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人类大脑这么复杂,量子力学能够解释背后的原理吗?

2016-01-05 08:25 大数据实验室

人类的大脑为何具有如此复杂的思考能力?这背后是否有量子力学的加持?科学家们争论不休。物理学家Matthew Fisher给出了自己的答案。本文是NewScientist杂志对这个话题的深度长文。



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从意识到长期记忆,人脑拥有独一无二的计算能力——这些或许都能用量子模糊性来解释。


Matthew Fisher担心如果同事发现他最近的研究项目会作何感想。最后,他终于释怀,因为他并没有在一片嘲笑中被轰出去。他说:「他们告诉我,这是合理的科学——我并没有疯。」


当然,Fisher的简历中没有任何与疯狂沾边的东西。他是材料量子特性方面的专家,曾在IBM工作,后来又去了微软的量子计算研究所Station Q,从事量子计算机的开发。他现在是加州大学圣塔芭芭拉分校科维理理论物理研究中心的教授。今年,他获得了美国物理协会的奥利弗·巴克利凝聚态物理奖,而这个奖的获得者中有许多后来都获得了诺贝尔奖。


然而,他却开辟了一个新战场,一个许多物理学家避犹不及的学科。


「大脑使用量子力学吗?这完全是一个合理的问题,」Fisher说。在某个层面上,他是正确的——答案是肯定的,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。但是Fisher真正想问的问题是,量子物体的奇异特性(例如,同时位于两个地方的叠加态、相距甚远还能实时相互影响的量子纠缠等等)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。


最根本的异议来自奥卡姆剃刀原则。该原则说,最简单的解释通常就是最好的。从这个观点来看,目前关于大脑的非量子观点运行得还不错。加拿大滑铁卢大学的哲学家Paul Thagard说:「越来越多的证据表明,我们可以用神经元之间的交互来解释所有与意识有关的趣事。」牛津大学的物理学家David Deutsch同意这种说法。他问道:「真的有必要召唤出量子物理学来解释认知吗?我认为没有。如果真有必要,我会非常惊讶。」


Fisher却不那么肯定。他指出,迄今关于记忆的理论远算不上无懈可击——比如,有观点称记忆存储在神经网络的结构或神经元之间的连接中。他说:「我的直觉告诉我,神经科学中有太多令人迷惑的东西了。」那么,为何不去研究一下量子力学是否能提供更好的解释呢?


或许,人们不去研究量子力学与意识的关系是因为有前车之鉴。1989年,牛津大学数学家罗杰·彭罗斯提出,没有任何一个标准而经典的计算模型能够解释大脑为什么能产生出想法和意识经验。这个想法吸引了许多人,包括亚利桑那州一位名为Stuart Hameroff的麻醉师。他提出了一个特别的方式,能让量子效应涉入意识。


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」(superpositions)。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,你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,彭罗斯提出,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。


彭罗斯和Hameroff在这个想法上进行了合作。他们和其他人一起,将其当做一个合理的理论四处宣传。但是,漏洞出现了。


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。


包括Fisher在内的物理学家想建造一台大型量子计算机,但这个问题困扰了他们20多年。即使在低温冷却和机械分离的条件下,也很难保持量子比特网络的相干状态保持足够长的时间以获得超越传统计算机的能力。


更不用说在温暖潮湿的大脑里,晃荡拥挤的分子就像一锅热汤,几乎不可能维持相干状态。神经元保持信息的同时更要以微秒级的速度处理它,因为计算表明,微管叠加态只能持续10-20至10-13秒。神经哲学家Patricia Churchland对此做了总结,成为了后来的主流观点:「突触里的仙尘与微管量子相干理论具备相同的解释力,」她在1996年写道。(仙尘指的是童话中仙女洒下的魔法金粉,此处意在讽刺微管相干理论说不通。——译者注)


Fisher也怀有同样的怀疑。他说:「当他们开始谈论微管时,我立刻知道它没有意义。这不可能成为量子信息的工作方式,除非你能控制它,并避免它与周围的环境发生纠缠。」


但他同时认为,如果万能的进化论竟然没有发现神奇的量子方法,是不是很奇怪?生命有数十亿年的时间去「发现」量子力学,它们完全可以用自己精湛的分子仪器去开发利用量子力学。即使大脑中神经元之间的电脉冲(它能被经典物理学很好地描述)确实能作为思维和记忆的直接基础,也可能存在一个隐藏的量子层面,在某种程度上决定着这些神经元连接和放电的方式。


Fisher对此的个人兴趣始于一条迂回的路:当他知道身边有人患精神疾病时,他想知道精神病的持续性和药物疗效。「没有人真正知道精神病药物的工作原理,」他说。他认为其中必有原因。我们需要对药物尝试修正的对象进行更深入的理解,这个对象也就是人类的心灵。


