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【转载】物理学和数学能完整描述真实世界吗?  

2016-11-18 22:34:12|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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什么是真实?罗杰·彭罗斯在他的《真实之路》一书的结论章中提出这样的质疑:“我认为至今尚未找到一条真正的‘真实之路’。尽管2500年来,尤是最近的几个世纪,人类取得了非凡的成就。然而某些根本性的新见解是必要的……一些人认为,这条路本身可能就是个海市蜃楼,具有真正客观性质的、不依赖于人们怎样去观察它的‘物理真实’,这一概念本身就是一场白日梦。”

  2010年,美国科学家设计出一种肉眼可见的量子机械,让一个极小的半导体“量子鼓”同时处在振动和不振动的叠加态,进一步缩小了量子力学和我们现实感之间的距离。该研究成果获评《科学》杂志2010年十大科学突破之首。

  根据量子力学基本方程,像电子这样的微观粒子不会同时具有精确的动量和精确的位置,这一不确定性原理限制了人们对微观事物认识的极限,因为存在观测者对观测目标的扰动,主体和客体世界必须被看成是一个不可分割的整体。没有一个独立存在于客观世界的事物,任何事物都只有结合特定的观测手段,才谈得上具体意义。

  是否存在独立于观察者的真实事物?

  乔普拉:您认为是否存在独立于观察者的真实事物?

  奥尔福德:是的。那种执着地认为桌子上的水壶依赖于你或我的观察的观点,我并不认可。

  乔普拉:我认为水壶的形状、颜色、质感依赖于神经系统,不同的神经系统对这些信息的感知会完全不同。蜜蜂不会体验到(同样的)水壶,蝙蝠会体验到超声波的回声,而蜥蜴的眼球能以两个不同的轴转动,我很难想象对一只蜥蜴来说,水壶看起来是什么样子。所以,水壶本身就是作为水壶而存在吗?

  奥尔福德:是的。

  乔普拉:物质是假象,唯有意识是真实。

  这是今年1月29日在曼哈顿菲罗克忒忒斯多学科研究中心举行的一场题为“真实的性质”辩论会的一个片段。彭罗斯的质疑给这场论辩提供了主题——物理学和数学能完整描述真实吗?科学家、艺术家和学者们坐在一起探讨主观感知的世界,旨在为科学和人文两个截然不同的世界架起沟通的桥梁。

  讨论由乔普拉基金创始人、内分泌学家迪帕克·乔普拉主持,参加者有华盛顿大学圣路易斯分校文理学院物理教授、夸克研究理论物理学家马克·奥尔福德,亚利桑那大学医学院麻醉学与心理学教授、意识研究中心主任斯图亚特·哈梅罗夫,英国皇家学会物理学家罗杰·彭罗斯等人。

  意识如何产生?

  哈梅罗夫支持的观点是,知觉和意识产生于大脑中量子纠缠电子的玻色—爱因斯坦凝聚波函数的坍塌。比如这种坍塌每秒钟40次,而有些受过特殊训练的人达到了每秒80次,感知的速度更快,所感知的世界就会慢下来。

  奥尔福德2006年发表于《物理学基础》上的一篇论文中称,物理学“只是覆盖了我们经验世界的有限方面”。但他质疑“量子意识”的观点,认为量子纠缠“通常非常脆弱”并且“难以组织”。物理学家认为,即使是对于少量粒子在任意长久期间的纠缠,这也是不大可能的,他说,对于量子微妙性而言,“这些非常脆弱的过程是人类大脑功能的关键特征”,但这“不适用于环境”。他支持对物理学与形而上学之间的联系给予严格的限制。他说:“意识更可能从其他地方升起,按照更传统的科学说法,你不需要到达这里;而按最奇怪、最诡异的现代物理的说法,你不需要到达任何地方。”

  而乔普拉作为神秘主义者的一方,表示希望“熟悉科学的限制”。正是奥尔福德强调了那些限制。乔普拉想把奥尔福德的实用主义界限推得更远。他认为科学以谦虚的方式才能被理解,却未必是打开“终极真实”之门的钥匙。

