大腦使用量子力學嗎？

從某種程度上說，大腦肯定在使用量子力學，因為大腦是由原子組成的，而原子是遵循量子力學的。不過，那些怪異的量子效應——可以同時出現在兩個地方，可以跨越距離瞬時彼此影響等等——是否可以用來解釋意識、記憶等大腦的認知活動呢？事實上，這是一個非常有爭議的問題。

許多人否認量子力學在其中發揮作用，主要的理由來自奧卡姆剃刀原理。奧卡姆剃刀原理指的是最簡單的解釋通常是最好的解釋。當前，科學家不使用量子力學就可以很好地解釋大腦如何工作，并認為大腦的認知活動都可以用神經元的相互作用來解釋。

不過在1989年，英國牛津大學的數學家、物理學家羅杰·彭羅斯卻認為，經典理論模型是無法解釋大腦如何產生思想和意識的，要想解釋清楚，就必須使用量子理論模型。彭羅斯的觀點一下吸引了許多人從量子的角度來分析大腦。之后，一些科學家發現了能把量子力學帶入到神經科學的切入點。

科學家發現微管——一種構成神經元支撐結構的管形蛋白質——可以利用量子力學效應。具體地說，微管可以同時處在兩種不同形狀之中，這種狀態叫做“疊加態”。一般的分子一次只能處在一種形狀之中，信息含量只是一個比特，而這種疊加態使得微管能存儲更多的信息，它所存儲的信息含量被稱為一個量子比特。

如果把量子糾纏加入進來，還會把事情變得更加不可思議。量子糾纏會使得兩個量子系統即使不相連也可以瞬時影響，這使得信息處理極為高效。于是，如果我們能基于疊加態和量子糾纏來建造一臺量子計算機，那么這種計算機就可以同時進行多次計算，并把所有的計算結果綜合起來。所以量子計算機比普通的計算機速度更快，效率更高。于是，彭羅斯認為，大腦可能就類似于一種量子計算機。

脆弱的量子態

盡管許多人開始很認同彭羅斯的觀點，但是漏洞很快就開始浮現出來。最根本的問題是，量子態在大腦里似乎很難維持很長的時間。

疊加態和量子糾纏都是極其脆弱的現象，它們就像雜技演員在鋼絲上騎獨輪車，輕微的擾動就可能導致演員摔下去。如果量子態受到熱、機械振動或其他的因素干擾的話，那么它們就會“垮塌”下來，“陷入”到一種經典的狀態之中。

這個問題在過去的20多年里還阻礙了許多物理學家和工程師嘗試建造任何大型量子計算機的可能。即使在低溫冷卻和隔離的條件下，也很難讓量子計算機中的量子態保持很長的時間，來完成更復雜的計算任務。

而大腦卻是一個溫暖、潮濕的環境，里面都是擁擠在一起抖動著的分子，這種環境對于量子態來說是極為不友好的。神經元每次保持一個信息的時間大約為幾微秒，處理信息的時間則比這個略多一點，而研究表明，微管的疊加態只能持續10-20到10-30秒。于是，大多數科學家都覺得大腦的認知活動并不能用量子力學來解釋。

孤立中的原子核

來自美國加州大學圣芭芭拉分校的物理學家馬修·費舍爾卻與大家的觀點不一樣。他當然知道，微管的那個問題似乎很難解決，不過他還覺得，進化本身也許能找到一種利用量子力學的好辦法。生命有幾十億年的時間來“發現”量子力學，并利用自己精密的分子來使用量子效應。所以費舍爾認為，量子效應可能在某種程度上左右著大腦中神經元的活動。

費舍爾對這個問題的研究，是從精神類藥物如何影響人的思維開始的。事實上，沒有人真正理解任何精神類藥物的作用機理。例如，穩定情緒的藥物大都含有鋰元素，因為鋰能穩定情緒，但為什么鋰有這種效果還不得而知。

而費舍爾收集文獻時，一篇來自1986年的研究報告吸引了他的注意。這篇報告里描述了一個給老鼠服用鋰的兩個同位素（鋰6和鋰7）的實驗，實驗結果顯示，在筑巢、喂養和護理幼崽等活動中，服用鋰6的老鼠的活躍程度遠高于服用鋰7的老鼠。而這篇報告使得費舍爾覺得，這背后可能就是量子力學在“搞鬼”。

費舍爾認為，量子力學能在這里發揮作用與一種稱為“自旋”的量子屬性是分不開的。量子力學告訴我們，所有的原子核與基本粒子一樣，都具有“自旋”。粗略地說，自旋可以表示一個原子核可以“感受”到多少電場和磁場——自旋值越大，感受到的作用力越強。當原子核的自旋為最低值1/2時，它與電場幾乎沒有作用，而與磁場只有一個很微弱的作用。像大腦這樣的環境里，主要充滿的是電場，而自旋為1/2的原子核卻感受不到周圍的影響，這樣它就在環境中孤立起來，它的量子態可以維持很長的時間。

大腦中的鋰核和磷核

自旋為1/2的原子核在自然界中并不常見。鋰6的原子核自旋為1，不過在類似大腦那種親水性鹽溶液中，水中額外質子的存在會使得鋰6的原子核變為一個自旋為1/2的原子核。實驗表明，鋰6的原子核維持自旋為1/2的時間可以持續到5分鐘左右。費舍爾認為，鋰6對大腦的鎮定作用，可能就是其原子核產生的量子效應所帶來的。

鋰6并不是天然地存在于大腦之中，但是有一種自旋為1/2的原子核卻是大腦的土著居民，而且還積極地參與許多生命化學反應。它就是磷原子核。費舍爾認為如果大腦真的有量子處理過程，那么利用磷原子核的自旋可能是唯一的途徑。

費舍爾對生物體內的各種磷基分子進行了詳盡的計算后，找到了一種可進入量子態的候選者。這個候選者是一種磷酸鈣分子，叫做波斯納分子或分子團。1975年，科學家就在人體骨骼中發現了這種分子，而且它們被認為也存在于體液之中。費舍爾計算了波斯納分子維持量子態的時間，結果是最多可達105秒，這已經超過了一天的時間。

費舍爾還確定了大腦中至少存在一種化學反應，能使得波斯納分子的磷原子核之間形成量子糾纏。這個化學反應涉及到對鈣的吸收和脂肪的代謝，過程中使用了一種名為焦磷酸酶的酶，而這種酶可以使得焦磷酸鹽分子分解為兩個磷酸離子。理論上，這兩個離子內的磷原子核是處在互為糾纏狀態的。把磷酸離子釋放到細胞周圍的液體中，它們就可以與鈣離子結合，形成波斯納分子。

如果上面這些分析都是正確的，那么大腦細胞外的液體可能充斥著處在糾纏狀態的波斯納分子。費舍爾推測，這些分子一旦進入神經元，可能會改變神經細胞的激活和響應方式，并開始形成思想和記憶。