人類意識的量子模型

摘要：人類意識的本質和起源是幾千年來哲學家們一直爭論不休的問題。近年來，隨著量子生物學的興起，越來越多的物理學家開始試圖從量子力學的視角來研究意識問題。他們運用不同的量子力學方法，從不同的描述層面，來對人腦和意識進行建模。本文則對目前主流的量子意識的模型和理論進行了介紹。

Abstract: The nature and origin of the human consciousness is a question that philosophers have been arguing for thousands of years. In recent years, with the rise of quantum biology, more and more physicists have tried to study the problems of consciousness from the perspective of quantum mechanics. They used different methods of quantum mechanics to model the human brain and consciousness from different descriptive levels. And this paper introduces the existing popular models and theories of quantum consciousness.

1 引言

自古以來，意識的本質(the nature of consciousness) 和心物關係(mind-matter relation) 問題一 直是哲學家們爭論不休的焦點。在古希臘時期，哲學家們就已經開始了對心靈問題的討論，其 中，蘇格拉底和柏拉圖把靈魂和身體做了區分，認為靈魂是更高貴的部分[1]。在近代哲學中，笛 卡爾重新審視了心物關係，他經過一系列理性思考的演繹，認為意識和肉體是兩種完全不同且 互相獨立的基本存在，並提出了極具影響的身心二元論(mind-body distinction) 思想[1]。到近代以 來，唯心主義哲學們主張，精神是世界的唯一本原，世界上的萬事萬物都只是精神的產物[2]。而 唯物主義哲學家們則認為，物質是世界的本原，世界上的千差萬別的具體事物都是物質的，除了 物質以外，世界上什麼都沒有。至於精神，不過是物質現象在人們頭腦中的反映[2]。

進入二十世紀以來，意識問題開始出現在以物質為研究對象的量子力學(Quantum Mechanism) 的範疇中。在經典的哥本哈根詮釋(Copenhagen Interpretation)[3] 中，量子系統的波函數 的坍縮是由於一個有意識的觀察者對該物理系統進行了測量，這種效應被稱為「觀察者效應」 (Observer Effect)。為了批駁這種理論，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤提出了一個思想實驗， 名叫「薛定諤的貓」(Schr?dinger』s Cat)[4]。該思想實驗非但沒有駁倒哥本哈根詮釋，反正巧妙 地把微觀物質在觀測後是粒子還是波的存在形態和宏觀的貓的狀態聯繫起來，從而證明了測 量的核心確實是人的意識。哥本哈根詮釋後續被不斷被發展，其中一個極端版本則是人擇原理 (Participatory Anthropic Principle)[5]。該理論認為正是由於人類的存在，才能解釋這個宇宙的種種 特性，包括各個基本自然常數。而這種種理論似乎都暗示著，意識和量子力學之間有著不容忽視 的聯繫。

同時，在過去十多年內，量子生物學(Quantum Biology)[6] 開始逐漸成為一門新興的研究學 科。越來越多的研究表明，一些生物系統內確實存在著某種量子過程，在他們體內濕熱、混亂 環境中也能發現特定的量子效應。2009 年，加州大學伯克利分校的化學家格雷漢姆·弗萊明在 《物理化學年鑒》(Annual Review of Physical Chemistry) 上發表論文指出[7]，綠色植物在光合作用 的過程中，能通過量子糾纏，幾乎瞬時地將捕光複合物分子中的太陽能傳輸給光電反應中心的復 合物分子，從而完成能量的轉移。這一發現成功地解決了光合作用中太陽能轉化為化學能的轉化 效率接近100% 的問題。當然，量子效應在生物體中的應用並不僅僅局限在植物的光合作用機制 之上。一些科學家試圖利用量子力學解決一個從19 世紀起科學家們一直困惑的謎團，即候鳥的 遷徙問題。他們認為，候鳥體內有著一種「量子羅盤」(quantum compass)，其體內產生的自由基 之間的相互作用和環繞著它們的地球磁場可以引起不同形式的自旋關聯，從而使候鳥能夠「看 到」磁場，進而確認方向[8]。另外一些科學家則試圖將嗅覺也歸結於某些量子力學的機制。他們 認為，人類嗅覺過程的解釋在量子隧穿效應中能夠得到很好的解釋[9, 10]。

