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人脑产生意识可能是因为量子纠缠

时间:2019-09-14 07:26:16 来源:互联网 阅读:0次

文章来源:环球科学ScientificAmerican

图片来源:quanta magazine

一提到“量子意识”这个词语,大多数物理学家都会选择避而不谈,因为这个词语听起来好像有点“民科”,甚至让人联想宗教或者玄学。不过出人意料的是,量子效应可能真的在人类的认知过程中起到了一些作用——只要一个提出的假设能够得到证实。马修·费舍尔(Matthew Fisher)是一名来自加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的物理学家,去年年末,他在《物理年鉴》(Annals of Physics)上发表了一篇让人大跌眼镜的论文。在这篇论文中,他指出大脑的工作原理很有可能与量子计算机一致,而磷原子的核自旋就充当了大脑的“量子比特”(qubits,量子信息的基本计量单位,可以以“又0又1”的状态存在)。

若是在十年以前,费舍尔的理论一定会被许多人认为是无稽之谈。物理学家们早就受够了这样的理论——的一个例子发生在1989年,数学物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)声称意识是神经元细胞微管(构成细胞骨架的蛋白质)中量子引力效应的结果。相信这个假说的研究者寥寥无几,加州大学圣地亚哥分校的神经生物学家帕特里夏·丘吉兰(Patricia Churchland)就用一个有趣的说法委婉地表达了自己的态度:她认为,认为意识来源于量子引力效应,就跟认为意识来源于神经元突触中闪着金光的的魔法粉尘差不多(想象一下彼得潘里小精灵身上闪着金光的粉尘)。

魔法粉尘大概就是这个样子……

费舍尔的假说必须直面与彭罗斯微管假说相同的难题:量子退相干(quantum decoherence)。在构建量子计算机的过程中,我们需要将不同的量子比特通过量子纠缠(entanglement)的方式连接起来,不幸的是,量子纠缠处于一种非常脆弱的状态,周围环境中任何一丝轻微的扰动都可能使其消失无踪:哪怕只有一个光子无意中撞上了一个量子比特,整个量子纠缠就会因为发生退相干而分崩离析,彻底摧毁整个系统的量子特性。所以,就算是在每寸空间都受到精密控制的实验室环境中,完成某些量子反应都是一件极富挑战性的课题——更不用说在我们颅骨下那团温暖、潮湿、结构复杂的粘稠物——大脑里了。想让大脑在一段相对较长的时间内维持量子相干,根本是种不切实际的幻想。

然而在过去的十年内,越来越多的证据显示,特定的生物系统居然真的有可能应用着量子力学。以光合作用为例,研究发现,量子效应能够帮助植物将太阳能转化为供生物生长存活的化学与生物能源;候鸟的体内也有一种“量子罗盘”(quantum compass),能让候鸟利用地球的磁场确认方向;还有研究将人类的嗅觉也归结于某些量子力学的机制。

正是在这波量子生物学的新兴浪潮中,费舍尔提出了大脑中存在量子信号处理的“疯狂”观点,他把这门与自己理论相关的学科定名为量子神经科学(quantum neuroscience)。费舍尔提出了一个极为复杂的设想,结合了核物理、量子物理、有机化学、神经科学及生物学的相关知识。尽管这些想法遭遇了大量有理有据的质疑,他的理论却并没有被这道狂流淹没——一些研究者开始注意起了这个看似荒谬的设想。“只要读过他的论文,我相信许多人都会得出这样的结论:‘嘿,这老家伙没有想象中的那么疯狂。’”加州理工学院的物理学家约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)在听了费舍尔的一次演讲后这么写道:“他可能的确意识到了些什么。或者至少,他正在提出一些非常有意思的问题。”

塞希尔·托达德里(Senthil Todadri)是麻省理工学院的物理学家,也是费舍尔的老友和长期合作伙伴。托达德里对费舍尔的理论持怀疑态度,不过他认为费舍尔的确重新提出了这样一个核心问题:“人脑中究竟存不存在量子处理过程?”并提供了一条可以严格检验该猜想的可能途径。“直到目前为止,主流的看法依旧认为量子信息处理根本不可能发生在大脑之中。”托达德里说道,“费舍尔找到了一个理论的漏洞,所以下一步就要看这个漏洞能否被补上了。”事实上,费舍尔的确组建了一个团队,希望能够通过实验测试彻底回答这个问题。

