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:: 펜로즈의 양자의식 이론 과연 가능성 있는가?

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"양자 마음 - 극저온에 꽝꽝 얼어붙다"

'계산에 따르면, 의식의 신비는 두뇌 속 미세 골격에서 발생하는 파동 함수의 붕괴로는 설명할 수 없음이 밝혀졌다'

로저 펜로즈 경(Sir Roger Penrose)의 주장은 앞뒤가 맞지 않는다. 맥스 테그마크(Max Tegmark)는 그 사실을 입증할 수 있다고 말한다. 테그마크의 계산에 따르면, 펜로즈가 가정한 두뇌 속의 뉴런(신경단위세포)은 온도가 너무 높기 때문에 양자 계산(펜로즈가 선호하는 의식 이론의 핵심적 요건 중의 하나)을 수행하지 못한다고 한다.

펜로즈는 평면을 다양한 형태의 도형으로 채우는 타일 깔기(tiling, 타일 붙이기) 연구로 유명한 옥스퍼드 대학의 수학자로서, 순간순간 변하는 의식의 본질은 양자적 과정을 함축한다고 믿는 소수의 과학자 가운데 한 사람이다. 극미세 규모의 세계에서는 편광(polarization) 혹은 스핀(spin)과 같은 속성을 지니는 하나의 물체가 다수의 양자 상태 곳곳에 존재할 수 있다. 다시 말해, 참으로 기묘하게도 그것은 다수의 양자 상태에 동시에 존재할 수 있는데, 바로 이것이 중첩(superposition)이라는 속성이다. 양자 중첩은 순식간에 깨질 수 있다.

그러한 상태에 있는 한 원자가 주변 환경과 상호작용하면 - 예컨대 주변의 원자들과 부딪치거나 서로 밀칠 때 - 그 원자의 파동 형태는 "붕괴"될 수 있다. 즉 그 원자가 가능한 상태 가운데 한 가지 상태를 취하도록 하는 힘이 작용하여 중첩이 소멸하는 것이다.

일단의 연구자들은 이러한 결맞음(coherence, 일치) 과정과 붕괴(collapse)가 마음 속에서 일어나는 현상과 놀라울 정도로 비슷하다고 생각했다. 자각(awareness, 감지)의 문턱 아래에서는 오만 가지 생각이 오락가락한다. 그러다가 어떤 형태를 갖춰 의식의 전면으로 떠오른다. 양자 의식 이론에 열광하는 자들은 이러한 유비가 단지 우연적 진실에만 그치는 것이 아니라고 가정한다. 11년 전, 펜로즈는 그러한 열광자들의 대열에 합류하면서, 『황제의 새 마음』(The Emperor's New Mind)이라는 대중적인 저서에서 두뇌는 양자 컴퓨터처럼 작동할 것이라는 사변을 전개했다.

때때로 펜로즈와 공동 연구를 하기도 하며, 투산(Tucson)에 있는 애리조나 대학의 마취학자인 스튜어트 해머로프(Stuart R. Hameroff)는 다음과 같이 말한다. "전의식(the preconscious) 단계에서 의식 단계로 전이되는 그 사이에는, 확실하다고 할 만한 아무런 문턱(경계선)도 없습니다." 생각은 전의식 단계의 중첩에서 시작되어, 그 다음에 의식적 마음 속으로 떠오른다. 이때 중첩이 사라지고 파동 형태가 붕괴된다. "붕괴가 발생하면서 의식이 생겨나는 것이죠" 하고 해머로프는 주장한다.

그러나 정확히 말해서 무엇이 붕괴하는가? 해머로프는 신경생리학 연구를 통해서, 양자적 특성이 내재할 가능성이 있어 보이는 자리(부위)를 알게 되었다. 바로 "미세관"(microtubules)이라고 하는 것으로서, 튜불린(tubulin)이라는 단백질체로 구성된 가느다란 관인데, 이것이 뉴런을 포함하여 우리의 세포 골격을 형성한다. 튜불린 단백질체는 적어도 두 가지 상이한 상태 - 확장된 형태와 수축된 형태 - 를 취할 수 있다. 그러므로 이론상 그것은 동시에 두 가지 상태를 지니게 된다. 만약 그렇게 된다면, 개별적 튜불린 단백질체는 이웃에 있는 단백질체들의 양자 상태에 영향을 끼치게 되고, 계속해서 이웃과 이웃이 연쇄적으로 이웃의 양자 상태에 영향을 끼쳐나가 두뇌의 전 영역으로 영향이 확산된다. 1990년 대에, 펜로즈와 해머로프는 그러한 튜불린 기반의 양자 정보전달 체계가 거대 양자 컴퓨터처럼 작동하는 방식을 밝혀내어 그것이 의식적 경험의 자리일 수도 있음을 보여줬다.

