 编者按：进步是在无数的试错过程中诞生的。量子意识这个东西也许并不存在，但只要研究的方法方式是科学严谨的，无论真伪，其结果仍有着重大的科学意义。 听到“量子意识”一词，多数物理学家都要退避三舍。它让人联想起“新纪元运动”，以及那些神神叨叨的“大师”。 然而，人类认知中也许真有量子效应的一席之地，就看最近一种假说能否成立了。 去年年底，加州大学圣巴巴拉分校物理学家马修·费舍尔（Matthew Fisher）在《物理学年鉴》上发表论文，他提出，磷原子的核自旋也许充当着人脑中的初级“量子位”，使人脑像量子计算机一样运转。 放在十年前，费舍尔的理论也许会被许多人认为是异想天开。那时，物理学家们可没少在此碰壁。 最值得一提的是1989年罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）提出的理论，他认为，量子效应通过一种叫“微管”的神秘蛋白质结构，参与了人类的意识活动，当时很少有研究人员认同此说法。 加州大学圣迭戈分校的神经哲学家帕特里夏·彻奇兰德（Patricia Churchland）就说，与其用“微管”解释人类认知，还不如直接说“突触中的神奇魔法”，这还更方便些。 与微管假说一样，费舍尔的假说也得跨过一道巨大的坎：一种名为“量子退相干”的现象。要建一台量子计算机，你得通过量子纠缠，将量子位（量子信息的计量单位）关联起来。 但量子位的纠缠态是一种极其脆弱的状态，周围环境中的噪音都得一概屏蔽。只要有一个光子闯入，整个系统就会“退相干”——纠缠被破坏，系统的量子性质被抹去。 在严格控制条件的实验室内实现量子处理就已经非常困难，更别提在暖湿嘈杂的生物体内了，在那里，长时间相干的可能性几乎为零。 然而近十年来，越来越多的证据表明，某些生物系统也许能利用量子力学。比如在光合作用中，植物就能借助量子效应，将阳光转化为能源。科学家还提出，候鸟可能拥有“量子指南针”，以借地球磁场进行导航；此外，人类嗅觉也可能植根于量子力学。 费舍尔的假说隶属于一个新兴的量子生物学领域，我们不妨称之为量子神经科学。他提出了一种复杂的假说，涉及核物理和量子物理、有机化学、神经科学和生物学。 虽然怀疑者不在少数，而且怀疑得有理有据，但关注者也开始多起来。“读过他的论文，你一定会觉得，这老头也不是满口疯话。”加州理工学院物理学家约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）写道，“他可能发现了什么。至少，他提出了一些非常有意思的问题。”  马修·费舍尔 森希尔·托达里（Senthil Todadri）是麻省理工学院的物理学家，也是费舍尔的老友兼同事。对于这一假说，他是持怀疑态度的，但他认为，费舍尔改变了核心问题的叙述方式。 原先的问题很笼统：大脑中存不存在量子处理？而现在，费舍尔提供了一张路线图，人们可以按图索骥，逐一求证。 “一般的假设是，大脑中当然不存在量子信息处理。”托达里说，“但费舍尔的设想指出了一个研究上的空白点，就看我们能不能补上了。”事实上，费舍尔已经开始组建团队，试图在实验室内加以验证，从而给这个问题盖棺定论。 费舍尔出身于一个“物理世家”：父亲迈克尔·费舍尔（Michael E. Fisher）是马里兰大学帕克分校的杰出物理学家，在统计物理学领域成绩斐然，屡获荣誉和奖励；哥哥丹尼尔·费舍尔（Daniel Fisher）是斯坦福大学的应用物理学家，专攻进化动力学。 马修·费舍尔追随他们的脚步，也走出了一条自己的物理研究之路。2015年，凭借在量子相变方面的研究，他与旁人分享了久负盛名的奥利弗·巴克利奖。 那么，是什么驱使着他偏离主流物理学，走向生物学、化学、神经科学和量子物理学那混乱不堪、且争议重重的交界面的呢？不是别的，正是他自己与重性抑郁症作斗争的经历。 从1986年开始，马修被重性抑郁症折磨了整整两年，他回忆说：“那种感觉就像被下了药一样，睡再多也没有用。只要醒着就浑身疼痛。”他甚至还起过轻生的念头，是第一个女儿的降生，给了他活下去、战胜抑郁的勇气。 最后，他找到一位精神科医生，给他开了三环类抗抑郁药。不出三周，他的状况就明显好转；后来经过一段时期的药物治疗，总算结束了这场噩梦。 亲身经历使费舍尔相信，药物是有效的。但他也惊讶地发现，对于药物起效的确切机制，神经科学家们却都知之甚少。这激发了他的好奇心。 借助自己的量子力学知识，费舍尔开始思考一个问题：大脑中是否有可能存在量子处理？五年前，他开始潜心研究这一课题，参照自己服用抗抑郁药的经历，并以此作为切入点。 精神类药物几乎全都是复杂分子，但他挑了一种最简单的作为研究模型：锂原子。他指出，凭借医生处方，你可以在当地药房买到锂，它们大多数是锂的一种同位素，即锂7。 但若换成另一种同位素，比如相对罕见的锂6，效果还会一样吗？