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 [新智元編者注]：意識(shí)的本質(zhì)是量子糾纏嗎？近期，一篇有關(guān)量子腦理論的學(xué)術(shù)論文受到了廣泛關(guān)注。作者Matthew Fisher是 IBM T. J. Watson 研究中心史上第一位訪問(wèn)學(xué)者，隨后在加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)系及Kavli理論物理學(xué)研究所工作。2007年，他暫時(shí)離開UCSB物理學(xué)系，以研究物理學(xué)家的身份加入了微軟Station Q實(shí)驗(yàn)室。在2009到2010學(xué)年，Fisher在Caltech擔(dān)任教職，并于2011年夏天回到UCSB物理學(xué)系。今年 Matthew Fisher 獲得美國(guó)物理協(xié)會(huì)的奧利弗·巴克利獎(jiǎng)，這是物理學(xué)的頂級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，這也讓他獲得諾貝爾獎(jiǎng)的呼聲非常大。他在2003年當(dāng)選美國(guó)文理科學(xué)院院士，于2012年當(dāng)選美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。

任全勝      北京大學(xué)信息學(xué)院電子學(xué)系 副教授

Fisher在量子腦理論的論文中給出了多種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案。考慮到相關(guān)實(shí)驗(yàn)的可行性，學(xué)術(shù)界或許在今年就能給出部分結(jié)論，我們不妨拭目以待。如果意識(shí)的本質(zhì)真的是量子糾纏，Fisher的這一工作無(wú)疑是諾獎(jiǎng)級(jí)猜想。為此，新智元邀請(qǐng)靜沙龍群友任全勝老師對(duì)量子腦理論等相關(guān)問(wèn)題做了進(jìn)一步解讀。

意識(shí)的本質(zhì)是量子糾纏嗎？

——暨量子、生命、AI與科學(xué)的極限

一，緣起

       2016年1月17日，清華大學(xué)副校長(zhǎng)施一公院士在“未來(lái)論壇”年會(huì)上做了一場(chǎng)大膽新穎的演講，其中涉及了有關(guān)生命本質(zhì)的思考、神經(jīng)活動(dòng)中的量子機(jī)制、量子相干保持時(shí)間的技術(shù)進(jìn)化、第六感官、人類的認(rèn)知極限、宏觀——微觀——超微觀世界的關(guān)系等跨界和前衛(wèi)的科學(xué)問(wèn)題，給國(guó)內(nèi)略顯沉寂的科學(xué)氛圍帶來(lái)了陣陣漣漪。這個(gè)演講在贏得喝彩的同時(shí)，也招致了一些非議，一些學(xué)者分別從缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、有失嚴(yán)謹(jǐn)、接近偽科學(xué)、簡(jiǎn)單還原論、外行跨界等角度提出了自己的看法。

       “這是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)‘量子糾纏’教嗎？”的質(zhì)疑言猶在耳，中科大常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉院士就于2月3日在一篇報(bào)道中就量子糾纏、人類和人工智能(Artificial Intelligence, 簡(jiǎn)稱AI)三者的關(guān)系亮明了自己的觀點(diǎn)：“人類大腦里面的思維機(jī)制和量子糾纏、量子疊加是緊密聯(lián)系在一起的。量子測(cè)不準(zhǔn)原理告訴我們，你是不可測(cè)的，‘不可測(cè)’就保證了人類和機(jī)器人的本質(zhì)區(qū)別，人類有自由的意志和自由的思想。從這個(gè)角度上來(lái)講，沒有到量子用上去之前，即不到量子人工智能的時(shí)代，我是一點(diǎn)兒不擔(dān)心人工智能會(huì)取代人類。”潘校長(zhǎng)的觀點(diǎn)則在人工智能界引起了關(guān)注和討論。

       實(shí)際上，施校長(zhǎng)和潘校長(zhǎng)上述觀點(diǎn)的核心，都聚焦在量子與生命的關(guān)系，及其對(duì)生命科學(xué)、量子信息、人工智能等領(lǐng)域的前瞻性啟示意義。他們作為中國(guó)一流大學(xué)的副校長(zhǎng)與中國(guó)科學(xué)院院士，理應(yīng)對(duì)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)提出自己戰(zhàn)略性的預(yù)見。“量子與生命的關(guān)系”這一科學(xué)命題本身也非異端邪說(shuō)，對(duì)應(yīng)于量子生物學(xué)這一新興交叉學(xué)科。筆者應(yīng)新智元之約，嘗試結(jié)合前期的一些調(diào)研和思考，對(duì)上述量子與生命的相關(guān)爭(zhēng)議做進(jìn)一步解讀。

       1978年的真理標(biāo)準(zhǔn)大討論打破了“兩個(gè)凡是”的思想教條，在當(dāng)時(shí)僵化的意識(shí)形態(tài)壁壘上撕開了一道口子，為“改革開放”開辟了空間。科學(xué)相比于政治，更是不唯上、不唯書，只唯實(shí)的，歷史上的科學(xué)革命，也都是以個(gè)別“違教條、反常識(shí)”的學(xué)說(shuō)或?qū)嶒?yàn)為先導(dǎo)，在沉悶的科學(xué)意識(shí)形態(tài)壁壘上撕開一道口子，為新科學(xué)的誕生開辟空間。圍繞重大而根本的科學(xué)問(wèn)題，開展一次百家爭(zhēng)鳴的學(xué)術(shù)討論，會(huì)促進(jìn)中國(guó)科技事業(yè)的發(fā)展、融入科學(xué)革命的進(jìn)程。但筆者尚非“學(xué)家”，且于不同學(xué)科班門弄斧，錯(cuò)漏淺薄難免，不值方家一笑，聊以拋磚引玉。

二，從量子腦理論到量子生物學(xué)

