Ingen förstår vad medvetande är och hur det fungerar. Ingen förstår heller kvantmekanik. Kan detta vara mer än bara en slump? "Jag kan inte identifiera det verkliga problemet, så jag misstänker att det inte finns några verkliga problem, men jag är inte säker på att det inte finns några verkliga problem." Den amerikanska fysikern Richard Feynman sa detta om kvantmekanikens mystiska paradoxer. Idag använder fysiker denna teori för att beskriva de minsta föremålen i universum. Men han kunde säga samma sak om medvetenhetens intrikata problem.
Vissa forskare tror att vi redan förstår medvetandet eller att det bara är en illusion. Men många andra tror att vi inte ens har kommit nära medvetandet.
Ett flerårigt pussel som kallas "medvetande" har till och med lett till att vissa forskare försökte förklara det med kvantfysik. Men deras iver möttes med en god del skepsis, och detta är inte förvånande: det verkar orimligt att förklara en gåta med en annan.
Men sådana idéer är aldrig absurda och inte ens från taket.
Å ena sidan, till stor besvär av fysiker, vägrar sinnet inledningsvis att förstå den tidiga kvantteorin. Dessutom förutsägs kvantdatorer vara kapabla till saker som konventionella datorer inte kan. Detta påminner oss om att våra hjärnor fortfarande är kapabla att gå utanför räckhåll för konstgjord intelligens. "Kvantmedvetenhet" blir väldigt förlöjligad som mystisk nonsens, men ingen har kunnat helt fördriva det.
Kvantmekanik är den bästa teorin vi har för att beskriva världen på atomen och subatomära partiklar. Det kanske mest berömda av dess mysterier är det faktum att resultatet av ett kvantexperiment kan förändras beroende på om vi bestämmer oss för att mäta egenskaperna hos de partiklar som är involverade i det eller inte.
När pionjärerna inom kvantteorin först upptäckte denna "observatörseffekt", blev de alarmerade. Det verkade undergräva antagandet som ligger bakom all vetenskap: att det finns en objektiv värld där ute, oberoende av oss. Om världen uppför sig beroende på hur - eller om - vi tittar på den, vad skulle "verkligheten" egentligen betyda?
Kampanjvideo:
Vissa forskare har tvingats dra slutsatsen att objektivitet är en illusion och att medvetande måste spela en aktiv roll i kvantteorin. Andra såg helt enkelt inget sunt förnuft i detta. Till exempel irriterades Albert Einstein: finns månen bara när du tittar på den?
Idag misstänker vissa fysiker att det inte är så att medvetandet påverkar kvantmekaniken … utan att det till och med har skett tack vare det. De tror att vi kan behöva kvanteteori för att förstå hur hjärnan fungerar alls. Kan det vara så att kvantobjekt kan finnas på två platser samtidigt, så en kvanthjärna kan samtidigt betyda två ömsesidigt exklusiva saker?
Dessa idéer är kontroversiella. Det kan visa sig att kvantfysik inte har något att göra med medvetenheten. Men åtminstone de visar att konstiga kvantteori får oss att tänka på konstiga saker.
Det bästa av allt är att kvantmekanik tar sig in i mänskligt medvetande genom ett dubbelspalt experiment. Föreställ dig en ljusstråle som träffar en skärm med två nära åtskilda parallella slitsar. En del av ljuset passerar genom slitsarna och faller på en annan skärm.
Du kan tänka på ljus som en våg. När vågor passerar genom två slitsar, som i ett experiment, kolliderar de - stör dem - med varandra. Om deras toppar överensstämmer, förstärker de varandra, vilket resulterar i en serie svarta och vita ljusstreck på en andra svart skärm.
