新世紀大討論-物理學和數學能完整描述真實嗎？

是否存在獨立於觀察者的真實事物？

　　喬普拉：您認為是否存在獨立於觀察者的真實事物？

　　奧爾福德：是的。那種執著地認為桌子上的水壺依賴於你或我的觀察的觀點，我並不認可。

　　喬普拉：我認為水壺的形狀、顏色、質感依賴於神經系統，不同的神經系統對這些信息的感知會完全不同。蜜蜂不會體驗到（同樣的）水壺，蝙蝠會體驗到超聲波的回聲，而蜥蜴的眼球能以兩個不同的軸轉動，我很難想像對一隻蜥蜴來說，水壺看起來是什麼樣子。所以，水壺本身就是作為水壺而存在嗎？

奧爾福德：是的。

　　喬普拉：物質是假象，唯有意識是真實。

　　這是今年1月29日在曼哈頓菲羅克忒忒斯多學科研究中心舉行的一場題為「真實的性質」辯論會的一個片段。彭羅斯的質疑給這場論辯提供了主題——物理學和數學能完整描述真實嗎？科學家、藝術家和學者們坐在一起探討主觀感知的世界，旨在為科學和人文兩個截然不同的世界架起溝通的橋樑。

　　討論由喬普拉基金創始人、內分泌學家迪帕克·喬普拉主持，參加者有華盛頓大學聖路易斯分校文理學院物理教授、夸克研究理論物理學家馬克·奧爾福德，亞利桑那大學醫學院麻醉學與心理學教授、意識研究中心主任斯圖亞特·哈梅羅夫，英國皇家學會物理學家羅傑·彭羅斯等人。

意識如何產生？

　　哈梅羅夫支持的觀點是，知覺和意識產生於大腦中量子糾纏電子的玻色—愛因斯坦凝聚波函數的坍塌。比如這種坍塌每秒鐘40次，而有些受過特殊訓練的人達到了每秒80次，感知的速度更快，所感知的世界就會慢下來。

　　奧爾福德2006年發表於《物理學基礎》上的一篇論文中稱，物理學「只是覆蓋了我們經驗世界的有限方面」。但他質疑「量子意識」的觀點，認為量子糾纏「通常非常脆弱」並且「難以組織」。物理學家認為，即使是對於少量粒子在任意長久期間的糾纏，這也是不大可能的，他說，對於量子微妙性而言，「這些非常脆弱的過程是人類大腦功能的關鍵特徵」，但這「不適用於環境」。他支持對物理學與形而上學之間的聯繫給予嚴格的限制。他說：「意識更可能從其他地方升起，按照更傳統的科學說法，你不需要到達這裡；而按最奇怪、最詭異的現代物理的說法，你不需要到達任何地方。」

　　而喬普拉作為神秘主義者的一方，表示希望「熟悉科學的限制」。正是奧爾福德強調了那些限制。喬普拉想把奧爾福德的實用主義界限推得更遠。他認為科學以謙虛的方式才能被理解，卻未必是打開「終極真實」之門的鑰匙。

　　奧爾福德指出，量子力學早正在20世紀就產生了，也可能有一天被丟掉，正像19世紀末提出的以太概念那樣。「如果你太過於依賴當前的科學範式，再過100年，它可能被替代了。你可以用『量子力學』來啟發思路，可以在多個途徑使用它。但我不認為你真的想把它當做基礎性的根本原理。」

菲羅克忒忒斯之傷

　　本次辯論在菲羅克忒忒斯多學科設想研究中心舉行，將科學家、藝術家和學者們集中到一起，以圓桌會議的形式進行科學探討，致力於在科學與人文兩個截然不同的世界之間架起溝通的橋樑，通過整體和跨學科的途徑來理解創新和想像過程。

　　菲羅克忒忒斯是特洛伊戰爭中的角色，被一條蛇咬了腳，傷口感染髮出難聞的氣味，同伴將他困在利姆諾斯島以避開臭味。幸運的是，他還有他大力神父親留下的弓箭。當時希臘人從預言中得知，如果沒有大力神的弓箭，他們不可能在特洛伊戰爭中取勝，所以他們被迫重返利姆諾斯島，請求菲羅克忒忒斯返回參戰。

