我们为什么害怕低温疗法?

利用先进的低温冷却方法,我们已经可以把大脑活动水平降到极低,将心脏停止跳动之后的死亡时间往后大大推迟。

“一些面色苍白、身体虚弱的人晕倒了,僵直地死在雪地上……他们看起来走得无知无觉,不知道要往哪里去……总而言之,当无法继续行走,既没有力量,也没有意志时,他们就会跪倒在地……他们的脉搏微弱,不易察觉;有些人呼吸很少,几乎感觉不到,只是和其他人一起抱怨和呻吟。有时候眼睛会睁开,眼神定住,没有光泽,呆滞,散乱,而大脑已经陷入了平静的精神错乱中。”

  这是法国医生皮埃尔·让·莫里绍-博普雷(Pierre Jean Moricheau-Beaupré)在1826年出版的《一篇关于寒冷作用和性质的论述》(A Treatise on the Effects and Properties of Cold)中描写的场景。这是对失温症最初和最完整的描述之一。所谓失温症,指的是人体温度下降到危险程度(35摄氏度以下)时的现象。莫里绍-博普雷描写的是他在1812年随拿破仑军队从莫斯科撤军时的经历,要等到将近80年后,“失温症”这个医学术语才会出现。

  失温症的英文“hypothermia”来源于希腊语,由表示“之下”的“hypo”和表示“热度”的“therme”组成。根据温度下降的程度不同,失温症有不同的症状,但最开始会表现为颤抖、协调性下降、动作吃力和失去方向感。极端情况下,患者心律会显著降低,同时记忆出现问题,思维混乱。在体温进一步降低之后,患者会开始做出不理智的决定,变得语无伦次。他们甚至会脱掉衣服,在临时之前寻找局限的空间(比如尝试钻进洞里)。目前我们还不是很清楚这一切发生的确切原因。

  然而,现在一些医生却在治疗中引入了这种令人难以忍受的病症,用来减缓病人的新陈代谢,使其存活下来。在科学界争论了几十年之后,如今失温症反而成为了阻挡死神步伐的工具。失温症的治疗价值在于它能够搁置细胞的生理学需要;毕竟,如果细胞在寒冷状态下变得迟钝,不需要那么多氧气和其他营养物质的话,那么在创伤或心脏骤停导致血液流动缓慢的情况下,病人的生命就能维持得更久。失温症和所谓“暂停生命”(suspended animation)的联系并不是巧合,后者是通过外在方法(如医疗科技)使人体进入冷冻状态。许多人希望这种方法能用在前往火星和第二个地球的太空旅程上,使宇航员的身体能保存多年时间。尽管失温症的确切机制十分复杂,但它却能减缓新陈代谢,在正常血液循环恢复之前推迟缺氧造成的损伤。

  低温疗法甚至已经开始界定生命的边界。过去,生与死的分隔只是心跳停止。后来,人们认识到大脑还可以在脉搏消失之后存活一段时间,心脏骤停的人只要大脑还未死亡,就可以再抢救回来。不过,血液循环停止之后,大脑存活的时间也非常有限。

  近年来,利用先进的低温冷却方法,我们已经可以把大脑活动水平降到极低,将心脏停止跳动之后的死亡时间往后大大推迟。这些成果可以使研究者拓展他们对濒死体验的研究。随着心肺复苏技术的发展,濒死体验的案例越来越多,一些已经报告心脏死亡的人在一段时间之后又重新“复活”。此外,低温冷却技术也重新点燃了对人体休眠的研究,通过低温冷却技术,宇航员可以度过漫长的星际旅程,对更遥远的星球进行探索。

  低温疗法最初只是作为局部治疗的手段。目前已知最早的应用记录出现于《艾德温·史密斯纸草文稿》(Edwin Smith Papyrus)。这是人类最早的医学著作,可以追溯到公元前3500年。艾德温·史密斯是这份手稿的第一位已知持有者,他在1862年从卢克索的一位交易商那里买到了这份手稿,后来文稿也以他为名。在大约公元前4、5世纪时,希腊的希波克拉底医学院提出用雪来包裹病人以治疗出血,可能是认为这样可以收缩血管。不过,直到18世纪时,一位名为詹姆斯·柯里(James Currie)的利物浦医生才实施了已知最早的全身低温治疗。他把健康的志愿者——都必须有献身的准备——浸没在温度低至6.5摄氏度的冷水里,时间长达45分钟。他试图借此找到方法来治疗沉船事故中遭受冷水创伤的水手。计量准确的温度计为詹姆斯·柯里的研究提供了巨大的帮助。

  在现代医学的曙光期之后,训练有素的医生通过科学方法进行诊断和治疗逐渐成为标准,情况又有了变化。美国神经外科医生坦普尔·费伊(Temple Fay)进行了颇具争议的先驱性研究,为低温疗法提供了依据。20世纪20年代晚期,当费伊还是一位医学生的时候,他被问到为什么转移性癌症很少出现于四肢。当时他还没有答案,但最后他提出,这是因为人的四肢具有相对较低的温度。他天才地把这一现象与他在自家位于马里兰州的农场里观察到的现象——温度降低会抑制小鸡胚胎的生长——联系起来。这就像一个“尤里卡”式的瞬间。到了1929年,费伊已经在费城的天普大学获得了教授席位。很快他就开始研究全身冷却的基础方法,比如用冰块包裹病人,并设计出多种用于局部冷却、可以放入颅骨之内的工具,包括一些体积较大、从今天的标准看来相当粗糙的设备。