그러한 착상(아이디어)은 소수의 물리학자, 일단의 의식 연구 학자, 그리고 수많은 신비주의자의 관심을 끌었다. 그러나 대부분의 양자물리학자들은 그것이 너무 추상적이어서 수치 계산으로 검증할 가치가 없다고 무시해버렸다. 그런데 펜실베이니아 대학의 물리학자인 테그마크(Max Tegmark)가 그 계산을 해냈다. 『물리학 비평 E』(Physical Review E) 지의 2월호에서, 테그마크는 두뇌가 양자 계산이 발생하기에 얼마나 열악한 환경인지를 명쾌히 밝혀주는 계산을 제시했다.

두뇌의 온도, 논의에서 제기된 다양한 양자적 물체의 크기, 그리고 인접한 이온과 같은 것들이 야기하는 교란(disturbances) 따위의 자료를 취합하여, 테그마크는 두뇌 속에 존재하는 미세관과 그외의 추정 가능한 양자 컴퓨터가 결이 어긋나기(decohere) 전까지 얼마 동안이나 중첩 상태를 유지하는지 계산해냈다. 테그마크의 답은 이렇다. 즉, 그 중첩은 10의 -13승에서 10의 -20승 초 만에 사라진다. 이에 비해 가장 빠르게 작동하는 뉴런조차도 10의 -3승 초 안팎의 시간대에서 주로 작동하기 때문에, 두뇌의 양자적 특성이 그 무엇이든지 간에 그것은 너무나 빠르게 결이 어긋나므로 뉴런이 그 특성을 이용할 수 없다는 결론을 끌어냈다.

"우리의 뉴런이 우리의 생각을 처리하는 데에 모종의 일을 한다고 할지라도, 그리고 두뇌에서 일어나는 그 모든 전기적 발화(electrical firings)가 우리의 사고 양상과 모종의 방법으로 상응한다고 할지라도, 우리 인간이 양자 컴퓨터일 수는 없습니다" 하고 테그마크는 주장한다. 문제는 바로 우리 두개골 속의 물질은 온도가 높은 데다가 원자적 규모로 항상 변화하고 있다는 사실이다. 그런 환경에서는 양자 계산이 우리의 사유 양상에 채 영향을 끼치기도 전에, 발생 초기의 그 어떠한 양자 계산도 이미 운을 다해 버리고 만다. 양자 효과(quantum effects)가 어떤 의미를 지니려면, 두뇌는 절대 영도 가까이에 처한 아주 작은 덩어리가 되어야 할 것이다.

해머로프는 테그마크의 결론을 받아들이지 않는다. "열적인 결어긋남(thermal decoherence, 온도의 불일치)에 문제의 소지가 있다는 점은 사실입니다. 그러나 생물학으로써 그 문제를 해결할 방법이 있다고 생각합니다" 하고 해머로프는 말한다. 예를 들어, 두뇌 조직 내의 물 분자들이 미세관을 주변 환경으로부터 차단하여 감쌈으로써 튜불린이 결맞도록 해줄 수 있을 것이다. "아주 간단한 즉석 계산만으로도, 나는 손쉽게 마이너스 13승 문제를 해결했습니다."

그러나, 양자 의식 연구 진영에 속하는 일단의 연구자들은 테그마크가 펜로즈-해머로프 류의 두뇌 이론에 결정타를 가했다는 사실에 동의했다. "그 두뇌 모형(모델)은 테그마크의 연구 결과로 인해 심각한 손상을 입었습니다" 하고 캘리포니아 소재 로렌스 버클리 국립연구소의 물리학자 헨리 스탭(Henry P. Stapp)은 말한다. (스탭은 말하기를 자신의 양자 의식 이론은 테그마크의 논증으로부터 영향을 받지 않는다고 한다.)

