Niemand begrijpt wat bewustzijn is en hoe het werkt. Niemand kent ook de kwantummechanica. Zou dit meer kunnen zijn dan alleen maar toeval? "Ik kan het echte probleem niet identificeren, dus ik vermoed dat er geen echt probleem is, maar ik weet niet zeker of er geen echt probleem is." De Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman zei dit over de mysterieuze paradoxen van de kwantummechanica. Tegenwoordig gebruiken natuurkundigen deze theorie om de kleinste objecten in het universum te beschrijven. Maar hij zou hetzelfde kunnen zeggen over het ingewikkelde probleem van het bewustzijn.
Sommige wetenschappers denken dat we bewustzijn al begrijpen of dat het slechts een illusie is. Maar vele anderen denken dat we nog niet eens in de buurt van de essentie van bewustzijn zijn gekomen.
Een eeuwige puzzel genaamd "bewustzijn" heeft er zelfs toe geleid dat sommige wetenschappers het proberen uit te leggen met behulp van kwantumfysica. Maar hun ijver stuitte op behoorlijk wat scepsis, en dat is niet verrassend: het lijkt onredelijk om het ene raadsel met het andere uit te leggen.
Maar zulke ideeën zijn nooit absurd en zelfs niet vanaf het plafond.
Aan de ene kant weigert de geest, tot groot ongenoegen van natuurkundigen, aanvankelijk de vroege kwantumtheorie te begrijpen. Bovendien wordt voorspeld dat kwantumcomputers dingen kunnen die conventionele computers niet kunnen. Dit herinnert ons eraan dat onze hersenen nog steeds in staat zijn tot prestaties die buiten het bereik van kunstmatige intelligentie vallen. "Kwantumbewustzijn" wordt algemeen belachelijk gemaakt als mystieke onzin, maar niemand heeft het volledig kunnen verdrijven.
Kwantummechanica is de beste theorie die we hebben om de wereld te beschrijven op het niveau van atomen en subatomaire deeltjes. Misschien wel het meest bekende van zijn mysteries is het feit dat het resultaat van een kwantumexperiment kan veranderen afhankelijk van of we besluiten de eigenschappen van de deeltjes die erin betrokken zijn te meten of niet.
Toen de pioniers van de kwantumtheorie dit 'waarnemereffect' voor het eerst ontdekten, waren ze ernstig gealarmeerd. Het leek de veronderstelling die ten grondslag ligt aan alle wetenschap te ondermijnen: dat er een objectieve wereld bestaat, onafhankelijk van ons. Als de wereld zich gedraagt, afhankelijk van hoe - of als - we ernaar kijken, wat zou 'realiteit' dan eigenlijk betekenen?
Promotie video:
Sommige wetenschappers zijn gedwongen te concluderen dat objectiviteit een illusie is en dat bewustzijn een actieve rol moet spelen in de kwantumtheorie. Anderen zagen hier gewoon geen gezond verstand in. Albert Einstein was bijvoorbeeld geïrriteerd: bestaat de maan alleen als je ernaar kijkt?
Tegenwoordig vermoeden sommige natuurkundigen dat het niet zo is dat bewustzijn de kwantummechanica beïnvloedt … maar dat het zelfs dankzij het tot stand is gekomen. Ze geloven dat we misschien kwantumtheorie nodig hebben om te begrijpen hoe de hersenen überhaupt werken. Zou het kunnen dat, net zoals kwantumobjecten zich op twee plaatsen tegelijk kunnen bevinden, zo een kwantumbrein tegelijkertijd twee elkaar uitsluitende dingen kan betekenen?
Deze ideeën zijn controversieel. Het kan blijken dat de kwantumfysica niets te maken heeft met de werking van bewustzijn. Maar ze tonen tenminste aan dat rare kwantumtheorie ons rare dingen laat denken.
