+
Квантовая физика и проблема сознания

Аватар пользователя Olvik
Мы знаем сознание гораздо ближе, чем все остальное,

но мы понимаем все остальное гораздо лучше, чем сознание.
Дэвид Чалмерс

В материале о возможности создания сильного ИИ я сделал вывод о том, что, пожалуй, главной проблемой на этом пути является отсутствие точной модели естественного интеллекта (точнее, сознания), который мы хотим воспроизвести с помощью интеллекта искусственного. По мнению австралийского философа Д.Чалмерса, современные нейронауки (нейробиология, нейрофизиологоия и т.п.) решают лишь «лёгкие проблемы» сознания (нейронные механизмы внимания, памяти, анализа и переработки информации и т.д, то есть как именно такой физический объект как мозг обрабатывает информацию и управляет своими блоками). В то время как адекватные методы решения «трудной проблемы» сознания (а почему вообще существует сознание и субъективный опыт, почему физический процесс переработки информации даёт начало внутренней жизни) до сих пор слабо разработаны. В этой связи большие надежды возлагаются на квантовую физику, которая, по распространённому мнению, способна дать наиболее глубокое и точное описание окружающей реальности, частью которой, несомненно, является и сознание. Приходится слышать о «квантовом сознании», «квантовом мозге» и т.п. Я попытался разобраться насколько оправдан квантовый подход в изучении сознания и каких результатов уже удалось добиться на этом пути.



О чём эта заметка
К настоящему времени не существует детально разработанной модели сознания во всех его аспектах. По крайней мере, такой модели, которая могла бы быть использована в качестве рабочей основы для воспроизведения в рамках программы создания сильного ИИ. Может ли квантовая физика предложить качественно новые подходы к проблеме, которые позволят существенно продвинуться в изучении сознания?

В сети достаточно популярных обзоров по этой теме и нет смысла делать ещё один. Проблема «популярных» обзоров в том, что они поверхностны и не дают понимания, почему за более чем 30 лет исследований никакого ощутимого прогресса в квантово-механическом объяснении мозга и сознания добиться не удалось. Я попытался разобраться в теме более детально и обратился к источникам, практически неизвестным авторам популярных обзоров.

Начну с утверждения, что квантовая физика и сознание имеют непосредственную связь. С одной стороны, квантовая физика полна разных контринтуитивных парадоксов (типа нелокальности и суперпозиции состояний, о них – несколько позже), которые пытаются применить к разгадке проблемы сознания. С другой стороны, в некоторых трактовках квантовой механики (их принято называть «интерпретациями») само сознание играет важную роль в теоретических построениях, т.е., по сути, является частью постулатов квантовой физики.

В публикации под любопытным названием «Сознание и квантовая теория: странные любовники» американский философ Б. Лёвер подвергает критике тезис, согласно которому классическая физика оказалась неспособной объяснить сознание, но это может сделать квантовая теория (Loever, 2003). Защитники данного тезиса убеждены в том, что «квантовая механика нуждается в сознании, а сознание нуждается в квантовой механике». Таким способом обозначают две разные, но, по сути, тесно связанные проблемы. Первая из них касается роли сознания в процедуре измерения и наблюдения. Вторая выражает задачу квантово-механического объяснения сознания как особого физического явления, хотя при этом обычно оставляют открытым вопрос, правомерно ли относить сознание к физическим явлениям.

В этом коротком абзаце затронуты ключевые для рассматриваемой проблемы тезисы, которые я собираюсь детально исследовать в этой работе.

Прежде всего, я начну с краткой, по необходимости, формулировки основных постулатов квантовой механики и введения тех понятий, которые используются в квантово-механических теориях феномена сознания. Я подробно остановлюсь на двух наиболее популярных и кардинально различных (в том числе, в трактовке сознания) интерпретациях квантовой механики – Копенгагенской интерпретации и многомировой интерпретации Эверетта.

Далее, прежде чем доверить квантовой физике «трудную проблему сознания» как атрибута высокоорганизованных форм жизни, я рассмотрю немногочисленные, к сожалению, примеры использования квантового подхода к более простым биологическим системам. Именно такие, сравнительно простые, задачи должны дать представление о том, насколько квантовые методы способны расширить возможности исследователей, использующих традиционные классические методы.

Получив, таким образом, представление об ограничениях и потенциальных возможностях применения квантовой физики к сложным биологическим системам, затем я подробно рассмотрю реализацию на практике двух подходов квантовых физиков к проблеме сознания, о которых писал Лёвер. А именно:

исследование мозга и происходящих в нём процессов на предмет их «квантовости» (работы Роджера Пенроуза и Мэттью Фишера);
трактовка (в рамках концепции Эверетта) сознания как функции живых организмов, позволяющей разделить квантовый мир на альтернативы (теория М.Б.Менского).
Не найдя результаты, полученные в каждом из подходов, достаточно убедительными (свои выводы я подкрепляю критическими замечаниями других исследователей), я анализирую причины неудач и трудностей в построении моделей сознания и излагаю свои соображения о том, какая исследовательская программа могла бы привести к успеху.

Ввиду сложности рассматриваемых вопросов, мои усилия упростить изложение, сделав его максимально доступным, не привели к желаемому результату – получился аналитический обзор избранных источников, рассчитанный на читателя со знаниями физики вне пределов школьной программы. Несколько утешает лишь то обстоятельство, что таковых на АШ немало!


О постулатах квантовой механики

Квантовая механика, в своих идейных основах, была создана за три года — с 1925-го по 1927-й. Оформил рождение новой науки Пятый Сольвеевский конгресс, состоявшийся осенью 1927 года в Брюсселе. Его тема - «Электроны и фотоны». Электроны в названии темы символизировали материальные частицы, а фотоны выступали носителями волновых свойств света. У истоков теории стояли такие титаны мысли как Нильс Бор, Макс Борн, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер, Луи де Бройль, Вольфганг Паули, Поль Дирак.

Всё, что нам нужно знать о квантовой физике в самом первом приближении (в целях данной статьи), это то, что она состоит из двух разных по своему содержанию и области применимости частей:

фундаментальная теория замкнутой квантовой системы — теория того, что происходит, когда замкнутая система ни с чем не взаимодействует, — унитарная эволюция (описывается линейным дифференциальным уравнением Шредингера для волновой функции, полностью детерминистична, обратима );
полуфеноменологическая теория наблюдений - физики предпочитают термин «измерения» - описывающая результат измерения (т. е. взаимодействия системы с измерительным прибором), но не описывающая сам процесс измерения (необратима, содержит вероятностные понятия).
К теории эволюции замкнутых систем никаких вопросов не возникает – она даёт многократно экспериментально проверенные и замечательно точные предсказания. А вот феноменологическая, по сути, теория измерений (наблюдений) вызывает массу вопросов. Именно с ней связаны так называемые «парадоксы» квантовой механики. Главными, несомненно, являются вопросы о связи квантовых измерений с «данной нам в ощущениях» реальностью, о физическом смысле всех этих парадоксов квантовой физики, согласовании их с житейским здравым смыслом и интуицией, о пределах применимости квантовой физики в описании макросистем.



Интерпретации квантовой механики
С самого начала положения квантовой механики вызывали массу вопросов даже у таких гениальных физиков как Эйнштейн, который так до конца и не принял вероятностного описания реальности. Со временем сложились различные трактовки квантовой физики, так называемые «интерпретации». Это совокупность непротиворечивых представлений (главным образом, философских) о сущности квантовой механики как физической теории, описывающей материальный мир. Они решают такие философские проблемы, как вопрос о природе физической реальности и способе её познания, о характере детерминизма и причинности, о сущности и месте статистики в квантовой механике. В период становления квантовой теории (в начале прошлого века) вопросам интерпретации уделялось значительное внимание. Практически, все отцы-основатели честно пытались объяснить непосвященным (практический) смысл создаваемой теории. И их взгляды в этом существенно расходились. Уже значительно позже, ближе к концу ХХ века, когда квантовая теория дала ряд замечательных практических результатов (квантовая электроника, изобретение лазеров, теории сверхпроводимости и сверхтекучести и др.), а единой признанной интерпретации так и не возникло, появилась точка зрения, что может и не надо никакой интерпретации, достаточно решать конкретные задачи в строго очерченной области применимости постулатов квантовой физики. Такой точки зрения придерживались (и придерживаются) многие «практикующие» физики. В частности, нобелевский лауреат Л.Д.Ландау, автор (точнее, соавтор) легендарного курса «Теоретической физики» (по которому я в своё время учился и сдавал экзамены). Сам такой подход получил название «никакой» интерпретации.