  然而,费伊的原始方法激发了医院病房的批评和混乱。他在手术室里使用了大量的冰块——可以用浴缸装,价值高达150磅——时间可长达48小时。冰块的融水导致手术室一直处于水流不止的状态,必须不断吸水。而且,他冷却房间的方法就是简单地把窗户打开,不仅病人会暴露在当地严寒的冬天里,医院全体医护人员也遭了秧。最关键的是,当时还没有专门为这一用途设计的体温计(通常只能测直肠体温),体温计的准确性也有缺陷(当时的体温计还没有低于34摄氏度的刻度)。这一切使费伊在医护人员中变得极为不受欢迎,据一份报告称,医护人员曾经反抗过他的人体“冷却服务”。

  然而,费伊是天才的。在一份早期报告中,他引用了两个数据作为冷却疗法的结果,分别是11.2%的死亡率和95.7%的疼痛缓解率。关键在于,这些实验揭示了人类不仅可以忍受持续数天的低温(低至32摄氏度),而且在苏醒时病情会显著改善。

  直到20世纪80年代中期,麻醉科医师彼得·沙法(Peter Safar,1924年出生于维也纳,是心肺复苏的创始人)才不顾低温疗法的污点,开始大胆地进行实践。他在美国匹兹堡大学用狗作为医学模型,证实在心脏骤停之后,适度的大脑降温(33到36摄氏度)可以显著改善神经病理学情况,避免大脑损伤。通过这些发现,彼得·沙法成功复兴了低温疗法研究。他发明的疗法被称为“假死延迟复苏”(suspended animation for delayed resuscitation)。

  后来,一些在冷水浸没情况下存活下来的病例也促进了低温疗法的研究。例如,1999年,一位名为安娜·博根霍姆(Anna B?genholm)的实习医生在挪威北部滑雪时发生事故,发生了心脏骤停。她在冰层覆盖的冷水中待了80分钟,在四个小时没有脉搏之后,她的心脏又重新开始跳动,最终存活下来。

  新千年初,如今已成为休斯敦大学综合医院系统重症监护科主任的约瑟夫·瓦龙(Joseph Varon)将低温疗法提升到了新的高度。2005年,一位经历了溺水事故的游客被从墨西哥空运到休斯敦。“我把他空运到了休斯敦。他已经死了好几个小时。他们使他恢复了心跳,而最终通过冷却疗法,我们不仅使他的大脑恢复功能,而且健康情况良好,”瓦龙说道。该病例报告后来发表在《复苏》(Resuscitation)期刊上。“就在同一年,当教宗若望·保禄二世出现心脏骤停时,”瓦龙补充道,“我被请去梵蒂冈——为他进行冷却。”

  约瑟夫·瓦龙被业内人士称为“急冻医生”(Dr Freeze)。一开始他也像费伊一样受到医院同行的质疑。“当我开始在休斯敦这么做时,我用了大量的冰。我把房间温度降到很低,”瓦龙说道。不久之后,他就开始用降低体温的方法帮助病人预防由各种创伤——包括心脏骤停、中风和肝衰竭等——导致的神经损伤。他经常把病人的体温降到32摄氏度,时间可长达11天。2014年,刚经历中风的他使用低温疗法拯救了自己的生命。“我想到的第一件事就是:把我冷却下来!”瓦龙说道。

  瓦龙的低温疗法不断改进。现在,他使用多种先进的设备来进行局部和全身低温治疗,对于刚刚恢复心跳的心脏骤停患者,他通常把他们的体温降到32摄氏度。该技术还包括用水凝胶垫来降低体温的机器、一个控制体温的生物反馈机制,以及一条计算机控制的导管,使患者能在降温的时候保持清醒——进行恰当神经学评估的关键。

  此外,在枪伤或刀刺伤等严重创伤的病例中,研究者已经开始实践一项特别的临床试验。患者会经历极度的低温,体温降到10摄氏度,通常是在没有心跳或呼吸的时候。没错,这就像是在冷却“死者”,但是却能救他们的命。

  体温冷却能使创伤者原本极短的手术窗口期延长,特别是在那些要求不能出现失血的手术中。在匹兹堡和巴尔的摩一些严重创伤(枪伤和刀刺伤)发生率极高的社区中,研究人员正在进行一项被戏称为“紧急保存与复苏”(Emergency Preservation and Resuscitation,EPR)的试验。EPR被用作最后的救命稻草,应用于那些标准方法已不能奏效,受害者只有5%生存概率的情况。试验过程包括用循环冷却的盐溶液置换病人的血液,避免细胞和组织缺氧损伤。通过这一方法,病人能在一个小时的时间内重新具有心跳,但没有脉搏。试验的目标是通过比较10位接受EPR的病人与另10位没有接受EPR的病人的情况,观察结果是否有改善——即有没有活下来。官方结果目前还处于保密状态,公众无法获知。

  不过,负责这项实验的萨缪尔·提舍曼(Samuel Tisherman)还是非常乐观。他一直致力于推动低温技术的极限。早在20世纪80年代,当还是医学生时,他就与彼得·沙法合作研究“暂停生命”。现在,他的研究对象将接受常规化的冷却,体温从正常的37摄氏度降低到惊人的10摄氏度,时间持续约20分钟。提舍曼解释称:“我们需要快速做完,因为病人已经没有脉搏;整个理念就是减少身体对氧气的需求。”尤其重要的是,他们需要降低心脏和大脑的温度,因为这两个器官对缺氧最为敏感。病人一旦冷却,在没有脉搏或任何血压的情况下,会被转移到手术室。最后,在这些极端的条件下,外科医生将对病人实施手术,修复失血部位和其他损伤。当一切完成之后,医生开始缓慢提高病人的体温。“我们希望,当他们温暖起来之后,心脏会开始跳动,”提舍曼说道。

