编者按
意识是怎么完善的？量子热学可以解释人类意识的神秘复杂性吗？
deSmith|作者
小雪|编辑
原理|来源
意识是怎么完善的？这是科学上最大的未决之谜之一。20世纪90年代，化学学家罗杰·彭罗斯（Roger）与麻醉师斯图尔特·哈默罗夫（）曾一起提出过一个大胆的议案，她们觉得量子热学可以解释人类意识的神秘复杂性。
量子热学是决定了如电子等微观粒子怎样运动的理论。我们的脑部是由神经元细胞构成的，它们的共同活动被觉得意识形成的源头。每位神经元都富含微管，它们可以将物质运输到细胞的不同部份。彭罗斯和哈默罗夫提出，微管的结构是分形的，这促使量子过程得以发生，因而由脑部的神经系统产生的复杂网路所形成的意识，理应遵守量子热学的规则。
但是，这样的观点受到了严重指责。反对者觉得，量子热学定理一般只适用高温条件，比如目前的量子计算机就只在接近绝对湿度的高温下能够运行；在更高的气温下，精典热学都会取而代之。而我们的身体是在温度下工作的，因而它遭到的是精典数学学定理的支配。基于这个缘由，许多科学家对彭罗斯和哈默罗夫的“量子意识论”都给以了彻底否定的心态。
如今，大连交通学院与英国乌得勒支学院的一队研究人员展开了一项与“量子分形”有关的新研究，新的研究结果朝着对意识的量子理论的一些原理进行了测试往前迈入了一大步。
分形（）是种诱人的结构，除了由于它们的美学上的吸引力，但是在物理上也十分奇特——它们以无限重复的美丽图案的方式出现，形成了有着有限的面积，却又有着无限的边长的结构。分形既不是二维的也不是三维的，而是介于两者之间的非整数维度。
这听上去好像很不可能，但实际上分形在自然界中常常出现（详见）。假如你仔细观察花菜里的小花、蕨类动物的树根……就会发觉它们都是由相同的基本形状不断重复构成的，只是尺度越来越小。这是分形的一个关键特点。在我们的身体内部，也发生着同样的情况，比如肺的结构就是分形的，循环系统中的血管也是分形的。据悉，分形也出现在各类艺术作品和现代技术中。
图1.罗马花菜细节｜图片来源：viaunderCCBY-SA
科学家之所以想要用分形来理解人类意识的复杂性，是由于分形本身就是种无限纷繁复杂的结构，它容许复杂性从简单的重复模式中形成。这有可能可以支撑我们神秘的思想结构。
但若果真的是这样的话量子物理学定律，这一切必须如彭罗斯和哈默洛夫所提出的“量子意识论”那样——只发生在量子层面，即微小的粒子在脑部神经元中以分形模式联通。而在我们刚才列出的这些典型的分形示例中，都无一例外遵守着精典数学学定理，而不是量子化学学定理。
就目前的情况来看量子物理学定律，假若量子分形真的存在于我们的脑部中，科学家也尚未能对它们进行直接的检测。不过，现有的技术早已可以让我们在实验室里检测量子分形。在2018年的一项研究中，由乌得勒支学院的化学学家deSmith领导的研究团队就借助隧洞显微镜（STM），将电子排列成了分形纹样，创造出了一个量子分形。
在那项研究中，当她们检测电子的波函数时，发觉了它们也处在由她们创造的数学图样所主导的分形维数中。在那种实验中，她们使用的模式是量子尺度上的谢尔宾斯基三角形（ński），这是一种介于一维和二维之间的形状。
图2.谢尔宾斯基三角形｜图片来源：
这是一个令人激动的发觉，只不过STM技术还不能侦测量子粒子是怎样运动的，因而也就难以从中获知更多关于量子过程是怎样在脑部中发生的信息。
现今，在最新的研究中，由北京交通学院的金贤敏（Xian-MinJin）院长领导的研究团队将这一研究更进了一步。她们借助最先进的光子实验，原先所未有的细节阐明了分形中发生的量子运动。
在实验中，她们将光子注入一个人工芯片中，这个芯片被悉心设计成一个小小的谢尔宾斯基三角形。她们在三角形的顶端注入光子，之后观察它们是怎样通过一个名为量子输运的过程在分形结构中扩散。接着，她们又在两种不同的分形结构上重复了这个实验，这两种分形形状都是正圆形而不是三角形。
