人腦產生意識，可能是因為量子糾纏

　　時間: 2017年01月10日 | 作者: Jennifer Ouellette | 來源: Quanta magazine

       有科學家認為，人腦可能就是一台量子計算機。

　　

　　一提到「量子意識」這個詞語，大多數物理學家都會選擇避而不談，因為這個詞語聽起來好像有點「民科」，甚至讓人聯想宗教或者玄學。不過出人意料的是，量子效應可能真的在人類的認知過程中起到了一些作用——只要一個最新提出的假設能夠得到證實。馬修·費舍爾（Matthew Fisher）是一名來自加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的物理學家，去年年末，他在《物理年鑒》（Annals of Physics）上發表了一篇讓人大跌眼鏡的論文。在這篇論文中，他指出大腦的工作原理很有可能與量子計算機一致，而磷原子的核自旋就充當了大腦的「量子比特」（qubits，量子信息的基本計量單位，可以以「又0又1」的狀態存在）。

　　若是在十年以前，費舍爾的理論一定會被許多人認為是無稽之談。物理學家們早就受夠了這樣的理論——最著名的一個例子發生在1989年，數學物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）聲稱意識是神經元細胞微管（構成細胞骨架的蛋白質）中量子引力效應的結果。相信這個假說的研究者寥寥無幾，加州大學聖地亞哥分校的神經生物學家帕特里夏·丘吉蘭（Patricia Churchland）就用一個有趣的說法委婉地表達了自己的態度：她認為，認為意識來源於量子引力效應，就跟認為意識來源於神經元突觸中閃著金光的的魔法粉塵差不多（想象一下彼得潘里小精靈身上閃著金光的粉塵）。

　　費舍爾的假說必須直面與彭羅斯微管假說相同的難題：量子退相干（quantum decoherence）。在構建量子計算機的過程中，我們需要將不同的量子比特通過量子糾纏（entanglement）的方式連接起來，不幸的是，量子糾纏處於一種非常脆弱的狀態，周圍環境中任何一絲輕微的擾動都可能使其消失無蹤：哪怕只有一個光子無意中撞上了一個量子比特，整個量子糾纏就會因為發生退相干而分崩離析，徹底摧毀整個系統的量子特性。所以，就算是在每寸空間都受到精密控制的實驗室環境中，完成某些量子反應都是一件極富挑戰性的課題——更不用說在我們顱骨下那團溫暖、潮濕、結構複雜的粘稠物——大腦里了。想讓大腦在一段相對較長的時間內維持量子相干，根本是種不切實際的幻想。

　　然而在過去的十年內，越來越多的證據顯示，特定的生物系統居然真的有可能應用著量子力學。以光合作用為例，研究發現，量子效應能夠幫助植物將太陽能轉化為供生物生長存活的化學與生物能源；候鳥的體內也有一種「量子羅盤」（quantum compass），能讓候鳥利用地球的磁場確認方向；還有研究將人類的嗅覺也歸結於某些量子力學的機制。

　　正是在這波量子生物學的新興浪潮中，費舍爾提出了大腦中存在量子信號處理的「瘋狂」觀點，他把這門與自己理論相關的學科定名為量子神經科學（quantum neuroscience）。費舍爾提出了一個極為複雜的設想，結合了核物理、量子物理、有機化學、神經科學及生物學的相關知識。儘管這些想法遭遇了大量有理有據的質疑，他的理論卻並沒有被這道狂流淹沒——一些研究者開始注意起了這個看似荒謬的設想。「只要讀過他的論文，我相信許多人都會得出這樣的結論：『嘿，這老傢伙沒有想象中的那麼瘋狂。』」加州理工學院的物理學家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）在聽了費舍爾的一次演講后這麼寫道：「他可能的確意識到了些什麼。或者至少，他正在提出一些非常有意思的問題。」

　　塞希爾·托達德里（Senthil Todadri）是麻省理工學院的物理學家，也是費舍爾的老友和長期合作夥伴。托達德里對費舍爾的理論持懷疑態度，不過他認為費舍爾的確重新提出了這樣一個核心問題：「人腦中究竟存不存在量子處理過程？」並提供了一條可以嚴格檢驗該猜想的可能途徑。「直到目前為止，主流的看法依舊認為量子信息處理根本不可能發生在大腦之中。」托達德里說道，「費舍爾找到了一個理論的漏洞，所以下一步就要看這個漏洞能否被補上了。」事實上，費舍爾的確組建了一個團隊，希望能夠通過實驗測試徹底回答這個問題。

