Може ли квантовата физика да обясни съзнанието?

Общоприето е, че съзнанието или, по-общо казано, умствената дейност по някакъв начин са свързани с поведението на материалния мозък. Тъй като квантовата теория е най-фундаменталната теория на материята, която понастоящем е налице, е основателен въпросът да попитаме дали квантовата теория може да ни помогне да разберем съзнанието. 

Вековната загадка на съзнанието накара някои изследователи да се позоват на квантовата физика, за да го обяснят. Тази идея винаги е била посрещана със скептицизъм, което не е изненадващо. През 90-те години, много преди да спечели Нобелова награда за физика за 2020 г. за прогнозата си за черни дупки, физикът Роджър Пенроуз заедно с анестезиолога Стюарт Хамеров (Stuart Hameroff), предлага амбициозен отговор.

Според тях невроналната система на мозъка образува сложна мрежа и съзнанието, което произвежда, трябва да се подчинява на правилата на квантовата механика, което би могло да обясни мистериозната сложност на човешкото съзнание.

Квантовите явления се проявяват само при много малки частици като електроните, а в макромащаб - само при изключително ниски температури близо до абсолютната нула. При по-високи температури квантовата механика вече се измества от класическата механика. Тъй като нашето тяло работи при стайна температура, е нормално да се очаква то да се управлява от класическите закони на физиката. Поради тази причина теорията на квантовото съзнание бе отхвърлена от много учени, макар да има немалко убедени привърженици.

Повечето изследователи смятат, че идеята на Пенроуз е отхвърлена от проучване, публикувано през 2000 г. Физикът Макс Тегмарк изчислява, че квантовите суперпозиции на молекулите, участващи в невронната сигнализация, не могат да оцелеят дори частица от времето, необходимо за такъв сигнал, за да стигне никъде. Квантовите ефекти като суперпозицията лесно се унищожават поради процес, наречен декохерентност. Това се причинява от взаимодействията на квантовия обект с околната среда, което унищожава "квантовостта", а се очаква декохеренцията да бъде изключително бърза в топла и влажна среда като живи клетки.

Сега изследователи, ръководени от Кристиан де Морайс Смит (Cristiane de Morais Smith), професор, теоретична физика, Университет Утрехт, и учени от Китай, водени от професор Сиен-Мин Дзин (Xian-Min Jin) от Шанхайския университет Джаотонг, решават да тестват някои от принципите, залегнали в основата на квантовата теория на съзнанието.

В новата си статия, публикувана в Nature, те изследват как квантовите частици могат да се движат в сложна структура като мозъка, но в лабораторни условия. Ако откритията им могат един ден да се сравнят с активността, измерена в мозъка, това ще бъде стъпка към валидирането или отхвърлянето на противоречивата теория на Пенроуз и Хамеров.

Мозък и фрактали

Невроните изграждат нашите мозъци и се смята, че тяхната комбинирана активност генерира съзнанието. Всеки неврон съдържа микротубули, които транспортират вещества до различни части на клетката. Теорията на Пенроуз-Хамеров за квантовото съзнание твърди, че микротубулите са структурирани по фрактален модел, който би позволил да се появят квантовите процеси.

^{Микротубули. Най-ниското неврофизиологично ниво, на което се предполага, че  квантовите процеси имат връзка със съзнанието, е нивото, на което се разглежда вътрешността на единичните неврони: техният цитоскелет. Той се състои от протеинови мрежи, съставени по същество от два вида структури, неврофиламенти и микротубули (вляво), които са от съществено значение за различни транспортни процеси в невроните (както и други клетки). Микротубулите са дълги полимери, обикновено изградени от 13 надлъжни α и β-тубулинови димери, подредени в тръбна решетка с външен диаметър около 25 nm (вдясно). Кредит: Kandel et al. (2000), II.4.}

Фракталите са математически алгоритми, основани на прости уравнения, които могат да генерират сложна еволюция във времето и завладяващи самоповтарящи се модели (патерни) в пространството. Един от известните примери е множеството на Манделброт, кръстен на математика Беноа Манделброт, въвел понятието "фрактал" за подобни форми.

_{Увеличение върху множеството на Манделброт. Кредит: Wikimedia Commons}

Едно от интересните свойства на фракталите е това, че не са нито двумерни, нито триизмерни, а имат някаква дробна размерност. 

Ето един пример:

^{Размерността зависи силно от това как се мери в изследвания обект. Един квадрат има две измерения, но ако си представим, че е запълнен със силно нагънато въже, получаваме нещо като крива на Пеано.}

Да разгледаме една от кривите на Пеано, фрактал наречен "Гръцки кръст". Той се чертае по следните правила:

Първият етап е отсечка. После тя се заменя с 9 отсечки с дължина 3 пъти по-малка от дължината на първоначалната отсечка (1 и 2 на схемата долу). След това, всяка от отсечките се заменя със същата тази фигура и повтаряйки този процес безкрайно, ще се получи плътен квадрат. Минете с мишката върху цифрите долу за да видите този процес.
Цикли:	1	2	3	4	5	6

Фракталите  се срещат често в природата. Ако се вгледате в клоните и корените на дърветата, в камък и планина, в лист папрат, ще видите, че с повтаря една и съща основна форма отново и отново, но в по-малки или по-големи мащаби. 

Нашето тяло не прави изключение. 

Човекът представлява много сложен фрактален обект. Мускулите, костите (скелета), белите дробове, мозъка, кръвоносните съдове, различните проводящи тъкани, а и какъвто и да е клетъчен строеж имат фрактална структура.

