Keegi ei saa aru, mis on teadvus ja kuidas see töötab. Keegi ei saa aru ka kvantmehaanikast. Kas see võib olla midagi enamat kui lihtsalt juhus? "Ma ei suuda tegelikku probleemi tuvastada, nii et ma kahtlustan, et tõelist probleemi pole, kuid ma pole kindel, et tõelist probleemi pole." Ameerika füüsik Richard Feynman ütles seda kvantmehaanika salapäraste paradokside kohta. Täna kasutavad füüsikud seda teooriat universumi väikseimate objektide kirjeldamiseks. Kuid ta võiks sama öelda teadvuse keeruka probleemi kohta.
Mõned teadlased arvavad, et me mõistame juba teadvust või et see on lihtsalt illusioon. Kuid paljud teised arvavad, et me pole teadvuse olemusele isegi lähedale jõudnud.
Mitmeaastane mõistatus, mida nimetatakse teadvuseks, on isegi pannud mõned teadlased proovima seda kvantfüüsika abil selgitada. Kuid nende innukusele vastati üsna suure skepsisega ja see pole üllatav: ühe mõistatuse teisega seletamine tundub mõistusetu.
Kuid sellised ideed pole kunagi absurdsed ja isegi mitte laest.
Ühest küljest keeldub mõistus füüsikute meelehärmiks varase kvantteooria mõistmisest. Pealegi ennustatakse, et kvantarvutid suudavad asju, mida tavalised arvutid ei suuda. See tuletab meile meelde, et meie ajud on endiselt võimelised tehisintellekti käeulatusest kaugemale jõudmiseks. "Kvantteadvust" naeruvääristatakse laialt kui müstilist jama, kuid keegi pole suutnud seda täielikult hajutada.
Kvantmehaanika on parim teooria, mis meil on maailma kirjeldamiseks aatomite ja alaatomiliste osakeste tasemel. Selle müsteeriumidest võib-olla kõige kuulsam on asjaolu, et kvantkatse tulemus võib muutuda sõltuvalt sellest, kas otsustame mõõta selles osalevate osakeste omadusi või mitte.
Kui kvantteooria pioneerid esmakordselt selle "vaatlejafekti" avastasid, olid nad tõsises ärevuses. Tundus, et see õõnestab kogu teaduse aluseks olevat oletust: et seal on objektiivne maailm, meist sõltumatu. Kui maailm käitub sõltuvalt sellest, kuidas - või kui - me sellele vaatame, siis mida "tegelikkus" tegelikult tähendaks?
Reklaamvideo:
Mõnda teadlast on sunnitud järeldama, et objektiivsus on illusioon ja teadvus peab mängima kvantteoorias aktiivset rolli. Teised lihtsalt ei näinud selles mingit mõistust. Näiteks Albert Einstein oli pahane: kas kuu eksisteerib ainult siis, kui te seda vaatate?
Tänapäeval kahtlustavad mõned füüsikud, et teadvus ei mõjuta kvantmehaanikat … vaid see tekkis tänu sellele. Nad usuvad, et meil on vaja kvantteooriat, et mõista, kuidas aju üldse töötab. Kas võib olla, et nii nagu kvantobjektid võivad asuda korraga kahes kohas, nii võib ka kvantaju tähendada samaaegselt kahte üksteist välistavat asja?
Need ideed on vaieldavad. Võib selguda, et kvantfüüsikal pole midagi pistmist teadvuse toimimisega. Kuid vähemalt demonstreerivad nad, et imelik kvantteooria paneb meid mõtlema imelike asjade üle.
Mis kõige parem, kvantmehaanika jõuab inimese teadvusesse kahe piluga eksperimendi kaudu. Kujutage ette, et kahe tihedalt asetseva paralleelse piluga ekraanile lööb valguskiir. Osa valgust läbib pilusid ja langeb teisele ekraanile.
Võite mõelda valgusele kui lainele. Kui lained läbivad kaks pilu, põrkuvad nad üksteisega, nagu näiteks eksperimendis, üksteisega. Kui nende tipud ühtivad, tugevdavad nad üksteist, tulemuseks on teisel mustal ekraanil rida mustvalgeid valgusvibusid.
