Kto jest świadomy? My czy czasoprzestrzeń?
Cytowany w grudniowym numerze "New Scientist" anestezjolog z Arizony, Stuart Hameroff, twierdzi już od wielu lat, że mikrotubule - włókniste struktury o średnicy 20-27 nm, powstające w wyniku polimeryzacji białka tubuliny, a pełniące funkcję cytoszkieletu nadającego kształt komórce, w tym także komórce nerwowej (1) - istnieją w "superpozycjach" kwantowych, co pozwala im mieć dwa różne kształty jednocześnie. Każdy z owych kształtów wiąże się z określoną ilością informacji, kubitem, w tym przypadku przechowującym dwukrotnie więcej danych niż wynikałoby to z klasycznego rozumienia tego układu. Jeśli dodamy do tego zjawisko splątania kubitów, czyli oddziaływania cząstek niebędących w bezpośrednim sąsiedztwie, to rysuje się model funkcjonowania mózgu jako kwantowego komputera, który opisywał słynny fizyk Roger Penrose. Hameroff nawiązał zresztą z nim współpracę, tłumacząc w ten sposób niezwykłą szybkość, elastyczność i wszechstronność mózgu.
Świat wymiarów Plancka
Zdaniem zwolenników teorii kwantowego umysłu, zagadnienie świadomości związane jest ze strukturą czasoprzestrzeni w skali Plancka. Wskazali na to po raz pierwszy, w swych pracach na początku lat 90. ubiegłego wieku, wspomniani naukowcy - Penrose i Hameroff (2). Według nich, jeżeli mamy zaakceptować kwantową teorię świadomości, to musimy wybrać przestrzeń, w której przebiegają procesy kwantowe. Może być nią mózg - w ujęciu teorii kwantowej czterowymiarowa czasoprzestrzeń, która ma swoją wewnętrzną strukturę o niewyobrażalnie małej skali, rzędu 10-35 metra (długość Plancka). Przy tego rodzaju odległościach czasoprzestrzeń przypomina gąbkę, której bąbelki mają objętość
10-105 m3 (atom przestrzennie prawie w stu procentach składa się z próżni kwantowej). Według współczesnej wiedzy, taka właśnie próżnia gwarantuje stabilność atomów. Jeżeli świadomość jest również umocowana w próżni kwantowej, to może ona wpływać na własności materii.
Obecność mikrotubuli w hipotezie Penrose'a - Hameroffa modyfikuje lokalnie czasoprzestrzeń. Ona "wie" o tym, że jesteśmy i może na nas wpływać, zmieniając kwantowe stany w mikrotubulach. Da się z tego wywieźć egzotycznie brzmiące wnioski. Na przykład takie, że wszelkie zmiany struktury materii w naszej części czasoprzestrzeni dokonane przez świadomość, bez opóźnienia w czasie, teoretycznie mogłyby zostać odnotowane w dowolnie odległej części czasoprzestrzeni, np. w innej galaktyce.
Hameroff w wielu wywiadach prasowych propaguje teorię panpsychizmu, polegającą na przyjęciu, iż istnieje rodzaj świadomości obecny we wszystkim dookoła. To stary pogląd, który został odnowiony w XVII stuleciu przez Spinozę. Inne pochodne pojęcie - panprotopsychizm - zostało wprowadzone przez filozofa Davida Chalmersa. Wymyślił ją jako nazwę koncepcji, zgodnie z którą istnieje "dwuznaczny" byt, potencjalnie świadomy, lecz stający się rzeczywiście świadomy dopiero, gdy zostaje aktywowany lub udostępniony. Kiedy np. protoświadome byty podlegają aktywacji, lub gdy mózg uzyskuje do nich dostęp, stają się one świadome i wzbogacają procesy nerwowe doświadczeniem. Zdaniem Hameroffa, panprotopsychiczne byty mogą zostać pewnego dnia opisane w terminach podstawowej dla Wszechświata fizyki (3).
Kolapsy małe i duże
Roger Penrose z kolei dowodzi, na bazie teorii Kurta Gödla, iż pewne czynności wykonywane przez umysł są nieobliczalne. Wskazuje, iż nie można wyjaśnić ludzkiej myśli algorytmicznie, i w celu wytłumaczenia tej nieobliczalności trzeba odwołać się do kolapsu kwantowej funkcji falowej i grawitacji kwantowej. Przed laty Penrose zastanawiał się, czy może zaistnieć superpozycja kwantowa neuronów naładowanych lub rozładowanych. Myślał, że neuron mógłby się równać kwantowemu komputerowi w mózgu. Bity w klasycznym komputerze znajdują się zawsze w stanie "włączony" lub "wyłączony", "zero" lub "jeden". Komputery kwantowe operują zaś kubitami, które mogą znajdować się w superpozycji równocześnie zarówno "zero", jak i "jeden".
Penrose uważa, iż masa jest równoważna zakrzywieniu w czasoprzestrzeni. Wystarczy pomyśleć o czasoprzestrzeni w uproszczeniu, jako dwuwymiarowej kartce. Wszystkie trzy wymiary przestrzenne są skompresowane na osi X, a czas znajduje się na osi Y. Masa w jednym położeniu jest zakrzywieniem tej kartki w jednym kierunku, a masę w innym położeniu stanowi zakrzywienie w innym kierunku. Istotą jest to, iż masa, położenie lub stan korespondują z określoną krzywizną w fundamentalnej geometrii czasoprzestrzennej, charakteryzującej Wszechświat w bardzo małej skali. Tak więc jakaś masa w superpozycji oznacza jednocześnie krzywiznę w dwóch lub więcej kierunkach, co jest równoznaczne z bąblem, wybrzuszeniem lub oddzieleniem w czasoprzestrzennej geometrii. Zgodnie z teorią wielu światów, gdy ma to miejsce, może powstać cały nowy wszechświat - czasoprzestrzenne kartki oddzielają się i rozwijają indywidualnie.
