Kollapser en ledende teori for bevissthetens kvanteopprinnelse

Opprinnelsen til bevissthet er et av vitenskapens største mysterier. En foreslått løsning, først foreslått av nobelprisvinneren og Oxford-matematiker Roger Penrose og anestesiolog Stuart Hammeroff, ved Arizona State University i Tucson, tilskriver bevissthet til kvanteberegninger i hjernen. Dette avhenger igjen av forestillingen om at tyngdekraften kan spille en rolle i hvordan kvanteeffekter forsvinner, eller «kollapser». Men en serie eksperimenter i et laboratorium dypt under Gran Sasso-fjellene, i Italia, har ikke klart å finne bevis som støtter en gravitasjonsrelatert kvantekollapsmodell, noe som undergraver gjennomførbarheten av denne forklaringen for bevissthet. Resultatet er rapportert i journalen Physics of Life Anmeldelser.

“Hvordan bevissthet oppstår i hjernen er et stort puslespill,” sier Catalina Curceanu, medlem av tenketanken for fysikk, Foundational Questions Institute, FQXi, og hovedfysikeren på eksperimentene ved INFN i Frascati, Italia. “Det er mange konkurrerende ideer, men svært få kan testes eksperimentelt.”

Kvantefysikk forteller oss berømt at katter kan være levende og døde på samme tid, i det minste i teori. Men i praksis ser vi aldri kattedyr låst i en så uheldig limbotilstand. En populær forklaring på hvorfor ikke er fordi “bølgefunksjonen” til et system – dets kvantekarakter som lar det være i to motstridende tilstander samtidig – er mer sannsynlig å “kollapse” eller bli ødelagt hvis det er mer massivt, og etterlater det i en definert stat, enten død eller i live, si, men ikke begge deler samtidig. Denne kollapsmodellen, relatert til tyngdekraften som virker på tunge gjenstander som katter, ble påkalt av Penrose og Hammeroff da de utviklet deres bevissthetsmodell, ‘Orch OR teori‘ (The Orchestrated Objective Reduction-teorien), på 1990-tallet.

Kvanteberegninger i hjernen

Curceanu ble først interessert i Orch OR-teori da hun møtte Penrose, også et FQXi-medlem, på en konferanse for noen år siden. Bevissthet er vanligvis ikke assosiert med kvanteegenskaper pga kvanteeffekter er skjøre og vanskelige å vedlikeholde selv under svært kontrollerte forhold og kalde temperaturer i laboratoriet. Så det hadde lenge vært antatt at hjernens varme og våte miljø ville være for forstyrrende til å tillate kvanteeffekter å overleve. Men Penrose forklarte at han og Hammeroff har identifisert små strukturer kalt mikrotubuli i nevroner i hjernen som potensielt kan opprettholde kvanteeffekter i korte perioder – akkurat lenge nok til å utføre kvanteberegninger. Orch OR-teori tilskriver bevissthet til kvanteberegninger orkestrert (“Orch”) av elektriske oscillasjoner i disse mikrotubuli. “Det jeg elsket med denne teorien var at den i prinsippet er testbar, og jeg bestemte meg for å søke etter bevis som kan hjelpe med å bekrefte eller forfalske den,” sier Curceanu.

“Det jeg elsket med denne teorien var at den i prinsippet er testbar, og jeg bestemte meg for å søke etter bevis som kan hjelpe med å bekrefte eller forfalske den.”

I kjernen av teorien er ideen om at gravitasjon er relatert til kvantebølgefunksjonskollaps og at denne kollapsen er raskere i systemer med mer masse. Dette konseptet ble utviklet i en rekke modeller av forskjellige fysikere på 1980-tallet. En av dem var Lajos Diósi, ved Wigner Research Center for Physics og ved Eötvös Loránd University i Budapest, Ungarn, som har skrevet den nye artikkelen sammen med Curceanu, Maaneli Derakhshani fra Rutgers University i New Brunswick, New Jersey, Matthias Laubenstein. også ved INFN, og Kristian Piscicchia i CREF og INFN. Penrose nærmet seg uavhengig av denne ideen noen år senere, og den ble kjernen i bevissthetsteorien hans med Hammeroff.