К настоящему времени существует несколько десятков известных интерпретаций разной степени «безумности». В целях настоящей работы меня будут интересовать две наиболее популярные на данный момент интерпретации – Копенгагенская (в различных вариантах) и многомировая интерпретация Эверетта.

Копенгагенская интерпретация
Копенгагенская интерпретация первоначально была предложена Н.Бором, В.Гейзенбергом и И. фон Нейманом. Некоторые выделяют два её варианта – старая и новая интерпретации (Иванов,2003). Они совпадают в главном, отличаясь некоторыми деталями и акцентами.Нильс Бор



Для дальнейшего изложения важно, что согласно Копенгагенской интерпретации некорректно рассматривать с точки зрения квантовой механики макроскопические системы (либо, по другой версии, незамкнутые системы, которыми являются практически все макроскопические системы). Существуют несколько специальных случаев, когда описание макросистем возможно (о них я упоминал в подробном описании постулатов квантовой механики).

Другой важной особенностью этой интерпретации (прямо связанной с теорией измерения фон Неймана (Нейман, 1964)) является ключевая роль наблюдателя, который должен описываться с позиций классической физики. Наблюдатель «создаёт» реальность, своим сознанием осуществляя редукцию волнового пакета. Всякий измерительный прибор является лишь продолжением органов чувств наблюдателя. Такая роль наблюдателя (фактически, его сознания) вызывала у критиков ироничные вопросы, один из которых приписывают Эйнштейну: «Вы действительно считаете, что Луна существует, только когда вы на неё смотрите?» (литературный перевод фразы «I like to believe that the moon is still there even if we don’t look at it» ( Пайс, 1989).

В целом негативное отношение к Копенгагенской интерпретации было у ряда влиятельных творцов квантовой теории (Эйнштейн, Шрёдингер, Планк, де Бройль, Лауэ).

Не вступая в полемику, сторонники Копенгагенской интерпретации предпочитают не обсуждать вопросы онтологические (вопросы бытия) и вопросы эпистемологические (вопросы природы и границ знания). Именно поэтому, зачастую её приверженцев обвиняют в сведении квантовой механики к тривиальному средству функционального анализа. В 1989г. Дэвид Мермин написал: «Если бы меня заставили сформулировать в одном предложении суть Копенгагенской интерпретации, это был бы тезис «Заткнись и считай!» ( “If I were forced to sum up in one sentence what the Copenhagen interpretation says to me, it would be ‘Shut up and calculate!’”). Эту фразу часто ошибочно приписывают Р.Фейнману.

Многомировая интерпретация Эверетта
Как я уже отмечал, квантовая физика состоит из фундаментальной теории эволюции замкнутых квантовых систем (ядром которой является уравнение Шредингера) и феноменологической теории измерений, постулаты которой часто критикуются и кажутся некоторым необязательными добавками. Так почему бы не избавиться от них? Существуют интерпретации не требующие введения процедуры измерения.

В 1957г. Хью Эверетт предложил интерпретацию «относительных состояний», которую позже стали называть «многомировой» интерпретацией (а в некоторых источниках «оксфордской»). Главные её особенности в том, ​что она не делит системы​ на микро- и макроскопические, считает волновую функцию объективной реальностью («принимает её всерьёз», по выражению Р.Пенроуза) и не нуждается в коллапсе волновой функции, так как вместо этого вводит «расщепление»​ ​состояния наблюдателя при каждом измерении. Логическим итогом таких исходных положений является вывод о ветвлени​и единого квантового мира на множество невзаимодействующих «миров» при каждом измерении. Некоторые интерпретатор​ы этой интерпретации (например, М.Б.Менский) утверждают, что именно сознание позволяет разделять мир на альтернативы.



Прежде чем перейти к дальнейшему изложению, приведу достаточно поэтичное сравнение двух интерпретаций из работы Тегмарка в Nature, посвящённую 50-летию интерпретации Эверетта. В ней он сравнивает сторонников Копенгагенской интерпретации с лягушкой, способной воспринять лишь часть полной реальности, тогда как последователи Эверетта – птицы, обозревающие ландшафт с высоты.

Я подробно остановился на интерпретациях квантовой физики потому, что корректные рассуждения о «квантовом сознании», «квантовом мозге» и т.п. возможны лишь при ясном осознании тех ограничений, которые диктует выбор той или иной квантовой парадигмы.

Действительно, рассчитывая дифференциальное сечение рассеяния электрона вы можете не заботиться об онтологической интерпретации результатов, оставаясь в рамках фундаментальной теории. Если же вы взялись изучать сознание, то с необходимостью должны определить его статус в рамках теории измерения (наблюдения), т.е. прибегнуть к той или иной интерпретации. Так, согласно Копенгагенской интерпретации сознание наблюдателя должно описываться классически, а не квантово-механически. С другой стороны, в некоторых вариантах интерпретации Эверетта само сознание аксиоматически наделяется свойством «селекции альтернатив» и также выводится за рамки непосредственного рассмотрения. Тем не менее, теории «квантового мозга» и «квантового сознания» существуют и будут рассмотрены в соответствующем разделе.

Прежде чем рассматривать претензии квантовой физики на решение «трудной проблемы» сознания важно понять: а каковы вообще успехи квантовой физики в изучении живых систем, атрибутом которых и является сознание?

Нетривиальные квантовые эффекты в биологии


Пожалуй, первым попытался на концептуальном уровне описать живые системы чисто физическими методами один из создателей квантовой теории Эрвин Шрёдингер. Его книга «Что такое жизнь с точки зрения физики?» вышла в Англии в 1944г. (Шрёдингер, 2009). Ответ на многообещающий вопрос, вынесенный в заглавие, автор подменил рассмотрением аппарата наследственности (в рамках известных на то время фактов о хромосомах, мутациях и т.п.) и пространными рассуждениями об «отрицательной энтропии» и «организации, поддерживаемой путём извлечения «упорядоченности» из окружающей среды». В итоге, он пришёл к выводу:

..всё известное нам о структуре живого вещества заставляет ожидать, что деятельность живого вещества нельзя свести к обычным законам физики. И не потому, что имеется какая-​либо «новая сила» или что-​то ещё, управляющее поведением отдельных атомов внутри живого организма, но потому, что его структура отличается от всего изученного нами до сих пор в физической лаборатории



К «обычным законам физики» нельзя, а к необычным, квантовым? Шрёдингер не увидел необходимости привлекать арсенал методов квантовой физики к исследованию живых систем. Для целей настоящей работы интересны следующие его констатации:

Протекающие в теле живого существа пространственно-временные процессы, которые соответствуют его мышлению, самосознанию или любой другой деятельности…если не вполне строго детерминированы, то во всяком случае статистически детерминированы
Квантовая неопределённость, по моему мнению, не имеет принципиального значения для биологических процессов.


Рассуждая на тему квантовых эффектов в биологии, следует избегать упрощений и банальных констатаций, не добавляющих понимания механизмов функционирования сложноорганизованных биологических систем. Понятно, что квантовая механика способна описывать различные свойства элементарных частиц, атомов и молекул, а значит, в конечном счёте, как-то определяет и свойства состоящих из них объектов, как живых, так и неживых. Это «глубокое» умозаключение не даёт, однако, никаких намёков на то, как именно её (квантовую механику) приспособить к описанию поведения живых организмов, например, африканского слона на водопое.

Следующее замечательное определение «нетривиальности» квантовых эффектов взято из работы (Wiseman, 2007)

…нетривиальный квантовый эффект в биологии - это тот, который убедит биологов, что им нужно пройти продвинутый курс квантовой механики и изучить гильбертово пространство, операторы и т.п., с тем чтобы они смогли понять этот эффект.



Здесь приходиться констатировать, что для перечисления примеров сколько-нибудь успешного применения аппарата квантовой физики к живым системам хватит пальцев одной руки. И эти примеры кочуют из одной научно-популярной статьи в другую. Очевидной причиной (на которой настаивают сторонники Копенгагенской интерпретации) является некорректность применения квантового подхода к описанию макроскопических систем. Квантовая физика с успехом изучает изолированные микроскопические системы, как правило, в условиях глубокого вакуума и/или сверхнизких температур вблизи абсолютного нуля. Биологические системы являются слишком «теплыми» и активно взаимодействующими с окружением. Однако, в ряде специальных случаев «нечто квантовое» наблюдать всё-таки можно.

Вот несколько примеров наименее спекулятивных эффектов. Но и в них критики указывают на недостаточную проработанность экспериментов либо оспаривают саму правомерность квантовой трактовки наблюдаемых явлений.

