科學(xué)中最重要的一個未決問題是，我們的意識是如何建立的。在上世紀九十年代，早在因預(yù)測黑洞而獲得2020年諾貝爾物理學(xué)獎之前，物理學(xué)羅杰·彭羅斯曾與麻醉學(xué)家斯圖爾特·哈默羅夫合作，試圖回答這個問題。
他們宣稱，大腦的神經(jīng)元系統(tǒng)構(gòu)成了一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，這個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的意識應(yīng)該遵循量子力學(xué)的規(guī)則。量子力學(xué)理論決定了電子這樣的微小粒子的移動方式。他們認為，這或許可以解釋人類意識的神秘復(fù)雜性。
但是，彭羅斯和哈默羅夫的假設(shè)遭到了懷疑。量子力學(xué)定律通常僅適用于非常低的溫度。例如，當前的量子計算機需要再零下272℃左右運行。溫度再高一點的話，就該經(jīng)典力學(xué)上場了。由于我們的身體總是在室溫下工作，那么，理所當然的，我們的身體——包括我們的大腦——應(yīng)該受經(jīng)典力學(xué)的支配。出于這個原因，許多科學(xué)家早已徹底放棄量子意識理論，但仍有其他人選擇繼續(xù)相信。
最近，荷蘭烏得勒支大學(xué)的研究人員和上海交通大學(xué)金賢敏教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊展開合作，著手測試了支持量子意識理論的一些原則。
在他們的最新論文中，研究團隊研究了量子粒子如何在類似大腦這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中移動，不過測試在實驗室環(huán)境中進行。如果有一天研究團隊的發(fā)現(xiàn)，可以和在大腦中測量到的量子活動進行比較的話，我們或許離驗證或駁斥彭羅斯與哈默羅夫的爭議性理論又近了一步。
大腦和分形
我們的大腦由被稱為神經(jīng)元的細胞構(gòu)成。人們相信，這些神經(jīng)元的綜合活動會產(chǎn)生意識。每個神經(jīng)元都包含微小管，微小管可以將物質(zhì)運輸?shù)郊毎牟煌糠帧Ｅ砹_斯和哈默羅夫的量子意識理論認為，微小管以分形模式構(gòu)建，從而得以使量子過程的發(fā)生成為可能。
分形這種結(jié)構(gòu)，既不是二維的，也不是三維的，而是介于兩者之間的一些分數(shù)值。在數(shù)學(xué)中，分形以美麗的圖案顯示，無限重復(fù)，產(chǎn)生看似不可能的結(jié)構(gòu)：面積有限但周長無限的結(jié)構(gòu)。
這些聽起來可能難以想象，但分形在自然界中其實常有發(fā)生。如果你仔細觀察花椰菜的小花塊或蕨類植物的枝條，你會發(fā)現(xiàn)它們都是由相同的基本形狀組成，一遍又一遍地重復(fù)自己，只是規(guī)模越來越小。這也是分形的一個重要特征。
我們體內(nèi)也有類似的分形。例如，我們的肺部結(jié)構(gòu)是分形的，循環(huán)系統(tǒng)中的血管也是如此。分形也出現(xiàn)在一些迷人的藝術(shù)作品中，它們在技術(shù)中的使用也已經(jīng)有幾十年歷史，比如天線的設(shè)計。這些都是經(jīng)典分形的例子。所謂經(jīng)典分形，即它們遵循的是經(jīng)典物理學(xué)定律，而非量子物理學(xué)定律。
用分形來解釋人類意識的復(fù)雜性，這并不難理解。因為兩者都無限復(fù)雜，允許簡單的重復(fù)模式生成復(fù)雜性，所以分形這種結(jié)構(gòu)或許支持著我們神秘而又深邃的思維。
但如果是這樣的話，它只能發(fā)生在量子水平上，微小粒子在大腦神經(jīng)元內(nèi)以分形模式運動。這就是為什么彭羅斯和哈默羅夫的提議被稱為“量子意識”理論。
量子意識
我們目前還不能測量大腦中的量子分形行為——假如它們確實存在的話。不過，先進的技術(shù)意味著我們現(xiàn)在可以在實驗室內(nèi)測量量子分形。在最近涉及掃描隧道顯微鏡（STM）的研究中，荷蘭烏得勒支大學(xué)的研究人員小心翼翼地將電子排列成分形圖案，創(chuàng)造出一個量子分形。
接著，在測量描述電子量子狀態(tài)的波函數(shù)時，他們發(fā)現(xiàn)這些電子也活動于由他們制作的物理模式?jīng)Q定的分形維數(shù)上。在這個實驗中，他們在量子尺度上使用的模式是謝爾賓斯基三角形，一種介于一維和二維之間的形狀。
這是一個令人激動的發(fā)現(xiàn)，只是掃描隧道顯微鏡技術(shù)還不能探測到量子粒子的運動軌跡。如果可以的話，這將向我們揭示更多大腦中可能正在進行的量子過程。所以，在和上海交通大學(xué)的最新合作研究中，研究人員又前進了一步。他們使用最先進的光子學(xué)實驗，以前所未有的細節(jié)展示分形內(nèi)發(fā)生的量子運動。
研究人員通過將光子（光的粒子）注入一個精心設(shè)計成小謝爾賓斯基三角形的人工芯片內(nèi)，來達到實驗的目的。他們從三角形的頂部注入光子，然后觀察它們在稱為“量子傳輸”的過程中，如何在其分形結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播。研究人員還在兩種不同的分形結(jié)構(gòu)上重復(fù)了這個實驗，這兩種不同的分形結(jié)構(gòu)都是正方形，而非三角形。然后，在每個結(jié)構(gòu)上，他們都進行了數(shù)百次實驗。
實驗的觀察結(jié)果表明，量子分形的行為實際上不同于經(jīng)典分形的行為。具體而言，研究人員發(fā)現(xiàn)，和在經(jīng)典力學(xué)的情況下不同，在量子力學(xué)的情況下，光子在分形結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳播受制于不同的定律。
這種關(guān)于量子分形的新知識可以為科學(xué)家們提供實驗測量量子意識理論的基礎(chǔ)。如果有一天，我們可以對人腦做量子測量，我們就可以將大腦的量子測量結(jié)果與上述研究結(jié)果進行比較，從而確定意識是經(jīng)典現(xiàn)象還是量子現(xiàn)象。
這項研究也可能對整個科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。通過研究人工設(shè)計的分形結(jié)構(gòu)內(nèi)的量子傳輸，我們或許已經(jīng)朝著將物理學(xué)、數(shù)學(xué)和生物學(xué)一體化的方向邁開了第一步，這或?qū)O大地豐富我們對周圍世界、對意識世界的理解。
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