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馬修·費希爾（Matthew Fisher）擔心他同行們會如何看待他的項目。但最後他松了口氣，因為他的想法沒有遭到在場者的嘲笑。“他們認為我的項目符合科學，而沒有把我當成瘋子”。

當然，費希爾的簡曆看起來也不像是個瘋子。他是材料量子特性的專家，曾在IBM任職，後來轉到微軟負責開發量子計算機。現在，費希爾是加利福尼亞大學聖巴巴拉分校卡弗裡理論物理研究所的教授。2015年，他獲得了美國物理學會的奧利弗·E·巴克利凝聚态物理學獎。值得一提的是，很多該獎項的獲得者都赢得了諾貝爾獎。

事實上，他的研究課題讓許多物理學家避之不及。

“大腦思維的産生是否源于量子機制？這是一個完全合理的問題。”費希爾說。從某種意義上來說，他是對的，答案很肯定。大腦由原子組成，而所有的原子都遵循量子物理的法則。但費希爾真正想問的是，量子物體的奇異特性，包括同時存在于兩個不同的位置和超距作用等，能否解釋人類認知中的一些難解之謎。而這正是一個極具争議的問題。

最主要的反對聲來自于奧卡姆剃刀，該理論認為最簡潔的解釋往往是最好的。從這一點看來，對于大腦的工作原理，目前的不涉及量子理論的解釋已經令人滿意。加拿大安大略省滑鐵盧大學的哲學家保羅·撒加德（Paul Thagard）說：“越來越多的證據表明，我們能夠根據神經元之間的交流來解釋大腦中每一件有趣的事情。”

但是費希爾不太确定，他指出目前關于記憶的理論——比如記憶是存儲在神經元網絡中或是神經連接處——還遠不夠完美。費希爾說：“我的直覺告訴我神經科學還有許多謎團有待解決”。所以我們不妨看看量子力學解釋有何高見。

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脆弱的疊加态

在此之前我們也面臨過同樣的問題。1989，牛津數學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）就提出，目前沒有标準、經典的計算模型能夠解釋大腦如何産生思維以及意識體驗。這個想法受到很多人的關注，尤其是亞利桑那州的麻醉師斯圖爾特·哈默夫（Stuart Hameroff），他曾提出一種量子效應的具體想法。

這個想法的關鍵在于，組成神經結構的微管蛋白通過量子效應來形成不同形狀的“疊加态”。處于疊加狀态的每一種形狀都代表着一個經典意義的比特信息，因此這種通過形狀變換來形成的量子比特，相對于傳統理論而言能夠存儲成倍的信息。

量子理論的另一個特性在于它允許量子态的物體在不接觸的情況下相互糾纏，這讓量子計算機的效率遠遠高于任何傳統的計算機。事實上，彭羅斯就曾指出量子計算機能夠同時處理多個問題，再通過多種途徑整合不同問題的答案，這或許是大腦非凡智慧的關鍵。

彭羅斯和哈默夫在這一問題上進行合作，在一段時間裡，他們和其他的合作者都認為這個觀點相當明智。但很快，這個理論的漏洞也随之而來。

在物理學家看來，最根本的問題在于相幹時間。疊加态和糾纏态都是極為脆弱的現象，最細微的幹擾都能将其破壞。哪怕一點熱量、機械波或者其他的擾動，都能使其退相幹并回到經典狀态，存儲在量子狀态中的信息也随之消散到周圍的環境之中。

這個問題在過去的二十幾年裡限制了包括費希爾在内的一些物理學家構建量子計算機的嘗試。即使在低溫冷凍并且隔絕機械幹擾的條件下，也很難讓量子網絡的相幹性維持足夠長的時間來超過經典的計算機。

而在溫熱、濕潤的大腦組織中，一團晃動不停、互相推擠的分子聚在一起，想要保持量子狀态不遭破壞幾乎不太可能。神經元在處理信息時需要将其存儲數毫秒或者更長時間，而計算的結果告訴我們微管系統的疊加狀态最多維持10-20秒~10-13秒。神經哲學家帕特裡夏·丘奇蘭德（Patricia Churchland）在1996年總結道：“相信神經元内存在量子相幹性，還不如假設神經突觸間有妖精塵埃。”這在随後也成了主流看法。