       讓“上帝的歸上帝，愷撒的歸愷撒”，我們這里應(yīng)當(dāng)回歸“量子與生命”的科學(xué)問(wèn)題本身。神經(jīng)活動(dòng)背后的量子機(jī)制，或曰量子腦理論，圍繞這個(gè)問(wèn)題的研究和爭(zhēng)論由來(lái)已久。

       廣義相對(duì)論領(lǐng)域與霍金齊名的羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)于1989年在其《皇帝的新腦》一書中即提出，已知的物理學(xué)定律不足以解釋意識(shí)現(xiàn)象，而他認(rèn)為未來(lái)正確的量子引力新物理學(xué)應(yīng)當(dāng)在經(jīng)典與量子力學(xué)之間架起一座橋。他認(rèn)為大腦可能利用了量子測(cè)量時(shí)波函數(shù)塌縮的特性，而目前單純由算法驅(qū)動(dòng)的電腦不足以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)人工智能。而今年1月24日剛剛?cè)ナ赖?ldquo;人工智能之父”馬文·明斯基(Marvin Minsky)早在1991年即針對(duì)彭羅斯的觀點(diǎn)亮明了自己的態(tài)度，他相信人類本質(zhì)上是機(jī)器，盡管在功能上很復(fù)雜，卻完全能夠被當(dāng)代的物理學(xué)所解釋。——都是開山鼻祖式的人物，“布里頓的驢子”會(huì)聽誰(shuí)的？

       隨后，彭羅斯與斯圖亞特·哈梅羅夫(Stuart Hameroff)合作，提出了他們的神經(jīng)微管量子引力效應(yīng)理論。后來(lái)針對(duì)這個(gè)學(xué)說(shuō)，學(xué)術(shù)界也展開了持久的爭(zhēng)論，而爭(zhēng)論的焦點(diǎn)則集中在微管量子相干的保持時(shí)間上。正如施一公在演講中提到的，“微管可以形成量子糾纏，但是微管的時(shí)間尺度是10^(-20)秒到10^(-13)秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人的記憶和意識(shí)的形成時(shí)間。”——量子相干保持時(shí)間或量子退相干問(wèn)題是整個(gè)“量子與生命”問(wèn)題中最緊要的關(guān)鍵點(diǎn)，而這涉及到施一公所談的宏觀——微觀——超微觀世界的分野。

       從本質(zhì)上看，一只螞蟻或一個(gè)小球都是由巨量的微觀粒子構(gòu)成的。為何人類不嘗試用量子力學(xué)來(lái)描述這些宏觀物體呢？是因?yàn)檫@些巨量微觀粒子間的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致波函數(shù)之間難以“步調(diào)一致”，兩個(gè)粒子之間即使能夠產(chǎn)生糾纏態(tài)，也會(huì)隨即被嘈雜、混亂的周圍環(huán)境所破壞，換句話說(shuō)，就是難以形成具有功能意義上的量子相干保持時(shí)間。當(dāng)然，宏觀尺度上有時(shí)也可以表現(xiàn)出量子效應(yīng)，這屬于超流、超導(dǎo)等宏觀量子現(xiàn)象的研究領(lǐng)域，一般需要足夠低的溫度做保證。可以理解為，在接近絕對(duì)零度的時(shí)候，原子或電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)才能夠“冷靜”下來(lái)，發(fā)生超導(dǎo)或超流的相變。而反觀生物體內(nèi)的環(huán)境，它溫度太高了，量子力學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)毋庸置疑地表明，如此濕熱、嘈雜、混亂的環(huán)境里不可能存在與生命功能密切相關(guān)的量子效應(yīng)。

       果真如此嗎？

       施一公演講中有關(guān)神經(jīng)活動(dòng)中存在量子效應(yīng)的觀點(diǎn)，主要引述自加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UCSB)著名凝聚態(tài)物理學(xué)家Matthew Fisher于2015年9月3日發(fā)表于Annals of Physics的一篇文章，題為《Quantum cognition, the possibility of processing with nuclear spins in the brain》[1]，從理論上論證了基于磷原子核自旋的量子神經(jīng)機(jī)制的可能性。這篇文章最吸引人之處在于，它在理論上論證了以波斯納分子集群(Posner molecule or cluster)形式存在的磷酸鈣，可以作為磷原子自旋量子比特的存儲(chǔ)器，其量子相干保持時(shí)間可以大于10的5次方秒，也就是一天以上的時(shí)間。而神經(jīng)科學(xué)中學(xué)習(xí)與記憶的基礎(chǔ)——類似STDP等長(zhǎng)時(shí)程突觸增強(qiáng)與抑制現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間就是幾小時(shí)到1天的尺度。因此，這么長(zhǎng)的量子相干時(shí)間尺度足以覆蓋大多數(shù)的神經(jīng)活動(dòng)。

       在量子信息科學(xué)的視角下，這又意味著什么呢？讓我們先回首澳大利亞國(guó)立大學(xué)助理教授Matthew Sellars領(lǐng)導(dǎo)的量子信息研究組于一年前發(fā)表在Nature上的一個(gè)工作。他們通過(guò)激光在稀有元素銪原子核的自旋態(tài)上寫入量子比特后，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)6個(gè)小時(shí)的量子相干時(shí)間。訣竅在于，他們將晶體放在一個(gè)固定和振蕩磁場(chǎng)的結(jié)合體內(nèi)以保存脆弱的量子信息。

       這篇文章的第一作者、中國(guó)留學(xué)生鐘滿金在接受新華社記者采訪時(shí)說(shuō)：“量子態(tài)非常脆弱，一般會(huì)在幾毫秒內(nèi)坍塌。我們把這個(gè)存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)到幾個(gè)小時(shí)，這可能會(huì)徹底改變量子糾纏態(tài)在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸方式。即使是以行人的速度傳輸我們的晶體，在特定距離內(nèi)我們這種方法的損耗也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于激光系統(tǒng)。也就是說(shuō)，人們可以將這些晶體當(dāng)做用于量子糾纏的可攜帶的硬盤。”——從這個(gè)角度看，量子相干保持時(shí)間，如晶體管門電路尺寸之于傳統(tǒng)信息科技一樣，的確可以作為衡量量子信息科技的進(jìn)化指數(shù)。

