Природа сознания

Сознание работает по принципу квантового компьютера, кубиты которого формируются из дипольных и спиновых кольцевых мод в цилиндрических слоях липидных молекул и молекул воды, входящих в состав миелиновых оболочек аксонов.

Цель работы

Работа имеет своей целью предложить возможный путь к разгадке одной из наиболее фундаментальных тайн Мироздания: к раскрытию тайны сознания.

Феномен сознания обусловлен наличием в мозгу квантового компьютера, регистр которого построен из кольцевых кубитов различной физической природы.

Содержание работы

В первом разделе показано, что колебательные моды кольцевых резонаторов, изготовленных из особых материалов, способны выполнять функцию кубитов, на основе которых могут быть построены квантовые компьютеры нового типа.

Во втором разделе утверждается, что сознание функционирует благодаря наличию в миелиновых оболочках нейронов квантовых компьютеров, кубиты которых образованы из кольцевых мод в цилиндрических слоях полярных головок липидных молекул.

В третьем разделе предложен еще один возможный вид кубитов мозга: спиновые кольцевые моды, образованные спинами атомов (или ядер) водорода, входящих в состав молекул воды, находящихся между слоями полярных головок липидных молекул.

Введение

Данная работа продолжает серию работ [1,2,3], в которых обоснована возможность создания принципиально нового класса квантовых компьютеров, кубитами которого служат колебательные моды кольцевых резонаторов, а также высказано утверждение, что человеческое сознание работает подобно квантовому компьютеру на кольцевых кубитах. «Мозговые» кубиты формируются в цилиндрических слоях, образованных липидными молекулами, из которых построены миелиновые оболочки аксонов.

В данной работе полученные в [1,2,3] результаты дополняются и предлагается еще один возможный тип «мозговых» кубитов, который реализуется в слоях молекул воды, находящихся между слоями полярных головок липидных молекул.

I. Квантовый компьютер с кубитами на основе кольцевых мод

Колебательные моды кольцевого резонатора однозначно определяются величиной коэффициента бегущей волны (КБВ), который равен отношению минимального значения амплитуды моды (Аmin) к максимальному значению (Аmax): КБВ = (Аmin/Аmax). Для всех колебательных мод КБВ принимает значения в интервале 0 ≤ КБВ ≤ 1: для стоячей волны КБВ = 0, для бегущей волны КБВ = 1.

Обозначим состояния кольцевого резонатора, в котором возбуждены стоячие и бегущие резонансные моды, соответственно |0> и |1>. Все остальные колебательные моды могут быть представлены в виде суперпозиции этих 2-х мод: каждая промежуточная мода – это частично стоячая волна и частично бегущая волна.

Предположим, что материал, из которого изготовлены кольцевой резонатор, обладает следующими свойствами:

1. материал может находиться в 2-х устойчивых состояниях, одно из которых возникает, когда в резонаторе образуются стоячие моды, а другое – когда моды являются бегущими, т.е. в состояниях |0> и |1>,

2. при возбуждении в резонаторе промежуточных колебательных мод, материал резонатора переходит в одно из устойчивых состояний, причем вероятности перехода имеют следующие величины: р(|0>) ~ (1 - КБВ) и р(|1>) ~ КБВ.

Примечание. Достаточно, чтобы было выполнено только одно из этих соотношений, поскольку второе следует из условия р(|0>) + р(|1>) = 1.

Точно такими же свойствами обладает 2-х уровневая квантовая система, на основании чего можно заключить, что совокупность колебательных мод кольцевого резонатора, изготовленного из материала с указанными свойствами, представляет собой макроскопическую модель кубита.

Данный кубит имеет стандартный вид:

|Ψ> = α |0> + β |1>,

где величины α ~ (1 - КБВ)1/2 и β ~ КБВ1/2 имеют смысл «амплитуд вероятности», с которыми колебательная мода переходит в состояния |0> и |1>.

Описанный тип кубита будем именовать «кольцевой кубит». Основная сложность создания кольцевых кубитов заключается в том, чтобы подобрать материал для кольцевых резонаторов, который будет удовлетворять перечисленным требованиям.

В качестве такого материала может быть выбран, например, антисегнетоэлектрик. Данный материал содержит 2 подрешетки дипольных моментов, которые направлены навстречу друг другу. В кольцевом резонаторе, имеющем форму цилиндрического слоя, дипольные моменты одной подрешетки направлены на ось цилиндра, а дипольные моменты другой подрешетки – от этой оси.

