Nihče ne razume, kaj je zavest in kako deluje. Tudi kvantna mehanika nihče ne razume. Je to lahko več kot le naključje? "Ne morem prepoznati pravega problema, zato sumim, da ni pravega problema, vendar nisem prepričan, da ni pravega problema." Ameriški fizik Richard Feynman je to povedal o skrivnostnih paradoksih kvantne mehanike. Danes fiziki to teorijo uporabljajo za opis najmanjših predmetov v vesolju. Lahko pa bi povedal isto o zapletenem problemu zavesti.
Nekateri znanstveniki menijo, da zavest že razumemo ali da gre le za privid. Toda mnogi drugi mislijo, da se bistvu zavesti sploh nismo približali.
Trajnica, imenovana "zavest", je nekatere znanstvenike celo pripeljala do tega, da so jo skušali razložiti s pomočjo kvantne fizike. Toda njihova vnema je bila srečana s precej mero skepse, in to ne preseneča: razlagati je eno uganko z drugo nerazumno.
Toda takšne ideje niso nikoli nesmiselne in niti s stropa ne.
Po eni strani um, na zgražanje fizikov, um sprva noče razumeti zgodnje kvantne teorije. Poleg tega se predvideva, da so kvantni računalniki sposobni stvari, česar običajni računalniki ne zmorejo. To nas spominja, da so naši možgani še vedno sposobni podviga zunaj dosega umetne inteligence. "Kvantna zavest" se na široko zasmehuje kot mistična neumnost, toda nihče je ni mogel popolnoma odvrniti.
Kvantna mehanika je najboljša teorija za opisovanje sveta na ravni atomov in subatomskih delcev. Morda je najbolj znana njegova skrivnost dejstvo, da se rezultat kvantnega eksperimenta lahko spremeni, odvisno od tega, ali se odločimo za merjenje lastnosti delcev, ki so v njem vpleteni, ali ne.
Ko so pionirji kvantne teorije prvič odkrili ta "opazovalni učinek", so bili resno zaskrbljeni. Zdelo se je, da spodkopava predpostavko, na kateri temelji vsa znanost: da obstaja zunaj objektivni svet, neodvisen od nas. Če se svet obnaša, odvisno od tega, kako - ali če - gledamo nanj, kaj bi "resničnost" v resnici pomenila?
Promocijski video:
Nekateri znanstveniki so bili prisiljeni sklepati, da je objektivnost iluzija in da mora zavest igrati dejavno vlogo v kvantni teoriji. Drugi preprosto v tem niso videli nobenega zdravega razuma. Na primer, Albert Einstein se je motil: ali Luna obstaja samo, ko jo pogledate?
Danes nekateri fiziki sumijo, da ne gre za to, da zavest vpliva na kvantno mehaniko … ampak da je do nje sploh prišlo. Menijo, da bomo morda potrebovali kvantno teorijo, da bomo razumeli, kako možgani sploh delujejo. Ali je morda tako, da so lahko kvantni predmeti hkrati na dveh mestih hkrati, tako lahko tudi kvantni možgani hkrati pomenijo dve medsebojno izključujoči stvari?
Te ideje so sporne. Lahko se izkaže, da kvantna fizika nima nobene zveze z delovanjem zavesti. Vsaj pa dokazujejo, da nas čudna kvantna teorija misli čudne stvari.
Najboljše od tega je, da se kvantna mehanika v eksperimentu z dvojno režo poda v človeško zavest. Predstavljajte si žarek svetlobe, ki udarja v zaslon z dvema medsebojno vzporednima režama. Del svetlobe prehaja skozi reže in pade na drug zaslon.
Lahko razmišljate o svetlobi kot o valu. Ko valovi preidejo skozi dve reži, kot v poskusu, se med seboj trčita - motijo. Če se njihovi vrhovi ujemajo, se med seboj okrepijo, kar ima za posledico vrsto črno-belih črt svetlobe na drugem črnem zaslonu.
Ta eksperiment je bil uporabljen za prikaz valovne narave svetlobe več kot 200 let, preden se je pojavila kvantna teorija. Nato je bil izveden poskus z dvojno režo s kvantnimi delci - elektroni. To so drobni nabiti delci, sestavni deli atoma. Na nerazumljiv način, vendar se ti delci lahko obnašajo kot valovi. To pomeni, da se razhajajo, ko tok delcev prehaja skozi dve reži, kar ustvarja interferenčni vzorec.
