Вплитането на фотоните може да обясни бързите мозъчни сигнали, които са в основата на съзнанието

Ваня Милева Последна промяна на 19 август 2024 в 00:00 4646 0

Схема, показваща неврон с множество миелинови обвивки по дължината му, моделиране на сегмент от миелинова обвивка, обхващащ сегмент от аксон, и фосфолипидни молекули, основен компонент на миелина, с опашка, състояща се от голям брой въглеродно-водородни (

Кредит Physical Review E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.110.024402

Схема, показваща отляво надясно (а) неврон с множество миелинови обвивки по дължината му, (b) моделиране на сегмент от миелинова обвивка, обхващащ сегмент от аксон, и (c) фосфолипидни молекули, основен компонент на миелина, с опашка, състояща се от голям брой въглеродно-водородни (C-H) връзки.

Да се разбере природата на съзнанието е един от най-трудните проблеми в науката. Някои учени предполагат, че квантовата механика, и по-специално квантовото вплитане, е ключът към разгадаването на явлението.

Изследователска група от Китай е показала, че много вплетени фотони могат да се генерират в миелиновата обвивка, която покрива нервните влакна. Това би могло да обясни бързата комуникация между невроните, за която досега се смяташе, че е под скоростта на звука, твърде бавна, за да обясни как се случва невронната синхронизация.

За това изследване съобщихме преди, но сега Phys.org представя още подробности.

Статията е публикувана в списание Physical Review E.

"Ако силата на еволюцията е търсила удобни за употреба действия на разстояние, квантовото вплитане би било [идеален] кандидат за тази роля", посочва за Phys.org Юн-цун Чън (Yong-Cong Chen). Чън е професор в Шанхайския център за квантови науки за живота и във Физическия факултет на Шанхайския университет.

Мозъкът комуникира в себе си чрез изстрелване на електрически сигнали, наречени синапси, между невроните, които са основните компоненти на нервната тъкан. Именно на синхронизираната активност на милиони неврони разчита съзнанието (наред с другите мозъчни дейности). Но начинът, по който се осъществява тази прецизна синхронизация, е неизвестен.

Връзките между невроните се наричат аксони - дълги структури, наподобяващи електрически проводници - и са покрити с покритие (" кожух") от миелин - бяла тъкан, изградена от липиди.

Съставен от стотици слоеве, миелинът изолира аксоните, оформя ги и доставя енергия на аксоните. ( Всъщност поредица от такива обвивки се простира по цялата дължина на аксона. Обикновено миелиновата обвивка е дълга около 100 микрона, а разстоянията между тях са от 1 до 2 микрона.) Последните данни сочат, че миелинът играе важна роля и за стимулиране на синхронизацията между невроните.

Но скоростта, с която сигналите се разпространяват по аксоните, е под скоростта на звука, понякога много по-ниска - твърде бавна, за да създаде милионите синхронизации на невроните, които са в основата на всички невероятни неща, които мозъкът може да прави.

За да се справят с този проблем, Чън и колегите му изследват дали в системата аксон-миелин могат да се намират заплетени фотони, които, благодарение на магията на квантовото вплитане, могат да комуникират мигновено през съответните разстояния.

Цикълът на трикарбоксилната киселина освобождава енергията, съхранена в хранителните вещества, с каскада от инфрачервени фотони, които се освобождават по време на цикличния процес. Тези фотони се свързват с вибрациите на въглеродно-водородните (C-H) връзки в липидните молекули и ги възбуждат до по-високо енергийно вибриращо състояние. Когато връзката премине в по-ниско енергийно състояние, тя освобождава каскада от фотони.

Китайската група прилага квантовата електрохидродинамика на кухината към идеален цилиндър, заобиколен от миелин, като прави разумното предположение, че външната стена на миелиновата обвивка е идеално цилиндрична проводяща стена.

Квантовата електродинамика на кухината (cavity QED) е изследване на взаимодействието между светлината, затворена в отразяваща кухина, и атоми или други частици, при условия, в които преобладава квантовата природа на фотоните.

Използвайки квантовомеханични техники, те квантуват електромагнитните полета и електрическото поле вътре в кухината, както и фотоните, т.е. третират ги като квантови обекти, и след това, с някои опростяващи допускания, решават получените уравнения.

По този начин се получава вълновата функция на системата от два фотона, взаимодействащи с материята вътре в кухината. След това изчисляват степента на вплитане на фотоните, определяйки квантовата ентропия, мярка за безпорядък, с помощта на разширение на класическата ентропия, разработено от научния полиглот Джон фон Нойман.

"Ние показахме, че двата фотона наистина могат да имат по-висока степен на вплитане при определени случаи", заявява Чън в своето изявление.

Проводимата стена ограничава режимите на електромагнитните вълни, които могат да съществуват в цилиндъра, превръщайки цилиндъра в електромагнитна кухина, която запазва по-голямата част от енергията си в себе си. Тези режими се различават от непрекъснатите електромагнитни вълни ("светлина"), които съществуват в свободното пространство.