面對意識的「難問題」(hard problem of consciousness)[11]，在量子生物學的浪潮下，越來越多 的科學家們試圖從量子力學的角度來研究人類意識的難題。根據人們運用量子力學的方式，這 些量子意識理論可以大致分為三類。在第一個類別中，人們試圖借鑒量子力學的某些概念(如糾 纏、疊加、互補、坍縮) 來類別人們意識研究中的問題。但這類方法並沒有在具體的情境下給出 具體的量子力學機制，只是簡單地將人類的心理狀態與物理概念進行類比。比如20 世紀榮格與 泡利共同發展的共時性理論(Synchronicity)[12]。在第二個類別中，人們試圖利用現有的量子理 論來解釋神經生理學和神經心理學的意識過程。這一類理論包括亨利·斯塔普的心理物理理論、 Hiroomi Umezawa 的量子腦動力學、貝克和埃克爾斯提出的突觸間隙中的量子機制、以及備受關 注的馬修·費舍爾的量子神經科學等等理論。第三個類別中，人們試圖繼續發展現有的量子理論 來解釋人類的意識。羅傑·彭羅斯和斯圖亞特·哈梅洛夫的和諧客觀還原假說則屬於這一類，他 們試圖發展新的量子引力理論來解釋意識問題。本文將按照提出時間的先後順序(見表1)，對這 些理論進行一一介紹。

2 心理物理理論

亨利·斯塔普(Henry Stapp) 是一位美國量子物理學家，他曾與沃爾夫岡·泡利(Wolfgang Pauli) 和維爾納·海森堡(Werner Heisenberg) 一起工作。在1993 年出版的論文集《精神、物質 和量子力學》(Mind, Matter, and Quantum Theory)[13] 中，斯坦普提出了一種心智的心理物理理論 (the psychophysical theory of mind)，他認為量子論本身就是心理物理的(psychophysical)[14]，並認 為意識行為是大腦從相互獨立且自持的多重神經發放模式中選擇一條頂級編碼(top-level code) 的過程[13]。

斯坦普運用量子力學解決意識問題的思想主要源自於他長期對於量子力學的研究。在量子 理論的框架中，測量行為或測量過程一直是至關重要的一個方面。在《量子力學的數學基礎》 (Mathematical foundations of quantum mechanics)[15] 一書中，馮·諾伊曼(John von Neumann) 將量 子力學的最重要的基礎嚴謹地公式化，並提出了波函數的兩類演化過程：

• 瞬時的、非連續的、非因果的、不可逆的波函數坍縮過程(過程1)。
• 波函數的連續的、單一可逆的、遵循薛定諤方程的演化過程(過程2)。

其中，馮·諾伊曼討論了觀察和觀察系統之間的概念區別，認為「觀察者」在測量過程中是 至關重要的。這個觀察者他認為是探測器或者是人類大腦。而與馮·諾伊曼謹慎的立場相反，弗 里茨·倫敦(Fritz London) 和愛德蒙·鮑爾(Edmond Bauer)[16] 在1939 年提出就是人類意識完成 了量子測量(quantum measurement)。1961 年，尤金·維格納(Eugene Wigner)[17] 提出了其著名的 「Wigner』s friend」的思想實驗，認為觀察者的意識是導致波函數崩潰的分界線，並呼籲對演化過 程2 進行非線性修改以取代演化過程1 的投影(projection)，從而將測量描述為一個真實動態的、 產生不可逆轉的事實的過程。

