想造出一个什么都没有的地方,人类失败了。把能拿走的全部拿走之后,那里仍在持续颤抖。那颤抖强到足以改变物质的相。但那颤抖是否与“感受”这件事有关,还没有人知道。这篇文章不隐瞒“不知道”。
— 意匠
不肯停歇的虚无 无数微小的光点持续明灭的暗场。表现真空涨落的意匠图 点按放大
图 01 把能拿走的全部拿走之后,仍然剩下的东西。 这张图不是测量数据,而是意匠。不过,这里画出的“持续颤抖的无”,正是以后各章所处理的实验一一确认过其实在性的东西。 意匠图,无出处(不是数据的图示)
没有人记得自己坠入睡眠的那一瞬。
无论你把意识绷得多紧、守候得多久,跨过那条界线的一刻,谁也观测不到。等你回过神来,天已经亮了,中间的几个小时就这样成了没有发生过的事。做过梦的夜晚,或许还算好一些。至少在那里,断断续续地存在过某种东西。
在手术室里,这件事发生得更快。麻醉科医生把药推进去,让病人从10倒数。10、9、8——大多数人数不到7。
然后你回来了。几个小时之后,像什么都没有发生过一样。手术已经结束。时钟的指针往前走了。身上留着切开的痕迹。可是在本人这一侧,什么都没有留下。没有疼痛,没有无聊,没有恐惧。连空白都没有。所谓空白,是指你记得有过一段“什么都没有发生的时间”,而这样的记法,在那里也不存在。
临床之窗 麻醉不是“让人睡着”
全身麻醉与深睡眠是两回事。睡眠中的脑电图有周期性的波峰波谷,呼唤或疼痛都能把人唤醒。在深的全身麻醉里,脑电图常常呈现出被称为爆发抑制 的形态 ── 电活动几乎变平,其间偶尔插入短促的活动簇。与其说是睡眠,不如说更接近活动的间歇性停止。
而且,极少数情况下会发生一件事。术中知晓 。不动与镇痛都在起作用,唯独意识回来了。既动不了也发不出声,却听得见手术的声响。据报告的发生率约为每一万例麻醉一到二例。
这个现象所显示的是:麻醉科医生每天处理的东西,并不是“意识的开关”,而是四种彼此分离的作用的集合 (那是哪四种,会在第3章的垫脚石里打开)。
那几个小时里,你在哪里。
垫脚石 本文所说的“意识”是什么
“意识”这个词,至少被用来指三件不同的事。把这三件事混在一起谈,讨论几乎必定空转。
第一是觉醒 。醒着,还是睡着。由脑干——大脑下方那个古老的部分——负责。第二是觉知的内容 。此刻看见什么,感到什么。大脑皮层的广大区域参与其中。第三是自我 。那份体验被感受为“属于自己的”。
这三者会分别坏掉。既有醒着却没有内容的状态(无动性缄默),也有内容俱在却感觉不属于自己的状态(人格解体)。本文接下来处理的主要是第二件 ── 为什么会有“内容”这样东西存在 这个问题。
没有人能够经验自己的不在
这个问题里有一种奇妙的不对称。
你可以反复观察别人失去意识的过程。呼吸变深,眼睑落下,对呼唤的反应消失。接上脑电图,连波形改变的那一刻都能记录下来。从外面看,意识的消失是一件可以观测的事情。
然而唯独自己的意识消失的那一瞬,原理上无法观测。因为进行观测的那个主体,正是即将消失的东西。人无法在场目睹自己的不在。
我们每晚都在重复这件事。人生大约三分之一的时间,是在一种自己无法在场的状态里度过的。对于这样切近、这样频繁、这样谁也躲不开的现象,我们几乎一无所知。
把大脑全部弄清楚,也还不够
人的大脑里大约有860亿个神经细胞。每一个都与数千个别的细胞相连,用电与化学物质来回传递信号。这套线路,正在被一点一点解开。哪个区域与语言有关。哪条通路负责固定记忆。哪种物质引来睡意。
垫脚石 八百六十亿这个数,究竟有多大
神经细胞(神经元)是这样一种细胞:它有接收信号的树枝(树突),也有一条送出信号的长线(轴突)。轴突的末端是与下一个细胞的接点(突触),在那里抛出化学物质,把信号交出去。
860亿个。一秒数一个,要数两千七百年。而每个细胞平均带着数千个突触,所以接点的总数在一百万亿到一千万亿这个量级。大脑的重量只占体重的百分之二左右,却用掉全身百分之二十的能量。
不过 ── 这里才是要紧处 ── 数目多,本身并不构成任何说明 。世界上最大的超级计算机也拥有海量元件,却没有人说它在感受什么。数目要能成为说明,就得先讲清楚“按什么方式数出来的数”。第5章会碰到这类尝试中的一个(整合信息论)。
假设有一天,这张线路图被完全解明了。请想象一个未来:所有细胞、所有连接、所有化学反应,都被毫无遗漏地记述下来。
到那时,我们就算理解了意识吗。
有人认为不算。他们的论据,本文将在第5章处理。先说一句:那个论据非常强。到目前为止,还没有人能推倒它。
所以,这篇文章要绕一段远路。不从意识说起,而是从一个完全不同的地方开始。
从什么都没有的地方开始。
— 结构
本文的地图 ── 确实性的层级,逐章这样移动 竖条的上下端表示该章所处理的层级范围。圆点表示该层级的图在这一章里出现 本文的地图 ── 确实性的层级,逐章这样移动 竖条的上下端表示该章所处理的层级范围。圆点表示该层级的图在这一章里出现 第1级 已确立 第2级 前沿 第3级 假说 第4级 轶事 层级之外 序 Ⅰ Ⅱ 幕间 Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ 终 第一部 提出 问题 第二部 已经确认的事情 第三部 尚未确认的事情 第四部 怀疑的方法,以及之后 层级不是这一章的等第,而是这一章所处理的证据的种类。 第7章与第8章回到第1级,是因为怀疑的方法本身就是已确立的东西。 第4级(轶事)那一行是空的,因为这篇文章没有把轶事当作依据。 点按放大
图 02 章的排列是有理由的。确实性的层级,就这样移动下去。 第1章与第2章只在第1级和第2级上走。从第3章起进入第3级,到第5章触到物理的语言够不到的地方。第7章与第8章之所以又回到第1级,是因为怀疑的方法本身就是已确立的东西。竖条的上下端,表示这一章所处理的层级范围。 对本页各图所标层级的统计(结构图)
临床之窗 意识“有没有”,能从外面判定吗
车祸或心搏骤停之后,有的患者眼睛会睁开,却没有任何回应。这种状态一直被称为植物状态 (迁延性意识障碍)。觉醒是有的。但看上去没有内容。
二〇〇六年,一份报告动摇了这个判断。研究者对一位被诊断为植物状态的患者说“请想象你正在打网球”,同时用功能性磁共振成像(fMRI)拍摄脑活动。结果,与健康人做同一任务时相同的运动相关区域,以同样的方式活动起来。换成“请想象你在家里走动”,则是另一处与空间有关的区域活动。身体一毫米也没有动,却在遵从指示。
此后的研究表明,用这种方法能够作出“是/否”回答的患者,有相当的数量。诊断的名目因此不得不新增最小意识状态 这一分类。
从这里能引出的教训只有一条。没有反应,并不能证明没有体验。 本文所处理的问题之所以难,首先就难在:从外面看得见的东西,与内侧正在发生的事情,原理上可以错开。
本章没有回答的问题
意识“消失”的时候,消失的是意识本身,还是接收意识的某种东西。
这两者,能够用实验区分开来吗。
想造出一个什么都没有的地方,先要抽走空气。再把光熄掉。这还不够。为了夺走原子最后的热,还要冷却到绝对零度。
做到这一步,那里本该什么都不剩。
垫脚石 绝对零度是什么。为什么它下面没有别的了
先从温度说起。温度不是给“热、冷”这种感觉起的名字。它是表示粒子跑动得有多剧烈的量 。热水的分子飞得快,冷水的分子动得慢。所谓冷却,就是把这份运动夺走。
那么,运动变为零的地方就是下限。把那一点定为 0 的刻度叫开尔文(K) ,换成摄氏就是 −273.15 ℃。之所以不能低于零下二百七十三度,并不是因为“没有比那里更冷的地方”,而是因为没有比那更慢的运动 。
而且,连抵达那一点本身也做不到。要丢掉热,就得有“更冷的东西”,可比绝对零度更冷的东西并不存在。越靠近,每前进一步的代价越高,最终需要无穷的工夫(热力学第三定律)。实验室所抵达的,是一亿分之一开尔文这样的数值。
而这一章要处理的,是再往前的事。就算真的抵达了 0 K,颤抖也还留着。 那就是零点能,它的理由不在温度那一侧,而在量子力学本身。
剩下了。
垫脚石 先把这一章里各样东西的大小放好
这一章会接连出现“原子”“电子”“场”这些词。先用一张图,把它们各自的大小按住。
把物质不断分下去会得到分子,把分子再分会得到原子。原子的正中间是原子核,周围有电子。原子的大小约为一亿分之一厘米。而位于中心的原子核,还要再小十万倍。若把原子放大到一座体育场那么大,原子核不过是放在投手丘上的一颗玻璃弹珠。原子的内部,几乎全是空的空间。
电子就在那片“几乎全是空的空间”里。不过它并不像行星那样绕着转 ── 这一点,会在后面的垫脚石里打开。
1 已确立的物理学
尺度的阶梯 从人的身体到原子核,每级缩小十倍的七级阶梯。微管在从上往下第三级 尺度的阶梯 ── 每级降到十分之一 一格就是十分之一。从人到原子核,共十五级。 人的身体 1 m 10⁰ m 神经细胞的胞体 20 μm = 0.00002 m 10⁻⁵ m 微管的粗细 25 nm 10⁻⁸ m 一个蛋白质 5 nm 10⁻⁹ m 水分子 0.3 nm 10⁻¹⁰ m 原子 0.1 nm 10⁻¹⁰ m 原子核 0.000005 nm 10⁻¹⁵ m 正文里的“微管”在从上往下第三级。比细胞小得多,比原子大得多。 量子效应通常成为问题的,是最下面的两级。 点按放大
图 03 先把尺度的大致感觉建立起来。 这篇文章里,细胞、蛋白质、分子、原子会接连登场。它们彼此的大小差多少,先用一张图握在手里,后面的所有话就都好安放了。 标准的生物学、物理学教科书层面
秋千停不下来
小时候,你是否试过让公园里的秋千完全停住。用手按住,它会停。手一松开,多半又会晃一点。
在古典物理学里,这只是技术问题。只要把理想条件凑齐,摆是可以完全静止的。能量会变成零。
1 已确立的物理学
温度与绝对零度 用室温、液氮、绝对零度三个盒子比较粒子的躁动,并展示即使在绝对零度运动也不会完全停止 温度,就是粒子闹得有多凶 室温 300 K(27℃) 液氮 77 K(−196℃) 绝对零度 0 K(−273.15℃) 剧烈地乱飞 慢下来 即便如此,也停不下来 温度不是“热、冷”这种感觉的名字,而是粒子运动的剧烈程度本身。 把运动完全停止的状态定为 0 K,由此起算的刻度就是开尔文(K)。 然而量子力学禁止完全的静止。所谓 0 K, 是“可以冷到那里,却不会在那里停住”的下限。 点按放大
图 04 绝对零度不是冷的尽头,而是运动的尽头。 温度表示的是粒子运动的剧烈程度。运动完全停止的状态被定为 0 K,但量子力学禁止那种完全的静止。所谓“冷到绝对零度仍留有颤抖”,就是这个意思。 热力学第三定律以及标准量子力学的推论(教科书层面)
在量子力学(量子力学 / quantum mechanics) 里,事情不是这样。
垫脚石 不确定性原理,不是在说“测得不好”
常见的解释是这样的 ── “要看电子只能拿光去照,可光一照上去电子就被踢开了,所以测不准。”这个解释不算错,却错过了要紧的地方。
正确的说法是:电子并不同时拥有确定的位置和确定的速度。 既然测之前就没有,那就不是“测得好一点就能知道”的那类事情。
想象一下波会有帮助。在一处紧紧立起来的波,“在哪里”很清楚,代价是说不出“波长是多少(=速度多快)”。反过来,一直以同一波长延伸下去的波,波长很清楚,却说不出“在哪里”。位置与速度,是同一样东西的正面与背面。
所谓完全静止 ,就是“在这里”与“速度为零”同时被定住的状态,相当于要求正面与背面同时看清楚。所以,这在这个世界上不会发生。
原因在不确定性原理(不確定性原理 / uncertainty principle) 。这条原理禁止把粒子的位置与动量同时精确确定下来。而所谓完全静止,正是位置被确定、并且动量确定为零的状态。也就是说,两者同时被定住了。这违背了那条原理。
所以,振动停不下来。哪怕处在能量最低的状态,系统也在持续颤抖。这份抹不掉的余量,叫做零点能(零点エネルギー / zero-point energy) 。
1 已确立的物理学
不确定性原理 用三个长方形的面积表示:位置的模糊与速度的模糊之积不会小于某个定值 位置越清楚,速度就越模糊 (面积不能小于某个定值) 位置清楚 速度模糊 折中 折中 位置模糊 速度清楚 横=位置的模糊 纵=速度的模糊 这不是“因为测不准”。而是粒子本来就不同时拥有 确定的位置和确定的速度。所以“完全静止的状态”── 位置定在一点、 同时速度定为零的状态 ── 在这个世界里并不存在。 真空之所以持续颤抖,追到底就在这一点上。 点按放大
图 05 模糊的面积,无法再小下去。 不确定性原理说的不是“因为测得不好所以不知道”。它主张的是:位置与速度同时确定的那种状态本身并不存在。完全的静止正属于那种状态,因而无法实现。 海森堡(1927)。标准量子力学的推论
1 已确立的物理学
降不到底的地板 同一条抛物线势阱,在经典力学中可以静止于底部,在量子力学中最低能级却比底部高出二分之一 ℏω。并置对比的概念图 经典力学 量子力学 E = 0 可以停下 E₀ E₁ E₂ E₃ ½ℏω 停不下来 ℏ 是与自然界最小单位有关的常数。ω 是振动的快慢。两者相乘之半,怎么也消不掉。 点按放大
图 06 宇宙有一层降不到底的地板。 若是经典力学,摆可以完全静止。在量子力学里,不确定性原理禁止“位置与速度同时确定”的状态。完全静止正属于那种状态,因而无法实现。剩下的能量就是零点能。 标准量子力学的推论(教科书层面)
这不是奇谈怪论。它写在大学量子力学教科书靠前的位置。解一遍谐振子这个最基本的问题,就会得到最低能级等于二分之一约化普朗克常数乘以角频率这样一个有限的值。几十年来,世界各地的学生做着同样的计算,抵达同样的答案。
再深一层 ── 把“二分之一约化普朗克常数乘以角频率”读开
看上去是符号,说的话却很短。ℏ(约化普朗克常数)是普朗克常数除以 2π 的值,它决定了自然界里“再往下就刻不动了”的量。ω(角频率)表示振动的快慢 ── 一秒晃多少次。
因此 ℏω 相当于“那种振动一次的最小能量单位”。换成光来说,就是一个光子的能量。式子所讲的只有一句:其中的一半,无论如何都拿不掉。
之所以会出现“一半”这个零头,是因为振动同时抱着“位置的晃动”与“速度的晃动”两样,不确定性要分摊给这两样。不能只消掉一边,把两边都压到最小的那个状态,就是这一半。
麻烦在于,这种“颤抖”也适用于空无一物的空间本身。
垫脚石 什么是“场”。以及,什么是粒子
这里也许是全文最高的一级台阶。我们慢慢上。
在旧的图像里,世界是由“粒”构成的。有电子这种小球,也有光这种小球。但二十世纪物理学抵达的图像不是这样。世界的根底不是粒,而是场。
所谓场,是指空间里的每一个点都被赋予了一个值的那种状态。想想天气预报里的气温图就好 ── 地图上任何一点都挂着一个叫气温的数。那就是场。若是电磁场,任何一点都挂着电场与磁场的值。
把这个场按量子力学的规则来处理,它就被描述成“铺满整个空间的无数弹簧”的集合。而一根弹簧跳起来的状态,我们就把它叫做“有一个粒子” 。电子是电子场的颤动,光是电磁场的颤动。
走到这里,下一级就很短了。弹簧服从量子力学,所以无法完全静止(不确定性原理)。因此一根也没有跳起来的状态 ── 也就是真空 ── 里,弹簧仍在持续颤抖 。这就是零点能的真面目。
把电磁场按量子力学处理,场就被描述成无数振子的集合。既然是振子,就带有零点能。因此——什么都没有装的空间,在颤抖。
真空不是“什么都没有的地方”的名字。它是“把能拿走的全部拿走之后,仍然剩下的东西”的名字。
1 已确立的物理学
什么是场 把场画成铺满空间的弹簧格点:一处被激起就是粒子,一处都没被激起就是真空 所谓场,是铺满整个空间的“弹簧”的集合 这里有一处被激起,这种状态 我们称之为“有一个粒子” 哪里都没被激起的状态就是“真空” 即便如此,弹簧仍在细细颤动 电子和光都不是“小颗粒”,而被描述为“场的颤动”。这就是量子场论。 弹簧遵守量子力学,所以无法完全静止(不确定性原理)。 所以即使在什么都没被激起的真空里,弹簧也持续颤抖。这就是零点能的真面目。 点按放大
图 07 所谓粒子,是场跳起了一下的状态。 在现代物理学里,电子和光都不是“小球”,而是被描述为“场的颤动”。站在这个视角上,真空就是“场一次也没有跳起的状态”,而即便如此,场本身仍在不断颤抖。 量子场论的标准图像(教科书层面)
两块板自己靠了过去
如果只是理论这么说,还有争论的余地。但这种“颤抖”会推动物体。
1948年,荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(ヘンドリック・カシミール / Hendrik Casimir) 做出了一个奇怪的预言:把两块金属板在真空中极近地面对面放置,它们之间会产生引力。板不带电。也不是磁铁。中间什么都没有。它们仍然互相吸引。
机制简单得令人吃惊。
两块板之间,只能存在波长正好塞得进这道缝隙的振动。跟吉他的弦一样。弦的两端被固定,所以只有以那里为波节的波才响得起来。板的外侧没有这种限制。任何波长都能存在。
再深一层 ── 为什么“只有塞得进去的波长才能存在”
想弦是最快的路。吉他的弦两端被固定,所以端点会动的那种晃法根本做不出来。结果,只剩下弦长里恰好装进半波长整数倍的那些晃法,成为基音与泛音。
两块金属板之间的电磁场,背着同样的条件。在金属表面上电场不能取某些方向,于是只有以那里为波节的波活得下来。板距越窄,塞得进去的波长种类就越少。
外侧没有这种限制。于是板的内与外,能够存在的“颤抖的种类数”出现了差。这个差显现为压力差,把板往里推。推着板的,是那里“没有”的波。
结果是,外侧比内侧“更挤”。这个密度差产生压力差,把两块板往里推。
1 已确立的物理学
卡西米尔效应 相对的两块板之间只能存在塞得进缝隙的波长,外侧则没有限制。这一密度差把两板拉近的概念图 容得下的波:3种 容得下的波:无数 容得下的波:无数 d 外侧压力 > 内侧压力 → 两板被拉近 点按放大
图 08 两块板没有被任何东西推,却靠了过去。 两板之间只能存在正好塞得进缝隙的波。外侧没有限制。这一密度差产生压力差,把两板拉近。1948年由卡西米尔预言,1997年由拉莫罗等人精确测出。 Casimir (1948); Lamoreaux, Phys Rev Lett 78, 5 (1997)
这个卡西米尔效应(カシミール効果 / Casimir effect) ,在1997年由史蒂夫·拉莫罗 精确测出。距离预言已过去将近半个世纪。效应微弱,但确实在那里。
本该什么都没有的东西,推动了物体。
用光去敲“无”,听它的声音
卡西米尔效应是对真空涨落的间接展示。从板动了这件事,去推想它的原因。有没有办法更直接地测到涨落本身呢。
2022年,苏黎世联邦理工学院的一个小组做到了。
垫脚石 飞秒是多长的时间
接下来会出现195飞秒、470飞秒这样的数字。一飞秒是1,000万亿分之1秒 ── 10⁻¹⁵ 秒。
