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万豪棋牌安卓游戏下载大全·人类大脑里住着一只薛定谔的猫?

万豪棋牌安卓游戏下载大全,编者按:进步是在无数的试错过程中诞生的。量子意识这个东西也许并不存在,但只要研究的方法方式是科学严谨的,无论真伪,其结果仍有着重大的科学意义。

听到“量子意识”一词,多数物理学家都要退避三舍。它让人联想起“新纪元运动”,以及那些神神叨叨的“大师”。

然而,人类认知中也许真有量子效应的一席之地,就看最近一种假说能否成立了。

去年年底,加州大学圣巴巴拉分校物理学家马修·费舍尔(matthew fisher)在《物理学年鉴》上发表论文,他提出,磷原子的核自旋也许充当着人脑中的初级“量子位”,使人脑像量子计算机一样运转。

放在十年前,费舍尔的理论也许会被许多人认为是异想天开。那时,物理学家们可没少在此碰壁。

最值得一提的是1989年罗杰·彭罗斯(roger penrose)提出的理论,他认为,量子效应通过一种叫“微管”的神秘蛋白质结构,参与了人类的意识活动,当时很少有研究人员认同此说法。

加州大学圣迭戈分校的神经哲学家帕特里夏·彻奇兰德(patricia churchland)就说,与其用“微管”解释人类认知,还不如直接说“突触中的神奇魔法”,这还更方便些。

与微管假说一样,费舍尔的假说也得跨过一道巨大的坎:一种名为“量子退相干”的现象。要建一台量子计算机,你得通过量子纠缠,将量子位(量子信息的计量单位)关联起来。

但量子位的纠缠态是一种极其脆弱的状态,周围环境中的噪音都得一概屏蔽。只要有一个光子闯入,整个系统就会“退相干”——纠缠被破坏,系统的量子性质被抹去。

在严格控制条件的实验室内实现量子处理就已经非常困难,更别提在暖湿嘈杂的生物体内了,在那里,长时间相干的可能性几乎为零。

然而近十年来,越来越多的证据表明,某些生物系统也许能利用量子力学。比如在光合作用中,植物就能借助量子效应,将阳光转化为能源。科学家还提出,候鸟可能拥有“量子指南针”,以借地球磁场进行导航;此外,人类嗅觉也可能植根于量子力学。

费舍尔的假说隶属于一个新兴的量子生物学领域,我们不妨称之为量子神经科学。他提出了一种复杂的假说,涉及核物理和量子物理、有机化学、神经科学和生物学。

虽然怀疑者不在少数,而且怀疑得有理有据,但关注者也开始多起来。“读过他的论文,你一定会觉得,这老头也不是满口疯话。”加州理工学院物理学家约翰·普瑞斯基尔(john preskill)写道,“他可能发现了什么。至少,他提出了一些非常有意思的问题。”

马修·费舍尔

森希尔·托达里(senthil todadri)是麻省理工学院的物理学家,也是费舍尔的老友兼同事。对于这一假说,他是持怀疑态度的,但他认为,费舍尔改变了核心问题的叙述方式。

原先的问题很笼统:大脑中存不存在量子处理?而现在,费舍尔提供了一张路线图,人们可以按图索骥,逐一求证。

“一般的假设是,大脑中当然不存在量子信息处理。”托达里说,“但费舍尔的设想指出了一个研究上的空白点,就看我们能不能补上了。”事实上,费舍尔已经开始组建团队,试图在实验室内加以验证,从而给这个问题盖棺定论。

费舍尔出身于一个“物理世家”:父亲迈克尔·费舍尔(michael e. fisher)是马里兰大学帕克分校的杰出物理学家,在统计物理学领域成绩斐然,屡获荣誉和奖励;哥哥丹尼尔·费舍尔(daniel fisher)是斯坦福大学的应用物理学家,专攻进化动力学。

马修·费舍尔追随他们的脚步,也走出了一条自己的物理研究之路。2015年,凭借在量子相变方面的研究,他与旁人分享了久负盛名的奥利弗·巴克利奖。

那么,是什么驱使着他偏离主流物理学,走向生物学、化学、神经科学和量子物理学那混乱不堪、且争议重重的交界面的呢?不是别的,正是他自己与重性抑郁症作斗争的经历。

从1986年开始,马修被重性抑郁症折磨了整整两年,他回忆说:“那种感觉就像被下了药一样,睡再多也没有用。只要醒着就浑身疼痛。”他甚至还起过轻生的念头,是第一个女儿的降生,给了他活下去、战胜抑郁的勇气。

最后,他找到一位精神科医生,给他开了三环类抗抑郁药。不出三周,他的状况就明显好转;后来经过一段时期的药物治疗,总算结束了这场噩梦。

亲身经历使费舍尔相信,药物是有效的。但他也惊讶地发现,对于药物起效的确切机制,神经科学家们却都知之甚少。这激发了他的好奇心。

借助自己的量子力学知识,费舍尔开始思考一个问题:大脑中是否有可能存在量子处理?五年前,他开始潜心研究这一课题,参照自己服用抗抑郁药的经历,并以此作为切入点。

精神类药物几乎全都是复杂分子,但他挑了一种最简单的作为研究模型:锂原子。他指出,凭借医生处方,你可以在当地药房买到锂,它们大多数是锂的一种同位素,即锂7。

但若换成另一种同位素,比如相对罕见的锂6,效果还会一样吗?理论上讲应该是一样的,因为两种同位素的化学性质相同,只是原子核内的中子数不同。

费舍尔搜索文献,还真找到了一个对比锂6和锂7效用的实验。

1986年,康奈尔大学的科学家研究了这两种同位素对老鼠行为的影响。他们将孕期母鼠分成三组:一组喂锂7,一组喂锂6,第三组作为对照。幼仔出生后,相对于锂7组和对照组,锂6组的母鼠表现出更多的母性行为,如舐犊、喂奶和筑巢。

费舍尔大惑不解:且不提两种同位素的化学性质相同,就算原子质量上存在差异,在体内水环境的荡涤下,这些微小的差异也应该所剩无几了。既然如此,为何上述实验中的母鼠又呈现出不同的行为表现?

