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조화 객관 환원 이론

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목차

1. 개요

조화 객관 환원 이론(Orch OR)은 로저 펜로즈와 스튜어트 해머로프가 제안한 의식 이론으로, 펜로즈의 객관 환원(OR) 이론과 해머로프의 미세소관 양자 처리에 대한 가설을 결합한 것이다. 이 이론은 뇌 속 미세소관 내의 양자 얽힘이 객관적 환원을 겪을 때 비계산적 의식과 연결된다고 주장한다. 펜로즈는 괴델의 불완전성 정리를 바탕으로 인간의 사고가 계산 불가능한 과정을 따른다고 보았으며, 해머로프는 미세소관이 양자 처리에 적합한 후보라고 제안했다. Orch OR은 펜로즈-루카스 논증과 미세소관의 역할을 결합하여 뇌의 응축물이 객관적 파동 함수 붕괴를 겪을 때 비계산적 의사 결정이 시공간 기하학에 내재된 경험과 연결된다고 주장한다. 이 이론은 마취제와 미세소관의 관련성에 대한 실험적 증거를 제시하며, 2022년 발표된 실험에서 마취제가 미세소관의 지연 발광 시간을 단축시키고 튜불린의 확산을 변화시킨다는 결과가 보고되었다. 그러나 Orch OR은 뇌 생리학의 부적절한 모델이라는 비판과 뇌의 따뜻하고 습한 환경에서 양자 결맞음 유지가 어렵다는 결어긋남 문제, 설명력 부족 등의 비판에 직면해 있다.

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조화 객관 환원 이론
기본 정보
로저 펜로즈
로저 펜로즈
스튜어트 해머로프
스튜어트 해머로프
분야양자뇌생물학, 의식 연구
제안1990년대 초
지지자로저 펜로즈
스튜어트 해머로프
주요 내용
핵심 주장의식은 뇌의 뉴런 내에 있는 미세소관에서 발생하는 양자역학적 현상에 기반한다.
Orch-OR'조율된 객관적 환원'의 약자로, 미세소관 내의 양자 상태가 중첩되다가 객관적인 요인에 의해 붕괴하면서 의식적인 경험이 발생한다고 주장한다.
양자 효과뇌의 특정 구조 내에서 양자 응집성과 양자 얽힘이 발생하여 정보 처리 및 의식 형성에 기여한다.
중첩뉴런 내 미세소관에서 양자 상태의 중첩이 발생한다.
객관적 환원중첩된 양자 상태가 특정 임계점에 도달하면 중력적인 요인에 의해 붕괴되어 하나의 확정적인 상태로 결정된다.
의식적 경험양자 상태의 붕괴 과정에서 정보가 발생하고, 이러한 정보가 의식적인 경험의 기초가 된다.
계산 불가능성뇌의 정보 처리는 고전적인 계산 방식으로는 설명할 수 없는 비-계산적인 요소들을 포함한다.
뇌의 위치주로 뉴런 내의 미세소관에서 발생하며, 이는 뇌의 정보 처리 및 의식 형성에 중요한 역할을 한다.
비판 및 논쟁점
데코히어런스 문제뇌는 따뜻하고 습한 환경이어서 양자 응집성이 유지되기 어렵다는 비판이 있다.
경험적 증거 부족이론을 뒷받침할 만한 직접적인 실험적 증거가 부족하다는 지적이 있다.
과학적 타당성 논란양자 효과가 뇌 기능에 실제로 얼마나 큰 영향을 미치는지에 대한 과학적 타당성 논란이 지속되고 있다.
양자 중첩 유지막스 테그마크는 뇌의 온도와 환경 조건에서 양자 중첩이 극히 짧은 시간 동안만 유지될 수 있다고 주장했다.
관련 인물
워런 맥컬록Warren Sturgis McCulloch
월터 피츠Walter Pitts
앨런 호지킨Alan Lloyd Hodgkin
앤드루 헉슬리Andrew Fielding Huxley
조지 불로스George Boolos
마틴 데이비스Martin Davis
데이비드 루이스David Lewis
힐러리 퍼트넘Hilary Putnam
막스 테그마크Max Tegmark
크리스토프 코흐Christof Koch
클라우스 헤프Klaus Hepp