以「傷者和弓箭」的形象出現的菲羅克忒忒斯，在科學探索中所體現的並非最初神話的寓意。文學評論家愛德蒙·威爾遜將傷口比喻為精神創傷，弓箭比喻為當他審視藝術如何從痛苦中升起的時候，由於洞察真相而獲得的恢復力量。

　　真實是什麼？在數學框架中，真實可能永遠得不到一個完整的最終描述，科學探索者正如受了傷的菲羅克忒忒斯。自然世界中，不依賴於主觀觀測的客觀真實是否存在？在當前的物理學和數學範式中探索心理過程與意識，能否完整地詮釋真實？迄今尚未發現的未來的物理或數學是否有這個能力？

　　當人們把目光轉向認知的主體時，卻發現量子力學這一解釋客觀世界的理論與主觀意識運行如此貼近。量子意識理論認為，經典力學無法完整解釋意識，意識是一種量子力學現象，如量子糾纏和疊加作用。大腦中存在海量的處於量子糾纏態的電子，意識正是從這些電子的波函數的周期性坍塌中產生。這一假說在解釋大腦功能方面佔有重要地位，形成了解釋意識現象的基礎。

　　目前有幾種不同的量子意識理論。代表人物有大衛·玻姆、古斯塔夫·波洛伊德、大衛·查爾默斯、羅傑·彭羅斯與斯圖亞特·哈梅羅夫等人。

大衛·玻姆（David Bohm）

　　上世紀50年代，大衛·玻姆發表了他的第一本書《量子理論》，成為該領域的一部經典教科書，他成功構建了一個隱函數體系。粒子擁有確定的位置和動量，周圍瀰漫著直到宇宙盡頭的「量子勢」，以維護愛因斯坦的「上帝不擲骰子」觀點。觀測儀器會和量子勢發生作用從而使粒子改變它的行為模式。

　　玻姆認為，量子理論和相對論之間的矛盾，暗示了在自然宇宙中存在一種更基本的層面。無論是量子理論還是相對論，都指向這一更深層的理論。而這種更基本的層面，代表了一種不可分割的整體和一種隱含的秩序，在此之上才產生了我們對這個經驗宇宙的解釋秩序。

　　玻姆的隱含秩序不僅適用於物質也適用於意識，它能解釋物質和意識二者之間的關係。隱含秩序代表更基本的真實，精神和物質被看作是這一更基本真實在我們的解釋秩序中的一種投射。

　　玻姆用聽音樂的經驗來討論意識的性質。他認為，對運動和變化的感受構成了人們的音樂經驗。剛剛過去的和當下的感受在大腦中同時呈現，剛過去的成為對當下的解釋，這是一種轉化而不是記憶。玻姆認為，這正是意識從隱含秩序中的浮現。

　　玻姆把對運動、變化、流動，以及相關類似的經驗，如聽音樂作為一種隱含秩序的體現。他稱支持這一觀點的證據來自簡·皮亞蓋特對嬰兒的研究。這些研究顯示，兒童必須學習時間和空間，因為這是解釋秩序的部分，而他也有一個「硬體」來理解運動，這是隱含秩序的部分。他認為語法形成了大腦中的「硬體」。但玻姆從未提出任何具體的大腦機制，將他的隱含秩序和意識聯繫起來。

古斯塔夫·波洛伊德（Gustav Bernroider）

　　波洛伊德認為玻姆的「隱含—解釋」理論構架說明了神經過程和意識之間的關係。2005年，波洛伊德發表論文詳細論述了這一過程的物理基礎。文章的主要觀點是，量子相干是由和神經過程有關的一種足夠長的離子通道支撐。他提出，這種通道能和周圍的液體、蛋白質以及同一細胞膜中的其他通道產生糾纏。離子通道控制著整個神經軸突膜的電勢差，在大腦的信息處理過程中起著核心作用。