　　尋找核自旋

　　費舍爾似乎天生就註定會成為一名物理學家：他的父親邁克爾·費舍爾（Michael E. Fisher）是馬里蘭大學帕克分校的一名傑出物理學家，致力於統計物理學的研究，在學術生涯內獲得了不計其數的榮譽和獎項；他的哥哥丹尼爾·費舍爾（Daniel Fisher）是斯坦福大學的應用物理學家，專攻演化動力學。馬修·費舍爾也追隨他們的步伐，成為了一名小有名氣的物理學家。2015年，費舍爾因為他在量子相變領域的傑出貢獻與其他三人一起榮獲了凝聚態物理領域享譽盛名的巴克利獎（Oliver E. Buckley Prize）。

　　那麼，究竟是什麼原因讓費舍爾把注意力從主流的物理學移開，轉而探究起了這項頗具爭議、甚至是臭名昭著的課題呢？畢竟，這項研究處於生物學、化學、神經科學與量子物理的交界面，處境十分尷尬。答案在意料之外、情理之中：費舍爾有一段親身經歷的抑鬱症鬥爭史。

　　直到現在，費舍爾還能清晰地回憶起1986年2月的那一天，自己在麻木和遲鈍中醒來，生物鐘感覺混亂，彷彿一周都沒有合眼休息。「我感覺自己就像被人麻醉了。」費舍爾說道。無論他睡多久，情況都沒有好轉；他改變了自己的飲食習慣，積極參與運動，效果依舊微乎其微；驗血結果也沒有顯示任何異常。這樣的癥狀持續了整整兩年，「這種感受到底有多痛苦呢？在我清醒的每時每刻每分每秒，偏頭痛的痛覺都蔓延到了我身體的每一個細胞。」這種痛苦是如此令人難以忍受，就算他第一個女兒的誕生沖淡了這層憂鬱的迷霧，給了他奮鬥的理由，費舍爾依舊想到了自殺。

　　

　　馬修·費舍爾，提出了量子效應改變大腦工作方式的一種途徑

　　幸而最後，一位精神病醫師給他開了三環抗抑鬱葯，三個星期內，他的精神狀況開始好轉。「在此之前，我的四周像被濃霧籠罩著，根本看不到太陽；而現在這層霧氣淡了些，我能看到雲霧背後存在著微弱的光芒。」費舍爾這麼向我們比喻。在之後短短九個月，除了一些包括高血壓在內的治療副作用依舊存在，他感覺自己獲得了新生。不久后，費舍爾將治療藥物換為「百憂解」（Prozac），並一直小心控制著自己的病情和用藥情況。

　　費舍爾獨特的親身經歷使他相信，這些抗抑鬱症藥物的確發揮了作用，不過讓他感到吃驚的是，他發現神經科學家們居然對這些藥物背後的作用機制知之甚略。這引起了費舍爾的好奇心，結合自身量子力學的專業背景，他開始思考大腦中發生量子處理的可能性。五年前，他全身心地投入了這項課題，他想知道更多——結合自己的經歷，費舍爾將抗抑鬱藥物作為研究的切入點。

　　考慮到幾乎所有的精神治療藥物都是複雜的小分子化合物，費舍爾把研究的第一個目標定在了結構最簡單的一類藥物——鋰上。該藥物只包含一種原子，可以說是個高度簡化的科學模型，就像「真空中的球形雞」一樣（「真空中的球形雞」出自一個諷刺理論物理學家過度簡化模型的笑話：一個養雞場里養的雞忽然不下蛋了，農場主寫信給物理學家求助，物理學家做了一番計算后宣布：「我已經找到了一個解！不過，這個解只適用於真空中的球形雞。」），比起研究「百憂解」之類的藥物要容易得多。費舍爾認為「真空中的球形雞」這個比喻格外恰當，因為鋰原子的微觀外型恰好就是一個球體——一層球形的電子云圍繞著中心的鋰原子核。他注意到市場上常見的鋰處方葯幾乎都是Li-7，於是開始思考：鋰元素的另一種更少見的同位素Li-6是否能夠起到同樣的藥物療效？從理論上來說，不同同位素之間只是中子數目不同，化學性質幾乎相同，所以Li-7和Li-6的療效應該是一樣的。

　　在費舍爾檢索文獻時，他發現前人已經做過一些比較Li-7和Li-6效應的實驗。早在1986年，康奈爾大學的科學家就研究了這兩種同位素對大鼠行為的影響（J.A. Sechzer, K.W. Lieberman et al., 1986）。實驗者將懷孕的大鼠分為三個不同的實驗組：一組給葯Li-7；一組給葯Li-6；還有一組作為實驗對照組。在小鼠誕生之後，給葯Li-6的大鼠媽媽表現出了更強的母性行為：比起給葯Li-7和對照組的大鼠母親，它們哺乳、養育後代和打理小窩的行為都更頻繁。

