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科学家提出量子大脑,能否为人类解答大脑的奥

人类的大脑一直隐藏着很多未解之谜,人类科学家从很多方面来了解过大脑,甚至运用了量子力学的成果去试着发现大脑的秘密。大脑是否应用了量子力学?从某个层面上来说,答案是肯定的。

大脑由原子组成,原子当然要遵循量子物理的规律。不过,这些量子物体的奇异特性(即分别在两个地方能瞬间相互影响等)是否能够解释与人类认知有关的那些未解之谜呢?事实证明,这真的是一个颇具争议性的话题。

有些持反对意见的人援引了“奥卡姆的剃刀”原则,该原则称,最简单的解释通常就是最好的。既然目前非量子学说对大脑的运作解释得还算清楚,我们就不需要再引入量子物理来解释认知。然而,加州大学圣塔芭芭拉分校的理论物理学教授马修·费舍尔对此不那么肯定。

他指出,目前关于记忆的学说还远远称不上无懈可击,例如有的说记忆被存储在神经网络结构中,有的说存储在神经元之间的连接中。为什么不去看看量子力学能否提供一个更好的解释呢?或许,人们不去研究量子力学与意识的关系是因为有前车之鉴。

1989年,牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯提出,任何常规的经典计算模型都不能够解释大脑是如何产生思想和意识体验的,这种说法引起了很多人的兴趣,尤其是美国亚利桑那州的一位麻醉师斯图尔特·哈默洛夫,他提出了量子效应参与大脑活动的具体方式。

而他想法的核心是:微管——组成神经元支撑结构的蛋白质管,依据量子效应同时处于两种不同形状的叠加态中。每个形状相当于1经典比特的信息,所以这种在形状之间随意切换的量子比特能够存储两倍于经典比特的信息量。

然后再加入纠缠——一种能让量子比特在即使不接触的情况下仍然关联在一起的量子特性——这样就很快就构造出了一台量子计算机,其操作和存储信息的效率比任何传统计算机都高。实际上,彭罗斯认为,量子计算机可以同时探索多个答案,并以不同的方式将这些答案整合起来,正好能够解释人类大脑的独特天赋彭罗斯和哈默洛夫就这个想法开展了合作研究,他们和其他一些人曾一度认为这个想法很有道理,但很快人们就发现了其中的漏洞。

从物理学家的角度来看,最根本的问题在于相干的时间。为什么这样说呢?科学家解释,叠加态和量子纠缠都是非常脆弱的现象。对于一个量子系统而言,只要受到热、机械振动或其他任何东西的干扰,它就会退相干到常规的经典状态,而存储在量子态中的信息通常会散失到周围的环境中。

在过去的20多年里,包括费舍尔在内的很多物理学家在尝试建造出一台有一定规模的量子计算机时,都因退相干问题而受阻。即使在深度冷却和机械隔离的条件下,量子比特网络的相干状态也很难维持足够长的时间,以做出任何超出目前传统计算机能力的事。

而温暖湿润的大脑则是一锅不停振动的、熙熙攘攘的分子汤,几乎不可能进行量子计算。神经元在处理信息时,需要将信息保持微秒的级别或者更长时间。但理论计算表明,微管如果有叠加态,只能维持10-20~10-13秒。所以依靠量子力学去解释大脑如何产生意识等等这些问题还需时间去验证去解答。

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