Klaart kwantummechanica zelfbewustzijn en vrije wil?
Als je dit nu leest, ben je of een bewust wezen of een internetbot. (Of allebei.) Dat is vrij duidelijk, maar wat niet duidelijk is, is wat je bewust maakt. Bewustzijn wordt gedefinieerd als kennis en begrip dat iets gebeurt of bestaat. Het stelt ons in staat ons bewust te zijn van onze omgeving en onze eigen mentale, fysieke en emotionele toestand. Ondanks het feit dat we bewustzijn elke dag ervaren, begrijpen we het niet volledig. Wetenschappers weten nog steeds niet precies waar het bewustzijn vandaan komt. Zit het in de hersenen? Kunnen planten, schimmels of bacteriën bewust zijn? Hoe zit het met AI? Ik denk dat het dilemma rond bewustzijn goed wordt samengevat door dit citaat uit Scientific American:
“Wat we uiteindelijk nodig hebben, is een bevredigende wetenschappelijke theorie over bewustzijn die voorspelt onder welke omstandigheden een bepaald fysisch systeem – of het nu een complex circuit van neuronen of siliciumtransistors is – ervaringen heeft. Bovendien, waarom verschilt de kwaliteit van deze ervaringen? Waarom voelt een strakblauwe hemel zo anders aan dan het gekrijs van een slecht gestemde viool? Hebben deze verschillen in gewaarwording een functie, en zo ja, wat is die dan? Een dergelijke theorie zal ons in staat stellen af te leiden welke systemen iets zullen ervaren. Zonder een theorie met toetsbare voorspellingen berust elke speculatie over machinebewustzijn uitsluitend op onze intuïtie, waarvan de geschiedenis van de wetenschap heeft aangetoond dat het geen betrouwbare gids is.”
Er is veel onderzoek gedaan naar het in kaart brengen van de interacties tussen neuronen in de hersenen om erachter te komen hoe, zoals het artikel dat ik hierboven citeerde, “een orgaan van drie pond met de consistentie van tofu het gevoel van leven uitstraalt.” Twee belangrijke theorieën zijn de globale neuronale werkruimte (GNW) en de geïntegreerde informatietheorie (IIT). GNW beweert dat het bewustzijn ontstaat wanneer een volledig fysisch systeem toegang heeft tot informatie en deze op een bepaalde manier verwerkt. In GNW hangt bewuste ervaring uitsluitend af van de manier waarop informatie wordt verwerkt. Volgens die logica zou een computerprogramma bewust kunnen worden ondanks het feit dat het geen tastbaar lichaam heeft. IIT gaat tegen dit idee in door te stellen dat bewustzijn voortkomt uit bewuste ervaringen en oorzaak-en-gevolg relaties. Het beweert dat de gebeurtenissen in de wereld er de oorzaak van zijn dat wij bewuste ervaringen hebben. Volgens IIT vereist het bewustzijn gespecialiseerde fysieke structuren die met de wereld interageren. Daarom kan het bewustzijn niet worden berekend. Zie het als een simulatie van een zwart gat die niet in staat is een echte zwaartekracht te creëren. Voor beide theorieën bestaat enig experimenteel bewijs, maar geen van beide is bevestigd. Het is mogelijk dat het antwoord op de vraag waar het bewustzijn vandaan komt, het midden houdt tussen deze twee of iets heel anders is. Voor de toekomst van de psychiatrie en de kunstmatige intelligentie is het belangrijk dat we zoveel mogelijk over het bewustzijn te weten komen.
Als we meer willen weten over de grondslagen van het bewustzijn, moeten we misschien kijken naar de fundamentele wetten die ons universum beheersen: de kwantumfysica. Bepaalde theorieën suggereren dat het bewustzijn ontstaat als gevolg van de kwantummechanica, maar om dit idee goed te kunnen evalueren, moeten we op een rijtje zetten wat we al over het bewustzijn weten.
