Інформаційно-освітній сайт 
Що таке свідомість, яку роль відіграє несвідоме, чим пояснюються «нелогічні» інтуїтивні прозріння, в тому числі наукові осяяння, - це питання, на які очевидних відповідей поки немає. Як не дивно, допомогти у відповідях на ці важкі запитання може квантова механіка. Ніхто не розуміє, що таке свідомість і як вона працює. Ніхто не розуміє і квантову механіку. Сьогодні цю теорію фізики використовують для опису найдрібніших об'єктів у Всесвіті. Квантова фізика і свідомість людини - між ними існує якись незрозумілий зв'язок.
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. Квантова механіка - найкраща теорія, яка у нас є, здатна описати світ на рівні атомів і субатомних частинок. Найбільш відомою з її загадок є той факт, що результат квантового експерименту може змінюватися в залежності від того, вирішуємо ми виміряти властивості частинок, що беруть участь в ньому, чи ні. Так було виявлено, що на квантовому рівні матерія реагує на увагу людини. Це було новим у фізиці. За уявленнями сучасної фізики все матеріалізується з порожнечі. Ця порожнеча отримала назву «квантове поле», «нульове поле» або «матриця». Порожнеча містить енергію, яка може перетворюватися в матерію.
 За ходом експерименту велося спостереження |  Якщо не вести спостереження, то виявляється слід хвилі. |
Сьогодні деякі фізики підозрюють, що справа не в тому, що свідомість впливає на квантову механіку, а в тому, що вона взагалі з'явилася, завдяки їй. Вони вважають, що квантова теорія може знадобитися нам, щоб взагалі зрозуміти, як працює мозок. Чи може бути таке, що як квантові об'єкти можуть перебувати в двох місцях одночасно, так і квантовий мозок може одночасно мати на увазі дві взаємовиключні речі? Ці ідеї викликають суперечки. Може виявитися так, що квантова фізика ніяк не пов'язана з роботою свідомості. Але вони хоча б демонструють, що дивна квантова теорія змушує нас думати про дивні речі.
Найкраще квантова механіка пробивається в свідомість людини через експеримент з подвійною щілиною. Уявіть собі промінь світла, який падає на екран з двома близько розташованими паралельними щілинами. Частина світла проходить через щілини і падає на інший екран. Коли хвилі світла проходять через дві щілини, як в експерименті, вони стикаються - інтерферують - між собою, що виливається в серію чорно-білих смуг світла на другому чорному екрані. Потім експеримент з подвійною щілиною провели з квантовими частинками - електронами. Незрозумілим чином, але ці частинки можуть вести себе як хвилі. Тобто вони піддаються дифракції, коли потік частинок проходить через дві щілини, створюючи інтерференційну картину. Коли вчені навчилися вистрілювати одним електроном, вони знову провели експеримент. Тепер немає нічого очевидного, що змушувало б частинку нтерферувати на її шляху. Але картина попадання частинок все одно буде демонструвати інтерференційні смуги. Все вказує на те, що кожна частинка одночасно проходить через обидві щілини і інтерферує сама з собою. Це поєднання двох шляхів відомо як стан суперпозиції.
Але ось що дивно.
Якщо розмістити детектор в одній з щілин або за нею, ми могли б з'ясувати, проходять через неї частинки чи ні. Але в такому випадку інтерференція зникає. Простий факт спостереження шляху частинки - навіть якщо це спостереження не повинно заважати руху частинки - змінює результат. Фізик Паскуаль Йордан, який працював з квантовим генієм Нільсом Бором в Копенгагені в 1920-х роках, сформулював це так: «Спостереження не тільки порушують те, що має бути виміряне, вони це визначають... Ми примушуємо квантову частинку вибирати певне положення». Іншими словами, Йордан каже, що «ми самі виробляємо результати вимірювань». Якщо це так, об'єктивну реальність можна просто викинути у вікно.
Але на цьому дива не закінчуються.
Якщо світ змінює свою поведінку в залежності від того, дивимося ми на нього чи ні, ми могли б спробувати обвести його навколо пальця. Для цього ми могли б виміряти, який шлях вибрала частка, проходячи через подвійну щілину, але тільки після того, як пройде через неї. На той час вона вже повинна «визначитися», пройти через один отвір або через обидва. Провести такий експеримент в 1970-х роках запропонував американський фізик Джон Уілер, і в наступні десять років експеримент з «відкладеним вибором» провели. Він використовує розумні методи вимірювання шляхів квантових частинок (як правило, частинок світла - фотонів) після того, як вони вибирають один шлях або суперпозицію двох. Виявилося, що, як і передбачав Бор, немає ніякої різниці, затримуємо ми вимірювання чи ні. До тих пір, поки ми вимірюємо шлях фотона до його попадання і реєстрацію в детекторі, інтерференції немає. Те ж саме відбувається і з електроном. Створюється враження, що природа «знає» не тільки коли ми підглядаємо, але і коли ми плануємо підглядати.
