意識與量子力學的內在關系

陳思

摘 要 量子力學與意識之間具有復雜的內在關聯(lián)性，在量子力學中，意識被賦予了引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力，并作為測量過程的初始條件由始至終地影響著對物理對象的客觀描述。在意識研究中，建立在經(jīng)典力學基礎上的傳統(tǒng)研究路徑遭遇到無法擺脫的困境，需要引入量子力學來為自身提供全新的科學說明，這些說明形成了量子力學視域中的意識研究的三條主要路徑。

關鍵詞 意識 量子測量 波函數(shù)塌縮 神經(jīng)活動

中圖分類號：B80-05 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.11.074

On the Inner Relation between Quantum Mechanics and Consciousness

CHEN Si

（Department of Psychology， Jianghan University， Wuhan， Hubei 430056）

Abstract Consciousness and quantum mechanics are closely related with each other. In the research of quantum mechanics， consciousness is the premise of measurement process which can cause the wave function collapse and influence the description of the physical objects. In the research of consciousness ，the traditional research way which based on the classical mechanics confront the dilemma， the quantum mechanics could provide a new approach for explaining the consciousness in a different perspective， the quantum theories about the consciousness can be divided into three kinds.

Key words consciousness; quantum measurement; wave function collapse; neural activities

意識與量子力學原本分屬于兩個完全不同的學科，前者是心靈哲學與認知科學研究的對象，后者是物理學的前沿領域。隨著意識問題在當代科學背景下，已經(jīng)成為了哲學、心理學、物理學和認知神經(jīng)科學等分科科學共同關注的焦點，意識問題的跨學科特征也日益突顯。運用不同的學科方法來解釋和說明意識問題，成為一種研究的必然趨勢。許多的心靈哲學家和物理學家認為，意識和量子力學之間有著密切的關系。他們主張，不僅量子力學需要意識的參與以保證描述物理世界的完整性，意識研究也需要引入量子力學來突破現(xiàn)有的困境。

1 意識在量子力學中的位置

意識在量子力學中的作用主要表現(xiàn)兩個方面，一是在量子測量中，意識作為測量過程的初始條件，由始至終地影響著對物理對象的描述，二是意識引發(fā)波函數(shù)塌縮理論。

第一，意識與量子測量。經(jīng)典力學認為，只要在測量過程中，具備明確的初始值，根據(jù)一系列基本粒子的初始位置和速度，就可以實現(xiàn)對事件的準確預測，揭示出世界的真實狀態(tài)，并且，其測量結果不會受到觀察者意識的影響。因此，就某種程度而言，經(jīng)典力學中觀察者的行為同樣是被決定和可準確預測的，觀察者的心靈與觀察者本身的原子構成的經(jīng)典態(tài)被視為相等同。但是，在量子測量的過程中，這種測量過程和結果的客觀嚴格決定性和確定性會發(fā)生改變。依據(jù)標準的量子力學思考，以玻爾、海森堡等人為代表的哥本哈根學派認為，測量和觀察在描述物理實在的過程中具有十分重要的作用。在量子測量的過程中，測量的結果會表現(xiàn)出一定的不確定性，即每一次的測量結果都不相同。這種不確定性主要來自觀察者的意識和測量工具在每一次測量過程中所產(chǎn)生的差異性影響?！傲孔恿W并不描述物理實在本身，而是描述物理實在出現(xiàn)的概率，而這種概率取決于觀察者的觀察?！雹倭孔恿W的產(chǎn)生從根本上改變了觀察者在測量過程中的地位。

測量問題研究的是一個處于經(jīng)典態(tài)的觀察者是怎樣在一個量子世界里存在的問題，量子世界描述了不同態(tài)的疊加，但是人類主體對世界的知覺和描述卻屬于宏觀層次上的經(jīng)典態(tài)。所以，在維格納、斯塔普（Henry Stapp）等物理學家看來，人類主體對經(jīng)典世界的經(jīng)驗為什么以及怎樣從量子世界中突現(xiàn)中出來，是量子理論要解決的根本問題之一。在量子理論中，人與微觀領域的物質和能量同處于一個測量過程，觀察者的意識會對測量的結果產(chǎn)生直接的影響，使測量結果表現(xiàn)出一種主客體不可分割的特征，正如海森堡所說，“自然科學不是自然界本身，而是人和自然界關系的一部分，因而就依順于人?！雹诹孔恿W所揭示出的物理實在以幾率波的形式呈現(xiàn)，并且只有在觀察者的意識參與到測量過程進行觀察時才會出現(xiàn)。在測量過程中，觀察者的意識是量子力學所描述的物理實在本身的基本前提，自始至終都決定著測量的結果。因此，量子理論不是關于描述客觀物理實在本身的知識，它從一開始就包含了觀察者意識這一因素。量子理論實際上是由人類主體意識通過對物理對象的觀察得到、并經(jīng)過認知加工的知識。但是在經(jīng)典力學中，情況則恰恰相反，人類主體同測量過程和測量結果截然分離，有意識的主體與客體對象之間有明確的邊界。