Seda katset kasutati valguse laine olemuse näitamiseks üle 200 aasta enne kvantteooria tekkimist. Seejärel viidi läbi katse kahekordse piluga kvantosakeste - elektronidega. Need on väikesed laetud osakesed, aatomi komponendid. Arusaamatul viisil, kuid need osakesed võivad käituda nagu lained. See tähendab, et need difrakteeruvad, kui osakeste voog läbib kahte pilu, tekitades häiremustri.
Oletame nüüd, et kvantosakesed läbivad pilud ükshaaval ja nende saabumist ekraanile jälgitakse ka samm-sammult. Nüüd pole midagi ilmset, mis paneks osakese selle teele segama. Kuid pilti löövatest osakestest näidatakse ikkagi narmastega.
Kõik näitab, et iga osake läbib samaaegselt mõlemat pilu ja segab ennast. Seda kahe tee kombinatsiooni nimetatakse superpositsiooni seisundiks.
Kuid siin on kummaline.
Kui asetame detektori ühte pilusse või selle taha, saaksime teada, kas osakesed läbivad selle või mitte. Kuid sel juhul kaob häire. Ainuüksi osakese tee jälgimise fakt - isegi kui see tähelepanek ei tohiks osakese liikumist häirida - muudab tulemust.
Füüsik Pascual Jordan, kes töötas 1920. aastatel Kopenhaagenis koos kvantguru Niels Bohriga, ütles seda nii: "Vaatlused ei riku mitte ainult seda, mida tuleks mõõta, vaid määravad selle ka … Me sunnime kvantosakese valima kindla positsiooni." Teisisõnu ütleb Jordan, et "me teeme ise mõõtmisi".
Kui jah, siis saab objektiivse reaalsuse lihtsalt aknast välja visata.
Kuid veidrused sellega ei lõpe.
Kui loodus muudab oma käitumist sõltuvalt sellest, kas vaatame või mitte, võiksime proovida seda väänata oma sõrmede ümber. Selleks saime mõõta, millist rada osake kahekordse pilu läbimisel läbis, kuid alles pärast selle läbimist. Selleks ajaks peaks ta juba "otsustama", kas minna läbi ühe tee või läbi mõlema.
Ameerika füüsik John Wheeler tegi sellise katse ettepaneku 1970. aastatel ja järgmise kümne aasta jooksul viidi läbi katse "viivitatud valikuga". See kasutab nutikaid meetodeid kvantosakeste (tavaliselt kergete osakeste - footonite) teede mõõtmiseks pärast seda, kui nad on valinud ühe tee või kahe superpositsiooni.
Selgus, et nagu Bohr ennustas, pole vahet, kas viivitame mõõtmistega või mitte. Kuni mõõdame footoni teekonda enne, kui see tabab ja detektorisse registreerub, häireid ei teki. Näib, et loodus "teab" mitte ainult siis, kui piilume, vaid ka siis, kui plaanime piiluda.
Eugene Wigner
Kui neis katsetes avastame kvantosakese raja, siis kahaneb selle võimalike marsruutide pilv ühte täpselt määratletud olekusse. Pealegi viitab hilinenud eksperiment, et vaatlus võib ilma mõõtmise põhjustatud füüsilise sekkumiseta põhjustada kokkuvarisemise. Kas see tähendab, et tõeline kokkuvarisemine toimub alles siis, kui mõõtmistulemus jõuab meie teadvusse?
Selle võimaluse pakkus 1930. aastatel välja ungari füüsik Eugene Wigner. "Sellest järeldub, et objektide kvantkirjeldust mõjutavad minu teadvusse sisenevad muljed," kirjutas ta. "Solipsism võib loogiliselt olla kooskõlas kvantmehaanikaga."
Wheelerit lõbustas isegi mõte, et elusate asjade olemasolu, mis on võimelised "jälgima", muutis selle, mis varem oli paljude võimaliku kvantiteedi minevik, üheks konkreetseks looks. Selles mõttes, ütleb Wheeler, saavad meist universumi evolutsioonis osalejad algusest peale. Tema sõnul elame "kaasosalises universumis".
Füüsikud ei suuda endiselt valida nende kvantkatsete parimat tõlgendust ja mingil määral on teil õigus seda teha. Kuid ühel või teisel viisil on alltekst ilmne: teadvus ja kvantmehaanika on kuidagi seotud.
Inglise füüsik Roger Penrose pakkus 1980. aastatest välja, et see ühendus võiks toimida teises suunas. Ta ütles, et sõltumata sellest, kas teadvus mõjutab kvantmehaanikat või mitte, võib-olla on kvantmehaanika teadvusesse kaasatud.