       Sellars研究組的工作與Fisher探討的量子神經(jīng)機(jī)制有三個(gè)共同點(diǎn)：一是都“選擇了”原子核的自旋態(tài)作為量子比特的存儲(chǔ)載體；二是都要“千方百計(jì)”地屏蔽周圍環(huán)境的電磁場(chǎng)對(duì)原子核自旋量子態(tài)的干擾和破壞作用；三是二者給出的量子相干保持時(shí)間在量級(jí)上是接近的，而磷酸鈣波斯納分子的量子相干保持時(shí)間更長(zhǎng)，達(dá)到了天的量級(jí)。那么，在類似人體體液的體外溶液中存在的納米級(jí)磷酸鈣波斯納分子，何以能夠PK人類最前沿的量子存儲(chǔ)技術(shù)呢？原因在于，波斯納分子在水中以每秒10的11次方高速轉(zhuǎn)動(dòng)，即磷原子核處的偶極磁場(chǎng)幅度和方向?qū)⒁?span lang="EN-US">10皮秒為時(shí)間量級(jí)而飛快改變，這意味著可以等效地“屏蔽”掉周圍水分子的質(zhì)子偶極磁場(chǎng)對(duì)其的影響。如果Fisher的理論推算在不久的將來(lái)能夠被體外溶液中的同位素實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，人類將再次見識(shí)自然與生命的鬼斧神工。

       Fisher的工作比起之前的量子腦理論更吸引人的原因是多方面的。除了前述相干時(shí)間的因素外，還有如下一些亮點(diǎn)：

       一，他提出了一套完整的神經(jīng)量子信息體系。

       包括量子比特、量子糾纏的產(chǎn)生、量子傳輸與存儲(chǔ)、量子測(cè)量，及分子層面的量子相干與測(cè)量對(duì)細(xì)胞層面神經(jīng)脈沖活動(dòng)的影響機(jī)制等，它們都有潛在的生物分子及相關(guān)酶化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等作為載體，整個(gè)邏輯鏈條的每個(gè)環(huán)節(jié)都清晰明確、有理有據(jù)。即使單純從量子信息系統(tǒng)的研究角度看，其思路也是有創(chuàng)新意義的。

       二，量子糾纏產(chǎn)生機(jī)制所發(fā)生的載體——焦磷酸鹽及其水解的酶化學(xué)過(guò)程，與生命體能量存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)幕締卧?span lang="EN-US">ATP直接相關(guān)。

       焦磷酸鹽是ATP水解過(guò)程的兩個(gè)產(chǎn)物之一(另一個(gè)是AMP)，焦磷酸酶也在生命體里普遍存在。ATP對(duì)于體內(nèi)細(xì)胞來(lái)說(shuō)異常重要，因?yàn)樗鳛閮?chǔ)能器，可以輕易地被輸送到各處細(xì)胞為生命活動(dòng)供給能量。這聽起來(lái)給人的感覺是，似乎量子糾纏機(jī)制不僅僅會(huì)涉及神經(jīng)活動(dòng)，這方面尚有待進(jìn)一步的探索。但ATP水解的逆過(guò)程，即將具有較高能量的磷酸鹽與AMP組裝為ATP的過(guò)程，分別涉及動(dòng)物體內(nèi)的氧化作用及植物體內(nèi)的光合作用，而量子生物學(xué)的研究表明，量子隧穿、量子游走等機(jī)制在其中都扮演著關(guān)鍵的角色。

       三，Fisher不僅做了理論論證，還提出了可行的多種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證途徑上的。

       例如作者提到，液態(tài)核磁共振(NMR)方法可以用來(lái)測(cè)量波斯納分子集群中磷原子核的自旋動(dòng)力學(xué)（自旋相干時(shí)間），用原子核自旋非零的鈣、氧同位素替換方法可以使分子中磷原子核自旋態(tài)退相干，并通過(guò)NMR測(cè)量到。據(jù)NewScientist的報(bào)道，Fisher正在與斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家和分子生物學(xué)家合作，試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出證據(jù)；很多實(shí)驗(yàn)方案在中國(guó)也是不難開展的。考慮到相關(guān)實(shí)驗(yàn)的可行性，學(xué)術(shù)界或許在今年就能給出部分結(jié)論，我們不妨拭目以待。

       目前，Fisher的研究尚未有任何實(shí)驗(yàn)事實(shí)做支撐，有些人稱其為臆想，也有人說(shuō)是偽科學(xué)。筆者百度了偽科學(xué)的定義，摘錄如下：“自稱為科學(xué)，但又不遵循科學(xué)方法的知識(shí)或理論；偽科學(xué)貌似科學(xué)，但無(wú)法用科學(xué)方法予以檢驗(yàn)；可證偽性是區(qū)分科學(xué)與非科學(xué)（包括偽科學(xué)）的標(biāo)準(zhǔn)。” Fisher的理論遵循了科學(xué)的研究方法，并能夠用科學(xué)方法予以檢驗(yàn)，是可以證偽的，因此稱其為臆想或偽科學(xué)都不夠嚴(yán)謹(jǐn)，至少它比難以證偽的弦論更不像偽科學(xué)。“科學(xué)”好比孫悟空，廣博艱深、真假難辯，有些是人類“非科學(xué)”的系統(tǒng)化經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有些真的是“偽科學(xué)”，有些則仍在科學(xué)探索的范疇里，而且越是前衛(wèi)的科學(xué)探索最初越顯得不那么成熟，對(duì)其更為負(fù)責(zé)任的稱呼是“邊緣科學(xué)”，有別于“主流科學(xué)”或“時(shí)髦科學(xué)”。