Юджин Вігнер
Всякий раз, коли в цих експериментах ми відкриваємо шлях квантової частинки, її хмара можливих маршрутів «стискається» в єдиний чітко окреслений стан. Більш того, експеримент із затримкою передбачає, що сам акт спостереження, без будь-якого фізичного втручання, викликаного виміром, може стати причиною колапсу. Чи означає це, що істинний колапс відбувається тільки тоді, коли результат вимірювання досягає нашої свідомості? Таку можливість запропонував в 1930-х роках угорський фізик Юджин Вігнер. «З цього випливає, що квантове опис об'єктів знаходиться під впливом вражень, що надходять в мою свідомість», писав він. «Соліпсизм може бути логічно узгодженим з квантовою механікою». Уїлера навіть бавила думка про те, що наявність живих істот, здатних «спостерігати», перетворила те, що раніше було безліч можливих квантових минулих, в одну конкретну історію. У цьому сенсі, каже Уілер, ми стаємо учасниками еволюції Всесвіту з самого його початку.
Фізики досі не можуть вибрати кращу інтерпретацію цих квантових експериментів, і в деякій мірі право повинно надаватися і вам. Але, так чи інакше, підтекст очевидний: свідомість і квантова механіка якимось чином пов'язані. Починаючи з 1980-х років, англійський фізик Роджер Пенроуз припустив, що цей зв'язок може працювати в іншому напрямку. Він сказав, що незалежно від того, впливає свідомість на квантову механіку чи ні, можливо, квантова механіка бере участь у свідомості.
Фізик і математик Роджер Пенроуз
Пенроуз запитав: що, якщо в нашому мозку існують молекулярні структури, здатні змінювати свій стан у відповідь на одну квантову подію? Чи можуть ці структури приймати стан суперпозиції, подібно до часток в експерименті з подвійною щілиною? Чи можуть ці квантові суперпозиції потім проявлятися в тому, як нейрони спілкуються за допомогою електричних сигналів? Може бути, говорив Пенроуз, наша здатність підтримувати, здавалося б, несумісні психічні стани не примха сприйняття, а реальний квантовий ефект? Зрештою, людський мозок, схоже, в змозі обробляти когнітивні процеси, які до сих пір по можливостях набагато перевершують цифрові обчислювальні машини. Можливо, ми навіть здатні виконувати обчислювальні завдання, які не можна виконати на звичайних комп'ютерах, що використовують класичну цифрову логіку. Пенроуз вперше припустив, що квантові ефекти присутні в людській свідомості, в книзі 1989 року "The Emperor's New Mind". Головною його ідеєю став «оркестрований об'єктивний колапс». Об'єктивна редукція, на думку Пенроуза, означає, що колапс квантової інтерференції і суперпозиції є реальним фізичним процесом, ніби лопається міхур. Оркестрований об'єктивний колапс спирається на припущення Пенроуза про те, що гравітація, яка впливає на повсякденні об'єкти, не демонструє квантових ефектів. Пенроуз вважає, що квантова суперпозиція стає неможливою для об'єктів більших за атоми, тому що їх гравітаційний вплив в такому випадку призвів би до існування двох несумісних версій простору-часу. Далі Пенроуз розвивав цю ідею з американським лікарем Стюартом Хамероффом. У своїй книзі «Тіні розуму» (1994) він припустив, що структури, які беруть участь в цьому квантовому пізнанні, можуть бути білковими нитками - мікротрубочками. Вони є в більшості наших клітин, в тому числі і нейронах мозку. Пенроуз і Хамерофф стверджували, що в процес коливання мікротрубочки можуть приймати стан квантової суперпозиції.
Але немає нічого на підтримку того, що це взагалі можливо.
