Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания - Элисон Джордж

Использует ли мозг квантовую механику? С одной стороны, конечно, да. Мозг состоит из атомов, а атомы подчиняются законам квантовой физики. Но как быть со смежным вопросом о том, могут ли странные свойства квантовых объектов – нахождение в двух местах одновременно, внешне мгновенное воздействие друг на друга на расстоянии и т. д. – объяснить все еще до конца не изученные аспекты познавательной способности человека? Это, оказывается, и в самом деле довольно спорный вопрос.

Главное возражение исходит от «бритвы Оккама» – утверждения, что наилучшее объяснение обычно самое простое. С этой точки зрения нынешние неквантовые идеи о работе мозга прекрасно справляются со всеми вопросами, и у нас нет необходимости прибегать к квантовой физике для объяснения познания. Однако физик-теоретик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (КУСБ) в этом не так уверен и указывает на то, что имеющиеся представления о воспоминаниях отнюдь не безупречны. Например, они хранятся в архитектуре нейронных сетей или в соединениях между нейронами? Почему бы не поискать квантовые объяснения получше?

Возможно, все дело в том, что где-то мы это уже видели. В 1989 году Роджер Пенроуз, математик из Оксфордского университета, предположил, что никакая стандартная классическая модель вычислений не сможет объяснить, как мозг порождает мышление и сознательный опыт. Его идея заинтриговала многих, особенно работающего в Университете штата Аризона анастезиолога Стюарта Хамероффа, предложившего особый способ вовлечения квантовых эффектов.

Суть этой идеи коренилась в микротрубочках – белковых трубках, составляющих скелет нейронов, – использующих квантовые эффекты, чтобы одновременно существовать в «суперпозициях» двух разных форм. Каждая из этих форм равносильна биту классической информации, так что этот меняющий форму квантовый бит, или кубит, может хранить в два раза больше информации, чем его классический аналог.

Добавьте в эту смесь запутанность – квантовую особенность, позволяющую состояниям кубитов оставаться переплетенными, даже когда они не находятся в контакте, – и вы сможете быстро собрать квантовый компьютер, способный гораздо эффективнее взаимодействовать с информацией, чем любой классический. Фактически Пенроуз предположил, что именно принцип, по которому такой компьютер может приходить к нескольким ответам одновременно и комбинировать эти ответы разными способами, как раз объяснит исключительный талант мозга (см. рис. 6.2).

Рис. 6.2. Принцип работы квантового компьютера сравнивают с принципом работы мозга.

Пенроуз и Хамерофф совместно работали над этой идеей: они, как и некоторые другие ученые, одно время считали ее разумной. Но вскоре начали появляться проколы. С точки зрения физика самой фундаментальной проблемой было время когерентности. Суперпозиция, как и запутанность, является чрезвычайно хрупким явлением. Представьте себе живую пирамиду из каскадеров, проезжающих по высокому канату на одноколесном велосипеде, и вы поймете, о чем идет речь. Малейший дисбаланс – и пирамида рассыпается. Если говорить о квантовой системе, то она будет «декогерировать» к классическому состоянию при возмущении теплотой, механическими колебаниями или чем-то еще. Информация, хранящаяся в квантовых состояниях, в результате чаще всего рассеивается в окружающую среду.

В течение двух десятилетий эта проблема препятствовала попыткам физиков, включая Фишера, сконструировать квантовый компьютер хоть сколько-то значительного размера. Даже при криогенном охлаждении и механической изоляции сложно поддерживать когерентность сетей из кубитов достаточно долго, чтобы сделать что-то, превосходящее возможности классических компьютеров. В теплом сыром мозге с его бульоном из подрагивающих, толкающихся молекул это становится почти невозможным. Нейроны удерживают информацию всего несколько микросекунд во время ее обработки, но вычисления показывают, что суперпозиции микротрубочек будут длиться всего лишь от 10–13 до 10–10 секунд.

Фишер, как и многие другие, разделял этот скептицизм. Но вместе с тем он размышлял, не было бы ли странным, что эволюция это просто не проработала? У нее были миллиарды лет, чтобы «открыть» квантовую механику, к тому же изящный молекулярный механизм позволяет жизни ее использовать. Даже если электрические импульсы, идущие по нейронам внутри мозга, – что хорошо описывается классической физикой – являются непосредственной основой мышления и памяти, спрятанный квантовый уровень может определять, в частности, как эти нейроны связываются друг с другом и срабатывают.

Личный интерес к теме возник у Фишера довольно опосредованно, когда он размышлял над устойчивостью психических расстройств близких ему людей и над эффективностью лекарств, используемых для их лечения. Изначально предметом интереса Фишера был литий – ингредиент многих стабилизаторов настроения. Изучая научную литературу, он наткнулся на один подробный доклад 1986 года, который заставил его задуматься. В этом документе был описан опыт, в котором крысы получали один из двух устойчивых изотопов лития – литий-6 и литий-7. Когда наступала пора ухаживаний, заботы о крысятах, постройки жилища и других мероприятий брачного сезона, получившие литий-6 были гораздо активнее, чем их соплеменники из контрольной группы или накормленные литием-7.

Именно эта статья навела Фишера на мысль, что, возможно, настало время вновь обратиться к столь волнующей его проблеме квантового сознания. Все атомные ядра, как и составляющие их фундаментальные частицы, имеют квантово-механическое свойство, называемое спином. Грубо говоря, спин является количественной мерой того, насколько ядро «чувствует» электрические и магнитные поля: чем больше спин, тем сильнее взаимодействие. Ядро с минимально возможным значением спина 1/2 практически не чувствует электрическое поле и очень слабо взаимодействует с магнитным. В окружающей среде вроде мозга, где электрические поля изобилуют, ядра со спином 1/2 будут странно изолированы от возмущений.

Ядра со спином 1/2 не часто встречаются в природе, и вот в чем дело. Значение спина лития-6 равно 1, но известно, что в химической среде, наподобие мозга или соляного раствора в воде, наличие дополнительных протонов молекул воды заставляет литий-6 вести себя как ядро со спином 1/2. Опыты, проведенные еще в 70-е годы XX века, отметили, что ядра лития-6 могут удерживать свой спин в течение аж пяти минут. Если есть элемент квантового контроля над операциями мозга, рассуждал Фишер, то успокаивающие эффекты лития могут быть связаны с внедрением этих необычайно когерентных ядер в химию мозга.

И это еще не все. Литий-6 не встречается в мозге в естественных условиях, но одно ядро со спином 1/2 в нем все же имеется и является активным участником многих биохимических реакций – это фосфор.