Sammenbrud af en førende teori for bevidsthedens kvanteoprindelse

Bevidsthedens oprindelse er et af videnskabens største mysterier. En foreslået løsning, først foreslået af nobelpristageren og Oxford-matematiker Roger Penrose og anæstesiolog Stuart Hammeroff ved University of Arizona i Tucson, tilskriver bevidsthed kvanteberegninger i hjernen. Dette afhænger igen af ​​forestillingen om, at tyngdekraften kan spille en rolle i, hvordan kvanteeffekter forsvinder eller "kollapser". Men en række eksperimenter i et laboratorium dybt under Gran Sasso-bjergene i Italien har ikke fundet beviser til støtte for en gravitationsrelateret kvantekollapsmodel, hvilket underminerer gennemførligheden af ​​denne forklaring på bevidsthed. Resultatet er rapporteret i tidsskriftet Physics of Life Reviews .

"Hvordan bevidsthed opstår i hjernen er et stort puslespil," siger Catalina Curceanu, medlem af fysiktænketanken, Foundational Questions Institute, FQXi, og den ledende fysiker på eksperimenterne på INFN i Frascati, Italien. "Der er mange konkurrerende ideer, men meget få kan afprøves eksperimentelt."

Kvantefysik fortæller os berømt, at katte kan være levende og døde på samme tid, i det mindste i teorien. Alligevel ser vi i praksis aldrig kattedyr låst i sådan en uheldig limbotilstand. En populær forklaring på hvorfor ikke er, fordi et systems "bølgefunktion" - dets kvantekarakter, der tillader det at være i to modstridende tilstande samtidigt - er mere tilbøjelige til at "kollapse" eller blive ødelagt, hvis det er mere massivt, hvilket efterlader det i én defineret tilstand, enten død eller i live, siger, men ikke begge dele på samme tid. Denne kollapsmodel, relateret til tyngdekraften, der virker på tunge genstande som katte, blev påberåbt af Penrose og Hammeroff, da de udviklede deres bevidsthedsmodel, 'Orch OR theory' (the Orchestrated Objective Reduction theory), i 1990'erne.

Kvanteberegninger i hjernen

Curceanu blev først interesseret i Orch OR-teori, da hun mødte Penrose, også et FQXi-medlem, på en konference for nogle år siden. Bevidsthed er normalt ikke forbundet med kvanteegenskaber, fordi kvanteeffekter er skrøbelige og vanskelige at opretholde selv under stærkt kontrollerede forhold og kolde temperaturer i laboratoriet. Så det havde længe været antaget, at hjernens varme og våde miljø ville være for forstyrrende til at tillade kvanteeffekter at overleve. Men Penrose forklarede, at han og Hammeroff har identificeret bittesmå strukturer kaldet mikrotubuli i neuroner i hjernen, der potentielt kunne opretholde kvanteeffekter i korte perioder - lige længe nok til at udføre kvanteberegninger. Orch OR-teori tilskriver bevidsthed til kvanteberegninger orkestreret ("Orch") af elektriske svingninger i disse mikrotubuli. "Det, jeg elskede ved denne teori, var, at den i princippet kan testes, og jeg besluttede at søge efter beviser, der kunne hjælpe med at bekræfte eller forfalske det," siger Curceanu.

"Det, jeg elskede ved denne teori, var, at den i princippet kan testes, og jeg besluttede at søge efter beviser, der kunne hjælpe med at bekræfte eller forfalske det."

Kernen i teorien er ideen om, at tyngdekraften er relateret til kvantebølgefunktionskollaps, og at dette kollaps er hurtigere i systemer med mere masse. Dette koncept blev udviklet i en række modeller af forskellige fysikere i 1980'erne. En af dem var Lajos Diósi, ved Wigner Research Center for Physics og ved Eötvös Loránd University i Budapest, Ungarn, som har været medforfatter til det nye papir sammen med Curceanu, Maaneli Derakhshani fra Rutgers University i New Brunswick, New Jersey, Matthias Laubenstein also at INFN, and Kristian Piscicchia of CREF and INFN. Penrose independently approached this idea a few years later and it became the core of his consciousness theory with Hammeroff.

The two theories are often referred to by the umbrella term, the "Diósi-Penrose theory." But behind the joint name there is an important difference, notes Curceanu. Diósi's approach predicts that collapse would be accompanied by the spontaneous emission of a small amount of radiation, just large enough to be detected by cutting edge experiments.

Going underground

Curceanu's underground lab is housed within the Gran Sasso National Laboratory, 1.4 km under the Gran Sasso Italian mountains. The lab stands on one side of the 10-km long highway tunnel which crosses the Gran Sasso massif, connecting L'Aquila and Teramo. "The location was chosen because it is basically free from cosmic-ray radiation sources above the ground, that could interfere with the experiment," says Curceanu. The experiment uses an extremely sensitive cylindrical detector, not much bigger than a mug, made from highly pure germanium. It is surrounded by shielding, made of layers of ultra-pure lead and copper, to shelter it from any background radiation coming from the rocks. After running the experiment for two months the team did not measure spontaneous radiation signals, constraining the feasibility of gravity-related collapse. In 2020, the team reported in Nature Physics that their negative result had helped them rule out the simplest version of the Diósi-Penrose model.

In their new paper they have explicitly examined the repercussions of their finding for Penrose and Hammeroff's Orch OR theory of consciousness. After reanalyzing the most plausible scenarios set out by Hammeroff and Penrose, in light of their recent experimental constraints on quantum collapse, they were led to conclude that almost none of the scenarios are plausible. "This is the first experimental investigation of the gravity-related quantum collapse pillar of the Orch OR consciousness model, which we hope will be followed by many others," says Curceanu. "I am very proud of our achievement."

Interdisciplinary characteristics

The experiments and analysis are partially funded by a grant from the Foundational Questions Institute, FQXi. "Without it, it would have not been possible to achieve this outcome," says Curceanu. "It is hard to otherwise get funding for projects such as this, based on its interdisciplinary characteristics."

"It is really exciting to connect what you can do in the laboratory to perhaps the biggest mystery in the universe—consciousness."

But all is not lost for Orch Or, adds Curceanu. "Actually, the real work is just at the beginning." she says. In fact, Penrose's original collapse model, unlike Diósi's, did not predict spontaneous radiation, so has not been ruled out. The new paper also briefly discusses how a gravity-related collapse model might realistically be modified. "Such a revised model, which we are working on within the FQXi financed project, could leave the door open for Orch OR theory," Curceanu says.

Meanwhile the team is preparing to test these refined new collapse models, to further investigate their implications for the Orch OR model. "It is really exciting to connect what you can do in the laboratory to perhaps the biggest mystery in the universe—consciousness," says Curceanu. + Udforsk yderligere

Deconstructing Schrödinger's cat