квантовая механика и мозг

Странная связь человеческого разума и квантовой физики

Никто не знает что такое сознание и как оно устроено. Безусловно, у ученых из разных областей науки есть самые разные предположения на этот счет, однако точного ответа на вопрос о том, что представляет собой сознание, никто дать не может. Похожая ситуация наблюдается и с квантовой механикой – изучая взаимодействие мельчайших частиц Вселенной между собой физики многое узнали. Но так как квантовая механика не согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, исследователи не могут понять как привести их к общему знаменателю. По мнению одного из величайших ученых ХХ века, физика Ричарда Фейнмана, по-настоящему квантовую механику не понимает никто. Интересно, что с таким же успехом он мог бы говорить о столь же запутанной проблеме сознания. Несмотря на то, что некоторые ученые полагают, что сознание – всего лишь иллюзия, другие, напротив, считают, что мы вообще не понимаем, откуда оно берется. Так что не удивительно, что извечная загадка сознания побудила некоторых исследователей обратиться к квантовой физике для ее объяснения. Но как одну неразгаданную тайну можно объяснить другой?

Некоторые ученые полагают, что существует связь между сознанием и квантовой физикой.

Что такое сознание?

Дать определение сознанию сложно. Как и ответить на вопрос о том «почему я это я» или «чем мое сознание отличается от сознания кота?» или «почему я воспринимаю мир так а не иначе?». К счастью, в мире есть ученые, готовые дать ответы если не на все, то на многие вопросы о том, что такое человеческое сознание.

Например, философ-когнитивист Дэниел Деннет, профессор Университета Тафтс (США), в своей книге «От бактерии до Баха и обратно» рассказывает о том, как биологические процессы в человеческом организме создают поток мыслей и образов. Профессор считает, что тот субъективный фильм, который проигрывается перед глазами каждого из нас – не более чем иллюзия, искусно сотканная нашим мозгом. Он также полагает, что сознание не настолько загадочно, как мы думаем и считает, что наука должна объяснить объективное функционирование мозга.

Сознание – человеческая способность воспроизведения действительности в мышлении.

Среди несогласных с точкой зрения Деннета ученых австралийский философ и преподаватель Дэвид Чалмерс. Он предлагает рассматривать сознание как нечто фундаментальное, например, как законы физики, которые можно будет обнаружить в будущем с помощью новейших технологий. Его вторая еще более радикальная идея называется «гипотеза панспихизма», согласно которой сознание универсально и любая система в некоторой степени им обладает, даже элементарные частицы и фотоны. А там, где есть фотоны, может быть и квантовая механика.

Подробнее о том, что такое сознание с точки зрения философов и нейробиологов читайте в этом материале.

Как квантовая физика связана с сознанием?

В 1921 году Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике за открытие закона фотоэлектрического эффекта. Физик полагал, что свет, который обычно считается непрерывной волной, также может распределяться в квантах, которые мы называем фотонами. Это событие наряду с пониманием излучения черного тела Максом Планком, новой моделью атома Нильса Бора, исследованием рентгеновских лучей Артуром Комптоном и предположением Луи де Бройля о том, что материя обладает волнообразными свойствами, положили начало новой квантовой эре, в которой нам с вами посчастливилось жить.

Стоит ли удивляться появлению новой квантовой теории сознания под названием «Организованная объективная редукция» (Orchestrated objective reduction или «Orch OR»), авторами которой являются лауреат Нобелевской премии по физике профессор Роджер Пенроуз из Оксфордского университета и анестезиолог Стюарт Хамерофф из Аризонского университета.

Теория «Orch OR», хоть и претерпела ряд изменений с момента своего создания, в целом гласит, что открытие квантовых колебаний в «микротрубочках», которые находятся внутри нейронов головного мозга, дает начало сознанию. Микротрубочки (белковые полимеры) управляют нейрональными и синаптическими функциями и связывают мозговые процессы с процессами самоорганизации на квантовом уровне. Ученые считают, что новая теория может объяснить даже загробную жизнь.

«Orch OR» – группа гипотез, предполагающих невозможность объяснения сознания классической механикой и требуюящая привлечения постулатов квантовой механики (явление квантовой запутанности, суперпозиции и др).

Отметим, что теория Пенроуза и Хамероффа вызвала ряд критических замечаний, однако применение квантовой теории в биологическом контексте продолжилось и имело наибольший успех в отношении фотосинтеза. Интересно, что исследования обоняния, ферментов и даже ДНК птиц также предполагают, что квантовые эффекты могут быть более широко вовлечены в функционирование биологических организмов.

