光电效应及技术应用
光电效应是指当光（通常是紫外线或可见光）照射到金属表面时，能够使金属释放出电子的现象。这一效应由阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出理论解释，为其赢得了1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的解释基于量子理论，他提出光可以被看作是一系列的粒子（即光子），每个光子携带一定的能量，当光子的能量足够时，可以克服金属内电子的逸出功，使电子逸出金属表面。
光电效应的基本原理
光电效应的技术应用
光电效应在许多现代技术中有着广泛的应用，包括：
光电池 ：也称为太阳能电池，它们利用光电效应将太阳光转换为电能。当光照射到半导体材料（如硅）时，产生的光生电子-空穴对可以被用来产生电流。光电管 ：在安全系统、自动门和各种传感器中广泛使用。光电管利用光电效应来检测光线的变化，当光线被物体遮挡时，通过改变通过管子的电流来触发响应。光电倍增管 ：这种设备用于检测极低强度的光（如单个光子），在医学成像（如PET扫描）、天文学和粒子物理学研究中非常重要。摄像机 ：早期摄像机中的摄像管利用光电效应将光信号转换为电信号。虽然现代摄像机多使用半导体图像传感器，但原理类似。烟雾探测器 ：某些类型的烟雾探测器使用光电效应来检测空气中的烟雾颗粒。当烟雾进入探测室时，它会散射或吸收光线，从而改变通过探测器的光强度，触发警报。科学研究 ：在物理和化学的实验研究中，光电效应被用来研究物质的性质，如能级、分子结构和反应动力学。结论
光电效应不仅是现代物理学的一个基本概念，而且其应用跨越了从能源生产到科学研究等多个领域。这种效应的发现和应用是理解和利用量子现象的重要步骤，对技术进步产生了深远影响。
电磁场就像“生理胶水”一般，将新皮质融合为单一的有机计算实体
欢迎来到四叶草堂，我是龙笑生。人类之所以能够实现高级智能，是因为这些电磁场就像“生理胶水”一般，将整个新皮质融合为一个单一的有机计算实体。更多精彩内容，敬请关注“四叶草堂”，今天继续分享《脑机革命》一书的精彩部分。
人类大脑依赖于大量分布广泛的神经元之间的动态相互作用，这些神经元以精心设计的电路形式组织在一起。这一发现有望解释现代脑科学研究中一些悬而未决的根本问题。比如：在进化过程中，是什么样的神经生理机制能够将人类众多而又独特的心智能力——语言、心智理论、工具制造、一般智力与社会智力、自我意识融合在一起，使它们形成一个单一的、紧密连接的功能性智能？大脑又是怎样使这些解剖学意义上的不同部件同步运转，在功能上结合整个新皮质，从而将我们所体验到的多种感官信号、动作、抽象与思想作为一个连续体融合在一起？我们的记忆如何能够被终身保存和持续更新？
根据神经元集群生理学原理，我们认为，大脑相对论是马赫思想的神经生理学版本。一般哺乳动物大脑的运作模式基于持续比较世界（和主体的身体）的内部模型与连续不断的多维感官信息流。在我们生命的每一刻，这种比较结果都被源源不断地输送至中枢神经系统。这便是大脑相对论的中心公理。通过这种比较，人类大脑为每个人雕琢出了自我意识，也雕琢出了以大脑为中心的对周围宇宙的描述。因此，为了完成任务，无论是计算手臂的运动行为，还是建造一艘宇宙飞船所需的最复杂的因果关系链，人脑都在不断构建心理抽象和类比，在其内部基于神经元的模拟——它对世界的描述和需要执行的任务之间寻找最佳契合点。无论是说出口的一句话、新工具的发明、交响乐的谱写还是发动可怕的战争，人类宇宙中的任何事物都必须先以心理抽象或类比的方式出现在某个人的大脑中。
按照神经元集群生理学原理，这一神经生物学实体就像是一台真正的模拟计算机，它用特定的神经元活动分布模式模拟身体的运动。然而，每次必须执行某个动作的瞬间，都有一套不同的神经元组合在该动作真正执行前完成这一心智工作。这引出了第一个重大问题是：大脑如何能够如此迅速地形成这些临时的模拟计算机呢？小提琴演奏家、芭蕾舞演员、棒球投手或是外科医生，这些截然不同的人所拥有的不同有机计算实体，又是如何准确地做出相应的动作的呢？第二个重大问题是：如何调和大脑局部和整体的运行模式？在一个层面上，大脑利用动作电位，在神经元之间交换信息。这种传输具有数字性质，这主要由两个因素决定：第一，动作电位遵循的全有全无律；第二，属于某一神经回路的每个独立神经元产生动作电位的精确时间。然而，大脑也依赖神经元的模拟信号，为了产生人类的行为，中枢神经系统需要进行特定的信号处理，而模拟信号是这类信号处理的基础。除了香农信息之外，动物的大脑，尤其是人类的大脑，能够通过利用模拟哥德尔信息来产生区别于数字机器的功能和行为。简单来说，只有模拟信号才能实现对自然界中物理量的完美类比，例如电压、电流、温度、压力或磁场。我们认为，动物和人类的大脑可以说是通过数字—模拟混合计算引擎来运作的。
