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量子力學能夠解釋大腦意識背后的原理嗎

2017-08-17
科學探索,量子力學,大腦意識
量子力學能夠解釋大腦意識背后的原理嗎?
2015-12-25

人類的大腦為何具有如此復雜的思考能力?這背后是否有量子力學的加持?物理學家Matthew Fisher給出了自己的答案。本文是NewScientist雜志對這個話題的深度長文。

從意識到長期記憶,人腦擁有獨一無二的計算能力——這些或許都能用量子模糊性來解釋。

Matthew Fisher擔心如果同事發現他最近的研究項目會作何感想。最后,他終于釋懷,因為他并沒有在一片嘲笑中被轟出去。他說:“他們告訴我,這是合理的科學——我并沒有瘋。”

當然,Fisher的簡歷中沒有任何與瘋狂沾邊的東西。他是材料量子特性方面的專家,曾在IBM工作,后來又去了微軟的量子計算研究所Station Q,從事量子計算機的開發。他現在是加州大學圣塔芭芭拉分校科維理理論物理研究中心的教授。今年,他獲得了美國物理協會的奧利弗·巴克利凝聚態物理獎,而這個獎的獲得者中有許多后來都獲得了諾貝爾獎。

然而,他卻開辟了一個新戰場,一個許多物理學家避猶不及的學科。

“大腦使用量子力學嗎?這完全是一個合理的問題”,Fisher說。在某個層面上,他是正確的——答案是肯定的,大腦當然會用到量子力學。大腦是由原子組成的,只要是原子就必須遵循量子力學的規律。但是Fisher真正想問的問題是,量子物體的奇異特性(例如,同時位于兩個地方的疊加態、相距甚遠還能實時相互影響的量子糾纏等等)是否能夠解釋與人類認知有關的那些復雜迷惑的問題。這是一個飽受爭議的問題。

最根本的異議來自奧卡姆剃刀原則。該原則說,最簡單的解釋通常就是最好的。從這個觀點來看,目前關于大腦的非量子觀點運行得還不錯。加拿大滑鐵盧大學的哲學家Paul Thagard說:“越來越多的證據表明,我們可以用神經元之間的交互來解釋所有與意識有關的趣事。”牛津大學的物理學家David Deutsch同意這種說法。他問道:“真的有必要召喚出量子物理學來解釋認知嗎?我認為沒有。如果真有必要,我會非常驚訝。”

Fisher卻不那么肯定。他指出,迄今關于記憶的理論遠算不上無懈可擊——比如,有觀點稱記憶存儲在神經網絡的結構或神經元之間的連接中。他說:“我的直覺告訴我,神經科學中有太多令人迷惑的東西了。”那么,為何不去研究一下量子力學是否能提供更好的解釋呢?

或許,人們不去研究量子力學與意識的關系是因為有前車之鑒。1989年,牛津大學數學家羅杰·彭羅斯提出,沒有任何一個標準而經典的計算模型能夠解釋大腦為什么能產生出想法和意識經驗。這個想法吸引了許多人,包括亞利桑那州一位名為Stuart Hameroff的麻醉師。他提出了一個特別的方式,能讓量子效應涉入意識。

這個想法的關鍵之處在細胞微管——這是組成神經元支撐結構的蛋白質管。利用量子效應,微管同時處于兩個不同形狀的「疊加態」(superpositions)。每個形狀相當于一個比特的傳統信息,所以,這個變形的量子比特(也叫作量子位,qubit)能夠存儲相當于傳統計算機兩倍的信息。

接下來,把量子糾纏加進去,你就能迅速建造起一臺量子計算機,其存儲的信息量和存儲效率都遠高于傳統計算機。量子糾纏是一種奇特的性質,能讓兩個量子比特狀態保持糾纏,即使它們并沒有彼此接觸。實際上,彭羅斯提出,量子計算機能同時探索問題的多個答案,并用不同的方式將這些答案組合起來,正好能夠解釋大腦的特殊天賦。

彭羅斯和Hameroff在這個想法上進行了合作。他們和其他人一起,將其當做一個合理的理論四處宣傳。但是,漏洞出現了。

從一個物理學家的角度看,最根本的問題在于退相干的時間。疊加態和量子糾纏都是非常脆弱的現象。有多脆弱呢?就像雜技演員們在高空鋼絲上騎著獨輪車疊羅漢一樣脆弱。稍有一點干擾,就會失去平衡。在量子系統中,哪怕只有一丁點熱量、機械振動等干擾,量子狀態就會“退相干”成一個平淡無奇的普通狀態。存儲在量子狀態中的信息就會損失掉,消散在周圍的環境中。

