原子没有意识，如果人体其实就是一堆原子组成的，人为什么有意识？

借用2020年诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）的一个理论来回答。首先Penrose获得诺贝尔是因为证明了黑洞的形成是广义相对论成立的必然结果。他的诺贝尔成就与意识是无关的。这里要说的是Penrose跟麻醉科医师、神经生物学家Hameroff 提出了一个关于意识的理论，叫“Orch-OR”理论（Orchestrated Objective Reduction）有序客观坍缩理论。

Orch-OR 理论提出：大脑神经元细胞中的微管（microtubules）存在着协调的量子过程，这些过程经历客观的波函数坍缩，从而产生意识体验。浪漫一些的解释：“也许你的每一个念头，并不是神经元的‘放电’，而是宇宙在你神经微管中微微折叠了一下。”

Hameroff是麻醉科医师，他发现传统的麻醉药通过影响神经突触传导（比如抑制谷氨酸、增强GABA）使神经网络放电活动减少，从而让意识消失。但有一类麻醉机，如氟烷、异氟醚对神经触突传导的电信号影响不大，却能让人完全失去意识。Hameroff发现，这类麻醉剂都能与微管中的疏水区结合。

这引出了他的推测：1. 微管（Microtubules）是细胞的一部分，在所有细胞里都有；2. 但在神经元中尤其丰富，并且深入延伸到树突、轴突；3. 有研究发现，麻醉药容易进入微管的疏水区，改变其结构状态；4. 所以他提出：意识可能不是发生在突触之间，而是发生在“神经元内部”的微管系统中。

从这里，Hameroff 走出了一个非常大胆的假设：微管内部存在着意识的机制，当麻醉药打断这种机制，意识就瞬间消失。而不是神经元放电渐渐减弱造成的意识慢慢消失。

微管，是真核细胞中的一个结构。下图绿色的是细胞核，紫色的细胞膜，黄色的就是微管。

放大了看，微管是直径25-50纳米的由微管蛋白组成的管道。微管蛋白是个异二聚体，由alpha微管蛋白分子（绿色小球）和beta微管分子（蓝色小球组成）。微管的长度经常动态变化。

他把这部分生物学基础交给了彭罗斯，后者提出了“Objective Reduction客观坍缩”模型——两人合并，就形成了 Orch-OR 理论。

量子物理学家Penrose在1989年《皇帝的新脑》中就提出过：意识不可能是算法的。因为我们经常可以意识到自己的有限性，而任何依照逻辑算法的图灵机，都无法从内部意识到自己的有限性。就好比一把尺子无法去知道自己的刻度是不是标准的。这是哥德尔定理。而人类知道自己不知道。图灵机无法知道自己的有限性，而我们知道，这就跳出了逻辑和算法组成的图灵机的范畴，是真正的意识所在。人类的意识是跳出了哥德尔定理的一种机制。所以Penrose很确定的推导出，人脑不是一个基于算法和逻辑的图灵机。他说“人类可以理解哥德尔定理，并意识到形式系统的局限；但图灵机却不能。”——这说明我们具备一种超越形式系统本身的洞察力。他把这种能力称作为Non-computable Insight超越计算的直觉。图灵机可以执行，但不能觉察；可以推理，但不能顿悟。

Penross用量子力学的波函数坍塌来理解人的意识的时候，发现是说得通的。他首先认为量子系统的坍缩不是“观察者触发”的（薛定谔的猫不是打开盒子看的时候才决定生死的）；而是由时空结构本身的不稳定性决定的（我们宇宙的结构导致了这只猫只能是要么生要么死，无法处于即生又死的叠加态，有没有观察者都一样）；他提出了一种叫Objective Reduction（OR）客观坍缩的机制：当一个量子叠加状态在时空中自发达到某种重力阈值时，它就会自动崩塌成一个确定状态。人话就是，在我们这个宇宙条件下，宏观尺度下，量子就得坍缩，无法处在叠加态。