斯塔普繼承了馮·諾伊曼和尤金·維格納等人的「意識導致了波函數的坍縮，是完成量子測 量過程的必要條件」的量子力學解釋，他認為，大腦中量子波函數的坍縮過程，是一個從各種量 子態中選擇某個確定形態的選擇過程，而不是隨機的擲骰子的過程。在心理物理理論[13] 中，斯 塔普把神經興奮看作一種編碼(code)。於是，大腦的每種神經發放模型(單一編碼) 對應為量子 系統的單一量子態，多重神經發放模型(多重編碼) 對應著量子系統的疊加態。同時，斯坦普的 理論把大腦看成一個以記憶為輸入數據的、能自主編程的計算機。其中，記憶本身是對過往經 驗的編碼。而「相互排斥的自我維持的神經模式充當頂級編碼(top-level code) 的載體。每個編碼 對低級別的處理中心進行頂級控制，從而控制身體功能以及構建新的頂級編碼。」新編碼的產生 是通過「整合當前頂級編碼的指令、來自外部的信息刺激和先前存儲在記憶中的編碼塊進行構 建。」最終，意識行為則是「通過選擇一個新的頂級編碼來實現的，然後通過量子理論自動地對 大腦中神經興奮的流程進行頂級控制。」

同時，斯塔普從數學的角度分析了為什麼經典力學(Classical Mechanics) 難以自然地容納意 識而量子力學卻可以[14, 18]。斯塔普認為，經典物理學由於其邏輯性、決定性和機械性的原則難 以描述非定域的、非邏輯和非還原的意識活動，所以意識必須依靠量子力學才能得以解釋；在 一個量子系統中，量子具有非定域性、不確定性、糾纏性的活動特徵，而這恰好與人腦中神經 細胞的分化性、概率性、整體性的活動特徵極為相似。他認為，「人腦的一個關鍵的微觀特性 (micro-property) 涉及鈣離子從微通道(micro-channels) 遷移，並通過這些通道離子進入神經末梢 內部，進而引發釋放神經遞質。」[19] 於是，在《心智的宇宙》(Mindful Universe)[14] 一書中，他首 先論證了神經末端的神經信號的傳遞機制是量子機制的。而離子在觸發點上要麼被吸收要麼不 被吸收的實驗現象在經典物理學上是無法解釋的，只能用量子力學來解釋。

3 量子腦動力學

1967 年，美國物理學家Hiroomi Umezawa 等人[20] 提出了腦細胞內部和腦細胞之間的長程相 干(long range correlation) 的量子腦動力學理論(Quantum Brain Dynamics, QBD)，並展示了通過南 部-戈德斯通玻色子(Nambu-Goldstone bosons) 來實現記憶的存儲和檢索的可能機制。

在量子腦動力學理論[21, 22] 中，佔大腦70% 的水分子有兩個電極，其中水分子的電偶極矩形 成了一個稱為「皮層場」的量子場，皮層場中的量子被稱為「皮層子」(corticon)。皮層場和神經 細胞中的生物分子產生的量子相干波相互作用，可以在神經元和神經網路中傳播。這種波在傳播 過程種能從ATP(三磷酸腺苷) 中獲得能量，進而控制神經元的離子通道，並控制信號流向神經突 觸。量子大腦動力學的研究者們認為，意識並非由某種確定的途徑所產生。一方面，吉布(Mari Jibu) 和雅蘇(Kunio Yasue)[23] 認為，在神經網路中，皮層場和生物分子波的能量量子之間的相互 作用產生了意識。另一方面，維泰羅(Giuseppe Vitiello)[24] 認為，量子腦動力學中的量子狀態產 生了兩極，一極是主觀的外部世界的表現，另一極是向外部世界表現開放的自我。