來自大鼠試驗的靈感

費希爾對此持懷疑态度。“當大家開始談論微管系統的時候，我立刻意識到這沒有意義，”他說，“你無法讓微管系統處理量子信息，除非把它與周圍的環境完全隔絕開來。”

但同樣，他認為如果生物演化能夠做到這一點，那也不會讓人覺得奇怪。地球上的生命已經有數十億年的時間“探索”量子機制，其精緻的分子裝置給予它開發利用的手段。大腦中神經元的電脈沖也許是思維和記憶的直接基礎，雖然經典物理學可以很好地解釋這一點，但隐藏其下的量子層面也許能部分解釋這些神經元如何關聯和激發。

費希爾對這一課題産生的興趣出于其他原因，他對周圍人所患的精神疾病感到好奇，也想知道治療藥物能夠産生的效果。“沒人真正知道精神類藥物的作用機制。”他說。我們需要對藥物如何影響人的精神作出更好的解釋，這正是他研究這一課題的原因。

費希爾最初的關注點是锂，一種用于多種情緒穩定藥物的材料。當他整理科學文獻的時候，碰巧看到了1986年的一篇報道：研究人員給大鼠飼喂锂的兩種同位素：锂6和锂7。在大鼠梳理毛發、照顧幼崽、築巢、喂養和其他一些行為中，锂6組要比锂7組和對照組活躍的多。

正是這篇論文讓費希爾認為，是時候再次考慮量子認知理論了。所有的原子核，就像組成它們的基本粒子一樣，擁有一種量子特性——自旋。粗略地說，自旋量化了原子核“感受”電場和磁場的程度。自旋越快，影響就越明顯。一個原子核可能的最小自旋為1/2，幾乎不受電場影響，在磁場中也隻有微弱的相互作用。而在大腦這樣充滿電場的環境中，擁有1/2自旋的的原子核能夠不受電場幹擾。

自旋為1/2的原子核在自然界中并不普遍。锂6的自旋為1，但大腦内部的化學環境，是以水為溶劑的鹽溶液，水中的遊離氫離子讓锂6的表現接近于一個自旋為1/2的核。早在20世紀70年代，實驗就已經記錄下锂6的原子核能夠保持長達5分鐘的穩定自旋。費希爾認為，如果量子能控制大腦的計算過程，锂可能正是通過将這些相幹的原子核整合進大腦的化學過程中，以起到鎮定作用的。

不僅如此，锂6無法在大腦裡自然産生，但有一種自旋為1/2的原子核可以，并且它還是多種化學反應的活躍參與者，它就是磷。這一想法的種子在費希爾的思想裡生根發芽。“如果量子過程在大腦裡持續進行，那磷原子核的自旋就是唯一的途徑。”費希爾說。

計算了各種含磷分子的相幹時間之後，費希爾公布了一種候選的量子比特裝置。它是被稱為波斯納分子（Posner molecule）或波斯納簇（Posner cluster）的鈣磷結構，于1975年在骨骼礦物中發現。而在實驗室裡配制的模拟體液中（水，加上一些生物分子和無機鹽），還能觀察到它在周圍漂浮。費希爾測量了這些分子的相幹時間，結果令人吃驚，有105秒，相當于差不多一整天。

大腦裡存在含有六個磷原子的波斯納分子簇，這些磷的原子核自旋能夠互相糾纏，并可能影響我們的思維和記憶。

他還确定了至少一種化學反應，能夠在大腦中自然地形成波斯納分子的核自旋之間的糾纏态。這個過程涉及到鈣的吸收和脂肪代謝中所用到的焦磷酸酶。這種酶能夠打破兩個磷酸根的連接結構，并産生兩個單獨的離子。理論上，這兩個離子的核自旋應該相互糾纏。這些遊離的離子釋放到細胞周圍的體液中，并與鈣離子相結合而形成波斯納分子。

