人类的大脑为何具有如此复杂的思考能力？这背后是否和量子力学有什么特殊关系呢？从意识到长期记忆，人脑拥有独一无二的计算能力，而现代科学发现，这些或许一定程度都能用量子模糊性来解释。 首先，大脑当然会用到量子力学。大脑是由原子组成的，只要是原子就必须遵循量子力学的规律。但量子的奇异特性，如叠加态、量子纠缠等等，是否能够解释与人类认知有关的那些复杂迷惑的问题，这是一个饱受争议的问题。 这个想法的关键之处在细胞微管——这是组成神经元支撑结构的蛋白质管。利用量子效应，微管同时处于两个不同形状的「叠加态」。每个形状相当于一个比特的传统信息，所以，这个变形的量子比特（也叫作量子位，qubit）能够存储相当于传统计算机两倍的信息。接下来，把量子纠缠加进去，就能迅速建造起一台量子计算机，其存储的信息量和存储效率都远高于传统计算机。量子纠缠是一种奇特的性质，能让两个量子比特状态保持纠缠，即使它们并没有彼此接触。实际上，量子计算机能同时探索问题的多个答案，并用不同的方式将这些答案组合起来，正好能够解释大脑的特殊天赋。 从一个物理学家的角度看，最根本的问题在于退相干的时间。叠加态和量子纠缠都是非常脆弱的现象。有多脆弱呢？就像杂技演员们在高空钢丝上骑着独轮车叠罗汉一样脆弱。稍有一点干扰，就会失去平衡。在量子系统中，哪怕只有一丁点热量、机械振动等干扰，量子状态就会「退相干」成一个平淡无奇的普通状态。存储在量子状态中的信息就会损失掉，消散在周围的环境中。 所有原子核，与构成它们的基本粒子一样，都有一个量子力学性质，称为自旋（spin）。简单地说，自旋度量了原子核能「感觉」到多少电场和磁场的程度。自旋越大，相互作用力就越大。如果一个原子核具有最低可能的自旋值（也就是1/2），那么它与电场之间几乎没有任何相互作用，仅有一个非常小的磁场作用。所以在一个如大脑般、电场比比皆是的环境下，自旋量1/2的原子核就会特别抗干扰。在类似大脑的化学环境（即水基盐溶液）中，水中额外的质子能使它表现得好像一个自旋为1/2的原子核。如果量子力学真能控制大脑的计算，那么锂的镇静作用可能就归结于大脑化学反应中的这种独特的相干原子核。 不只如此。虽然锂-6不常出现在大脑里，但大脑里实际存在一种自旋1/2的原子核，它还是许多生化反应的积极参与者：磷。于是思想的种子开始在Fisher脑子里发芽。他说：「如果大脑真正在进行量子处理，那么利用磷原子的核自旋就是它的唯一途径。」 经过详尽的计算，科学家Fisher确定了生物场景中不同磷基分子的相干时间，并发表了一个候选的量子比特。那是一种称为波斯纳分子或波斯纳集群的磷酸钙结构，于1975年在骨骼矿物质里发现。它们也在实验室里制造的模拟体液（即水加上生物分子和矿物盐）里被观测到过。然后，Fisher估算了这些分子的相干时间，结论是惊人的——105秒，简直就像一整天那么长。 他还至少确定了一种发生在大脑中的化学反应，他认为这种化学反应会自然地在波斯纳分子内制造核自旋之间的纠缠态和相干态。这个反应过程参与钙的吸收和利用焦磷酸酶的脂肪代谢过程。焦磷酸酶能打破2个相连的磷酸根离子结构，产生2个单离子。理论上说，至少这2个离子的核自旋应该是处于量子纠缠态的。将它们释放到细胞周围的液体中，就可能与钙离子结合形成波斯纳分子。 如果这些都是正确的，大脑的细胞外液可能会充斥着高纠缠态的波斯纳分子组成的集群。如果出现在神经内部，这些分子可能会开始改变细胞发出信号和反应的方式，并由此形成思想与记忆。 （原创不易，谢谢打赏。探索宇宙、自然、生命的奥秘。更多资讯敬请关注同名微信公众号：czzhq16。） |
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