Het beste van alles is dat de kwantummechanica zijn weg vindt naar het menselijk bewustzijn via een experiment met dubbele spleet. Stel je een lichtstraal voor die een scherm raakt met twee dicht bij elkaar geplaatste parallelle spleten. Een deel van het licht gaat door de spleten en valt op een ander scherm.
Je kunt licht zien als een golf. Als golven door twee spleten gaan, zoals in een experiment, botsen ze - interfereren - met elkaar. Als hun pieken overeenkomen, versterken ze elkaar, wat resulteert in een reeks zwarte en witte lichtstrepen op een tweede zwart scherm.
Dit experiment werd gebruikt om de golfkarakteristiek van licht meer dan 200 jaar te laten zien voordat de kwantumtheorie opkwam. Vervolgens werd het experiment met een dubbele spleet uitgevoerd met kwantumdeeltjes - elektronen. Dit zijn kleine geladen deeltjes, componenten van een atoom. Op een onbegrijpelijke manier, maar deze deeltjes kunnen zich gedragen als golven. Dat wil zeggen, ze worden afgebogen wanneer een stroom deeltjes door twee spleten gaat, waardoor een interferentiepatroon ontstaat.
Stel nu dat kwantumdeeltjes één voor één door de spleten gaan en dat hun aankomst op het scherm ook stap voor stap wordt waargenomen. Nu is er niets duidelijk dat ervoor zou zorgen dat het deeltje zijn pad zou verstoren. Maar de foto van de deeltjes die raken, zal nog steeds randen vertonen.
Alles wijst erop dat elk deeltje tegelijkertijd door beide spleten gaat en zichzelf hindert. Deze combinatie van de twee paden staat bekend als de staat van superpositie.
Maar hier is wat vreemd is.
Als we de detector in een van de sleuven of erachter plaatsen, kunnen we uitzoeken of er deeltjes doorheen gaan of niet. Maar in dit geval verdwijnt de storing. Alleen al het observeren van het pad van een deeltje - zelfs als deze waarneming de beweging van het deeltje niet zou moeten hinderen - verandert het resultaat.
Natuurkundige Pascual Jordan, die in de jaren twintig met kwantumgoeroe Niels Bohr in Kopenhagen werkte, zei het zo: "Waarnemingen schenden niet alleen wat gemeten moet worden, ze bepalen het … We dwingen het kwantumdeeltje om een bepaalde positie te kiezen." Met andere woorden, Jordan zegt dat "we onze eigen metingen doen".
Als dat zo is, kan de objectieve realiteit eenvoudig uit het raam worden gegooid.
Maar de eigenaardigheden houden daar niet op.
Als de natuur haar gedrag verandert, afhankelijk van of we kijken of niet, dan kunnen we proberen het om onze vingers te draaien. Om dit te doen, konden we meten welk pad het deeltje nam toen het door de dubbele spleet ging, maar pas nadat het erdoorheen was gegaan. Tegen die tijd moet ze al "beslissen" of ze via één pad of via beide gaat.
Een Amerikaanse natuurkundige John Wheeler stelde in de jaren zeventig een dergelijk experiment voor, en in de loop van de volgende tien jaar werd een experiment met "uitgestelde keuze" uitgevoerd. Het maakt gebruik van slimme methoden om de paden van kwantumdeeltjes (meestal lichtdeeltjes - fotonen) te meten nadat ze één pad hebben gekozen, of een superpositie van twee.
Het bleek dat, zoals Bohr voorspelde, het niet uitmaakt of we de metingen uitstellen of niet. Zolang we het pad van het foton meten voordat het raakt en registreren in de detector, is er geen storing. Het lijkt erop dat de natuur niet alleen "weet" wanneer we piepen, maar ook wanneer we van plan zijn om te piepen.