Недавно в журнале Physics World была опубликована работа аспирантки Бетани Адамс, посвященная роли квантовых эффектов в работе мозга. Исследование Адамс освещает ряд возможных квантовых эффектов на работу мозга, а вот ее докторское исследование
сосредоточено на квантовой запутанности между нейронами и на том, как на нее могут влиять фармацевтические препараты, например литий.

Хотя работа Адамс охватывает несколько возможных применений, сама она надеется что ее исследования принесут миру лучшее понимание того, как работают антидепрессанты и стабилизаторы настроения, а также к новым методам лечения многих психических заболеваний. Но кто знает, может быть ее работа позволит ученым объяснить как работает сознание и откуда берется. А что вы думаете по поводу сознания? Как далеко продвинулись ученые в этой области? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.

Источник

Кот Шредингера в голове: почему наш мозг похож на квантовое поле

Ksenia Petrova

Одна из самых амбициозных задач современной науки — создать компьютерную модель человеческого мозга. Для того, чтобы попытаться точно воспроизвести работу нейронов, требуется целая система параллельно работающих машин. Но, что, если аналогия с компьютером не слишком точна, и процесс мышления лучше описывать в терминах квантовой физики? Американский писатель Дафна Мюллер предлагает подумать об этом в статье на портале Big Think, а «Теории и практики» публикуют перевод.

Иррациональная организация человеческой психики — давний бич психологии. Когда кто-нибудь спрашивает, как дела, мы отвечаем либо «нормально», либо «хорошо». Но если дальше идет вопрос об определенном событии — «Как сегодня прошла твоя встреча с начальником?» — наши ответы гораздо более разнообразны, это может быть и «ужасно», и «восхитительно».

Не успев сказать и две фразы, мы сами себе противоречим: дела идут «нормально», но встречу с начальником мы считаем полным провалом. Как, в таком случае, все может быть нормально? На каждое эмоциональное проявление и каждое решение, которые мы принимаем, влияет сложное сочетание наших предубеждений, опыта, знаний и контекста. Это происходит и на сознательном, и на бессознательном уровне. Предугадывать человеческое поведение невероятно сложно, и теория вероятности в этом не лучший помощник.

Мозг «играет в кости» с нашими «неопределенными» идеями, ощущениями и склонностями, чтобы сформировать несколько противоречащих друг другу мыслей, суждений или точек зрения

Вернемся к нашему примеру: если собеседник спрашивает: «Хорошо ли все прошло», мы начинаем искать в недавних событиях положительные моменты. Но если вопрос звучит как «Ты волновался перед встречей?», мы сразу вспоминаем, как тряслись коленки и дрожал голос во время выступления перед коллегами. Другая концепция, которую исследователи мозга заимствовали из квантовой физики — невозможность одновременно держать в голове противоречащие друг другу идеи. Другими словами, процесс принятия решений и формирования мнения напоминает эксперимент с котом Шредингера.

Квантовая теория познания повлияла на понимание механизмов работы мозга в психологии и нейроисследованиях: теперь считается, что мозг больше похож не на компьютер, а на отдельную вселенную со своим оригинальным устройством. Впрочем, идея о парадоксальной природе человеческого мышления и существования нашего вида в целом не нова — она развивается уже несколько веков. Изучая иррациональные механизмы нашего мышления, исследователи часто обращаются к противоречивым утверждениям, на которых строятся все мировые религии. Например, одной из основ буддизма является принцип «Спокойствие находится внутри вас. Не ищите его во внешнем мире». В христианстве одним из главных столпов веры является парадоксальная природа Христа — он одновременно является Сыном Божьим и человеком из плоти и крови. Мысль о том, что вне наших привычных представлений окружающая реальность начинает распадаться на части, столетиями разрабатывалась в религиозных текстах. В то же время, только через противоречия мы можем узнать что-то новое о мире и о самих себе.

В Ветхом Завете есть эпизод, где Иов взывает к Богу, спрашивая, почему на его долю выпало так много страданий. Господь отвечает Иову загадочным вопросом: «Где был ты, когда Я полагал основания земли?» (книга Иова, 38:4). Эта реплика кажется совершенно бессмысленной — зачем Бог спрашивает у человека, своего детища, где тот был, когда Бог создавал мир? Но в этой фразе не больше парадоксального, чем в знаменитой критике «принципа неопределенности» Гейзенберга, выраженной в фразе Эйнштейна «Бог не играет в кости». Стивен Хокинг возражает Эйнштейну, заявляя, что «даже Бог подчиняется принципу неопределенности», так как если бы все итоги его творения были предопределены, Бог не был бы Богом. По мнению Хокинга, Господь — «заядлый игрок в кости», и именно это качество определяет возможность его существования.