Fisher最初关注的兴趣重点是锂元素,这是许多情绪稳定药物的成分。当他梳理科学文献时,发现了一份1986年的特别报告,这让他停下来思考。报告里描述了一个实验:给大鼠喂养两种稳定的同位素锂(锂-6和锂-7)中的其中一种,再观察它们清洁、起居、护理幼崽、筑巢、进食等活动。结果显示,喂养锂-6的大鼠活性显著高于对照组或饲喂锂-7的大鼠。


正是这篇论文让Fisher想到,或许是时候再次去触碰一团乱麻的量子认知了。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。


自旋1/2的原子核在自然界中并不常见,但情况是这样的。锂-6,它的自旋值本是1,但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。而早在上世纪70年代的实验就指出,锂-6原子核自旋能保持长达5分钟的稳定。Fisher推断道,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,Fisher终于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(Posner molecule or cluster)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(见下方图表)。



上个月,Fisher在《物理学年鉴》上发表了他的研究细节。他承认,论文的大部分都具有高度推测性。「我还在讲故事的阶段,」他说道,「接下来我必须要先完成一些实验。」



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第一场测试将是确定波斯纳分子是否真正存在于细胞外液中。如果是真的,那么它们是否真的能够进入纠缠态?Fisher设想在实验室里进行这样一个实验:诱发可能引起磷原子核自旋纠缠状态的化学反应,将得到的溶液倒进两个试管里,并在二者发出的光线之间寻找量子相干。观察这样的相干状态,你或许就真正开始了量子认知。Fisher说:「这个实验可以被完成,并且我会确保它一定要完成。」


彭罗斯为这个理论感到兴奋。他说:「很长时间以来,Stuart Hameroff和我都支持核自旋可能是长期记忆形成的重要成分。Matthew Fisher的想法可能正会为这个理论提供非常积极的证据。」


但是,彭罗斯依然放不开他的微管假说。他仅仅将Fisher的新假说作为长期记忆的形成原因之一。「意识现象更有可能与相互连通的微管的量子行为有关。」


对于彭罗斯来说,意识一定与万有引力有关,引力作用于量子态并引发了退相干;微管比原子核更重,因此更可能是这种相互作用的成因。Fisher则不愿意走上这条路,他说他在论文里刻意避免提及这个c打头的词语——即意识(consciousness),而是集中精力于那些定义更完善的概念,例如记忆。




Fisher的设想可能i并不疯狂,但它是否足够说服怀疑者去重新看待大脑中的量子效应呢?Thagard宣称自己思想很开明。他指出,过去25年间不断有证据涌现出来证明其他的生物过程(例如光合作用)也包含着长寿的相干量子态。牛津大学的Vlatko Vedral从Fisher的研究中看出了其价值所在。他指出,「温暖湿润的大脑因为太过冗杂而无法拥有有效相干性」的想法太过简单。除此之外,他也不太确定Fisher提出的机理究竟会在哪个部分起作用。尽管如此,「但至少他提出了一个能够进一步研究该问题的实验,」他说。


如果有任何一丝成功的光芒,Fisher都会有一堆想检验的主意。这里有一个关于锂的问题,以及相关的自旋效应是否能够解释水银对大脑的影响——这个慢性汞中毒症的现象又被叫做疯帽子症(mad hatter disease),因为早期生产帽子的工人会长时间暴露在水银环境中,导致水银慢性中毒。一些常见的汞同位素的原子核自旋不为零,如果被俘获进入波斯纳分子则可能会引起磷原子核自旋退相干。


问题源源不绝。给脑袋来一棍子会让人失忆,是因为它导致了退相干吗?核自旋是人们能够利用颅磁刺激在大脑内发射磁场以改变大脑状态的原因吗?Fisher正在与斯坦福大学的神经科学家和分子生物学家一起工作。他目前正在加州休假,并努力解决上述问题。他承认,这些科学家大都认为他的理论具有可信性。


Johnjoe McFadden是英国萨里吉尔福德大学的分子生物学家。他是Fisher有待说服的研究者之一。他以「奥卡姆剃刀」为武器,提出「有太多冗余的部分需要整合在一起去制造一个连贯的理论。如果任何一个方面有所缺失,它会立即分崩离析。」


Thagard也等待着它的崩塌。他说:「你真的需要如此复杂的理论去解释一个有趣的心理现象吗?我不这么认为。」但是这个研究仍然值得仔细琢磨,「科学的伟大力量之一就是人们可以尝试不同的方法,并得到相互竞争的解释。这很好。而我只是想把我的赌注押在另一个方法上,」他补充道。


与此同时,Fisher也在下赌注:他自掏腰包花费了20000美元来申请用锂-6治疗抑郁症与其他精神疾病的专利。尽管如此,他对这条路究竟会走向何方仍然不甚清楚。「量子认知能够解释神经科学中那些超出我们理解范围的事情吗?」


他给出了自己的回答,「也许,可以。」



作者:Michael Brooks

来源:机器之心

编译:汪汪、Fm018-庞、Chen Xiaoqing




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