微管理论：量子计算与神秘生命

微管理论

彭罗斯认为，大脑是量子计算机，这一观点最初有一个让人意想不到的来源：奥地利数学家库尔特·哥德尔（Kurt Gödel）提出的著名的（至少在数学家的圈子里）不完全性定理。20世纪30年代，当时数学家正在自信满满地建立一套强大而完整的公理体系，整套体系的公理之间要求协调一致、没有自相矛盾，以期任何一个数学命题都可以通过这套体系在有限步内被证明真伪。如果你不是数学家或者哲学家可能不会上心这样的事，但是对于逻辑学界而言，哪怕时至今日，这都算得上是一项举足轻重的工程。哥德尔的公理给20世纪30年代的数学家当头泼了一盆凉水，他的不完全性定理指出构建这种体系的努力将注定徒劳无功。

哥德尔的第一不完全性定理指出，在每一个逻辑体系中，比如自然语言和数学中，都存在该逻辑体系自身无法证明真伪的命题。第一定理乍看下是个无伤大雅的论断，但它的含义实际上影响深远。随便考虑一个熟悉的逻辑体系，比如语言，我们可以根据“所有人都不过是凡夫俗子”和“苏格拉底是一个人”这两句话，推论出“苏格拉底不过是一个凡夫俗子”。前两句话对第三句话的推导和证明只需要用非常简单的代数规则（如果A=B并且B=C，那么A=C）。但是哥德尔指出，任何用以证明数学公理的复杂逻辑体系都有一个共同的局限：应用每个逻辑体系推导出的某些命题，无法用该逻辑体系本身对其做出真伪证明。

听起来很拗口，事实上也的确不太直观。但是下面要说的这一点很重要：哥德尔的定理并不意味某些命题无法被证明，而是强调能够证明这些命题的逻辑存在于产生它们的逻辑体系之外。比如，为真但是无法被证明的语言命题，其证明规则可能在代数中；反之亦然。

我们在这里讨论的逻辑学内容经过极度简化，略去了诸多细节。对哥德尔的理论有兴趣的读者可以阅读美国认知科学家道格拉斯·霍夫施塔特（Douglas Hofstadter）在1979年出版的著作。彭罗斯在他的《皇帝的新脑》中以哥德尔的不完全性定理作为自己观点的切入点，他首先指出，经典的计算机会利用统一的逻辑系统（也就是计算机算法）产生命题。根据哥德尔的定理，计算机也一定能够推论出它们无法证明真伪的命题。但是，彭罗斯认为，人类（或者说属于数学家的那一群人类）能够推导和证明这些计算机无法证伪的命题。因此，彭罗斯据此认为，人类的大脑要胜于传统的计算机，因为它能够执行一种彭罗斯称之为非计算性的处理过程。继而，他假设这种非计算性能力需要一些特别的解释，只有量子力学才能提供这样的解释。最终彭罗斯得出结论，意识正是量子计算的产物。

没有复杂的数学证明，仅仅是基于命题的可证明性，不得不说这个结论总结得实在大胆。彭罗斯在后来出版的著作《意识之影》（The Shadow of the Mind）中更进一步，提出了大脑如何利用量子力学计算的生理学机制。彭罗斯与亚利桑那大学的麻醉学与心理学教授斯图尔特·哈梅罗夫（Stuart Hameroff）[72]合作，两人宣称神经元里一种叫微管（microtubules）的结构相当于量子计算机的量子位。

微管是由微管蛋白组成的链状结构。哈梅罗夫和彭罗斯提出这种微管蛋白——组成微管的蛋白珠——至少可以在伸展和收缩这两种形状之间进行转换。最重要的是作为量子物体，微管蛋白可以同时具有伸张或者收缩的状态，这一点让它类似于量子位。哈梅罗夫和彭罗斯的假设还不止如此，他们还认为，一个神经元中的微管蛋白还与其他神经元中的微管蛋白维持着量子纠缠。你可能还记得纠缠就是那种可以把相距甚远的物体联系在一起的“幽灵般的超距作用”。如果大脑中万亿个神经元之间真的存在神秘的遥控力量，那么原本独立的每条神经中所包含的信息就可能通过这种方式被整合起来，捆绑问题也就迎刃而解了。大脑成了一台原理神秘但是异常强大的量子计算机。(www.xing528.com)

彭罗斯-哈梅罗夫的意识理论远不止于此，其中更富争议的观点可能是，他们提出引力也参与了意识的形成[73]。那么他们的学说真的可信吗？包括笔者在内，还有几乎所有的神经生物学家和量子物理学家都不能苟同这种理论。如果你还记得前文中有关信息如何从大脑传递到神经的叙述，那么你可能会发现，最明显的问题是整个过程中我们都没有提到微管所扮演的角色。没有提及微管是因为就我们所知而言，它在神经信息的处理过程中没有任何直接作用。微管维持着神经元的物理结构并且在轴突内运输神经递质，但是没有人认为它们在大脑处理信息的复杂神经网络中有关键作用。因此微管不太可能是思维的孕育之处。

不过更大的问题在于，作为具有相干性的量子位而言，大脑中的微管分子实在是过于庞大和复杂了。在前面的章节里，我们提出，在许多生物学系统中都有可能存在量子相干性、量子纠缠态以及量子隧穿，这些生物学系统囊括了光合作用复合体、酶、嗅觉感受器、DNA和鸟类神秘的地磁感受器。但是这些系统中体现“量子”的成分（包括激子、电子、质子以及自由基）都有一个关键的共同特征，那就是简单。根据薛定谔在70年前的预测，生物体内的量子力学现象只能发生在包含少数几个粒子的过程中。所以，体现量子性的成分通常是在原子的水平上发生相互作用的一个或者几个粒子。

但是彭罗斯-哈梅罗夫的理论却认为，由数百万个粒子构成的整个蛋白质具有量子叠加态，并且不止是一个微管内的分子之间，而是整个大脑中数十亿个神经元内的所有微管之间都存在量子纠缠。但是这几乎是不可能的：虽然还没有人能够测出实际值，但是理论计算得出的结论是，单个微管分子相干性维持的时间很难超过几皮秒[74]，转瞬即逝，远远不足以对大脑运算造成任何影响。

不过，彭罗斯-哈梅罗夫量子意识理论最根本的问题可能在，彭罗斯一开始就认定大脑是一台量子计算机。彭罗斯断言的依据是，人类可以证明传统计算机无法证明的哥德尔命题。然而这最多只能说明在处理传统计算机的哥德尔命题上，人类的大脑和量子计算机打了个平手。实际上不光没有证据显示人类可以解决传统计算机无法处理的哥德尔命题，甚至多数研究者相信事实正好相反。

人类的大脑在论证哥德尔命题的能力上未必比传统计算机更强。虽然人类的大脑可以对传统计算机推论的哥德尔命题进行证明，而计算机对此无能为力；但是反之亦然，计算机同样可以证明人类大脑推出的哥德尔命题，而人类对此同样束手无策。哥德尔的不完全性定理只是指出一个逻辑体系无法对自己推导的所有命题进行真伪证明，而并不能据此比较两个逻辑体系证明哥德尔命题的能力高低。

那会不会其实大脑中并没有量子力学过程？哪怕量子力学的引擎在我们身体的许多部位起着作用，而我们的思维却依旧只能依靠破旧的蒸汽机来牵引？事实未必如此。最新的研究暗示，量子力学可能的确参与了意识的过程。