为了有点实感,取个比。一飞秒与一秒之比,大约等于一秒与三千二百万年 之比。光在一秒里能绕地球七圈半,而在一飞秒里只能走 0.3 微米 ── 不过一个细菌那么长。
这段时间之短,正是实验的要害。相隔470飞秒的两点,哪怕以光速也无法互相发送信号。造出那种“绝对联系不上”的配置,正是这个实验的目的。
他们用的是一种叫电光取样的手法。把极短的激光脉冲送进真空,从脉冲受到的微小变化,读出那个位置上场的涨落。就像用光去敲真空,听它的回声。
Settembrini, Lindel, Herter, Buhmann & Faist, Nat Commun 13, 3383 (2022), doi:10.1038/s41467-022-31081-1
实验解剖 ── 用光测量真空的涨落(2022年)
想知道什么 真空本身在颤抖,这是理论的预言。能不能不是间接地、而是直接地,而且是在“因果上被切断的两点之间”,把它确认下来。
怎么做的 把极短的激光脉冲送进非线性晶体。在晶体中,只要那个位置有电场,光的偏振就会被轻微扭动(电光效应)。于是,测量脉冲偏振被扭动的方式,就能读出脉冲穿过的那一瞬、那个位置上的电场。用两束脉冲、错开时间来做这件事。
得到了什么 两束脉冲读到的值之间,存在相关。两者被470飞秒的飞行时间隔开,这是连光也无法往返的间隔。
可以说到这里 真空这一个场,在因果上被切断的两点之间也带有结构。理论(量子场论)所预言的性质,被测量确认了。
从这里就不能说了 不能理解为可以传送信息。哪一端出现什么完全随机,发送者无从选择。相关只有在事后把两边的记录对照时,才会现身。
真正让这个实验超出一次普通测量的,是他们检测到的东西。
所用的是长度195飞秒——一飞秒是1,000万亿分之1秒——的两束脉冲,两者之间隔着470飞秒的飞行时间。这个间隔的安排,使得连光也无法从一端抵达另一端。用狭义相对论的话来说,这两点位于光锥(光円錐 / light cone) 之外。它们在因果上被切断了。
而在这两点之间,存在相关。
2 前沿、同行评审
光锥之外 在闵可夫斯基图上表示:连光也无法往返的两点,通过真空而彼此相关。并附“信息无法传送”的注记 时间 空间 因果上可达 连光也到不了的区域 测量点 A 脉冲长 195 fs 测量点 B 脉冲长 195 fs 间隔 = 飞行时间 470 fs 1 fs 是1,000万亿分之1秒 无法利用这种相关传送信息。 相关只有在把两侧的测量结果 事后加以对照时才能确认。 点按放大
图 09 隔着连光也到不了的距离,真空是连着的。 按照量子场论,把实在的激发全部去除之后作为基态的空虚空间,并不是空的,而是被真空涨落填满。这个涨落的场,在狭义相对论中因果上被切断的时空点之间也带有相关。作者们使用电光取样,把两束195飞秒的激光脉冲配置成相隔470飞秒的飞行时间,检测到源自真空的相关。这不是因果性的传递,而是真空这一个场原本就具有的结构。 Settembrini, Lindel, Herter, Buhmann & Faist, Nat Commun 13, 3383 (2022), doi:10.1038/s41467-022-31081-1
垫脚石 光锥 ── 因果能够抵达的范围
相对论所立下的限制只有一条。任何影响都不会比光跑得更快。
从某一点出发、以光速前进所能抵达的范围,画在时间与空间的图上,是一个圆锥的形状。这就是光锥。圆锥的内侧是“能够从那一点施加影响的范围”,外侧是“无论如何都够不到的范围”。
当两个事件各自处在对方的光锥之外时,就说这两者在因果上被切断 。一方成为另一方的原因,在原理上不可能。
这个实验有意思的地方只在一点:“在不可能互为原因的两点之间,竟然存在相关”。不是因果,却有关系 ── 那是因为,这两点本来就是同一个场的不同位置。
请不要误解。这不是超光速通信。没有信号被送出去。这两个点本来就是同一个场的一部分,是那个场从一开始就带有的结构,以相关的形式显现出来。这有点像大海上相隔很远的两处水面,作为同一片海的行为而彼此关联。你无法摇晃其中一处,向另一处发出暗号。
但即便如此,这个结果依然是安静而震撼的。什么都没有装的空间里,连光也来不及往返的两个点,并非彼此无关。
从另一条路,抵达同一个地方
一个实验室用一种手法得到的结果,还可能是幻影。装置的癖性、测量系统的噪声、解释上的失误。可能性要多少有多少。
所以,接着发生了两件事。
其一,是同一个小组在2026年的工作。他们用实验把真空来源的涨落,与光源自身发出的辐射分离开来。这等于正面回答了这个领域会遇到的、最自然也最棘手的反驳——“那不就是装置的噪声吗”。
其二,是从完全不同的一条路上逼近。加拿大舍布鲁克大学的小组不用光。他们用极低温的电阻和隧道结,从电子输运中出现的噪声的三阶相关里,读出结所承受的真空涨落。这是一种让真空涨落不被探测系统不可避免带入的噪声淹没的测量方法。
光学的路,与电子电路的路。所用的装置不同,所测的对象不同,理论框架看上去也不同。它们抵达了同一个结论。
用一种手法看见的东西,也许还是幻影。当两条不同的路上看见同一样东西时,它就成了实在。
本章没有回答的问题
如果真空在振动,那么它是“空”的反义词,还是“空”的真面目。
这种振动,是否也充满在实验装置之外——比如,你的颅骨里面。
想改变物质的性质,就得施加点什么,这是常识。加热。照光。加磁场。通电流。给出什么,才会改变什么。
想改变物质的性质,就得施加点什么,这是常识。加热。照光。加磁场。通电流。给出什么,才会改变什么。近年的实验,在这条常识之外。
他们什么都没有施加。只是把样品放在了两面镜子之间。被关进去的不是光。是没有光的状态——是真空本身。
然后物质改变了性质。
垫脚石 这一章里不会出现意识。那么,它为什么在这里
先交代清楚。这一章登场的,只有被冷却到接近绝对零度的半导体,和超导体的薄片。论文的作者们一个字也没有写到意识,也没有那个打算。
那么,这项研究是为了什么。 如果不从外面施加任何东西就能改变物质的性质,那它就成了一件新的设计工具。比如,能不能在更高的温度上实现超导。能不能让量子计算机的元件更不容易坏。这个领域所追赶的,是这一类工程上的目标。
那么,这篇文章为什么需要它。 有三个理由。
其一。第1章停在了“真空在颤抖”这一步。这一章往前走到那份颤抖真的推动了物体 为止。只是在颤抖的东西,说明不了任何事。一旦能推动物体,话就不一样了。
其二。第3章往后出现的“脑内的量子”这一类说法,全都系在一点上 ── 量子与真空的涨落,对又大又暖的物体也起作用吗。 这一章,是在大脑之外的地方,第一次用实验把这一点摆出来的例子。
其三。与此同时,这一章也让人看见距离 。这里起效的,是冷却到绝对零度之上一点点、只有几个原子厚、极其齐整的样品。大脑是摄氏37度,浸在水里,而且杂乱。为了不忘记这段隔阂,这一章是必要的。
把这三点放在心里去读,就能看见这一章所处的位置 ── 它不是意识的话题,却是意识这个话题的地基。
垫脚石 什么是谐振腔
这一章的主角是“谐振腔”。换成日常的话,就是只允许特定颤法的容器 。
身边的例子很多。在浴室里唱歌,只有特定音高特别响。那是因为浴室这个箱子,只把那个音高的声波干净地装了进去。音叉只发一个音,吉他的弦发出固定的音,都是同一个道理。
电磁波也一样。被镜子与镜子夹住的空间里,只能存在塞得进这段间隔的波长的光。微波炉里食物受热不均,正是因为炉腔本身就是一个谐振腔,里面有波强的地方和波弱的地方。
到这里为止,听上去还像是在讲“怎样整理放进去的光”。这一章要处理的是再上一级 ── 就算一个光子都不放进去,只要改变容器的形状,“颤抖的种类”就会改变。 因为真空的涨落,同样有着塞得进去的种类之限。
把镜子挪近,“无”的形状就变了
请回想上一章的卡西米尔效应。两块板之间,只能存在塞得进那道缝隙的波长。
反过来说就是:改变镜子的配置,就能改变那里可以存在的真空涨落的种类。
通过设计谐振腔——由镜子或金属围出的小空间——可以有意地对其内部的真空场进行整形。这种思路叫做腔量子电动力学(キャビティ量子電気力学 / cavity QED) 。
说出来有些古怪。“设计虚无”这种说法,听起来像是只有在诗里才被允许的东西。
这句话,不再是比喻了。
垫脚石 “什么都没有施加,性质却变了”,究竟是怎么回事
这里大概是这一章最难咽下去的地方。我们慢慢来。
通常,想让一样东西做点什么,不管用光、用热还是用电,总要送进去点什么 。送进去的东西携带能量,能量改变了物体。这一章的实验,一点都没有用到这条路。一个光子也没有放进去。
它用的,是第1章看到的零点能。真空的涨落,可以写成光子出现后随即消失 这件事的不断重复。出现后随即消失,所以取不到外面去。因此它被称作虚光子 。
取不出来的东西还能做什么 ── 有一件事能做。只要它在两个电子之间往来,就会成为力。 卡西米尔效应里两块板互相吸引,追到底也是同一个道理。
而镜子会重新挑选能够往来的虚光子的种类 。正如第1章所见,镜子与镜子之间只能存在塞得进去的波长。所以把镜子挪近,在电子之间往来的虚光子面貌就变了,电子之间相互吸引的方式也就变了 。
这一章的实验所测的,正是这件事。什么都没有送进去,而是改变了接受方那一侧的“地”。
1 已确立的物理学
虚光子运送着力 表示有无镜子时,两个电子之间往来的虚光子种类会改变,因而作用于电子之间的力也随之改变的图 什么都没有施加,力却变了 ── 它的机制 真空的涨落可以写成“出现后随即消失的光子”。因为取不出来,所以叫虚光子 没有镜子时 各种各样的涨落都在往来 电子 电子 力的强度:照常 有镜子时 只有塞得进缝隙的那些在往来 电子 电子 镜 镜 力的强度:改变 虚光子出现后随即消失,所以取不到外面。即便如此,只要它在两个电子之间 往来,就会成为力。镜子会重新挑选能够往来的虚光子的种类。 于是就会发生“一个光子都没有施加,电子之间的相互吸引方式却变了”这样的事。 这正是本章的实验所实际测到的东西。 点按放大
图 10 什么都没有施加,力却变了 ── 它的机制。 真空的涨落可以写成“出现后随即消失的光子”。因为取不出来,所以叫虚光子。取不出来也没关系 ── 只要它在两个电子之间往来,就会成为力。镜子会重新挑选能够往来的虚光子的种类。 量子场论的标准图像(教科书层面)
量子霍尔效应上,装了一个旋钮
2025年,Nature 上登了一篇论文。是以苏黎世联邦理工学院为中心的小组的工作。
垫脚石 二维电子气,与量子霍尔效应
“二维的电子海”不是比喻。把性质不同的半导体层层叠起来,电子就会在交界处像一层薄膜那样积存下来。厚度只有几个原子,电子在面内可以自由移动,却无法朝垂直于面的方向运动。实质上住在二维世界里的电子集团 ── 这就是二维电子气。
从垂直于这个面的方向加上强磁场,怪事就发生了。由与电流垂直方向出现的电压(霍尔电压)求得的电阻,并不随磁场增强而连续变化,而是只取阶梯状的、一格一格的值 。
每一级的高度,只由电子的电荷与普朗克常数决定。与样品的形状无关,与杂质的多少也无关。因为太过精确,如今它被用作电阻的标准器。
把磁场再加强,在相当于“三分之一个电子”“五分之三个电子”的位置上也会出现台阶。这就是分数量子霍尔效应 ,是电子之间强烈的排斥集体造出来的、格外纤细的状态。第2章的实验所撼动的,正是纤细的那一种。
他们准备了一片被封在半导体里、质量极高的二维电子海。加上强磁场,这片电子海会进入被称为量子霍尔效应(量子ホール効果 / quantum Hall effect) 的状态。电阻被阶梯式地量子化,电子之间强烈关联,这是凝聚态物理中被研究得最精密的舞台之一。
在它的上方,他们“悬浮”起一个开口环谐振器。
1 已确立的物理学
量子霍尔效应 磁场增强时霍尔电阻不是连续变化而是阶梯式变化,与经典物理预期的直线并置对比 磁场越强,电阻就变成“阶梯” 磁场强度 → 霍尔电阻 经典物理的预期(一条直线) ν=4 ν=3 ν=2 ν=1 在分数处也有台阶 台阶的高度只由一个电子的电荷和量子力学的基本常数决定。既不取决于样品的形状, 也不取决于杂质。所以量子霍尔效应被用作电阻的标准器。 点按放大
图 11 本该平滑变化的东西,变成了阶梯。 把电子关在二维里再加上强磁场,霍尔电阻就不再连续,只取阶梯状的值。每一级的高度只由基本常数决定,与样品的形状、杂质都无关。第2章的实验,动的不是这个阶梯的高度本身,而是产生阶梯的背景相互作用,用真空场去动它。 von Klitzing et al., Phys Rev Lett 45, 494 (1980)。分数量子霍尔效应为 Tsui, Störmer & Gossard (1982)
2 前沿、同行评审
悬浮的谐振器 把开口环谐振器悬浮在半导体样品上方,靠近到开口漏出的场能抵达二维电子气的距离。实验配置的示意图 二维电子气(2DEG) 霍尔条(半导体样品) 开口环谐振器(CSRR) 开口 50 μm d = 0.35 〜 1,200 μm(可调) 没有照光。只是靠近了而已。 点按放大
图 12 不是照上光,而是改变真空的形状。 把金属的开口环谐振器悬浮在样品上方。当靠近到谐振器开口漏出的场能抵达样品的距离时,与真空场的耦合就产生了。测量是在金属靠近所带来的静电屏蔽可以忽略的距离上进行的。 同上(据 Enkner et al., Nature 641, 884 (2025) Fig. 1 示意化)
谐振器没有接触样品。也没有照光。只是让距离变得可调而已。
然后,他们改变了距离。
2 前沿、同行评审
真空的旋钮 把开口环谐振器与二维电子气的距离从1200微米缩到0.35微米,与真空场的耦合强度从0%连续增至32%的实测数据图 同一片样品。同样的温度。同样的磁场。改变的只有到镜子的距离。 非耦合 超强耦合 0% 10% 20% 30% 40% 1000 100 10 1 0.1 距离 d / μm(对数刻度。越往右越近) 耦合强度 1200 35 17.85 6.43 2.45 1.23 0.35 ≈ 0% 32% 37% 谐振器没有放出光。只是靠近了而已。 横轴为对数刻度,故起点不是 0。最右边的空心圆是外推值。 点按放大
图 13 旋钮,原来是距离。 把开口环谐振器“悬浮”在二维电子气之上,仅仅改变它们的距离,与真空场的耦合强度就从0%连续变化到32%。伴随这一耦合的变化,奇数填充因子处的交换劈裂减小,填充因子 4/3・5/3・7/5 的分数量子霍尔能隙增大。谐振器并没有从外部照光。 Enkner et al., "Tunable vacuum-field control of fractional and integer quantum Hall phases", Nature 641, 884–889 (2025), doi:10.1038/s41586-025-08894-3
垫脚石 “耦合强度32%”,究竟是什么的32%
接下来会出现从 0 %到 32 %这样的数字。它不是什么效率,也不是什么比例。它是一把尺子,量的是物质的行为与场的行为融为一体到什么程度 。
数法是这样的。把电子与真空场“打交道”的强度折算成能量,再除以原本振动一次的能量。这个比值就是耦合强度。
普通的分子与光,这个比值连万分之一都不到。所以我们才能把“光”和“物质”当作两样东西来数。一旦比值超过一成,就不行了。说不清哪里为止是物质,从哪里开始是场。 这个区域叫超强耦合。
要紧的是,在这个区域里,能量最低的那个状态本身会被改写 。不是放进光去引发什么。而是什么都不放进去时的那个“地”,变成了别的东西。所以,一个光子都不施加,物质的性质也会改变。
报告中的 32 %,稳稳地落在这个超强耦合的区域里。
1 已确立的物理学
耦合强度的刻度 用对数刻度表示物质与场的耦合强度,标出弱耦合、强耦合、超强耦合三个区域,以及本章实验所达到的32%的位置的图 耦合强度 ── 物质与场,融为一体到什么程度 刻度是“耦合的能量 ÷ 原本振动的能量”。越大,就越无法把两者当作各自独立的东西来数 弱耦合 可以把光与物质 分开来数 强耦合 来回往复 开始显现 超强耦合 基态本身 被改写 0.01% 0.1% 1% 10% 100% 耦合强度(对数刻度) 普通的分子与光 精心调好的激光与原子 32% 本章的实验 这个刻度表示的是“谁对谁插了多少嘴”。 一旦超过一成,就无法把物质与场当作两样东西来处理。一个光子都没有放进去, 性质却变了,正是因为进入了这个区域。 点按放大
图 14 “耦合达到 32 %”,究竟是什么的 32 %。 它是一把尺子,量的是物质的行为与场的行为融为一体到什么程度。一旦超过一成,两者就无法分开来数,连基态本身都会被改写。一个光子都没有放进去,性质却变了,正是因为进入了这个区域。 腔量子电动力学的标准分区(教科书层面)
相距1,200微米时,电子海与真空场的耦合几乎为零。靠近到35微米,约为10%。6.4微米时是18%。1.2微米时是27%。而在最近的0.35微米处,达到了32%。
耦合的强度,随着距离这一个旋钮,平滑地变化下去。
同一片样品。同样的温度。同样的磁场。改变的只有到镜子的距离。
实验解剖 ── 用距离去旋转与真空的耦合(2025年)
想知道什么 与真空场耦合的强度,能不能从外面连续地改变。而且,改变耦合之后,物质的状态本身会不会变。
怎么做的 在二维电子气样品的上方,把一个金属小环(开口环谐振器)不接触地悬起来。环上有开口,电磁场从那里漏出。把样品与环的距离从 1,200 微米逐级缩到 0.35 微米,一边缩一边测电子海的行为。全程一次光也没有照射。
得到了什么 随着距离缩短,与真空场耦合的强度从 0 %平滑增至 32 %。与之相伴,分数量子霍尔态的能隙增大了 ── 也就是说,那个纤细的状态变得更不容易坏 。
可以说到这里 与真空场耦合的强度,是一个可以从外部连续控制的量。而且这个耦合强度,确实会影响物质的电子状态。
从这里就不能说了 关于意识,什么也说不了。这是在接近绝对零度的半导体里发生的事,常温的生体中会发生同样的事 ── 这个实验没有这层含意。
垫脚石 把这一段,翻成平常的话
接下来这一段,是这一章里专业词最密的地方。先一个一个交给你。
填充因子 。加上强磁场之后,电子能坐的“座位”数目由磁场的强度决定。相对于这些座位,电子坐了几成,就是填充因子(ν)。ν=1 正好满座。出现在四分之三、五分之三这类分数处的状态,是电子并非单独、而是集体造出新行为 的标记,格外纤细。
能隙 。就是破坏那个状态所需要的能量落差。越深,被热摇晃时越不会坏。也就是说,“能隙增大了”要读作“变得更不容易坏了” 。
交换劈裂 。是由电子自旋方向的差别所产生的能量差。它减小了,意思是方向造成的差别缩小了。
合起来,下一段说的是这么一件事 ── 把镜子挪近之后,最容易坏的那个状态,反而变得不容易坏了。 加强与真空场的耦合,起到了保护纤细量子态的作用。
1 已确立的物理学
