как устроено наше сознание – один из самых важных открытых вопросов в науке. В 1990-х годах, задолго до получения Нобелевской премии по физике 2020 года за предсказание черных дыр, физик Роджер Пенроуз объединился с анестезиологом Стюартом Хамероффом, чтобы предложить амбициозный ответ.

Они утверждали, что нейронная система мозга образует сложную сеть и что создаваемое ею сознание должно подчиняться правилам квантовой механики - теории, которая определяет, как движутся крошечные частицы, такие как электроны. Они утверждают, что это могло бы объяснить загадочную сложность человеческого сознания.

Пенроуза и Хамероффа встретили недоверчиво. Законы квантовой механики обычно работают при очень низких температурах. Квантовые компьютеры, к примеру, в настоящее время действуют на уровне около -272 ° Cф. При более высоких температурах преобладает классическая механика. Поскольку наше тело функционирует при комнатной температуре подразумевает, что оно подчиняется классическим законам физики. По этой причине многие ученые категорически отвергают теорию квантового сознания, хотя есть и другие, которые убеждены в обратном.

Вместо того чтобы вступать в эту дискуссию, я решил объединить усилия с коллегами из Китая во главе с профессором Сянь-Минь Цзинь из Шанхайского университета Цзяотун, чтобы проверить некоторые принципы, лежащие в основе квантовой теории сознания.

В нашей новой статье мы исследовали, как квантовые частицы могут перемещаться в сложной структуре, такой как мозг, но в лабораторных условиях. Если наши открытия однажды можно будет сравнить с активностью, измеренной в мозге, мы сможем приблизиться на один шаг к подтверждению или опровержению противоречивой теории Пенроуза и Хамероффа.

Мозг и фракталы

Наш мозг состоит из клеток, называемых нейронами, и считается, что их совместная деятельность порождает сознание. Каждый нейрон содержит микротрубочки, которые транспортируют вещества к разным частям клетки. Теория квантового сознания Пенроуза-Хамероффа утверждает, что микротрубочки структурированы по фрактальному образцу, который позволяет происходить квантовым процессам.

Фракталы - это структуры, которые не являются ни двумерными, ни трехмерными, а представляют собой некую промежуточную дробную величину. В математике фракталы возникают как красивые узоры, которые бесконечно повторяются, порождая то, что кажется невозможным: структуру с конечной площадью, но бесконечным периметром.

Это может показаться достаточно сложным для визуализации, но на самом деле фракталы часто встречаются в природе. Если вы внимательно посмотрите на соцветия цветной капусты или ветви папоротника, вы увидите, что они оба состоят из одной и той же основной формы, повторяющейся снова и снова, но в меньших и меньших масштабах. Это ключевая характеристика фракталов.

То же самое вы увидите, если загляните внутрь собственного тела: например, структура ваших легких фрактальна, как и кровеносные сосуды в вашей системе кровообращения. Фракталы также присутствуют в очаровательных повторяющихся картинах М.С. Эшера и Джексона Поллока, и они десятилетиями использовались в технологиях, например, в конструкции антенн. Все это примеры классических фракталов - фракталов, подчиняющихся законам классической физики, а не квантовой.

^{расширение «Предела круга III» Эшера демонстрирует его фрактальную, повторяющуюся природу}

Легко понять, почему фракталы используются для объяснения сложности человеческого сознания. Они бесконечно сложны и позволяют сложности возникать из простых повторяющихся шаблонов. Фракталы вполне могут быть структурами, повторяющими таинственные глубины нашего разума.

Если предположение верно, то это может происходить только на квантовом уровне, где крошечные частицы движутся во фрактальных структурах внутри нейронов мозга. Вот почему предложение Пенроуза и Хамероффа называется теорией «квантового сознания».

Квантовое сознание

Мы еще не можем измерить поведение квантовых фракталов в мозге - если они вообще существуют, но передовые технологии позволяют нам измерять квантовые фракталы в лаборатории. В недавнем исследовании с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) мы с моими коллегами из Утрехта тщательно расположили электроны во фрактальном узоре, создав квантовый фрактал.

Когда мы затем измерили волновую функцию электронов, которая описывает их квантовое состояние, мы обнаружили, что они тоже жили во фрактальной размерности, продиктованной созданным нами физическим паттерном. В данном случае паттерн, который мы использовали в квантовой шкале, был треугольником Серпинского. 

Это было захватывающее открытие, но методы СТМ не могут показать нам, как движутся квантовые частицы, что в свою очередь могло бы дать нам большее понимание о квантовых процессах, которые могут происходить в мозге. В нашем последнем исследовании мы с моими коллегами из Шанхайского университета Цзяотун пошли еще дальше. Используя современные эксперименты по фотонике, мы смогли выявить квантовое движение, происходящее внутри фракталов, с беспрецедентной детализацией.

Мы достигли этого, введя фотоны (частицы света) в искусственный чип, который был тщательно сконструирован в крошечный треугольник Серпинского. Мы вводили фотоны в вершину треугольника и наблюдали, как они распространяются по его фрактальной структуре в процессе, называемом квантовым переносом. Затем мы повторили этот эксперимент с двумя разными фрактальными структурами, каждая из которых имеет форму квадрата, а не треугольника. И в каждой из этих структур мы провели сотни экспериментов.

^{Мы также провели эксперименты с квадратным фракталом, называемым ковром Серпинского}

Наши наблюдения в ходе этих экспериментов показывают, что квантовые фракталы на самом деле ведут себя иначе, чем классические. В частности, мы обнаружили, что распространение света по фракталу определяется другими законами в квантовом случае по сравнению с классическим случаем.

Это новое знание квантовых фракталов может дать ученым основу для экспериментальной проверки теории квантового сознания. Если в один прекрасный день из человеческого мозга будут взяты квантовые измерения, их можно будет сравнить с нашими результатами, чтобы определенно решить, является ли сознание классическим или квантовым явлением.

Наша работа также может иметь серьезные последствия для разных областей науки. Изучая квантовый перенос в наших искусственно созданных фрактальных структурах, мы, возможно, сделали первые крошечные шаги к объединению физики, математики и биологии, что могло бы значительно обогатить наше понимание мира вокруг нас, а также мира, который существует в наших головах. 

 19 июля 2021, Кристиан де Мораис Смит , Утрехтский университет

The Nobel Prize in Physics 2020

The Nobel Prize in Physics 2020 was divided, one half awarded to Roger Penrose "for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity", the other half jointly to Reinhard Genzel and Andrea Ghez "for the discovery of a supermassive compact object at the centre of our galaxy"