De to teoriene blir ofte referert til med paraplybegrepet, “Diósi-Penrose-teorien.” Men bak fellesnavnet er det en viktig forskjell, bemerker Curceanu. Diósis tilnærming forutsier at kollaps vil bli ledsaget av spontan utslipp av en liten mengde stråling, akkurat stor nok til å bli oppdaget ved banebrytende eksperimenter.

Går under jorden

Curceanus underjordiske laboratorium ligger i Gran Sasso National Laboratory, 1,4 km under Gran Sasso italienske fjell. Laboratoriet står på den ene siden av den 10 km lange motorveitunnelen som krysser Gran Sasso-massivet, og forbinder L’Aquila og Teramo. “Plasseringen ble valgt fordi den i utgangspunktet er fri for kosmisk strålestråling over bakken, som kan forstyrre eksperimentet,” sier Curceanu. Eksperimentet bruker en ekstremt følsom sylindrisk detektor, ikke mye større enn et krus, laget av høyrent germanium. Den er omgitt av skjerming, laget av lag med ultrarent bly og kobber, for å beskytte den mot eventuell bakgrunnsstråling som kommer fra steinene. Etter å ha kjørt eksperimentet i to måneder målte teamet ikke spontane strålingssignaler, noe som begrenset muligheten for gravitasjonsrelatert kollaps. I 2020, laget rapportert i Naturfysikk at deres negative resultat hadde hjulpet dem å utelukke den enkleste versjonen av Diósi-Penrose-modellen.

I sin nye artikkel har de eksplisitt undersøkt konsekvensene av funnene deres for Penrose og Hammeroffs Orch OR teori om bevissthet. Etter å ha analysert de mest plausible scenariene satt opp av Hammeroff og Penrose, i lys av deres nylige eksperimentelle begrensninger på kvantekollaps, ble de ført til å konkludere med at nesten ingen av scenariene er plausible. “Dette er den første eksperimentelle undersøkelsen av den gravitasjonsrelaterte kvantekollapssøylen til Orch OR-bevissthetsmodellen, som vi håper vil bli fulgt av mange andre,” sier Curceanu. “Jeg er veldig stolt over prestasjonen vår.”

Tverrfaglige kjennetegn

Eksperimentene og analysen er delvis finansiert av et tilskudd fra Foundational Questions Institute, FQXi. “Uten det ville det ikke vært mulig å oppnå dette resultatet,” sier Curceanu. “Det er vanskelig ellers å få midler til prosjekter som dette, basert på dets tverrfaglige egenskaper.”

“Det er virkelig spennende å koble det du kan gjøre i laboratoriet til kanskje det største mysteriet i universet – bevissthet.”

Men alt er ikke tapt for Orch Or, legger Curceanu til. “Egentlig er det virkelige arbeidet bare i begynnelsen.” hun sier. Faktisk forutså ikke Penroses originale kollapsmodell, i motsetning til Diósis, spontan stråling, så den har ikke blitt utelukket. Den nye artikkelen diskuterer også kort hvordan en gravitasjonsrelatert kollapsmodell realistisk kan modifiseres. “En slik revidert modell, som vi jobber med i det FQXi-finansierte prosjektet, kan la døren stå åpen for Orch OR-teori,” sier Curceanu.

I mellomtiden forbereder teamet seg på å teste disse raffinerte nye kollapsmodellene, for å undersøke deres implikasjoner for Orch OR-modellen ytterligere. “Det er virkelig spennende å koble det du kan gjøre i laboratoriet til kanskje det største mysteriet i universet—bevissthet,” sier Curceanu.

---

---

Levert av Foundational Questions Institute