Zdaj pa predpostavimo, da kvantni delci prehajajo skozi reže enega za drugim, njihov prihod na zaslon pa bomo opazovali tudi korak za korakom. Zdaj ni nič očitnega, kar bi povzročilo, da bi se delci vmešavali v svojo pot. Toda slika delcev, ki zadenejo, bo še vedno pokazala obrobje.
Vse kaže, da vsak delček hkrati prehaja skozi obe reži in posega vase. Ta kombinacija obeh poti je znana kot stanje superpozicije.
Toda tu je kaj čudnega.
Če detektor postavimo v eno od rež ali za njim, bi lahko ugotovili, ali delci prehajajo skozi njega ali ne. Toda v tem primeru interferenca izgine. Že samo dejstvo opazovanja poti delca - četudi to opazovanje ne bi smelo ovirati gibanja delca - spremeni rezultat.
Fizik Pascual Jordan, ki je v dvajsetih letih prejšnjega stoletja sodeloval s kvantnim gurujem Nielsom Bohrom v Københavnu, je to izrazil takole: "Opazovanja ne kršijo le tistega, kar bi bilo treba izmeriti, ampak ga tudi določajo … Prisilimo kvantni delček, da izbere določen položaj." Z drugimi besedami, Jordan pravi, da "sami izvajamo meritve."
Če je tako, lahko objektivno resničnost preprosto vržemo skozi okno.
A tu se nenavadno ne konča.
Če narava spremeni svoje vedenje glede na to, ali gledamo ali ne, bi ga lahko poskusili zviti okoli prstov. Če želite to narediti, bi lahko izmerili, katero pot je delnik izbral pri prehodu skozi dvojno režo, vendar šele po prehodu skozinjo. Do takrat bi se morala že "odločiti", ali bo šla po eni poti ali skozi obe.
Ameriški fizik John Wheeler je takšen poskus predlagal v 70. letih prejšnjega stoletja in v naslednjih desetih letih je bil izveden poskus z "zapoznelo izbiro". Uporablja pametne metode za merjenje poti kvantnih delcev (običajno svetlobnih delcev - fotonov), potem ko izberejo eno pot ali superpozicijo dveh.
Izkazalo se je, da, kot je napovedal Bohr, ni pomembno, ali odlašamo z meritvami ali ne. Dokler merimo pot fotona, preden udari in se registriramo v detektorju, ni motenj. Zdi se, da narava "ve" ne samo takrat, ko pikamo, ampak tudi, ko načrtujemo pokukati.
Eugene Wigner
Kadarkoli v teh poskusih odkrijemo pot kvantnega delca, se njegov oblak možnih poti "skrči" v enotno natančno določeno stanje. Poleg tega zapozneli poskus kaže, da že samo dejanje opazovanja, brez kakršnega koli fizičnega posredovanja, ki ga povzroči merjenje, lahko povzroči propad. Ali to pomeni, da se resnični kolaps zgodi šele, ko rezultat merjenja doseže našo zavest?
To možnost je v tridesetih letih prejšnjega stoletja predlagal madžarski fizik Eugene Wigner. "Iz tega izhaja, da na kvantni opis predmetov vplivajo vtisi, ki vstopajo v mojo zavest," je zapisal. "Solipsizem je lahko logično skladen s kvantno mehaniko."
Wheelerja je celo zabavala misel, da je prisotnost živih bitij, ki jih je mogoče "opazovati", pretvorila to, kar je bilo prej množica možne kvantne preteklosti, v eno konkretno zgodbo. V tem smislu, pravi Wheeler, postanemo udeleženci v razvoju vesolja že od samega začetka. Po njegovem živimo v "vesolju sostorilcev."
Fiziki še vedno ne morejo izbrati najboljše interpretacije teh kvantnih eksperimentov in do neke mere ste do tega upravičeni. Toda tako ali drugače je podtekst očiten: zavest in kvantna mehanika sta nekako povezana.