神经传导动作电位的最大速度——大约120米／秒，不足以解释大脑执行一些最基本功能的速度，比如将多种认知技能融合为一个具有凝聚力的整体。因此，我们开始寻找一种模拟信号，它能以接近已知宇宙中最快的速度传遍整个大脑。比费城老鹰队的外接手快得多，像光速那样快！19世纪初，法拉第发现电流可以产生磁场。同样，变化的磁场会在导体中产生电流。我们由此推断：所有我们大脑中的这些环状白质不仅导电，而且将大脑包裹在大量随时间变化的神经元电磁场中。这便是我们喜欢把连接皮质和皮质下结构的白质称为“生物螺线管”的原因。
大脑相对论认为，当电位流经遍布大脑的大量生物螺线管时，神经元电磁场将会出现非常复杂的时空模式。值得一提的是，这些生物螺线管不仅包括大型的神经环路，也包括无数大小不同的其他白质环路，包括由小型神经元网络的树突和轴突形成的微型环路。由于这样的解剖结构在大脑中非常普遍，大脑相对论预测，除了人们已知的皮质电磁场，皮质下电磁场也应该广泛存在。人类之所以能够实现高级智能，是因为这些电磁场就像“生理胶水”一般，将整个新皮质融合为一个单一的有机计算实体。它能够融合我们所有的心智能力，并使得大脑的皮质和皮质下区域之间实现高速协调。这一过程的最终结果便是大脑能够作为一个整体进行计算。大量的模拟电磁场组合在一起，远离平衡态，便形成了“神经元时空连续体”。
我们相信这种现象在所有高等哺乳动物中都以某种更初级的方式存在着。而在人类大脑中，这一神经元连续体——“心智空间”，是模拟神经元的基质，人类大脑的一切高级功能都是从这里诞生的。心智空间的动态受到以下几个因素影响：大脑中神经元池的空间分布和组成；连接这些神经元簇的神经通路和白质环路的结构特征；大脑可用的能量；神经组织中存在的不同类型的神经递质；我们的记忆，这是决定大脑自主观点的关键组成部分。事实上，人类在600万年的进化中，大脑能力发生了重大变化，除了脑容量和神经元数量的增长之外，诸如空间结构、轴突密度、白质环的髓鞘水平这些独立因素中一个或多个因素的改变，都可以很好地说明其原因。
递归的模拟—数字计算系统可以解释大规模同步机制的类型，而这种大规模同步机制正是将皮质和皮质下结构融合成单个计算实体所必需的。目前，人工智能中用于模仿人类行为的机器学习算法完全基于数字信息。由于递归的模拟—数字计算系统可能解决当代数字计算机无法解决的问题，我们相信未来这种应用可能比纯数字机器学习算法更加有效。神经元电磁场有可能在不久的将来成为神经形态计算的一个热门研究领域。
模拟大脑运转方式的模拟—数字计算系统面临的一个主要问题是：我们周围的磁场，比如地磁场，能否影响大脑的活动？这个问题十分重要，因为研究人员已经发现了许多生物都有探测地磁场的能力，比如细菌（如海洋趋磁球菌）、昆虫、线虫、软体动物、鳗鱼、鸟类，甚至是哺乳动物，包括小林姬鼠、赞比亚鼹鼠、大棕蝠和赤狐。我们认为，地磁场和大多数磁共振成像技术所产生的磁场并不会影响我们的大脑。首先，二者都是静态的，因此我们与它们接触也都不能诱导任何神经元产生动作电位。其次，尽管磁共振中的梯度磁场是振荡的，但它的频率比大脑中的低频（0～100赫兹）电信号要高得多。换句话说，人脑对自然界中存在的或人工创造的大多数磁场基本是茫然无感的。
大脑可被视为一个多层结构，从原子／量子层级，到分子、基因、神经化学物质、亚细胞、细胞层级，再到电路、新皮质层级。在大脑的运作过程中，各个层级的信息处理是紧密结合的。这些层级由多个前馈环路和反馈环路连接，为了正常工作，大脑必须确保信息在流经这些层级时能够完美地同步。每一个层次都定义了一个开放的系统，它们之间的互动可能是极其非线性的，甚至是不可计算的，这意味着它们不能简单地由算法或数字过程来调节。相反，大脑必须将所有层级的信息处理集成到单个操作单元，而这项工作只能通过模拟信号才能实现。该信号能在所有层级上同时引发电子效应，从而得以将所有信息融合。电磁场满足了这一严格的先决条件。因此，神经元电磁信号通过调节从量子到新皮质的所有层级之间的操作和信息交换，确保了大脑能够作为一个集成的计算系统运行。
大脑相对论为“情境原理”的理论提供了生理学解释。情境原理提出，动物在不同的行为状态下（麻醉、清醒且可自由活动、清醒但静止不动），大脑的内部动态是不同的。因此，“大脑的自主观点”在各个情境下会有截然不同的体现。对处于麻醉状态的动物来说，大脑基本没有表述自主观点的行为，而运动中的动物主体由于随时在对其位置进行取样，大脑的自主观点则会得到充分的表达。由于大脑对同一感官刺激的反应取决于将传入的感观刺激与大脑对世界的内部模型进行比较，因此，神经元的感觉诱发反馈在从麻醉到完全清醒／可自由活动的状态下应该有很大的差异。这正是我们目前在涉及触觉、味觉、听觉、视觉和嗅觉系统的各类动物实验中观察到的现象。这一原理对于处于不同情绪状态下的人类来说同样适用。
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