Penrose zgadza się z tą wizją do pewnego stopnia. Jest jednak przekonany, że bąbel jest niestabilny, a więc kolapsuje w jeden lub inny świat po danym czasie, pozostającym w pewnej relacji do skali oddzielenia lub rozmiaru czasoprzestrzennego bąbla. Nie zachodzi zatem konieczność przyjmowania wielu światów, lecz tylko niewielkich obszarów, w których nasz Wszechświat jest postrzępiony. Używając zasady nieokreśloności, fizyk stwierdził, że wielkie oddzielenie będzie kolapsowało szybko, a małe wolno. A więc mała cząsteczka, jak atom, może pozostawać w superpozycji przez bardzo długi czas, powiedzmy 10 mln lat. Ale duży byt, taki jak kilogramowy kot, jest w stanie pozostawać w superpozycji tylko przez 10-37 s - nie dostrzegamy więc zbyt często kotów w superpozycji.
Wiemy, że procesy mózgowe trwają od dziesiątek do setek milisekund. Przykładowo, w oscylacjach 40 Hz ich trwanie, czyli interwał, wynosi 25 milisekund. Rytm alfa w elektroencefalogramie wynosi 100 milisekund. Dla tej skali czasowej potrzebne są nanogramy masy w superpozycji. W przypadku mikrotubuli potrzebnych byłoby 120 mld tubulin w superpozycji, czyli ich liczby w 20 tys. neuronów, co jest odpowiednią liczbą neuronów dla zdarzeń umysłowych.
Naukowcy opisują to, co hipotetycznie może dziać się w trakcie świadomego zdarzenia. W tubulinach ma miejsce obliczanie kwantowe, które prowadzi do kolapsu według modelu redukcji Rogera Penrose'a. Każdy kolaps stanowi podstawę powstania nowego wzoru konfiguracji tubulinowych, które z kolei determinują sposób kontroli funkcji komórkowych na synapsach przez tubuliny itd. Ale każdy kolaps tego typu stanowiłby także przeorganizowanie fundamentalnej geometrii czasoprzestrzennej i umożliwia uzyskanie dostępu lub zaktywizowanie bytów osadzonych na tym poziomie.
Penrose i Hameroff nazwali swój model skomponowaną redukcją obiektywną (Orch-OR - orchestrated objective reduction), ponieważ istnieje tam sprzężenie zwrotne pomiędzy biologią i "harmonią" lub "kompozycją" oscylacji kwantowych. Ich zdaniem, występują alternatywne fazy izolacji i komunikacji - zdeterminowane przez stany żelowania wewnątrz cytoplazmy otaczającej mikrotubule, pojawiające się co ok. 25 milisekund. Następstwo tych "świadomych zdarzeń" prowadzi do powstania naszego strumienia świadomości. Odbieramy to jako ciągłość podobnie, jak film wydaje się ciągłym, choć pozostaje serią osobnych klatek.
A może jeszcze niżej
Fizycy jednak byli i są sceptyczni wobec kwantowych hipotez dotyczących mózgu. Nawet bowiem w laboratoryjnych warunkach kriogenicznych utrzymanie koherencji stanów kwantowych dłużej niż ułamek sekundy to wielkie wyzwanie. A co dopiero w ciepłej i wilgotnej tkance mózgowej?
Hameroff uważa, iż aby uniknąć dekoherencji z powodu wpływów otoczenia, superpozycja kwantowa musi pozostać izolowana. Wydaje się bardziej prawdopodobne, że izolacja mogłaby pojawić się wewnątrz komórki w cytoplazmie, gdzie np. wspomniane już żelowanie wokół mikrotubuli może je chronić. Dodatkowo mikrotubule są o wiele mniejsze od neuronów i strukturalnie spójne jak kryształ. Skala rozmiaru jest istotna, gdyż przyjmuje się, że mała cząsteczka, taka, jaką jest elektron, może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie. Im coś staje się większe, tym trudniej w laboratorium sprawić, by znalazło się w dwóch miejscach na raz.
Jednak zdaniem Matthew Fishera z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, cytowanego w tym samym grudniowym artykule "New Scientist", problem koherencji mamy szansę rozwiązać dopiero wtedy, jeśli zejdziemy niżej, na poziom spinów atomowych. Konkretnie ma on na myśli spin w jądrach atomowych fosforu występującego w cząsteczkach związków chemicznych ważnych dla funkcjonowania mózgu. Fisher zidentyfikował pewne reakcje chemiczne, zachodzące w mózgu, wytwarzające teoretycznie fosforanowe jony w stanach splątania. Sam Roger Penrose uznał te obserwacje za obiecujące, choć wciąż woli hipotezę mikrotubuli.
Z hipotez na temat kwantowego podłoża świadomości wynikają interesujące konsekwencje dla perspektyw rozwoju sztucznej inteligencji. Zgodnie z nimi prawdziwie świadomej AI (4) nie mamy szans zbudować na bazie klasycznej, opartej na krzemie i tranzystorach technologii. Dopiero komputery kwantowe - i to nie te obecnej ani nawet kolejnej generacji - otworzą drogę do "prawdziwego", czyli świadomego, syntetycznego mózgu.
