Сознание в пространственно-временном континууме

Узок круг этих революционеров.

Страшно далеки они от народа. 

Но дело их не пропало.

В.И. Ленин

На основе спутанных квантовых состояний человек создал защищенную от злоумышленников связь и надеется заполучить квантовый компьютер, возможности которого сопоставимы, а то и превосходят возможности человеческого мозга. А что, если само человеческое сознание есть результат работы квантового компьютера, спрятанного в мозгу?

Рене Магритт «Декалькомания»

Несчетное сознание

Ну какой квантовый компьютер может быть в столь агрессивной среде, как человеческий мозг, возмутится просвещенный читатель. Ведь кубит (единица информации в квантовых вычислениях) — это такой субтильный объект, чихнешь рядом с ним, он и потеряет всякую квантовую когерентность. Для работы кубитов требуются чистота, инертность и неподвижность содержащей их среды, сверхнизкие температуры. А тут все растворяющая вода, все трясется от дыхания, от пульсирующей крови, мириады химических реакций идут одновременно. Невозможно представить себе, чтобы квантовые объекты хоть доли миллисекунды сохраняли какую-то память о своих состояниях.

Однако не будем торопиться с выводами, смелым мыслителям есть что ответить на это недоумение.

Строго говоря, ни медики, ни биологи не могут внятно ответить, что такое сознание. В лучшем случае они скажут, что это результат работы нейронов мозга, передающих нервное возбуждение от одного к другому. Философы более радикальны и доходят в своих рассуждениях до того, что сознание вообще выходит за рамки материальной реальности. Возьмем, к примеру, единственного в настоящий момент универсального гения человечества — Роджера Пенроуза, лауреата Нобелевской премии по физике 2020 года за одно из его частных исследований. В своих статьях и книгах он много рассуждает о квантовом сознании. В кратком пересказе его построения могут выглядеть так.

Согласно теореме Гёделя о неполноте, в любой системе знания всегда можно найти исходные положения, которые невозможно доказать. Это аксиомы; они опираются исключительно на веру. Человек, однако, воспринимает такую веру как данность и нисколько не сомневается в справедливости аксиом. Откуда он знает, что они справедливы? По мнению Пенроуза, нет никакой возможности вычислить истоки такого убеждения, а это имеет следствие: значит, и все человеческое сознание невозможно высчитать, оно принципиально несчетно. А где в физике появляются объекты, поведение которых нельзя рассчитать в принципе? Да в квантовой механике. Как это можно себе представить? В мозгу существуют суперпозиции квантовых состояний, которые под действием гравитационного поля постоянно редуцируются, то есть выбирают одно из многих вероятностных состояний (вспоминаем кота Шрёдингера, только изучение его ситуации проводит не наблюдатель, а само гравитационное поле, искажения пространства-времени объектом, обладающим массой).

При каждой такой редукции, согласно многомировой интерпретации квантовой механики, предложенной Хью Эвереттом, формируется новая реальность, то есть, как считает Пенроуз, новое пространство-время, и, значит, сознание не только имеет квантовую природу, но и не принадлежит действующей реальности. Фактически получается, что благодаря квантовым механизмам существует отдельная ментальная реальность, вложенная в реальность физическую, — говорит гений и удаляется из аудитории, отряхивая мел с пальцев. Ну коль скоро мы не гении, нам приходится верить в его слова как в аксиому, предполагая, что гению виднее.

Из фундамента мироздания

От такой модели Пенроуза у понимающего человека волосы должны зашевелиться на голове, поскольку она представляет собой не что иное, как снятие физического запрета на разного род оккультные и экстрасенсорные практики. В самом деле, если сознание представляет собой не результат физиологических процессов мозга, а отдельную реальность со своим пространством-временем, значит, согласно методам теоретической физики, остается только создать оператор, который обеспечит взаимные преобразования ментального и физического пространств-времен и с помощью такого оператора ментальная реальность станет напрямую влиять на реальность физическую. Кто-то скажет, что такой оператор работает уж миллион лет — это умелые руки представителей рода Homo, которые воплощают всякие придуманные вещи. Однако речь не об этом, не об использовании посредников в виде человеческого тела.