2. 역사적 배경

1931년, 수학자이자 논리학자인 쿠르트 괴델은 기본 산술을 증명할 수 있는 효과적으로 생성된 이론은 일관성과 완전성을 동시에 가질 수 없음을 증명했다. 즉, 수학적으로 건전한 이론은 스스로를 증명할 수단이 부족하다.[88] 그러나 로저 펜로즈는 저서 《황제의 새마음(The Emperor's New Mind)》(1989)에서 괴델이 증명할 수 없다고 한 결과가 인간 수학자에게는 증명 가능하다고 주장했다.[89] 그는 이 차이를 인간 수학자들이 형식 증명 시스템으로 기술될 수 없고, 따라서 계산 불가능한 알고리즘을 실행하고 있다고 보았다.

펜로즈-루카스 논증(Penrose–Lucas argument)은 계산 불가능한 행동의 물리적 기반에 대한 질문을 제기한다. 펜로즈는 파동 함수 붕괴가 계산 불가능한 과정의 주요 후보라고 생각했다. 양자역학에서 입자는 슈뢰딩거 방정식에 따라 진화하는 파동 함수로 설명되며, 중첩 원리에 의해 여러 고유상태(eigensta)들의 선형 결합으로 나타난다. 양자 시스템이 고전 시스템과 상호 작용하여 관찰 대상이 측정될 때, 시스템은 고전적 관점에서 관찰 대상의 임의 고유 상태로 붕괴하는 것처럼 보인다.

붕괴가 무작위적이라면, 어떤 알고리즘도 그 결과를 예측할 수 없다. 펜로즈는 뇌에서 일어나는 비계산적 과정의 물리적 기반이 될 수 있다고 보았지만, 무작위성은 수학적 이해의 기초가 되기 어렵다고 생각했다. 그래서 고립된 시스템에서도 새로운 형태의 파동 함수 붕괴, 즉 객관적 환원(OR)이 일어날 수 있다고 제안했다.[78]

펜로즈는 일반 상대성 이론과 양자 이론을 통합하기 위해 시공간 구조에 대한 자신의 아이디어를 사용했다.[89][90] 그는 플랑크 척도에서 곡선 시공간이 연속적이지 않고 이산적이라고 제안했다. 또한, 각각의 분리된 양자 중첩이 자체적인 시공간 곡률 조각, 즉 시공간의 물집을 가지고 있다고 가정했다. 펜로즈는 중력이 이러한 시공간 물집에 힘을 가하여 10^{-35} \text{m}의 플랑크 규모 이상에서 불안정해지고 가능한 상태 중 하나로 붕괴된다고 제안한다.

펜로즈-루카스 논증은 여러 학자들로부터 비판을 받았다.[96][97][98] 민스키는 인간이 거짓된 생각을 참이라고 믿을 수 있기 때문에 인간의 수학적 이해가 일관성을 가질 필요가 없으며, 의식이 결정론적 기반을 가질 수 있다고 주장했다.[100] 솔로몬 페퍼만은 수학자들이 기계적인 증명 탐색이 아닌 시행착오, 통찰력, 영감을 통해 발전하며, 기계는 이러한 접근 방식을 인간과 공유하지 않는다고 주장했다.[92]

2. 1. 괴델의 불완전성 정리와 펜로즈-루카스 논증

1931년, 수학자이자 논리학자인 쿠르트 괴델은 불완전성 정리를 통해, 기본 산술을 증명할 수 있을 만큼 충분히 복잡한 형식 체계는 일관성과 완전성을 모두 가질 수 없음을 증명했다. 즉, 수학적으로 타당한 이론은 스스로의 무모순성을 증명할 수 없다.[17] 로저 펜로즈는 저서 《황제의 새 마음》(1989)에서 괴델이 증명할 수 없다고 한 명제들이 인간 수학자에게는 증명 가능하다고 주장했다.[18]

