Kukaan ei ymmärrä mitä tietoisuus on ja miten se toimii. Kukaan ei ymmärrä myöskään kvantimekaniikkaa. Voisiko tämä olla enemmän kuin vain sattumaa? "En pysty tunnistamaan todellista ongelmaa, joten epäilen, ettei todellista ongelmaa ole, mutta en ole varma, ettei todellista ongelmaa ole." Amerikkalainen fyysikko Richard Feynman kertoi tämän kvantimekaniikan salaperäisistä paradokseista. Nykyään fyysikot käyttävät tätä teoriaa kuvaamaan maailmankaikkeuden pienimpiä esineitä. Mutta hän voisi sanoa saman tietoisuuden monimutkaisesta ongelmasta.
Jotkut tutkijat ajattelevat, että ymmärrämme jo tietoisuuden tai että se on vain illuusio. Mutta monet muut ajattelevat, että emme ole edes päässeet lähelle tietoisuuden olemusta.
Monivuotinen palapeli, jota kutsutaan "tietoisuudeksi", on jopa johtanut joitain tutkijoita yrittämään selittää sitä kvanttifysiikan avulla. Mutta heidän innokkuuteensa vastattiin melkoisesti skeptisesti, ja tämä ei ole yllättävää: vaikuttaa kohtuuttomalta selittää yhtä arvoitusta toiselle.
Mutta tällaiset ideat eivät ole koskaan järjetömiä eikä edes katosta.
Yhtäältä, fyysikkojen kauhistuttamiseksi, mieli kieltäytyy aluksi ymmärtämästä varhaista kvantiteoriaa. Lisäksi kvantitietokoneiden ennustetaan kykenevän asioihin, joita perinteiset tietokoneet eivät pysty. Tämä muistuttaa meitä siitä, että aivomme kykenevät edelleen keinoihin, jotka ovat keinotekoisen älyn ulottumattomissa. "Kvanttitietoisuus" pilkataan laajasti mystisenä hölynpölynä, mutta kukaan ei ole pystynyt hävittämään sitä kokonaan.
Kvanttimekaniikka on paras teoria, jolla meillä on maailman kuvaamiseksi atomien ja subatomisten hiukkasten tasolla. Ehkä tunnetuin sen mysteereistä on se, että kvanttikokeen tulos voi muuttua riippuen siitä, päätämmeko mitata siihen osallistuvien hiukkasten ominaisuuksia vai ei.
Kun kvantiteorian pioneerit havaitsivat tämän "tarkkailijavaikutuksen", he olivat huolestuneita vakavasti. Se näytti heikentävän kaiken tieteen taustalla olevaa olettamusta: siellä on objektiivinen maailma, joka on meistä riippumaton. Jos maailma käyttäytyy siitä riippuen kuinka - tai jos - katsomme sitä, mitä "todellisuus" todella tarkoittaisi?
Mainosvideo:
Jotkut tutkijat on pakko päätellä, että objektiivisuus on illuusio ja että tietoisuuden on oltava aktiivinen rooli kvantiteoriassa. Toiset yksinkertaisesti eivät nähneet mitään järkeä tässä. Esimerkiksi Albert Einstein oli ärsyyntynyt: onko kuu olemassa vain kun katsot sitä?
Nykyään jotkut fyysikot epäilevät, ettei tietoisuus vaikuta kvantimekaniikkaan … vaan että se jopa syntyi sen ansiosta. He uskovat, että tarvitsemme kvantiteoriaa ymmärtääksemme kuinka aivot toimivat ollenkaan. Voisiko olla niin, että niin kuin kvanttiobjektit voivat olla kahdessa paikassa samanaikaisesti, niin kvantti-aivot voivat samanaikaisesti tarkoittaa kahta toisiaan poissulkevaa asiaa?
Nämä ajatukset ovat kiistanalaisia. Voi osoittautua, että kvanttifysiikalla ei ole mitään tekemistä tietoisuuden toiminnan kanssa. Mutta ainakin he osoittavat, että outo kvanttiteoria saa meidät ajattelemaan outoja asioita.