　　他研究了封閉狀態下的鉀離子通道，並繪製了原子光譜。離子通道有一個過濾區域，能讓鉀離子進入而將其他離子擋在外面。研究顯示，該過濾區是一種由5套四個氧原子組成的結構，是周圍氨基酸分子中羧基群的一部分，就像連著的口袋，稱為附囊（binding pockets）。兩個鉀離子被困在封閉離子通道的選擇過濾器中。每個離子都和其他兩套（8個）氧原子或附囊形成靜電聯繫。

　　波洛伊德的研究揭示了一種的生理結構，在離子通道中可能產生量子相干。以此為出發點，他和合作者進一步提出，離子通道中鉀離子的行為與邏輯狀態有關，鉀離子和附囊中的氧原子是兩個量子糾纏的亞系統，等同於一種量子計算映射。離子從通道中排出，是給氧原子的狀態進行編碼。不同的離子通道也會互相糾纏。

大衛·查爾默斯（David Chalmers）

　　澳大利亞國立大學腦意識研究中心主任、哲學家大衛·查爾默斯提出了多種量子力學方式來解釋意識，他認為，坍塌的動力機製為相互作用論者的解釋提供了開放餘地。

　　查爾默斯認為：「問題在於我們如何解釋。我們想知道的不僅僅是關聯，我們想要解釋——大腦過程如何產生意識，為什麼產生意識？這才是神秘之處。」

　　「最有可能的解釋是，在意識狀態不可能被疊加的條件下，意識狀態和系統的整體量子狀態有關。大腦作為意識的物理系統，在非疊加的量子狀態中，該系統的物理狀態和精神現象相互關聯。按照薛定諤方程，對疊加的外部系統進行觀測時，將導致外部觀測系統與大腦相互作用，造成了大腦狀態的疊加，通過精神物理相關造成意識狀態的疊加。然而意識疊加不可能發生，所以意識必須選擇某個狀態，結果導致了一種確定的大腦狀態和對觀測目標的被選擇的確定狀態。」

羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）與斯圖亞特·哈梅羅夫（Stuart Hameroff）

　　理論物理學家羅傑·彭羅斯和麻醉學家斯圖亞特·哈梅羅夫合作建立了廣受爭議的「和諧客觀還原模型（Orch-OR模型）」。彭羅斯和哈梅羅夫分別創立了各自的理論，彭羅斯從數學和歌德爾定理出發，而哈梅羅夫從他的癌症研究和麻醉學出發，後來他們合作構建了Orch-OR模型。

　　歌德爾定理是這一理論的核心。1931年，歌德爾證明了，如果一個形式理論足以容納自然數的5條公理並且無矛盾，它必定是不完備的，進一步，任何一個相容的數學形式化理論中，只要它強到足以在其中定義自然數的概念，就可以在其中構造在體系中既不能證實也不能證偽的命題。

　　彭羅斯從歌德爾定理髮展了自己的理論，認為人腦有超出公理和正式系統的能力。在他第一部有關意識的書《皇帝新腦》中提出，大腦有某種不依賴於計演算法則的額外功能，這是一種非計算過程，不受計演算法則驅動；而演算法卻是大部分物理學的基本屬性，計算機必須受計演算法則的驅動。對於非計算過程，量子波在某個位置的坍塌，決定了位置的隨機選擇。波函數塌縮的隨機性，不受演算法的限制。

　　人腦與電腦的根本差別，可能是量子力學不確定性和複雜非線形系統的混沌作用共同造成的。人腦包含了非確定性的自然形成的神經網路系統，具有電腦不具備的「直覺」，正是這種系統的「模糊」處理能力和效率極高的表現。而傳統的圖靈機則是確定性的串列處理系統，雖然也可以模擬這樣的「模糊」處理，但是效率太低下了。而正在研究中的量子計算機和計算機神經網路系統才真正有希望解決這樣的問題，達到人腦的能力。