Angleški fizik Roger Penrose je že v osemdesetih letih prejšnjega stoletja predlagal, da bi ta povezava delovala v drugo smer. Če zavest vpliva na kvantno mehaniko ali ne, je morda v zavest vključena kvantna mehanika.
Fizik in matematik Roger Penrose
In Penrose je tudi vprašal: kaj, če so v naših možganih molekularne strukture, ki lahko spremenijo svoje stanje kot odgovor na en kvantni dogodek? Ali lahko te strukture prevzamejo stanje superpozicije, kot delci v poskusu z dvojno režo? Ali se lahko te kvantne superpozicije manifestirajo v načinu komuniciranja nevronov prek električnih signalov?
Mogoče, je dejal Penrose, naša sposobnost vzdrževanja na videz nezdružljivih duševnih stanj ni zaznavna prepir, ampak pravi kvantni učinek?
Navsezadnje se zdi, da so človeški možgani sposobni obdelovati kognitivne procese, ki so glede zmogljivosti še vedno veliko boljši od digitalnih računalnikov. Morda bomo celo lahko izvajali računske naloge, ki jih v običajnih računalnikih ni mogoče izvajati s klasično digitalno logiko.
Penrose je najprej predlagal, da so kvantni učinki prisotni v človeškem umu v njegovi knjigi iz leta 1989. Cesarjev novi um. Njegova glavna ideja je bila "orkestrirano zmanjšanje cilja". Objektivno zmanjšanje, po Penroseu, pomeni, da je propad kvantnih motenj in superpozicija resničen fizični proces, kot razbijajoč mehurček.
Orkestrirano zmanjšanje cilja temelji na Penrozovi domnevi, da gravitacija, ki vpliva na vsakdanje predmete, stole ali planete, ne kaže kvantnih učinkov. Penrose verjame, da kvantna superpozicija za predmete, večje od atomov, postane nemogoča, ker bi njihov gravitacijski vpliv nato privedel do obstoja dveh nezdružljivih različic vesoljskega časa.
Potem je Penrose to idejo razvil z ameriškim zdravnikom Stuartom Hameroffom. V svoji knjigi Shadows of the Mind (1994) je predlagal, da bi bile strukture, vključene v to kvantno spoznanje, lahko beljakovinske nitke - mikrotubule. Najdemo jih v večini naših celic, vključno z nevroni v možganih. Penrose in Hameroff sta trdila, da lahko mikrotubule med nihanjem prevzamejo stanje kvantne superpozicije.
Toda nič ne kaže, da je to sploh mogoče.
Predvidevali smo, da bodo idejo o kvantnih superpozicijah v mikrotubulah podprli eksperimenti, predlagani leta 2013, v resnici pa te študije niso omenjale kvantnih učinkov. Poleg tega večina raziskovalcev meni, da se je ideja o orkestriranem objektivnem zmanjšanju ločila od študije, objavljene leta 2000. Fizik Max Tegmark je izračunal, da kvantne superpozicije molekul, vključenih v nevronske signale, ne bodo mogle obstajati niti za trenutek, potreben za prenos signala.
Kvantni učinki, vključno s superpozicijo, so zelo krhki in se uničijo v procesu, imenovanem dekoherenca. Ta proces je posledica interakcij kvantnega predmeta z njegovim okoljem, saj njegov "kvant" pušča.
V toplem in vlažnem okolju, kot so žive celice, velja, da je dekoherenca izjemno hitra.
Živčni signali so električni impulzi, ki nastanejo s prehodom električno nabitih atomov skozi stene živčnih celic. Če je bil eden od teh atomov v superpoziciji in je nato trčil v nevron, je Tegmark pokazal, da bi morala superpozicija razpadati v manj kot eni milijardi milijarde sekunde. Deset tisoč trilijonov več časa traja, da nevron odda signal.
Zato ideje o kvantnih učinkih v možganih skeptiki ne preizkušajo.
Toda Penrose neusmiljeno vztraja pri hipotezi OER. In kljub napovedi Tegmarkove zelo hitre dekoherencije v celicah so drugi znanstveniki ugotovili manifestacije kvantnih učinkov v živih bitjih. Nekateri trdijo, da kvantno mehaniko uporabljajo ptice selivke, ki uporabljajo magnetno navigacijo, in zelene rastline, ko s sončno svetlobo izdelujejo sladkor s pomočjo fotosinteze.