Интересно, что и без всяких операторов умственная игра Пенроуза сразу приводит к астрологическим практикам. Как? А вот так. Гравитационное взаимодействие возникает из-за искажения пространства-времени массивным телом. На Земле главный вклад вносит масса Земли. Однако свои постоянно меняющиеся искажения вносят и другие тела Солнечной системы, находящиеся в вечном сложном движении относительно нашей планеты. Тогда выбор квантовых состояний, определяющих в модели Пенроуза процесс сознания, станет зависимым от расположения небесных тел на небосклоне. Впрочем, не станем углубляться в эту опасную тему, а займемся более простым делом: посмотрим, как исследователи пытаются найти физическую основу упомянутых Пенроузом квантовых состояний в мозгу.

Первопроходцами на этом тернистом пути оказались Ху Хупин и Ву Маосинь (Huping Hu, Maoxin Wu). Первый, судя по всему, частный исследователь из Биофизической консультационной группы, квартировавшей в частном доме в Стони-Бруке, по соседству со знаменитым американским университетом, а второй работал в Отделении патологии не менее знаменитой нью-йоркской Медицинской школы горы Синай. В 2004 году они опубликовали свою первую статью в журнале Medical Hypotheses.

Не будем приводить всю цепочку рассуждений, сразу перейдем к выводу: носителем квантовых свойств в мозгу может быть только спин атомного ядра и ничто иное. После этого утверждения Ху и Ву важно сделать еще одно лирическое отступление. Дело в том, что школьное объяснение спина как «направление вращения элементарной частицы вокруг своей оси» не имеет ничего общего с физической сущностью этого абсолютно квантового свойства. Если подходить строго, то в физической реальности про спин известно лишь то, что он может принимать ряд целых и полуцелых значений со знаком плюс и минус. Вот как определяют спин на кафедре общей ядерной физики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова: собственный момент количества движения элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с ее перемещением в пространстве как целого. Спин отвечает неотъемлемому и неизменному внутреннему вращательному состоянию, присущему частице, хотя это вращательное состояние нельзя трактовать классически — как вращение тела вокруг собственной оси.

Корректно объяснить, как это понимать и откуда берется вращательное движение которое не есть вращение вокруг своей оси, невозможно. Однако в некоторых современных теориях физики есть мнение, что спин — это не просто одно из многих квантовых свойств материи, а нечто большее — еще более фундаментальная сущность мироздания, чем само пространство-время. Более того, не исключено, что само пространство-время представляет собой проявление спина, оказывается спиновой пеной. Тогда, если сознание есть порождение спина, то оно оказывается напрямую укорененным в самом фундаменте нашего мира.

Спины Ху и Ву

Однако вернемся к той части физической реальности, которая более-менее дана нам в ощущениях. В ней человеческий организм состоит из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и в меньшей степени фосфора, серы, кальция, натрия, калия и хлора. Все остальные элементы представлены в нем ничтожными добавками, отвлекаться на которые имеет смысл, лишь разобравшись с основной десяткой элементов и посчитав их спины. Вот список стабильных изотопов этих элементов: ¹Н, ¹²С и ¹³С (1%), ¹⁶О, ¹⁴N, ²³Na, ³¹P, ³²S и ³⁴S (4%), ³⁵Cl (76%) и ³⁷Cl (24%), ³⁹К, ⁴⁰Са и ⁴⁴Са (2%). На что надо смотреть в этом списке? На четность числа нуклонов: четные ядра имеют спин равный 0, кроме как у азота, у которого он равен 1. С нечетными тоже не все одинаково: только у водорода-1, фосфора-31 и углерода-13 он равен 1/2, а у остальных 3/2. Это важно.

Дело в том, что у ядер со спином 1/2, и только у них, имеется лишь магнитный момент и нет электрического. То есть чтобы провести какую-то манипуляцию с таким спином, нужно приложить магнитное поле, а сильные магнитные поля в организме редки. Это значит, что состояния у таких атомов живут долго. А у ядер со спином больше 1/2 имеется еще и квадрупольный электрический момент. Как следствие, на такой ядро непрерывно действует постоянно меняющееся вокруг него электрическое окружение, и состояние живет очень недолго, мельчайшие доли секунды.

