美國亞利桑那州大學意識研究中心主任斯圖亞特·哈默羅夫是一位不茍言笑的人物，今年76歲。20多年來，他每年都要主持一個關于意識研究的國際會議。與會者既有心理學家、神經學家、物理學和哲學家，也有搖滾樂手、瑜伽修煉者和業余科學愛好者。整個會議也很不正規，看起來不像科學會議，倒像狂歡節。

　　不茍言笑的哈默羅夫之所以能吸引這么多三教九流的人物，是因為1994年，他提出了一個關于意識起源的石破天驚的猜想。

　　神經元的電活動不足以解釋意識

　　了解意識的起源，一直是認知科學的頭等課題。與認知有關的一些問題相對容易解決。大腦中大多數信息的處理，如駕駛汽車，僅僅是計算，而對于這一點，神經元放電就足夠了，這也是機器人容易模仿的。難的是意識本身。譬如，我們不僅在吃蘋果時能享受到樂趣，即使沒蘋果吃，只是想象吃蘋果，也能給我們帶來樂趣，而且兩者似乎共用同樣的大腦回路。再比如說，在物理世界，可見光只有不同波長的區別，但經過我們意識的解讀，不同的波長卻成了不同的顏色。這些意識(或者說主觀體驗)是如何產生的，目前科學還無法解釋。

　　當然，神經科學上正統的觀點認為，意識是由神經元的電活動產生的，只是具體機制迄今未明而已。但哈默羅夫反駁道：沒錯，意識的產生總伴隨著神經元的電活動，但神經元的電活動并不一定導致意識。

　　作為一名曾經的麻醉師，他舉了一個例子。在麻醉狀態下給病人做手術，病人大腦中的神經元仍在噼啪放電，跟正常的大腦并無不同，甚至疼痛信號也正常地在大腦回路上傳播，但疼痛永遠不會被病人感覺到、體驗到。換句話說，麻醉狀態下的病人沒有疼痛的意識。既允許神經元正常活動，又有選擇地消除了主觀體驗，麻醉是如何做到這一點的，目前還沒人知道。

　　微管和量子效應

　　隨后，哈默羅夫提出一個離經叛道的想法：意識起源于神經元中一種叫“微管”的結構的量子行為。換句話說，意識是一種量子效應。

　　為了理解這個觀點，下面我們先談談什么是“微管”，“量子效應”指的又是什么。

　　微管是1960年代偶然被發現的。它們被證明是自然界中用途最廣泛的生物結構之一。微管是由微管蛋白組裝而成的一條長鏈。這些直徑約25納米的管子(只有人體最小的細胞血小板直徑的幾千分之一)在植物和動物的每個細胞中都有。

　　在活細胞中，微管作為骨架，支撐著細胞的結構;它們還作為傳送帶，將化學成分從一個細胞傳送到另一個細胞。在細胞分裂過程中，微管將染色體從細胞的一端牽引到另一端，然后將染色體置于新的子細胞中。微管甚至在細胞外部發揮作用，形成纖毛和鞭毛，使細胞能夠運動。

　　那么，這里的“量子效應”指的又是什么呢?因為從某種意義上來說，所有的生命活動都可以說是量子效應(因為所有生物體都是由分子、原子組成的，而微觀粒子的運動都要服從量子規律)。當然，這里的“量子效應”不能做這樣的理解，這里指的是那些似乎違背我們直覺的量子現象，如疊加態、相干和退相干性、量子隧道效應和量子糾纏，等等。下面我們分別做個簡單介紹。

　　疊加是量子世界的一個屬性。在量子物理學上，一個系統(如一個原子或一個光子)是由一個包含所有信息的疊加態來描述的。它允許系統以兩個或多個確定的量子態疊加的形式存在。比如，電子按自旋只有“自旋朝上”和“自旋朝下”兩種確定的量子態。所以，任何一個電子，在不做測量的時候，通常都是兩種自旋量子態的疊加;直到你對它進行測量，它才“坍縮”成一個確定的量子態——要么自旋朝上，要么自旋朝下——而在測量之前，我們只能說它處于模棱兩可的疊加態：既有一定的概率自旋朝上，也有一定的概率自旋朝下。這種現象在薛定諤貓的思想實驗中得到很好地體現：盒子里的貓，在我們打開盒子觀察之前，它處于生和死的疊加態中，有一定的概率死也有一定的概率活，直到我們打開盒子觀察，它的疊加態坍縮，才呈現給我們一個確定的死或活的狀態。

　　量子糾纏也是一種奇特的量子現象，它描述兩個或多個粒子之間存在著一種超越時空的聯系。當兩個量子粒子糾纏時，它們的狀態是相互依存的，即使兩者在空間上相隔非常遙遠，對其中一個進行操作，也會瞬間影響到另一個，仿佛它們之間的作用力傳播不需要時間。量子糾纏在量子密碼學、量子遠程傳輸等技術中發揮了核心作用。