Припускали, що ідею квантових суперпозиций в мікротрубочках підтвердять експерименти, запропоновані в 2013 році, але на ділі в цих дослідженнях не згадувалося про квантові ефекти. Крім того, більшість дослідників вважають, що ідея оркестрованих об'єктивних редукцій була розвінчана дослідженням, опублікованим в 2000 році. Фізик Макс Тегмарк розрахував, що квантові суперпозиції молекул, залучених в нейронні сигнали, не зможуть проіснувати навіть миті часу, необхідного для передачі сигналу. Квантові ефекти, включаючи суперпозицію, дуже крихкі і руйнуються в процесі так званої декогеренції. Це процес обумовлений взаємодіями квантового об'єкта з навколишнім середовищем, під час якого його «квантовість» зникає. Декогеренція, як вважали, повинна протікати надзвичайно швидко в теплих і вологих середовищах, таких як живі клітини. Нервові сигнали - це електричні імпульси, викликані проходженням електрично заряджених атомів через стінки нервових клітин. Якщо один з таких атомів був в суперпозиції, а потім зіткнувся з нейроном, Тегмарк показав, що суперпозиція повинна розпадатися менш ніж за одну мільярдну мільярдної частки секунди. Щоб нейрон випустив сигнал, йому потрібно в десять тисяч трильйонів разів більше часу. Саме тому ідеї про квантові ефекти в головному мозку не проходять перевірку скептиків. Але Пенроуз невблаганно наполягає на гіпотезі ТМР. І незважаючи на пророкування надшвидкої декогеренції Тегмарка в клітинах, інші вчені знайшли прояви квантових ефектів у живих істот і стверджують, що квантова механіка використовується перелітними птахами, які використовують магнітну навігацію, і зеленими рослинами, коли вони використовують сонячне світло для виробництва цукру в процесі фотосинтезу.
На користь ідеї, що мозок може використовувати квантові трюки, знайшли інший аргумент.
Чи може фосфор підтримувати квантовий стан?
У дослідженні 2015 фізик Метью Фішер з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі стверджував, що мозок може містити молекули, здатні витримувати більш потужні квантові суперпозиції. Зокрема, він вважає, що ядра атомів фосфору можуть мати таку здатність. Атоми фосфору часто приймають форму іонів фосфату, в яких один атом фосфору з'єднується з чотирма атомами кисню. Такі іони є основною одиницею енергії в клітинах. Велика частина енергії клітини зберігається в молекулах АТФ, які містять послідовність з трьох фосфатних груп, з'єднаних з органічної молекулою. Коли один з фосфатів відрізається, вивільняється енергія, яка використовується клітиною. У клітин є молекулярні машини для збирання іонів фосфату в групи і для їх розщеплення. Фішер запропонував схему, в якій два фосфатних іони можуть бути розміщені в суперпозиції певного виду: в заплутаному стані. У ядер фосфору є квантова властивість - спін - яка робить їх схожими на маленькі магніти з полюсами. У заплутаному стані спін одного ядра фосфору залежить від іншого. Іншими словами, заплутані стани - це стани суперпозиції за участю більше однієї квантової частинки. Фішер каже, що квантово-механічна поведінка цих ядерних спінів може протистояти декогеренції. Він згоден з Тегмарком в тому, що квантові вібрації, про які говорили Пенроуз і Хамерофф, будуть сильно залежати від їх оточення і «декогерувати майже відразу». Але спіни ядер не так сильно взаємодіють зі своїм оточенням.
І все ж квантова поведінка спінів ядер фосфору повинна бути «захищена» від декогеренції.
У квантових частинок може бути різний спін
Це може статися, каже Фішер, якщо атоми фосфору будуть включені в більш великі об'єкти, які звуться «молекулами Познера». Вони являють собою кластери з шести фосфатних іонів в поєднанні з дев'ятьма іонами кальцію. Існують певні вказівки на те, що такі молекули можуть бути в живих клітинах, але поки вони не дуже переконливі. У молекулах Познера, стверджує Фішер, спіни фосфору можуть протистояти декогеренції протягом дня або білше, навіть в живих клітинах. Отже, можуть впливати і на роботу мозку. Ідея в тому, що молекули Познера можуть поглинатися нейронами. Опинившись всередині, молекули будуть активувати сигнал іншому нейрону, розпадаючись і випускаючи іони кальцію. Через заплутаності в молекулах Познера, два таких сигнали можуть виявитися заплутаними в свою чергу: в деякому роді, це буде квантова суперпозиція «думки». «Якщо квантова обробка з ядерними спінами насправді присутня в головному мозку, вона була б надзвичайно поширеним явищем, що відбувається постійно», говорить Фішер.
Вперше ця ідея прийшла йому в голову, коли він роздумував про психічну хворобу.
Капсула карбонату літію
«Моє введення в біохімію мозку почалося, коли я вирішив три-чотири роки тому досліджувати, як і чому іон літію надає такий радикальний ефект при лікуванні психічних відхилень», говорить Фішер.
