Гіпотеза «квантового розуму» припускає, що класична фізика та детермінізм не здатні повністю описати свідомість як механічне явище. На думку прихильників цієї гіпотези, для пояснення свідомості необхідно залучити положення квантової механіки, зокрема явища суперпозиції та квантової заплутаності.
Квантова заплутаність і суперпозиція, на думку прихильників гіпотези, можуть відігравати важливу роль у роботі мозку та стати основою для пояснення свідомості. Водночас це не одна теорія, а сукупність різних ідей. Теоретичні основи таких припущень були закладені ще в 1960-х роках. Сьогодні ця концепція залишається дискусійною та перебуває на ранній стадії розвитку.
Головний аргумент прихильників квантової гіпотези полягає в тому, що класична фізика не може самостійно пояснити природу свідомості.
Галілей і Ньютон фактично розмежували об’єктивні властивості фізичного світу та суб’єктивні відчуття. Фрітьоф Капра писав, що вчені здатні описувати природу математично. Галілей вважав, що науковці мають зосереджуватися на основних властивостях тіл — формі, кількості та русі, які можна виміряти кількісно. Інші властивості, такі як колір, звук, смак чи запах, розглядалися як суб’єктивні уявлення, які слід було виключити з предметної сфери природничих наук.
Ідею про те, що квантова теорія може бути пов’язана з роботою свідомості, висунув Юджин Вігнер. Він припускав, що колапс хвильової функції може відбуватися під час її взаємодії зі свідомістю. Водночас більшість сучасних фізиків і філософів вважають докази важливої ролі квантових явищ у свідомості непереконливими. Фізик Віктор Стенджер характеризував квантову свідомість як «міф», що не має наукового підґрунтя. Філософ Девід Чалмерс також скептично ставився до спроб пов’язати квантову механіку зі свідомістю.
Девід Бом, відомий роботами з квантової фізики, філософії та нейропсихології, висловлював думку, що квантова теорія та теорія відносності суперечать одна одній. На його думку, це може свідчити про існування більш фундаментальної основи фізичного Всесвіту. Бом припускав, що обидві теорії вказують на глибшу теорію, яку він описував у термінах квантової теорії поля. Цей фундаментальніший рівень він пропонував розглядати як нероздільну цілісність, з якої виникає порядок у Всесвіті.
Теорія Бома значною мірою перегукувалася з філософськими поглядами Нільса Бора та його принципом доповнювальності. Вона не заперечувала можливості існування нейрохімічних корелятів свідомості, але водночас відкидала припущення про принципову неможливість опису квантового світу.
Бом, Хілі, Пилкканен та інші дослідники вважали, що відмінності між матерією та свідомістю потребують переосмислення.
У своїх роботах, присвячених квантовій теорії та принципу доповнювальності Бора, Бом порівнював неможливість одночасно точно виміряти положення та швидкість частинки відповідно до принципу невизначеності з неможливістю одночасно визначити зміст і момент виникнення думки, на яку спрямована людська свідомість.
Пааво Пилкканен наводив приклад людини, яку попросили описати, про що вона думає під час поїздки в потязі. Коли людина починає усвідомлювати сам процес мислення, перебіг думки може перериватися. Бом намагався пояснити цей парадокс через взаємозв’язок квантової реальності та свідомості.
Запропонований Бомом принцип порядку він відносив як до матерії, так і до свідомості. На його думку, це могло пояснити зв’язок між ними. Розум і матерія тут розглядаються як прояви порядку, що походить із фундаментальнішої реальності.
Описуючи природу свідомості, Бом звертався, зокрема, до досвіду прослуховування музики. Він вважав, що відчуття руху та зміни, які виникають під час сприйняття музики, пов’язані з інформацією з недавнього минулого, що аналізується не просто як спогад, а як частина поточного процесу.
Інформація з недавнього минулого розглядається як те, що проявляється в теперішньому. Бом досліджував це як прояв свідомості, що виникає з певного порядку. Він порівнював рух, зміну та потік, характерні для сприйняття музики, з проявами цього порядку.
Він також звертався до досліджень Жана Піаже та стверджував, що діти мають поступово засвоїти поняття часу й простору. Бом порівнював це з ідеєю Ноама Хомського про вроджені механізми формування граматики.
Водночас у своїх роботах Девід Бом не запропонував конкретного механізму роботи мозку, за допомогою якого його концепція імпліцитного порядку могла б бути пов’язана зі свідомістю. Також не було запропоновано чітких способів експериментальної перевірки або спростування цієї гіпотези.
Фізик Густав Бернройдер припустив, що концепцію Бома можна застосувати до вивчення взаємозв’язку між нервовими процесами та свідомістю. У статті, опублікованій у 2005 році, Бернройдер розглядав можливу фізичну основу такого процесу. Основна ідея його роботи пов’язана з квантовою когерентністю.
