Megmagyarázható-e a tudat kvantumfizikával?

Mielőtt rátérnénk Penrose-ék meglepő elméletére, tekintsük át, hogyan gondolkoztak a tudatnak helyet adó agyról eddig, milyen felfogások előzték meg a kvantumtudat elméletet. A IV-V. században Nemeziosz és Szent Ágoston, az első koponyakutatók, az emberi gondolkodást az agykamrákban képzelték el. Leonardo da Vinci, a XVI. század elején boncolásokon asszisztálva pontos rajzokat készített az agykamrákról és az agykéregről. Ebben az időben a képzelőerőt, a közérzetet és a képzeletet az agy első részébe gondolták, a hátsó részbe feltételezték a gondolkodást és az emlékezetet.

lelket az agyba lokalizálta, elgondolása szerint a tobozmirigyben hat egymásra a lélek és az „animal spirit”. A Descartes-féle agy úgy működik, mint egy gép, az ember pedig automatikusan, reflexszerűen válaszol a külvilág eseményeire. Húsz évvel később az angol Thomas Willis a lelket az agykéregbe és az az alatti területekre helyezi. Több könyvet írt az agy anatómiájáról, műveiben az elmebetegséget már nem Isten büntetésének tartja, mint a korábbi gondolkodók, hanem agyi eredetűnek: „madness ... seated in the brain” („a bolondság ...az agyban székel”), és az idegekből felszabaduló „spirit” meghibásodása okozza. Henry Strapp, fizikus a 90-es évek elején már kvantumfizikai magyarázatokat adott az agy működésére.

Mit gondolhatunk tudatunkról?

A tudat elválaszthatatlan az agytól, a pszichológia szerint a tudatot az ember észleletei, gondolatai, érzései alkotják egy meghatározó pillanatban. Hippokratész, a nyugati orvostudomány atyja szerint az egészség a test, a tudat és a környezet teljes egysége. Arisztotelész szerint a tudat nem is az agyban, hanem a szívben található. Jung szerint az anyagi világ a kollektív tudattalan összesűrűsödött része, saját tudattalanunk kivetülése.

A tudatot a Nobel-díjas elektrofiziológus, Sherrington az „ember megoldhatatlan misztériumának” nevezte. Az agykutatók fő kérdése az, mi biztosítja a kapcsolatot a külvilág és belső énünk, tudatunk között. És vajon az idegrendszernek mi a feladata a tudat fenntartásában? Fred Alan Wolf elméleti fizikus szerint a valóság szubjektív: végtelen sok párhuzamos valóság létezik és a tudat választja ki azt, amit valóságként elfogadunk. Szintén ő mondja azt, hogy a tudat mindenhol vagy sehol sincs, mert tér-időbeli elhelyezkedése nem mérhető, az agyban sincs helye.

Davis Chalmers ausztrál filozófus és ismeretelméleti tudós szerint a tudat a fizikai törvényeken túl lehet. Vannak, akik azt mondják, a tudat nem is magyarázható tudományosan. A probléma az, hogy hiába ismerjük az agy fizikai működését, részeit, anyagi valóságát, nem értjük, hogy a gondolatok és az érzések hogyan keletkeznek, hol helyezkednek el benne. A sok megválaszolatlan kérdés arra sarkallta a tudósokat, hogy mélyebbre ássanak az agyban, vagyis le egészen a kvantumokig.

A kvantumok megjelenése

„Aki azt hiszi, hogy megértette a kvantumelméletet, az nem értette meg” – mondta Niels Bohr, a kvantummechanika atyja. De azért mi mégis megpróbáljuk. A kvantummechanika az elemi részecskéket és viselkedésüket vizsgálja, a kvantum a fizikai tulajdonságok egységnyi mennyiségét jelenti. A kvantummechanika szerint ezek a tulajdonságok nem folyamatos módon változnak, hanem kvantumonként.

A kifejezés először 1900-ban jelent meg Max Plancknál, aki energiarészecskék oszthatatlan részeit definiálta a kvantumokkal. Öt évvel később Einstein azt írja, az energia kvantumok által kibocsátott és elnyelt fény. Az agykutatás néhány évtizede foglalkozik a kvantumok jelentőségével, miután a tudósok nem tudtak választ adni a kérdésre:

Vannak persze megcáfolhatatlan tények: az agy fizikai szervezet, amely elektrokémiai jeleket továbbít; az agyi tevékenység a molekulák és az atomok alapvető elektromágneses viselkedéséhez kapcsolódik, amelyet a kvantumfizika törvényei diktálnak. A tudományos redukcionizmus szerint az emberi elme működése az agy működésére vezethető vissza – az agy működése az idegsejtek működésére, ami a molekulák, majd atomok és szubatomi részecskék működésére, az pedig a szubatomi részecskék tér-idő koordinátáira, azaz számokra. A redukció végén tehát nem „anyag” áll. Az már persze filozófiai kérdés, hogy mennyiben tekinthetők objektív létezőnek a világ alapjait leíró matematikai modellek, de attól, hogy valami nem anyag, még nem feltétlenül csak a fejünkben létezik, erre jó példa a téridő apró görbületei.

A kvantumtudat

Ahogy szinte mindenfizikai rendszert a kvantumfizika törvényei szabályoznak, természetesen az agyat is ők irányítják, tehát a tudatnak a kvantumfizikai folyamatokhoz kell kapcsolódnia. Neumann János szerint, aki kvantummechanikai elméleti kutatásai mellett a digitális számítógép elvi alapjainak lefektetésével vált ismertté, az univerzumban minden a kvantumfizika elvei szerint működik, kivéve a tudatos elmét.