第二，意識引發(fā)塌縮理論。馮·諾依曼在其1932年的著作《量子力學的數(shù)學基礎》中首次提出“意識引發(fā)塌縮”理論（consciousness cause collapse proposal，簡稱CCCP），受到維格納和斯塔普的支持。該理論認為，“測量”僅僅發(fā)生在有意識的觀察者和波函數(shù)相互作用的基礎上，所以僅從量子力學的角度來描述世界是不完整的，一個完整、科學、系統(tǒng)的描述應該包含意識狀態(tài)對量子力學的影響，而塌縮就是在有意識的觀察者的心靈同其它系統(tǒng)的糾纏中發(fā)生的?！傲孔恿W的規(guī)律是正確的，但是有一個系統(tǒng)有可能要用量子力學來說明，這個系統(tǒng)就是整個物質世界。有一個不在量子力學之內的外部的觀察者，這個觀察者就是人類（和動物）的心靈，它在大腦上執(zhí)行測量并導致波函數(shù)的塌縮?！雹鄢诌@種觀點的哲學家和物理學家，如查爾默斯（David Chalmers）和洛克伍德（Michael Lockwood）認為，“塌縮動力學為交互論說明敞開了大門”。④同時，他們也認為意識能夠從某種復雜的大腦物理狀態(tài)中突現(xiàn)出來，從而具有引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力。

當然，“意識引發(fā)塌縮”理論實際上還面臨許多問題。例如，意識引發(fā)塌縮是在什么時候發(fā)生的？是否僅在有意識的觀察者參與的測量過程中，意識才會引發(fā)塌縮？根據(jù)現(xiàn)有的宇宙知識，早期宇宙的量子狀態(tài)并不是一個意識的本征態(tài)（eigenstate），在宇宙產(chǎn)生的最初的三分鐘里，也沒有一個有意識的觀察者在觀察一切的發(fā)生。如果宇宙最初的那個狀態(tài)是根據(jù)薛定諤所提出的規(guī)律而演化出的早期宇宙狀態(tài)，那么一個與有意識的觀察者的存在相關聯(lián)的本征態(tài)就不可能產(chǎn)生。第一次的塌縮需要有意識的觀察者出現(xiàn)才能產(chǎn)生，但是有意識的觀察者的出現(xiàn)則需要更早狀態(tài)的塌縮才能產(chǎn)生，塌縮與有意識觀察者出現(xiàn)的先后順序問題的不確定，直接導致意識引發(fā)塌縮不可能開始的結論。盡管，“意識引發(fā)塌縮”理論受到了許多科學性和哲學家的支持，但是他們并沒有為該觀點提供一種可靠的論證。并且，這一理論和作為主流說明的多世界理論相悖。多世界理論認為，波函數(shù)是對于整個宇宙的完備描述，它是一種基本的物理實體，從不塌縮;并且，量子測量不需要意識的參與，把意識引入到物理說明中，只會使實在論遭遇到危機。

盡管對于意識在量子力學中的位置尚無定論，但是已經(jīng)有越來越多的物理學家和哲學家參與到這一爭論中去，比如維格納、斯塔普、查爾默斯等人，他們關于意識在量子力學研究中的作用的積極討論，已經(jīng)表明，意識是量子力學研究中不可忽視的一個重要問題。

2 量子力學視域中的意識研究

早期的量子力學研究者如普朗克、玻爾、薛定諤等人主張，意識研究應該引入量子隨機性來解決與決定論之間的矛盾，此后，量子力學視域中的意識研究開始興起。我們將首先說明為什么意識研究要引入量子力學，然后論述用量子力學研究意識的三條主要路徑。

