在意识逐渐被视为一个科学问题而引起神经科学家们不断深入研究的今天，物理学家们同样不甘寂寞，他们纷纷基于量子力学角度，提出了一系列解释意识问题的理论或假说1。英国牛津大学数学系终身荣誉教授、沃尔夫物理奖得主、著名量子物理学家，同时也是数学家、宇宙学家和科学哲学家的罗杰·彭罗斯就是其中的典型代表之一。与其他大多数量子物理学家一样，彭罗斯在意识问题的研究上，不拘泥于传统的神经计算方法，而是勇于从量子力学，这一以往大多数人所认为与意识毫不相干的物理学领域，来寻找解释意识问题的答案，不仅丰富了意识研究的方法和内容，而且极大地拓宽了意识问题的研究领域。然而，彭罗斯基于量子力学方法来解释意识问题的理论依据是什么?他又提出了何种具体的量子意识理论?他关于意识问题的物理学解读有何哲学意义?又存在着哪些不足之处?这些将是本文所主要深入探讨的问题。

一、客观还原论

一直以来，在量子力学领域内，对于波函数是如何坍缩的问题，以哥本哈根学派的R解释长期占据着主流。他们认为，波函数是几率性的，它所描述的是具有波动性的粒子在某一区域所出现的概率，当未对其进行测量时，波函数遵循着薛定谔波动方程的U演化过程，永远不会坍缩，而一旦对其测量，遵循着R演化过程，即从叠加态坍缩为单一态。换而言之，在哥本哈根学派看来，量子系统中的波函数之所以从U过程演化为R过程，其中的关键在于外界的观察和测量。这样，哥本哈根解释将我们带入了量子测量过程中的主观主义解释，因为它突出了测量过程中观察者的地位和作用。例如，为何在现实中，我们永远也看不到薛定谔那只“既死既活”或“不死不活”的猫呢?在哥本哈根学派看来，那是因为，在我们打开箱子的一瞬间，观察者有意识的观察对猫的叠加态形成了干扰，使得其量子信息流失到外界环境中，造成了猫的波函数发生了坍缩。

然而，对于意识引起波函数坍缩的R解释，彭罗斯却不认同，相反，他认为是波函数坍缩导致了意识的出现，而且坍缩是与量子引力有关的。由于这样的坍缩过程避免了观察者的意识这一主观性介入，它是一种客观的因素(量子引力)所导致的坍缩，彭罗斯称之为客观还原论。彭罗斯在《通向实在之路:宇宙法则的完全指南》一书中说道:“正如我在本书许多地方业已阐述的那样，我支持最后这种观点，它将由U转变而来的客观的R(即OR)与引力现象所联系起来。这种引力OR会自发产生，不需要自觉观察者参与其中。在通常情况下，OR经常会不断地出现，从而在大尺度范围内产生一种近似程度极高的经典现象。这时，当我们进行测量时，就没有必要借助任何有意识的观察者来实验量子态(R)的收缩。另一方面，我认为意识现象———我视其为真实的物理过程———本质上属于实际的OR过程。因此，我们的观点正好与上述那些或多或少地认为意识支配R过程的观点相反，我认为正是真实的R过程支配意识活动。”[1]

然而，在OR过程中，量子引力为何会引起波函数坍缩的呢?彭罗斯是这样解释的:量子系统中的粒子时刻处于量子叠加态，而各态在位置和动量上都是不同的，从而导致了粒子时刻具有相互叠加的两个引力场。而根据爱因斯坦的广义相对论，时间和空间不再是牛顿物理学所描述的平面几何，而是引力场作用下的一种弯曲时空几何。那么，在量子系统中，粒子所具有的叠加态的引力场就会形成叠加态的时空几何。如果我们用波函数|Ψ>和|Χ>来表示其中的每一种状态，此时粒子状态就是两个波函数的叠加:λ|ψ>|Gψ>+μ|χ>|Gχ>。其中，|Gψ>和|Gχ>分别表示该粒子的两个时空几何的所具有的各自引力场，而且它们也是叠加的。彭罗斯指出，由于叠加态中各态的时空几何在质量(mass)和能量(energy)上的分布不均，因而它们也时刻处于非常不稳定的状态。这样，在量子引力能量(EG)达到一定的临界值(EG=/τ)时，叠加的时空几何就会发生坍缩，即客观还原(OR)的出现[2]。

不仅如此，彭罗斯还认为，在量子系统中，量子引力所引起的波函数坍缩还导致了意识的出现，它由不断的意识瞬间汇集而成，而意识瞬间产生于时间τ=/EG，即OR发生的那一刻。“通过OR原则，我们认为，一个处于叠加态量子系统，它只有在达到坍缩的标准(量子引力能量达到一定的临界值)发生坍缩时，意识就会出现，所以，这种非计算性的客观还原是意识产生的关键。”[3]10

由此，通过客观还原论，彭罗斯阐述了量子时空下意识产生的原因:波函数在量子引力下的坍缩。这样，客观还原论也就成为彭罗斯解释从量子力学方法来解释意识问题的理论依据。然而，这样的解释事实上是令人迷惑的，毕竟，意识是人脑的活动结果，不可能存在于没有生物组织的量子时空中。于是，彭罗斯又将目光投向了人脑结构，试图从中寻找到产生意识的量子生物机制。彭罗斯认为，人脑是个复杂的生物系统，其神经元内有许多与量子大小相当的电子和离子，或许大尺度的量子行为就存在于人脑中。

二、微管结构及其相关作用

综上所述，通过对量子测量问题的重新审视，彭罗斯提出了其量子引力坍缩理论，即客观还原论。更重要的是，通过客观还原论，彭罗斯重新定义了意识与波函数的关系，即不是意识支配波函数的坍缩，而是波函数的坍缩导致了意识的出现。那么，这种量子意识机制其生物基础是什么?彭罗斯通过深刻分析人脑的神经生物结构后，认为那就是人脑神经细胞的微管结构。

然而，何为微管?它有着什么样的特殊生物结构和功能?在《心灵的影子:寻找消失中的意识科学》和《宇宙、量子与人脑》两本著作中，彭罗斯向我们详细介绍了微管及其相关生物功能。首先，关于微管结构，彭罗斯指出，微管是一种直径约为25纳米的真空管状物，内部包含了13根微管蛋白所组成的纤维柱。微管蛋白分子的长度大约为8纳米(nm)，宽度大约为4纳米(nm)，每个微管蛋白分子至少可以具有两种构象(conformations)。微管蛋白分子又包括α单体(alpha-tublin)和β单体(beta-tublin)，它们就如二进制数字计算机中的“0”和“1”数位，是微管内信息处理的基本单位[4]131。

关于微管结构，彭罗斯还指出，在一些哺乳类动物的微管中，还能找到呈现斐波那契数列2的完美数字顺序。例如，如果将真空状的微管平铺开来，我们会发现，其表面上的微管蛋白会呈现两条线的交叉状，在数量分布上为右边5(5right-handed)和左边8(8left-handed)数量结构。而且，如果从微管横截面的上方俯视，可以清晰地看到5+8结构的13根微管蛋白圆柱。更有趣的是，某些具有双重性质的复合型微管，它们通常情况下还由21根微管蛋白圆柱组成[5]361。这样，一个完美的斐波那契数列就出现了:5,8,13,21。

其次，关于微管的生物功能，彭罗斯指出:(1)它是细胞骨架的主要构成部分，保证了信息在神经网络中的流通。在神经细胞内，微管在微管联结蛋白的联结下，构成了微管连结网络，也即细胞骨架。而通过细胞骨架的支撑作用，则稳定了神经元细胞的结构，从而保证信息在神经元细胞之间的顺利流通;(2)微管控制着神经元的生物过程，引导细胞之间的神经连结。微管不仅可以延伸到轴突末端的前突触(pre-synapse)区域，还可以延伸到树突末端的后突触区域，从而控制着突触两边的神经传递过程。特别是通过控制着位于轴突末端的球状蛋白(clathrin)的小泡分子，来影响突触内间的神经化学物质的传送行为，影响着突触间的神经传递强度;(3)强大的信息处理能力。一般情况下，每个神经元微管蛋白二聚体数目大概为104个，伴随着信息处理的次数为106次。由此计算，每个神经元的信息计算速度为1024次/每秒。而这要远比目前的计算机处理速度的1014/每秒要快得多[5]363-367。总之，彭罗斯认为，微管在人脑中的作用是显而易见的，它构成了细胞骨架，协调神经细胞之间的神经传递质的传送，促进神经网络内信息的互通，而且还有着极强的信息处理能力。关于微管的功能，彭罗斯还指出，一些单细胞的草履虫在池塘里游来游去，寻找食物，逃避危险，越过障碍，甚至可以根据过去的经验进行学习，而它们并没有发达的神经元，也没有突触，是如何做到这一点的呢?彭罗斯认为，关键在于其身体中的微管。它不仅构成了草履虫的毛发或睫毛，使得其能四方游动。而且，还与肌动蛋白和中心纤维一起组成了草履虫稳定的细胞结构，并控制着其内部复杂的生物活动[4]127-128。

