Квантовый компьютер в человеческом мозге?

Материал подготовлен редакцией ИноСМИ специально для раздела РИА Наука >>

Лоран Сакко (Laurent Sacco)

20 лет назад математик Роджер Пенроуз и анестезиолог Стюарт Хамерофф заложили основы теории работы человеческого мозга и сознания. Один из ее элементов подразумевал существование квантовых состояний, которые обладают сопротивляемостью декогеренции во внутренней структуре нейронов. В недавней статье об их теории ученые утверждают, что им удалось найти весомые аргументы в пользу этой гипотезы. Однако хотя оба они пользуются большим уважением в научных кругах, их предположения пока что воспринимают весьма скептически.

Почти 20 лет назад великий математик и физик Роджер Пенроуз опубликовал книгу, которая стала результатом его размышлений о природе разума и сознания. Кроме того, в этом произведении под названием «Тени разума: В поисках науки о сознании» (Shadows of the Mind: A Search for the Missing Science of Consciousness) он говорил о ряде идей, которые предложил в 1980-х годах анестезиолог Стюарт Хамерофф. В частности, там значилось утверждение о том, что теорема Геделя о неполноте противоречила выводам работ Алана Тьюринга об искусственном интеллекте: речь идет о том, что расчеты на достаточно сложной машине могут привести к появлению осознанного человеческого разума. 

По мнению Пенроуза, полученные Геделем результаты подразумевали, что разум и сознание человека невозможно свести к расчетам. Таким образом, он присоединился к лагерю тех, кто считает, что «трудную проблему сознания», по выражению австралийского философа Дэвида Чалмерса, нельзя решить путем сведения сознания к исполнению определенных алгоритмов. Другими словами, хотя мы и можем связать математическую структуру с восприятием звука или цвета, оно не может сводиться к этой самой структуре и расчету, точно так же, как симуляция звезды, циклона или электромагнитной волны на компьютере не создает эти объекты в реальной действительности. Кроме того, как и другие ученые до него (Эйнштейн, Шредингер и Белл), Пенроуз тем самым выразил свою неудовлетворенность текущим состоянием квантовой физики. 

Новая квантовая физика

Как известно, в квантовой механике амплитуда вероятности физической системы (иначе она еще называется вектором волновой функции) меняется четко определенным образом, так как управляется всего одним законом: уравнением Шредингера. Тем не менее, когда нам нужно измерить некую физическую величину системы, например, расположение электрона или его спин, в действие вступает и второй закон, в результате чего волновая функция меняется резким и неопределенным образом. Все это немного напоминает то, как если бы попытка установить наличие определенной ноты в музыкальном отрывке в виде расходящихся вокруг фортепиано сферических звуковых волн приводила бы к исчезновению всех остальных нот кроме одной, которая выбиралась по закону вероятности.

Потребовалось бы несколько книг для того, чтобы рассмотреть все проблемы, которые были подняты, как говорят физики, «редукцией волнового пакета»: она тесно связана с введением амплитуд вероятности и просто законов вероятности в квантовой физике. В частности, она привела к возникновению парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена и парадоксу кота Шредингера. Как подробно расписывает ситуацию в книге Пенроуз, он признает обоснованность теории декогеренции по поводу парадокса кота Шредингера, он полагает (и в этом он не одинок), что проблема пока что полностью не решена.

По его мнению, нам нужна некая новая физика (как следствие квантовой теории гравитации, которой стандартная квантовая механика должна давать лишь приблизительные значения), если мы на самом деле хотим решить все загадки и преодолеть все сложности, которые ставят перед нами некоторые аспекты квантовой теории. Кроме того, эта новая физика должна содержать в себе математические элементы, которые нельзя будет свести к алгоритмам, как следует из восприятия Пенроузом теоремы Геделя. Наконец, она смогла бы пролить свет на трудную проблему сознания.

Квантовые клеточные автоматы в нейронах

По итогам таких размышлений, которые он представил в несколько сокращенной версии в книге «Новый ум короля. О компьютерах, мышлении и законах физики» (The Emperor`s New Mind. Concerning Computers, Minds and The Laws of Physics), Пенроуз обратился к Стюарту Хамероффу. Тот рассуждал об этих попытках как биолог и анестезиолог: тем самым он пытался понять работу мозга и физические основы сознания. Объединив усилия, ученые предложили следующую теорию.

Они взяли за основу утверждение о том, что большая часть работы нашего мозга прекрасно объясняется с помощью законов классической физики, в частности, на уровне коннектома, то есть нейронных связей. Тем не менее на уровне связей синапсов появляется нечто новое. Эти связи ощущают на себе серьезное воздействие структур, которые обнаруживаются в цитоскелете нейронов: речь идет о микротрубочках. Они представляют собой нечто вроде волокон, которые состоят из димеров тубулина (эти протеины обладают дипольным моментом). По мнению Пенроуза и Хамероффа, эти обладающие поляризационными свойствами белки превращают микротрубочки в нечто вроде клеточных автоматов, которые способны накапливать кубиты и осуществлять расчеты помимо тех, что обычно приписываются нейронной сети. Если это действительно так, то возможности человеческого мозга по обработке информации значительно выше, чем принято считать сегодня. Кроме того, это еще больше отдаляет перспективу создания достаточно мощного компьютера, которому было бы под силу правильно симулировать его работу. 

Микротрубочки — квантовые компьютеры?

