Сознание в пространственно-временном континууме

ЦитатаСтрого 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. 
Первопроходцами на этом тернистом пути оказались Ху Хупин и Ву Маосинь. 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.  Спин отвечает неотъемлемому и неизменному внутреннему вращательному состоянию, ... 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.

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. 

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.

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 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.

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 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.
С.М. Комаров  Читать полностью тут: «ХиЖ», 2022, №12