意識(shí)與量子力學(xué)的內(nèi)在關(guān)系

陳思

摘 要 量子力學(xué)與意識(shí)之間具有復(fù)雜的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，在量子力學(xué)中，意識(shí)被賦予了引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力，并作為測(cè)量過程的初始條件由始至終地影響著對(duì)物理對(duì)象的客觀描述。在意識(shí)研究中，建立在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)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(xué)來為自身提供全新的科學(xué)說明，這些說明形成了量子力學(xué)視域中的意識(shí)研究的三條主要路徑。

關(guān)鍵詞 意識(shí) 量子測(cè)量 波函數(shù)塌縮 神經(jīng)活動(dòng)

中圖分類號(hào)：B80-05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)與量子力學(xué)原本分屬于兩個(gè)完全不同的學(xué)科，前者是心靈哲學(xué)與認(rèn)知科學(xué)研究的對(duì)象，后者是物理學(xué)的前沿領(lǐng)域。隨著意識(shí)問題在當(dāng)代科學(xué)背景下，已經(jīng)成為了哲學(xué)、心理學(xué)、物理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等分科科學(xué)共同關(guān)注的焦點(diǎn)，意識(shí)問題的跨學(xué)科特征也日益突顯。運(yùn)用不同的學(xué)科方法來解釋和說明意識(shí)問題，成為一種研究的必然趨勢(shì)。許多的心靈哲學(xué)家和物理學(xué)家認(rèn)為，意識(shí)和量子力學(xué)之間有著密切的關(guān)系。他們主張，不僅量子力學(xué)需要意識(shí)的參與以保證描述物理世界的完整性，意識(shí)研究也需要引入量子力學(xué)來突破現(xiàn)有的困境。

1 意識(shí)在量子力學(xué)中的位置

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

第一，意識(shí)與量子測(cè)量。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，只要在測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)事件的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，揭示出世界的真實(shí)狀態(tài)，并且，其測(cè)量結(jié)果不會(huì)受到觀察者意識(shí)的影響。因此，就某種程度而言，經(jīng)典力學(xué)中觀察者的行為同樣是被決定和可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的，觀察者的心靈與觀察者本身的原子構(gòu)成的經(jīng)典態(tài)被視為相等同。但是，在量子測(cè)量的過程中，這種測(cè)量過程和結(jié)果的客觀嚴(yán)格決定性和確定性會(huì)發(fā)生改變。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)思考，以玻爾、海森堡等人為代表的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，測(cè)量和觀察在描述物理實(shí)在的過程中具有十分重要的作用。在量子測(cè)量的過程中，測(cè)量的結(jié)果會(huì)表現(xiàn)出一定的不確定性，即每一次的測(cè)量結(jié)果都不相同。這種不確定性主要來自觀察者的意識(shí)和測(cè)量工具在每一次測(cè)量過程中所產(chǎn)生的差異性影響。“量子力學(xué)并不描述物理實(shí)在本身，而是描述物理實(shí)在出現(xiàn)的概率，而這種概率取決于觀察者的觀察。”①量子力學(xué)的產(chǎn)生從根本上改變了觀察者在測(cè)量過程中的地位。

測(cè)量問題研究的是一個(gè)處于經(jīng)典態(tài)的觀察者是怎樣在一個(gè)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(duì)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(xué)家看來，人類主體對(duì)經(jīng)典世界的經(jīng)驗(yàn)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(lǐng)域的物質(zhì)和能量同處于一個(gè)測(cè)量過程，觀察者的意識(shí)會(huì)對(duì)測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，使測(cè)量結(jié)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(xué)不是自然界本身，而是人和自然界關(guān)系的一部分，因而就依順于人?！雹诹孔恿W(xué)所揭示出的物理實(shí)在以幾率波的形式呈現(xiàn)，并且只有在觀察者的意識(shí)參與到測(cè)量過程進(jìn)行觀察時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。在測(cè)量過程中，觀察者的意識(shí)是量子力學(xué)所描述的物理實(shí)在本身的基本前提，自始至終都決定著測(cè)量的結(jié)果。因此，量子理論不是關(guān)于描述客觀物理實(shí)在本身的知識(shí)，它從一開始就包含了觀察者意識(shí)這一因素。量子理論實(shí)際上是由人類主體意識(shí)通過對(duì)物理對(duì)象的觀察得到、并經(jīng)過認(rèn)知加工的知識(shí)。但是在經(jīng)典力學(xué)中，情況則恰恰相反，人類主體同測(cè)量過程和測(cè)量結(jié)果截然分離，有意識(shí)的主體與客體對(duì)象之間有明確的邊界。

