因为锂-7和锂-6拥有不同数量的中子,所以他们的自旋也是不同的。因此,就想达到量子认知的目的的话,锂-7脱离的速度太快了,而锂-6原子核自旋更加稳定,能够保持更长的时间。

Fisher发现了两种对量子自旋来说很重要的物质,并发现它们也可以对行为会产生非常不同的影响。对于Fisher来说,这可能意味着量子处理可能确实在人的认知过程中发挥作用。

然而,从一个有趣的假设到实际证明,确定量子处理在大脑中扮演一个角色是一个艰巨的挑战。大脑需要一些机制来让存储在量比特中的量子信息保存足够长的时间。必须有一个多量子比特纠缠机制,使得量子纠缠能够通过有可行的化学手段,在某种程度上影响神经元。还必须有一些方法让传输量子信息的量子比特存储在大脑中。

这是一个很高的要求。在他过去五年的研究中,Fisher唯一确定可能在大脑中存储量子信息的就是磷原子,这只是一种除氢之外常见的生物元素,其自旋量为1/2,一个低到可能保持足够长相干时间的数字。据Fisher所言,磷不能独立地产生稳定的量子比特,但是把磷和钙离子进行集群,它的相干时间可以进一步延长。

1975年,康奈尔大学科学家Aaron Posner注意到在他X光片中的骨头上,钙和磷原子奇怪地集群在一起。后来这称为波斯纳分子或波斯纳集群(Posner molecule or cluster)的磷酸钙结构,这个结构包括九个钙原子和六个磷原子。在2000年,当科学家模拟体液中的骨生长时再次观测到这种集群,并注意到它们在体液中漂浮。随后的实验中,同样发现了人体内存在波斯纳集群的证据。Fisher认为波斯纳分子也可以作为大脑中的天然量子比特。

这是一幅巨大的蓝图,但是Fisher已经花了几年时间来推敲其中的细节。该过程在具有焦磷酸盐的化合物的细胞中开始,细胞由两个键合在一起的磷酸盐组成,每个磷酸盐又由被多个氧原子围绕且具有零自旋的磷原子组成。磷酸盐自旋之间的相互作用会使之纠缠。它们可以以四种不同的配对方式:其中三种组态会叠加成为一个总自旋(“三重态”,仅是一种微弱的纠缠状态),但是第四种可能会产生零自旋或“单重态”,这种状态会产生这对于量子计算至关重要的最大化量子纠缠。

接着,焦磷酸酶能打破2个相连的磷酸根离子结构,产生两个单离子。关键的是,即使两个游离磷酸根离子分离开来了,两个离子的核自旋应该还是处于量子纠缠态的。Fisher认为,“单重态”的情况下会发生得更快。这些离子就可以依次与钙离子和氧原子结合成为波纳斯分子。钙和氧原子都不具有核自旋,因此总体保持了1/2自旋对于延长相干时间来说是至关重要的。这样波纳斯分子就能免受外界干扰而长时间维持纠缠态,Fisher估计波纳斯分子的纠缠态大约会维持几个小时,几天甚至几个星期。

量子纠缠以这种方式可以在大脑中大量覆盖,从而影响神经递质的释放和神经元之间突触的传递——一项在大脑中不可思议的工作。

在量子生物学领域工作的研究人员对Fisher的提议持谨慎好奇的态度。 Alexandra Olaya-Castro,伦敦大学学院研究量子光合作用的物理学家,称之为“一个深思熟虑的假设。它并没有给出确切答案,但是却打开了如何在实验中利用具体的步骤检验假说的思路。”

Peter Hore,牛津大学研究候鸟导航系统是否利用量子效应的化学家,对Olaya-Castro说的话表示赞同。他说,“这位理论物理学家,提出了可能影响大脑活动的具体分子和运作机制。这拓展了实验测试的可能性。”

实验测试也是Fisher现阶段最想做好的事情。他花了整整一个假期的时间,与研究人员在斯坦福大学复制1986年那个用怀孕老鼠做的研究。他承认实验初步的结果令人失望,因为实验数据未能提供更多信息,但如果实验报告能跟1986年的实验保持一致,结果可能更有说服力。

Fisher已经申请了资金以进行更深入的量子化学实验。他聚集了一小部分来自加州大学圣塔芭芭拉分校和加利福尼亚大学旧金山分校各个学科的科学家,大家一起合作研究。首先,他想调查磷酸钙是否真的形成稳定的波纳斯分子,以及这些分子的磷核自旋是否可以纠缠足够长的时间。

然而Hore和Olaya-Castro对后者持怀疑态度,尤其是根据Fisher的粗略估计,量子相干能够持续一天或更甚。Olaya-Castro说,“老实说,我认为这不太可能,这过程中发生的生物化学活动最多就是以秒来计算,一天这时间也太长了。”(神经元可以存储微秒的信息)Hore建议最好将时间限制在秒以内。他说,“我认为他需要考虑获得更长相干时间的可能是其他分子,至少我认为波斯纳分子不是,当然这并不意味着他的整个假说是错误的,我期待着听到一个合理的解释。”

其他人认为根本没有必要提出用量子处理来解释大脑功能。加拿大安大略省滑铁卢大学的神经哲学家Paul Thagard向《New Scientist》杂志解释道:“关于大脑神经元相互作用影响认知的证据正在进一步完善。”(Thagard拒绝了我们进一步评论的请求。)

波纳斯分子的结构是否对称?核自旋是如何独立运行?Fisher的假说有很多地方仍待验证,同样地,他也希望能够通过实验得以验证。

不过最重要的是,如果所有这些实验最终都证明他的假设是错的?也许就是该放弃量子认知想法的时候了。“我相信,如果磷核自旋不适用于量子处理,那么在以后很长一段时间内,大家都会认为量子力学在认知方面是无效的。”Fisher说,“科学地指出这一点也十分重要,对于科学发展而言,知道这一点也是好的。”

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