Автор: Дионис Диметор. «Поскольку квантовая теория является наиболее фундаментальной теорией материи, доступной в настоящее время, вполне закономерен вопрос, может ли квантовая теория помочь нам понять сознание» (Харальд Атманспахер).

Для непосвящённых в квантовую биологию фраза «квантовое сознание» звучит как совершенно тривиальное утверждение. В конце концов, мозг, как и всё в этом мире, состоит из элементарных частиц, которые представляют собой колебания квантовых полей и подчиняются законам квантовой механики. Отсюда можно заключить, что и сознание имеет квантовую природу. Но дело в том, что мозг – макроскопический объект, и любой грамотный физик скажет, что квантовыми эффектами на таком масштабе можно смело пренебречь. В среднем размеры нейрона (4–100 мкм) на 5 порядков больше размеров молекулы (для воды – 0,3 нм) – настолько же, насколько нейрон меньше человека. А если учесть температуру, при которой работает мозг, и тепловые колебания всех его атомов и молекул, ни о каком квантовом сознании не может быть и речи. Однако в действительности не всё так просто. Невозможность поддержания в мозге квантовой когерентности не исключает случайного влияния отдельных квантовых событий на активацию нейронов и работу нейросетей – об этом говорят гипотезы критического мозга, нейронных лавин и эфаптической передачи.

Гипотезу квантового сознания правильнее называть гипотезой квантовой психики, поскольку речь идет не только о сознании, но и обо всей совокупности психических актов. Есть и более широкий термин «гипотеза квантового мозга», охватывающий все аспекты работы центральной нервной системы. У этой гипотезы есть как сторонники, так и противники. Первые настаивают на возможности амплификации квантовых свойств до макроуровней организации мозга, или, проще говоря, верят в ощутимое влияние квантово-механических явлений на наше психологическое состояние и поведение. Их оппоненты утверждают, что термодинамические условия функционирования мозга препятствуют проявлению квантовых эффектов на макроскопических масштабах: все квантовые события в нервной ткани статистически усредняются и нивелируются, не играя никакой роли в нашей психической жизни. На сегодняшний день доминирующей является позиция скептиков, но мы разберём аргументы обеих сторон и экспериментальные факты, свидетельствующие как в пользу, так и против квантовой гипотезы мозга.

Квантовая биология

Квантовая биология – молодая междисциплинарная наука, изучающая роль квантовых явлений в функционировании биологических организмов. До недавнего времени считалось, что это вообще невозможно: даже самые мелкие клетки на много порядков больше атомов и молекул, из которых они состоят, не говоря уже о субатомных частицах. Поэтому учёные были уверены, что жизнь можно полностью описать в рамках классической механики и электродинамики, а квантовыми эффектами на её масштабах можно смело пренебречь, как и гравитацией. Даже когда появились такие научные направления, как синергетика и теория хаоса, предложившие механизм усиления квантовых флуктуаций, никто всерьёз не рассматривал возможность их использования на клеточном уровне: в лучшем случае им находили применение в описании поведения больших скоплений животных. Когда биологи впервые выдвинули гипотезу об участии квантовой когерентности в процессе фотосинтеза, специалисты по квантовым вычислениям из Массачусетского технологического института подняли их на смех. Но очень скоро физики сами занялись этим вопросом и убедились в своей ошибке. Оказалось, что квантовые феномены действительно играют немаловажную роль в поддержании жизнедеятельности животных и растений.

Учёные уже давно догадывались, что туннельный эффект играет определённую роль в мутациях ДНК и в работе ферментов – катализаторов химических реакций в клетке. В 1963 г. Пер-Олов Лёвдин предположил, что туннелирование протонов является одним из механизмов мутации ДНК, и впервые употребил словосочетание «квантовая биология». В 1979 г. украинский физик Александр Давыдов опубликовал первый учебник по квантовой биологии – «Биология и квантовая механика». Но большинство исследований в этой области было проведено уже в XXI веке.

В книге «Жизнь на грани» Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден приводят множество примеров проявления квантовых эффектов в биологии:

1. А. Чену и Г. Шолз обнаружили долгоживущую квантовую когерентность при переносе электронов в фотосинтезирующих бактериях и морских водорослях. Более того, подтвердилось предположение о том, что бактерии реализуют алгоритм квантового поиска (точнее, квантового блуждания), когда переносящий энергию электрон движется одновременно в нескольких направлениях, находя кратчайший путь через хлорофилл до реакционного центра.
2. Эксперименты В. Ловенштайна с использованием методов спектроскопии высокого разрешения и ядерного магнитного резонанса выявили признаки квантовой когеренции в молекулах белка родопсина – основного зрительного пигмента, выполняющего функцию фоторецепции в клетках-палочках.
3. В. ван Натерс и Х. Бокил изучали эфаптическую передачу сигнала между немиелинизированными нейронами в обонятельной системе млекопитающих, объясняющую способность этой системы воспринимать самое ничтожное количество молекул вещества. М. Пленио и С. Хелга предположили, что важную роль в обнаружении одорантов (примесей к газу) обонятельными рецепторами играет туннелирование электронов («Нос, очевидно, – вибрационный спектрометр – заключил Сет Ллойд).
4. Х. Хискок с коллегами допускают, что долгоживущие квантовые спутанности в криптохромах сетчатки поддерживают чувствительность глаза некоторых птиц (например, малиновки) к магнитным полям, позволяя птицам ориентироваться во время сезонных миграций: «…На основании компьютерного моделирования мы показываем, что подлинно квантово-механические долгоживущие спиновые когерентности в реалистичных моделях криптохрома могут обеспечить необходимую точность навигации птиц».

Квантовые эффекты в биологии

В целом основной вывод квантово-биологических исследований можно передать словами Влатко Ведрала: «Физики думали, что суета живых клеток затмит квантовые явления. Теперь они обнаружили, что клетки могут подпитывать эти явления и использовать их». И всё же квантовая физика объясняет лишь единичные биологические процессы. Квантовая биология является скорее исключением, чем правилом. Если в механизме фотосинтеза передача энергии происходит с участием частиц, находящихся в суперпозиции, это ещё не повод называть все растения квантовыми компьютерами. Как пишет Маркус Арндт, «в настоящее время экспериментальные демонстрации квантовой когерентности в биологии все еще ограничены уровнем нескольких молекул. Это включает, например, всю квантовую химию, туннельные процессы, транспорт когерентного возбуждения и локальные спиновые эффекты». Вполне может оказаться и так, что квантовая физика играет роль в фотосинтезе растений, магниторецепции некоторых животных и даже в обонянии, но не имеет никакого отношения к сознанию. Но это не значит, что мозг устроен примитивнее, чем фотосинтезирующие бактерии, глаза птиц или органы обоняния.

Теория квантового нейрокомпьютинга Хамероффа-Пенроуза

Гипотезу квантового сознания предложил в начале 90-х гг. известный физик и математик из Оксфорда Роджер Пенроуз в своих книгах «Тени разума» и «Новый ум короля».