第二，意識(shí)引發(fā)塌縮理論。馮·諾依曼在其1932年的著作《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》中首次提出“意識(shí)引發(fā)塌縮”理論（consciousness cause collapse proposal，簡(jiǎn)稱CCCP），受到維格納和斯塔普的支持。該理論認(rèn)為，“測(cè)量”僅僅發(fā)生在有意識(shí)的觀察者和波函數(shù)相互作用的基礎(chǔ)上，所以僅從量子力學(xué)的角度來描述世界是不完整的，一個(gè)完整、科學(xué)、系統(tǒng)的描述應(yīng)該包含意識(shí)狀態(tài)對(duì)量子力學(xué)的影響，而塌縮就是在有意識(shí)的觀察者的心靈同其它系統(tǒng)的糾纏中發(fā)生的。“量子力學(xué)的規(guī)律是正確的，但是有一個(gè)系統(tǒng)有可能要用量子力學(xué)來說明，這個(gè)系統(tǒng)就是整個(gè)物質(zhì)世界。有一個(gè)不在量子力學(xué)之內(nèi)的外部的觀察者，這個(gè)觀察者就是人類（和動(dòng)物）的心靈，它在大腦上執(zhí)行測(cè)量并導(dǎo)致波函數(shù)的塌縮。”③持這種觀點(diǎn)的哲學(xué)家和物理學(xué)家，如查爾默斯（David Chalmers）和洛克伍德（Michael Lockwood）認(rèn)為，“塌縮動(dòng)力學(xué)為交互論說明敞開了大門”。④同時(shí)，他們也認(rèn)為意識(shí)能夠從某種復(fù)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(dāng)然，“意識(shí)引發(fā)塌縮”理論實(shí)際上還面臨許多問題。例如，意識(shí)引發(fā)塌縮是在什么時(shí)候發(fā)生的？是否僅在有意識(shí)的觀察者參與的測(cè)量過程中，意識(shí)才會(huì)引發(fā)塌縮？根據(jù)現(xiàn)有的宇宙知識(shí)，早期宇宙的量子狀態(tài)并不是一個(gè)意識(shí)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(gè)有意識(shí)的觀察者在觀察一切的發(fā)生。如果宇宙最初的那個(gè)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(gè)與有意識(shí)的觀察者的存在相關(guān)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(shí)的觀察者出現(xiàn)才能產(chǎn)生，但是有意識(shí)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(shí)觀察者出現(xiàn)的先后順序問題的不確定，直接導(dǎo)致意識(shí)引發(fā)塌縮不可能開始的結(jié)論。盡管，“意識(shí)引發(fā)塌縮”理論受到了許多科學(xué)性和哲學(xué)家的支持，但是他們并沒有為該觀點(diǎn)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(rèn)為，波函數(shù)是對(duì)于整個(gè)宇宙的完備描述，它是一種基本的物理實(shí)體，從不塌縮;并且，量子測(cè)量不需要意識(shí)的參與，把意識(shí)引入到物理說明中，只會(huì)使實(shí)在論遭遇到危機(jī)。

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

2 量子力學(xué)視域中的意識(shí)研究

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

2.1 為什么意識(shí)研究需要引入量子力學(xué)

還原的唯物主義的觀點(diǎn)以經(jīng)典力學(xué)的決定論、還原論等原則為立論的基礎(chǔ)。決定論認(rèn)為，質(zhì)點(diǎn)是真正的實(shí)在，只要給出質(zhì)點(diǎn)的位置和動(dòng)量，那么，依據(jù)一定的初始值，自然和人的行為就可以被準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。還原論主張，一切高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式都可以還原為低級(jí)、基本的活動(dòng)形式，把這種方法運(yùn)用到意識(shí)研究中就是把意識(shí)這種大腦的高級(jí)活動(dòng)形式還原為最基本的大腦神經(jīng)活動(dòng)，以達(dá)到揭示意識(shí)本質(zhì)的目的。傳統(tǒng)的意識(shí)研究建立在這種理論基礎(chǔ)之上，而意識(shí)問題的關(guān)鍵在于，意識(shí)的主觀特征該如何進(jìn)行有效的還原，并且使被還原為神經(jīng)活動(dòng)的意識(shí)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(shí)困難問題”。

