Связано ли сознание с квантовой физикой? Мы приближаемся к выяснению

Один из важнейших открытых вопросов науки заключается в том, как утверждается наше сознание. В 1990-х годах, задолго до получения Нобелевской премии по физике за предсказание существования "черных дыр", физик Роджер Пенроуз объединился с анестезиологом Стюартом Хамероффом и предложил амбициозный ответ.

Об этом рассказывает Кристиани Де Мораиш Смит из Утрехтского университета (Нидерланды) для издания "The Conversation". (Пенроуз получил нобелевку в 2020 году.)

Пенроуз и Хамерофф утверждали, что нейрональная система мозга образует сложную сеть и сознание, которое она производит, должно подчиняться правилам квантовой механики — теории, которая определяет, как двигаются крошечные частицы, такие как электроны. Это, утверждают они, могло бы объяснить таинственную сложность человеческого сознания.

Эта идея была воспринята недоверчиво. Обычно считается, что квантово-механические законы применяются только при очень низких температурах. Например, квантовые компьютеры в настоящее время работают при температуре около -272 °C. При более высоких температурах верх берет классическая механика.

Поскольку наше тело работает при комнатной температуре, ожидаемо, что оно будет подчиняться классическим законам физики. По этой причине многие ученые отвергают теорию квантового сознания, хотя другие — ее убежденные сторонники.

Вместо того, чтобы участвовать в этой дискуссии, Кристиани Де Мораиш Смит решила объединить усилия с коллегами из Китая во главе с профессором Сиань-Мин Цзин из Шанхайского университета Цзяотун, чтобы проверить некоторые принципы, лежащие в основе квантовой теории сознания.

В своей новой работе они исследовали, как квантовые частицы могут двигаться в такой сложной структуре, как мозг, но в лабораторных условиях. Если однажды их выводы можно будет сравнить с активностью, измеренной в мозге, ученые подойдут на шаг ближе к подтверждению или отклонению противоречивой теории Пенроуза и Хамероффа.

Мозги и фракталы

Наш мозг состоит из клеток, которые называются нейронами, и, как считается, их совместная деятельность генерирует сознание. Каждый нейрон содержит микротрубочки, которые транспортируют вещества к различным частям клетки. Теория квантового сознания Пенроуза-Хамероффа утверждает, что микротрубочки структурированы по фрактальному паттерну, что должно позволить квантовым процессам осуществляться.

Фракталы — это структуры, которые не являются ни двумерными, ни трехмерными, а взамен представляют собой некоторое дробное значение между ними. В математике фракталы появляются прекрасными узорами, которые повторяются бесконечно, создавая то, что кажется невозможным: структуру, которая имеет конечную площадь, но бесконечный периметр.

Это может показаться невозможным для визуализации, но фракталы на самом деле часто случаются в природе. Если вы внимательно присмотритесь к соцветиям цветной капусты или ветвям папоротника, то увидите, что они оба состоят из одной и той же основной формы, которая повторяется снова и снова, но в меньших и меньших масштабах. Это ключевая характеристика фракталов.

То же происходит, если заглянуть внутрь собственного тела: например, структура легких является фрактальной, как и сосуды кровеносной системы. Фракталы также присутствуют в феерических повторяющихся произведениях М. С. Эшера и Джексона Поллока, и они десятилетиями используются в технологиях, например при проектировании антенн. Это все примеры классических фракталов — фракталов, которые соблюдают законы классической физики, а не квантовой физики.

Нетрудно понять, почему фракталы использовались для объяснения сложности человеческого сознания. Поскольку они бесконечно хитроумные, позволяя сложности возникать из простых повторяющихся шаблонов, они могут быть структурами, которые поддерживают таинственные глубины нашего ума.

Но если это так, это могло бы происходить только на квантовом уровне, с крошечными частицами, движущимися по фрактальным паттернам в пределах нейронов мозга. Поэтому предложение Пенроуза и Хамероффа называют теорией "квантового сознания".

Квантовое сознание

Мы еще не можем измерить поведение квантовых фракталов в мозгу — если они вообще существуют. Но благодаря передовым технологиям мы теперь можем измерять квантовые фракталы в лаборатории. Во время последних исследований с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) команда вместе с коллегами из Утрехта тщательно разместили электроны в фрактальном паттерне, создав квантовый фрактал.

Затем, измерив волновую функцию электронов, которая описывает их квантовое состояние, исследователи обнаружили, что они тоже жили во фрактальной размерности, продиктованной физическим паттерном, который создали ученые. В этом случае паттерном, который использовался в квантовой шкале, был треугольник Серпинского, представляющий собой форму, которая находится где-то между одним измерением и двух-измерением.

Это было увлекательной находкой, но методы СТМ не могут исследовать, как движутся квантовые частицы, – что могло бы сказать нам больше о том, как квантовые процессы могут происходить в мозге. Поэтому в этом последнем исследовании нидерландские ученые с коллегами из Шанхайского университета Цзяотун пошли на шаг дальше. Используя самые современные эксперименты с фотоники, они смогли раскрыть квантовое движение, происходящее во фракталах, в беспрецедентной детализации.

Исследователи достигли этого путем впрыскивания фотонов (частиц света) в искусственную микросхему, тщательно сконструированную как крошечный треугольник Серпинского. Ученые вводили фотоны в кончик треугольника и наблюдали, как они распространяются по всей его фрактальной структуре в процессе, который называется квантовым переносом. Затем они повторили этот эксперимент на двух разных фрактальных структурах, обе из которых имеют форму квадратов, а не треугольников. И в каждой из этих структур были проведены сотни экспериментов.

Их наблюдения за этими экспериментами показывают, что квантовые фракталы на самом деле ведут себя не так, как классические. В частности, исследователи обнаружили, что распространение света через фрактал регулируется другими законами в квантовом случае по сравнению с классическим случаем.

Эти новые знания о квантовых фракталах могут создать основу для ученых экспериментально проверить теорию квантового сознания. Если когда-то квантовые измерения будут получены из мозга человека, их можно будет сравнить с полученными результатами, чтобы определить, является ли сознание классическим или квантовым явлением.

Эта работа также может иметь глубокие последствия для научных отраслей. Исследуя квантовый перенос в искусственно разработанных фрактальных структурах, ученые, возможно, сделали первые крошечные шаги к объединению физики, математики и биологии, что могло бы значительно обогатить наше понимание окружающего мира, а также мира, который существует в наших головах.