量子态存在于意识中吗？

包裹看起来毫不起眼，里面却装着一小瓶价格高昂的粉末。当然不是什么违禁品——毕竟它的价格大约是可卡因的5000倍。这其实是一点牛脑组织，更准确地说，是牛微管蛋白。它经过冷冻干燥、装瓶后在网上出售，每毫克售价约800美元。

每年都有数十万瓶这样的粉末被卖给研究实验室。这一瓶抵达意大利都灵理工大学后，研究人员把它放在注射器、液体和混合瓶等实验器材旁，随后开始执行一套包含12个步骤的流程，将粉末重新制成功能正常的动物蛋白质——微管蛋白。

生物物理学教授杰克·图辛斯基（Jack Tuszynski）往返任职于都灵理工大学和阿尔伯塔大学。他打算利用这些牛微管蛋白，研究一种有关人类意识本质的理论。意识就是那种“存在着”的主观体验，它将刺激和能量转化为完整的多维体验。问题在于：像大脑这样“乱糟糟”的肉质组织，能否与量子能量的能量结构，也就是时空几何中的基本涟漪发生作用？我们的意识是否可能与整个宇宙形成纠缠？

当然，图辛斯基本人不会这样描述自己的研究。如此充满幻想色彩的说法，对科学家来说几乎是致命的。他只是想看看，能否动摇一种流行偏见：人脑与量子活动从根本上互不相容。

近60年来，大多数物理学家一直坚称，量子活动只能发生在太空那样寒冷、纯净的环境中，而不可能出现在湿润、温暖、柔软的脑组织内，更不可能出现在其中的神经元里。然而在同一时期，微管逐渐展现出越来越惊人的能力。微管正是由微管蛋白组成的，就像图辛斯基载玻片上的牛脑样本一样。

微管由被称为二聚体的微管蛋白对连接而成，形成圆筒状结构。它们构成了所有真核细胞中特有的结构，并不只存在于脑细胞内。科学家越深入研究微管，就越能发现它们承担的功能：它们参与细胞分裂；充当运动蛋白运行的“道路”，让后者把神经递质、蛋白质和遗传信息从细胞的一处运往另一处；它们还能产生、传导和放大电信号，这意味着它们会与电磁场相互作用。

但在研究微管的量子潜能时，图辛斯基关注的并不只有它们的电磁特性。他也对微管的形状很感兴趣，因为它们看起来很像人工设计的光能采集结构。微管蛋白甚至含有一种名为色氨酸的氨基酸，能够吸收并重新发射光。如果他用被称为光子的光能量子照射微管蛋白，而光能没有立即消失，就可能意味着其中存在量子活动。因此，图辛斯基计划用人眼不可见、但实验室光谱仪可以检测到的紫外线，将光子射向微管蛋白链。

在非量子过程中，光最多只能持续几皮秒，大约相当于千分之一纳秒，而一纳秒是十亿分之一秒。但如果一个电子吸收了光子，它就会跃迁到更高的能量状态。然而，量子力学不允许两个电子占据相同的量子态。如果没有可供跃迁的更高能态，电子就无法吸收光子，于是光不会被迅速吸收，而会继续传播。

图辛斯基的团队进行了22项不同的实验，结果令人震惊：光持续了5纳秒，比预期长数千倍；不仅如此，它还在超过6纳米的范围内激发了电子。这些对象几乎不可见，活动发生的时间尺度也小得难以想象。

研究结果于2023年1月发表在美国化学学会旗下的一本期刊上。它并没有证明我们的意识能够连接宇宙中庞大而相互关联的物质与能量网络，却使一种可能性突然变得无法回避：量子态或许真的能够存在于大脑中。

没有人知道意识究竟是什么。我们过去不知道，将来也可能永远不会知道。但关于意识，我们确实知道两件事。第一，我们知道拥有意识是什么感觉。我们会做梦，会产生感受，会经历有时合理、有时莫名其妙的体验。在这些体验中，我们既是观察者，也是参与者，还是一段旅程中的乘客——这段旅程并非由我们设计，我们却被固定在座位上，无法离开。第二，麻醉似乎能够关闭或改变意识。

康涅狄格州牙医霍勒斯·威尔斯（Horace Wells）是推动全身麻醉应用于外科手术的先驱之一。1844年，在观看了一场氧化亚氮演示后，威尔斯让一名同事为自己施用这种气体，并在毫无痛感的情况下拔掉了一颗牙。此后，人们发明了多种麻醉剂，但它们的作用机制至今仍像一个黑箱。我们确实知道，当动物或植物被施用麻醉剂后，它们会失去反应。人看起来像是进入了深度睡眠，对手术操作没有反应；植物会低垂下来，不再响应光线或其他刺激。一株被麻醉的捕蝇草，甚至不会对落在上面的苍蝇作出反应。