“在經(jīng)典力學(xué)中沒有任何支持‘感受存在的邏輯上的依據(jù)。它是一個(gè)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(yùn)動(dòng)的時(shí)候起作用，這個(gè)系統(tǒng)局限于一個(gè)狹小的數(shù)學(xué)框架內(nèi)，不涉及任何現(xiàn)象性的性質(zhì)?！雹葸@就是說，在以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)論框架內(nèi)，并沒有人的主觀感受的存在地位，經(jīng)典力學(xué)以排除意識(shí)問題來實(shí)現(xiàn)自身體系的完整性。一種排除了意識(shí)存在地位的理論如何能夠解決意識(shí)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(xué)家認(rèn)為，如果對(duì)意識(shí)的研究仍局限在經(jīng)典力學(xué)的框架內(nèi)，意識(shí)問題永遠(yuǎn)不可能得到解決，我們必須在一個(gè)全新的框架內(nèi)說明意識(shí)和大腦活動(dòng)之間的關(guān)系，而量子力學(xué)的引入，能夠?yàn)槲覀兲峁┬碌难芯恳暯恰?/p>

2.2 量子力學(xué)視域中意識(shí)研究的三條路徑

意識(shí)是由大腦神經(jīng)活動(dòng)基于某種動(dòng)力學(xué)而實(shí)現(xiàn)的過程，由于它涉及到微觀層面的化學(xué)和電子現(xiàn)象，因此，對(duì)它的描述必然要涉及到量子理論。從而，我們可以把意識(shí)看成是一個(gè)發(fā)生在大腦微觀世界中的特殊的量子力學(xué)現(xiàn)象。持這種觀點(diǎn)的物理學(xué)家和心靈哲學(xué)家認(rèn)為，“意識(shí)是一種對(duì)神經(jīng)反射的直接認(rèn)識(shí)，這種神經(jīng)反射是通過已知的量子事件突然實(shí)現(xiàn)的。”⑥根據(jù)目前的研究，量子力學(xué)對(duì)意識(shí)的說明可以分為三條路徑。

第一條路徑是運(yùn)用相關(guān)的量子力學(xué)概念，如量子疊加、塌縮等原理與意識(shí)活動(dòng)進(jìn)行類比來達(dá)到說明意識(shí)的目的。在說明的過程中，不需要涉及復(fù)雜的運(yùn)算，也不需要將具體的概念運(yùn)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(zhì)上不是對(duì)意識(shí)過程的科學(xué)表征，并不能真正揭示意識(shí)的本質(zhì)。

第二條路徑是運(yùn)用具體的量子力學(xué)概念來揭示神經(jīng)生理學(xué)的過程。通過這條途徑，量子力學(xué)對(duì)意識(shí)的相關(guān)特征做出了說明。

第一，用玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)說明意識(shí)的高度整合性。個(gè)體在反觀當(dāng)下的意識(shí)狀態(tài)的時(shí)候，大腦中會(huì)呈現(xiàn)一幅統(tǒng)一和諧的意識(shí)場(chǎng)景。例如，當(dāng)某人在上課的時(shí)候，因?yàn)槁牭酱巴獾囊魳范肫鹆四巢侩娨晞〉那楣?jié)、大腦中會(huì)浮現(xiàn)電視劇的場(chǎng)景和人物、甚至是當(dāng)時(shí)的天氣，同時(shí)，他的耳邊又傳來老師的講課聲，同時(shí)他的右手正在做著筆記。于是，他所有的感官都被調(diào)動(dòng)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(chǎng)景。這幅場(chǎng)景完整且豐富，個(gè)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(shí)場(chǎng)景不能被分割成他正在聽音樂或者他正在做筆記這些構(gòu)成意識(shí)內(nèi)容的元素而獨(dú)立存在。同時(shí)，隨著老師的突然提問，他形成的意識(shí)場(chǎng)景被打破，繼而思考老師提問的意識(shí)場(chǎng)景，或者隨著窗外音樂聲的停止，他的意識(shí)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換成了另一幅圖像呈現(xiàn)在大腦中。不論意識(shí)的內(nèi)容如何改變，他的意識(shí)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(zhì)狀態(tài)，即不同活動(dòng)水平的原子在溫度極低的條件下會(huì)凝聚在一起而具有統(tǒng)一的特征。當(dāng)這些原子處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，它們以無序的方式排列，一旦它們受到外界的刺激，并且細(xì)胞的能量因刺激而達(dá)到某個(gè)臨界水平時(shí)，它們就會(huì)一致性地被激活。這種神經(jīng)元的激活能夠波及整個(gè)大腦，并產(chǎn)生一致的量子電場(chǎng)。玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)的過程機(jī)制恰好能夠說明，分布在不同腦區(qū)且活動(dòng)水平各異的神經(jīng)元活動(dòng)怎樣能夠協(xié)同行動(dòng)，以支持一個(gè)完整統(tǒng)一的意識(shí)場(chǎng)景的產(chǎn)生。

