量子物理学何以解释一切（量子物理学终于可以解释意识了）

20世纪，研究人员在两个截然不同的领域取得了长足的进步，推动了科学的前沿。虽然物理学家发现了支配亚原子世界的奇怪的反直觉规则，但我们对思维如何工作的理解却迅速发展。

然而，在新创建的量子物理学和认知科学领域，困难和令人不安的谜团仍然挥之不去，偶尔会纠缠在一起。为什么量子态在被测量时会突然消退，至少从表面上看，有意识的头脑的观察有能力改变物理世界？关于意识，这告诉我们什么？《大众力学》采访了三位来自不同领域的研究人员，了解他们对潜在量子意识联系的看法。一个理论物理学家，一个实验物理学家，一个哲学教授

早期的量子物理学家通过双缝实验注意到，当光子通过波长大小的狭缝到达另一侧的检测屏幕时，试图测量光子的行为改变了它们的行为。

这种测量尝试导致波状行为被破坏，迫使光表现得更像粒子。虽然这个实验回答了“光是波还是粒子？”这个问题——两者都不是，两者都有特性，这取决于情况——但它留下了一个更令人不安的问题。如果用人类思维观察的行为实际上导致世界表现出变化，尽管规模小得令人难以理解呢？

著名和著名的科学家，如尤金·威格纳（Eugene Wigner）、约翰·贝尔（John Bell）和后来的罗杰·彭罗斯（Roger Penrose），开始考虑意识可能是一种量子现象的观点。最终，认知科学（对心灵及其过程的科学研究）的研究人员也是如此，但原因不同。

瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）理论物理学教授、作家乌尔夫·丹尼尔森（Ulf Danielsson）认为，量子物理学和意识之间联系的原因之一——至少从认知科学的角度来看——是量子水平上的过程是完全随机的。这与经典物理学的确定性方式不同，这意味着即使是物理学家在量子实验方面能得出的最佳计算也只是概率。

意识是一种与自由意志相关的现象，自由意志利用了量子力学应该提供的自由。

自由意志作为意识元素的存在似乎也是一个非常非决定论的概念。回想一下，在数学、计算机科学和物理学中，确定性函数或系统不涉及系统未来状态的随机性;换句话说，如果您为确定性函数提供相同的输入，它将始终产生相同的结果。同时，非确定性函数或系统每次都会给你不同的结果，即使你提供相同的输入值。

丹尼尔森告诉《大众力学》他认为这就是认知科学关注量子力学的原因。在量子力学中，有机会的空间。意识是一种与自由意志相关的现象，自由意志利用了量子力学应该提供的自由。

然而，加州大学欧文分校（University of California， Irvine）的逻辑和科学哲学教授杰弗里·巴雷特（Jeffrey Barrett）认为，从认知科学的角度来看，这种联系有些武断。

“解释意识真的很难，这是一个深刻而持久的哲学问题。所以量子物理学家很绝望，那些人（认知科学家）也绝望了，“巴雷特告诉大众力学。“他们认为量子力学很奇怪。意识很奇怪。两者之间可能有一些关系。

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然而，这种合理化对他来说并不令人信服。“我不认为有任何理由从认知科学方向假设量子力学与解释意识有任何关系，”巴雷特继续说道。

然而，从量子的角度来看，巴雷特看到了物理学家首先提出与意识的联系的明确原因。

“如果不是因为量子测量问题，没有人，包括参与这次早期讨论的物理学家，会认为意识和量子力学有任何关系，”他说。

在量子“怪异”和测量问题的核心，有一个叫做“叠加”的概念。

因为量子系统的可能状态是用波数学（或者更准确地说，波函数）来描述的，所以量子系统可以存在于许多重叠状态或叠加态中。奇怪的是，这些状态可能是矛盾的。

要了解这有多违反直觉，我们可以参考历史上最著名的思想实验之一，薛定谔的猫悖论。

该实验由欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）设计，将一只不幸的猫放在一个盒子里，物理学家称之为“恶魔装置”一小时。如果盒子中的原子在此期间衰变，该装置会释放致命的毒药。因为原子的衰变是完全随机的，所以实验者没有办法预测猫是死是活，直到时间到了，盒子被打开了。