　　疊加態和量子糾纏通常是不穩定的，很容易受到干擾而喪失。譬如，我們對疊加態進行測量(實質上相當于干擾)，它就瞬間坍縮。量子相干性就是指系統面對干擾保持糾纏或疊加的能力。而我們把系統受到干擾失去疊加或糾纏，稱為“退相干”。

　　量子隧道效應指的是，一個粒子運動中遇到一個高于它所具有的能量的勢壘(如原子核內束縛住質子和中子的核力勢壘)時，按照經典力學，粒子是不可能越過勢壘的;但按照量子力學，粒子依然有一定的概率出現在勢壘的另一邊，就好像粒子穿過一條隧道出現在另一頭一樣。量子隧穿效應是掃描隧道顯微鏡的基本工作原理。

　　意識可能起源于微管的量子行為

　　介紹完了微管和量子效應，你或許會好奇地問：哈默羅夫憑什么要認定細胞中微管這個不起眼的結構作為意識的“起源地”?又憑什么把意識跟量子效應掛上勾呢?

　　他的探索思路大致是這樣：首先，他注意到單細胞生物草履蟲。草履蟲游來游去，尋找食物和配偶，避免危險，而且似乎可以做出不同的選擇。這樣看來，可以肯定它們能處理信息。如果按意識的寬泛定義，可以說草履蟲具有某種初級的意識。但草履蟲沒有大腦，沒有神經元，這種意識來自身體的哪一部分呢?它們跟高級動物的神經元有什么共同之處呢?

　　哈默羅夫想來想去，想到了微管。沒錯，草履蟲盡管沒有神經元，但它們跟高級動物的神經元一樣，細胞內都有微管。所以，很自然地，微管就被哈默羅夫選作了任何生物的意識“起源地”。

　　由于微管是納米級的結構，那里發生的任何事情勢必都要服從量子物理學的規律，所以哈默羅夫又自然地猜測，在意識的起源上，量子效應可能發揮了作用。

　　但在整個1980年代，他的觀點并沒有得到學術界的重視。然后，在1990年的一個晚上，他坐下來閱讀英國大物理學家羅杰·彭羅斯的《皇帝的新腦》一書，這是一本科普暢銷書，貫穿了物理學、宇宙學、數學和哲學等眾多領域，最后以談意識結束。在該書最后，彭羅斯想知道放電的神經元如何產生意識。他認為，要理解意識，可能需要借助量子物理學。

　　哈默羅夫讀到這里大吃一驚，他感到彭羅斯的觀點與自己的不謀而合。他立即與彭羅斯取得聯系。此后幾年，他們就一起合作，把哈默羅夫的猜測發展成一個量子意識理論。

　　總而言之，量子意識理論提出，意識源于神經元內部的微管及其量子效應，而不是神經元之間的連接。至于這個量子效應具體是什么，哈默羅夫和彭羅斯甚至大膽猜測，是量子疊加態的坍縮。他們說，微管是由微管蛋白質組成，這些蛋白質可以在兩種磷酸化狀態之間切換。假設它們可以以疊加態存在，那么每個微管蛋白分子都可以充當一個量子比特，而意識就是這些微管蛋白疊加態坍縮的結果。由于疊加態坍縮是不可預測的，所以大腦中的量子效應可能是我們自由意志(在科學上，意識、自由意志、靈魂這幾個詞基本上可以通用)的根源。

　　當然，這一切依然還很玄，還留下很多沒有解答的疑點。再說，意識的起源固然是個謎，但懂點科學的人都知道，量子物理學本身也是個謎，而現在他們援引一個謎來解決另一個謎，未免有些牽強。但鑒于人們長期以來在意識起源的問題上幾乎一籌莫展，現在總算有人拋磚引玉地提出一個科學的解釋，也實屬難得。

　　量子效應在生物體內廣泛存在

　　如果僅僅是哈默羅夫自己堅持這個觀點，在學術界根本掀不起波瀾，因為他那時只是一個沒有名氣的麻醉師。但得到大名鼎鼎的彭羅斯支持之后，人們就不得不刮目相看了。

　　當然，仍有許多人認為他們純屬無稽之談。批評者說，量子效應在實驗室是以極難維持出了名的，需要超低溫和絕對安靜來防止最輕微的干擾;而在生物體內，溫度和濕度都太高，干擾因素太多，根本沒條件讓像疊加態這樣的量子效應持續存在。

