Між свідомістю людини і квантовою фізикою є дивна зв'язок

Ніхто не розуміє, що таке свідомість і як воно працює. Ніхто не розуміє . Чи може це бути більшим, ніж просто збіг? «Я не можу визначити реальну проблему, тому підозрюю, що реальної проблеми немає, але я не впевнений, що немає жодної реальної проблеми». Американський фізик Річард Фейнман сказав це про загадкових парадокси квантової механіки. Сьогодні цю теорію фізики використовують для опису найдрібніших об'єктів у Всесвіті. Але точно так само він міг сказати про заплутану проблему свідомості.

Деякі вчені думають, що ми вже розуміємо свідомість або що це просто ілюзія. Але багатьом іншим здається, що ми взагалі навіть і близько не наблизилися до суті свідомості.

Багаторічна головоломка під назвою «свідомість» навіть призвела до того, що деякі вчені спробували пояснити її за допомогою квантової фізики. Але їх старанність було зустрінуте з неабиякою часткою скепсису, і це не дивно: здається нерозумним пояснювати одну загадку за допомогою іншого.

Але такі ідеї жодного разу не абсурдні і .

З одного боку, до великого незадоволення фізиків, розум спочатку відмовляється осягати ранню квантову теорію. Більш того, квантові комп'ютери, за прогнозами, будуть здатні на такі речі, на які не здатні звичайні комп'ютери. Це нагадує нам, що наш мозок досі здатний на подвиги, недоступні для штучного інтелекту. «Квантовий свідомість» широко висміюється як містична дурниця, але ніхто так і не зміг її остаточно розвіяти.

Квантова механіка — найкраща теорія, яка у нас є, здатна описати світ на рівні атомів і субатомних частинок. Мабуть, найвідомішою з її загадок є той факт, що результат квантового експерименту може змінюватися в залежності від того, вирішуємо ми виміряти властивості беруть участь в ньому частинок чи ні.

Коли першопрохідці квантової теорії вперше знайшли цей «ефект спостерігача», вони стривожилися не на жарт. Здавалося, він підриває припущення, що лежить в основі всієї науки, що десь там існує об'єктивний світ, незалежний від нас. Якщо світ дійсно веде себе незалежно від того, чи якщо ми дивимося на нього, що буде означати «реальність» насправді?

Деякі вчені були змушені укласти, що об'єктивність — це ілюзія, і що свідомість має відігравати активну роль у квантовій теорії. Інші ж просто не бачили в цьому ніякого здорового глузду. Наприклад, Альберт Ейнштейн був засмучений: невже Місяць існує, тільки коли ви на неї дивитеся?

Сьогодні деякі фізики підозрюють, що справа не в тому, що свідомість впливає на квантову механіку... а в тому, що воно взагалі з'явилося, завдяки їй. Вони вважають, що квантова теорія може знадобитися нам, аби взагалі зрозуміти, як працює мозок. Чи може бути таке, що як квантові об'єкти можуть перебувати у двох місцях одночасно, так і квантовий мозок може одночасно мати на увазі дві взаємовиключні речі?

Ці ідеї викликають суперечки. Може виявитися так, що квантова фізика ніяк не пов'язана з роботою свідомості. Але вони хоча б демонструють, що дивна квантова теорія змушує нас думати про дивні речі.

Краще всього квантова механіка пробивається в свідомість людини через експеримент з подвійною щілиною. Уявіть собі промінь світла, який падає на екран з двома близько розташованими паралельними щілинами. Частина світла проходить через щілини і падає на інший екран.

Можна уявити світ у вигляді хвилі. Коли хвилі проходять через дві щілини, як в експерименті, вони стикаються — інтерферують між собою. Якщо їх піки збігаються, вони посилюють один одного, що виливається в серію чорно-білих смуг світла на другому чорному екрані.