Füüsik ja matemaatik Roger Penrose
Ja Penrose küsis ka: mis juhtuks, kui meie ajus on molekulaarstruktuure, mis võivad reageerida ühele kvantjuhtumile nende olekut? Kas need struktuurid võivad omandada superpositsiooni, nagu osakesed kahekordse pilu katses? Kas need kvant-superpositsioonid võivad siis avalduda neuronite elektriliste signaalide kaudu suhtlemisel?
Võib-olla, Penrose ütles, ei ole meie võime säilitada näiliselt kokkusobimatuid vaimseid seisundeid mitte tajutav veidrus, vaid tõeline kvantiefekt?
Lõppude lõpuks näib, et inimese aju suudab töödelda kognitiivseid protsesse, mis on võimete poolest endiselt digitaalarvutitest palju paremad. Võib-olla suudame isegi täita arvutusülesandeid, mida tavalistes arvutites klassikalise digitaalse loogika abil täita ei saa.
Esmalt soovitas Penrose, et kvantiefektid esinevad inimese meeles, oma 1989. aasta raamatus „Keisri uus meel“. Tema peamine idee oli “orkestritud objektiivne vähendamine”. Objektiivne taandamine tähendab Penrose sõnul, et kvanthäirete ja superpositsiooni kokkuvarisemine on tõeline füüsiline protsess, nagu lõhkev mull.
Orkestreeritud objektiivvähendus tugineb Penrose'i oletusele, et gravitatsioonil, mis mõjutab igapäevaseid esemeid, toole või planeeti, puudub kvantmõju. Penrose usub, et kvantne superpositsioon muutub aatomitest suuremate objektide jaoks võimatuks, kuna nende gravitatsiooniline mõju tooks kaasa kosmoseaja kahe kokkusobimatu versiooni olemasolu.
Siis arendas Penrose seda ideed koos Ameerika arsti Stuart Hameroffiga. Oma raamatus Meele varjud (1994) pakkus ta välja, et selle kvanttunnetusega seotud struktuurid võivad olla valgufilamendid - mikrotuubulid. Neid leidub enamikus meie rakkudes, sealhulgas aju neuronites. Penrose ja Hameroff väitsid, et võnkumisprotsessi ajal võivad mikrotuubulid eeldada kvant-superpositsiooni olekut.
Kuid miski ei viita sellele, et see on üldse võimalik.
Eeldati, et mikrotuubulite kvant superpositsioonide ideed toetavad 2013. aastal kavandatud eksperimendid, kuid tegelikult ei maininud need uuringud kvantmõjusid. Lisaks usub enamik teadlasi, et 2000. aastal avaldatud uuringus käivitati objektiivsete vähendamiste idee. Füüsik Max Tegmark arvutas välja, et närvisignaalides osalevate molekulide kvant-superpositsioonid ei suudaks eksisteerida isegi signaali edastamiseks vajalikul hetkel.
Kvantmõjud, sealhulgas superpositsioon, on väga habras ja hävitatakse protsessis, mida nimetatakse dekoherentsuseks. See protsess on tingitud kvantobjekti vastastikmõjust selle keskkonnaga, kuna selle "kvant" lekib välja.
Arvati, et deherentsus toimub soojas ja niiskes keskkonnas, näiteks elusrakkudes, eriti kiiresti.
Närvisignaalid on elektrilised impulsid, mis on põhjustatud elektriliselt laetud aatomite läbimisest läbi närvirakkude seinte. Kui üks neist aatomitest oli superpositsioonil ja põrkus seejärel neuroniga, näitas Tegmark, et superpositsioon peaks lagunema vähem kui ühe miljardi sekundi sekundis. Neuroni signaali väljastamine võtab kümme tuhat triljonit korda kauem aega.
Seetõttu ei katseta skeptikud aju kvantmõjude ideid.
Kuid Penrose nõuab järeleandmatult OER hüpoteesi. Ja hoolimata ennustusest, et Tegmarki rakkudes on ülikiire lagunemine, on teised teadlased leidnud elusate asjade kvantmõju ilminguid. Mõned väidavad, et kvantmehaanikat kasutavad rändlinnud, kes kasutavad magnetilist navigeerimist, ja rohelised taimed, kui nad kasutavad päikesevalgust suhkru tootmiseks fotosünteesi teel.
Kuid mõte, et aju saab kasutada kvanttrikke, keeldub minema minemast. Sest nad leidsid selle kasuks veel ühe argumendi.
