Физиката обикновено изучава процеси, случващи се извън нас, хората. Занимава се с явления, които виждаме, усещаме и можем да измерим. Но разбирането на заобикалящия ни свят, така важно за нас и за нашето оцеляване, далеч не е единственото, което ни интересува – също толкова силно искаме да разберем какво сме самите ние, какво е животът, какво ни направлява, какво са разумът и съзнанието. Макар тези въпроси да са по-скоро ключови за биологията, психологията и философията, търсенето на обяснение за живота и съзнанието не е ограничено до тях. Изясняването на толкова фундаментални въпроси не може да мине без задружните усилия на всички инструменти на познанието, с които разполагаме.
Някои идеи, привнесени от физиката, са дали през годините силен тласък на биолози и химици в разгадаването на тайните на живота. Така, например, през 1944 г. Ервин Шрьодингер, един от създателите на квантовата механика, публикува научнопопулярната книга „Какво е животът?“, преведена и издадена у нас през 2018 г. (What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell). В нея той разглежда динамиката на живота от гледна точка на термодинамичните принципи. В тази перспектива той отбелязва много интересния феномен, че живите системи се противопоставят на общата вселенска тенденция към безпорядък. Вторият закон на термодинамиката гласи, че ентропията (хаотичността) на една система се увеличава с времето. Животът обаче се стреми към подреденост на материята, противно на естествения ход на нещата да се разпиляват. Тези усилия имат енергийна цена и се захранват от свободната енергия в локалната среда на живите системи.[1] Стремежът за подреденост обаче е съществената разлика между живота и останалите явления във вселената.
Фосили (70-80 млн. г.), нос Емине, личен архив.
На живота можем да гледаме като на островчета ред и подреденост в океана от хаос на Вселената. Погледнато така, става по-разбираемо защо животът не е вечно явление, защо въобще го има и от какво зависи. Наред с тази провокираща размисли идея, Шрьодингер въвежда и идеята за „апериодичен кристал“, който съдържа генетична информация в своята конфигурация от ковалентни химични връзки. Малко по-късно, през 50-те години на XX в. именно тази негова идея стимулира Джеймс Д. Уотсън и Франсис Крик да търсят и да открият химичната основа на генетичното наследство – ДНК молекулата. И двамата посочват книгата на Шрьодингер като вдъхновение и възприемат неговата формулировка като ранно теоретично описание на това как ще работи съхранението на генетична информация в клетката. Този любопитен пример с прилагане на идеи от физиката в други дисциплини показва валидността на такъв подход за разширяване на нашето познание за живота. Дали обаче такъв подход ще ни помогне да си обясним по-добре какво са разумът и съзнанието? Това са идеи, още по-мистериозни и от живота, които не можем да уловим лесно в мрежата на логическата си мисъл или да наблюдаваме в епруветка. Има ли какво да каже физиката за съзнанието и ако има, какво е то?
Преди да се впуснем в търсене на отговор на този въпрос, нека да отбележим двете основни философски парадигми, които се опитват да дадат обяснение за съзнанието. Едната парадигма постулира, че съзнанието е метафизично, за разлика от тялото и органите ни, които са физични. Налице е дуализъм на материалната и духовната субстанция, който предполага, че съзнанието не може да се изучава с материални инструменти. Разбираемо, тази „консервативна“ школа не е много популярна сред точните науки, които са по-съвместими с другата философска парадигма, тази на физикализма (physicalism), която гледа на съзнанието като явление, произлизащо от сложните конфигурации и взаимодействия на милиарди неврони. В тази парадигма съществува схващането, че съзнанието може да се сведе до многобройни, но изчислими взаимодействия между невроните. Някои по-радикални и популярни напоследък форми на физикализма дори приемат, че компютърната симулация на достатъчно сложна система може да създаде съзнание.
Независимо от заявките на тези два подхода, нито един от тях засега не е довел до резултати, които да ни дадат пълноценно разбиране за съзнанието. То постоянно се изплъзва от какъвто и да е анализ. Възможно ли е въобще съзнание да осмисли съзнание? Не прилича ли това на разказа за барон Мюнхаузен, в който той сам се издърпал от блатото, теглейки се за косата?
Барон Мюнхаузен се издърпва от блатото, дърпайки собствената си плитка. Теодор Хосман, 1839 г.