       施一公和潘建偉作為國(guó)際知名的科學(xué)家，公開發(fā)言一般會(huì)比較謹(jǐn)慎，他們敢于那樣表態(tài)，背后或許有他們的信息來(lái)源和獨(dú)立思考，不會(huì)空穴來(lái)風(fēng)。另一方面，在跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科問(wèn)題上，即使身為某個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者，也不宜輕率地對(duì)他人的科學(xué)觀訓(xùn)練盲目質(zhì)疑、在沒有深入調(diào)查的情況下對(duì)他人的科學(xué)研究輕易否定，這便是謙虛謹(jǐn)慎的科學(xué)態(tài)度。這在量子生物學(xué)領(lǐng)域，不乏前車之鑒：

       我們現(xiàn)在已知道葉綠素光合作用中量子效應(yīng)在其中起了關(guān)鍵而不可替代的作用。這個(gè)發(fā)現(xiàn)最初于2007年發(fā)表在Nature上，并被紐約時(shí)報(bào)報(bào)道。加州大學(xué)伯克利分校格雷厄姆•佛萊明(Graham Fleming)領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室利用飛秒激光技術(shù)，在極短的時(shí)間內(nèi)往光合作用復(fù)合物上照射激光，并觀察到了像是打著節(jié)奏一般的光回波，這些“量子鼓點(diǎn)”意味著光子的能量不是通過(guò)單一路徑傳入反應(yīng)中心的，而是利用量子相干性同時(shí)從所有可能的路徑進(jìn)行傳遞。在微生物與植物體內(nèi)濕熱、混亂環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的這種量子相干給量子科學(xué)家們帶來(lái)了巨大的震撼，2014年出版的《Life on the edge: the coming of age of quantum biology》一書對(duì)此進(jìn)行了生動(dòng)的描述：

       麻省理工學(xué)院(MIT)一個(gè)由Seth Lloyd領(lǐng)導(dǎo)的量子信息研究組在看了紐約時(shí)報(bào)的報(bào)道后，稱之為“量子欺詐(quantum hanky-panky)”。在后來(lái)的一次CBC訪談中Lloyd回憶說(shuō)：“我們認(rèn)為那是真正的歇斯底里…… 就好比，‘我的天，它是我一生中聽過(guò)的最不切實(shí)際的事！’” 他們覺得世界上很多最聰明最有錢的研究組花了數(shù)十年去試圖搞懂如何創(chuàng)造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，而紐約時(shí)報(bào)的那篇報(bào)道卻宣稱一片卑微的葉子卻能夠完成量子計(jì)算最核心的一些功能。困擾這些MIT研究人員的主要挑戰(zhàn)是如何保持脆弱的量子相干態(tài)，物理學(xué)家們千方百計(jì)地要屏蔽外界環(huán)境對(duì)他們機(jī)器的影響，而量子相干卻被宣稱能夠在濕熱、喧囂的生物環(huán)境中得以保持，這意味著午餐品味沙拉時(shí)他們剛剛吃掉了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，自然會(huì)令他們發(fā)瘋。在懷疑之余，Seth Lloyd開始全面審查這個(gè)工作。令所有人吃驚的是，Lloyd的調(diào)查結(jié)論是伯克利Fleming研究組發(fā)現(xiàn)的“量子鼓點(diǎn)”確是量子糾纏的信號(hào)，Lloyd認(rèn)為葉綠素分子里的激子的確在以量子游走的方式尋找到達(dá)反應(yīng)中心的路徑，恰對(duì)應(yīng)于量子計(jì)算中的旅行商問(wèn)題(Traveling Salesman Problem)。后續(xù)的研究表明，諸如菠菜、海藻等大部分植物的葉綠素中，都發(fā)現(xiàn)了基于量子相干的量子游走機(jī)制。現(xiàn)在正在研究的問(wèn)題是生命體何以能保護(hù)并利用它們的量子相干態(tài)，而這些研究的結(jié)果未來(lái)必將促進(jìn)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。[2]

       由此，在人類實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)入飛秒與納米的時(shí)空尺度后，量子機(jī)制在重要生命過(guò)程中“可以”起到關(guān)鍵而不可替代的作用，已經(jīng)有了確定無(wú)疑的實(shí)例，這是人類科學(xué)經(jīng)驗(yàn)的意義世界中量子通向生命的第一束光，在保守、教條、沉悶的生命科學(xué)和量子科學(xué)的意識(shí)形態(tài)壁壘上撕開了一道口子，為量子視角在其他眾多生命科學(xué)領(lǐng)域的潛在可能開辟出了廣闊的空間。于是有關(guān)“量子與生命”的展望不再那么“偽科學(xué)”，似乎可以廣開言路了。但有人或許會(huì)害怕，害怕這口子一開，牛鬼蛇神都趁機(jī)鉆了進(jìn)來(lái)……這自然有可能。可還是那句話，讓“上帝的歸上帝，愷撒的歸愷撒”，我們應(yīng)當(dāng)回歸科學(xué)本身，而非鴕鳥政策、因噎廢食。除了光合作用外，量子生物學(xué)領(lǐng)域的其他研究已表明，量子隧穿與量子糾纏在嗅覺、鳥類導(dǎo)航、神經(jīng)活動(dòng)乃至基因的適應(yīng)性突變中也可能發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，這個(gè)list相信在未來(lái)還會(huì)不斷延長(zhǎng)。