量子腦動力學是一種新穎的、用於研究大腦的高級功能(如意識和記憶) 的量子框架。大腦中 的某些物質基質被證明支持量子場現象，而由此產生的奇異量子特性被用來解釋意識和記憶[23]。 而當考慮系統與環境的交互時，耗散(dissipation) 便可能出現。於是，傑賽普·維泰羅(Giuseppe Vitiello) 等人[25, 26, 27] 考察了量子腦動力學模型在耗散結構下的記憶能力。耗散同時為系統生成 了一個真正的時間箭頭，在與環境的交互中導致了糾纏現象。於是2003 年，佩薩(Eliano Pessa) 和維泰羅[28] 考察了糾纏(entanglement)、量子雜訊(quantum noise) 和混沌(chaos) 在耗散量子模 型中的作用。

相比於其他量子力學方法混淆了精神(mental) 和物質(material) 的狀態和屬性，量子腦動力 學模型的一個優點是，它「描述的是大腦，而不是精神狀態(mental states)」[29]。比如，弗里曼 (Walter J. Freeman) 和維泰羅[30, 29, 31] 用耗散量子模型研究了神經生物學中的可觀測物(如電場和 磁場振幅和神經遞質濃度) 對大腦狀態的描述。他們發現所有這些可觀測物都是經典的，所以神 經元和神經膠質細胞，「和其他的生理單元不是多體腦模型中的量子對象」[29]。然而，維泰羅也 指出，腦皮層電圖的光譜能量密度的(自相似的、分形的) 冪律分布[31] 的出現與耗散量子相干態 密切相關[32]。總的來說，量子腦動力學描述了在大腦神經活動層面上經典行為湧現的原因和方 式。

4 大腦全息模型

大衛·玻姆(David Bohm) 是一名著名的美國理論物理學家。在20 世紀80 年代初期，玻姆 提出了他的「隱卷序」理論(implicate order)[33]，以解釋當時量子物理學家不能解釋的亞原子粒 子的奇異現象。這種現象就是著名的ERP 佯謬[34]，曾相互作用的兩個亞原子粒子分離後即使相 隔幾千光年之遠也可以瞬間相互響應，所以這種相互關聯性要求超光速信息。玻姆認為，亞原子 粒子的奇異行為可能是由隱藏的(hidden)、不可觀察的(unobserved) 次量子(subquantum) 的力和 粒子引起的，而與普遍的因果關係和現實觀念沒有衝突。

玻姆認為，這種「隱藏」(hiddeness) 可能反映了現實的更深層次。他認為，空間和時間實際 上可能來源於這種更深層次的客觀現實。這種現實玻姆稱之為「隱卷序」。在「隱卷序」中，一 切是連接著的，任何單一元素都可以揭示宇宙中其他每一個元素的信息。玻姆最喜歡用全息圖 的隱喻來表達「隱卷序」的結構。全息圖的主要特徵是存儲信息的每一部分都分布在整個全息圖 上。存儲和檢索的兩個過程都以傅立葉變換方程描述的方式進行。只要全息圖的一部分足夠大 以容納干涉圖案，部分就可以重現整個存儲的圖像。全息圖內的這種信息存儲的非局部性是至 關重要的，因為即使大部分部件被損壞，整個內容也將包含在足夠尺寸的單個剩餘部分中。玻姆 認為，全息圖清楚地表明了「遍布在整個空間和時間上的全部內容(total content) 是如何被捲入 (enfolded) 到任一給定區間的(如電磁等) 波動的運動中」。[33]

相對於「每個事物都被捲入(enfold) 到其它每個事物」的「隱卷序」，我們的可見的客觀世 界是「所有事物被展出(unfold)」的「顯展序」(explicate order)。玻姆認為，「捲入」(enfoldment) 和「展出」(unfoldment) 發生在所有場中，包括光、電磁、電子、質子等。他把這個「捲入」和 「展出」運動的整體稱為「全運動」(holomovement)。「全運動」是玻姆的量子力學解釋和整體世 界觀的一個重要概念，他認為是「所有事物的基礎」。

