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【Stapp】心智的宇宙(4)-- 神经末端与量子论的必要性

已有 4972 次阅读 2012-7-4 14:39 |个人分类:意识科学|系统分类:观点评述| 量子力学, 意识, Stapp, 斯塔普

4 神经末端与量子论的必要性

Nerve Terminals and the Need to Use Quantum Theory

 

出自:

Mindful UniverseQuantum Mechanics and the Partipating Observer.

《心智的宇宙——量子力学和参与的观察者》

Springer 2007.

 

作者简介:

Henry Stapp, 加州大学伯克利分校物理学教授,美国著名量子物理学家,长期在劳伦斯伯克利国家实验室从事研究工作。Henry Stapp早年在加州大学伯克利分校攻读物理学博士,在诺贝尔奖获得者Emilio Segrè和Owen Chamberlain的指导下获得粒子物理学博士学位。此后,Stapp到苏黎世联邦工学院(ETH Zurich)在沃夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)的指导下从事博士后研究工作。在这一期间,他完成了一篇题为“心智、物质和量子力学”的文章,这篇文章他从未发表,数年后他将其扩充为一本同名的专著,并于1993年出版。1958年泡利去世后,他转往慕尼黑与海森堡(Werner Heisenberg)合作从事研究。那时候,他在中子散射的分析、以及发展S-矩阵理论等方面开始做出重要贡献。同时,Stapp还是贝尔定理的专家,他解决了贝尔和爱因斯坦等人提出的关于非局域性的几个问题。Stapp最为著名的工作或许是关于量子力学基础的研究,尤其是他把研究的焦点放在揭示意识的本性和作用方面。近年来Stapp应邀为多部百科全书撰写意识的量子理论章节,并多次应邀在国际会议上介绍这一思想。

译者:

倪志勇

 

 

   

    研究意识和脑过程关系的许多神经科学家都愿意相信,经典物理学将会为这一研究提供一个完备的理性基础。但是,经典物理具有自下而上的因果性,认为经典物理学能够适用于大脑的整个工作机制的这一观点的直接的理性基础就在于,经典物理学能够适用于微观层次。然而,事实上不存在有关在有意识的大脑中在数以万亿的神经突触中实际发生了什么的实验证据,而且根据不确定原理,经验上的证据在原则上无法确定的宣称在大脑的微观尺度上受到确定性的行为所主导。因此,宣称活体大脑中保持着经典的决定论机制,在实验上是站不住脚的:既不存在充分的实验证据,而且在原理上也不可能存在这样的证据。

    无论经典近似是否能够适用于宏观的脑动力学,只有在更一般的量子论的框架下来考察物理条件的细节,才能决定在何种程度上运用经典近似才是在理论上合理的。这里的技术问题是:在微观层次上不确定性原理的效应在定量上有什么重要性?如果不确定性原理在微观层次上是重要的,那么为什么这种微观的非决定性没有传播到宏观水平?

    在原理上,经典物理学理论是不完备的,精确说来,不确定性原理在微观水平产生的潜势云通过纯粹的量子动力学到达了宏观的脑状态,而宏观的脑状态在本质上是一个单一的可用经典描述的状态,而不是一种代表了一组各种可能的意识经验所构成的云态。在后一种情况,量子力学的脑状态需要被缩并,在某种程度上,要缩并到与经验到的现象实在相对应的状态。

    为了回答微观不确定性的限度这一物理问题,我们首先要考察神经终端的量子动力学。

4.1 神经末端Nerve Terminals

    神经终端位于两个神经元的联结处,并且介导神经元之间的功能连接。关于这些对大脑工作起到重要作用的部分是如何运行的,基于实验研究资料,神经科学家们已经发展出了非常细致的经典模型。根据经典模型的图像,一个神经元的每次发放都会释放一个电信号,这个被称为动作电位的电信号沿着输出纤维传播出去。当这个信号到达神经终端的时候,它会开启终端膜里的微小通道,通过这些通道,钙离子流入神经终端的内部。在神经终端的内部是一些囊泡,这些作为小型仓库的囊包里含有被称为神经递质的化学分子。通过扩散,这些钙离子从它们的入口通道到达特定的位置,在这些位置它们触发囊泡,并使之将囊泡中的化学分子释放到神经末端和邻近神经元结合处的间隙部位。被释放出来的化学分子影响着邻近神经元的发放趋势。因此,作为神经元之间的连接体,神经末端是脑动力学的基本要素。

