协调客观还原

逻辑学家库尔特·哥德尔

1931年，数学家、逻辑学家库尔特·哥德尔提出了哥德尔不完备定理，证明了任何一个包含基本算术的系统都不可能是既自洽又完备的。换句话说，一个形式系统不能证明其自身的自洽性。类似的表述也被用来说明人类受到与机器相同的限制。[16]然而，彭罗斯在其首部关于意识的书籍《皇帝新脑》（1989年）中则提出，哥德尔所说的那些无法证明的结论可以被人类数学家证明。 [17]他认为这种差异意味着人类数学家不能被描述为形式证明系统，因此采用的是不可计算的物理过程。这被称为彭罗斯–卢卡斯论证。

如果这一说法是正确的话，我们仍需要解释大脑中不可计算行为的物理基础。大多数物理定律是可计算的。但彭罗斯认为波函数坍缩是不可计算的，因而或许能够用来解释这种不可计算的过程。在量子力学中，粒子的处理方式与经典力学不同，是由根据薛定谔方程演化的波函数来描述的。非定态波函数是系统本征态的线性叠加。当一个量子系统与一个经典系统相互作用时（即一个可观察量被测量时），从经典角度来看系统坍缩到了该可观察量的一个随机的本征态上。

如果坍缩是完全随机的，那么没有任何过程或算法可以确定性地预测其结果。彭罗斯认为坍缩过程或许能够作为他所假设的大脑中不可计算过程的物理基础。然而，他觉得由环境诱导的坍塌中的随机性很难真正作为大脑理解数学的基础。彭罗斯于是提出孤立系统可能会经历一种新的波函数坍缩，他称之为客观还原（，简称），或称为客观坍缩（）。[7]

彭罗斯试图用他关于时空结构的想法来调和广义相对论和量子理论。[17][18]他提出，在普朗克尺度上弯曲时空不是连续的，而是离散的。他进一步假设每个分离的量子叠加态都有其自身的时空曲率，可以看成是时空中的“小水泡”。彭罗斯认为引力对这些时空“小水泡”施加了作用，使其在普朗克尺度（10^-35米）以上变得不稳定并坍缩为可能的本征态之一。彭罗斯的不确定性原理给出了客观还原的粗略阈值：

${\displaystyle \tau \approx \hbar /E_{G}}$

其中

• ${\displaystyle \tau }$是发生客观还原需要的时间，
• ${\displaystyle E_{G}}$是叠加质量引起的引力自能量或时空的分离程度，
• ${\displaystyle \hbar }$是约化普朗克常数。

因此，一个物体的质能越大，它经历客观还原的速度就越快，反之亦然。原子级别的叠加需要1000万年才能达到客观还原阈值，而一个孤立的1千克重的物体仅需10^-37秒便能达到阈值。介于这两个尺度之间的物体可能会在与神经处理相关的时间尺度上坍缩。[7]

彭罗斯理论的一个基本特征是，当客观还原发生时，状态的选择既不是随机的，也不是由算法决定的。相反，状态是经由嵌入在普朗克尺度的时空几何中的一种“不可计算”的过程选择的，是时空结构的内在特性。彭罗斯声称这些信息是柏拉图式的，代表着纯粹的数学真理，进而与彭罗斯关于三个世界（物理世界、精神世界和柏拉图数学世界）的思想有关。在《意识的阴影》（1994年）一书中，彭罗斯曾简要地指出，这个柏拉图世界也可能包括审美和伦理价值，但他并没有对其进一步地研究。 [18]

彭罗斯–卢卡斯论证受到一些数学家[19][20][21]、计算机科学家[12]、哲学家[22][23][9][10][11]的批评， 他们从不同角度质疑这一论证。[24][25][26][27]马文·闵斯基认为，既然人类可以相信错误的想法是真实的，人类对数学的理解就不需要是自洽的，因而意识可以具有确定性的基础。 [28]所罗门·费弗曼认为，数学家的研究进展不是通过对证明的机械搜索，而是通过试错推理、洞察力与灵感，这些是机器没有的方法。 [20]

彭罗斯在《皇帝新脑》中从数学的角度、特别是以哥德尔定理为基础，概述了他对意识起源的理解，这可是看作是协调客观还原模型的前身，但当时他还没有提出一个具体如何在大脑中实现这种量子过程的详细假说模型。从事癌症与麻醉研究工作的斯图尔特·哈默罗夫对大脑过程十分有兴趣，他在读了彭罗斯的书后向他建议神经元内的微管可能是大脑中进行量子处理并最终导致意识的位置所在。[29][30]两人在1990年代就协调客观还原理论进行了合作，而彭罗斯也在《意识的阴影》（1994年）一书中发表了该理论。 [18]

哈默罗夫对该理论的贡献源于他对神经细胞骨架、特别是对微管的研究。[30]随着神经科学的进展，细胞骨架和微管的作用变得愈发重要。除了提供结构支持外，微管的功能还包括轴浆传输和控制细胞的运动、生长与形状等。[30]

协调客观还原模型将彭罗斯–卢卡斯论证与哈默罗夫关于微管中量子处理的假设相结合。它提出，当大脑中的凝聚体经历客观波函数坍缩时，这种坍缩将非计算的大脑决策功能与时空基本几何结构联系起来。该理论进一步提出，微管既影响神经元之间突触的常规活动，也受其影响。

微管计算

A：轴突末梢通过突触释放神经递质，并被神经元树突棘中的微管接收。
B：模拟的微管蛋白改变状态。[1]

哈默罗夫提出微管是量子处理的合适候选者。[30]微管由微管蛋白亚基组成。微管蛋白二聚体拥有疏水性袋，可能含有离域的π电子。微管蛋白还包括其他更小的非极性区域，例如每个微管蛋白有8个色氨酸，其中包含分布在整个微管蛋白中的富含π电子的吲哚环，间距约为2纳米。 哈默罗夫声称2纳米已经足够小到能引发微管蛋白π电子的量子纠缠。[31]在纠缠过程中，粒子状态变得不可分。哈默罗夫起初在《宇宙学杂志》上发文指出微管蛋白亚基电子会形成玻色–爱因斯坦凝聚。 [32]他后来又提出了弗勒利希凝聚的可能性，这是一种假设的偶极分子的相干振荡。哈默罗夫推断，这种凝聚行为会放大纳米级量子效应，从而对大脑产生大规模影响。不过这遭到了赖默斯（）的反对。[33]哈默罗夫随后回应了赖默斯，认为他们并没有证明微管中相干的弗勒利希凝聚是不可行的，指出赖默斯的模型微管所基于的哈密顿算符并不是源于真正的微管结构，而只是简单的线性振荡器链。

哈默罗夫随后提出，一个神经元微管中的凝聚体可以通过电突触的间隙连接与其他神经元和神经胶质细胞中的微管凝聚体连接。[34][35]他认为细胞之间的间隙足够小到能使量子物体穿过，使它们能够延展到大脑的大面积区域。一些理论认为间隙连接与γ振荡有关，于是他进一步假设，这种大规模量子活动便是40赫兹γ波的来源。[36]

协调客观还原模型受到一些物理学家[13][39][33][40][41]和神经科学家[42][43][44]的批评，他们认为这并不是一个完善的大脑生理模型。 该模型也因缺乏解释力而受到批评。哲学家帕特里夏·丘奇兰德写道：“突触中的精灵尘埃的解释力与微管中的量子相干性一样强大。” [45]

• 亚利桑那大学意识研究中心 （页面存档备份，存于）
• 量子心灵网站 （页面存档备份，存于）