Detta experiment användes för att visa ljusets vågkaraktär i över 200 år innan kvantteorin framkom. Därefter genomfördes experimentet med en dubbel slits med kvantpartiklar - elektroner. Dessa är små laddade partiklar, komponenter i en atom. På ett obegripligt sätt, men dessa partiklar kan bete sig som vågor. Det vill säga de är diffraherade när en ström av partiklar passerar genom två slitsar, vilket ger ett interferensmönster.
Anta nu att kvantpartiklar passerar slitsarna en och en och deras ankomst på skärmen kommer också att observeras steg för steg. Nu finns det inget uppenbart som skulle få partiklarna att störa i sin väg. Men bilden av de partiklar som träffar kommer fortfarande att visa fransar.
Allt tyder på att varje partikel samtidigt passerar genom båda slitsarna och stör sig själv. Denna kombination av de två vägarna kallas superpositionstillståndet.
Men här är det som är konstigt.
Om vi placerar detektorn i en av slitsarna eller bakom den, kunde vi ta reda på om partiklar passerar genom den eller inte. Men i detta fall försvinner störningen. Det enda faktumet att observera en partikels väg - även om denna observation inte bör störa partikelns rörelse - förändrar resultatet.
Fysikern Pascual Jordan, som arbetade med kvantguruen Niels Bohr i Köpenhamn på 1920-talet, uttryckte det på detta sätt: "Observationer bryter inte bara med vad som ska mätas, de bestämmer det … Vi tvingar kvantpartikeln att välja en viss position." Med andra ord säger Jordan att "vi gör våra egna mätningar."
I så fall kan objektiv verklighet helt enkelt kastas ut genom fönstret.
Men det är inte slutsatsen.
Om naturen ändrar sitt beteende beroende på om vi letar eller inte, kan vi försöka vrida det runt fingrarna. För att göra detta kunde vi mäta vilken väg partikeln valde när den passerade genom dubbelspalten, men först efter att ha passerat den. Vid den tiden borde hon redan "bestämma" om hon skulle gå igenom en väg eller genom båda.
En amerikansk fysiker John Wheeler föreslog ett sådant experiment på 1970-talet, och under de kommande tio åren genomfördes ett experiment med "försenat val". Den använder smarta metoder för att mäta vägarna för kvantpartiklar (vanligtvis ljuspartiklar - fotoner) när de väljer en väg, eller en superposition av två.
Det visade sig att det, som Bohr förutspådde, inte gör någon skillnad om vi försenar mätningarna eller inte. Så länge vi mäter fotonens väg innan den träffar och registreras i detektorn, finns det ingen störning. Det verkar som att naturen "vet" inte bara när vi kikar, utan också när vi planerar att kika.
Eugene Wigner
När vi i dessa experiment upptäcker vägen för en kvantpartikel, krymper dess moln av möjliga rutter till ett enda väl definierat tillstånd. Dessutom antyder ett försenat experiment att själva observationen utan fysisk ingripande orsakad av mätningen kan orsaka kollaps. Betyder det att verklig kollaps inträffar endast när mätresultatet når vårt medvetande?
Denna möjlighet föreslogs på 1930-talet av den ungerska fysikern Eugene Wigner. "Det följer av detta att kvantbeskrivningen av objekt påverkas av de intryck som kommer in i mitt medvetande," skrev han. "Solipsism kan logiskt överensstämma med kvantmekanik."
Wheeler blev till och med roade av tanken att närvaron av levande saker som kunde "observera" förvandlade det som tidigare var en mängd möjliga kvantförflutna till en konkret berättelse. I denna mening, säger Wheeler, blir vi deltagare i universums utveckling från början. Enligt honom lever vi i ett "komplicerat universum."
Fysiker kan fortfarande inte välja den bästa tolkningen av dessa kvantexperiment, och till viss del har du rätt att göra det. Men på ett eller annat sätt är subteksten uppenbar: medvetande och kvantmekanik är på något sätt kopplade.
Början på 1980-talet föreslog den engelska fysikern Roger Penrose att denna anslutning kan fungera i en annan riktning. Han sa att oavsett om medvetande påverkar kvantmekanik eller inte, kanske kvantmekanik är involverad i medvetandet.
Fysiker och matematiker Roger Penrose
Och Penrose frågade också: tänk om det finns molekylstrukturer i hjärnan som kan ändra deras tillstånd som svar på en kvanthändelse? Kan dessa strukturer få ett superpositionstillstånd, liksom partiklarna i dubbelslitsexperimentet? Kan dessa kvantöverlagringar då manifestera sig i hur neuroner kommunicerar genom elektriska signaler?
Kanske, sade Penrose, är vår förmåga att upprätthålla till synes inkompatibla mentala tillstånd inte en perceptuell skändning, utan en verklig kvanteffekt?
När allt kommer omkring verkar den mänskliga hjärnan kunna bearbeta kognitiva processer som fortfarande är mycket överlägsna digitala datorer med kapacitet. Vi kanske till och med kan utföra beräkningsuppgifter som inte kan utföras på vanliga datorer med klassisk digital logik.
Penrose antydde först att kvanteffekter finns i det mänskliga sinnet i hans bok från 1989 The Emperor's New Mind. Hans huvudidé var”orkestrerad objektiv reduktion”. Objektiv reduktion, enligt Penrose, betyder att kollaps av kvantinterferens och superposition är en verklig fysisk process, som en sprängande bubbla.
Orkestrerad målreduktion förlitar sig på Penroses antagande att tyngdkraften som påverkar vardagsföremål, stolar eller planeter inte uppvisar kvanteffekter. Penrose tror att kvantesuperposition blir omöjlig för föremål större än atomer, eftersom deras gravitationspåverkan då skulle leda till att det finns två oförenliga versioner av rymdtid.
Sedan utvecklade Penrose denna idé med den amerikanska läkaren Stuart Hameroff. I sin bok Shadows of the Mind (1994) föreslog han att strukturerna involverade i denna kvantkognition kunde vara proteinfilament - mikrotubuli. De finns i de flesta av våra celler, inklusive hjärnans nervceller. Penrose och Hameroff hävdade att mikrotubulerna under oscilleringsprocessen kan anta ett tillstånd av kvantesuperposition.
Men det finns inget som tyder på att detta alls är möjligt.
Man antog att idén om kvantsuperpositioner i mikrotubuli skulle stödjas av experiment som föreslogs 2013, men i själva verket nämnde dessa studier inte kvanteffekter. Dessutom tror de flesta forskare att idén om orkesterade objektiva minskningar debunkades av en studie som publicerades 2000. Fysikern Max Tegmark beräknade att kvantesuperpositioner av molekyler involverade i nervsignaler inte skulle kunna existera ens för det ögonblick som krävs för signalöverföring.
Kvanteffekter, inklusive superposition, är mycket ömtåliga och förstörs i en process som kallas decoherence. Denna process beror på interaktioner mellan ett kvantobjekt och dess omgivning eftersom dess "kvant" läcker ut.
Decoherence antogs vara extremt snabbt i varma och fuktiga miljöer som levande celler.
Nervsignaler är elektriska impulser orsakade av passage av elektriskt laddade atomer genom nervcellernas väggar. Om en av dessa atomer var i superposition och sedan kolliderade med en neuron, visade Tegmark att superpositionen borde förfalla på mindre än en miljardstedel av en miljarddels sekund. Det tar tiotusen biljoner gånger längre tid för en neuron att avge en signal.
Det är därför ideer om kvanteffekter i hjärnan inte testas av skeptiker.
Men Penrose insisterar obevekligt på OER-hypotesen. Och trots förutsägelsen om Tegmarks ultrasnabba decoherence i celler har andra forskare funnit manifestationer av kvanteffekter i levande saker. Vissa hävdar att kvantmekanik används av flyttfåglar, som använder magnetisk navigering, och gröna växter, när de använder solljus för att göra socker genom fotosyntes.
