Laboratorium Gran Sasso o niskiej radioaktywności, gdzie przeprowadzono eksperyment.
Kontrowersyjna teoria wysunięta przez fizyka Rogera Penrose’a i anestezjologa Stuarta Hameroffa, która zakłada, że świadomość jest zjawiskiem zasadniczo kwantowo-mechanicznym, została zakwestionowana przez badania dotyczące roli grawitacji w załamywaniu się kwantowych funkcji falowych. Opierając się na wynikach eksperymentu przeprowadzonego pod górą Gran Sasso we Włoszech, nowa praca stwierdza, że teoria Orchestrated Objective Reduction (Orch OR) Penrose’a i Hameroffa jest „wysoce niewiarygodna”, gdy opiera się na najprostszym typie załamania funkcji falowej związanego z grawitacją – chociaż zauważają, że bardziej złożone modele załamania pozostawiają pewne pole manewru.
Wielu naukowców uważa świadomość za globalną manifestację indywidualnych obliczeń wykonywanych przez miliardy neuronów w mózgu. Penrose i Hameroff twierdzą natomiast, że świadomość opiera się na niekomputerowym załamaniu spójnych kwantowych superpozycji pomiędzy strukturami komórkowymi w neuronach, znanymi jako mikrotubule.
Uważają oni, że podczas gdy superpozycje kierują klasycznymi procesami neuronowymi, to ciągłe grawitacyjne załamywanie się stanów kwantowych daje początek naszemu poczuciu samoświadomości.
W najnowszej pracy Catalina Curceanu z Narodowego Laboratorium we Frascati koło Rzymu i jej współpracownicy oceniają wiarygodność Orch OR w świetle wyników eksperymentu, który przeprowadzili w celu zbadania możliwej roli grawitacji w załamaniu funkcji falowych. Standardowa teoria kwantowa pozostawia otwartą kwestię tego, co powoduje załamanie się funkcji falowej stanu, podając jedynie prawdopodobieństwo załamania się systemu do takiego czy innego stanu klasycznego i sugerując, że proces ten jest losowy. Jednak kilku fizyków na przestrzeni lat próbowało zidentyfikować fizyczny mechanizm stojący za tym procesem – wśród nich Penrose i Lajos Diósi, którzy stworzyli model Diósi-Penrose. Diósi pracuje na węgierskim Uniwersytecie Eötvös Loránd oraz w Centrum Badań Wignera w dziedzinie fizyki i współpracował z Curceanu przy najnowszych badaniach.
Różne zakrzywione czasoprzestrzenie
Model Diósi-Penrose polega na połączeniu mechaniki kwantowej z klasyczną grawitacją w taki sposób, że przestrzenna superpozycja stanów kwantowych generuje superpozycję różnych zakrzywionych czasoprzestrzeni. Idea jest taka, że ta ostatnia superpozycja jest niestabilna i powoduje załamanie funkcji falowej układu, gdy energia grawitacyjna wynikająca z różnicy formacji czasoprzestrzennych – a więc i masa układu – przekroczy pewien próg. Proces ten jest niezależny od dekoherencji funkcji falowej przez szum otoczenia, ale jego realizacja wymaga utrzymania tego ostatniego w ryzach.
Choć zarówno Penrose, jak i Diósi doszli do tego samego prostego wzoru na skalę czasową, w której nastąpi tego typu kolaps, ich poszczególne modele różnią się od siebie. Penrose nie określił dynamiki kolapsu funkcji falowej, podczas gdy Diósi przedstawił pełny opis dynamiczny. Diósi przewidział, że kolapsowi powinna towarzyszyć emisja promieniowania elektromagnetycznego – generowanego przez naładowane cząstki w układzie, które przechodzą ciągły ruch Browna związany z mechanizmem kolapsu.
