Je naše vědomí kvantové, jak tvrdí Roger Penrose?

Možná jste slyšeli o hypotéze sira Penrose, že podstatou vědomí jsou kvantové vlastnosti mikrotubulů, těchto podivných tělísek v našem mozku. Mohou ale kvantové jevy vůbec fungovat při pokojové teplotě a v makrosvětě?

Smolím přednášku a článek o kvantové medicíně, kvantové psychologii, kvantovém vědomí pro jednu lékařskou konferenci, což mě donutilo si toto téma za pár týdnů trochu prostudovat. Nicméně teprve začínám věc pořádně chápat, takže tento blog neberte jako "slovo boží" tedy ne jako můj hotový názor, ale jako proces postupného vytváření názoru.

Hlavní zde bude otázka z perexu článku, tedy je-li vůbec možné, aby se kvantová mechanika projevovala v měřítkách vnímaných prostým okem, na úrovni centimetrů, decimetrů či metrů. A také jde-li to při pokojové teplotě uvnitř objektů, respektive, jde-li o mozek, při teplotě 37 stupňů. Mnoho fyziků totiž argumentuje, že v takových podmínkách se kvantové jevy vytratí, že jsou smazány tepelným pohybem atomů a molekul, které na částici, jenž má prokazovat kvantové vlastnosti, narážejí. To je fakt potvrzený téměř už stoletím experimentálního zkoumání kvantových jevů.

To, že jsou ale někdy kvantové efekty pozorovatelné i v "lidských" měřítkách si můžete podrobněji prozkoumat v blogu Proč se kvantová mechanika týká především makrosvěta nebo si stačí doma udělat jeden pokus, k němuž potřebujete jen laserové ukazovátko, které koupíte v papírnictví a několik tuh. S tímto vybavením za pár korun si můžete doma zbastlit tzv. dvouštěrbinový experiment, který demonstruje to, že částice jako fotony nejsou jen částice, ale mají také vlnové vlastnosti. Tento pokus podle názoru Richarda Feynmana nejlépe ukazuje podstatu kvantové mechaniky, a sice že částice jsou současně i vlny. A tento efekt funguje i za pokojové a vyšší teploty, klidně i v metrových či kilometrových rozměrech (záleží jen na vlnové délce záření).

A tomuhle stařičkému Youngovu experimentu z roku 1801! nevadí ani taková teplota, jako je v mozku, ani "lidské" rozměry. Zní tedy odpověď tak, že je vědomí kvantové nebo alespoň být může? Oproti domácímu dvouštěrbinovému experimentu ale náš mozek obsahuje neprůhlednou hmotu. Průhlednost vzduchu pro světlo znamená, že fotony světla se vzduchem příliš neinteragují, moc se s jeho molekulami nesrážejí, transparentnost tedy znamená zachování kvantových vlastností. Aby vědomí bylo kvantové podle Penrosovy představy, musely by částice, kterými spolu mikrotubuly komunikují, procházet mozkem nerušeně, musel by být tedy pro ně tento orgán průhledný. Žádné takové částice tam ale nejsou.

Abychom snadno pochopili kvantovou mechaniku, zapomeneme na to, čím nás krmí popularizační média, tedy na všechny ty superpozice (třeba u Schrödingerovy kočky) a neurčitosti, neboť to je jen zjednodušený povrchní pohled, který dnes už pochopení spíše komplikuje. Kdyby totiž byla kvantová neurčitost, kvantová náhoda nepřekonatelná, nebyla by ani vědecká (viz princip Popperův falsifikace) a tím ani pravda. Einstein měl tedy zase pravdu v tom, že je neurčitostní pojetí kvantové mechaniky neúplné. Podrobnější argumentaci najdete třeba v textu Nevědecké pohádky moderní vědy III - "náboženství" Schrödingerovy kočky.

Předveďme si názorně návrh jejího deterministického chápání. Kvantovou částici připodobníme třeba k míči na vodních vlnách. Pochopitelně musí tento míč ve svém pohybu vykazovat vlnové vlastnosti, neboť se pohupuje na vlnách! Jenže míč sám vlna není, a místo, kde se nalézá, je přesně určeno. Vlnově-korpuskulární dualita částic (i vln) se projevuje proto, že všude existuje jak reálná částice, tak reálná vlna (i když to určitě není pravděpodobnostní vlna, což je podstata vlnové funkce v obvyklém pojetí).

Z této metafory míče na vlnách je úplně jasné, kdy kvantové, tedy vlastně vlnové vlastnosti částic vymizí. Bude-li "částice" extrémně těžká nebo velká, nebude se vlnově chovat. Když si představíte např. obrovskou loď na běžných vlnách, je to hned zřejmé. Dále, když se do balónu na vlnách trefíme železnou koulí, je evidentní, že se balón na chvíli přestane na vlnách houpat. A za chvíli, až vliv zásahu koulí odezní, se míč opět začne chovat vlnově. To přesně odpovídá tzv. kolapsu vlnové funkce při pozorování částice, jak ho vykládá pravděpodobnostní interpretace. K tomuto kolapsu, zmizení, vede srážka pozorovací částice (třeba fotonu) s pozorovanou částicí (viz obrázek výše). Za nějakou dobu se tato pravděpodobnostní vlnová funkce zase objeví znovu.

Dále, do částice, která je v nějakém prostředí, narážejí částice tohoto prostředí, i když není právě pozorována. Jsou to třeba atomy nebo molekuly, které svými interakcemi vlnové chování sledované částice "vymažou". Samozřejmě, čím větší energie narážejících částic, což znamená v případě atomů a molekul čím vyšší teplota, tím více se kvantově vlnové vlastnosti mažou. A samozřejmě také, čím těžší jsou částice narážející na zkoumanou částici a čím častější jsou nárazy, tím více se kvantové vlastnosti vytrácejí.

S tímto pochopením snadno vyhodnotíme možnost kvantových projevů v mozku. Mikrotubuly (viz obrázek výše), které mají být nositeli jeho kvantové komunikace, se skládají z mnoha tubulinů (obrázek níže), které jsou už samy o sobě složeny z velkého množství atomů. Tedy mikrotubuly jsou něco jako obrovské parníky na malých vlnkách. Nelze proto u nich předpokládat nějaké projevy vlnových vlastností.

Jediná možnost by byla, že by toto l"plavidlo" na vlnách bylo složena z mnoha "balónů", které by se moc "nevrtěly", tedy částic (atomů a molekul) s velmi nízkou teplotu (řádově stovky stupňů pod nulou), a tím by vlny neničily. Vlny by navíc musely takovou lodí volně pronikat. (Popisujeme si zde vlastně supratekutost zkapalněných plynů.) Můžeme si to představit jako síť balónů, která se vlní podle vlnící se hladiny, což ale nutně vyžaduje aby spojení mezi balóny nebylo moc pevné. To u mikrotubulů nelze předpokládat, neboť jsou to "pevná" tělesa spojená silnými vazbami, není to kapalina, ale pevný "zaoceánský parník", který pohybu malých vln odporuje a jeho tělo se nevlní. Tudy cesta ke kvantovým vlastnostem nevede.

Jediná možnost by asi byla, kdyby "loď" měla připojenou "bójku" houpající se na vlnách, jakési čidlo vlnového pohybu. To by vnímalo vlny, ale také muselo vytvářet vlny, které by byly jinou "lodí" registrovány pomocí jiného "plováku", což by mohlo realizovat tzv. kvantovou provázanost. Nic takového ale v mikrotubulech nebylo nalezeno. Tudy cesta ke kvantovosti tedy také nevede.

Mohlo by se uvažovat o superpozici uvnitř, ale tu velké mikrotubuly, poměrně pevně spojené s okolím nedovolují, jak jsme si ukázali na metafoře velké zaoceánské lodi. Mikrotubuly by spolu mohly ("kvantově") komunikovat nějakými částicemi. Obecně se ale biochemické interakce uskutečňují pomocí výměny elektronů či protonů (vodíkových jader = vodíkových iontů). Jenže tuto možnost interakce, která by měla probíhat po celém mozku mezi mikrotubuly (neboť vědomí se v mozku rozprostřeno) spolehlivě zničí pro tyto nabité částice neprůhledné prostředí. Jednak jsou jak proton tak elektron fermiony, které jsou poměrně nesnášenlivé k dalším částicím, a nejsou tedy tak náchylné jako bosony ke kvantovým projevů koherence, tedy sladění a nerušení vln, na kterých "surfují". A tyto nabité fermiony jsou také jak tepelným pohybem okolních molekul tak elektrickým polem okolích částic (opět upozorňujeme na elektrické náboje elektronu a protonu) od své vlny "odtrhávány". Tedy ani superpozice nemá šanci.