Eugene Wigner
Telkens wanneer we in deze experimenten het pad van een kwantumdeeltje ontdekken, "krimpt" zijn wolk van mogelijke routes tot een enkele goed gedefinieerde toestand. Bovendien suggereert een uitgesteld experiment dat alleen al het observeren, zonder enige fysieke tussenkomst veroorzaakt door de meting, instorting kan veroorzaken. Betekent dit dat een echte ineenstorting alleen plaatsvindt als het meetresultaat ons bewustzijn bereikt?
Deze mogelijkheid werd in de jaren dertig voorgesteld door de Hongaarse natuurkundige Eugene Wigner. "Hieruit volgt dat de kwantumbeschrijving van objecten wordt beïnvloed door de indrukken die mijn bewustzijn binnenkomen", schreef hij. "Solipsisme kan logisch consistent zijn met de kwantummechanica."
Wheeler was zelfs geamuseerd door het idee dat de aanwezigheid van levende wezens die in staat zijn om te 'observeren', wat voorheen een veelvoud aan mogelijk kwantumverleden was, in één concreet verhaal veranderde. In die zin, zegt Wheeler, worden we vanaf het allereerste begin deelnemers aan de evolutie van het universum. Volgens hem leven we in een 'medeplichtig universum'.
Natuurkundigen kunnen nog steeds niet de beste interpretatie van deze kwantumexperimenten kiezen, en tot op zekere hoogte heb je daar recht op. Maar op de een of andere manier is de subtekst duidelijk: bewustzijn en kwantummechanica zijn op de een of andere manier met elkaar verbonden.
Beginnend in de jaren tachtig, suggereerde de Engelse natuurkundige Roger Penrose dat deze connectie in een andere richting zou kunnen werken. Hij zei dat, of bewustzijn nu de kwantummechanica beïnvloedt of niet, de kwantummechanica misschien bij bewustzijn betrokken is.
Natuurkundige en wiskundige Roger Penrose
En Penrose vroeg ook: wat als er moleculaire structuren in onze hersenen zijn die hun toestand kunnen veranderen als reactie op één kwantumgebeurtenis? Kunnen deze structuren een superpositie aannemen, zoals deeltjes in een experiment met dubbele spleet? Kunnen deze kwantumsuperposities zich dan manifesteren in de manier waarop neuronen communiceren via elektrische signalen?
Misschien, zei Penrose, is ons vermogen om schijnbaar onverenigbare mentale toestanden te behouden geen perceptuele gril, maar een echt kwantumeffect?
Het menselijk brein lijkt immers in staat om cognitieve processen te verwerken die qua mogelijkheden nog ver superieur zijn aan digitale computers. We kunnen zelfs computertaken uitvoeren die niet op gewone computers kunnen worden uitgevoerd met behulp van klassieke digitale logica.
Penrose suggereerde voor het eerst dat kwantumeffecten aanwezig zijn in de menselijke geest in zijn boek The Emperor's New Mind uit 1989. Zijn belangrijkste idee was "georkestreerde objectieve reductie". Objectieve reductie betekent volgens Penrose dat de ineenstorting van kwantuminterferentie en superpositie een echt fysiek proces is, zoals een barstende bubbel.
Orchestrated Objective Reduction is gebaseerd op de veronderstelling van Penrose dat zwaartekracht die alledaagse objecten, stoelen of planeten beïnvloedt, geen kwantumeffecten vertoont. Penrose gelooft dat kwantumsuperpositie onmogelijk wordt voor objecten groter dan atomen, omdat hun gravitatie-invloed dan zou leiden tot het bestaan van twee incompatibele versies van ruimtetijd.
Vervolgens ontwikkelde Penrose dit idee met de Amerikaanse arts Stuart Hameroff. In zijn boek Shadows of the Mind (1994) suggereerde hij dat de structuren die bij deze kwantumcognitie betrokken zijn, eiwitfilamenten kunnen zijn - microtubuli. Ze worden in de meeste van onze cellen aangetroffen, inclusief de neuronen van de hersenen. Penrose en Hameroff voerden aan dat microtubuli tijdens het oscillatieproces een toestand van kwantumsuperpositie kunnen aannemen.