Цей експеримент використовувався, щоб показати хвильовий характер світла, більше 200 років, поки не з'явилася квантова теорія. Тоді експеримент з подвійною щілиною провели з квантовими частинками — електронами. Це крихітні заряджені частки, компоненти атома. Незрозумілим чином, але ці частинки можуть вести себе як хвилі. Тобто вони піддаються дифракції, коли потік частинок проходить через дві щілини, утворюючи інтерференційну картину.

Тепер припустимо, що квантові частинки проходять через щілини одна за одною і їх прибуття на екран теж буде спостерігатися покроково. Тепер немає нічого очевидного, що змушувало б частинку интерферировать на її шляху. Але картина попадання частинок все одно буде демонструвати інтерференційні смуги.

Все вказує на те, що кожна частинка одночасно проходить через обидві щілини і интерферирует сама з собою. Це поєднання двох шляхів відомо як стан суперпозиції.

Але ось що дивно.

Якщо розмістити детектор в одній з щілин або за нею, ми могли б з'ясувати, проходить через неї частинки чи ні. Але в такому випадку інтерференція зникає. Простий факт спостереження шляху частинки — навіть якщо це спостереження не повинно заважати руху частинки — змінює результат.

Фізик Паскуаль Йордан, який працював з квантовим гуру Нільсом Бором у Копенгагені в 1920-х роках, сформулював це так: «Спостереження не тільки порушують те, що повинно бути виміряна, вони це визначають... Ми примушуємо квантову частинку вибирати певне становище». Іншими словами, Йордан каже, що «ми самі виробляємо результати вимірювань».

Якщо це так, об'єктивна реальність можна просто викинути у вікно.

Але на цьому дивацтва не закінчуються.

Якщо природа змінює свою поведінку в залежності від того, дивимося ми чи ні, ми могли б спробувати обвести їїнавколо пальця. Для цього ми могли б виміряти, який шлях вибрала частка, проходячи через подвійну щілину, але тільки після того, як пройде через неї. До того часу вона вже має «визначитися», пройти через один шлях або через обидва.

Провести такий експеримент у 1970-х роках запропонував американський фізик Джон Уілер, і в наступні десять років експеримент з «відкладеним вибором» провели. Він використовує розумні методи вимірювання шляхів квантових частинок (як правило, часток світла — фотонів) після того, як вони вибирають один шлях або суперпозицію двох.

Виявилося, що, як і передбачав Бор, немає ніякої різниці, ми затримуємо вимірювання чи ні. До тих пір, поки ми вимірюємо шлях фотона до його потрапляння реєстрацію в детекторі, інтерференції немає. Створюється враження, що природа «знає» не тільки коли ми подглядываем, але і коли ми плануємо підглядати.

Юджин Вігнер

щоразу, коли в цих експериментах ми відкриваємо шлях квантової частинки, її хмара можливих маршрутів «стискається» в єдиний чітко визначений стан. Більш того, експеримент із затримкою припускає, що сам акт спостереження, без якого-небудь фізичного втручання, викликаного виміром, може стати причиною колапсу. Чи означає це, що справжній колапс відбувається тільки тоді, коли результат вимірювання досягає нашої свідомості?

Таку можливість запропонував у 1930-х роках угорський фізик Юджин Вігнер. «З цього випливає, що квантовий опис об'єктів знаходиться під впливом вражень, що надходять в мою свідомість», писав він. «Солипсизм може бути логічно узгодженими з квантовою механікою».

Уїлера навіть бавила думка про те, що наявність живих істот, здатних «спостерігати», перетворила те, що раніше було безліч можливих квантових минулих, в одну конкретну історію. У цьому сенсі, каже Уілер, ми стаємо учасниками еволюції Всесвіту з самого її початку. За його словами, ми живемо в «соучастной всесвіту».

Фізики досі не можуть вибрати кращу інтерпретацію цих квантових експериментів, і в деякій мірі цього надається право і вам. Але, так чи інакше, очевидний підтекст: свідомість і квантова механіка якимось чином пов'язані.