Kas fosfor suudab säilitada kvant olekut?
2015. aasta uuringus väitis Santa Barbara California ülikooli füüsik Matthew Fisher, et aju võib sisaldada molekule, mis taluvad võimsamaid kvant-superpositsioone. Eriti usub ta, et fosforiaatomite tuumadel võib see võime olla. Fosfori aatomeid leidub kõikjal elavates rakkudes. Need esinevad sageli fosfaatioonide kujul, milles üks fosforiaatom on ühendatud nelja hapnikuaatomiga.
Sellised ioonid on rakkudes peamine energiaühik. Suurem osa raku energiast salvestub ATP molekulides, mis sisaldavad orgaanilise molekuli külge kinnitatud kolme fosfaatrühma. Kui üks fosfaatidest on ära lõigatud, vabaneb raku energia.
Rakkudel on molekulaarseadmed fosfaatioonide klastriteks kokkupanekuks ja nende lagundamiseks. Fisher pakkus välja skeemi, milles kaks fosfaatiooni saab asetada teatud tüüpi superpositsioonile: takerdunud olekus.
Fosforituumadel on kvantomadus - spinn -, mille tõttu nad näevad välja nagu väikesed magnetid, mille poolused on suunatud teatud suundades. Takerdunud olekus sõltub ühe fosforituuma spinn teisest. Teisisõnu, takerdunud olekud on superpositsioonilised seisundid, mis hõlmavad rohkem kui ühte kvantosakest.
Fisheri sõnul võib nende tuumakeerutuste kvantmehaaniline käitumine olla vastuolus deheherentsusega. Ta nõustub Tegmarkiga, et kvantvibratsioonid, millest Penrose ja Hameroff rääkisid, sõltuvad suuresti nende ümbrusest ja "dekodeeruvad peaaegu kohe". Kuid tuumade spinnid ei suhtle oma keskkonnaga nii tugevalt.
Ja veel, fosforituumade keerdude kvantkäitumist tuleb "kaitsta" dekoherentsi eest.
Kvantosakestel võib olla erinev spinn
Fischeri sõnul võib see juhtuda, kui fosfori aatomid lülitatakse suurematesse objektidesse, mida nimetatakse "Posneri molekulideks". Need on kuue fosfaatiooni ja üheksa kaltsiumiiooniga kombineeritud klastrid. On viiteid sellele, et sellised molekulid võivad olla elavates rakkudes, kuid seni pole need eriti veenvad.
Posneri molekulides võib Fischer väita, et fosfori keerutused suudavad vastu pidada deherentsusele umbes päev, isegi elavates rakkudes. Seetõttu võivad need mõjutada ka aju toimimist.
Idee on selles, et Posneri molekule võivad neuronid omastada. Pärast sisenemist aktiveerivad molekulid signaali teisele neuronile, lagundades ja vabastades kaltsiumiioone. Posneri molekulides takerdumise tõttu võivad kaks neist signaalidest omakorda takerduda: mingil moel on see "mõtte" kvantne superpositsioon. "Kui tuumaspinkidega kvanttöötlus toimub tegelikult ajus, oleks see äärmiselt tavaline, toimuks kogu aeg," ütleb Fisher.
See idee tuli talle esmakordselt, kui ta mõtles vaimuhaigustele.
Liitiumkarbonaatkapsel
"Minu sissejuhatus aju biokeemiasse algas siis, kui otsustasin kolm-neli aastat tagasi uurida, kuidas ja miks on liitiumioonil vaimse tervise probleemide ravimisel nii radikaalne toime," ütleb Fisher.
Liitiumravimeid kasutatakse laialdaselt bipolaarse häire raviks. Nad töötavad, kuid keegi ei tea tegelikult miks.
"Ma ei otsinud kvantitatiivset seletust," ütleb Fisher. Kuid siis tuli ta kokku paberiga, milles kirjeldati, kuidas liitiumipreparaadid avaldasid rottide käitumisele erinevat mõju sõltuvalt sellest, millist liitiumi vormi - või "isotoopi" - kasutati.
See oli alguses teadlasi hämmingus. Keemiliselt käituvad erinevad isotoobid enam-vähem samal viisil, nii et kui liitium toimis nagu tavaline ravim, pidi isotoopidel olema sama mõju.
