През 20-ти век изследователите изтласкаха границите на науката по-далеч от всякога с големи крачки в две много различни области. Докато физиците откриха странните контраинтуитивни правила, които управляват субатомния свят, нашето разбиране за това как работи умът се разрасна.
И все пак, в новосъздадените области на квантовата физика и когнитивната наука, трудни и тревожни мистерии все още витаят и понякога се преплитат. Защо квантовите състояния внезапно се решават, когато бъдат измерени, правейки поне повърхностно да изглежда, че наблюдението от съзнателен ум има способността да промени физическия свят? Какво ни казва това за съзнанието?
Popular Mechanics разговаря с трима изследователи от различни области за техните възгледи относно потенциалната връзка на квантовото съзнание.
Ранните квантови физици забелязаха чрез експеримента с двоен прорез, че актът на опит за измерване на фотони, докато преминават през прорези с размер на дължината на вълната до екран за откриване от другата страна, променя поведението им.
Този опит за измерване доведе до унищожаване на подобно на вълна поведение, принуждавайки светлината да се държи по-скоро като частица. Въпреки че този експеримент отговори на въпроса „светлината вълна ли е или частица?“ — не е нито едно от двете, със свойства и на двете, в зависимост от обстоятелствата — остави след себе си по-притеснителен въпрос. Ами ако актът на наблюдение с човешкия ум всъщност кара света да проявява промени, макар и в неразбираемо малък мащаб?
Известни и уважавани учени като Юджийн Уигнър, Джон Бел и по-късно Роджър Пенроуз започват да обмислят идеята, че съзнанието може да бъде квантов феномен. В крайна сметка същото направиха и изследователите в когнитивната наука (научното изследване на ума и неговите процеси), но по различни причини.
Улф Даниелсон, автор и професор по теоретична физика в университета в Упсала в Швеция, вярва, че една от причините за връзката между квантовата физика и съзнанието – поне от гледна точка на когнитивната наука – е фактът, че процесите на квантово ниво са напълно случайни. Това е различно от детерминистичния начин, по който протича класическата физика, и означава, че дори най-добрите изчисления, които физиците могат да измислят по отношение на квантовите експерименти, са просто вероятности.
Съществуването на свободна воля като елемент на съзнанието също изглежда дълбоко недетерминистично понятие. Спомнете си, че в математиката, компютърните науки и физиката детерминистичните функции или системи не включват произволност в бъдещото състояние на системата; с други думи, детерминирана функция винаги ще дава едни и същи резултати, ако й дадете едни и същи входове. Междувременно недетерминирана функция или система ще ви даде различни резултати всеки път, дори ако предоставите едни и същи входни стойности.
„Мисля, че това е причината когнитивните науки да гледат към квантовата механика. В квантовата механика има място за шанс“, казва Даниелсон пред Popular Mechanics. „Съзнанието е феномен, свързан със свободната воля, а свободната воля се възползва от свободата, която уж предоставя квантовата механика.“
Въпреки това, Джефри Барет, професор по логика и философия в Калифорнийския университет, Ървайн, смята, че връзката е донякъде произволна от страна на когнитивната наука.
„Наистина е трудно да се обясни съзнанието, това е дълбок и постоянен философски проблем. Така че квантовите физици са отчаяни и онези момчета [когнитивните учени] също са отчаяни“, казва Барет пред Popular Mechanics. „И те смятат, че квантовата механика е странна. Съзнанието е странно. Може да има някаква връзка между двете.
Рационализацията обаче не е убедителна за него. „Не мисля, че има някаква причина да се предполага от посоката на когнитивната наука, че квантовата механика има нещо общо с обяснението на съзнанието“, продължава Барет.
От квантова гледна точка обаче Барет вижда ясна причина защо физиците първи са предложили връзката със съзнанието.
„Ако не беше проблемът с квантовото измерване, никой, включително физиците, участващи в тази ранна дискусия, нямаше да си помисли, че съзнанието и квантовата механика имат нещо общо помежду си“, казва той.
Тъй като възможните състояния на една квантова система са описани с помощта на вълнова математика – или по-точно, вълнови функции – една квантова система може да съществува в много припокриващи се състояния или суперпозиция. Странното е, че тези състояния могат да бъдат противоречиви.