玻姆不僅將「隱卷序」思想用於解釋我們現實世界可見的客觀物質，還用來解釋人類的意 識。他說，「從某種意義上，意識(包括思想、情感、慾望、意志等) 應該用隱卷序連同作為一個 整體的實在來理解。……隱卷序不僅適用於解釋物質(有生命的與無生命的)，也適用於解釋意 識。」[33] 玻姆認為笛卡爾的二元論思想太過於局限，精神和物質應該是「隱卷序」這一基本真實 (background reality) 在我們的「顯展序」中的一種投射或一種破碎的反映(broken reflections)[35, 36]。

玻姆曾與斯坦福大學神經科學家卡爾·普裡布拉姆(Karl Pribram) 合作提出了大腦功能的全 息模型(holonomic brain theory)[37]。這個模型非常不同於人們通常所接受的觀念。玻姆與普利布 拉姆認為大腦運作的方式與全息圖的原理十分相似，其運作遵循量子的數學原理，並與腦波模式 的特徵相吻合[?]。普裡布拉姆認為，光學全息圖與人腦記憶存儲之間有著相似之處。根據大腦全 息理論，記憶存儲在某些區域內，但非局部存儲在這些區域內[38]。這樣即使大腦某些區域受到 損壞也能保持正常的功能和記憶[39]。

同時，玻姆將全息的概念擴展到他對思想的理解。在《思想是體系》(Thought as a System)[40] 一書中，玻姆提出，思想具有普遍性(pervasive) 和系統性(systematic) 的本質。他用「思想」 (thought) 這個詞指代整個體系，包括想法、知覺、身體、以及分享思想的社會整體。他認為關鍵 的是「不要把它們割裂開，因為它們是同一個過程……把這一整套東西分別看成是我的思想、你 的思想、我的感覺、這些感覺、那些感覺是錯誤的和有誤導的。」玻姆說，「思想造就的是整個體 系」。這個體系是「不斷在經歷發展、變化、演變和結構調整的」。如果這一體系中存在一個錯 誤，那會是一個「系統性錯誤」(systematic fault)，「不是這裡或那裡有個錯誤，而是錯誤遍布整 個系統。」

但玻姆從未提出將他的量子理論與意識聯繫起來的任何具體的科學機制，所以這個概念最 終沒有成為一個全面發展的科學理論。

5 和諧客觀還原假說

牛津大學傑出的理論物理學家和數學家羅傑·彭羅斯和美國亞利桑那大學麻醉學家和心理 學家斯圖亞特·哈梅洛夫共同建立了著名的「和諧客觀還原(Orchestrated Objective Reduction， Orch-OR)」假說[41]。彭羅斯和哈梅洛夫分別從不同的理論出發提出了他們各自的想法，彭羅斯 從歌德爾定理出發，而哈梅洛夫從他的癌症研究和麻醉學研究出發。後來在20 世界90 年代初 期，他們才開始合作共同構建了Orch-OR 假說。

歌德爾不完備定理是啟發彭羅斯發展Orch-OR 假說的核心。1931 年，歌德爾[42] 證明了兩條 定理：(1) 任何相容的形式系統，只要蘊涵皮亞諾算術公理，就可以在其中構造在體系中不能被 證明的真命題，也就是說，體系是不完備的，通過推演不能得到所有真命題；(2) 任何相容的形 式系統，只要蘊涵皮亞諾算術公理，它就不能用於證明它本身的相容性。彭羅斯受此啟發認為， 人腦有超出公理和正式系統的能力。