  奥尔福德指出,量子力学早正在20世纪就产生了,也可能有一天被丢掉,正像19世纪末提出的以太概念那样。“如果你太过于依赖当前的科学范式,再过100年,它可能被替代了。你可以用‘量子力学’来启发思路,可以在多个途径使用它。但我不认为你真的想把它当做基础性的根本原理。”

  菲罗克忒忒斯之伤

  本次辩论在菲罗克忒忒斯多学科设想研究中心举行,将科学家、艺术家和学者们集中到一起,以圆桌会议的形式进行科学探讨,致力于在科学与人文两个截然不同的世界之间架起沟通的桥梁,通过整体和跨学科的途径来理解创新和想象过程。

  菲罗克忒忒斯是特洛伊战争中的角色,被一条蛇咬了脚,伤口感染发出难闻的气味,同伴将他困在利姆诺斯岛以避开臭味。幸运的是,他还有他大力神父亲留下的弓箭。当时希腊人从预言中得知,如果没有大力神的弓箭,他们不可能在特洛伊战争中取胜,所以他们被迫重返利姆诺斯岛,请求菲罗克忒忒斯返回参战。

  以“伤者和弓箭”的形象出现的菲罗克忒忒斯,在科学探索中所体现的并非最初神话的寓意。文学评论家爱德蒙·威尔逊将伤口比喻为精神创伤,弓箭比喻为当他审视艺术如何从痛苦中升起的时候,由于洞察真相而获得的恢复力量。

  真实是什么?在数学框架中,真实可能永远得不到一个完整的最终描述,科学探索者正如受了伤的菲罗克忒忒斯。自然世界中,不依赖于主观观测的客观真实是否存在?在当前的物理学和数学范式中探索心理过程与意识,能否完整地诠释真实?迄今尚未发现的未来的物理或数学是否有这个能力?

  当人们把目光转向认知的主体时,却发现量子力学这一解释客观世界的理论与主观意识运行如此贴近。量子意识理论认为,经典力学无法完整解释意识,意识是一种量子力学现象,如量子纠缠和叠加作用。大脑中存在海量的处于量子纠缠态的电子,意识正是从这些电子的波函数的周期性坍塌中产生。这一假说在解释大脑功能方面占有重要地位,形成了解释意识现象的基础。

  目前有几种不同的量子意识理论。代表人物有大卫·玻姆、古斯塔夫·波洛伊德、大卫·查尔默斯、罗杰·彭罗斯与斯图亚特·哈梅罗夫等人。

  大卫·玻姆(David Bohm)

  上世纪50年代,大卫·玻姆发表了他的第一本书《量子理论》,成为该领域的一部经典教科书,他成功构建了一个隐函数体系。粒子拥有确定的位置和动量,周围弥漫着直到宇宙尽头的“量子势”,以维护爱因斯坦的“上帝不掷骰子”观点。观测仪器会和量子势发生作用从而使粒子改变它的行为模式。

  玻姆认为,量子理论和相对论之间的矛盾,暗示了在自然宇宙中存在一种更基本的层面。无论是量子理论还是相对论,都指向这一更深层的理论。而这种更基本的层面,代表了一种不可分割的整体和一种隐含的秩序,在此之上才产生了我们对这个经验宇宙的解释秩序。

  玻姆的隐含秩序不仅适用于物质也适用于意识,它能解释物质和意识二者之间的关系。隐含秩序代表更基本的真实,精神和物质被看作是这一更基本真实在我们的解释秩序中的一种投射。

  玻姆用听音乐的经验来讨论意识的性质。他认为,对运动和变化的感受构成了人们的音乐经验。刚刚过去的和当下的感受在大脑中同时呈现,刚过去的成为对当下的解释,这是一种转化而不是记忆。玻姆认为,这正是意识从隐含秩序中的浮现。

  玻姆把对运动、变化、流动,以及相关类似的经验,如听音乐作为一种隐含秩序的体现。他称支持这一观点的证据来自简·皮亚盖特对婴儿的研究。这些研究显示,儿童必须学习时间和空间,因为这是解释秩序的部分,而他也有一个“硬件”来理解运动,这是隐含秩序的部分。他认为语法形成了大脑中的“硬件”。但玻姆从未提出任何具体的大脑机制,将他的隐含秩序和意识联系起来。