理论上讲应该是一样的，因为两种同位素的化学性质相同，只是原子核内的中子数不同。 费舍尔搜索文献，还真找到了一个对比锂6和锂7效用的实验。 1986年，康奈尔大学的科学家研究了这两种同位素对老鼠行为的影响。他们将孕期母鼠分成三组：一组喂锂7，一组喂锂6，第三组作为对照。幼仔出生后，相对于锂7组和对照组，锂6组的母鼠表现出更多的母性行为，如舐犊、喂奶和筑巢。 费舍尔大惑不解：且不提两种同位素的化学性质相同，就算原子质量上存在差异，在体内水环境的荡涤下，这些微小的差异也应该所剩无几了。既然如此，为何上述实验中的母鼠又呈现出不同的行为表现？ 费舍尔认为，奥秘可能在于核自旋。这种量子性质关系到原子相干时间的长短：自旋量越小，核与电场及磁场的作用就越小，退相干也越慢。 由于锂7和锂6的中子数不同，其自旋量也不同。因此，锂7退相干太快，不利于量子认知，而锂6能纠缠得更久一些。  费舍尔发现了两种物质，它们除自旋以外，其他方面都很类似；但它们对行为的影响却迥然不同。 对费舍尔而言，这是一条诱人的线索，它暗示着，量子处理也许真的在认知处理中扮演着某种角色。 这一假说固然引人遐思，但真要证明大脑中存在量子处理，难度还是不小。 首先，大脑中得有一些特定机制，将量子信息存储于量子位中，并存储足够长的时间。 其次，要有一种机制，将多个量子位纠缠起来，这种纠缠还要能经由化学途径，影响神经元放电。最后，还要有一些传输机制，将大脑各处量子位中的信息加以传输。 这是一项艰巨的挑战。费舍尔努力寻找大脑中量子信息的存储机制，但五年下来，只找到一种稍显靠谱的备选对象：磷原子。 磷是除了氢之外，唯一存在于生物体内、且自旋为1/2的元素。由于自旋量较小，相干时间可以较长。 磷本身无法产生稳定的量子位，但按照费舍尔的说法，若将磷和钙离子结合，形成团簇，相干时间还可以进一步延长。 1975年，康奈尔大学科学家艾伦·波斯纳（Aaron Posner）在观察骨骼X光片时，发现了一些奇怪的团簇，并将它们的结构绘制了出来：九个钙原子和六个磷原子。 这些团簇后被命名为“波斯纳分子”。本世纪初，科学家在人工流体中模拟骨骼生长时，又发现了悬浮其中的波斯纳分子。后续实验也在人体内发现了这些团簇。费舍尔认为，波斯纳分子可能充当着大脑中的天然量子位。 这是总体思路，关键还要看细节。费舍尔花了几年时间，才将其中的细节厘清。这个过程始于细胞中的焦磷酸盐，它由两个键合在一起的磷酸盐组成，两边的磷原子各由多个零自旋的氧原子环绕。磷酸盐自旋之间相互作用，彼此纠缠。 接下来，在酶的作用下，彼此纠缠的磷酸盐分解成两个游离的磷酸根离子。最重要的一点在于，即使分处两地，它们仍然相互纠缠。这些离子进而与钙离子和氧原子结合，形成波斯纳分子。 钙原子和氧原子都没有核自旋，使1/2的总自旋得以维持，这对延长相干时间至关重要。于是，在这些团簇的保护下，纠缠不受外部干扰，得以长时间保持相干。 这样一来，这种纠缠就可以远距离分布在大脑各处，影响神经递质的释放，以及神经元间突触的放电。 在量子生物学领域，研究人员对费舍尔的假说既好奇又谨慎。 亚历山德拉·奥拉亚-卡斯特罗（Alexandra Olaya-Castro）是伦敦大学学院的物理学家，致力于量子光合作用的研究。她将费舍尔的理论称为“一种深思熟虑的假说，它没有给出答案，但引出了一些疑问，我们以后也许能逐步加以检验。” 牛津大学化学家彼得·霍尔（Peter Hore）表达了类似的观点。他在探究候鸟的导航系统是否利用了量子效应。“作为一名理论物理学家，费舍尔提出了特定分子、具体机制，乃至大脑活动所受的影响。”霍尔说，“这开启了实验验证的可能性。” 实验验证也正是费舍尔的下一步目标。他刚刚与斯坦福大学的研究人员一起，用孕期母鼠复制了1986年的研究。他坦言，初步结果令人失望，因为数据并未提供太多信息，但他相信，如果严格遵循1986年的实验方案，结果可能更能说明问题。 为了推进量子化学领域的进一步实验，费舍尔邀请了多个学科的科学家，组成了一个小型研究团队。他首先要探究的是，磷酸钙能否形成稳定的波斯纳分子，以及这些分子的磷核自旋能否纠缠足够长的时间。 费舍尔希望，他能通过实验，探究这一假说的其他方面，比如，波斯纳分子的结构是否对称？核自旋的孤立性如何？ 如果实验最终证明他的假设是错的，那该怎么办？ 也许那时，量子认知这个概念就可以彻底扫进垃圾堆了。 “我认为，如果磷核自旋没有参与量子处理，量子力学就不会在认知中扮演长时间的角色。”费舍尔说，“哪怕是排除这种可能性，也具有重大的科学意义。知道这一点，对科学研究很有好处。” 翻译：雁行 来源：The Atlantic |
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