2021-07-22作者：Cristiane de Morais Smith（烏得勒支大學物理學教授） 編譯：小雨

意識是如何建立的？這是科學上最大的未決之謎之一。20世紀90年代，物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）與麻醉師斯圖爾特·哈默羅夫（Stuart Hameroff）曾一起提出過一個大膽的提案，他們認為量子力學可以解釋人類意識的神秘複雜性。

量子力學是決定了如電子等微觀粒子如何運動的理論。我們的大腦是由神經元細胞構成的，它們的共同活動被認為意識產生的源頭。每個神經元都含有微管，它們可以將物質運輸到細胞的不同部分。彭羅斯和哈默羅夫提出，微管的結構是分形的，這使得量子過程得以發生，因此由大腦的神經系統形成的複雜網路所產生的意識，理應遵循量子力學的規則。 然而，這樣的觀點遭到了嚴重質疑。反對者認為，量子力學定律通常只適用低溫條件，例如目前的量子計算機就只在接近絕對溫度的低溫下才能運行；在更高的溫度下，經典力學就會取而代之。而我們的身體是在室溫下工作的，因此它受到的是經典物理學定律的支配。基於這個原因，許多科學家對彭羅斯和哈默羅夫的「量子意識論」都予以了徹底否定的態度。

現在，上海交通大學與荷蘭烏得勒支大學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向前邁進了一大步。 分形（fractal）是種迷人的結構，不僅因為它們的美學上的吸引力，而且在數學上也非常獨特——它們以無限重複的美麗圖案的形式出現，產生了有著有限的面積，卻又有著無限的周長的結構。分形既不是二維的也不是三維的，而是介於二者之間的非整數維度。 這聽起來似乎很不可能，但實際上分形在自然界中經常出現（詳見《自然是如何創造分形的？》）。如果你仔細觀察花菜裡的小花、蕨類植物的樹枝……就會發現它們都是由相同的基本形狀不斷重複構成的，只是尺度越來越小。這是分形的一個關鍵特徵。在我們的身體內部，也發生著同樣的情況，例如肺的結構就是分形的，循環系統中的血管也是分形的。此外，分形也出現在各種藝術作品和現代技術中。 科學家之所以想要用分形來理解人類意識的複雜性，是因為分形本身就是種無限錯綜複雜的結構，它允許複雜性從簡單的重複模式中產生。這有可能可以支撐我們神秘的思想結構。但如果真的是這樣的話，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，即微小的粒子在大腦神經元中以分形模式移動。而在我們剛剛列舉的那些典型的分形示例中，都無一例外遵循著經典物理學定律，而不是量子物理學定律。

就目前的情況來看，如果量子分形真的存在於我們的大腦中，科學家也尚無法對它們進行直接的測量。不過，現有的技術已經可以讓我們在實驗室裡測量量子分形。在2018年的一項研究中，由烏得勒支大學的物理學家Cristiane de Morais Smith領導的研究團隊就利用隧道顯微鏡（STM），將電子排列成了分形圖案，創造出了一個量子分形。 在那項研究中，當他們測量電子的波函數時，發現了它們也處在由他們創造的物理圖樣所主導的分形維數中。在那個實驗中，他們使用的模式是量子尺度上的謝爾賓斯基三角形（Sierpiński triangle），這是一種介於一維和二維之間的形狀。 這是一個令人興奮的發現，只不過STM技術還不能探測量子粒子是如何運動的，因此也就無法從中得知更多關於量子過程是如何在大腦中發生的資訊。 現在，在最新的研究中，由上海交通大學的金賢敏（Xian-Min Jin）教授領導的研究團隊將這一研究更進了一步。他們利用最先進的光子實驗，以前所未有的細節揭示了分形中發生的量子運動。

在實驗中，他們將光子注入一個人工晶片中，這個晶片被精心設計成一個小小的謝爾賓斯基三角形。他們在三角形的頂端注入光子，然後觀察它們是如何通過一個名為量子輸運的過程在分形結構中擴散。接著，他們又在兩種不同的分形結構上重複了這個實驗，這兩種分形形狀都是正方形而不是三角形。 在實驗中，研究人員對每個結構都進行了數百次實驗。從這些實驗中觀察到的結果表明，量子分形的行為方式實際上與經典分形不同。具體來說，他們發現與光在經典的分形中傳播相比，在量子場景下的傳播時所受的物理定律是不同的。 研究人員成功地在實驗室環境中，研究了量子粒子如何在類似大腦的複雜結構中移動。他們將研究結果發表在了近期的《自然-光電子》雜誌上。 這一關於量子分形的新知識可以為科學家在實驗上驗證量子意識理論提供基礎。

如果有朝一日，科學家可以對人類大腦進行量子測量，那麼就可以將屆時的結果與這次的發現進行對比，從而確定意識是經典現象還是量子現象，進而進一步證實或否定彭羅斯和哈默洛夫那富有爭議的理論。 這項工作還可能對科學領域產生深遠的影響。研究人員所設計的這些分形結構中的量子輸運，可能已經朝著物理、數學和生物學的統一邁出了一小步，這將極大地豐富我們對周圍世界以及存在於我們頭腦中的世界的理解。