Согласно квантовой теории мышления, мозг «играет в кости» с нашими «неопределенными» идеями, ощущениями и склонностями, чтобы сформировать несколько противоречащих друг другу мыслей, суждений или точек зрения. Затем он синтезирует эти идеи в относительно однородные, «определенные» представления о реальности. Наблюдение за мышлением на квантовом уровне ведет к его трансформации, а это, в свою очередь, меняет окружающую реальность, определяющую наше сознание.

Источник

Квантовая механика и мозг: разбор самой неоднозначной теории сознания

Изучая многочисленные концепции сознания, вы рано или поздно наткнетесь на теорию выдающегося физика из Оксфордского университета Роджера Пенроуза, согласно которой человеческий разум имеет квантовую природу. Об основных положениях этой смелой (или безумной?) гипотезы на сайте журнала Nautilus рассказывает научный журналист Стив Полсон.

Никто точно не знает, как относиться к этой теории, разработанной Пенроузом совместно с анестезиологом Стюартом Хамероффом, но большинство специалистов рассуждают примерно так: теория почти наверняка ошибочна, но поскольку Пенроуз — гений («Один из очень немногих людей, которых я без оговорок могу назвать гениальными», — сказал физик Ли Смолин), с выводами лучше не спешить.

Пенроуз несколько десятилетий назад прославился тем, что:

Круг интересов Пенроуза невероятно широк. В этом можно убедиться, прочитав его книгу «Мода, вера, фантазия и новая физика Вселенной». Это объемный, 500-страничный труд, в котором Пенроуз критикует некоторые из самых популярных теорий в физике — от дополнительных измерений в теории струн до инфляции Вселенной на ранней стадии Большого взрыва.

Пенроуз в целом не возражает против репутации «диссидента», но не согласен с такой оценкой своей работы в области физики. Его критики придерживаются иного мнения и не понимают, почему он продолжает заниматься теорией, не подкрепленной достаточными доказательствами.

Квантовая механика и мозг — какая связь?

Большинство ученых считают, что квантовая механика не имеет никакого отношения к тому, как работает наш мозг. Именно поэтому теория Пенроуза привлекла всеобщее внимание.

Эксперты в области ИИ уже несколько десятилетий говорят о компьютерном мозге, но, несмотря на прогресс в нейробиологии, мы так и не продвинулись в решении психофизиологической проблемы. Даже если бы нам удалось составить детальную карту нейронов, синапсов и нейромедиаторов в человеческом мозге — что было бы одним из величайших достижений в истории науки, — мы вряд ли смогли бы понять, каким образом в этом полуторакилограммовом органе возникают мысли и чувства.

Все современные теории сознания кажутся незавершенными. Философ Дэвид Чалмерс считает, что сознание — это свойство природы и оно существует вне известных нам законов физики. Другие — так называемые мистики — утверждают, что наука никогда не сможет объяснить субъективный опыт.

Пенроуз идет дальше. Его теория гласит, что, поскольку сознание лежит за пределами понимания современной нейробиологии и физики, «нам нужно в корне поменять свое представление о физическом мире, чтобы в нем нашлось место сознанию». «Здесь на помощь приходит квантовая механика», — сказал Пенроуз в одном из интервью.

Хамерофф выдвинул гипотезу о том, что квантовая когерентность имеет место в микротрубочках — белковых внутриклеточных структурах, входящих в состав цитоскелета. Микротрубочки представляют собой полые цилиндры и обусловливают форму и движение клетки, а также ее деление. По мнению Хамероффа, микротрубочки с их симметрией и решетчатым строением — это именно тот носитель квантового сознания, в котором нуждается теория Пенроуза.

Кто критикует Пенроуза

Большинство ученых считают, что мозг слишком теплый и влажный, а квантовая когерентность возможна лишь в изолированной холодной среде.

Самый известный критик теории Пенроуза — Макс Тегмарк, профессор физики Массачусетского технологического института, который подсчитал, что квантовые эффекты внутри микротрубочек могли бы продлиться не более 100 квадриллионных долей секунды.

«Если представить, что мои мысли — результат квантовых процессов, они должны возникать до того, как наступит квантовая декогорентность, то есть я должен думать со скоростью 10 000 000 000 000 мыслей в секунду. Возможно, Роджер Пенроуз способен мыслить так быстро, но не я», — пишет Тегмарк в книге «Наша математическая Вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности» (2014).

Даже бывший коллега Пенроуза Стивен Хокинг скептически относился к его теории: «Мне не по себе, когда физики-теоретики начинают рассуждать о сознании. Кажется, что вся теория Пенроуза основана на том, что раз нам почти ничего не известно ни о сознании, ни о квантовой гравитации, то эти два явления должны быть взаимосвязаны».

