将大脑与量子物理学联系起来，量子效应不会在大脑中扮演怎样的角色？从不同的角度和不同的层次来分析这个问题似乎是一项艰巨的任务，但我认为在这个问题的某些方面比其他方面更清晰，更有科学依据。

我将从计算机科学和进化的角度来开始这篇文章的前半部分。在第二部分，我们进入量子思想，薛定谔的突触分裂和意识的奇异而更具有思辨性的领域。

经典计算机

经典计算机是基于图灵机器的原理，它已经被证明等同于所有经典计算机器的描述，人们从图灵时代就已经想到了这些。我详细地讲述了它们是如何工作的，以及是什么让它们如此强大。图灵机可以用许多不同的方法实现，但是每台图灵机都包含一种称为磁带（磁盘）的东西，信息存储在磁带上，可以由机器的头部读出和操作。此磁带存储符号(如数字0或1或字母、单词等)。

图灵机中的计算相当于对磁带上的符号进行操作，通过算法实现。例如，可以使用图灵机按照给定的过程添加两个数字，该过程的细节取决于所使用的符号语言。算法运行后，将输入(磁带的初始状态)转换为输出(过程结束时磁带的状态)。

量子计算机

另一方面，量子计算机不把信息存储在磁带上，而是用量子比特来编码。例如，电子或原子的自旋可以用作量子位元。和图灵机的原理一样，量子计算机的计算是通过将算法编码为对量子位元的运算，执行这些运算，然后读出所需的结果，这些结果在量子位元的最终状态中找到。

布洛赫球是量子位“居住”的地方。在某些方面，量子计算机比传统计算机更强大，因为量子位通过一种称为叠加的特殊量子特性，比简单地位更有表现力，比图灵机磁带上的一个简单单元能容纳更多的信息。

了解所涉及的范围，60量子位的信息容量扩展了已知宇宙中所有原子的经典存储容量，因为相关的希尔伯特空间的维数呈指数级增长（对于60量子位，其尺度为2）。

然而，量子计算机的建造和编程都很棘手。量子态有一种倾向，它特别容易被周围环境干扰。还不清楚量子计算机从长远来看实际上将有多有用，以及它们是否将以某种方式取代传统计算机。

理论物理学家李奥纳特·苏士侃声称量子计算机的主要应用领域可能仅仅在于模拟量子系统。这对理论物理学家来说是非常令人兴奋的，它可以在量子化学和凝聚态/多体物理中提供非常有用的应用，但不会改变我们在日常生活中使用计算机的方式。

量子物理学的尺度与普朗克常数有关。普朗克常数h很小。它是如此之小，以至于人类直到大约年前才注意到它。因为太微小了，我们很难意识到我们对物理学本质的直觉出了问题，这是在类人猿向大草原上的动物扔石头进化而来的。在这些尺度（普朗克）上，量子效应真的变得很重要，让我们能够越来越深入地研究量子物理的定律。

量子宇宙中的经典计算机

由尼尔斯·玻尔首先提出的对应原理指出，每一个量子理论都必须与一个在大尺度范围内的经典理论相对应，因为这个经典理论正是我们所观察到的存在于更大尺度范围内的事物。

要点是：一个经典的宇宙可以是，而且在某种程度上是在一个量子宇宙中实现的，即使我们已经发现了宏观量子效应，如玻色-爱因斯坦凝聚物。我们生活的几乎每一个方面看起来都非常经典，你可以在量子世界中实现经典计算机。

在一个稍微令人困惑的转变中，我们现代的经典计算机仍然依赖于量子物理，如果不考虑量子效应，你就不可能理解或构建一个晶体管。尽管如此，晶体管通过将信息编码为经典的比特来实现经典的图灵机。人类已经认识到，制造一台经典计算机要比制造一台量子计算机容易得多。

这让我们有理由相信，让我们“计算”世界的器官可能也是古典的。

大脑就像一台经典的电脑

量子计算机必须处理经典计算机没有的各种问题。其中一个在量子物理学中被称为退相干。波函数是变化无常的。它们喜欢从量子系统的外部分散开来，并与其他各种各样的东西纠缠在一起。保持量子位的波动函数相干是一个非常困难的工程问题，因为添加纠错绝非易事，而在传统的图灵机中，简单的纸张可以可靠地及时转发信息。

