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意識是怎么完善的？量子熱學可以解釋人類意識的神秘復雜性嗎？
deSmith|作者
小雪|編輯
原理|來源
意識是怎么完善的？這是科學上最大的未決之謎之一。20世紀90年代，化學學家羅杰·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，她們覺得量子熱學可以解釋人類意識的神秘復雜性。
量子熱學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元細胞構成的，它們的共同活動被覺得意識形成的源頭。每位神經元都富含微管，它們可以將物質運輸到細胞的不同部份。彭羅斯和哈默羅夫提出，微管的結構是分形的，這促使量子過程得以發生，因而由腦部的神經系統產生的復雜網路所形成的意識，理應遵守量子熱學的規則。
但是，這樣的觀點受到了嚴重指責。反對者覺得，量子熱學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學學定理的支配。基于這個緣由，許多科學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。
如今，大連交通學院與英國烏得勒支學院的一隊研究人員展開了一項與“量子分形”有關的新研究，新的研究結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（）是種誘人的結構，除了由于它們的美學上的吸引力，但是在物理上也十分奇特——它們以無限重復的美麗圖案的方式出現，形成了有著有限的面積，卻又有著無限的邊長的結構。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（詳見）。假如你仔細觀察花菜里的小花、蕨類動物的樹根……就會發覺它們都是由相同的基本形狀不斷重復構成的，只是尺度越來越小。這是分形的一個關鍵特點。在我們的身體內部，也發生著同樣的情況，比如肺的結構就是分形的，循環系統中的血管也是分形的。據悉，分形也出現在各類藝術作品和現代技術中。
圖1.羅馬花菜細節｜圖片來源：viaunderCCBY-SA
科學家之所以想要用分形來理解人類意識的復雜性，是由于分形本身就是種無限紛繁復雜的結構，它容許復雜性從簡單的重復模式中形成。這有可能可以支撐我們神秘的思想結構。
但若果真的是這樣的話量子物理學定律，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——只發生在量子層面，即微小的粒子在腦部神經元中以分形模式聯通。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學學定理，而不是量子化學學定理。
就目前的情況來看量子物理學定律，假若量子分形真的存在于我們的腦部中，科學家也尚未能對它們進行直接的檢測。不過，現有的技術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，由烏得勒支學院的化學學家deSmith領導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，創造出了一個量子分形。
在那項研究中，當她們檢測電子的波函數時，發覺了它們也處在由她們創造的數學圖樣所主導的分形維數中。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覺，只不過STM技術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于量子過程是怎樣在腦部中發生的信息。
現今，在最新的研究中，由北京交通學院的金賢敏（Xian-MinJin）院長領導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，原先所未有的細節闡明了分形中發生的量子運動。
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構中擴散。接著，她們又在兩種不同的分形結構上重復了這個實驗，這兩種分形形狀都是正圓形而不是三角形。