摘要： 一项最新提出的理论显示，脆弱的量子态或可在我们温暖湿润的大脑中存在数小时甚至数日。为了检验这一理论，科学家们即将开展一系列实验。
绝大多数物理学家听到“量子意识”都难免会皱起眉头，因为这四个字很容易让人联想到那些故弄玄虚的新世纪神棍。然而如果一项最新假说成立，量子效应或许真的就在人类认知中扮演着重要角色。
2015年年末，加州大学圣巴巴拉分校的物理学家Matthew Fisher在《物理年鉴》上发表的一篇论文引起了众多学者们的关注。Fisher提出，磷原子核自旋可能在大脑中起着基本量子比特的作用，使大脑像量子计算机一样工作。
放在10年前，Fisher的这项假说一定会被许多科学家嗤之以鼻。此前，在1989年，英国著名物理学家Roger Penrose就曾提出，一种名为“微管”的神奇的蛋白质结构通过利用量子效应，在人类意识中发挥着作用。当时的学者几乎都对这一假说嗤之以鼻。
Fisher的假说面临着和微管学说一样的困难，即量子退相干现象。要想造出真正的量子计算机，需要通过名为的过程将量子比特连接起来，这就是所谓的“纠缠”。但纠缠的量子比特的只能以非常脆弱的状态存在，周围环境中一切的噪音都必须被屏蔽掉。量子比特哪怕只碰到一个光子，也足以引发整个系统“退相干”，破坏纠缠，使系统的量子特征毁于一旦。在精密控制的实验室环境中都难以进行量子处理，要想在温暖湿润、结构繁复的人体中将量子相干保持足够长的时间不啻为痴人说梦。
然而，过去的十年间，越来越多的证据表明，某些特定生物系统或许用到了量子力学。例如，在光合作用中，量子效应帮助植物将阳光转化为能量。科学家还指出，候鸟体内有种“量子指南针”，使它们将地球磁场化为导航之用。更有学者认为，人类的嗅觉可能也根植于量子力学。
Fisher对于大脑内量子过程的构想就属于这种新兴的量子神经科学。他建立了一套复杂的假说，结合了核物理学、量子物理学、有机化学、神经科学和生物学。尽管Fisher的研究遭到了很多合理的质疑，部分学者却已经开始对他报以密切关注。“阅读过他的论文你就会明白，这人并不是在信口开河。”听过Fisher的报告后，加州理工学院的物理学家John Preskill表示。“至少他提出了一些非常有趣的问题。”
麻省理工学院物理学家、Fisher多年的朋友兼同事Senthil Todadri持怀疑态度，但他也认为Fisher对最关键的问题进行了重新阐释：大脑中存在量子处理吗？他认为Fisher的研究为证明这一假说指明了方向。“通常的猜想是大脑中当然不可能存在量子信息的处理。而Fisher认为这种不可能中存在着一个漏洞，下一步就是看看这个漏洞是否能够被合拢。”Todari称。Fisher已经召集了实验团队，打算彻底厘清这个问题。
Fisher出身书香门第，父亲Michael E. Fisher与兄长Daniel Fisher都是任职于名校的物理学家。Fisher继父兄之后，也成为了一名优秀的物理学家，于2015年因量子相变相关研究获得美国物理学会凝聚态领域最高奖巴克利奖。
那么他为何会偏离主流物理学研究，转向当前这种非传统的生物、化学、神经科学和量子物理杂糅并济的研究呢？
1986年，Fisher罹患抑郁症，直到两年后才被一位精神科医生治愈。在体会到药物治疗的显著效果的同时，Fisher也惊异于神经科学家们竟然对药物背后的运作机制所知甚少。这引起了他的好奇心。由于本身从事量子力学研究，Fisher开始考虑大脑中存在量子处理的可能性。5年前，以自身服用抗抑郁药物为契机，他开始对这一课题展开了更为深入的研究。
所有精神科药物都由复杂的分子构成，因此，Fisher希望尽量简化研究对象，最终将研究范围缩小到了只有一个原子的锂上。药房里出售的作为药物的锂基本上就是同位素锂-7。那么，稀有的同位素锂-6是否也有同样的效果呢？从理论上讲，答案是肯定的，因为两种同位素都是同样的化学元素。区别仅仅在于原子核中的中子数。
Fisher发现，1986年，康奈尔大学的科学家们已对锂-7和锂-6的效果进行过对比。摄入锂-6的大鼠所表现出来的母性行为比摄入锂-7的大鼠强烈得多。这令Fisher大惑不解。他相信个中奥秘来自于核自旋，而核自旋正是影响每个原子保持相干态时间长短的量子特征。自旋越低，原子核就越不与电场与磁场发生作用，退相干就越慢。由于锂-7和锂-6的中子数不同，自旋也不同。其结果就表现为锂-7退相干得过快，而不发生量子认知；锂-6能保持更长时间的纠缠态，因而体现为迥异的行为。Fisher认为，这正说明量子过程或许在认知处理中扮演了重要角色。