Источники вдохновения Пенроуза

В 2016 году Пенроуз выступил на однодневной конференции в Люцерне, посвященной науке о сознании. Среди приглашенных также были нейробиолог Кристоф Кох, буддийский монах Матьё Рикар, автор «Дао физики» Фритьоф Капра и даже эксперт по аяуаске.

Пенроуз установил на сцене два проектора и беспрестанно метался между ними, демонстрируя слайды со своими записями вперемешку с изображениями нейронов и микротрубочек, Пизанской башни, астронавта в открытом космосе и Русалочки — и всё это для того, чтобы объяснить свою теорию сознания.

Был на конференции и Хамерофф, который обычно играет роль верного пса Пенроуза: не только превозносит гений сэра Роджера, но и помогает ему в решении практических вопросов. Иногда Хамерофф становится свирепым бульдогом (в разгар дискуссии он терзал Коха вопросами о функционировании мозга).

«Как наглядно показал Шредингер на примере своего бедного кота, который был жив и мертв одновременно, его собственное уравнение не было истиной в последней инстанции».

Пенроуз пришел к выводу, что в квантовой механике что-то не сходится.

Но какое отношение всё это имеет к сознанию?

«Многие люди просто не в состоянии уследить за ходом моей мысли, — говорит Пенроуз и заводит речь о том, почему компьютеры со всей своей грубой вычислительной мощью, не понимают, что делают. — Я утверждаю, что функционирование мозга описывается не только законами квантовой механики, но и исключениями из них. Мы должны преодолеть квантовую механику и создать совершенно новую науку».

По словам Пенроуза, он сел за написание своей первой книги о сознании «Новый ум короля» (1989), услышав на радио BBC интервью с Марвином Минским, одним из пионеров в области искусственного интеллекта, известного своим утверждением, что человеческий мозг — это «компьютер из мяса». Убежденный, что машине не под силу имитировать мышление человека, Пенроуз посчитал необходимым отреагировать на это заявление.

Минский, который умер четыре года назад, был полной противоположностью Пенроуза.

«Я хорошо понимаю, как работает компьютер, хоть и не очень хорошо представляю себе, как работает транзистор», — сказал он однажды.

Почему сознание — это проблема?

Минский считал сознание «словом-чемоданом», которому недостает точности, необходимой научному термину.

«Слово „сознание“ необходимо заменить словами „мышление“, „принятие решений“ и другими, — говорил он. — Вместо того, чтобы рассуждать о тайне сознания, давайте лучше изучим 20 или 30 основных умственных процессов. Когда это будет сделано, кто-то скажет: „Сознание? Это чушь, в которую верили в ХХ веке“».

Но изучение сознания пошло не по тому сценарию, который предсказывал Минский. Теперь это любимый предмет исследования нейробиологов и постоянная тема для обсуждения на конференциях во всём мире.

Хамерофф — один из тех, кто создал ажиотаж вокруг этой темы. Они с Дэвидом Чалмерсом на протяжении многих лет проводили конференцию «На пути к науке о сознании», на которой выступали гости самых разных мастей — от настоящих ученых до гуру нью-эйджа вроде Дипака Чопры и экспертов по осознанным сновидениям вроде Стивена Лабержа.

Хамерофф и Пенроуз знают друг друга уже не одно десятилетие. Поводом для их знакомства послужила книга «Новый ум короля», после прочтения которой Хамерофф связался с Пенроузом и сообщил, что, он, возможно, нашел ключ к разгадке сознания.

«Стюарт написал мне письмо, в котором рассказал о микротрубочках», — вспоминает Пенроуз. Когда они встретились в Оксфорде, Пенроуз понял, что микротрубочки — наиболее подходящая среда для обеспечения квантовой когерентности. Так началось сотрудничество Пенроуза и Хамероффа. А когда в 2013 году японские исследователи объявили о том, что зафиксировали вибрации внутри микротрубочек, двое ученых сразу же ухватились за это открытие и преподнесли его как подтверждение того, что в мозге могут протекать квантовые процессы.

Тонкая грань между наукой и философией

Пенроуз и Хамерофф — странная пара. Хамерофф открыто заявляет о своей вере в бессмертие души. Пенроуз — атеист, возмущенный тем, что нью-эйджисты используют теории квантовой нелокальности и запутанности для подтверждения своих абсурдных верований.

На вопрос о том, что он думает об идеях Хамероффа о бестелесном сознании, Пенроуз отвечает:

«Он свободный человек. Хотя меня его взгляды немного беспокоят. Он идет намного дальше, чем я готов пойти».

Однако и в идеях самого Пенроуза не всегда можно провести грань между научным и философским измерением.

