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迷信与超级科学?施一公:生命科学认知的极限

  本文是原任清华大学副校长、清华大学生命科学学院院长、现任西湖大学校长的中国科学院院士施一公教授曾经在“未来论坛”年会上发表的题为《生命科学认知的极限》的演讲。施一公教授用让人最能理解的文字,讲述生命的形成,本质,极限以及人类对生命各种奥秘的探索和不懈追求,看后令人耳目一新,是一篇科普好文。

  与以往不同的是,施一公此番并未局限于生命医学,他从人类生命饱受心血管疾病、癌症和神经退行性疾病的三大挑战开始,讲述了人类如何通过科学来接受生命挑战。但最终,人对生命认知的极限问题将他的科学思索,由生物医学带向量子力学,向我们展现了一个生物学家面对生命之谜的不懈追问。

  目前有些学科在神经和大脑上对意识进行了广泛而深入的研究,虽然对大脑的许多功能有了不少的了解,但是对于意识本身仍然是个迷,仍然无法解释“意识的难题” (the hard problem of consciousness)。

  科技发展到今天,我们看到的世界,仅仅是整个世界的5%。这和1000年前人类不知道有空气,不知道有电场、磁场,不认识元素,以为天圆地方相比,我们的未知世界还要多得多,多到难以想像。

  我刚才举了心血管疾病、癌症、老年痴呆症的例子,最后过渡到大脑。不要说我们对老年痴呆症的病因不清楚,对大脑这样一个神秘的器官我们也知之甚少,我们基本上可以说什么都不知道。尽管我们有很好的学习记忆的模型,我们可以模拟出学习记忆的过程,但究竟是不是这样?我们真的不知道。

  我甚至认为包括我们的电信号记录的神经冲动电位,只是一个表象,不一定是学习记忆的本质。为什么?因为我们确实是这样一个生物人,是一堆原子构成的人在理解生命。

  我们在用我们的五官,就是视觉、嗅觉、听觉、味觉、触觉理解这个世界。这个过程是不是客观的呢,肯定不是客观的。我们的五官感受世界以后,把信息全部集中到大脑,但是我们不知道大脑是如何工作的,所以在这方面也不能叫客观。

  我们人究竟是什么呢?仔细想一想,人是怎么样处理信息的呢?我们先来对信息也就是物质做一个定义。我们有三个层面的物质:第一个物质是宏观的,就是我们可以感知到的,直觉可以看到的东西,比如人是一个物质,房子也是一个物质,、故宫都是物质。第二个层面是微观的,包括眼睛看不到的东西也叫微观,我们可以借助仪器感知到、测量到,从直觉上认为它存在,比如说原子、分子、蛋白,比如说很远的一百亿光年以外的星球。第三个层面,就是超微观的物质。对这一类,我们只能理论推测,用实验验证,但是从来不知道它是什么,包括量子,包括光子。尽管知道粒子可以有自旋和能级、能量,但是我们真的很难通过直觉理解,这就是超微观世界。大发体育

  但尽管如此,我们还是要想一想,大发体育这个世界是超微观世界决定微观世界,微观世界决定宏观世界。我们人是什么?人就是宏观世界里的一个个体,所以我们的本质一定是由微观世界决定,再由超微观世界决定。我毫不怀疑我就是一个薛定谔方程、一个生命形式、一个能量形式,但不知道怎么解这个方程,不知道思维是怎么产生的,仅此而已。我相信,你也应该相信,我们每个人不仅是一堆原子,而是一堆粒子构成的。

  所以,我们真的就是一堆由粒子构成的原子,如此之简单。我们有多少原子?大约有6×10^27个原子,形成大约60种不同的元素,但真正的比较多的元素,不过区区11种。原子通过共价键形成分子,分子聚在一起形成分子聚集体,然后形成小的细胞器、细胞、组织、大发体育器官,最后形成一个整体。但是你会觉得,不管你怎么做研究,都无法解释人的意识,这超越了我们能说出和能感知的层面。我认为要解释意识,一定得超出前两个层次,到量子力学层面去考察。我自己认为是这样的。

  所以我想班门弄斧讲一讲量子纠缠。1935年,当爱因斯坦(Einstein)和波多尔斯基(Podolsky)以及罗森(Rosen)一起,写出了著名的EPR佯谬之后,提出了量子纠缠。实际上“量子纠缠”这个词并不是爱因斯坦提出来的,而是薛定谔提出来的,当时看来是很不可思议的。

