Zusammenbruch einer führenden Theorie für den Quantenursprung des Bewusstseins

Der Ursprung des Bewusstseins ist eines der größten Mysterien der Wissenschaft. Ein Lösungsvorschlag, der erstmals von dem Nobelpreisträger und Oxford-Mathematiker Roger Penrose und dem Anästhesisten Stuart Hammeroff von der Arizona State University in Tucson vorgeschlagen wurde, schreibt das Bewusstsein Quantenberechnungen im Gehirn zu. Dies hängt wiederum von der Vorstellung ab, dass die Schwerkraft eine Rolle dabei spielen könnte, wie Quanteneffekte verschwinden oder „zusammenbrechen“. Aber eine Reihe von Experimenten in einem Labor tief unter dem Gran Sasso-Gebirge in Italien hat keine Beweise für ein schwerkraftbezogenes Quantenkollapsmodell gefunden, was die Machbarkeit dieser Erklärung für das Bewusstsein untergräbt. Über das Ergebnis wird im Tagebuch berichtet Physik des Lebens Bewertungen.

„Wie Bewusstsein im Gehirn entsteht, ist ein riesiges Rätsel“, sagt Catalina Curceanu, Mitglied des Physik-Thinktanks, des Foundational Questions Institute, FQXi, und leitende Physikerin der Experimente am INFN in Frascati, Italien. „Es gibt viele konkurrierende Ideen, aber nur sehr wenige können experimentell getestet werden.“

Die Quantenphysik sagt uns bekanntlich, dass Katzen gleichzeitig lebendig und tot sein können, zumindest theoretisch. Doch in der Praxis sehen wir Katzen nie in einem so unglücklichen Schwebezustand gefangen. Eine populäre Erklärung dafür, warum nicht, ist, dass die „Wellenfunktion“ eines Systems – sein Quantencharakter, der es ihm ermöglicht, sich gleichzeitig in zwei widersprüchlichen Zuständen zu befinden – eher „zusammenbricht“ oder zerstört wird, wenn es massiver ist, und es in einem definierten zurücklässt Staat, entweder tot oder lebendig, sagen wir, aber nicht beides gleichzeitig. Dieses Modell des Zusammenbruchs, das mit der auf schwere Objekte wie Katzen einwirkende Schwerkraft zusammenhängt, wurde von Penrose und Hammeroff bei der Entwicklung ihres Bewusstseinsmodells herangezogen.Orch-ODER-Theorie‚ (Theorie der orchestrierten objektiven Reduktion) in den 1990er Jahren.

Quantenberechnungen im Gehirn

Curceanu interessierte sich zum ersten Mal für die Orch-OR-Theorie, als sie Penrose, ebenfalls ein FQXi-Mitglied, vor einigen Jahren auf einer Konferenz traf. Bewusstsein wird normalerweise nicht mit Quanteneigenschaften in Verbindung gebracht, da Quanteneffekte zerbrechlich und selbst unter stark kontrollierten Bedingungen und kalten Temperaturen im Labor schwer aufrechtzuerhalten sind. Daher wurde lange angenommen, dass die warme und feuchte Umgebung des Gehirns zu störend wäre, um Quanteneffekte zu überleben. Aber Penrose erklärte, dass er und Hammeroff winzige Strukturen namens Mikrotubuli innerhalb von Neuronen im Gehirn identifiziert haben, die potenziell Quanteneffekte für kurze Zeiträume aufrechterhalten könnten – gerade lange genug, um Quantenberechnungen durchzuführen. Die Orch-OR-Theorie schreibt Bewusstsein Quantenberechnungen zu, die durch elektrische Schwingungen in diesen Mikrotubuli orchestriert werden („Orch“). „Was ich an dieser Theorie liebte, war, dass sie im Prinzip überprüfbar ist, und ich beschloss, nach Beweisen zu suchen, die helfen könnten, sie zu bestätigen oder zu falsifizieren“, sagt Curceanu.

„Was ich an dieser Theorie liebte, war, dass sie im Prinzip überprüfbar ist, und ich beschloss, nach Beweisen zu suchen, die helfen könnten, sie zu bestätigen oder zu falsifizieren.“

Im Zentrum der Theorie steht die Idee, dass die Schwerkraft mit dem Kollaps der Quantenwellenfunktion zusammenhängt und dass dieser Kollaps in Systemen mit mehr Masse schneller ist. Dieses Konzept wurde in den 1980er Jahren von verschiedenen Physikern in einer Reihe von Modellen entwickelt. Einer von ihnen war Lajos Diósi vom Wigner Research Center for Physics und an der Eötvös Loránd University in Budapest, Ungarn, der die neue Arbeit gemeinsam mit Curceanu, Maaneli Derakhshani von der Rutgers University in New Brunswick, New Jersey, Matthias Laubenstein verfasst hat auch bei INFN, und Kristian Piscicchia von CREF und INFN. Penrose näherte sich dieser Idee einige Jahre später unabhängig und sie wurde mit Hammeroff zum Kern seiner Bewusstseinstheorie.

