生物量子效應，人腦會是一台量子計算機嗎？

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一個新的理論向我們解釋了脆弱的量子態可以如何在我們溫暖潮濕的大腦環境中維持數小時甚至數天的時間。實驗應該很快就會證實這個觀點。

僅僅提到量子意識（quantum consciousness），大多數物理學家都會感覺有些畏縮，這句話可能會喚起新時代宗教大師有些模糊不清又枯燥乏味的思考。但是如果能夠證明一個新的假設是正確的，那麼量子效應在人類認知當中可能就會發揮一些作用。 Matthew Fisher是加州大學聖塔芭芭拉分校的一位物理學家，在去年年底，他在《Annals of Physics》上發表了一篇文章，提出磷原子的核自旋可以作為大腦中基本的「量子比特」——這會在本質上讓大腦可以像量子計算機一樣運作，他的這一理論讓很多人為之震驚。

如果在10年前，很多人都會覺得Fisher的假設是無稽之談。以前也曾經有物理學家因為這種事情受到過攻擊，最著名的就是在1989年，Roger Penrose提出了一種叫做「微管」（microtubules）的神秘蛋白質結構，認為人類意識是微管中量子效應的結果。當時很少有研究者認為這樣的假設是可信的。Patricia Churchland是加州大學聖迭戈分校的一位神經哲學家，他把微管理論稱作是「突觸里的仙塵」（仙塵指的是童話中仙女灑下的魔法金粉，此處意在諷刺微管相干理論說不通）。

十七年後Fisher的假說也面臨著微管理論遇到的同樣挑戰：一種我們稱之為量子退相干的現象。在製造一個實用量子計算機時，你需要與量子比特互相聯繫——量子信息比特——這個過程叫做量子糾纏。但是量子比特的糾纏狀態非常脆弱。他們不能受到來自周圍環境的任何噪音干擾。就算是一個光子進入了量子比特，也足以讓整個系統「退相干」。即使是在嚴格控制的實驗室環境下進行量子處理，也很有挑戰。更不要說是人體當中溫暖、濕潤、複雜的環境了，在這樣的環境中維持足夠長時間的量子「相干性」（coherence）幾乎是不可能的。

不過，在過去的十年當中，越來越多的證據證實生物系統中的某些機制或許適用量子力學。比如說，在光合作用當中，量子效應可以幫助植物將陽光轉化為化學能。科學家們還提出候鳥擁有一個「量子羅盤」（quantum compass），可以幫助它們在航行的時候探測地球上的磁場強度。另外，人類的嗅覺也可能源於量子力學。

Fisher關於量子處理的觀點廣泛適用於量子生物學這個新興領域，他將其稱之為量子神經科學（quantum neuroscience）。它提出了一個複雜的猜想，結合了核物理學和量子物理學、 有機化學、神經科學和生物學。然而他的理論也遇到了很多合理的懷疑，一些研究者也開始對此進行關注。加州理工大學的物理學家 John Preskill在Fisher在他所在的學校演講之後曾經寫道，「那些讀過他論文的人（我希望很多人都會去讀）一定會下這樣的結論：這個老傢伙其實也不是那麼瘋狂。」「他或許已經參透了其中的奧秘，至少他提出了一些非常有趣的問題。」

Senthil Todadri 是麻省理工學院的一位物理學家，也是Fisher的老朋友和同事，他對這個觀點就持懷疑態度，但是他認為Fisher的假說將核心問題——大腦中也在進行量子處理嗎？換了一種說法進行表達，他建立了一種方式可對這一問題進行嚴格的測試。Todadri說道，「通常的假設是——大腦中當然不會進行量子信息處理。」「他的假說認為存在一個漏洞，所以下一步就是要看這個漏洞是否可以被補上。」實際上，Fisher已經開始帶領一個團隊在實驗室進行測試，來徹底地回答這個問題。

Matthew Fisher提出了量子效應影響大腦運作的一種方法

探索自旋的奧秘

Fisher的家庭是一個物理世家：它的父親Michael E. Fisher是馬里蘭大學帕克分校一位非常傑出的物理學家，他在統計物理方面的研究獲得了無數榮譽和獎項。他的哥哥Daniel Fisher，是斯坦福大學的一位應用物理學家，專門研究進化動力學。Matthew Fisher追隨他們的腳步，在物理領域頗有建樹。2015年，他因為在量子相變方面的研究獲得了著名的巴克利獎（Oliver E. Buckley Prize）。