寻找核自旋

费舍尔似乎天生就注定会成为一名物理学家:他的父亲迈克尔·费舍尔(Michael E。 Fisher)是马里兰大学帕克分校的一名杰出物理学家,致力于统计物理学的研究,在学术生涯内获得了不计其数的荣誉和奖项;他的哥哥丹尼尔·费舍尔(Daniel Fisher)是斯坦福大学的应用物理学家,专攻演化动力学。马修·费舍尔也追随他们的步伐,成为了一名小有名气的物理学家。2015年,费舍尔因为他在量子相变领域的杰出贡献与其他三人一起荣获了凝聚态物理领域享誉盛名的巴克利奖(Oliver E。 Buckley Prize)。

那么,究竟是什么原因让费舍尔把注意力从主流的物理学移开,转而探究起了这项颇具争议、甚至是臭名昭著的课题呢?毕竟,这项研究处于生物学、化学、神经科学与量子物理的交界面,处境十分尴尬。答案在意料之外、情理之中:费舍尔有一段亲身经历的抑郁症斗争史。

直到现在,费舍尔还能清晰地回忆起1986年2月的那一天,自己在麻木和迟钝中醒来,生物钟感觉混乱,仿佛一周都没有合眼休息。“我感觉自己就像被人麻醉了。”费舍尔说道。无论他睡多久,情况都没有好转;他改变了自己的饮食习惯,积极参与运动,效果依旧微乎其微;验血结果也没有显示任何异常。这样的症状持续了整整两年,“这种感受到底有多痛苦呢?在我清醒的每时每刻每分每秒,偏头痛的痛觉都蔓延到了我身体的每一个细胞。”这种痛苦是如此令人难以忍受,就算他个女儿的诞生冲淡了这层忧郁的迷雾,给了他奋斗的理由,费舍尔依旧想到了自杀。

马修·费舍尔,提出了量子效应改变大脑工作方式的一种途径

幸而,一位精神病医师给他开了三环抗抑郁药,三个星期内,他的精神状况开始好转。“在此之前,我的四周像被浓雾笼罩着,根本看不到太阳;而现在这层雾气淡了些,我能看到云雾背后存在着微弱的光芒。”费舍尔这么向我们比喻。在之后短短九个月,除了一些包括高血压在内的治疗副作用依旧存在,他感觉自己获得了新生。不久后,费舍尔将治疗药物换为“百忧解”(Prozac),并一直小心控制着自己的病情和用药情况。

费舍尔独特的亲身经历使他相信,这些抗抑郁症药物的确发挥了作用,不过让他感到吃惊的是,他发现神经科学家们居然对这些药物背后的作用机制知之甚略。这引起了费舍尔的好奇心,结合自身量子力学的专业背景,他开始思考大脑中发生量子处理的可能性。五年前,他全身心地投入了这项课题,他想知道更多——结合自己的经历,费舍尔将抗抑郁药物作为研究的切入点。

考虑到几乎所有的精神治疗药物都是复杂的小分子化合物,费舍尔把研究的个目标定在了结构简单的一类药物——锂上。该药物只包含一种原子,可以说是个高度简化的科学模型,就像“真空中的球形鸡”一样(“真空中的球形鸡”出自一个讽刺理论物理学家过度简化模型的笑话:一个养鸡场里养的鸡忽然不下单了,农场主写信给物理学家求助,物理学家做了一番计算后宣布:“我已经找到了一个解!不过,这个解只适用于真空中的球形鸡。”),比起研究“百忧解”之类的药物要容易得多。费舍尔认为“真空中的球形鸡”这个比喻格外恰当,因为锂原子的微观外型恰好就是一个球体——一层球形的电子云围绕着中心的锂原子核。他注意到市场上常见的锂处方药几乎都是Li-7,于是开始思考:锂元素的另一种更少见的同位素Li-6是否能够起到同样的药物疗效?从理论上来说,不同同位素之间只是中子数目不同,化学性质几乎相同,所以Li-7和Li-6的疗效应该是一样的。

在费舍尔检索文献时,他发现前人已经做过一些比较Li-7和Li-6效应的实验。早在1986年,康奈尔大学的科学家就研究了这两种同位素对大鼠行为的影响(J.A。 Sechzer, K.W。 Lieberman et al。, 1986)。实验者将怀孕的大鼠分为三个不同的实验组:一组给药Li-7;一组给药Li-6;还有一组作为实验对照组。在小鼠诞生之后,给药Li-6的大鼠妈妈表现出了更强的母性行为:比起给药Li-7和对照组的大鼠母亲,它们哺乳、养育后代和打理小窝的行为都更频繁。

这极大地勾起了费舍尔的好奇心。这两种同位素的化学性质是如此相像,由中子数数目不同所引发的质量数差异又是那么微乎其微,理应如泥牛入海般消失在体环境的汪洋之中,那么到底是什么造成了研究者观察到的行为差异呢?

