Ніхто не розуміє, що таке свідомість і як вона працює. Ніхто не розуміє і квантову механіку. Чи може це бути більшим, ніж просто збіг? "Я не можу визначити справжню проблему, тому підозрюю, що реальної проблеми немає, але я не впевнений, що немає реальної проблеми". Американський фізик Річард Фейнман сказав це про загадкові 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 підібралися 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 була зустрінута з неабиякою часткою скепсису, і це не дивно: здається нерозумним пояснювати одну загадку за допомогою іншої. Але такі ідеї не є абсурдними, ні випадковими.
З одного боку, до великого невдоволення 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. "Квантова свідомість" широко висміюється як містична дурниця, але ніхто так і не зміг її остаточно розвіяти.
Що відбувається в нашому мозку?
Квантова механіка - найкраща теорія, яка у нас є, що 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 частинок, що беруть участь в ньому чи ні.
Коли першопрохідці квантової теорії вперше виявили 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 поводиться залежно від того, як — або якщо - ми дивимося на нього, що буде означати "реальність" насправді?
Деякі вчені були змушені зробити висновок, що об'єктивність — це ілюзія, і що свідомість повинна 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 нього дивитеся?
Сьогодні деякі фізики підозрюють, що справа не в тому, що свідомість впливає на квантову механіку... а в тому, що вона взагалі з'явилася, завдяки їй. Вони вважають, що квантова теорія може знадобитися нам, щоб взагалі зрозуміти, як працює мозок. Чи може бути таке, що як квантові об'єкти можуть перебувати в 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 не відіграє фундаментальної ролі ні в роботі розуму, ні в його функціонуванні. Але вони принаймні демонструють, наскільки дивно квантова теорія змушує нас думати.
Експеримент з подвійною щілиною
Найвідоміший приклад квантової механіки для розуміння, це експеримент з подвійною щілиною. Уявіть собі промінь світла спрямований на екран з двома близько розташованими паралельними щілинами. Частина світла проходить через щілини і потрапляє на інший екран.
Уявіть світло у вигляді хвилі. Коли хвилі проходять через дві щілини, як у цьому прикладі, вони стикаються — інтерферують — між собою. Якщо їх піки збігаються, вони підсилюють один одного, тоді як піки та жолобки збігаються - вони нейтралізуються. Ця хвильова інтерференція називається дифракцією, що виливається в серію чорно-білих смуг світла на другому чорному екрані, де світлові хвилі або посилюються, або скасовуються.
Цей експеримент пояснював характеристику поведінки хвиль більше 200 років, поки не з'явилася квантова теорія. Тоді експеримент з подвійною щілиною провели з квантовими частинками - електронами. Це крихітні заряджені частинки, компоненти атома. Незрозумілим чином, ці частинки можуть вести себе як хвилі. Тобто вони піддаються дифракції, коли потік частинок проходить через дві щілини, виробляючи інтерференційну картину.
Тепер припустимо, що квантові частинки проходять через щілини одна за одною і їх прибуття на екран теж буде спостерігатися покроково. Тепер для кожної частинки немає нічого, що б перешкоджало їй інтерферувати. Але картина попадання частинок все одно буде демонструвати інтерференційні смуги.
Здається, що кожна частинка одночасно проходить через обидві щілини і інтерферує сама з собою. Ця комбінація "поєднання двох шляхів" відома, як стан суперпозиції.
Але ось що дивно.
Частинки можуть бути в двох станах
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 в Копенгагені в 1920-х роках, сформулював це так: "спостереження не тільки порушують те, що повинно бути виміряно, вони створюють його... Ми примушуємо, квантову частинку, вибирати певне положення". Іншими словами, Йордан каже "що ми самі виробляємо результати вимірювань".
Якщо це так, об'єктивну 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 її навколо пальця. Для цього ми могли б виміряти, який шлях вибрала частка проходячи через подвійну щілину, але тільки після того, як пройде через неї. На той час вона вже повинна "визначитися", пройти через один шлях або через обидва.
Провести такий експеримент в 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, частинок світла — фотонів) після того, як вони вибирають один шлях або суперпозицію двох.
Виявилося, що, як і передбачав Бор, немає ніякої різниці, затримуємо ми вимірювання чи ні. До тих пір, поки ми вимірюємо шлях фотона до його остаточного попадання в детекторі, ми втрачаємо інтерференцію.
Створюється враження, що природа "знає" не тільки коли ми підглядаємо, але і коли ми плануємо підглядати.
Юджин Вігнер
Кожного разу, коли в цих експериментах ми відкриваємо шлях квантової частинки, її хмара можливих маршрутів "стискається" в єдиний чітко визначений стан. Більш того, експеримент із затримкою передбачає, що сам акт спостереження, без будь-якого фізичного втручання, викликаного вимірюванням, може стати причиною стискання. Чи означає це, що справжнє стискання 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 у мою свідомість", писав він. "Соліпсизм може бути логічно узгодженим з квантовою механікою".
Уілера навіть розважала думка про те, що наявність живих істот здатних "спостерігати", перетворила те, що раніше було безліччю можливих квантових минулих, в одну конкретну історію. У цьому сенсі, говорить Уілер, ми стаємо учасниками еволюції Всесвіту з самого його початку. За його словами, ми живемо в "співучасному Всесвіті".
Фізики досі не можуть вибрати кращу інтерпретацію цих квантових експериментів, і в деякій мірі, вони залежать від вас. Але, так чи інакше, висновок безсумнівний: свідомість і квантова механіка якимось чином пов'язані.
Починаючи з 1980-х років, англійський фізик Роджер Пенроуз припустив, що цей зв'язок може працювати в іншому напрямку. Він сказав, так чи ні, свідомість впливає на квантову механіку, можливо і 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 одну квантову подію? Чи можуть ці структури приймати стан суперпозиції, подібно частинкам в експерименті з подвійною щілиною? Чи можуть ці квантові суперпозиції потім проявлятися в тому, як нейрони викликають взаємодію за допомогою електричних сигналів?
Може бути, сказав 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 до сих пір, значно перевершують цифрові обчислювальні машини. Можливо, ми навіть здатні виконувати обчислювальні завдання, які не можна виконати на звичайних комп'ютерах, що використовують класичну цифрову логіку.
Пенроуз вперше припустив, що квантові ефекти присутні в людській свідомості, в книзі 1989 року 'The Emperor's New Mind'. Головною його ідеєю стала "оркестрована об'єктивна редукція", Orch-OR. Об'єктивна редукція, на думку Пенроуза, означає, що руйнування квантової інтерференції і суперпозиції є реальним фізичним процесом, ніби лопається пузир.
Оркестрована об'єктивна редукція спирається на припущення Пенроуза про те, що гравітація відповідає за те, що предмети повсякденного життя, такі як стільці та планети, не проявляють квантових ефектів. Пенроуз вважає, що квантова суперпозиція стає неможливою для об'єктів більше за атоми, тому що їх гравітаційні ефекти примушують співіснувати дві несумісні версії простору-часу.
Далі Пенроуз розвивав цю ідею з американським лікарем Стюартом Хамероффом. У своїй книзі "тіні розуму" (1994) він припустив, що структури, що 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 стверджують, що вібрації мікротрубочок можуть приймати стан квантової суперпозиції.
Але немає ніяких доказів того, що це взагалі можливо.
Мікротрубочки всередині клітини
Припускали, що ідею квантових суперпозицій в мікротрубочках, підтримується експериментами описаними в 2013 році, але насправді в цих дослідженнях не згадувалось про квантові ефекти.
Крім того, більшість дослідників вважають, що ідея оркестрованих об'єктивних редукцій була розвінчана дослідженням, опублікованим у 2000 році. Фізик Макс Тегмарк розрахував, що квантові суперпозиції молекул, що залучені в нейронні сигнали, не зможуть проіснувати навіть миті часу, необхідного для передачі сигналу.
Квантові ефекти, включаючи суперпозицію, дуже крихкі і руйнуються в процесі так званої декогеренції. Це викликано взаємодією квантового об'єкта з навколишнім середовищем, через яке "квантовість" просочується.
Також читайте: Технологія перетворення частинок космічного випромінювання в джерело енергії
Очікували, декогеренція повинна протікати 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. Тегмарк показав, якщо один з таких атомів був у суперпозиції, а потім зіткнувся з нейроном, 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 квантові ефекти в головному мозку розглядаються з великим скептицизмом.
Але Пенроуз невблаганно наполягає на гіпотезі ООР. І незважаючи на прогнози Тегмарка, надшвидкої декогеренції 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, не зникає. Бо на її користь знайшли інший аргумент.
Чи 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 в 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, з'єднаних з органічною молекулою. Коли один з фосфатів вивільняється, виділяється енергія, яка використовується клітиною.
У клітин є молекулярні механізми для складання іонів фосфату в групи і для їх розщеплення. Фішер запропонував схему, в якій два фосфатних іони можуть бути розміщені в суперпозиції певного виду: в заплутаному стані.
Фосфорні ядра мають квантову властивість - обертання - що робить їх схожими на маленькі магніти з полюсами, що вказують у певних напрямках. У заплутаному стані спін одного ядра фосфору залежить від іншого.
Іншими словами, заплутані стани - це стани суперпозиції за участю більше однієї квантової частинки.
Фішер каже, що квантово-механічна поведінка цих ядерних спінів може правдоподібно протистояти декогеренції в людських масштабах часу. Він погоджується з Тегмарком, що квантові вібрації, про які говорили Пенроуз і Хамерофф, будуть сильно залежати від їх оточення і "декогерувати майже відразу". Але спіни ядер не так сильно взаємодіють зі своїм оточенням.
І все ж квантова поведінка спінів ядер фосфору повинна бути "захищена" від декогеренції.
Квантові частинки можуть мати різні оберти
Це може статися, говорить Фішер, якщо атоми фосфору будуть включені в більші об'єкти, які називаються "молекулами Познера". Вони являють собою кластери з шести фосфатних іонів у поєднанні з дев'ятьма іонами кальцію. Існують певні вказівки на те, що такі молекули можуть бути в живих клітинах, але поки вони не дуже переконливі.