Die beiden Theorien werden oft mit dem Überbegriff „Diósi-Penrose-Theorie“ bezeichnet. Aber hinter dem gemeinsamen Namen verbirgt sich ein wichtiger Unterschied, bemerkt Curceanu. Diósis Ansatz sagt voraus, dass der Kollaps von der spontanen Emission einer kleinen Strahlungsmenge begleitet wird, die gerade groß genug ist, um durch hochmoderne Experimente nachgewiesen zu werden.

In den Untergrund abtauchen

Das unterirdische Labor von Curceanu befindet sich im Gran Sasso National Laboratory, 1,4 km unter den italienischen Bergen des Gran Sasso. Das Labor steht auf einer Seite des 10 km langen Autobahntunnels, der das Massiv des Gran Sasso durchquert und L’Aquila mit Teramo verbindet. „Der Standort wurde gewählt, weil er im Grunde frei von oberirdischen Strahlungsquellen kosmischer Strahlung ist, die das Experiment stören könnten“, sagt Curceanu. Das Experiment verwendet einen äußerst empfindlichen zylindrischen Detektor, nicht viel größer als ein Becher, aus hochreinem Germanium. Es ist von einer Abschirmung umgeben, die aus Schichten von ultrareinem Blei und Kupfer besteht, um es vor jeglicher Hintergrundstrahlung zu schützen, die von den Felsen kommt. Nachdem das Experiment zwei Monate lang durchgeführt worden war, maß das Team keine spontanen Strahlungssignale, was die Möglichkeit eines schwerkraftbedingten Zusammenbruchs einschränkte. 2020 die Mannschaft gemeldet Naturphysik dass ihr negatives Ergebnis ihnen geholfen hatte, die einfachste Version des Diósi-Penrose-Modells auszuschließen.

In ihrem neuen Artikel haben sie explizit die Auswirkungen ihrer Entdeckung auf Penrose und Hammeroffs Orch-OR-Theorie des Bewusstseins untersucht. Nach einer erneuten Analyse der plausibelsten Szenarien von Hammeroff und Penrose kamen sie angesichts ihrer jüngsten experimentellen Einschränkungen zum Quantenkollaps zu dem Schluss, dass fast keines der Szenarien plausibel ist. „Dies ist die erste experimentelle Untersuchung der schwerkraftbezogenen Quantenkollapssäule des Orch-OR-Bewusstseinsmodells, der hoffentlich viele weitere folgen werden“, sagt Curceanu. „Ich bin sehr stolz auf unsere Leistung.“

Interdisziplinäre Eigenschaften

Die Experimente und Analysen werden teilweise durch ein Stipendium des Foundational Questions Institute, FQXi, finanziert. „Ohne sie wäre es nicht möglich gewesen, dieses Ergebnis zu erzielen“, sagt Curceanu. „Aufgrund der Interdisziplinarität ist es schwierig, für solche Projekte anderweitig Fördermittel zu bekommen.“

„Es ist wirklich aufregend, das, was man im Labor tun kann, mit dem vielleicht größten Mysterium des Universums in Verbindung zu bringen – dem Bewusstsein.“

Aber für Orch Or ist noch nicht alles verloren, fügt Curceanu hinzu. „Eigentlich steht die eigentliche Arbeit erst am Anfang.“ Sie sagt. Tatsächlich hat das ursprüngliche Kollapsmodell von Penrose im Gegensatz zu Diósis keine spontane Strahlung vorhergesagt, also wurde es nicht ausgeschlossen. Das neue Papier diskutiert auch kurz, wie ein schwerkraftbezogenes Kollapsmodell realistisch modifiziert werden könnte. „Ein solches überarbeitetes Modell, an dem wir im Rahmen des von FQXi finanzierten Projekts arbeiten, könnte die Tür für die Orch-OR-Theorie offen lassen“, sagt Curceanu.

In der Zwischenzeit bereitet sich das Team darauf vor, diese verfeinerten neuen Kollapsmodelle zu testen, um ihre Auswirkungen auf das Orch-OR-Modell weiter zu untersuchen. „Es ist wirklich aufregend, das, was man im Labor tun kann, mit dem vielleicht größten Mysterium des Universums in Verbindung zu bringen – dem Bewusstsein“, sagt Curceanu.

Bereitgestellt vom Foundational Questions Institute