Процесс переноса электрона в фотосинтетических реакционных центрах.
В процессе фотосинтеза фотоны поглощаются молекулами хлорофилла, исполняющего роль «антенн», и порождают молекулярные возбуждения (экситоны). Они передаются в фотосинтетической мембране от одной «антенны» к другой, пока не попадут в реакционный центр, использующий их энергию в реакциях синтеза. Известно, что эффективность этого процесса близка к 100%, то есть энергия практически каждого поглощенного фотона достигает реакционного центра, а не теряется по пути.

Понимание механизмов функционирования реакционных центров критически важно с точки зрения оптимизации солнечных фотоячеек (эффективность которых даже в лучших образцах на уровне 35% и менее). Одно время изучение переноса электрона в реакционных центрах пурпурных бактерий Rhodobacter Sphaeroides (которые устроены гораздо проще реакционных центров высших растений) входило в сферу моих научных интересов, и у меня есть статьи на эту тему в зарубежных научных журналах, поэтому я могу оценить масштаб и сложность проблемы.

Оказывается, что экситоны выбирают самый эффективный путь до реакционного центра, что породило гипотезу об их квантовой когерентности. Теоретическое моделирование показало, что при заданном пространственном расположении только специально подобранная квантовая связь между островками способна так быстро передавать возбужденное состояние. «Квантовость» здесь проявляется в том, что первоначальное возбуждение не прыгает с одного конкретного островка на другой. Оно делокализуется, одновременно идет по нескольким путям, и только под конец вдруг снова собирается вместе в единое возбуждение на нужном островке — это и есть, предположительно, квантовая когерентность. Такая когерентность сохраняется гораздо дольше, чем обычное время жизни когерентных состояний (порядка фемтосекунд в нормальных условиях) до момента декогеренции из-за теплового окружения. Более того, именно окружение (за счёт вибронного механизма) обеспечивает эффективный перенос энергии на таких длительных интервалах.

Магнитный «компас» птиц
Гипотеза о том, что мигрирующие птицы используют для ориентации магнитное поле Земли была предложена фон Миддендорфом ещё в 1859г. Впервые использование магнитного «компаса» европейской малиновкой было продемонстрировано в 1966.

К настоящему времени известно, что около 50 разных организмов, включая птиц, млекопитающих, рептилий, рыб, ракообразных и насекомых, используют геомагнитное поле для ориентации и навигации. В качестве возможного механизма была предложена фотоиндуцированная магнито-чувствительная реакция пары свободных радикалов, несущих неспаренные электроны, спин которых может, гипотетически, реагировать нужным образом на внешнее магнитное поле.

Долгое время было неясно, существует ли вообще такая реакция с нужной чувствительностью к магнитному полю. В публикации 2008г. в Nature (Maeda, 2008) была предложена возможная фотохимическая реакция, задействованная в этом механизме (правда, реакция искусственная, а температура её протекания слишком низкая). Проблема, однако, состоит в том, что магнитное поле Земли слишком слабое (∼50 μT) и пока нет экспериментального подтверждения какой-либо реальной подобной реакции, протекающей in vitro при комнатных температурах.


Распознавание запахов, связанное с туннелированием электронов
Запах - жизненно важное чувство для животных. Основное объяснение запаха основано на распознавании молекул одоранта через характеристики их поверхности, например, форму, но некоторые эксперименты предполагают, что такое распознавание дополняется распознаванием вибрационных мод. Согласно этому предположению, обонятельный рецептор активируется переносом электронов под действием вибрационного возбуждения одоранта. Сотни и тысячи различных обонятельных рецепторов у животного распознают запахи в дискриминантном ландшафте, два основных измерения которого составляют поверхностные свойства молекул и частоты их вибрационных возбуждений. В 1996 греческий биофизик Лука Турин (Luca Turin) предложил вибрационный механизм обоняния (Turin, 1996). Для нескольких одорантов показано, что, действительно, может возникнуть сильное увеличение скорости туннелирования электронов из-за колебаний одоранта (туннелирование электронов – чисто квантовый эффект преодоления частицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия меньше высоты барьера). Модель разработана для описания экспериментов, проведенных на плодовой мушке Drosophila melanogaster. В них ученые показали, что дрозофилы способны различать по запаху «легкие» и «тяжелые» изотопные формы одного и того же пахучего вещества. В опытах использовали различные изотопные варианты ароматического вещества ацетофенона, в которых часть «легких» изотопов водорода заменили на его «тяжелую» форму — дейтерий. По форме и химическим свойствам такие варианты молекул ничем друг от друга не отличаются, однако из-за разной массы они имеют разные колебательные энергии связей углерод-водород.

Однако, большинство ученых относится к вибрационной теории скептически, и не без оснований. Например, исследование 2004 года, проведенное независимой группой ученых в Рокфеллеровском университете Нью-Йорка, противоречило этой теории: добровольцы не смогли различить запах разных изотопных вариантов ацетофенона (вещество, использовавшееся в экспериментах с дрозофилами). Критики теории считают результаты эксперимента косвенными и не подтверждающими напрямую вибрационный механизм обоняния.

Конденсация Фрёлиха в белковых структурах
В 1968 г. Герберт Фрёлих (Herbert Fröhlich) предложил гипотетическую модель, согласно которой не вся энергия, передаваемая белку в ходе метаболизма, термализуется, а белковые структуры можно описать как группу связанных осцилляторов, помещенных в термостат, которые оказываются в одинаковых энергетических состояниях с минимальной энергией. Это явление, близкое по своей природе к Бозе-Эйнштейновской конденсации в квантовых системах, получило название конденсации Фрёлиха (Fröhlich, 1968).

Хотя убедительных доказательств существования конденсата Фрёлиха нет, его гипотетические свойства довольно активно эксплуатируются в самых различных теоретических построениях. В своё время, идеи Фрёлиха возбуждали воображение медиков и психологов. На него часто ссылается мастер научного слова П.Гаряев (ныне, увы, покойный) в своей книге «Волновой геном». Упоминают о нём в рамках своей модели «квантового мозга» и Р.Пенроуз/С.Хамерофф, о чём я буду писать далее.

Некоторые замечания о роли квантовых эффектов в биологии
Несмотря на существенные различия рассмотренных выше случаев, у них есть нечто общее в методологии. В реальных макроскопических биологических системах (на уровне их микроструктуры) отыскивается некий 100% КВАНТОВЫЙ эффект, хорошо изученный в микроскопических изолированных системах (спин, туннелирование, квантовая когерентность и т.п.). Очевидно, если уточнять картину до уровня молекул и атомов, то на некотором этапе тот или иной квантовый эффект будет найден. Остаётся центральный вопрос: как реально наблюдаемые свойства/параметры/величины биологических систем связаны и/или определяются найденными квантовыми эффектами? Ведь на макроуровне никакой «квантовости» не наблюдается.

Для того, чтобы добиться понимания связи квантовых и классических аспектов конкретных проблем в биологии, авторы (Cao,2020) предлагают упростить сложные квантово-механические вычисления, выбрав путь «создания контролируемых приближений к квантовой сложности путем введения классических или полуклассических процедур таким образом, чтобы сохранить фундаментальную основу реальности. Затем эти методы аппроксимации могут быть использованы для решения вопроса о том, какие квантовые характеристики необходимы для объяснения конкретного явления». Они отмечают, что физики уже давно пытаются идти этим путём, смешивая в своих моделях классические, квазиклассические, полуклассические и полностью квантово-механические описания динамики подсистем, на которые можно разбить сложную биологическую (и не только) макросистему.

Именно такой подход и реализован в трёх из четырёх рассмотренных случаев (конденсация Фрёлиха изначально описывает некую модельную систему с заданными свойствами), где последовательное квантово-механическое описание полной системы не проводилось. В частности, авторы (Cao,2020) пишут, что в конкретной задаче переноса энергии в антеннах фотосинтетических реакционных центров «электронное возбуждение может быть полностью описано классическими моделями и … когерентные и некогерентные режимы являются общими как для квантовых, так и для классических описаний их динамики». Вывод, который они делают: «… нет эквивалентности между квантовостью процессов и когерентностью, наблюдаемой в экспериментах фемтосекундной спектроскопии».