　　目前彭羅斯又提出了一種波函數塌縮理論，適用於不與環境相互作用的量子系統，卻可能自行塌縮。他認為，每個量子疊加有自身的時空曲率，當它們距離超過普朗克長度（10的-35次方米）時就會塌縮，稱為客觀還原（objective reduction）。

彭羅斯認為，客觀還原所代表的既不是隨機，也不是大部分物理所依賴的演算法過程，而是非計算的，受時空幾何基本層面的影響，在此之上產生了計算和意識。

　　1989年彭羅斯在撰寫第一部關於意識的書《皇帝新腦》時，還缺乏對量子過程在大腦中如何作用的詳細描述。隨後，哈梅羅夫讀了彭羅斯的書，提出了微管結構作為對大腦量子過程的支持。他們在上個世紀90年代早期共同建立了Orch-OR理論。

　　支持神經元的細胞骨架蛋白主要由一種微管構成，而微管由微管蛋白二聚體亞單元組成，其功能包括傳輸分子、聯繫神經突觸的神經傳導素、控制細胞生長等。每個微管蛋白二聚體都有一些憎水囊，彼此間距約8納米，裡面含有離域π電子。微管蛋白還有更小的非極性域，含有π電子富集吲哚環，相隔約2納米。哈梅羅夫認為這些電子之間距離很近，足以形成量子糾纏。

　　哈梅羅夫進一步提出，這些電子能形成一種玻色—愛因斯坦凝聚態，而且一個神經元中的凝聚態能通過神經元之間的間隙接點（gap junctions）擴展到其他多個神經元，由此在擴展腦區形成宏觀尺度的量子特徵。當這種擴展的凝聚波函數坍塌時，就形成了一種非計算性的影響，而這種影響與深植於時空幾何中的數學理解和最終意識體驗有關。

　　而這種凝聚態的活動性造成了大腦中的伽馬波同步（gamma wave synchronisation），傳統神經科學認為這種同步與意識和間隙接點的功能有關。

　　另一位神經科學家丹柯·喬治伍接受彭羅斯的大部分觀點，卻不同意哈梅羅夫的解釋。他認為，在微管表面的量子相干過程是通過突觸前骨架蛋白擴展到突觸的，這既能影響突觸放電，也能從突觸間隙傳到其他神經元。

亨利·斯塔普（Henry Stapp）

　　美國物理學家亨利·斯塔普1993年出版了著作《精神、物質和量子力學》，他的解釋更為客觀，結合了自行坍塌理論、波函數的確定性演進，非確定性坍塌被看作是兩個真實的、本體上截然不同的現象。大腦中發生的坍塌事件，即大腦意識的觀察或測量更加尤其重要。他認為坍塌是一個精神過程，是大腦狀態的自然演進。他的解釋是哲學和二元論的結合。

　　坍塌從各種可能性中選擇了一個確定存在，這其實是個選擇的過程，而不是隨機擲骰子。他的解釋涉及到時間因素。按照塊區宇宙論，未來依賴於當前的決策，不是早已存在，而是有主觀參與的演進宇宙，就像懷海特的形而上學。

　　斯塔普認為，意識對大腦神經興奮進行最高水平的控制。量子大腦事件發生在整個大腦，是從大範圍的大腦興奮中進行選擇。神經興奮被看做一種編碼，每一個意識經歷都是來自這一編碼的選擇。據此理論，大腦是個以記憶為輸入數據的自行編程的計算機，記憶本身是來自過往經驗的編碼。

　　這一過程導致了意識選擇有多種可能性。意識行為是選擇一條頂級編碼，然後對神經興奮電流加以控制。斯塔普認為，這一過程是大腦活躍性的最高級，涉及信息收集、計劃、執行監控。根據這一理論，意識事件能掌握整個活動方式，由於意識的整體性，能夠為「統整問題」提供解決方案。