能隙 用谷的深浅表示能隙,并显示把谐振器靠近后谷会变深(状态变得更不容易坏)的图 能隙 ── 破坏这个状态所需要的落差 落差越深,被热摇晃时越不容易坏 谐振器远的时候 能隙 小 谐振器近的时候 能隙 大 第2章的实验里增大的,是右边那个落差 填充因子表示的是:相对于磁场备好的“座位”,电子坐了几成。 ν=1 正好满座。出现在四分之三、五分之三这类分数处的状态, 是电子并非单独、而是集体造出来的,格外纤细的东西。 那个纤细状态的落差变深了 ── 也就是说,变得更不容易坏了。 点按放大
图 15 “能隙增大了”,要读作“变得更不容易坏了”。 所谓能隙,是破坏这个状态所需要的落差。越深,被热摇晃时越不会坏。第2章里变深的,是分数量子霍尔态这种格外纤细的状态的落差。 标准的凝聚态物理学教科书层面
而电子们的行为变了。奇数填充因子处的交换劈裂减小,4/3、5/3、7/5这些分数量子霍尔态的能隙增大了。分数量子霍尔态,是电子之间的关联格外强烈、纤细而易碎的状态。它反而随着与真空场耦合的增强,变得更加稳固。
按作者们的分析,这个效应来自真空电场梯度强的区域中、由虚拟腔光子所媒介的等效长程吸引相互作用。金属靠近所带来的静电屏蔽的影响,是在可以忽略的距离上测量的。
电阻为零的状态,在真空里动摇了
2026年,同一本 Nature 上登出了更进一步的报告。是以哥伦比亚大学为中心的国际小组的工作。
对象是超导(超伝導 / superconductivity) 。
垫脚石 超导,与“超流密度”
电流通过普通金属时,电子会到处碰撞而散开。杂质、晶格的畸变、热引起的晃动。这种散射就是电阻的真面目。
降到低温,某些物质里会发生怪事。电子两个两个结成对 (库珀对)。本该互相排斥的电子,借着晶格的一点点畸变,间接地互相吸引。而结成对的电子,会全体步调一致,作为一个巨大的波来行动。
整齐的波,无法只有一部分被散开。除非全体同时被散射,否则流动就不会停。这就是电阻为零 的真面目。
本文里出现的超流密度 ,是那些“整齐的对”里有多少电子参与其中的一个尺度。被压低到一半,就是说整齐运动的电子少了一半。物质内部最协调的那个状态,仅仅因为镜子被挪近就崩了 ── 这份报告之所以令人吃惊,正在这里。
超导是物质所能抵达的、最具集体性的状态。无数电子放弃各自的行为,整齐地成为一个巨大的量子态。电阻完全消失。在物质内部发生的事情当中,这可以说是粒子数最多、协同最深的现象。
他们让一种分子超导体,与一种叫六方氮化硼的晶体接触。这种晶体在红外区有一类被称为“双曲模式”的特殊电磁模式。而它的频率,恰好与超导体分子内碳与碳之间双键的伸缩振动——被认为与超导的出现有关的那种振动——重合。
这等于把一个共振的谐振腔,按在了超导体上。
1 已确立的物理学
什么是超导 普通金属中电子被散射而产生电阻,超导中电子成对整齐移动因而电阻消失。两者并置的图 普通金属 超导 电子撞上杂质和热扰动而被散射 = 电阻 电子两两成对(库珀对),全体整齐地一起动 = 电阻为零 所谓“超流密度”,是衡量有多少电子参加了这个整齐队列的指标。 被压低到一半,就是说整齐移动的电子少了一半。 第2章的实验报告说:仅仅把镜子靠近,这种“整齐”就在界面附近垮掉了。 点按放大
图 16 电阻变为零,是因为电子结成对、步调一致。 在超导中,电子两两结成对(库珀对),整体作为一个量子态齐整起来。“超流密度”是这些成对的电子有多少参与其中的一个尺度。第2章报告减半的,正是这个量。 Bardeen, Cooper & Schrieffer, Phys Rev 108, 1175 (1957)
2 前沿、同行评审
暗的谐振腔 只有满足共振条件的组合,界面附近的超流密度才被压到一半以下;非共振的对照不出现,超过转变温度即消失。实测数据图 界面附近的超流密度 bare κ-ET(对照) 100%(基准) hBN/κ-ET(共振) ≤ 50% RuCl₃/κ-ET(非共振) 无变化 hBN/BSCCO(非共振) 无变化 温度升高,效应消失 2 6 10 14 温度 / K 效应大小 Tc ≈ 12 K 不是增强,而是压低。且效应只限于界面附近。 点按放大
图 17 一个没有放进任何外部光的谐振腔,改变了超导。 作者们称之为“没有外部光子的暗谐振腔”。只有满足共振条件的组合,界面附近的超流密度才被压低;非共振的对照样品中没有发生。效应在超过超导转变温度后消失。需要留意的是:这是压低而非增强,且只限于界面附近。 Keren et al., "Cavity-altered superconductivity", Nature 650, 864 (2026), doi:10.1038/s41586-025-10062-6
结果,界面附近的超流密度被压低了至少一半。所谓超流密度,是承载超导的电子究竟整齐到什么程度的指标。它减半了。
对照实验支撑着这个结果。在不满足共振条件的组合里——换一种晶体、换一种超导体——这种压低没有出现。而且效应在超过超导转变温度后就消失。
作者们这样称呼自己用的谐振腔:没有外部光子的、暗的谐振腔 。
请先等一下
这个实验里发生的是超导的压低 。不是增强。“真空增强了超导”这样的概括是错的。而且观测到的是界面附近的效应,并不是样品整体的性质被改写了。真空场可以触及物质的集体状态,这一点被展示了出来;但它能被推广到什么程度,是今后的问题。
实验解剖 ── 用不放进外部光的谐振腔改变超导(2026年)
想知道什么 与真空场的耦合,能不能够到物质“最具集体性的状态”。
怎么做的 让分子性超导体(κ-ET)与一种叫六方氮化硼(hBN)的晶体接触。这种晶体在红外区有特殊的电磁模式,其频率被选得恰好与超导体的分子内振动重合。造出把共振的谐振腔按上去的状态,测量界面附近的超流密度。外部一个光子也不放进去。
得到了什么 界面附近的超流密度至少被压低 了一半。不共振的组合(换一种晶体、换一种超导体)里没有发生。效应在超过超导转变温度后消失。
可以说到这里 与真空场的耦合,可以影响物质的集体量子态。对照实验齐备,而且效应是在“共振条件”这一明确条件下出现的,这一点很有力。
从这里就不能说了 不能说效应波及整个样品(只限于界面附近)。而且是压低,不是增强 。这里一旦弄反,这份报告的意思就整个倒过来了。
这不是一次偶然
如果只有两篇论文,或许还该再观望。但这已经不是点,正在变成面。
2025年,把腔电动力学应用于逐层堆叠的范德瓦耳斯异质结构的工作登上了 Nature Physics 。2026年,用谐振腔控制量子霍尔系统中条纹序的报告,也出现在同一本杂志上。
“设计真空场来操纵物质”这一构想,已经成为若干个独立的小组、在不同的材料体系里各自追赶的领域。
到这里为止,意识一次都没有出现。这些论文对意识只字未提。被冷却的半导体,和超导体的薄片。仅此而已。
即便如此,把这一章放在这里,仍有一个理由。
这些实验证明的是:“无”不是惰性的。
垫脚石 从这里到意识,还隔着多远
在章末,先看隔阂那一边。只看近的地方往前走,后面必定摔跤。
温度差着一万倍的量级。 这一章的实验是在绝对零度之上一点点、换成摄氏就是零下二百七十三度的世界里做的。大脑是摄氏37度。热是往破坏量子整齐的方向起作用的,所以这个差距不小。
对象是两回事。 这边是杂质被减到极限的晶体,只有几个原子厚。那边是塞满了水、脂质与蛋白质、一刻不停在动的细胞。
起效的范围也有限。 超导实验中改变的只有界面附近极窄的一层,并不是样品整体的性质被改写了。
那么这一章与意识无关吗 ── 并非如此。有一样东西没有消失。 与真空场耦合的强度,是可以用距离这一个旋钮连续改变的量 ── 这个事实本身,与温度、与材料都无关。因为造出耦合的,是镜子的几何形状。
而第3章,正是从那种“镜子”形状的结构存在于神经之中 这件事讲起的。包裹神经纤维的鞘,其剖面是同心圆状卷了几百层的圆筒 ── 也就是谐振腔的形状。
能不能接得上,还没有人知道。但它的形状,是接得上的那种形状。这一章之所以放在这里,就是为了这个。
— 结构
本章的实验与大脑之间的距离 用温度、对象、杂乱、起效范围这四项,并排列出本章的实验与活的大脑相距多远的图 本章的实验,与你的大脑之间的距离 真空场改变了物质,这是事实。这个事实能否够到大脑,还什么都说不了 本章的实验 你的大脑 温度 0.01~0.05 K(稀释制冷机的区间) 310 K(摄氏37度) 一万倍的量级 对象 只有几个原子厚的、极其齐整的晶体 塞满了水、脂质与蛋白质的细胞 两回事 杂乱 杂质被减到了极限 分子在不停地碰撞 差着数量级 起效的范围 界面附近极窄的一层 还不清楚 未知 即便如此,这一章仍有一样东西没有被抹掉。 与真空场的耦合,是可以用距离这一个旋钮连续改变的量 ── 这个事实 与温度、与材料都无关。第3章,就从那种“镜子”形状的结构 存在于神经之中这件事讲起。 点按放大
图 18 真空场改变了物质。这个事实,能够够到大脑吗。 温度差着一万倍的量级,对象一边是晶体一边是细胞,杂乱程度差着数量级。本章的实验与活的大脑之间,隔着这么远。即便如此仍有一样东西没有消失 ── 与真空场的耦合,是可以用距离这一个旋钮连续改变的量。 把本文所处理的实验条件与标准生理学数值并排列出(结构图)
本章没有回答的问题
如果真空场能够改变物质的相,那么它所能影响的“物质”的范围,到哪里为止。
被冷却到接近绝对零度的半导体,和37度的大脑。这两者之间的距离,究竟有多远。
第二部 已经确认的事情
全 11 章中的第 4 章
Interlude
到这里为止,都是事实
到这里为止所写的,全部通过了同行评审,在多个实验室里得到确认,或者刊登在一流的学术期刊上。真空在振动。这种振动可以被测量。这种振动会改变物质的性质。
即使这篇文章到此为止,你所得到的东西也已经足够。我们一直称为“无”的那个地方,并不是无。仅此一点,世界的样子就会稍稍改变。
从这里往后,性质会变。
下一章开始要处理的,是尚未有答案的问题。只有理论计算而没有观测的。只有一个实验室报告过的。目前反驳一方反而占优的。以及在实验中根本无法了断、属于哲学领域的。
这些,不与前面的内容混在一起。处在哪一级,随时标出来。跨级的时候,就写出“跨了”。
— 结构
证据的阶梯 把已确立的物理学、前沿的同行评审研究、可证伪的假说、轶事这四级,画成越往下越宽的阶梯。最上一级之外没有地板 TIER 1 已确立的物理学 零点能 卡西米尔效应 TIER 2 前沿的同行评审研究 用真空场控制物质相 微管的麻醉实验 TIER 3 科学假说 以可证伪的形式提出 内文预想 髓鞘双光子 ZPF 假说 TIER 4 轶事、未经验证 无重复、出处薄弱 虫豸的通报 体验谈 还没有地板 确实性的层次,用台阶的面积表示,不用标签的颜色表示。 越下面的台阶越宽。这与本页的记述量比例也是一致的。 点按放大
图 19 处在哪一级,随时标出来。 在同样被称为“科学的话”的东西里,有确实性不同的四级。本文会始终标出每一项主张处在哪一级。跨级的时候,就写出“跨了”。 本作编辑上的框架,无出处(不是外部的分类体系)
1 已确立的物理学已通过同行评审、已被重复、达到教科书层面。可以用断定的语气记述。
2 前沿、同行评审刊登于一流期刊,解释与重复仍在进行中。只写到“已被展示”为止。
3 假说、可证伪以可证伪的形式被提出。这并不意味着它是正确的。
4 轶事、未经验证没有重复验证,出处也薄弱。只当作故事来对待,不用作佐证。
决定信或不信的,不是这篇文章。
麻醉为什么有效,其实还没有完全弄清楚。
垫脚石 失去主体,与死有什么不同
进入这一章之前,先看看麻醉这件体验本身。这是人生中最奇怪的几个小时。
睡眠会留下经过。会做梦。会中途醒来。早上会有“睡了很久”“没睡好”这样的感觉。麻醉没有这些。 不是有一段空白。所谓空白,是指你记得有过一段“什么都没发生的时间”,而连这种记法都没有。从十开始倒数,数到七断掉,下一瞬间几个小时已经过去了。
这个结构,与2,300年前的一句话精确重合。伊壁鸠鲁写道 ── “死对我们来说是无。我们在时,死不在;死在时,我们不在。” 麻醉,大概是唯一一次把这个命题以可体验的形式递到眼前的机会。只不过 ── 回得来。
那么,为什么回得来。 挥发性麻醉药只是靠分子之间的弱力松松地贴在蛋白质上,并不形成化学键。浓度一降就脱开。突触的连接、记忆的痕迹,在麻醉期间都保持着。停下来的只是过程 。
从这里,引出本文中心的那个区分。过程停下来,与产生过程的结构坏掉,是两回事。 麻醉属于前者,死属于后者。氧气只要几分钟送不到,细胞就会不可逆地坏掉 ── 所以麻醉科医生最害怕的,不是麻醉本身,而是氧气送不到。
而且,这个区分与第6章的问题形状相同。坏掉的接收机,与被切断电源的接收机。 从外面看,两者都什么也不回应。
洛克把记忆当作人格同一性的判据。麻醉在记忆上开了一个洞。即便如此,我们仍然把醒来的人当作同一个人。“开了洞,同一性也不会断” ── 在我们心里,这个直觉更强。这个直觉对不对,实验决定不了。这里就在第5章那堵墙的前面一点。
— 结构
停下来,与坏掉 表示麻醉时结构保持完好、只有过程停下并会回来,而死则是结构本身失去、不会回来的图 过程停下来,与产生过程的结构坏掉 从外面看同样是“没有反应”,里面发生的事却不一样 麻醉 结构还在。停下来的只是过程 死 结构本身失去了 回得来 回不来 挥发性麻醉药只是靠分子之间的弱力松松地贴着,并不形成化学键。 浓度一降就脱开。突触的连接与记忆的痕迹,在麻醉期间都保持着。 相对地,只要氧气几分钟送不到,细胞就会不可逆地坏掉。 所以麻醉科医生最害怕的,不是麻醉本身,而是氧气送不到。 这个区分,与第6章的问题形状相同 ── 坏掉的接收机,与被切断电源的接收机。 点按放大
图 20 麻醉与死,从外面看的样子相似。里面却不同。 麻醉药不形成化学键,只是松松地贴着,浓度一降就脱开。突触的连接与记忆的痕迹都保持着。停下来的只是过程。而死,指的是产生那个过程的结构本身失去了。 标准的麻醉学与病理生理学的推论(结构图)
临床之窗 回来的时候 ── 苏醒不是重启,而是重新组装
从麻醉中醒来时,大脑并不是一起回来的。
用影像追踪的研究显示,先回来的是脑干、丘脑、下丘脑、前扣带回这些位于深处的结构 ,大脑皮层的大范围活动随后才追上来。意识的“核”在深处 ── 也有研究者这样说。
所以刚醒来的人,即便睁着眼睛,也有一段时间说不通话。呼吸回来、眼睛睁开、对名字有反应、能对上话、事后记得住 ── 这些不会同时回来。它们有先后,各自都需要时间。
术后谵妄 在高龄患者中并不少见。弄不清时间和地点,会出现幻觉,也会把输液管拔掉。按手术种类不同,报告的发生率从十分之一到接近一半。多数在几天内恢复,但也有人恢复不完全。
此外还有术后认知功能障碍 ,记忆与注意在数周到数月里运转不良。原因不只是麻醉药 ── 手术本身引起的炎症、疼痛、睡不好的病房这一整套环境都在起作用。
从这里可以说一句。从麻醉中恢复,不是把开关重新打开,而是重新组装。 组装需要时间,也可能装不好。
而且,这个事实从临床这一侧,给第4章以后的问题加了一条约束。如果意识是单一的开关,那么回来的方式也该只有一种。实际上,回来的方式是按零件分开的。
手术每天都在世界各地进行。已有150年以上的实绩。每年数亿例。像这样被反复施行、被如此信赖的医疗行为,并不多见。
即便如此,教科书上仍有一处奇怪地含糊:麻醉气体究竟作用在身体的哪里、从而抹去意识,它在分子层面的靶点还没有确定。
垫脚石 “麻醉起效”,究竟是什么在发生
麻醉科医生处理的不是一个开关,而是至少四件可以分别引发的事情的集合。
镇静 (对呼唤不再有反应)、遗忘 (事后不记得)、镇痛 (身体不对疼痛信号作出反应)、不动 (术中不会动起来)。这四件事可以用不同的药分别引发,作用的位置也未必相同。
比如不动,很大一部分是在脊髓而不是大脑的层面上定下来的。遗忘则与海马这个记忆中枢深切相关。最接近“意识消失”的是镇静,但即便如此,直接测量意识本身的方法并不存在 。能测的只有对呼唤的反应、身体的动作、脑电图的形态这些从外面看得见的东西。
这一章的实验所测的“翻正反射消失”,也不过是那些从外部可见的指标之一。读的时候,这一点不能打折。
能溶于油的东西,会抹去意识
有一条自古就为人所知的规律,叫做迈耶–奥弗顿相关 。
1 已确立的物理学
麻醉的四个成分 把麻醉展示为镇静、遗忘、镇痛、不动这四种互不相同的作用的集合 “麻醉起效”是四件互不相同的事的集合 镇静 看上去像睡着了 对呼唤的反应消失 遗忘 记不得 醒来之后,那段时间没有记忆 镇痛 感觉不到疼 身体对伤害性刺激不作反应 不动 不会动 手术中不会动起来 这四件事可以用不同的药分别引起。作用的部位也未必相同。 第3章所测的“翻正反射消失”,是与其中的镇静和不动有关的指标。 直接测量“意识消失的那一瞬”的方法,目前并不存在。 点按放大
图 21 “麻醉起效”是四件不同的事捆在一起。 镇静、遗忘、镇痛、不动,可以用不同的药分别引发,作用的位置也未必相同。第3章测量的翻正反射消失,是与其中镇静和不动有关的指标,并不是“意识消失的那一刻”本身。 标准的麻醉学教科书层面
垫脚石 麻醉的深度,是怎么测的
这里先交给你一把麻醉科的尺子。读这一章的数字要用到。
吸入麻醉药的强度,用 MAC 这个单位来表示。切开皮肤时,半数人不再体动的浓度,就是 1.0 MAC。药不同,所需浓度也不同,所以各自以自己的 1.0 MAC 为单位来比较。
要紧的是这一点 ── MAC 是用体动来定义的,并不是在测意识。 对呼唤不再有反应的浓度(MAC-awake),只有它的三到四成,低得多。也就是说,意识消失之后,还要再加深大约三倍,身体才会停止动作 。
这个差本身,就是四个成分各自独立的证据。不动主要由脊髓决定,遗忘与海马密切相关,镇静则牵涉丘脑与大脑皮层。起效的位置不同,消失的浓度自然也不同。
本章的实验所测的翻正反射消失,在这把尺子上位于镇静与不动之间。无论如何,它是从外部可见的指标 ,不是体验本身。
1 已确立的物理学
麻醉的深度 表示遗忘、镇静、翻正反射消失、不动、自主神经反应抑制分别在不同浓度、不同位置发生的图 随着浓度升高,麻醉的各个成分是分别消失的 横轴是吸入麻醉药的浓度。1.0 MAC = 半数人被切开时不再体动的浓度 0.0 0.5 1.0 1.5 浓度 / MAC 遗忘 事后不记得 海马 镇静 对呼唤不再有反应(MAC-awake) 丘脑、大脑皮层 翻正反射消失 本章的实验所测的东西 前庭系统、运动系统 不动 被切开也不动(MAC 的定义) 主要在脊髓 自主神经反应的抑制 被切开时血压、脉搏不上升 脑干 各个成分消失的浓度不同,起效的位置也不同。“麻醉起效”并不是一件事。 而且 MAC 是用被切开时的体动来定义的。它并不是在测意识。 本章的实验所测的翻正反射,同样只是从外部可见的指标之一 ── 这一点, 读的时候不能打折。 点按放大
