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“罗杰·彭罗斯爵士处于非相干状态，而迈克斯·泰格马克说他能证明这一点。”哇！我在读2000年2月4日的《科学》杂志时，被这个标题惊呆了。我可绝对不会用“非相干”（incoherent）这个词来形容这位著名的数学家，但记者们就喜欢用双关语营造冲突。我只是写了一篇论文，在其中声称彭罗斯的一个理论被退相干干掉了而已。
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扫码获取作者这篇被《科学》杂志引用的论文。
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最近几年，掀起了一股热潮，人们热衷于建造所谓的“量子计算机”，试图挖掘出量子力学怪诞性的潜力，用来进行高速计算。比如，如果你在网上买了这本书，你的信用卡号会被一种方法加密，而这种方法是基于下面这一事实：两个300位质数相乘很容易，但是要将一个600位数进行因数分解（也就是找出它是哪两个数字的乘积）却很困难。如果用现在的计算机，要算出结果需要花费的时间比宇宙的年龄还长。假如能建造出大型量子计算机，那么，使用我MIT的同事彼得·舒尔（Peter Shor）发明的一种量子算法，黑客很快就能算出答案，偷走你的钱。正如量子计算先驱大卫·多伊奇（David Deutsch）所说，“量子计算机能与无数个平行宇宙中的自己分享信息”，在其他宇宙的“自己”的帮助下，就能迅速获得自己栖身的这个宇宙的答案。
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量子计算机还能极其有效地模拟原子和分子的行为，取代化学实验室的测定工作，就像传统计算机取代风洞测量一样。许多现代计算机之所以速度更快，是因为它可以同时运行多个并行程序。量子计算机可以被看成终极的并行计算机，只不过它是将第三层多重宇宙作为计算资源。从某些意义上说，相当于在不同的平行宇宙中并行运行不同的程序。
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在建造这样的机器之前，需要克服一些主要的工程障碍，比如如何能更好地分离出量子信息，好让退相干不至于摧毁量子叠加态。我们还有很长的路要走——尽管你的手机都能存储几十亿比特的信息（0和1），但世界各地的实验室里最先进的量子计算机也只具备很小存储能力。不过，彭罗斯等人却提出了一个惊人的想法：也许，你已经拥有一台量子计算机了——就在你的脑袋里！他们认为，我们的大脑（或者是大脑的一部分）就是量子计算机，这或许也正是理解意识的关键点。
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由于退相干搅乱了量子效应，我决定用那个被别人抢先发表的退相干公式来检验彭罗斯的想法是否真的可行。首先，我对神经元（见图7-7）进行了计算。大脑中约有数千亿个神经细胞，也就是神经元，它们就像电线一样，传输着你脑中的电信号。神经元又细又长，如果把你的所有神经元排成一列，它们可以绕地球4圈。神经元传递电信号的方式是运送钠原子和钾原子，这两种原子都失去了一个电子，因此都带一个单位的正电荷。
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如果你用电压计测量一个休眠的神经元，你会发现，神经元内部和外部之间的电压为0.07伏特。如果神经元的一端被激活，使这个电压降低，那么，细胞壁上一些对电压敏感的大门就敞开了，带电的钠原子就开始源源不断地穿过大门，进入到细胞内部。这一连串的反应叫作放电（firing），并以每小时320公里的速度飞速传遍整个神经元。在这个过程中，大约有100万个钠原子进入了细胞内部。轴突复原的速度相当迅速，最快的神经元每秒能将这个过程重复上千次。
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现在，假设你的大脑真的是一台量子计算机，正用神经元的放电进行着量子计算。这样，单个神经元应该能同时处于放电和休眠的叠加态，这就意味着，大约有100万个钠原子会同时位于两个不同的地方，也就是同时位于神经元内部和外部。我们之前曾讨论过，一台量子计算机只有当它处于不为外界所知的保密状态时才能正常工作，那么，一个神经元放电与否的秘密能保守多久呢？
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当我输入数据进行计算后，我得到的结果是“根本不够长”。更具体一点说，这个时间大约为10-20秒。在这短暂的时间后，就会有一个横冲直撞的水分子不小心撞上这100万个钠原子中的其中一个，揭穿它位置的秘密，摧毁它的量子叠加态。我还对彭罗斯提出的另一个模型也进行了数学计算，这个模型不是用神经元来进行量子计算，而是用微管（microtubules）。微管是细胞骨架的一部分。我的计算表明，微管退相干的时间大约为10-13秒。
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在我看来，量子计算必须赶在退相干之前完成，也就是说，我的思想必须足够快，快到每秒能想出10 000 000 000 000个点子才行。也许罗杰·彭罗斯的思维能达到这种速度，反正我肯定是不行……
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图7-7 神经元及其结构的示意图，左为神经元，中为神经元中称为轴突的细长部分，右为轴突膜的一部分。轴突通常被一种叫作“髓鞘”的绝缘物质所包裹，但每隔半毫米左右就会有一小段裸露在外，这里聚集了许多电压敏感通道。如果神经元处于放电和休眠的叠加态，那么，差不多有100万个钠原子（化学式为Na）同时处于“神经元内”和“神经元外”的叠加态（见图右）。