Mikä parasta, kvantti mekaniikka saa tiensä ihmisen tietoisuuteen kaksoisrakojen avulla. Kuvittele valonsäde, joka iskee näytön kahdella lähekkäin sijaitsevalla yhdensuuntaisella raolla. Osa valosta kulkee rakojen läpi ja putoaa toiselle näytölle.
Voit ajatella valoa kuin aaltoa. Kun aallot kulkevat kahden raon läpi, kuten kokeessa, ne törmäävät - häiritsevät - keskenään. Jos piikit täsmäävät, ne vahvistavat toisiaan, johtaen sarjaan mustia ja valkoisia valoraitoja toiselle mustalle näytölle.
Tätä koetta käytettiin osoittamaan valon aalto-luonnetta yli 200 vuotta ennen kvantiteorian syntymistä. Sitten suoritettiin testi kaksoisraolla kvanttihiukkasilla - elektronilla. Nämä ovat pieniä varautuneita hiukkasia, atomin komponentteja. Ymmärrettävällä tavalla, mutta nämä hiukkaset voivat käyttäytyä kuin aallot. Toisin sanoen ne diffragoituvat, kun partikkelivirta kulkee kahden raon läpi tuottaen häiriökuvion.
Oletetaan nyt, että kvanttihiukkaset kulkevat rakojen läpi yksi kerrallaan ja niiden saapumista näytölle tarkkaillaan myös askel askeleelta. Nyt ei ole mitään ilmeistä, joka aiheuttaisi hiukkasen häiritsemään polkuaan. Mutta kuva osuvista hiukkasista näyttää edelleen reunat.
Kaikki osoittaa, että jokainen hiukkanen kulkee samanaikaisesti molempien rakojen läpi ja häiritsee itseään. Tämä kahden polun yhdistelmä tunnetaan superpositiotilana.
Mutta tässä on mitä outoa.
Jos sijoitamme ilmaisimen johonkin rakoon tai sen taakse, voisimme selvittää, kulkevatko hiukkaset sen läpi vai eivät. Mutta tässä tapauksessa häiriö katoaa. Pelkästään hiukkasen reitin tarkkailu - vaikka tämän havainnon ei tulisi häiritä hiukkasen liikettä - muuttaa tulosta.
Fyysikko Pascual Jordan, joka työskenteli kvanttigurun Niels Bohrin kanssa Kööpenhaminassa 1920-luvulla, sanoivat sen näin: "Havainnot eivät riko vain sitä, mitä tulisi mitata, vaan myös määräävät sen. Pakomme kvanttihiukkaset valitsemaan tietyn aseman." Toisin sanoen Jordan sanoo, että "teemme omat mittauksemme".
Jos näin on, objektiivinen todellisuus voidaan yksinkertaisesti heittää ulos ikkunasta.
Mutta omituisuudet eivät lopu siihen.
Jos luonto muuttaa käyttäytymistään riippuen siitä, etsimmekö vai ei, voisimme yrittää kiertää sitä sormiemme ympäri. Tätä varten voimme mitata, minkä polun hiukkanen kulki kaksoisraon läpi, mutta vasta sen läpi. Siihen mennessä hänen tulisi jo "päättää" kulkevatko yksi polku vai molemmat.
Amerikkalainen fyysikko John Wheeler ehdotti tällaista koetta 1970-luvulla, ja seuraavan kymmenen vuoden aikana suoritettiin kokeilu "viivästyneellä valinnalla". Se käyttää fiksuja menetelmiä kvanttihiukkasten (yleensä kevyiden hiukkasten - fotonien) reittien mittaamiseen, kun he ovat valinneet yhden polun tai kahden superpositsion.
Kävi ilmi, että kuten Bohr ennusti, ei ole merkitystä viivyttääkö mittauksia vai ei. Niin kauan kuin mittaamme fotonin polkua ennen kuin se osuu ja rekisteröi ilmaisimeen, häiriöitä ei ole. Näyttää siltä, että luonto "tietää" paitsi piiloon, myös silloin, kun aiomme piipittää.