图 22 “麻醉起效”并不是一件事。 遗忘、镇静、翻正反射消失、不动、自主神经反应的抑制,各自在不同的浓度、不同的位置发生。MAC 是用被切开时的体动来定义的,并不是在测意识。本章的实验所测的翻正反射,同样只是从外部可见的指标之一。 标准的麻醉学教科书层面。MAC-awake 的比值见 Stoelting et al., Anesthesiology 33, 5 (1970);不动的脊髓性见 Rampil, Anesthesiology 80, 606 (1994)
临床之窗 全身麻醉之中,有患者会遵从指令
把“从外部可见的指标”的界限戳得最尖锐的,是一种手法。叫做孤立前臂法 。
步骤很朴素。在开始麻醉之前,先在一侧上臂根部缠上血压计袖带并加压。这样,之后给的肌松药就到不了那条手臂的远端。即使全身的肌肉都动不了,唯独那条手臂还能动 。
然后,在麻醉中对患者说话 ── “如果听得见,请握一下我的手。”
二〇一七年的一项国际合作研究,在气管插管后立即这样呼唤,二百六十人中有十二人(4.6 %)握了回来 。按通常的指标看,这些人麻醉得很充分。而且,其中绝大多数事后什么都不记得 。
也就是说,与外界连着的意识,可以在不留下记忆的情况下存在。
这里与序章正面呼应。序章里写过:“没有反应,并不能证明没有体验。”反过来同样成立 ── 不记得,并不能证明当时没有体验。
在麻醉科的现场,这被当作麻醉深度管理这一实务问题来处理。从哲学那一侧看,要沉重得多。这篇文章始终放不下的那个问题,在这里也以同样的形状露了脸 ── 从外面看得见的东西,与内侧正在发生的事情,原理上可以错开。
再深一层 ── 不依赖报告来测量意识 ── 扰动复杂度指标
那么,有没有既不靠报告、也不靠体动的测法。把目前最成功的一种放在这里。
先说现在麻醉机上的脑电指标。它把脑电波的形状换算成 0 到 100 的“深度”数字,在实务中确实有用。只是会随药物种类而偏 。用氯胺酮做麻醉时,没有意识却读出高值。一氧化二氮也对不上。脑电波的形状是药物的指纹,不是意识的尺子。
还有另一条路。从颅外用磁场敲脑一下(经颅磁刺激),把返回的脑电反应有多错综复杂 按“难以压缩的程度”化成数字。这就叫扰动复杂度指标。
清醒的时候,反应会扩散到脑的大片区域,形状错综,持续很久。深睡眠与麻醉之中,反应停在原地,简单,很快消失。已报告的数值大致是 ── 清醒 0.44~0.67,非快速眼动睡眠 0.18~0.28,丙泊酚或氙所致的麻醉 0.13~0.31,植物状态 0.19~0.31,最小意识状态 0.32~0.49。经验上的分界被定在 0.31。
这个方法的价值,在于对说不出话的人也能用 。序章里看到的那些没有反应却在遵从指示的患者 ── 他们“其实还在”,从这个方向也得到了支持。
不过,不打折地写下来。这里测的是信息整合的程度 ,而不是体验本身。“整合高所以有体验”这座桥,还没有架起来。第5章的那堵墙,从测量这一侧走近,也不会动。
2 前沿、同行评审
不依赖报告来测量意识 把经颅磁刺激所引起的脑电反应的复杂度数值化后得到的扰动复杂度指标,在清醒、睡眠、麻醉、植物状态、最小意识状态下各取何值的图 不依赖报告,从外部测量意识 从颅外用磁场敲脑一下,把返回的反应有多错综复杂化成数字 清醒的时候 反应扩散开来,错综复杂,持续很久 麻醉中、深睡眠 反应停在原地,简单,很快消失 用“难以压缩的程度”来数它有多错综 ── 这就是扰动复杂度指标 麻醉中 0.13〜0.31 深睡眠 0.18〜0.28 植物状态 0.19〜0.31 最小意识状态 0.32〜0.49 清醒 0.44〜0.67 经验上的分界 0.31 0.0 0.2 0.4 0.6 麻醉机上的脑电指标会随药物种类而偏 ── 用氯胺酮时,没有意识也会读出高值。 脑电波的形状是药物的指纹,不是意识的尺子。这个指标的不同在于,不索取报告也能划线。 不过,这里测的是信息整合的程度,而不是体验本身。 第5章的那堵墙,从测量这一侧走近,也不会动。 点按放大
图 23 能不能不索取言语,就给意识的有无划一条线。 从颅外用磁场敲脑一下,把返回的脑电反应有多错综复杂化成数字。清醒时反应会扩散开来、持续很久;麻醉中与深睡眠时则停在原地、简单地消失。因为不索取报告,所以对说不出话的患者也能用。 Casali et al., Sci Transl Med 5, 198ra105 (2013); Casarotto et al., Ann Neurol 80, 718 (2016)
具有麻醉作用的分子,在化学上毫不相似。有惰性气体,也有接近有机溶剂的东西。结构、反应性、分子量都参差不齐。然而麻醉的强度,却与一个量有很好的相关——在脂质中的易溶性 。越容易溶于橄榄油的分子,越有效。
这个相关暗示:麻醉药并不是作为插进某个特定锁孔的钥匙起作用,而是通过更非特异的物理相互作用。若是如此,靶点也许只有一个。多种多样的分子未必是各自作用于多种多样的受体,而可能是在敲打共同的某一处。
垫脚石 “钥匙与锁孔”这种想法,和它的界限
药物起效机制的标准说明,是钥匙与锁孔。细胞表面排列着叫做受体的蛋白质,只有特定形状的分子才插得进去,把开关打开。形状不合就什么都不会发生。所以通常,有效的药物之间形状相似 。
可麻醉药并不相似。氙(一个原子)、一氧化二氮(三个原子)、异氟烷(还算复杂的分子)── 形状、反应性、分子量都七零八落,却都能抹去意识。作为钥匙与锁孔的故事,这相当古怪。
于是去找共同点,只找到一样。易溶于油 。这就是一百多年前就为人所知的迈耶–奥弗顿相关,它一直在暗示:“麻醉药不是插进锁孔,而是钻进油腻的地方改变了什么”。
不过当代的理解要更复杂一些。对 GABA-A 受体等离子通道的作用确实已被确认,这些承担着麻醉作用的很大一部分,也没有人怀疑。尚未解决的,是其中任何一个都没有能够说尽“意识消失”这一点 。
候选被寻找了很久。神经的离子通道、受体、线粒体、突触的蛋白质。在直到2008年的一系列彻底研究中,膜受体和离子通道作为单一靶点被排除了。
垫脚石 GABA-A 受体是什么
这个名字后面还会出现几次,在这里先打开。
神经细胞同时收到两种信号:让它兴奋的,和让它停下来的 。负责“停下来”的主角是一种叫 GABA (γ-氨基丁酸)的物质,接收它的锁孔就是 GABA-A 受体。
构造是这样的。五个蛋白质围成环,构成一个贯穿细胞膜的筒,正中间是氯离子的通道 。GABA 结合到环的外侧,孔就打开,带负电的氯离子流进细胞内部。内部偏向负电,这个细胞就不容易放电了。这就是“停下来”的内容。
麻醉药并不结合在 GABA 的那个位置。它结合在别的位置,把 GABA 的效力拉长。 安眠药中的苯二氮䓬类,也是结合在另一个位置做同样的事。酒精也碰这里。让人犯困的药,很多都聚集在这一个受体上。
而且,有一个实验从分子这一侧证明了麻醉的四个成分是分开的。在构成受体的蛋白质中,把叫做 β3 的那个只替换一个氨基酸 的小鼠身上,依托咪酯这种麻醉药的“不动”单独失效了。替换 β2,这次是“镇静”单独失效。在同一个受体内部,成分是分开的。
不过,故事没有到此为止 ── 这正是这一章的主题。氙、一氧化二氮、氯胺酮几乎不碰 GABA-A。它们是靠堵住另一种受体(NMDA 受体)起效的。“麻醉药的靶点”并不只有一个。 正因如此,寻找共同的那一点的尝试还在继续。
1 已确立的物理学
GABA-A 受体 表示五个蛋白质围成环、构成氯离子通道的结构,以及 GABA、苯二氮䓬、麻醉药各自结合在不同位置的图 GABA-A 受体 ── 大脑“踩刹车”那一侧的开关 五个蛋白质围成环所构成的筒。正中间是氯离子的通道 从上面看 α β α β γ Cl⁻ 氯离子从正中间的孔通过 从侧面看 细胞外 细胞内 膜 Cl⁻ 流入 负电荷进来,细胞就不容易放电 GABA 结合的位置 α 与 β 的交界 苯二氮䓬结合的位置 α 与 γ 的交界 麻醉药结合的位置 β 的、膜内那一侧 同一个受体,结合的位置不同,起效的方式也不同。在替换了 β3 的一个氨基酸的小鼠身上, 依托咪酯的“不动”单独消失了;替换 β2,则“镇静”单独消失。 在同一个受体内部,麻醉的成分是分开的。 点按放大
图 24 GABA-A 受体,是大脑“踩刹车”那一侧的开关。 它是五个蛋白质围成环所构成的筒,正中间有氯离子通过。负电荷进来,细胞就不容易放电。GABA、苯二氮䓬、麻醉药结合在同一个受体的不同位置。在只替换了一个氨基酸的小鼠身上,麻醉的成分分别消失了。 标准的药理学教科书层面。基因敲入小鼠见 Jurd et al., FASEB J 17, 250 (2003); Reynolds et al., J Neurosci 23, 8608 (2003)
没有被排除而留下来的,其中之一是微管(微小管 / microtubule) 。
1 已确立的物理学
细胞骨架与微管 分三步展示:细胞内从核放射状伸出的微管、侧面微管蛋白的排列、横切后由13条原丝围成的筒状结构 ① 细胞内部 ② 从侧面看微管 ③ 横切一刀 细胞核 微管从细胞核放射状伸出, 维持细胞形状,并成为运货的轨道 α 与 β 两种蛋白质交替排列 长度从几 μm 到几十 μm 这一颗就是微管蛋白。 一颗只有 4〜5 nm 大小 空腔 外径 约25 nm 13 条原丝(protofilament) 围成一根筒 微管既是“细胞的骨架”,也是“物流的轨道”。在神经细胞里,把货物运到轴突末端的, 正是在这条轨道上行走的运输蛋白。部分抗癌药(紫杉烷类)就是把这条轨道 固定住、从而阻止细胞分裂的药。第3章的实验,借用的正是这种“固定”的性质。 点按放大
图 25 微管既是细胞的骨架,也是物流的轨道。 α 与 β 两种蛋白质交替排成一条筋,这样的筋有 13 条,围成筒的形状。外径约 25 纳米。在神经细胞里,它充当把物资运到轴突末端的轨道。紫杉烷类抗癌药,正是把这条轨道固化、从而阻断细胞分裂的药物。 标准的细胞生物学教科书层面。13 条原纤维的结构见 Tilney et al., J Cell Biol 59, 267 (1973) 等
垫脚石 微管是什么 ── 写给没见过它的人
很多人把细胞想成一只袋子。实际上,细胞内部张着骨架。这叫细胞骨架,有粗细不同的三种。其中最粗的一种就是微管 。
它的构造是这样的。α 微管蛋白与 β 微管蛋白这两种蛋白质交替相连,组成一条筋。这样的筋有 13 条,围成一圈,成为中间空心的筒。外径约 25 纳米,大约是一根头发的三千分之一粗。
它有两个职能。一是骨架 。保持细胞的形状,分裂时把染色体往两侧牵拉。二是物流的轨道 。驱动蛋白和动力蛋白这些会“走路”的蛋白质在这根筒上移动,运送货物。
在神经细胞里,第二个职能变得决定性。轴突有时能长到接近一米,要把细胞体里造好的蛋白质送到它的末端,就得有轨道。微管是神经细胞内部支撑着最长距离的结构。
而紫杉烷类抗癌药(紫杉醇等),正是靠把这条轨道固化、使其不能动,来阻断细胞分裂的药物。第3章的实验,借来的正是这种“固化”的性质。
微管是构成细胞骨架的管状结构。所有细胞里都有。在细胞分裂时还担负着牵引染色体的角色。不过在神经细胞里,它承担着物质运输与可塑性这类更特殊的职能。麻醉气体确实会结合到这种微管上,这一点已被确认。
垫脚石 乳腺癌与紫杉烷 ── 临床报告为什么会出现在这里
接下来要出场的,是乳腺癌患者的故事。可能显得突兀,所以先把线接上。
癌 ,是细胞分裂的刹车坏掉、细胞不断增殖的疾病。乳腺癌 发生于乳房中制造乳汁的组织及其导管,在东亚女性所患的癌症中最为常见。治疗把手术、放疗、药物组合起来。
药物之中,所谓化疗药瞄准的是“正在频繁分裂的细胞”。其中一类是紫杉烷类 (紫杉醇、多西他赛等),源自从红豆杉树皮里找到的化合物。而这种药的起效方式,正好与这一章的主题重合 ── 紫杉烷会把微管固化。
细胞分裂时,染色体是被微管这根绳子拉向两侧的。绳子一旦固化、无法伸缩,细胞就会停在分裂的半途,随后死去。这就是紫杉烷的作用方式。
副作用的样子,也正是微管的故事本身。手脚末端发麻(周围神经病变),是因为神经细胞内部运送货物的轨道被固化了,而最长的神经最先受累。掉头发,则是因为毛囊细胞分裂得快。
走到这一步,下一份报告的意义就清楚了。接受过紫杉烷的患者,全身的微管都处在被药物固化的状态。 如果这些人麻醉不容易起效,那就与“麻醉气体的靶点也许是微管”这个说法对得上。
接受过抗癌药的患者,麻醉不容易起效
有一份奇怪的临床报告。
紫杉烷类抗癌药是使微管稳定化的药物。接受过这种治疗的乳腺癌患者,术中对切开的血压上升显著更大,需要更多的镇痛药——2015年有这样的报告。
请先等一下
这份报告有其局限。在同一项研究里,心率和麻醉药用量并没有出现显著差异。每位患者的病情不同,所用的麻醉药不同,接受的紫杉烷治疗内容也不同。从临床数据里很难引出确凿的结论。说它只停留在“提示”,才是准确的。
只停留在提示的东西,要怎样才能确认。
只能把条件对齐,在动物身上试。
69秒
美国韦尔斯利学院的一个小组做了这件事。
给雄性大鼠皮下注射一种使微管稳定化的药物——埃博霉素B,一种能进入脑内的类型——每公斤体重0.75毫克。在对照日,同样注射不含药物的溶剂。
然后让它们吸入4%的异氟烷,测量翻正反射(立ち直り反射 / righting reflex) 消失所需的时间。也就是把大鼠翻成仰卧后,它再也无法自己翻回来的那一刻之前的秒数。作为意识消失的指标,在麻醉研究中被广泛使用。
垫脚石 为什么要测“翻过来还能不能自己起身”
没法问动物“你现在有意识吗”。所以就去测别的东西。
翻正反射(righting reflex)是被翻成仰卧的动物自己翻回来的反应。这需要感知身体的倾斜(前庭系统)、协调四肢(运动系统),并且有足够把它执行出来的觉醒。麻醉逐步加深时,这个反应会在固定的深度上消失。
这个指标被使用的理由有三个。观察者的主观不容易掺进来。可以跨物种比较。而且,它与人被判断为“意识没有了”的麻醉深度,大体上是对应的。
不过界限也很明确。它测的是“反应的消失”,不是“体验的消失”。 就像序章的垫脚石里看到的植物状态患者那样,没有反应却仍有体验的可能,原理上无法排除。带着这段距离去读,这个实验的价值与界限就都看得见了。
2 前沿、同行评审
69秒 给予微管稳定化药物的大鼠,在麻醉下失去意识的时间平均延长69秒,8只中有7只延长。有1只反而缩短,图中也未省略。估计图 69 秒 微管被固定的大鼠,失去意识时多花掉的时间 给药前 给予埃博霉素B 之后 潜伏期(越上越长) 仅1只相反 差 0 平均差 +69 秒 95% 置信区间 平均差的估计 N = 8 / p = 0.0016 / Cohen's d = 1.9 / 8只中7只延长 / 剔除离群值后 p = 0.005 每只个体的位置为示意。平均差、p 值、效应量、延长的只数为原报告的实测值。 点按放大
图 26 把微管固定住,意识消失就晚了69秒。 给予微管稳定化药物埃博霉素B的大鼠,在异氟烷麻醉下失去翻正反射所需的时间平均延长了69秒(N=8、p=0.0016、Cohen's d=1.9)。8只中有7只出现延长。这一差异无法用反复暴露产生的耐受来解释。不过个体数很少,这个结果支持的是“麻醉作用于微管”,而不能证明“意识是量子现象”。 Khan et al., "Microtubule-Stabilizer Epothilone B Delays Anesthetic-Induced Unconsciousness in Rats", eNeuro 11(8) (2024), doi:10.1523/ENEURO.0291-24.2024
微管被固定住的大鼠,失去意识平均多花了69秒。8只中有7只潜伏期延长。统计学上的显著性很高,效应量也很大。
“会不会只是反复麻醉产生的耐受”这一怀疑,作者们自己已经排除。给药之前那段时期的潜伏期,反而略有缩短的趋势。即使把耐受的贡献估到最大,也够不到69秒。
实验解剖 ── 把微管固定住,意识消失会不会变慢(2024年)
想知道什么 如果麻醉气体的作用点是微管,那么事先把微管固定住,麻醉就该变得不容易起效。这个预言对不对。
怎么做的 给雄性大鼠皮下注射能使微管稳定化的药物(埃博霉素B,一种能进入脑内的类型),每公斤体重 0.75 mg。对照日只注射同样的溶剂。同一只动物换日分别做这两件事,让它吸入 4 %的异氟烷,测翻正反射消失所需的秒数。主实验组共 8 只。
得到了什么 给药那天,失去意识平均多花了 69 秒。8 只中有 7 只潜伏期延长。p = 0.0016,效应量 Cohen's d = 1.9。剔除离群值后显著性依然保持(p = 0.005)。不能用反复麻醉产生的耐受来解释,这一点也已从给药前那段时期的趋势中得到说明。
可以说到这里 支持“麻醉气体作用于微管、从而引起意识消失”这一假说。因为是在同一只动物身上比较,设计上不易受个体差异影响。
从这里就不能说了 不能说意识是量子现象。微管一旦变硬,与量子性质无关,细胞的行为本来就可能改变。这个实验讲的是作用点 ,不是作用的性质 。
只是把细胞里的管子弄硬了一点,意识消失所需的时间就变了。
请先等一下
8只太少。而且8只里有1只,潜伏期反而缩短了。这个实验所支持的,只到“麻醉气体作用于微管、从而引起意识消失”这一主张为止,而不是“意识是量子现象”。微管一旦变硬,与量子性质无关,细胞的行为本来就可能改变。这里还没有上一级。
数字怎么读
p = 0.0016 不是“这个结果碰巧出现的概率”。准确地说,它是“假定其实没有差异时,偶然出现这么大差异的概率”。不到千分之二。很小。不过,p 值对差异的大小 什么也没有说。
Cohen's d = 1.9 说的才是那件事。它表示“差异相当于几个离散度”。按惯例,0.2 为小,0.5 为中,0.8 为大,所以 1.9 相当大 ── 大到两组的分布几乎不重叠。
N = 8 很少。这是这项研究最弱的地方。效应很大,与确认过的个体很少,可以并存。“效应很大。不过,还只看了 8 只”── 能不能把这两件事同时放在心里,就是读研究这回事。
1 已确立的物理学
p 值与效应量 用两幅分布图说明:p 值表示碰巧的概率,效应量表示差的大小,两者含义不同 同样是“有差异”,要看的却是两件不同的事 p 值 ── 碰巧的概率 实际 出现的差 假定“没有差异”时,差的分布 p = 0.0016 意为“若是碰巧,千次不到两次” 效应量(Cohen's d)── 差有多大 d d = 1.9 意为“两个分布几乎不重叠” p 值再小,若差本身很小,意义也薄。效应量再大,若个体数很少, 碰巧的可能性依然存在。两者说的是不同的事 ── 所以要同时看。 而且 N = 8 很少。第3章的实验处在“效应很大,但只在少数个体上确认过”的位置。 能否把这两点同时放在脑子里,就是所谓的“读研究”。 点按放大
图 27 p 值是“碰巧的概率”,效应量是“差异的大小”。是两回事。 p 值再小,若差异本身很小,意义也就淡薄;效应量再大,若个体数很少,碰巧的余地依然存在。第3章的实验,处在“效应很大,但确认过的个体很少”这个位置上。 标准的统计学教科书层面。d 的参考标准见 Cohen (1988)
电子一样。不同的是核有没有在转
还有一份性质完全不同的报告。这一份,要上一级。
氙本身就是被用作麻醉气体的惰性气体。这种元素有若干种同位素 。同位素之间,电子的数目与排布完全相同,化学性质无从区分。不同的只有原子核的内部,以及由此而来的核自旋(核スピン / nuclear spin) ——原子核所具有的、类似自转的量子性质。
垫脚石 同位素与核自旋
原子核由质子与中子构成。质子的数目决定它是哪种元素(54 个质子就是氙),中子的数目在同一元素内部却可以不同。只有中子数不同的那些,叫做同位素 。
参与化学反应的只有电子,所以同位素之间的化学性质几乎完全相同。味道、气味、反应,都分不出来。
只有一样东西不同,那就是核自旋 。按质子与中子数目的组合不同,整个原子核会具有、或者不具有“像在自转一样”的量子性质。氙 132 的核自旋为 0,氙 129 为 1/2,氙 131 为 3/2。
核自旋也在我们的日常里露过面。MRI(磁共振成像)就是把体内氢原子核的核自旋在磁场中的行为变成图像的装置。也就是说,核自旋是一个实在的、可以从外部操纵、并且能作为信号读出 的量。
而核自旋不为零的核,可以当作量子比特来用 ── 这个事实,正是下一段话的入口。
在用小鼠进行的实验中,有报告称核自旋为半整数的同位素,麻醉效力更弱。
3 假说、可证伪
原子核的自转 氙的同位素电子壳层与化学性质完全相同,不同的只有核自旋;并列出“带核自旋的同位素麻醉效力更低”这一报告的概念图 ¹³²Xe 核自旋 0 ¹³⁴Xe 核自旋 0 ¹³¹Xe 核自旋 3/2 ¹²⁹Xe 核自旋 1/2 四者的电子壳层完全相同 LRR-ED50(单用氙气) ¹³²Xe 70 % ¹³⁴Xe 72 % ¹³¹Xe 99 % ¹²⁹Xe 105 % 越大,效力越弱 电子一样。化学反应一样。不同的只有核有没有在转 把80只小鼠分作四组作的半数有效量比较(Li et al., Anesthesiology 129, 271 (2018))。原作者自己写明“关于作用机制能知道的很少”。 点按放大
图 28 电子一样。不同的只有核有没有在转。 在用氙同位素进行的麻醉实验中,有报告称带核自旋的同位素麻醉效力更低。有人指出,核自旋可能作为量子比特起作用,参与更大叠加的形成,从而对抗麻醉作用。不过原报告只是少量小鼠的半数有效量比较,作者本人也表示从这一结果里关于作用机制能知道的很少。 Li et al., Anesthesiology 129, 271 (2018)。Neven et al., Entropy 26, 460 (2024) 所引
电子一样。化学反应一样。不同的只有核有没有在转。
只要核自旋不为零,它就可能表现为量子比特。如果意识与量子叠加有关,那么带有核自旋的同位素或许会参与叠加的形成,朝着对抗麻醉作用的方向起作用——有人提出了这样的解释。
请先等一下
这份报告只是就四种同位素、比较了80只小鼠的半数有效量。而且介绍它的那篇论文自己写明:从这个结果里,关于作用机制能知道的很少。单凭它,成不了量子说的证据。这里把它列出来,不是作为证据,而是作为问题的形状 。
包裹神经的绝缘体,在剖面图里是谐振腔的形状
到这里为止,都是从抹去意识这一侧逼近的。也有从相反方向靠近的工作。
上海大学与四川大学的小组,在2024年于 Physical Review E 上发表了一篇论文。他们盯上的,是髓鞘(ミエリン鞘 / myelin sheath) 。
垫脚石 神经怎样送出信号,髓鞘又干什么
神经细胞的信号,与电线里流动的电流很不一样。轴突的膜上排列着让离子通过的小孔(离子通道),它们依次打开,电的变化就像波一样传下去。这就是动作电位。
这个方式准确,但慢。因为要一个一个把孔打开。光秃秃的轴突,信号只能以每秒 1 米左右前进。
于是髓鞘登场。它是胶质细胞在轴突上一层层缠出来的脂质鞘,起着不导电的包皮的作用。这层包皮每隔一定距离有一处断口(郎飞结),电的变化便从一个断口跳到下一个断口前进 。这叫跳跃式传导。速度超过每秒 100 米。
多发性硬化症,就是这层髓鞘被免疫系统破坏的疾病。包皮一坏,信号就变慢,或者干脆到不了,于是出现视力下降、麻痹和麻木。髓鞘是“为了速度的机制”这件事,正是靠它失去时会发生什么来确认的。
第3章接下来要介绍的,是把这层包皮不当作“绝缘体”、而重新看作“圆筒形谐振腔”的计算。同一样东西换个框架来看,就会显出别的性质 ── 不妨当作一个例子来读。
髓鞘是包裹神经纤维的脂质鞘。在学校里,我们把它当作“绝缘体”来学。它是防止电信号泄漏的包皮,是让信号传得更快的机制。
可是看剖面图,那是一个同心圆状卷了几百层、长约100微米的圆筒。
1 已确立的物理学
神经细胞与跳跃式传导 从胞体伸出的轴突被髓鞘包裹,信号在其缺口(郎飞结)之间跳跃前进 信号在髓鞘的缺口之间跳着前进 胞体 (接收信号) 髓鞘 郎飞结 郎飞结 郎飞结 郎飞结 电位变化从一个结跳到下一个结(跳跃式传导) 轴突末端是突触。 用化学物质交给下一个细胞 髓鞘是作为“绝缘体”被教给我们的。它是防止电流泄漏的包皮, 正因如此,信号才能像跳跃一样快速前进。 没有髓鞘的神经约为每秒 1 米,有髓鞘的神经则超过每秒 100 米。 第3章介绍的计算,把这层包皮不当作“绝缘体”,而重新看作“圆筒形的谐振腔”。 同一样东西换个框架来看,就会显出别的性质 ── 不妨当作一个例子来读。 点按放大
图 29 髓鞘是包皮,正因为有它,信号才会跳。 包裹轴突的脂质鞘每隔一定距离就有一处断口(郎飞结),电的变化便从一个结跳到下一个结前进。这叫跳跃式传导。第3章介绍的计算,把这层包皮不当作“绝缘体”,而重新看作“圆筒形的谐振腔”。 标准的神经生理学教科书层面
物理学家把这个形状看成了别的东西。
3 假说、可证伪
名为髓鞘的谐振腔 包裹神经的髓鞘横截面是同心圆状的圆筒,在腔量子电动力学的框架里可以当作谐振腔来处理。并附“体内尚无观测”的注记 ① 神经元整体 ② 髓鞘的横截面 ③ 磷脂的尾部 轴突与髓鞘 同心圆状数百层。圆筒就是谐振腔 长约 100 μm / 厚 1〜2 μm C–H 键的振动可以成为光源 可以生成纠缠光子对(计算) 这是计算结果。在活的大脑中观测到这种 光子对的报告,目前并不存在。 点按放大
图 30 包裹神经的绝缘体,在剖面图里是谐振腔的形状。 上海大学等的小组,用腔量子电动力学的框架分析了髓鞘的圆筒结构。他们得到的计算结果是:脂质分子尾部碳–氢键的振动,经由级联放出,可以生成相当数量的纠缠光子对。这为神经同步这一尚未解明的问题,提示了“量子式信息传递”这种说明的可能性,但体内观测尚未进行。 Liu, Chen & Ao, Phys Rev E 110, 024402 (2024), doi:10.1103/PhysRevE.110.024402
圆筒就是谐振腔 。在第2章里,我们看过把真空场关在镜子与镜子之间的装置。同样的几何,在每一根神经纤维上,无数次地排列着。
他们用腔量子电动力学 的框架做了计算。构成髓鞘的脂质分子的尾部,有大量碳与氢的键。这种键的振动,会在圆筒状的空腔中级联式地放出光子,生成相当数量处于量子纠缠(量子もつれ / quantum entanglement) 态的光子对——这就是计算的结论。
这为什么会成为意识的话题。
他们在开篇提出的问题意识是这样的:大脑的运作,依赖于数百万计的神经细胞同时对齐步调。然而这种精密的同步究竟是怎样实现的,其机制尚未解明。有些快到用电信号的传导速度无法解释。
如果大脑能够自己制造纠缠光子对,那它会不会正是同步的资源。
实验解剖 ── 髓鞘能不能造出纠缠光子对(2024年·仅计算)
想知道什么 脑内广大范围一齐同步的现象,光靠电信号的传导速度来解释很勉强。如果还有别的资源,那会是什么。髓鞘的圆筒结构,是不是造得出那种资源的形状。
怎么做的 这不是实验,是计算 。把髓鞘的圆筒放进腔量子电动力学的框架建模,解出脂质分子尾部碳–氢键的振动在那个空腔里会如何行动。
得到了什么 结论是:振动会级联式地放出光子,可以生成相当数量的纠缠光子对。
可以说到这里 髓鞘的几何形状,在理论上允许这样的放出。这是一篇通过同行评审的物理学论文,计算本身也是认真的。
从这里就不能说了 不能说活的大脑里正在发生这件事。生体内的观测报告,目前一件也没有。 把它概括为“在脑内发现了量子纠缠”,与事实不符。
请先等一下
这是计算结果 。在活的大脑中观测到这种纠缠光子对的报告,目前并不存在。这是一篇通过了同行评审的物理学论文,计算本身也是认真的,但所展示的只到“理论上可能如此”为止。把它概括为“在脑内发现了量子纠缠”,与事实不符。
垫脚石 疼痛是什么 ── 花了两千年,它所在的位置变了
这一章的主题是麻醉。麻醉所抹去的东西里,最棘手的那一样,放在最后来看。那就是疼痛 。
亚里士多德没有把疼痛算作感觉。在他那里,疼痛是灵魂的受动 ,是与快相对的心的状态,并不与触觉、视觉排在同一列里。
一六六四年,笛卡尔画了一张图。脚底的火,经由一根细线沿着背脊上行到大脑,像拉动钟绳 那样,在脑内打开一个阀门。这张图把疼痛变成了机器。此后三百年,疼痛被当作测量伤情多少的仪表 。伤大,痛就大。本该只是这么回事。
可是,仪表说明不了的事越积越多。第二次大战的野战医院里,比彻发现重伤的士兵中有很多并不索要吗啡。同样的伤,平民患者诉说的疼痛却强烈得多。差别不在伤,而在这道伤对本人意味着什么 ── 意味着可以离开前线。
还有不存在的脚在痛的幻肢痛 。被截去的脚根本不会送来信号。按仪表模型,无从痛起。
一九六五年,梅尔扎克与沃尔提出闸门控制理论 。脊髓的入口处有一道“闸门”,运送触觉的粗纤维把它关上,运送疼痛的细纤维把它打开。而且,大脑那一侧也能开合这道闸门。疼痛不再是被传过来的东西,而成了被造出来的东西。 撞到的地方揉一揉会好受些,正是因为粗纤维把闸门关上了。
梅尔扎克更进一步,提出神经矩阵 。生成疼痛的是脑内的一张网,即使没有来自身体的输入,那张网也能鸣响。幻肢痛,由此得到解释。
1 已确立的物理学
疼痛的三种模型 把笛卡尔的传递模型、闸门控制理论、神经矩阵这三种疼痛模型并排列出的图 疼痛从“被传过来的东西”变成了“被造出来的东西” 花了三百年,疼痛所在的位置一点点变了 笛卡尔 1664 伤的多少,原样传到大脑 脑 足 绳 闸门控制 1965 脊髓上有一道闸门。可以开合 脑 闸门 从大脑 来开合 粗纤维 (关上) 细纤维 (打开) 神经矩阵 1990年代 即使没有输入,大脑也能生成 来自身体的输入 没有 笛卡尔的图把疼痛变成了机器。此后三百年,疼痛一直被当作“测量伤情多少的仪表”。 可是仪表说明不了的事越积越多 ── 重伤却不痛的士兵,不存在的脚却在痛的幻肢痛。 闸门控制理论表明,脊髓与大脑会改写信号本身。 揉一揉疼痛就减轻,是因为粗纤维把闸门关上了。 点按放大
图 31 疼痛从“被传过来的东西”变成了“被造出来的东西”。 笛卡尔的图把疼痛变成了机器,此后三百年,疼痛一直被当作测量伤情多少的仪表。闸门控制理论表明,脊髓与大脑会改写信号本身。梅尔扎克的神经矩阵更进一步,走到了即使没有输入、大脑也能生成疼痛这一步。 Descartes, "Traité de l'homme" (1664); Melzack & Wall, Science 150, 971 (1965); Melzack, Trends Neurosci 13, 88 (1990)
再深一层 ── 感觉不到疼的人们 ── 基因教给我们的事
“疼痛是布线”这件事,最强的证据来自临床。
有一种病叫先天性无痛症 。生来就完全感觉不到疼。婴儿期就咬断舌头或手指,骨折与关节破坏也不自知地继续行走,有人年纪轻轻便丢了性命。没有疼痛,不是幸运。
二〇〇六年,其中一个原因被确定下来。是 SCN9A 这个基因所造的钠通道(Nav1.7)失去功能的突变。运送疼痛信号的神经,立不起信号来。这些人同时也闻不到气味。
有意思的是反过来的情形。同一个基因工作过头 的突变,会让手脚像被灼烧一样持续疼痛。一个基因、一个旋钮的方向,就能让疼痛既消失,也停不下来。
不过 ── 这个基因并没有回答“为什么会伴随疼这种感觉”。 它只决定信号立不立得起来。第5章的那堵墙,在这里也以同样的形状立着。
临床之窗 明明疼,却不难受 ── 痛觉失认这种状态
有一种状态叫痛觉失认 ,看上去简直该写进哲学教科书。见于岛叶皮层受损的患者。
用针去刺,这个人会准确地回答“疼”。位置、强度、锐钝,都说得出来。然而他并不难受 。不缩手。甚至还会笑。疼痛的感觉 留下了,难受 那一部分单独脱落了。
同样的事,在更寻常的场合也会发生。用了吗啡的患者常常这样说 ── “疼是还疼。但我不在意了。”为难治性疼痛切开扣带回的手术,也反复给出同样的报告。
也就是说,疼痛至少由两个零件构成。哪里、怎样地疼的那个零件,与“这很讨厌”的那个零件。 既然会分别坏掉,那就是分开的零件。
这一点在哲学那边会起作用。克里普克否定了“疼痛=神经放电”这一同一说,理由是疼痛的本质在于它被感受的方式 。痛觉失认表明,那个“被感受的方式”还会再裂成两半。裂开之后,哪一半才是体验的本体。
而麻醉的镇痛 所抹去的,究竟是哪一半 ── 这一点尚未完全定下来。已有测量表明,即使在全身麻醉之中,对伤害性刺激的反应仍残留在脑内。
垫脚石 如今的定义,以及疼痛是为了什么而存在
国际疼痛学会在二〇二〇年修订了定义。“与实际的或潜在的组织损伤相关联的,或与之相似的,不愉快的感觉与情绪体验”。
定义的本体,在附于其后的几条注记里。疼痛始终是一种个人的体验。 疼痛与伤害感受是不同的现象。 说不出口,并不能证明没有疼痛。 第三条是为婴儿、为认知症患者、为动物而写的 ── 也是为序章里看到的植物状态患者而写的。
它是为了什么而存在。 它是为了避免组织被破坏而设的警报。无痛症的人寿命短,从反面显示了这个警报的价值。不过,既然是按警报造出来的,也就会出现只有警报一直响的情况 。既没有伤、也没有神经损伤,疼痛却持续 ── 这一型被称为痛觉调节障碍性疼痛,纤维肌痛症等属于此列。这是“疼痛是被造出来的”这件事在临床上的后果。
把这些接到本文的主题上。疼痛,是哲学谈论感受质时最先搬出来的例子 。红的红性不好说出口,疼的疼性却人人都懂。而麻醉,把那份疼抹掉。抹掉之后,那里还剩下什么。
这个问题,会在第5章以另一种说法再回来一次。
本章没有回答的问题
把微管固定后麻醉变得不易起效。这是量子现象,还是仅仅因为细胞骨架变硬了。
理论计算中被证明“可以生成”的东西,在活的大脑里是否真的在生成。有没有办法确认它。
把意识与量子力学联系起来的说法,有很长的前史。处在中心的,是罗杰·彭罗斯(ロジャー・ペンローズ / Roger Penrose) 。
垫脚石 叠加、量子比特、纠缠 ── 先把这三个词交出去
这一章是由三个词搭起来的。按顺序,走最短的路交给你。
叠加 。常见的说法是“既是 0 又是 1 的状态”,但这容易引起误解,因为它读起来像是“其实已经定了某一个,只是人不知道而已”。正确的说法是:两种可能性作为波同时存在,并且互相干涉 。干涉这一点是决定性的 ── 两者叠加起来会互相抵消或互相加强,这在“只是不知道”的情形里绝对不会发生。
量子比特 。就是能把这种叠加保持住的、具有两个状态的小系统。用电子的自旋、用原子核的自旋、用超导电路,都可以造出来。古典的比特只能取 0 或 1 之一,量子比特则可以取叠加。
纠缠 。指两个以上的量子比特以“无法把各自的状态分开写下来”的方式结合在一起的状态。测量一方,另一方的结果也同时确定。不过 ── 这会是第7章的核心 ── 不能用它来传送信息。
这三个词弄明白,这一章就已经读得动了。
在他看来,叠加态(重ね合わせ / superposition) 坍塌 的那一瞬——世界确定为一个答案的那一瞬——对应着意识的一瞬。量子的状态从同时抱有多种可能,确定为一个。这个波函数坍缩(波束の収縮 / wave function collapse) ,正是体验的最小单位。这是他的主张。
2024年,这个构图被翻了过来。
1 已确立的物理学
叠加不是什么 左边是把叠加当成“只是不知道”的误解,右边是作为波而互相干涉的实际行为 “叠加”不是“不知道是哪一个” ✗ 常见的误解 “其实早就定成了其中一个, 只是人在看之前不知道而已” 正面 反面 = 只是概率。跟扣着的硬币一样 ○ 实际发生的事情 “两者同时存在,并且互相干涉” = 叠加起来会互相抵消或增强 有办法分辨。让它走过两条路再合起来: 若只是“不知道”,结果就只是混在一起; 若是“叠加”,就会出现条纹(干涉条纹)。实验反复证明条纹会出现。 叠加“被破坏”,指的就是这条纹消失 ── 也就是无法再干涉。 这就是退相干,也正是第8章论争的中心。 点按放大
图 32 叠加不是一枚扣着的硬币。 若只是“其实已经定了,只是我不知道”,那么让它走两条路的结果就只是混在一起。若是“叠加”,则会出现干涉条纹。实验反复表明条纹确实出现。所谓叠加被破坏,指的就是这些条纹消失。 双缝实验以及标准量子力学(教科书层面)
先看看作者的名字
论文题为《对“量子过程产生意识体验”这一预想的检验》。刊登在 Entropy 。
第一作者是哈特穆特·内文(ハートムート・ネーヴェン / Hartmut Neven) 。他领导着谷歌的量子人工智能部门。共同作者中有量子光学的迪尔克·鲍梅斯特 ,以嗅觉量子说闻名的卢卡·图林 ,以及研究脑类器官的肯尼斯·科西克 。
还有克里斯托夫·科赫(クリストフ・コッホ / Christof Koch) 。
科赫处在意识研究的中心。他长期与弗朗西斯·克里克 共同研究,作为整合信息论的主要辩护者而为人所知。把意识变成科学的对象——这项事业,他在40年里一直在牵引。
也就是说,这不是从学界边缘冒出来的论文。
与彭罗斯,正好相反
他们的预想是这样的。
意识的一瞬,不是在叠加坍塌时诞生的。它发生在叠加生成 的时候。
3 假说、可证伪
是坍塌的声音,还是诞生的声音 在同一段量子线路上,彭罗斯把测量=坍缩的瞬间、内文等人把叠加形成的瞬间,各自称为意识。概念图 |0⟩ |0⟩ |0⟩ H M ① ② ③ 内文 世界分岔的声音 这里是体验 彭罗斯 世界确定为一个的声音 这里是意识的一瞬 同一线路。同样的物理。只有所指的瞬间正好相反 ① 叠加的形成 ② 纠缠的扩散 ③ 测量=坍缩 点按放大
图 33 同一段线路上,正好相反的两个瞬间。 彭罗斯认为,叠加坍缩的瞬间对应着意识的一瞬。内文等人2024年的提案把它反转过来,认为叠加形成的瞬间才是体验。这一提案立足于埃弗里特的多世界诠释,预想叠加越大,体验越丰富。它是带有检验方案的假说,结果尚未出现。 Neven, Zalcman, Read, Kosik, van der Molen, Bouwmeester, Bodnia, Turin & Koch, Entropy 26, 460 (2024), doi:10.3390/e26060460