所以，到底是什麼驅使他脫離了主流的物理研究，開始致力於一個結合了生物、化學、神經科學和量子物理學，並且頗受爭議、非常混亂的研究領域？原因就在於他自己對抗臨床抑鬱症的經歷。

Fisher還非常清楚地記得，1986年的2月的一天，他醒來的時候感覺到失去知覺，並且有一種時差感，就好像他一周都沒有睡覺一樣。他說，「我感覺自己像是被下了葯一樣」。即使是多睡一會兒也還是於事無補，調整飲食和運動的計劃也是徒勞，驗血結果也是正常。但是他的狀況整整持續了兩年。「每一次起床的時候，我感覺偏頭痛似乎都已經蔓延到了我的整個身體」。因為癥狀嚴重嗎，他曾試圖自殺，但是他第一個女兒的出生又賦予了他與抑鬱的陰霾作鬥爭的決心。

最後，他找到了一位精神科醫生，給他開了三環抗憂鬱葯，不到三周，他的心理狀態就開始好轉。Fisher說道，「我已經完全被抑鬱的陰霾籠罩，都看不見太陽——慢慢地雲彩開始散去，我看到了後面的陽光。」在九個月內，我感覺像是重生了一樣，雖然在藥物治療的過程中有很大的副作用，包括血壓飆升。後來，他把藥物換成了百憂解（Prozac）並且持續進行監測，從那時起他便改變了藥物治療方法。

他的經歷讓他相信藥物所起的作用。但是Fisher非常驚訝地發現，神經科學家對於藥物作用背後的精確機制知之甚少。這激起了他的好奇心，再加上他在量子力學方面的專業技術，他開始思考大腦中是否有量子處理的可能性。5年前，他開始全身心地投入這一課題的研究，他對抗抑鬱症的經歷就成為了一個起始點。

因為幾乎所有的精神科用藥都是由複雜的微粒組成，他著重研究了其中一種最簡單的元素鋰，它僅僅是一個原子——可以說是「球體奶牛」（spherical cow），比起百憂解來說，這位研究提供了一個更加簡單的模型。Fisher說，這個類比非常的形象，因為一個鋰原子就是原子核外面包圍著一些電子。鋰在很多地方的藥店憑處方就能買到，一種常見的同位素叫做鋰-7。那麼一個不同的同位素，就像是比較少見的鋰-6，也會產生同樣的效果嗎？從理論的角度來講，是可以的，因為這兩種同位素在化學性質上是完全一樣的，只是在原子核的中子數量上有所不同。

Fisher在查閱文獻時發現，之前已經有人在實驗中比較過鋰-6和鋰-7影響。1986年，康奈爾大學的科學家通過這兩種同位素在老鼠身上的反應，檢測了它們的影響。懷孕的老鼠被分為三個組：一個組使用鋰-7，一個組使用鋰-6，第三組作為對照組。在小鼠出生後，服用了鋰-6的母鼠比服用鋰-7和對照組的老鼠母性行為更加強烈，比如說梳毛、看護孩子和築巢等行為。這可難倒了Fisher。基於化學理論，這兩種同位素不光應該在化學性質上一樣，在原子質量上的細微差別在含水的身體環境當中也應該被稀釋掉了。那麼怎樣才能證明那些研究者們發現的行為差異呢？

Fisher相信秘密藏在核自旋中，這也是影響相干性持續時長的量子特性，即從環境剝離的時長。自旋數越少，細胞核與電磁場相互作用就少，糾纏時間也更長。

鋰-7和鋰-6的中子數不同，自旋也不同。所以對於量子認知來說鋰-7的糾纏時間太短，鋰-6的糾纏時間還稍微長點。Fisher發現了兩種在所有重要的方面都保持同樣自旋的物質，並發現他們的行為能夠有很多不同的影響。對於Fisher來說，這很可能是一個量子處理在認知過程中起到重要作用的線索。

量子保護機制

即便如此，從一個有趣的假設到最終證明大腦中的量子作用是個艱巨的挑戰，因為大腦需要足夠長的時間來通過某種機制來儲存量子信息。所以這種機制涉及到多個量子比特，且量子糾纏還要通過可觀測的化學手段來影響神經元的運行。大腦中還必須存在一種運輸量子位中信息的方式。這是個艱巨的問題，Fisher花了五年的時間才確定了比較可信的儲存方法，即磷原子將量子信息貯存在大腦的量子位中。磷是除氫之外所有生物中唯一共同存在的元素，後者自旋為1/2，因為其過低的原子序數可能不會引起量子糾纏。磷無法單獨形成量子比特，Fisher認為如果和鈣離子形成集群，相干時長可以進一步擴展。