　　然而，這種反對意見在某種程度上已被一系列新的研究所反駁。研究人員近年來發現，量子效應可能更普遍地牽涉到生物體的各種功能，比如鳥類導航、光合作用、嗅覺的形成等。

　　鳥類的導航利用了鳥類視網膜中一種叫“隱花色素”的蛋白質分子疊加態在地磁場作用下的退相干。這種量子效應使得鳥類眼睛對地磁場的變化非常敏感。

　　在光合作用中，當一個光子擊中葉綠素中的一個電子時，該電子將其傳遞給另一個被稱為“反應中心”的分子;該反應中心將光能轉化為化學能，為植物提供能量。這個過程太高效了，很少有能量損失，科學家一直懷疑背后可能涉及量子物理學。譬如電子可以利用疊加態，即一個電子同時出現在兩個地方，來測試通往反應中心的幾條路徑，并采取最有效的一條路徑。

　　關于嗅覺的最新研究表明，嗅覺的形成可能利用了量子隧道效應。過去人們認為，當氣味分子的形狀剛好跟嗅覺受體相合(就像鑰匙剛好跟鎖孔吻合)時，嗅神經上就會產生電脈沖，從而形成嗅覺。但研究人員注意到，當他們在氣味分子中用更重的同位素替換時，盡管氣味分子的形狀不變，嗅覺卻不會產生。所以，他們提出一種新觀點，認為嗅覺的形成不依賴于分子的形狀，而是利用了分子的振動，即特定頻率的振動(振動頻率與分子質量有關)可以被特定的嗅覺受體識別，而其背后的機制是量子隧道效應。也許更令人驚訝的是，不同的同位素已被證明對大鼠的母性行為有不同的影響。

　　雖然這些新發現還不足以證實量子意識理論，但都表明，哈默羅夫和彭羅斯的主張并不像有人說的那么荒謬。

　　不同尋常的微管

　　哈默羅夫的猜想還將微管研究推向了一個新的水平。科學家發現，微管這種東西確實不同尋常。

　　傳統的觀點是，當神經元放電的時候，一個電信號會沿著軸突傳播，然后導致下一個神經元放電。

　　每個軸突內部都有一束微管。現在科學家發現，在電信號沿著軸突傳播時，軸突內的微管也會產生共振，而且共振傳播的速度比電信號的速度快幾千倍。所以，我們的思維活動或許不僅僅與神經元的電活動有關，很有可能也與微管的共振有關。神經科學家需要更深入地研究微管。

　　一條微管是由許多微管蛋白串聯而成的，每個微管蛋白都有電阻。如果以經典的方式運作，整條微管的電阻應該與微管蛋白的數量成正比。在直流電的情況下，的確如此。但是科學家發現，當施加特定頻率的交流電時，微管的電阻會一下子躍升10億倍。微管的作用類似于一個半導體。

　　另一項研究結果更富有戲劇性。科學家發現，微管可能是所謂的“記憶體”。記憶體的電阻，不是恒定的，而是動態的，由流經它們的電流歷史所決定，它們能記住以前通過它們的電流，即使關閉后也能保留信息。

　　在電腦的晶體管中，電流的任何中斷都會導致數據丟失，因為晶體管沒有記憶的功能。然而，如果用記憶體代替晶體管，儲存信息的硬盤就不再需要了。更誘人的是，記憶體芯片所需要的能量可能只是標準芯片的百分之一。標準芯片僅限于0和1的二進制代碼，而記憶體則以分數的信息單位處理——這一發展被認為是建造像人腦一樣行為的計算機的關鍵。

　　麻醉狀態下的微管確實表現不一樣

　　既然量子意識理論提出，微管是意識的產生之地，而眾所周知，在麻醉狀態下，意識被關閉了，那么另一個很自然的猜測是：麻醉藥也許能直接作用于微管。最新的兩項研究表明，情況確乎如此。

　　2022年，加拿大阿爾伯塔大學的一個研究小組用藍光分別照射微管和微管蛋白。在幾分鐘內，他們觀察到光都被微管和微管蛋白所捕獲，然后在一個被稱為“延遲發光”的過程中重新發射出來。微管蛋白只需要數百毫秒就能發射光，而微管則需要一秒多的時間才能發射出光——這與人類大腦處理信息所需的時間相當。這意味著不管是什么原因導致了延遲發光，都可以被用來解釋大腦的基本工作原理。

　　研究小組隨后在用麻醉藥和抗驚厥藥物的情況下重復了這個實驗。他們發現，用抗驚厥藥物，對微管和微管蛋白的延遲發光毫無影響，而用了麻醉藥，延遲發光所需的時間減少了大約五分之一。科學家懷疑，這可能是關閉大腦中的意識所致。

　　在第二項研究中，美國普林斯頓大學的一個研究小組使用激光激發了微管中的一個微管蛋白。他們發現，激發態通過微管擴散的距離遠遠超過預期。當他們對微管用了麻醉劑之后，發現這種行為被抑制了。

　　這兩項研究表明，麻醉劑確實能與微管相互作用，并能改變微管的行為。這為量子意識理論提供了支持。不過，要證明微管、量子效應與意識起源的聯系，道路依然漫長。