三，AI、量子、科學(xué)、生命的極限與超越

       量子生物學(xué)的這些研究進(jìn)展表明，自然再次超乎人類的理解，這提示人類應(yīng)當(dāng)放下自負(fù)與傲慢，重新回歸對(duì)自然與生命的敬仰，以敬畏和謙卑的心態(tài)去面對(duì)自然、探索生命的奧秘。這恰對(duì)應(yīng)于施一公的演講主題 “生命科學(xué)認(rèn)知的極限”。他是這么總結(jié)的：“我認(rèn)為人類的認(rèn)知極限就在于，我們是一堆原子，我們處在宏觀世界，但我們希望隔著兩個(gè)世界去看超微觀世界。那是一個(gè)最美好的、極其美妙的世界。”筆者認(rèn)為有關(guān)“極限”問(wèn)題的討論是施一公演講的一大亮點(diǎn)，潘建偉2月3日表明的觀點(diǎn)則對(duì)應(yīng)于人工智能的極限。（這是非常有趣的一個(gè)事情，要知道一年以前人們都還在暢想人工智能的“奇點(diǎn)”，如今討論的卻是“天花板”……）而彭羅斯與明斯基近30年前圍繞這個(gè)問(wèn)題的交鋒甚至涉及到現(xiàn)有理論物理學(xué)的極限。由此展開，人們可以討論不同的極限：馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的極限、深度學(xué)習(xí)的極限、人工智能的極限、生命科學(xué)的極限、理論物理學(xué)的極限、科學(xué)的極限、人的極限。這并非春節(jié)假期里漫無(wú)邊際的暢想，它們?cè)谌宋摹⒖茖W(xué)、技術(shù)、世界經(jīng)濟(jì)、國(guó)際政治、科學(xué)革命、民族復(fù)興等方面有著深刻的現(xiàn)實(shí)意義。量子生物學(xué)、量子腦理論當(dāng)下及未來(lái)的研究進(jìn)展，必會(huì)深刻影響人類對(duì)這些極限問(wèn)題的認(rèn)知，從而影響在前述諸多方面的判斷。

       2015年10月美國(guó)白宮召集了很多計(jì)算領(lǐng)域的專家們開了一個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略研討會(huì)：        the White House National Strategic Computing Initiative Workshop (NSCI），有關(guān)計(jì)算科學(xué)的“極限”，專家們形成了諸多共識(shí)（摘錄自微軟研究員Doug Burger的與會(huì)總結(jié)）

1) It is clear that CMOS is coming to an end.

 2) It is clear that there is no replacement for CMOS devices within the next ten years.

 3) People view quantum as a good long-term bet for a disruptor.

 4) No new computational models outside of quantum, neuromorphic and 

approximate computing were discussed.

 5) There was a general concern among the attendees in how legacy codes can

 benefit in this “New Normal” of computing. 

       技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略的“代差優(yōu)勢(shì)”是美國(guó)、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家能夠主導(dǎo)國(guó)際經(jīng)濟(jì)、政治格局的關(guān)鍵要素之一，面對(duì)計(jì)算科學(xué)的“新常態(tài)(New Normal)”，美歐從國(guó)家戰(zhàn)略上必須尋找新的技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略高地。這里邊提及的量子計(jì)算與神經(jīng)形態(tài)計(jì)算（類腦計(jì)算）與本文的主題直接相關(guān)。在歐盟“人腦工程”項(xiàng)目的報(bào)告書中，即明確提到：“HBP-led innovation in high performance computing, neuromorphic computing and

 neurorobotics can establish European leadership in future computing technologies of potentially vital 

importance for the world economy of the 2020s and 2030s.”類腦計(jì)算相比于深度學(xué)習(xí)等傳統(tǒng)人工智能技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)包括低能耗、低延遲、算法通用、自主學(xué)習(xí)等，除此之外，最能夠引人遐想的是其類腦潛力，即通向強(qiáng)人工智能的可能。量子腦理論目前在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面還沒有塵埃落定，如果量子機(jī)制在腦信息處理中的確起到了關(guān)鍵作用，會(huì)否為類腦計(jì)算的未來(lái)發(fā)展劃定極限？這是值得密切關(guān)注的問(wèn)題。

       另一方面，微軟和谷歌目前在量子計(jì)算方面都有了大量的投入，2015年將量子計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的研究報(bào)道也屢見不鮮。那么，一個(gè)很自然的問(wèn)題就是，未來(lái)的量子人工智能時(shí)代，人類能否實(shí)現(xiàn)強(qiáng)人工智能而臨近奇點(diǎn)呢？這個(gè)極限問(wèn)題涉及到前述彭羅斯與明斯基交鋒的焦點(diǎn)。彭羅斯認(rèn)為，已知的物理學(xué)定律不足以解釋意識(shí)現(xiàn)象，未來(lái)正確的新物理學(xué)應(yīng)當(dāng)在經(jīng)典與量子力學(xué)之間架起一座橋。2009年在一篇discover雜志的訪談中，彭羅斯給出了他最新的看法，即生命與大腦可能超過(guò)了現(xiàn)有量子力學(xué)能告訴我們的極限；當(dāng)代的物理學(xué)家永遠(yuǎn)不會(huì)了解宇宙的終極理論，除非他們能透過(guò)今天那些不成熟理論的表象看到我們所生活的客觀世界的最深層的實(shí)在。彭羅斯認(rèn)為：“有意識(shí)的大腦活動(dòng)并不遵循經(jīng)典物理，它甚至不依照傳統(tǒng)的量子力學(xué)活動(dòng)。描述它活動(dòng)方式的理論我們現(xiàn)在仍不知道。……所以我仍然希望能發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)自洽的東西，因?yàn)槲蚁嘈潘鼞?yīng)該存在。當(dāng)最終物理學(xué)家了解量子物理核心的時(shí)候，我想這個(gè)理論應(yīng)該很美。……我很肯定，解決量子力學(xué)謎題將會(huì)對(duì)許多科學(xué)產(chǎn)生巨大的影響，諸如量子力學(xué)是如何應(yīng)用在生物學(xué)中這些問(wèn)題。最終，它很可能以各種我們想象不到的方式，導(dǎo)致一個(gè)完全不同的理論，帶來(lái)一場(chǎng)新的思維上的革命。”（《世界科學(xué)》2009.12，譯自 discover雜志）

