От физики к нейробиологии. У истоков квантового сознания
Сейчас ученые все больше убеждаются в том, что квантовые эффекты - это проявление психических процессов человека. И то, где заканчивается наблюдение и начинается реальность, зависит от каждого из нас.
Согласно квантовым экспериментам, природа меняет свое поведение в зависимости от того, есть наблюдатель или нет, а это значит, что можно было бы попытаться обвести ее вокруг пальца. Для этого нужно измерить, какой путь выбрала частица, проходя через двойную щель, но только после того как она пройдет через нее. К тому времени она уже должна «определиться», пройти через один путь или через оба. Провести такой эксперимент в 1970 г.г. предложил американский физик Джон Уилер, и в следующие 10 лет эксперимент с «отложенным выбором» провели. Он использует умные методы измерения путей квантовых частиц (как правило, частиц света - фотонов) после того, как они выбирают один путь или суперпозицию 2х.
Оказалось, что, как и предсказывал в своё время Н. Бор, нет никакой разницы, задерживают измерения или нет. До тех пор, пока измеряется путь фотона до его попадания и регистрацию в детекторе, интерференции нет. Создается впечатление, что природа знает не только когда за ней подглядывают, но и когда планируют подглядывать. Каждый раз, когда в этих экспериментах открывается путь квантовой частицы, ее облако возможных маршрутов сжимается (коллапсирует) в единое четко определенное состояние. Более того, эксперимент с задержкой предполагает, что сам акт наблюдения, без какого-либо физического вмешательства, вызванного измерением, может стать причиной коллапса. Вопрос в том, значит ли это что истинный коллапс происходит только тогда, когда результат измерения достигает сознания наблюдателя. Такую возможность предложил в 1930 г.г. Ю. Вигнер. «Из этого следует, что квантовое описание объектов находится под влиянием впечатлений, поступающих в мое сознание», писал он. Другого физика Д. Уилера даже забавляла мысль о том, что наличие живых существ, способных «наблюдать», преобразовала то, что ранее было множество возможных квантовых прошлых, в одну конкретную историю. В этом смысле, говорит Уилер, мы становимся участниками эволюции Вселенной с самого ее начала. По его словам, мы живем в «соучастной вселенной».
Физики до сих пор не могут выбрать лучшую интерпретацию этих квантовых экспериментов, и в некоторой степени право этого предоставляется и нам. Но, так или иначе, подтекст очевиден: сознание и квантовая механика каким-то образом связаны.
Начиная с 1980 г.г., английский физик Р. Пенроуз предположил, что эта связь может работать в другом направлении. Он сказал, что независимо от того, влияет сознание на квантовую механику или нет, возможно, квантовая механика участвует в сознании.
Физик и математик Р. Пенроуз
Он предположил, что если в мозге существуют молекулярные структуры, способные менять свое состояние в ответ на одно квантовое событие, тогда эти структуры, возможно, могут принимать состояние суперпозиции,как и частицы в эксперименте с двойной щелью. Таким образом эти квантовые суперпозиции могут затем проявляться в том, как нейроны сообщаются посредством электрических сигналов. Возможно, способность поддерживать на первый взгляд несовместимые психические состояния - это не причуда восприятия, а реальный квантовый эффект.
Человеческий мозг, возможно, в состоянии обрабатывать когнитивные процессы, которые до сих пор по возможностям намного превосходят цифровые вычислительные машины. Возможно, люди даже способны выполнять вычислительные задачи, которые нельзя исполнить на обычных компьютерах, использующих классическую цифровую логику. Пенроуз впервые предположил, что квантовые эффекты присутствуют в человеческом сознании, в книге 1989 г. ‘The Emperor’s New Mind’. Главной его идеей стала «оркестрованная объективная редукция». Она означает, что коллапс квантовой интерференции и суперпозиции является реальным физическим процессом, будто лопающийся пузырь. Оркестрованная объективная редукция опирается на предположение Пенроуза о том, что гравитация, которая влияет на повседневные объекты, стулья или планеты, не демонстрирует квантовых эффектов. Пенроуз полагает, что квантовая суперпозиция становится невозможной для объектов больше атомов, потому что их гравитационное воздействие в таком случае привело бы к существованию двух несовместимых версий пространства-времени.
