Nikt nie rozumie, czym jest świadomość i jak działa. Nikt też nie rozumie mechaniki kwantowej. Czy to może być coś więcej niż tylko zbieg okoliczności? „Nie mogę zidentyfikować prawdziwego problemu, więc podejrzewam, że nie ma prawdziwego problemu, ale nie jestem pewien, czy nie ma prawdziwego problemu”. Amerykański fizyk Richard Feynman powiedział to o tajemniczych paradoksach mechaniki kwantowej. Dzisiaj fizycy używają tej teorii do opisu najmniejszych obiektów we wszechświecie. Ale mógł powiedzieć to samo o zawiłym problemie świadomości.
Niektórzy naukowcy myślą, że już rozumiemy świadomość lub że jest to tylko złudzenie. Ale wielu innych uważa, że nawet nie zbliżyliśmy się do istoty świadomości.
Odwieczna łamigłówka zwana „świadomością” doprowadziła nawet niektórych naukowców do próby jej wyjaśnienia za pomocą fizyki kwantowej. Ale ich gorliwość spotkała się ze sporym sceptycyzmem i nie jest to zaskakujące: wydaje się nierozsądne wyjaśnianie jednej zagadki drugą.
Ale takie pomysły nigdy nie są absurdalne, nawet z sufitu.
Z jednej strony, ku konsternacji fizyków, umysł początkowo odmawia zrozumienia wczesnej teorii kwantowej. Ponadto przewiduje się, że komputery kwantowe będą zdolne do rzeczy, których konwencjonalne komputery nie mogą. To przypomina nam, że nasze mózgi są nadal zdolne do wyczynów poza zasięgiem sztucznej inteligencji. „Świadomość kwantowa” jest powszechnie wyśmiewana jako mistyczny nonsens, ale nikt nie był w stanie jej całkowicie rozproszyć.
Mechanika kwantowa to najlepsza teoria opisująca świat na poziomie atomów i cząstek subatomowych. Być może najbardziej znaną z jego tajemnic jest fakt, że wynik eksperymentu kwantowego może się zmieniać w zależności od tego, czy zdecydujemy się zmierzyć właściwości cząstek w nim zaangażowanych, czy nie.
Kiedy pionierzy teorii kwantów po raz pierwszy odkryli ten „efekt obserwatora”, poważnie się zaniepokoili. Wydawało się, że podważyło to założenie leżące u podstaw całej nauki: że istnieje obiektywny świat, niezależny od nas. Jeśli świat zachowuje się w zależności od tego, jak - lub czy - na niego patrzymy, co tak naprawdę oznaczałaby „rzeczywistość”?
Film promocyjny:
Niektórzy naukowcy zostali zmuszeni do wniosku, że obiektywność jest iluzją i że świadomość musi odgrywać aktywną rolę w teorii kwantów. Inni po prostu nie widzieli w tym zdrowego rozsądku. Na przykład Albert Einstein był zirytowany: czy księżyc istnieje tylko wtedy, gdy na niego patrzysz?
Dzisiaj niektórzy fizycy podejrzewają, że nie chodzi o to, że świadomość wpływa na mechanikę kwantową … ale że nawet dzięki niej powstała. Uważają, że możemy potrzebować teorii kwantowej, aby w ogóle zrozumieć, jak działa mózg. Czy to możliwe, że tak jak obiekty kwantowe mogą znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie, tak mózg kwantowy może jednocześnie oznaczać dwie wzajemnie wykluczające się rzeczy?
Te pomysły są kontrowersyjne. Może się okazać, że fizyka kwantowa nie ma nic wspólnego z działaniem świadomości. Ale przynajmniej pokazują, że dziwna teoria kwantowa sprawia, że myślimy dziwnie.
A co najlepsze, mechanika kwantowa przedostaje się do ludzkiej świadomości poprzez eksperyment z podwójną szczeliną. Wyobraź sobie wiązkę światła padającą na ekran z dwiema równoległymi szczelinami blisko siebie. Część światła przechodzi przez szczeliny i pada na inny ekran.
Możesz myśleć o świetle jak o fali. Gdy fale przechodzą przez dwie szczeliny, jak w eksperymencie, zderzają się - zakłócają - ze sobą. Jeśli ich szczyty pasują do siebie, wzmacniają się nawzajem, powodując serię czarno-białych smug światła na drugim czarnym ekranie.
Eksperyment ten był używany do pokazania falowej natury światła przez ponad 200 lat, zanim pojawiła się teoria kwantowa. Następnie przeprowadzono eksperyment z podwójną szczeliną z cząstkami kwantowymi - elektronami. To maleńkie naładowane cząsteczki, składniki atomu. W niezrozumiały sposób, ale cząsteczki te mogą zachowywać się jak fale. Oznacza to, że ulegają ugięciu, gdy strumień cząstek przechodzi przez dwie szczeliny, tworząc wzór interferencyjny.
