Имеет ли квантовая механика отношение к работе мозга?

Все предыдущее обсуждение нервной деятельности проводилось целиком в рамках классических представлений, за исключени­ем тех случаев, когда мы затрагивали фи­зические явления, неявные причины ко­торых отчасти обусловлены квантово-механическими эффектами (например, ионы, несущие единичные электрические заряды; натриевые и калиевые каналы; определен­ные химические потенциалы, определяю­щие триггерный характер генерации нерв­ного импульса; химия нейромедиаторов). Но нет ли таких ключевых процессов в моз­ге, которые бы непосредственно определя­лись квантово-механическими эффектами? Для того чтобы рассуждения, описанные в конце предыдущей главы, имели какой-то смысл, такие процессы, по-видимому, долж­ны существовать.

В действительности, можно указать, по крайней мере, одно место, где чисто кванто­вые явления имеют принципиальное значе­ние для нервной деятельности, — это сетча­тая оболочка глаза. (Вспомним, что сетчатка фактически входит в состав мозга!) Экс­перименты с жабами показали, что в под­ходящих условиях адаптированная к темно­те сетчатка вырабатывает макроскопический нервный импульс при попадании на нее еди­ничного фотона (Бэйлор и др. [1979]). То же, как выясняется, справедливо и для человека (Хехт и др. [1941]), хотя в этом случае суще­ствует дополнительный механизм, который подавляет подобные слабые сигналы, тем са­мым очищая воспринимаемое изображение от лишнего визуального «шума». Необходи­мо суммарное воздействие примерно семи фотонов, чтобы адаптировавшийся к темно­те испытуемый мог его ощутить. Тем не ме­нее, в нашей сетчатке, по-видимому, все-таки есть клетки, чувствительные к попада­нию только одного фотона.

Поскольку в теле человека существуют нейроны, способные срабатывать под воз­действием единичного квантового события, то вполне обоснован вопрос о наличии та­ких клеток где-нибудь в основных отделах мозга. Насколько мне известно, это пред­положение не подтвердилось. У клеток всех изученных типов есть определенный порог срабатывания и требуется очень большое чи­сло квантов, чтобы перевести клетку в воз­бужденное состояние. Однако можно бы­ло бы допустить, что где-то глубоко внутри мозга должны быть клетки, чувствительные к одиночным квантам. Если это окажет­ся верным, то квантовая механика должна играть существенную роль в деятельности мозга.

Но даже при таком положении вещей роль квантовой механики оказалась бы чи­сто номинальной, поскольку квант исполь­зуется просто как возбудитель сигнала. Ни­каких интерференционных эффектов, ха­рактерных для квантовых явлений, пока об­наружить не удалось. Похоже, что в луч­шем случае все, что мы можем получить от квантовой механики, это неопределен­ность момента срабатывания нейрона. Труд­но представить, как это может пригодится нам на практике.

Однако некоторые вопросы, имеющие к этому отношение, не так тривиальны. Для их рассмотрения обратимся вновь к сетча­той оболочке глаза. Предположим, что фо­тон попадает на сетчатку, предварительно отразившись от полупрозрачного зеркала. Состояние фотона тогда будет представлять собой сложную линейную суперпозицию со­стояний, когда он попадает в клетку сет­чатки и когда он проходит мимо клетки и вместо этого, скажем, улетает через ок­но в космос. В тот момент, когда он мог бы попасть в клетку сетчатки, до тех пор, пока выполняется ли­нейная процедура U (т. е детерминирован­ная эволюция вектора состояния по урав­нению Шредингера), мы полу­чим сложную линейную суперпозицию на­личия и отсутствия нервного сигнала. Когда это доходит до сознания наблюдателя, вос­принимается только одна из этих двух аль­тернатив, и должна использоваться другая квантовая R-процедура (редукция вектора состояния). (Говоря так, я со­знательно обхожу стороной теорию множе­ственности миров, которая имеет множе­ство своих собственных проблем!) В соот­ветствии с рассуждениями, приведенными в конце предыдущей главы, нам следует задать вопрос, достаточное ли количество материи вовлекается в прохождение сигна­ла, чтобы удовлетворялся одногравитонный критерий (см. главу 8)? Хотя при преобра­зовании энергии фотона в энергию движе­ния массы при выработке сигнала в сет­чатке достигается действительно гигантское усиление, возможно, до 10²⁰ раз, эта мас­са все же значительно меньше величины планковской массы m_P1 (примерно в 10⁸ раз). Однако нервный сигнал создает ре­гистрируемое изменяющееся электрическое поле в окружающей среде (тороидальное по­ле с осью, совпадающей с нервным во­локном, по которому оно перемещается). Это поле может вносить в окружающую сре­ду значительное возмущение, за счет че­го одногравитонный критерий будет легко удовлетворен. Таким образом, в соответ­ствии с изложенной мной точкой зрения, R-процедура могла бы выполняться задолго до того, как мы увидим или, может случить­ся, не увидим вспышку света. К тому же, для редукции вектора состояния наше сознание не требуется!