Närvirakud on ühendatud sünapsidega
Kuid Fischer mõistis, et erinevate liitiumi isotoopide aatomite tuumadel võivad olla erinevad spinnid. See kvantomadus võib mõjutada liitiumil põhinevate ravimite toimimist. Näiteks kui liitium asendab Posneri molekulides kaltsiumi, võivad liitiumi keerud mõjutada fosfori aatomeid ja takistada nende takerdumist.
Kui see vastab tõele, võib see selgitada ka seda, miks liitium võib bipolaarse häire ravida.
Praegu pole Fischeri oletus midagi muud kui intrigeeriv idee. Kuid selle kontrollimiseks on mitu võimalust. Näiteks, et fosfori keerutused Posneri molekulides säilitavad kvantkoherentsuse pikka aega. See on Fisher ja plaanib veel kontrollida.
Ometi on ta ettevaatlik, et teda seostatakse varasemate mõistetega "kvantteadvus", mida ta peab parimal juhul spekulatiivseks.
Teadvus on sügav mõistatus
Füüsikutele ei meeldi väga olla oma teooriate sees. Paljud neist loodavad, et teadvus ja aju on kvantteooriast eraldatavad ja võib-olla vastupidi. Kuid me ei tea, mis on teadvus, rääkimata sellest, et meil pole seda kirjeldavat teooriat.
Lisaks sellele on vahel kõlavaid hüüatusi, et kvantmehaanika võimaldab meil omandada telepaatia ja telekineesi (ja kuigi kuskil mõistete sügavusel see võib nii olla, võtavad inimesed kõike liiga sõna-sõnalt). Seetõttu kardavad füüsikud üldiselt mainida ühes lauses sõnu "kvant" ja "teadvus".
Aastal 2016 tegi Suurbritannia Cambridge'i ülikooli üks auväärsemaid "kvantfilosoofe" Adrian Kent ettepaneku, et teadvus võib kvantisüsteemide käitumist muuta peenel, kuid tuvastataval viisil. Kent on oma avaldustes väga ettevaatlik. "Pole mingit mõjuvat põhjust arvata, et kvantteooria on sobiv teooria teadvuse teooria joonistamiseks või et kvantteooria probleemid peavad kuidagi kattuma teadvuse probleemiga," tõdeb ta.
Kuid ta lisab, et on täiesti arusaamatu, kuidas saate tuletada teadvuse kirjelduse, mis põhineb ainult kvantieelsel füüsikal, kuidas kirjeldada kõiki selle omadusi ja tunnuseid.
Me ei saa aru, kuidas mõtted töötavad
Üks eriti murettekitav küsimus on see, kuidas meie teadlik meel võib kogeda ainulaadseid aistinguid, nagu punane või liha röstimise lõhn. Peale nägemispuudega inimeste, teame kõik, milline punane välja näeb, kuid me ei saa seda tunnet edasi anda ja füüsikas pole midagi sellist, mis annaks meile teada, milline see välja näeb.
Selliseid tundeid nimetatakse qualiaks. Me tajume neid välismaailma ühtlaste omadustena, kuid tegelikult on need meie teadvuse tooted - ja seda on raske seletada. Aastal 1995 nimetas filosoof David Chalmers seda teadvuse "raskeks probleemiks".
"Igasugune teadvuse ja füüsika seost käsitlev mõtteahel põhjustab tõsiseid probleeme," ütleb Kent.
See ajendas teda pakkuma, et "võime teadvuse evolutsiooniprobleemi mõistmisel teha teatavaid edusamme, kui tunnistame (vähemalt lihtsalt tunnistasime), et teadvus muudab kvant tõenäosusi".
Teisisõnu, aju võib tegelikult mõõtmistulemusi mõjutada.
Sellest vaatenurgast ei määratle see "mis on tõeline". Kuid see võib mõjutada kvantmehaanika seatud võimaliku reaalsuse järgimise tõenäosust. Isegi kvantteooria ise ei suuda seda ennustada. Ja Kent arvab, et me võiksime selliseid ilminguid katseliselt otsida. Hinnake isegi julgesti võimalusi nende leidmiseks.
“Ma eeldaksin 15-protsendilise kindlusega, et teadvus põhjustab kõrvalekaldeid kvantteooriast; ja veel 3 protsenti, et kinnitame seda järgmise 50 aasta jooksul eksperimentaalselt,”ütleb ta.
Kui see juhtub, pole maailm sama. Selle jaoks tasub uurida.
ILYA KHEL