Припускалося, що квантова когерентність може зберігатися в іонних каналах нейронів достатньо довго, щоб потенційно впливати на нервові процеси. Крім того, ці канали можуть взаємодіяти з навколишніми ліпідами, білками та іншими каналами тієї самої мембрани. Іонні канали регулюють електричний потенціал мембрани аксона, а отже, відіграють важливу роль у передачі та обробці інформації в мозку.
Бернройдер ґрунтував свою роботу на дослідженнях калієвих каналів K+ у їхньому основному стані. Особливе значення він надавав дослідженням атомної структури цих каналів, проведеним командою Родеріка Мак-Кіннона. Іонні канали мають ділянку, яка працює як фільтр: вона пропускає іони K+, але не пропускає деякі інші іони. Дослідження показали, що фільтр має структуру, сформовану атомами кисню.
Бернройдер припустив, що особливості структури калієвого каналу можуть створювати умови для виникнення квантової когерентності.
Разом зі співавтором Сісером Роєм він розглядав можливість того, що поведінку іонів K+ у каналі можна описувати на квантовому рівні. Дослідники також припускали, що структура іонного каналу потенційно може бути пов’язана з певними логічними станами. На їхню думку, іони K+ та атоми кисню у фільтрі можна було б розглядати як елементи квантової системи, здатної кодувати інформацію. Водночас це залишається теоретичним припущенням.
Фізик-теоретик Роджер Пенроуз і анестезіолог Стюарт Хамерофф спільно розробили теорію, відому як «Orchestrated Objective Reduction» (Orch-OR), або теорія оркестрованої об’єктивної редукції. Спочатку Пенроуз і Хамерофф працювали над своїми ідеями окремо, а на початку 1990-х років об’єднали їх у спільну концепцію. Теорія згодом неодноразово переглядалася та оновлювалася.
Теорія Пенроуза й Хамероффа ґрунтується на припущенні про можливі квантові ефекти в нервовій системі, зокрема про квантову когерентність у мікротрубочках нейронів. Прихильники теорії вважають, що такі процеси можуть бути пов’язані з механізмами свідомості.
Пенроуз і Хамерофф розглядали можливість делокалізації електронів у гідрофобних ділянках мікротрубочок. Бернройдер та інші дослідники розглядали подібні процеси в іонних каналах, розташованих на поверхні клітин.
Мікротрубочки є важливими компонентами цитоскелета. Вони складаються з білка тубуліну та формують динамічні трубчасті структури всередині клітин. Гідрофобні ділянки молекул тубуліну розташовані в місцях, де можуть перебувати делокалізовані електрони.
«Переміщення» електронів має квантову природу в тому сенсі, що їхній стан описується ймовірнісною функцією. Теоретично делокалізовані електрони можуть взаємодіяти узгоджено навіть на певній відстані.
Хамерофф намагався зрозуміти, чому структурно різні анестетики можуть спричиняти один і той самий ефект — втрату свідомості. Він звертав увагу на те, що багато з них взаємодіють із гідрофобними ділянками білків, зокрема тубуліну. Це привело його до припущення, що рух електронів може бути основою квантової когерентності, яка потенційно поширюється на великі ділянки нервової системи.
Було висловлено припущення, що діяльність синапсів може залежати від процесів у мікротрубочках. Саме цю гіпотетичну взаємодію Пенроуз і Хамерофф назвали «оркестровкою», звідки й походить назва теорії Orchestrated Objective Reduction, або Orch-OR.
Аргументація Пенроуза значною мірою ґрунтувалася на теоремах Геделя про неповноту. У своїй першій книзі про свідомість «Новий розум імператора» («The Emperor’s New Mind», 1989) Пенроуз стверджував, що формальні математичні системи мають принципові обмеження, а людське мислення не обов’язково можна повністю описати алгоритмічно.
Назва книги є алюзією на казку Ганса Крістіана Андерсена «Нове вбрання короля». У книзі Пенроуз стверджує, що людська свідомість не є суто алгоритмічною, а тому не може бути повністю змодельована за допомогою звичайного комп’ютера — машини Тюрінга. На його думку, для розуміння природи свідомості важливу роль може відіграти квантова механіка, зокрема проблема редукції хвильової функції. Пенроуз запропонував ідею «об’єктивної редукції» хвильової функції.
Значна частина книги присвячена ньютонівській фізиці, спеціальній і загальній теорії відносності, філософії, математичним обмеженням, квантовій фізиці, космології та природі часу. Пенроуз розглядав ці галузі як ілюстрації своєї основної тези про неалгоритмічність людської свідомості.