  当被问到目前试验有什么进展时,提舍曼笑道:“我们正在做这些,这就是进展!”看来我们还需要等待正式的结果公布,但毫无疑问,关键的里程碑时刻或许就在眼前。

  除了在急救上的应用,低温疗法或许有朝一日还能作为某种“暂停生命”,或称“人体休眠”的方式,就像科幻小说里经常描写的那样。这一概念可以追溯到20世纪60年代,当时美国和苏联之间的太空竞赛如火如荼,而现在人们似乎又重新燃起了兴趣,并将其称为“蛰眠”(torpor)。蛰眠可以为太空旅行带来很多好处。它能避免医学并发症,比如肌肉萎缩和骨密度损失,二者都是在零重力环境中长期生活所致。除了这些保护性目的,蛰眠还能带来一些重要的心理学益处。失去意识可以避免太空旅行中,长达数月时间生活在局限空间内所带来的极端压力和厌倦情绪,更不要说一个小团队在如此漫长的时间里可能出现的人际冲突。

  一些太空工程公司,比如总部位于美国亚特兰大的SpaceWorks公司,已经获得了包括美国航空航天局(NASA)“创新先进概念”(Innovative Advanced Concepts)项目在内的资助,正在进行人体休眠的研究。SpaceWorks公司的创新方法强调了可以节省大量的食物,以及废物处置和存储的空间,从而显著减少飞船的重量,进而降低任务成本。“我们通过一个现实可行的构想和他们接触,向他们展示了经济上的利益和实现这一切的数学方法,”美国海军雷摩尔空军基地外科服务部门主任道格拉斯·托克(Douglas Talk)说道。他从2013年开始就致力于SpaceWorks公司的项目。“我是一个医生,同时也是一个热爱科幻的超级书呆子,而这正是这些领域的完美融合!”他说道。

  SpaceWorks公司现阶段的计划包括一个短期形式的蛰眠,可以使太空旅行者每隔两星期就经历一次生命暂停状态。当体温每降低1摄氏度时,他们的新陈代谢速率就会降低大约7%。“我们知道有许多哺乳动物会冬眠,所以问题不是:哺乳动物能冬眠吗?”托克说,“而是:我们如何让人类也冬眠?能不能冬眠?我们知道我们能够做到短期的冬眠,甚至还有研究显示时间可能长达两个星期。”托克提到的是2008年在中国的一个病例,一位因动脉瘤而昏迷的女性被降温冷却了14天,以防止进一步的大脑损伤并促进恢复。不可思议的是,她最后完全康复了。

  单纯从概念上,我们从目前对低温蛰眠的了解可以直接联想到火星探险任务。托克表示,前往火星的旅行将从月球空间站开始,在那里“宇航员会获得一些蛰眠的体验,知道进入和离开蛰眠状态会出现什么情况”。SpaceWorks公司的计划之一是通过手术植入静脉注射管——称为“mediport”,类似目前用于癌症患者接受化疗时所用的经静脉输液港。太空旅行者还会使用一根通到胃里的食管来进行喂食。托克说:“这些事情的并发症发生率非常低。一旦乘员检查完毕,他们将前往蛰眠模块,然后进入他们的床铺,连接上监控和食物供给系统。然后,我们将降低他们居所的温度。我们启动蛰眠的方式与医院里的所做的不同——他们会使用大量的镇静药物。我们会使用药剂把核心体温降到32摄氏度,并降低代谢速率。”

  研制这种药剂是托克及其同事的主要目标之一。他们已经在猪身上进行了成功的试验。这一步很关键,因为“这是第一次通过药学方法使一种不冬眠的哺乳动物接近冬眠状态”。经过在月球基地的训练,太空旅行者将轮流进入蛰眠状态,确保一直有人负责其他人在蛰眠时的安全。

  在空间和时间上改变睡眠的自然属性可能会导致人类的内在特征发生改变。“按需冬眠”的能力意味着我们已经超越了内在的昼夜节律。我们的遗传学基础要求我们的生物学功能要与地球自转的节律同步。这种同步对调节睡眠模式、吃饭时间、荷尔蒙释放、血压和体温变化等是必不可少的。昼夜节律已经是我们作为人类的重要特征。如果低温冬眠的状态能使新陈代谢降到极低水平,并暂停我们的生物节律需求,那它会不会有延迟衰老的作用呢?火星旅行者能否重新获得在漫长往返旅途中用于蛰眠的时间呢?或者,畅想一下遥远的未来,星际探险者是否会在离开几百年甚至上千年之后才回到地球?

  托克并不确定人体冬眠是否会颠倒昼夜节律,但他表示,在人体中找到一个基础的、能触发冬眠的遗传学机制是有可能的。“最前沿的研究表明,存在某种被称为冬眠诱导触发子(hibernation-inducing trigger,HIT)的东西,”托克说,“这是一些存在于身体中,能触发冬眠和忍耐冬眠状态的化学物质。我认为在我们的DNA中,有某些片段具有以同样方式触发冬眠的能力,而这种能力已经在我们的演化过程中丢失了。”

  另一个对我们自身存在感的挑战来自于死亡边界的扩展。我们曾经把死亡定义为“心脏死亡”。当心脏停止跳动时,就意味着人已经死亡。后来我们把死亡的定义扩展为“脑死亡”——脑电波消失意味着你再也无法复活。现在,通过低温疗法,那些表现出心脏死亡和脑死亡症状的失温症患者也能被拯救回来,生命的边界再一次向外延伸。

  想一想1999年博格霍姆在滑雪事故之后接受治疗的那家挪威医院。在她之前,所有入院时没有脉搏的失温症患者都去世了——存活率为0。然而,在院方意识到患者的脑活动还能在心脏停止跳动之后持续数个小时,甚至可能长达数天时,他们开始尝试更为激进的复苏手段,使存活率提高到至少38%。

  在冰冻状态下送入医院的极端病例已经改变了我们对死亡的看法。2011年,一名心脏骤停的55岁男子被送往位于美国亚特兰大埃默里大学的医院,并被置于低温状态,以保护神经系统。经过神经学检查,医生们宣布他已经“脑死亡”。24小时之后他已经被送往摘取器官的手术室。然而,据发表于《重症医学》(Critical Care Medicine)期刊上的文章称,医生们后来观察到他的角膜反射、咳嗽反射和自主呼吸。尽管已经没有了复苏的希望(当然他也没有被活着摘除器官),但这样的例子向长期以来用于判断死亡时间的神经学检查提出了质疑。

  更加不可思议的视角来自那些应用新技术起死回生的病人。萨姆·帕尼亚(Sam Parnia)是美国纽约大学医学院重症和复苏研究的负责人,他做出了一些令人震惊的研究。帕尼亚一直致力于研究低温疗法复苏生命,不仅是为了拯救病人的生命,而且是为了回答一些基础的问题:死亡最终结束是在什么时候?是否可以逆转?我们能从死亡的另一面获得什么?以及意识在什么时候真正停止?他最近的研究工作表明,意识在心脏停止跳动之后还会持续许多分钟,并且可以通过大脑冷却、减缓细胞死亡的方法继续延长,从而使医生有机会逆转死亡过程,将病人从死亡线上拉回来。帕尼亚的研究中,有许多是通过低温的应用提高了治疗效果,显示大脑在死亡时是“安静平和的”;与多年来许多濒死体验报告的内容一样,在他的研究中,病人也描述了一道亮光的出现。

  低温疗法的进展令人不安,而这或许就是出现那么多争论的原因。部分阻力很现实:低温疗法可能会导致血液凝结大量减少,以及缺氧导致的组织损伤;这些都是造成许多低温意外受害者死亡的原因。事实上,这些症状被称为“死亡三要素”(triad of death,通常指严重创伤时出现的失温、酸中毒和凝血异常)。因此,在如何进行低温治疗的问题上一直没有达成一致。“温度、时间和持续时间将继续是争论的问题。每个人都有个体差异,因此希望找出某种适用于任何人的方法是不可能的,”瓦龙说道。

  从一开始进行EPR试验,提舍曼就一直在与医学界的质疑抗争。他的同事们尤其担心的是血液无法在如此低温的条件下凝结,对于失去脉搏或正在因失血过多而死亡的创伤者来说,这是非常严重的情况。不过提舍曼的回应是,他的病人已经处于极高的死亡风险中。“他们估计只有5%的存活概率,”他说,“那么,为什么不做一些新的尝试呢?”

  另一种批评意见是关于神经学后果。如果一个病人通过EPR从枪击或刀刺伤中存活了下来,之后会不会因为长时间大脑缺氧而导致长期严重的大脑损伤呢?“任何类型的心脏骤停都会伴随一个问题,无论有没有出现创伤,”提舍曼说,“如果你出现心脏骤停,无论有没有参加这个EPR试验,你都有活下来的机会,但也可能出现严重的脑损伤,这是与低温冷却无关的损伤风险。我们到底是增加还是降低了这一风险,我们并不知道。”他进一步指出,这个问题更多是在于能不能活下来。“通常情况下,复苏的病人可能会醒过来,活着并且活得很好,但也可能无法活下来。所以,我们不知道。没错,确实有风险。他们正在死去,而我们需要努力让他们活着并醒过来,”提舍曼说道。

  研究工作继续快速发展。低温疗法的发展已经扩展了意识和死亡的边界,让我们对人类的定义出现了争议,或许还将帮助我们前往其他星球。科学家将继续探索低温疗法带来的益处,开发更加有效的治疗手段,道路可能会十分曲折,并面临诸多困难,但也可能出现新的推动力。莫里绍-博普雷或许会对这一切感到无比惊奇。

原文:https://aeon.co/essays/how-freezing-patients-could-save-lives-and-even-reverse-death

人类思维与量子力学间的奇妙联系

我还是喜欢翻译BBC里那些生物科学方面的长文,这些关于物理的翻完后自己都云里雾里……
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人类思维与量子力学间的奇妙联系:意识到底来自哪里?

 
我们的大脑里发生着什么?我们的大脑里发生着什么?
著名的双缝干涉实验著名的双缝干涉实验

  没有人了解意识到底是什么,以及意识如何运作。同样的,也没有人完全了解量子力学的原理。二者之间,是否存在着某种超越巧合的联系?

  量子力学是物理学家用来描述宇宙中最微小物质的理论。“我无法定义真正的问题所在,因此我怀疑不存在真正的问题,但我并不能肯定不存在真正的问题,”美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在谈到量子力学的困惑和悖论时如此说道。不过,他这番话或许也可以用来描述同样令人纠结的意识问题。

  一些科学家认为,意识是什么的问题已经有了答案,也有人认为意识仅仅是一种幻觉。然而,更多的人认为,我们根本就不知道意识到底来自哪里。长期以来,意识之谜一直困扰着科学家,一些研究者甚至尝试用量子力学来对其进行解释。意料之中的是,这一主张总是受到外界的质疑:用一个未解之谜来解释另一个未解之谜听起来很不可取。不过,这样的想法并非看上去那么荒谬,而且也不是研究者的一时兴起。

双缝实验是一种岩石光子或电子等微观物体波动性和粒子性的实验双缝实验是一种岩石光子或电子等微观物体波动性和粒子性的实验
粒子可以处于两种状态粒子可以处于两种状态

  首先,思维在早期量子理论中扮演着不容忽视的角色——这让物理学家感到很不愉快。其次,量子计算机被认为能完成普通计算机无法做到的任务,这让人想到,大脑也能做到一些人工智能无法做到的事情。“量子意识”虽然广受嘲讽,但并不会消失。

  量子力学是目前用来描述原子和亚原子世界的最佳理论,也被认为是现代物理学的支柱之一。量子力学中最广为人知的谜题或许是这样一个现象:量子实验的结果会因为我们选择测量哪种粒子的性质而发生改变。

  当这种“观察者效应”首次被量子物理学的先驱注意到时,他们感到非常困惑。这似乎推翻了所有科学背后的基础假设:存在一个与我们完全无关的客观世界。如果世界是根据我们是否观察以及如何观察而运作的,那么“现实”的真正含义又是什么呢?