但如果麻醉剂能够让人和植物都不再响应刺激，这是否意味着二者中的一个——或者二者——原本都拥有意识？

20世纪60年代末，南非遗传学家和医学科学家安东尼·克利福德·艾利森（Anthony Clifford Allison）发现，所有能够被麻醉“关闭”的对象都含有微管。从海胆卵的卵裂到游动胚胎的纤毛摆动，这些过程都能被麻醉终止，而参与这些过程的所有细胞都含有微管。艾利森提出，由于微管数量庞大，又能产生和放大电信号，它们可能正是我们能够响应神经系统冲动的原因，而这种响应只有在清醒状态下才能发生。他关注的“意识”更接近清醒与睡眠之别，而不是一个具有自我觉知的存在者在宇宙中拥有的意识。

就在艾利森发表相关研究前后，斯图尔特·哈梅罗夫（Stuart Hameroff）还是费城哈内曼医学院——如今已并入德雷塞尔大学——的一名医学生，正在寻找从医学实践角度研究意识的方法。医学院三年级时，他在一家癌症实验室参加研究选修课，第一次观察到微管。他后来写道，这些观察让他相信，微管是所有细胞的神经系统，其中也包括神经细胞。

医学院毕业时，哈梅罗夫正在考虑是否研究神经科学。就在这时，他遇到了亚利桑那大学新设麻醉科的主任伯内尔·布朗（Burnell Brown）。布朗告诉他，如果真想投身意识研究，就应该先弄清麻醉如何发挥作用。随后，布朗把艾利森的论文交给了哈梅罗夫。论文显示，麻醉会使一只微小海胆体内的微管解聚。“结果发现，那种剂量是让人失去意识所需剂量的5倍。”哈梅罗夫回忆道。

哈梅罗夫在1987年出版的《终极计算：生物分子意识与纳米技术》（Ultimate Computing: Biomolecular Consciousness and NanoTechnology）中写道：“这意味着，认知的基础层次存在于神经细胞内部，细胞骨架纤维才是意识的根源。”当时，他已经是亚利桑那大学的执业麻醉科医生，同时也开始涉足后来逐渐发展为人工智能的研究领域。

《终极计算》从生物化学、认知科学和计算机科学等多个学科出发，探讨了脑机接口的构想。这本书出版前后，哈梅罗夫经常参加有关创造机器意识所需条件的讨论。

“他们说：‘等计算机每秒能够完成1016次运算时，它们就能达到与大脑相当的水平，完成人脑能做的一切，包括产生意识。’”哈梅罗夫回忆，“而我总要出来扫兴，说：‘不，不，不。每个神经元里大约有10亿个微管蛋白，它们以某种我们还不知道的速度切换——姑且算作10兆赫。那么，每个神经元每秒就能完成1016次运算。你还要把它乘以1011个神经元，得到每秒1027次运算。所以你们距离目标还远得很，根本连边都没摸到。’”

（这听上去很复杂，但如今的百亿亿次级超级计算机确实可以达到每秒1018次运算，已经远远超过1016，却仍远未达到1027。人工智能的表现有时近乎诡异，但大多数专家应该都会同意，它目前还没有意识。）

“后来有一天，真正的转折点出现了，”哈梅罗夫回忆，“有人走过来对我说：‘好吧，自作聪明的先生。就算你说得对，是1027，这又怎么解释意识？比如爱和快乐？’”哈梅罗夫沮丧地承认，他不知道答案。随后有人向他推荐了诺贝尔奖得主、物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）的《皇帝新脑》（The Emperor’s New Mind）。他读完了这本书，虽然大概只理解了1%，但还是掌握了其中的基本思想。

彭罗斯和哈梅罗夫一样认为，意识远比大脑像计算机那样处理信息更加复杂——在计算机模型中，刺激作为输入，思想和行动作为输出；而在彭罗斯看来，意识必定把人体内部的过程与身体之外的某种东西连接起来。那种东西就是量子宇宙。

彭罗斯进一步主张，意识并不是一个连续展开的过程。相反，每一个意识觉知的瞬间，都是由一系列可能性构成的量子波突然坍缩为单一结果时产生的，而这一过程很可能由量子引力驱动。由于这种现象不断发生，我们才会把意识体验为一种连续状态。彭罗斯不知道的是，那团珍贵的、重约3磅的人体组织——大脑——究竟如何使波函数发生坍缩。哈梅罗夫认为自己知道答案，于是写信给彭罗斯，向他介绍了微管。