Przypuśćmy teraz, że cząstki kwantowe przechodzą przez szczeliny jedna po drugiej, a ich pojawienie się na ekranie będzie również obserwowane krok po kroku. Teraz nie ma nic oczywistego, co mogłoby spowodować, że cząstka przeszkadzałaby na jej drodze. Ale obraz uderzających cząstek nadal będzie pokazywał prążki.
Wszystko wskazuje na to, że każda cząstka jednocześnie przechodzi przez obie szczeliny i przeszkadza sobie. Ta kombinacja dwóch ścieżek jest znana jako stan superpozycji.
Ale oto, co jest dziwne.
Jeśli umieścimy detektor w jednej ze szczelin lub za nią, możemy dowiedzieć się, czy cząstki przez niego przechodzą, czy nie. Ale w tym przypadku interferencja znika. Sam fakt obserwacji ścieżki cząstki - nawet jeśli ta obserwacja nie powinna zakłócać ruchu cząstki - zmienia wynik.
Fizyk Pascual Jordan, który pracował z guru kwantowym Nielsem Bohrem w Kopenhadze w latach dwudziestych XX wieku, ujął to w ten sposób: „Obserwacje nie tylko naruszają to, co powinno być zmierzone, ale to określają … Zmuszamy cząstkę kwantową do wybrania określonej pozycji”. Innymi słowy, Jordan mówi, że „wykonujemy własne pomiary”.
Jeśli tak, obiektywną rzeczywistość można po prostu wyrzucić przez okno.
Ale dziwactwa się nie kończą.
Jeśli natura zmienia swoje zachowanie w zależności od tego, czy patrzymy, czy nie, możemy spróbować owinąć ją wokół palców. Aby to zrobić, mogliśmy zmierzyć, jaką ścieżkę przeszła cząstka przechodząc przez podwójną szczelinę, ale dopiero po przejściu przez nią. Do tego czasu powinna już „zdecydować”, czy iść jedną ścieżką, czy też obie.
Amerykański fizyk John Wheeler zaproponował taki eksperyment w latach 70. XX wieku, a przez następne dziesięć lat przeprowadzono eksperyment z „opóźnionym wyborem”. Wykorzystuje sprytne metody do pomiaru ścieżek cząstek kwantowych (zwykle cząstek światła - fotonów) po wybraniu jednej ścieżki lub superpozycji dwóch.
Okazało się, że zgodnie z przewidywaniami Bohra nie ma znaczenia, czy opóźnimy pomiary, czy nie. Dopóki mierzymy ścieżkę fotonu, zanim trafi on i zarejestrujemy w detektorze, nie ma zakłóceń. Wygląda na to, że natura „wie” nie tylko, kiedy podglądamy, ale także kiedy planujemy podglądać.
Eugene Wigner
Ilekroć w tych eksperymentach odkrywamy ścieżkę cząstki kwantowej, jej chmura możliwych tras „kurczy się” do jednego, dobrze zdefiniowanego stanu. Co więcej, opóźniony eksperyment sugeruje, że sam akt obserwacji, bez fizycznej interwencji spowodowanej pomiarem, może spowodować załamanie. Czy to oznacza, że prawdziwy upadek następuje tylko wtedy, gdy wynik pomiaru dociera do naszej świadomości?
Taką możliwość zaproponował w latach trzydziestych węgierski fizyk Eugene Wigner. „Wynika z tego, że kwantowy opis obiektów jest pod wpływem wrażeń wchodzących w moją świadomość” - napisał. „Solipsyzm może być logicznie zgodny z mechaniką kwantową”.
Wheeler był nawet rozbawiony pomysłem, że obecność żywych istot zdolnych do „obserwacji” przekształciła to, co wcześniej było mnóstwem możliwej kwantowej przeszłości w jedną konkretną historię. W tym sensie, mówi Wheeler, stajemy się uczestnikami ewolucji wszechświata od samego początku. Według niego żyjemy we „wszechświecie współwinnym”.
Fizycy wciąż nie mogą wybrać najlepszej interpretacji tych kwantowych eksperymentów i do pewnego stopnia masz do tego prawo. Ale w każdym razie podtekst jest oczywisty: świadomość i mechanika kwantowa są w jakiś sposób połączone.