既然人脑中存在着如此精妙的微管结构及其特殊的生物功能，它又是如何能产生量子效应的呢?彭罗斯参考了斯图亚特·哈梅洛夫(StuartHameroff)对微管的研究。在哈梅洛夫看来，处于全身麻醉状态下的人的意识消失，是麻醉药物发散进入神经细胞中，干扰微管表面的范德瓦斯力，使得微管蛋白不能发生构象上的转变，阻碍电子的偶极矩(electricdipolemoment)的形成。由于没有电子偶极矩，也就没有电子的耦合态[6]。由此可知，意识与微管蛋白中的电子耦合状态极具关联性。而这样的耦合状态，正是彭罗斯所需要寻找的量子叠加态。既然微管中存在着量子叠加态，那么，量子客观还原或波函数坍缩产生于微管中就有了可靠的依据。关于微管中的客观还原，彭罗斯认为，它并不是杂乱无章的，而是如乐曲的编排一样，是一种精心编制(Orchestrated)的量子行为。这样，彭罗斯与哈梅洛夫一起提出了其解释意识的新模型:编制的客观还原模型。

三、一种新型的意识模型:OrchOR模型

何为OrchOR模型?概括来说，所谓的OrchOR模型是指量子客观还原或波函数坍缩发生在人脑神经细胞的微管结构中，并由此产生意识的一种意识模型，由彭罗斯与哈梅洛夫在20世纪90年代共同提出。但与先前神经科学家从神经计算主义角度来理解意识问题不同，OrchOR模型则基于人脑神经元的微管中的量子效应，从量子力学角度来解释意识问题。它不仅解释了意识产生的量子效应机制，更重要的是，还借鉴了美国著名生物学家哈梅洛夫的微管理论，最终将意识归结为人脑微管中量子引力所引起的波函数坍缩的结果。“我们假设联结微管的蛋白质编制量子振荡，并且‘编排’可能的坍塌现象。这样，我们就把发生在由微管蛋白质相联结的微管中的客观还原，称之为‘编制的客观还原’(OrchOR)，而且它是与意识是有关的。”[7]

然而，作为一个建立在客观还原论基础上的意识模型，OrchOR模型是如何解释意识出现于人脑中的呢?根据OrchOR模型:意识是微管中量子引力所引起的波函数坍缩的结果。即，要产生意识，微管中必须出现量子波函数的叠加态。对此，彭罗斯是这样解释的:根据哈梅洛夫对微管的研究，在微管蛋白的中心部位，存在着带电荷的疏水袋，而且，在两种不同形状的微管蛋白中，电荷的极性是相反的。这样，在微管中，由于微管自身的振荡运动，微管蛋白会在一种称之为范德瓦斯力的作用下发生构象上的转换，从而使得在耦合的微管蛋白内形成电子偶极矩，即电子的量子叠加态[5]370。而根据客观还原论，叠加态中的各态在质量分布上的是不均匀的，时常处于非常不稳定的状态，在量子引力能量达到一定的临界值时，波函数就会发生坍缩，即客观还原发生在微管中，从而导致了意识瞬间的出现(参考图1)。

图1OrchOR模型关于意识在微管中产生的过程(1)