Поэтому если думать о спинах как основе квантового сознания, то, кроме водорода-1 и фосфора-31, никаких иных атомов в человеческом организме и, соответственно, в его мозгу в сколько-нибудь значимом количестве нет. Случайно появляющийся в клетках углерод-13 учитывать явно не стоит, он, если что и делает, так вносит ошибки.

Сознание на водороде

Основываясь на спинах водорода и фосфора, Ху и Ву построили первую модель квантового сознания. Согласно введенным ими постулатам, в мозгу имеются пиксели сознания; в них осуществляется квантовая запутанность спинов водорода и фосфора. Такими пикселями служат участки мембран нейронов, ведь эти мембраны состоят из фосфолипидов: в каждом из них есть закономерно расположенные один атом фосфора и несколько десятков атомов водорода.

Почему спины перечисленных ядер должны образовать спутанное состояние, Ху и Ву не сообщают, но в принципе системы даже из миллиардов атомов, в которых спины были бы спутанны, физикам известны. Стало быть, если спутанность в участке мембраны нейрона возникнет, в этом не будет ничего удивительного. А единичный акт сознания, по мнению Ху и Ву, случится при разрушении этой спутанности, для чего требуется изменить спин хотя бы одного атома пикселя. Как это сделать? Нужно, чтобы рядом с ним оказалась парамагнитная молекула. И выбор тут опять невелик: молекулярный кислород и оксид азота; лишь эти двое обладают магнетизмом и в большом количестве путешествуют по мозгу. Их магнитные моменты велики: у кислорода он в 1316 раз, а у оксида азота в 658 раз больше, чем у атома водорода.

Быстро перемещаясь по мембране, сталкиваясь с ее структурами, эти молекулы создают мощные флуктуирующие магнитные поля, которые меняют квантовые состояния пикселей сознания. Как наличие спутанного спинового состояния внутри такого пикселя, так и его распад в силу законов спиновой химии могут влиять на протекание химических реакций в нейроне: какие-то из них могут быть запрещены, а какие-то, наоборот, разрешены при разных состояниях пикселя сознания.

Кроме того, эти состояния сказываются и на картине колебаний мембран нейронов. Например — распад пикселя, подобно камню, брошенному в воду, неизбежно порождает колебания. А это в конце концов влияет на работу нейронной машины, которая формирует потенциал действия и прохождение нервного импульса. Что все и видят на выходе, когда человек совершает разумные действия. Если не вдаваться в детали, по Ху и Ву, выходит, что действие стало следствием разрушения квантового пикселя сознания молекулой кислорода или оксида азота.

Влияние светил?

А что там было про механизм Пенроуза и встроенность сознания в саму структуру пространства-времени? Ситуация забавная. Согласно базовой идее, внешнее по отношению к системе поле, например гравитационное, как будто постоянно измеряет квантовое состояние спиновой системы. И тут срабатывает апория Зенона о стреле: летящая стрела неподвижна, так как в каждый момент времени она занимает равное себе положение, то есть покоится; поскольку она покоится в каждый момент времени, то она покоится во все моменты времени, то есть не существует момента времени, в котором стрела совершает движение.

В квантовой интерпретации этот парадокс формулируется так: время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы прямо зависит от частоты событий измерения ее состояния; в предельном случае частица в условиях частого наблюдения за ней никогда не перейдет в другое состояние. Этот парадокс доказан экспериментально: например, если попытаться перевести атом в другое состояние с помощью радиоизлучения и одновременно измерять его состояние ультрафиолетовым лучом, то переход провести гораздо труднее, чем без луча.

Стало быть, если гравитационное поле, как предполагает Пенроуз, измеряет состояния спиновой системы, то оно способствует стабилизации этой системы. Ну а уж если система распадется, то поле определит, на какие состояния она распадется и, значит, из каких состояний будет создан пиксель сознания в следующем акте. От этого состояния будет потом зависеть и воздействие пикселя сознания на мембрану нейрона. Вот так легко удается связать с локальной геометрией пространства-времени и квантовое состояние сознания, и потенциал действия нейрона. То есть поведение человека.

Интересно, что, если вообразить, будто такие «измерения» может проводить не только гравитационное поле, но и магнитное, на работе этой квантовой машины скажется поведение по меньшей мере двух тел Солнечной системы: Луны и Солнца, которые постоянно изменяют геомагнитное поле Земли, вызывают его длинноволновые колебания. Ну да про воздействие этих небесных тел на психику человека известно: это и сомнамбулизм, бессознательное гуляние по ночам, которое случается чаще всего в полнолуние, и подмеченная А.Л. Чижевским зависимость поведения больших масс людей от событий на Светиле.

Спиновая анестезия и другие доказательства

Как видно, модель Ху и Ву при всей своей экстравагантности, весьма умозрительна, хотя и не противоречит принципам физики и химии. Авторы видят этот недостаток и пытаются как-то исправить, найти доказательства своей правоты в различных наблюдениях. По их мнению, модель отлично объясняет явление анестезии.

В самом деле, у физиологов есть два объяснения, которые ничего не объясняют, хотя и дают направление поиска новых средств анестезии. Так, липидная теория предполагает: анестетик растворяется в клеточных мембранах, нарушает работу расположенных в них ионных каналов и рецепторов, которые участвуют в работе мозга. Белковая теория утверждает: анестетик непосредственно взаимодействует с мембранными белками, то есть теми же ионными каналами и рецепторами. Выходит, что анестетик в обеих теориях серьезно поражает всю работу мозга. Почему это отключает только сознание и только его, оставляя все другие управляемые мозгом системы организма в рабочем состоянии, остается неясно.

Модель Ху и Ву дает иное объяснение. Анестетик, растворяясь в мембране, мешает движению по ней кислорода и оксида азота. Соответственно, спутанность квантовых состояний в пикселях сознания прекращает разрушаться. А коль скоро акт сознания происходит при ее разрушении, значит, сознание у человека не работает, но не работает только оно; вся физиология, что подчиняется классической механике, работать продолжает. Аналогичный эффект приводит к потере сознания летчиками при внезапной разгерметизации кабины самолета: при этом резко падает содержание кислорода в крови, однако это не может мгновенно прервать жизненные процессы. Нарушить же квантовую механику сознания — вполне.

Конечно, такое объяснение можно принять на веру, можно от него отмахнуться, однако истинный ученый никогда не откажется от шанса заглянуть в бездну неведомого. Например, в 2018 году большая группа китайских специалистов из четырех научных организаций Ухани во главе с доктором медицины и философии Чжаном Шихаем (Shihai Zhang) из Отделения анестезии Объединенного госпиталя решили посмотреть: а влияет ли каким-то образом спин на действие анестетика? Идеальным анестетиком такого рода служит ксенон: у него есть четыре стабильных изотопа: ксенон-129 со спином 1/2, ксенон-131 со спином 3/2, ксенон-132 и ксенон-134 с нулевым спином.

Опыты ставили на мышах и по известной методике определяли, при какой дозе животное теряет сознание. Так вот, оказалось, что ксеноны с полуцелыми спинами, то есть обладающие магнитным моментом ксенон-129 и -131 действуют хуже всего: для отключения мыши первого требовалось в два раза больше, чем ксенона со спином 0. Ксенон-131 со спином 3/2 был несколько успешнее, но чуть-чуть, на 6%. Поскольку химические свойства всех этих изотопов одинаковы, эффект приходится списывать на физические. Это либо какие-то чудеса со спиновой химией (что странно, ведь инертный газ не вступает в химические реакции, а спин может запретить или разрешить именно химическую реакцию, приводящую к объединение разных атомов в одну молекулу), либо — на квантовые эффекты. Если работают такие эффекты, видимо, ксенон с полуцелым спином не только препятствует движению кислорода и оксида азота по мембране нейрона, как это делает любой ксенон, но и сам вместо них неплохо разрушают квантовую спутанность в пикселях сознания, как это нужно для задержки анестезии по модели Ху и Ву.

