北京時間7月21日消息，科學中最重要的一個未決問題是，我們的意識是如何建立的。在上世紀九十年代，早在因預測黑洞而獲得2020年諾貝爾物理學獎之前，物理學羅傑·彭羅斯曾與麻醉學家斯圖爾特·哈默羅夫合作，試圖回答這個問題。
他們宣稱，大腦的神經元系統構成了一個複雜的網絡，這個複雜網絡產生的意識應該遵循量子力學的規則。量子力學理論決定了電子這樣的微小粒子的移動方式。他們認為，這或許可以解釋人類意識的神秘複雜性。
但是，彭羅斯和哈默羅夫的假設遭到了懷疑。量子力學定律通常僅適用於非常低的溫度。例如，當前的量子計算機需要再零下272℃左右運行。溫度再高一點的話，就該經典力學上場了。由於我們的身體總是在室溫下工作，那麼，理所當然的，我們的身體——包括我們的大腦——應該受經典力學的支配。出於這個原因，許多科學家早已徹底放棄量子意識理論，但仍有其他人選擇繼續相信。
最近，荷蘭烏得勒支大學的研究人員和上海交通大學金賢敏教授領導的團隊展開合作，着手測試了支持量子意識理論的一些原則。
在他們的最新論文中，研究團隊研究了量子粒子如何在類似大腦這樣的複雜結構中移動，不過測試在實驗室環境中進行。如果有一天研究團隊的發現，可以和在大腦中測量到的量子活動進行比較的話，我們或許離驗證或駁斥彭羅斯與哈默羅夫的爭議性理論又近了一步。
大腦和分形
我們的大腦由被稱為神經元的細胞構成。人們相信，這些神經元的綜合活動會產生意識。每個神經元都包含微小管，微小管可以將物質運輸到細胞的不同部分。彭羅斯和哈默羅夫的量子意識理論認為，微小管以分形模式構建，從而得以使量子過程的發生成為可能。
分形這種結構，既不是二維的，也不是三維的，而是介於兩者之間的一些分數值。在數學中，分形以美麗的圖案顯示，無限重複，產生看似不可能的結構：面積有限但周長無限的結構。
這些聽起來可能難以想象，但分形在自然界中其實常有發生。如果你仔細觀察花椰菜的小花塊或蕨類植物的枝條，你會發現它們都是由相同的基本形狀組成，一遍又一遍地重複自己，只是規模越來越小。這也是分形的一個重要特徵。
我們體內也有類似的分形。例如，我們的肺部結構是分形的，循環系統中的血管也是如此。分形也出現在一些迷人的藝術作品中，它們在技術中的使用也已經有幾十年歷史，比如天線的設計。這些都是經典分形的例子。所謂經典分形，即它們遵循的是經典物理學定律，而非量子物理學定律。
莫里茨·科內利斯·埃舍爾的藝術作品：《圓極限III》
用分形來解釋人類意識的複雜性，這並不難理解。因為兩者都無限複雜，允許簡單的重複模式生成複雜性，所以分形這種結構或許支持着我們神秘而又深邃的思維。
但如果是這樣的話，它只能發生在量子水平上，微小粒子在大腦神經元內以分形模式運動。這就是為什麼彭羅斯和哈默羅夫的提議被稱為“量子意識”理論。
量子意識
我們目前還不能測量大腦中的量子分形行為——假如它們確實存在的話。不過，先進的技術意味着我們現在可以在實驗室內測量量子分形。在最近涉及掃描隧道顯微鏡（STM）的研究中，荷蘭烏得勒支大學的研究人員小心翼翼地將電子排列成分形圖案，創造出一個量子分形。
接着，在測量描述電子量子狀態的波函數時，他們發現這些電子也活動於由他們製作的物理模式決定的分形維數上。在這個實驗中，他們在量子尺度上使用的模式是謝爾賓斯基三角形，一種介於一維和二維之間的形狀。
這是一個令人激動的發現，只是掃描隧道顯微鏡技術還不能探測到量子粒子的運動軌跡。如果可以的話，這將向我們揭示更多大腦中可能正在進行的量子過程。所以，在和上海交通大學的最新合作研究中，研究人員又前進了一步。他們使用最先進的光子學實驗，以前所未有的細節展示分形內發生的量子運動。
研究人員通過將光子（光的粒子）注入一個精心設計成小謝爾賓斯基三角形的人工芯片內，來達到實驗的目的。他們從三角形的頂部注入光子，然後觀察它們在稱為“量子傳輸”的過程中，如何在其分形結構內傳播。研究人員還在兩種不同的分形結構上重複了這個實驗，這兩種不同的分形結構都是正方形，而非三角形。然後，在每個結構上，他們都進行了數百次實驗。
研究人員還在被稱為“謝爾賓斯基地毯”的分形結構內進行實驗
實驗的觀察結果表明，量子分形的行為實際上不同於經典分形的行為。具體而言，研究人員發現，和在經典力學的情況下不同，在量子力學的情況下，光子在分形結構內的傳播受制於不同的定律。
這種關於量子分形的新知識可以為科學家們提供實驗測量量子意識理論的基礎。如果有一天，我們可以對人腦做量子測量，我們就可以將大腦的量子測量結果與上述研究結果進行比較，從而確定意識是經典現象還是量子現象。
這項研究也可能對整個科學領域產生深遠的影響。通過研究人工設計的分形結構內的量子傳輸，我們或許已經朝着將物理學、數學和生物學一體化的方向邁開了第一步，這或將極大地豐富我們對周圍世界、對意識世界的理解。