2.1 為什么意識研究需要引入量子力學

還原的唯物主義的觀點以經(jīng)典力學的決定論、還原論等原則為立論的基礎。決定論認為，質點是真正的實在，只要給出質點的位置和動量，那么，依據(jù)一定的初始值，自然和人的行為就可以被準確地預測。還原論主張，一切高級運動形式都可以還原為低級、基本的活動形式，把這種方法運用到意識研究中就是把意識這種大腦的高級活動形式還原為最基本的大腦神經(jīng)活動，以達到揭示意識本質的目的。傳統(tǒng)的意識研究建立在這種理論基礎之上，而意識問題的關鍵在于，意識的主觀特征該如何進行有效的還原，并且使被還原為神經(jīng)活動的意識仍然能夠具有說明主觀感受的完備性呢？這一問題被查爾默斯稱為著名的“意識困難問題”。

“在經(jīng)典力學中沒有任何支持‘感受存在的邏輯上的依據(jù)。它是一個理性封閉的概念系統(tǒng)，它的原則只有在決定事物的位置和運動的時候起作用，這個系統(tǒng)局限于一個狹小的數(shù)學框架內，不涉及任何現(xiàn)象性的性質?！雹葸@就是說，在以經(jīng)典力學為基礎的認識論框架內，并沒有人的主觀感受的存在地位，經(jīng)典力學以排除意識問題來實現(xiàn)自身體系的完整性。一種排除了意識存在地位的理論如何能夠解決意識問題？這顯然是令人懷疑的。

因此，彭羅斯（Roger Penrose）、斯塔普等物理學家認為，如果對意識的研究仍局限在經(jīng)典力學的框架內，意識問題永遠不可能得到解決，我們必須在一個全新的框架內說明意識和大腦活動之間的關系，而量子力學的引入，能夠為我們提供新的研究視角。

2.2 量子力學視域中意識研究的三條路徑

意識是由大腦神經(jīng)活動基于某種動力學而實現(xiàn)的過程，由于它涉及到微觀層面的化學和電子現(xiàn)象，因此，對它的描述必然要涉及到量子理論。從而，我們可以把意識看成是一個發(fā)生在大腦微觀世界中的特殊的量子力學現(xiàn)象。持這種觀點的物理學家和心靈哲學家認為，“意識是一種對神經(jīng)反射的直接認識，這種神經(jīng)反射是通過已知的量子事件突然實現(xiàn)的?！雹薷鶕?jù)目前的研究，量子力學對意識的說明可以分為三條路徑。

第一條路徑是運用相關的量子力學概念，如量子疊加、塌縮等原理與意識活動進行類比來達到說明意識的目的。在說明的過程中，不需要涉及復雜的運算，也不需要將具體的概念運用到具體的情境中。這種方式的說明僅僅是一種概念上相似性的類比，因此本質上不是對意識過程的科學表征，并不能真正揭示意識的本質。

第二條路徑是運用具體的量子力學概念來揭示神經(jīng)生理學的過程。通過這條途徑，量子力學對意識的相關特征做出了說明。

第一，用玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)說明意識的高度整合性。個體在反觀當下的意識狀態(tài)的時候，大腦中會呈現(xiàn)一幅統(tǒng)一和諧的意識場景。例如，當某人在上課的時候，因為聽到窗外的音樂而想起了某部電視劇的情節(jié)、大腦中會浮現(xiàn)電視劇的場景和人物、甚至是當時的天氣，同時，他的耳邊又傳來老師的講課聲，同時他的右手正在做著筆記。于是，他所有的感官都被調動起來，在大腦中形成了一幅統(tǒng)一但富有情節(jié)跳躍性的場景。這幅場景完整且豐富，個體無法把它自行分割，也就是說，大腦中所呈現(xiàn)的統(tǒng)一和諧的意識場景不能被分割成他正在聽音樂或者他正在做筆記這些構成意識內容的元素而獨立存在。同時，隨著老師的突然提問，他形成的意識場景被打破，繼而思考老師提問的意識場景，或者隨著窗外音樂聲的停止，他的意識場景轉換成了另一幅圖像呈現(xiàn)在大腦中。不論意識的內容如何改變，他的意識狀態(tài)總是統(tǒng)一且不可分割的整體。

玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)是一種全新的物質狀態(tài)，即不同活動水平的原子在溫度極低的條件下會凝聚在一起而具有統(tǒng)一的特征。當這些原子處于靜止狀態(tài)時，它們以無序的方式排列，一旦它們受到外界的刺激，并且細胞的能量因刺激而達到某個臨界水平時，它們就會一致性地被激活。這種神經(jīng)元的激活能夠波及整個大腦，并產(chǎn)生一致的量子電場。玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)的過程機制恰好能夠說明，分布在不同腦區(qū)且活動水平各異的神經(jīng)元活動怎樣能夠協(xié)同行動，以支持一個完整統(tǒng)一的意識場景的產(chǎn)生。

第二，用測不準原理說明思維的量子化特征。EEG （Electro Encephalo Gram）實驗已經(jīng)證實，思維過程在本質上具有量子化的特征。思維過程與量子過程的變化有諸多相同點。例如，當一個人在回憶多年前，在某節(jié)印象深刻的課堂上被老師提問自己所做的回答時，大腦中許多與當時場景相關的模糊要素都處在被調動的潛在狀態(tài)中，例如當時的天氣、情緒狀態(tài)、問題的內容、他的回答、同學們的反應等。當他把注意力刻意集中到其中一個記憶片段，如當時回答問題的緊張狀態(tài)上，準備仔細回想和再現(xiàn)曾經(jīng)回答過的內容時，他會發(fā)現(xiàn)在回憶的過程中常常會遇到困難。對當時所回答內容的記憶會變得不如刻意集中注意力之前那樣清晰和完整，甚至試圖回憶起來的思路也會消失而被其它的思路所取代。在未刻意回憶時本來清晰完整的回答，反而在集中注意力之后變得模糊，甚至原先的回憶思路也被打亂，最終導致意識場景發(fā)生改變。這一特征能夠用海森堡在1927年所提出的“測不準原理”來說明。

“測不準原理”表明，一個微觀粒子的物理量，如位置和動量、時間與能量等不可能同時具有確定的數(shù)值，如果在一對物理量中，其中一個量的值越確定，那么另一個量的值就越難以確定。就思維的特征而言，被刻意關注的回憶類似于電子的二象性中的粒子性而具有“位置”，在刻意集中注意力之前的潛伏性的整體思路，就像電子的二象性中的波而具有“動量”。兩者不能同時清晰或者同時確定，而只能確定一個。

第三條路徑是一種關于量子力學的普遍性理論，其代表人物是玻姆（David Bohm）和斯塔普。玻姆等人提出一種“新實在論”的觀點。他們認為，意識和物質不是兩個根本性的實在，物質和意識只是從隱序的基本實在中投射到顯序中的投射物。斯塔普持類似的觀點，并提出了建立在過程本體論上的意識觀點，即最本質的實在元素是現(xiàn)實場合（actual occasion），而不是物質或者心靈?，F(xiàn)實場合可以把心理的和物理的特征緊密地聯(lián)系起來。這樣，心物直接互動的觀點就被他在更為深層次的基礎上提出的心物關聯(lián)的約束集合（constraint set）所取代。

3 結論

量子力學與意識看似毫不相關，但實際上卻是一對具有多重內在關聯(lián)性的奇妙的搭檔，兩者的交叉研究極大地拓展了彼此的理論視域，其背后的形而上學基礎是一種交互二元論。從交互二元論的角度出發(fā)，意識被賦予了引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力，并作為一種測量過程的初始條件由始至終影響著對物理對象的客觀描述。并且，意識研究中量子力學的引入，突破了長期以來用經(jīng)典力學規(guī)律說明意識問題所遭遇到的瓶頸，為意識的高度整合性等特征提供了有力的科學說明。隨著交叉學科的縱深發(fā)展，意識與量子力學的內在關聯(lián)性將會得到更多的揭示。

注釋

① 鄭榮雙.形而上學心理學[M].上海：上海教育出版社，2008：117.

② 金尚年.量子力學的物理基礎和哲學背景[M].上海：復旦大學出版社，2007：95.

③ Zvi Schreiber. The Nine Lives of Schroedingers's Cat[J].1995.http：//arxiv.org/abs/quant-ph/9501014.

④ David Chalmers. Consciousness and its Place in Nature.In Stephen P. Stich，Ted A. Warfield .（ed）. The Blackwell guide to philosophy of mind [M]. London： Blackwell Publishing， 2003：102.

⑤⑥The Evolution of Consciousness [A]. Proceedings of Conference Toward a Science of Consciousness [C].Tucson， Arizona，1996.http：//citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download？doi=10.1.1.54.5572&rep=rep1&type=pdf