Первое требование будет выполнено, если при резонансе стоячих волн будет изменяться ориентация подрешетки, дипольные моменты которой направлены от оси, вследствие чего обе подрешетки окажутся ориентированными на ось, а при резонансе бегущих волн будет переориентироваться другая подрешетка, в результате чего обе подрешетки будут ориентированы от оси. В обоих случаях материал резонатора перейдет в состояние сегнетоэлектрика: отличаться будет лишь ориентация дипольного момента.

Примечание. При возбуждении колебательных мод, материал резонатора переходит из состояния антисегнетоэлектрика в состояние сегнетоэлектрика с одним из 2-х возможных ориентаций дипольного момента: либо от оси цилиндра, либо на эту ось, – данные 2 состояния соответствуют указанным выше состояниям |0> и |1>.

Для выполнения второго требования антисегнетоэлектрик должен быть возможно более тонким и «мягким», т.е. содержать всего 1-2 слоя диполей, и энергия связи между подрешетками должна иметь возможно меньшую величину.

Примечание. Другой возможный пример материала для кольцевого резонатора – антиферромагнетик, в котором будет переориентироваться спиновые подрешетки. Данный тип кольцевого резонатора также может реализоваться в миелиновых оболочках нейронной сети мозга (см. III раздел).

Колебательные моды могут быть как электромагнитными, так и акустическими, соответственно, кольцевые кубиты могут иметь как электромагнитную, так и акустическую природу: в первом случае материальным носителем кубитов будут фотоны, а во втором случае – фононы.

Примечание. В мозгу реализуется именно второй случай: мозг – это фононный квантовый компьютер.

Чтобы кольцевые кубиты составляли регистр квантового компьютера, они должны быть «запутанными». Для этого резонаторы должны запитываться от одного источника когерентных колебаний. В этом случае, поступающие в кольцевые резонаторы фотоны (фононы) будут одинаковыми, поэтому, измерив квантовые состояния частиц в одном резонаторе, можно определить квантовые состояния частиц в остальных резонаторах, что и означает наличие у данных состояний запутанности.

В отличие от обычных примеров запутанности, в данном случае запутанность будет не абсолютной, а частичной: она будет сохраняться в течение времени когерентности источника колебаний. Однако, даже если времени когерентности будет составлять всего 1 сек, этого будет достаточно для реализации любого квантового алгоритма, поскольку время осуществления одного гейта чрезвычайно мало (~ 1 нс).

Итак, на основе кольцевых кубитов действительно может быть создан новый класс квантовых компьютеров, которые естественно именовать «кольцевые квантовые компьютеры». Главные достоинства данных компьютеров – простота изготовления и способность работать при нормальной температуре.

Примечание. Чтобы убедиться в том, что «частичную запутанность» можно использовать для реализации квантовых вычислений, следует изготовить прототип кольцевого квантового компьютера, регистр которого будет содержать несколько кольцевых кубитов. В пользу того, что кольцевой квантовый компьютер может быть реализован на практике, говорит наличие его природного прототипа в мозгу человека, – обоснованию этого тезиса посвящен следующий раздел работы.

II. Мозг, как квантовый компьютер на кольцевых кубитах

Описанный механизм образования кольцевых кубитов может иметь прямое отношение к работе информационной системы мозга, поскольку в нейронной сети мозга, а именно, в миелиновых оболочках аксонов имеются кольцевые структуры, в которых могут быть выполнены все свойства, требуемые для формирования кубитов.

Такими структурами могут являться цилиндрические слои, образованные полярными головками липидных молекул, из которых построены миелиновые оболочки. В миелиновых оболочках липидные молекулы уложены настолько тесно, что энергия взаимодействия полярной головки с соседними головками может превышать энергию взаимодействия между полярной головкой и неполярным «хвостом». В этом случае, слой полярных головок будет образовывать отдельную фазу, и эта фаза вполне может быть антисегнетоэлектрической.

В настоящее время, на основании электронных фотографий поперечных срезов миелина считается, что поперечное сечение миелиновых оболочек имеет форму спирали. Однако, большинство данных фотографий сделаны на стадии, когда идет формирование внешнего липидного слоя, поэтому систему прилегающих концентрических колец трудно отличить от плотно навитой спирали. Не исключено, что более детальное исследование поперечных срезов миелиновых оболочек покажет, что реальная структура миелиновых оболочек – это совокупность концентрических цилиндрических слоев (тем более, что такая конструкция энергетически более выгодна по сравнению со спиралью).

Примечание. Во всяком случае, самый внутренний слой миелиновой оболочки, который находится в контакте с цитоплазмой аксона, является цилиндрическим: достаточно, чтобы кольцевые кубиты формировались в одном этом слое.