Подводя итоги, результаты поиска «квантовости», определяющей наблюдаемые свойства в конкретных биологических системах, меня не убедили, равно как и авторов статьи (Arndt, 2009), которые пишут:

Нам еще предстоит узнать об актуальности и эволюционных преимуществах квантовой физики в фотосинтезе, обонянии или магнитной ориентации птиц. Мы все еще не знаем, полезна ли квантовая запутанность на молекулярном уровне в условиях окружающей среды, может ли квантовая обработка информации быть реализована в органических системах.

Тем не менее, не получив убедительных результатов на сравнительно простых системах, некоторые физики решили перейти к сложным – мозгу и сознанию. Предлагаю рассмотреть два кардинально различных подхода в таких исследованиях.

Квантовый подход в исследовании сознания


Подход 1 – квантовый мозг
В рамках Копенгагенской интерпретации прямо запрещается квантово-механическое описание наблюдателя (и его сознания). Некоторые другие интерпретации не столь категоричны. Интуитивно очевидно, что сознание, чем бы оно ни было на самом деле, это активно взаимодействующая с окружением незамкнутая макросистема, а с описанием таких систем в квантовой механике возникают серьёзные трудности. Можно ли обойти существующие ограничения?

Широкое распространение получил «физикалистский» подход. Он основан на убеждении, что сознание есть прямая производная мозга и происходящих в нём процессов. В рамках этого подхода в мозге пытаются найти химические/молекулярные структуры, делающие его похожим на квантовый компьютер, главным образом, с точки зрения квантовой когерентности и способности к параллельным вычислениям.

Таким образом, сначала исследование сознания подменяется исследованием мозга как его материального носителя. Далее делается предположение, что он (мозг) функционирует по квантово-механическим алгоритмам на основе некоторых структур, которые просто надо в мозге найти. Из чего делается совсем неочевидный вывод, что природа каким-то образом смогла обойти ограничения, которые налагает квантовая механика на проявление квантовых эффектов (когерентности, запутанности и т.п.) в условиях высоких температур и плотного окружения. На этом основании такие ограничения, практически, игнорируются. Предлагаю посмотреть, к чему такая некорректность ведёт.

Теория Пенроуза-Хамероффа
Одним из первых по этому пути пошёл Роджер Пенроуз, довольно неординарный и разносторонний учёный. Он скорее математик, чем физик (по крайней мере, он сам себя так называет). Его основные работы связаны с математическими моделями в теории относительности и чёрных дыр (он получил в прошлом году Нобелевскую премию по физике за «открытие того, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности»). Однако, время от времени он «воспаряет мыслью», публикуя неоднозначные (с точки зрения научной строгости) работы. Так, он опубликовал (в нерецензируемых препринтах) в соавторстве с армянским физиком карту реликтового излучения, аномалии на которой интерпретируются как следы существовавших в предыдущем эоне Вселенной высокоразвитых технологических сообществ. Его теорию сознания, как мы увидим, также нельзя упрекнуть в излишней строгости и аргументированности.

В своих книгах «Новый ум короля» (1989) и «Тени разума» (1994) он подробно анализирует место квантовой механики в системе наших знаний о мире и указывает на её недостаточность и необходимость более общей квантовой теории («новой физики»), которая включала бы в себя эффекты гравитации и объясняла бы редукцию волновой функции. Именно новая физика, по мнению Пенроуза, необходима для понимания разума. Свои мысли он изложил в объёмной, но довольно невнятной книге «Новый ум короля», которая представляет собой некое эклектичное собрание сведений Пенроуза о современной физике, в том числе (и главным образом) результатов, полученных им лично. Основную проблему он видит в «невычислимости» сознания (которую он пытается обосновать с помощью теоремы Гёделя о неполноте). Возможны ли такие квантовые эффекты (например, нелокальность и квантовый параллелизм) в мозге? Пенроуз отвечает – без должного «экранирования» квантового состояния от окружения такие эффекты мгновенно затеряются в присущей этому окружению хаотичности.

Стюарт Хамерофф, занимавшийся исследованиями рака и анестезией (русская Wiki считает его основателем нанобиологии), прочитав книгу Пенроуза, предположил, что микротрубочки внутри нейронов являются подходящими кандидатами для квантовой обработки и, в конечном счете, для «аппаратной реализации» сознания. На протяжении 1990-х годов эти двое сотрудничали над теорией Orch OR (orchestrated objective reduction), начальную версию которой Пенроуз опубликовал в книге «Тени разума». Эта книга более предметна, чем первая, и рассматривает конкретные механизмы, реализующие в мозге квантовые эффекты.

Первоначальная версия теории Orch OR, изложенная в книге «Тени разума», затем подверглась кардинальным уточнениям (во многом, из-за многочисленных критических замечаний) и в окончательном виде сформулирована Пенроузом и Хамероффом в обширной публикации 2014 года в любопытном журнале Physics of Life Reviews (Hameroff, Penrose, 2014).

Определяя в этой публикации своё отношение к интерпретациям квантовой механики, Пенроуз справедливо отмечает, что Копенгагенская интерпретация «помещает сознание вне науки», а интерпретация Эверетта кажется ему чересчур экстремальной. Сам он придерживается варианта интерпретации объективной редукции, согласно которой и волновая функция, и процесс её коллапса онтологически объективны, т.е. реально существуют. У квантовой физики в её нынешнем виде не существует объяснения механизма объективной редукции, поэтому её, по мнению Пенроуза, надо расширить, включив в рассмотрение гравитационные эффекты.

Теория Orch OR объединяет аргумент Пенроуза–Лукаса (о том, что мозг работает по невычислимому алгоритму) с гипотезой Хамероффа о квантовой обработке в микротрубочках. Она предполагает, что, когда конденсаты в мозге подвергаются объективной редукции (коллапсу) волновой функции, их коллапс связывает принятие невычислимых решений с опытом, отражающим фундаментальную геометрию пространства-времени. Теория далее предполагает, что микротрубочки как сами влияют, так и находятся под влиянием обычной активности в синапсах между нейронами.



Теория Фишера
Мэтью Фишер, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, опубликовал статью (Fisher, 2015), в которой предлагалось, что ядерные спины атомов фосфора могут служить рудиментарными «кубитами» в мозге, что, по сути, могло бы позволить мозгу функционировать как квантовый компьютер.

Фишер обнаружил два вещества, схожих во всех важных отношениях, за исключением квантового спина, и выяснил, что они могут оказывать очень разные эффекты на поведение. Тем не менее, переход от интригующей гипотезы к фактической демонстрации того, что квантовая обработка данных играет роль в мозге, является сложной задачей. Мозг должен хранить квантовую информацию в кубитах в течение достаточно длительного времени. Кроме того, должен существовать механизм для запутывания нескольких кубитов, и для этого запутывания должны быть какие-то химически возможные средства влияния на то, как срабатывают нейроны. Также должны быть какие-то средства передачи квантовой информации, хранящейся в кубитах, по всему мозгу.

В ходе своих пятилетних поисков Фишер определил только одного надежного кандидата для хранения квантовой информации в мозгу: атомы фосфора, которые являются единственным распространенным биологическим элементом, кроме водорода, с полуцелым спином, что делает возможным более длительное время когерентности. Фосфор не может создать стабильный кубит сам по себе, но, по словам Фишера, время его когерентности может быть увеличено, если связать фосфор с ионами кальция с образованием кластеров.

В 1975 году Аарон Познер (Aaron Posner) из Корнельского университета, заметил странное скопление атомов кальция и фосфора на рентгеновских снимках костей. Он нарисовал структуру этих кластеров: девять атомов кальция и шесть атомов фосфора, позже названных в его честь «молекулами Познера» - Ca9(PO4)6. Кластеры снова появились в 2000-х годах, когда ученые, моделирующие рост костей в искусственной жидкости, заметили, что они плавают в этой жидкости. Последующие эксперименты показали наличие скоплений в человеческом теле. Фишер считает, что молекулы Познера также могут служить естественным кубитом в мозгу. Ни у атомов кальция, ни у атомов кислорода нет ядерного спина, что позволяет сохранить половину полного спина, что имеет решающее значение для увеличения времени когерентности. Таким образом, эти кластеры защищают запутанные пары от внешнего вмешательства, так что они могут поддерживать когерентность в течение гораздо более длительных периодов времени - по приблизительным оценкам Фишера, это может длиться часы, дни или даже недели.

Если это так, то запутанность может распространяться на довольно большие расстояния в головном мозге, влияя на высвобождение нейротрансмиттеров и срабатывание синапсов между нейронами.

Подробный анализ использования молекул Познера для квантовой обработки информации в мозге (в предположении, что гипотеза Фишера верна) сделан в работе (Halpern, 2019), краткий перевод которой можно найти здесь.