在图1上部分中，黑白部分的微管蛋白表示处于信息单一态，灰色微管蛋白则表示其已经处于信息叠加态。从步骤1到步骤3的过程中，呈现叠加态的微管蛋白越来越多，在步骤3和步骤4之间发生坍缩(OR)，在步骤4时已经全部还原为单一态。而在彭罗斯看来，意识瞬间产生于步骤3和4之间的客观还原或波函数坍缩的那一时刻(t=/EG)3，而不断的意识瞬间则汇集成了我们的意识经验。关于意识经验的出现，彭罗斯还认为，微管蛋白的数量至少需109个，量子态的时间必须持续500毫秒(ms)[3]27。而且，在500毫秒的时间内，导致意识瞬间的坍缩频率也是不一样的，它的快慢很大程度上受到外界环境因素的影响。正常情况下，坍缩的频率是500毫秒内20次，以每25毫秒40赫兹(Hz)加码同步坍缩。但在受到外界干扰时，坍缩的频率就会加快，500毫秒内坍缩发生40次，以每12.5毫秒80赫兹(Hz)加码同步坍缩。一旦无干扰或较少时，坍缩频率就会放慢，500毫秒内坍缩发生2次，以每250毫秒4赫兹(Hz)加码同步坍缩[8]。

四哲学的意义与不足

哲学家科林·麦金认为，心身问题就是个谜，对于物理之水如何酿成意识美酒的问题，我们仍然一无所知[9]。神经科学家安东尼奥·达马西奥(AntonioR.Damasio)则说:“还有什么比认识到我们是怎样认识的更困难的事情吗?正因为我们有意识，才使我们能够，甚至不可避免地要对意识提出质疑，还有什么比认识到这一点更令人迷乱的事情呢?”[10]4然而，彭罗斯的量子意识理论却告诉我们:意识虽然是神秘和令人迷乱的，但解决意识问题也不是无望的。而且，彭罗斯从量子力学角度来解释意识问题有着深刻的哲学意义，主要表现在以下几个方面。

首先，极大地削弱了传统哲学中的身心关系的二元对立思维。我们知道，由于笛卡尔将身体理解为具有广延的“物质实体”，而将心灵理解为不具广延的“精神实体”，两者在空间上是相互分离的，身心关系的二元论由此产生。在笛卡尔之后，围绕着身心关系问题，又出现了种类繁多的二元论，如副现象论、感受质二元论以及自然主义二元论等，它们都将身体与心灵对立起来，给传统哲学中的身心关系打上了深深的二元对立烙印。然而，在彭罗斯看来，意识是微管中的波函数在量子引力作用下坍缩的结果，它无论如何也离不开人脑的微管结构。而且，彭罗斯还认为，要产生意识，人脑中的量子效应必须至少维持500毫秒，在这个时间内不断发生多次波函数坍缩，由单个意识瞬间汇集成意识流。而由于我们人脑中不同区域遍布着无数个神经元细胞，这就意味着微管中所产生的量子意识是个整体性的意识事件，身体和心灵是无论如何都不可分离的。

其次，有利于我们从一个实在性的角度来理解意识。一直以来，由于“灵魂”“心智”和“心灵”等意识现象无法像物质那样实实在在地呈现在我们面前，人们都认为它是没有实在性内容的精神现象。特别是，笛卡尔将心灵理解为不具广延的“思想实体”，从而将意识牢牢地限制在非实在论的范畴内。而在量子系统中，能量子作为能量最小的单位，是我们可以从实验中测量和观察到的具有实在性的微观粒子，它具有现实的可操作性。如量子物理学家们通过实验证实，量子系统中的两个毫不相干的能量子，无论它们相距多远，对其中一个的干扰，必定会影响另一个的运动状态，即能量子具有纠缠性的特征。此外，量子物理学家们还通过计算公式:m=hv/c2(光子的相对论质量)，可以计算出光量子的质量。这些都表明，能量子是具有实在性内容的物质实体。如此，彭罗斯将意识理解为微管中量子波函数在引力效应下的坍缩的结果，从某种意义上，赋予了意识实在性的内容。

再次，在意识研究的方法上是一种大胆的突破和创新。长期以来，意识的研究方法经历了从哲学、心理学到神经科学的转变，这些方法虽然在解释意识上也取得了相当的成果。然而，由于它们本身所固有的局限性，并不能穷尽意识所有的难题。而量子系统内的量子与人脑内的神经细胞分子有着相似的活动特征，如随机性、非逻辑性和非定域性等，使得意识与量子在概念上具有相似性。而且，量子力学与意识科学都是描述微观世界中的微粒运动，两者在描述层次上也具有相通性[11]。因此，借助量子的相关活动机制来描述意识，就有着其他传统方法所不具有的优越性。就如达马西奥所认为的那样，对于心智来说，与生物学相关的物理主义解释仍然是不完备的(incomplete)，要对心智进行最精致层次的描述，或许我们还需要量子水平的解释[12]。