在1989 年的著作《皇帝新腦》(The Emperor』s New Mind)[43] 一書中，彭羅斯提出，大腦有 某種不依賴於計演算法則的額外功能，這是一種非計算過程，不受計演算法則驅動；而基於經典物理 學的計算機必須受計演算法則的驅動。彭羅斯認為，波函數的坍縮是一個不可計算的唯一可能的 物理基礎。所以，人腦需要靠更深一層次的物理學(即量子力學) 來處理信息和產生意識。另外， 人腦與電腦的差別在於，人腦的神經網路系統包含了豐富的不確定性和複雜混沌的非線性，它具 備電腦沒有的並行處理和模糊處理能力，還有著極高的效率。而傳統圖靈機則是確定性的串列 處理系統，難以達到真正並行和模糊處理的能力。所以，在經典計算機上難以實現強人工智慧。

由於對正統量子理論(哥本哈根解釋) 中隨機性的不滿意，彭羅斯提出了一種新的波函數塌 縮理論，其中，量子系統在不與環境相互作用下也能自行坍縮。他認為，每個量子疊加有自身的 時空曲率，當它們距離超過普朗克長度(10-35 次方米) 分開時，它們就會變得不穩定並坍縮，這 被稱為「客觀還原」(Objective Reduction，OR)。彭羅斯認為，客觀還原所代表的既不是隨機，也 不是經典物理所依賴的演算法過處理程，而是非計算的，受時空幾何基本層面的影響[44]。

起初，彭羅斯還缺乏一個關於如何在大腦中實現量子處理的詳細方案。然而，哈梅洛夫在讀 了彭羅斯的《皇帝新腦》後，提出微管(microtubule) 可能是合適的大腦中量子過程的候選。微管 大量存在於大腦細胞中，在許多細胞過程中扮演著非常重要的作用。微管是由13 條原纖維構成 的中空圓柱體結構，其外徑約為24 納米，而內直徑約為12 納米。而每一條原纖維由微管蛋白的 蛋白二聚體(主要是α-和β-微管蛋白二聚體) 線性排列而成。每個微管蛋白二聚體都有一些憎水 囊，彼此間距約8 納米，裡面含有離域π 電子。微管蛋白還有更小的非極性域，含有π 電子富集 吲哚環，相隔約2 納米。哈梅洛夫認為，這些電子如果足夠近，就可產生量子糾纏。並且，微管 中糾纏的電子可形成一種玻色–愛因斯坦凝聚態。此外，他還提出，一個神經元的凝聚態可以通 過神經元間的細胞間隙(gap junctions) 擴展到許多其他神經元，從而在腦區形成一個宏觀尺度的 量子特性。當這一擴展的冷凝物的波函數坍縮時，就形成了一種數學理解上的不可計算特性，而 意識體驗也就在這種時空的幾何結構中呈現[45, 46]。

Orch-OR 假說在被提出以後，做了許多錯誤的生物學預測[47]，一度被認為是一個極其糟糕的 大腦生理學模型[48, 49, 50]。另外，物理學家和神經科學家們分別從微管中量子退相干時間[48]、大 腦中波函數的是否坍塌[51] 等各方面提出了強烈的質疑。但針對這些批評和質疑，彭羅斯和哈梅 洛夫都爭鋒相對地給予了反駁[52]。另外，在2014 年1 月，彭羅斯和哈梅洛夫宣布[53]，在日本國 家材料科學研究所Anirban Bandyopadhyay 團隊所進行的實驗中發現了微管中存在量子振動[54]， 這一發現為Orch OR 假說提供了有利的證據。

6 突觸間隙的量子機制

1991 年，德國物理學家弗里德里希·貝克(Friedrich Beck) 與澳大利亞神經生理學家和諾貝 爾獎獲得者約翰·埃克爾斯(John C. Eccles) 相遇，他們於1992 年合作提出了量子力學在大腦信 神經元的突觸間隙中進行信息傳遞(細胞外泌和神經遞質釋放) 的一個特殊機制[55]。

