Квантовая механика сознания

Наука

Никто не может объяснить, что такое сознание и как оно работает. Также никто не может утверждать, что полностью понимает квантовою механику. Вполне вероятно, что совпадение не случайно.

«Я не могу определить настоящую проблему, поэтому я подозреваю, что настоящей проблемы нет, но я не уверен, что настоящей проблемы действительно нет».

Ричард Фейнман

Это известная цитата физика Ричарда Фейнмана, касающаяся пресловутых парадоксов и загадок квантовой механики. Фразу часто упоминают во время описания мельчайших частиц Вселенной. Однако, цитата ученого подходит и для объяснения того, что такое сознание.

Некоторые ученые считают, что сознание не является чем-то загадочным, а кто-то называет мысли человека иллюзией. Но большинство экспертов признаются в том, что не понимают, как формируется сознание человека. Для разгадки этой тайны ученые обратились к принципам квантовой механики. Такой подход встречают со скептицизмом, что неудивительно: ведь не разумно пытаться объяснить одну загадку другой.

Квантовая механика сознания
Макс Планк — немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики.

Тем не менее идею квантовой природы сознания нельзя назвать абсурдной. Во-первых, о сознании, к великому недовольству физиков, вспоминали еще в ранней квантовой теории. Во-вторых, существует прогноз, что квантовые компьютеры смогут выполнять задачи, недоступные обычной технике, а человеческий мозг, в свою очередь, может выполнять операции, которые не доступны искусственному интеллекту.

Пионеры квантовой физики были озадачены, когда впервые столкнулись с «Эффектом наблюдателя». Изменение поведения частиц, в зависимости от наличия измерений, делает ложным основной постулат, на котором «стоит» современная наука: объективная реальность существует независимо от человека.

Но если мир может меняться в зависимости от того, наблюдают за ним или нет, то как на самом деле выглядит реальность? Некоторые исследователи пришли к выводу, что объективная реальность иллюзорна, и именно сознание должно главенствовать в квантовой теории. Однако для других ученых это утверждение не имеет никакого смысла.

Квантовая механика сознания

«Неужели Луна существует только в тот момент, когда за ней наблюдает мышь?».

Альберт Эйнштейн

Сегодня некоторые физики считают, что независимо от того, влияет сознание на квантовую механику или нет, оно тем не менее может напрямую зависеть от нее. Квантовая теория может оказаться необходимой для понимания того, как работает человеческий мозг. Возможно, так же, как частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, так и разум человека может придерживаться нескольких взаимоисключающих идей одновременно.

Стоит отметить, что эти гипотезы носят умозрительный характер и не подтверждены экспериментально. Вполне может оказаться, что квантовая физика вообще не играет фундаментальной роли в работе человеческого мышления или сознания.

В 1801 году, «Двухщелевой опыт», проведенный физиком Томасом Юнгом, позволил предположить наличие взаимосвязи сознания и квантовой механики. Во время проведения эксперимента луч света направляют на экран, перед которым установлена пластина с двумя узкими щелями, расположенными параллельно. Пучок света проходит через прорези, после чего попадает на экран.

Квантовая механика сознания
Двухщелевой экперимент

Во время прохода через щелевые отверстия, световые волны частично накладываются друг на друга. Когда пики волн совпадают, свечение увеличивается, на экране появляется яркая полоса. Если совпадает пик и провал волны, то они компенсируются, проецируя темную полосу. Такое взаимодействие волн называется дифракцией. В результате, на экране можно заметить несколько чередующихся светлых и темных полосок.

Эксперимент проводился более 200 лет назад с целью описания характеристик поведения световых волн, задолго до появления квантовой теории. Однако позже, «двухщелевой опыт» повторили с использованием мельчайших частиц. Вместо волн света сквозь пластину пропустили электроны — мельчайшие заряженные частицы, которые входят в состав атома.

Если квантовые частицы пропускаются сквозь щели последовательно, одна за одной, можно предположить, что каждая из них должна попадать на экран также поодиночке. Ведь один электрон может пройти только через одну щель, а значит, никаких помех возникнуть не должно. Но по факту удары частиц по экрану со временем формируют интерференционные полосы, характерные для волн.

Вероятно, каждый электрон необъяснимым образом проходит через две щели одновременно и создает помехи сам для себя. Эту комбинацию «обоих путей сразу» называют квантовой суперпозицией.