Кроме того, (этот момент навлекает на себя главную критику в научном сообществе) Пенроуз и Хамерофф заявили, что микротрубочки могут представлять собой эффективные квантовые компьютеры, хотя теория декогеренции утверждает, что это невозможно. Клетки мозга и микротрубочки обладают слишком высокой температурой и слишком сильно подвержены воздействию окружающих шумов, что дает недостаточно времени для проведения долгих квантовых расчетов. Другими словами, даже если мы опускаемся до уровня тибулинов, объекты, с которыми нам приходится иметь дело, все равно слишком горячи и велики для проявления квантовых свойств. 

Как бы то ни было, Пенроуз и Хамерофф ответили, что здесь мы не можем быть в чем-то уверенными. Нам известно, что на макроскопическом уровне объектам может быть свойственно квантовое поведение, которое проявляется в таких свойствах, как сверхпроводимость и сверхтекучесть (пока что речь действительно идет лишь о крайне низких температурах, однако в перспективе ученые надеются создать сверхпроводники, которые могли бы работать и при обычных условиях). Кроме того, мы знаем, что эффект Эйнштейна — Подольского — Розена на самом деле работает, несмотря на расстояние в несколько метров между квантовыми системами. Признаки квантовой когеренции свойственны также биологическим системам и наблюдаются в них при низкой температуре уже несколько лет. В частности, это касается фотосинтеза. Не исключено, что эволюции удалось обойти препятствие квантовой декогеренции.

Тени физики разума

Существует в теории Пенроуза и Хамероффа и одна еще более спорная гипотеза. Если квантовые расчеты действительно осуществляются в микротрубочках, они находятся под воздействием квантовой гравитации, а та в свою очередь задействует процессы, которые не согласуются с расчетом Пенроуза за пределами традиционной квантовой механики. В частности это происходит на уровне редукции волнового пакета при замерах данных с так называемой объективной редукцией. 

По мнению Пенроуза (как, впрочем, и Эйнштейна, и таких признанных физиков, как Джон Белл и Герард'т Хоофт), имеющаяся в нашем распоряжении в данный момент квантовая физика может стать всего лишь частичным (пусть и весьма эффективным на практике) решением проблем квантования энергии и корпускулярно-волнового дуализма. Таким образом, на более глубоком уровне действительности существует еще неизвестная нам физика сознания (она включает в себя и классическую квантовую теорию): в данный момент мы видим лишь ее тень в коннектоме и микротрубочках. Как существование пространственно-временных категорий становится по-настоящему ощутимым, когда мы приближаемся к скорости света и интенсивным гравитационным полям, так и физика разума раскрывает себя лишь при рассмотрении очень сложных объектов.

Научные спекуляции и псевдонаука

Как легко догадаться, здесь мы подходим к самым вершинам научных спекуляций, где риск потеряться среди метафизических и ненаучных соображений особенно велик. Кроме того, как все мы знаем, некоторые известные ученые вроде Джона Хагелина и лауреата Нобелевской премии Брайана Джозефсона теперь оперируют одной лишь псевдонаукой, когда пытаются подойти к рассмотрению проблемы физических основ сознания.

Гипотезы Пенроуза и Хамероффа сегодня воспринимаются в научном сообществе весьма критически, однако оно не считает, что эти специалисты пересекли запретную красную линию. Скорее складывается впечатление, что их предложения находятся на одном уровне с размышлениями Шредингера в его знаменитой книге «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки» (What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell) 1944 года: высказанные им теории помогли пионерам молекулярной биологии продвинуться к открытию ДНК. 

Признаки квантовой когеренции в микротрубочках

В прошлом году Пенроуз и Хмерофф опубликовали в Physics of Life Reviews статью об их теории происхождения сознания. В журнале вышло несколько статей с комментариями и критикой их теории, а также их ответы. Как бы то ни было, прискорбно видеть среди этих статей публикацию известного американского врача Дипака Чопры, который отметился более чем сумбурными теориями. Однако самое удивительное в том, что Пенроуз и Хамерофф сегодня говорят о признаках наличия квантовой когеренции в микротрубочках. В этом они основываются на работах индийского специалиста Анирбана Бандиопадхая, который вот уже несколько лет занимается изучением микротрубочек совместно с коллегами из Национального института материаловедения из японской Цукубы. 

Статьи Пенроуза и Хамероффа по-настоящему озадачивают, потому что лишь обширные знания квантовой физики, нейробиологии и физики твердого тела могли бы позволить с точностью указать на то, чему можно верить в выдвинутых ими теоретических конструкциях. Сложно сказать, присутствуем ли мы при первых серьезных шагах к изменениям в научной парадигме (сравнимых по масштабам с революцией в биологии в 1940-х годах) или же речь попросту идет о множестве неудачных попыток блестящих ученых развеять завесу тайны в отношениях между разумом и материей. В любом случае Пенроуз и Хамерофф определенно идут по стопам Шредингера, Паули, Вигнера и Линде в физике и Альфреда Уайтхеда и Карла Поппера в философии. Будем надеяться, что работы в области квантовых компьютеров помогут нам расширить наше понимание этих вопросов в ближайшие десятилетия.

Рассуждения Пенроуза и Хамероффа дают пищу для размышлений, но мы все равно до сих пор остаемся на стадии рабочих гипотез, которые нужно развивать и проверять на практике (оба ученых, кстати, вовсе не пытаются отрицать этот факт). Сейчас они напоминают эквилибристов, которые пытаются не свалиться в яму псевдонаучной квантовой мистики и не угодить в капкан боязливого позитивизма, отказываясь искать новые и опасные пути на terra incognita под названием физика разума. 

Оригинал публикации Des calculateurs quantiques dans le cerveau?