  这些研究者中,有些人不得不做出“客观性”其实是一种幻觉的论断,并认为意识必须被允许在量子理论中扮演一个主动的角色。对其他人而言,这完全讲不通。当然,爱因斯坦也曾经抱怨道,月亮只有在我们看它的时候才存在!

  现在,一些物理学家推测,暂且不论意识是不是会影响量子力学,事实上,意识可能正是源自量子力学。他们认为,我们需要借助量子理论才能完全理解大脑运作的机制。可能是这样吧,或许因为量子物体能同时出现在两个地方,所以量子大脑也能同时拥有两个互相排斥的想法?

  这些观点都纯粹是猜测,量子物理学是否在意识的运作中扮演着重要角色,我们还不得而知。不过,如果不考虑其他,这种可能性本身就显示了量子力学会不可思议地促使我们思考。

  展示思维在量子力学中如何发挥作用的最著名例子当属“双缝实验”。想象一束光照在一块具有两条狭缝的不透明屏幕上,一些光会穿过狭缝,抵达另一块屏幕。

  光可以被视为一种波,当波从两条狭缝穿过之后,它们会互相干涉。如果它们的波峰相同,就会达到加强的效果;如果波峰和波谷重合,它们就会互相抵消。这种波的干涉被称为衍射,会在后一块屏幕上形成一系列明暗交替的条纹,分别是相长干涉和相消干涉的区域。

尤金·维格纳奠定了量子力学对称性的理论基础尤金·维格纳奠定了量子力学对称性的理论基础
物理学家兼数学家罗杰·彭罗斯物理学家兼数学家罗杰·彭罗斯

  这一实验在两百多年前就被用来展示光具有波的行为特征,远早于量子力学的出现。双缝实验还可以用量子粒子(如电子或组成原子的其他微小带电粒子)来做,结果十分违反我们的直观感觉:这些粒子呈现出类似波的行为特征。也就是说,当一束粒子穿过两条狭缝时也会发生衍射,产生干涉图案。

  假设这些量子粒子是一个一个地穿过狭缝,它们也是一个一个地到达屏幕。很显然,并没有什么东西会让这些粒子在运行路线中发生干涉——然而最终的结果就是会出现干涉条纹。这样的结果暗示我们,每个粒子会同时穿过两条狭缝,并且与自己发生干涉。这种“同时经过两条路径”的状态被称为“叠加态”。

  接下来便是真正不可思议的地方。

  如果在其中一条狭缝中(或者就在狭缝之后)放置一个探测器,我们就可以知道任意一个粒子是否穿过这条狭缝。然而,此时干涉现象就会消失。只是观察一个粒子的路径——即使观察行为没有干扰粒子的运动——结果就发生了改变。

  物理学家帕斯库尔·约当(Pascual Jordan)曾经在20世纪20年代师从量子物理学大师尼尔斯·玻尔(Niels Bohr),他曾这样描述:“观察不仅会干扰需要被测量的东西,而且会创造它……我们迫使(一个量子粒子)接受了一个确定的位置。”换句话说,“我们自己制造了测量结果。”

  如果确实如此,“客观真实”似乎就不再存在了,但情况其实更加诡异。

  如果自然的行为变化取决于我们是否“观察”,那我们可以尝试一些小把戏,使自然亮出底牌。为了做到这一点,我们可以测量一个粒子在双缝实验中的路径,但只在它穿过狭缝之后进行测量。届时,这个粒子应该已经“决定”好要选择一条路径还是同时走两条路径。

  美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)在20世纪70年代提出了这样的思想实验,而在下一个十年就有人进行了这个“延迟选择”实验。实验中采用了很聪明的技术方法,对量子粒子(光子)的路径——此时应该已经做出了单一路径或叠加态的选择——进行了测量。

  实验的结果正如玻尔所预测的那样,我们的测量是否延迟其实并没有什么不同。只要我们在光子到达探测器之前进行测量,结果就是注定的,所有干涉都会消失。大自然似乎不仅“知道”我们在观察,而且知道我们想要去观察。

细胞内部的微管细胞内部的微管
磷能否维持量子态?磷能否维持量子态?

  在这些实验中,无论我们在何时发现了一个量子粒子的路径,它的可能路线就会“塌缩”到单一的明确状态。此外,延迟选择实验的结果显示,纯粹的观察,而非测量引起的任何物理干扰,就可以导致塌缩。但是,这是否意味着真正的塌缩只会发生在测量结果映入我们意识之中的时候?