Сам Фишер, проводя многочисленные эксперименты по проверке своей гипотезы, считает, что отрицательный результат тоже будет важен:

Я считаю, что если ядерный спин фосфора не используется для квантовой обработки, то квантовая механика не работает в долгосрочных масштабах в познании. Исключение этого важно с научной точки зрения. Было бы хорошо, если бы наука об этом узнала.

Критика теорий «квантового мозга».
Теория Пенроуза-Хамероффа широко обсуждается в сотнях публикаций и неоднократно подвергалась критическому рассмотрению. Гипотеза Фишера появилась сравнительно недавно и пока привлекла меньше внимания. Однако, многие критические соображения по поводу теории Пенроуза-Хамероффа с полным основанием можно отнести и к гипотезе Фишера.

Главным препятствием для «квантового» мозга является феномен квантовой декогеренции. Чтобы построить действующий квантовый компьютер, необходимо соединить кубиты - квантовые биты информации - в процессе квантовой запутанности. Но запутанные кубиты – система довольно хрупкая. Она должна быть тщательно защищена от любого шума/воздействия из окружающей среды. Всего одного фотона, провзаимодействовавшего с кубитом, будет достаточно, чтобы заставить всю систему «декогерировать», разрушив запутанность и уничтожив квантовые свойства системы. Достаточно сложно проводить квантовые вычисления в тщательно контролируемой лабораторной среде, не говоря уже о теплом, влажном и сложном беспорядке, который представляет собой человеческая биология, где поддержание когерентности в течение достаточно длительных периодов времени практически невозможно.

Наиболее содержательный, на мой взгляд, анализ возможности функционирования мозга в квантовом режиме провёл в 2000 году Макс Тегмарк, профессор из MIT, один из влиятельных сторонников интерпретации Эверетта (Тегмарк, 2000). Он представил расчёты того, что любая квантовая когерентная система в мозге подвергнется эффективному коллапсу волновой функции из-за взаимодействия с окружающей средой задолго до того, как она сможет повлиять на нейронные процессы (позднее этот аргумент назвали - "тепло, влажно и шумно"). Вывод Тегмарка таков:

Основываясь на расчете скорости нейронной декогеренции, мы утверждаем, что степени свободы человеческого мозга, связанные с когнитивными процессами, следует рассматривать как классическую, а не квантовую систему... Мы находим, что шкала времени декогеренции ( ∼ 10-13 − 10-20 секунды), как правило, намного короче, чем соответствующие динамические временные рамки ( ∼ 10−3 − 10−1 секунды), как для регулярного возбуждения нейронов, так и для поляризационных возбуждений, подобных изгибу, в микротрубочках. Этот вывод не согласуется с предположениями Пенроуза и других о том, что мозг действует как квантовый компьютер и что квантовая когерентность фундаментальным образом связана с сознанием

К.Кох и К.Хепп в своём эссе в Nature также согласились с тем, что квантовая когерентность не играет или не должна играть какой-либо важной роли в нейрофизиологии (Koch, 2006). Кох и Хепп пришли к выводу, что

Эмпирическая демонстрация медленно разрушаемых декогеренцией и управляемых квантовых битов в нейронах, соединенных электрическими или химическими синапсами, или открытие эффективного квантового алгоритма для вычислений, выполняемых мозгом, многое сделали бы для того, чтобы вывести эти предположения из статуса "за пределами возможного" к просто "очень маловероятному".



Дополнительные соображения по поводу рассмотрения мозга как квантового компьютера приводят авторы «скептического взгляда» из книги «Quantum aspects of life» (Wiseman, 2007):

Квантовые вычисления требуют громоздкой процедуры коррекции ошибок, с учётом которой выигрыш, который они могли бы дать над классическими вычислениями, возможен лишь для крупноразмерных задач, которые вряд ли встречаются у биологических объектов. Поэтому, вряд ли бы квантовый мозг смог обеспечить своему носителю реальное эволюционное преимущество в процессе естественного отбора.
Квантовые компьютеры могут решать лишь специфические задачи (например, факторизацию больших чисел по алгоритму Шора). Но реальные биообъекты вряд ли используют RSA-шифрование в общении. Есть ещё алгоритм поиска Гровера, но он ищет не в классической, а в квантовой базе данных и даёт лишь квадратичное преимущество в скорости в реальных задачах типа поиска оптимального маршрута в сети. Поэтому, с учётом ошибок, задачи, на которых он будет давать какое-то преимущество должны быть очень велики, что не даст эволюционного преимущества.
Они делают вывод о сомнительной пользе квантовых вычислений для мозга и его носителей:

Неужели энтузиасты биологических квантовых вычислений воображают, что животные приобрели способность отправлять друг другу зашифрованные RSA-сообщения, а затем развили средства для их подслушивания с помощью квантовых вычислений?



Наконец, исчерпывающая и подробная критика теории Пенроуза и Хамероффа дана в работе (McKemmish, 2009) с говорящим названием: «Теория человеческого сознания orch OR Пенроуза-Хамероффа биологически неосуществима».

Справедливости ради, следует сказать, что авторы (Пенроуз и Хамерофф), попытались в статье 2014г. ответить на приведённые критические замечания, предусмотрев в ней специальный раздел. Фактически, эти замечания заставили их существенно изменить первоначальный вариант теории, сделав её, на мой взгляд, ещё менее правдоподобной, в чём предлагаю заинтересованному читателю убедиться самостоятельно (статья есть в открытом доступе).

Основная проблема теорий квантового мозга состоит даже не в малых временах декогеренции или физической осуществимости кубита на основе тубулина (по конформационой или спин-дипольной модели) или молекул Познера (хотя уже эти возражения составляют для таких теорий мало преодолимое препятствие), а в аргументах Wiseman`a о крайней сомнительности пользы квантовых вычислений для мозга и человеческой эволюции.

Подход 2 – Квантовое сознание


Концепция квантового сознания М.Б.Менского


Свою концепцию Менский (профессор, д.ф.-м.н., работал в ФИАН им.Лебедева главным научным сотрудником. Умер в 2015г.) сначала опубликовал в журнале УФН (Менский, 2005), а затем, в расширенном варианте, в книге «Сознание и квантовая механика» (Менский, 2011). Основываясь, фактически, на интерпретации Эверетта, Менский развивает тот её вариант, который называется «много-разумной (many-minds)» интерпретацией.

Менский исходит из того, что «редукция состояния (коллапс волновой функции), фигурирующая в общепринятом описании квантового измерения, является по сути дела отступлением от квантовой механики. Для оправдания этой процедуры требуется апеллировать к чему-то, лежащему вне квантовой механики». Но вместо апелляции к понятию "классический прибор " (как в Копенгагенской интерпретации квантовой механики), взаимодействие с которым каким-то таинственным образом нарушает линейность квантовой механики, можно апеллировать к понятию "сознание наблюдателя", явным образом введя его в описание измерения. Так делается в интерпретации Эверетта (в её many-minds толковании).

Основные тезисы теории Менского:

1.Набор альтернатив, характерный для квантовой теории измерений, интерпретируется как множество равноправных проекций квантового мира, называемых эвереттовскими мирами.

2. Разделение квантового мира на альтернативы отождествляется с функцией живых организмов, называемой сознанием.

3. Классический характер каждой из альтернатив, на которые квантовый мир расслаивается сознанием, определяется тем, что обеспечивает стабильность и предсказуемость окружающего мира, как он воспринимается сознанием, что является необходимым условием жизни.

4. В особых состояниях (на грани бессознательного) индивидуальное сознание получает доступ к квантовому миру за рамками одной классической проекции. Это может объяснять наблюдаемые иногда необычные явления в области психики, которые играют центральную роль в ненаучных формах познания духовной жизни человека (восточные философии, религия).

Вывод, к которому приходит Менский:

сознание .. некое явление, которое можно описать феноменологически, но нельзя вывести из известных свойств (квантовой) материи



Некоторые предварительные итоги


Итак, рассмотрев два подхода к исследованию сознания с точки зрения квантовой физики, могу констатировать наличие серьёзных, я бы сказал, концептуальных, трудностей на этом пути.