大腦中還必須存在一種運輸量子位中信息的方式。儘管這是個艱巨的問題，Fisher還是花了五年的時間確定了比較可信的儲存方法，即磷原子將量子信息貯存在大腦的量子位中。磷原子是唯一共同的生物原子，雖然有自旋為1/2的氫原子，但是其過低的原子序數可能不會引起量子相干。磷是不能保持一個穩定態的，但是Fisher認為如果和鈣離子形成集群相干時長可以進一步擴展。

康奈爾大學的Aaron Posner在1975年注意到了在X射線下的鈣和磷原子的奇怪集群，他隨後畫出了這個由九個鈣原子和六個磷原子組成的結構並命名為「波斯納分子」（Posner molecules）。這個集群在21世紀初又被科學家們發現會出現在模擬骨骼生長的人工液中，後來各種實驗也發現了人體中是存在這種集群的。Fisher認為波斯納分子就是作用於大腦中的量子位。

雖然願景很雄偉，但是細節卻花了Fisher幾年時間來敲定。這個過程始於細胞中的化合物焦磷酸，焦磷酸是由兩個磷酸鹽粘合在一起（每個磷原子由多個零自旋的氧原子環繞）。磷酸鹽自旋的相互作用讓他們糾纏在一起，並且有四種不同的配對方式。也就是三種配置方式為聚合成總自旋為一（「三重」態只有弱糾纏），但第四種可能產生自旋為零，也許「singlet」狀態的最大糾纏就是量子計算的關鍵。

隨後酶加速糾纏的磷酸鹽分解成為兩個自由的磷酸離子，至關重要的是即使他們天各一方但仍然還是在糾纏。Fisher認為這種單重態的過程可以發生地非常快，並且這些離子可以反過來和鈣離子與氧原子結合成波斯納分子。鈣和氧原子都沒有核自旋，但保持總自旋為1/2對延長相干時間是至關重要的。所以這些集群會保護量子糾纏並對抗外界干擾，這樣才能保持更長的相干時間，Fisher還估計這樣可能持續幾個小時到幾周。

這樣，糾纏就可以分布在大腦中相當長的距離，並影響神經遞質釋放，也就是神經元突觸之間的激活。

測試理論

量子生物學研究人員對於Fisher的理論表現出謹慎的好奇。倫敦大學研究量子光合的物理學家Alexandra Olaya-Castro說，「它是一個巧妙的假設，雖然沒有給出答案，但是他打開了一個可能引導我們測試這個假設特定步驟的方向」。牛津大學的化學家Peter Hore也同意道，「這是一個理論物理學家提出的詳細分子、結構，一直到解釋這些是怎麼影響大腦活動的，具有驗證的可行性」。實驗驗證正是Fisher現在努力的方向，他剛剛利用休假時間在斯坦福大學與研究員們複製了1986年懷孕的老鼠實驗。他承認初步的結果是失望的，實驗數據並沒有提供太多的信息，如果進一步的實驗和當年的結果更加接近，這些結果才會更有說服力。

Fisher已經申請資金進行深入的量子化學實驗，且邀請了一小群來自不同學校，不同領域的科學家進行合作。首先他想探究的就是磷酸鈣是否真是由穩定的波斯納分子形成，以及這些分子中的磷原子自旋是否可以糾纏足夠長的時間。

Hore和Olaya-Castro持懷疑態度，特別是對Fisher粗略估計相干性能夠持續一天或更長時間，他們說，「我們認為這不太可能，最長的相干性時間尺度在生化活動領域只是秒級，他的估計太長了」（微妙級神經元可以儲存信息）。Hore認為研究的道路前途漫漫，他強調時間限制最多只能是一秒，但沒有質疑研究的意義：「這並不會否定整個想法，但卻需要另一個獲得長時間相關性的分子，這個分子不會是波斯納分子。」

其他人則認為沒有必要調用量子處理解釋大腦功能。滑鐵盧大學神經哲學家Paul Thagard說，「證據就是我們可以通過大腦神經元的相互作用對思維的一切做出解釋」（他拒絕進一步置評的要求）。

Fisher希望能通過實驗對假設的其他方面有更深的測驗。波斯納分子結構是對稱的嗎？核自旋是如何被分離的？

最重要的是，如果這些實驗最終證明他的假設是錯的呢？也許就該完全放棄量子認知的概念了。對此，Fisher表示：「我相信如果量子處理不用磷核自旋解釋，那麼量子力學將長時間不適合解釋認知，系統地評估這個假設是很重要的，它有利於科學的發展。」

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