光子糾纏可以解釋意識(shí)背后的快速腦信號(hào)

理解意識(shí)的本質(zhì)是科學(xué)界最難的問(wèn)題之一。一些科學(xué)家認(rèn)為量子力學(xué)，尤其是量子糾纏，是解開(kāi)這一現(xiàn)象的關(guān)鍵。

現(xiàn)在，中國(guó)的一個(gè)研究小組已經(jīng)證明，在覆蓋神經(jīng)纖維的髓鞘內(nèi)可以產(chǎn)生許多糾纏光子。這可以解釋神經(jīng)元之間的快速通信，迄今為止，這種通信速度一直被認(rèn)為低于聲速，太慢以至于無(wú)法解釋神經(jīng)同步是如何發(fā)生的。

該論文發(fā)表在《物理評(píng)論E》雜志上。

陳永聰在給 Phys.org 的一份聲明中表示：“如果進(jìn)化的力量在于尋求遠(yuǎn)距離的便捷行動(dòng)，那么量子糾纏將是這一角色的理想候選者。”陳永聰是上海定量生命科學(xué)中心和上海大學(xué)物理系的教授。

大腦通過(guò)向神經(jīng)元之間發(fā)射突觸電信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部溝通，突觸是神經(jīng)組織的主要組成部分。意識(shí)(以及其他大腦活動(dòng))依賴于數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的同步活動(dòng)。但這種精確同步的發(fā)生方式尚不清楚。

神經(jīng)元之間的連接稱為軸突(類似于電線的長(zhǎng)結(jié)構(gòu))，覆蓋它們的是一層由髓鞘(一種由脂質(zhì)構(gòu)成的白色組織)制成的涂層(“鞘”)。

髓鞘由多達(dá)數(shù)百層組成，它不僅能隔離軸突，還能塑造軸突并向軸突傳遞能量。(實(shí)際上，一系列這樣的鞘沿著軸突的長(zhǎng)度延伸。髓鞘通常長(zhǎng)約 100 微米，它們之間有 1 到 2 微米的間隙。)最近的證據(jù)表明，髓鞘在促進(jìn)神經(jīng)元之間的同步方面也發(fā)揮著重要作用。

但是信號(hào)沿軸突傳播的速度低于聲速，有時(shí)甚至低于聲速——太慢了，無(wú)法產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元同步，而這些同步是大腦能夠完成的所有驚人事情的基礎(chǔ)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，陳和他的同事研究了軸突-髓鞘系統(tǒng)內(nèi)是否存在糾纏光子，通過(guò)量子糾纏的魔力，可以在所涉及的距離內(nèi)即時(shí)通信。

三羧酸循環(huán)釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中儲(chǔ)存的能量，并在循環(huán)過(guò)程中釋放出一連串紅外光子。這些光子與脂質(zhì)分子中碳?xì)?(CH) 鍵的振動(dòng)耦合，并將其激發(fā)到更高的振動(dòng)能態(tài)。當(dāng)該鍵隨后轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的振動(dòng)能態(tài)時(shí)，它會(huì)釋放出一連串光子。

該中國(guó)研究小組將腔量子電流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于髓鞘包圍的完美圓柱體，合理地假設(shè)髓鞘的外壁是一個(gè)完美的圓柱形導(dǎo)電壁。

他們利用量子力學(xué)技術(shù)，量化腔內(nèi)的電磁場(chǎng)和電場(chǎng)以及光子(即將它們?nèi)恳暈榱孔訉?duì)象)，然后通過(guò)一些簡(jiǎn)化的假設(shè)求解所得方程。

這樣就得到了兩個(gè)光子與腔內(nèi)物質(zhì)相互作用的系統(tǒng)的波函??數(shù)。然后，他們利用科學(xué)博學(xué)家約翰·馮·諾依曼開(kāi)發(fā)的經(jīng)典熵的擴(kuò)展，通過(guò)確定量子熵(無(wú)序性的度量)來(lái)計(jì)算光子的糾纏度。

陳在聲明中表示：“我們證明了，在某些情況下，兩個(gè)光子確實(shí)可以有更高的糾纏率。”

導(dǎo)電壁限制了圓柱體內(nèi)可以存在的電磁波模式，使圓柱體成為一個(gè)電磁腔，大部分能量都集中在其中。這些模式與自由空間中存在的連續(xù)電磁波(“光”)不同。

正是這些離散模式導(dǎo)致髓鞘腔內(nèi)頻繁產(chǎn)生高度糾纏的光子，與兩個(gè)未糾纏的光子相比，其產(chǎn)生率可以顯著提高。

糾纏意味著雙光子狀態(tài)不是兩個(gè)光子狀態(tài)的經(jīng)典組合。相反，測(cè)量或與其中一個(gè)光子相互作用會(huì)立即影響第二個(gè)光子的相同屬性，無(wú)論距離有多遠(yuǎn)。

糾纏現(xiàn)象已在成員相距 1,000 公里以上的系統(tǒng)中得到證實(shí)。古典物理學(xué)中不存在類似現(xiàn)象;它純粹是一種量子現(xiàn)象。在這里，糾纏將提高沿髓鞘部分(包裹軸突長(zhǎng)度的片段)進(jìn)行更快信號(hào)傳輸?shù)目赡苄浴?/p>

作者寫道，一種可能性是光子的糾纏可以轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)元中鉀離子通道的糾纏。如果是這樣，一個(gè)通道的打開(kāi)和關(guān)閉可能會(huì)影響其他地方另一個(gè)通道的性能。

陳告訴 Phys.org，他們的研究結(jié)果是兩種存在但仍然很大程度上神秘的現(xiàn)象的結(jié)合：意識(shí)(更不用說(shuō)量子意識(shí))和量子糾纏。

“我們不會(huì)說(shuō)存在直接聯(lián)系。在這個(gè)早期階段，我們的主要目標(biāo)是確定神經(jīng)同步的可能機(jī)制，這會(huì)影響許多神經(jīng)生物學(xué)過(guò)程。通過(guò)這項(xiàng)工作，我們希望獲得更好的理解。”

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