Літієві препарати широко використовуються для лікування біполярного розладу. Вони працюють, але ніхто насправді не знає чому.
«Я не шукав квантове пояснення, каже Фішер. Але потім він наткнувся на роботу, в якій описувалося, що препарати літію надавали різний вплив на поведінку щурів в залежності від того, якмй ізотоп літію використовувалася.
Спочатку це спантеличило вчених. З хімічної точки зору, різні ізотопи поводяться майже однаково, тому якщо літій працював як звичайний препарат, ізотопи повинні були мати один і той же ефект.
Нервові клітини пов'язані з синапсами
Але Фішер зрозумів, що ядра атомів різних ізотопів літію можуть мати різні спіни. Ця квантова властивість може впливати на те, як діють препарати на основі літію. Наприклад, якщо літій замінює кальцій в молекулах Познера, спіни літію можуть давати ефект на атоми фосфору і перешкоджати їх заплутуванню. Якщо це так, то можна і пояснити, чому літій може лікувати біполярні розлади. На даний момент припущення Фішера є не більше ніж інтригуючою ідеєю. Але є кілька способів її перевірити. Наприклад, що спіни фосфору в молекулах Познера можуть зберігати квантову когерентність протягом тривалого часу. Це Фішер і планує перевірити далі.
І все ж він побоюється бути пов'язаним з більш ранніми уявленнями про «квантову свідомість», які вважає в кращому випадку спекулятивними.
Свідомість - глибока таємниця
Багато хто з фізиків сподіваються, що свідомість можна буде витягти з квантової теорії, а може, і навпаки. Але ж ми не знаємо, що таке свідомість, не кажучи вже про те, що у нас немає теорії, яка його описує. Більш того, зрідка звучать гучні вигуки, що квантова механіка дозволить нам опанувати телепатією і телекінезом (і хоча десь на глибині концепцій це може бути так, люди розуміють все занадто буквально). Тому фізики взагалі побоюються згадувати слова «квантовий» і «свідомість» в одному реченні. У 2016 році Едріан Кент з Кембріджського університету у Великобританії, один з найбільш шанованих «квантових філософів», припустив, що свідомість може змінювати поведінку квантових систем тонким, але цілком спостережуваним чином. Кент дуже обережний у своїх висловлюваннях. «Немає жодних переконливих підстав вважати, що квантова теорія - це відповідна теорія, з якої можна витягти теорію свідомості, або що проблеми квантової теорії повинні якось перетинатися з проблемою свідомості», визнає він.
Ми не розуміємо, як працюють думки
Одне особливо хвилююче питання - як наш свідомий розум може відчувати унікальні відчуття на кшталт червоного кольору або запаху смаження м'яса. Всі ми знаємо, на що схожий червоний, але не можемо передати це почуття, а у фізиці немає нічого, що могло б нам розповісти, на що це схоже. Почуття на кшталт цих називають «кваліа». Ми сприймаємо їх як єдині властивості зовнішнього світу, але на ділі вони є продуктами нашої свідомості - і це важко пояснити. У 1995 році філософ Девід Чалмерс назвав це «важкою проблемою» свідомості. «Будь-який уявний ланцюжок про зв'язок свідомості з фізикою призводить до серйозних проблем», говорить Кент. Це спонукало його припустити, що «ми могли б домогтися деякого прогресу в розумінні проблеми еволюції свідомості, якби допустили (хоча б просто допустили), що свідомість змінює квантові ймовірності».
Іншими словами, мозок може дійсно впливати на результати вимірювань.
З цієї точки зору, він не визначає, «що є реальним». Але він може впливати на ймовірність того, що кожна з можливих реальностей, нав'язаних квантовою механікою, буде спостерігатися. Цього не може передбачити навіть сама квантова теорія. І Кент вважає, що ми могли б пошукати такі прояви експериментально. Навіть сміливо оцінює шанси знайти їх. «Я б припустив з 15-відсотковою впевненістю, що свідомість викликає відхилення від квантової теорії; і ще 3-процентної - що ми експериментально підтвердимо це в наступні 50 років », говорить він. Якщо це станеться, світ вже не буде колишнім.
Головна практична думка, яку можна витягти з загадки «Квантова фізика і свідомість людини» - це те, що фактично наше життя, наша реальність залежить від того, що генерує наша свідомість.
Google:08.04-10:26 || Bing:28.05-22:48 || Yandex:19.01-00:11 
