Чи свідомість пов’язана квантовою фізикою? Ми наближаємось до з’ясування

Одне з найважливіших відкритих питань науки полягає в тому, як утверджується наша свідомість. У 1990-х роках, задовго до отримання Нобелівської премії з фізики за передбачення існування "чорних дір", фізик Роджер Пенроуз об′єднався з анестезіологом Стюартом Хамероффом і запропонував амбіційну відповідь.

Про це розповідає Крістіані Де Мораїш Сміт з Утрехтського університету (Нідерланди) для видання "The Conversation". (Пенроуз отримав нобелівку у 2020 році.)

Пенроуз та Хамерофф стверджували, що нейрональна система мозку утворює складну мережу і що свідомість, яку вона виробляє, повинна підкорятися правилам квантової механіки – теорії, яка визначає, як рухаються крихітні частинки, такі як електрони. Це, стверджують вони, могло б пояснити таємничу складність людської свідомості.

Ця ідея була сприйнята недовірливо. Зазвичай вважається, що квантово-механічні закони застосовуються лише при дуже низьких температурах. Наприклад, квантові комп'ютери в цей час працюють при температурі близько -272 °C. При вищих температурах верх бере класична механіка.

Оскільки наше тіло працює при кімнатній температурі, очікувано, що воно підкорятиметься класичним законам фізики. З цієї причини багато вчених відхиляють теорію квантової свідомості, хоча інші – її переконані прихильники.

Замість того, щоб брати участь у цій дискусії, Крістіані Де Мораїш Сміт вирішила об’єднати зусилля з колегами з Китаю на чолі з професором Сіань-Мін Цзінем з Шанхайського університету Цзяотун, щоб перевірити деякі принципи, що лежать в основі квантової теорії свідомості.

У своїй новій роботі вони досліджували, як квантові частинки можуть рухатися у такій складній структурі, як мозок, але в лабораторних умовах. Якщо одного дня їхні висновки можна буде порівняти з активністю, виміряною в мозку, вчені підійдуть на крок ближче до підтвердження або відхилення суперечливої теорії Пенроуза та Хамероффа.

Мізки та фрактали

Наш мозок складається з клітин, які називаються нейронами, і, як вважається, їх спільна діяльність генерує свідомість. Кожен нейрон містить мікротрубочки, які транспортують речовини до різних частин клітини. Теорія квантової свідомості Пенроуза-Хамероффа стверджує, що мікротрубочки структуровані за фрактальним патерном, що мало б дозволити квантовим процесам здійснюватися.

Фрактали – це структури, які не є ні двовимірними, ні тривимірними, а натомість являють собою деяке дробове значення між ними. У математиці фрактали постають прекрасними візерунками, які повторюються нескінченно, створюючи те, що здається неможливим: структуру, яка має кінцеву площу, але нескінченний периметр.

Це може здатися неможливим для візуалізації, але фрактали насправді часто трапляються в природі. Якщо ви уважно придивитесь до квітів цвітної капусти або гілок папороті, то побачите, що вони обидва складаються з однієї й тієї ж основної форми, що повторюється знову і знову, але в менших і менших масштабах. Це ключова характеристика фракталів.

Те саме відбувається, якщо зазирнути всередину власного тіла: наприклад, структура легенів є фрактальною, як і судини кровоносної системи. Фрактали також присутні у феєричних повторюваних творах М. С. Ешера та Джексона Поллока, і вони десятиліттями використовуються в технологіях, наприклад при проєктуванні антен. Це все приклади класичних фракталів – фракталів, які дотримуються законів класичної фізики, а не квантової фізики.

Неважко зрозуміти, чому фрактали використовувались для пояснення складності людської свідомості. Оскільки вони нескінченно хитромудрі, дозволяючи складності виникати із простих повторюваних шаблонів, вони можуть бути структурами, які підтримують таємничі глибини нашого розуму.

Але якщо це так, це могло б відбуватися лише на квантовому рівні, з крихітними частинками, що рухаються по фрактальним патернам в межах нейронів мозку. Тому пропозицію Пенроуза та Хамероффа називають теорією "квантової свідомості".

Квантова свідомість

Ми ще не можемо виміряти поведінку квантових фракталів у мозку – якщо вони взагалі існують. Але завдяки передовим технологіям ми тепер можемо вимірювати квантові фрактали в лабораторії. Під час останніх досліджень із використанням сканувального тунельного мікроскопа (СТМ) команда разом з колегами з Утрехта ретельно розташували електрони у фрактальному патерні, створивши квантовий фрактал.

Потім, вимірявши хвильову функцію електронів, яка описує їх квантовий стан, дослідники виявили, що вони теж жили у фрактальній розмірності, продиктованій фізичним патерном, який створили вчені. У цьому випадку патерном, який використовувався у квантовій шкалі, був трикутник Серпіньського, який являє собою форму, яка знаходиться десь між одним виміром та дво-виміром.

Це було захопливою  знахідкою, але методи СТМ не можуть дослідити, як рухаються квантові частинки, - що могло б сказати нам більше про те, як квантові процеси можуть відбуватися в мозку. Тож у цьому останньому дослідженні нідерландські вчені з колегами з Шанхайського університету Цзяотун пішли на крок далі. Використовуючи найсучасніші експерименти з фотоніки, вони змогли розкрити квантовий рух, який відбувається у фракталах, у безпрецедентній детальності.

Дослідники досягли цього шляхом впорскування фотонів (частинок світла) у штучну мікросхему, копітко сконструйовану як крихітний трикутник Серпіньського. Вчені вводили фотони у кінчик трикутника і спостерігали, як вони поширюються по всій його фрактальній структурі в процесі, який називається квантовим перенесенням. Потім вони повторили цей експеримент на двох різних фрактальних структурах, обидві з яких мають форму квадратів, а не трикутників. І в кожній із цих структур були проведені сотні експериментів.

Їх спостереження за цими експериментами показують, що квантові фрактали насправді поводяться не так, як класичні. Зокрема, дослідники виявили, що поширення світла через фрактал регулюється іншими законами у квантовому випадку у порівнянні з класичним випадком.

Ці нові знання про квантові фрактали можуть створити основу для вчених експериментально перевірити теорію квантової свідомості. Якщо колись квантові вимірювання будуть отримані з мозку людини, їх можна буде порівняти з отриманими результатами, щоб визначити, чи є свідомість класичним чи квантовим явищем.

Ця робота також може мати глибокі наслідки для наукових галузей. Досліджуючи квантове перенесення у штучно розроблених фрактальних структурах, вчені, можливо, зробили перші крихітні кроки до об'єднання фізики, математики та біології, що могло б значно збагатити наше розуміння навколишнього світу, а також світу, який існує в наших головах.