在神經元間化學突觸的信號傳遞過程中，神經衝動傳到突觸前末梢，觸發前膜中的鈣離子通 道開放，在鈣離子的作用下一定數量的突觸囊泡與突觸前膜融合後開口，將內含的遞質外排到突 觸間隙。被釋放的遞質，擴散通過突觸間隙，到達突觸後膜，與位於後膜中的受體結合。這一過 程中，神經衝動觸發神經遞質的釋放的幾率很小。為了用統計的方式描述這種觸發機制，貝克和 埃克爾斯從熱力學或量子力學的角度進行考慮。他們考察了其中相應的能量機制後發現，在室 溫下高於10-2 電子伏特的能量時，量子過程與熱過程是不同的。假設一個典型的生物微位點的 長度為幾納米，如果其有效的質量低於10 個電子質量，那就足以保證量子過程在熱過程中佔據 優勢。

貝克和埃克爾斯提出的詳細的觸發機制[55] 基於准粒子的量子概念，其中雙態准粒子的隧 道過程導致了狀態的崩潰。貝克和埃克爾斯使用了馬庫斯(R. A. Marcus)[56] 和喬特納(Joshua Jortner)[57] 早期開發的理論框架，把這種量子觸發機制理解為生物分子之間的電子轉移。理論推 出這種機制有0 到0.7 的幾率導致神經遞質的釋放，而這與實驗觀察的結果一致。

但是這種觸發機制與有意識的心理狀態之間的關係卻仍然是一個問題。因為單個突觸的活 動過程並不能簡單地與精神活動相關聯，精神活動應該是神經元集體的協同過程。可以確定的 是，單個突觸上的不相關的隨機過程會產生一個隨機的神經元網路[58]。貝克[59] 後續也指出在根 本上隨機的突觸過程中有有可能獲得有序的模式(比如量子隨機共振)。但這仍然是一個未解決 的問題。

總的來說，除了埃克爾斯試圖把大腦中突觸上的量子過程作為理解心理因果性(mental causation) 的入口之外，貝克和埃克爾斯的方法本質上是專註於大腦狀態和大腦動力學的描述。 在2001 年的文章中，貝克明確地指出「在本質上，科學不能給與心智相關的問題以任何答案 ……」[59]。所以，這種量子過程與精神活動和精神狀態相互作用的方式至今仍未澄清。

7 量子神經科學

在基於量子力學的人類意識的研究中，目前最受關注和認可的理論是加利福尼亞大學聖巴巴 拉分校的物理學家馬修·費舍爾(Matthew Fisher) 提出的「量子神經科學」(quantum neuroscience)。 費舍爾受到抗抑鬱症藥物和1986 年康奈爾大學Sechzer 等人[60] 對鋰的兩種同位素影響大鼠行為 的實驗的啟發，於2015 年在《物理年鑒》(Annals of Physics) 上發表了一篇論文[61]，在理論上論 證了基於磷原子核自旋的量子神經信息機制的可能性。在論文中，他指出，大腦的工作原理很有 可能與量子計算機一致，而磷原子的核自旋就充當了大腦的「量子比特」。

在各種各樣的量子意識和量子腦理論中，量子退相干(quantum decoherence) 一直是各種基於 量子力學的意識模型的難題。費舍爾用了五年時間發現，磷原子可能是大腦內使量子信息以量 子比特的形式儲存和傳輸能保持足夠長的時間的合適候選原子。磷原子是生物體內除氫原子外 唯一一個自旋數為1/2 的常量元素。因為其核自旋比較低，所以磷原子能維持的相干時間也比其 他元素更長。僅憑磷原子本身還是不能維持足夠穩定的量子比特，但費舍爾發現，如果磷和鈣離 子結合成簇，相干時間就能得到足夠的延長。