Квантовая механика сознания
Накопление электронов с течением времени

Но самое странное происходит, если разместить детектор внутри одной из щелей чтобы проверить, прошла частица сквозь нее или нет (при этом любое воздействие на электрон в момент эксперимента полностью исключается). Оказалось, что даже это простое наблюдение меняет результаты эксперимента.

Паскуаль Джордан, физик, сотрудничавший с экспертом по квантовой механике Нильсом Бором, описал феномен следующим образом:

«Наблюдения не только меняют то, что мы хотим измерить. Мы заставляем квантовую частицу занять одну единственную позицию. Другими словами, мы сами производим результат измерений».

Паскуаль Джордан

Если это действительно так, то объективной реальности просто не существует.

Если признать, что электроны меняют поведение в зависимости от того, есть наблюдатель или нет, то можно попробовать обмануть природу электронов. Для этого нужно измерить, по какому пути прошла частица сквозь щелевую пластину уже после того, как электрон попал на экран. То есть после того, как частица «определилась», идти по одному определенному пути или пройти через две щели одновременно.

Подобный опыт был предложен Джоном Уилером в 70-х годах и проведен через 10 лет после этого. В процессе эксперимента, пути квантовых частиц оценивали «по факту». Оказалось, что момент проведения замера не имел никакого значения. Интерференция не регистрировалась даже в том случае, если измерения производились после того, как электроны достигали экрана. Выходит, что частицы «знают» не только о том, наблюдает ли за ними человек, но даже о том, планируется ли наблюдение.

Квантовая механика сознания

Каждый раз, когда ученые отслеживают путь квантовой частицы, электрон из всего ряда потенциальных вариантов «коллапсирует» в одно единственное состояние. Более того, этот эксперимент показывает, что сам факт отслеживания, а не физическое воздействие на электрон, вызывает коллапс. Но означает ли это, что коллапс происходит только тогда, когда результат измерения связан с нашим сознанием?    

Такое предположение о связи квантовой механики с человеческим сознанием было высказано еще в 30-х годах прошлого века физиком Юджином Вигнером.

«На характеристики квантовой природы объектов влияют впечатления, поступающие в мое сознание. Солипсизм можно логически согласовать с квантовой механикой»

Юджин Вигнер

Уиллер предположил, что одно лишь присутствие живых существ способных «наблюдать», однажды превратило весь спектр допустимых квантовых событий в одну конкретную историю.

«Мы являемся участниками эволюции Вселенной с самого ее начала. Мы живем в партисипативной Вселенной».

Джон Уилер

По сей день физики не пришли к единому мнению о том, как лучше интерпретировать эти эксперименты и в какой степени тот результат, который вы в них получаете, зависит от вас. Все это наводит на мысль, что сознание и квантовая механика каким-то образом связаны.

В начале 1980-х годов, британский физик Роджер Пенроуз предположил, что влияние сознания на события в квантовом мире, может иметь и обратное направление. Независимо от того, имеет ли сознание влияние на квантовую механику, возможно квантовая механика участвует в сознании.

Согласно гипотезам Пенроуза, в мозге человека есть структуры молекулярного размера, которые способны изменять свое состояние под воздействием событий квантового уровня. Возможно эти структуры так же, как и частицы в двухщелевом опыте, могут переходить в состояние суперпозиции и, затем, проявляться во время передачи импульсов в нейронах.

Квантовая механика сознания
Photo by Ben White

Возможно, случаи, когда человеческий мозг воспроизводит несовместимые психические состояния — это не причуда восприятия, а реальный квантовый эффект.

Пенроуз впервые предложил соотнести квантовые законы и сознание человека в книге «Новый ум короля». Идея получила название «Orch-OR». Английская аббревиатура расшифровывается как «оркестрованная объективная редукция».

Orch-OR опирается на гипотезу о том, что любые объекты, будь то стол, за которым мы сидим или даже целая планета, могли бы проявлять квантовые свойства суперпозиции, но гравитация на макроуровне, где частицы намного больше атомов, приводит к коллапсу волновой функции.

Пенроуз разрабатывал гипотезу совместно со Стюартом Хамеровым, нейробиологом из США. В книге «Тени разума» профессор высказал предположение о том, что физической основой сознания, могут быть квантовые вибрации в белковых нитях (так называемых микротрубочках). Они находятся в большинстве наших клеток, в том числе в нейронах мозга. Ученые считают, что вибрации микротрубочек могут принимать квантовую суперпозицию.

Квантовая механика сознания
Микротрубочки внутри клетки

Однако утверждение не имеет практических доказательств, а практические расчеты физика Макса Тегмарка говорят о том, что состояние суперпозиции молекул в клетках, не может существовать на протяжении времени, необходимого для получения сигнала клетками мозга.