  20世纪30年代,匈牙利物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)接受了这种可能性。“顺理成章地,对物体的量子描述受进入我意识中的意念所影响,”他写道,“在逻辑上,唯我论可能与目前的量子力学相吻合。”

  惠勒甚至提出,生命的存在,包括所有具有“观察”能力的生命,可能已经使之前众多可能的“量子过去”转变成了实在的历史。惠勒称,从这个角度而言,我们从宇宙一开始就成为了参与者。用他的话说,我们生活在一个“参与性的宇宙”中。

  到了今天,物理学家在如何最好地解释这些量子实验的问题上并没有达成一致,在某种程度上,怎么解释还要取决于你。无论如何,我们都很难忽视这样的暗示:意识和量子力学之间存在着某种联系。

  从20世纪80年代开始,英国物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)就提出,意识和量子力学之间的联系也可以作用于另一方向。他指出,无论意识能否影响量子力学,或许量子力学本身就包括在意识之内。

  彭罗斯问道,假设我们的大脑中存在能对单个量子事件作出反应并改变状态的分子结构,那这些结构能否转变为叠加态,就像双缝实验中的粒子?在神经元受电信号触发进行交流的过程中,是否会出现这样的量子叠加态?

  彭罗斯称,这是有可能的。我们能够同时保持看似矛盾的精神状态,这并非什么古怪的感觉,而是实实在在的量子效应。毕竟,人类大脑所能处理的认知过程目前还远在计算机之上。或许我们还能进行某些计算任务,是使用传统数字逻辑的常规计算机所无法胜任的。

  在1989年出版的《皇帝新脑》(The Emperor‘s New Mind)一书中,彭罗斯首次提出了人类认知中的量子效应。这一构想被称为“Orch-OR”,是“协同客观崩现”(orchestrated objective reduction)的缩写。彭罗斯认为,所谓“客观崩现”,即量子干涉的塌缩和叠加态是一个真实的、物理性的过程,就像气泡的破裂一样。

  彭罗斯还指出,引力是日常事物——从我们所用的桌椅到宇宙中的行星——不表现出量子效应的原因所在。他认为,比原子大得多的物体不可能达到量子叠加态,因为它们的引力效应会迫使两种不相容的时间-空间形式实现共存。

  彭罗斯与美国物理学家斯图尔特·哈默洛夫(Stuart Hameroff)一起进一步发展了Orch-OR理论。在1994年出版的《意识的阴影》(Shadows of the Mind)一书中,彭罗斯提出,在量子认知中涉及的结构可能就是被称为“微管”的蛋白质聚合物。微管存在于人体大部分细胞中,包括大脑中的神经元。彭罗斯和哈默洛夫认为,微管的振动可以吸收量子叠加态。

量子态粒子可能具有不同的自旋量子态粒子可能具有不同的自旋
碳酸锂胶囊碳酸锂胶囊

  不过,并没有证据表明这一过程是完全不可能的。

  一些报道称,在2013年的一些实验中,微管中存在量子叠加态的说法获得了支持。但事实上,这些研究并没有提到量子效应。此外,大多数研究者认为,Orch-OR理论已经被2000年的一项研究所否定。物理学家马克斯·铁马克(Max Tegmark)的计算结果显示,与神经信号传递有关的分子的叠加态甚至无法维持足够的时间,使信号传递出去。

  由于量子退相干这一物理过程的存在,诸如叠加态等量子效应很容易消失。量子力学中,量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠而随着时间逐渐丧失。在温暖、潮湿的环境中,比如活细胞内,退相干现象的发生极其迅速。

  神经信号是一种电脉冲,是由带电的源自经过神经元通路而产生的。马克斯·铁马克的计算显示,如果其中一个原子处于叠加态并撞上神经元,其叠加态会在不到10-18秒内就会消失。相比之下,神经元发出电信号的时间是其至少1016倍。

  根据这些结果,有关大脑中存在量子效应的说法受到了广泛质疑。然而,彭罗斯不为这些质疑所动,他还是坚持Orch-OR假说。另一方面,尽管铁马克预测了细胞中极快的量子退相干过程,但其他研究者已经发现了生物中存在量子效应的证据。一些研究者争论称,依靠地球磁场导航的候鸟会利用量子力学,绿色植物在利用光合作用制造糖分的时候也会用到量子力学。

  与此同时,认为人类大脑可能会运用量子力学的说法依然存在,并且出现了另一个非常与众不同的观点。

神经元以突触相连接神经元以突触相连接
意识是一个很深奥的谜题意识是一个很深奥的谜题

  在2015年发表的一项研究中,加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家马修·费希尔(Matthew Fisher)提出,大脑可能含有某些特定分子,能维持更加稳固的量子叠加态。他特别指出,磷原子的原子核可能就具有这种能力。

  磷原子在活细胞中无处不在,它们通常以磷酸根离子的形式存在,1个磷原子会与4个氧原子结合。这些离子是细胞内的基础能量单位。细胞的大部分能量储存在三磷酸腺苷(ATP)分子内。ATP分子由腺苷和三个磷酸基组成,当其中一个磷酸基脱离时,就会释放出能量供细胞使用。

  活细胞内具有将磷酸根离子组合起来并使其分解的分子机制。费希尔提出,两个磷酸根离子可能会出于一种特殊的叠加态,称为“纠缠态”(entangled state)。

  磷的原子核具有一种被称为“自旋”的量子性质,这使它们更像是微型的磁体,两极指向特定的方向。在纠缠态中,一个磷原子核的自旋取决于另一个磷原子核的自旋。换句话说,纠缠态是一种涉及不止单个量子粒子的叠加态。

  费希尔称,这些原子核的量子力学行为很可能会在人类的时间尺度上抵抗量子退相干过程。他同意铁马克的计算结果,认为量子振荡(如彭罗斯和哈默洛夫所假定的)会受到周围环境的强烈影响,并且“几乎随即退相干”。但是,原子核的自旋并不会与周围环境发生强烈的互相作用。