За да видим колко контраинтуитивно може да бъде това, можем да се позовем на един от най-известните мисловни експерименти в историята, парадокса на котката на Шрьодингер.
Създаден от Ервин Шрьодингер, експериментът показва нещастна котка, поставена в кутия с това, което физикът описва като „дяволско устройство“ за един час. Устройството освобождава смъртоносна отрова, ако атом в кутията се разпадне през този период. Тъй като разпадането на атомите е напълно произволно, няма начин експериментаторът да предвиди дали котката е мъртва или жива, докато не изтече часът и кутията не бъде отворена.
Третирането на котката, кутията и устройството като квантова система с две възможни състояния – „мъртва“ или „жива“ – преди кутията да бъде отворена, означава, че тя е в суперпозиция на тези състояния. Котката е едновременно мъртва и жива, преди да отворите контейнера.
Проблемът с измерването пита какво означава „отварянето на кутията“ – аналогично на извършването на измерване – което кара вълновата функция да се срине и тази суперпозиция да бъде унищожена, разрешавайки едно състояние? Дължи ли се на въвеждането на съзнателния ум на експериментатора?
През 1961 г. Един от ранните квантови физици, Уигнър, излага теория, според която умът е от решаващо значение за колапса на вълнова функция и унищожаването на суперпозицията, която продължава да съществува под една или друга форма и до днес.
Уигнър и други физици, които се придържаха към теорията за съзнателните колапси – като Джон фон Нойман, Джон Уилър и Джон Бел – вярваха, че един неодушевен обект без съзнание няма да колапсира вълновата функция на квантовата система и по този начин ще я остави в състояния на суперпозиция.
Това означава, че поставянето на брояч на Гайгер в кутията с котката на Шрьодингер не е достатъчно, за да срине системата до „мъртво“ или „живо“ състояние, въпреки че е в състояние да разбере дали атомът, освобождаващ отровата, се е разпаднал.
Суперпозицията остава, каза Уингър, докато съзнателен наблюдател отвори кутията или може би чуе тиктакането на брояча на Гайгер.
Това води до заключението, че има два различни вида „субстанции“ във Вселената: физическите и нефизическите, като човешкият ум се вписва във втората категория. Това обаче предполага, че мозъкът е физически и биологичен обект, докато умът е нещо друго, което води до така наречения „дуализъм ум-тяло“.
За материалисти като него Даниелсон казва, че колапсът на вълнова функция в квантовата механика е резултат от взаимодействие с друга физическа система. Това означава, че е напълно възможно „наблюдателят“ да бъде напълно неосъзнат обект. За тях броячът на Гайгер в кутията с котката на Шрьодингер е способен да срине суперпозицията на състоянията.
Това се вписва във факта, че квантовите системи са невероятно фино балансирани системи, които лесно се сриват от разсеяно електромагнитно поле или дори промяна в температурата. Ако искате да знаете защо нямаме надеждни квантови компютри, това е част от причината – квантовите състояния, от които те зависят, се нарушават твърде лесно.
Освен това, както посочва Барет, има редица начини да се мисли за квантовата механика, които не включват колапса на квантовата суперпозиция.
Най-известната, многосветова интерпретация на квантовата механика на Хю Евърет III предполага, че когато експериментаторът направи измерване, вълновата функция изобщо не се срива. Вместо това, той нараства, за да включва експериментатора и цялата вселена, с един „свят“ за всяко възможно състояние. По този начин експериментаторът отваря кутията не за да разбере дали котката е мъртва или жива, а по-скоро дали са в свят, в който котката е оцеляла или не.
Ако няма свиване на суперпозиции, няма проблем с измерването.
Ясно е, че с носители на Нобелова награда като Уигнър и Роджър Пенроуз, убедени, че може да има нещо във възможна връзка между квантово съзнание, обаче, идеята не може да бъде напълно отхвърлена.
Кристиан Пискичия, изследовател в Центъра на Енрико Ферми в Рим, Италия, определено е съгласен. Той е част от екип, който търси по-задълбочено разбиране на ума и връзката между съзнанието и законите на природата.