Bewustzijn is iets anders dan intelligentie, maar de twee lijken met elkaar samen te hangen en beide lijken exclusief te zijn voor levende wezens. Sommige panpsychisten geloven dat levenloze voorwerpen zoals stenen een bewustzijn hebben, maar omdat een steen geen uiterlijke tekenen van bewustzijn vertoont, kunnen we bewijzen noch weerleggen dat ze dat bezitten. Als bewustzijn exclusief is voor organismen, dan hebben zij het waarschijnlijk geëvolueerd om te overleven. Bewustzijn is nuttig voor vele dingen, met inbegrip van maar niet beperkt tot: het vinden van voedingsstoffen, het vinden van partners, het bewaken van de eigen interne toestand, het reageren op bedreigingen, en het communiceren en socialiseren met andere organismen. In combinatie met intelligentie kunnen bewuste organismen nieuwe overlevingsstrategieën bedenken en zelfs eigenschappen als creativiteit en verbeeldingskracht ontwikkelen. Er is een geweldige video van Kurzgesagt over de evolutie van het bewustzijn.
Zoals het leven zelf, lijken bewustzijn en intelligentie emergente eigenschappen te zijn. Emergente eigenschappen zijn eigenschappen die een groep dingen bezit, maar niet elk ding afzonderlijk. Leven is een opkomende eigenschap. Een enkel atoom leeft niet, maar vele atomen samen kunnen dat wel. Evenzo lijkt een enkele hersencel niet intelligent of zelfbewust, maar vele hersencellen die samenwerken kunnen dat zeker wel zijn. Intelligentie en zelfbewustzijn zijn complexe verschijnselen die voortkomen uit eenvoudiger processen, zoals het vuren van neuronen. Dus de vraag “Is bewustzijn een Kwantum Fenomeen?” kan twee antwoorden hebben. We hebben onze hersenen nodig om bewust te zijn, en de hersenen zijn opgebouwd uit ontelbare subatomaire deeltjes die allemaal werken volgens de kwantumveldentheorie. Daarom zou je kunnen stellen dat het bewustzijn moet voortkomen uit de kwantummechanica. Maar dat is een indirecte link tussen bewustzijn en kwantummechanica. Wat we willen weten is of het bewustzijn zelf kwantumeigenschappen vertoont. Daarvoor moeten we kijken hoe de kwantummechanica eruit ziet als die ontstaat op de schaal van neuronen en hersenen.
Het meest bekende aspect van de kwantumfysica is dat deeltjes niet op slechts één plaats tegelijk bestaan. De kans dat een deeltje op een bepaalde plaats wordt waargenomen, wordt bepaald door zijn golffunctie. Golffuncties zijn wiskundige instrumenten die worden gebruikt om individuele deeltjes en groepen deeltjes te beschrijven. Wanneer een deeltje of een groep van deeltjes wordt waargenomen, stort zijn golffunctie ineen tot een enkel punt. Een veel voorkomende misvatting is dat bewustzijn iemand in staat stelt deze golffunctie met zijn geest in te laten storten. Wat golffuncties doet instorten heeft te maken met wat we bedoelen als we zeggen dat een deeltje wordt waargenomen. Het waarnemen van een deeltje betekent in werkelijkheid het meten van zijn eigenschappen op een of andere manier, wat een fysische interactie vereist tussen het deeltje en het meetapparaat. Wanneer dit gebeurt, raakt de kwantumtoestand van het deeltje verstrikt met de kwantumtoestanden van de deeltjes waaruit het meetinstrument bestaat of die door het meetinstrument worden uitgezonden. Naarmate meer deeltjes met elkaar verstrikt raken, treedt een proces op dat decoherentie wordt genoemd. Er is een geweldige driedelige videoserie over decoherentie van PBS Spacetime.
Decoherentie is verantwoordelijk voor het ineenstorten van de golffunctie, en het wordt bepaald door de fysieke interacties tussen deeltjes. De enige bekende manier voor een bewust wezen om een golffunctie te laten instorten is door er op de een of andere manier fysiek mee te interageren. Dus je kunt een golffunctie laten instorten met je geest, maar dat is hetzelfde als objecten bewegen met je geest. Als ik mijn telefoon oppak, zegt mijn geest dat mijn hand hem moet pakken. Wanneer een waarnemer doelbewust de golffunctie van een deeltje doet instorten, vertelt zijn geest zijn lichaam om er op een of andere manier mee te interageren. Dit kan zo eenvoudig zijn als het aanraken van het deeltje of zo nauwkeurig als het bedienen van een deeltjesdetector. Deeltjes staan voortdurend met elkaar in wisselwerking, dus het hele universum heeft zijn eigen ongelooflijk ingewikkelde golffunctie. Daarom zien we, wanneer we naar een grote groep deeltjes zoals een mens kijken, geen kwantumzoem van onzekerheid. Grote systemen van deeltjes ontleden, dus vertonen ze niet dezelfde kwantumeigenschappen als de deeltjes waaruit ze zijn opgebouwd. Maar er zijn enkele bijzondere kwantumverschijnselen die wel optreden op relatief grote schalen, waaronder de schalen van levende wezens.