Квантовые эффекты, в том числе когерентная суперпозиция, быстро исчезают из-за процесса под названием «декогеренция». Любое взаимодействие квантового объекта с окружающей его средой разрушает его квантовое состояние. Декогеренция, предположительно, во влажной и теплой среде, в такой как живые клетки, происходит настолько быстро, что суперпозиция не успевает повлиять на нервный импульс.

Нервные импульсы — это сигналы, спровоцированные электрически заряженными атомами, проходящими через стенки нейронов. Представим, что один из атомов находился в суперпозиции, после чего столкнулся с нейроном. Тегмарк подсчитал, что процесс коллапса займет примерно одну миллиардную миллиардной доли секунды, тогда как скорость разрядки нейрона в десятки триллионов раз больше.

Квантовая механика сознания

Подобные несоответствия и привели к тому, что предположения о влиянии квантовых эффектов на работу мозга принимаются научным сообществом с большим скептицизмом.

И все же Пенроуз не обращает внимания на доводы критиков и продолжает развивать теорию Orch-OR. Несмотря на выводы Тегмарка касательно крайне быстрой декогеренции в клетках мозга, исследователи продолжили поиск доказательств проявления квантовых эффектов среди живых существ.

Например, некоторые исследователи считают, что перелетные птицы применяют принципы квантовой механики для навигации, а растения для получения сахара в процессе фотосинтеза.

Несмотря на критику, идея того, что мозговая активность связана с проявлением квантовых эффектов, все еще не сброшена со счетов. Некоторые ученые предлагают новые аргументы в поддержку теории.

Мэтью Фишер, физик из Калифорнийского университета в своей научной работе, изданной в 2015 году, утверждает, что мозг содержит молекулы, которые могут принимать устойчивую квантовую суперпозицию. Ученый считает, что ядра атомов фосфора обладают подобной способностью.

Атомы фосфора есть в каждой живой клетке. Часто они принимают форму фосфат-ионов, являющихся главной единицей внутриклеточной энергии. Энергетический потенциал клетки аккумулируется в молекулах под названием АТФ, в которых содержится цепочка из нескольких фосфатных групп, объединенных с одной органической молекулой. Как только один из фосфатов высвобождается, выделяется энергия, необходимая для нормального функционирования клетки.

В каждой клетке заложен механизм объединения фосфат-ионов в группы и их дальнейшего расщепления. Фишер предположил, что пары фосфат-ионов могут принимать суперпозицию под названием «квантовая запутанность».

Квантовая механика сознания

Фосфорные ядра обладают квантовым свойством под названием «спин» — моментом импульса, не связанного с перемещением или вращением частицы, как целого. Это похоже не маленькие магниты с полюсами, направленными в определенные стороны. В состоянии квантовой запутанности, спин одного ядра напрямую зависит от спина другого. Таким образом возникает состояние суперпозиции, включающей более одной квантовой частицы.

Фишер считает, что ядерные спины могут противостоять декогеренции в реально измеримом времени. Он соглашается с Тегмарком в том, что любые квантовые вибрации, о которых говорили Пенроуз и Хамеров, будут взаимодействовать с окружением, вследствие чего будут сразу же декогерироваться, в отличие от ядерных спинов, которые могут не взаимодействовать со своим окружением. Для этого в ядерных спинах должна существовать «защита» от декогеренции.

Это возможно в том случае, если атомы фосфора интегрируются в более крупные объекты, называемые «молекулами Познера». Это группы из шести фосфат-ионов, объединенных с девятью ионами кальция. Есть несколько подтверждений тому, что молекулы Познера могут существовать и в живых клетках. Хотя доказательства не окончательны.

Квантовая механика сознания
Красный фосфор

По мнению Фишера, спины фосфора в молекулах Познера, могут сопротивляться декогеренции в течение суток или даже дольше. Это значит, что сформированные кластеры могут влиять на работу мозга — оказавшиеся внутри нейрона, распадаясь и высвобождая ионы кальция, молекулы Познера могут запускать передачу сигналов.

Из-за запутанности в молекулах Познера, запускаемые ими сигналы тоже могут запутаться, создавая некую суперпозицию мысли. Если допустить, что в человеческом мозге происходят квантовые процессы с участием ядерных спинов, то «квантовое расщепление сознания» должно происходить и наблюдаться нами довольно часто. Эта идея пришла в голову Фишеру, когда он размышлял о психических заболеваниях.

«Мое изучение биохимического строения мозга началось с изучения вопроса о том, почему применение ионов лития в лечении психических заболеваний имеет такой эффект», — говорит Фишер.

Мэтью Фишер

Препараты на основе лития широко используются для лечения биполярного расстройства. Медикаменты имеют доказанный эффект, но никто и не может объяснить, как именно они работают.

«Изначально я не связывал вопрос с квантовой физикой. Но однажды мне попалась статья, в которой было указано, что средства на основе лития по-разному влияют на поведение подопытных крыс, в зависимости от того, какая форма или изотоп лития использовался».

Мэтью Фишер

Такие результаты кажутся загадочными. С точки зрения химии, разные изотопы ведут себя практически идентично. Если литий работает как медицинский препарат, все изотопы этого элемента имели бы одинаковый эффект.

Но Фишер допустил, что ядра атомов разных изотопов лития имеют разные спины. Эта квантовая особенность может влиять на то как действуют препараты лития. К примеру, если литий заместит кальций в молекуле Познера, литиевые спины начнут влиять на атомы фосфора мешая их запутыванию. Если принять это утверждение за истину, можно объяснить, почему литий успешно устраняет биполярное расстройство.

Квантовая механика сознания
Капсула карбоната лития

Гипотезы Фишера на данный момент — это всего лишь интригующая идея. Начать подтверждение ее правдоподобности физик намерен с проверки того, что спины фосфора в молекулах Познера действительно сохраняют квантовую когерентность на протяжении длительного времени.

Большинство физиков, тем не менее, надеются, что понятия «сознание» и «работа мозга» будут исключены из квантовой механики, и наоборот. В конце концов, нет даже четкого определения, что такое сознание, не говоря уже о том, что не существует подтвержденной теории, как оно работает. Не помогает сторонникам теории и тот факт, что в наше время существует целая индустрия деятелей, оперирующих понятием «квантового сознания», и утверждающих, что квантовая механика объясняет такие вещи как телепатия и телекинез.

В результате серьёзные физики часто не горят желанием даже упоминать слова «квант» и «сознание» в одном предложении.

Однако если оставить в стороне подмоченную репутацию сторонников «квантового сознания» и критического отношения многих физиков к теории, идея взаимосвязи разума и квантовой механики имеет долгую историю. С того момента как «эффект наблюдателя» и «сознание» появились в квантовой теории, в самом начале ее становления, с тех пор эти понятия оттуда не исчезали. Некоторые физики считают, что они останутся там навсегда.

Известный «квантовый философ» из Кембриджского университета, Адриан Кент, в 2016 году предположил, что сознание может изменять природу квантовых систем еле заметным, но измеряемым способом. Сам Кент крайне осторожно относится к этой идее.

«На данный момент нет достаточных причин полагать, что квантовая теория является правильной и что в ней можно сформулировать теорию сознания, или что проблемы квантовой теории имеют отношение к проблемам сознания», – признает он.

Адриан Кент

С другой стороны, очень трудно понять, как, используя описание сознания только из доквантовой механики, объяснить все те свойства, которые ему присущи.

К примеру, одна из самых больших загадок заключается в том, как именно человеческий разум может понимать и интерпретировать ощущения. Любой человек, к примеру, легко определит запах жаренного мяса или зеленый цвет. Все, кроме людей с нарушением зрения, понимают, что такое зеленый цвет, но передать ощущение цвета невозможно, а в классической физике нет описания того как это работает.

Представители разных наук могли бы описать цвет: физик — как длину световой волны, физиолог — как процесс преобразования в сетчатке глаза. Но на самом деле ощущения считаются результатами работы сознания, и их практически невозможно объяснить с научной точки зрения. В 90-х годах философ Дэвид Чалмерс описал проблему как «неподдающуюся» человеческому сознанию:

«Мы бы значительно продвинулись в понимании эволюции сознания, если бы предположили, что сознание изменяет (пусть даже незначительно) квантовые вероятности».

Дэвид Чалмерс

Другими словами, сознание действительно может менять результаты измерений и поэтому человеческий разум не в состоянии точно определить, что является реальным, а что нет. Это в свою очередь, влияет на вероятность того, что каждая из возможных реальностей, допускаемых квантовой физикой, является именно той, которую мы сейчас наблюдаем. Искать признаки таких реальностей можно экспериментальным путем и, если такие доказательства будут найдены, это в корне изменит наши представления о сознании человека и физике.

Наука просто
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку «Отправить комментарий», я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю Политика конфиденциальности