Som sagt vägrar tanken att hjärnan kan använda kvanttrick försvinna. Eftersom de hittade ett annat argument till dess fördel.
Kan fosfor upprätthålla ett kvanttillstånd?
I en studie från 2015 hävdade fysiker Matthew Fisher från University of California, Santa Barbara att hjärnan kan innehålla molekyler som kan motstå kraftigare kvantesuperpositioner. I synnerhet tror han att kärnorna i fosforatomer kan ha denna förmåga. Fosforatomer finns överallt i levande celler. De har ofta formen av fosfatjoner, där en fosforatom kombineras med fyra syreatomer.
Sådana joner är den viktigaste energienheten i celler. Det mesta av cellens energi lagras i ATP-molekyler, som innehåller en sekvens av tre fosfatgrupper bundna till en organisk molekyl. När ett av fosfaterna skärs bort frigörs energi som används av cellen.
Celler har molekylära maskiner för sammansättning av fosfatjoner i kluster och nedbrytning av dem. Fisher föreslog ett schema där två fosfatjoner kan placeras i en superposition av en viss typ: i ett intrasslat tillstånd.
Fosforkärnor har en kvantegenskap - snurr - som får dem att se ut som små magneter med poler som pekar i vissa riktningar. I ett intrasslat tillstånd beror vridningen på den ena fosforkärnan på den andra. Med andra ord, sammanfiltrade tillstånd är superpositionstillstånd som involverar mer än en kvantpartikel.
Fisher säger att det kvantmekaniska beteendet hos dessa kärnspinn kan motverka decoherence. Han håller med Tegmark om att kvantvibrationerna som Penrose och Hameroff talade om kommer att vara mycket beroende av deras miljö och "decohere nästan omedelbart." Men kärnornas snurr interagerar inte så starkt med sin miljö.
Och ändå måste kvantbeteendet hos fosforkärnornas snurr "skyddas" från decoherence.
Kvantpartiklar kan ha olika snurr
Detta kan hända, säger Fischer, om fosforatomerna införlivas i större föremål som kallas "Posner-molekyler." De är kluster av sex fosfatjoner i kombination med nio kalciumjoner. Det finns några indikationer på att sådana molekyler kan finnas i levande celler, men hittills är de inte särskilt övertygande.
I Posner-molekyler, hävdar Fischer, kan fosforens snurr motstå decoherence under en dag eller så, även i levande celler. Därför kan de också påverka hjärnans funktion.
Tanken är att Posners molekyler kan tas upp av neuroner. När de väl är inne kommer molekylerna att aktivera en signal till en annan neuron, sönderfaller och släpper kalciumjoner. På grund av intrasslingen i Posners molekyler kan två av dessa signaler förvirras i tur och ordning: på något sätt kommer det att vara en kvant-superposition av "tanke". "Om kvantebehandling med kärnspinn faktiskt finns i hjärnan, skulle det vara extremt vanligt, hända hela tiden," säger Fisher.
Denna idé kom till honom först när han tänkte på psykisk sjukdom.
Litiumkarbonatkapsel
"Min introduktion till hjärnbiokemi började när jag beslutade för tre till fyra år sedan att undersöka hur och varför litiumjon har en så radikal effekt vid behandling av psykiska hälsoproblem," säger Fisher.
Litiumläkemedel används ofta för att behandla bipolär sjukdom. De fungerar, men ingen vet riktigt varför.
"Jag letade inte efter en kvantförklaring," säger Fisher. Men sedan kom han över ett papper som beskrev hur litiumpreparat hade olika effekter på beteendet hos råttor beroende på vilken form - eller "isotop" - av litium som användes.
Detta förbryllade forskare till en början. Kemiskt uppför sig olika isotoper på ungefär samma sätt, så om litium fungerade som ett vanligt läkemedel måste isotoperna ha haft samma effekt.