尋找實驗證據

如果這些假設正确，那大腦的細胞外液中将充斥着由互相糾纏的波斯納分子所形成的複雜的分子簇。一旦進入神經元，這些分子就能改變細胞信号傳導的方式，形成思維或記憶。

費希爾将他的理論細節發表在《物理學年鑒》上（362期593頁）。但他承認，這大部分都還隻是推測。“我還隻停留在講故事的階段，”他說，“我還需要更多實驗證據”。

第一步要确定波斯納分子是否真的存在于細胞外液之中，并且它們能否糾纏。費希爾設想在實驗室通過化學反應來誘導磷原子核自旋之間的糾纏，并将得到的溶液分别注入兩個試管，再通過兩個溶液所發出的光之間的量子關聯性來進行測試。隻有觀察到這一現象，我們才能首次獲得量子認知的論據。

可以想見，彭羅斯對這個故事目前的進展感到興奮。他說：“哈默夫和我都在很長一段時間裡相信核自旋可能是長期記憶形成的關鍵因素。馬修·費希爾的想法能為這一圖景做出相當積極的貢獻”。

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然而，彭羅斯還在描繪他的微管假說，他僅僅把馬修的新提議作為維持長期記憶所需要的一種附加物。他說：“意識現象更可能與相聯的微管中的量子作用有關”。

對于彭羅斯來說，意識與重力作用在量子狀态并導緻它們退相幹；相比于原子核，微管具有更大的質量，因此更可能形成這種相互作用。而費希爾甯願不走這條路，并坦言他在論文裡極力避免這個以c開頭的詞—consciousness（意識），而使用像memory（記憶）這樣定義準确的概念。

他的提議也許并不瘋狂，但是否有足夠的說服力，讓質疑者重新考慮大腦中的量子效應？撒伽德也打開了他的腦洞，他指出過去近30年積累的證據表明，其他生物過程也涉及到長期的量子相幹态，比如光合作用。牛津大學的弗拉特科·費德拉（Vlatko Vedral）也看到了費舍爾工作的一些價值。他說，溫熱、濕潤的大腦太亂而無法産生有用的相幹性，有這種想法的人“想得太簡單”。除此之外，他還不确定費希爾的原理所能發揮的确切作用。“但至少他所提出的實驗可以讓這個問題的探索繼續下去。”他說。

如果出現了任何成功的迹象，費希爾還有許多想法想要測試：包括關于锂的問題，以及相關的自旋效應能否解釋汞對大腦的影響。一些常見的汞同位素具有非零的核自旋，這可能讓波斯納分子内的磷核自旋退相幹。

問題不斷出現。是否頭部的撞擊會因為引起退相幹而導緻失憶？經過大腦的磁場刺激是否會因為核自旋而改變大腦的狀态，并激發大腦中的磁場？費希爾也承認，這些觀點都很有說服力。

約翰喬·麥克法登（Johnjoe McFadden）是英國薩裡大學的分子生物學家，他是一位還未被說服的研究者。 他再次援引奧卡姆剃刀。 “想要形成一個連貫的故事還需要太多的比特信息，”他說，“如果其中之一無法成立，那一切都會崩潰。”

撒伽德也想知道這個系統會如何崩潰。他說：“我不認為需要更多的解釋來描述有趣的心理現象”。但我們沒有理由不去認真評估這些提議，他補充道：“進行科學研究的有效力量之一就是人們嘗試不同的方法，你會得到相互競争的解釋。這一切都很好，我隻是把我的錢花在不同的方法上了。”

而與此同時，費希爾則把錢投資在自己的觀點上：他自己花了2萬美元現金來申請專利，用富含锂6的化合物來治療抑郁和其他類似的精神疾病。然而，他自己也不清楚這個技術是否領先。“量子認知能否理解我們的神經科學還無法解答的東西？”他自己的答案： “也許真的可以。”

撰文：邁克爾·布魯克斯（Michael Brooks）

翻譯：林志鵬

審校：吳非

引進來源：newscientist

本文來自：中國數字科技館

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