펜로즈-루카스 논증은 인간 정신이 튜링 기계로 구현될 수 없다는 주장을 뒷받침하기 위해 괴델의 정리를 사용한다. 펜로즈는 이 차이가 인간 수학자들이 형식 증명 시스템으로 기술될 수 없고, 따라서 계산 불가능한 알고리즘을 실행하고 있음을 의미한다고 보았다.

대부분의 물리 법칙은 계산 가능하지만, 펜로즈는 파동 함수 붕괴가 계산 불가능한 과정의 주요 후보라고 생각했다. 양자역학에서 입자는 슈뢰딩거 방정식에 따라 진화하는 파동 함수로 설명되며, 이는 고유 상태들의 선형 결합인 중첩 원리로 나타난다. 양자 시스템이 고전 시스템과 상호 작용하여 관측 가능량이 측정될 때, 시스템은 고전적 관점에서 관측 대상의 임의 고유 상태로 붕괴하는 것처럼 보인다.

만약 붕괴가 무작위적이라면, 어떤 알고리즘도 그 결과를 예측할 수 없다. 펜로즈는 이 점이 뇌에서 일어나는 비계산적 과정의 물리적 기반이 될 수 있다고 보았지만, 무작위성은 수학적 이해의 기초가 되기 어렵다고 생각했다. 그래서 그는 고립된 시스템에서도 새로운 형태의 파동 함수 붕괴, 즉 객관적 환원(OR)이 일어날 수 있다고 제안했다.[7]

펜로즈는 일반 상대성 이론과 양자 이론을 통합하기 위해 시공간 구조에 대한 자신의 아이디어를 사용했다.[18][19] 그는 플랑크 척도에서 곡선 시공간이 연속적이지 않고 이산적이라고 제안했다. 또한, 각각의 분리된 양자 중첩이 자체적인 시공간 곡률 조각, 즉 시공간의 물집을 가지고 있다고 가정했다. 펜로즈는 중력이 이러한 시공간 물집에 힘을 가하여 플랑크 척도(10^{-35} \text{m}) 이상에서 불안정해지고 가능한 상태 중 하나로 붕괴된다고 제안한다. OR의 임계값은 펜로즈의 불확정성 원리에 의해 다음과 같이 주어진다.

::\tau \approx \hbar/E_G

여기서:

  • \tau는 OR이 발생할 때까지의 시간,
  • E_G는 중첩된 질량에 의해 주어진 시공간 분리의 정도인 중력 자기 에너지,
  • \hbar는 환산 플랑크 상수이다.


따라서 물체의 질량-에너지가 클수록 OR은 더 빨리 일어나고, 그 반대도 마찬가지이다. 중간자적 물체는 신경 처리와 관련된 시간 척도로 붕괴될 수 있다.[7]

펜로즈 이론의 핵심은 객관적 환원에서 상태 선택이 무작위적이지도, 알고리즘적이지도 않다는 것이다. 대신, 상태는 플랑크 시공간 기하학에 내장된 "계산 불가능한" 영향에 의해 선택된다. 펜로즈는 그러한 정보가 플라톤적이며 순수한 수학적 진리를 나타낸다고 주장하며, 이는 물리적 세계, 정신적 세계, 플라톤적 수학적 세계라는 그의 세 가지 세계에 대한 아이디어와 관련이 있다. 펜로즈는 《마음의 그림자》(1994)에서 이 플라톤적 세계가 미적 및 윤리적 가치도 포함할 수 있다고 간략하게 언급했지만, 이 가설에 대해 더 깊이 논의하지는 않았다.

펜로즈-루카스 논증은 수학자,[20][21][22] 컴퓨터 과학자,[12] 철학자[23][24][9][10][11]들에 의해 비판받았다. 이들 분야 전문가들의 합의는 이 논증이 실패한다는 것이며,[25][26][27] 여러 학자들이 논증의 다양한 측면을 비판한다.[27][28] 마빈 민스키는 인간이 거짓된 생각을 참이라고 믿을 수 있기 때문에 인간의 수학적 이해가 일관성을 가질 필요가 없으며, 의식이 결정론적 기반을 가질 수 있다고 주장했다.[29] 페퍼만은 수학자들이 기계적인 증명 탐색이 아닌 시행착오, 통찰력, 영감을 통해 발전하며, 기계는 이러한 접근 방식을 인간과 공유하지 않는다고 주장했다.[21]

2. 2. 객관 환원(OR) 이론

로저 펜로즈는 파동 함수 붕괴가 무작위적인 과정이 아니라, 시공간 기하학의 특정한 조건에 의해 결정되는 객관적인 과정이라고 주장했다. 이를 객관적 환원(Objective Reduction, OR)이라고 부른다.[78] 그는 이 과정이 플랑크 척도에서 일어나며, 중첩된 질량-에너지의 크기에 따라 붕괴 시간이 결정된다고 제안했다. 붕괴 시간은 다음 공식으로 계산할 수 있다.

::\tau \approx \hbar/E_G

  • \tau는 객관적 환원(OR)이 발생할 때까지의 시간이다.
  • E_G는 중첩된 질량에 의해 주어진 시공간 분리 정도인 중력 자체 에너지이다.
  • \hbar는 환산 플랑크 상수이다.


이 공식에 따르면, 물체의 질량-에너지가 클수록 객관적 환원(OR)은 더 빨리 진행되고, 그 반대도 마찬가지이다. 중간자적 물체는 신경 처리와 관련된 시간 척도로 붕괴될 수 있다.[78]

펜로즈는 객관적 환원 시 상태 선택이 (파동 함수 붕괴에 따른 선택과 같이) 무작위적으로도 알고리즘적으로도 선택되지 않는다고 보았다. 대신, 이 상태는 플랑크 시공간 기하학에 내장된 "계산 불가능한" 영향에 의해 선택된다고 주장했다. 그는 그러한 정보가 플라톤주의적이며 순수한 수학적 진리를 나타낸다고 보았으며, 이는 물리적 세계, 정신적 세계 및 플라톤적 수학적 세계라는 세 가지 세계에 대한 펜로즈의 아이디어와 관련이 있다.[90]

3. 조화 객관 환원 이론 (Orch OR)

로저 펜로즈는 《황제의 새 마음》에서 조화 객관 환원 이론(Orch OR)의 전신을 괴델의 불완전성 정리를 중심으로 수학적 관점에서 개략적으로 설명했지만, 뇌에서 양자 과정이 어떻게 구현될 수 있는지에 대한 자세한 제안은 없었다. 스튜어트 해머로프는 암 연구와 마취 분야에서 일하면서 뇌 과정에 관심을 갖게 되었고, 펜로즈의 책을 읽고 뉴런 내의 미세소관이 양자 처리 및 의식에 적합한 후보라고 제안했다.[101][103] 1990년대에 두 사람은 협력하여 Orch OR 이론을 만들었으며, 펜로즈는 《마음의 그림자》(1994)에서 이 이론을 발표했다.[90]

해머로프의 기여는 신경 세포골격, 특히 미세소관에 대한 연구에서 비롯되었다.[103] 신경과학이 발전함에 따라 세포골격과 미세소관의 역할이 더욱 중요해졌다. 미세소관은 구조적 지원 외에도 축삭돌기 수송 및 세포의 움직임, 성장, 모양 제어 등의 기능을 수행한다.[103]

Orch OR은 펜로즈-루카스 논증과 미세소관에서 일어나는 양자 처리에 대한 해머로프의 가설을 결합한 이론이다. 이 이론은 뇌의 응축물이 객관적인 파동 함수 붕괴를 겪을 때, 그 붕괴가 계산 불가능한 의사 결정을 시공간의 근본적인 기하학에 내장된 경험과 연결한다고 제안한다. 또한 미세소관이 뉴런 간의 시냅스에서 일어나는 기존의 활동에 영향을 미치고, 동시에 영향을 받는다고 제안한다.