Nervceller är anslutna till synapser
Men Fischer insåg att kärnorna i atomer i olika litiumisotoper kan ha olika snurr. Denna kvantegenskap kan påverka hur litiumbaserade läkemedel fungerar. Till exempel, om litium ersätter kalcium i Posner-molekyler, kan litiumens snurr påverka fosforatomer och förhindra att de trasslar in.
Om detta är sant, kan det också förklara varför litium kan behandla bipolär störning.
Vid denna tidpunkt är Fischers gissning inget annat än en spännande idé. Men det finns flera sätt att kontrollera det. Till exempel att fosforens snurr i Posner-molekyler kan upprätthålla kvantkoherens under en lång tid. Det här är Fisher och planerar att kolla vidare.
Ändå är han försiktig med att vara förknippad med tidigare begrepp om "kvantmedvetande", som han i bästa fall anser spekulativt.
Medvetande är ett djupt mysterium
Fysiker är inte särskilt förtjust i att vara i sina egna teorier. Många av dem hoppas att medvetande och hjärnan kan utvinnas från kvantteorin, och kanske vice versa. Men vi vet inte vad medvetande är, än mindre det faktum att vi inte har en teori som beskriver den.
Dessutom finns det ibland högt utrop som kvantmekanik gör att vi kan behärska telepati och telekinesis (och även om någonstans i djupet av begrepp kan det vara så tar människor allt för bokstavligen). Därför är fysiker generellt rädda för att nämna orden "kvant" och "medvetande" i en mening.
2016 föreslog Adrian Kent från University of Cambridge i Storbritannien, en av de mest respekterade "kvantfilosoferna" att medvetande kan förändra kvantsystemens beteende på subtila men detekterbara sätt. Kent är mycket försiktig i sina uttalanden. "Det finns inget tvingande skäl att tro att kvantteorien är en lämplig teori för att dra en teori om medvetande, eller att kvantteoriens problem på något sätt måste överlappa med medvetenhetsproblemet," medger han.
Men han tillägger att det är fullständigt obegripligt hur man kan härleda en beskrivning av medvetande, enbart baserad på pre-kvantfysik, hur man kan beskriva alla dess egenskaper och funktioner.
Vi förstår inte hur tankar fungerar
En särskilt oroande fråga är hur vårt medvetna sinne kan uppleva unika upplevelser som rött eller doften av stekt kött. Förutom människor med synskador, vet vi alla hur rött ser ut, men vi kan inte förmedla denna känsla, och i fysiken finns det inget som kan säga hur det ser ut.
Känslor som dessa kallas qualia. Vi uppfattar dem som enhetliga egenskaper hos den yttre världen, men i verkligheten är de produkter av vårt medvetande - och det är svårt att förklara. 1995 kallade filosofen David Chalmers detta för”medvetenhetens” hårda problem”.
”Varje tankekedja om sambandet mellan medvetande och fysik leder till allvarliga problem,” säger Kent.
Detta fick honom att föreslå att "vi kunde göra några framsteg när det gäller att förstå problemet med medvetenhetsutvecklingen, om vi medgav (åtminstone bara medgav) att medvetandet förändrar kvantensannolikheter."
Med andra ord kan hjärnan faktiskt påverka mätresultaten.
Ur denna synvinkel definierar den inte "vad som är verkligt". Men det kan påverka sannolikheten för att var och en av de möjliga verkligheter som kvantmekanik införs kommer att iakttas. Till och med kvantteorin i sig kan inte förutsäga detta. Och Kent tror att vi kan leta efter sådana manifestationer experimentellt. Även djärvt bedömer chansen att hitta dem.
”Jag antar med 15 procent säkerhet att medvetande orsakar avvikelser från kvantteorin; och ytterligare 3 procent som vi experimentellt kommer att bekräfta detta under de kommande 50 åren, säger han.
Om detta händer kommer världen inte att vara densamma. Det är värt att utforska för det.
ILYA KHEL
