摘要：在21世纪，科学界最重大的未解之谜之一，便是意识现象背后的物理机制本质。究竟是什么使得你我这样的人类具有意识？这一现象是否源于某种超自然力量？抑或仅仅由生物电活动所驱动？又或者其根源可追溯至量子物理层面的相互作用？来自多元学科背景的众多科学家与哲学家，纷纷基于

作者：Ethan Siegel（天体物理学博士）

原文链接：https://bigthink.com/starts-with-a-bang/physics-consciousness/

科学家们偶尔会遇到力不从心的情况。我们通常用这个短语来指代“试图完成一项超出自身资源与能力范围的任务”，而这样的限制同样适用于众多科学难题。虽然宇宙的基本定律、粒子和相互作用在某种程度上已被精确掌握，但由这些构成现实的基本要素所衍生出的复杂复合结构，却常常展现出其组成部分并不直接显现的性质。

有时，通过对多体系统进行模拟，并施加恰当的边界条件，我们确实可以从这些基本规律中推导出一些宏观可观测的性质。例如，钠灯发出的特定颜色，便可归因于原子能级的量子行为；同轴电缆在传输射频信号方面的高效表现，也同样源于对电磁边界条件的精确控制。

然而，在另一些情形下，所涉及的规律则复杂得多，我们只能陈述某种现象确实发生了（或必然会发生），却无法彻底理解其运作的机制。在这类难题中，或许最神秘的莫过于“意识”的本质：这是人类明确拥有的某种存在状态，却只能通过主观经验加以描述。

那么，“有意识”究竟意味着什么？意识源自何处？人类是否是唯一拥有意识的物种？抑或其他动物、非动物的生命形态，甚至无生命的存在，也可能具备某种形式的意识？尽管无数人对此提出了各自的观点与假说，意识依然是一个未解之谜。以下是作为所有自然科学之根基的物理学，针对意识这一课题所能提供的看法。

这幅草图展示了一个相互连接的神经元网络，类似于人脑中的神经元网络。需要注意的是，支撑这一网络的基质——包括神经胶质细胞以及为其提供营养的血管——虽然实际存在，但在图中未予呈现。

这个问题的核心包含两个基本思想：

对物理学家的思维而言，这两点是理解宇宙中任何现象的物理本质时不可动摇的出发点，无法妥协。

然而，一旦涉及意识这一问题，许多发表观点的人往往不再受上述前提的约束。例如，有观点主张，相较于“物质现实”的假设——这一假设在我们能够对现实进行严格检验时总是反复得到验证——现实的根本并非源于物质，而在于心灵、本质上类似于心灵的属性，或某种定义模糊的意识形态，它们才是真正基本且无处不在的现实特征。这种观点被称为“泛心论”，在哲学界由来已久，但它伴随着两个根本性的难题：无法被测试，也无法被证伪。由于我们对现实的所有科学检验都必须依赖于对现实中可测量对象的观测和测试，泛心论始终无法进入科学可检验的范畴。因此，对于那些坚持以证据为基础的世界观的物理学家而言，这一观点并不具备科学意义，也无法引发实质性的兴趣。

这张关于粒子与相互作用的图表详细展示了标准模型中的各类粒子如何根据量子场论所描述的三种基本力进行相互作用。当我们将引力纳入考量之后，便得到了我们所观测到的宇宙，以及由已知的物理定律、参数与常数共同支配的宏观结构。然而，自然界所遵循的许多参数并不能通过现有理论加以预测，它们只能依靠实验测量获得。就我们目前的理解而言，这些参数构成了宇宙所必需的一组“常数”，是支撑现实世界稳定运行的基础。

唯物主义的现实观，重要的是，并不只是简单地宣称“现实无非是其各部分的总和”。相反，我们必须牢记，从物理学的角度来看，即便是：

例如，如果你将粒子物理标准模型中的所有夸克置于一个封闭空间中，它们会迅速结合，形成种类繁多的复合结构（即重子），而这些重子随后又会迅速衰变为质量更小的其他粒子。在大约一微秒之后，所有仍包含夸克的粒子只剩下质子和中子。

同样地，如果你仅使用质子和中子，并尝试将它们以各种可能的方式组合在一起，你会发现存在数百种稳定或准稳定（即在宇宙尺度的时间范围内保持稳定）构型——这就是元素周期表中的各种元素及其同位素。正是从这些组合中，所有的化学与生物学现象才得以产生，而这一切的根源，仅仅是少数几种基本规则与原始成分。

上方这张图详细展示了元素周期表中各元素的起源。右侧则以颜色编码的方式标示出构成人体元素的来源。尽管这些元素仅由质子、中子和电子组成，周期表中依然存在90多种天然存在的元素（以及总计超过200种的同位素），每一种元素都具有其独特的物理和化学性质。

对于人类而言，我们物质构成的本质已经经过了数百年的深入研究。从原子层面来看，我们大约由约 1028 个原子组成。按质量计，最丰富的原子种类是氧、碳和氢，此外还有相当数量的氮、钙和磷，接着是含量较少的钾、硫、钠、氯和镁。还有一些微量元素虽然含量极低，却在生物过程中发挥关键作用，例如铁、氟、锌、铜、锂，甚至钒——钒是人体中含量最少、但具有已知生物学功能的元素，在一个典型人体中仅含约 110 纳克。

这些原子组合成各种分子，分布于体内数以万亿计的细胞中，而细胞又进一步组织为各类器官——这些器官由大量具有特定结构的细胞构成，执行着各自不可或缺的生理功能。所有器官协同构成了一个完整的人体。在所有系统中，与意识关系最密切的是神经系统，尤其是人脑。对于我们大多数人来说，有一个几乎不言自明的假设：“意识当然起源于大脑”，以至于这一观点极少受到质疑。如果这一假设成立，那么我们若要研究人类意识，似乎就只能从研究人脑入手，别无选择。

人类心智是现代科学的一大谜团，因为我们尚无法充分解释大脑整体的运作机制，尤其是意识的本质。然而，一个合理的“零假设”是，电流——即电子的流动——是驱动我们感知意识的主要因素。尽管量子效应可能在其中有所作用，但假设意识本质上是电流流动以外的其他现象，则属于不必要的复杂化。

你或许会疑惑：大脑究竟如何产生意识？其运作机制又是什么？首先，我们可以相对确定地探讨大脑的构成。人类大脑主要由两类细胞组成：

· 神经元——负责传递电信号与化学信号；· 神经胶质细胞——这类细胞的特点在于不产生电脉冲，目前学界认为它们构成了支撑神经元功能的基质。

几乎所有关于意识的探讨都聚焦于神经元，却普遍忽视了神经胶质细胞。这种倾向表面看来不无道理——毕竟，活着的人（具有意识）与死去的人（丧失意识）最显著的差异，确实在于是否存在神经电活动。一旦消除这些电信号，意识便会随之消失。

然而，神经胶质细胞很可能在意识形成过程中扮演着关键角色，尽管目前学界对这一机制的认识仍十分有限。已知的神经胶质细胞可分为四类：室管膜细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞。它们各司其职：

· 室管膜细胞 负责生成脑脊液并促进神经再生；· 星形胶质细胞 通过生化调控血脑屏障细胞为神经元提供营养支持；· 小胶质细胞 发挥免疫功能，维持大脑正常运作；· 少突胶质细胞 则对神经元轴突起支撑和绝缘作用。

小胶质细胞（绿色）是四类主要神经胶质细胞中体积最小的一种，在大脑健康维护和功能运作中承担着多项关键职责。虽然学界认为它们为神经元提供支持作用，但其在意识现象中的具体贡献仍有待量化研究。

此外，大脑的构成还包括血管、无机盐类、分化组织（灰质与白质），其表面由三层不同的脑膜（保护性被膜）所覆盖：硬脑膜、蛛网膜和软脑膜。

在探讨意识时，人们通常存在以下基本假设：

当前对意识的研究主要基于这一理论框架展开。研究者通常采用功能性核磁共振技术，观测受试者在不同生理状态下的脑部活动——包括清醒与麻醉状态、平静与兴奋状态、觉醒与睡眠状态（区分快速眼动睡眠与非快速眼动睡眠）、长期记忆形成与非形成状态等——通过系统记录各类脑神经活动的存在与否，试图建立神经元放电模式与人类主观体验状态之间的对应关系。

必须指出的是，这类实验设计虽然为探索大脑工作机制提供了重要数据，但其理论基础是将意识现象完全归因于大脑经典电活动。这一假说固然具有合理性，但绝非解释意识起源的唯一可能路径。

共聚焦显微镜下的果蝇大脑图像显示，虽然任何动物的大脑运作机制尚未被完全阐明，但现有证据充分表明：我们称之为意识 的现象，很可能源于大脑及全身的电生理活动。更进一步说，人类在动物乃至其他生物中拥有意识并非独一无二。

生物体内（包括大脑中）存在着多种生理功能，这些功能不仅依赖于单纯遵循经典物理学的电化学信号传导，更暗示甚至必须借助某种量子相互作用机制。例如，某些动物能够通过磁感应等量子效应感知地球磁场来导航定位。研究显示，大脑神经活动的经典物理学模型与量子力学的概率波方程具有数学等价性。量子效应在光合作用中至关重要，而神经元亚结构中广泛存在的色氨酸分子网络更展现出量子超辐射现象。

关于意识本质的一种前沿假说认为，其根源并非传统的电化学神经冲动，而是细胞内微管结构中的量子纠缠效应。该理论指出，神经元内的微管不仅调控细胞的运动、生长和形态等基础功能，更可能是实现量子信息处理的关键位点——这一过程或许构成了意识的物质基础。相关实验发现，清醒状态下微管内的激光激发能产生长程传播效应，而麻醉状态下该现象则完全消失。值得注意的是，除麻醉学领域外，学界普遍认为“意识”不能简单等同于“无意识”的对立面。正因如此，这一量子意识理论目前仍属于非主流学说。

自然神经元通过突触相互连接，当突触连接增强时，神经元更倾向于同步放电——这正是大脑学习时发生的现象。人工神经网络将这些神经元建模为带有特定数值编码的节点，节点之间的连接强度会根据它们数值的相似性而增强或减弱。

然而我们必须追问：究竟该如何界定"意识"这一概念？多数人采取类似美国最高法院大法官波特·斯图尔特对色情内容的判定标准——"我看到时自然能辨识"。但这种定义方式本质上具有主观任意性，学界至今未能就意识的本质定义达成共识。

这一根本性问题引发系列追问：

· 是否所有人类个体都具有意识？该范畴是否涵盖新生儿、处于睡眠状态的个体，乃至子宫内的胎儿？· 非人动物是否具有意识？从犬科、猫科到马科、鸟类等具备中枢神经系统的生物，均表现出显著的个体偏好与行为特异性（即俗称的"个性"），此类现象已获多项科学研究证实。这是否意味着大脑就是产生意识的充分必要条件？· 无脑生物是否具备意识功能？正如许多学者指出，某种基础层面的主观觉知能力——即生物体作为统一整体，能够针对环境刺激作出自我保护与维持生存的协调反应——或许就构成了意识的原始形态。

这确实是个极其棘手的难题：如何为"意识"确立一个获得普遍认同的定义。在我们能够探讨"意识是否具有量子特性"这类深层问题之前，首先必须解决这个悬而未决的根本性问题——"意识究竟是什么？"

有一类引人入胜的生物体——管水母，它们实际上是由许多小型生物体共同组成的群体生物。这些生命形式模糊了多细胞生物与群体生物之间的界限。由于管水母能够作为一个统一整体对环境刺激作出反应，从某种意义上说，整个群体可能具有某种超越其组成部分简单行为的 意识 特征。

这些看似科学问题的探讨，确实存在着诸多关于意识的科学理论与假说，更有大量已开展并记录在案的科学实验涉及这些（及相关的）核心议题。然而，在缺乏公认且严谨定义的情况下，我们尚不能断言对意识的研究已达到真正科学化的阶段。正如四百年前的化学、一千年前的物理学或五千年前的天文学，当前的意识研究正处于科学的萌芽时期——这种处于襁褓阶段的科学探索，本质上仍未超越哲学思辨的范畴。

事实上，我所听过最具说服力的意识定义并非来自任何领域的科学家，而是出自已故哲学家丹尼尔·丹尼特之口。他简明扼要地提出：意识即是理解"我是我"的能力，或者说，拥有我们称之为"自我"的内在概念。人类显然已跨越这一认知门槛——当你呼唤两只狗中其中一只的名字时，被叫到名字的狗会作出与另一只不同的反应，这表明犬类同样具备这种能力。由此可见，意识或许并非人类及其大脑独有的特性，而更可能是生命本身涌现属性的一种物理表征。

这幅插图展示了现存多种人类、猴类和猿类的头骨标本。较原始的猿类虽具有比人类更小的颅容量和脑体积，但图中展示的所有标本都被认为已达到我们称之为 意识 的认知水平。许多进化程度较低的生物——甚至可能所有生命体——在某种程度上都理应被视为具有意识。

从这些讨论中，我们可以得出一个关键启示：当面对任何声称能解释意识的理论时，必须审慎思考以下几个核心问题：

· 该理论采用何种意识定义？这个定义是否至少能在定性层面进行验证？· 就解释力而言，一个合格的意识理论必须能够提出可验证的预测。如果这些预测无法通过实验、测量和观察得到证实，就应当证伪该理论。那么，该理论具体提出了哪些可验证的预测？· 最重要的是，该理论能否阐明：我们所谓的意识如何仅从物理实体中涌现，而无需诉诸于物理现实之外的任何神秘属性？

若某个理论未能明确回答上述三类问题中的任何一项，那么它所提供的就称不上是对意识的真正解释，充其量只是一个尚未成熟的构想雏形。必须承认，当前确实存在诸多非物理主义的意识理论，但这些理论都未能达到科学意义上的理论标准，仅仅停留在非正式的思辨层面。如果我们想要理解我们在物理现实中观察到的事物是如何运作的，其解释必然需要建立在物理基础之上——无论是基于基本物理法则、涌现特性，还是二者的结合体。当今科学界仍有许多未解之谜，意识便是其中之一。但这并不值得沮丧，正如我大学时代的微分方程教授所言：

意识确实是个异常复杂的难题——我们甚至连其确切定义都难以达成，遑论彻底破解。但需要明确的是，意识与其他物理现象一样，都是客观现实的重要组成部分。任何试图将其剥离于物理现实的理论，从出发点就存在根本缺陷：因为这已然背离了科学的基本立场。

来源：大力财经