Categories
Психологія

Квантова природа свідомості

Гіпотеза «Квантовий розум або квантова свідомість» припускає, що класична фізика і детермінізм не в змозі охарактеризувати свідомість як механічне явище, і може бути пояснена лише з залученням постулатів квантової механіки, явищ суперпозиції, квантового скручування та ін. Квантове скручування і суперпозиція можуть відігравати важливу роль у функції мозку і можуть стати основою для пояснення свідомості. Це не одна теорія, а скоріше сукупність різних ідей.

Теоретичні основи теорії були закладені 1960-х. Зараз ця теорія все ще перебуває в зародковому стані, але вона вже має підтримку.

Головний аргумент квантової гіпотези – класична фізика не може самотужки пояснити свідомість.

Квантова природа свідомості
Свідомість працює на основі взаємоузгоджених макроскопічних квантово-когерентних процесів, що відбуваються в особливих скупченнях

Галілей і Ньютон виключили тільки відчуття фізичного світу. Фрітьоф Капра написав, що вчені здатні описати природу математично. Галілей вважав, що вони (вчені) просто вивчили основні властивості тіл, форму, кількість і рух яких можна виміряти кількісно. Інші властивості, такі як колір, звук, смак чи запах, були просто суб’єктивними уявленнями, які повинні були бути виключені з області наук.

Ідею, що квантова теорія має щось робити з працюючим розумом, приводить Eugene Wigner, який припускав, що відбувається колапс руйнування хвильової функції при її взаємодії зі свідомістю.

Тим не менш, більшість сучасних фізиків та філософів вважають аргументи для важливої ролі квантових явищ непереконливими. Фізик Victor Stenger характеризує квантову свідомість як «міф», що не має «наукової основи», який «повинен зайняти своє місце поряд з богами, єдинорогами і драконами». Філософ Чалмерс (David Chalmers) також скептично виступив проти квантової свідомості: «…як квантова механіка може бути пов’язана з дуалістичною свідомістю?».

David Bohm, відомий роботами з квантової фізики, філософії та нейропсихології, висловив думку, що квантова теорія і теорія відносності суперечать одна одній, і що під цим протиріччям мається на увазі існування більш фундаментальної основи у фізичному Всесвіті. Він стверджував, що обидві теорії (і квантова і теорія відносності) вказують на іншу, більш глибоку теорію, яку він сформулював в термінах квантової теорії поля. Цей більш фундаментальний рівень було запропоновано представляти як нероздільну цілісність (мається на увазі система, з якої виникає розвиток порядку у Всесвіті, як ми це відчуваємо).

Теорія Бома більше підходить до філософських традицій Бора (Bohr), в яких не виключені можливі нейрохімічні кореляти свідомості, але відповідно до принципу компліментарності відкидає припущення, що неможливо описувати квантовий світ.

Для Bohm, Hiley, Peat, Pylkkänen та ін. – розходження між матерією і духом повинні насамперед як слід бути переглянуті.

У своєму довіднику «Квантова теорія», відповідно за Бором і його принципом компліментарності: нездатність виміряти положення і швидкість частки (принцип невизначеності) Девідом Бомом (David Bohm) порівнюється з аналогічною неможливістю знати зміст і час думки, до якої прагне інтенціональність (властивість людської свідомості бути спрямованою на деякий предмет).

Paavo Pylkkänen ілюструється на прикладі людини, яку попросили описати, що він думає, коли їде в поїзді. Рух думки переривається, коли людина усвідомлює, що вона думає. Бом хотів дізнатися за квантовою реальністю і реальністю духу найпоширеніше пояснення цього парадоксу. Запропонований порядок Девід Бом відносить як до матерії, так і до свідомості. Він припускає, що це може пояснити зв’язок між ними. Розум і матерія тут розглядаються як проекції порядку від основної реальності порядку. Девід Бом стверджує, що коли ми дивимося на матерію в просторі, ми не бачимо цих концепцій, які допомагають нам зрозуміти свідомість.

У спробі описати природу свідомості Девід Бом обговорює досвід прослуховування музики. Він вважає, що почуття руху і зміни, які складають наш досвід у музиці і що відбувалися в недавньому минулому і до сьогодення, проводяться в головному мозку разом з примітками з минулого, які аналізуються як перетворення, а не як спогади.

Примітки, які були залучені з недавнього минулого, розглядаються як експлікування (пояснення) в даний час. Девід Бом досліджує це як свідомість, яка виходить з цього порядку. Девід Бом бачить рух, зміну або потік, узгоджений з досвідом прослуховування музики, як прояв цього порядку, тому і запевняє, що можна отримати докази цього з роботи Жана Піаже «Про вивчення дітей».

Він стверджує, що ці дослідження показують, що діти повинні дізнатися про час і простір, тому що діти є частиною того, що експлікує. Але існує «жорстке» розуміння переміщення, бо це є частина порядку. Девід Бом порівнює цю «жорстку проводку» з теорією Хомського, що граматика є «важко-провідною» в мозку молодих людей. У своїх роботах David Bohm не запропонував ніякого конкретного механізму мозку, за допомогою якого його імпліцитний (прихований) порядок може виникнути в дорозі, яка має відношення до свідомості, жодних засобів, за допомогою яких пропозиції можуть бути перевірені або підроблені.

Фізик Gustav Bernroider передбачає, що структура Бома може бути прийнята до уваги для стосунків між нервовими процесами і свідомістю. У статті, опублікованій в 2005 році, Bernroider розказав про фізичну основу цього процесу. Основна ідея, що розроблена в роботі,- це квантова когерентність.

Квантова когерентність, щоб бути використаною нейронними процесами, може бути збережена в іонних каналах нейронів досить довго. Крім того, ці канали можуть перекриватися навколишніми ліпідами, білками та іншими каналами однієї і тієї ж мембрани. Іонні канали регулюють електричний потенціал на мембрані аксона, отже відіграють важливу роль в обробці інформації в головному мозку.

Bernroider ґрунтує свою роботу на останніх дослідженнях каналу іона калію K+ в основному стані. Він був особливо натхненний дослідженнями в спектроскопії на атомному рівні команди MacKinnon. Іонні канали мають область, яка служить в якості фільтра, який приймає іони K+, але інші іони не пропускає. Ці дослідження показали, що область фільтра має структуру з п’яти наборів 4 атомів кисню. Ця структура є частиною карбоксильної групи молекули амінокислоти в навколишньому білку. Вони називаються обов’язковими кишенями, куди у виборі фільтра закритого іонного каналу як в пастку потрапляють два іони K+. Кожен з цих іонів електростатично з’єднаний з двома наборами атомів кисню або зі зв’язуванням кишені, маючи на увазі 8 атомів кисню в цілому. Кожен з цих іонів в каналі змінюється між двома конфігураціями.

Цю структуру можливостей квантової когерентності іонних каналів, яка нещодавно була відкрита, тепер використовує Bernroider. Розрахунки Bernroider і його співавтора Сісера Роя привели до думки, що поведінка в каналі іонів K+ може бути зрозуміла тільки на квантовому рівні. Це їх припущення.

Потім вчені задалися питанням, а якщо структура іонного каналу може бути пов’язана з логічним станом. Додаткові розрахунки навели їх на думку, що іони К+ і атоми кисню обов’язкових кишень (двоярусні квантові системи) можуть розглядатися як квантовий комп’ютер, що спостерігає за розрахунком матчу. Іони, які повинні бути виключені з каналу, передбачають кодування інформації, що стосується стану атомів кисню. Вчений також припустив, що відокремлені іонні канали можуть бути пов’язані на квантовому рівні.

Фізик-теоретик Роджер Пенроуз і анестезіолог Стюарт Хамерофф спільними зусиллями підготували теорію, відому як «Orchestrated objective reduction» (ORCH-OR). Пенроуз і Хамерофф спочатку розробили свої ідеї окремо, потім на початку 1990-х спільними зусиллями підготували ORCH-OR. Теорія переглядалася і оновлювалася до кінця 2013 року.

Теорія Роджера Пенроуза, Стюарта Хамероффа і Густава Bernroider покладалася на нейрофізіологію, особливо на можливі квантові ефекти когерентності в нервовій системі, яка забезпечувала б масштаб когерентності і утворювала матеріальну основу свідомості (40 Гц – частота свідомості).

Квантова природа свідомості
Тубуліновий кубіт

Penrose і Hameroff спостерігають за делокалізацією електронів в гідрофобних кишенях мікротрубочок, які формують основу клітини, в той час як Густав Bernroider та ін. розглядають можливість прийняття аналогічних кишень, центр іонних каналів яких знаходиться на поверхні клітин.

Мікротрубочки є суттєвими частинами цитоскелету. Кишені гідрофобної молекули тубуліну (білки, які при складанні регулярно формуються в мікротрубочки) знаходяться в місцях, де електрони делокалізовані.

«Переміщення» – це явище квантової природи в тому сенсі, що ймовірність електрона продовжує бути обмежена навколо ядра атома, в цей час багато делокалізованих електронів теоретично можуть діяти узгоджено, незважаючи на відстань.
Анестезіолог Hameroff прагнув зрозуміти, як структурно різні анестетики можуть приводити до одного й того ж результату. Всі вони впливають на гідрофобні ділянки білків, зокрема на тубулін, а також діють на свідомість. Все це привело Хамероффа до «руху» електронів в якості основи квантової когерентності, яка може на неврологічному рівні поширюватися у великих масштабах.

Було відзначено, що діяльність синапсів знаходиться під впливом діяльності мікротрубочок, які Пенроуз і Хамерофф називають «оркестровкою», звідки й виникла назва «Orchestrated objective reduction» або ORCH-OR.
Спірний аргумент Пенроуза розпочався з неповноти теорем Геделя. У своїй першій книзі про свідомість «The Emperor’s New Mind» («Новий розум імператора», 1989) Пенроуз стверджував, що формальна система доказів не може довести свою неспроможність (Гедель «Недоведені математиками результати доказів»).

Назва книги «Новий розум імператора» є алюзією на назву казки Х. К. Андерсена «Нове вбрання короля». У своїй книзі Пенроуз стверджує, що людська свідомість не є алгоритмічною, і в силу цього не може бути змодельована за допомогою звичайного комп’ютера – машини Тьюринга. На думку Пенроуза, для розуміння природи людської свідомості важливу роль повинен зіграти апарат квантової механіки, зокрема, редукція фон Неймана. Пенроуз вважає, що необхідно розробити нову теорію, яка буде включати в себе «об’єктивну редукцію хвильових функцій».

Велика частина книги присвячена розгляду ньютонівської фізики, спеціальної та загальної теорії відносності, філософії та математичних обмежень, квантової фізики, космології і природи часу. Пенроуз описує ці області в якості непрямих ілюстрацій основної тези про неалгоритмічність людської свідомості, і лише в заключній частині книги звертається до цієї тези безпосередньо.

Пенроузом встановлено, що колапс хвильової функції був єдиною можливою фізичною основою для необчислюваного процесу. Незадоволений своєю випадковістю, Пенроуз запропонував нову форму колапсу хвильової функції, яка сталася в ізоляції під назвою мета скорочення. Він запропонував, що кожна квантова суперпозиція має свій власний шматок викривлення простору-часу, і, коли вони відриваються більш ніж на одну планковську довжину, вони стають нестійкими і руйнуються. Пенроуз припустив, що мета скорочення не представлена випадковістю і не має жодної алгоритмічної обробки. Замість цього вона має необчислюваний вплив в геометрії простору-часу, через математичне усвідомлення якої і через більш пізнє розширення якої і походить свідомість.

Спочатку Пенроузу не вистачало детальної інформації про те, як квантова обробка може бути реалізована в мозку. Тим не менш, Хамерофф, читаючи роботи Пенроуза, припустив, що мікротрубочки (microtubules) могли б більше підійти.

Квантова природа свідомості
Мікротрубочка – порожня трубка, зазвичай складається з 13 рядів димерів тубуліну. Мікротрубочка за своєю структурою піддається квантовим явищам когерентності.

Мікротрубочки – компоненти цитоскелета, що зустрічаються по всій цитоплазмі. Ці трубчасті полімери тубуліна є дуже динамічними і можуть рости до 50 мікрометрів із середньою довжиною 25 мкм. Зовнішній діаметр мікротрубочок становить близько 24 нм, а внутрішній – близько 12 нм. Їх можна знайти в еукаріотичних клітинах. Утворюються вони шляхом полімеризації димера з двох глобулярних білків, альфа- і бета-тубуліну.