Чтобы кольцевые структуры могли выполнять функцию кубитов, эти структуры должны «запитываться» когерентными колебаниями. Встает вопрос: «Каким образом в миелиновых оболочках происходит генерация когерентных колебаний?».

Этот вопрос рассматривался автором четверть века назад в работе [4]: такие колебания могут генерироваться за счет акустического лазерного эффекта в перехватах Ранвье, между которыми заключен каждый отрезок миелиновой оболочки длиной 1 мм.

Для реализации лазерного эффекта должны быть выполнены 2 условия: наличие обратной связи и накачки. Выполнение этих условий для перехватов Ранвье было проверено в указанной работе: обратная связь создается за счет периодической структуры, которая имеется в миелиновых оболочках, а накачка осуществляется за счет ионного тока, протекающего через ионные каналы, расположенные в перехватах Ранвье.

Примечание. Суть работы [4] заключается в доказательстве того, что миелиновые оболочки аксонов представляют собой гиперзвуковые лазеры (сазеры) с распределенной обратной связью.

В перехватах Ранвье генерируются колебания частотой ~ 1011 Гц, и резонаторами для таких колебаний служат цилиндрические слои, образованные неполярными «хвостами» липидных молекул. Данные колебания выполняют функцию управления кубитами, которые формируются в слое полярных головок липидов: колебания изменяют длину этого слоя, что приводит к изменению соотношения между стоячими и бегущими модами, результатом чего является выполнение над кубитом того или иного гейта [2].

В слое полярных головок липидов генерация когерентных акустоэлектрических мод частотой ~ 1012 Гц может осуществляться с помощью эффекта «пара спинов» [1,2,3].

Эффект «пара спинов» реализуется, когда к объекту (в нашем случае – к полярной головке) приложены 2 спина, ориентированные противоположно друг другу, и точки приложения спинов расположены несимметрично относительно центра инерции объекта.

Примечание. Для полярных головок, обладающих значительным дипольным моментом, такое расположение спинов вполне реально.

В этом случае, угловые скорости ω1, ω2, которые будут придавать полярной головке указанные 2 спина, будут иметь разную величину, поскольку будут различными моменты инерции полярной головки относительно осей приложения данных спинов. В результате сложения (точнее – вычитания) этих угловых скоростей, полярная головка будет вращаться с угловой скоростью Δω ~ ( ω1 - ω2). Если данная угловая скорость будет в 2 π ~ 6,28 раз превышать собственную частоту колебаний полярных головок ν ~ 1012 Гц (будет выполнено соотношение Δω ~ 2 π* ν), то данные вращения будут выполнять функцию накачки колебаний полярных головок, и эти колебания будут становиться когерентными (в данном случае обратная связь создается самой кольцевой структурой).

Однако, в рассматриваемом случае имеется еще одна возможность образования кольцевых колебательных мод без участия каких-либо внешних источников колебаний.

Если цилиндрический слой полярных головок действительно является антисегнетоэлектриком, то при обходе данного слоя по окружности, на длине этой окружности должно уложить четное количество головок. Данный случай соответствует тому, что вдоль окружности распространяется бегущая акустоэлектрическая волна, длина которой находится из соотношения λ/2 ~ (2 π*r)/n, здесь r – радиус цилиндрического слоя, n – количество полярных головок, уложенных по длине окружности. Полагая диаметр полярной головки равным d ~ 3*108 см, а радиус окружности r ~ 106 см, получаем n ~ (2 π*r)/d ~ 200, а λ ~ 2d ~ 6*108 см.

Таким образом, тонкий цилиндрический слой антисегнетоэлектрика можно рассматривать как слой сегнетоэлектрика, в котором существует акустоэлектрическая волна длиной λ ~ 6*108 см, которая через каждые λ/2 ~ 3*108 см изменяет на противоположную ориентацию составляющих сегнетоэлектрик диполей. Это соответствует бегущей волне, т.е. состоянию |1>.

Если цилиндрический слой деформируется, например, вследствие встраивания белковых молекул, то упорядоченное расположение дипольных моментов нарушается, и возникающая структура будет соответствовать стоячей волне: это состояние |0>.

Примечание 1. Описанные соображения могут быть применимы для одномерных колечек с чередующимися направлениями дипольных моментов. В этом случае, переход от бегущей волны к стоячей (и обратно) осуществляется путем встраивания (удаления) в колечко всего одной полярной головки.

Примечание 2. Если в миелиновых оболочках реализуются одномерные кольцевые кубиты, то каждый из входящих в информационную систему мозга квантовых компьютеров может «уместиться» в отрезке миелиновой оболочки длиной 1 мм, а общее количество таких компьютеров в мозгу может достигать 1013.