Od lat 80. angielski fizyk Roger Penrose zasugerował, że to połączenie może działać w innym kierunku. Powiedział, że niezależnie od tego, czy świadomość wpływa na mechanikę kwantową, czy nie, być może mechanika kwantowa jest zaangażowana w świadomość.
Fizyk i matematyk Roger Penrose
Penrose zapytał również: co zrobić, jeśli w naszym mózgu istnieją struktury molekularne, które mogą zmieniać swój stan w odpowiedzi na jedno zdarzenie kwantowe? Czy te struktury mogą przyjąć stan superpozycji, jak cząstki w eksperymencie z podwójną szczeliną? Czy te superpozycje kwantowe mogłyby następnie objawiać się w sposobie, w jaki neurony komunikują się za pomocą sygnałów elektrycznych?
Może, powiedział Penrose, nasza zdolność do utrzymywania pozornie niezgodnych stanów psychicznych nie jest dziwactwem percepcyjnym, ale prawdziwym efektem kwantowym?
W końcu ludzki mózg wydaje się być w stanie przetwarzać procesy poznawcze, które pod względem możliwości wciąż znacznie przewyższają komputery cyfrowe. Możemy nawet być w stanie wykonywać zadania obliczeniowe, których nie można wykonać na zwykłych komputerach przy użyciu klasycznej logiki cyfrowej.
Penrose jako pierwszy zasugerował, że efekty kwantowe są obecne w ludzkim umyśle w swojej książce z 1989 roku The Emperor's New Mind. Jego głównym pomysłem była „zaaranżowana obiektywna redukcja”. Obiektywna redukcja, według Penrose'a, oznacza, że załamanie się interferencji kwantowej i superpozycji jest prawdziwym procesem fizycznym, jak pękająca bańka.
Zorkiestrowana redukcja celu opiera się na założeniu Penrose'a, że grawitacja, która wpływa na przedmioty codziennego użytku, krzesła lub planety, nie wykazuje efektów kwantowych. Penrose uważa, że superpozycja kwantowa staje się niemożliwa dla obiektów większych niż atomy, ponieważ ich wpływ grawitacyjny doprowadziłby wówczas do istnienia dwóch niekompatybilnych wersji czasoprzestrzeni.
Następnie Penrose opracował ten pomysł z amerykańskim lekarzem Stuartem Hameroffem. W swojej książce Shadows of the Mind (1994) zasugerował, że strukturami zaangażowanymi w to poznanie kwantowe mogą być włókna białkowe - mikrotubule. Znajdują się w większości naszych komórek, w tym w neuronach mózgu. Penrose i Hameroff argumentowali, że podczas procesu oscylacji mikrotubule mogą przyjmować stan superpozycji kwantowej.
Ale nic nie wskazuje na to, że jest to w ogóle możliwe.
Założono, że idea superpozycji kwantowych w mikrotubulach zostanie poparta eksperymentami zaproponowanymi w 2013 roku, ale w rzeczywistości badania te nie wspominały o efektach kwantowych. Ponadto większość badaczy uważa, że pomysł zaaranżowanych obiektywnych redukcji został obalony w badaniu opublikowanym w 2000 roku. Fizyk Max Tegmark obliczył, że superpozycje kwantowe cząsteczek zaangażowanych w sygnały neuronowe nie byłyby w stanie istnieć nawet przez moment wymagany do transmisji sygnału.
Efekty kwantowe, w tym superpozycja, są bardzo delikatne i ulegają zniszczeniu w procesie zwanym dekoherencją. Proces ten jest spowodowany interakcjami obiektu kwantowego z jego otoczeniem, ponieważ „kwant” wycieka.
Uważano, że dekoherencja zachodzi niezwykle szybko w ciepłym i wilgotnym środowisku, takim jak żywe komórki.
Sygnały nerwowe to impulsy elektryczne wywołane przejściem naładowanych elektrycznie atomów przez ściany komórek nerwowych. Jeśli jeden z tych atomów był w superpozycji, a następnie zderzył się z neuronem, Tegmark wykazał, że superpozycja powinna rozpaść się w czasie krótszym niż jedna miliardowa część miliardowej sekundy. Neuron potrzebuje dziesięciu tysięcy bilionów razy dłużej, aby wyemitować sygnał.
Właśnie dlatego pomysły dotyczące efektów kwantowych w mózgu nie są testowane przez sceptyków.
Ale Penrose nieustannie upiera się przy hipotezie OER. I pomimo przewidywań ultraszybkiej dekoherencji Tegmarka w komórkach, inni naukowcy odkryli przejawy efektów kwantowych w organizmach żywych. Niektórzy twierdzą, że mechanika kwantowa jest wykorzystywana przez ptaki wędrowne, które wykorzystują nawigację magnetyczną, i rośliny zielone, gdy wykorzystują światło słoneczne do produkcji cukru w procesie fotosyntezy.
