AI时代再问意识：量子意识 —心智是否需要一种不同的物理学？（上）

在现代意识研究的大部分历史中，大脑一直被看作一台极其复杂的生物机器。神经元接收信号、处理信号，再把信号传递给其他神经元；数百亿神经元由此组成庞大的网络，在持续不断的活动中产生知觉、记忆、判断、情绪和行为。我们离真正理解这些过程还很遥远，但隐藏在整个研究计划背后的基本假设似乎并不复杂：无论意识最终是什么，它应该能够用解释其他生命现象的同一套物理规律来解释。意识也许很特殊，大脑也许极其复杂，但原则上并不需要一种不同的物理学。

罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）几十年来一直在怀疑这个前提。

彭罗斯是意识研究中一个非常特殊的人物。他并不是从神经科学、心理学或者传统心灵哲学进入这个领域，而是从数学和理论物理学走了进来。作为研究广义相对论、黑洞和数学物理的重要学者，他最初关心的其实并不是主观体验，而是一个看起来与意识相距很远的问题：人类的数学理解，真的可以完全还原为计算吗？

彭罗斯的回答是否定的。

而正是这个答案，最终把他带进了意识研究中最具争议的领域之一：意识是否可能依赖于大脑内部某种特殊的量子过程。

不过，要理解为什么一个研究黑洞和时空结构的物理学家最终会走到这里，我们首先必须把两个经常被混在一起的问题分开。第一个问题是：量子力学是否与大脑有关？从最基本的意义上说，答案当然是肯定的。大脑由原子和分子构成，化学键、电子结构和分子反应最终都服从量子力学。第二个问题却完全不同：意识是否依赖某些不能在经典物理层面得到充分描述的量子过程？

真正有争议的是后一个问题。

而彭罗斯走向这个问题的道路，并不是从神经元开始的，而是从数学开始的。

从数学提出的挑战

1989年，彭罗斯出版了《皇帝新脑》（The Emperor’s New Mind），几年后又出版《心灵的阴影》（Shadows of the Mind）。在这两本书中，他提出了一个极为大胆的观点：人类真正的理解能力，不能完全归结为算法计算。

这个论证很大程度上受到库尔特·哥德尔（Kurt Gödel）不完备定理的启发。哥德尔证明，在满足一定条件的足够强大的形式系统中，会存在一些无法在系统内部证明的命题。彭罗斯由此提出，人类数学家似乎有时能够认识到某些形式系统自身无法通过机械推演得到的数学真理。如果真正的数学理解确实能够超越算法，那么人的心智就不可能只是运行在生物硬件上的一个程序。

这个推论从一开始就极具争议。许多逻辑学家、哲学家和计算机科学家认为，哥德尔定理并不能证明人类拥有非计算能力，因为人类数学家本身并不是一个绝对可靠、永不矛盾的形式系统。我们会犯错误，会误判，也无法保证自己关于数学真理的所有判断都具有彭罗斯论证所需要的那种一致性。因此，从哥德尔不完备定理直接跳到“人类意识不是算法”，远没有彭罗斯所认为的那么顺理成章。

但彭罗斯真正关心的是另一层含义。如果人的意识或者数学理解确实包含某种不可计算的成分，那么传统的计算主义大脑模型原则上就是不完整的。自然界中必须存在某种能够产生非算法结果的物理过程，而这种过程不可能仅仅是我们已经熟悉的经典计算。

量子力学因此进入了视野。

并不是因为量子力学神秘，也不是因为“意识”与“量子不确定性”听起来具有某种诗意上的相似，而是因为量子理论内部确实存在一个至今仍具有深刻解释争议的问题：一个包含多种可能性的量子状态，究竟如何成为我们最终观察到的某一个确定结果？

意识问题由此与量子力学的测量问题发生了接触。

从可能性到现实

在量子力学的数学描述中，一个微观系统可以处于多个可能状态的叠加之中，而当测量发生时，我们最终观察到的却是一个确定结果。这个从可能性到确定事件的转变究竟意味着什么，所谓“波函数坍缩”是否代表真实发生的物理过程，至今仍然是量子力学解释问题的重要组成部分。

历史上，意识确实曾经出现在关于量子测量的讨论中。一些二十世纪的思想家曾经设想，观察者可能在量子测量过程中具有某种特殊地位。经过大众文化和各种通俗解释的不断放大，这种讨论后来逐渐演变成一句极具诱惑力的话：“意识使波函数坍缩。”

这句话经常被说得仿佛已经是量子力学的结论。

实际上并不是。

今天大多数物理学家并不认为人的意识是普通量子测量不可缺少的组成部分。退相干理论已经能够解释宏观系统为什么在与环境相互作用之后迅速失去可观察的量子相干性，而量子力学不同的解释——例如多世界解释、玻姆理论以及各种客观坍缩理论——也都可以在不把人的意识放进基本物理定律的情况下处理测量问题。

彭罗斯提出的观点其实有所不同，而且这个区别非常重要。他并不是简单地主张“意识导致量子坍缩”，而是把因果方向几乎倒了过来：也许某一种特殊的量子态客观缩减过程，本身就是产生意识的物理条件之一。

彭罗斯认为，量子态的缩减可能并不只是测量造成的表面现象，而是一种与引力以及时空基本结构有关的客观物理过程。当两个量子状态对应的时空几何差异达到某个程度时，这种叠加状态可能变得不稳定，并最终发生他所谓的“客观缩减”（Objective Reduction，OR）。如果这种缩减过程真的包含非计算性质，那么它就可能成为彭罗斯一直寻找的那个缺失环节：一种能够使意识超越纯粹算法计算的自然过程。

这是一个极其大胆的设想。

但它立刻遇到了一个明显的问题。

即使自然界真的存在这样的过程，它在大脑的什么地方发生？

从时空结构走进神经元

麻醉学家斯图尔特·哈默罗夫（Stuart Hameroff）提出了一个答案。

哈默罗夫长期关注细胞内部一种叫作微管（microtubules）的微小蛋白结构。微管是细胞骨架的重要组成部分，参与维持细胞形态、细胞内运输以及其他许多生命活动。它们存在于人体几乎所有细胞中，当然也包括神经元。

在传统细胞生物学中，微管主要被视为一种结构和运输系统。但哈默罗夫怀疑，它们可能承担远比这些功能更加复杂的信息处理任务。他提出，微管内部可能存在某种发生在普通神经元放电之下的计算过程。

当哈默罗夫关于微管的生物学设想与彭罗斯关于客观缩减的物理学理论相遇以后，一个新的意识理论出现了：协调客观缩减理论（Orchestrated Objective Reduction，Orch-OR）。

按照这一理论的基本构想，神经元内部的微管能够形成并维持某些量子状态，而神经系统的生物活动会对这些状态进行“协调”。随着量子态不断演化，它们最终达到彭罗斯所设想的客观缩减阈值，而每一次这样的缩减事件，都以某种方式参与形成一个意识瞬间。大量这样的事件与更大尺度的神经活动相互配合，最终形成我们所体验到的连续意识流。

如果这个理论成立，它将极大改变我们理解大脑的方式。大多数现代意识理论把关键机制放在神经元、突触、脑区网络、循环加工、全局信息广播、预测机制或者信息整合层面；Orch-OR则认为，仅仅停留在这些尺度上可能还不够，意识最关键的一部分物理机制，也许发生在神经元内部更微观的层次。

问题当然是：我们有什么理由相信它？

（未完待续）

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