Този екип наскоро се зае с тестването на една конкретна теория, която свързва съзнанието с колапса на квантовата суперпозиция – теорията за оркестрираната обективна редукция (теория на Orch OR) – представена от нобеловия лауреат и математика от Оксфорд Пенроуз и анестезиолога от държавния университет в Аризона Стюарт Хамероф през 90-те години.
Теорията на Orch OR счита, че квантовият колапс е свързан с гравитацията и твърди, че този колапс всъщност поражда съзнание. Според някои подходи към теорията на Orch OR, механизмът на колапс на суперпозицията, който е в основата му, трябва да причини спонтанно излъчване на малко количество радиация. Това я отличава от другите теории за квантово съзнание, тъй като я прави експериментално тествана.
„Когато една система е в квантова суперпозиция, се генерира нестабилна суперпозиция на две пространствено-времеви геометрии, която определя колапса на вълновата функция в характерно време“, казва Пискичия пред Popular Mechanics. „Механизмът се осъществява на ниво микротубули в мозъка.“
Микротубулите са ключов елемент на еукариотните клетки, които са критични за митозата, клетъчната подвижност, транспорта в клетките и поддържането на клетъчната форма. Теорията на Хамероф разглежда микротубулите в мозъчните неврони като седалище на квантовото съзнание, поддържайки квантовите ефекти достатъчно дълго, за да извършат изчисления, пораждащи съзнание, преди да рухнат.
„Достатъчно количество микротубулен материал ще бъде в кохерентна квантова суперпозиция за период от време между половин секунда и десет милисекунди, докато събитието на колапс доведе до появата на съзнателно преживяване“, казва Пискичия. „Ние проектирахме експеримент, който е достатъчно чувствителен, за да разкрие евентуални сигнали за спонтанно излъчване, свързано с гравитацията, във времевите мащаби на колапс, необходими за ефективността на механизма Orch OR.“
Той добавя, че резултатите, получени от екипа, поставят ограничение върху минималното количество микротубулини, необходими за тази форма на Orch OR теория. Установено е, че това ограничение е прекалено голямо, което означава, че резултатите показват, че много от сценариите, изложени от теорията за квантовото съзнание на Хамероф и Пенроуз, са неправдоподобни.
Пискичия посочва, че работата на екипа обаче не може да изключи всички възможности и са необходими допълнителни тестове.
И все пак съществуването на самата концепция за квантово съзнание – и начинът, по който тя е представена в популярната култура – може да представлява заплаха за по-нататъшното научно изследване.
Опасностите от „квантовия мистицизъм“
Дуализмът ум-тяло, предложен от квантовото съзнание, може да бъде потенциално хлъзгав наклон, който е отвел някои поддръжници далеч от науката и към свръхестественото.
Концепцията също е използвана, за да обясни съществуването на душата, живота след смъртта и дори съществуването на призраци, което поражда домашна индустрия на „квантовия мистицизъм“.
„Има много литература, която използва авторитета на физиката и по-специално на квантовата физика, за да прави всякакви твърдения“, обяснява Даниелсон. „Можете да спечелите много пари, като заблуждавате хората по различни начини да купуват не само книги, но и различни продукти. Това дава грешна представа за това какво е наука.
Физикът също така вярва, че определено е така, че възходът на квантовия мистицизъм вреди на законните изследвания. „Квантовият мистицизъм затруднява сериозните учени да мислят за проблеми като квантовата механика и съзнанието“, добавя той. „Това е така, защото има риск да се асоциирате с неща, които не са толкова сериозни.“
Даниелсон не изключва, че дори ако умът е чисто възникващо свойство на мозъка и следователно напълно физически по природа, феноменът на съзнанието може да изисква нова физика, за да го обясни. Той обаче не смята непременно, че това трябва да е квантова механика.
„Това не означава, че може да има много интересни явления, нови за квантовата механика, които могат да се появят в живия свят, включително в нашите мозъци“, заключава той. „Не бива да се казва, че квантовата механика е тривиална и че в нея няма мистерия. „Това е просто още едно фантастично свойство на света, в който живеем“.