Eugene Wigner
Aina näissä kokeissa löydämme kvanttihiukkasten polun, sen mahdollisten reittien pilvi "kutistuu" yhteen hyvin määriteltyyn tilaan. Lisäksi viivästynyt kokeilu viittaa siihen, että itse havaitseminen voi aiheuttaa romahduksen ilman mittauksen aiheuttamaa fyysistä interventiota. Tarkoittaako tämä, että todellinen romahdus tapahtuu vasta, kun mittaustulos saavuttaa tietoisuutemme?
Tätä mahdollisuutta ehdotti 1930-luvulla unkarilainen fyysikko Eugene Wigner. "Tästä seuraa, että tietoisuuteen tulevat vaikutelmat vaikuttavat esineiden kvanttiseen kuvaukseen", hän kirjoitti. "Solipsismi voi olla loogisesti johdonmukaista kvantimekaniikan kanssa."
Wheeler oli jopa huvittunut siitä ajatuksesta, että sellaisten elävien asioiden läsnäolo, jotka pystyivät "tarkkailemaan", muuttivat sen, mikä aikaisemmin oli monta mahdollista kvanttimennystä yhdeksi konkreettiseksi tarinaksi. Tässä mielessä, Wheeler sanoo, meistä tulee osallistujia maailmankaikkeuden evoluutiossa alusta alkaen. Hänen mukaansa elämme "maailmankaikkeudessa".
Fyysikot eivät edelleenkään voi valita parhainta tulkintaa näistä kvanttikokeista, ja sinulla on jossain määrin oikeus tehdä niin. Mutta tavalla tai toisella, alateksti on ilmeinen: tietoisuus ja kvanttimekaniikka ovat jotenkin yhteydessä toisiinsa.
Englantilainen fyysikko Roger Penrose ehdotti 1980-luvulta lähtien, että tämä yhteys voisi toimia toiseen suuntaan. Hän sanoi, että vaikuttaako tietoisuus kvanttimekaniikkaan vai ei, kvanttimekaniikka on kenties mukana tietoisuudessa.
Fyysikko ja matemaatikko Roger Penrose
Ja Penrose kysyi myös: entä jos aivoissamme on molekyylirakenteita, jotka voivat muuttaa tilansa vastauksena yhteen kvantitapahtumaan? Voivatko nämä rakenteet ottaa superpositiotilan, kuten hiukkaset kaksoisviilokokeessa? Voisiko nämä kvanttiset superpositiot ilmentyä tavalla, jolla neuronit kommunikoivat sähköisten signaalien kautta?
Ehkä, kykymme ylläpitää näennäisesti yhteensopimattomia mielentiloja, Penrose sanoi, ei ole havainnollinen virke, vaan todellinen kvanttivaikutus?
Loppujen lopuksi ihmisen aivot näyttävät kykenevän käsittelemään kognitiivisia prosesseja, jotka ovat ominaisuuksiensa suhteen vielä paljon parempia kuin digitaaliset tietokoneet. Saatamme jopa pystyä suorittamaan laskennallisia tehtäviä, joita ei voida suorittaa tavallisilla tietokoneilla klassista digitaalista logiikkaa käyttämällä.
Penrose ehdotti ensin, että kvanttiefektit ovat läsnä ihmisen mielessä hänen kirjassaan Keisarin uusi mieli 1989. Hänen pääideanaan oli”organisoitu objektiivinen vähentäminen”. Objektiivinen vähentäminen tarkoittaa Penrose'n mukaan, että kvanttihäiriöiden ja superpositioiden romahtaminen on todellinen fysikaalinen prosessi, kuten räjähtävä kupla.
Orkestroidun objektiivin vähentäminen perustuu Penrose'in oletukseen, että päivittäisiin esineisiin, tuoleihin tai planeettoihin vaikuttavalla painovoimalla ei ole kvanttivaikutuksia. Penrose uskoo, että kvanttinen superpositioituminen tulee mahdottomaksi atomien suurempia kohteita varten, koska niiden gravitaatiovaikutus johtaisi silloin kahteen yhteensopimattomaan avaruusajan versioon.
Sitten Penrose kehitti tämän idean yhdysvaltalaisen lääkärin Stuart Hameroffin kanssa. Kirjassaan Shadows of the Mind (1994) hän ehdotti, että kvanttunnistukseen osallistuvat rakenteet voisivat olla proteiinisäikeitä - mikrotubuluksia. Niitä löytyy useimmista soluistamme, mukaan lukien aivojen hermosolut. Penrose ja Hameroff väittivät, että värähtelyprosessin aikana mikrotubulukset voivat olettaa kvanttisen superpositiotilan.
