Один из самых важных открытых вопросов в науке - как устроено наше сознание . 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 объяснить загадочную сложность человеческого сознания.
Пенроуза и Хамероффа встретили недоверчиво. Законы квантовой механики обычно применяются только при очень низких температурах . Квантовые компьютеры , к примеру, в настоящее время действуют на уровне около -272 ° C . При более высоких температурах преобладает классическая механика.
Поскольку наше тело работает при комнатной температуре, можно ожидать, что оно подчиняется классическим законам физики. По этой причине многие ученые категорически отвергли теорию квантового сознания, хотя другие убеждены, что ее сторонники.
Мозги 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 шаблону, 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 представляют собой красивые узоры, которые бесконечно повторяются, порождая то, что кажется невозможным: структуру с конечной площадью, но бесконечным периметром.
Легко понять, почему фракталы использовались для объяснения сложности человеческого сознания. Поскольку они бесконечно сложны, позволяя сложности возникать из простых повторяющихся шаблонов, они могут быть структурами, поддерживающими таинственные глубины нашего разума.
Но если это так, то это может происходить только на квантовом уровне, когда 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 мозгу - если они вообще существуют. Но передовые технологии означают, что теперь мы можем измерять квантовые фракталы в лаборатории. В недавнем исследовании с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) ученые из Утрехта тщательно расположили электроны во фрактальном узоре, создав квантовый фрактал.
Затем, когда они измерили волновую функцию электронов, которая описывает их квантовое состояние, обнаружили, что они тоже жили во фрактальной размерности, продиктованной созданным нами физическим паттерном. В данном случае паттерн, который они использовали в квантовой шкале, был треугольником Серпинского , который представляет собой форму, находящуюся где-то между одномерным и двухмерным.
Это было захватывающее открытие, но методы СТМ не могут исследовать, как движутся квантовые частицы, что могло бы рассказать нам больше о том, как квантовые процессы могут происходить в мозге. Итак, в их последнем исследовании они с коллегами из Шанхайского университета Цзяотун пошли еще дальше. Используя современные эксперименты по фотонике, смогли выявить квантовое движение, происходящее внутри фракталов, с беспрецедентной детализацией.
Достигли они этого, введя фотоны (частицы света) в искусственный чип, который был тщательно сконструирован в крошечный треугольник Серпинского.
Вводили они фотоны в вершину треугольника и наблюдали, как они распространяются по его фрактальной структуре в процессе, называемом квантовым переносом. Затем повторили этот эксперимент с двумя разными фрактальными структурами, каждая из которых имеет форму квадрата, а не треугольника. И в каждой из этих структур они провели сотни экспериментов.
Наши наблюдения в ходе этих экспериментов показывают, что квантовые фракталы на самом деле ведут себя иначе, чем классические. В частности, было обнаружено, 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 их результатами, чтобы определенно решить, является ли сознание классическим или квантовым явлением.
Их работа также может иметь серьезные последствия для разных областей науки. Изучая квантовый перенос в искусственно созданных фрактальных структурах, они, 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.
