光子糾纏可以解釋意識背后的快速腦信號

理解意識的本質是科學界最難的問題之一。一些科學家認為量子力學，尤其是量子糾纏，是解開這一現象的關鍵。

現在，中國的一個研究小組已經證明，在覆蓋神經纖維的髓鞘內可以產生許多糾纏光子。這可以解釋神經元之間的快速通信，迄今為止，這種通信速度一直被認為低于聲速，太慢以至于無法解釋神經同步是如何發(fā)生的。

該論文發(fā)表在《物理評論E》雜志上。

陳永聰在給 Phys.org 的一份聲明中表示：“如果進化的力量在于尋求遠距離的便捷行動，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中心和上海大學物理系的教授。

大腦通過向神經元之間發(fā)射突觸電信號進行內部溝通，突觸是神經組織的主要組成部分。意識(以及其他大腦活動)依賴于數百萬個神經元的同步活動。但這種精確同步的發(fā)生方式尚不清楚。

神經元之間的連接稱為軸突(類似于電線的長結構)，覆蓋它們的是一層由髓鞘(一種由脂質構成的白色組織)制成的涂層(“鞘”)。

髓鞘由多達數百層組成，它不僅能隔離軸突，還能塑造軸突并向軸突傳遞能量。(實際上，一系列這樣的鞘沿著軸突的長度延伸。髓鞘通常長約 100 微米，它們之間有 1 到 2 微米的間隙。)最近的證據表明，髓鞘在促進神經元之間的同步方面也發(fā)揮著重要作用。

但是信號沿軸突傳播的速度低于聲速，有時甚至低于聲速——太慢了，無法產生數百萬個神經元同步，而這些同步是大腦能夠完成的所有驚人事情的基礎。

為了解決這個問題，陳和他的同事研究了軸突-髓鞘系統(tǒng)內是否存在糾纏光子，通過量子糾纏的魔力，可以在所涉及的距離內即時通信。

三羧酸循環(huán)釋放營養(yǎng)物質中儲存的能量，并在循環(huán)過程中釋放出一連串紅外光子。這些光子與脂質分子中碳氫 (CH) 鍵的振動耦合，并將其激發(fā)到更高的振動能態(tài)。當該鍵隨后轉變?yōu)檩^低的振動能態(tài)時，它會釋放出一連串光子。

該中國研究小組將腔量子電流體動力學應用于髓鞘包圍的完美圓柱體，合理地假設髓鞘的外壁是一個完美的圓柱形導電壁。

他們利用量子力學技術，量化腔內的電磁場和電場以及光子(即將它們全部視為量子對象)，然后通過一些簡化的假設求解所得方程。

這樣就得到了兩個光子與腔內物質相互作用的系統(tǒng)的波函??數。然后，他們利用科學博學家約翰·馮·諾依曼開發(fā)的經典熵的擴展，通過確定量子熵(無序性的度量)來計算光子的糾纏度。

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

導電壁限制了圓柱體內可以存在的電磁波模式，使圓柱體成為一個電磁腔，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致髓鞘腔內頻繁產生高度糾纏的光子，與兩個未糾纏的光子相比，其產生率可以顯著提高。

糾纏意味著雙光子狀態(tài)不是兩個光子狀態(tài)的經典組合。相反，測量或與其中一個光子相互作用會立即影響第二個光子的相同屬性，無論距離有多遠。

糾纏現象已在成員相距 1,000 公里以上的系統(tǒng)中得到證實。古典物理學中不存在類似現象;它純粹是一種量子現象。在這里，糾纏將提高沿髓鞘部分(包裹軸突長度的片段)進行更快信號傳輸的可能性。

作者寫道，一種可能性是光子的糾纏可以轉變?yōu)樯窠浽锈涬x子通道的糾纏。如果是這樣，一個通道的打開和關閉可能會影響其他地方另一個通道的性能。

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

“我們不會說存在直接聯(lián)系。在這個早期階段，我們的主要目標是確定神經同步的可能機制，這會影響許多神經生物學過程。通過這項工作，我們希望獲得更好的理解。”

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