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你的大脑不是以量子计算机的方式运行的，这并不惊奇。我那些试图建造量子计算机的同行们与退相干展开了胶着的持久战。通常，他们会把设备隔离在冰冷黑暗的真空中，让它们的状态保密，不为外界所知。但你的大脑呢？它是一团温暖潮湿的物质，其中有无数的连接，每个部分都不是孤立的。然而，有些人对我的论文提出了异议，让我经历了人生第一场科学论战。斯图尔特·哈默罗夫（Stuart Hameroff）是一位量子意识（quantum-consciousness）理论的先驱。他说，我为量子意识研究者们带来了很多问题，就像在这个领域“扔下了一颗臭气弹”。他问我：“你是为传统科学卖命的职业杀手吗？”
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我觉得这是一段略带讽刺的经历，因为通常情况下，我才是站在传统科学对立面的人，我骨子里有一种不走寻常路的倾向。并且，我做这些计算的目的不是为了得到某个特定的结果，只是想寻找答案而已。实际上，如果我得出相反的结论，说不定我会更加高兴，因为这意味着我自己就拥有一台量子计算机，这该多酷啊！后来，哈默罗夫与两名共同作者一起，发表了一篇批评我论文的文章。我认为这篇文章中有很多纰漏[36]，不禁感慨，有时候科学家会太执着于某一个观点，对其抱有近乎宗教式的狂热，以至于任何板上钉钉的事实都无法说服他们。我怀疑，“量子意识”这个令人印象深刻的术语可能只是在为这句话找借口：“意识很神秘，量子力学也很神秘，所以，它们一定有关联。”
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2009年，我终于见到了传说中的斯图尔特·哈默罗夫，发现他竟然是一个天性开朗友善的人。我们还在纽约一起共进了午餐。有趣的是，在聊天过程中，我们却找不到双方在计算过程或测量结果上的分歧，于是我们礼貌地达成共识：双方意见相左之处只在于对意识的定义不同。
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支配我们宇宙的主体、客体与环境
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我必须承认一件事：我的大脑退相干计算只是一个借口，并不是我撰写那篇论文的真实目的。当时，我对自己的一个想法感到十分兴奋，很想将它公布于世，却发现它可能会被认为太过哲学化，而被学术期刊拒绝发表。所以，我想出了一个好办法，我把它叫作我的“特洛伊木马战略”：把意欲逃过审稿人眼睛的哲学部分隐藏在长篇累牍、令人望而却步的数学公式里。好笑的是，我这个战略既卓有成效，又收效甚微。卓有成效的是，它确实躲过了审稿人的眼睛，最终得以发表；但同时，人们却只注意到了我用来掩饰真实目的的面具，也就是——大脑不是量子计算机。
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那么，我的隐藏信息究竟是什么呢？它是一种用于思考量子实在的统一方法（见图7-8）。费曼曾强调说，量子力学将我们的宇宙分裂为两个部分：所有被研究的对象，以及余下的一切（称为“环境”）。然而，我却觉得这拼图好像缺了一块，即你的思维。正如埃弗雷特的研究所告诉我们的那样，要理解观察的过程，就需要将我们宇宙中的第三个部分纳入考虑，即你作为观察者的思维状态，也即图7-8中的“主体”。
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图7-8 世界可以被分为三部分：一是你主观感知的部分（主体），二是被研究的对象（客体），以及剩下的一切（环境）。正如图中所示，这三个部分的相互作用会造成性质不同的效应，可以用这幅统一的示意图来表示，其中包括了退相干和表观波函数坍缩。
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如果你不是物理学家，当你看到物理学界几乎不谈论思维时，可能会觉得有点可笑，因为量子力学里有许多与“观察”有关的怪事。毕竟，将观察和思维割裂开，就像讨论近视却半句不提眼睛一样。我想，原因可能在于我们并不理解意识究竟是如何运作的，所以大多数物理学家在提到它时会感觉不自在，害怕自己被别人认为太哲学化。我个人认为，不理解某件事并不意味着我们可以忽略它，我们依然可以期待正确的答案。
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在下一章中，我会讨论更多与意识有关的事。不过，要理解图7-8，并不需要你理解思维运作的细节，这一点关系也没有——在这里，我只会作出一个假设，即你的主观意识源自大脑中粒子的复杂运动，这些粒子与其他所有粒子一样，都遵循薛定谔方程。
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在我那篇“特洛伊木马”论文里，我将薛定谔方程拆解成了几个部分——其中有3个部分分别支配我们宇宙的3个部分（主体、客体和环境），其他的则支配粒子之间的相互作用。接下来，我分析了方程中不同部分各自的效果，结果发现，一部分给出了教科书上的内容，一部分给出了埃弗雷特的多世界诠释，一部分给出了迪特尔·泽的退相干，还有一部分给出了一些新鲜的东西。标准的教科书通常都只聚焦在薛定谔方程支配客体（比如，一颗原子）的那部分。还原论者认为，即使抛开物体所在的那个更大的整体，所有的物体本身都是可分析的。主体和客体的相互作用为埃弗雷特带来了平行宇宙理论，将量子叠加态从客体扩散到主体，也就是你自己。环境和客体的相互作用带来了退相干，解释了为何一张红桃Q扑克牌不会出现奇怪的量子行为，比如同时处在两个位置什么的。