这对我来说是最有说服力的论点，大脑确实是一个经典的计算机，在每个方面都很重要。我们不完全确定信息是如何在大脑中存储和处理的，但是使用量子位作为信息存储和信息处理的原子将是相当令人吃惊的。

然而，这并不意味着量子效应可能不会在大脑中发挥作用。像光合作用这样的自然现象依赖于量子相干性，这已经引起了激烈的争论，尽管这看起来可能不像预期的那样。

但事实是没有量子物理学就无法解释光合作用。毕竟，宇宙深处是量子的，只要我们不完全了解大脑及其最神秘的产物——意识，就有新理论的空间。

量子力学解释

如果你能把大脑放大到磨坊那么大，然后在里面走动，你就找不到意识了——戈特弗里德威廉莱布尼茨

莱布尼茨肯定没有预见到量子物理学，但量子物理学告诉我们，尺度可以变得相关。

众所周知，量子物理学是很难解释的，观察者通过测量波函数并强迫波函数进入一个可观测的特征态来引起波函数的崩溃。在冯·诺依曼的量子力学数学基础中，他推测称这个结束了观察链的观察者为“抽象的自我”。另一方面，在许多世界的解释中，量子测量的每一个结果都是同时实现的，因为观察者本身被视为一个量子系统，因此与被测量的量子系统的波函数纠缠在一起。

薛定谔的突触间隙

神经元的霍奇金-赫胥黎模型描述了单个神经元产生动作电位的过程，该过程基于突触间隙中的钾、钠传导、逆转电位和泄漏传导。

如果神经元被推到某个阈值以上，它就会被激活，如果低于这个阈值，它就不会被激活。该模型将神经元描述为一个动态系统，动态系统可以有所谓的分岔。在这种情况下，这意味着神经元要么激活，要么不依赖于突触间隙的一些微小变化。

突触间隙是非常小的。在突触通道中流动的离子在霍奇金-赫胥黎模型模型中得到了经典的处理，但这是合理的吗？现在不仅是每个神经元，整个大脑都是一个复杂的非线性动力系统，在这类系统中，微观波动会爆炸并影响整体行为，这反过来又可能被用于神经元的计算。

但突触间隙也提出了一个哲学问题:在薛定谔著名的思维实验中，一只猫被认为同时是死的和活的，然后观察者测量它的量子态并决定它的命运。把这个思维实验应用到大脑上，如果把神经递质当作量子系统来对待，可能会影响大脑的整体状态，神经元会处于放电和不同时放电的叠加状态吗?

再加上一个哲学层面：当我们在一个理论中讨论观察者时，我们含蓄地假设这些观察者是由大脑构成的。当涉及到对大脑突触本身的测量时，一个观察者会从哪里来，这与关于科本哈根解释和许多世界解释的争论有什么关系？

大脑的量子理论

由于这类问题仍然是一个悬而未决的大问题，一些知名科学家开始推测，是否有必要用量子效应来解释大脑的活动。

自上世纪30年代以来，我们已经清楚地看到，量子理论是非局部的。在纠缠量子系统中，部分信息存在于纠缠态中，而不是存储在局域内。由于意识在我们看来是一个统一的非局部领域（在意识哲学中也称为绑定问题），因此我们很难想象它来自数十亿个单独的神经元，这很容易得出结论。意识可能来自量子效应或与量子效应有关。但是请记住，这仅仅是一个隐喻性的陈述：它完全没有必要仅通过量子理论的非局部性来解释束缚问题。

意识可能会影响胞吐作用，即细胞通过有意识的意图在细胞膜上运输神经递质等分子的过程。进一步的研究建立在他们的理论之上，提出了可能涉及的蛋白质机制。

另一个著名的有争议的例子是彭罗斯和哈默洛夫的OrchOR理论，该理论假定神经元内的量子态是如何被所谓的微管减少的。这个理论相当复杂，超出了本文的范围。人们对此争论不休，很可能不成立，但这仍然是一种有趣的冲动。

但另一方面，仍然有一定的空间来解释大脑中发生的事情，意识如何产生以及它如何与量子物理学相互作用，因此我们有理由对未来会带来什么保持好奇和开放，并等待因为我在本文上半部分写的所有内容都被证明是错误的。

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