费舍尔认为这种差异的秘密很可能隐藏在原子核自旋(nuclear spin)之中。核自旋是核自旋角动量的简称,是原子的一种内在量子性质,具体数值由原子核的自旋量子数决定(质子数和中子数均为偶数的原子核,自旋量子数为0;质量数为奇数的原子核,自旋量子数为半整数;质量数为偶数,质子数与中子数为奇数的原子核,自旋量子数为整数),它影响了原子处于相干态,即不受环境影响状态的时间:核自旋越低,原子核与外加电磁场的相互作用就越弱,越不容易发生退相干。

由于Li-7和Li-6的中子数不同,它们的核自旋角动量也就不同(自旋量子数不同)。Li-7的量子数更大,核自旋更高,根据量子力学原理,其发生退相干的速度也就越快;与此同时,Li-6却能保持更长时间的量子纠缠态。

费舍尔找到的这两种化学物质——Li-7和Li-6,它们除了量子核自旋不同,其余的重要性质都完全相同,他发现这两种物质对于动物行为的影响差异巨大。这个发现是费舍尔无法抗拒的诱惑——它暗示着,量子处理的确有可能在认知过程中起到了功能性的作用。

量子纠缠保卫战

即便如此,想要在现实中验证这个有趣的猜想依旧是项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储存足够长的时间,大脑一定需要一些其他的特殊机制——比如多个量子比特间的纠缠机制,以及将这种纠缠体现到神经冲动上的化学机制。此外,在大脑中传输以量子比特形式存储的量子信息也需要一定的机制来实现。

毫无疑问,这是一块难啃的骨头。费舍尔用了整整五年的时间,才找到了一个符合条件的候选原子——磷。磷原子是生物体内除氢原子外一个自旋数为1/2的常量元素,这个核自旋比较低,因此磷能维持的相干时间也比其他候选元素更长。虽然仅凭磷原子自身不能维持稳定的量子比特,不过费舍尔发现,只要把磷和钙离子结合成簇,相干时间就能得到有效的延长。

1975年,康奈尔大学的科学家艾伦·波斯纳(Aaron Posner)用X光衍射的方法在骨骼中观测到了一类奇怪的钙磷原子团簇,艾伦为这类原子簇画出了结构示意图:团簇结构中包含了9个钙原子与6个磷原子。之后,人们为了纪念艾伦的杰出贡献,把这个电中性的团簇命名为“波斯纳原子簇”(Posner’ s clusters,结构式Ca9(PO4)6)。2000年,学界又兴起了一波研究“波斯纳原子簇”的热潮,起因是科学家在刺激骨骼生长的人造液体环境中观测到了波斯纳原子簇的存在。随后,大量的实验证据接连表明,这类原子簇其实一直安静地“躲藏”在我们的身体之中,费舍尔不禁怀疑,波斯纳原子簇也能作为一种天然的量子比特元件,在大脑中发挥作用。

故事的宏观图像到这里已经交代完毕,但这项工作的真正难题在于弄清反应发生的细节——为了想清楚这些,费舍尔花费了几年的时间仔细推敲反应的每一个步骤。整个反应起始于细胞中一种名为焦磷酸盐的化合物。

如图,焦磷酸根两个磷酸根共用一个氧原子,通过共价键相互连接,每个磷酸根离子则由中心的磷原子与环绕磷原子的4个氧原子(核自旋数为零)构成。两个磷酸根离子的核自旋(都来自于磷原子)纠缠在了一起,总共能形成四种不同的搭配方式:一种单态(singlet state,总自旋为0)和三重态(triplet state,总自旋为1)。在三重态下系统只能维持微弱的量子纠缠,而单重态下的系统能够地保证量子纠缠——这对于量子计算是必不可少的先决条件。