在論文中，費舍爾給出了焦磷酸鹽化合物的反應過程。在磷酸鹽分子中，兩個磷酸根離子 (由中心的磷原子與環繞磷原子的核自旋數為0 的4 個氧原子構成) 通過共價鍵相互連接，並共 用一個氧原子。它們之間核自旋的交互使得兩個磷酸根離子能形成四種不同的糾纏方式：其中 三種是三重態(triplet state)，總自旋加起來為1，但只能維持微弱的量子糾纏；另外一種是單態 ( singlet state)，其自旋為0，能最大程度地保持量子計算必不可少的量子糾纏。之後，生物酶打 斷了分子中的化學鍵，將糾纏著的磷酸鹽分子分為兩個自由獨立的磷酸根離子。最重要的是，這 兩個分開的磷酸根離子還依舊保持著量子糾纏的狀態。費舍爾認為，在單態下，分離過程發生 得更加迅速。這些分散開來的離子隨後與遊離的鈣離子、氧原子相互結合形成「波斯納原子簇」 (Posner molecules)。由於鈣離子和氧原子都沒有自旋，所以波斯納原子簇的自旋數維持在1/2 上。 同時，這些原子簇保護著分開的糾纏的量子對不受外界生物干擾，從而能夠維持長時間的相干狀 態。根據費舍爾的粗略估計，這種狀態下的相干時間能夠持續數小時、數天甚至數周之久。通過 這種方法，糾纏著的原子可以在大腦內相當長的距離內分布開來，從而調控神經元內神經遞質的 釋放和影響細胞突觸間動作電位的傳遞，以此無形地參與大腦的運作。費舍爾的理論引人注意 的地方在於，這麼長的量子相干時間足以覆蓋大多數的神經活動。

如此之長的量子退相干的時間引起了人們的廣泛關注。因為神經科學上的研究表明，在人 腦的學習與記憶中，STDP(Spike Timing Dependent Plasticity) 等長時程突觸增強與抑制現象的持 續時間也就大致在幾小時到1 天的時間內。這麼長的量子相干時間足以覆蓋大多數的神經活動。

當然，除了量子退相干的時間足夠長之外，費舍爾的量子神經理論還有如下幾個亮點：

• 這是一套完整的量子神經信息體系。其中包括量子比特與量子糾纏的產生、量子信息的存 儲與傳輸、量子測量、以及分子層面的量子相干與測量對細胞層面神經脈衝活動的影響機 制等，它們都有潛在的生物分子及相關酶化學反應過程等作為載體。
• 費舍爾除了在理論上明確給出參與反應的原子種類和具體的反應機制，還提出了多種可行 的實驗驗證方法。比如液態核磁共振方法(NMR)。

8 總結

從哲學的角度來說，目前的量子意識理論在考察心物關係問題時，主要有三種方式。一部分 理論站在強還原論(strong reduction) 的立場，認為所有的精神狀態或屬性都可以被還原到物質領 域(唯物主義)，意識問題可以單純地通過考察大腦狀態或行為、功能狀態來得以解決。另一部 分理論則認為，精神現象是物質大腦的湧現效應(emergence)，並不能簡單地還原到大腦狀態上。 還有一部分理論通過間接的方式考察心物關係，認為在精神和物質之下，還存在著更基本的真實 (background reality)，精神和物質是這一更基本真實的兩種表現。

從描述的層次來說，目前的量子理論主要從三個層次來考察意識問題：神經元集群，單個神 經元或突觸，分子層次(如微管或波斯納分子)。

但總的來說，目前的量子意識理論還處於初級階段，很多理論還只是假說。同時，量子力學 相對於經典力學雖然在意識問題上具有一定的優勢，但即便如此，這一意識研究的範式還存在 如何解釋主觀感受(qualia) 的問題。正如著名的意識研究的哲學家和認知科學家大衛·查爾默斯 (David Chalmers) 指出的，「問題在於，物理問題的基本要素都歸結到兩點，即結構和物理過程的 動力學。但從結構和動力學出發，我們只能得到更多的結構和動力學，而意識感受我們仍未涉及 到。」[62]

參考文獻

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2017年10月01日 - 2017年10月10日，於中國科學院自動化研究所