Свежее исследование провели и опубликовали в 2022 году Христиан Керскенс и Давид Перец (Christian Matthias Kerskens, David López Pérez) из Дублинского университета. Они не стали выдвигать гипотез о сути квантовой машины сознания, а использовали постулат о том, что если есть две известные квантовые системы, то некая неизвестная квантовая система, провзаимодействовав с ними, может обеспечить создание спутанного состояния. По их мнению, известными системами служат молекулы воды, точнее, имеющиеся в них атомы водорода со своими полуцелыми спинами, а неизвестной системой — какой-то процесс в мозгу. Согласно постулату, если эта неизвестная система классическая — никакой квантовой корреляции спинов водорода не будет, только классическая из-за дипольных взаимодействий. А если в мозгу имеется квантовая система, то она обеспечит чисто квантовую корреляцию спинов водорода. Узнать что-то об этих спинах можно методом ядерного магнитного резонанса, благо соответствующие установки используют в здравоохранении, то есть ставить опыты с участием людей нетрудно.

Дублинские исследователи, как они считают, подобрали такие условия работы установки ЯМР, которые подавили все сигналы, связанные с классическими корреляциями спинов водорода, и, значит, сигнал возможен только от квантовых эффектов. И такой сигнал им удалось зафиксировать! То есть удалось встать на след какого-то квантового процесса в мозгу.

Интересным оказалось поведение сигнала при задержке дыхания и во сне. В первом случае сигнал резко возрастал. А из модели Ху и Ву мы знаем, что кислород разрушает пиксели сознания. Это логично: кислорода при задержке дыхания становится мало, значит, сохраняется больше областей квантовой корреляции, они и проявляют себя сильнее как квантовый посредник формирования спутанных состояний водорода в окружающей воде. А вот во сне интенсивность, напротив, снижается, что странно, поскольку означает: пиксели сознания разрушаются в большем количестве. Казалось бы, так должно быть при бодрствовании, однако выходит, что во сне сознание человека работает интенсивнее. Ну если принять модель Ху и Ву и ее объяснение из опыта Керскенса и Переца.

Сами авторы осторожничают и пишут, что, мол, конечно, очень похоже, что мы нашли следы квантовой корреляции спинов, которую вызвал какой-то чисто квантовый процесс сознания, однако нужно бы убедиться. В любом случае найдены неизвестные сигналы ЯМР, которые надо изучать и, возможно, использовать для науки и для здравоохранения.

Квантовый компьютер Фишера

В модели Ху и Ву квантовая спутанность спиновых состояний обеспечивается как-то сама собой и, в сущности, в работе сознания не учитывается: пиксели сознания выглядят как обособленные сущности, и вся спутанность есть в пределах самого пикселя. Однако главное следствие спутанности — возможность квантовой телепортации, мгновенное одновременное изменение состояния всех спутанных объектов, разделенных каким угодно расстоянием. Именно телепортация состояний нужна, чтобы в рамках квантовой модели объяснять как непревзойденное быстродействие, так и колоссальную мощь человеческого сознания, если мерить их относительно таких же качеств классического компьютера. Оказывается, исправить этот недостаток можно, и такую возможность рассмотрел в 2015 году Мэтью Фишер (Matthew P. A. Fisher ) с физфака Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

В качестве способного к телепортации кубита он взял так называемую молекулу Познера, Ca₉(PO₄)₆. В ней 8 атомов кальция распложены в углах куба, один — посередине, и шесть остатков фосфорной кислоты лежат на гранях. Эту молекулу в 1975 году исследователи из Корнеллского университета Аарон Познер и Фостер Беттс (Aaron S. Posner, Foster Betts) разглядели в составе слагающего кости гидроксиапатита, а потом предположили, что именно из таких образований, свободно плавающих в крови и межклеточном матриксе, организм строит твердые конструкции.

По мнению Фишера, этим функции молекул Познера не ограничиваются. Помимо материала для строительства костей, они могут выступать средством транспортировки кальция и фосфора к месту использования в нейронах. И это важно. Ведь кальций дает сигнал на выработку нейромедиаторов, ну а без фосфора нельзя собрать молекулу, переносящую энергию внутри клетки — АТФ.