Именно тези дискретни режими водят до честото производство на силно вплетени фотони в миелиновата кухина, чиято скорост на производство може да бъде значително повишена в сравнение с два невплетени фотона.

Вплитането означава, че двуфотонното състояние не е класическа комбинация от две фотонни състояния. Вместо това, измерването или взаимодействието с един от фотоните моментално засяга същото свойство на втория фотон, без значение на какво разстояние се намира той.

Вплитането е демонстрирано за система, чиито членове са на разстояние над 1000 км един от друг. 

Нищо подобно не съществува в класическата физика - това е чисто квантово явление. В този случай вплитането би увеличило възможността за много по-бърза сигнализация по участъците от миелин, които покриват сегменти от дължината на аксона.

Една от възможностите, пишат авторите, е вплитането на фотоните да се трансформира във вплитане по калиевите йонни канали в неврона. Ако това е така, отварянето и затварянето на един канал може да повлияе на работата на друг някъде другаде.

Чън е заявил пред Phys.org, че техният резултат е комбинация от две явления, които съществуват, но все още са до голяма степен загадъчни: съзнание (да не говорим за квантово съзнание) и квантово вплитане.

"Няма да кажем, че има пряка връзка. На този ранен етап основната ни цел е да определим възможните механизми на невронната синхронизация, която влияе на множество невробиологични процеси. Чрез тази работа се надяваме да постигнем по-добро разбиране".

Докато няма още доказателства, ролята на квантовите явления в областта на човешкия ум ще остане недоказана.

"Квантовата когнитивност сама по себе си е противоречива тема, която е обект на тежки дебати", отбелязва Чън. "Не казваме, че съществува пряка връзка."

Справка:   Zefei Liu, Yong-Cong Chen, and Ping Ao; Entangled biphoton generation in the myelin sheath, Physical Review E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.110.024402. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2401.11682

Източник: Photon entanglement could explain the rapid brain signals behind consciousness, David Appell, Phys.org

Въведение в квантовото вплитане

Идеята за неопределеността е фундаментална за света на квантовата механика. Не можем да измерваме всички характеристики на една система едновременно, без значение колко перфектен е експериментът. Копенхагенската интерпретация на Нилс Бор ефективно ни показва, че самият акт на измерване избира характеристиките, които се наблюдават.

Вплитането е доста странно свойство на квантовата механика. Ако два електрона, например, бъдат изхвърлени от квантова система, тогава законите за запазване на импулса ни казват, че импулсът е равен и противоположен на този на другия. Въпреки това, според Копенхагенската интерпретация, нито една частица няма да има определено състояние, докато не бъде измерена. Когато се измери импулса на едната, това ще определи състоянието и импулса на другата частица, независимо от разстоянието между тях.

Основното:

  1. Когато две субатомни частици взаимодействат една с друга, техните състояния стават взаимозависими – те се вплитат.
  2. Те остават свързани дори когато са физически разделени (дори на огромни разстояния като различни галактики).
  3. Манипулирането на една частица незабавно променя другата.
  4. Измерването на свойствата на една частица ни дава данни за другата.


Това е известно като нелокално поведение, въпреки че Айнщайн го нарича "призрачно действие от разстояние". През 1935 г. Айнщайн заявява, че има скрити променливи, които го правят ненужно. Той твърди, че за да може една частица да повлияе на друга, ще е необходим сигнал, по-бърз от светлината между тях. Това е забранено според неговата Специалната теория на относителността.

Теорема на Бел:

През 1964 г. физикът Джон Стюарт Бел предлага експеримент, който разглежда въпроса дали вплетените частици действително комуникират помежду си по-бързо от скоростта на светлината. Той представя случай на свързани електрони, един със спин нагоре и един със спин надолу. (Спинът се отнася до ъгловия импулс на електроните). Според квантовата теория двата електрона са в суперпозиция на състояния, докато не бъдат измерени. Всеки един от тях може да има спин нагоре или надолу. Но докато измервате спина на единия електрон, знаете, че другият трябва да има обратния спин.

Формулите, получени от Бел, наречени неравенства на Бел, определят колко често спинът на една частица трябва да корелира със спина на другата частица, ако бъде включена нормалната вероятност, която всъщност се противопоставя на квантовото заплитане. Статистическото разпределение доказва математически, че Айнщайн не е бил прав и че има мигновена връзка между вплетените частици. Според физика Фритьоф Капра, теоремата на Бел описва как Вселената е "фундаментално взаимосвързана".

В заключение, квантовата сфера не е обвързана от правилата на локалността. Когато две частици претърпят вплитане, те са ефективно една система, която има една квантова функция.

Локалност и нелокалност

Локалността е свойство от класическата физика, при което промените в една точка на Вселената не могат мигновено да променят физическата реалност в друга точка - събитие на Венера не може мигновено да увеличи честотата на разпада на пи-мезоните на Земята. Това свойство се намира в основата на класическия принцип на причинността и възниква от ограниченията на скоростта на предаване на информация със скоростта на светлината. В квантовата механика тази локалност може да бъде нарушена от система вплетени частици например.

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !