«Поскольку квантовая теория является наиболее фундаментальной теорией материи, доступной в настоящее время, вполне закономерен вопрос, может ли квантовая теория помочь нам понять сознание» (Харальд Атманспахер)
Для непосвящённых в квантовую биологию фраза «квантовое сознание» звучит как совершенно тривиальное утверждение. В конце концов, мозг, как и всё в этом мире, состоит из элементарных частиц, которые представляют собой колебания квантовых полей и подчиняются законам квантовой механики. Отсюда можно заключить, что и сознание имеет квантовую природу. Но дело в том, что мозг – макроскопический объект, и любой грамотный физик скажет, что квантовыми эффектами на таком масштабе можно смело пренебречь. В среднем размеры нейрона (4-100 мкм) на 5 порядков больше размеров молекулы (для воды – 0,3 нм) – настолько же, насколько нейрон меньше человека. А если учесть температуру, при которой работает мозг, и тепловые колебания всех его атомов и молекул, ни о каком квантовом сознании не может быть и речи. Однако в действительности не всё так просто. Невозможность поддержания в мозге квантовой когерентности не исключает случайного влияния отдельных квантовых событий на активацию нейронов и работу нейросетей – об этом говорят гипотезы критического мозга, нейронных лавин и эфаптической передачи.
Гипотезу квантового сознания правильнее называть гипотезой квантовой психики, поскольку речь идет не только о сознании, но и обо всей совокупности психических актов. Есть и более широкий термин «гипотеза квантового мозга», охватывающий все аспекты работы центральной нервной системы. У этой гипотезы есть как сторонники, так и противники. Первые настаивают на возможности амплификации квантовых свойств до макроуровней организации мозга, или, проще говоря, верят в ощутимое влияние квантово-механических явлений на наше психологическое состояние и поведение. Их оппоненты утверждают, что термодинамические условия функционирования мозга препятствуют проявлению квантовых эффектов на макроскопических масштабах: все квантовые события в нервной ткани статистически усредняются и нивелируются, не играя никакой роли в нашей психической жизни. На сегодняшний день доминирующей является позиция скептиков, но мы разберём аргументы обеих сторон и экспериментальные факты, свидетельствующие как в пользу, так и против квантовой гипотезы мозга.
Квантовая биология
Квантовая биология – молодая междисциплинарная наука, изучающая роль квантовых явлений в функционировании биологических организмов. До недавнего времени считалось, что это вообще невозможно: даже самые мелкие клетки на много порядков больше атомов и молекул, из которых они состоят, не говоря уже о субатомных частицах. Поэтому учёные были уверены, что жизнь можно полностью описать в рамках классической механики и электродинамики, а квантовыми эффектами на её масштабах можно смело пренебречь, как и гравитацией. Даже когда появились такие научные направления, как синергетика и теория хаоса, предложившие механизм усиления квантовых флуктуаций, никто всерьёз не рассматривал возможность их использования на клеточном уровне: в лучшем случае им находили применение в описании поведения больших скоплений животных. Когда биологи впервые выдвинули гипотезу об участии квантовой когерентности в процессе фотосинтеза, специалисты по квантовым вычислениям из Массачусетского технологического института подняли их на смех. Но очень скоро физики сами занялись этим вопросом и убедились в своей ошибке. Оказалось, что квантовые феномены действительно играют немаловажную роль в поддержании жизнедеятельности животных и растений.
Учёные уже давно догадывались, что туннельный эффект играет определённую роль в мутациях ДНК и в работе ферментов – катализаторов химических реакций в клетке. В 1963 г. Пер-Олов Лёвдин предположил, что туннелирование протонов является одним из механизмов мутации ДНК, и впервые употребил словосочетание «квантовая биология». В 1979 г. украинский физик Александр Давыдов опубликовал первый учебник по квантовой биологии – «Биология и квантовая механика». Но большинство исследований в этой области было проведено уже в XXI веке.
В книге «Жизнь на грани» Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден приводят множество примеров проявления квантовых эффектов в биологии:
А. Чену и Г. Шолз обнаружили долгоживущую квантовую когерентность при переносе электронов в фотосинтезирующих бактериях и морских водорослях. Более того, подтвердилось предположение о том, что бактерии реализуют алгоритм квантового поиска (точнее, квантового блуждания), когда переносящий энергию электрон движется одновременно в нескольких направлениях, находя кратчайший путь через хлорофилл до реакционного центра.
Эксперименты В. Ловенштайна с использованием методов спектроскопии высокого разрешения и ядерного магнитного резонанса выявили признаки квантовой когеренции в молекулах белка родопсина – основного зрительного пигмента, выполняющего функцию фоторецепции в клетках-палочках.
В. ван Натерс и Х. Бокил изучали эфаптическую передачу сигнала между немиелинизированными нейронами в обонятельной системе млекопитающих, объясняющую способность этой системы воспринимать самое ничтожное количество молекул вещества. М. Пленио и С. Хелга предположили, что важную роль в обнаружении одорантов (примесей к газу) обонятельными рецепторами играет туннелирование электронов («Нос, очевидно, - вибрационный спектрометр – заключил Сет Ллойд).
Х. Хискок с коллегами допускают, что долгоживущие квантовые спутанности в криптохромах сетчатки поддерживают чувствительность глаза некоторых птиц (например, малиновки) к магнитным полям, позволяя птицам ориентироваться во время сезонных миграций: «…На основании компьютерного моделирования мы показываем, что подлинно квантово-механические долгоживущие спиновые когерентности в реалистичных моделях криптохрома могут обеспечить необходимую точность навигации птиц».
В целом основной вывод квантово-биологических исследований можно передать словами Влатко Ведрала: «Физики думали, что суета живых клеток затмит квантовые явления. Теперь они обнаружили, что клетки могут подпитывать эти явления и использовать их». И всё же квантовая физика объясняет лишь единичные биологические процессы. Квантовая биология является скорее исключением, чем правилом. Если в механизме фотосинтеза передача энергии происходит с участием частиц, находящихся в суперпозиции, это ещё не повод называть все растения квантовыми компьютерами. Как пишет Маркус Арндт, «в настоящее время экспериментальные демонстрации квантовой когерентности в биологии все еще ограничены уровнем нескольких молекул. Это включает, например, всю квантовую химию, туннельные процессы, транспорт когерентного возбуждения и локальные спиновые эффекты». Вполне может оказаться и так, что квантовая физика играет роль в фотосинтезе растений, магниторецепции некоторых животных и даже в обонянии, но не имеет никакого отношения к сознанию. Но это не значит, что мозг устроен примитивнее, чем фотосинтезирующие бактерии, глаза птиц или органы обоняния.
Теория квантового нейрокомпьютинга Хамероффа-Пенроуза
Гипотезу квантового сознания предложил в начале 90-х гг. известный физик и математик из Оксфорда Роджер Пенроуз в своих книгах «Тени разума» и «Новый ум короля». Он начал её обоснование с теоремы Гёделя о неполноте и с того факта, что математикам удаётся доказывать утверждения, которые не под силу доказать универсальному компьютеру. Отсюда вроде бы как следует, что процессы в мозге человека выходят за рамки формальной логики и классической физики, ведь классический компьютер может смоделировать любой процесс, возможный в соответствии с известными физическими законами. А раз так, значит, мозг – квантовый компьютер, или в его работе проявляются какие-то неизвестные нам физические феномены. Развивая свою модель «скоординированной объективной редукции» (Orch-OR), Пенроуз совместно с анестезиологом Стюартом Хамероффом предположил, что квантовые эффекты влияют на нервную деятельность посредством входящих в цитоскелет клеток микротрубочек, которые имеют фрактальную структуру и способны хранить и обрабатывать информацию, а также обмениваться между собой когерентными биофотонами.
Догадка Пенроуза резко повышает потенциальную вычислительную мощность нашего мозга. Учитывая, что у нас в голове порядка 1011 нейронов и 103 синапсов на нейрон, классическая модель даёт производительность 102 Гц или 1016 операций в секунду. А в модели Пенроуза-Хамероффа роль транзисторов выполняют те самые микротубулы в количестве 109 на нейрон, что даёт производительность 107 Гц или 1016 вычислительных операций на нейрон и 1027 операций на весь мозг. Но сторонников идеи квантового сознания больше волнует не вычислительная способность мозга, а возможность объяснить природу сознания с помощью квантовой или какой-то ещё неизвестной физики – это оставляет надежду на жизнь после смерти и открывает лазейку для всевозможной паранормальщины.
Более того, Хамерофф и Пенроуз пришли к выводу, что сознание связано со всей Вселенной и может оказывать влияние на окружающий мир. Когда человек думает о каком-то предмете, волны его разума и волны физического объекта совпадают, что позволяет силой мысли менять свойства объекта. Естественно, эта идея понравилась эзотерикам и нью-эйджерам, которые стали преподносить её как доказанную научную теорию. Стюарт Хамерофф даже заручился поддержкой квантового мистика Дипака Чопры и снялся в скандально известном фильме «Что, чёрт возьми, мы знаем?». За «квантовым сознанием» последовали и другие коммерчески выгодные идеи: «квантовая психология», «квантовый ум», «квантовый успех», «квантовое лидерство», «квантовое исцеление», «квантовая йога» и т.д.
А идея Пенроуза пересмотреть законы физики ради понимания устройства мозга и объяснения нашей способности доказывать парадоксальные утверждения, и вовсе вызывает подозрение в предвзятости и нарушении как минимум одного научного принципа – бритвы Оккама. Что такого особенного в нашем мозге, чтобы волновые функции его частиц коллапсировали или расщеплялись не так, как они это делают повсюду во Вселенной, а именно с целью наделить нас когнитивными способностями, недоступными компьютерам? Давайте выясним, достаточное ли это основание для пересмотра квантовой механики и насколько вообще оправдана гипотеза Пенроуза.
Мозг – квантовый компьютер?
Согласно общепринятой нейробиологической теории, ментальные представления коррелируют с активностью ансамблей из нескольких тысяч нейронов, связи между которыми сильнее, чем с нейронами вне ансамбля. Нейронный коррелят ментального представления активируется, если нейроны, образующие сборку, срабатывают быстрее, чем в режиме по умолчанию. Для достижения устойчивой работы активированного нейронного комплекса необходимо наличие тонкого баланса между тормозными и возбуждающими связями между нейронами. Нейроны головного мозга обмениваются сигналами посредством нейромедиаторов – химических веществ, выделяющихся в межсинаптическую щель и воздействующих на рецепторы, расположенные на синапсе другого нейрона. Для возбуждения одного нейрона нужно порядка 1000 молекул нейромедиаторов, каждая из которых состоит из 10-20 атомов. Самые быстрые нейроны могут активироваться до 1000 раз в секунду.
Когда нейрон активирован, он пропускает через себя электрический разряд со скоростью до 300 км/ч. Импульс переносят положительно заряженные ионы натрия и калия, которые проникают внутрь клетки через чувствительные к напряжению натриевые и калиевые каналы в клеточной мембране. В состоянии покоя напряжение между внутренней и наружной областями клетки составляет 0,07 В, а при активации оно снижается, пропуская внутрь нейрона около миллиона заряженных атомов. Чтобы мозг работал как квантовый компьютер, все эти атомы должны находится в суперпозиции состояний внутри и снаружи клетки – тогда и сам нейрон будет находиться в суперпозиции состояний возбуждения и покоя. Но как долго нейрон может оставаться изолированным от окружения и производить квантовое вычисление?
В 1999 г. шведский астрофизик Макс Тегмарк рассчитал, что квантовая суперпозиция состояний нейрона сохраняется «очень недолго» - порядка 10–20 с, а затем происходит декогеренция, т.е. нейрон запутывается с окружением. Это признаёт и сам Пенроуз:
«Проблема с попыткой использовать квантовую механику в работе мозга состоит в том, что, если бы речь шла о квантовых нервных сигналах, эти нервные сигналы нарушили бы остальную часть материала в мозге до такой степени, что квантовая когерентность была бы потеряна очень быстро. Вы даже не сможете попытаться построить квантовый компьютер из обычных нервных сигналов, потому что они слишком велики и находятся в слишком дезорганизованной среде. Обычные нервные сигналы следует рассматривать классически. Но если вы спуститесь на уровень микротрубочек, то есть очень хороший шанс получить внутри них активность на квантовом уровне».
Однако гипотеза Пенроуза мало что меняет: микротрубочки в цитоскелете клеток декогерируют примерно за 10–13 с. Если бы наши мысли соответствовали квантовым вычислениям, нам пришлось бы думать со скоростью 1013 мыслей в секунду. Что-то здесь не так, не правда ли? Вот и Тегмарк в книге «Наша математическая Вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности» (2014) пишет следующее:
«Если представить, что мои мысли — результат квантовых процессов, они должны возникать до того, как наступит квантовая декогерентность, то есть я должен думать со скоростью 10 000 000 000 000 мыслей в секунду. Возможно, Роджер Пенроуз способен мыслить так быстро, но не я».
В итоге автор делает пессимистический вывод:
«основываясь на расчетах нейронной декогеренции, мы утверждаем, что степени свободы человеческого мозга, относящиеся к когнитивным процессам, следует рассматривать в качестве классической, а не квантовой системы. Это означает, что ничего фундаментально неверного в нынешнем классическом подходе к нейросетевому моделированию нет. Мы находим, что масштабы декогеренции (~10−13−10−20 с) обычно намного меньше временного диапазона, необходимого как для возбуждения нейронов, так и для запуска изломоподобной (kink-like) поляризации в микротрубочках (~ 10–3–10–1 с). Этот вывод не согласуется с предположениями Пенроуза и других, считающих, что мозг действует как квантовый компьютер и что эта квантовая когерентность фундаментальным образом связана с сознанием»
Микротрубочки представляют собой длинные полимеры, обычно состоящие из 13-ти продольных димеров α- и β-тубулина, расположенных в виде трубчатого массива с внешним диаметром около 25 нм. Искать в них сознание – это как утверждать, что любой компьютер архитектуры фон Неймана на самом деле является квантовым компьютером, а все вычисления он осуществляет не процессором, а системной шиной, соединяющей ЦП, память и периферийные устройства. Микротрубочки встречаются во всех клетках организма, а не только в нейронах: они участвуют в делении клеток, организовывают пространство внутри клеток и передвижение по нему. А в мозге квантовое вычисление возможно только в микротрубочках тела нейрона и его дендритах, но не в аксоне, где микротрубочки слишком упорядочены. Получается, сознание распределено по всему телу и присутствует даже у примитивных одноклеточных? Нет. Эксперименты Джеффри Реймерса и соавторов показали, что микротрубочки не могут поддерживать ни долгоживущие квантовые состояния, ни обработку квантовой информации. Квантовая когерентность в требуемом масштабе времени попросту отсутствует. В ответ Хамерофф и Пенроуз обновили свою теорию, предложив в качестве кубитов не сами микротрубочки, а так называемые «квантовые каналы» - спиральные дипольные пути внутри решёток микротрубочек. Но подгонка теории под экспериментальные факты не делает её более убедительной, скорее наоборот.
Аргумент Пенроуза-Лукаса с его обращением к «магии» невычислимости – тоже не лучший путь к научному решению проблемы сознания. Даже если способность человека знать истинность недоказуемых по Гёделю утверждений говорит о невычислимости сознания, это не значит, что сознание имеет квантовую природу или подчиняется каким-то ещё неизвестным законам физики. В 1985 г. Дэвид Дойч доказал, что репертуар квантового компьютера точно такой же, как и у классического, даже если некоторые NP-задачи гораздо эффективнее решаются с помощью квантовых алгоритмов. Если задача остановки невычислима на классическом компьютере, то она невычислима и на квантовом, и квантовый мозг с ней тоже не справится. Более детально мы разберём этот аргумент как-нибудь в другой раз.
Кроме того, гипотеза квантового нейрокомпьютинга Хамероффа-Пенроуза имеет смысл только в случае, если верна теория объективного коллапса Диози-Пенроуза, связывающая коллапс волновой функции с гравитационными эффектами. Ключевой тезис Пенроуза и Хамероффа заключается в том, что вызванный гравитацией коллапс когерентных состояний тубулина соответствует элементарным актам сознания. Никаких свидетельств в пользу теории объективного коллапса пока не получено, но в данной статье мы закроем на это глаза. Главное, что эта теория даёт проверяемые предсказания, отличные от предсказаний стандартной квантовой механики. И последние эксперименты, поставленные группой итальянских физиков, говорят о крайней маловероятности скоординированной объективной редукции в мозге. Так, Каталина Курчану в статье 2022 г. пишет:
«Мы показали, что в этом контексте Orch-OR, основанная на теории DP, окончательно исключается для случая уровня разделения атомных ядер без необходимости учитывать влияние декогеренции окружающей среды; мы также показали, что случай частичного разделения требует, чтобы мозг поддерживал когерентные суперпозиции тубулина такой массы, продолжительности и размера, которые значительно превосходят любое из состояний когерентной суперпозиции, которые были достигнуты с помощью современной оптомеханики и макромолекулярных технологий в интерференционных экспериментах. Мы пришли к выводу, что ни один из обсуждаемых нами сценариев (за исключением, возможно, случая частичного разделения тубулинов) не является правдоподобным».
Не менее важные аргументы против квантового сознания были приведены в совместной статье американского нейробиолога Кристофа Коха и немецкого физика Клауса Хеппа «Квантовая механика в мозге». Её авторы рассматривают две биофизические операции, при помощи которых происходит обработка информации в мозге: химическую передачу данных через синаптическую щель и генерацию потенциалов действия. В обеих операциях участвуют тысячи ионов и нейромедиаторов, связанных диффузией или мембранным потенциалом, который простирается на десятки микрометров. Эти процессы настолько масштабны, что неизбежно разрушают любые состояния квантовой когерентности. Нейрон в определённый момент времени либо возбужден, либо нет, а не находится в суперпозиции противоположных состояний.
«Хотя мозг подчиняется квантовой механике, он, судя по всему, не использует никаких своих особенностей. Молекулярные машины, такие как светоусиливающие компоненты фоторецепторов, пре- и постсинаптические рецепторы и белки, управляемые напряжением и лигандом, охватывающие клеточные мембраны и поддерживающие возбудимость нейронов, настолько велики, что их можно рассматривать как классические объекты».
Также Кох и Хепп затрудняются найти эволюционное объяснение появления у нас в голове квантового компьютера:
«Почему эволюция должна была повернуть в сторону квантовых вычислений, настолько превратных и капризных, если классические нейросетевые вычисления, очевидно, вполне достаточны для решения проблем, с которыми сталкиваются нервные системы? ... Гораздо более вероятно, что материальная основа сознания может быть понята в сугубо нейробиологических рамках, без привлечения квантово-механической deus ex machina».
В конце концов, нервная система представляет собой «нагретую до 300 градусов по Кельвину ткань, сильно связанную с окружающей средой», где «декогеренция будет преобладать и квантовые вычисления нейронов не будут возможны» - заключают исследователи.
Известный физик и астробиолог Пол Дэвис тоже считает, что если квантовая механика и играет какую-то роль в биосистемах, то должен иметь место способ поддержания квантовой когерентности если не для биологических, то по крайней мере для биохимических масштабов.
«…Без этого критически важного шага квантовая биология мертва. Упрощенные расчеты скорости декогеренции в этом отношении очень обескураживающие: в такой теплой и мокрой среде, как клетка, периоды декогеренции выглядят чрезвычайно короткими».
Наш мозг – тёплое и влажное место, совсем не похожее на лабораторию с квантовым компьютером, где физики с большим трудом поддерживают кубиты в состоянии суперпозиции, изолируя их от окружающего мира в вакууме при температуре около абсолютного нуля, чтобы они не декогерировали. Другие квантовые эффекты вроде туннелирования, сверхтекучести и сверхпроводимости, также возможны исключительно в искусственных условиях сверхнизких температур. Достаточно просто посмотреть на любую ткань вашего организма под электронным микроскопом, чтобы понять: поддерживать квантовую когерентность в такой среде не проще, чем построить карточный домик во время урагана. Из-за обычного термического покачивания при температуре тела молекулы в нашем организме сталкиваются триллионы раз в секунду – биофизик Петер Хофманн назвал эти случайные колебания «молекулярным штормом».
Конечно, можно найти места, где квантовые эффекты сохраняются на дольше. Например, физик Мэтью Фишер из университета Санта-Барбары (Калифорния) обнаружил на субклеточном уровне ионы фосфора, которые квантово запутываются друг с другом и остаются в таком состоянии достаточно долго, чтобы это влияло на частоту химических реакций с их участием. Ключевую роль в этом играет так называемая молекула Познера, или фосфат кальция Ca9(PO4)6. Она защищает от декогеренции ион фосфора, ядерный спин которого может служить «нейронным кубитом» для предполагаемых квантовых вычислений. Фишер и его соратники С. Вайнгартен и П.М. Дораисвами делают смелое обобщение, что именно многочисленные запутанные молекулы Познера, запускающие «нелокальные квантовые корреляции уровней возбуждения нейронов, являются ключевым механизмом нейронной квантовой обработки». Однако попытки подтвердить эти предположения экспериментально, предпринятые Фишером, оказались неудачными. К тому же ионы фосфора встречаются в основном в субгруппах молекул АТФ и в других подобных местах, имеющих к процессу мышления весьма косвенное отношение. А для признания мозга квантовым компьютером эффекты квантовой когеренции, запутанности, туннелирования должны наблюдаться повсеместно: в аксонах, дендритах, в синаптических щелях и мембранах нейронов.
Кстати, вы никогда не делали МРТ мозга? Магнитно-резонансная томография основана на эффекте ядерного магнитного резонанса, который также применяется для управления кубитами в квантовых компьютерах. Аппарат генерирует сильное магнитное поле, которое синхронизирует спины всех атомов водорода у вас в голове и в некотором смысле превращает ваш мозг в квантовый компьютер. Вот только никому во время этой процедуры не удавалось произвести в уме вычисление, которое не под силу классическому компьютеру. А может, просто никто не пробовал. Но для квантовых вычислений недостаточно синхронизировать кубиты, их ещё нужно правильно между собой запутать. Если бы нейроны были каким-то образом квантово запутаны, МРТ неизбежно оказывала бы влияние на их работу, чего на практике не наблюдается. Хотя в 2022 г. нейробиологи и сообщили о результатах экспериментальной МРТ, которые предполагают, что спины ядерных протонов воды в мозгу участников-людей запутаны, эти результаты далеко не однозначны, и, если такие функции мозга действительно существуют и участвуют в сознательном познании, степень и природа их участия в сознании остаются неизвестными.
Так что мозг, с большой вероятностью, является не квантовым, а обычным классическим компьютером, работающим по законам ньютоновской механики и термодинамики. И квантовое сознание – очередной миф. Может, это и к лучшему. Конечно, квантовый компьютер намного быстрее решает задачи, связанные с перебором и анализом множества возможных вариантов. С другой стороны, в квантовой механике действует запрет клонирования состояния – невозможно получить информацию о состоянии системы, не изменив его. Если бы сознание имело квантовую природу, его было бы невозможно скопировать на электронный носитель, поскольку измерение сразу разрушило бы суперпозицию. А если его природа всё-таки классическая, то ничто не мешает смоделировать детальную карту нейронных связей мозга (коннектома) и создать его искусственный аналог. Правда, таким образом мы вряд ли обеспечим себе цифровое бессмертие, но это уже другая история.
Гипотеза амплификации
Кроме «сильного» утверждения о том, что мозг является генератором и усилителем квантовых эффектов до макроуровня, есть ещё и «слабая» гипотеза, согласно которой квантовые события могут оказывать влияние на деятельность мозга – например, увеличивать его вычислительную мощность и способность кодирования информации, или наоборот – нарушать передачу сигналов между нейронами, вызывая помехи. С квантовым шумом всё понятно: это и есть вышеупомянутый «молекулярный шторм», препятствующий поддержанию когерентности в нервной ткани. А вот с амплификацией, или усилением квантовых эффектов до масштабов нейросети, учёным ещё предстоит разобраться. Но уже сейчас у этой идеи достаточно сторонников. Так, американский психиатр Джеффри Сатиновер в книге «Квантовый мозг: в поисках свободы и человека будущего» (2002) утверждает, что квантовые эффекты могут ускорить вычислительные процессы на микроскопическом уровне и что нелинейная хаотическая динамика может усиливать квантовые флуктуации, «модулируя крупную мезоскопическую и, возможно, также макроскопическую активность нейронов». А израильский физик и нейробиолог Хаим Сомполински в своем эссе о природе свободы воли выразился ещё смелее: «Хаос в мозге может чрезвычайно усилить небольшие квантовые флуктуации… до такой степени, что это повлияет на время возбуждения нейронов».
Гипотеза амплификации так или иначе ссылаются на междисциплинарную науку, известную под разными названиями: синергетика, теория хаоса или неравновесная термодинамика. Мы писали о ней в статье «Порядок из хаоса». В рамках этой теории используется математический аппарат, описывающий поведение сложных нелинейных систем, балансирующих на грани хаоса. В частности, есть механизм чувствительности к начальным условиям, более известный как «эффект бабочки», когда «взмах крыльев бабочки на одном конце света вызывает ураган на другом». Наш мозг, несмотря на всю его сложность и нейропластичность, не очень напоминает хаотичную систему вроде атмосферы, поэтому исследователи вполне обоснованно сомневаются в его способности амплифицировать квантовые флуктуации через каскад уровней физической организации. С другой стороны, есть экспериментально подтверждённые теории сложной нелинейной динамики мозга с высокой чувствительностью к небольшим колебаниям, которые теоретически способны усиливать микроскопические квантовые эффекты.
По мнению Питера Джедлики,
«…Нервная система представляет собой нелинейную динамическую сложную систему, проявляет высокую стохастическую активность… вопреки давней точке зрения, в некоторых условиях сильная связь с шумной и теплой средой способна скорее способствовать, чем препятствовать длительной квантовой когерентности в биологических системах. В итерационных иерархиях с нелинейной динамикой (на грани хаоса) небольшие (даже бесконечно малые) флуктуации не усредняются, но могут быть усилены. Квантовые флуктуации на самых низких уровнях могут влиять на начальное состояние на следующем уровне, в то время как более высокие уровни формируют граничные условия более низких уровней. Эта иерархия вложенных сетей с большим количеством петель обратной связи скорее использует, чем нейтрализует квантовые эффекты, как это предположил Джеффри Сатиновер».
Гипотеза критического мозга
В 1950 г. Алан Тьюринг в статье «Вычислительные машины и интеллект» впервые сравнил мозг с ядерной сборкой атомного реактора, которая может находиться в подкритическом, критическом и сверхкритическом состояниях. Опираясь на эту классификацию, Питер Джедлика выделяет три типа динамики в мозге: 1) упорядоченную или докритическую динамику, состоящую из колебательной синхронной активности с характерными признаками высокой координации и низкой изменчивости; 2) случайную или сверхкритическую динамику, состоящую из асинхронной нерегулярной активности с низкой координацией и высокой изменчивостью; 3) комплексную или критическую динамику с высокой координацией и высокой изменчивостью. Именно последний тип динамики, утверждает Джедлика, является наиболее интересным, поскольку в этом состоянии мозг демонстрируют самый большой репертуар сетевой активности и способность к координации своих сегментов на больших расстояниях.
Собственно, гипотеза критического мозга была предложена в 2010 г. аргентинским математиком Данте Чиальво. Согласно этой модели, активность мозга непрерывно колеблется между двумя фазами: затуханием и усилением, то есть мозг работает в критическом состоянии фазового перехода, в котором его вычислительные мощности значительно возрастают. По мнению Чиальво, в мире подкритических мозгов все представления были бы однообразными, воспоминания – неизменными, а извлечение нового знания – невозможным. В мире сверхкритических мозгов все менялось бы без каких-либо явных закономерностей: никакая долгосрочная пластичность и память обучению не помогут. Только в нашем мире критических мозгов последние способны не только фиксировать неожиданные события и выявленные закономерности, но и редактировать сохраненные воспоминания. В этом Чиальво видит эволюционные причины появления критического мозга. А вот как объясняет гипотезу специалист по квантовым вычислениям Скотт Ааронсон:
«Мозг кажется балансирующим на острие ножа между порядком и хаосом: будь он ритмичен, как маятник, он не мог бы поддерживать интересное поведение; будь он хаотичным, как погода, он не мог бы поддержать рациональность».
Скотт Ааронсон выдвинул собственную теорию «свободного бита» (freebit), согласно которой «хаотическая динамика мозга» может усилить до макроскопического масштаба эффект от произвольного бита, сгенерированный в результате квантовой флуктуации. Тем временем Майкл Лондон и Михаэль Хауссер, исследуя вычислительные возможности дендритов, показали, что даже возбуждение отдельного нейрона имеет некоторый шанс вызвать возмущение значительных масштабов.
«Преобладающим было мнение, что обработка информации в нейронных сетях обусловлена главным образом свойствами синапсов и связности нейронов внутри сети; при этом считалось, что собственная возбудимость отдельных нейронов играет меньшую роль. Как следствие, вклад отдельных нейронов в вычисления долгое время недооценивался».
А в 2014 г. Габор Ваттаи и соавторы в статье «Квантовая биология на грани квантового хаоса» заявили:
«…Последние расчеты показывают, что квантовая когерентность может стать долгоживущей в сложных системах, которые находятся в критическом состоянии между хаосом и регулярностью – на грани квантового хаоса».
У гипотезы критического мозга уже есть немало подтверждений. Самым явным её доказательством стало открытие «нейронных лавин» - каскадов разряжающихся нейронов, возникающих в момент, когда клетки мозга проходят критическую точку и затем возвращаются в состояние покоя. Первым о возможности нейронных лавин догадался в 70-е гг. Джек Коуэн из Чикагского университета. Он предположил, что мозг поддерживает здоровое равновесие – состояние, хорошо известное физикам-теоретикам как критическая точка или «грань хаоса», – притормаживая сигналы нейронов, чтобы не допустить хаотичного переполнения, но при этом и не останавливать весь поток. Теоретически каскад возбуждений может породить хаотичную лавину, вызвать приступ эпилепсии и временно вывести мозг из строя, но вероятность этого нарушения равновесия невелика – за всю жизнь подобный приступ переживает лишь около 1% населения. То есть мозг постоянно балансирует между двумя фазами, в одной из которых его активность быстро снижается и затухает, а в другой – нарастает и усиливается с течением времени.
В 1995 г. Андреас Херц и Джон Хопфилд доказали, что так называемые модели самоорганизованной критичности (SOC) для землетрясений математически эквивалентны моделям интегрированных и возбужденных нейронов (integrate-and-fire neurons). Одновременно Димитрис Стассинопулос и Пер Бак предложили простую модель нейронной сети, для которой критичность является нормальным состоянием. А в 2003 г. Джон Беггз и Дитмар Пленз из Национального института психического здоровья (США) получили экспериментальные свидетельства того, что нейронные сети могут создавать сложные модели коллективной активности.
«Нейронная лавина – это каскад всплесков активности в нейронных сетях… Активность в срезах неокортекса характеризуется короткими всплесками продолжительностью в десятки миллисекунд, разделенных периодами покоя, продолжающимися несколько секунд. При наблюдении с многоэлектродной решеткой число электродов, приводимых в действие сверх порога во время вспышки, распределяется примерно экспоненциально. Хотя это явление очень устойчиво и воспроизводимо, его связь с физиологическими процессами в неповрежденном мозге в настоящее время неизвестна»
Беггс и Пленц исследовали нейроактивность в коре мозга крыс с помощью 60-канальной инвазивной многоэлектродной матрицы путём непрерывной регистрации спонтанных потенциалов локальных полей. Они обнаружили синхронность спонтанной активности нейронов, которая сохранялась на относительно длительных промежутках времени. Разряжающийся нейрон передаёт сигнал в среднем только одному соседу, как в системе на грани хаоса, но происходят и крупные нейронные лавины, вероятность которых экспоненциально зависит от их размера. Это полностью соответствует степенному закону распределения, которому подчиняются лавины, лесные пожары и землетрясения: серьезные катастрофы происходят реже, чем мелкие. Например, вероятность землетрясения, которое в 10 раз сильнее, обратная – одна десятая. Учёные пришли к выводу, что «нейронные лавины должны рассматриваться как новый способ сетевой активности», который сильно отличается от колебательных, синхронизированных или волнообразных состояний сети.
В 2009 г. Геральд Хан и его коллеги заметили признаки нейронных лавин в активности зрительной коры кошек под наркозом, а в 2012 г. Густаво Деко и Виктор Джирса получили аналогичные результаты с использованием магнито-резонансной томографии. Также известно исследование команды японских нейрофизиологов под руководством С. Фуджисавы, показавшее на примере пирамидальных клеток САЗ, что самая высокая чувствительность к небольшим флуктуациям наблюдается именно в неравновесной точке фазового пространства мембранных потенциалов. Согласно авторам публикации, это означает, что активации одной нервной клетки достаточно, чтобы сдвинуть состояние всей локальной сети. Важно иметь в виду, что в данном случае речь идет не о когеренции квантовой природы, а о корреляционной зависимости электрических потенциалов отдельных нейронов, которую обнаружили еще в 1950-е годы.
Ещё одним косвенным подтверждением гипотезы критического мозга является эксперимент, проведенный учёными из Cortical Labs и Университета Мельбурна под руководством Бретта Кагана и Криса Френча. Исследование проводилось на базе проекта DishBrain – биокомпьютера из 800000 нейронных клеток человека, обученных играть в Pong. При выполнении задачи (но не при отсутствии стимулов) нейросеть входила в критическое состояние на грани между двумя крайностями (эпилепсией и коматозным состоянием), где малейшие воздействия могут вызвать "лавины" мозговой активности. В 2023 г. учёные с помощью стволовых клеток вырастили ещё один органоид мозга под названием Brainoware — объёмную колонию нейронов, повторяющих структуру нейронных связей в мозге. Её научили распознавать голос и решать дифференциальные уравнения. Дальнейшие эксперименты с «живыми» нейросетями должны прояснить, насколько нелинейна динамика работы настоящего мозга и есть ли смысл закладывать подобный механизм чувствительности к квантовым флуктуациям в искусственные нейросети.
Если гипотеза критического мозга верна, и он действительно может усилить некое нетривиальное квантовое событие в мембране или аксоне (например, туннелирование отдельного электрона), это доказывает существование естественного механизма амплификации сигналов изнутри отдельного нейрона – распространения его по всей нервной сети и синхронизации состояния других нервных клеток. Неудивительно, что гипотеза квантового мозга оживила философские споры о свободе воли, поскольку детерминистический характер работы мозга был поставлен под сомнение. Даже Кристоф Кох, критикующий теорию квантового мозга, признал возможным механизм влияния квантовых событий на свободу воли:
«Нельзя исключать, что крошечные квантовые флуктуации в глубине мозга усиливаются детерминированным хаосом и в конечном итоге приводят к поведенческому выбору».
Недетерминированный характер функционирования мозга признают уже многие учёные. Например, американский нейрофизиолог и нейроэкономист Пол Глимчер пишет:
«данные свидетельствуют о том, что напряжение мембраны является продуктом взаимодействий на атомном уровне, многие из которых регулируются квантовой физикой и, следовательно, являются действительно неопределёнными событиями».
Подобных взглядов придерживается и ирландский генетик Джонджо Мак-Фадден:
«Если нейроны, зависящие от динамики отдельных мембранных белков, имеют решающее значение для инициации определенного моторного действия или когнитивного процесса, то последующее действие или когнитивный процесс будут подвержены недетерминированной квантовой динамике».
Следует уточнить, о влиянии каких квантовых процессов на работу мозга идёт речь. В статье «Квантовая случайность против детерминизма» мы уже писали, что в каждом квантовом измерении, то есть по сути при каждом взаимодействии элементарных частиц, есть компонент нередуцируемой, истинной случайности. Очевидно, что в процессе работы мозга такие квантовые измерения происходят с невообразимой частотой, и каждое из них потенциально может вызвать «нейронную лавину». Вдобавок наш организм постоянно подвергается воздействию фонового радиационного излучения, причём это не только космические лучи и солнечный ультрафиолет, но и распад нестабильных изотопов, которые есть в нашем теле. Точное время, когда распадётся конкретный радиоактивный атом, принципиально непредсказуемо – это чистая квантовая случайность. Абсолютное большинство квантовых событий не играет в нашей жизни никакой роли – это просто тепловые флуктуации или микросостояния, не отображающиеся на макросостоянии системы и составляющие величину больцмановской энтропии. Но изредка среди этого хаоса складывается ситуация чувствительности к начальным условиям, и тогда квантовая случайность вступает в силу, расширяясь до макроскопических масштабов. Возможно, она имеет ключевое значение в принятии мозгом решений и создаёт иллюзию свободы воли, хотя не каждый готов признать, что все его «сознательные» решения – результат броска квантовой монетки.
Гипотеза эфаптической передачи
Ещё один эффект в работе мозга, потенциально имеющий квантовую природу – эфаптическая передача сигнала между нейронами. Термин «эфапс» (от греч. ephapsis – «трогать») был введён в 1941 г. французским нейрофизиологом греческого происхождения А. Арванитаки для обозначения любого способа трансляции нервной информации, отличного от синаптической передачи. Годом ранее Бернард Кац и Отто Шмидт, исследуя электрическое взаимодействие двух соседних нервов конечностей зелёного краба Carcinus maenas, установили, что токи, которые вызывали деполяризацию (возбуждение) мембраны активного нерва, вызывали соответствующую гиперполяризацию (торможение) соседнего волокна, а стимуляция обоих нервов может вызвать интерференционные эффекты. До недавнего времени эфаптическая передача рассматривалась как межаксонная помеха или попросту шум, возникающий при демиелинизации аксона – что-то вроде короткого замыкания при повреждении изоляции проводки. В лучшем случае считалось, что она может быть причиной аномальных ощущений вроде синестезии, когда возникает «беспроводная» связь между аксоном, передающим сенсорную информацию одного типа (например, зрительную), и аксоном, ответственным за информацию другого типа (например, слуховую).
Однако в 2010 г. Костас Анастасио и его коллеги показали, что потенциалы локального поля в кортикальных нейронах могут служить для синхронизации нейрональной активности в периоды повышенной возбудимости или депрессии:
«Наши результаты подтверждают представление о том, что осциллирующие электрические поля, присутствующие в сером веществе, служат синхронизации активности нейронов, при этом фактор характера активности (возбуждение или торможение) учитывается незначительно. Такая синхронизация может оказать существенное влияние на обработку нейронной информации и нейропластичность».
Ссылаясь на это исследование, в 2014 г. Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден в своей книге «Жизнь на грани: Наступление эпохи квантовой биологии», выдвинули гипотезу о взаимном влиянии квантовых событий (например, на уровне ионных каналов) и внеклеточных электрических полей, которые генерируются на уровне нейронов и их сетей. Учёные допускают, что электрические поля могут модулировать активность ионных каналов, управлять возбуждением множества нейронов, синхронизировать его с помощью эфаптической передачи и таким образом влиять на когнитивные функции и поведение.
Итак, по поводу эфапатической передачи – «беспроводной» или «полевой» связи между аксонами соседних нейронов – можно сказать следующее. Она действительно существует, и в её основе лежат эффекты квантового туннелирования, потенциально способные оказывать влияние на работу мозга на нейросетевом уровне. Но такая несинаптическая связь является скорее не передачей сигнала между нейронами, а ошибкой в его передаче, или попросту шумом. Поскольку шум считается негативным феноменом функционирования нервных тканей, он должен подавляться для минимизации логических ошибок. Иначе работа мозга была бы слишком хаотичной и приводила бы к эволюционно дезадаптивному поведению. Однако в некоторых нестандартных случаях ошибки могут быть полезны, подобно мутациям в геноме. И хотя большинство мутаций сразу же исправляются, иногда ошибки всё же закрепляются, играя ключевую роль в механизме дарвиновской эволюции. Аналогично и с ошибками в передаче нервных импульсов: они могли пройти естественный отбор, потому что способствовали креативным решениям в критических ситуациях. Но, как отмечает Питер Джедлика, тот факт, что биологическая эволюция способна использовать в своих интересах нетривиальные квантовые события на микроскопическом уровне и даже на более масштабных уровнях, никак не зависит от правдоподобности или обоснованности собственно квантовой теории сознания.