Maar er is niets dat erop wijst dat dit überhaupt mogelijk is.
Aangenomen werd dat het idee van kwantumsuperposities in microtubuli zou worden ondersteund door experimenten die in 2013 werden voorgesteld, maar in feite maakten deze studies geen melding van kwantumeffecten. Bovendien zijn de meeste onderzoekers van mening dat het idee van georkestreerde objectieve reducties werd ontkracht door een studie die in 2000 werd gepubliceerd. Natuurkundige Max Tegmark berekende dat kwantumsuperposities van moleculen die betrokken zijn bij neurale signalen niet zouden kunnen bestaan, zelfs niet op het moment dat nodig is voor signaaloverdracht.
Kwantumeffecten, inclusief superpositie, zijn erg kwetsbaar en worden vernietigd in een proces dat decoherentie wordt genoemd. Dit proces is te wijten aan de interacties van een kwantumobject met zijn omgeving, aangezien zijn "kwantum" naar buiten lekt.
Decherentie werd verondersteld extreem snel te zijn in warme en vochtige omgevingen zoals levende cellen.
Zenuwsignalen zijn elektrische impulsen die worden veroorzaakt door de passage van elektrisch geladen atomen door de wanden van zenuwcellen. Als een van deze atomen zich in superpositie bevond en vervolgens in botsing kwam met een neuron, toonde Tegmark aan dat de superpositie in minder dan een miljardste van een miljardste van een seconde zou vervallen. Het duurt tienduizend biljoen keer langer voordat een neuron een signaal uitzendt.
Dit is de reden waarom ideeën over kwantumeffecten in de hersenen niet worden getest door sceptici.
Maar Penrose houdt meedogenloos vast aan de OER-hypothese. En ondanks de voorspelling van Tegmark's ultrasnelle decoherentie in cellen, hebben andere wetenschappers manifestaties gevonden van kwantumeffecten in levende wezens. Sommigen beweren dat de kwantummechanica wordt gebruikt door trekvogels, die magnetische navigatie gebruiken, en groene planten, wanneer ze zonlicht gebruiken om via fotosynthese suiker te maken.
Dat gezegd hebbende, het idee dat de hersenen kwantumtrucs kunnen gebruiken, weigert te verdwijnen. Omdat ze een ander argument in haar voordeel vonden.
Kan fosfor een kwantumtoestand behouden?
In een onderzoek uit 2015 stelde natuurkundige Matthew Fisher van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, dat de hersenen moleculen kunnen bevatten die krachtigere kwantumsuperposities kunnen weerstaan. In het bijzonder gelooft hij dat de kernen van fosforatomen dit vermogen kunnen hebben. Fosforatomen worden overal in levende cellen aangetroffen. Ze nemen vaak de vorm aan van fosfaationen, waarbij één fosforatoom wordt gecombineerd met vier zuurstofatomen.
Dergelijke ionen zijn de belangrijkste energie-eenheid in cellen. De meeste energie van de cel wordt opgeslagen in ATP-moleculen, die een reeks van drie fosfaatgroepen bevatten die aan een organisch molecuul zijn gehecht. Wanneer een van de fosfaten wordt afgesneden, komt er energie vrij die wordt gebruikt door de cel.
Cellen hebben moleculaire machines om fosfaationen in clusters te assembleren en af te breken. Fisher stelde een schema voor waarin twee fosfaationen in een superpositie van een bepaald soort kunnen worden geplaatst: in een verstrengelde toestand.
Fosforkernen hebben een kwantumeigenschap - spin - waardoor ze eruit zien als kleine magneten met polen die in bepaalde richtingen wijzen. In een verstrengelde toestand hangt de spin van de ene fosforkern af van de andere. Met andere woorden, verstrengelde toestanden zijn superpositietoestanden waarbij meer dan één kwantumdeeltje betrokken is.
