人脑产生意识：可能是因为量子纠缠

　　文章来源：环球科学ScientificAmerican

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　　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——只要一个最新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——最著名的一个例子发生在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，就算他第一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

　　幸而最后，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，费舍尔把研究的第一个目标定在了结构最简单的一类药物——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