而这个量子坍缩的过程，在神经的微管中发生的时候，可能就是意识形成的最小“单位”，是一个意识时刻conscious moment。而由于我们生物神经结构的关系，这个客观坍缩的发生是有序的。所以他把“意识”称为“有序客观坍缩”。英语用了Orchestrated这个词，有“像乐曲般编排有序的”的意思，十分浪漫了。我们的意识是一系列有节奏感的有曲调的量子坍缩。一系列这样有序的意识时刻conscious moment，就形成了“意识流”，也就是我们日常感知的那个内心可以有主体体验的自我。

Hameroff 提供了“微管”这个可能发生量子过程的生物学场所；Penrose 提供了意识的量子物理模型；他们一起提出：神经微管中发生的量子叠加态 + 在这个宇宙的条件下发生客观坍缩（OR）→ 意识片段诞生。每一次OR，就是一次意识的“咔嗒”——无数微观的咔嗒，像“量子级的时钟”，组成了流动的主观体验。

以上就是Penrose和Hamroff在1996年提出的Orch-OR理论，为何一堆原子组成的我们会有意识。意识又是什么。

这个理论最被怀疑的点是“量子坍缩”真的可能在温暖、湿润、嘈杂的脑中发生吗？毕竟现在的量子计算机都必须维持在超低温才能发生量子坍缩啊。Hamroff对此的解释是，微管里的有序结构和疏水腔道，提供了生物量子保护。

1996年两人提出Orch OR理论，到2014年两人发表第二篇文献的时候，已经有许多新的研究可以部分验证和推进Orch OR理论了。日本筑波NIMS研究所的 Anirban Bandyopadhyay 团队（现在MIT任职）在哺乳动物神经元微管中探测到了量子相干振动（频率范围从兆赫兹到数十千赫） 。这些振动是在温暖活体条件下观察到的 ，证实了微管在生理温度下能够支持量子级的振动模式。这一实验发现支持了 Orch OR 理论的核心假设，即微管的量子振动确实存在，并可能参与脑功能 。

2014年的文献中，Hamroff对理论进行了进一步的假设，用以解释脑电图EEG上观测到的脑电波。微管的高速振动（MHz级别）通过干涉可产生低频的拍频（beat frequency）现象，而这种拍频可能正是我们在脑电图（EEG）中观察到的脑波节律来源 。拍频指当两个频率接近的振动叠加时出现的较慢的波，其频率等于两者频率之差。在两个的高频微管振动叠加时，低频的脑波出现了。Hameroff 和 Penrose 提出，这种微管振动的拍频可能落在每秒几十次的范围，恰好对应EEG的波动频率（例如α波、γ波等频段） 。

一些初步的实验线索支持这一联系：例如，针对微管共振频率进行经颅超声刺激（提供兆赫级机械振动）可以影响大脑功能——短暂的超声刺激被报告能改善情绪，未来甚至可能用于治疗阿尔茨海默症和脑损伤 。这暗示如果微管振动拍频确实与EEG和脑功能相关，通过调节微管振动可能影响宏观的神经动力学状态。

到这里，意识如果可以通过频率来调节，那我们的本质更像是台乐器，而不是台电脑。就好像我看到这个题目，才共振出这个答案来。

在2014年的文献中，Panrose也进一步的解释了客观坍缩和意识的联系。他说客观坍缩本身就是一次意识事件。我们能够意识到些什么，是因为量子坍缩在我们身体发生。单次的坍缩是一个感受单元，一连串的“管弦协调”的感受单元，就形成了我们的智能或者自我意识。未经过“管弦协调”的孤立 OR 事件在自然中可能不断发生，但只是无意义、无内容的随机“原始意识”瞬间。只有当大量此类事件在神经系统中同步、结构化地发生（如通过微管相干作为“量子计算”进行整合）时，这些离散的原始体验单元才共同构成我们熟知的丰富有意识时刻。