3. 1. 이론의 개요

스튜어트 해머로프는 뇌의 신경 세포 내 미세소관이 양자 계산에 적합한 구조라고 제안했다.[101][103] 1990년대에 걸쳐 해머로프와 로저 펜로즈는 협력하여 조화 객관 환원 이론(Orch OR)을 만들었다.[90] 이 이론은 미세소관 내 튜불린 단백질의 양자 상태가 중첩되고, 이 중첩이 객관 환원에 의해 붕괴하면서 의식적인 경험이 발생한다고 주장한다.

해머로프의 이론은 신경 세포골격, 특히 미세소관에 대한 연구에서 비롯되었다.[103] 신경과학이 발전함에 따라 세포골격과 미세소관의 역할은 더욱 중요해졌다. 미세소관은 구조적 지원 외에도 축삭돌기 수송 및 세포의 움직임, 성장 및 모양 제어 등의 기능을 수행한다.[103]

조화 객관 환원 이론은 펜로즈-루카스 인수와 미세소관의 양자 처리에 대한 해머로프의 가설을 결합한 것이다. 이 이론은 뇌의 응축물이 객관적인 파동 함수 감소를 겪을 때, 응축물의 붕괴는 비계산적 의사 결정을 시공간의 기본 기하학에 내재된 경험과 연결한다고 제안한다. 또한, 미세소관이 뉴런 사이의 시냅스에서 기존의 활동에 영향을 미치고 영향을 받는다고 제안한다.

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해머로프는 미세소관이 양자 처리에 적합한 후보라고 제안했다.[31] 미세소관은 튜불린 단백질 소단위체로 구성된다. 미세소관의 튜불린 단백질 이합체는 분산된 π 전자를 포함할 수 있는 소수성 주머니를 가지고 있다. 튜불린은 또한 튜불린 전체에 분포된 π 전자 풍부 인돌 고리를 포함하는 튜불린 당 8개의 트립토판과 같이 더 작고 무극성인 영역을 가지고 있으며, 대략 2 nm 간격으로 떨어져 있다. 해머로프는 이것이 튜불린 π 전자가 양자 얽힘을 겪기에 충분히 가깝다고 주장한다.[32] 얽힘 동안 입자 상태는 불가분하게 상관된다.

해머로프는 원래 주변적인 ''우주론 저널''(Journal of Cosmology)에서 튜불린-소단위체 전자가 보스-아인슈타인 응축을 형성할 것이라고 제안했다.[33] 그는 그런 다음 프로흘리히 응축체, 쌍극성 분자의 가설적인 일관된 진동을 제안했다. 그러나 이것 역시 라이머스(Reimers) 그룹에 의해 거부되었다.[34] 해머로프와 펜로즈는 라이머스의 미세 소관 모델이 지나치게 단순화되었다고 간주하여 그 결론에 반박했다.[35]

해머로프는 한 뉴런의 미세 소관 내 응축체가 전기적 시냅스의 갭 정션을 통해 다른 뉴런 및 신경교 세포 내 미세 소관 응축체와 연결될 수 있다고 제안했다.[36][37] 해머로프는 세포 사이의 간격이 충분히 작아서 양자 물체가 이를 가로질러 양자 터널링을 할 수 있으며, 이를 통해 뇌의 넓은 영역으로 확장될 수 있다고 제안했다. 그는 더 나아가 이러한 대규모 양자 활동의 작용이 40 Hz 감마파의 원천이라고 가정했으며, 갭 정션이 감마 진동과 관련이 있다는 덜 논쟁적인 이론을 기반으로 했다.[38]