费舍尔认为,奥秘可能在于核自旋。这种量子性质关系到原子相干时间的长短:自旋量越小,核与电场及磁场的作用就越小,退相干也越慢。

由于锂7和锂6的中子数不同,其自旋量也不同。因此,锂7退相干太快,不利于量子认知,而锂6能纠缠得更久一些。

费舍尔发现了两种物质,它们除自旋以外,其他方面都很类似;但它们对行为的影响却迥然不同。

对费舍尔而言,这是一条诱人的线索,它暗示着,量子处理也许真的在认知处理中扮演着某种角色。

这一假说固然引人遐思,但真要证明大脑中存在量子处理,难度还是不小。

首先,大脑中得有一些特定机制,将量子信息存储于量子位中,并存储足够长的时间。

其次,要有一种机制,将多个量子位纠缠起来,这种纠缠还要能经由化学途径,影响神经元放电。最后,还要有一些传输机制,将大脑各处量子位中的信息加以传输。

这是一项艰巨的挑战。费舍尔努力寻找大脑中量子信息的存储机制,但五年下来,只找到一种稍显靠谱的备选对象:磷原子。

磷是除了氢之外,唯一存在于生物体内、且自旋为1/2的元素。由于自旋量较小,相干时间可以较长。

磷本身无法产生稳定的量子位,但按照费舍尔的说法,若将磷和钙离子结合,形成团簇,相干时间还可以进一步延长。

1975年,康奈尔大学科学家艾伦·波斯纳(aaron posner)在观察骨骼x光片时,发现了一些奇怪的团簇,并将它们的结构绘制了出来:九个钙原子和六个磷原子。

这些团簇后被命名为“波斯纳分子”。本世纪初,科学家在人工流体中模拟骨骼生长时,又发现了悬浮其中的波斯纳分子。后续实验也在人体内发现了这些团簇。费舍尔认为,波斯纳分子可能充当着大脑中的天然量子位。

这是总体思路,关键还要看细节。费舍尔花了几年时间,才将其中的细节厘清。这个过程始于细胞中的焦磷酸盐,它由两个键合在一起的磷酸盐组成,两边的磷原子各由多个零自旋的氧原子环绕。磷酸盐自旋之间相互作用,彼此纠缠。

接下来,在酶的作用下,彼此纠缠的磷酸盐分解成两个游离的磷酸根离子。最重要的一点在于,即使分处两地,它们仍然相互纠缠。这些离子进而与钙离子和氧原子结合,形成波斯纳分子。

钙原子和氧原子都没有核自旋,使1/2的总自旋得以维持,这对延长相干时间至关重要。于是,在这些团簇的保护下,纠缠不受外部干扰,得以长时间保持相干。

这样一来,这种纠缠就可以远距离分布在大脑各处,影响神经递质的释放,以及神经元间突触的放电。

在量子生物学领域,研究人员对费舍尔的假说既好奇又谨慎。

亚历山德拉·奥拉亚-卡斯特罗(alexandra olaya-castro)是伦敦大学学院的物理学家,致力于量子光合作用的研究。她将费舍尔的理论称为“一种深思熟虑的假说,它没有给出答案,但引出了一些疑问,我们以后也许能逐步加以检验。”

牛津大学化学家彼得·霍尔(peter hore)表达了类似的观点。他在探究候鸟的导航系统是否利用了量子效应。“作为一名理论物理学家,费舍尔提出了特定分子、具体机制,乃至大脑活动所受的影响。”霍尔说,“这开启了实验验证的可能性。”

实验验证也正是费舍尔的下一步目标。他刚刚与斯坦福大学的研究人员一起,用孕期母鼠复制了1986年的研究。他坦言,初步结果令人失望,因为数据并未提供太多信息,但他相信,如果严格遵循1986年的实验方案,结果可能更能说明问题。

为了推进量子化学领域的进一步实验,费舍尔邀请了多个学科的科学家,组成了一个小型研究团队。他首先要探究的是,磷酸钙能否形成稳定的波斯纳分子,以及这些分子的磷核自旋能否纠缠足够长的时间。

费舍尔希望,他能通过实验,探究这一假说的其他方面,比如,波斯纳分子的结构是否对称?核自旋的孤立性如何?

如果实验最终证明他的假设是错的,那该怎么办?

也许那时,量子认知这个概念就可以彻底扫进垃圾堆了。

“我认为,如果磷核自旋没有参与量子处理,量子力学就不会在认知中扮演长时间的角色。”费舍尔说,“哪怕是排除这种可能性,也具有重大的科学意义。知道这一点,对科学研究很有好处。”

翻译:雁行

来源:the atlantic

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