紧接着,生物酶打断磷原子间的化学键,将纠缠着的磷酸盐分子分为两个独立的磷酸根离子。这一过程的关键要点在于,尽管从化学意义上这两个磷酸根离子已经分开,但在量子力学的意义上,它们依旧保持着量子纠缠。费舍尔告诉我们,如果系统处于单重态,这一分离过程将会更加迅速地发生。这些分散了的离子随后依次与游离的钙离子、氧原子相结合,组装成为上文提到的“波斯纳原子簇”。由于钙离子和氧原子核自旋数都为0,这使得原子簇的整体维持着1/2的总自旋数,延长了量子的相干时间。这些原子簇保护着已经分开的纠缠量子对,使它们免受外界干扰,以维持长时间的相干状态。根据费舍尔的粗略估计,这种状态下的相干时间能够持续数小时,数天甚至数周之久。

通过这种方法,形成量子纠缠的原子能够在大脑内分散分布,相隔一定的距离调控神经递质的释放,影响神经元细胞突触间动作电位的传递,以此参与无形的大脑运作。

验证猜想

量子生物学界对费舍尔的观点既好奇又谨慎。伦敦大学学院专攻量子光合作用的物理学家亚历桑德拉·奥拉亚-卡斯特罗(Alexandra Olaya-Castro)将该理论称作为“一个思虑周密的猜想。尽管当下这个猜想并未给出问题的答案,但它的确为我们踏实、逐步地验证这个假说提供了切实可行的方向。”

来自牛津大学的化学家彼得·霍尔(Peter Hore)也对奥拉亚的观点表示赞同,他研究的是量子效应在鸟类导航系统中的应用。他表示:“费舍尔已经从理论上明确给出了参与反应的原子种类和具体的反应机制,甚至都已经清晰地指出了这些原子是如何通过那些机制影响大脑的活动,这些已经足够让我们设计实验去验证这一切了。”

实验验证正是当今费舍尔迫切想要完成的工作。近期,他刚刚乘着休假的时间前往斯坦福大学,和当地的研究学者一起工作,试图重复1986年康奈尔大学完成的怀孕大鼠实验(关键词:Li-7,Li-6)。费舍尔坦白地承认了实验的初步结果并不是非常理想,采集到的实验数据并不能提供太多有意义的信息。不过费舍尔相信,如果再次重复实验,并使用一个更接近1986年原始实验的实验步骤来完成,他们将会得到更加确凿的实验结果。

为了完成一系列更加深入的量子化学实验,费舍尔已经申请了更多的研究经费;他还从加州大学圣巴巴拉分校与旧金山分校东拼西凑了一小群来自不同领域的科学家作为研究的合作者。首先,他想探究磷酸钙分子是否真的能够在体内形成稳定的波斯纳原子簇;同时他也希望能够验证这些粒子中磷原子的核自旋能否维持足够长的纠缠时间。

实际上霍尔和奥拉亚-卡斯特罗对费舍尔关于磷原子核自旋持续时间的猜想一直持怀疑态度,觉得费舍尔声称相干时间能够长达一天有点过于乐观了。“说实话,我认为这非常不现实。”奥拉亚-卡斯特罗告诉我们,“相关的生化反应发生的长时间也就是秒量级,一天未免也太长了。”霍尔认为,费舍尔的预期已经“突破天际”了,他认为,反应时间长充其量也只有1秒。“我并不是全盘否定他的整个观点,但我认为他有必要再寻找一种能延长相干时间的粒子,”霍尔这么评论,“我不认为波斯纳原子簇会是这个问题的答案。但对这个问题的后续研究,我依旧满怀期待。”

也有研究者认为运用量子处理的知识去解释大脑的功能是多此一举。“越来越多的证据表明,我们可以用神经元间的互相交流来解释任何与意识相关的话题。”加拿大滑铁卢大学的神经哲学家保罗·萨迦德(Paul Thagard)在写给《新科学人》(New Scientist)的文章中这么写道。

费舍尔猜想中的许多问题都需要更为深入的检验;费舍尔本人也希望他能够完成这些相关实验并得到问题的答案

。波斯纳原子簇的结构是对称的吗?核自旋究竟以何种程度孤立存在?

一个更加现实的问题是,如果所有的这些实验终证实费舍尔的猜想是错误的呢?也许会有那样的一天,科学界完全放弃了这种“量子意识”的观点。“我个人一直相信,如果磷原子的核自旋不能用于量子处理,那么量子力学在长期认知这一意识领域就无法有效地运作。”费舍尔说道,“所以哪怕仅是排除这种可能,也有很大的科学意义。很多时候科学需要的并不仅是阳性结果——阴性结果也同样重要。”

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