Мікротрубочки складаються з тубуліну – білкових димерних субодиниць. Кожен тубулін димерів має гідрофобні кишені (8 нм одна від одної), які можуть містити делокалізовані пі-електрони. Також тубуліни мають більш дрібні неполярні ділянки, які містять багаті на пі-електрони індольні кільця, між якими близько 2 нм. Hameroff припустив, що ці електрони знаходяться досить близько, щоб стати квантово-заплутаними.

Хамерофф спочатку запропонував, що тубулін, як субодиниця електронів, утворює конденсат Бозе-Ейнштейна (Bose–Einstein), але це було дискредитовано.

Тоді він запропонував конденсат Фрьоліха (Frohlich) – гіпотетичне когерентне коливання дипольних молекул. Тим не менш, це теж було експериментально дискредитовано.

Тоді Хамерофф припускає, що конденсати з одного нейрона можуть поширюватися на багато інших через щілинні контакти між нейронами, утворюючи макроскопічну квантову функцію через розширену область мозку. Коли хвильова функція цього розширеного конденсату рухнула, було запропоновано необчислювальний доступ математичного розуміння, в кінцевому рахунку свідомий досвід якого гіпотетично вбудовано в геометрію простору-часу.

Тим не менш, в теорії ORCH-OR розроблено численні помилкові біологічні передбачення, які вважаються вкрай бідною моделлю фізіології мозку. Пропоноване домінування «А» решітки мікротрубочек, більш підходящої для обробки інформації, було сфальсифіковано через Kikkawa та інших, які показали, що всі мікротрубочки в природних умовах мають «B» решітку і шов.

Запропоноване існування щілинних контактів між нейронами і гліальними клітинами також сфальсифіковано. Теорія ORCH-OR передбачала, що когерентність мікротрубочок досягає синапсів через дендритні пластинчасті органи (DLBs), проте De Zeeuw та інші довели що це неможливо, показали, що DLBs знаходяться в мікрометрах від щілинних контактів.

У січні 2014 року Хамерофф і Пенроуз заявили, що відкриття квантових коливань в мікротрубочці в Національному Інституті матеріалознавства Anirban Bandyopadhyay (Японія, березень 2013) підтверджує гіпотезу теорії ORCH-OR.

Hiroomi Umezawa і співробітники запропонували квантову теорію поля зберігання пам’яті. А вчені Giuseppe Vitiello і Walter Freeman запропонували діалогову модель розуму, де цей діалог відбувається між класичною та квантовою частинами мозку. Квантова теорія поля моделі динаміки мозку в корені відрізняється від теорії Penrose-Hameroff.

Subhash Kak запропонував, що фізичний субстрат для нейронних мереж має квантову основу, але він також вказує, що квантовий як і машинний розум буде як і раніше мати обмеження, вказує на роль квантової теорії в розходженні між інтелектом машини і біологічним інтелектом.

Henry Stapp підтримує ідею, що квантові хвилі зводяться тільки тоді, коли вони взаємодіють зі свідомістю. Він стверджує з ортодоксальної квантової механіки Джона фон Неймана, що квантовий стан руйнується, коли спостерігач вибирає одну серед альтернативних квантових можливостей в якості основи для майбутніх дій. Крах відбувається через очікування того, що спостерігач думкою пов’язаний із суспільством.

Його теорія про те, як розум може взаємодіяти з матерією за допомогою квантових процесів у мозку, відрізняється від теорії Penrose і Hameroff.

Основним аргументом проти квантової теорії розуму є те, що квантовий стан мозку буде декогерованим раніше ніж він досягне просторового або тимчасового масштабу, при якому він став би корисним для нервової обробки. Хоча у фотосинтезуючих організмів квантова когерентність бере участь в ефективній передачі енергії в межах часу, яка розрахована фізиком Максом Тегмарком (Tegmark).

Макс Тегмарк розробив аргумент квантової біології, але ґрунтуючись на своїх розрахунках, прийшов до висновку, що квантові системи в мозку декогерують у суб-пікосекундних часових рамках, які зазвичай прийнято вважати занадто короткими, щоб контролювати функцію головного мозку.