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在盒子打开之前，将猫、盒子和设备视为具有两种可能状态（“死”或“活”）的量子系统，意味着它处于这些状态的叠加态。在你打开容器之前，猫既死又活。

测量问题问的是，“打开盒子”（类似于进行测量）是什么导致波函数坍缩，并且这种叠加被破坏，解决一种状态？是由于实验者意识的引入吗？

早期量子物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）一直这么认为，直到1995年去世前不久。

1961年，维格纳提出了一种理论，其中思想对于波函数的崩溃和叠加态的破坏至关重要，叠加态以这样或那样的形式持续到今天。

维格纳和其他坚持意识坍缩理论的物理学家——如约翰·冯·诺依曼、约翰·惠勒和约翰·贝尔——认为一个无生命的无意识物体不会坍缩量子系统的波函数，因此会让它处于状态叠加状态。

这意味着将盖革计数器与薛定谔的猫放在盒子里并不足以使系统崩溃到“死”或“活”状态，即使它能够判断毒物释放原子是否已经衰变。

温格说，叠加一直存在，直到有意识的观察者打开盒子，或者听到盖革计数器的滴答声。

由此得出的结论是，宇宙中有两种不同类型的“物质”：物质和非物质，人类的思维属于后一类。然而，这表明大脑是一个物理和生物对象，而心灵是别的东西，导致所谓的“身心二元论”。

对于像他这样的唯物主义者，丹尼尔森说，量子力学中波函数的坍缩是与另一个物理系统相互作用的结果。这意味着“观察者”很可能是一个完全无意识的物体。对他们来说，装有薛定谔猫的盒子里的盖革计数器能够坍缩状态的叠加。

这符合这样一个事实，即量子系统是令人难以置信的精细平衡系统，很容易被杂散电磁场甚至温度变化坍缩。如果你想知道为什么我们没有可靠的量子计算机，这是部分原因——它们所依赖的量子态太容易受到干扰了。

此外，正如巴雷特指出的那样，有许多思考量子力学的方法不涉及量子叠加的崩溃。

最著名的是休·埃弗雷特三世（Hugh Everett III）对量子力学的多世界解释，他认为当实验者进行测量时，波函数根本不会坍缩。相反，它发展到包括实验者和整个宇宙，每个可能的状态都有一个“世界”。因此，实验者打开盒子不是为了发现猫是死是活，而是发现他们是否处于猫幸存或没有生存的世界。

如果没有叠加的坍缩，就没有测量问题。

显然，像维格纳和罗杰·彭罗斯这样的诺贝尔奖获得者相信可能存在量子意识联系，然而，这个想法不能完全被驳回。

意大利罗马恩里科·费米研究中心（Enrico Fermi Center for Study and Research）的研究员克里斯蒂安·皮西基亚（Kristian Piscicchia）当然同意这一点。他是一个团队的一员，寻求对心灵以及意识与自然法则之间关系的更深刻的理解。

该团队最近开始测试一种将意识与量子叠加崩溃联系起来的特殊理论 - 协调目标还原理论（Orch OR理论） - 由诺贝尔奖获得者，牛津数学家彭罗斯和亚利桑那州立大学麻醉师斯图尔特哈默罗夫在1990年代提出。

Orch OR理论认为量子坍缩与引力有关，并认为这种坍缩实际上产生了意识。根据Orch OR理论的一些方法，其背后的叠加坍缩机制应该引起少量辐射的自发发射。这使它与其他量子意识理论区分开来，因为它使其在实验上可测试。

Piscicchia告诉《大众力学》：当一个系统处于量子叠加态时，会产生两个时空几何形状的不稳定叠加，这决定了波函数在特征时间内的坍缩，这种机制发生在大脑微管的水平上。

微管是真核细胞的关键元素，对有丝分裂、细胞运动、细胞内运输和维持细胞形状至关重要。哈默罗夫的理论将大脑神经元中的微管视为量子意识的所在地，维持量子效应的时间刚好足以在崩溃之前进行产生意识的计算。