Mutta mikään ei viittaa siihen, että tämä on mahdollista.
Oletetaan, että vuonna 2013 ehdotetut kokeet tukevat mikrotubulusten kvantin superpositioiden ajatusta, mutta itse asiassa näissä tutkimuksissa ei mainittu kvanttivaikutuksia. Lisäksi useimmat tutkijat uskovat, että vuonna 2000 julkaistussa tutkimuksessa ajatteltiin suunnatuista objektiivisista vähennyksistä. Fyysikko Max Tegmark laski, että hermosignaaleihin osallistuvien molekyylien kvantti superpositioita ei olisi olemassa edes signaalin siirtoon tarvittavana ajankohtana.
Kvanttiefektit, mukaan lukien superpositiot, ovat hyvin herkkiä ja tuhoutuvat prosessissa, jota kutsutaan decoherenceksi. Tämä prosessi johtuu kvanttikohteen ja ympäristön vuorovaikutuksesta, koska sen "kvantti" vuotaa ulos.
Decoherenssin uskottiin olevan erittäin nopea lämpimissä ja kosteissa ympäristöissä, kuten elävissä soluissa.
Hermosignaalit ovat sähköisiä impulsseja, jotka johtuvat sähköisesti varautuneiden atomien kulkeutumisesta hermosolujen seinämien läpi. Jos yksi näistä atomeista oli superpositiossa ja törmäsi sitten neuronin kanssa, Tegmark osoitti, että superpositsion pitäisi rapistua alle miljardissa sekunnin miljardiossa. Neuronin lähettämä signaali vie kymmenentuhatta biljoonaa kertaa pidempään.
Siksi skeptikot eivät testaa ajatuksia aivojen kvantitehosteista.
Mutta Penrose vaatii jatkuvasti OER-hypoteesia. Ja huolimatta siitä, että ennustettiin Tegmarkin ultranopea kohokkuus soluissa, muut tutkijat ovat löytäneet kvanttivaikutusten esiintymiä elävissä asioissa. Jotkut väittävät, että muuttolinnut, jotka käyttävät magneettista navigointia, ja vihreät kasvit käyttävät kvanttimekaniikkaa, kun ne käyttävät auringonvaloa sokerin valmistamiseksi fotosynteesin kautta.
Tästä huolimatta ajatus siitä, että aivot voivat käyttää kvanttitrikkejä, kieltäytyy menemästä pois. Koska he löysivät toisen argumentin sen hyväksi.
Voiko fosfori ylläpitää kvanttilaa?
Fysiologi Matthew Fisher Kalifornian yliopistosta, Santa Barbara, väitti vuonna 2015 tehdyssä tutkimuksessa, että aivot saattavat sisältää molekyylejä, jotka kestävät tehokkaampia kvanttipeittoja. Erityisesti hän uskoo, että fosforiatomien ytimillä voi olla tämä kyky. Fosforiatomeja on kaikkialla elävissä soluissa. Ne ovat usein fosfaatti-ionien muodossa, joissa yksi fosforiatomi yhdistyy neljään happiatomiin.
Tällaiset ionit ovat pääenergian yksikkö soluissa. Suurin osa solun energiasta varastoituu ATP-molekyyleihin, jotka sisältävät kolmen fosfaattiryhmän sekvenssin, joka on kiinnittynyt orgaaniseen molekyyliin. Kun yksi fosfaateista katkaistaan, vapautuu energia, jota solu käyttää.
Soluissa on molekyylikoneet fosfaatti-ionien kokoamiseksi klustereihin ja niiden hajottamiseksi. Fisher ehdotti järjestelmää, jossa kaksi fosfaatti-ionia voidaan sijoittaa tietyntyyppiseen superpositioon: takertuneessa tilassa.
Fosforiytimillä on kvanttiominaisuus - spin -, jotka tekevät niistä näyttämään pieniltä magneeteilta, joiden navat osoittavat tiettyihin suuntiin. Takertuneessa tilassa yhden fosforiytimen spin riippuu toisesta. Toisin sanoen takertuneet tilat ovat superpositiotilat, joissa on useampi kuin yksi kvanttipartikkeli.