«Протосознание возникает каждый раз, когда во Вселенной принимается решение, — говорит он. — Взять, к примеру, пылинку, которая находится в состоянии суперпозиции одновременно в двух местах. Всего через долю секунды суперпозиция разрушится, и пылинка окажется только в одном из двух мест. Кто выбирает в каком? Вселенная? Или пылинка? Быть может, существует свобода выбора».

Предлагает ли теория Пенроуза решение философской проблемы свободы воли и детерминизма? Многие нейробиологи считают, что наши решения продиктованы происходящими в нейронах процессами, которые не управляются сознанием. Иначе говоря, свободы воли не существует. Но, согласно квантовой теории, причинных связей в мозге не существует. Высказывается ли Пенроуз в пользу свободы воли?

«Не совсем, хоть всё выглядит именно так, — отвечает он. — Наши решения кажутся произвольными. Но произвольна ли свобода воли?»

Пенроуз часто делает провокационные заявления, а потом меняет свое мнение. Его идеи о свободе воли — не исключение.

«Поначалу я верил в детерминированную Вселенную. Позже я осознал, что она, возможно, и детерминирована, но не вычислима. Если Вселенная связана с сознанием, то тотальный детерминизм от полной свободы воли должна отделять очень тонкая грань».

Как бы скептически мы ни относились к идеям Пенроуза, невольно хочется, чтобы он оказался на верном пути. Наука о сознании зашла в тупик, а теория Пенроуза — какой бы спекулятивной она ни была — предлагает выход из него.

В то же время нелегко поверить в существование квантовой когерентности в микротрубочках и согласиться с утверждением, что сознание можно объяснить лишь с помощью еще не открытых законов физики.

Есть и еще одна проблема. Предположим, что через 20 или 200 лет общие положения теории Пенроуза — Хамероффа подтвердятся. Будет ли это означать, что загадка сознания разгадана? Или что психофизиологическая проблема превратилась в квантовую психофизиологическую проблему, то есть еще большую загадку? Удастся ли нам когда-нибудь найти связь между физическим и психическим мирами?

На вопрос о том, имеет ли Вселенная смысл, Пенроуз дает неожиданный ответ:

«Сознание — это причина существования Вселенной».

Значит ли это, что он верит в существование разумной жизни где-то еще во Вселенной?

Но если Вселенная возникла из сознания, почему нам до сих пор не удалось найти следов разумной жизни за пределами Земли?

«Мне кажется, в нашей Вселенной неоптимальные условия для существования сознания, — отвечает Пенроуз. — Нетрудно представить себе Вселенную, в которой сознание было бы повсюду. Почему мы не живем в такой Вселенной?»

Источник

Мозг. Голографическая память. Биология квантовых вычислений

Говорят, что чтобы правильно задать вопрос надо знать большую часть ответа. Основной вопрос, который обычно задают про мозг – это как он устроен и каковы принципы его работы? Вопрос хороший и вполне корректный. Но предположим, что нам удалось узнать «большую часть ответа». Допустим, что возникла теория, которая исключительно правдоподобно описывает работу мозга. Какой вопрос теперь будет «правильным»?

Я развиваю модель, которую называю паттерно-волновой. Мне кажется, что в ней, наконец, удалось достаточно полно понять, как, все-таки, работает мозг. Конечно, это мое личное убеждение, и оно, безусловно, предвзято и необъективно. Но сейчас не об этом. Несколько дней назад мне довелось рассказывать о паттерно-волновой модели на семинаре в институте физиологии имени Павлова. Запись этого выступления я предлагаю посмотреть в конце этого поста. В выступлении содержится много нового по сравнению с предыдущими материалами, которые я выкладывал на Хабр и Гиктайм, и это может быть интересно тем, кто отслеживает ход исследований. Но, возможно, что смотреть выступление будет интереснее начав с конца, то есть узнав ответ на тот самый «правильный вопрос».

Напомню, что паттерно-волновая модель – это попытка объяснить, как работает мозг не только, описав некие алгоритмы, но и показав, как они биологически реализуются. С одной стороны, это сильно усложняет задачу, так как существенно ограничивает полет фантазии. Но с другой стороны, через нейрофизиологию дает огромное количество подсказок относительно реальной архитектуры мозга, которые, правда, требуется еще правильно истолковать. Так вот, оказалось, что не просто многие, а все основные принципы, которые свойственны мозгу (согласно предлагаемой модели), удивительным образом похожи на законы и принципы, которым подчиняется окружающий нас физический мир. Главным образом в мозгу оказались реализованы все идеи, составляющие квантовую механику.
Рассказ о самой модели будет в выступлении, а сейчас кратко перечислю основные совпадения:

• Информация распространяется по пространству мозга волнами активности нейронов. Волна при этом – это не просто передающееся дальше возмущение, а распространение определенного узора активности, индивидуального для каждого передаваемого понятия. Это можно легко представить. Вспомните бегущую волну на трибуне стадиона. Все встают, когда до них доходит фронт волны и садятся спустя секунду, другую. Это просто волна. А теперь представьте, что вы должны встать только если рядом уже встали определенные соседи (например, конкретные трое из двадцати сидящих рядом). И предположим, что у вас есть список комбинаций, на которые вы должны реагировать. Допустим, что у каждого на стадионе есть свой список. Тогда бежать будет не просто сплошная волна, а узор составленный из тех, кто встал, узнав комбинацию из своего списка. Если на такую конструкцию смотреть с большого расстояния, то мы увидим просто бегущую волну. Но если посмотреть в каждом конкретном месте, то увидим паттерн из определенных вставших людей.

• Передача информации в пределах одной зоны коры (не спутайте с проекциями между зонами) происходит не адресно от одного места к другому, а расходящимся из источника фронтом волны, который разносит информацию по всей зоне. Любое место мозга может запускать информационные волны, для этого достаточно воспроизвести в этом месте паттерн активности, аналогичный тому, что возникает в нем при прохождении соответствующей волны. Это похоже на то, как в физическом мире электромагнитные волны переносят информацию не адресно, а по всему пространству. В любом месте пространства можно принять любую волну. Из любого места можно ее запустить. Радиостанции вещают в эфир так, что потенциально любой владелец радиоприемника может принять их передачи.

• Химическое взаимодействие между нейронами осуществляется за счет испускания из специальных пузырьков порций веществ – нейромедиаторов. Существует минимальный квант такого взаимодействия – это испускание одного пузырька с молекулами. Пузырьки (везикулы) имеют постоянное число молекул, которое достаточно строго выдерживается. Внутри пузырька находится не один нейромедиатор, а коктейль из нейромедиаторов и нейромодуляторов. Этот коктейль позволяет отличить сигналы одного нейрона от сигналов другого и создать простой механизм, который по наличию определенного набора нейромедиаторов позволяет понять, что сработали все необходимые нейроны.
В физическом мире существует минимальная единица взаимодействия – квант. В квантовой механике величины должны принимать дискретные значения, то есть квантоваться. В стандартной модели все вещество состоит из 12 фундаментальных квантовых полей спина ½, квантами этих полей являются фундаментальные частицы-фермионы. Все остальные частицы и переносчики взаимодействия – это определенные комбинации фермионов.

• Мозг оперирует понятиями, которые не имеют однозначного смысла. Например, любое слово естественного языка допускает множество толкований в зависимости от контекста. Каждое понятие имеет спектр допустимых значений. Если информация описывается набором понятий, то возможные трактовки – это суперпозиция всех возможных значений для каждого входящего в описание понятия. Выбор смысла – это выбор для каждого понятия, входящего в описание, определенной трактовки, при этом каждое понятие фиксирует определенное значение из спектра возможных для него. Аналогично, физическая частица может находится не в произвольных состояниях, а только в разрешенных, которые образуют спектр разрешенных состояний. Квантовая система из нескольких частиц имеет спектр разрешенных состояний, который является суперпозицией разрешенных состояний составляющих ее частиц. В момент измерения квантовая система выбирает одно из разрешенных состояний, при этом каждая из частиц принимает единственное состояние из доступного ей спектра.

• Информация не имеет конкретного смыла до момента пока не будет выбрана одна из возможных трактовок. При этом нельзя сказать, что смысл есть, но просто нам он пока не известен. Одна и та же информация может быть по-разному истолкована разными людьми или одним человеком, но в разных обстоятельствах.
Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс) в свое время поставил вопрос о том имеет ли квантовая система какое-либо определенное состояние до момента измерения, но оно нам просто не известно, либо само состояние появляется только в момент измерения (взаимодействия с квантовой системой). Позже были сформулированы неравенства Белла на основании которых удалось придумать эксперименты, позволяющие проверить как имеет смысл описывать квантовые явления: вероятностно или детерминировано. В пределах достигнутой на сегодня точности подтверждается, что вероятностное толкование предпочтительнее.