　　這極大地勾起了費舍爾的好奇心。這兩種同位素的化學性質是如此相像，由中子數數目不同所引發的質量數差異又是那麼微乎其微，理應如泥牛入海般消失在體環境的汪洋之中，那麼到底是什麼造成了研究者觀察到的行為差異呢？

　　費舍爾認為這種差異的秘密很可能隱藏在原子核自旋（nuclear spin）之中。核自旋是核自旋角動量的簡稱，是原子的一種內在量子性質，具體數值由原子核的自旋量子數決定（質子數和中子數均為偶數的原子核，自旋量子數為0；質量數為奇數的原子核，自旋量子數為半整數；質量數為偶數，質子數與中子數為奇數的原子核，自旋量子數為整數），它影響了原子處於相干態，即不受環境影響狀態的時間：核自旋越低，原子核與外加電磁場的相互作用就越弱，越不容易發生退相干。

　　由於Li-7和Li-6的中子數不同，它們的核自旋角動量也就不同（自旋量子數不同）。Li-7的量子數更大，核自旋更高，根據量子力學原理，其發生退相干的速度也就越快；與此同時，Li-6卻能保持更長時間的量子糾纏態。

　　費舍爾找到的這兩種化學物質——Li-7和Li-6，它們除了量子核自旋不同，其餘的重要性質都完全相同，他發現這兩種物質對於動物行為的影響差異巨大。這個發現是費舍爾無法抗拒的誘惑——它暗示著，量子處理的確有可能在認知過程中起到了功能性的作用。

　　量子糾纏保衛戰

　　即便如此，想要在現實中驗證這個有趣的猜想依舊是項令人望而生畏的研究工作。如果要使量子信息以量子比特的形式儲存足夠長的時間，大腦一定需要一些其他的特殊機制——比如多個量子比特間的糾纏機制，以及將這種糾纏體現到神經衝動上的化學機制。此外，在大腦中傳輸以量子比特形式存儲的量子信息也需要一定的機制來實現。

　　毫無疑問，這是一塊難啃的骨頭。費舍爾用了整整五年的時間，才找到了一個符合條件的候選原子——磷。磷原子是生物體內除氫原子外唯一一個自旋數為1/2的常量元素，這個核自旋比較低，因此磷能維持的相干時間也比其他候選元素更長。雖然僅憑磷原子自身不能維持穩定的量子比特，不過費舍爾發現，只要把磷和鈣離子結合成簇，相干時間就能得到有效的延長。

　　1975年，康奈爾大學的科學家艾倫·波斯納（Aaron Posner）用X光衍射的方法在骨骼中觀測到了一類奇怪的鈣磷原子團簇，艾倫為這類原子簇畫出了結構示意圖：團簇結構中包含了9個鈣原子與6個磷原子。之後，人們為了紀念艾倫的傑出貢獻，把這個電中性的團簇命名為「波斯納原子簇」（Posner』 s clusters，結構式Ca9(PO4)6）。2000年，學界又興起了一波研究「波斯納原子簇」的熱潮，起因是科學家在刺激骨骼生長的人造液體環境中觀測到了波斯納原子簇的存在。隨後，大量的實驗證據接連表明，這類原子簇其實一直安靜地「躲藏」在我們的身體之中，費舍爾不禁懷疑，波斯納原子簇也能作為一種天然的量子比特元件，在大腦中發揮作用。

　　故事的宏觀圖像到這裡已經交代完畢，但這項工作的真正難題在於弄清反應發生的細節——為了想清楚這些，費舍爾花費了幾年的時間仔細推敲反應的每一個步驟。整個反應起始於細胞中一種名為焦磷酸鹽的化合物。

　　

　　如圖，焦磷酸根兩個磷酸根共用一個氧原子，通過共價鍵相互連接，每個磷酸根離子則由中心的磷原子與環繞磷原子的4個氧原子（核自旋數為零）構成。兩個磷酸根離子的核自旋（都來自於磷原子）糾纏在了一起，總共能形成四種不同的搭配方式：一種單態（singlet state，總自旋為0）和三重態（triplet state，總自旋為1）。在三重態下系統只能維持微弱的量子糾纏，而單重態下的系統能夠最大程度地保證量子糾纏——這對於量子計算是必不可少的先決條件。