　　斯塔普的大腦意識觀點，是一種內部決定系統，不能代表外部系統，對於其餘的自然宇宙部分，外部表現增加了按照定律準確預知未來事件的知識。他的理論證據需要找到能提供頂級編碼的神經元，以及記憶轉入額外頂級編碼的過程。

量子大腦動力學（Quantum brain dynamics）

　　量子大腦動力學最早起源於上世紀60年代，其代表人物是物理學家Hiroomi Umezawa和赫伯特·弗洛里希。近幾十年來，這一觀點得到進一步發展，主要支持者有馬利·吉布（Mari Jibu）、Kunio Yasue和朱塞佩·維泰羅（Giuseppe Vitiello）等人。根據量子大腦動力學理論，佔大腦70%的水分子有兩個電極，構成了量子場，稱為皮層場。皮層場中的量子被稱為皮層子。皮層場和生物分子產生的量子相干波相互作用，在神經元和神經網路中傳播。

弗洛里希最早提出了神經網路中會產生量子相干波，他認為，由於生物系統中生化過程波動的擾亂，尚不清楚是什麼次序支持。他認為，可以通過神經細胞膜上的電勢差來觀察量子順序。他的研究認為，在熱浴中有一種電荷震蕩，許多量子會凝聚到同一狀態，即玻色—愛因斯坦凝聚態。

　　這種凝聚狀態使兩極之間形成長距關聯。進一步，生物分子被認為是沿著肌動蛋白纖維（細胞骨架蛋白的一部分）排列，隨著量子相干波在肌動蛋白上產生兩極震蕩。目前，已有某些實驗證據的支持，證明具有高電偶極矩的生物分子有著周期性震蕩。

　　維泰羅認為，生物組織中化學反應順序鏈不需要某種量子順序也會坍塌，這在量子大腦動力學理論中被稱為量子場論。他還從生理結構上提供證據來支持自己的觀點，包括放射效應對細胞生長的影響研究、外部刺激反應、非線性通道、膜蛋白中相關原子核運動、生物系統中的光學相干、孤立子和相干興奮的能量轉化等。

　　量子大腦動力學認為皮層場不僅互相作用，而且會擴展到對整個神經網路的控制。它認為生物分子波沿著肌動蛋白纖維在細胞膜區域和神經樹狀突細胞傳播，波從存儲於細胞膜中的ATP（三磷酸腺苷）分子中獲得能量，控制離子通道，反過來控制信號流向神經突觸。維泰羅認為，量子大腦動力學不需要將量子震蕩持續到退相干。

　　量子大腦動力學的支持者認為，意識並非由某種確定的途徑所產生。吉布和雅蘇認為，在神經網路中，皮層場和生物分子波的能量量子之間的相互作用產生了意識。另一方面，維泰羅認為，量子大腦動力學中的量子狀態產生了兩極，一極是主觀的外部世界的表現，另一極是自我。這一自我向外部世界表現開放。根據該理論，意識既不是自我，也不是外部世界表現，而是處於開放的二者之間。

一些量子意識的證據

　　許多實驗力圖證明神經過程與量子狀態有關。2003年到2009年之間，埃里克·康特等人做了一系列實驗，來證明人類在感知和認知模糊數字的過程中，其精神狀態中存在量子相干效應，並取得了證據，為分析認知主體的時間動力學提供了理論支持。

近幾年的研究顯示，在光合蛋白中有一種實用的量子相干。恩格爾2007年在這一領域發表了權威論文，克里尼等人2010年證明了蛋白質中的這種相干能在室溫下存在。這些系統退相干的時間和大腦蛋白質的時間相符。

　　加利福尼亞大學伯克利分校物理學家認為，他們發現了生物系統中量子相干的證據：綠色植物為了捕獲太陽光能，在光合作用中表現出了量子計算的能力。

　　2010年英國牛津大學在《物理評論快報》發表論文稱，一種歐洲知更鳥能敏銳感知主要磁場的微小變化，這是「疊加和糾纏在生物系統中持續100微秒，超過了最好的人造分子系統所持續的時間」的證據，作者並為此構建了一個簡單的模型。

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