Квантовые компьютеры

Если мы все-таки предположим, что чувствительные к одиночным квантам ней­роны играют важную роль где-то в глубине нашего мозга, то возникает вопрос, какие следствия это могло бы иметь. Для начала я изложу концепцию квантового компьюте­ра, предложенную Дойчем, а затем мы выясним, можно ли ее рассматривать как имеющую отношение к теме нашей дискуссии.

Как было указано выше, главная идея состоит в использовании квантового параллелизма, в соответствии с которым два совершенно различных процесса должны рассматриваться как происходящие одновременно в виде квантовой линейной суперпо­зиции, например, фотон одновременно отражается от полупрозрачного зеркала и про­ходит через него или один и тот же фотон проходит через каждую из двух щелей. В случае квантового компьютера этими двумя различными наложенными друг на дру­га процессами будут два различных вычисления. При этом предполагается, что нас интересуют результаты не обоих вычислений, а некий результат, основанный на ча­стичной информации, полученной из суперпозиции этих процессов. Наконец, когда оба вычисления завершены, над этой парой процессов должно быть проведено соответствующее «наблюдение», позволяющее по­лучить искомый ответ. Таким образом, это устройство могло бы сэкономить время за счет выполнения двух вычислений одновременно! До сих пор не видно никакого значительного преимущества от использования такого подхода, поскольку было бы го­раздо проще непосредственно использовать два классических компьютера параллельно (или один классический параллельный компьютер), чем один квантовый. Однако ре­альные преимущества квантового компьютера могли бы проявиться при необходи­мости выполнить очень большое, возможно, неограниченно большое, количество параллельных вычислений, когда нас интересуют не их результаты сами по себе, а только подходящая комбинация результатов всех вычислений.

Принципиальное устройство квантового компьютера предполагает использование квантовой разновидности логических эле­ментов, у которых выходной сигнал явля­ется результатом «унитарной операции» над входным сигналом — операции типа U, — и вся работа компьютера состояла бы в вы­полнении операции U до самого конца вы­числений, пока конечный «акт наблюдения» не приведет к выполнению операции R.

Согласно выводам Дойча квантовые компьютеры не предназначены для выпол­нения неалгоритмических операций (т. е. действий, выходящих за пределы возмож­ностей машины Тьюринга), но способны в некоторых, очень специфических случаях, достигать более высокого быстродействия, чем обычная машина Тьюринга. Для такой блестящей идеи эти выводы представляются довольно неутешительными, но будем по­мнить о том, что пока мы стоим у самых истоков.

Какое отношение все это может иметь к работе мозга, содержащего значительное число нейронов, чувствительных к единичным квантам? Провести аналогию здесь ме­шает в первую очередь то, что квантовые эффекты быстро теряются в «шуме» — мозг слишком «горяч», чтобы квантовая коге­рентность (поведение, которое удобно опи­сывать как непрерывное действие U) сохра­нялась в нем сколько-нибудь продолжитель­ное время. В моей терминологии это означа­ло бы, что постоянно удовлетворяется одногравитонный критерий, так что операция R выполняется все время, изредка прерываясь операцией U.

Таким образом, пока у нас нет пово­да слишком надеяться на то, что квантовая механика откроет нам нечто новое о моз­ге. Возможно, мы все обречены быть про­сто компьютерами! Лично я в это не верю, но для окончательного выяснения вопроса нам необходимо идти дальше в наших ис­следованиях.

За пределами квантовой теории?