Penrose és Hameroff vitatott elmélete szerint az agysejtekben található mikrotubulusok bonyolult hálózatot képeznek, ami egyfajta kvantumszámítógépként működve létrehozza az agyi tudatot, aminek, mint mindennek, engedelmeskednie kell a kvantummechanika szabályainak.

A klasszikus számítógép az információt kétállapotú bitekben tárolja (a bit bármely időben 0 vagy 1 állapotú), a kvantumbit (qubit) egy időben tartalmaz komponenseket, amik több helyen, különféle állapotokban lehetnek ugyanazon időben. A gép a bemenő adatokat párhuzamosan dolgozza fel. Ez a számítógép nem továbbfejlesztett változata a mi laptopjainknak, hanem egy más minőségű és képességű gép, inkább kutatásokban, szimulációkban, kvantummechanikai összefüggések vizsgálatára használható.

Penrose-ék szerint a géphez hasonló agyműködés megmagyarázhatja az emberi tudat titokzatos összetettségét. Teóriájuk azonban nem aratott osztatlan sikert a tudós társadalomban. Azért sem, mert a kvantummechanikai törvényekkel általában nagyon alacsony hőmérsékleten kísérleteznek, a kvantumszámítógépek például -272 °C körül működnek, de testünk szobahőmérsékleten funkcionál, tehát a fizika általános törvényei vonatkoznak rá.

Jöjjenek a fraktálok!

Az emberi tudat szemléltetésére fraktálokat használnak a tudósok: ezekből az egyszerű, ismétlődő mintákból rajzolódik ki egy komplex egész, ahogy elménket is elképzeljük. A fraktálok gyűrött határvonalú komplex geometriai alakzatok. Kialakulásukra jellemző, hogy bizonyos mintázatokból, amik véletlenszerűen ismétlődnek kisebb és kisebb mérettartományokban, egy nagyobb minta jön létre. A fraktálok sem nem kétdimenziósak, sem nem háromdimenziósak, hanem matematikailag valamilyen tört értékű dimenzióval írhatók le. Végtelenül ismétlődő, gyönyörű mintázatokként jelennek meg, amik véges területű, de végtelen kerületű szerkezettel rendelkeznek.

a karfiol virágzata, a páfrány ágai, ugyanabból a formából állnak, ami egyre kisebb méretben ismétlődik. Testünkben fraktál mintázatú például a tüdő szerkezete, és az érrendszer vagy a szív felépítése. A művészetben is megjelennek a fraktálok: fraktálalgoritmusokkal létrehozott képek és zenék. MC Escher és Jackson Pollock festményein is felfedezhetjük a fraktálokat, és évtizedek óta használják őket a technológiában, például az antennák tervezésében.

A kvantumok szintjén apró részecskék mozognak fraktál mintázatban az agy idegsejtjein belül. Ezért hívják Penrose és Hameroff javaslatát „kvantumtudat elméletnek”. Bizonytalan, hogy vannak-e kvantum fraktálok az agyban, de laboratóriumi körülmények között meg tudták mérni őket. Amikor egy kísérletben az elektronokat fraktál mintázatban rendezték el, kvantum fraktál jött létre. Ezt követően megmérték az elektronok hullámfüggvényét, és a kutatók azt találták, hogy az elektronok fraktál dimenzióba kerültek.

Számítógépes kísérletek

Több számítógépes kísérletet is végeztek már az agy lemodellezésére, az idegsejtek munkájának szimulációjára és ezeket a próbálkozásokat nem is hagyhatják abba, mert az agy, az agyi folyamatok jobb megértése számos betegség legyőzéséhez közelebb vihet. Tény, hogy a kísérletekhez nem kellett kvantumszámítógép, ha sikerül modellezni nem kvantumos számítógépekkel az emberi agyat, akkor nincs okunk feltételezni, hogy a kvantumos folyamatok szerepet játszanak az agyműködésben, tehát Penrosék tévedhettek.

2015-ben Japánban, Okinawában a világ negyedik legnagyobb teljesítményű szuperszámítógépével sikerült modellezni az emberi agy egy-két százalékának egy másodperces tevékenységét. Negyven percig tartott a szimuláció megvalósítása még úgy is, hogy a gép 705 024 processzormaggal és 1,4 millió gigabájt memóriával rendelkezett. További cél volt a szimulációs technológiai kísérlet is: 1,73 milliárd idegsejtet és 10,4 billiárd szinapszist sikerült szimulálni (az emberi agyban kb. 100 milliárd agysejt van).

A számítógép feladata az agy kommunikációs hálózatának leképezése és adott agyi területek feltárása, ezzel ugyancsak az agyi betegségek, például a Parkinson-kór feltárásában lehet az orvosok nagy segítsége. A kutatók hosszú távú célja egymilliárd neuron valós idejű modellezése. De a szubjektív tudat mibenléte, működése még mindig rejtély, a mesterséges intelligencia megjelenése miatt azonban egyre többet foglalkoznak vele. Abban csak reménykedhetünk, hogy nem egy robot fogja megfejteni a rejtélyt, hogy aztán szimulálja a tudatot saját testében.

(Borítókép:  Matt Cardy / Getty Images)