    钙离子进入神经末端所经过的通道称为离子通道。离子通道最狭窄处的宽度只有大约1纳米,因此这个宽度并不比离子本身大多少。在离子通道中的这种极其微小的开启具有深刻的量子力学机制。这种狭窄的性质所带来的效应在本质上与挤压简谐振子态的效应相似,也与双缝实验中狭缝所产生的效应相似。通道的狭窄性限制了展向(垂直于通道方向)空间尺度。其结果是,根据量子力学的不确定性原理,展向速度被迫处于非零状态,事实上接近于离子纵向速度的1%。这就使得钙离子从狭窄的通道运动到目标区域的时候,它的几率云将会在这些区域呈扇形展开,于是钙离子在某些狭小的触发点上或者被全部吸收,或者完全不被吸收。据估算,离子的输运距离大约为50纳米(Fogelson & Zucker 1985; Schweizer, Betz, & Augustine 1995),但是由于扩散机制,离子的总运行距离将会增加许多倍。因此几率云扩散区域的尺度将比钙离子自身以及触发点的尺寸要大得多。这种扩展开的离子波包意味着,在这些小的触发点处,离子或许被、或许不被吸收。

    许多不同的钙离子都参与了囊泡中的神经递质释放。据估算,在每次接受到输入动作电脉冲的情况下,脑皮层神经元囊泡被释放的概率远低于100%(或许只有50%)。在单个的钙离子水平上,巨大的量子不确定性确保了囊泡释放的大幅度的不确定性,这就使得神经末端的量子态将会成为一种量子混合态,在这种状态下,神经递质被释放、或者不被释放。大脑中数以万亿的的神经终端都在发生着这种量子分裂。通过量子力学的过程2,这种量子分裂在每个神经末端处传播,首先传播到神经元的层次,随后影响整个大脑的行为,因此,根据量子论,大脑的态可以成为一种云状的量子混合态,这种混合态包含着大量不同的经典意义上的脑状态。在复杂的情况下——经典水平的输出依赖于噪声要素,对应的量子脑将会演化到一个相应的量子混合态。

   大脑的过程2演化是高度非线性的,在经典的意义上,小事件能够引发大得多的事件,并且还存在着非常重要的反馈循环。某些神经元可能会处于激发的边缘状态,因此在其他神经元激活时产生的小扰动都可能影响到这一神经元的是否激发。在一个对不稳定要素具有如此敏感的依赖度的系统中,难以合理的设想,甚至不可能证明,过程2的动力学演化将会产生一个(近似)可经典描述的量子态。

    这里可能会有一个特定的情形,大量并行处理过程共同导致脑动力学成为本质上是确定性的、而且甚至是接近于经典描述的状态。但是在精神搜寻的期间、以及不确定原理的作用下,这里不是没有可能在分叉点上代表着大脑的量子潜势云的一部分以一种方式运行,而其余的部分以另外一种方式运行,从而导致非常不同的经典潜势构成的量子混合态。在这些条件下这种经典近似的有效性显然不可能被证明,鉴于神经动力学的极端非线性,任何宣称在突触水平上的不确定性原理所产生的较大效应不可能导致宏观不同状态的量子混合都不可能得到合理的确认。那么,将一种单一的、唯一的、经经典物理学描述的大脑替换为各种经典描述的大脑状态(每一种状态都对应于一种可能的、不同的经验)叠加而成的量子脑态将会产生什么效应呢?

    大脑的一个基本功能是从环境中接受线索,然后形成合适的行动方案,最终通过对被选中的行动方案来指挥脑和身体的活动。对于经典的模型,被选中的方案的细节,显然依赖于众多噪声和不可控变量的精确值。例如,在经典水平上,在临近分叉点的地方,噪声的动力学效应可能会翻转对给定线索的两种非常不同的响应的平衡:例如,翻转对一个影子所可能诱发的“战斗”或“逃跑”这两种不同响应之间的平衡。但是从量子的观点看,人们必须允许在宏观水平上存在经典上这两种可能性——可能性之弥散云的存在。自动化的、机械的过程2的演化将产生这种弥散云,并且在原则上无法消除或移除它。

   根据正统(冯诺依曼)量子论,是通过过程1的介入才使得这种大脑状态的弥散云令人满意的收缩到常规的大脑状态,这种常规的脑状态与主体的意识经验流相一致。过程1以一种特定的方式将机械的过程2所产生的潜在性的弥散云分裂为一组物理态的组合,组合中的每一项都对应着某种特定的经验。这种介入的行为没有被经典物理中的确定性的连续的动力学过程(与之相对应的量子力学中的过程2)所决定:另外一种输入是需要的。

    这种介入过程所包含的选择——似乎是受意识评估的影响,没有合理的理由认为这些意识实在——它们显然是实在的,不能具有它们看起来所具有的那种效应。

 

提要:

    1 斯塔普首先论证的神经末端的神经信号的传递机制是量子机制。离子在触发点上或者被吸收或者不被吸收,这种实验现象无法被经典物理学解释,而只能用量子力学来解释。

    2 如果神经元之间的通信是一种量子现象,那么它就必然会产生宏观效应,即多种宏观态的可能性并存。实际上这正是量子力学的过程2所产生的效应。

    3 而实际的情况是,我们的经验是一个单一的整体,即大脑处于多种宏观态之一,而不是多种可能性并存的量子混合态。是什么使得过程2产生的多种可能性的量子混合态收缩为单一的宏观状态呢?这就需要引入量子力学的过程1

 



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