Teraz Diósi połączył siły z Curceanu i innymi fizykami z Włoch i Niemiec, aby ustalić, czy przewidywane przez niego promieniowanie rzeczywiście jest emitowane w przyrodzie. Grupa dokonała tego poprzez monitorowanie emisji z cylindra germanu o wielkości małej puszki fasoli, osłoniętego przed zewnętrznym promieniowaniem przez ołowiane i miedziane osłony, jak również 1400 m skały nad laboratorium – Narodowym Laboratorium Gran Sasso w pobliżu L’Aquila. Byli oni w stanie przetestować model Diósi-Penrose’a, pracując nad tym, ile związanego z grawitacją promieniowania kolapsowego powinno zostać wyprodukowane przez naładowane cząstki wewnątrz germanu i porównując swoje obliczenia z pomiarami.
Przeprowadzając swój eksperyment w ciągu dwóch kolejnych miesięcy w lecie 2014 i 2015 roku, nie zmierzyli żadnego promieniowania poza tym, którego spodziewali się po emisji szczątkowej w aparaturze eksperymentalnej. To pozwoliło im nałożyć dolny limit na parametr, R0, który opisują jako efektywny rozmiar gęstości masy cząstki.
Wynik ten wykluczył już jedno specyficzne i naturalne sformułowanie modelu Diósi-Penrose’a – które przewidywało, że skala superpozycji jest porównywalna z rozmiarem samych jąder – zmierzona dolna granica R0 wynosiła 0,54×10-10 m, podczas gdy rozmiar jądrowej funkcji falowej germanu schłodzonego do temperatury ciekłego azotu (jak to miało miejsce w ich eksperymencie) byłby o rząd wielkości niższy (0,05×10-10 m).
Skala molekularna
Teraz Curceanu, Diósi i współpracownicy przeanalizowali, co ta wartość R0 oznacza konkretnie dla teorii Orch OR, zakładając dwie różne skale superpozycji – jądrową preferowaną przez Penrose’a (około 10-15 m) i podobną do rozmiaru całych białek tubuliny w splocie mikrotubul (około 3 nm). W każdym przypadku ich celem było ustalenie, ile materii mózgowej byłoby potrzebne do załamania funkcji falowej w skali czasowej porównywalnej do świadomych doświadczeń (zwykle około 0,5 s, ale potencjalnie tak krótko jak 0,025 s).
W przypadku superpozycji wielkości jądra atomowego, efekt kolapsowania pojedynczych jąder węgla w białkach tubuliny jest znikomy i dlatego wymaga ogromnej liczby jąder, aby działać w zgodzie. W rzeczywistości, naukowcy ustalili, że aby załamać funkcję falową w ciągu około 0,025 s, 1023 tubuliny musiałyby utworzyć stan koherentny. Jednak, jak zauważają, w całym mózgu znajduje się tylko 1020 tubulin (około 109 w każdym neuronie). „Te rozważania wydają się wykluczać separację tubulin na poziomie jąder atomowych” – mówią.
W drugim scenariuszu, większa skala superpozycji implikuje, że mniej tubulin musiałoby pozostać spójnych. W istocie, Curceanu i współpracownicy pracują nad tym, że zaledwie 1012 z nich wykonałoby to zadanie. Mimo to, jak mówią, ogólne wymagania wydają się zniechęcające – mózg musi utrzymać masę 10-16 kg w stanie koherentnym przez 25 ms w skali długości około 10 nm. „To znacznie przekracza wszelkie koherentne stany superpozycji osiągnięte za pomocą najnowocześniejszych eksperymentów optomechanicznych lub interferencji makromolekularnej” – zauważają. Badacze dodają, że nie wszystko jest stracone dla Orch OR. Chociaż uważają, że teoria wydaje się niewiarygodna, jeśli opiera się na najprostszym modelu załamania funkcji falowej, może stać się bardziej wiarygodna, jeśli uda się opracować bardziej wyrafinowany model – taki, który na przykład zachowuje energię (co nie jest prawdą w obecnym modelu Diósi).
„W przyszłej pracy”, mówią, „zamierzamy opracować takie warianty dynamiki załamania Diósi-Penrose, a następnie ponownie zbadać scenariusze superpozycji tubuliny omówione powyżej”.