话虽如此，从假设到实际证明，严峻的考验还在等待着Fisher。量子过程如果想在认知处理中发挥作用，大脑就需要某种机制将量子信息以量子比特的形式储存足够长的时间，必须有某种机制进行多重量子比特纠缠，而这种纠缠又必须有某种化学上的可行途径，从某种程度上影响神经元发射信号的方式。除此之外，储存在量子比特中的量子信息也必须经由某种方式在大脑中传输。
面对着重重难题，Fisher花了五年时间找到了大脑中储存量子信息的可靠人选：磷原子。除了氢之外，磷是唯一常见的自旋1/2的生物元素，可以保证更长时间的相干态。磷自身无法形成稳定的量子比特，但Fisher称，如果将磷和钙离子结合形成集群，其相干态的保持时间就可以得到延长。
1975年，康纳尔大学的科学家Aaron Posner就在骨X光片中注意到钙和磷形成的集群。他将这些集群的结构画了下来。后来，这种9个钙原子和6个磷原子的结构就以他的名字命名为波斯纳集群（Posner Molecules）。Fisher认为，波斯纳集群可能就是大脑中天然形成的量子比特。
过去数年中，Fisher一直在确定各种细节。整个过程始于细胞中的焦磷酸盐。这种化合物由两个磷酸盐键合而来，其中每个磷酸盐由多个零自旋氧原子围绕一个磷原子构成。磷酸盐自旋的相互作用引发了纠缠。它们或以四种不同方式配对：3种组态叠加为总共1自旋（一种微弱纠缠的三重态），而第四种可能性则会产生零自旋或者说最强纠缠的单重态，对量子计算至关重要。
接下来，酶将纠缠的磷酸盐分解为两个游离磷酸根离子。即使分开，它们之间仍存在着纠缠。Fisher称，单重态中这一过程发生得更快。之后，这些游离磷酸根离子依次与钙离子及氧原子结合，变为波斯纳集群。钙与氧原子都没有核自旋，为1/2总自旋保持了更长的相干态时间。因此，这些集群保护了纠缠配对不受外界干扰，能够长时间保持相干态——Fisher估算大约可保持数小时、数日甚至数周。
通过这种方式，纠缠就可以在大脑中远距离发生，影响到神经递质的释放和神经元之间突触的发射——套用爱因斯坦对量子纠缠的评价，这可算得上是大脑中发生的“鬼魅般的超距作用”。
量子生物学界的研究者们从Fisher的研究中得到了启发。研究量子光合作用的伦敦大学学院物理学家Alexandra Olaya-Castro称其为“基于深思熟虑的假说”。牛津大学化学家Peter Hore研究候鸟导航系统是否利用了量子效应，他也对Fisher表示了肯定：“我们看到了一名理论物理学家研究具体的集群、具体的机制是如何影响大脑活动的。这就为实验测试提供了可能性。”
实验测试恰恰是Fisher当前进行的工作。刚刚结束的学术假期中，他在斯坦福大学与其他科学家们利用妊娠大鼠复制了1986年康奈尔大学的实验。他发现1986年的实验数据不足以提供充分的信息，但他认为如果实验计划更接近最初的实验，可能会有确凿的实验结果。
为进行更进一步的深度量子化学实验，Fisher刚刚申请了科研资金。他从加州大学各分校召集了一群科学家与合作人。他最迫切想知道的是磷酸钙是否真的能形成稳定的波斯纳集群，这些集群的磷原子核自旋又是否能纠缠足够长的时间。
波斯纳集群的结构是否对称？核自旋间隔有多远？Fisher假说的许多其他方面仍需要进一步深入检验，他自己也希望可以亲自带头进行这些实验。
最重要的是，万一所有实验最终都证明他的假设是错的怎么办？或许，那时，量子认知这一概念就该被彻底放弃了。“我相信如果量子过程中没有用到磷原子核自旋，那么认知领域中就不存在量子力学。”Fisher说道。“能排除这一点，本身也具有重要的科学意义。能得到科学验证是件好事。”
文章来源：QuantaMagazine
文章作者：Jennifer Ouellette
编译：未来论坛 商白
来源：未来论坛公众号（ID:futureforum）
编辑：zcl
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓
1. 如果再读一次研究生
2. 13张图，带你认识大学各专业
3. 你以为你很懂水？
4. 拿过奥运会奖牌的数学家，数学博士答辩时却坐满了他的球迷
5. 磁场的本质是什么？|No.32
6. 广义相对论和狭义相对论的根本区别 |No.31
7. 物理天才马约拉纳消失之谜
8. 研究量子场论的 也许是这个星球上最聪明的一群人
9. 他是中科院超牛的物理学者，更是摇滚界无人不知的“李白”
10. “逗妹纸”的16种用法 | 线上科学日
点此查看以往全部热门文章