  古斯塔夫·波洛伊德(Gustav Bernroider)

  波洛伊德认为玻姆的“隐含—解释”理论构架说明了神经过程和意识之间的关系。2005年,波洛伊德发表论文详细论述了这一过程的物理基础。文章的主要观点是,量子相干是由和神经过程有关的一种足够长的离子通道支撑。他提出,这种通道能和周围的液体、蛋白质以及同一细胞膜中的其他通道产生纠缠。离子通道控制着整个神经轴突膜的电势差,在大脑的信息处理过程中起着核心作用。

  他研究了封闭状态下的钾离子通道,并绘制了原子光谱。离子通道有一个过滤区域,能让钾离子进入而将其他离子挡在外面。研究显示,该过滤区是一种由5套四个氧原子组成的结构,是周围氨基酸分子中羧基群的一部分,就像连着的口袋,称为附囊(binding pockets)。两个钾离子被困在封闭离子通道的选择过滤器中。每个离子都和其他两套(8个)氧原子或附囊形成静电联系。

  波洛伊德的研究揭示了一种的生理结构,在离子通道中可能产生量子相干。以此为出发点,他和合作者进一步提出,离子通道中钾离子的行为与逻辑状态有关,钾离子和附囊中的氧原子是两个量子纠缠的亚系统,等同于一种量子计算映射。离子从通道中排出,是给氧原子的状态进行编码。不同的离子通道也会互相纠缠。


物理学和数学能完整描述真实世界吗? - 鳄鱼先生 - 鳄鱼先生家的数学博客
 

  大卫·查尔默斯(David Chalmers)

  澳大利亚国立大学脑意识研究中心主任、哲学家大卫·查尔默斯提出了多种量子力学方式来解释意识,他认为,坍塌的动力机制为相互作用论者的解释提供了开放余地。

  查尔默斯认为:“问题在于我们如何解释。我们想知道的不仅仅是关联,我们想要解释——大脑过程如何产生意识,为什么产生意识?这才是神秘之处。”

  “最有可能的解释是,在意识状态不可能被叠加的条件下,意识状态和系统的整体量子状态有关。大脑作为意识的物理系统,在非叠加的量子状态中,该系统的物理状态和精神现象相互关联。按照薛定谔方程,对叠加的外部系统进行观测时,将导致外部观测系统与大脑相互作用,造成了大脑状态的叠加,通过精神物理相关造成意识状态的叠加。然而意识叠加不可能发生,所以意识必须选择某个状态,结果导致了一种确定的大脑状态和对观测目标的被选择的确定状态。”

  罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)与斯图亚特·哈梅罗夫(Stuart Hameroff)

  理论物理学家罗杰·彭罗斯和麻醉学家斯图亚特·哈梅罗夫合作建立了广受争议的“和谐客观还原模型(Orch-OR模型)”。彭罗斯和哈梅罗夫分别创立了各自的理论,彭罗斯从数学和歌德尔定理出发,而哈梅罗夫从他的癌症研究和麻醉学出发,后来他们合作构建了Orch-OR模型。

  歌德尔定理是这一理论的核心。1931年,歌德尔证明了,如果一个形式理论足以容纳自然数的5条公理并且无矛盾,它必定是不完备的,进一步,任何一个相容的数学形式化理论中,只要它强到足以在其中定义自然数的概念,就可以在其中构造在体系中既不能证实也不能证伪的命题。

  彭罗斯从歌德尔定理发展了自己的理论,认为人脑有超出公理和正式系统的能力。在他第一部有关意识的书《皇帝新脑》中提出,大脑有某种不依赖于计算法则的额外功能,这是一种非计算过程,不受计算法则驱动;而算法却是大部分物理学的基本属性,计算机必须受计算法则的驱动。对于非计算过程,量子波在某个位置的坍塌,决定了位置的随机选择。波函数塌缩的随机性,不受算法的限制。