       理論物理學(xué)和生命科學(xué)能否突破彭羅斯所謂的極限，將人類帶往那個(gè)新的科學(xué)高地呢？它離我們是否還很遙遠(yuǎn)？沿Fisher的文章順藤摸瓜，似乎能找到一點(diǎn)點(diǎn)線索，那看起來(lái)像一線曙光，盡管十分地微弱。

       在基于原子核自旋的神經(jīng)量子理論探索方面，Fisher并非第一個(gè)吃螃蟹的人。Fisher在文章引言中引用了胡虎平及其妻子、美國(guó)紐約西奈山醫(yī)學(xué)院病理學(xué)系兼職教授Maoxin Wu的工作。胡虎平1986年在蘭州大學(xué)生物物理學(xué)專業(yè)碩士畢業(yè)后，于1987年留學(xué)美國(guó)，并于1991年在伊利諾伊大學(xué)香檳分校獲得了生物物理學(xué)的博士學(xué)位。他們長(zhǎng)期研究的結(jié)論更富顛覆性：“自旋有可能是驅(qū)動(dòng)量子力學(xué)、時(shí)空動(dòng)力學(xué)和內(nèi)在意識(shí)的根本自指過(guò)程。自旋是意識(shí)的載體和精神與大腦的接口，可以稱之為‘精神像素’。量子力學(xué)的隨機(jī)性結(jié)構(gòu)源于自旋態(tài)的自指塌縮，這里所謂的塌縮是語(yǔ)境相關(guān)的、非計(jì)算的、非局域的和不可逆的。”

       彭羅斯堅(jiān)信大腦最深層的奧秘是非計(jì)算的，胡虎平夫婦的研究似乎對(duì)此給出了一個(gè)回應(yīng)。當(dāng)然，他們的工作如果不被扣上偽科學(xué)的帽子，也必然屬于邊緣科學(xué)的敏感禁地。它不僅尚未被實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，而且已涉及精神與物質(zhì)的分野，實(shí)質(zhì)上已觸及科學(xué)的邊界。我們最好就此打住，但這又涉及到施一公演講中提到的“第六感官”問(wèn)題，且是演講內(nèi)容中爭(zhēng)議最大的部分，看起來(lái)有繼續(xù)討論的必要。

       所謂第六感官，或稱超感知覺（extrasensory perception，簡(jiǎn)稱ESP），指無(wú)須來(lái)自感覺器官的刺激和感覺器官為中介而知覺外界事物的一種現(xiàn)象，泛指所有暫時(shí)無(wú)法解釋的人體特異功能。超心理學(xué)(parapsychology)指采取科學(xué)方法對(duì)超感官知覺或超常心理現(xiàn)象的研究。這里筆者無(wú)意多談，感興趣的讀者可參閱Claude Swanson共1000余頁(yè)的兩卷綜述性巨著：《The Synchronized Universe: New Science of the Paranormal》和《LIFE FORCE, The Scientific Basis: Breakthrough Physics of Energy Medicine, Healing,

 Chi and Quantum Consciousne》[3]。Claude Swanson本科就讀麻省理工學(xué)院的物理學(xué)專業(yè)，后在普林斯頓大學(xué)取得了物理學(xué)博士學(xué)位，受過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)觀訓(xùn)練，其綜述比其他相關(guān)書籍更為全面和嚴(yán)謹(jǐn)。

       現(xiàn)在回到最后的兩個(gè)極限問(wèn)題：科學(xué)的極限與人的極限。我們知道，科學(xué)研究離不開經(jīng)驗(yàn)的支持，現(xiàn)代科學(xué)是物質(zhì)化的，其獲取經(jīng)驗(yàn)的方式是科學(xué)實(shí)驗(yàn)。如施一公所言：“科學(xué)發(fā)展到今天，我們看世界完全像盲人摸象一樣，我們看到的世界是有形的，我們自己認(rèn)為它是客觀的世界。其實(shí)我們已知的物質(zhì)的質(zhì)量在宇宙中只占4%，其余96%的物質(zhì)的存在形式是我們根本不知道的，我們叫它暗物質(zhì)和暗能量。”而量子腦理論、胡虎平的自旋理論及Claude Swanson所綜述的眾多邊緣科學(xué)，似乎預(yù)示了科學(xué)已日益臨近精神與物質(zhì)的交界，這便涉及到科學(xué)探索方法的極限問(wèn)題。前述量子生物學(xué)的研究進(jìn)展再次表明，當(dāng)前科學(xué)經(jīng)驗(yàn)的邊界絕非人的邊界。那么科學(xué)探索方式的極限等同于人類探索生命奧秘的極限嗎？

       我們知道，量子計(jì)算技術(shù)中超導(dǎo)量子比特利用了超導(dǎo)約瑟夫森隧道結(jié)的非線性效應(yīng)。這個(gè)超導(dǎo)領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)者、科學(xué)史上最年輕的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者布賴恩·約瑟夫森(Brian David Josephson)在獲得諾貝爾獎(jiǎng)之后的30多年時(shí)間里，遠(yuǎn)離了科學(xué)的主流，轉(zhuǎn)而投身于“精神－物質(zhì)統(tǒng)一計(jì)劃(Mind－Matter Unification Project) ”。這一計(jì)劃主要從理論物理的觀點(diǎn)去了解自然界中智力與大腦的有關(guān)過(guò)程，包括大腦如何工作、語(yǔ)言和理智能力、音樂和心緒的基本聯(lián)系等，其基本出發(fā)點(diǎn)是，量子力學(xué)不是自然的最終理論和完整圖像（這與彭羅斯的觀點(diǎn)不謀而合）。約瑟夫森認(rèn)為對(duì)于物質(zhì)世界與精神世界而言，都存在一種高度有序化的純一狀態(tài)：前文所述的宏觀量子效應(yīng)中，金屬導(dǎo)體在臨近絕對(duì)零度的狀態(tài)，其電子當(dāng)電流通過(guò)時(shí)毫不騷動(dòng)，處于有序化的純一狀態(tài)，形成超導(dǎo)現(xiàn)象；不同的流體在各自的特定低溫下，其阻力減小，以致趨近于零，形成超流現(xiàn)象。就精神世界而言，人的念頭持續(xù)不斷、紛繁蕪亂，通過(guò)精誠(chéng)不懈地調(diào)節(jié)，意識(shí)場(chǎng)可以像處于絕對(duì)零度的超導(dǎo)體一樣，達(dá)到完全有序化的狀態(tài)。約瑟夫森借用超導(dǎo)、超流理論作為比量，說(shuō)明人腦的意識(shí)場(chǎng)，當(dāng)“精神溫度”降低到“絕對(duì)零度”時(shí)，可能進(jìn)入“頓悟狀態(tài)”(state of insights)，涉及由誠(chéng)而明的境界。