此后几年，两人定期见面，把彭罗斯对宇宙的认识与哈梅罗夫对微管的了解结合起来，最终提出了“协调客观还原理论”（Orchestrated Objective Reduction，Orch OR）。该理论认为，意识是一种穿过微管的量子波。与所有量子波一样，它具有叠加——同时存在于多个位置——和纠缠——两个相距遥远的粒子仍可能彼此关联——等特性。这些特性让人类心智能够以量子能量场中的一件“仪器”来体验意识。

他们于1995年发表的第一篇论文遭到了广泛批评。多年来，这套理论一直充满争议，被视为边缘学说。对彭罗斯来说，它被看作一位杰出物理学家古怪的业余探索；哈梅罗夫却被视为一个把彭罗斯引入歧途的江湖骗子。作为理论家，彭罗斯可以提出论证，但要证明大脑具有量子性质，还需要一名实验科学家——比如一个能够订购一瓶牛微管蛋白，将其重新制备，再用紫外线照射的人。

早在1991年，波兰裔加拿大物理学家杰克·图辛斯基就已经被一项有关能量如何在细胞内传递的新研究深深吸引。但由于科研经费的运作方式，他认为不可能有人愿意资助自己研究细胞能量传递，因为这个课题远远超出了他的专业领域。

后来，他在亚利桑那大学举办的一场北约高级研究研讨会上遇到了哈梅罗夫，两人都是会议报告人。第一场会议题为“生命是什么，它将去向何方？”，也是整场会议最受欢迎的环节。哈梅罗夫在那里送给图辛斯基一本《终极计算》，图辛斯基彻夜未眠地读完了它。这发生在哈梅罗夫认识彭罗斯之前。即便在当时，图辛斯基也已经看出，哈梅罗夫的理论需要物理学家的参与。这将成为图辛斯基进入生物学世界的入口，也是他踏上所谓“微管蛋白星球”之旅的起点。

到1993年，哈梅罗夫与彭罗斯已经开始合作，图辛斯基也发表了自己的第一篇微管论文。此后，他又发表了700多篇相关文章，可能成为这一领域论文产出最多的实验室研究者，并最终证明微管内的光子可以产生量子态，为验证协调客观还原理论迈出了一步。

不过，研究微管的人本来就不多，研究量子意识语境下微管的人更少——大概只有二十来人。他们基本都彼此认识，而且多数时候相处融洽，只是偶尔会翻翻白眼，或者说几句挖苦的话。他们是严谨的科学家。当别人使用不准确的语言，或把他们的研究描绘得过于浪漫时，他们可能会变得相当不耐烦。不过，其中有些人并不介意同时扮演哲学家与科学家的角色，阿尼尔班·班迪奥帕迪亚伊（Anirban Bandyopadhyay）便是如此。

所有物质都以某种频率振动，大脑中的蛋白质也不例外。当一个特定频率的信号抵达以相同频率振动的物体时，二者会发生共振，也就是振动被放大。以西藏颂钵为例，当你用木槌沿钵的内壁一圈圈摩擦时，摩擦频率会在某个时刻接近金属本身的振动频率，声音也会随之变得越来越响。

我们的身体不断受到一波又一波能量的作用，其中包括穿过身体和环绕身体传播的量子能量。当这些能量波的频率与脑内蛋白质的频率一致时，微管蛋白和微管也会产生共振。班迪奥帕迪亚伊认为，正是通过这种方式，我们成为一个意识单元。

班迪奥帕迪亚伊是日本筑波市国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science，NIMS）的高级研究员。他拥有物理学硕士学位，并于2005年获得超分子电子学博士学位。尽管他的科学资历毋庸置疑，其观点却并不符合主流。最近，他提出，构成人体和大脑大部分物质的水创造了生命，因为水“想要拥有意识”。不过，他最广为人知的成就或许是建造了一颗人工大脑。它展现出的电磁频率相互作用，远比科学家此前认为可能出现的情况更加复杂，而微管正是这套设计不可或缺的组成部分。