Ik heb het in eerdere berichten al over een aantal van deze verschijnselen gehad. Een zeer populair fenomeen is quantumcomputing, waarbij de onzekerheid in de toestand van deeltjes wordt gebruikt om meer informatie in één keer te verwerken dan transistors. In theorie kun je een kunstmatige intelligentie creëren met behulp van een kwantumcomputer. Als een AI die op een kwantumcomputer draait zelfbewust zou worden, zou zijn bewustzijn afhangen van kwantumeffecten. Dit past bij de geïntegreerde informatietheorie dat het bewustzijn afhangt van de fysische aard van een systeem. Een zelfbewuste kwantum-AI zou echter niet bewijzen dat bewustzijn macroscopische kwantumeffecten vereist om op te treden. Volgens de globale neuronale werkruimtetheorie zou een AI zelfbewust kunnen worden, zelfs als hij op klassieke computers draait. Waar we in geïnteresseerd zijn, is bewijs dat bewustzijn inherent kwantum is. Laten we daarvoor kijken naar de plek waarvan we weten dat het bewustzijn ontstaat: onze eigen hersenen.
In eerdere berichten, heb ik het ook gehad over kwantumbiologie, het ontstaan van kwantumfysica in processen die essentieel zijn voor levende wezens. De chloroplasten van planten maken wellicht gebruik van de golfachtige eigenschappen van deeltjes om de fotosynthese te optimaliseren. Vogels hebben wellicht gespecialiseerde eiwitten in hun ogen die hen in staat stellen het magnetische veld van de aarde waar te nemen via kwantumverstrengeling. En kwantumtunneling kan een belangrijke rol spelen in de evolutie, omdat het mutaties in het DNA mogelijk maakt. Dit alles wil zeggen dat steeds meer onderzoek aantoont dat gespecialiseerde kwantumeffecten kunnen optreden in de warme, rommelige wereld van cellen en eiwitten. En hoe zit dat in neuronen?
Als we macroscopische kwantumeffecten vinden die essentieel zijn voor neurale activiteit, dan zou dat een aanwijzing zijn dat de geïntegreerde informatietheorie juist is en dat kwantummechanica een van de essentiële eigenschappen is die een fysisch systeem moet gebruiken om bewust te worden. Kortom, het zou suggereren dat grootschalige kwantummechanica essentieel is voor de ontwikkeling van het bewustzijn. En wat vinden we? Onderzoek heeft drie interessante kwantumeffecten aan het licht gebracht die essentieel kunnen zijn voor het functioneren van de hersenen.
Om informatie door de hersenen te laten reizen, moeten chemische stoffen, neurotransmitters genaamd, zich tussen neuronen verplaatsen. Deze neurotransmitters bewegen over de synaps tussen neuronen wanneer er in de hersenen een signaal afgaat. Om neurotransmitters te kunnen versturen, moeten calciumionen zich tussen de neuronen verplaatsen. Elk neuron heeft ionenkanalen die calciumionen doorlaten. Deze kanalen zijn zeer klein, ongeveer zo groot als een calciumatoom. Door deze kleine afmetingen ontstaat kwantumonzekerheid over de vraag of een calciumion een neuron kan binnendringen. In theorie creëert deze kwantumonzekerheid, die in triljoenen neuronen tegelijk optreedt, een kwantummengsel van toestanden in de hersenen. Deze mengeling van kwantumtoestanden kan de noodzakelijke eigenschap zijn die een fysisch systeem nodig heeft om bewustzijn te ervaren.
2) Quantum Computing in Microtubules
De neuronen in de hersenen oscilleren in activiteit in een samenhangend patroon tijdens specifieke denkprocessen. Deze synchrone oscillatie maakt wellicht communicatie tussen verschillende delen van de hersenen mogelijk en zorgt voor de totstandkoming van het geheugen. Oscillaties met verschillende frequenties komen op dezelfde plaatsen in de hersenen voor om informatieverkeer te vermijden bij de communicatie met andere gebieden van de hersenen. Kwantummechanica kan verklaren hoe zoveel verschillende subsets van oscillerende verbindingen in de hersenen tegelijk kunnen worden gegenereerd.