无疑，彭罗斯对意识的物理学解读有着积极的哲学意义，但在笔者看来，其同时也存在相当多的不足，主要表现在以下三个方面:

第一，理论构建上的不完备性。OrchOR模型的建立在于彭罗斯深刻认识到意识的神经计算方法的局限性，因而他希望借助量子力学的坍缩机制来构建一个完全物理学意义上的意识理论。不可否认，OrchOR模型对意识的解释确实是具有某种程度的物理学内容。例如，它将意识理解为“微管中量子引力所导致的波函数坍缩的结果”，其中，有量子引力、波函数坍缩这些量子力学机制。但同时，OrchOR模型又需要借助微管来为这些物理过程提供生物场所。我不禁要问，如果没有微管的神经功能和作用，这些物理过程又如何能产生意识呢?从这个意义上说，彭罗斯对意识的解释并不是完全物理学意义上，或者说没有构建一个完全物理学意义上的意识理论。达马西奥就曾经指出，彭罗斯对意识解释也许与物理学基础有关，但他们并没有将焦点集中在意识问题上，而是集中在并不重要的心理过程的生物学基础问题上[10]261。

第二，相关因果解释上的模糊性。彭罗斯基于对量子测量的R解释反驳的基础上提出了OR解释:不是意识坍缩了波函数，而是在波函数坍缩过程中产生了意识。然而，这就极易让人产生迷惑，难道意识可以出现于人脑之外的量子时空中吗?虽然他后来又将OR理论引入人脑微管中，试图为其意识解释寻找生物基础。但同样的问题是，微管中的量子叠加态为何又会在坍缩时出现意识呢?对于这些问题，彭罗斯并没有给出具体的解释，这显然是难以令人信服的。对此，查尔莫斯就说:“OrchOR理论可能在某种程度上指出了脑过程与意识的关联性，但对于这些过程如何产生意识经验却保持沉默。事实上，对于任何建立在关于物理过程之上的意识理论，都在存在这一问题。”[13]也正是由于这种解释上的模糊性，以至于自从彭罗斯提出OrchOR模型以来，对其相关批评与质疑就从未停止过。同样地，哲学家约翰·塞尔(JohnR.Searle)也对反问道:“我们怎么能够设想，他(彭罗斯)所假想的那种量子力学能够引起意识过程呢?其因果机制可能是什么样子?”[14]

第三，缺乏实验的证明。应该说，彭罗斯从物理学角度来解释意识问题，是极具开创和历史性的。但一个理论能不能最大程度被人所接受和认同，关键在于其是否得到实验的证实。虽然在目前阶段，确实有相关实验证实，大脑中存在着量子叠加态，但不可否认的是，还未曾有实验证实意识与量子叠加态的坍缩直接有关。相反，从神经科学角度来解释意识问题则不然，在借助实验仪器的帮助下，神经科学家们能很直观地观察到与意识有关的脑神经活规律，给意识的神经科学解释以实证上有力地支持。就如萨伽德等人所说，“OrchOR模型在某种程度上确实可以被认为是一种最精细的量子大脑理论，但其既没有为意识现象提供基于大脑基础上的经验性支持，也没有提供令人信服的解释机制”[15]。

参考文献：

[1]彭罗斯.通向实在之路:宇宙法则的完全指南[M].王文浩,译.长沙:湖南科学技术出版

[9]转引自埃德尔曼,托诺尼.意识的宇宙:物质如何转变为精神[M].顾凡及,译.上海:上海科学技术出版社,2003:6-7.

[10]达马西奥.感受发生的一切:意识产生中的身体和情绪[M].杨韶刚,译.北京:教育科学出版社,2007.

[11]陈思,万小龙.量子视域:意识研究的新进路[J].自然辩证法通讯,2014,36(3):1-5.

[14]塞尔.意识的奥秘[M].刘叶涛,译.南京:南京大学出版社,2009:56.

陈向群.意识的微管引力说:彭罗斯关于意识的物理学解读[J].科学技术哲学研究,2020,37(02):27-32.

基金:教育部人文社会科学研究青年基金项目“意识问题量子进路的最新发展研究”(19YJCZH011).