       對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)已故數(shù)學(xué)教授牛實(shí)為老先生曾指出[4]：“探索真理應(yīng)該是兩條道路互補(bǔ)：一條是器證與推理，另一條是悟證與直覺。”“中國(guó)古代有些哲人，像研究科學(xué)一樣，精進(jìn)不懈，開顯良知良能，認(rèn)識(shí)到與終極實(shí)體有關(guān)的人類自性問(wèn)題。”他進(jìn)一步說(shuō)：“六祖慧能明心見性，說(shuō)明了自性寂光開顯，這是無(wú)住生心的自然成就；愛因斯坦抓住了物質(zhì)輻射之光，通過(guò)奇妙的構(gòu)思與時(shí)空聯(lián)系起來(lái)，建立了相對(duì)論，揭開了宇宙、原子的奧秘。這兩種光能截然不同，但可能是一紙之隔，兩者一隱一顯都是人類的燈塔，是互補(bǔ)而相通的。”——這提示我們，如果將這兩條探索真理的道路結(jié)合起來(lái)，或可超越現(xiàn)有科學(xué)探索方式的極限。

       我們知道愛因斯坦是以十分微妙的方式篤信宗教的，愛因斯坦認(rèn)為：“我們現(xiàn)在所看到的，只是一個(gè)尚未完全理解的真正實(shí)體的局部。這就會(huì)使一個(gè)有思想的人，為一種謙恭的感情所征服。這是一種真正的感情，與任何神秘主義毫不相干。我的宗教在于：對(duì)至高無(wú)上的精神，懷有一種謙恭的贊美；這種精神，在我們理解現(xiàn)實(shí)的事務(wù)中，可以部分地顯示出來(lái)。我想知道上帝是怎樣創(chuàng)造這個(gè)世界的；我想了解它的思想，其余都是次要的。”——愛因斯坦信仰“斯賓諾莎的上帝(Spinoza's god)”。斯賓諾莎認(rèn)為，宇宙間只有一種實(shí)體，有時(shí)稱之為“上帝”或“大自然”，無(wú)論是上帝或自然，指的是既存的每一件事物，包括所有精神上的東西。——對(duì)于斯賓諾莎與愛因斯坦來(lái)說(shuō)，上帝就是所有事物的秩序與和諧中顯現(xiàn)出來(lái)的大自然，這便涉及到了人的極限。

       生命體是最典型的非平衡態(tài)系統(tǒng)。這個(gè)非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理與耗散結(jié)構(gòu)理論的奠基人是1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者伊利亞·普里高津(Llya Prigogine)。施一公演講的結(jié)束語(yǔ)——“那是一個(gè)最美好的、極其美妙的世界”，使筆者聯(lián)想到了普里高津在《從存在到變化》(From Being to Becoming)一書中的一段話：“對(duì)于目前大多數(shù)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)者而言，科學(xué)可以說(shuō)是一種意圖，希望超出我們這個(gè)看得見的世界，進(jìn)入一個(gè)無(wú)時(shí)間的世界（斯賓偌莎的世界——the world of Spinoza）。或許存在有一個(gè)更精細(xì)形式的實(shí)體(a more subtle form of reality)，……那是一個(gè)開放的世界(open world)，人與自然要進(jìn)行新的對(duì)話。”——如果真能達(dá)致這樣一個(gè)無(wú)時(shí)間的世界，或許便已超越人的極限。而在中國(guó)的文化傳統(tǒng)中，也有很多類似的表述，如明代釋蓮池所言的：“靈明洞徹，湛寂常恒，非濁非清，無(wú)背無(wú)向，大哉真體，不可得而思議者，其唯自性歟”。 

四，中國(guó)科學(xué)事業(yè)的極限與超越

       一路走來(lái)，我們似乎從一個(gè)納米級(jí)量子神經(jīng)機(jī)制的科學(xué)問(wèn)題，逐漸走向了一個(gè)宏大的歷史敘事：

       2010年，中國(guó)科學(xué)院召集300多位專家經(jīng)過(guò)一年多研究認(rèn)為，當(dāng)今世界正處在新科學(xué)技術(shù)革命的前夜。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)已故數(shù)學(xué)教授牛實(shí)為先生認(rèn)為，21世紀(jì)的科學(xué)革命將呈現(xiàn)出兩個(gè)主旋律，第一個(gè)是“物理學(xué)與生命科學(xué)的合流”，我們已看到，生物學(xué)和物理學(xué)各自呈現(xiàn)的對(duì)自然之描述現(xiàn)在開始合而為一；而第二個(gè)主旋律則是“現(xiàn)代科學(xué)與中國(guó)哲學(xué)的合流”。中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)史專家董光璧研究員也曾指出：“如何在中國(guó)傳統(tǒng)文化中尋找新文化的種子，向世界提供我們文明中的最佳遺惠，以在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)文明的基礎(chǔ)上發(fā)展新的科學(xué)知識(shí)系統(tǒng)和新的人文價(jià)值體系，當(dāng)是中華民族復(fù)興的一項(xiàng)偉大的歷史使命。”