3. 2. 미세소관의 역할

미세소관은 신경 세포의 골격을 이루는 튜불린 단백질로 구성된 튜브 형태의 구조이다.[101][103] 축삭돌기 수송(axoplasmic transport) 및 세포의 움직임, 성장, 모양 제어등을 담당한다.[103]

해머로프는 튜불린 단백질 내 소수성 주머니의 π 전자들이 양자 중첩과 얽힘을 일으킬 수 있다고 제안했다.[104] 튜불린은 튜불린당 8개의 트립토판을 가지며, 대략 2nm 간격으로 튜불린 전체에 분포된 π 전자가 풍부한 인돌 고리를 포함한다.

해머로프는 미세소관 내에서 보스-아인슈타인 응축 또는 프뢸리히 응축과 같은 양자 현상이 발생할 수 있다고 주장했지만,[105] 이는 라이머스 그룹에 의해 비판받았다.[134] 해머로프는 라이머스 등의 연구가 미세소관 구조가 아닌 단순한 선형 진동자 모델을 기반으로 한다고 반박했다.

해머로프는 미세소관이 간극 연접을 통해 다른 뉴런이나 신경교세포와 연결되어 뇌 전체에 걸친 양자 결맞음을 형성할 수 있다고 제안했다.[106][107] 그는 세포 사이 간격이 충분히 작으면 양자 물체가 터널링을 통해 뇌의 넓은 영역으로 확장될 수 있다고 주장했다. 또한, 이러한 대규모 양자 활동이 40Hz 감마파와 관련이 있다고 보았다.[108]

4. 실험적 증거 및 관련 연구

2022년 4월, 의식 과학(The Science of Consciousness) 컨퍼런스에서 두 가지 관련 실험 결과가 발표되었다. 앨버타 대학교의 잭 투진스키는 스튜어트 해메로프와 함께 한 연구에서 마취제가 미세 소관과 튜불린이 가둔 빛이 지연 발광이라는 과정의 지속 시간을 단축시킨다는 것을 보여주었다. 투진스키는 이 현상이 양자적 기원을 갖고 있다고 의심하며, 초복사(superradiance)도 한 가지 가능성으로 조사되고 있다.[109][110] 프린스턴 대학교의 그레고리 D. 스콜스와 아라트 칼라는 튜불린 내의 분자를 여기시키기 위해 레이저를 사용하여 장기간의 여기가 미세소관을 통해 예상보다 더 확산되도록 했으며, 이는 마취 하에서 반복될 때 발생하지 않았다.[109][110] 그러나 유체가 채워진 세포외 공간에서 길이 스케일의 넓은 범위로 인해 고전적인 확산도 매우 복잡할 수 있기 때문에 확산 결과는 신중하게 해석되어야 한다.[111]

해머로프는 "전형적인 뇌 뉴런에는 대략 107개의 튜불린이 있다"고 주장했지만, 이는 유와 바스의 말이 아닌 해머로프 자신의 추정이다.[145] 해머로프는 유와 바스가 "축삭 분화를 겪은 세포로부터 56 μm 축삭의 미세소관(MT) 어레이를 재구성"했으며 이 재구성된 축삭은 "1430 MT를 포함하고 ... 총 MT의 길이는 5750μm였다"는 내용을 오해했다.[145] 직접 계산에 따르면 107 튜불린(정확하게는 9.3×106 튜불린)이 56μm 축삭 내부의 5750μm 길이의 MT에 해당한다.