Fisher zegt dat het kwantummechanische gedrag van deze kernspins decoherentie kan tegengaan. Hij is het met Tegmark eens dat de kwantumvibraties waar Penrose en Hameroff over spraken in hoge mate afhankelijk zullen zijn van hun omgeving en "vrijwel onmiddellijk decohere". Maar de spins van de kernen werken niet zo sterk samen met hun omgeving.
En toch moet het kwantumgedrag van de spins van fosforkernen worden "beschermd" tegen decoherentie.
Quantumdeeltjes kunnen verschillende spin hebben
Dit zou kunnen gebeuren, zegt Fischer, als de fosforatomen worden opgenomen in grotere objecten die "Posner-moleculen" worden genoemd. Het zijn clusters van zes fosfaationen gecombineerd met negen calciumionen. Er zijn enkele aanwijzingen dat dergelijke moleculen in levende cellen kunnen voorkomen, maar tot dusverre zijn ze niet erg overtuigend.
In Posner-moleculen, stelt Fischer, kunnen de spins van fosfor een dag of wat weerstand bieden aan decoherentie, zelfs in levende cellen. Daarom kunnen ze ook de werking van de hersenen beïnvloeden.
Het idee is dat de moleculen van Posner kunnen worden opgenomen door neuronen. Eenmaal binnen zullen de moleculen een signaal naar een ander neuron activeren, waardoor calciumionen vervallen en vrijkomen. Door verstrengeling in de moleculen van Posner kunnen twee van deze signalen op hun beurt met elkaar verstrengeld raken: op de een of andere manier zal het een kwantumsuperpositie van 'denken' zijn. "Als kwantumverwerking met nucleaire spins daadwerkelijk in de hersenen aanwezig is, zou het buitengewoon vaak voorkomen en de hele tijd gebeuren", zegt Fisher.
Dit idee kwam voor het eerst bij hem op toen hij aan een psychische aandoening dacht.
Lithiumcarbonaatcapsule
"Mijn kennismaking met de biochemie van de hersenen begon toen ik drie tot vier jaar geleden besloot te onderzoeken hoe en waarom lithiumion zo'n radicaal effect heeft bij de behandeling van psychische problemen", zegt Fischer.
Lithiummedicijnen worden veel gebruikt om een bipolaire stoornis te behandelen. Ze werken, maar niemand weet precies waarom.
"Ik was niet op zoek naar een kwantumverklaring", zegt Fisher. Maar toen kwam hij een artikel tegen dat beschreef hoe lithiumpreparaten verschillende effecten hadden op het gedrag van ratten, afhankelijk van welke vorm - of 'isotoop' - van lithium werd gebruikt.
Dit bracht wetenschappers aanvankelijk in verwarring. Chemisch gezien gedragen verschillende isotopen zich op vrijwel dezelfde manier, dus als lithium werkte als een gewoon medicijn, moeten de isotopen hetzelfde effect hebben gehad.
Zenuwcellen zijn verbonden met synapsen
Maar Fischer realiseerde zich dat de atoomkernen van verschillende lithiumisotopen verschillende spins kunnen hebben. Deze kwantumeigenschap kan de werking van op lithium gebaseerde medicijnen beïnvloeden. Als lithium bijvoorbeeld calcium in Posner-moleculen vervangt, kunnen de spins van lithium een effect hebben op fosforatomen en voorkomen dat ze verstrengeld raken.
Als dit waar is, zou het ook kunnen verklaren waarom lithium een bipolaire stoornis kan behandelen.
Op dit moment is Fischers gok niets meer dan een intrigerend idee. Maar er zijn verschillende manieren om het te controleren. Bijvoorbeeld dat de spins van fosfor in Posner-moleculen de kwantumcoherentie lange tijd kunnen behouden. Dit is Fisher en hij wil verder kijken.