包括Fisher在內的物理學家想建造一臺大型量子計算機,但這個問題困擾了他們20多年。即使在低溫冷卻和機械分離的條件下,也很難使量子比特網絡的相干狀態保持足夠長的時間以獲得超越傳統計算機的能力。

更不用說在溫暖潮濕的大腦里,晃蕩擁擠的分子就像一鍋熱湯,幾乎不可能維持相干狀態。神經元保持信息的同時更要以微秒級的速度處理它,因為計算表明,微管中量子疊加態只能持續10^(-20)至10^(-13)秒。神經哲學家Patricia Churchland對此做了總結,成為了后來的主流觀點:“突觸里的仙塵與微管量子相干理論具備相同的解釋力。”她在1996年寫道。(仙塵指的是童話中仙女灑下的魔法金粉,此處意在諷刺微管相干理論說不通。——譯者注)

Fisher也懷有同樣的懷疑。他說:“當他們開始談論微管時,我立刻知道它沒有意義。這不可能成為量子信息的工作方式,除非你能控制它,并避免它與周圍的環境發生糾纏。”

但他同時認為,如果萬能的進化論竟然沒有發現神奇的量子方法,是不是很奇怪?生命有數十億年的時間去“發現”量子力學,它們完全可以用自己精湛的分子儀器去開發利用量子力學。即使大腦中神經元之間的電脈沖(它能被經典物理學很好地描述)確實能作為思維和記憶的直接基礎,也可能存在一個隱藏的量子層面,在某種程度上決定著這些神經元連接和放電的方式。

Fisher對此的個人興趣始于一條迂回的路:當他知道身邊有人患精神疾病時,他想知道精神病的持續性和藥物療效。“沒有人真正知道精神病藥物的工作原理。”他說。他認為其中必有原因。我們需要對藥物嘗試修正的對象進行更深入的理解,這個對象也就是人類的心靈。

Fisher最初關注的興趣重點是鋰元素,這是許多情緒穩定藥物的成分。當他梳理科學文獻時,發現了一份1986年的特別報告,這讓他停下來思考。報告里描述了一個實驗:給大鼠喂養兩種穩定的同位素鋰(鋰-6和鋰-7)中的其中一種,再觀察它們清潔、起居、護理幼崽、筑巢、進食等活動。結果顯示,喂養鋰-6的大鼠活性顯著高于對照組或飼喂鋰-7的大鼠。

正是這篇論文讓Fisher想到,或許是時候再次去觸碰一團亂麻的量子認知了。所有原子核,與構成它們的基本粒子一樣,都有一個量子力學性質,稱為自旋(spin)。簡單地說,自旋度量了原子核能“感覺”到多少電場和磁場的程度。自旋越大,相互作用力就越大。如果一個原子核具有最低可能的自旋值(也就是1/2),那么它與電場之間幾乎沒有任何相互作用,僅有一個非常小的磁場作用。所以在一個如大腦般、電場比比皆是的環境下,自旋量1/2的原子核就會特別抗干擾。

自旋1/2的原子核在自然界中并不常見,但情況是這樣的。鋰-6,它的自旋值本是1,但在類似大腦的化學環境(即水基鹽溶液)中,水中額外的質子能使它表現得好像一個自旋為1/2的原子核。而早在上世紀70年代的實驗就指出,鋰-6原子核自旋能保持長達5分鐘的穩定。Fisher推斷道,如果量子力學真能控制大腦的計算,那么鋰的鎮靜作用可能就歸結于大腦化學反應中的這種獨特的相干原子核。

不只如此。雖然鋰-6不常出現在大腦里,但大腦里實際存在一種自旋1/2的原子核,它還是許多生化反應的積極參與者:磷。于是思想的種子開始在Fisher腦子里發芽。他說:“如果大腦真正在進行量子處理,那么利用磷原子的核自旋就是它的唯一途徑。”

經過詳盡的計算,Fisher終于確定了生物場景中不同磷基分子的相干時間,并發表了一個候選的量子比特。那是一種稱為波斯納分子或波斯納集群(Posner molecule or cluster)的磷酸鈣結構,于1975年在骨骼礦物質里發現。它們也在實驗室里制造的模擬體液(即水加上生物分子和礦物鹽)里被觀測到過。然后,Fisher估算了這些分子的相干時間,結論是驚人的——105秒,簡直就像一整天那么長。

他還至少確定了一種發生在大腦中的化學反應,他認為這種化學反應會自然地在波斯納分子內制造核自旋之間的糾纏態和相干態。這個反應過程參與鈣的吸收和利用焦磷酸酶的脂肪代謝過程。焦磷酸酶能打破2個相連的磷酸根離子結構,產生2個單離子。理論上說,至少這2個離子的核自旋應該是處于量子糾纏態的。將它們釋放到細胞周圍的液體中,就可能與鈣離子結合形成波斯納分子。

