2018-09-10 由 科技探索Discovery 發表于科學

從意識的產生到長期記憶的形成，我們的大腦是如何與眾不同。我們的大腦如何產生自由意識並保存記憶的？最近幾年，一些量子物理學家提出了令人大跌眼鏡的觀點：意識產生於大腦內原子核自旋的相互糾纏。 馬修·費希爾（Matthew Fisher）擔心他同行們會如何看待他的項目。但最後他鬆了口氣，因為他的想法沒有遭到在場者的嘲笑。「他們認為我的項目符合科學，而沒有把我當成瘋子」。 當然，費希爾的簡歷看起來也不像是個瘋子。他是材料量子特性的專家，曾在IBM任職，後來轉到微軟負責開發量子計算機。現在，費希爾是加利福尼亞大學聖巴巴拉分校卡弗里理論物理研究所的教授。2015年，他獲得了美國物理學會的奧利弗·E·巴克利凝聚態物理學獎。值得一提的是，很多該獎項的獲得者都贏得了諾貝爾獎。 事實上，他的研究課題讓許多物理學家避之不及。「大腦思維的產生是否源於量子機制？這是一個完全合理的問題。」費希爾說。從某種意義上來說，他是對的，答案很肯定。大腦由原子組成，而所有的原子都遵循量子物理的法則。但費希爾真正想問的是，量子物體的奇異特性，包括同時存在於兩個不同的位置和超距作用等，能否解釋人類認知中的一些難解之謎。而這正是一個極具爭議的問題。

最主要的反對聲來自於奧卡姆剃刀，該理論認為最簡潔的解釋往往是最好的。從這一點看來，對於大腦的工作原理，目前的不涉及量子理論的解釋已經令人滿意。加拿大安大略省滑鐵盧大學的哲學家保羅·撒加德（Paul Thagard）說：「越來越多的證據表明，我們能夠根據神經元之間的交流來解釋大腦中每一件有趣的事情。」 但是費希爾不太確定，他指出目前關於記憶的理論——比如記憶是存儲在神經元網絡中或是神經連接處——還遠不夠完美。費希爾說：「我的直覺告訴我神經科學還有許多謎團有待解決」。所以我們不妨看看量子力學解釋有何高見。

脆弱的疊加態

在此之前我們也面臨過同樣的問題。1989，牛津數學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）就提出，目前沒有標準、經典的計算模型能夠解釋大腦如何產生思維以及意識體驗。這個想法受到很多人的關注，尤其是亞利桑那州的麻醉師斯圖爾特·哈默夫（Stuart Hameroff），他曾提出一種量子效應的具體想法。這個想法的關鍵在於，組成神經結構的微管蛋白通過量子效應來形成不同形狀的「疊加態」。處於疊加狀態的每一種形狀都代表著一個經典意義的比特信息，因此這種通過形狀變換來形成的量子比特，相對於傳統理論而言能夠存儲成倍的信息。 量子理論的另一個特性在於它允許量子態的物體在不接觸的情況下相互糾纏，這讓量子計算機的效率遠遠高於任何傳統的計算機。事實上，彭羅斯就曾指出量子計算機能夠同時處理多個問題，再通過多種途徑整合不同問題的答案，這或許是大腦非凡智慧的關鍵。

彭羅斯和哈默夫在這一問題上進行合作，在一段時間裡，他們和其他的合作者都認為這個觀點相當明智。但很快，這個理論的漏洞也隨之而來。 在物理學家看來，最根本的問題在於相干時間。疊加態和糾纏態都是極為脆弱的現象，最細微的干擾都能將其破壞。哪怕一點熱量、機械波或者其他的擾動，都能使其退相干並回到經典狀態，存儲在量子狀態中的信息也隨之消散到周圍的環境之中。