За мистерията на това как от електрическите и химическите импулси между невроните се създава съзнанието, един от съвременните защитници на консервативния възглед, Колин МакГин, в своя статия от 1989 г. отбелязва: „Чувстваме, че някак водата на физическия мозък се превръща във виното на съзнанието, но напълно пропускаме естеството на това превращение.“
И така, на фона на тези две противоположни философски разбирания може да проверим какво казва физиката за съзнанието и да видим може ли това, което казва, да се използва като основа, върху която да се изградят хипотези, теории, експерименти и верификация. За наша радост, тази проверка няма да е много трудна, защото в съвременната физика понятието за съзнание присъства на едно-единствено, макар и малко затънтено, място. Това място е свързано с копенхагенската интерпретация на квантовата механика[2] – става дума за следното: измервайки една система, съзнателният наблюдател обуславя „колапса“ на вълновата ѝ функция. Какво значи това? Вълновата функция, описваща една квантова частица (или система от частици), съдържа суперпозиция (сбор) от алтернативни състояния на тази система. От тази вълнова функция, по правилото на Макс Борн, може много точно да се изчисли каква е вероятността системата да бъде във всяко от тези състояния, но не може да се каже кое точно ще бъде то. За да се разбере това, трябва да се извърши измерване. След измерване обаче, вълновата функция, описваща частицата, претърпява промяна (корекция) и тя престава да съдържа суперпозиция от всички състояния, а приема само състоянието, което е измерено. Това редуциране се нарича „колапс“ на вълновата функция и според Хайзенберг е причинено от акта на измерване от субективен наблюдател. За по-нагледно, нека да си представим, че сме със затворени очи и чуваме скимтене на животно (т.е., имаме информация за вълновата функция). Правилото на Макс Борн ни казва каква е вероятността това да е куче, лисица или вълк, но само когато отворим очи, можем да разберем какво е в действителност. Това е редукцията или колапса на вълновата функция – актът на разбиране. Този процес показва защо квантовата механика е недетерминистична, за разлика от класическата механика. Тя дава инструментариум, който да оцени вероятността системата да бъде в това или онова състояние, но не може да предвиди какво точно ще бъде то. Тази „непълнота“ на квантовата механика се запълва от субекта, който измерва и разбира състоянието.
Според Нилс Бор обаче нищо особено не става по време на измерването, защото вълновата функция е мисловен конструкт (формула), а не реален обект, и това, че търпи колапс, не е толкова странно. Бор даже се опитва да избегне нуждата от съзнателен наблюдател и предлага тълкуване, в което необратим процес причинява разпадането на квантовата кохерентност[3] и това се изразява в класическото поведение на „наблюдение“ или „измерване“. Но, казано по този начин, всичко става още по-неясно, защото, вместо за съзнание, става въпрос за този спонтанен, неясен и необратим процес на декохеренция. Малко като замитане на неудобната тема под килима. Все пак, независимо от това дали съзнанието явно или неявно участва в процеса на колапса на вълновата функция, а то неминуемо в един момент участва, има консенсус, че тя е свързана с узнаване, а също така, че нещо специално се случва по време на измерването, което завинаги променя и конкретизира вълновата функция.
Джон фон Нойман и Юджийн Вигнер отиват по-далеч в тълкуването на ролята на съзнанието, постулирайки, че именно то причинява този колапс. Ако се опитаме да изразим тази идея по един по-ясен и философски начин, можем да кажем, че според тях съзнанието обуславя прехода на една квантова система от състояние, в което може да е всичко и са възможни всички бъдещи развития, към едно конкретно състояние, което е реалността. Погледнато през взаимовръзката съзнание-реалност, в този случай съзнанието е това, което води до реалността (редуциране чрез колапс). Интересното на този мироглед е, че той може да се приложи и наопаки, ако се приеме, че реалността е причината, и в този смисъл колапсът на вълновата функция създава съзнанието. Именно по този начин е формулирана теорията на Роджър Пенроуз и Стюарт Хамероф, предложена в началото на 90-те години на XX в. Тази теория се нарича „Оркестрирана обективна редукция“ или Orch OR. Тя постулира, че съзнанието възниква на квантово ниво вътре в невроните, а не на ниво на взаимодействие между тях, каквото е широкото схващане в момента. Според теорията, този процес се оркестрира в клетъчна структура от микротубули. Микротубулите са подходящ кандидат за квантов процес, защото структурата на протеина, който ги изгражда, създава условия за квантово сплитане на собствените π-електрони, което би осигурило нужната за Orch OR кохерентна система. Така поставена, тази теория е в директен конфликт с двете философски парадигми, които отбелязахме по-рано. От една страна е в конфликт с физикализма, заради неизчислимостта на квантовия колапс и от там на съзнанието. От друга страна е в конфликт и с дуализма, защото квантовите процеси не са разделени от материята и са познаваеми. По някакъв начин Orch OR успява да обедини характеристики и от двете парадигми (съзнанието е неизчислимо, но изучаемо) и да насочи вниманието към проверима и може би конструктивна посока. Макар и доста критикувана, това всъщност е единствената толкова конкретна и проверима физическа теория, която предлага обяснение на съзнанието и механизъм за свободната воля.