Een van de manieren waarop deze oscillaties kunnen ontstaan is als de microtubuli binnen neuronen zijn opgebouwd als kwantumcomputers. Microtubuli zijn als het brein van een hersencel. Het zijn snel veranderende structurele moleculen die onmiddellijk reageren op mentale gebeurtenissen door de structuur van dendrieten en axonen, de in- en uitgangstakken van het neuron, te herconfigureren. De reeks microtubuli in de hersenen kan een kwantumeffect vertonen dat vergelijkbaar is met dat in kwantumcomputers. De tubulinemoleculen in microtubuli bevinden zich mogelijk in een superpositie van kwantumtoestanden die kan worden gebruikt voor kwantumcomputeroperaties. Critici beweren dat deze superpositie van kwantumtoestanden door decoherentie in minder dan 1/10¹² seconden zou moeten instorten, wat veel korter is dan de milliseconden die nodig zijn om microtubulaire processen in het neuron te laten plaatsvinden. De natuurkundige Robert Penrose stelde een hypothetisch quantum gravitatieproces voor dat de levensduur van deze superposities zou kunnen verlengen tot 10 à 100 milliseconden. Deze verlengde superposities zouden lang genoeg duren om de functies van microtubuli zinvol te beïnvloeden en kwantumrekenen in neuronen mogelijk te maken. In een studie van een Japans laboratorium zijn aanwijzingen gevonden dat als microtubuli zich inderdaad als kwantumcomputers gedragen, we dezelfde trillingsresonanties en geleidingskenmerken zouden moeten zien als we in neuronen waarnemen. Onderzoek heeft ook aangetoond dat verstrengelde spin toestanden kunnen worden gehandhaafd in de hete, lawaaierige omgeving van de hersenen. Ander onderzoek heeft het vermogen van verdovingsmiddelen om het bewustzijn te remmen in verband gebracht met de chemische verstoring van kwantumprocessen.
Als kwantumcomputing een essentieel onderdeel is van neurale functies, kan het een fundamentele vereiste zijn van elk bewust systeem en de geïntegreerde informatietheorie bevestigen. Ergo, een AI op een kwantumcomputer zou zelfbewust kunnen worden, maar een AI op een klassieke computer zou dat niet kunnen.
3) Neurale synchronisatie en fasevergrendeling
Een andere verklaring voor de synchrone oscillaties in de hersenen is neurale fasevergrendeling. Fasevergrendeling is wanneer synapsen op hetzelfde moment afgaan. Dit kan het gevolg zijn van kwantumcoherentie tussen de neuronen. Van kwantumcoherentie is sprake wanneer er een kenbare relatie bestaat tussen de fase van de golffuncties van verschillende deeltjes. De faserelatie wordt steeds minder kenbaar naarmate meer deeltjes met elkaar verstrengeld raken, zodat zij moeilijk te handhaven is op de schaal van een brein. Samenhang zou ook vereist zijn in microtubuli om als kwantumcomputers te kunnen fungeren. Zoals we hebben besproken, blijkt uit steeds meer onderzoek dat coherentie voor biologische systemen haalbaar is, dus het is niet zo’n grote sprong in de logica om te denken dat de hersenen die coherentie in stand kunnen houden.
Nu we weten dat bewustzijn in de hersenen op verschillende manieren afhankelijk kan zijn van kwantumverschijnselen, wat zijn dan de implicaties? Naast zelfbewustzijn zou de kwantummechanica het bewustzijn een vrije wil kunnen geven. Lange tijd was ons begrip van de fysica deterministisch. Determinisme betekent dat alles in een systeem vooraf bepaald is door de toestand van dat systeem in het verleden. Als je alles weet over een systeem op een bepaald moment in de tijd, dan kun je de precieze toestand ervan afleiden op alle andere momenten in de tijd, in het verleden of in de toekomst. De ontdekking van de kwantummechanica bracht echter aan het licht dat het gedrag van subatomaire deeltjes fundamenteel willekeurig is. Bepaalde gebeurtenissen hebben een grotere kans om te gebeuren dan andere, maar geen enkele gebeurtenis is ooit 100% gegarandeerd. Als onze bewuste ervaring het resultaat is van deze fundamenteel willekeurige processen, betekent dit dat je niet met volmaakte zekerheid kunt voorspellen wat een bewust wezen zal doen. Op deze manier kan de kwantumfysica onze geest enige onafhankelijkheid verschaffen ten opzichte van de wereld om ons heen. De filosoof Plato stelde zich een wereld van ideeën en concepten voor, los van de fysieke wereld. Deze Platonische wereld kan binnenkort een feitelijke basis krijgen in de fundamentele natuurkunde.