Fisher sanoo, että näiden ydinvoimaloiden kvantti-mekaaninen käyttäytyminen voi estää deherenssin. Hän on yhtä mieltä Tegmarkin kanssa siitä, että kvantitärinä, joista Penrose ja Hameroff puhuivat, ovat suuresti riippuvaisia ympäristöstään ja "irtoavat melkein välittömästi". Mutta ytimien kehät eivät ole vuorovaikutuksessa niin voimakkaasti ympäristönsä kanssa.
Ja silti, fosforiytimien spinien kvantti käyttäytyminen on "suojattava" deheherenssilta.
Kvanttihiukkasilla voi olla erilainen spin
Näin voi tapahtua, sanoo Fischer, jos fosforiatomit sisällytetään suurempiin kohteisiin, nimeltään "Posner-molekyyleiksi". Ne ovat kuuden fosfaatti-ionin klustereita yhdistettynä yhdeksään kalsiumioniin. On joitain merkkejä siitä, että sellaiset molekyylit voivat olla elävissä soluissa, mutta toistaiseksi ne eivät ole kovin vakuuttavia.
Posner-molekyyleissä, Fischer väittää, fosforin pyöritykset voivat kestää dekoorenssia noin päivän ajan, jopa elävissä soluissa. Siksi ne voivat myös vaikuttaa aivojen toimintaan.
Ajatuksena on, että neuronit voivat ottaa Posnerin molekyylit vastaan. Sisään ollessaan molekyylit aktivoivat signaalin toiselle neuronille, hajottaen ja vapauttaen kalsiumioneja. Posnerin molekyylien takertumisen takia kaksi näistä signaaleista voi takertua vuorostaan: se on jollain tavalla "ajatuksen" kvantti superpositio. "Jos aivoissa todella esiintyy kvantikäsittelyä ydinvoimalla, se olisi erittäin yleistä, tapahtuu koko ajan", Fisher sanoo.
Tämä ajatus tuli hänelle ensin ajatellessaan mielisairautta.
Litiumkarbonaattikapseli
"Johdanto aivojen biokemiaan alkoi, kun päätin kolme tai neljä vuotta sitten tutkia miten ja miksi litiumionilla on niin radikaali vaikutus mielenterveysongelmien hoidossa", Fisher sanoo.
Litiumlääkkeitä käytetään laajasti kaksisuuntaisen mielialahäiriön hoitoon. Ne toimivat, mutta kukaan ei oikein tiedä miksi.
"En etsinyt kvantti selitystä", sanoo Fisher. Mutta sitten hän löysi paperin, joka kuvasi kuinka litiumvalmisteilla oli erilaisia vaikutuksia rottien käyttäytymiseen riippuen siitä, mitä litiumin muotoa tai "isotooppia" käytettiin.
Tämä hämmentää aluksi tutkijoita. Kemiallisesti eri isotoopit käyttäytyvät suurin piirtein samalla tavalla, joten jos litium toimi kuten tavallinen lääke, isotoopeilla on pitänyt olla sama vaikutus.
Hermosolut on kytketty synapsiin
Mutta Fischer tajusi, että erilaisten litium-isotooppien atomien ytimillä voi olla erilaiset spinnit. Tämä kvanttiominaisuus voi vaikuttaa litiumpohjaisten lääkkeiden toimintaan. Esimerkiksi, jos litium korvaa kalsiumin Posner-molekyyleissä, litiumin pyörteillä voi olla vaikutus fosforiatomiin ja estää niitä takertumasta.
Jos tämä on totta, se voisi myös selittää miksi litium voi hoitaa bipolaarisia häiriöitä.
Tässä vaiheessa Fischerin arvaus ei ole muuta kuin kiehtova idea. Mutta sen tarkistamiseen on useita tapoja. Esimerkiksi, että fosforin kehrät Posner-molekyyleissä voivat ylläpitää kvanttista koheesiota pitkään. Tämä on Fisher ja aikoo tarkistaa edelleen.