Наличие в нейронной сети мозга, по меньшей мере, 1013 кубитов (или даже такого же количества квантовых компьютеров) позволяет предположить, что обработка информации сознанием человека происходит точно также, как в квантовых компьютерах. Каждый образ сознания представляется в виде вектора гильбертова пространства, с которым в данный момент времени совпадает вектор состояния квантового компьютера мозга. Последовательность данных векторов соответствует последовательности воспроизведения образов в сознании человека.

Примечание. Вектор состояния содержит практически неограниченное число компонент, поэтому способен сколь угодно полно отражать все качества (оттенки) образа: все градации света, звука, запаха, любое количество математических знаков, которые связаны с данным образом.

Именно гильбертово пространство является тем пространством, в котором хранятся и воспроизводятся образы, последовательность которых образует поток сознания. Точнее, образы сознания следует представлять в виде точек гильбертово-проективного пространства, которое получается из гильбертова пространства, когда прямые рассматриваются в качестве точек: гильбертово-проективное пространство – это комплексное проективное пространство, в котором задано скалярное произведение и проходящие через начало координат прямые рассматриваются как отдельные точки.

Каждый образ, который соответствует определенному состоянию квантового компьютера мозга, фиксирует определенную точку гильбертово-проективного пространства. Набор этих точек, т.е. образуемая этими точками геометрическая фигура в гильбертово-проективном пространстве, представляет собой материальный носитель образов, которые воспринимает человек в течение жизни.

Примечание. Задача человека заключается в том, чтобы в течение жизни делать эту геометрическую фигуру возможно более совершенной.

Для воспроизведения образов нет необходимости совершать обратное преобразование из гильбертово-проективного пространства в какие-либо физико-химические изменения нейронной сети мозга. Запоминание и обработка информации осуществляются в гильбертово-проективном пространстве, а протекающие в мозгу физико-химические процессы требуются лишь для того, чтобы в миелиновых оболочках нейронов непрерывно формировались кубиты, благодаря которым осуществляется «выход» в гильбертово-проективное пространство.

Все когнитивные процессы осуществляются в гильбертово-проективном пространстве, а мозг служит лишь каналом для передачи информации из материального мира в гильбертово-проективное пространство благодаря тому, что в мозгу работают квантовые компьютеры, построенные на основе кольцевых кубитов, которые формируются в миелиновых оболочках нейронной сети мозга.

III. Кольцевые спиновые кубиты в тонких слоях молекул воды

Наряду с кольцевыми дипольными кубитами, в миелиновых оболочках могут существовать кольцевые кубиты, образованные спиновыми моментами.

Такими спиновыми моментами могут служить спины электронов или ядер атомов водорода, которые входят в состав молекул воды, содержащейся в миелиновых оболочках нейронов. Как известно, миелиновые оболочки содержат довольно большое количество воды: по массе молекулы воды составляют 40% массы миелина. Большая часть этой воды находится в слое полярных головок липидных молекул: именно этот слой является гидрофильным и адсорбирует большую часть молекул воды.

Рассмотрим следующую модель расположения молекул воды в гидрофильном слое полярных головок липидных молекул. Предположим, что количество молекул воды, которые располагаются между слоями полярных головок, таково, что эти молекулы образуют двойной молекулярный слой.

Примечание. Другими словами, предполагается, что миелиновые оболочки устроены таким образом, что лишние молекулы Н2О «выдавливаются» из оболочки.

Это означает, что между слоями полярных головок образуется 2-слойная пленка молекул воды, которая также имеет цилиндрическую форму. Один слой молекул Н2О адсорбирован на одном слое полярных головок, а другой слой – на другом слое полярных головок. Данная 2-слойная пленка молекул воды, заключенная между слоями полярных головок, может обладать особыми свойствами, подобно пленкам 2-слойного графена.

В [3] данные пленки получили наименование «аквафен»: 2-слойный аквафен может являться тем «мягким» сегнетоэлектриком, который требуется для реализации кольцевых кубитов.

Ориентация молекул воды в составе рассматриваемой пленки устанавливается следующим образом. Внешняя поверхность полярной головки образована атомами водорода, вследствие чего молекулы воды адсорбируются на этой поверхности своими отрицательно заряженными атомами кислорода: молекулы воды ориентируются так, что атомы кислорода прикрепляются к слою полярных головок, а атомы водорода оказываются расположенными над слоем атомов кислорода. Данная ориентация адсорбированных молекул воды имеет место для каждого из 2-х слоев полярных головок, направленных навстречу друг другу. В результате, в середине образуются два слоя атомов водорода, расположенных в непосредственной близости друг от друга, вследствие чего данные 2 слоя также могут образовывать отдельную фазу: 2-слойный «гидрофен».