Още с представянето си, тази теория предизвиква яростен отпор на различни нива. Най-сериозните критики в началото бяха, че квантови процеси, изискващи прецизни условия и екстремни минусови температури, каквито само лаборатория може да предостави, са невъзможни в топлия и влажен микросвят на клетката. Там средата много бързо би довела до декохеренция на квантовата система, преди да може да се случи какъвто и да е квантов процес. Напредъкът на биофизиката в началото на XXI век обаче показа, че биопроцеси като фотосинтезата, ориентирането на птиците по магнитното поле и дори обонянието имат квантов произход, т.е. клетките са способни да провеждат квантови процеси за свои нужди в някои от органелите си. Това показва, че квантовите ефекти са не само присъщи, но и определящи за клетката и живота, а топлата и влажна среда не е пречка за постигане на квантова кохерентност. Друг аргумент срещу Orch OR теорията е, че ненужно усложнява концепцията за съзнанието с квантова механика. Видите ли, щом квантовата механика е неразбираема и съзнанието също е неразбираемо, значи съзнанието е квантово. Това е плитка логика наистина, и за съжаление, много ню-ейдж персони като Дийпак Чопра и други автори използват научния жаргон, за да придадат авторитет на фантазиите си именно с тази плитка логика. Но в случая с Orch OR, и по-общо с възгледите на Пенроуз, Вигнер, фон Нойман и Хайзенберг, е видно, че връзката на съзнанието с квантовата механика не е самоцел, а логическо следствие от интерпретацията на квантовата механика. Едно от най-хубавите неща на Orch OR е, че теорията е проверима. Стюарт Хамероф е анестезиолог, който дълги години е изследвал защо и как различни анестетици могат да включват и изключват съзнанието. Търсенията му го довеждат до микротубулите, където директно може да се провери: 1) дали са възможни квантови процеси и ако да, то 2) дали анестетици могат да им влияят, например да ги потиснат или спрат. В съавторство с Роджър Пенроуз, двамата създават цялостна и много подробна концепция как и къде се случват тези процеси, което прави тази теория много конкретна и лесно проверима, за разлика от другите теории за съзнанието. Оказва се, че възможностите за квантови процеси в микротубулите не са мираж. През 2022 г. бяха представени изследвания, които потвърждават, че анестетиците директно влияят върху процесите на луминесценция (с квантов произход) в тези клетъчни структури. А съвсем наскоро, в началото на тази година, беше потвърдено, че квантови процеси на свръхизлъчване (superradiance) се случват в мрежите от триптофан (аминокиселина), които изграждат микротубулите.[4] Въпреки тези обнадеждаващи резултати, до момента все още няма категоричен отговор и тази теория остава под въпрос.
Дори Orch OR да се окаже невалидна, това не би трябвало да ни откаже от намерението да търсим физическата същност на съзнанието, основана на колапса на вълновата функция. Това е много удобен подход, защото съзнанието се явява (засега?) като непроницаема мистерия, докато колапсът на вълновата функция е разбираема мистерия. Обвързването на двете, което прави копенхагенската интерпретация, така да се каже открехва вратата за хипотези, теории и опити за пробив в разбирането за съзнанието.
Макар и досега да не сме споменали днешния компютъризиран подход, наречен Изкуствен Интелект, няма как да не зададем въпроса как тази физическа теория или по-общо квантовомеханичната рамка за съзнанието кореспондира със съвременното разбиране и практики в областта на ИИ.
Първо трябва да отбележим, че съвременните системи, базирани на изкуствени невронни мрежи и Deep Learning алгоритми, почиват на математическия модел на неврона, създаден през 1943 г. Моделът на McCulloch–Pitts дава удобен функционален израз за решаване на различни задачи посредством конфигуриране на връзките (параметрите) между изчислителните елементи (изкуствените неврони). Този модел обаче е концептуално непълен, защото не дава толкова проста рецепта за това как да се изберат тези параметри, т.е. не моделира процеса на обучение (разбиране) в истинските невронни мрежи, а моделира само процеса на вземане на решение. За да се запълни този дефицит, при съвременните системи за ИИ подборът на параметрите по време на обучението става ad hoc с прилагане на груба сила – посредством линейна регресия. Това е прекалено дълъг и енергийно скъп оптимизационен подход, защото при него броят на итерациите, необходими за намиране на оптималната функция, нараства главоломно с броя на параметрите. Такъв проблем отсъства при реалните невронни мрежи, a също и при… квантовите компютри. Заради тази особеност в „обучението“, съвременната ИИ индустрия е ориентирана към създаване на статични модели, чиято цена на обучение може да достигне милиони, но става само веднъж, inhouse, и след това този обучен модел се прилага за решаване на задачи като разпознаване, класификация и т.н. Поради това, сферата на използване на подобни модели е много конкретна и специализирана, а освен това те не търпят подобрения и корекции в течение на функционирането им и сблъскването им с нова информация. Липсата на гъвкавост при този статичен подход е неизбежна черта и този проблем никога няма да може да се реши пълноценно в рамките на съществуващата парадигма.