Silti hän on varovainen liittyessään aikaisempiin "kvantitietoisuuden" käsitteisiin, joita hän pitää parhaimmillaan spekulatiivisina.
Tietoisuus on syvä mysteeri
Fyysikot eivät ole kovinkaan ihastuneita siitä, että he ovat sisällä omia teorioitaan. Monet heistä toivovat, että tietoisuus ja aivot voidaan erottaa kvantiteoriasta ja ehkä päinvastoin. Mutta emme tiedä mitä tietoisuus on, puhumattakaan siitä, että meillä ei ole sitä kuvaavaa teoriaa.
Lisäksi toisinaan kuuluu äänekästi huudahduksia, joiden mukaan kvanttimekaniikka antaa meille mahdollisuuden hallita telepatia ja telekineesi (ja vaikka jossain käsitteiden syvyydessä tämä saattaa olla niin, ihmiset ottavat kaiken liian kirjaimellisesti). Siksi fyysikot pelkäävät yleensä mainitsevan sanat "kvantti" ja "tietoisuus" yhdessä lauseessa.
Vuonna 2016 Adrian Kent Cambridgen yliopistosta Yhdistyneestä kuningaskunnasta, yksi arvostetuimmista "kvanttifilosofeista", ehdotti, että tietoisuus voi muuttaa kvanttijärjestelmien käyttäytymistä hienoilla, mutta havaittavissa olevilla tavoilla. Kent on lausunnoissaan hyvin varovainen. "Ei ole pakottavaa syytä uskoa, että kvanttiteoria on sopiva teoria, josta voidaan vetää tietoisuuden teoria, tai että kvantiteorian ongelmien on jotenkin oltava päällekkäin tietoisuuden ongelman kanssa", hän myöntää.
Mutta hän lisää, että on täysin käsittämätöntä, kuinka päätät tietoisuuden kuvauksen, joka perustuu yksinomaan esikvanttifysiikkaan, kuinka kuvailla kaikki sen ominaisuudet ja piirteet.
Emme ymmärrä kuinka ajatukset toimivat
Yksi erityisen huolestuttava kysymys on, kuinka tietoinen mielemme voi kokea ainutlaatuisia tuntemuksia, kuten punaista tai paahdetun lihan hajua. Näkövammaisten lisäksi, tiedämme kaikki, millainen punainen näyttää, mutta emme voi välittää tätä tunnetta, eikä fysiikassa ole mitään, mikä voi kertoa meille miltä se näyttää.
Näitä tunteita kutsutaan qualiksi. Ymmärrämme ne ulkoisen maailman yhtenäisiksi ominaisuuksiksi, mutta todellisuudessa ne ovat tietoisuutemme tuotteita - ja tätä on vaikea selittää. Vuonna 1995 filosofi David Chalmers kutsui tätä tietoisuuden "kovaksi ongelmaksi".
"Mikä tahansa tietoisuuden ja fysiikan välistä yhteyttä käsittelevä ketju johtaa vakaviin ongelmiin", Kent sanoo.
Tämä sai hänet ehdottamaan, että "voisimme edistyä jonkin verran tietoisuuden evoluutio-ongelman ymmärtämisessä, jos myöntäisimme (ainakin vain myöntäisimme), että tietoisuus muuttaa kvanttitodennäköisyyksiä".
Toisin sanoen aivot voivat todella vaikuttaa mittaustuloksiin.
Tältä kannalta katsottuna se ei määrittele "mikä on todellista". Mutta se voi vaikuttaa todennäköisyyteen, että jokainen kvantimekaniikan asettama todellisuus huomioidaan. Jopa kvantiteoria ei voi itse ennustaa tätä. Ja Kent uskoo, että voisimme etsiä sellaisia ilmenemismuotoja kokeellisesti. Arvioi jopa rohkeasti mahdollisuudet löytää ne.
Olettaisin 15 prosentilla varmuudella, että tietoisuus aiheuttaa poikkeamia kvantiteoriasta; ja vielä 3 prosenttia, että vahvistamme sen kokeellisesti seuraavan 50 vuoden aikana”, hän sanoo.
Jos näin tapahtuu, maailma ei ole sama. Sitä kannattaa tutkia.
ILYA KHEL