To powiedziawszy, pomysł, że mózg może używać sztuczek kwantowych, nie chce zniknąć. Ponieważ znaleźli inny argument na jego korzyść.
Czy fosfor może utrzymać stan kwantowy?
W badaniu z 2015 roku fizyk Matthew Fisher z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara argumentował, że mózg może zawierać cząsteczki, które są w stanie wytrzymać silniejsze superpozycje kwantowe. W szczególności uważa, że taką zdolność mogą mieć jądra atomów fosforu. Atomy fosforu znajdują się wszędzie w żywych komórkach. Często przybierają postać jonów fosforanowych, w których jeden atom fosforu łączy się z czterema atomami tlenu.
Takie jony są główną jednostką energii w komórkach. Większość energii komórki jest przechowywana w cząsteczkach ATP, które zawierają sekwencję trzech grup fosforanowych przyłączonych do cząsteczki organicznej. Kiedy jeden z fosforanów jest odcięty, uwalniana jest energia, która jest wykorzystywana przez komórkę.
Komórki mają molekularne maszyny do łączenia jonów fosforanowych w klastry i ich rozkładania. Fisher zaproponował schemat, w którym dwa jony fosforanowe można umieścić w nałożeniu pewnego rodzaju: w stanie splątania.
Jądra fosforu mają właściwość kwantową - spin - która sprawia, że wyglądają jak małe magnesy z biegunami skierowanymi w określonych kierunkach. W stanie splątanym spin jednego jądra fosforu zależy od drugiego. Innymi słowy, stany splątane to stany superpozycji obejmujące więcej niż jedną cząstkę kwantową.
Fisher twierdzi, że kwantowo-mechaniczne zachowanie tych spinów jądrowych może przeciwdziałać dekoherencji. Zgadza się z Tegmarkiem, że wibracje kwantowe, o których mówili Penrose i Hameroff, będą w dużym stopniu zależne od ich środowiska i niemal natychmiast "dekohere". Ale spiny jąder nie oddziałują tak silnie z ich otoczeniem.
A jednak kwantowe zachowanie się spinów jąder fosforu musi być „chronione” przed dekoherencją.
Cząstki kwantowe mogą mieć różny spin
Jak mówi Fischer, mogłoby się to zdarzyć, gdyby atomy fosforu zostały włączone do większych obiektów zwanych „cząsteczkami Posnera”. Są to skupiska sześciu jonów fosforanowych połączonych z dziewięcioma jonami wapnia. Istnieją przesłanki wskazujące na to, że takie cząsteczki mogą znajdować się w żywych komórkach, ale jak dotąd nie są one zbyt przekonujące.
Fischer argumentuje, że w cząsteczkach Posnera spiny fosforu mogą oprzeć się dekoherencji przez jeden dzień, nawet w żywych komórkach. Dlatego też mogą wpływać na funkcjonowanie mózgu.
Chodzi o to, że cząsteczki Posnera mogą zostać przejęte przez neurony. Wewnątrz cząsteczki aktywują sygnał do innego neuronu, rozpadając się i uwalniając jony wapnia. Ze względu na splątanie w cząsteczkach Posnera, dwa z tych sygnałów mogą się po kolei splątać: w pewnym sensie będzie to kwantowa superpozycja „myśli”. „Jeśli przetwarzanie kwantowe z spinami jądrowymi jest rzeczywiście obecne w mózgu, byłoby to niezwykle powszechne i zdarzało się przez cały czas” - mówi Fisher.
Ten pomysł przyszedł mu do głowy, gdy myślał o chorobie psychicznej.
Kapsułka z węglanem litu
„Moje wprowadzenie do biochemii mózgu rozpoczęło się, kiedy trzy do czterech lat temu zdecydowałem się zbadać, w jaki sposób i dlaczego jon litu ma tak radykalny wpływ na leczenie problemów ze zdrowiem psychicznym” - mówi Fischer.
Leki litowe są szeroko stosowane w leczeniu choroby afektywnej dwubiegunowej. Działają, ale tak naprawdę nikt nie wie, dlaczego.
„Nie szukałem kwantowego wyjaśnienia” - mówi Fisher. Ale potem natknął się na artykuł, w którym opisano, w jaki sposób preparaty litu wpływają na zachowanie szczurów w różny sposób w zależności od zastosowanej formy - lub „izotopu” litu.
Z początku zdziwiło to naukowców. Pod względem chemicznym różne izotopy zachowują się w podobny sposób, więc jeśli lit działał jak zwykły narkotyk, izotopy musiały mieć taki sam efekt.