  人脑与电脑的根本差别,可能是量子力学不确定性和复杂非线形系统的混沌作用共同造成的。人脑包含了非确定性的自然形成的神经网络系统,具有电脑不具备的“直觉”,正是这种系统的“模糊”处理能力和效率极高的表现。而传统的图灵机则是确定性的串行处理系统,虽然也可以模拟这样的“模糊”处理,但是效率太低下了。而正在研究中的量子计算机和计算机神经网络系统才真正有希望解决这样的问题,达到人脑的能力。

  目前彭罗斯又提出了一种波函数塌缩理论,适用于不与环境相互作用的量子系统,却可能自行塌缩。他认为,每个量子叠加有自身的时空曲率,当它们距离超过普朗克长度(10的-35次方米)时就会塌缩,称为客观还原(objective reduction)。

  彭罗斯认为,客观还原所代表的既不是随机,也不是大部分物理所依赖的算法过程,而是非计算的,受时空几何基本层面的影响,在此之上产生了计算和意识。

  1989年彭罗斯在撰写第一部关于意识的书《皇帝新脑》时,还缺乏对量子过程在大脑中如何作用的详细描述。随后,哈梅罗夫读了彭罗斯的书,提出了微管结构作为对大脑量子过程的支持。他们在上个世纪90年代早期共同建立了Orch-OR理论。

  支持神经元的细胞骨架蛋白主要由一种微管构成,而微管由微管蛋白二聚体亚单元组成,其功能包括传输分子、联系神经突触的神经传导素、控制细胞生长等。每个微管蛋白二聚体都有一些憎水囊,彼此间距约8纳米,里面含有离域π电子。微管蛋白还有更小的非极性域,含有π电子富集吲哚环,相隔约2纳米。哈梅罗夫认为这些电子之间距离很近,足以形成量子纠缠。

  哈梅罗夫进一步提出,这些电子能形成一种玻色—爱因斯坦凝聚态,而且一个神经元中的凝聚态能通过神经元之间的间隙接点(gap junctions)扩展到其他多个神经元,由此在扩展脑区形成宏观尺度的量子特征。当这种扩展的凝聚波函数坍塌时,就形成了一种非计算性的影响,而这种影响与深植于时空几何中的数学理解和最终意识体验有关。

  而这种凝聚态的活动性造成了大脑中的伽马波同步(gamma wave synchronisation),传统神经科学认为这种同步与意识和间隙接点的功能有关。

  另一位神经科学家丹柯·乔治伍接受彭罗斯的大部分观点,却不同意哈梅罗夫的解释。他认为,在微管表面的量子相干过程是通过突触前骨架蛋白扩展到突触的,这既能影响突触放电,也能从突触间隙传到其他神经元。

  亨利·斯塔普(Henry Stapp)

  美国物理学家亨利·斯塔普1993年出版了著作《精神、物质和量子力学》,他的解释更为客观,结合了自行坍塌理论、波函数的确定性演进,非确定性坍塌被看作是两个真实的、本体上截然不同的现象。大脑中发生的坍塌事件,即大脑意识的观察或测量更加尤其重要。他认为坍塌是一个精神过程,是大脑状态的自然演进。他的解释是哲学和二元论的结合。

  坍塌从各种可能性中选择了一个确定存在,这其实是个选择的过程,而不是随机掷骰子。他的解释涉及到时间因素。按照块区宇宙论,未来依赖于当前的决策,不是早已存在,而是有主观参与的演进宇宙,就像怀海特的形而上学。

  斯塔普认为,意识对大脑神经兴奋进行最高水平的控制。量子大脑事件发生在整个大脑,是从大范围的大脑兴奋中进行选择。神经兴奋被看做一种编码,每一个意识经历都是来自这一编码的选择。据此理论,大脑是个以记忆为输入数据的自行编程的计算机,记忆本身是来自过往经验的编码。

  这一过程导致了意识选择有多种可能性。意识行为是选择一条顶级编码,然后对神经兴奋电流加以控制。斯塔普认为,这一过程是大脑活跃性的最高级,涉及信息收集、计划、执行监控。根据这一理论,意识事件能掌握整个活动方式,由于意识的整体性,能够为“统整问题”提供解决方案。