Философские следствия
Ещё недавно гипотеза квантового мозга поддерживалась только философскими рассуждениями о наличии у нашей психики свойств неопределенности, парадоксальности и мультимодальности по аналогии с квантовыми объектами, а также утверждениями математиков, что распределение вероятностей некоторых психических явлений носит небайесовский характер, присущий распределению вероятностей квантовых событий. Но теперь у этой гипотезы есть достаточно экспериментальных подтверждений, чтобы перевести её в ранг теории. Впрочем, это не значит, что усиление индетерминистских событий до макромасштабов является нормальным режимом функционирования мозга. Как и в случае с эфаптической передачей, речь идёт скорее о единичных ошибках на фоне «классических», детерминистичных процессов. А подавляющее большинство квантовых флуктуаций статистически усредняются и нивелируются в силу того, что нейромедиаторы, нейроны и нейронные сети слишком велики по своим размерам, чтобы быть чувствительными к микроскопическим воздействиям.
В любом случае факты, свидетельствующие в пользу амплификации квантовых свойств физической организации мозга на биологический (теория квантового мозга) и на психологический (теория квантового сознания) уровни, не говорят ничего о нематериальной или нелокальной природе сознания. Скорее даже наоборот, они подтверждают доводы редукционистов, которые сводят все наши ментальные состояния к физическим состояниям мозга. Впрочем, большинство сторонников гипотезы квантового мозга придерживаются ограниченного редукционизма, утверждая, что квантовыми свойствами можно объяснить далеко не все ментальные свойства и не всё человеческое поведение. С другой стороны, мнения противников идеи квантового сознания ближе к философскому антиредукционизму, включая такие его формы, как психофизический дуализм и теория эмерджентности. Эти подходы объединяет мнение, что каждому масштабному уровню материи присущ свой набор свойств, которые без потери полноты знания несводимы к свойствам нижележащих уровней. Забавно, что эмерджентные теории описывают мозг как детерминированную классическую систему, а редукционистские теории вынуждены соглашаться с квантовым индетерминизмом. Но ни в тех, ни в других не остаётся места для свободы воли.
Если хаос в классических системах может усиливать квантовые флуктуации из-за чувствительности к малейшим изменениям начальных условий, это наводит на интересные мысли о свободе воли. Предположим (упрощённо), что паттерны нейронных импульсов в мозгу соответствуют состояниям принятия решений. Хаос может усиливать квантовые события, вызывая срабатывание одного нейрона, который в противном случае не сработал бы. Если мозг как макроскопический объект тоже находится в критическом состоянии, что делает его чувствительным к небольшим возмущениям, эта дополнительная нейронная активность, какой бы маленькой она ни была, будет усиливаться до такой степени, что состояния мозга будут развиваться иначе, чем если бы нейрон не сработал. В свою очередь, эти изменённые нейронные импульсы и состояния мозга будут способствовать возникновению новых квантовых эффектов, влияющих на результаты человеческого выбора.
Отсюда следует вывод: вероятно, то, что мы называем свободой воли, на самом деле является проявлением на макромасштабе квантовой случайности. А квантовая случайность всегда является источником информационного шума, хаоса и энтропии. Мы не можем полностью устранить эти квантовые помехи, но мы способны управлять вероятностями. Например, когда при выборе из двух вариантов соотношение вероятностей 50:50, всё решает квантовая случайность. А когда соотношение 99:1, можно сказать, что решение в значительной степени детерминировано – работой мозга, внешними факторами и вообще прошлыми состояниями системы. Очевидно, во втором случае наше поведение более упорядочено и предсказуемо. Это объясняет, как амплификация квантовых эффектов могла закрепиться в ходе дарвиновской эволюции: квантовая случайность помогала быстрее принимать решения в случаях, когда распределение вероятностей между вариантами было примерно равным.
Как пишет Дмитрий Винник в статье «Квантовые свойства в физической организации мозга: амплификация или нивелировка?»,
«если сторонники идеи амплификации правы, то это должно иметь следствием неожиданный ответ на вопрос о природе человека и его месте в мире. С этой точки зрения все существа, обладающие нервной системой, предстают как полноценные агенты мира первозданного хаоса, они являются устройствами, способными усиливать случайные события квантово-механического мира до макромасштабов, реализуя их не только во внутренних состояниях своего мозга, но и вовне – в своём поведении».
Вывод
Таким образом, мозг в целом работает по законам классической механики и реализует биохимические алгоритмы, детерминированные генами и условиями среды. В хаотичной молекулярной среде нервной ткани квантовые эффекты в большинстве случаев нивелируются и не влияют на синаптическую передачу сигналов между нейронами. Но иногда квантовые флуктуации усиливаются по принципу положительной обратной связи из-за чувствительности системы к начальным условиям (эффекта бабочки), что теоретически может привносить в наши решения долю квантовой случайности. Возможно, эта доля будет тем выше, чем более неопределённа и неоднозначна ваша позиция при выборе из нескольких вариантов, т.е. детерминированные прошлыми состояниями мозга вероятности принять то или иное решение распределены примерно поровну. Впрочем, даже если гипотеза амплификации не верна и мозг совершенно не чувствителен к микроскопическим флуктуациям, это не исключает влияния случайных квантовых событий в окружающей среде на наше поведение.
Ну а мнение большинства учёных относительно квантового сознания, управления реальностью и других подобных гипотез можно резюмировать словами Виктора Стенджера:
«Подавляющая масса доказательств, собранных за 70 лет экспериментов, не показывает ни намека на нарушение редукционистской, локальной, дискретной, не превышающей скорость света, нехолистической теории относительности и квантовой механики — без какого-либо фундаментального участия человеческого сознания, не считая нашего собственного субъективного восприятия какой бы то ни было реальности. Конечно, наши мыслительные процессы оказывают сильное влияние на наше восприятие. Но утверждение, будто наше восприятие по этой причине определяет или даже контролирует реальность, не имеет рациональной основы. Мир был бы совершенно другим местом для всех нас, если бы он существовал только у нас в голове - если бы мы действительно могли создавать свою собственную реальность, как считают представители течения Нью-Эйдж. Тот факт, что мир редко является тем, чего мы хотим, является лучшим доказательством того, что мы мало что можем сказать по этому поводу. Миф о квантовом сознании должен занять своё место в одном ряду с богами, единорогами и драконами как ещё один продукт фантазии людей, не желающих принять то, что наука, разум и их собственные глаза говорят им о мире».