• Информационные волны – это фронты распространения определенной активности на нейронах, но не тотальной активности, а частичной, то есть имеющей определенный внутренний пространственный узор. Причем этот узор уникален для каждого информационного понятия. Если событию присвоить уникальный идентификатор (эту функцию выполняет гиппокамп) и распространить его по пространству коры, то пересечение его узора (узора идентификатора гиппокампа) с кортикальными миниколонкам, составляющими текущее описание, создает интерференционную картину. Эту картину можно запомнить за счет изменения состояния метаботропных рецептивных кластеров. Впоследствии эту картину можно воспроизвести. При этом воспоминание о каждом событии оказывается не локализовано в каком-то одном месте, а распределено по всему пространству коры. Каждое место, участвовавшее в описании запомненного события, оставляет на себе отпечаток фрагмента идентификатора этого события. Каждое место впоследствии может «вспомнить» один из сохраненных идентификаторов и распространить его по пространству коры, что может заставить «откликнуться» все остальные места где этот идентификатор сохранен. В результате можно получить восстановление исходной информационной картины. Наглядно это можно представить так: предположим на стадионе есть множество секторов. Каждый сектор отвечает за определенное понятие. Указав несколько секторов, мы задаем текущее описание, состоящее из нескольких понятий. Все, кто в этих секторах должны поднять правую руку. Теперь запустим волну вставаний, кодирующую идентификатор текущего воспоминания. Все, кто встал и у кого при этом была поднята рука должны будут записать себе в блокнот какие сектора с поднятыми руками они видят. Если впоследствии повторится картина секторов, то им придется встать. В этот момент от них запустится волна, несущая идентификатор того самого воспоминания.
Физическая голография построена на том, что если осветить фотопластинку и объект двумя когерентными источниками света, то интерференция света от источника и света, отраженного от объекта, создаст картину, которая если ее запомнить сохраняет информацию обо всем световом поле. Если потом на фотопластинку с голограммой направить монохромный (желательно) свет, произойдет восстановление исходного светового поля. При этом информация будет сохранена распределено, то есть каждый участок голограммы будет хранить не свою часть картинки, а всю картинку.

• Чтобы создать пространство для параллельной проверки возможных гипотез (реализовать принцип вычислений квантового компьютера) на коре происходит пространственная самоорганизация расположения миниколонок-детекторов. За счет чего формируются области каждая из которых проверяет одну и ту же входную информацию на соответствие контексту, который характерен для этой области. За счет распределенного характера памяти каждая область имеет доступ к тому объему воспоминаний, который необходим ей для работы. Сама пространственная организация осуществляется под воздействием реального опыта и отпечатывает на себе особенности того что бывает, а чего не бывает в реальном мире. За счет этого удается не проверять все комбинаторно возможные гипотезы, а ограничится только наиболее вероятными, то есть теми, которые ранее встречались. Основной принцип такой самоорганизации – детекторы понятий, которые встречаются совместно в реальном опыте, должны располагаться совместно и на пространстве коры.
Если сравнивать со стадионом, то предположим, что люди могут видеть не все сектора сразу (на предмет поднятых рук), а только несколько соседних. Чтобы люди могли достаточно полно видеть описание, которое им надо запомнить, необходимо, чтобы сектора, которые могут совместно встретится в описании располагались поблизости. Если описания — случайные наборы понятий, то в каждом месте придется иметь все возможные понятия (которые будет невозможно все сразу разместить по соседству). Но если описания содержат закономерности, то есть что-то совместно встречается чаще, что-то реже, то, постаравшись, можно так назначить секторам понятия, что в большинстве случаев описания будут полностью укладываться в соседние сектора.
Для реализации самоорганизации требуется использовать механизмы, моделирующие на уровне нейронных связей (торможение и активация) принципы притяжения и отталкивания, причем по нескольким критериям и с разными зависимостями от расстояния.
В физическом мире материя приобретает все доступные ей сложные формы за счет пространственной самоорганизации, основой на использовании гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

• Принципы поведение человека и животных, как, собственно, и принципы мышления – это реализация механизмов обучения с подкреплением. В основе обучения с подкреплением лежит уравнение Беллмана и принцип оптимизации Беллмана. Уравнение Беллмана является случаем с дискретным временем более общего уравнения Гамильтона — Якоби — Беллмана, которое так называется потому что является аналогом уравнения Гамильтона — Якоби, известного из механики.
Если очень упрощенно, про стадион, то представьте, что люди запоминают происходящее, записывая что-то в блокнот, вспоминают, когда записанное повторяется, и встают, запуская тем самым волны с идентификаторами воспоминаний. Волны с этими идентификаторами записываются специальными людьми в секторах. Узнав волну, они дают команду всем в секторе поднять руку. Так, вспомнив что-то в одном месте, можно восстановить запомненную информационную картину на всем стадионе.
А теперь представьте, что описания кодируют положение игроков на поле и команды для них. То есть все игроки (той команды, которая хозяин стадиона) смотрят на трибуны и делают что-то только тогда если картина поднятых рук на секторах сложилась в понятную для них команду к действию. Над стадионом висит табло. Если действие оказалось удачным, мы забили гол, то все на трибунах это видят, видят и когда гол забили нам. Удачи и неудачи могут учить людей тому, что надо вспоминать, а что вспоминать не стоит. Им для этого достаточно корректировать свои записи в блокноте относительно необходимости вставания. Это и есть, вчерне, обучение с подкреплением.
Поведение физических систем определяется принципом наименьшего действия (принцип Гамильтона). Законы, определяющие поведение динамических систем (как в классической, так и в квантовой механике) выводятся из этого принципа (в том числе и уравнение Гамильтона — Якоби).