这个立场立足于量子力学的多世界诠释(多世界解釈 / many-worlds interpretation) 。世界并不是每次观测都确定为一个,而是按可能性的数目分岔下去——这是埃弗里特 在1957年提出的诠释。
而那分岔本身,就是体验。
垫脚石 所谓“诠释”,究竟在争什么
量子力学有一件古怪的事情。计算的步骤与实验的预言,是完全确定的。 一百年来一次也没有落空。可即便如此,“那套计算究竟在记述什么”,专家之间并没有共识。
争点始终在同一点上。作为波铺展开的种种可能,一测就变成一个结果 ── 那一瞬究竟发生了什么。
哥本哈根诠释说“波缩了”,而不追问其机制。多世界诠释说“波不缩。世界按可能性的数目分岔,观测者也在每一条分支上各有一个”。玻姆诠释说“粒子始终有确定的位置,是波在引导它”。客观塌缩理论说“超过一定的大小,就会作为物理定律自然地缩”。
取哪一种,实验的预言都相同。所以才叫诠释。而这一章的预想立足于多世界诠释,彭罗斯的立场属于客观塌缩一系。 两个人朝着正好相反的方向,也源自这个地基的差别。
推论明快,也古怪。抱有的可能性越多,也就是叠加越大,体验就越丰富。铺展在越广的状态空间里的系统,感受得越丰富。
彭罗斯认为,世界确定为一个的声音是意识。内文等人认为,世界分岔出去的声音是意识。同一段量子线路上,正好相反的两个瞬间,被两个人指着。
1 已确立的物理学
量子力学诠释的分布图 并列哥本哈根、多世界、玻姆、客观坍缩四种诠释,展示实验预测相同而故事不同 同一套公式,有好几种读法 实验预测全都一样。不同的是“到底发生了什么”这个故事 哥本哈根诠释 一观测,波就坍缩为一个。坍缩的机制不追问 教科书里教得最广的一种 多世界诠释 波不坍缩。世界按可能性的数目分岔 第4章的预想立足于此 玻姆诠释 粒子始终有确定的位置,由波来引导它 保住决定论 客观坍缩理论 超过一定尺度,就作为物理定律自然坍缩 彭罗斯的立场属于这一系 哪一种正确,目前无法用实验判定。所以才叫“诠释”。第4章的预想 以多世界诠释为前提 ── 这既不是预想的强处也不是弱处,只是要先把前提记下来。 点按放大
图 34 同一组数学式,有好几种读法。 实验的预言在哪种诠释下都相同,不同的是“究竟发生了什么”的故事。所以才被称为诠释。第4章的预想立足于多世界诠释,而彭罗斯的立场属于客观塌缩一系。两人朝着相反方向,也源自这个地基的差别。 围绕量子力学诠释的标准梳理(教科书层面)
这个预想里最棘手的问题
在论文中,有一处是他们自己停下脚步的地方。
当叠加横跨多个量子比特时,其中一个被测量了,体验要怎样分配。只有最先被测量的那个量子比特拥有体验吗。还是纠缠在一起的整体拥有。
对这个问题,他们还没有答案。而且他们把“没有答案”写了出来。
它被写成了可以证明为错的形状
一个假说之所以有价值,不是因为它正确。而是因为它具有可以被证明为错的形状 。
这篇论文的分量正在这里。他们画出了装置的图。
3 假说、可证伪
Q1—B—Q2 用生物基质连接两个量子比特,考察该基质能否作为量子通道媒介纠缠。检验方案的构成图 Q1 量子比特 Q2 量子比特 生物基质 B 候选:微管/受体蛋白/单个神经细胞/脑类器官 B 能否作为量子通道, 在 Q1 与 Q2 之间媒介纠缠? 脑类器官:直径 2〜3 mm / 约10万个神经元 点按放大
图 35 这个预想,是按可以被证明为错的形状写的。 有人提出这样的构成:用生物基质连接两个量子比特,考察该基质能否作为量子通道发挥作用。基质的候选包括微管、受体蛋白、单个神经细胞、脑类器官。与此并行,还计划把直径2〜3毫米、含约10万个神经元的脑类器官“麻醉”。这是一项约10年的计划,结果尚未报告。 同上(Neven et al., Entropy 26, 460 (2024))
准备两个量子比特。在它们之间,用生物来源的物质连起来。然后发问——这种生物物质,能否作为量子的通道,在两个量子比特之间媒介纠缠。
作为连接物质的候选被列出的,有微管、像视紫红质那样的受体蛋白、单个神经细胞,以及脑类器官(脳オルガノイド / brain organoid) 。
垫脚石 脑类器官是什么。以及,它为什么让人不安
把人的皮肤细胞之类初始化、退回到可以变成任何细胞的状态,就得到 iPS 细胞。在特定条件下培养它,细胞会自己开始组织化,长出与脑相似的结构团块。这就是脑类器官。
直径2〜3毫米。神经细胞10万个左右。有时会形成与大脑皮层相似的层状结构,并且被报告显示出同步的电活动 ── 一种类似未成熟脑电波的模式。
许多人在这里开始不安。它是不是在感受什么。
目前一般的看法是“大概没有”。它没有感觉输入,没有身体,也没有被认为与意识有关的大规模网络结构。但这个看法并不是“已被证明没有”,而只停留在“有理由这样认为”的阶段。事实上,研究伦理那一侧已经开始了认真的讨论。
当第4章的计划说“给类器官上麻醉”时,那个实验就带有双重意义。它既是对量子假说的检验,同时也要正面承担“把有没有意识尚不清楚的东西当作实验对象”是否妥当 这个问题。
所谓脑类器官,是用人的诱导多能干细胞培养出的脑组织团块。直径2〜3毫米。里面有10万个左右的神经细胞,显示出结构化的、并非杂乱的电活动。也会出现动作电位。
他们计划把它“麻醉”。用意是把上一章看到的氙同位素实验,这一次以能够确保统计可靠性的形式重做一遍。
如果这个预想是对的
他们的构想还有更远的部分。
如果叠加的大小对应着体验的丰富程度,那么把人的大脑与外部的量子处理器在保持相干的情况下耦合起来,耦合系统就会铺展到更大的状态空间。也就是说——体验可以被扩展。
论文里附有这个构想的示意图。
听上去也许突兀。不过,这个构想是否突兀,与这个预想是否可检验,是两回事。他们提出的并不是脑与机器的连接。而是先看一看:10万个神经细胞的团块,会不会在两个量子比特之间媒介些什么。这是一个朴素的实验。
如果那里什么都没有发生,这个预想就死了。他们是按这种形状写的。
实验解剖 ── 生体物质能不能成为量子通道(2024年·提案)
想知道什么 “量子过程产生意识体验”这个预想,要怎样才能证明它是错的。这篇论文设计的正是那套步骤本身。
怎么做的 不是结果,是设计图。准备两个量子比特 Q1 与 Q2,在它们之间用生体来源的物质 B 连起来。然后测量:纠缠能否经由 B 在 Q1 与 Q2 之间被媒介。B 的候选有微管、受体蛋白、单个神经细胞、脑类器官。与此并行,还计划了给脑类器官上麻醉的实验。
得到了什么 目前什么都还没有出来。 它被作为约10年的计划来叙述。
可以说到这里 这个预想具有可被证伪的形状。一旦出现“经由 B 纠缠没有被媒介”的结果,预想的根基就会垮掉 ── 被写成这种形状这件事本身,就是这篇论文的价值。
从这里就不能说了 不能说这个预想是对的。而且即便媒介被确认,那也只表明“生体物质可以成为量子通道”,并不表明“那就是体验”。这段距离,会在第5章处理。
本章没有回答的问题
如果叠加就是体验,那么量子计算机的芯片也在感受着什么。这个推论可以接受吗。
在“麻醉”10万个神经细胞的团块的实验里,即便发生了什么,那能成为意识的证据吗。而且,类器官究竟有没有意识。
第三部 尚未确认的事情
全 11 章中的第 7 章
Ⅴ 第5章
疼之所以疼,还没有人能够解释
功能无论写得多完备,体验都不会在记述里现身。
本章的路径
在这里,暂且离开物理。
因为一直堆积起来的东西,必然会在某一点上撞到一堵墙。那堵墙有名字。1995年,一位名叫大卫·查尔默斯(デイヴィッド・チャーマーズ / David Chalmers) 的哲学家给它取的。
垫脚石 “感受质”这个词
这一章所处理的“体验”“感受”,在哲学里被称为感受质 (qualia)。
想定义它很难,指出来却很容易。看见熟透的番茄时,那份红本身。牙疼的时候,那份疼本身。咖啡的气味里,那股气味本身。它是何种样子 ——那个“样子”就是感受质。
在这里先放进一个区分,视野会开阔一些。哲学家内德·布洛克把意识分成了两种。取用意识 ── 信息可被利用、可被报告、可以引导行为的状态。以及现象意识 ── 它被感受起来是什么样子。
前者可以测。让人报告就行。后者只能透过报告,从外面去确认。而报告这个机制本身,属于前者。这份不对称,是这一章全部困难的源头。
“容易的问题”并不容易
查尔默斯把围绕意识的问题分成了两类。
一类叫易问题(イージープロブレム / easy problems) 。它们是认知科学的标准手法看上去可以直接适用的一群问题。是有望用计算的机制、或者神经的机制加以说明的问题。比如——
大脑如何分辨刺激。如何把多个感觉整合为一个。如何选择注意的去向。如何报告自己的内部状态。如何在觉醒与睡眠之间切换。
不要被“容易”这个词骗了。这些无一不是难到离谱的问题。被研究了几十年,仍然没有解开的比比皆是。
它们之所以还被称为“容易”,是因为解法是知道的 。找出机制,追踪通路,建立模型并加以检验。只要投入时间与资源,总有一天能够抵达。是这样一种难。
仍然剩下一个
假设这些全都解开了。
大脑如何识别刺激,如何整合信息,如何投放注意,如何报告状态。请想象这一切都在细胞层面、分子层面被完整记述的未来。这是序章里放下的那个假设。
到那时,只剩下一个问题没有答案。
为什么那个信息处理,会伴随着“感受”。
— 结构
解释鸿沟 一边是说明已有眉目的问题群所构成的宽阔台地,一边是只立着体验之问的细窄孤峰,两者之间是看不见底的断崖。概念图 易问题 识别刺激 整合信息 投放注意 报告自身状态 切换觉醒与睡眠 每一个都极难。 但解法是知道的 解释鸿沟 (説明のギャップ / explanatory gap) 还没有桥架过去 难问题 为什么它 会“被感受到” 为什么这一切信息处理 不是在黑暗中进行的 功能全部说明完了。只剩下体验。 点按放大
图 36 心跳可以说明了。只剩下疼之所以疼。 1995年,大卫·查尔默斯把意识的问题分成两类:一类有望用认知科学的标准手法、通过计算或神经的机制加以说明,另一类则是这些手法无从下手的问题。即使把前者全部解开,“为什么那个功能的执行会伴随体验”这个问题仍然留下。这道距离被称为“解释鸿沟”。 Chalmers, "Facing Up to the Problem of Consciousness", Journal of Consciousness Studies 2(3), 200–219 (1995)
这就是难问题(ハードプロブレム / hard problem) 。
垫脚石 三个思想实验 ── 用来确认墙的形状的工具
难问题为什么可以说“难”。为了确认这一点,哲学准备了三样工具。它们都没法在实验室里试,却能把论点切得很锋利。
哲学僵尸。 一个与你在分子层面完全相同、行为一模一样、也会说“疼”,内侧却没有任何体验的存在。如果这居然想象得出来,那就意味着把物理事实全部凑齐也定不下体验。── 反驳是“那种东西其实并没有被想象出来”。
倒转感受质。 假设你看见红时的体验,与我看见红时的体验是互换过来的。叫法与反应全都一样,所以从外面永远分不出来。── 如果这真的可能,体验就独立于功能。
玛丽的房间。 在黑白房间里长大的科学家玛丽,关于色觉在物理上能知道的全都知道。波长、视网膜的反应、大脑的处理,无一不知。某一天,她走到外面,第一次看见红色的番茄。她是否知道了什么新的东西。 ── 若回答“知道了”,那就说明仅有物理事实还不够。
这些都没有了断。不过它们所显示的东西是清楚的 ── 功能的记述无论堆得多高,体验本身都不会在记述里现身,这样一种结构。
查尔默斯这样发问:为什么这一切信息处理,不是“在黑暗中”进行的。
3 假说、可证伪
玛丽的房间 一位知道色觉全部物理事实、却从未见过颜色的研究者第一次看见红色时,是否知道了新的东西 ── 这一思想实验的图 即使掌握了全部知识,是否仍有不知道的事 只有黑与白的房间 ? 玛丽知道关于色觉的一切 波长、视网膜、神经、大脑的反应 ── 全部的物理事实 只是,她一次也没有见过红色 走出去 第一次看见红色的番茄 玛丽是否知道了什么新的东西? 若回答“知道了”,物理事实就不够 这个思想实验(弗兰克·杰克逊, 1982)把难问题画成了一幅画。 反驳也很有力 ── “知道”分两种:知道事实,和变得会做; 有人回应说玛丽得到的只是后者。至今没有定论。 不过论点是清楚的。无论把功能的描述堆多高, 体验本身都不会出现在描述之中。 点按放大
图 37 就算知道了全部物理事实,是否还有不知道的东西。 一位研究者关于色觉在物理上能知道的全都知道,却从未见过颜色,她第一次看见了红。她是否知道了什么新的东西。若回答“知道了”,那就意味着仅有物理事实还不够。也有有力的反驳,尚无定论。 Frank Jackson, "Epiphenomenal Qualia", Philosophical Quarterly 32, 127–136 (1982)
如果只看功能,一直黑暗下去本该也足够。能够识别刺激、做出恰当反应、报告状态的装置,原理上即使内部没有任何感受,也造得出来。事实上,我们每天都在大量制造这样的装置。
然而,当你切到手指的时候,那里有疼痛。仅仅记述为“检测到损伤信号,选择了回避行为”,就会漏掉某种东西,而那种东西确实存在。
功能的记述与体验之间,隔着一道距离。这道距离被称为解释鸿沟(説明のギャップ / explanatory gap) 。这个叫法本身,来自约瑟夫·莱文 在1983年的用法。
心脏为什么会搏动,已经能够说明。呼吸、消化、免疫、遗传,也一样。生物学在功能的说明上,取得了惊人的成功。
只有疼之所以疼,还说明不了。
垫脚石 当下被认真讨论的几种意识理论
人们常以为“并不存在意识的科学”,其实不然。拿得出可检验的预言、在实验里互相厮杀的理论有好几个。这里只把主要的四个,连名字带内容交出去。
整合信息论(IIT)。 主张意识就是一个系统所具有的信息的“不可分割性”。把系统切开时失去的信息量,用 Φ(phi)这个指标来定义,认为它越大,意识越丰富。预言大脑皮层的后部区域是意识的中心。
全局工作空间理论(GNWT)。 脑内的信息处理平时是局部的,一旦超过某个阈值,信息就被“广播”到全脑。主张广播发生的时候,那件事就被意识到。看重前额叶与顶叶的作用。
高阶表征理论(HOT)。 主张仅仅“看着”还不够,要伴随“我此刻正在看”这样高一层的表征,它才成为意识。
预测加工。 大脑不断预测下一个会到来的输入,只把与预测之间的偏差往上送。主张知觉就是这份预测本身。能够把幻觉与妄想统一地当作预测权重的异常来处理,是它的长处。
2025年,一项把整合信息论与全局工作空间理论的预言事先注册、再正面对撞的大规模合作研究发表了结果。两个理论都有一部分预言落空 ── 也就是说,这个领域还没有了断,但正在试着了断。
不过要提醒一句。这四个理论无一例外,都是在易问题那一侧作战 。它们都没有回答“为什么那会伴随体验”。
量子力学能翻过这堵墙吗
这里是本文最需要老实交代的地方。
在此前的章节里,我们测量了真空的涨落,看到它改变物质,看到脑中也可能存在量子现象的计算,看到“叠加即体验”的预想。
它们能解开难问题吗。
不能。
— 结构
墙不会动 把说明的层次一层层套着增加,其外侧仍然四次重复出现同一个问题。概念图 用零点场来说明 用量子叠加来说明 用信息整合来说明 用神经放电来说明 那么,为什么它会伴随体验? 那么,为什么它会伴随体验? 那么,为什么它会伴随体验? 那么,为什么它会伴随体验? 墙的位置不会变 哪怕增加说明的层次,最后的问题也原样留下 点按放大
图 38 哪怕增加说明的层次,最后的问题也会原样留下。 即使搬出量子的机制,“为什么量子过程会伴随体验”这个同样的问题也会递归出现。正因为这一结构,内文等人才把自己的主张称为“预想”而不是理论。本页所处理的物理学并没有解开难问题。它只是把墙在哪里,照得比以前更清楚。 由 Chalmers (1995) 对难问题的定义所导出的论证图示。并非依据某篇特定论文的插图
假设内文等人的预想在实验中得到了支持。假设“每当叠加形成,体验就产生”这一对应关系,在统计上被确认了。
到那时,同一个问题会以原样回来。
——那么,为什么叠加的形成 会伴随体验。
这与试图用神经放电来说明时,是完全相同的结构。哪怕把说明的层次再挖深一层,最后的问题也会原封不动地留下。量子力学是物理的语言,而物理的语言记述的是功能与结构。难问题被定义为:在功能与结构全部记述完毕之后,仍然剩下的东西。按定义,就翻不过去。
内文等人知道这一点。所以他们不把自己的主张称为理论,而称为预想 。因为找到对应关系,与说明那个对应关系,是两回事。
3 假说、可证伪
意识理论的地图 用四张卡片并列整合信息论、全局工作空间理论、高阶表征理论、预测加工这四种主要理论 当下被认真讨论的意识理论一览 整合信息论(IIT) 信息以多么“分不开”的方式 整合在一起,就是意识的量 定义了一个叫 Φ 的指标 预测大脑后部是中心 全局工作空间理论(GNWT) 当信息被向全脑“广播”出去, 那一刻它就被意识到 前额叶与顶叶是中心 擅长解释注意与报告 高阶表征理论(HOT) 当“我此刻正在看”这样 高一阶的表征伴随出现时, 它才成为意识 看重前额叶 预测加工 大脑不断预测下一刻, 只把误差往上送。 体验就是那个预测的内容 把知觉、幻觉、妄想放进同一个框架 点按放大
图 39 关于意识,有多个被认真讨论的理论。 整合信息论把信息的不可分割放在中心,全局工作空间理论看向全脑的广播,高阶表征理论看向更高一层的表征,预测加工则以与预测之间的偏差为核心。它们都在容易问题一侧不断取得成果,却都没有回答:为什么那会伴随体验。 Tononi (2004); Dehaene & Changeux (2011); Lau & Rosenthal (2011); Friston (2010)。理论之间的正面对决见 Cogitate Consortium, Nature 642 (2025)
即便如此,仍然值得追问的理由
那么,此前的章节是白费的吗。
有两个理由可以说不是。
其一。即使翻不过墙,墙的位置会变 。哪里为止可以用物理来谈,从哪里开始谈不了。这条界线本身变得精确,就已经是进步。曾几何时,“生命是什么”也是同样神秘的问题。在生机论退场之后,问题并没有消失,而是变成了可以回答的形状。
其二。查尔默斯本人并不是悲观论者。他写道,没有理由相信这个问题会永远解不开。难的问题就是难的问题,仅此而已。
承认墙的存在,与在墙前掉头离开,是两回事。
临床之窗 看它坏掉的方式,就知道意识不是铁板一块
哲学的讨论听起来抽象,但在临床现场,那些论点会作为病例出现在眼前。
盲视。 视觉皮层受损的患者说“什么都看不见”。可当你催促“光在左边还是右边,随便猜一个”时,他的正确率会大大超过偶然。信息是到达了的。没有到达的,只有“看见”这份体验 。