Toch is hij op zijn hoede om geassocieerd te worden met eerdere concepten van 'kwantumbewustzijn', die hij op zijn best als speculatief beschouwt.
Bewustzijn is een diep mysterie
Natuurkundigen houden er niet zo van om in hun eigen theorieën te zitten. Velen van hen hopen dat het bewustzijn en het brein uit de kwantumtheorie kunnen worden gehaald, en misschien omgekeerd. Maar we weten niet wat bewustzijn is, laat staan dat we geen theorie hebben die het beschrijft.
Bovendien zijn er af en toe luide uitroepen dat de kwantummechanica ons in staat zal stellen telepathie en telekinese onder de knie te krijgen (en hoewel dit ergens in de diepte van concepten zo kan zijn, nemen mensen alles te letterlijk). Daarom zijn natuurkundigen over het algemeen bang om de woorden "kwantum" en "bewustzijn" in één zin te noemen.
In 2016 stelde Adrian Kent van de Universiteit van Cambridge in het VK, een van de meest gerespecteerde "kwantumfilosofen", voor dat bewustzijn het gedrag van kwantumsystemen op subtiele maar detecteerbare manieren kan veranderen. Kent is erg voorzichtig in zijn uitspraken. "Er is geen dwingende reden om aan te nemen dat de kwantumtheorie een geschikte theorie is om een theorie van het bewustzijn uit te trekken, of dat de problemen van de kwantumtheorie op de een of andere manier moeten overlappen met het probleem van het bewustzijn", geeft hij toe.
Maar hij voegt eraan toe dat het volkomen onbegrijpelijk is hoe je een beschrijving van bewustzijn kunt afleiden, uitsluitend gebaseerd op de pre-kwantumfysica, hoe je al zijn eigenschappen en kenmerken kunt beschrijven.
We begrijpen niet hoe gedachten werken
Een bijzonder verontrustende vraag is hoe onze bewuste geest unieke sensaties kan ervaren, zoals rood of de geur van geroosterd vlees. Behalve mensen met een visuele beperking weten we allemaal hoe rood eruitziet, maar we kunnen dit gevoel niet overbrengen, en in de natuurkunde is er niets dat ons kan vertellen hoe het eruit ziet.
Gevoelens zoals deze worden qualia genoemd. We zien ze als uniforme eigenschappen van de externe wereld, maar in werkelijkheid zijn ze producten van ons bewustzijn - en dit is moeilijk uit te leggen. In 1995 noemde filosoof David Chalmers dit het 'harde probleem' van het bewustzijn.
"Elke denkketen over het verband tussen bewustzijn en fysica leidt tot ernstige problemen", zegt Kent.
Dit bracht hem ertoe te suggereren dat "we enige vooruitgang zouden kunnen boeken in het begrijpen van het probleem van de evolutie van het bewustzijn, als we zouden toegeven (tenminste net toegegeven) dat bewustzijn kwantumwaarschijnlijkheden verandert."
Met andere woorden, de hersenen kunnen de meetresultaten daadwerkelijk beïnvloeden.
Vanuit dit gezichtspunt definieert het niet 'wat echt is'. Maar het kan de waarschijnlijkheid beïnvloeden dat elk van de mogelijke realiteiten opgelegd door de kwantummechanica zal worden waargenomen. Zelfs de kwantumtheorie zelf kan dit niet voorspellen. En Kent denkt dat we experimenteel naar dergelijke manifestaties kunnen zoeken. Maakt zelfs moedig de kansen om ze te vinden in.
“Ik neem aan met 15 procent zekerheid dat bewustzijn afwijkingen van de kwantumtheorie veroorzaakt; en nog eens 3 procent dat we dit experimenteel zullen bevestigen in de komende 50 jaar”, zegt hij.
Als dit gebeurt, zal de wereld niet hetzelfde zijn. Daarvoor is het de moeite waard om te verkennen.
ILYA KHEL