Починаючи з 1980-х років, англійський фізик Роджер Пенроуз припустив, що ця зв'язок може працювати в іншому напрямку. Він сказав, що незалежно від того, впливає на свідомість квантову механіку чи ні, можливо, квантова механіка бере участь у свідомості.

Фізик і математик Роджер Пенроуз

І ще Пенроуз запитав: що, якщо в нашому мозку існують молекулярні структури здатні змінювати свій стан у відповідь на одне квантове подія? Чи можуть ці структури брати стан суперпозиції, подібно часткам у експерименті з подвійною щілиною? Чи можуть ці квантові суперпозиції потім проявлятися в тому, як нейрони з'єднуються за допомогою електричних сигналів?

Може бути, говорив Пенроуз, наша здатність підтримувати, здавалося б, несумісні психічні стани не примха сприйняття, а реальний квантовий ефект?

зрештою, людський мозок, схоже, в змозі обробляти когнітивні процеси, які досі за можливостями набагато перевершують цифрові обчислювальні машини. Можливо, ми навіть здатні виконувати обчислювальні завдання, які можна виконати на звичайні комп'ютери, використовують класичну цифрову логіку.

Пенроуз вперше припустив, що квантові ефекти присутні в людській свідомості, у книзі 1989 року 'The emperor's New Mind'. Головною його ідеєю став «оркестрована об'єктивна редукція». Об'єктивна редукція, на думку Пенроуза, означає, що колапс квантової інтерференції та суперпозиції є реальним фізичним процесом, ніби лопаються міхур.

Оркестрована об'єктивна редукція спирається на припущення Пенроуза про те, що гравітація, яка впливає на повсякденні об'єкти, стільці чи планети, не демонструє квантових ефектів. Пенроуз вважає, що квантова суперпозиція стає неможливою для об'єктів більше атомів, тому що їх гравітаційний вплив у такому випадку призвів би до існування двох несумісних версій простору-часу.

Далі Пенроуз розвивав цю ідею з американським лікарем Стюартом Хамероффом. У своїй книзі «Тіні розуму» (1994) він припустив, що структури, які беруть участь у цьому квантовому пізнанні, можуть бути білковими нитками — мікротрубочками. Вони є в більшості наших клітин, в тому числі і нейронах мозку. Пенроуз і Хамерофф стверджували, що в процес коливання мікротрубочки можуть брати стан квантової суперпозиції.

Але немає нічого в підтримку того, що це взагалі можливо.

Припускали, що ідею квантових суперпозиций в микротрубочках підтримають експерименти, запропоновані в 2013 році, але насправді в цих дослідженнях не згадувалося про квантових ефектах. Крім того, більшість дослідників вважають, що ідея оркестрованих об'єктивних редукций була розвінчана дослідженням, опублікованим в 2000 році. Фізик Макс Тегмарк розрахував, що квантові суперпозиції молекул, залучених до нейронні сигнали, не зможуть проіснувати навіть миті часу, необхідного для передачі сигналу.

Квантові ефекти, включаючи суперпозицію, дуже крихкі і руйнуються в процесі так званої декогеренции. Це процес обумовлений взаємодією квантового об'єкта з навколишнім його середовищем, оскільки його «квантовость» витікає.

Декогеренції, як вважали, маєпротікати надзвичайно швидко в теплих і вологих середовищах, таких як живі клітини.

Нервові сигнали — це електричні імпульси, викликані проходженням електрично заряджених атомів через стінки нервових клітин. Якщо один з таких атомів був у суперпозиції, а потім зіткнувся з нейроном, Тегмарк показав, що суперпозиція повинна розпадатися менш ніж за одну мільярдну мільярдної частки секунди. Щоб нейрон випустив сигнал, йому потрібно в десять тисяч трильйонів разів більше часу.

Саме тому ідеї про квантових ефектах в головному мозку не проходять перевірку скептиків.

Але Пенроуз невблаганно наполягає на гіпотезі ТМР. І незважаючи на передбачення надшвидкої декогеренции Тегмарка в клітинах, інші вчені знайшли прояви квантових ефектів у живих істот. Деякі стверджують, що квантова механіка використовується перелітними птахами, які використовують магнітну навігацію і зеленими рослинами, коли вони використовують сонячне світло для виробництва цукру в процесі фотосинтезу.