Приведены основные, но далеко не все аналогии, но и их достаточно чтобы возник неизбежный «правильный» вопрос: почему мозг так устроен, почему принципы его работы имеют настолько близкие аналогии с законами физического мира? Самое удивительное, что этот вопрос имеет вполне здравый ответ.

Давно известен так называемый антропный принцип. Суть его в том, что окружающая нас вселенная как будто специально устроена так, чтобы в ней могла возникнуть и развиться биологическая жизнь. Известно, что если изменить хоть в чем-то физические принципы нашей вселенной или хоть на малую толику поменять физические константы, то жизнь в такой вселенной никогда не возникнет. Если говорить об основных принципах, то любое их изменение ведет к тому, что скорее всего материя перестанет быть устойчивой, не смогут образовываться ни звезды, ни галактики, ни планеты. Более тонкие изменения «убивают» магию углерода. Дело в том, что вся биологическая жизнь основана на способности углерода образовывать длинные белковые молекулы. Это единственное вещество, которое способно в сочетаниях с другими создать те кирпичики из которых состоит все живое. Малейшее изменение настроек вселенной не просто лишает углерод такой способности, но и ведет к тому, что ни одно вещество не сможет формировать ничего сопоставимо сложного.

Почему же наша вселенная такова? Изящный ответ дает теория «размножения вселенных» или как ее еще называют теория «космологического естественного отбора». Все встает на место если предположить, что наша вселенная не уникальна, а только одна из множества вселенных, которые рождаются и умирают, конкурируют друг с другом (например, за вещество) и самое главное могут передавать свои свойства по наследству. Причем при передаче свойств могут возникать мутации, которые в какой-то степени могут менять законы дочерних вселенных. То есть все вселенные, а значит и наша – результат колоссальной эволюции вселенных. Страшно даже представить сколько существует других вселенных и сколько уже длится это эволюционное действо
В процессе этой эволюции скорее всего возникали и более простые вселенные, и вселенные с другими законами, но наши законы оказались лучше, поскольку смогли создать более сложную и конкурентоспособную материю. Можно предположить, что жизнь и, в частности, разумная жизнь – это один из ключевых моментов, который дает вселенным конкурентное преимущество (ели хватит сил, то напишу статью о том в чем оно, есть интересные идеи). Поэтому-то и оказалась наша вселенная именно такой, заточенной на возникновение жизни.

Теория космологического естественного отбора особенно хороша тем, что, в принципе, допускает экспериментальную проверку. Например, если удастся найти механизмы наследования или механизмы конкурентной борьбы. Так, уже сейчас Стивен Хокинг говорит о том, что неравномерность распределения вещества во вселенной может быть «унаследована» от предыдущей вселенной, существовавшей до большого взрыва. Есть рассуждения Смолина о роли черных дыр, как возможного инструмента рождения новых вселенных. Все вместе это уже кое-что.

Но мои работы неожиданно привели к достаточно убедительному (по крайней мере, для меня) доказательству теории эволюции вселенных. Про вселенную мы можем только предполагать, что это результат эволюции и естественного отбора среди других вселенных. Про мозг же мы доподлинно знаем, что это результат биологической эволюции и биологического естественного отбора. И мозг и вселенная в процессе эволюции имели схожие проблемы. Вселенной было необходимо создать механизм, позволяющий возникнуть сложной материи, реализующей неординарные свойства. Этим механизмом стала квантовая механика, которая оказалась на порядки интереснее простых детерминированных систем. Мозгу же было необходимо воспринимать и обрабатывать небанальную информацию, порождаемую окружающим миром. И оказалось, что принципы аналогичные квантовой механике, то есть использование неоднозначных понятий и операции выбора смысла, сопоставимой с коллапсом волновой функции, наделили мозг возможностями, многократно превосходящими «детерминированные» (подобные машинам Тьюринга) системы.

Отсюда следует. Так как принципы, свойственные мозгу, – результат эволюции и естественного отбора и если принципы, свойственные вселенной, аналогичны принципам, используемым мозгом, то скорее всего принципы и законы вселенной – это тоже результат эволюции и естественного отбора.

Собственно, теперь мой рассказ о том, как устроен мозг и как он на уровне биологических нейронов реализует принципы, аналогичные законам нашей вселенной.

Источник