Дальше Пенроуз развивал эту идею с американским врачом С. Хамероффом. В своей книге «Тени разума» (1994) он предположил, что структуры, участвующие в этом квантовом познании, могут быть белковыми нитями - микротрубочками.
Они имеются в большинстве наших клеток, в том числе и нейронах мозга. Пенроуз и Хамерофф утверждали, что в процесс колебания микротрубочки могут принимать состояние квантовой суперпозиции. Тем не менее, на сейчас нет ничего в поддержку того, что это возможно. Предполагалось, что идею квантовых суперпозиций в микротрубочках поддержат эксперименты, предложенные в 2013 г., но на деле в этих исследованиях не упоминалось о квантовых эффектах.
Кроме того, большинство исследователей считают, что идея оркестрованных объективных редукций была развенчана исследованием, опубликованным в 2000 г. Физик М.Тегмарк рассчитал, что квантовые суперпозиции молекул, вовлеченных в нейронные сигналы, не смогут просуществовать даже мгновения времени, необходимого для передачи сигнала. Квантовые эффекты, включая суперпозицию, очень хрупкие и разрушаются в процессе декогеренции. Это процесс обусловлен взаимодействиями квантового объекта с окружающей его средой, поскольку его «квантовость» утекает. Декогеренция, как полагали, должна протекать чрезвычайно быстро в теплых и влажных средах, таких как живые клетки. Нервные сигналы - это электрические импульсы, вызванные прохождением электрически заряженных атомов через стенки нервных клеток. Если один из таких атомов был в суперпозиции, а затем столкнулся с нейроном, Тегмарк показал, что суперпозиция должна распадаться менее чем за одну миллиардную миллиардной доли секунды. Чтобы нейрон выпустил сигнал, ему нужно в десять тысяч триллионов раз больше времени. Именно поэтому идеи о квантовых эффектах в головном мозге пока что не проходят проверку скептиков. Тем не менее, Пенроуз неумолимо настаивает на гипотезе ООР. И несмотря на предсказание сверхбыстрой декогеренции Тегмарка в клетках, другие ученые нашли проявления квантовых эффектов у живых существ. Некоторые утверждают, что квантовая механика используется перелетными птицами, которые используют магнитную навигацию, и зелеными растениями, когда они используют солнечный свет для производства сахара в процессе фотосинтеза. При всем этом идея того, что мозг может использовать квантовые трюки, отказывается уходить насовсем. Потому что в ее пользу нашли другой аргумент.
В исследовании 2015 г. физик М. Фишер утверждал, что мозг может содержать молекулы, способные выдерживать более мощные квантовые суперпозиции. В частности, он полагает, что ядра атомов фосфора могут иметь такую способность. Атомы фосфора имеются в живых клетках повсюду. Они часто принимают форму ионов фосфата, в которых один атом фосфора соединяется с четырьмя атомами кислорода.Такие ионы являются основной единицей энергии в клетках. Большая часть энергии клетки хранится в молекулах АТФ, которые содержат последовательность из 3х фосфатных групп, соединенных с органической молекулой. Когда один из фосфатов отрезается, высвобождается энергия, которая используется клеткой. У клеток есть молекулярные машины для сборки ионов фосфата в группы и для их расщепления. Фишер предложил схему, в которой два фосфатных иона могут быть размещены в суперпозиции определенного вида: в запутанном состоянии. У ядер фосфора есть квантовое свойство - спин - которое делает их похожими на маленькие магниты с полюсами, указывающими в определенных направлениях. В запутанном состоянии спин одного ядра фосфора зависит от другого. Другими словами, запутанные состояния - это состояния суперпозиции с участием более одной квантовой частицы. Фишер говорит, что квантово-механическое поведение этих ядерных спинов может противостоять декогеренции. Он согласен с Тегмарком в том, что квантовые вибрации, о которых говорили Пенроуз и Хамерофф, будут сильно зависеть от их окружения и «декогерировать почти сразу же». Но спины ядер не так сильно взаимодействуют со своим окружением. И все же квантовое поведение спинов ядер фосфора должно быть «защищено» от декогеренции.
