Расширение предела круга Эшера III показывает его фрактальную, повторяющуюся природу
© Владимир-Булатов / Deviantart, CC BY-NC-SA
Расширение предела круга Эшера III показывает его фрактальную, повторяющуюся природу
Один из самых важных открытых вопросов в науке — как устроено человеческое сознание. В 1990-х годах, задолго до получения Нобелевской премии по физике 2020 года «за открытие того, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности», 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, например, в настоящее время работают при температуре около -272 ° C. При более высоких температурах берет верх 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.

Вместо того чтобы вступать в эту дискуссию, я решил объединить усилия с коллегами из Китая во главе с профессором Сянь-Минь Цзинь из Шанхайского университета Цзяотун, чтобы проверить некоторые принципы, лежащие в основе квантовой теории сознания.

В нашей новой статье мы исследовали, как квантовые частицы могут перемещаться в сложной структуре, такой как мозг, но в лабораторных условиях. Если наши открытия однажды можно будет сравнить с активностью, измеренной в мозге, мы сможем приблизиться на один шаг к подтверждению или отклонению противоречивой теории Пенроуза и Хамероффа.

Мозг 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 возникают как красивые узоры, которые бесконечно повторяются, порождая то, что кажется невозможным: структуру с конечной площадью, но бесконечным периметром.

Это может показаться невозможным для визуализации, но на самом деле фракталы часто встречаются в природе. Если вы внимательно посмотрите на соцветия цветной капусты или ветви папоротника, вы увидите, что они состоят из одной и той же основной формы, повторяющейся снова и снова, но в меньших и меньших масштабах. Это ключевая характеристика фракталов.

То же самое происходит, если вы заглядываете внутрь собственного тела: например, структура ваших легких фрактальна, как и кровеносные сосуды в вашей системе кровообращения. Фракталы также присутствуют в очаровательных повторяющихся картинах М.С. Эшера и Джексона Поллока, и они десятилетиями использовались в технологиях, например, в конструкции антенн.

Все это примеры классических фракталов — фракталов, подчиняющихся законам классической физики, а не квантовой физики.

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 фрактальными узорами 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 с помощью передовых технологий мы можем измерять квантовые фракталы в лаборатории. В недавнем исследовании с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) мы с моими коллегами из Утрехта аккуратно расположили электроны во фрактальном узоре, создав квантовый фрактал.

Когда измерили волновую функцию электронов, которая описывает их квантовое состояние, мы обнаружили, что они тоже находились во фрактальной размерности, продиктованной созданным нами физическим паттерном. В данном случае паттерн, который использовали в квантовой шкале, был треугольником Серпинского, представляющий собой форму, находящуюся где-то между одномерным и двухмерным.


Это было захватывающим открытием, 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 нашем последнем исследовании мы с моими коллегами из Шанхайского университета Цзяотун пошли еще дальше. Используя современные эксперименты по фотонике, мы смогли выявить квантовое движение, происходящее внутри фракталов, с беспрецедентной детализацией.

Мы достигли этого, введя фотоны (частицы света) в искусственный чип, который был установлен в крошечный треугольник Серпинского.

Мы направляли фотоны в вершину треугольника и наблюдали, как они распространяются по его фрактальной структуре в процессе, называемом квантовым переносом. Затем мы повторили этот эксперимент с двумя разными фрактальными структурами, каждая из которых имеет форму квадрата, а не треугольника. И в каждой из этих структур мы провели сотни экспериментов.

Наши наблюдения в ходе этих экспериментов показывают, что квантовые фракталы на самом деле ведут себя иначе, чем классические. В частности, мы обнаружили, 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 на человеческом мозге будут проведены квантовые измерения, их можно будет сравнить с нашими результатами, чтобы определенно решить, является ли сознание классическим или квантовым явлением.

Наша работа также может иметь серьезные последствия для разных областей науки. Изучая квантовый перенос в наших искусственно созданных фрактальных структурах, мы, возможно, сделали первые 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...

Кристиан де Мораис Смит, профессор теоретической физики Утрехтского университета.

Статья переиздана из The Conversation.