       2014年的五四青年節(jié)，習(xí)近平主席來(lái)到北京大學(xué)考察，在北京大學(xué)師生座談會(huì)上發(fā)表了重要講話，其中提到：“中華文明綿延數(shù)千年，有其獨(dú)特的價(jià)值體系。中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化已經(jīng)成為中華民族的基因，植根在中國(guó)人內(nèi)心，潛移默化影響著中國(guó)人的思想方式和行為方式。我們生而為中國(guó)人，最根本的是我們有中國(guó)人的獨(dú)特精神世界，有百姓日用而不覺的價(jià)值觀。…… 站立在960萬(wàn)平方公里的廣袤土地上，吸吮著中華民族漫長(zhǎng)奮斗積累的文化養(yǎng)分，擁有13億中國(guó)人民聚合的磅礴之力，我們走自己的路，具有無(wú)比廣闊的舞臺(tái)，具有無(wú)比深厚的歷史底蘊(yùn)，具有無(wú)比強(qiáng)大的前進(jìn)定力。中國(guó)人民應(yīng)該有這個(gè)信心，每一個(gè)中國(guó)人都應(yīng)該有這個(gè)信心。我們要虛心學(xué)習(xí)借鑒人類社會(huì)創(chuàng)造的一切文明成果，但我們不能數(shù)典忘祖，不能照抄照搬別國(guó)的發(fā)展模式，也絕不會(huì)接受任何外國(guó)頤指氣使的說(shuō)教。”

       “黨中央作出了建設(shè)世界一流大學(xué)的戰(zhàn)略決策，我們要朝著這個(gè)目標(biāo)堅(jiān)定不移前進(jìn)。辦好中國(guó)的世界一流大學(xué)，必須有中國(guó)特色。沒有特色，跟在他人后面亦步亦趨，依樣畫葫蘆，是不可能辦成功的。這里可以套用一句話，越是民族的越是世界的。世界上不會(huì)有第二個(gè)哈佛、牛津、斯坦福、麻省理工、劍橋，但會(huì)有第一個(gè)北大、清華、浙大、復(fù)旦、南大等中國(guó)著名學(xué)府。我們要認(rèn)真吸收世界上先進(jìn)的辦學(xué)治學(xué)經(jīng)驗(yàn)，更要遵循教育規(guī)律，扎根中國(guó)大地辦大學(xué)。”

       新加坡國(guó)立大學(xué)東亞研究所所長(zhǎng)鄭永年教授則認(rèn)為：在現(xiàn)代中國(guó)，“整個(gè)知識(shí)群體長(zhǎng)期處于思想被殖民的狀態(tài)”，丟失了自己文化傳統(tǒng)的根本。“西方的知識(shí)體系自16世紀(jì)之后開始得到發(fā)展，在18、19世紀(jì)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，到20世紀(jì)初基本完成。這個(gè)知識(shí)體系是建立在一系列‘宏大的論述’基礎(chǔ)之上的。…… 今天，社會(huì)科學(xué)，尤其是美國(guó)，已經(jīng)轉(zhuǎn)移到微觀研究。歐洲還繼續(xù)有‘宏大的論述’的傳統(tǒng)。…… 美國(guó)的研究主要轉(zhuǎn)向了微觀。微觀研究是美國(guó)人的優(yōu)勢(shì)。…… 如果用學(xué)術(shù)化一些的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，歐洲人建立假設(shè)，美國(guó)人來(lái)檢驗(yàn)。這種分工和合作，一直相當(dāng)有效。”

       “中國(guó)的知識(shí)體系還沒有經(jīng)歷過(guò)這樣一個(gè)‘宏大的論述’階段，就直接進(jìn)入了微觀研究階段。并且，中國(guó)似乎沒有主觀條件再去做這樣一個(gè)‘宏大的論述’。中國(guó)自‘五四運(yùn)動(dòng)’以來(lái)，就努力接受西方的知識(shí)體系，也就是說(shuō)早已經(jīng)放棄了知識(shí)體系的論述。…… 現(xiàn)在的學(xué)者根本就沒有‘宏大的論述’的意識(shí)；相反，他們不覺得這樣的論述有什么價(jià)值。……這種情況不會(huì)得到輕易的改觀，因?yàn)橹袊?guó)一切視西方美國(guó)為標(biāo)準(zhǔn)，并且把這些標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)評(píng)審制度等等高度制度化了。”

       香港的科學(xué)史學(xué)者陳方正教授也認(rèn)為：“吸收、發(fā)展科學(xué)，其實(shí)相當(dāng)于一整個(gè)文明之移植，是移山倒海那樣的大業(yè)”。“然而，到了二十一世紀(jì)，當(dāng)中國(guó)希望在科學(xué)的前沿和先進(jìn)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)，而科學(xué)的全面進(jìn)步則系于整個(gè)民族的取向、心態(tài)時(shí)，這樣的制約就好像出現(xiàn)了，它表現(xiàn)為：中國(guó)人太注重實(shí)用和當(dāng)前的效果，缺乏對(duì)科學(xué)本身之精深、奧妙的向往與追求”。 

       然而，20世紀(jì)西方諸多大科學(xué)家卻早已指出，東方文化傳統(tǒng)中保存有“內(nèi)在而未誕生的、最充分意義上的科學(xué)”，“將為科學(xué)的未來(lái)發(fā)展開辟道路”[李約瑟，《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史》]，并由此探索“一種根本不同的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)”，“進(jìn)行一場(chǎng)真正的世界意義的文化革命”[卡普拉，《物理學(xué)之道：近代物理學(xué)與東方神秘主義》，《轉(zhuǎn)折點(diǎn)：科學(xué)、社會(huì)和正在興起的文化》]。 

       果真如此嗎？

2016年2月7日  

乙未年臘月廿九