細(xì)觀察花菜里的小花、蕨類動物的樹根……就會發(fā)覺它們都是由相同的基本形狀不斷重復(fù)構(gòu)成的，只是尺度越來越小。這是分形的一個關(guān)鍵特點。在我們的身體內(nèi)部，也發(fā)生著同樣的情況，比如肺的結(jié)構(gòu)就是分形的，循環(huán)系統(tǒng)中的血管也是分形的。據(jù)悉，分形也出現(xiàn)在各類藝術(shù)作品和現(xiàn)代技術(shù)中。
圖1.羅馬花菜細(xì)節(jié)｜圖片來源：viaunderCCBY-SA
科學(xué)家之所以想要用分形來理解人類意識的復(fù)雜性，是由于分形本身就是種無限紛繁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它容許復(fù)雜性從簡單的重復(fù)模式中形成。這有可能可以支撐我們神秘的思想結(jié)構(gòu)。
但若果真的是這樣的話量子物理學(xué)定律，這一切必須如彭羅斯和哈默洛夫所提出的“量子意識論”那樣——只發(fā)生在量子層面，即微小的粒子在腦部神經(jīng)元中以分形模式聯(lián)通。而在我們剛才列出的這些典型的分形示例中，都無一例外遵守著精典數(shù)學(xué)學(xué)定理，而不是量子化學(xué)學(xué)定理。
就目前的情況來看量子物理學(xué)定律，假若量子分形真的存在于我們的腦部中，科學(xué)家也尚未能對它們進行直接的檢測。不過，現(xiàn)有的技術(shù)早已可以讓我們在實驗室里檢測量子分形。在2018年的一項研究中，由烏得勒支學(xué)院的化學(xué)學(xué)家deSmith領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊就借助隧洞顯微鏡（STM），將電子排列成了分形紋樣，創(chuàng)造出了一個量子分形。
在那項研究中，當(dāng)她們檢測電子的波函數(shù)時，發(fā)覺了它們也處在由她們創(chuàng)造的數(shù)學(xué)圖樣所主導(dǎo)的分形維數(shù)中。在那種實驗中，她們使用的模式是量子尺度上的謝爾賓斯基三角形（ński），這是一種介于一維和二維之間的形狀。
圖2.謝爾賓斯基三角形｜圖片來源：
這是一個令人激動的發(fā)覺，只不過STM技術(shù)還不能偵測量子粒子是怎樣運動的，因而也就難以從中獲知更多關(guān)于量子過程是怎樣在腦部中發(fā)生的信息。
現(xiàn)今，在最新的研究中，由北京交通學(xué)院的金賢敏（Xian-MinJin）院長領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊將這一研究更進了一步。她們借助最先進的光子實驗，原先所未有的細(xì)節(jié)闡明了分形中發(fā)生的量子運動。
在實驗中，她們將光子注入一個人工芯片中，這個芯片被悉心設(shè)計成一個小小的謝爾賓斯基三角形。她們在三角形的頂端注入光子，之后觀察它們是怎樣通過一個名為量子輸運的過程在分形結(jié)構(gòu)中擴散。接著，她們又在兩種不同的分形結(jié)構(gòu)上重復(fù)了這個實驗，這兩種分形形狀都是正圓形而不是三角形。