Во-первых, если вы в исследовании придерживаетесь Копенгагенской интерпретации, то само сознание наблюдателя выводится за рамки детального анализа. Его роль сводится к редукции волнового пакета, а сам наблюдатель (со своим сознанием) должен описываться уже классической физикой. Кроме того, сознание является макросистемой, так что и поэтому тоже не подлежит рассмотрению при строгом подходе. Хорошо, пойдя на компромисс, игнорируя накладываемые теорией ограничения, и допустив полуклассическое, квазиклассическое и т.п. описание мозга (как продуцента сознания), вы пытаетесь найти на определенных временных и/или пространственных интервалах признаки квантового поведения структурных элементов мозга. Вы понимаете, что «теплота» и плотная упаковка молекул в мозге оставляет вам совсем мало шансов найти нечто «квантово-нетривиальное». И, действительно, за исключением пары-тройки не совсем безумных гипотез (Пенроуз, Фишер и т.п), которые всё ещё требуют тщательной экспериментальной проверки, ничего обнадёживающего найти не удаётся. Да и сами эти проверки остаются уделом немногих энтузиастов, не вызывая большого интереса научного сообщества в силу явно осознаваемой безнадёжности предприятия.

Во-втором подходе, вы переводите сознание из статуса атрибута материального объекта изучения в статус субъекта, практически, демиурга окружающей реальности. И, хотя, некоторые адепты интерпретации Эверетта отрицают центральную роль сознания в их теоретических построениях, но для неё естественным является как раз вывод, к которому приходит М.Менский, считающий сознание «функцией живых организмов, разделяющей квантовый мир на альтернативы». При таком подходе обсуждение физической природы сознания не представляется возможным: сознание можно «описать феноменологически, но нельзя вывести из известных свойств (квантовой) материи».



Размышления об исследовательской программе изучения сознания


В чём же причина очевидных трудностей современной физики в исследовании феномена сознания? Если формулировать предельно кратко – в том, что она изучает не совсем то и не совсем так.

Я намеренно сначала подробно изложил разные конкретные подходы к исследованию сознания и лишь теперь предлагаю задаться вопросом – а что именно изучают физики, как они определяют сознание?

Какое сознание изучает физика?
Философ Давид Дубровский справедливо отмечает (Дубровский, 2006), что физики берутся исследовать сознание без чёткого определения этого феномена. Действительно, Пенроуз в лекции, прочитанной в 1995г., признаёт: «Разумеется, я не знаю, как определить сознание, и даже не считаю, что стоит пытаться найти такое определение (поскольку мы не понимаем, что оно означает) (Пенроуз, 2008).

С одной стороны, квантовая механика (по крайней мере, в её Копенгагенской интерпретации), говоря о наблюдении (измерении), не отделяет сознание от наблюдателя. Вопрос о связи мозга и сознания если и ставится, то лишь в физикалистской парадигме (как в рассмотренных работах Пенроуза и Фишера). Не говоря уже о тонких составляющих самого сознания – сознательного и бессознательного в их сложной взаимосвязи.

По мнению Дубровского, сознание, которое берутся объяснять физики, по сути, лишь малый фрагмент того масштабного феномена, о котором мы знаем и из повседневного опыта, и по данным других наук. В «сознании физиков», как отмечает Дубровский, «четко не выделяются и не соотносятся между собой такие основные аспекты сознания как ценностно-смысловое содержание, способность его «представления» для индивида в форме субъективного переживания, интенциональность, целеполагающая способность, веровательная (санкционирующая) и волевая модальности, не различается собственно ментальное действие, с одной стороны, и реальное действие, несущее в себе ментальную составляющую, с другой».



Попытка выйти за пределы физикалистской парадигмы, предпринятая Менским, вряд ли может считаться плодотворной – он, фактически, приравнивает сознание к «божьему промыслу», рассуждать о котором в рамках физической теории не представляется возможным. Никакого знания о том, что представляет собой само сознание, какие механизмы позволяют ему «разделять квантовый мир на альтернативы», такой подход не даёт.

Сам Пенроуз хорошо понимает, что сознание вряд ли можно свести к функционированию набора нейронов (пусть и по квантовым алгоритмам). Он рассуждает о трёх мирах – физическом мире, мысленном мире и платоническом мире (мире идей), пытаясь в таком контексте определить сознание по его признакам или свойствам (Пенроуз, 2008). Так, он пишет как о пассивном проявлении сознания (осознание или восприятие (awareness), включающее, например, нашу способность воспринимать цвет и гармонию соотношений, способность запоминать и т. п.), так и об активных проявлениях - свободе воли, целенаправленности действий и т. п. Кроме того, существует понимание (understanding), для которого в английском языке есть еще понятие insight, которое Пенроузу кажется «более глубоким и содержательным, поскольку включает в себя представление о проницательности, интуитивном постижении истины, озарении, мгновенном восприятии и т. д.». Пенроуз признаёт, что часто используемые термины осознание и интеллектуальность (awareness, intelligence), «мне не очень понятны». Далее я приведу слова Пенроуза, которые позволят понять суть его подхода:

Разумеется, вы вправе спросить, зачем я говорю о понятиях, реальный смысл которых мне неизвестен? Дело в том, что я — математик, а математики обычно не принимают в расчет такие возражения. Им вовсе не требуются точные определения объектов, с которыми они оперируют, а достаточно знать лишь что-то относительно взаимосвязи этих объектов

Итак, исследуется не сознание как таковое во всём его многообразии, а лишь его манифестации, проявления во взаимодействии с окружающим миром. Причём, далеко не все, а лишь узкий класс, доступный пониманию и методам исследования физиков (и математиков). Сам Пенроуз, после такого многообещающего признания сложности проблемы сознания, фактически, сужает свою исследовательскую программу до выяснения зависимостей между процессами сознательного мышления, деятельностью мозга и вычислениями. Он формулирует четыре основных альтернативных подхода к этой проблеме (Пенроуз, 2008):

А Всякое мышление есть просто некоторый вычислительный процесс; в частности, чувство осознанного восприятия также возникает в результате осуществления соответствующих вычислительных операций

В Сознание является лишь одной из характерных особенностей физической деятельности мозга. Как и любая другая физическая деятельность, сознание может моделироваться вычислительными операциями, но такое моделирование не является, строго говоря, самим сознанием

С Сознание вызывается определенными физическими действиями мозга, однако эти действия принципиально нельзя вычислительно моделировать правильным образом

D Сознание не может быть объяснено с использованием каких-либо физических, вычислительных или других научных методов или понятий

В рамках данной классификации Пенроуз, по его словам, является убеждённым сторонником позиции С, тогда как М.Б.Менский, очевидно, придерживался точки зрения D. И принципиальная разница между ними состоит в том, что Пенроуз признаёт, что современная физика не может адекватно описать сознание, поэтому нужна «новая физика», которая будет способна такое описание дать. Он убеждён, что такая физика рано или поздно появится и объяснит «невычислимую природу сознания». В этом и состоит его исследовательская программа. По Менскому, ни современная, ни какая-либо другая научная теория не в состоянии объяснить сознание, «исходя из известных свойств материи».

Пойти дальше Пенроуза – в каком направлении?
Многократно и подробно изложенная теория Пенроуза вызвала возражения как со стороны физиков, так и философов. Некоторые из них важны для понимания того, как именно надо строить исследовательскую программу, чтобы пойти дальше Пенроуза.

Отдельной книгой опубликована полемика, где оппонентами Пенроуза стали физики С.Хокинг и А.Шимони, а также философ науки Н.Картрайт (Пенроуз, 2008). Позиции всех трёх оппонентов совершенно различны и, по-своему, интересны.

Так, Хокинг сразу заявляет: «Я являюсь убежденным (можно даже сказать твердолобым) редукционистом. Я верю, что законы биологии можно свести к законам химии (одним из доказательств этого может служить установление структуры ДНК) и, более того, что химические законы могут быть сведены к физическим». Поэтому, физикализм теории Пенроуза никаких возражений у Хокинга не вызывает. Он не согласен с ним лишь в деталях (хотя и принципиально важных для состоятельности теории Пенроуза). Так как теория Пенроуза мне кажется неверной в принципе, то я не буду подробно анализировать доводы Хокинга по её деталям.

Более интересными показались мне аргументы Картрайт. Она пишет, что успех исследовательской программы Пенроуза зависит от создания «новой физики», которая преодолеет ограничения физики существующей. Картрайт резонно замечает, что «никаких точных доказательств преимуществ физики перед другими науками в рассматриваемой области не существует.» Хотя Пенроуз апеллирует к физическим процессам, сопровождающим работу мозга, по мнения Картрайт, «из того факта, что «физика участвует в процессах мышления», вовсе не следует, что «физика может объяснить процесс мышления полностью». И переход от классического к квантовому описанию никак эту ситуацию не меняет, так как «квантовомеханические понятия… всегда используются совместно с фундаментальными понятиями из других областей науки. Квантовая механика никогда не объясняет явления целиком в своих собственных рамках и представлениях».