半侧空间忽视。 右顶叶受损后,人会忽视左侧。盘子的左半边剩着不吃,胡子只刮脸的左半边。要紧的是,患者并不诉说“左边看不见”。因为左边这个位置本身已经从世界里消失了 ,所以他察觉不到有东西缺了。
安东综合征。 明明有皮质性失明,本人却坚称看得见。问他房间是什么样子,他会用手边凑合的内容作答。在看的功能坏掉的同时,连“检测到自己看不见”的功能也一起坏掉了 。
人格解体。 知觉与思考都保持着,却感觉它们不属于自己。患者会说“像是隔着玻璃在看世界”“自己的手不像是自己的手”。这是唯独“体验的所有者”这份感觉脱落 的状态。
这些显示的是同一件事。意识不是“有/无”的单一开关。 觉知、注意、自我感、报告的能力,会分别坏掉。这个事实,给所有试图把意识当作一样东西来说明的理论都留下了作业。
2 前沿、同行评审
从损坏方式看见的意识零件 并列盲视、偏侧空间忽视、安通综合征、人格解体、闭锁综合征,展示意识由可分别损坏的多个零件构成 看它怎么坏,就知道意识不是铁板一块 盲视 本人说看不见。却仍然能猜中 唯独“看见”这一体验掉了 偏侧空间忽视 不是左边没有了,而是“忘了左边存在” 注意的场只在一侧被折叠起来 安通综合征 明明看不见,却坚称自己看得见 察觉“看不见”的机制坏掉了 人格解体 自己的体验,感觉不像是自己的 唯独“体验的主人”这种感觉脱落了 闭锁综合征 意识是有的。能动的只有眼睛 从外面看到的反应,与内部的体验错开 意识不是“有/无”的一个开关。觉察、注意、自我感、报告能力,会分别损坏。 这个事实,给所有想把意识当作一整块来解释的理论都留下了作业。 点按放大
图 40 意识是零散地坏掉的。 嘴上说看不见却能猜中的盲视。忘掉左边存在的半侧空间忽视。明明看不见却坚称看得见的安东综合征。感觉不到自己的体验属于自己的人格解体。觉知、注意、自我感、报告的能力,会分别坏掉。 Weiskrantz (1986); Heilman & Valenstein (1979); Anton (1899); Sierra & Berrios (1998) 等,标准的神经病学与精神医学见解
本章没有回答的问题
如果量子过程真的伴随体验,那么为什么会伴随。这个“为什么”,是不是任何实验都回答不了。
还是说,提出这个问题的方式本身,哪里就错了。
大脑或许不是在制造意识,而是在接收意识——这个想法,并不新。
一百20多年前,一位心理学家在哈佛的讲堂里,讲了棱镜的故事。
棱镜并不制造颜色
威廉·詹姆斯(ウィリアム・ジェイムズ / William James) 被称为美国心理学之父。1898年,他在英格索尔讲座上作了题为《人的不朽》的演讲。
他在那里提出的,是一个简单却棘手的指摘。
思维是大脑的功能——这句话我们并不怀疑。但“功能”这个词可以有多种含义。既有像工厂产出产品那样的生产性 功能,也有让某种东西通过、加以筛选与成形的透过性 功能。我们没有义务只考虑前者,詹姆斯说。
他搬出来的比喻,就是棱镜。
3 假说、可证伪
棱镜 打碎棱镜颜色就消失,但颜色不是棱镜造的。脑损伤与意识的关系,同样与生产说和传递说两者都相容。概念图,并写出传递说的弱点 白光 棱镜制造了颜色吗? 打碎它,颜色就消失。但颜色不是棱镜造的 损伤大脑 → 意识受损 这一观测,与下面两者 同等地相容 A. 大脑在制造意识 B. 大脑在透过意识 但这也是传递理论的 弱点。只要拿不出区分 两者的观测, 传递理论也无法被证伪。 点按放大
图 41 把收音机砸了音乐会停。但收音机并没有作曲。 詹姆斯在1898年指出的,并不是数据不够,而是同样的数据与两种正好相反的说明同等地相容。不过这对传递理论既是强项,同时也是最大的弱点。什么都能解释的解释,在科学上是弱的。 据 William James, "Human Immortality: Two Supposed Objections to the Doctrine"(英格索尔讲座, 1898)中的棱镜比喻
白光穿过棱镜,会分成七色。把棱镜打碎,颜色就不再出现。那么,是棱镜制造了颜色吗。并没有。颜色本来就在白光之中,棱镜只是把它分开来给人看而已。
这种看法叫做传递理论(透過説 / transmission theory) 。
把收音机砸了,广播也不会停
詹姆斯这一指摘真正的锋利之处,不在比喻本身,而在它的逻辑结构。
损伤大脑,意识就会受损。这是无可怀疑的观测事实。伤到额叶,人格会变。失去视觉皮层,就看不见。施行麻醉,意识就消失。
这些观测,通常被认为是大脑生产意识的证据。
但同样的观测,与“大脑在透过意识”也完全一样地相容。把收音机砸了,音乐会停。视损坏的方式不同,也可能只有特定的频率收不到。即便如此,收音机并没有作曲。
詹姆斯指出的不是数据不够。而是同样的数据,与两种正好相反的说明同等地相容。
做减法的大脑
有人从另一条路上抵达了相似的结论。
亨利·柏格森(アンリ・ベルクソン / Henri Bergson) 在1896年的《物质与记忆》中,把大脑称为“注意于生的器官”。大脑的主要工作不是产出,而是削减 。从广大的意识之场里,只挑出当下生存所必需的东西。记忆并不贮藏在大脑里,大脑只是把与行动相关的记忆挑出来唤起而已。
半个世纪后,阿道司·赫胥黎(オルダス・ハクスリー / Aldous Huxley) 继承了这个想法。在1954年的《知觉之门》里,他把大脑与神经系统称为减压阀(減量弁 / reducing valve) 。为了作为生物活下去,大心灵要通过这个阀门被收窄。若是一次感受到世界的全部,生物就无法行动。所以大脑是一个关闭的装置。
3 假说、可证伪
接收机假说的谱系 用年表展示“大脑在透过意识”这一想法的谱系,唯独把2000年的退相干批判放在线下,配以反向的箭头 1896 柏格森《物质与记忆》 大脑是注意于生的器官 1898 詹姆斯《人的不朽》 透过性功能、母之海 1954 赫胥黎《知觉之门》 减压阀(Mind at Large) 2022 田坂广志《死并不存在》 意识被记录在 ZPF 中 2024 内文等 叠加的形成=体验 2000 泰格马克 退相干批判 针对这一谱系的最强反驳 看似单向堆叠的图,中途夹着一处反驳。 点按放大
图 42 这个想法并不新。也许只是物理学追了上来。 “大脑不是在生产意识,而是在透过意识”这一想法诞生于19世纪末。詹姆斯称之为透过性功能,并用了意识的“母之海”一语。赫胥黎把它改称为减压阀。不过,这个谱系里也包含反驳。2000年泰格马克的批判,对这一方向的讨论施加了最强的约束。 Bergson《物质与记忆》(1896)/James《人的不朽》(1898)/Huxley《知觉之门》(1954)/田坂广志《死并不存在》(2022)/Neven et al., Entropy 26, 460 (2024)/Tegmark, Phys Rev E 61, 4194 (2000)
而詹姆斯在那场讲演里,对意识用了一个词。
母之海。
其中的含意是:一个个的心灵,不过是从那片海里切下来的一部分。
120年后,“海”这个词出现在物理学里
在当代的日本,有一个假说继承着这个谱系。
田坂广志(田坂広志 / Hiroshi Tasaka) 在2022年的著作《死并不存在》中提出:零点场(ゼロポイントフィールド / zero-point field) ——也就是第1章里看到的、被真空涨落充满的那个场——记录着宇宙的全部信息。个人的意识也记录在那里,肉体死后仍作为信息留存。这是他的构想。
正如第1章所确认的,零点场本身是实在的。它被测量过。到这里为止是事实。
但是,“那里记录着信息”这一主张,处在完全不同的一级上。
请先等一下
检验这个假说的具体实验步骤,目前尚未被提出。从物理学一侧来看,“信息被记录在场里”这句话究竟意味着什么——做怎样的测量,才能说记录存在、或者不存在——并没有被定义。这处在第 3 级的下限,与第 4 级的交界上。 构想有魅力,与它可检验,是两回事。
这个想法最大的弱点
在这里,必须对传递理论本身,提出最严厉的追问。
詹姆斯的逻辑很美。同样的数据与两种说明相容,这个指摘是对的。
但这对传递理论既是强项,同时也是最大的弱点 。
垫脚石 为什么“什么都能解释”反而弱
这也许与直觉相反。能解释的范围越广,越像是好理论。可在科学里正好相反。
卡尔·波普尔立下的标准是这样的。所谓科学的主张,是能够说出“出现这种情况就算我错”的主张。 这叫可证伪性。
“明天要么下雨,要么不下雨”绝对不会落空,却什么也没有说。“明天的降水概率是 80 %”可能落空,所以有意义。愿意承担落空的可能,才是携带了信息。
传递理论为难的地方,恰恰在这里。破坏大脑,意识受损 → 因为接收机坏了。脑活动与体验相对应 → 因为接收的方式变了。无论出现怎样的观测结果,它都能解释。 这看上去像强,其实是说不出“出现这个观测,我就算错”。
顺带一提,这条标准也对准本文。第4章的预想之所以得到很高评价,不是因为内容看起来正确。而是因为它写出了“出现什么就会死” 。
什么都能解释的解释,在科学上是弱的。
如果无论出现怎样的观测结果,都能说一句“那是接收机那一侧的问题”,那么否定这个学说的观测就原理上不存在。正如上一章所见,无法被证明为错的主张,上不了科学的擂台。
而且,这100年里情况变了。这是记忆研究的进展。把记忆痕迹——对应于特定记忆的神经细胞群——人为地激活,记忆就被唤起;抑制它,就不被唤起。这种可操作的对应关系,比起柏格森“大脑只挑选、不贮藏”的看法,更顺理成章地读作贮藏与检索的机制。
垫脚石 记忆痕迹(engram)研究究竟做了什么
这一段,是对传递理论最沉重的反证。所以,要具体看看究竟展示了什么、怎样展示的。
用到的是叫光遗传学 的手法。让特定的神经细胞造出一种蛋白质,被光照到就活动(或者停止活动),再把细的光纤插进脑内,于是就能以毫秒为单位,只对瞄准的那群细胞开关 。
在此基础上,可以做这样的实验。在某个房间里给小鼠电击,造出恐惧的记忆。把此时正在活动的海马细胞群做上标记。日后,在一个完全不同的安全房间里,只用光去激活那群细胞 。于是小鼠明明什么都没有遇上,却表现出恐惧反应(僵住)。
反过来也行。在该回想起来的场面里抑制那群细胞,它就想不起来。更进一步,把不同记忆的细胞群人为地连起来,造出根本没有发生过的事件的记忆 ,也已被报告。
走到这一步,“大脑并不贮藏记忆,只是挑选出来唤起而已”这个看法就相当难撑了。如果唤起的去处在脑之外,那就无法说明:为什么仅仅操纵脑内的细胞群,记忆就会生出来或者消失。
要驳回传递理论,用不着哲学的论辩。要用的是光纤。
传递理论还没有死。但也不占优势。
即便如此,把这一章放在这里,仍有一个理由。
这个假说并不新。也许只是物理学花了120年,才走到同一个比喻上。
1898年被称为“母之海”的东西。2020年代的物理学开始称为“真空之海”的东西。这两者是同一样东西,没有任何保证。只是,要确认这两者不是同一样东西,方法也还没有。
本章没有回答的问题
能够区分生产说与传递说的观测,原理上存在吗。
如果不存在,那么这两者是不同的主张吗。还是同一件事的两种说法。
1995年,美国中央情报局给一项持续了20多年的计划画上了句号。
计划的名字叫星门 。它要调查的是,遥视(遠隔透視 / remote viewing) ——闭着眼睛说出自己从未去过的地方——能否用于情报工作。
总额约2,000万美元。40多人参与,遥视者超过20名。起点是1970年代初,斯坦福研究所的物理学家们所做的研究。他们早期的报告,登在1974年的 Nature 上。
冷战结束,预算开始被严格审视。按照国会的指示,中央情报局把评估委托给了外部机构。
评估者有两位。一位统计学家,一位心理学家。
两个人读的是同一份数据
1 已确立的物理学
同样的数字,两个结论 从同一团数据向左右分岔,统计学家与心理学家得出正好相反的结论。左右以完全对等的大小与颜色绘制的结构图 星门计划 1972–1995 约2,000万美元 / 遥视者 23人上下 杰西卡·阿茨 统计学家/加州大学戴维斯分校 异常效应实在,且可重复 效应量在多个实验室一致 由偶然产生的概率极小 雷·海曼 心理学家/俄勒冈大学 承认统计证据具有说服力 但实验设计中的方法论缺陷 并没有被完全排除 一致的只有一点 ── 信息太模糊,现场用不上 CIA 采用的是海曼的结论。计划终止,科学上的问题在敞开的状态下被合上。 解密后,约89,000页在 CREST 上公开。 点按放大
图 43 两位一流学者看着同样的数字,写出了正好相反的结论。 1995年,CIA 把星门计划的评估委托给了外部机构。统计学家阿茨的结论是:异常效应实在且可重复,由偶然产生的概率极小。心理学家海曼则在承认统计证据具有说服力的同时,论证方法论缺陷并未被完全排除。两人一致的只有一点:即便实在,所得信息在现场也用不上。CIA 采用了海曼的结论,终止了计划。 American Institutes for Research 评估报告 (1995)。文件在 CIA CREST 数据库公开
杰西卡·阿茨统计学家/加州大学戴维斯分校
异常效应是实在的,并且可重复。效应量在多个实验室里保持一致,这些结果由偶然产生的概率极小。
雷·海曼心理学家/俄勒冈大学
统计证据具有说服力,这一点我承认。但实验设计上的方法论缺陷,并没有被完全排除。
同一份报告书里,这两段并排登着。
两个人一致的地方,只有一处。即便遥视是实在的,所得到的信息也太模糊,在现场用不上。
中央情报局采用了海曼的结论,终止了计划。
科学上的问题,在没有答案的情况下被合上了。密级已经解除,约89,000页文件公开可查。谁都能读。它没有被藏起来。
两个人都是一流。两个人都很诚实。两个人看的是同样的数字。然后写出了正好相反的结论。
这一章的主题不是超能力。而是“读证据”这件事,实际上究竟是怎样一种作业 。
垫脚石 用来怀疑一项研究的四把尺子
这一章的主题,本身就是“读证据”。所以先把读的工具交出去。第8章还会再出现,但在这里用更省事。
重复验证(再现)。 别的团队,在别的地方,用别的手法,是否抵达了同样的结果。只从一个实验室出来的结果,无论多么漂亮,都还只是第一步。心理学在二〇一〇年代做过大规模的重复尝试,相当数量的著名结果没有再现(这被称为再现性危机)。
预注册。 要测什么、怎样分析,是否在看数据之前 就登记到公开的地方。没有这一条,就可以看到结果之后再挑分析方法。而大多数数据,只要肯找,总能找出点什么。
发表偏倚。 “出现差异”的研究成了论文,“没有出现”的研究睡在抽屉里。结果,只看发表出来的论文,效应就显得比实际更大。
利益冲突。 那个结论会让谁得到什么。资金从哪里来,作者站在什么位置,简介栏里挂着的付费课程。这与内容对错无关,却是需要打个折扣来听的材料。
另一项被劈开的研究
2025年,西班牙科米利亚斯宗座大学的一位统计学家发表了一篇论文。刊登在一本经过同行评审的国际期刊上。
同卵双胞胎106对,合计212人。一半分入对照组,一半分入实验组。
刺激用的是 IBM 的量子计算机。准备了两种量子线路。一种是两个量子比特处于量子纠缠 态的线路。另一种做法几乎相同,只是没有纠缠。由这些线路吐出的〇与一的序列,决定屏幕上点的运动。
被试要预测点接下来往哪个方向动。每人144次试次。自己接受的是哪一种线路的刺激,并不被告知。
结果,实验组中正确率方差的13.5%,由纠缠的有无所解释。用作者新引入的指标,最多可以捕捉到双胞胎反应方差增加的31.6%。此外,与神经可塑性有关的物质指标,在两组之间也测出了差异。
数字怎么读
“解释了方差的13.5%” 是什么意思。
让很多人做同一项任务,成绩会参差不齐。把这份参差(方差)究竟由什么造成,按因素分摊开来,就得到这个数字。意思是“纠缠的有无”这个因素,占了整体参差的 13.5 %。
这算大还是小。作为心理学研究,绝不算小。 在个体差异很大的认知任务里,一项操作能解释超过一成的方差,已经是相当强的效应了。
不过有两点要注意。其一 ── 解释率高,并不意味着那个因素就是原因 。有可能存在被漏看的另一个因素,同时影响了两边。其二 ── 这是一个实验室做出来一次的数字。在别的团队做出同样的数字之前,还不算定论。
请先等一下
这项研究需要三条限定。
其一。其他团队的重复验证尚未进行。 只有一次的结果,无论多么漂亮,都不是定论。
其二。专业事典的评价认为,这项研究并不直接支持量子意识假说,只是提示“具有类似由纠缠所生成的量子结构的信息,可能影响特定的认知过程”而已。这不是说双胞胎的脑中发生了纠缠。
其三。这位作者的研究领域是超常现象的统计研究。这本身不构成否定结果的理由,但读者应该知道这一背景。
纠缠上载不了想传达的东西
在这里,必须从物理学一侧放上一条决定性的限制。
量子纠缠确实无视距离。无论相隔多远,只要一方的测量结果确定,另一方也同时确定。爱因斯坦 称之为“幽灵般的”,至死都不愿承认,这是有名的故事。
但是,这不能用来通信。
1 已确立的物理学
载不上去的箭头 量子纠缠无视距离而留下相关,但没有任何手段把发送者的意图插进去。概念图 观测者 A 观测者 B 相关:有 信息的传递:不可能 A 得到的结果完全随机,连 A 自己也无法选择。 B 手边出现的,也只是随机的序列。 相关现身的时刻,只有两人事后对照结果的那一刻。 无通信定理(通信不可定理 / no-communication theorem) 点按放大
图 44 距离可以无视。可偏偏,想传达的东西载不上去。 用量子纠缠传送信息或意图,在现有物理学中被认为原理上不可能。这被称为无通信定理。纠缠只是在两个结果之间留下一致,而没有任何手段把发送者的意图插进去。“心灵感应的量子式说明”就在这一点上不成立。 无通信定理(no-communication theorem)。量子信息论的标准推论,教科书中有记载
理由很简单。你在手边得到的结果是完全随机的,连你自己也无法选择。远处对方手边出现的,也只是看上去杂乱的序列。要把你的意图插进去,没有任何手段。相关现身的时刻,只有两个人事后把结果对照的那一刻。
这被称为无通信定理(通信不可定理 / no-communication theorem) ,是一条堂堂正正的推论。
“靠量子纠缠实现心灵感应”这种说法,就在这一点上不成立。
即便如此,人们也不会停止讲这些事
远方的某个人出事的那一夜,你毫无理由地醒来。忽然浮现出某张脸,心里发慌。
这类体验,在世界上所有的文化里都以各自的名字存在着。在日本,它被称为「虫の知らせ」——虫豸的通报。
垫脚石 确认偏误,与大数是怎样起作用的
先把在这里起作用的两个机制分开。
确认偏误。 人会挑选并记住合乎自己期待的事情。这不是有意撒谎 ── 而是留在记忆里的强度,从一开始就不一样。“心里发慌、结果什么都没发生的那一夜”,到第二天早上已经连一件事都算不上了。因为没有记录留下来,本人无从估计它发生的频率。