Пенроуз вважав, що колапс хвильової функції може бути фізичною основою необчислюваних процесів. Не задовольняючись випадковим характером стандартної інтерпретації колапсу, він запропонував нову форму — об’єктивну редукцію. Згідно з його припущенням, кожна квантова суперпозиція пов’язана зі своїм викривленням простору-часу. Якщо відмінність між двома станами стає достатньо великою, така суперпозиція стає нестабільною та руйнується.
Пенроуз припускав, що об’єктивна редукція не є випадковим процесом і не може бути описана алгоритмічно. На його думку, вона пов’язана з геометрією простору-часу, а певні необчислювані процеси можуть бути пов’язані з виникненням свідомого досвіду.
Спочатку Пенроуз не мав детальної моделі того, як квантова обробка інформації могла б реалізовуватися в мозку. Хамерофф, ознайомившись із роботами Пенроуза, припустив, що відповідною структурою можуть бути мікротрубочки.
Мікротрубочки — компоненти цитоскелета, що містяться в цитоплазмі еукаріотичних клітин. Ці трубчасті полімери тубуліну є дуже динамічними: вони можуть швидко рости та скорочуватися. Зовнішній діаметр мікротрубочок становить близько 24 нм, а внутрішній — близько 12 нм. Вони утворюються шляхом полімеризації димерів, сформованих із двох глобулярних білків — альфа- і бета-тубуліну.
Молекули тубуліну містять гідрофобні ділянки, у яких можуть перебувати делокалізовані електрони. Хамерофф припускав, що ці електрони можуть перебувати у квантово-заплутаних станах.
Спочатку Хамерофф висунув припущення, що тубулін може формувати конденсат Бозе — Ейнштейна, але ця ідея не отримала експериментального підтвердження.
Пізніше він запропонував модель із конденсатом Фрьоліха — гіпотетичним когерентним коливанням дипольних молекул. Однак і ця гіпотеза не отримала переконливого експериментального підтвердження.
Згодом Хамерофф припустив, що квантові процеси в мікротрубочках одного нейрона можуть поширюватися на інші нейрони через щілинні контакти, формуючи макроскопічний квантовий стан у великій ділянці мозку. У разі колапсу такої хвильової функції, на його думку, може виникати необчислюваний процес, пов’язаний зі свідомим досвідом.
Водночас теорія Orch-OR зазнала значної критики. Дослідники вказували на численні проблеми з її біологічними та фізичними припущеннями. Зокрема, припущення про домінування певної структури мікротрубочок, яка нібито була особливо придатною для обробки інформації, не отримало підтвердження. Дослідження показали, що мікротрубочки в природних умовах мають іншу структуру.
Також були поставлені під сумнів припущення про існування певних щілинних контактів між нейронами та гліальними клітинами. Деякі передбачення теорії Orch-OR щодо поширення квантової когерентності до синапсів також не підтвердилися.
У січні 2014 року Хамерофф і Пенроуз заявили, що відкриття квантових коливань у мікротрубочках, проведене групою Анірбана Бандйопадх’яя в Національному інституті матеріалознавства Японії у 2013 році, підтверджує окремі положення теорії Orch-OR.
Хіроомі Умезава та його колеги запропонували квантову теорію поля для пояснення механізмів зберігання пам’яті. Вчені Джузеппе Вітьєлло та Волтер Фрімен запропонували динамічну модель розуму, у якій взаємодіють класичні та квантові процеси мозку. Квантово-польові моделі динаміки мозку суттєво відрізняються від теорії Пенроуза — Хамероффа.
Субхаш Как припустив, що фізична основа нейронних мереж може мати квантову природу. Водночас він зазначав, що як квантовий, так і машинний розум можуть мати певні обмеження, а квантова теорія може допомогти досліджувати відмінності між штучним і біологічним інтелектом.
Генрі Степп підтримував ідею, що квантові хвильові функції можуть зазнавати колапсу під час взаємодії зі свідомістю. Він спирався на інтерпретацію квантової механіки Джона фон Неймана, відповідно до якої спостерігач може відігравати особливу роль у виборі одного з можливих квантових станів. Його теорія взаємодії розуму й матерії через квантові процеси в мозку відрізняється від підходу Пенроуза та Хамероффа.
Одним із головних аргументів проти квантових теорій свідомості є декогеренція. Критики вважають, що квантові стани в мозку можуть руйнуватися надто швидко, ще до того, як досягнуть просторового або часового масштабу, необхідного для впливу на нервові процеси.
Водночас дослідження квантових ефектів у біологічних системах показують, що квантова когерентність може відігравати певну роль, наприклад, у процесах фотосинтезу. Фізик Макс Тегмарк досліджував можливість існування квантових процесів у мозку та дійшов висновку, що квантові стани в мозковій тканині мають дуже короткий час декогеренції — значно менший, ніж часові масштаби більшості нервових процесів.
Саме тому питання про те, чи можуть квантові явища відігравати безпосередню роль у виникненні свідомості, залишається відкритим і дискусійним.