При всьому цьому ідея того, що мозок може використовувати квантові трюки, відмовляється йти назовсім. Тому що в її користь знайшли інший аргумент.

Може фосфор підтримувати квантовий стан?

У дослідженні 2015 року фізик Метью Фішер з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі стверджував, що мозок може містити молекули, здатні витримувати більш потужні квантові суперпозиції. Зокрема, він вважає, що ядра атомів фосфору можуть мати таку здатність. Атоми фосфору є у живих клітинах всюди. Вони часто приймають форму іонів фосфату, в яких один атом фосфору з'єднується з чотирма атомами кисню.

Такі іони є основною одиницею енергії в клітинах. Велика частина енергії клітини зберігається в молекулах АТФ, які містять послідовність з трьох фосфатних груп, сполучених з органічною молекулою. Коли один з фосфатів відрізається, вивільняється енергія, яка використовується клітиною.

У клітин є молекулярні машини для збирання іонів фосфату в групи та для їх розщеплення. Фішер запропонував схему, в якій два фосфатних іона можуть бути розміщені в суперпозиції певного виду: у заплутаному стані.

ядер фосфору є квантове властивість — спін — яке робить їх схожими на маленькі магніти з полюсами, вказуючими в певних напрямках. У заплутаному стані спін одного ядра фосфору залежить від іншого. Іншими словами, заплутані стани — це стани суперпозиції з участю більш як однієї квантової частинки.

Фішер каже, що квантово-механічне поведінку цих ядерних спінів може протистояти декогеренции. Він згоден з Тегмарком в тому, що квантові вібрації, про яких говорили Пенроуз і Хамерофф, будуть сильно залежати від їх оточення і «декогерировать майже відразу ж». Але спини ядер не так сильно взаємодіють зі своїм оточенням.

І все ж квантове поведінка спінів ядер фосфору має бути «захищена» від декогеренции.

У квантових частинок може бути різний спін

Це може статися, говорить Фішер, якщо атоми фосфору будуть включені в більш великі об'єкти, які названі «молекулами Познера». Вони являють собою кластери з шести фосфатних іонів в поєднанні з дев'ятьма іонами кальцію. Існують певні вказівки на те, що такі молекули можуть бути в живих клітинах, але поки що вони не дуже переконливі.

В молекулах Познера, стверджує Фішер, спини фосфору можуть протистояти декогеренции протягом дня або близько того, навіть в живих клітинах. Отже, можуть впливати і на роботу мозку.

Ідея в тому, що молекули Познера можуть бути поглинені нейронами. Опинившись всередині, молекули будуть активувати сигнал іншого нейрона, розпадаючись і випускаючи іони кальцію. Через заплутаність у молекулах Познера, два таких сигналу можуть виявитися заплутаними в свою чергу: у деякому роді, це буде квантова суперпозиція «думки». «Якщо квантова обробка з ядерними спінами насправді присутній в головному мозку, вона була б надзвичайно поширеним явищем, що відбувається постійно», - говорить Фішер.

Вперше ця ідея прийшла до нього в голову, коли він роздумував про психічної хвороби.

Капсула карбонату літію

«Моє введення в біохімію мозку почалося, коли я вирішив три-чотири роки тому дослідити, як і чому іон літію надає такий радикальний ефект при лікуванні психічних відхилень», говорить Фішер.

Літієві препарати широко використовуються для лікування біполярного розладу. Вони працюють, але ніхто насправді не знає чому.

«Я не шукав квантове пояснення, говорить Фішер. Але потім він натрапив на роботу, в якій описувалося, що препарати літію надавали різний вплив на поведінку щурів в залежності від того, яка форма — або «ізотоп» — літію використовувалася.

Спочатку це спантеличило вчених. З хімічної точки зору, різні ізотопи поводяться майже однаково, тому якщо літій працював як звичайний препарат, ізотопи повинні були мати один і той же ефект.