У квантовых частиц может быть разный спин.
Это может произойти, говорит Фишер, если атомы фосфора будут включены в более крупные объекты, которые названы «молекулами Познера». Они представляют собой кластеры из шести фосфатных ионов в сочетании с девятью ионами кальция. Существуют определенные указания на то, что такие молекулы могут быть в живых клетках, но пока они не очень убедительны. В молекулах Познера, утверждает Фишер, спины фосфора могут противостоять декогеренции в течение дня или около того, даже в живых клетках. Следовательно, могут влиять и на работу мозга. Идея в том, что молекулы Познера могут быть поглощены нейронами. Оказавшись внутри, молекулы будут активировать сигнал другому нейрону, распадаясь и выпуская ионы кальция. Из-за запутанности в молекулах Познера, 2 таких сигнала могут оказаться запутанными в свою очередь: в некотором роде, это будет квантовая суперпозиция «мысли». «Если квантовая обработка с ядерными спинами на самом деле присутствует в головном мозге, она была бы чрезвычайно распространенным явлением, происходящим постоянно», говорит Фишер. Впервые эта идея пришла к нему в голову, когда он раздумывал о психической болезни.«Мое введение в биохимию мозга началось, когда я решил три-четыре года назад исследовать, как и почему ион лития оказывает такой радикальный эффект при лечении психических отклонений», говорит Фишер.
Литиевые препараты широко используются для лечения биполярного расстройства. Они работают, но никто не знает почему (всё как и в квантмехе). Фишер не искал квантовое объяснение, но случайно прочёл работу, в которой описывалось, что препараты лития оказывали различное влияние на поведение крыс в зависимости от того, какая форма - или «изотоп» - лития использовалась. Поначалу это озадачило ученых. С химической точки зрения, различные изотопы ведут себя почти одинаково, поэтому если литий работал как обычный препарат, изотопы должны были иметь один и тот же эффект.
Нервные клетки связаны с синапсами
Но Фишер понял, что ядра атомов различных изотопов лития могут иметь различные спины. Это квантовое свойство может влиять на то, как действуют препараты на основе лития. Например, если литий заменяет кальций в молекулах Познера, спины лития могут оказывать эффект на атомы фосфора и препятствовать их запутыванию. Если это верно, то сможет и объяснить, почему литий может лечить биполярное расстройство. На данный момент предположение Фишера является не более чем интригующей идеей. Но есть несколько способов ее проверить. Например, что спины фосфора в молекулах Познера могут сохранять квантовую когерентность в течение длительного времени. Это Фишер и планирует проверить дальше. И все же он опасается быть связанным с более ранними представлениями о «квантовом сознании», которые считает в лучшем случае спекулятивными.
Последние попытки формализовать сознание предпринимал Джулио Тонони в 2016 г., профессор из Университета Висконсин-Мэдисона, предложивший теорию интегрированной информации (IIT), а теперь и М. Тегмарк, который попытался обобщить работу Тонони с точки зрения квантовой механики. В своей научной работе «Сознание как состояние вещества» Тегмарк предположил, что сознание можно рассмотреть как состояние вещества под названием «перцептрониум», которое может быть дифференцировано от других видов материи (твердых, жидких, газообразных) с использованием пяти математически обоснованных принципов. Если коротко, теория берет за основу IIТ Тонони - сознание является результатом системы, которая может накапливать и эффективно использовать информацию - и ведет ее к перцептрониуму, определяемому как «общая субстанция, которая субъективно самоощущаема». Эта субстанция не только может накапливать и использовать данные, но также является неделимой и единой. Большая часть работы описывает перцептрониум в терминах квантовой механики и рассматривает, почему мы воспринимаем мир в терминах классических независимых систем, а не в терминах одной большой взаимосвязанной квантовой мешанины. На этот вопрос, в частности, у Тегмарка ответа нет.
Работа Тегмарка не доходит до пункта, где мы можем ответить на вопрос, что вызывает или создает сознание, но проделанный путь свидетельствует о том, что сознание определяется теми же законами физики, что управляют и остальной Вселенной.