第332話:拉普拉斯的惡魔與薛丁格的貓——人類真的有自由意識嗎?

­「大腦的意識是怎麼來的?」一直是科學上的一個大問題。
從古典物理學的眼光來看,「你以為你有的自由意志,其實不過是物理定律作用下的假象」(而且這句話沒有任何討價還價的空間);還好量子力學出現了,它可能是人類自由意志的救贖!
…這會不會太扯了?
牛頓的古典力學基本上可以讓我們理解並且預測日常生活中所見的種種現象,所以在20世紀初的「相對論」與「量子力學」出現之前,科學家們深信古典物理就是宇宙萬物的解答。
於是「拉普拉斯的惡魔」出現了!
「拉普拉斯的惡魔」一聽就覺得超有梗,很適合放在Fantasy故事或遊戲中(來源:神魔之塔ⒸMadhead)
宇宙中所有的物質都是由各種基本粒子組成,在宇宙開始的時候,所有的粒子都有各自的位置與速度,而各種粒子之間的交互作用力不外乎「重力」、「電磁力」、「強核力」、「弱核力」四種,所以在任何時候,每個粒子會受到的力也是確定的,在一個瞬間之後,所有的粒子都精確遵循牛頓的「F = ma」運動,位置移動了一點點、速度也改變了一點點,然後在新的位置與速度下,所有的粒子受的力跟前一個瞬間一樣,是確定的。接著下下個瞬間也是一樣,都要依循牛頓定律來運動,就像各位在高中物理算的題目一樣,宇宙中每個粒子的運動都有「標準答案」,沒得商量。
所以得到一個結論:從宇宙最初那個瞬間開始,每個粒子初始的位置與速度,加上牛頓運動定律,在未來的時間長河中,宇宙中所有粒子要怎麼動都已經有了精確的答案,直到宇宙結束為止。
所以目前看著這篇文章的你,也只是組成你身體的所有粒子,根據上面那套由牛頓力學寫好的劇本在這個時候黏在一起,然後腦袋裡的那些粒子根據同樣劇本的運動產生了神經電流,而出現了「我意識到我在讀一篇科普文」這樣的「錯覺」——其實一切都是粒子與力作用的結果而已。
當然未來也不在我們手中,而是要看這些粒子怎麼動。
十九世紀的法國數學家拉普拉斯說,如果宇宙中存在一個生物,知道某個瞬間宇宙中所有粒子的位置與速度,又懂牛頓力學的話,它將洞悉整個宇宙的過去與未來,這個生物就是「拉普拉斯的惡魔」。
其實就算這個惡魔不存在,也不會改變「這個宇宙所有的事物已經都被古典物理給命中註定,不存在任何不確定」,你所做的任何行動與決定,都跟「自由意志」無關,而是物理定律的必然結果。
還好量子力學出現了,所有的粒子不再具有確定的位置與動量,也不是根據其受力進行精確的運動,「拉普拉斯的命定論」不再成立,所以我們在量子力學的課堂中常常會半開玩笑的說,「量子力學挽救了人類的自由意志」。
雖然我們相信這個基本原則,那「意識」到底從哪裡來?真的跟量子力學有關嗎?2020年諾貝爾物理獎得主Roger Penrose與神經科學家Stuart Hameroff提出一個稱為「協調客觀還原」(orchestrated objective reduction, Orch OR)的理論,認為我們的大腦是一個「生物量子電腦」,神經細胞裡面的「微管」(由蛋白質組成的管狀結構,作用是支撐細胞的骨架),可能是大腦這個量子電腦的基本單元,他們認為這種結構小到足以讓量子位元所需的「相干性」(你可想成「薛丁格的貓」那個「生與死並存」的疊加狀態)持續夠長的時間,讓大腦進行量子運算。
(A) 左邊那兩包是神經細胞間傳遞訊號的突觸,右邊那些一根一根的就是微管,(B) 微管收到突觸的訊號後會改變其狀態,Hameroff認為這是一個量子行為(來源:Frontiers in Integrative Neuroscience)
聽起來簡直是天方夜譚,原來現在各國以及跨國大企業如火如荼,用低溫環境下的超導體、離子阱、半導體或光電等花式科技嘗試建造的量子電腦,原來就存在我們的大腦裡?
許多科學家也認為他們是在唬爛,不過Penrose畢竟是拿了諾貝爾獎的超一流科學家,他所提出的理論,是「可以設計實驗來證明或推翻」,而不是那種「心誠則靈」的。
「Orch OR」理論其實有幾個不同的版本,來解釋腦內量子相干性的機制。其中一個版本是腦內的量子態「崩塌」(類似我們打開薛丁格的箱子瞬間,貓從「又死又活」的疊加狀態「崩塌」成「死」或是「活」其中一個態)機制是受到重力的作用,當發生量子態崩塌時,會釋放出即為微量的輻射,這個版本是匈牙利物理學家Lajos Diósi所提出,稱為「Diósi-Penrose理論」。它困難的地方是這個訊號即為微弱,不過現在最先進的儀器勉強可以量到;另外,我們身邊各式各樣的輻射(主要來自於太陽)實在是太多了,會淹沒真正的「大腦意識量子輻射」。
義大利國家核物理研究院(Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN)的科學家 Catalina Curceanu領導的跨國研究團隊,為了研究這個問題,她們深入義大利Gran Sasso山下1.4公里深處的 Gran Sasso 國家實驗室,許多粒子物理實驗都在這種地方,以避免太陽輻射的影響,可以提供一個非常「乾淨」的環境,幾乎沒有什麼背景輻射。她們採用一個高純度鍺製成的圓柱型精密偵測器來測量因為重力所引起的量子態崩塌而釋放出的輻射(如果有的話)。
Gran Sasso 微輻射實驗室(來源:Massimiliano De Deo, LNGS-INFN)
科學家們在地底深處蹲了兩個月,結果出來了,沒有!Diósi-Penrose理論預測了這種輻射的能量範圍,但是從量測到的結果顯示,排除了各種雜訊之後,沒看到Diósi-Penrose理論預測的輻射訊號。
所以這個「重力驅動」的人腦量子計算機制的理論基礎,應該是失敗了,不過沒關係,Orch OR還有很多個版本…
這個「量子意識」的研究,先後發表於2020/09/07的「Nature Physics」以及2022/09的「Physics of Life Reviews」。
附帶說明一下,雖說這是個大腦意識的研究,不過整個實驗其實沒有用到任何生物樣品,是「量子態的波函數是怎麼崩塌的」這個基本問題的探討,跟意識的關係是,它不成立的話,用它來解釋意識的Diósi-Penrose理論當然也就失去基礎了。
附帶二提,這篇看不懂不要洩氣,我自己寫的我也看不懂…
超中二物理宅雜記
話都給我說就好 其之332
研究主導者C. O. Curceanu專訪(2022/07/11):https://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=356
Physics of Life Reviews論文(預定2022/09出版):https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1571064522000197?via%3Dihub
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