과학에서 가장 중요한 미해결 질문 중 하나는 우리의 의식이 어떻게 확립되는 지이다. 1990년대에 블랙홀을 예측한 공로로 2020년 노벨 물리학상을 받기 훨씬 전에 물리학자인 로저 펜로즈는 마취과 의사인 스튜어트 해머로프와 협력하여 야심 찬 답을 제안했다.  

그들은 뇌의 신경 시스템이 복잡한 네트워크를 형성하고 이것이 생성하는 의식이 전자와 같은 작은 입자가 어떻게 움직이는지를 결정하는 이론인 양자 역학의 규칙을 따라야 한다고 주장했다. 그들은 이것이 인간 의식의 신비한 복잡성을 설명할 수 있다고 주장한다.

펜로즈와 해머로프는 믿을 수 없는 상황에 직면했다. 양자역학 법칙은 일반적으로 매우 낮은 온도에서만 적용되는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어 양자컴퓨터는 현재 약 -272°C에서 작동한다. 더 높은 온도에서는 고전 역학이 대신한다. 우리의 몸은 상온에서 작동하기 때문에 고전 물리학 법칙의 지배를 받을 것으로 예상할 수 있다. 이러한 이유로 양자 의식 이론은 많은 과학자들에 의해 완전히 기각되었다.

이 논쟁에 참여하는 대신, 나는 상하이 교통 대학의 Xian-Min Jin 교수가 이끄는 중국 동료들과 힘을 합쳐 의식의 양자이론을 뒷받침하는 몇 가지 원리를 테스트하기로 결정했다.

우리의 새 논문에서 우리는 양자 입자가 뇌와 같은 복잡한 구조에서 실험실 환경에서 어떻게 움직일 수 있는지 조사했다. 우리의 발견이 언젠가 뇌에서 측정된 활동과 비교될 수 있다면, 우리는 펜로즈와 해머로프의 논쟁의 여지가 있는 이론을 검증하거나 기각하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있다.

두뇌와 프랙탈

우리의 뇌는 뉴런이라는 세포로 구성되어 있으며, 이들의 결합된 활동이 의식을 생성하는 것으로 믿어진다. 각 뉴런에는 물질을 세포의 다른 부분으로 운반하는 미세소관이 있다. 펜로즈-해머로프 양자 의식 이론은 미세소관이 양자 과정이 일어나도록 하는 프랙탈 패턴으로 구조화되어 있다고 주장한다. 

프랙탈은 2차원도 3차원도 아닌 구조이지만 대신 그 사이의 일부 분수 값이다. 수학에서 프랙탈은 무한히 반복되는 아름다운 패턴으로 나타나서 불가능해 보이는 것을 생성한다. 즉, 면적은 유한하지만 둘레는 무한인 구조이다.

이것은 시각화 하는 것이 불가능하게 들릴지 모르지만 프랙탈은 실제로 자연에서 자주 발생한다. 콜리플라워의 작은 꽃이나 양치류의 가지를 자세히 보면 둘 다 같은 기본 모양으로 이루어져 있지만 계속해서 반복되지만 점점 작아지는 것을 알 수 있다. 이것이 프랙탈의 주요 특징이다.

예를 들어 폐의 구조는 순환계의 혈관과 마찬가지로 프랙탈 구조이다. 프랙탈은 MC Escher와 Jackson Pollock의 매혹적인 반복 작품에도 등장하며 안테나 디자인과 같은 기술 분야에서 수십 년 동안 사용되었다. 이것들은 모두 고전 프랙탈의 예이다. 양자물리학보다는 고전 물리학의 법칙을 따르는 프랙탈이다.

인간 의식의 복잡성을 설명하기 위해 프랙탈이 사용된 이유를 쉽게 알 수 있다. 그것들은 무한히 복잡하고 단순한 반복 패턴에서 복잡성이 나타날 수 있기 때문에 우리 마음의 신비한 깊이를 지원하는 구조가 될 수 있다.

