科学中最重要的开放问题之一是我们如何成立。在20世纪90年代，早在获胜之前因其预测而获得 2020 年诺贝尔物理学奖，物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）与麻醉学家斯图尔特·哈默洛夫（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一个复杂的网络，并且它产生的意识应该遵循以下规则：量子力学– 决定电子等微小粒子如何移动的理论。他们认为，这可以解释人类意识的神秘复杂性。
彭罗斯和哈默洛夫遭到了怀疑。量子力学定律通常只适用于非常低的温度。，例如，目前运行在大约-272℃。在更高的温度下，经典力学占据主导地位。
由于我们的身体在室温下工作，因此您会期望它受到经典物理定律的控制。为此，量子意识理论被提出。彻底驳回许多科学家认为——尽管其他人说服支持者。
我没有参与这场辩论，而是决定与上海交通大学金贤民教授领导的中国同事联手，测试支撑意识量子理论的一些原理。
在我们的新论文，我们研究了量子粒子如何在像大脑这样的复杂结构中移动——但是是在实验室环境中。如果有一天我们的发现可以与大脑中测量的活动进行比较，我们可能会更接近验证或驳回彭罗斯和哈默洛夫的观点有争议的理论。
大脑和分形
我们的大脑由称为神经元的细胞组成，人们相信它们的联合活动会产生意识。每个神经元包含微管，将物质运输到细胞的不同部分。彭罗斯-哈默洛夫量子意识理论认为，微管的结构是分形图案这将使量子过程发生。
分形是既不是二维也不是三维的结构，而是介于两者之间的一些分数值。在数学中，分形表现为美丽的图案它们无限地重复自身，产生看似不可能的东西：面积有限但周长无限的结构。
这听起来似乎无法想象，但分形实际上经常发生在自然界中。如果你仔细观察花朵花椰菜的或树枝蕨类植物的，您会发现它们都是由一遍又一遍重复的相同基本形状组成，但比例越来越小。这是分形的一个关键特征。
如果你观察自己的身体内部，也会发生同样的情况：你的肺，例如，是分形的，就像血管在你的循环系统中。分形也出现在迷人的重复艺术作品中埃舍尔和杰克逊·波洛克，并且它们已经在技术中使用了数十年，例如天线设计。
这些都是经典分形的例子——遵守经典物理定律而不是量子物理的分形。
埃舍尔圆极限 III 的延伸显示了其分形、重复性质。 （弗拉基米尔-布拉托夫/Deviantart，CC BY-NC-SA）
很容易理解为什么分形被用来解释人类意识的复杂性。因为它们无限复杂，允许复杂性从简单的重复模式中显现出来，所以它们可能是支持我们心灵神秘深处的结构。
但如果是这样的话，它只能发生在量子水平上，微小的粒子在大脑神经元内以分形模式移动。这就是为什么彭罗斯和哈默洛夫的提议被称为“量子意识”理论。
量子意识
我们还无法测量大脑中量子分形的行为——如果它们确实存在的话。但先进的技术意味着我们现在可以在实验室中测量量子分形。在最近的研究涉及一个扫描隧道显微镜（STM），我和乌得勒支的同事仔细地将电子排列成分形图案，创造了量子分形。
然后，当我们测量电子的波函数（描述其量子态）时，我们发现它们也生活在由我们制作的物理图案决定的分形维度上。在这种情况下，我们在量子尺度上使用的模式是谢尔宾斯基三角形，这是一种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 技术无法探测量子粒子如何移动——这将告诉我们更多关于大脑中量子过程如何发生的信息。所以在我们的最新研究我和上海交通大学的同事更进一步。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发生的量子运动。
我们通过以下方式实现了这一目标注入光子（光粒子）进入人造芯片，该芯片被精心设计成一个微小的谢尔宾斯基三角形。
我们在三角形的尖端注入光子，并观察它们如何在其分形结构中传播，这一过程称为量子传输。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。我们在每个结构中都进行了数百次实验。
我们对这些实验的观察表明，量子分形实际上以与经典分形不同的方式表现。具体来说，我们发现与经典情况相比，量子情况下光在分形上的传播受到不同的定律控制。
这种关于量子分形的新知识可以为科学家通过实验检验量子意识理论提供基础。如果有一天从人脑中进行量子测量，它们可以与我们的结果进行比较，以明确确定意识是一种经典现象还是一种量子现象。
我们的工作也可能对整个科学领域产生深远的影响。通过研究人工设计的分形结构中的量子输运，我们可能已经向物理学、数学和生物学的统一迈出了最初的一小步，这可以极大地丰富我们对周围世界以及我们头脑中存在的世界的理解。
克里斯蒂安·德·莫莱斯·史密斯，教授，理论物理学，乌得勒支大学。