Я хочу вновь обратиться к вопросу, который проходит красной нитью через большую часть этой книги: действитель­но ли наши представления об окружающем мире, управляемом законами классической и квантовой физики в их современном по­нимании, адекватны для описания мозга и разума? «Обычное» квантовое описание нашего мозга определенно заходит в тупик, поскольку акт «наблюдения» считается важ­ной составляющей правильной интерпрета­ции общепринятой квантовой теории. Сле­дует ли считать, что мозг «наблюдает сам себя» каждый раз при осознанном воспри­ятии или возникновении мысли? Общепри­нятая теория не дает нам никаких указаний на то, каким образом квантовая механика могла бы принять это в расчет и, тем са­мым, как применить ее к мозгу в целом. Я попытался сформулировать вполне неза­висимый от сознания критерий включения операции R («одногравитонный критерий»), и если нечто подобное удалось бы развить до полностью согласованной теории, то по­явилась бы возможность построения более ясного квантового описания мозга, чем су­ществующее ныне.

Однако я считаю, что эти фундамен­тальные проблемы возникают не только при наших попытках описать деятельность моз­га. Работа самих цифровых компьютеров существенно зависит от квантовых эффек­тов, пониманию которых, по-моему мне­нию, мешают трудности, внутренне при­сущие квантовой теории. Что это за «су­щественная» квантовая зависимость? Чтобы понять роль квантовой механики в цифро­вых вычислительных машинах, мы, прежде всего, должны выяснить, как можно заста­вить полностью классический объект вести себя подобно цифровому компьютеру. В гла­ве 5 мы рассматривали классический «ком­пьютер из биллиардных шаров» Фредкина-Тоффоли; но, как мы видели, в этом теоретическом «устройстве» были исполь­зованы идеализации, позволяющие обой­ти проблему существенной нестабильности, внутренне присущей классическим систе­мам. Эта проблема нестабильности, как ука­зано выше, проявляется в эффективном увеличении фазового объ­ема эволюционирующей системы, которое почти неизбежно приводит к непрерывной потере точности операций, выполняемых классическим устройством. Именно кван­товая механика позволяет в конце концов остановить это снижение точности. В совре­менных электронных компьютерах необхо­димо существование дискретных состояний (скажем, для записи цифр 0 и 1), всегда позволяющих однозначно установить, ко­гда компьютер находится в одном, а когда в другом состоянии. Это выражает саму суть «цифровой» природы компьютерных опе­раций. Эта дискретность, в конечном сче­те, достигается за счет квантовой механики. (Мы можем вспомнить здесь квантовую дис­кретность энергетических состояний, спек­тральных частот, значений спина и т. д., см. главу 6.) Даже старые механические вы­числительные машины зависели от прочно­сти различных своих частей, каковая, в свою очередь, непосредственно вытекает из дискретности квантовой теории.

Но квантовая дискретность не является только следствием операции U. Пожалуй, уравнение Шредингера в еще меньшей степени способно предотвратить нежелательное расплывание фазового объема и «потерю точности», чем уравнения классической фи­зики! Согласно U, волновая функция изо­лированной частицы, изначально локализо­ванная в пространстве, будет все больше и больше расплываться с течением време­ни. Если бы не действие R вре­мя от времени, более сложные системы тоже были бы подвержены такой беспри­чинной делокализации (вспомним кошку Шредингера). (Дискретные состояния ато­ма, например, характеризуются определен­ными значениями энергии, импульса и пол­ного момента импульса. Общее состояние, которое как раз «расплывается», предста­вляет собой суперпозицию таких дискрет­ных состояний. Именно процедура R на не­котором этапе заставляет атом на самом деле «быть» в одном из этих дискретных состояний.)

Мне представляется, что ни классичес­кая, ни квантовая механика — если только в последнюю не будут внесены дальней­шие фундаментальные изменения, которые превратили бы R в «реальный» процесс, -никогда не смогут объяснить механизм мыш­ления. Возможно, что даже работа цифро­вых компьютеров требует более глубокого понимания взаимосвязи действий U и R. В случае с компьютерами, мы, по-край-ней мере, знаем, что цифровые вычисле­ния являются алгоритмическими (по самой конструкции!), и мы не пытаемся «обуздать» предполагаемую неалгоритмичностъ физических законов. Но я утверждаю, что в слу­чае с мозгом и разумом ситуация совершенно иная. Вполне допустимо, что в про­цессе (сознательного) мышления участвует некая существенная неалгоритмическая составляющая. В следующей главе я попытаюсь подробно изложить причины, за­ставляющие меня верить в существование этой составляющей, а также выскажу предположения о том, какими удивительными реальными физическими эффектами обусловлено «сознание», влияющее на работу мозга.