Sečteno podtrženo, žádná kvantová komunikace nemůže probíhat. Určitě ne na větší vzdálenost než je rozměr jednoho mikrotubulu. Kvantové jevy se tak v mozku projevují jen na podstatně menších vzdálenostech než jsou rozměry mikrotubulů. Čili podstaty vědomí jako celku, které se podle experimentálních zjištění rozprostírá ve velké části mozku, se nemohou týkat. Vědomí tedy nemá kvantovou podstatu.

Někteří asi zajásají, že přece ale na úrovni rozměrů atomů ba i molekul se kvantová mechanika nutně projevuje, takže mozek takto pracuje! Jenže takto kvantově funguje na atomové či molekulární úrovni třeba i cihla, přesněji každý objekt složený z atomů. Vždyť přece podstatou i anorganické chemie je kvantová mechanika elektronových orbitalů. Ale tyto kvantové vlastnosti nejsou přenášeny do výrazně vyšších úrovní struktury, pokud nenastanou speciální podmínky. Takovými je třeba prostředí, které dané částice neruší (viz průhlednost vzduchu nebo skla pro fotony), což může být zajištěno extrémně nízkou teplotou a tím i neexistencí tepelných pohybů atomů (viz supravodivost a supratekutost). Takové speciální podmínky v mozku se nedají očekávat, takže vědomí očividně není kvantové. Jinak by vědomí měla i cihla, když je na atomární úrovni kvantová.

Můžeme si věc přiblížit na příkladu elektřiny. Ta existuje v každém atomu, jelikož je tam kladně nabité jádro a záporné elektrony, nicméně na makroúrovni se to většinou náboje nijak neprojevují. Musíme mít speciální podmínky (vodiče), aby se elektřina projevovala makroskopicky. Stejné je to s kvantovými efekty. Přestože v celém mozku kvantové vlastnosti zásadní roli na úrovni atomů a molekul hrají, neboť tyto jsou podstatou chemie, strukturně výše se ale neprojevují. Z charakteru materiálu, ze kterého je systém vystavěn, nelze dovozovat jeho vlastnosti na vyšších úrovních. Například přestože je funkce všech nervů a celého mozku založena na elektrochemických signálech, nikdo nebásní o elektrické či chemické podstatě vědomí, neboť tento druh signálů je přítomen už třeba u červů, kterým vědomí nepřisuzujeme. V červech se také nutně na mikroúrovni projevují kvantové vlastnosti, stejně jako v neživých objektech. Celý svět je kvantový a přesto nemá každý objekt na světě vědomí. Vědomí tedy očividně s kvantovou mechanikou nijak nesouvisí. Lze si také docela dobře představit, že vědomí může být postaveno na bázi jiného "materiálu" než jaký v mozku, třeba v počítačích.

No a to jsme ještě ani nezačali rozebírat jednotlivé úvahy pana Penrose o vědomí, jen poznamenejme, že v každém z těch nápadů je elementární chyba. A hlavně neexistuje ani jediný náznak důkazu pro kvantovost vědomí. Proto se asi můžeme ztotožnit s hodnocením Stephena Hawkinga, který prohlásil, že Penrose si myslí, že když je vědomí záhada a kvantová mechanika taky, že musejí mít něco společného. Nemají. Penrose jen na stará kolena podlehl esoterickému mámení. :-)

----------------------------------------------------------------------------------------------------

P.S.: Mozek je průhledný akorát tak pro rentgenové paprsky nebo paprsky X, jenže těmi mikrotubuly nekomunikují, nehledě na to, že by tyto frekvence brzy náš mozek zabily. :-) Všechny z atomů složené objekty jsou průhledné třeba pro neutrina, neboť ta procházejí celou zeměkoulí bez zaváhání, což mimo jiné způsobuje, že přijímač neutrin složený z atomů, který by se vešel do lidského mozku, není možné zkonstruovat z fyzikálních důvodů. Například japonský detektor neutrin super-kamiokande obsahuje 50 tisíc tun vody.

P.P.S.: Jazykové a stylistické korekce DA.