第二，用測(cè)不準(zhǔn)原理說明思維的量子化特征。EEG （Electro Encephalo Gram）實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，思維過程在本質(zhì)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(diǎn)。例如，當(dāng)一個(gè)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(shí)，大腦中許多與當(dāng)時(shí)場(chǎng)景相關(guān)的模糊要素都處在被調(diào)動(dòng)的潛在狀態(tài)中，例如當(dāng)時(shí)的天氣、情緒狀態(tài)、問題的內(nèi)容、他的回答、同學(xué)們的反應(yīng)等。當(dāng)他把注意力刻意集中到其中一個(gè)記憶片段，如當(dāng)時(shí)回答問題的緊張狀態(tài)上，準(zhǔn)備仔細(xì)回想和再現(xiàn)曾經(jīng)回答過的內(nèi)容時(shí)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)在回憶的過程中常常會(huì)遇到困難。對(duì)當(dāng)時(shí)所回答內(nèi)容的記憶會(huì)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(huì)消失而被其它的思路所取代。在未刻意回憶時(shí)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(dǎo)致意識(shí)場(chǎng)景發(fā)生改變。這一特征能夠用海森堡在1927年所提出的“測(cè)不準(zhǔn)原理”來說明。

“測(cè)不準(zhǔn)原理”表明，一個(gè)微觀粒子的物理量，如位置和動(dòng)量、時(shí)間與能量等不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，如果在一對(duì)物理量中，其中一個(gè)量的值越確定，那么另一個(gè)量的值就越難以確定。就思維的特征而言，被刻意關(guān)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(dòng)量”。兩者不能同時(shí)清晰或者同時(shí)確定，而只能確定一個(gè)。

第三條路徑是一種關(guān)于量子力學(xué)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(shí)在論”的觀點(diǎn)。他們認(rèn)為，意識(shí)和物質(zhì)不是兩個(gè)根本性的實(shí)在，物質(zhì)和意識(shí)只是從隱序的基本實(shí)在中投射到顯序中的投射物。斯塔普持類似的觀點(diǎn)，并提出了建立在過程本體論上的意識(shí)觀點(diǎn)，即最本質(zhì)的實(shí)在元素是現(xiàn)實(shí)場(chǎng)合（actual occasion），而不是物質(zhì)或者心靈?，F(xiàn)實(shí)場(chǎng)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(dòng)的觀點(diǎn)就被他在更為深層次的基礎(chǔ)上提出的心物關(guān)聯(lián)的約束集合（constraint set）所取代。

3 結(jié)論

量子力學(xué)與意識(shí)看似毫不相關(guān)，但實(shí)際上卻是一對(duì)具有多重內(nèi)在關(guān)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(xué)基礎(chǔ)是一種交互二元論。從交互二元論的角度出發(fā)，意識(shí)被賦予了引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力，并作為一種測(cè)量過程的初始條件由始至終影響著對(duì)物理對(duì)象的客觀描述。并且，意識(shí)研究中量子力學(xué)的引入，突破了長(zhǎng)期以來用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律說明意識(shí)問題所遭遇到的瓶頸，為意識(shí)的高度整合性等特征提供了有力的科學(xué)說明。隨著交叉學(xué)科的縱深發(fā)展，意識(shí)與量子力學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性將會(huì)得到更多的揭示。

注釋

① 鄭榮雙.形而上學(xué)心理學(xué)[M].上海：上海教育出版社，2008：117.

② 金尚年.量子力學(xué)的物理基礎(chǔ)和哲學(xué)背景[M].上海：復(fù)旦大學(xué)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