Квантовый компьютер мозга, по Фишеру, работает так. В молекуле Познера лишь фосфор обладает полуцелым спином, то есть только он способен долго сохранять свое квантовое состояние. Квантовая спутанность атомов фосфора возникает, когда фермент пирофосфатаза разделяет остаток от молекулы пирофосфата, Р₂О₇^4-, на два остатка фосфорной кислоты РО₄^2-. В силу законов квантовой химии спиновые состояния атомов фосфора в этих двух остатка зависят друг от друга. То есть они оказываются спутанными. Останься эти остатки на свободе, спутанность продержалась бы не более десяти миллисекунд. Однако если они войдут в состав молекулы Познера, ситуация качественно изменится. Квантово-механический расчет показывает, что в ней состояния практически консервируются: время жизни исчисляется сутками! Причина такой стабильности — в упомянутом строении молекулы, которое оказалось уникальным.

В игре участвует два спутанных фосфора, которые могут войти не в одну молекулу, а в две. Тогда уже обе они окажутся спутанными. То есть изменение состояния одной неизбежно и моментально вызовет изменение состояния другой. Самое простое последствие: растворение одной молекулы вызывает растворение второй и одновременное высвобождение из них ионов кальция в двух разных нейронах. А дальше все просто: приток лишнего кальция в цитоплазму активирует оба нейрона, включает в них машину, которая ведет к формированию импульсов действия. В общем, по мозгу станут параллельно распространяться две мысли.

Однако в молекуле Познера имеются шесть фосфоров. Совсем не исключен вариант, что в одну из спутанных молекул войдет еще один фосфор, уже из другой спутанной пары. А спутанный с ним фосфор окажется в третьей молекуле. Итог: все три молекулы будут спутанны. При благоприятном стечении обстоятельств в мозгу формируется сеть из спутанных молекул Познера, которые могут быть распределены по многим нейронам.

В сущности, это не что иное, как квантовый компьютер из множества молекул-кубитов, состояние которых меняется синхронно. То есть какая-то информация мгновенно передается сразу во множество нейронов, а то и отделов мозга, ведь для квантовой телепортации нет расстояний. А результат вычислений проявляется в виде последовательности распадов молекул Познера и вызванной этим активации нейронов, где такие распады проходят с формированием действия. В сущности — как и в модели Ху и Ву, где распад пикселей сознания также ведет к активации нейронных машин.

Поиск программиста

Модель Фишера дает несколько более конкретный механизм работы квантового компьютера мозга, однако оставляет открытыми ничуть не меньше вопросов. Скажем, в этой модели никак не просматривается механизм анестезии, которым так гордятся Ху и Ву. Ни в той, ни в другой модели не обсужден феномен ЯМР, а ведь в этом методе исследование идет именно за счет возбуждения спинов водорода внешним полем, однако на сознании пациента это никак не сказывается. И совсем вне поля зрения остается тот программист, который управляет квантовым сознанием.

В теории компьютера программист пишет программу, задает квантовые состояния кубитов, формирует их суперпозицию. Далее, меняя состояния кубитов, проводит некие логические и вычислительные операции и в конце концов выясняет, какая суперпозиция вышла. В мозгу, как следует из моделей что Ху и Ву, что Фишера, программиста не видно и все происходит достаточно случайно. То есть никакого осмысленного результата от таких вычислений ожидать не приходится, а ведь чтобы сознание работало, результат должен быть как раз вполне осознанным.

Конечно, если встать на точку зрения Пенроуза, если считать, что квантовым процессом в мозгу управляет сама по себе структура пространства-времени, а то и сила, которая за этой структурой стоит, можно составить некоторое представление о программисте.

Однако, оставаясь в рамках материализма, хочется найти другие объяснения и механизмы. И надежды на это есть, коль скоро идея квантового сознания сформулирована. И не только сформулирована. Уже созданы первые модели, собран некоторый экспериментальный материал, который может свидетельствовать, что такая идея не лишена оснований. Поэтому, в силу аксиомы о неостановимости процесса познания, когда-нибудь мы все-таки узнаем и о деталях механизма, и о программисте, который управляет сознанием через квантовую систему. Как там у Ленина: «Декабристы разбудили Герцена, Герцен развернул революционную агитацию…».