科学中最重要的未决问题之一是我们如何意识建立了。在1990年代,之前赢得物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)因预测黑洞而获得2020年诺贝尔物理学奖,他与麻醉学家斯图尔特·汉默洛夫(Stuart Hameroff)合作,提出了一个雄心勃勃的答案。

他们声称大脑的神经元系统形成了复杂的网络,并且这种产生的意识应该遵守规则量子力学,这个理论决定了像电子这样的微小粒子是如何运动的。他们认为,这可以解释人类意识的神秘复杂性。

彭罗斯和汉默若夫遭到了怀疑。量子力学定律通常只适用于非常低的温度量子计算机例如,目前在周围运行-272°C.在较高的温度下,经典力学接管。由于我们的身体在室温下工作,您将期望它受到物理古典定律的管辖。出于这个原因,量子意识理论已经存在彻底驳回了许多科学家——尽管也有一些是说服支持者

我决定与中国同事联系在上海交通大学的同事联合武力,以测试一些基础的意识理论的原则。

我们的新纸我们已经研究了量子粒子如何在像大脑这样的复杂结构中运动,但是在实验室环境中。如果我们的发现有一天能与测量到的大脑活动相比较,我们就离证实或否定彭罗斯和汉默若夫的理论又近了一步争议理论

大脑和分形

我们的大脑由呼叫的细胞组成神经元,它们的结合活动被认为产生意识。每个神经元都包含微管,将物质转移到细胞的不同部位。PenRose-Hameroff的量子意识理论认为,微管在一个中分形图案这将使量子过程得以发生。

分形是既不二维也不是三维的结构,而是替代之间的一些小数。在数学中,分形出现了美丽的图案这无限重复,产生似乎是不可能的:一种具有有限区域的结构,但无限的周长。

这听起来可能不可能形象化,但分形实际上经常出现在自然界.如果你仔细观察这些小花的菜花或分支机构蕨类植物的,你会发现它们都是由相同的基本形状组成的,不断重复,但规模越来越小。这是分形的一个关键特征。

同样的情况也会发生在你自己的身体内部你的肺是分形的,就像血管在你的循环系统。分形也在迷人的重复艺术品麦克风杰克逊波洛克,它们已经被使用了几十年技术,如在天线的设计.这些都是经典分形的例子——遵循经典物理定律而不是量子物理定律的分形。

很容易理解为什么分形被用来解释人类意识的复杂性。因为它们是无限复杂的,允许复杂从简单的重复模式中浮现出来,它们可能是支撑我们神秘心灵深处的结构。

但如果是这种情况,它只能在量子水平上发生,微小颗粒在大脑神经元内以分形图案移动。这就是为什么PenRose和Hameroff的提议被称为“量子意识”理论。

量子意识

如果它们完全存在,我们尚未能够测量大脑中量子分形的行为。但先进的技术意味着我们现在可以测量实验室中的量子分形。在最近的研究涉及A.扫描隧道显微镜(STM),我的同事在UTRECHT,我以分形图案仔细安排电子,从而产生量子分形。

当我们然后测量描述其量子状态的电子的波浪函数时,我们发现它们太居住在由我们所做的物理模式决定的分形维数。在这种情况下,我们在量子秤上使用的模式是Sierpiń滑雪三角形它是一个介于一维和二维之间的形状。

这是一个令人兴奋的发现,但STM技术不能探测量子粒子如何运动,这将告诉我们更多关于量子过程可能在大脑中发生的情况。因此,在我们的最新研究我和上海交通大学的同事们更进一步。利用最先进的光子学实验,我们能够以前所未有的细节揭示分形内部发生的量子运动。

我们通过了注入光子这个人造芯片被精心设计成一个极小的Sierpiński三角形。我们在三角形的顶端注入光子,观察它们如何在分形结构中扩散,这个过程叫做量子传输.然后我们在两种不同的分形结构上重复了这个实验,它们的形状都是正方形而不是三角形。在这些结构中,我们进行了数百次实验。

我们从这些实验中观察到,量子分形实际上与经典分形的行为方式不同。具体来说,我们发现在量子情况下,光在分形上的传播受不同的法则支配。

这种关于量子分形的新知识可以为科学家们提供实验验证量子意识理论的基础。如果有一天对人类大脑进行量子测量,可以将它们与我们的结果进行比较,从而确定意识是经典的还是量子现象。

我们的工作也可能对科学领域产生深远的影响。通过调查我们人工设计的分形结构中的量子传输,我们可能已经采取了朝着物理学,数学和生物学统一的第一步,这可能极大地丰富了我们对我们周围世界的理解以及我们头脑中存在的世界.谈话

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图像信用:超越时间线Pixabay.

我研究的是凝聚态物理学,更具体地说,是强相关系统。我的研究领域涉及多种低维量子系统,包括高温超导体、量子霍尔系统、石墨烯、碳纳米管等。

最近,我对寒冷原子物理感兴趣。加载到光学格子中时,Ultracold量子气体允许我们进入Emula ......