От друга страна Orch OR предлага квантов механизъм, осигуряващ намирането на оптималната функция почти мигновено. Вместо в милиони или милиарди итерации, това става само в една стъпка, когато параметрите на системата са квантово свързани (сплетени, entangled) и техният колапс води до състояние, даващо изражение на търсената оптимална функция. Това е и фундаменталната разлика между квантовите и класическите компютри – при едните оптималната функция може да се намери с една стъпка, а при другите са нужни милиони стъпки.
Ако изхождаме само от съвременния класически подход в областта на ИИ, е много трудно да си представим как би възникнало съзнание в система, която функционално само наполовина наподобява мозъка и която по никакъв начин не отразява динамиката на формирането на представите ни за реалността и нейното разбиране. А именно възприемането на реалността и разбирането ѝ са основните черти на съзнанието. Това, което ни дава усещане за съзнание, е поредица от мигновени усещания за реалност[5] чрез нашето тяло: топлината на слънчевия лъч, миризмата на кафе и кроасан… Ако заменим процесите с ad hoc оптимизационен алгоритъм, ние получаваме лесна симулация, която би взела човекообразни решения, но губим съзнанието като свойство на системата. Това е и големият извод от Orch OR: съзнанието е неизчислимо с класически средства, защото има квантов произход. А дали ние бихме могли да построим толкова комплексен квантов компютър е съвсем друг въпрос.
Макар и маргинална за момента, тази теория все повече ще идва на фокус, защото с развитието на ИИ стават видни и дефицитите на съвременната представа за съзнанието, което значи, че търсенето на алтернативи няма да закъснее. Квантовите системи и живите организми се справят много по-успешно от класическите компютри в намиране на оптималните параметри. Дали невроните обаче функционират така, както Orch OR предсказва, предстои да разберем в идните години. Едно е сигурно – предстоящото развитие в областта на биофизиката и квантовата биология ще доведе до преосмисляне на разбирането ни за това какво е съзнание и разум.
Железопътната система на Япония е една от най-ефективните в света и е проектирана вследствие на хиляди часове упорит труд и изчисления на много инженери. При аналогично поставен експеримент, където градовете са заменени с източници на храна, плесента Physarum polycephalum успява да достигне до (почти) същото решение за един ден. Image: Science/AAAS
[1] В случая свободна енергия (също я наричат достъпна или полезна) е тази част от енергията на дадена система, която може да се отдаде, за да върши работа. A=U–TS, където А е свободната енергия, U – вътрешната енергия, T – температурата, а S – ентропията на тялото. Част от енергията не може да се отдаде за полезна работа.
[2] Копенхагенската интерпретация на квантовата механика представлява възгледи за смисъла ѝ, произтичащи от работата на Нилс Бор, Вернер Хайзенберг и Макс Борн. До голяма степен те са развити през периода 1925-29 година, когато Хайзенберг е асистент на Бор в университета в Копенхаген, където двамата развиват основите на квантовата механика. Към днешна дата това е и най-разпространената интерпретация в съвременната физика.
[3] За квантова кохерентност говорим, когато две или повече частици са квантово вплетени (entangled) в система, т.е. параметрите на едната частица зависят от това какви са параметрите на другите. Такива кохеренти системи обикновено се създават след реакция, чийто продукт са две или повече вплетени частици. Състоянието на свързани параметри и произтичащото поведение могат да се обяснят само с квантова механика. Кохерентността на една квантова система винаги се губи с времето (декохеренция – частиците престават да бъдат вплетени) поради взаимодействието на системата със средата, температурно влияние, измерване и т.н. Тогава системата започва да се държи по „класически“ начини. Квантовата кохерентност е, така да се каже, капризен режим на съществуване на материята, когато условията са подходящи. Докато е в този временен квантов режим, системата има интересни квантови свойства, които обаче ще се загубят. Грубо казано, определени реакции, естествени или създадени от човека, произвеждат квантово кохерентни системи, които траят от няколко наносекунди до няколко минути!
[4] N. S. Babcock, G. M.-C. (2024). Ultraviolet Superradiance from Mega-Networks of Tryptophan in Biological Architectures. Извлечено от https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcb.3c07936
[5] Според Пенроуз ние добиваме усещането за съзнание като резултат от колапса на кохерентната система в микротубулите, което се случва всяка секунда. След колапса системата наново се вплита, т.е. наново създава кохерентност, последвана отново от колапс. Тези повторения на колапс ние изпитваме като съзнание всеки миг, на порции, както предполага и самата квантова механика, а не непрекъснато.