Ясни примери за фрактални форми се откриват във физиологията: дихателната, кръвоносната, и нервната системи са забележителни примери за фрактална архитектура.

Бронхите и бронхиолите на белите дробове образуват “дърво” с многобройни разклонения, които се разклоняват отново и отново. От близо дихателните пътища изглеждат по същия начин както и от по-отдалече. Все още не е открит никакъв ясен генетичен, ензимен или биофизически механизъм, който да е отговорен за тази фрактална структура. Анализът, който са направили американските учени Goldberger, Rigney и West, показал, че тази фрактална структура прави дробовете по-устойчиви на грешки в течение на разтежа.

Разбираемо е защо учените прибягват към фракталите за обяснение на сложността на човешкото съзнание.

"Тъй като те са безкрайно сложни, позволявайки на сложността да се появи от прости повтарящи се модели, те могат да бъдат структурите, които поддържат мистериозните дълбини на нашите умове".

"Но ако случаят е такъв, това може да се случва само на квантово ниво, като малки частици се движат във фрактални модели в мозъчните неврони", обяснява водещият автор на новото изследване Кристиан де Морайс Смит в статия на The Conversation.

И екипът на де Морайс Смит се заема да провери предположението на Пенроуз и Хамеров, наречено теория на „квантовото съзнание“.

Квантово съзнание

"Все още не сме в състояние да измерим поведението на квантовите фрактали в мозъка - ако изобщо съществуват. Но напредналите технологии означават, че вече можем да измерваме квантовите фрактали в лаборатория. При скорошно изследване с помощта на сканиращ тунелен микроскоп (STM), колегите от Утрехт и аз внимателно подредихме електроните във фрактален модел, създавайки квантов фрактал", разказва Кристиан де Морайс Смит.

Когато изследователите измерват вълновата функция на електроните, която описва тяхното квантово състояние, откриват, че и те обитават фрактално дробно измерение, продиктувано от физическия модел, в който са ги вкарали, а именно фрактална форма на име триъгълник на Серпински. Той има размерност: ln3/ln2 = 1.585, т.е. е между едноизмерен и двуизмерен.

Откритието е вълнуващо. Но изследователите признават, че сканиращият тунелен микроскоп не може да покаже как се движат квантовите частици, заради което е трудно да се каже повече за това как могат да се появят квантовите процеси в мозъка.

Затова в последно изследване екипът съвместно с китайските учени от Университета в Шанхай и зползват съвременни експерименти с фотоника. И успяват да разкрият квантовото движение, което се случва във фракталите, с безпрецедентни подробности.

Те инжектират фотони (частици светлина) в изкуствен чип, който е проектиран в малък триъгълник на Серпински. 

"Тук показваме как масивите от изкуствени атоми могат да бъдат дефинирани чрез контролирано позициониране на молекулите на CO върху Cu (111) повърхност 2,3,4 и как тези места се свързват, за да образуват електронни фрактали на Серпински", обясняват авторите във видеото.

Електроните са 1,58 измерение - това е истински фрактал!

"Инжектирахме фотони на върха на триъгълника и наблюдавахме как те се разпространяват по цялата му фрактална структура в процес, наречен квантов транспорт", пише в статията за The Conversation Кристиан де Морайс Смит.

Екипът повтаря същият експеримент и върху квадратна (а не триъгълна) форма на фрактала, наречена килим на Серпински. И във всяка от тези структури се провеждат стотици експерименти.

Четириъгълник (килим) на Серпински(Sierpinski carpet) Атракторът е: 8 нови подобни фигури, по 3 на страна и по един на върховете. Размерност: 3ln2/ln3 ~ 1.9 Диагоналите на “килима” представляват множества на Кантор

1 2 3 4 5

Наблюденията от тези експерименти разкриват, че квантовите фрактали всъщност се държат по различен начин от класическите.

По-конкретно, авторите откриват, че разпространението на светлината през фрактал се управлява от различни закони в квантовия случай в сравнение с класическия случай.

Откритието на квантовите фрактали може да осигури основата на учените за експериментално тестване на теорията на квантовото съзнание.

Ако някога учените успеят да направят квантови измервания в човешкия мозък, те биха могли да се сравнят своите резултати с резултатите на екипа на де Морайс Смит, за да се определи дали съзнанието реално е класическо или квантово явление.

"Нашата работа може да има дълбоки последици в научните области. Изследвайки квантовия транспорт в нашите изкуствено проектирани фрактални структури, може да сме направили първите малки стъпки към обединяването на физиката, математиката и биологията, което би могло значително да обогати нашето разбиране за света около нас, както и за света, който съществува в главите ни", заключава Кристиан де Морайс Смит.

Справка:

Quantum transport in fractal networks, Xiao-Yun Xu, Xiao-Wei Wang, Dan-Yang Chen, C. Morais Smith and Xian-Min Jin,  Nature Photonics (2021), https://doi.org/10.1038/s41566-021-00845-4

Източници:

Can consciousness be explained by quantum physics? My research takes us a step closer to finding out,  The Conversation

Quantum Approaches to Consciousness, Stanford Encyclopedia of Philosophy

The strange link between the human mind and quantum physics,  Philip Ball, BBC 

Още по темата

10/05/2021

Физика

Квантовото вплитане вече се наблюдава директно в по-голям макроскопичен мащаб

01/06/2020

Животът

175-годишната тайна как анестезията причинява загуба на съзнание е разкрита

26/08/2019

Физика

"Квантов дарвинизъм" звучи странно, но тази теория премина тестовете

08/05/2019

Животът

Ново проучване преоткрива как губим и възвръщаме съзнание