  很显然,磷原子核自旋时的量子行为也必须受到“保护”,以免因退相干过程而过快消失。费希尔称,如果磷原子整合形成了“波斯纳分子”(Posner molecule),那这种情况是可能的。波斯纳分子是由6个磷酸根离子和9个钙离子组成的集群。有证据表明,这种分子集群可以存在于活细胞中——尽管现在还远未有确切结论。

  费希尔称,在波斯纳分子中,磷原子的自旋可以抵抗退相干达一天左右的时间,甚至在活细胞中也是如此。这意味着它们可能会影响大脑的运作。这一假说认为,波斯纳分子可以被神经元吞噬。一旦进入神经元内部,波斯纳分子就能通过分解并释放钙离子来触发神经元将信号发送给另一个神经元。

  由于波斯纳分子处于纠缠状态,神经元发出的电信号可能也因此纠缠在一起:或许可以称之为一个“想法”的某种量子叠加态。“如果原子核自旋的量子过程真的存在于大脑中,那它很可能十分常见,几乎每时每刻都在发生,”费希尔说道。

我们并不了解思维如何运作我们并不了解思维如何运作
我们的意识是怎么运作的?我们的意识是怎么运作的?

  费希尔最初是在开始思考精神疾病的时候想到这一假说的。“三、四年前,当我决定探索锂离子在精神疾病的治疗中到底有没有显著效果时,我踏入了大脑生物化学的领域,”费希尔说道。

  含锂药物广泛用于躁郁症的治疗,具有一定效果,但没有人真正了解其中的机理。“当时我并没有在寻找量子物理学的解释,”费希尔说道。但是不久之后,他翻到了一篇论文,里面报道了含锂药物对大鼠行为的不同作用取决于锂元素的不同形式——又称同位素。

  这一现象实在令人困惑。从化学上来说,不同的同位素有着几乎相同的反应特征,因此如果锂发挥作用的方式与传统药物一样的话,那它的同位素应该也具有相同的作用。

  费希尔意识到,不同的锂同位素,其原子核可能具有不同的自旋特征。这一量子性质可能影响了锂药物的作用。例如,如果锂取代了波斯纳分子中的钙,那锂的自旋可能会“感受”并影响磷原子的自旋,从而干扰磷原子的纠缠。

  如果确实如此,就可以解释锂为什么可以用来治疗躁郁症了。目前,费希尔的假说还只是一个有趣的想法,未经证实。不过,有好几种方法可以用来验证这个假说,首先就是验证波斯纳分子中磷原子的自旋能否长时间保持量子相干性。这正是费希尔下一步的目标。

  当然,费希尔也十分谨慎,不希望自己与早先有关“量子意识”的观点联系在一起。他认为这些观点充其量只是高度推测性的假说。

  物理学家们很不习惯在量子理论中发现自己。大部分研究者希望把意识和大脑隔离在量子理论之外,或许反之也亦然。毕竟,我们甚至都不知道意识是什么,更别说用一个物理理论来描述它了。

  现在还出现了一种热衷“量子意识”的风潮,宣称量子力学可以用来解释心灵感应和心灵遥控等现象。然而,这些对真正的科学研究并没有帮助,造成的结果反而是,物理学家往往羞于在同一个句子中提到“量子”和“意识”。

  不过,暂且把这些放在一边,我们应该看到“量子意识”其实有着相当长的历史。量子理论发展的初期就有了“观察者效应”和有关思维作用的假说,从那时开始,量子力学中就很难排除意识的部分。一些研究者甚至认为我们永远都无法做到这一点。

  2016年,最著名的“量子哲学家”之一、英国剑桥大学的阿德里安·肯特(Adrian Kent)推测,意识可能会以微妙但又可以可探测的方式改变量子系统的行为。

  肯特对于这一假说十分谨慎。他说:“在尝试明确地表述关于意识的问题时,并没有令人信服的原因让人相信,量子力学就是那个正确的理论;量子理论的问题也不能确定与意识的问题有关系。”

  不过,肯特也表示,我们很难单纯用量子物理学之前的理论来描述意识,包括意识可能具有的所有特征。

  一个特别令人困惑的问题是,我们的意识能体验到非常独特的感觉,比如红色或烤培根的气味。除了那些视觉受损的人之外,我们都知道红色是什么样的,但我们无法交流这种感觉是什么,物理学上也无法告诉我们红色应该是什么样的。

  类似这样的感觉被称为“感受性”(qualia)。我们将这些感觉视为外部世界的统一特征,但它们其实只是我们意识的产物——这一点很难解释。事实上,哲学家大卫·查默斯(David Chalmers)在1995年就将此称为意识的“研究难题”。

  “每一次对意识和物理学之间关系的思考都会陷入深深的麻烦之中,”肯特说道。这也促使他提出,“如果假设意识能改变(尽管可能是很轻微和微妙)量子可能性,那我们就可能在意识演化的问题上取得一些进展。”

  换句话说,意识可能真的会影响测量的结果。这么说来,我们就无法明确地界定“什么是真实”。但是,意识可能会影响我们在量子力学中进行观察时各个可能结果出现的机会,以一种量子理论本身无法预测的方式。肯特表示,我们或许能用实验方法寻找这些效应。

  肯特还勇敢地估计了发现这些效应的概率,他说:“我觉得或许有15%的概率可以说,某些与意识有明确关系的东西会导致量子理论出现偏差;在未来50年里用实验方式探测到这一结果的概率或许有3%。”

  如果这一切最终成真,那我们对物理学和意识的认识必将发生重大的改变。

原文:

http://www.bbc.com/earth/story/20170215-the-strange-link-between-the-human-mind-and-quantum-physics

有关电击大脑

连线上面的原文:

What Happens If You Apply Electricity to the Brain of a Corpse?