Картрайт, в отличии от «твердолобого» Хокинга, предлагает «чётко признать, что биологические свойства являются независимым набором характеристик, обладающих собственными и достаточно эффективными причинно- следственными связями». Для неё (и для меня) очевидно, что «в некоторых случаях физика помогает понять процессы, происходящие в биологических системах, однако в биологии (точно так же, как и в химии…) эта помощь очень редко имеет смысл без учета «нередуцированных», существенно биологических закономерностей».

Далее Картрайт пишет крайне важную вещь, причём не только для рассматриваемой проблемы сознания, но и для существующей научной парадигмы в целом:



В сущности, все науки, за исключением физики, являются специализированными, т. е. их законы выполняются в лучшем случае … лишь до тех пор, пока не рассматриваются внешние проблемы, не входящие в круг вопросов, очерченных данной дисциплиной или теорией». И «выделенность» физики не доказывается её блестящими лабораторными достижениями и замечательными техническими устройствами, так как всё это создано в предположении, «что никаких внешних воздействий не существует, и они вовсе не предназначены для проверки справедливости законов при воздействии факторов, не учитываемых теорией. В случае физики почему-то негласно подразумевается, что такие факторы просто не могут существовать (если они вдруг возникают, то мы считаем, что они также могут быть описаны на языке физики и подчиняются этим законам). Но именно это, на самом деле, и является предметом нашего обсуждения…Предметом спора выступают не истинность законов физики и их возможная роль в описании природы, а вопрос о том, какова степень их истинности и какое бремя дополнительных объяснений следует возложить на законы физики».

О каких «внешних факторах, не учитываемых теорией» может идти речь в случае физики? Это как раз многие факторы, проявляющиеся в феномене сознания. На это указывает третий критик Пенроуза – А.Шимони: «Проявления нашей умственной деятельности не «укладываются» в онтологию физикализма, даже если физикализм основан на квантовой механике». Указывая на неоспоримый факт, что сами нервные структуры являются продуктом эволюции, которую можно проследить до примитивных организмов, лишённых таких структур, Шимони предлагает задуматься о пребиотической эволюции и установить на каком этапе развития от неорганических молекул и атомов могло появиться сознание. Кардинальной альтернативой взглядам Пенроуза и физикализму является представление «ментализма» о том, что все явления ментальны, духовны по своей сути, а сознание является фундаментальным свойством Вселенной.

Шимони указывает Пенроузу на работы философа и математика А.Уайтхеда предложившего в 30-х годах прошлого века «философию организма», в которой конечными сущностями выступают «актуальные события», представляющие собой не объекты, а пространственно-временные «кванты», обладающие ментальными или психическими характеристиками типа «опыт», «субъективное сознание» или «склонность». Значения этих понятий выводятся из характеристик ментальности более высоких уровней, которые мы познаем интроспективно (путем самоанализа или самонаблюдения), однако в крайне приблизительной или экстраполированной форме. Физические элементарные частицы, которые Уайтхед рассматривал в качестве временной цепочки событий, могут быть в этой схеме почти точно описаны понятиями обычной физики, поскольку «жизненный опыт» частиц является крайне скудным, смутным, однообразным и монотонным. Однако даже при описании таких частиц небольшая часть информации все же теряется, так как «понятие физической энергии, являющееся основой современной физики, должно рассматриваться лишь как часть более общего понятия составной или сложной энергии (эмоциональной и целенаправленной и способной к конечному синтезу в субъективной форме), которая и проявляет себя в каждом завершенном событии» (Уайтхед, 2009). Эволюция высокоразвитых сообществ таких «событий» позволяет примитивным зачаткам разума развиваться, превращаясь в интенсивный, согласованный и полностью осознающий себя разум: «Неорганическая материя продолжает функционировать независимым образом и внутри живых организмов. Кажется, что именно за счет координации таких функций и внешнего проявления внутренних завершенных событий достигается наблюдаемое разумное поведение живых организмов» (Уайтхед, 2009).

В связи с новыми горизонтами, которые открыла перед физиками квантовая теория, Шимони предлагает уточнить теорию Уайтхеда представлениями о том, как именно неорганическая материя «функционирует в живых организмах». Шимони считает, что как раз «вследствие квантовой запутанности элементарных систем (каждая из которых обладает лишь очень небольшим набором ментальных свойств) составная система проявляет весьма широкий спектр свойств, что позволяет материи постепенно пройти весь путь развития от полной бессознательности до высокоразвитого сознания». К сожалению (для Шимони), в такой трактовке снова возникает принципиальный вопрос о том, как «квантовая запутанность элементарных систем» может быть практически реализована в тёплом и влажном окружении живого организма.



Приведённые критические замечания заставили Пенроуза переосмыслить свои взгляды, и уже в публикации 2014 года он рассуждает в более широком контексте о месте разума во Вселенной, сравнивая следующие альтернативы:

Сознание не является независимым качеством, но возникло, в ходе обычных физических процессов, как естественное эволюционное следствие биологической адаптации мозга и нервной системы. Это, по Пенроузу, превалирующая в современной науке (основанной на материализме) точка зрения, в соответствии с которой сознание не имеет какого-либо особого, исключительного положения.
Сознание - это отдельное качество, не связанное с физическими действиями и не контролируемое физическими законами. Это качество всегда существовало во Вселенной. Такая позиция соответствует дуализму и ставит сознание вне науки.
Сознание возникает в результате дискретных физических событий; такие события всегда существовали во Вселенной как некогнитивные, протосознательные события, которые действуют как часть точных физических законов, еще не полностью понятых. Это позиция, которой придерживается сам Пенроуз, она «возвращает» сознание под контроль науки, если и не современной, то «улучшенной» науки будущего.


Следует отметить, что рассуждения Пенроуза в этой части вторичны. Здесь он лишь пытается осмыслить результаты, полученные до него другими, прежде всего Д.Чалмерсом, на фундаментальную работу которого 1996г. он ссылается. Именно её и стоит анализировать.

Преодолевая физикализм – о «дуализме свойств» В.Чалмерса
Говоря об исследовательской программе в изучении сознания следует особо отметить работу австралийского философа Д.Чалмерса (Чалмерс, 2013 (русский перевод), исходный текст - 1996г.). Он написал одну из самых глубоких и содержательных работ по теории сознания (из тех, что мне доводилось читать), в которой всесторонне и последовательно доказал несостоятельность физикализма и предложил свою теорию сознания, основанную на дуализме свойств. Именно благодаря Чалмерсу, в философии сознания закрепилось понятие «трудной проблемы сознания» - проблемы сознательного опыта или сознания как такового (в отличие от физических объектов и простейших биологических организмов существо, обладающее активным сознанием, ощущает, чувствует или переживает свое собственное существование). К легким же проблемам можно отнести способность распознавать внешние стимулы и реагировать на них, способность интегрировать информацию, способность давать вербальные отчеты о ментальных состояниях, способность к интроспекции и волевому контролю над поведением и т.п. Все это может быть объяснено в функциональных терминах нейронаук и изучаться в рамках физических теорий. Согласно дуализму свойств, существует лишь одна субстанция — физическая, вместе с тем она обладает двумя видами несводимых друг к другу свойств, а именно: свойствами ментальными и физическими. Физические свойства понимаются как фундаментальные свойства, которые исследует претендующая на полноту теория физики. По мнению Чалмерса, хотя сознание является нефизическим, оно определенным образом соотносимо с происходящими в мозге процессами; психофизические же законы призваны обусловливать характер корреляции между сознательным опытом и этими процессами. Воззрения Чалмерса отличаются от идеи субстанционального дуализма Рене Декарта, согласно которой сознание и материя (физическое тело) представляют собой две взаимодополняющие и равные по значению субстанции. Декарт сформулировал знаменитый принцип - Cogito, ergo sum (Мыслю – следовательно, существую), смысл которого в том, что до тех пор, пока существует какой‑то мыслительный процесс – даже если он иллюзорен, и любое субъективное сознательное переживание – даже если оно вводит в заблуждение, по крайней мере должен существовать и он сам как субъект этих мыслей и переживаний, чтобы иметь их. Даже если это всего лишь сон, этот сон должен состоять из чего‑то, что существует. И это что‑то должно быть не физической, а ментальной сущностью.