如果這些都是正確的,大腦的細胞外液可能會充斥著高糾纏態的波斯納分子組成的集群。如果出現在神經內部,這些分子可能會開始改變細胞發出信號和反應的方式,并由此形成思想與記憶(見下方圖表)。

上個月,Fisher在《物理學年鑒》上發表了他的研究細節。他承認,論文的大部分都具有高度推測性。“我還在講故事的階段”,他說道,“接下來我必須要先完成一些實驗。”

第一場測試將是確定波斯納分子是否真正存在于細胞外液中。如果是真的,那么它們是否真的能夠進入糾纏態?Fisher設想在實驗室里進行這樣一個實驗:誘發可能引起磷原子核自旋糾纏狀態的化學反應,將得到的溶液倒進兩個試管里,并在二者發出的光線之間尋找量子相干。觀察這樣的相干狀態,你或許就真正開始了量子認知。Fisher說:“這個實驗可以被完成,并且我會確保它一定要完成。”

彭羅斯為這個理論感到興奮。他說:“很長時間以來,Stuart Hameroff和我都支持核自旋可能是長期記憶形成的重要成分。Matthew Fisher的想法可能正會為這個理論提供非常積極的證據。”

但是,彭羅斯依然放不開他的微管假說。他僅僅將Fisher的新假說作為長期記憶的形成原因之一。“意識現象更有可能與相互連通的微管的量子行為有關。”

對于彭羅斯來說,意識一定與萬有引力有關,引力作用于量子態并引發了退相干;微管比原子核更重,因此更可能是這種相互作用的成因。Fisher則不愿意走上這條路,他說他在論文里刻意避免提及這個c打頭的詞語——即意識(consciousness),而是集中精力于那些定義更完善的概念,例如記憶。

Fisher的設想可能i并不瘋狂,但它是否足夠說服懷疑者去重新看待大腦中的量子效應呢?Thagard宣稱自己思想很開明。他指出,過去25年間不斷有證據涌現出來證明其他的生物過程(例如光合作用)也包含著長壽的相干量子態。牛津大學的Vlatko Vedral從Fisher的研究中看出了其價值所在。他指出,“溫暖濕潤的大腦因為太過冗雜而無法擁有有效相干性”的想法太過簡單。除此之外,他也不太確定Fisher提出的機理究竟會在哪個部分起作用。盡管如此,“但至少他提出了一個能夠進一步研究該問題的實驗。”他說。

如果有任何一絲成功的光芒,Fisher都會有一堆想檢驗的主意。這里有一個關于鋰的問題,以及相關的自旋效應是否能夠解釋水銀對大腦的影響——這個慢性汞中毒癥的現象又被叫做瘋帽子癥(mad hatter disease),因為早期生產帽子的工人會長時間暴露在水銀環境中,導致水銀慢性中毒。一些常見的汞同位素的原子核自旋不為零,如果被俘獲進入波斯納分子則可能會引起磷原子核自旋退相干。

問題源源不絕。給腦袋來一棍子會讓人失憶,是因為它導致了退相干嗎?核自旋是人們能夠利用顱磁刺激在大腦內發射磁場以改變大腦狀態的原因嗎?Fisher正在與斯坦福大學的神經科學家和分子生物學家一起工作。他目前正在加州休假,并努力解決上述問題。他承認,這些科學家大都認為他的理論具有可信性。

Johnjoe McFadden是英國薩里吉爾福德大學的分子生物學家。他是Fisher有待說服的研究者之一。他以「奧卡姆剃刀」為武器,提出“有太多冗余的部分需要整合在一起去制造一個連貫的理論。如果任何一個方面有所缺失,它會立即分崩離析。”

Thagard也等待著它的崩塌。他說:“你真的需要如此復雜的理論去解釋一個有趣的心理現象嗎?我不這么認為。”但是這個研究仍然值得仔細琢磨,“科學的偉大力量之一就是人們可以嘗試不同的方法,并得到相互競爭的解釋。這很好。而我只是想把我的賭注押在另一個方法上。”他補充道。

與此同時,Fisher也在下賭注:他自掏腰包花費了20000美元來申請用鋰-6治療抑郁癥與其他精神疾病的專利。盡管如此,他對這條路究竟會走向何方仍然不甚清楚。“量子認知能夠解釋神經科學中那些超出我們理解范圍的事情嗎?”

他給出了自己的回答:“也許,可以。”

注釋:

奧卡姆剃刀是由14世紀邏輯學家、圣方濟各會修士奧卡姆的威廉(William of Occam,約1285年至1349年)提出。奧卡姆(Ockham)在英格蘭的薩里郡,那是他出生的地方。他在《箴言書注》2卷15題說「切勿浪費較多東西去做用較少的東西同樣可以做好的事情」。




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