但同样 ， 他认为如果生物演化能够做到这一点 ， 那也不会让人觉得奇怪 。 地球上的生命已经有数十亿年的时间“探索”量子机制 ， 其精致的分子装置给予它开发利用的手段 。 大脑中神经元的电脉冲也许是思维和记忆的直接基础 ， 虽然经典物理学可以很好地解释这一点 ， 但隐藏其下的量子层面也许能部分解释这些神经元如何关联和激发 。
费希尔对这一课题产生的兴趣出于其他原因 ， 他对周围人所患的精神疾病感到好奇 ， 也想知道治疗药物能够产生的效果 。 “没人真正知道精神类药物的作用机制 。 ”他说 。 我们需要对药物如何影响人的精神作出更好的解释 ， 这正是他研究这一课题的原因 。
费希尔最初的关注点是锂 ， 一种用于多种情绪稳定药物的材料 。 当他整理科学文献的时候 ， 碰巧看到了1986年的一篇报道：研究人员给大鼠饲喂锂的两种同位素：锂6和锂7 。 在大鼠梳理毛发、照顾幼崽、筑巢、喂养和其他一些行为中 ， 锂6组要比锂7组和对照组活跃的多 。
正是这篇论文让费希尔认为 ， 是时候再次考虑量子认知理论了 。 所有的原子核 ， 就像组成它们的基本粒子一样 ， 拥有一种量子特性——自旋 。 粗略地说 ， 自旋量化了原子核“感受”电场和磁场的程度 。 自旋越快 ， 影响就越明显 。 一个原子核可能的最小自旋为1/2 ， 几乎不受电场影响 ， 在磁场中也只有微弱的相互作用 。 而在大脑这样充满电场的环境中 ， 拥有1/2自旋的的原子核能够不受电场干扰 。
自旋为1/2的原子核在自然界中并不普遍 。 锂6的自旋为1 ， 但大脑内部的化学环境 ， 是以水为溶剂的盐溶液 ， 水中的游离氢离子让锂6的表现接近于一个自旋为1/2的核 。 早在20世纪70年代 ， 实验就已经记录下锂6的原子核能够保持长达5分钟的稳定自旋 。 费希尔认为 ， 如果量子能控制大脑的计算过程 ， 锂可能正是通过将这些相干的原子核整合进大脑的化学过程中 ， 以起到镇定作用的 。
不仅如此 ， 锂6无法在大脑里自然产生 ， 但有一种自旋为1/2的原子核可以 ， 并且它还是多种化学反应的活跃参与者 ， 它就是磷 。 这一想法的种子在费希尔的思想里生根发芽 。 “如果量子过程在大脑里持续进行 ， 那磷原子核的自旋就是唯一的途径 。 ”费希尔说 。
计算了各种含磷分子的相干时间之后 ， 费希尔公布了一种候选的量子比特装置 。 它是被称为波斯纳分子（Posner molecule）或波斯纳簇（Posner cluster）的钙磷结构 ， 于1975年在骨骼矿物中发现 。 而在实验室里配制的模拟体液中（水 ， 加上一些生物分子和无机盐） ， 还能观察到它在周围漂浮 。 费希尔测量了这些分子的相干时间 ， 结果令人吃惊 ， 有105秒 ， 相当于差不多一整天 。
大脑里存在含有六个磷原子的波斯纳分子簇 ， 这些磷的原子核自旋能够互相纠缠 ， 并可能影响我们的思维和记忆 。
他还确定了至少一种化学反应 ， 能够在大脑中自然地形成波斯纳分子的核自旋之间的纠缠态 。 这个过程涉及到钙的吸收和脂肪代谢中所用到的焦磷酸酶 。 这种酶能够打破两个磷酸根的连接结构 ， 并产生两个单独的离子 。 理论上 ， 这两个离子的核自旋应该相互纠缠 。 这些游离的离子释放到细胞周围的体液中 ， 并与钙离子相结合而形成波斯纳分子 。
寻找实验证据
如果这些假设正确 ， 那大脑的细胞外液中将充斥着由互相纠缠的波斯纳分子所形成的复杂的分子簇 。 一旦进入神经元 ， 这些分子就能改变细胞信号传导的方式 ， 形成思维或记忆 。
费希尔将他的理论细节发表在《物理学年鉴》上（362期593页） 。 但他承认 ， 这大部分都还只是推测 。 “我还只停留在讲故事的阶段 ， ”他说 ， “我还需要更多实验证据” 。
第一步要确定波斯纳分子是否真的存在于细胞外液之中 ， 并且它们能否纠缠 。 费希尔设想在实验室通过化学反应来诱导磷原子核自旋之间的纠缠 ， 并将得到的溶液分别注入两个试管 ， 再通过两个溶液所发出的光之间的量子关联性来进行测试 。 只有观察到这一现象 ， 我们才能首次获得量子认知的论据 。
可以想见 ， 彭罗斯对这个故事目前的进展感到兴奋 。 他说：“哈默夫和我都在很长一段时间里相信核自旋可能是长期记忆形成的关键因素 。 马修·费希尔的想法能为这一图景做出相当积极的贡献” 。
图片来源：pixabay
然而 ， 彭罗斯还在描绘他的微管假说 ， 他仅仅把马修的新提议作为维持长期记忆所需要的一种附加物 。 他说：“意识现象更可能与相联的微管中的量子作用有关” 。
推荐阅读
- 它们的智商已经高到人类无法理解，即使还没有爬到食物链顶端！
- ?量子化学的基准方法才是最有用的
- 一旦准备好初始状态，通过计算机的量子状态演变将由算法要求的序列确定
- 随着可靠的量子计算机的上线，这些量子算法将有持续的改进
- 量子计算机的未来已来？荷兰科学家提出一种新的量子计算方法
- 在用于确定分子和材料特性的大量计算资源中，存在着电子结构问题
- 木星能撼动太阳内行星形成，但其恐怖之处，远远不仅限如此
- 中科西部干细胞研究院：干细胞疗法对帕金森病的临床研究进展
- 人工湖刚开始不存在鱼，久而久之就出现了鱼，它们从哪里来的？
- 你认为先天失明的人可以看见世界吗？先天只发育出一半大脑的人可以正常生活吗？