У молекулах Познера, стверджує Фішер, спіни фосфору можуть протистояти декогеренції протягом дня або близько того, навіть у живих клітинах. Отже, можуть впливати і на роботу мозку.
Ідея полягає в тому, що молекули Познера можуть бути поглинені нейронами. Опинившись всередині, молекули Познера будуть активувати сигнал іншому нейрону, розпадаючись і випускаючи іони кальцію.
Через заплутаність в молекулах Познера, два таких сигнали можуть виявитися заплутаними в свою чергу: в деякому роді, це буде квантова суперпозиція "думки". "Якщо квантова обробка з ядерними спинами насправді присутня 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 психічну хворобу.
Капсула карбонату літію
"Моє введення в біохімію мозку почалося, коли я вирішив три-чотири роки тому досліджувати, як і чому іон літію надає такий значний ефект при лікуванні психічних станів", каже Фішер.
Літієві препарати широко використовуються для лікування біполярного розладу. Вони працюють, але ніхто насправді не знає як.
"Я не шукав квантового пояснення, каже Фішер. Але потім він натрапив на роботу, в якій описувалося, що препарати літію мали різний вплив на поведінку щурів залежно від того, яка форма — або "ізотоп" — літію використовувалася.
Стикнувшись з цим, 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 в синапсах
Але Фішер зрозумів, що ядра атомів різних ізотопів літію можуть мати різні спини. Ця квантова властивість може впливати на те, як діють препарати на основі літію. Наприклад, якщо літій замінює кальцій у молекулах Познера, спіни літію можуть впливати на атоми фосфору та перешкоджати їх заплутуванню.
Якщо це вірно, то зможе і пояснити, чому літій може лікувати біполярний розлад.
На даний момент припущення Фішера є не більше ніж інтригуючою ідеєю. Але є кілька способів її перевірити. Наприклад, що спіни фосфору в молекулах Познера можуть зберігати квантовий зв'язок протягом тривалого часу. Це Фішер і планує перевірити далі.
І все ж він побоюється бути пов'язаним з більш ранніми уявленнями про "квантову свідомість", які вважає в кращому випадку спекулятивними.
Свідомість - глибока таємниця
Фізики не дуже люблять опинятися всередині своїх же теорій. Багато з них сподіваються, що свідомість і мозок можна буде витягти з квантової теорії, а може, і навпаки. Але ж ми не знаємо, що таке свідомість, не кажучи вже про те, що у нас немає теорії, яка його описує.
Більш того, іноді 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.
Але у теорії довга історія. З тих пір, як "ефект спостерігача" і розум вперше навів себе на квантову теорію на ранньому етапі, і її вже важко було позбутися. Кілька дослідників думають, що нам це ніколи не вдасться зробити.
У 2016 році Едріан Кент з Кембриджського університету у Великобританії, один з найбільш шанованих "квантових філософів", припустив, що свідомість може змінювати поведінку квантових систем тонким, але цілком виявленим чином.
Ми не розуміємо, як працюють думки
Кент дуже обережний у своїх висловлюваннях. "Немає ніяких переконливих підстав вважати, що квантова теорія - це відповідна теорія, з якою можна сформулювати теорію свідомості, або що проблеми квантової теорії повинні мати щось з проблемою свідомості", визнає він.
Але додає, що абсолютно незрозуміло, як можна вивести опис свідомості, ґрунтуючись виключно на доквантовій фізиці, можна врахувати всі його властивості.
Одне особливо хвилююче питання - як наш свідомий розум може відчувати унікальні відчуття на зразок червоного кольору або запаху смаженого м'яса. Якщо не вважати людей з порушеннями зору, всі ми знаємо, на що схожий червоний, але не можемо передати це почуття, а в фізиці немає нічого, що могло б нам розповісти, на що це схоже.
Почуття на зразок цих називають "кваліа". 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.
Як працює наша свідомість?
"Кожна думка про зв'язок свідомості з фізикою призводить до серйозних проблем", говорить Кент.
Це спонукало його припустити "що ми могли б досягти певного прогресу в розумінні проблеми еволюції свідомості, якби допустили (хоча б просто допустили), що свідомість змінює квантові ймовірності".
Іншими словами, мозок може дійсно впливати на результати вимірювань.
З цієї точки зору, він не визначає, "що є реальним". Але це може вплинути на ймовірність того, що кожна з можливих реальностей, що допускаються квантовою механікою, є тією, яку ми дійсно спостерігаємо, таким чином, що сама квантова теорія не може передбачити. І Кент вважає, що ми могли б пошукати такі прояви експериментально.
Навіть сміливо оцінює шанси знайти їх. "Я б припустив з 15-відсотковою впевненістю, що щось пов'язане з свідомістю викликає відхилення від квантової теорії; і ще 3-відсотки - що це буде експериментально виявлено в наступні 50 років", каже він.
Якщо це станеться, це змінило б наші уявлення як про фізику, так і про розум. Це варто досліджування.
Переклад: hi-news.ru статті: bbc.com
Редагування та переклад: pobachyty.blogspot.com
Коментарі
Дописати коментар