Нервові клітини пов'язані з синапсами

Але Фішер зрозумів, що ядра атомів різних ізотопів літію можуть мати різні спини. Це квантове властивість може впливати на те, як діють препарати на основі літію. Наприклад, якщо літій заміняє кальцій у молекулах Познера, спини літію можуть надавати ефект на атоми фосфору і перешкоджати їх заплутування.

Якщо це вірно, тозможе і пояснити, чому літій може лікувати біполярний розлад.

На даний момент припущення Фішера є не більш ніж цікавою ідеєю. Але є кілька способів її перевірити. Наприклад, що спини фосфору в молекулах Познера можуть зберігати квантову когерентність протягом тривалого часу. Це Фішер і планує перевірити далі.

І все ж він побоюється бути пов'язаним з більш ранніми уявленнями про «квантовому свідомості», які вважає в кращому випадку спекулятивними.

Свідомість — глибока таємниця

Фізики не дуже люблять надаватися в межах своїх теорій. Багато хто з них сподівається, що свідомість і мозок можна буде отримати з квантової теорії, а може, і навпаки. Але адже ми не знаємо, що таке свідомість, не кажучи вже про те, що у нас немає теорії, яка його описує.

Більш того, зрідка звучать гучні вигуки, що квантова механіка дозволить нам оволодіти телепатією і телекінезом (і хоча десь на глибині концепцій це може бути так, люди розуміють все занадто буквально). Тому фізики взагалі побоюються згадувати слова «квантовий» і «свідомість» в одному реченні.

В 2016 році Едріан Кент з Кембріджського університету у Великобританії, один з найбільш шанованих «квантових філософів», припустив, що свідомість може змінювати поведінку квантових систем тонким, але цілком виявити чином. Кент дуже обережний у своїх висловлюваннях. «Немає ніяких переконливих підстав вважати, що квантова теорія — це відповідна теорія, з якої можна отримати теорію свідомості, або що проблеми квантової теорії повинні якось перетинатися з проблемою свідомості», визнає він.

Але додає, що абсолютно незрозуміло, як можна вивести опис свідомість, грунтуючись виключно на доквантовой фізики, як описати всі його властивості та риси.

Ми не розуміємо, як працюють думки

Один особливо хвилююче питання — як наш свідомий розум може відчувати унікальні відчуття зразок червоного кольору або запаху смаження м'яса. Якщо не вважати людей з порушеннями зору, всі ми знаємо, на що схожий червоний, але не можемо передати це почуття, а у фізиці немає нічого, що могло б нам розповісти, на що це схоже.

Почуття зразок цих називають «квалиа». Ми сприймаємо їх як єдині властивості зовнішнього світу, але на ділі вони є продуктами нашої свідомості — і це важко пояснити. У 1995 році філософ Девід Чалмерс назвав це «важкою проблемою» свідомості.

«Будь-яка уявна ланцюжок про зв'язок свідомості з фізикою призводить до серйозних проблем», говорить Кент.

Це спонукало його припустити, що «ми могли б домогтися деякого прогресу в розумінні проблеми еволюції свідомості, якби допустили (хоча б просто допустили), що змінює свідомість квантові ймовірності».

Іншими словами, мозок дійсно може впливати на результати вимірювань.

З цієї точки зору, він не визначає, «що є реальним». Але він може впливати на ймовірність того, що кожна з можливих реальностей, нав'язаних квантової механікою, буде спостерігатися. Цього не може передбачити навіть сама квантова теорія. І Кент вважає, що ми могли б пошукати такі прояви експериментально. Навіть сміливо оцінює шанси знайти їх.

«Я б припустив з 15-відсотковою упевненістю, що свідомість викликає відхилення від квантової теорії; і ще 3-процентної — що ми експериментально підтвердимо це в наступні 50 років», говорить він.

Якщо це станеться, світ вже не буде колишнім. А заради такого варто досліджувати.