大数。 哪怕是极其不容易发生的事,只要试的次数足够多,就一定会发生。全世界每夜有几十亿人入睡,其中总有一定数量的人会想起某个人。同一夜里那个人身上出事的概率,就单个人而言小到极点,整体上却大到每夜都会在某处发生 。
把这两样乘起来,“有时候准得吓人”这种体验,不需要搬出任何特别的机制就能说明。
不过 ── 这一章的最后所说的,是从那里再往前的事。能被解释,与变成没有发生过,是两回事。
统计能把它解释得干干净净。
1 已确立的物理学
被遗忘的五十夜 心里发慌却什么都没发生的夜晚淡淡地画50个,真的出了事的夜晚亮亮地画1个。只有命中的那一夜留在记忆里。概念图 心里发慌、却什么都没发生的夜晚 50 心里发慌、而真的出了事的夜晚 1 留在记忆里的,只有这一个 但是 —— 被解释, 与变成没有发生过,是两回事 51 这个数是举例,不是观测值。 点按放大
图 45 命中的那一夜留下来,落空的五十夜消失了。 所谓确认偏误,是只有合乎期待的事件才留在记忆里的心的倾斜。全世界每夜有几十亿人入睡,某个人的心慌与某个人身上发生的事撞在同一夜,就一定会发生。这个说明是对的。只是这个说明没有回答:人为什么忘不掉那一夜。 确认偏误(confirmation bias)。认知心理学的标准知见,教科书中有记载。图中的51这个数是举例,不是观测值
心里发慌、却什么都没有发生的那些夜晚,人记不住。第二天早上就忘了。只有心里发慌、而真的出了事的那一夜,鲜明地留下来。命中的那一次占据了记忆,落空的50次静静地消失。这就是被称为确认偏误(確証バイアス / confirmation bias) 的、人心的一种倾斜。
而且,基数在起作用。全世界每一夜有几十亿人入睡。有这样的数目,某个人的心慌与某个人身上发生的事撞在同一夜,就一定会发生。不发生反而不自然。
这个说明是对的。这类体验的大半,大概就到此为止。
只是,有一件事这个说明没有回答。
为什么人忘不掉那一夜。为什么听过了统计,仍然想把那一夜讲给谁听。
被解释,与变成没有发生过,是两回事。
本章没有回答的问题
当同一份数据得出正好相反的结论时,我们应该采信哪一边。依据什么。
被“那只是错觉”解释掉的体验,就不再是体验了吗。
读到这里,也许有人的心已经有些倾斜了。
所以,我准备了这个房间。
这里要摆出针对前面各章的、最强的反驳。不留情面。
不通过这个房间的假说,不要相信。
大脑太温暖了
2000年,马克斯·泰格马克(マックス・テグマーク / Max Tegmark) 发表了一篇论文。题目是《量子退相干在脑过程中的重要性》。
垫脚石 退相干是“坏掉”,还是“漏出去”
这是本章的主角词。把它按准了,论争的内容就清楚了。
说叠加“坏掉”,容易让人想成波消灭了。实际发生的并不是那样。而是叠加的信息被抄写到周围去了 。
一个空气分子撞上来。这个分子会带走一点点“它撞上的那位当时处在哪个状态”的信息。一个光子打上来也一样。信息就这样漏到外面,于是只看原本那个系统,干涉条纹就确认不到了。波没有消失。只是追不上了。
所以量子计算机才被放在极低温和真空里。为的是减少周围能够抄写的对象。
而大脑处在完全相反的环境里。摄氏37度。浸在水中。离子飞来飞去,分子不停碰撞。到处都是能抄写的对象 ── 这就是泰格马克那套论证的出发点。
所谓退相干(デコヒーレンス / decoherence) ,是量子叠加因与周围的相互作用而被破坏、落入经典行为的现象。量子计算机之所以难造,最大的理由也是它。不把温度降到极低、不与外界彻底隔绝,叠加就会立刻失去。
大脑正好是它的反面。摄氏37度。浸在水里。离子飞来飞去,分子不停碰撞。
1 已确立的物理学
退相干 孤立系统里会出现干涉条纹,一旦与周围分子纠缠,叠加的信息泄漏,干涉便无法再被验证 所谓“被破坏”,是被周围抄录了过去 与周围隔绝 两个波仍然叠着 = 出现干涉条纹 周围的分子撞上来 叠加的信息向周围泄漏 = 干涉条纹消失 时间 要紧的是:波并没有“消失”。叠加的信息被周围的分子抄录了过去, 只看原来那个系统就再也验证不到干涉。这就是退相干。 温暖、浸在水里、分子不停碰撞的大脑,正是这种抄录进行得极快的环境。 到底有多快 ── 对此的估算,正是第8章论争的中心。 点按放大
图 46 坏掉不是消失,而是被周围抄写下来。 叠加的信息一旦漏向周围的分子,只看原本那个系统就再也确认不到干涉了。这就是退相干。温暖而浸满水的大脑,正是这种抄写进行得极快的环境。 Zurek, Rev Mod Phys 75, 715 (2003) 等,标准量子论的推论
泰格马克计算了在这种环境里量子态能维持多久。答案是:在微管中为10的负13次方秒。至于神经放电本身的叠加,则是10的负20次方秒。
另一方面,神经元实际工作的时间尺度,是10的负3次方秒到10的负1次方秒。
— 数据图示
七个量级,与剩下的三个 把脑内量子态维持时间的估计排在对数轴上:即使经修正延长了7个量级,距神经工作的时间仍差3个量级。数据图 10⁻²⁰ 10⁻¹⁶ 10⁻¹² 10⁻⁸ 10⁻⁴ 10⁻¹ 量子态维持的时间 / 秒(对数刻度。越左越短) 直到被退相干抹去(2000年的估计) 修正后的估计(哈根等 2002) 神经元实际工作的时间 7个量级 修正热平衡假定、分离宽度与相互作用的种类之后 还差3个量级 论争仍在继续。McKemmish 等(2009)支持泰格马克一方。 夺回了7个量级,仍然差3个 点按放大
图 47 夺回了七个量级,仍然差三个。 泰格马克在2000年估算,脑内量子态维持的时间为10⁻¹³〜10⁻²⁰秒。而神经实际工作的时间是10⁻³〜10⁻¹秒,结论是量子效应没有介入的余地。对此哈根等人指出,泰格马克假定了热平衡、把叠加的分离宽度取得过大、并且用了电荷之间而非偶极子之间的相互作用。修正之后,相干时间延长七个量级。即便如此,距神经的时间尺度仍差三个量级。 Tegmark, Phys Rev E 61, 4194 (2000); Hagan, Hameroff & Tuszynski, Phys Rev E 65, 061901 (2002); McKemmish et al., Phys Rev E 80, 021912 (2009)
数量级差得太远了。
数字怎么读
这一章全程只谈“数量级”。为不习惯的人,把读法放在这里。
10的负13次方秒 ,是把一秒变成万分之一,再变成万分之一,然后再取一百万分之一之后的长度。短到没法有实感,所以只要记住比就好。
差一个数量级,就是差十倍。 差7个数量级就是一千万倍。差3个数量级就是一千倍。泰格马克给出的 10⁻¹³ 秒,与神经工作的 10⁻³ 秒之间,相差十个数量级 ── 一百亿倍。
哈根等人夺回来的是7个数量级。即便如此,仍然剩下3个数量级 ── 一千倍 ── 的距离。算下来,在神经元放电一次的时间里,量子态已经失去了1,000次。这不是“差一点”。还差一千倍。
作为结论他写道:与认知有关的脑的自由度,应当当作经典系统而非量子系统来考虑;现有的经典神经网络模拟方式,没有根本性的错误。
反驳:计算的前提不同
2002年,斯科特·哈根 、斯图尔特·哈梅罗夫 、杰克·图申斯基 写了反驳。
他们的指摘,针对的不是泰格马克的计算本身,而是它的前提 。
其一。泰格马克假定了热平衡状态。那是死组织的条件,不是活着的组织的条件。
其二。叠加的分离宽度取得太大。他设想的是沿微管全长走行的激发的叠加,而这与原假说所设想的结构不同。
其三。相互作用被当作电荷与电荷之间的来处理,而应当作为偶极子之间的相互作用来处理。
把这些修正之后,相干得以维持的时间会延长到10的负5次方到10的负4次方秒。也就是微秒的量级。
7个数量级。夺回来了。
然而,还差3个数量级
可是,这样并不能了断。
微秒比毫秒短3个数量级。也就是说,在神经元放电一次的时间里,量子态已经失去了1,000次。
夺回了7个数量级,仍然没有够到。
填补这段差距的提议,已经出了几个。有人主张,利用量子芝诺效应——通过高速反复观测来延缓状态的崩塌——即使没有连续的相干性也能起作用。也有人主张,如果意识每秒进行多次选择,那么微秒的窗口也够用。
再深一层 ── 什么是量子芝诺效应
名字取自芝诺的悖论(飞着的箭,在每一个瞬间都是静止的)。
在量子力学里,若在状态正变化的途中进行测量,状态会被“拉回”原来的值。而如果以极短的间隔反复测量,状态就几乎无法变化 。也就是所谓“一直盯着的锅不会开”。
这不是思想实验,而是已经在实验中被确认的现象(在离子阱等体系中得到过验证)。
作为向大脑的应用被提出来的思路是:“与环境的频繁相互作用,在某些条件下反而可能朝着保住状态的方向起作用”。不过,这在真实的大脑里是否成立,并没有被展示。按这一章的主旨来说,它是针对反驳的反驳的候选 ,而不是了断。
另一方面,2004年罗萨 与法贝尔 论证说,仅用环境导致的退相干就足以说明。2009年麦凯米什 等人发表了支持泰格马克一方的分析。
论争在26年后的今天仍在继续。
能够写下“尚未了断”,不是软弱。在尚未了断时写成已经了断,才是软弱。
关于“量子”这个词
还有一件事,是这个领域之外的危险,我想写下来。
“量子”是当今被滥用得最厉害的科学词汇之一。量子疗愈。量子吸引力。量子意识觉醒。书店里,视频里,这类词并排陈列。
它们大多有一个共同点:这个词并没有作为说明在起作用 。只要说一句“量子的”,就能获得一种解释过了的感觉。但那里并不包含可以检验的主张。做怎样的观测才能说它对,做怎样的观测才能说它错——没有写出这一点的文章,无论用多么科学的词汇装点,都不是科学。
本文所处理的那些假说——内文等人的预想,髓鞘的计算——与它们不同,不是因为内容正确。而是因为“可能错在哪里”的形状被写了出来 。
关于你今后要相信什么
我想交给你四件离开这篇文章之后也能用的工具。
其一。可证伪性(反証可能性 / falsifiability) 。那个主张,怎样才算被判定为错。说不出这一点的主张,既谈不上对,也谈不上错。
其二。重复验证 。是否有别的团队,用别的手法,抵达了同样的结果。只从一个实验室出来的结果,无论多么漂亮,都还只是第一步。
其三。预注册 。要测什么,是否在看到数据之前就宣布了。如果看到结果之后再挑分析方法,大多数数据里都能挖出点什么。
其四。利益冲突 。那个结论会让谁得到什么。简介栏里挂着付费课程的说法,需要打个折扣来听。
这四条,也应该对准这篇文章本身。
本章没有回答的问题
那3个数量级的差距,是填不上的墙,还是尚未有人找到的某种机制。
“尚未弄清”与“是错的”,应该怎样区分。
第四部 怀疑的方法,以及之后
全 11 章中的第 11 章
终 终章
站在边缘
想要说明的那样东西,正是应当被说明的对象本身。
本章的路径
到这里为止,已经确认的事情与尚未确认的事情,我一直分开来写。
最后还剩下一样,分不开。
垫脚石 “观测问题”问题在哪里
量子力学的教科书上,并排写着两种规则。
其一 ── 没有人看的时候,状态按薛定谔方程平滑地、决定论式地变化下去。其二 ── 一测量,状态就概率性地跳到一个结果上。
这里自然会冒出一个疑问。什么算“测量”。 装置也是由原子构成的。观测者的身体也是由原子构成的。它们同样应当服从第一条规则。那么,是在哪里切换到第二条规则的。决定那条界线的东西,并没有写在理论里面。
这就是观测问题。诠释之争说到底,围绕的正是这一点。哥本哈根诠释放下一条界线,多世界诠释抹掉界线(全部交给第一条规则),客观塌缩理论则试图把界线作为物理定律写进去。
而终章要碰到的2026年的框架,朝着又一个方向。它不再把观测者放在系统外面,而是问:把观测者装进记述的内侧 会怎么样。这不是“意识创造现实”那种说法。它是一个数学问题:把观测者也算进来之后,信息的记述会如何改变。
观测者不在外面
在量子力学里,长期以来观测者都被当作处在系统之外的东西。世界在那一侧,记录装置在这一侧。装置测量世界,把结果记下来。
2026年提出的一个框架,改变了这个构图。它把观测者装进了信息处理的内侧。观测的人不再是外部的记录装置,而被当作被观测系统的一部分。那个人本来就抱有的信念与期待,会参与到“什么被如何分类、如何确定”当中。
圆环
3 假说、可证伪
圆环 把观测的人与被观测的世界放在同一个圆周上,用层层相套的圆表示无论如何也走不到外侧。意匠图 观测的人 被观测的世界 没有外侧 点按放大
图 48 提出问题的那样东西,也正是问题的答案。 在传统的量子力学里,观测者一直被当作处在系统外部的记录装置。2026年提出的一个框架,把观测者装进了信息处理的内侧。这是假说,检验尚未开始。不过,这个构图所指向的事态本身,与实验成败无关地留了下来。当你观看世界时,那个世界里包含着你。 Hoorn & Ho, "Observer effect modulates classification in a quantum epistemic framework", Sci Rep (2026), doi:10.1038/s41598-026-46604-9
即便如此,这个构图所指向的事态本身,与实验成败无关地留了下来。
你看世界。被看见的世界里,包含着你。当你要检查自己的大脑时,进行检查的也正是那个大脑。想要说明意识的那样东西,正是应当被说明的对象本身。
这个圆环没有外侧。没有任何地方可以落脚。物理学花了400年磨出来的“从外部观看对象”这一方法,唯独在这一点上失效。
第5章的那堵墙为什么那样难缠。理由的一端,大概就在这里。
3个“空”
这篇文章依次拜访了3个空。
第1个是真空。把能拿走的全部拿走之后,那里仍在持续颤抖。那颤抖强到足以改变物质的相。它不是空的。
第2个是大脑。在这个一向被当作单纯电信号回路的东西内部,有着谐振腔形状的结构,有麻醉气体会结合的管子,还有“原子核的自转也许左右着意识如何消失”这样的报告。什么都还没有确定。即便如此,它看上去也不像一只空箱子。
第3个是。
自我——那个离得最近、却最看不进去的空。
关于这里,这篇文章说不出任何确定的话。我尽可能准确地写下了“说不出”这件事。
今夜,你还会消失
想造出一个什么都没有的地方,人类失败了。把能拿走的全部拿走之后,那里仍在持续颤抖。
那颤抖强到足以改变物质的性质。这一点被实验确认过。到这里为止,无可怀疑。
那颤抖是否也抵达了你的颅骨内部。即便抵达了,它与“感受”这件事是否有什么关系。
这些,还没有人知道。
这篇文章没有隐瞒“不知道”。标出层级,放上注记,准备了供反驳使用的房间。读完之后留在你手里的,不是答案,而是一张“答案尚未出现之处”的地图。
垫脚石 今后10年里,会确认些什么
这篇文章说过,它是一张“尚无答案之处的地图”。地图上也画着接下来将要修路的地方。最后看一看那里。
1. 生体的物质,能不能成为量子的通道。 第4章看到的设计图就是这个。用微管、神经细胞、脑类器官把2个量子比特连起来,测量纠缠能否被媒介。若不能媒介,预想就在那里死掉。它被写成约10年的计划。
2. 在活的组织里,看见髓鞘的光子对。 第3章的计算只说到“理论上可能发生这样的放出”为止。单光子探测器与相关测量,都是已经握在手里的技术。出得来,计算就成为事实;出不来,计算就仍旧只是计算。
3. 把氙同位素的实验,凑足数目重做一遍。 80只小鼠、4种同位素不够。预注册,凑足数目,换一个实验室来做。若能再现,那份报告就上一级。
4. 把与真空场的耦合,搬到又暖又乱的系统里。 第2章的实验在绝对零度之上一点点。把温度升上去,把杂乱加进去,把水放进去。效应在哪里消失 ── 只要找到那个界限,从半导体到大脑的距离,第一次会变成数字。 这会作为凝聚态物理而不是意识的话题推进。正因如此才推得动。
5. 让意识的各种理论,预注册之后正面对撞。 2025年的大规模合作研究里,整合信息论与全局工作空间理论都有一部分预言落空。不会了断。但落空的预言有多少,墙的形状就精确多少。
6. 把不依赖报告的指标,用到没有语言的对象上。 把第3章看到的扰动复杂度指标,推广到动物、婴儿、脑类器官。这里需要伦理这一侧的准备走在装置前面。
3 假说、可证伪
今后10年将要架起来的装置 每一项都事先写明了“出现什么就前进,出现什么就死掉” 今后10年将要架起来的装置 每一项都事先写明了“出现什么就前进,出现什么就死掉” 1 生体的物质,能不能成为量子的通道 若纠缠能在2个量子比特之间被媒介,就前进;不能,预想就死掉 2 在活的组织里,看见髓鞘的光子对 计算有了,观测为零。若检测到带有相关的光子对,计算就成为事实 3 把氙同位素的实验,凑足数目重做一遍 预注册,换一个实验室。若能再现,层级就上一级 4 把与真空场的耦合,搬到又暖又乱的系统里 温度升到哪里效应还在。那个界限,会把到大脑的距离变成数字 5 让意识的各种理论,预注册之后正面对撞 不会了断。但落空的预言有多少,墙的形状就精确多少 6 把不依赖报告的指标,用到没有语言的对象上 动物、婴儿、脑类器官。伦理这一侧的准备,要走在前面 每一项都事先写明了会怎样落空。这份清单的价值就在这里。 10年后这6项里还剩下几项,谁也不知道。 在不知道的情况下,装置已经开始架设了。 点按放大
图 49 今后10年里会真正架起来的装置的清单。 每一项都事先写明了“出现什么就前进,出现什么就死掉”。这份清单的价值在这里,而不在于内容看上去是否正确。10年后还剩下几项,谁也不知道。 把本文所处理的论文自己提出的检验计划并列出来
垫脚石 宇宙给自己长出了一双看自己的眼睛
100年前,人们认为生命是靠一种特别的力在运转。这叫生机论。分子生物学把它化掉了。问题并没有消失 ── 它变成了可以回答的形状。
关于意识,我们如今所在的位置,也许就在生机论退场前不远的地方。也许在完全不同的地方。决定这一点的,是今后10年里架起来的那些装置。
不过,有一件事是清楚的。
我们如今站在这样一个位置上 ── 宇宙最底层的那一层(真空的涨落),与对自己而言最确定的那样东西(此刻正在感受的这份感受),能否放进同一段记述里 ── 这个问题,第一次可以用实验的语言来问了。
若在100年前,这个问题属于诗,或者属于宗教。如今它的形状是:到谐振器的距离、麻醉气体的浓度、光子的相关。答案还没有出来。但问题被翻译成了装置的形状 ,这本身就是一项成就。
真空不是空的。大脑不是空箱子。关于第3个空,还什么都说不了。即便如此 ── “说不了”这件事,如今已经能说得这样精确。 精确的“不知道”,就是下一个实验的设计图。
宇宙花了138亿年,给自己长出了一双看自己的眼睛。那双眼睛是由什么做成的 ── 如今正由眼睛自己在查。这个圆环没有外侧 ── 终章是这样写的。但没有外侧,并不意味着查不了内侧。
今夜你也会消失。然后明天早上,又回来。能够回来的理由,我们还并不真正知道。 在不知道的情况下,每一夜都在重复它。再没有比这更贴近、也更巨大的谜了。
我没有打算把你推下悬崖。只是想带你走到边缘。
从那里要不要再往前,由你决定。
今夜,你也会入睡。眼睑落下,意识中断。那一瞬,你无法目送。明天早上,你又会回来。
你从哪里回来,还没有人能够解释。