Komórki nerwowe są połączone z synapsami
Jednak Fischer zdał sobie sprawę, że jądra atomów różnych izotopów litu mogą mieć różne spiny. Ta właściwość kwantowa może wpływać na działanie leków na bazie litu. Na przykład, jeśli lit zastąpi wapń w cząsteczkach Posnera, spiny litu mogą wpływać na atomy fosforu i zapobiegać ich splątaniu.
Jeśli to prawda, może to również wyjaśniać, dlaczego lit może leczyć chorobę afektywną dwubiegunową.
W tym momencie domysły Fischera to nic innego jak intrygujący pomysł. Ale jest kilka sposobów, aby to sprawdzić. Na przykład, że spiny fosforu w cząsteczkach Posnera mogą utrzymywać spójność kwantową przez długi czas. To jest Fisher i planuje sprawdzić dalej.
Jednak obawia się kojarzenia go z wcześniejszymi koncepcjami „świadomości kwantowej”, które uważa w najlepszym przypadku za spekulatywne.
Świadomość to głęboka tajemnica
Fizycy nie lubią przebywać we własnych teoriach. Wielu z nich ma nadzieję, że świadomość i mózg można wyodrębnić z teorii kwantowej, a może na odwrót. Ale nie wiemy, czym jest świadomość, nie mówiąc już o tym, że nie mamy teorii, która ją opisuje.
Co więcej, czasami pojawiają się głośne okrzyki, że mechanika kwantowa pozwoli nam opanować telepatię i telekinezę (i chociaż gdzieś w głębi koncepcji może tak być, ludzie biorą wszystko zbyt dosłownie). Dlatego fizycy na ogół boją się wspomnieć słowa „kwant” i „świadomość” w jednym zdaniu.
W 2016 roku Adrian Kent z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii, jeden z najbardziej szanowanych „filozofów kwantowych”, zasugerował, że świadomość może zmieniać zachowanie układów kwantowych w subtelny, ale wykrywalny sposób. Kent jest bardzo ostrożny w swoich wypowiedziach. „Nie ma przekonującego powodu, by sądzić, że teoria kwantowa jest odpowiednią teorią, z której można by wyprowadzić teorię świadomości, lub że problemy teorii kwantów muszą w jakiś sposób pokrywać się z problemem świadomości” - przyznaje.
Dodaje jednak, że jest całkowicie niezrozumiałe, jak można wydedukować opis świadomości, opierając się wyłącznie na fizyce przedkwantowej, jak opisać wszystkie jej właściwości i cechy.
Nie rozumiemy, jak działają myśli
Szczególnie niepokojącym pytaniem jest to, w jaki sposób nasz świadomy umysł może doświadczać wyjątkowych wrażeń, takich jak czerwień lub zapach pieczonego mięsa. Oprócz osób z dysfunkcjami wzroku wszyscy wiemy, jak wygląda czerwień, ale nie potrafimy przekazać tego uczucia, aw fizyce nie ma nic, co mogłoby nam powiedzieć, jak to wygląda.
Takie uczucia nazywane są qualiami. Postrzegamy je jako jednolite właściwości świata zewnętrznego, ale w rzeczywistości są one wytworami naszej świadomości - i trudno to wytłumaczyć. W 1995 roku filozof David Chalmers nazwał to „trudnym problemem” świadomości.
„Każdy łańcuch myślowy dotyczący związku między świadomością a fizyką prowadzi do poważnych problemów” - mówi Kent.
To skłoniło go do zasugerowania, że „moglibyśmy dokonać pewnego postępu w zrozumieniu problemu ewolucji świadomości, gdybyśmy przyznali (przynajmniej dopiero co przyznali), że świadomość zmienia kwantowe prawdopodobieństwa”.
Innymi słowy, mózg może faktycznie wpływać na wyniki pomiarów.
Z tego punktu widzenia nie definiuje „tego, co jest rzeczywiste”. Ale może to wpłynąć na prawdopodobieństwo, że każda z możliwych rzeczywistości narzuconych przez mechanikę kwantową zostanie zaobserwowana. Nawet sama teoria kwantowa nie może tego przewidzieć. Kent myśli, że takich przejawów moglibyśmy szukać eksperymentalnie. Nawet odważnie ocenia szanse ich znalezienia.
„Zakładam z 15-procentową pewnością, że świadomość powoduje odchylenia od teorii kwantowej; a kolejne 3 procent, że potwierdzimy to eksperymentalnie w ciągu najbliższych 50 lat”- mówi.
Jeśli tak się stanie, świat nie będzie taki sam. Warto to zbadać.
ILYA KHEL