传统上，研究人员主要利用脑电图（EEG）追踪脑活动。脑电图通常只测量约1至40赫兹的频率，时间尺度也仅限于毫秒至秒。NIMS团队认为，这套框架的范围过于狭窄，无法准确测量脑活动，于是自行制造了一种设备：十二道图仪（Dodecanogram，DDG）。人类受试者把它戴在头上，就像戴上一顶布满脑探头的帽子。这种设备以两种模式运行。在第一种模式下，它检测从1毫赫兹（0.001赫兹）到6太赫兹（6万亿赫兹）的广泛频率，根据共振生成脑扫描图。在第二种模式下，它利用皮秒脉冲捕捉潜在的信号突增，测量其持续时间、强度和相位变化，从而揭示脑活动模式。两种模式同时运行。为了尽量减少环境干扰，NIMS团队在8名人类受试者的脑部使用了彼此互联的DDG设备。

DDG检测到的不是一小段狭窄频带，而是从赫兹一直延伸至太赫兹的频率。太赫兹信号可以记录分子的振动能级等现象，也能让晶体中的原子以其共振频率振动。团队发现，蛋白质会在太赫兹频段附近传输信号。

随后，研究人员结合受试者佩戴DDG时采集的信号以及其他大学提供的脑扫描数据，建立了人工大脑模型。他们发现，大脑中有12种组成部分呈现出具有统计学意义的共振模式，其中包括微管、神经元、轴突和大脑半球。在计算机上，这些共振模式看起来有些像把颜料泼向画布后形成的不同图案。大脑的每种组成部分都会以特定方式分割电磁场：在一些频率下，磁场占主导；在另一些共振频率下，电场占主导。这让研究人员认为，大脑各组成部分的振动频率中隐藏着一个统一的几何模式，其中包含对大脑信息处理十分重要的信息。

在所有研究对象中，微管的复杂程度遥遥领先。研究人员认为，这是由微管蛋白的晶格结构以及完整组装后的微管本身造成的。科学家表示，微管的晶格结构能够响应共振而改变构型，并在宽广的频率范围内调制这些共振。

研究人员还发现，共振会发生在许多不同的时间尺度上。可以这样理解：荡秋千时，你必须以恰到好处的节奏摆动双腿，才能让秋千荡起来。蹬得太快或太慢，秋千都无法顺利摆动。当你以正确的速度、力度和运动轨迹摆动时，秋千就会越荡越高。此时，你和秋千正在共振，而你正在放大信号。对于以较高振动频率共振的秋千来说，一个周期指的是从秋千架后方的最高点运动到前方最高点，再返回后方最高点的全过程。这个过程需要一定时间，比如5秒。在较低的振动下，周期则会更短。

团队发现，微管在一组共振条件下呈现出3个周期，在另一组共振条件下呈现出另外3个周期，而第二组的每个三周期内部还包含3个更短的周期。也就是说，这是由3组三周期构成的结构，总共包含9个周期。从根本上说，我们并不是在同一个速度下，按照线性时间处理大脑遇到的全部能量；大脑内部正在奏响一整部交响乐。一部量子交响乐。

班迪奥帕迪亚伊与哈梅罗夫共同发表的一项研究提出，生命可能需要这些微管时间晶体才能产生意识。他们认为，这种“三组三周期”系统或许是所有生命系统、量子生物学乃至意识科学的一项基本属性。

这也成为他们建造人工大脑时采用的模型。班迪奥帕迪亚伊的团队连续一年多全天候使用DDG监测人工有机大脑复制品，同时也对多名人类受试者冥想前后的状态进行了测量。他们得出的结论是，大多数认知、知觉和情绪活动的突发信号都发生在约200至700纳秒的尺度上。研究团队利用这些数据，在人工大脑中重建了自然大脑的所有组成部分。

“制造人工大脑的目的，是复制这种三组三周期结构，或者说复制一套复杂的振动系统。这些振动从分子尺度一路延伸至最大的尺度……通过与人类进行比较，我们就能确定偏差出现的位置。”班迪奥帕迪亚伊说，“因为意识应该是某种超越硬件的东西。”

对班迪奥帕迪亚伊而言，微管是普遍意识的一部分，而人类则是这一普遍意识的参与者。在这种世界观中，我们体内的微管可能与整个宇宙发生作用，这也意味着宇宙本身拥有意识。

距离证明这一点，我们还有很长的路要走。甚至距离证伪它，也同样遥远。但毫无疑问，图辛斯基、哈梅罗夫、彭罗斯和班迪奥帕迪亚伊等科学家之所以投入这些研究，是因为他们怀疑：意识的本质远比计算机式的数据输入与输出更加宏大、神秘，也更可能令人震撼。

过去30年来，他们坚持不懈地研究牛脑粉末、人脑和人工机器大脑，让我们距离那个足以颠覆认知的答案，又近了一步。

作者：Susan Lahey

译者：EY

https://www.popularmechanics.com/science/a73347570/quantum-consciousness-microtubules/