Kljub temu ideja, da bi možgani lahko uporabili kvantne trike, noče izginiti. Ker so našli še en argument v njeno korist.
Ali lahko fosfor ohranja kvantno stanje?
V študiji iz leta 2015 je fizik Matthew Fisher s kalifornijske univerze Santa Barbara trdil, da lahko možgani vsebujejo molekule, ki zdržijo močnejše kvantne superpozicije. Še posebej je prepričan, da imajo lahko jedra fosforjevih atomov to sposobnost. Atomi fosforja so povsod v živih celicah. Pogosto imajo obliko fosfatnih ionov, v katerih se en atom fosforja kombinira s štirimi kisikovimi atomi.
Takšni ioni so glavna enota energije v celicah. Večina energije celice je shranjena v molekulah ATP, ki vsebujejo zaporedje treh fosfatnih skupin, vezanih na organsko molekulo. Ko je eden od fosfatov odrezan, se sprosti energija, ki jo celica porabi.
Celice imajo molekularne naprave za sestavljanje fosfatnih ionov v grozde in njihovo razgradnjo. Fisher je predlagal shemo, v kateri sta lahko dva fosfatna iona v superpoziciji določene vrste: v zapletenem stanju.
Fosforjeva jedra imajo kvantno lastnost - spin - zaradi česar so videti kot majhni magneti s polovi, ki kažejo v določenih smereh. V zapletenem stanju je spiranje enega fosforjevega jedra odvisno od drugega. Z drugimi besedami, zapletena stanja so superpozicijska stanja, ki vključujejo več kot en kvantni delec.
Fisher pravi, da lahko kvantno mehansko obnašanje teh jedrskih vrtljajev prepreči neskladnost. Strinja se s Tegmarkom, da bodo kvantne vibracije, o katerih sta govorila Penrose in Hameroff, zelo odvisne od njihove okolice in "skoraj takoj". Toda zavoji jeder ne vplivajo tako močno s svojim okoljem.
In vendar mora biti kvantno vedenje zavrtin fosforjevih jeder "zaščiteno" pred dekoherenco.
Kvantni delci imajo lahko različen spin
To bi se lahko zgodilo, pravi Fischer, če bi atome fosforja vgradili v večje predmete, imenovane "Posnerjeve molekule". So grozdi šestih fosfatnih ionov v kombinaciji z devetimi kalcijevimi ioni. Obstajajo nekateri znaki, da so takšne molekule lahko v živih celicah, vendar doslej niso zelo prepričljive.
Fischerjeva molekula se v Posnerjevih molekulah lahko fosforjem za en dan upre proti dekoherenci, tudi v živih celicah. Zato lahko vplivajo tudi na delovanje možganov.
Ideja je, da lahko Posnerjeve molekule prevzamejo nevroni. Ko so v notranjosti, bodo molekule aktivirale signal do drugega nevrona, ki propada in sprošča kalcijeve ione. Zaradi zapletenosti v Posnerjevih molekulah se lahko dva od teh signalov zapleteta po vrsti: na nek način bo to kvantna superpozicija "misli". "Če je v možganih dejansko prisotna kvantna predelava z jedrskimi vrtljaji, bi se to vseskozi dogajalo," se pravi Fisher.
Ta ideja se mu je prvič porodila, ko je razmišljal o duševnih boleznih.
Litij-karbonatna kapsula
"Moj uvod v biokemijo možganov se je začel, ko sem se pred tremi do štirimi leti odločil raziskati, kako in zakaj ima litijev ion tako radikalen učinek pri zdravljenju težav z duševnim zdravjem," pravi Fisher.
Litijeva zdravila se pogosto uporabljajo za zdravljenje bipolarne motnje. Delujejo, a nihče v resnici ne ve, zakaj.
"Nisem iskal kvantne razlage," pravi Fisher. Potem pa je naletel na dokument, ki je opisal, kako imajo litijevi pripravki različne učinke na obnašanje podgan, odvisno od tega, katera oblika - ali "izotop" - litija je bila uporabljena.
To je sprva zmedlo znanstvenike. Kemično se različni izotopi obnašajo na enak način, če so litiji delovali kot običajno zdravilo, bi morali imeti izotopi enak učinek.