Идеи Чалмерса перекликаются с теорией Уайтхеда. Чалмерс вводит в философию сознания понятие прото‑панпсихизм. Согласно этой разновидности панпсихизма, физические объекты не имеют полноценного сознания, их сознание находится в чрезвычайно простой и примитивной форме и называется протосознанием. У ординарных физических частиц и объектов элементы сознания столь примитивны, что мы даже не в состоянии распознать их как проявления сознания, тогда как в человеческом мозге они усилены и организованы в сложную систему сознательных психических состояний

Чалмерс надеется, что теория сознания в будущем сможет ответить на главный для современной философии сознания вопрос: как физические процессы в мозге порождают субъективные переживания? Однако для построения новой теории сознания, по мысли Чалмерса, «необходимо прежде всего развенчать миф о безграничных объяснительных возможностях материалистической теории. Нужно убедительно показать, что материализм ложен в своих онтологических принципах». Что он и делает в своей работе. Анализ его аргументов, предполагающий свободное владение нетривиальными философскими концепциями, выходит далеко за рамки тех задач, которые я перед собой ставил при написании данного материала (желающие могут найти такой подробный анализ здесь).

Итоговые замечания
Теорию сознания, вслед за Д.Чалмерсом, многие специалисты сейчас определяют как науку, задачей которой является описание и объяснение нашей субъективной психологической реальности – внутреннего потока субъективных переживаний. Это мультидисциплинарная наука, использующая достижения философии, психологии, нейробиологии и других нейронаук.

Сравнительно недавно с самостоятельной исследовательской программой к проблеме подключились физики. Физические методы и ранее широко использовались в нейрофизиологии, молекулярной биологии и т.п., но лишь с актуализацией работ в области ИИ, квантовых вычислений, архитектуры квантовых компьютеров стало предметно изучаться сознание и его связь с мозгом в качестве материального носителя.

Высказывалась точка зрения, что классическая физика не в состоянии объяснить сознание, на это способна лишь физика квантовая, и то лишь после значительной доработки (Р.Пенроуз). Практически все усилия физиков сосредоточились на поиске связи (квантовых) процессов в мозге с проявлениями сознания (мышление, восприятие, обработка информации и т.п.) в рамках физикалистского подхода. Однако, за более чем 30 лет исследований обнадёживающих практических результатов так и не было достигнуто. Наиболее известные работы Р.Пенроуза и М.Фишера, предложивших конкретные элементы мозга в качестве квантовых структур, ответственных за разумную деятельность, так и остаются в статусе научных гипотез, не подтверждённых экспериментально.

Оказалось, что с момента констатации Шрёдингера в 1944г. о том, что «деятельность живого вещества нельзя свести к обычным законам физики», мало что изменилось. В арсенале современной физики, включая квантовую, просто нет адекватных методов исследования «субъективной психологической реальности». Попытки установить причинную связь между разнообразными процессами, протекающими в мозге, и этой самой реальностью (субъективным опытом), вполне аналогичны тщетным усилиям человека, не знакомого с радиоволнами и принципами радиосвязи, понять откуда берётся музыка в радиоприёмнике.

Видимая несостоятельность усилий по разработке моделей «квантового мозга» и «квантового сознания», на мой взгляд, определяется двумя обстоятельствами:

Формальное - Игнорирование существующих ограничений на корректное квантово-механическое рассмотрение сознания
Содержательное - Отсутствие понимания предмета исследования, игнорирование того багажа знаний и понятийного аппарата, который разработан в рамках когнитивных наук и философских теорий сознания.
Вопрос о «редукции живого к неживому,т.е. вопрос о возможности объяснить происхождение жизни и мышления на основе одной физики» академик В.Л.Гинзбург назвал одной из трёх «великих» проблем современной физики (Гинзбург, 2007). Сама физика бурно развивается и перед ней стоит масса интересных и важных проблем (в последнем списке знаменитого «Физического минимума» Гинзбурга 30 задач), но решить великую проблему сознания, по мнению Гинзбурга, скорее, сможет биология: «Сегодня именно биология, особенно молекулярная биология, заняла место лидирующей науки… Для нас физика остается делом жизни, молодой и прекрасной, но для человеческого общества и его развития место физики заняла биология». Удивительное признание от нобелевского лауреата по физике и борца с лженаукой!

В этом вопросе я склонен, скорее, согласиться с Гинзбургом. Действительно, среди наук о Человеке, его сознании, его месте в мире и способах взаимодействия с этим миром (включая познание, восприятие и т.п.) физика вряд ли может претендовать на ключевую роль. Но и биология, в её нынешнем виде, не способна в одиночку решить «трудную проблему сознания». Основная трудность состоит в том, что в изучении сознания, в отличие от всех других исследовательских задач, человек выступает и как объект, и как субъект исследования, т.е. пытается познать самого себя. До сих пор такое познание ведётся внешними (по отношению к сознанию), вспомогательными средствами (научные теории и основанные на них приборы и методы). Но у сознания есть и способы получения непосредственного знания и об окружающей действительности, и о самом себе. Имеется ввиду интуиция, инсайт и связанные с этим феномены (транс, медитация, «вещие» сны и т.п.). Именно изучение таких феноменов и «объективизация субъективного опыта», а вовсе не поиск квантовых эффектов в мозге, должны стать ядром исследовательской программы, которая могла бы в перспективе привести к успеху. Реализация такой программы, скорее всего, потребует разработки новой системы понятий и категорий для адекватного описания различных элементов и свойств сознания «изнутри». А будет ли это сделано в рамках биологии, физики или новой, синтетической науки не так уж и важно!



Список источников
Arndt, M., Juffmann, T., Vedral, V., 2009. Quantum physics meets biology. HFSP Journal. https://doi.org/10.2976/1.3244985

Cao, J., 2020. Quantum biology revisited. SCIENCE ADVANCES 6.

Fisher, M., 2015. Quantum cognition: The possibility of processing with nuclear spins in the brain. Annals of Physics 593–602.

Fröhlich, H., 1968. Long-range coherence and energy storage in biological systems. Quantum chemistry 2, 641–649.

Hameroff, S.R., Penrose, R., 2014. Consciousness in the universe: a review of the “Orch OR” theory. Phys Life Rev. 11, 39–78.

Koch, C., Hepp, K., 2006. Quantum mechanics in the brain. Nature 440, 611–612.

Loever, B., 2003. Consciousness and Quantum Theory: Strange Bedfellows, in: Consciousness: New Philosophical Perspectives. Clarendon Press, Oxford, New York.

Maeda, K., Henbest, K., Cintolesi, F. et al., 2008. Chemical compass model of avian magnetoreception. Nature 453, 387–390. https://doi.org/10.1038/nature06834

Lundholm, I.V., et al., 2015. Terahertz radiation induces non-thermal structural changes associated with Fröhlich condensation in a protein crystal. Structural Dynamics 2.

Tegmark, M., 2000. Importance of quantum decoherence in brain processes. Physical Review E 61, 4194–4206.

Tegmark, M., 2007. Many lives in many worlds. Nature 448, 23–24.

Turin, L., 1996. A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception. Chem Senses 21, 773–791.

Wiseman, H.M., Eisert, J., 2007. Nontrivial quantum effects in biology: A skeptical physicists’ view. arXiv:0705.1232v2 [physics.gen-ph].

Гинзбург, В.Л., 2007. “Физический минимум” - какие проблемы физики и астрофизики представляются особенно важными и интересными в начале XXI века? УФН 177, 346.

Гриб, А.А., 2013. К вопросу об интерпретации квантовой физики. УФН 183, 1337–1352.

Дубровский, Д.И., 2006. Бессознательное (в его отношениях к сознательному) и квантовая механика. Философские Науки.

Иванов, М.Г., 2012. Как понимать квантовую механику. НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Москва - Ижевск.

Менский, М.Б., 2005. Концепция сознания в контексте квантовой механики. УФН 75, 413–435.

Менский, М.Б., 2011. Сознание и квантовая механика. Век 2, Фрязино.

Нейман, Д. фон, 1964. Математические основания квантовой механики. Наука, Москва.

Пайс, А., 1989. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. Наука, Москва.

Пенроуз, Р., 2002. Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики: Едиториал УРСС.

Пенроуз, Р., 2005. Тени разума. В поисках науки о сознании. Институт компьютерных исследований, Москва-Ижевск.

Пенроуз, Р., 2008. Большое, малое и человеческий разум. Амфора.

Уайтхед, А.Н., 2009. Приключение идей (Adventures of Ideas). ИФРАН, Москва.

Чалмерс, Д., 2013. Сознающий ум. В поисках фундаментальной теории. Книжный дом «ЛИБРОКОМ».

Шрёдингер, Э., 2009. Что такое жизнь с точки зрения физики? «Римис», Москва.

---