이 논쟁에서 벗어나 있는 아이비엠(IBM)의 연구원 잔 스몰린(John Smolin) 같은 물리학자들은 테그마크의 계산 결과가 자신들이 처음부터 줄곧 의심해 온 것을 확증해 주었다고 평가한다. "우리는 절대 영도 근처에 존재하는 두뇌를 연구하진 않습니다. 두뇌가 양자적 작용을 전개한다는(evolve) 가설은 그럴 듯하게 들리지는 않아요" 하고 스몰린은 말한다. 스몰린은 덧붙여 말했다. "나는 논쟁에서 멀찌감치 벗어나 공정하게 관망할 따름입니다."

촬스 사이페

◈[원문 출처]

Seife, Charles (4 Feb. 2000), Cold numbers unmake the quantum mind, Science Vol. 287: 791.

◈[펜로즈-해머로프의 양자의식 이론을 논박한 문제의 논문]

Tegmark, Max (Apr. 2000), The importance of quantum decoherence in brain processes, quant-ph/9907009, Physical Review E 61: 4194-4206.

◈[테그마크의 논증에 대한 해머로프 측의 반박 논문]

Hagan, Scott, Stuart R. Hameroff, Jack A. Tuszynski (2001), Quantum Computation in Brain Microtubules? Decoherence and Biological Feasibility, http://xxx.lanl.gov/abs/quant-ph/0005025.

◈[관련 추천 논문] (밈즈 선정)

Crick, Francis, Christof Koch (1990), Towards a neurobiological theory of consciousness, Seminars in the Neurosciences 2: 263-275.

Hagan, Scott, Stuart R. Hameroff, Jack A. Tuszynski (2001), Quantum Computation in Brain Microtubules? Decoherence and Biological Feasibility, http://xxx.lanl.gov/abs/quant-ph/0005025.

Hameroff, Stuart R. (1998a), Quantum computation in brain microtubules? The Penrose-Hameroff "Orch OR" model of consciousness, Philosophical Transactions Royal Society London (A) 356:1869-1896.

Hameroff, Stuart R. (1998b), "Funda-Mentality" - Is the conscious mind subtly connected to a basic level of the universe?, Trends in Cognitive Sciences 2(4): 119-127.

Hameroff, Stuart R., Alex Nip, Mitchell Porter, Jack A. Tuszynski (Jan. 2002), Conduction pathways in microtubules, biological quantum computation, and consciousness, Biosystems Vol. 64 Iss. 1-3: 149-168.

Hameroff, Stuart R., Roger Penrose (1996a), Orchestrated reduction of quantum coherence in brain microtubules: A model for consciousness, In: Toward a Science of Consciousness - The First Tucson Discussions and Debates, S.R. Hameroff, A. Kaszniak and A.C. Scott (eds.), MIT Press, Cambridge, MA. Also published in Mathematics and Computers in Simulation 40: 453-480.

Hameroff, Stuart R., Roger Penrose (1996b), Conscious events as orchestrated spacetime selections, Journal of Consciousness Studies 3(1): 36-53.

Penrose, Roger (1996), On gravity's role in quantum state reduction, General relativity and gravitation 28(5): 581-600

Penrose, Roger (1997), On understanding understanding, International Studies in the Philosophy of Science 11(1): 7-20.

Searle, John R. (Nov. 1998), How to study consciousness scientifically, Philosophical Transactions: Biological Sciences Vol. 353 No. 1377: 1935-1942.

Tegmark, Max (Apr. 2000), The importance of quantum decoherence in brain processes, quant-ph/9907009, Physical Review E 61: 4194-4206.

Tegmark, Max (2000), Why the brain is probably not a quantum computer, Information Sciences 128: 155-179.

Woolf, Nancy J. (1999), Cholinergic correlates of consciousness: from mind to molecules, Trends in Neurosciences 22: 540-541.

Woolf, Nancy J., Stuart R. Hameroff (Nov. 2001), A quantum approach to visual consciousness, Trends in Cognitive Sciences Vol. 5 No. 11: 472-478.

◈[관련 추천 도서]

Penrose, Roger (1997), The Large, The Small and The Human Mind, Cambridge, U.K., Cambridge University Press.

Penrose, Roger (1994), Shadows of the Mind, Oxford, U.K., Oxford University Press.

Penrose, Roger (1989), The Emperor's New Mind, Oxford, U.K., Oxford University Press.

Stapp, Henry P. (1993), Mind, matter and quantum mechanics. Berlin, Springer-Verlag.

로저 펜로즈, 박승수 옮김 (1996. 12. 30), 『황제의 새 마음』 상.하, 이화여자대학교 출판부.

◈[원문]..........................