Živčne celice so povezane v sinapse
Toda Fischer je spoznal, da imajo jedra atomov različnih litijevih izotopov lahko različne zavoje. Ta kvantna lastnost lahko vpliva na delovanje zdravil na osnovi litija. Na primer, če litij nadomešča kalcij v Posnerjevih molekulah, lahko vreteni litija vplivajo na fosforjeve atome in preprečijo, da bi se zapletli.
Če je to res, bi lahko tudi razložilo, zakaj lahko litij zdravi bipolarno motnjo.
Na tej točki Fischerjevo ugibanje ni nič drugega kot intrigantna ideja. Toda obstaja več načinov, kako to preveriti. Na primer, da lahko fosfor v molekulah Posnerja dolgo časa ohranja kvantno koherenco. To je Fisher in namerava še preveriti.
Vendar je previden, da bi ga povezal s prejšnjimi pojmi "kvantne zavesti", za katere meni, da so v najboljšem primeru špekulativni.
Zavest je globoka skrivnost
Fiziki niso zelo radi, da bi bili znotraj lastnih teorij. Mnogi od njih upajo, da lahko zavest in možgane izvlečemo iz kvantne teorije in morda tudi obratno. A ne vemo, kaj je zavest, kaj šele dejstvo, da nimamo teorije, ki bi jo opisovala.
Poleg tega občasno obstajajo glasni vzkliki, da nam bo kvantna mehanika omogočila obvladovanje telepatije in telekineze (in čeprav je to nekje na globini konceptov to res tako, ljudje vse jemljejo preveč dobesedno). Zato se fiziki na splošno bojijo omeniti besedi "kvant" in "zavest" v enem stavku.
Leta 2016 je Adrian Kent z univerze v Cambridgeu v Veliki Britaniji, eden najbolj cenjenih "kvantnih filozofov", predlagal, da lahko zavest spremeni obnašanje kvantnih sistemov na subtilne, a zaznavne načine. Kent je pri svojih izjavah zelo previden. "Ni prepričljivega razloga, da bi verjeli, da je kvantna teorija primerna teorija, iz katere bi črpali teorijo zavesti, ali da se morajo problemi kvantne teorije nekako prekrivati s problemom zavesti," priznava.
Dodaja pa, da je popolnoma nerazumljivo, kako lahko izveste opis zavesti, ki temelji izključno na predkvantični fiziki, kako opisati vse njegove lastnosti in lastnosti.
Ne razumemo, kako misli delujejo
Eno posebej zaskrbljujoče vprašanje je, kako lahko naš zavestni občutek doživi edinstvene občutke, kot so rdeča ali vonj praženega mesa. Poleg ljudi z okvaro vida vsi vemo, kako izgleda rdeča barva, vendar tega občutka ne moremo prenesti, v fiziki pa ni ničesar, kar bi nam lahko povedalo, kako izgleda.
Občutki, kot so ti, se imenujejo qualia. Dojemamo jih kot enotne lastnosti zunanjega sveta, v resnici pa so proizvodi naše zavesti - in to je težko razložiti. Leta 1995 je filozof David Chalmers to označil za "težko težavo" zavesti.
"Vsaka miselna veriga o povezavi med zavestjo in fiziko vodi v resne težave," pravi Kent.
To ga je spodbudilo, da "lahko dosežemo določen napredek pri razumevanju problema evolucije zavesti, če priznamo (vsaj samo priznamo), da se zavest spreminja kvantne verjetnosti."
Z drugimi besedami, možgani lahko dejansko vplivajo na rezultate meritev.
S tega vidika ne opredeljuje "kaj je resnično." Lahko pa vpliva na verjetnost, da bodo upoštevane vse možne realnosti, ki jih nalaga kvantna mehanika. Tudi kvantna teorija sama po sebi tega ne more predvideti. In Kent meni, da bi takšne manifestacije lahko iskali eksperimentalno. Celo pogumno oceni možnosti, da jih najde.
"S 15-odstotno gotovostjo bi domneval, da zavest povzroča odstopanja od kvantne teorije; in še 3 odstotke, da bomo to poskusno potrdili v naslednjih 50 letih, "pravi.
Če se to zgodi, svet ne bo enak. Za to je vredno raziskati.
ILYA KHEL