U kunt hier meer te weten komen over de aard van determinisme versus willekeurigheid en wat dit ons vertelt over het bestaan van de vrije wil:
In conclusie, verwachten we dat het bewustzijn is geëvolueerd als een manier voor organismen om zichzelf beter in stand te houden. Theorieën zijn het er niet over eens of het bewustzijn alleen afhangt van de manier waarop een geest informatie verwerkt, of dat er ook fysieke eigenschappen zijn die een systeem nodig heeft om zelfbewust te worden. Macroscopische kwantumeffecten zijn voorgesteld als een mogelijke voorwaarde voor bewuste systemen, en er zijn meerdere manieren waarop ze zouden kunnen optreden tussen neuronen in de hersenen. Niet alleen zou kwantumbiologie zelfbewustzijn kunnen verklaren, het zou zelfs kunnen verklaren waarom we een vrije wil ervaren. Omdat dit een zeer diepgaand en fascinerend onderwerp is, raad ik aan er nog wat verder over te lezen:
In mijn volgende drie posts zal ik dieper ingaan op meer concepten rond kwantummechanica en de geest. Ik zal bespreken of een teleportatiemachine fataal zou zijn om te gebruiken, of bewustzijn kan bestaan zonder een lichaam van atomen en cellen, en of kwantumonsterfelijkheid een gesimuleerd universum zou kunnen redden van het losraken van de stekker. Ik zie je daar!
Works Cited
O’Dowd, Matt. Does Consciousness Influence Quantum Mechanics?, PBS, 18 feb. 2020, www.youtube.com/watch?v=CT7SiRiqK-Q.
O’Dowd, Matt. How Decoherence Splits The Quantum Multiverse, PBS, 24 feb. 2020, www.youtube.com/watch?v=GlOwJWJWPUs.
O’Dowd, Matt. How Do Quantum States Manifest In The Classical World?, PBS, 16 mrt. 2020, www.youtube.com/watch?v=vSnq5Hs3_wI.
“Bewustzijn.” Merriam-Webster, Merriam-Webster, www.merriam-webster.com/dictionary/consciousness.
“Bewustzijn.” Merriam-Webster, Merriam-Webster, www.merriam-webster.com/dictionary/awareness.
Muller, Derek. How Does a Quantum Computer Work?”, Veritasium, 17 juni 2013, www.youtube.com/watch?v=g_IaVepNDT4&t=303s.
Muller, Derek. How To Make a Quantum Bit, Veritasium, 23 juli 2013, www.youtube.com/watch?v=zNzzGgr2mhk.
“Microtubules and Human Consciousness.” Onder redactie van Dylan Stoll, Excalibur Publications, Excalibur Publications, 13 nov. 2018, excal.on.ca/microtubules-and-human-consciousness/.
Merali, Zeeya. “Mysteries van de biologie oplossen met behulp van kwantummechanica.” Discover Magazine, Discover Magazine, 17 mei 2019, www.discovermagazine.com/the-sciences/solving-biologys-mysteries-using-quantum-mechanics.
Atmanspacher, Harald. “Quantum Approaches to Consciousness.” Stanford Encyclopedia of Philosophy, Stanford University, 16 apr. 2020, plato.stanford.edu/entries/qt-consciousness/.
Dehaene, Stanislas, and Jean-Pierre Changeux. “Experimentele en theoretische benaderingen van bewuste verwerking.” Neuron, Cell Press, 27 apr. 2011, www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627311002583.
Raffone, Antonino, et al. “Perceptueel Bewustzijn en Zijn Neurale Basis: Bridging Experimental and Theoretical Paradigms.” Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, The Royal Society, 17 mrt. 2014, www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3965159/.
Muller, Derek. Wat Is NIET Willekeurig, Veritasium, 16 juli 2014, www.youtube.com/watch?v=sMb00lz-IfE.
Muller, Derek. Wat Is Willekeurig?, Veritasium, 16 juli 2014, www.youtube.com/watch?v=9rIy0xY99a0&t=5s.