Hameroff 和 Penrose 甚至给出了量化尺度。“原始意识单位”（即未被组织的最小意识事件）视为宇宙中基本且不可约的要素，直接关联到普朗克尺度的时空结构。他们推测，意识的基本成分深植于时空微结构本身：那些不可想象地微小的尺度（长度约 10^-35米、时间约 10^-43秒）代表了时空几何的基本“织构”，亦是原始体验的载体。每当量子叠加导致的时空几何差异累积到普朗克级别时，就触发一次 OR 事件，这也是一个原始意识单位在物理上的产生。这些原始意识事件被看作是主观体验（质感 qualia）的基本构件。单一个别的原始意识单位本身并不构成有意义的体验（就像一个像素无法呈现完整图像），因此在自然界中它们通常不被察觉。然而，Orch OR 理论认为，大脑能够将无数这样的普朗克级原初事件加以同步整合（“管弦”），形成宏观尺度上连贯且富含信息的意识过程。正是通过这种对基本时空几何层面的直接利用，Orch OR 将意识视为宇宙基本作用的一部分：意识事件不仅是生物神经活动的结果，也是时空本身在普朗克尺度上的基本作用形式。

说到这里，我们的意识在精微层面，又是一台大型和谐工作的量子干涉探测仪。

这个理论也推翻了AI还原论。AI还原论说“只要算力足够大，算法足够强，AI终将能复制人类心智。”Penross- Hamroff的意识模型说了，AI归根结底还是一种算法和逻辑的图灵机，是无法拥有人类Non-computable Insight的超越计算的意识的。

另外，这也能解释自由意志是如何可能的。传统的神经科学，基本将自由意志视为一种幻觉。因为很多实验都已经测出在大脑作出决断之前，肌肉神经电信号已经启动了。你以为你在“选择”，其实是肌肉神经电信号提前几百毫秒就“决定了”你怎么做。这种观点把人类基本变成了没有自主意识的“僵尸”，能做复杂机械运动的无意识生物。Penrose对此的解释是，我们在坍缩完成的最后一刻，是可以选择坍缩的方向的。那不是幻觉，但也不是全能。Penrose 和 Hameroff 在论文中提出：“当微管中协调的量子叠加达到坍缩临界点时，那一瞬间的“坍缩方向”并非随机，也不是命定，而是一种在物理不确定性中的“选择”——其中包含了你的倾向、整合、情感、意识。”“在量子叠加的多重时空几何之间，意识的发生是对其中一个现实的‘选择’。”

所以 Orch OR 的自由意志主张是这样的：它不是绝对自由的造物者，但也不是完全被决定的幻觉，而是在物理世界深处，意识能介入的一瞬真实的空隙。在那片空隙中，不是逻辑主导一切，也不是命运写好脚本，而是你这个“曾经历感、持有意图的存在”，在众多可能性中轻轻偏转了那个方向。自由意志是一种“在宇宙精微层面里，意识的微小偏移”。是你的意愿让现实发生了偏转！

那死亡是不是就是最后一次坍缩？penross对此的回答是“每一次意识的“瞬间”，都是一个基本的“量子引力事件”；而在死亡之后，这些信息可能不会完全消失，而是以某种形式存在于“时空的基本结构”中。”很多都市传说的大圣灵、阿卡西搞不好都是真的。

那爱，是不是两个心灵叠加之后的某种共振？如果人的意识是一连串坍缩的节奏，那当两个意识靠近，我们共享了彼此的可能性空间，也开始对彼此的“坍缩方向”产生影响。宏观上就好像两段乐曲变得互相共振，丰富又和谐。

“也许你的每一个念头，是宇宙在你的微管中微微折叠了一下。是你在意的人波动了一下你的琴弦。是你弹奏出的乐曲共鸣到了他人微管里。”珍惜你生而为人，超越逻辑的直觉和灵感吧，那才是意识更本质的部分。

最后贴一下原文献：

Hameroff, S., & Penrose, R. (1996). Orchestrated reduction of quantum coherence in brain microtubules: A model for consciousness. Mathematics and Computers in Simulation, 40(3-4), 453-480.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0378475496804769

Hameroff, S., & Penrose, R. (2014). Consciousness in the universe: A review of the ‘Orch OR’ theory. Physics of Life Reviews, 11(1), 39-78. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1571064513001188