  斯塔普的大脑意识观点,是一种内部决定系统,不能代表外部系统,对于其余的自然宇宙部分,外部表现增加了按照定律准确预知未来事件的知识。他的理论证据需要找到能提供顶级编码的神经元,以及记忆转入额外顶级编码的过程。

  量子大脑动力学(Quantum brain dynamics)

  量子大脑动力学最早起源于上世纪60年代,其代表人物是物理学家Hiroomi Umezawa和赫伯特·弗洛里希。近几十年来,这一观点得到进一步发展,主要支持者有马利·吉布(Mari Jibu)、Kunio Yasue和朱塞佩·维泰罗(Giuseppe Vitiello)等人。根据量子大脑动力学理论,占大脑70%的水分子有两个电极,构成了量子场,称为皮层场。皮层场中的量子被称为皮层子。皮层场和生物分子产生的量子相干波相互作用,在神经元和神经网络中传播。

  弗洛里希最早提出了神经网络中会产生量子相干波,他认为,由于生物系统中生化过程波动的扰乱,尚不清楚是什么次序支持。他认为,可以通过神经细胞膜上的电势差来观察量子顺序。他的研究认为,在热浴中有一种电荷震荡,许多量子会凝聚到同一状态,即玻色—爱因斯坦凝聚态。

  这种凝聚状态使两极之间形成长距关联。进一步,生物分子被认为是沿着肌动蛋白纤维(细胞骨架蛋白的一部分)排列,随着量子相干波在肌动蛋白上产生两极震荡。目前,已有某些实验证据的支持,证明具有高电偶极矩的生物分子有着周期性震荡。

  维泰罗认为,生物组织中化学反应顺序链不需要某种量子顺序也会坍塌,这在量子大脑动力学理论中被称为量子场论。他还从生理结构上提供证据来支持自己的观点,包括放射效应对细胞生长的影响研究、外部刺激反应、非线性通道、膜蛋白中相关原子核运动、生物系统中的光学相干、孤立子和相干兴奋的能量转化等。

  量子大脑动力学认为皮层场不仅互相作用,而且会扩展到对整个神经网络的控制。它认为生物分子波沿着肌动蛋白纤维在细胞膜区域和神经树状突细胞传播,波从存储于细胞膜中的ATP(三磷酸腺苷)分子中获得能量,控制离子通道,反过来控制信号流向神经突触。维泰罗认为,量子大脑动力学不需要将量子震荡持续到退相干。

  量子大脑动力学的支持者认为,意识并非由某种确定的途径所产生。吉布和雅苏认为,在神经网络中,皮层场和生物分子波的能量量子之间的相互作用产生了意识。另一方面,维泰罗认为,量子大脑动力学中的量子状态产生了两极,一极是主观的外部世界的表现,另一极是自我。这一自我向外部世界表现开放。根据该理论,意识既不是自我,也不是外部世界表现,而是处于开放的二者之间。

  一些量子意识的证据

  许多实验力图证明神经过程与量子状态有关。2003年到2009年之间,埃里克·康特等人做了一系列实验,来证明人类在感知和认知模糊数字的过程中,其精神状态中存在量子相干效应,并取得了证据,为分析认知主体的时间动力学提供了理论支持。

  近几年的研究显示,在光合蛋白中有一种实用的量子相干。恩格尔2007年在这一领域发表了权威论文,克里尼等人2010年证明了蛋白质中的这种相干能在室温下存在。这些系统退相干的时间和大脑蛋白质的时间相符。

  加利福尼亚大学伯克利分校物理学家认为,他们发现了生物系统中量子相干的证据:绿色植物为了捕获太阳光能,在光合作用中表现出了量子计算的能力。

  2010年英国牛津大学在《物理评论快报》发表论文称,一种欧洲知更鸟能敏锐感知主要磁场的微小变化,这是“叠加和纠缠在生物系统中持续100微秒,超过了最好的人造分子系统所持续的时间”的证据,作者并为此构建了一个简单的模型。
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