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一个人类大脑的模型

对人类尸体的大脑进行电击会发生什么?

有些事情好像已经成为人类的一种习惯,比如对大脑进行电击。在古希腊时代就有人这么干了,那时有医师用电鳗来治疗头疼和其他疾病。今天,我们延续了这种疗法。神经科学家运用电流刺激患者的大脑,来激发大脑功能,或治疗抑郁症等疾病。

外部的电流之所以会对大脑功能产生影响,是因为我们的神经细胞之间的交流便是通过电信号和化学物质完成的。如今,这一认识已经深入人心,而就在两个世纪之前,科学家对神经系统的运作还深感困惑。

艾萨克·牛顿和其他一些人认为,我们的神经之间,以及神经和肌肉之间是通过振动互相交流的。当时另一个观点认为,神经可以分泌出某种液体。还有一个源自古代的神秘观点——现在依然流行——称,大脑和神经中充满了一种神秘的“生命活力”(animal spirits)物质。

“动物电”

到了18世纪,人类对电的了解越来越多,将电力应用于治疗身体和精神疾病的疗法(即电疗法)也变得十分流行。不过,当时的科学家并不清楚人类的神经系统能自己产生电流,并利用电信号进行信息传导。

在第一批涉足神经电传导领域的科学家先驱中,最著名的当属意大利物理学家路易吉·迦伐尼(Luigi Galvani,1737~1798)。迦伐尼的大部分实验都是以青蛙的腿部和神经为材料,揭示了在自然或人工机器放电的刺激下,青蛙的肌肉会发生抽搐。他因此提出了“动物电”的概念,包括人类在内的动物,都能在体内自发地产生电流。

“我认为,已经可以充分确定在动物体内存在着一种电流……这里说的是我们惯称的‘动物’的综合概念……”他写道,“在肌肉和神经中……它表现得最为清楚。”

神经科学的惊悚历史

然而,后来的实验结果令迦伐尼十分失望,他没能通过电击大脑使面部或周边的肌肉出现反应。后来,他的外甥乔凡尼·阿尔蒂尼(Giovanni Aldini,1762~1834)进行的实验却支持了他的结论。1802年,阿尔蒂尼对一名被砍头犯人的头部进行了电击。他在犯人两只耳朵内放入金属线,连接上简陋的电池,然后轻弹开关。“一开始,我观察到面部所有的肌肉出现了强烈的收缩,表情十分扭曲,就像是最狰狞的鬼脸,”他在笔记中写道,“眼睑的反应尤为显著,尽管人头上的反应不如牛头上的强烈。”

在这一时期,有关电在人和动物神经系统中扮演的角色,还存在着激烈的科学争论。迦伐尼最著名的争论对手亚历山德多·伏打(Alessandro Volta)认为,动物体内并不能自己产生电力。在此背景下,两个不同的阵营开始借助公众关系来推广自己的观点,而这恰好是阿尔蒂尼的优势所在。在某种程度上,阿尔蒂尼就像个马戏团老板。他巡回展示着自己的“惊悚”实验。1803年,他在伦敦的皇家外科医学院进行了一次轰动性的公开演示,所用的材料是刚刚在纽盖特(伦敦西门的著名监狱)被绞死的谋杀犯托马斯·福斯特(Thomas Forster)的尸体。阿尔蒂尼将导电杆插入死者的口、耳和肛门中。

在大批围观人群中,有一个人后来写道:“在一开始对面部的刺激中,死去罪犯的下巴开始颤抖,周围肌肉的扭曲令人恐惧,还有一只眼睛睁开。接下来的演示中,他的右手举起然后紧握,大腿和小腿也有了活动。对一些不知情的围观者来说,这一切看上去仿佛是那个卑鄙的罪犯第二天就要复活了。”

在这场广为传播的实验演示之时,《弗兰肯斯坦》的作者玛丽·雪莱年仅五岁。不过,她显然在当时有关电流和人体的争论中获得了启发。事实上,在1818年她的小说出版之时,另一场戏剧性的公开演示也同期上演。苏格兰医生、学者和化学家安德鲁·尤尔(Andrew Ure)在格拉斯哥,运用电流使一具尸体出现了类似深呼吸的状态,甚至能伸出手指指向观众。

死亡是一个过程

如果身体已死,那其体内的神经为何还能对外来的电刺激产生反应?1818年,一个流行但错误的观点认为,电是生命的活力所在,通过对尸体进行电击,可以使其重新获得生命。事实上,在安德鲁·尤尔的演示中,许多观众就觉得非常困扰,以致于要赶紧离开那栋建筑物。据报道还有个人现场昏倒。现代对神经信号传导的认识已经渐渐破解了这类观点,但你依然不难想象,类似安德鲁·尤尔和阿尔蒂尼的演示如果发生在今天,相信也会造成非常令人不安的后果。关于电流如何使尸体“复活”,有个强有力的解释来自英国遗传学和生理学家弗朗西丝·阿什克罗夫特(Frances Ashcroft)的精彩著作——《生命的火花》(The Spark of Life):

“当动物(或人)进行最后一次呼吸之后,其体内的细胞并没有立即死去,这也是我们可以在个体之间进行器官移植和血液注入的原因,”她写道,“除非已经变成碎屑,否则一个多细胞生物体的死亡极少是即刻发生的事件,而是一个逐渐停止、分阶段消亡的过程。在个体死亡之后,神经和肌肉细胞会继续工作一段时间,这也使通过电流进行‘复活’成为可能。”

以今天的标准来看,阿尔蒂尼和安德鲁·尤尔的实验似乎有点令人毛骨悚然,但这些实验激发了后来的神经生物学家和相关领域的科学家,在历史上具有重要的地位。