Вследствие тесного сближения атомов водорода, между ними возникает интенсивное обменное взаимодействие, за счет которого данный 2-слойный «гидрофен» способен перейти в фазу антиферромагнетика. Для него справедливы те же самые рассуждения, как в предыдущем разделе, только термин «дипольный момент» следует заменить на «спиновый момент»: данный слой также может служить материальным носителем кольцевых кубитов и использоваться в работе информационной системы мозга.

Наконец, сами атомы водорода, которые составляют 2-слойный «гидрофен», находятся в сильно поляризованном состоянии, поскольку электроны с большей вероятностью располагаются вблизи атомов кислорода. Вследствие этого, ядра атомов водорода (протоны) в значительной степени «оголяются», в результате чего получается двойной слой протонов, расположенных достаточно близко друг от друга.

Данному слою можно дать наименование «2-слойный нуклофен». В соответствие с изложенными выше принципами, этот слой также может служить материальным носителем кольцевых кубитов и участвовать в работе квантового компьютера мозга.

Примечание. Получается весьма сложная конструкция: 2-слойный нуклофен вложен в 2-слойный гидрофен, который вложен в 2-слойный аквафен, образованный молекулами воды, «зажатыми» между слоями полярных головок липидов, образующих миелиновые оболочки. Однако вполне возможно, именно на пути детального исследования данной конструкции может быть получена разгадка тайны сознания.

Заключение

В данной работе приводятся аргументы, что в мозгу могут существовать кубиты, материальным носителем которых служат цилиндрические слои миелиновых оболочек. Кольцевые кубиты в миелиновых оболочках могут иметь как акустоэлектрическую, так и акустомагнитную природу: когерентные акустические колебания могут быть образованы как дипольными, так и спиновыми моментами.

Наличие кубитов означает, что информационная система мозга способна работать подобно квантовому компьютеру, и обработка информации в мозгу осуществляется путем вращения векторов состояния гильбертова пространства или, что более точно, с помощью преобразования точек гильбертово-проективного пространства.

Природа сознания заключена в наличии в нейронной сети мозга квантовых компьютеров, кубиты которых сформированы в кольцевых структурах миелиновых оболочек аксонов: эти структуры образованы полярными частями липидов, а также дипольными и спиновыми моментами молекул воды.

Примечание. Способов формирования кубитов в миелиновых оболочках аксонов «великое множество», поэтому весьма вероятно, что по крайней мере, какой-то один из этих способов реализуется, что делает реальным основной тезис данной работы: сознание работает по принципу квантового компьютера.

Прямой путь экспериментального подтверждения высказанных в данной работе утверждений – это создание работающего прототипа кольцевого акустоэлектрического или акустомагнитного квантового компьютера. Если такой компьютер будет создан, то будет сложно отрицать, что сознание работает на тех же самых физических принципах.

Вместе с тем, создание квантовых компьютеров на основе указанных кубитов способно поднять развитие вычислительной техники на новый, максимально высокий уровень: работа открывает прямой путь к конструированию Искусственного Разума, который будет превосходить человеческий разум.

Выводы

1. Совокупность колебательных мод кольцевого резонатора, изготовленного из особых материалов, имеет такую же математическую структуру, как 2-х уровневая квантовая система, и представляет собой макроскопический кубит.

2. Предлагается создать новый класс квантовых компьютеров, регистр которых составлен из кольцевых кубитов: такие компьютеры будут просты в изготовлении и будут способны работать при нормальной температуре.

3. Сознание функционирует как совокупность квантовых компьютеров, кубитами которых служат кольцевые моды в цилиндрических слоях, образованных полярными головками липидов, из которых построены миелиновые оболочки.

4. Функцию мозговых кубитов могут выполнять кольцевые моды, образованные из спинов атомов или ядер водорода, которые входят в состав молекул воды, заключенных между слоями полярных головок липидных молекул.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Каким быть Искусственному Разуму? // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 25949, 16.12.2019

2. В.А. Шашлов, Новый класс квантовых компьютеров // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26028, 18.01.2020

3. В.А. Шашлов, Искусственному Разуму – быть! // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26180, 08.03.2020

4. В.А. Шашлов, «Радиофизика», Изв. Вузов, 1994, вып.1, с. 103.

URL: https://radiophysics.unn.ru/sites/default/files/papers/1994_1_103.pdf

В.А. Шашлов, Природа сознания // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.26293, 10.04.2020