　　緊接著，生物酶打斷磷原子間的化學鍵，將糾纏著的磷酸鹽分子分為兩個獨立的磷酸根離子。這一過程的關鍵要點在於，儘管從化學意義上這兩個磷酸根離子已經分開，但在量子力學的意義上，它們依舊保持著量子糾纏。費舍爾告訴我們，如果系統處於單重態，這一分離過程將會更加迅速地發生。這些分散了的離子隨後依次與遊離的鈣離子、氧原子相結合，組裝成為上文提到的「波斯納原子簇」。由於鈣離子和氧原子核自旋數都為0，這使得原子簇的整體維持著1/2的總自旋數，延長了量子的相干時間。這些原子簇保護著已經分開的糾纏量子對，使它們免受外界干擾，以維持長時間的相干狀態。根據費舍爾的粗略估計，這種狀態下的相干時間能夠持續數小時，數天甚至數周之久。

　　通過這種方法，形成量子糾纏的原子能夠在大腦內分散分佈，相隔一定的距離調控神經遞質的釋放，影響神經元細胞突觸間動作電位的傳遞，以此參與無形的大腦運作。

　　驗證猜想

　　量子生物學界對費舍爾的觀點既好奇又謹慎。倫敦大學學院專攻量子光合作用的物理學家亞歷桑德拉·奧拉亞-卡斯特羅（Alexandra Olaya-Castro）將該理論稱作為「一個思慮周密的猜想。儘管當下這個猜想並未給出問題的答案，但它的確為我們踏實、逐步地驗證這個假說提供了切實可行的方向。」

　　來自牛津大學的化學家彼得·霍爾（Peter Hore）也對奧拉亞的觀點表示贊同，他研究的是量子效應在鳥類導航系統中的應用。他表示：「費舍爾已經從理論上明確給出了參與反應的原子種類和具體的反應機制，甚至都已經清晰地指出了這些原子是如何通過那些機制影響大腦的活動，這些已經足夠讓我們設計實驗去驗證這一切了。」

　　實驗驗證正是當今費舍爾迫切想要完成的工作。近期，他剛剛乘著休假的時間前往斯坦福大學，和當地的研究學者一起工作，試圖重複1986年康奈爾大學完成的懷孕大鼠實驗（關鍵詞：Li-7，Li-6）。費舍爾坦白地承認了實驗的初步結果並不是非常理想，採集到的實驗數據並不能提供太多有意義的信息。不過費舍爾相信，如果再次重複實驗，並使用一個更接近1986年原始實驗的實驗步驟來完成，他們將會得到更加確鑿的實驗結果。

　　為了完成一系列更加深入的量子化學實驗，費舍爾已經申請了更多的研究經費；他還從加州大學聖巴巴拉分校與舊金山分校東拼西湊了一小群來自不同領域的科學家作為研究的合作者。首先，他想探究磷酸鈣分子是否真的能夠在體內形成穩定的波斯納原子簇；同時他也希望能夠驗證這些粒子中磷原子的核自旋能否維持足夠長的糾纏時間。

　　實際上霍爾和奧拉亞-卡斯特羅對費舍爾關於磷原子核自旋持續時間的猜想一直持懷疑態度，覺得費舍爾聲稱相干時間能夠長達一天有點過於樂觀了。「說實話，我認為這非常不現實。」奧拉亞-卡斯特羅告訴我們，「相關的生化反應發生的最長時間也就是秒量級，一天未免也太長了。」霍爾認為，費舍爾的預期已經「突破天際」了，他認為，反應時間最長充其量也只有1秒。「我並不是全盤否定他的整個觀點，但我認為他有必要再尋找一種能延長相干時間的粒子，」霍爾這麼評論，「我不認為波斯納原子簇會是這個問題的答案。但對這個問題的後續研究，我依舊滿懷期待。」

　　也有研究者認為運用量子處理的知識去解釋大腦的功能是多此一舉。「越來越多的證據表明，我們可以用神經元間的互相交流來解釋任何與意識相關的話題。」加拿大滑鐵盧大學的神經哲學家保羅·薩迦德（Paul Thagard）在寫給《新科學人》（New Scientist）的文章中這麼寫道。

　　費舍爾猜想中的許多問題都需要更為深入的檢驗；費舍爾本人也希望他能夠完成這些相關實驗並得到問題的答案。波斯納原子簇的結構是對稱的嗎？核自旋究竟以何種程度孤立存在？

　　一個更加現實的問題是，如果所有的這些實驗最終證實費舍爾的猜想是錯誤的呢？也許會有那樣的一天，科學界完全放棄了這種「量子意識」的觀點。「我個人一直相信，如果磷原子的核自旋不能用於量子處理，那麼量子力學在長期認知這一意識領域就無法有效地運作。」費舍爾說道，「所以哪怕僅是排除這種可能，也有很大的科學意義。很多時候科學需要的並不僅是陽性結果——陰性結果也同樣重要。」

　　撰文 Jennifer Ouellette

　　翻譯 葉宣伽

　　審校 丁家琦