그러나 이것이 사실이라면 뇌의 뉴런 내에서 프랙탈 패턴으로 움직이는 작은 입자와 함께 양자 수준에서만 일어날 수 있다. 그래서 펜로즈와 해머로프의 제안을 '양자 의식' 이론이라고 부른다.

양자 의식

우리는 아직 양자 프랙탈이 존재한다면 뇌에 있는 양자 프랙탈의 행동을 측정할 수 없다. 그러나 첨단 기술은 이제 실험실에서 양자 프랙탈을 측정할 수 있음을 의미한다. STM(주사 터널링 현미경)과 관련된 최근 연구에서 Utrecht의 동료와 나는 전자를 프랙탈 패턴으로 조심스럽게 배열하여 양자 프랙탈을 생성했다. 

그런 다음 양자 상태를 나타내는 전자의 파동 함수를 측정했을 때 전자도 우리가 만든 물리적 패턴에 의해 결정된 프랙탈 차원에서 살고 있다는 것을 발견했다. 이 경우 양자 스케일에서 사용한 패턴은 Sierpiński 삼각형으로 1차원과 2차원 사이의 어딘 가에 있는 모양이다.

이것은 흥미로운 발견이었지만 STM 기술은 양자 입자가 어떻게 움직이는지 조사할 수 없으며, 이는 양자 프로세스가 뇌에서 어떻게 발생할 수 있는지에 대해 더 많이 알려줄 것이다. 그래서 우리의 최신 연구에서 Shanghai Jiaotong University의 동료들과 나는 한 걸음 더 나아갔다. 최첨단 광자 실험을 사용하여 프랙탈 내에서 발생하는 양자 운동을 전례 없는 세부 사항으로 밝힐 수 있었다. 

우리는 작은 Sierpiński 삼각형으로 공들여 설계된 인공 칩에 광자(빛 입자)를 주입하여 이를 달성했다. 우리는 삼각형의 끝에 광자를 주입하고 양자 수송이라는 과정에서 광자가 프랙탈 구조 전체에 어떻게 퍼지는지 관찰했다. 그런 다음 삼각형이 아닌 정사각형 모양의 두 가지 다른 프랙탈 구조에 대해 이 실험을 반복했다. 그리고 이러한 각 구조에서 우리는 수백 가지의 실험을 수행했다.

이러한 실험을 통해 관찰한 결과 양자 프랙탈은 실제로 고전 프랙탈과 다른 방식으로 행동한다는 것이 밝혀졌다. 특히, 우리는 프랙탈을 가로지르는 빛의 확산이 고전적인 경우와 비교하여 양자의 경우에서 다른 법칙에 의해 지배된다는 것을 발견했다.

양자 프랙탈에 대한 이 새로운 지식은 과학자들이 양자 의식 이론을 실험적으로 테스트할 수 있는 토대를 제공할 수 있다. 언젠가 인간의 뇌에서 양자 측정을 취한다면 우리의 결과와 비교하여 의식이 고전적 현상인지 양자적 현상인지 확실히 결정할 수 있다.

우리의 작업은 또한 과학 분야 전반에 걸쳐 심오한 의미를 가질 수 있다. 인공적으로 설계된 프랙탈 구조에서 양자 수송을 조사함으로써 우리는 물리학, 수학 및 생물학의 통합을 향한 작은 첫걸음을 내디뎠을 수 있다.

글쓴이: CRISTIANE DE MORAIS SMITH

CRISTIANE DE MORAIS SMITH는 응집 물질 물리학, 보다 구체적으로 강한 상관 관계가 있는 시스템에 대해 연구한다. 그녀의 연구는 고온 초전도체에서 양자 홀 시스템, 그래핀 및 탄소 나노튜브에 이르기까지 다양한 저차원 양자 시스템에 걸쳐 있다. 

이미지 출처: Beyond Timelines from Pixabay