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粒子遵循物理规律,人类由粒子组成,那人的未来是不是可以提前预测?

klimkin / CC0

所有粒子都遵循物理规律,而人类又是粒子组成的,那么人的未来是不是可以提前预测?

白格,冷门科普

这句话的前半段是对的——1.所有粒子都遵循物理规律,2.人类由粒子组成。但是推论有待商榷,这两个前提并不意味着人的未来可以被预测。

原因在于,粒子所遵循物理规律是量子理论。在量子理论的图景中,单个粒子的行为和宏观物体行为完全不同,表现出极大的随机性,根本无法精确地预测。这一现象的发现可追溯到 1827 年,苏格兰植物学家罗伯特·布朗发现水中的花粉,在显微镜下出现了非常难以理解的现象——它们在不停地做随机运动。当时的科学家非常困惑,以为花粉中包含着“活性分子”。一些鬼魅般的成分驱动了花粉的运动。

显微镜下的布朗运动(Brownian Motion)

但这一解释显然是错误的。我们现在知道,花粉粒子的运动实际上是由更加微小的分子推动的。液体中的分子不断地进行热运动,从各个方向碰撞花粉,从而产生了随机运动。

花粉与水分子的相互作用

所以,在绝大部分情况下(注意,是绝大部分情况),我们的世界在微观层面混乱而无序,无法精确预测。

那么,为什么我们还会看到铁球落地、星球周转,钟表走时——似乎一切都精密运转,丝毫不乱,甚至大部分现象都可以用牛顿力学的公式足够精确地计算呢?难道宏观物体和微观物体遵循着两套不同的物理规律吗?

这里要谈到一个尺度问题。我们目之所及的物体,即便细微如芥,只要人眼能够分辨,最小尺寸也在 0.1mm 以上,也就是 100000 纳米——包含了几十万甚至上百万个原子。如此众多的粒子组合在一起,各自的量子涨落会被互相抵消,很难形成肉眼可见的宏观运动。为了更加直观地表现这个现象,我做了一张动图:

可以看出,无数个无序的、微小的随机涨落,在微观尺度下活泼好动,好像“活了”一样;但在宏观尺度上却十分稳定,如同“死物”。这就好像沙滩远看是一片单调的颜色,但在显微镜下却显现出形态各异的结构,包含着矿物颗粒,海螺、贝壳、珊瑚……异常丰富而美丽。

左:海滩沙粒 右:砂砾在显微镜下

我们看到的大部分宏观物体都由粒子杂乱地组合在一起,因此整体行为可以被牛顿经典物理学计算和预测。

但是,如果这些粒子不是无序结合,而是有序组织的呢?你会发现整个世界的图景会完全改变——某些物体——比如生命,会表现出层层嵌套的复杂结构,如同精密的仪器,足以把分子层面的信息放大到肉眼可见的尺度。

以生物细胞内的驱动蛋白(Kinesins)为例,这个微小的物体如同一架精巧的机械,能够利用 ATP 水解所释放的能量,驱动自身并携带的货物分子沿微管运动,在细胞内运输物质。

这种驱动蛋白的尺寸仅有 80 纳米长,就像是细胞内的微型机车,负责输送物质,人体内有大约 45 种。试想一下,生命体从里到外,从下而上,到处都是如此精密的结构,还能像铁球或者岩石一样,用经典物理的方法计算、预测吗?

显然不能。

再以大脑为例,我们可以进一步看到生物的惊人复杂性。人脑大约有 860 亿个神经元,比地球人口 10 倍还多,其相互连接的复杂结构超过人类建造的所有网络。2018 年,谷歌和德国 Max Planck 研究所利用递归神经算法,对脑组织进行了 3D 成像和重构。他们发现,仅仅一个立方毫米的大脑组织,就可以生成超过 1000TB 的数据!

Google 利用人工智能重构的部分神经元结构

更难以置信的是,大脑能够在量子纠缠层面产生效应。美国加州大学圣芭芭拉分校的马修·费希尔(Matthew Fisher)教授提出,大脑中可能在利用核自旋进行着量子处理,他提出了一种叫做“波斯纳”(Posner)的磷酸盐分子 Ca9(PO4)6,可以充当量子比特存储器,能够维持几天之久的相干时间。

类似假设以前也被提出过——1989 年,数学物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)声称意识是神经元细胞微管(构成细胞骨架的蛋白质)中量子引力效应的结果。大部分科学家对此嗤之以鼻,神经生物学家帕特里夏·丘吉兰(Patricia Churchland)甚至讽刺道:认为意识来源于量子效应,就跟认为意识来源于神经元突触中闪着金光的的魔法粉尘差不多(想象一下彼得潘里小精灵身上金光闪闪的粉尘)。

但是,这一理论近年来却被更加严肃地对待。马修·费希尔从一个临床现象获得了突破:很久以来,锂类药物都被广泛用于治疗躁郁症(例如采用锂药物和 2- 丙基戊酸钠可以防止病人狂躁),但没人知道其真实原理。费希尔发现,药房里出售的作为药物的锂基本上就是同位素锂 -7。那么,稀有的同位素锂 -6 是否也有同样的效果呢?费希尔猜测,两种同位素都是同样的化学元素,区别仅仅在于原子核中的中子数。如果锂药物仅在化学层面产生作用,那么锂 -6 和锂 -7 的化学性质完全相同,药效应该完全一样[1]

但是令人大跌眼镜的是,1986 年的研究显示,康奈尔大学对锂 -7 和锂 -6 的效果进行过对比。摄入锂 -6 的大鼠所表现出来的母性行为比摄入锂 -7 的大鼠强烈得多!费希尔认为,其中奥秘来自于核自旋——核自旋影响了每个原子保持相干态时间长短的量子特征。自旋越低,原子核就越不与电场与磁场发生作用,退相干就越慢。由于锂 -7 和锂 -6 的中子数不同,自旋也不同。其结果就表现为锂 -7 退相干得过快,而不发生量子认知;锂 -6 能保持更长时间的纠缠态,因而体现为迥异的行为。这便暗示,量子过程或许在认知处理中扮演了重要角色。

加州大学圣芭芭拉分校的 Matthew Fisher 教授

目前,科学家对大脑量子过程的研究还在继续进行,谜底还远没有被揭开。但我们相信,人类在漫长的进化中,已经发展出令人难以想象的机能和结构。人体所利用的能量和信息,不仅存在于宏观物理层,也存在于细胞和蛋白质层,甚至有可能已经深入到了更加精细的量子层。大千世界何其精妙!人类的行为虽然遵循着物理规律,但也绝非是经典物理可以简单描述和预测的。

我们知道的越多,就会发现自己越无知。
——苏格拉底