  量子纠缠的意思是说,两个纠缠的量子不管相距多远,它们都不是独立事件。当你对一个量子进行测量的时候,另外一个相距很远的量子居然也可以被人知道它的状态,可以被关联地测量,很不可思议。但这样一个简单的现象既然存在于客观世界,我相信它会无处不在,包括存在于我们的人体里。是不是这样呢?当然是这样。量子纠缠怎么样影响我们的生命,其实我们不知道,为什么?因为这不是我们可以用直觉去感受的。

  加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)著名的理论和实验物理学家Matthew Fisher就笃信,人的意识、记忆和思维是量子纠缠的,要用量子理论来解释。那怎么证明呢?他说我一定要在实物上证明,要寻找量子纠缠的实体。很多科学家找了很长时间,发现神经细胞里面的微管可以形成量子纠缠,但是微管的时间尺度是10^(-20)秒到10^(-13)秒,远远小于人的记忆和意识的形成时间。但是他通过理论的实践,以模拟的方式找到了,他正在进行实验验证。

  比如把磷和钙放在一起,也就是磷酸钙,当磷酸钙以波斯纳分子集群(Posner molecule or cluster)形式存在的时候,它的量子纠缠时间可以长达105秒!能把这样一个极其脆弱的,对声、光、电、热都极其敏感的量子纠缠现象的持续时间提高15个数量级,那么如果再提高5个数量级,就可以达到年的水平,以年为单位来保存量子纠缠现象。那么依此类推,你们觉不觉得,有一天我们人类会发现量子纠缠也是一个可以进化的现象,它可以保存一百年、一千年、一万年。也就是说,量子纠缠,它在远古的时候就存在了,在进化过程中被保存了下来。

  我要问你们四个问题。第一个问题,你们相信有第六感官吗?很多人会说不相信。第二个问题,有没有可能,两个人会以未知的方式进行交流?你会说也许,不会像第一个问题那样肯定地说不信。第三个问题,量子纠缠是否存在于人类的认知世界里面?存在于大脑里?我相信听了我的讲座,你会觉得很有可能。第四个问题,量子纠缠是不是适用于地球上的物质呢?你一定会说一定适用,因为我们已经证明了。但其实简单讲,这四个问题是完全一样的问题,倒推回去就说明一定有第六感官,只是我们无法感受,所以叫“第六感官”。

  那么我们人究竟是什么?我们只不过是由一个细胞走过来的,就是受精卵,所有受精卵在35亿年以前,都来自于同一个细胞,同一团物质,一个处于复杂的量子纠缠的体系,就这么简单。

  其实我不知道这里面是什么,但是我相信它。我每呼吸一次会摄入10^22次方的氧原子进入我的身体,进入共价结构。这一口呼吸至少有10^4次方以上的氧原子,被处在世界上一个很遥远角落里的,我没有见过的人呼吸过至少一次,这在一个月内就会做到,人一辈子一直在这么做。而两个人在一个房间里的时候,一天可以有63克的氧气在彼此的肺当中交换。

  科学发展到今天,大发体育我们看世界完全像盲人摸象一样,我们看到的世界是有形的,我们自己认为它是客观的世界。其实我们已知的物质的质量在宇宙中只占4%,其余96%的物质的存在形式是我们根本不知道的,我们叫它暗物质和暗能量。

  那么盲人摸象般地认识世界是科学吗?一定是科学。每个人摸的都是真实存在,而且都是客观存在的,都是看得见摸得着的,我们现在也是如此。只是我们不知道摸的是象的后背,还是尾巴,还是耳朵。我认为人类的认知极限就在于,我们是一堆原子,我们处在宏观世界,但我们希望隔着两个世界去看超微观世界。那是一个最美好的、极其美妙的世界。谢谢大家!

  人类对未知世界的探索,从未停止!只是我们一直在用我们可以理解的手段去解释我们周围的世界,但是对于未知世界来讲,我们的认知未必是正确的。正如我们现在所能理解的全脑开发,包括期间所发生的很多奇妙的现象,用我们现在科学的认知是无法解释,但是它的的确确就发生在眼前。

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