Cold Numbers Unmake the Quantum Mind

Calculations show that collapsing wave functions in the scaffolding of the brain can't explain the mystery of consciousness.

Sir Roger Penrose is incoherent, and Max Tegmark says he can prove it. According to Tegmark's calculations, the neurons in Penrose's brain are too warm to be performing quantum computations - a key requirement for Penrose's favorite theory of consciousness.

Penrose, the Oxford mathematician famous for his work on tiling the plane with various shapes, is one of a handful of scientists who believe that the ephemeral nature of consciousness suggests a quantum process. In the realm of the extremely small, an object with a property such as polarization or spin may exist in any of a number of quantum states. Or, bizarrely, it may inhabit several quantum states at once, a property called superposition. A quantum superposition is extremely fragile. If an atom in such a state interacts with its environment - by being bumped or prodded by nearby atoms, for instance - its waveform can "collapse," ending the superposition by forcing the atom to commit to one of its possible states.

To some investigators, this process of coherence and collapse seems strikingly similiar to what goes on in the mind. Multple ideas flit around below the threshold of awareness, then somehow solidify and wind up at the front of our consciousness. Quantum consciousness aficionados suspect that the analogy might be more than a coincidence. Eleven years ago, Penrose publicly joined their number, speculating in a popular book called The Emperor's New Mind that the brain might be acting like a quantum computer.

"Between the preconscious and conscious transition, there's no obvious threshold," says Penrose's sometimes collaborator Stuart Hameroff, an anesthesiologist at the University of Arizona in Tucson. Ideas start out in superposition in the preconscious and then wind up in the conscious mind as the superposition ends and the waveform collapses. "The collapse is where consciousness comes in," says Hameroff.

But what exactly is collapsing? From his studies of neurophysiology, Hameroff knew of a possible seat for the quantum nature: "microtubules," tiny tubes constructed out of a protein called tubulin that make up the skeletons of our cells, including neurons. Tubulin proteins can take at least two different shapes - extended and contracted - so, in theory, they might be able to take both states at once. If so, then an individual tubulin protein might affect its neighbors' quantum states, which in turn affect their neighbors' - and so forth, throughout the brain. In the 1990s, Penrose and Hameroff showed how such a tubulin-based quantum messaging system could act like a huge quantum computer that might be the seat of our conscious experience.

The idea attracted a few physicists, some consciousness researchers, and a large number of mystics. Quantum physicists, however, largely ignored it as too speculative to be worth testing with numerical calculations. Now Tegmark, a physicist at the University of Pennsylvania, has done the numbers. In the February issue of Physical Review E, Tegmark presents calculations showing just what a terrible environment the brain is for quantum computation.

Combining data about the brain's temperature, the sizes of various proposed quantum objects, and disturbances caused by such things as nearby ions, Tegmark calculated how long microtubules and other possible quantum computers within the brain might remain in superposition before they decohere. His answer: The superpositions disappear in 10^{-13} to 10^{-20} seconds. Because the fastest neurons tend to operate on a time scale of 10^{-3} seconds or so, Tegmark concludes that whatever the brain's quantum nature is, it decoheres far too rapidly for the neurons to take advantage of it.

"If our neurons have anything at all to do with our thinking, if all these electrical firings correspond in any way to our thought patterns, we are not quantum computers," says Tegmark. The problem is that the matter inside our skulls is warm and ever-changing on an atomic scale, an environment that dooms any nascent quantum computation before it can affect our thought patterns. For quantum effects to become important, the brain would have to be a tiny fraction of a degree above absolute zero.

Hameroff is unconvinced. "It's obvious that thermal decoherence is going to be a problem, but I think biology has ways around it," he says. Water molecules in the brain tissue, for instance, might keep tubulin coherent by shielding the microtubules from their environment. "In back-of-the-envelope calculations, I made up those 13 orders of magnitude pretty easily."

Some members of the quantum-consciousness community, however, conceded that Tegmark has landed a body blow on Penrose-Hameroff-type views of the brain. "Those models are severely impacted by these results," says physicist Henry Stapp of Lawrence Berkeley National Laboratory in California. (Stapp's own theory of quantum consciousness, he says, is unaffected by Tegmark's arguments.)

Physicists outside the fray, such as IBM's John Smolin, say the calculations confirm what they had suspected all along. "We're not working with a brain that's near absolute zero. It's reasonably unlikely that the brain evolved quantum behavior," he says. Smolin adds: "I'm conscientiously staying away" from the debate.

Charles Seife