해머로프의 1998년 가설은 피질 가지돌기가 주로 'A' 격자 미세소관을 포함할 것을 요구했지만,[140] 1994년 키카와 등은 모든 생체내 미세소관에는 'B' 격자와 이음매가 있음을 보여주었다.[138][139]

조화 객관 환원 이론은 또한 뉴런과 신경교 세포 사이의 간극 접합을 필요로 했지만,[140] 1992년에 빈묄러 등은 성인의 뇌에는 간극 접합이 존재하지 않는다는 것을 증명했다.[141] 1차 신경 세포 배양을 이용한 시험관 내 연구는 ''미성숙'' 신경 세포와 제왕 절개를 통해 조기에 추출한 쥐 배아에서 얻은 성상교세포 사이의 전기장성(간극 접합) 커플링에 대한 증거를 보여준다.[120] 그러나 조화 객관 환원 이론 주장은 ''성숙한'' 뉴런이 성인 뇌의 성상교세포에 전기적으로 결합되어 있다는 것이다. 따라서 조화 객관 환원 이론은 프뢰스 등이 언급한 뉴런 성숙 과정에서 성상교세포로부터 뉴런의 잘 문서화된 ''전자기 디커플링''과 모순된다. 프뢰스 등은 "접합 통신은 신경 발달의 초기 단계에서 신경 세포와 성상 세포 네트워크 사이의 신진 대사 및 전기 긴장 상호 연결을 제공할 수 있으며 이러한 상호 작용은 분화가 진행됨에 따라 약화된다"고 언급했다.[120]

시냅스 전 축삭 말단에서 신경전달물질의 확률론적 방출에 대한 설명 부족과[142][143][144] 피질 뉴런당 튜불린 이량체 계산된 수의 오류를 포함한다는 다른 생물학 기반 비판이 나왔다.[145]

2014년에 펜로즈와 해머로프는 핵심 가설을 유지하면서 이론의 주변적 가정에 대한 일부 비판과 수정에 대한 답변을 발표했다.[73][77]

최근 연구들은 미세소관에서의 양자 현상, 특히 지연 발광과 초방사에 대한 실험적 증거를 제시하고 있다. 잭 투진스키는 마취제가 미세소관과 튜불린이 갇힌 빛을 재방출하는 지연 발광 시간을 단축시킨다는 것을 입증했다. 그는 이 현상이 양자 기원을 가질 것으로 의심하며, 초방사를 하나의 가능성으로 조사하고 있다.[39][40] 2024년 연구에서는 트립토판 네트워크에서 초방사가 발생한다는 것이 확인되었으며, 이는 미세소관에서 발견된다.[39][40] 투진스키는 ''뉴 사이언티스트''에 "우리는 이를 생리학적으로 해석하여 '그래, 여기가 의식이 시작되는 곳이야'라고 말할 수 있는 수준은 아니지만, 그럴 수도 있습니다."라고 말했다.[41]

''물리 화학 저널''에 게재된 2024년 연구 "생물학적 구조에서 트립토판의 메가 네트워크로부터의 자외선 초방사"는 트립토판 네트워크에서 초방사를 확인했다.[39][40] 대규모 트립토판 네트워크는 따뜻하고 시끄러운 환경이며, 일반적으로 양자 효과가 발생할 것으로 예상되지 않는다.[39] 이 연구 결과는 이론적으로 예측되었으며, 연구원들에 의해 실험적으로 확인되었다.[39][40] 실험팀을 이끈 마제드 체르구이는 "아름다운 결과입니다. 표준 단백질 분광법을 매우 정확하고 신중하게 적용해야 했지만, 협력자들의 이론적 예측에 따라, 우리는 마이크론 규모의 생물학적 시스템에서 초방사의 놀라운 특징을 확인할 수 있었습니다."라고 말했다.[39] 이론적 양자 광학 분야에서 잘 알려진 물리학자 마를란 스컬리는 "우리는 향후 수년간 살아있는 시스템에서 양자 효과에 대한 의미를 확실히 면밀히 검토할 것입니다."라고 말했다.[39] 이 연구는 "이러한 생물학적으로 관련된 구조에 존재하는 트립토판의 메가 네트워크와 전자기장과의 결합을 분석함으로써, 우리는 집단적 양자 광학 효과, 즉 초방사 및 아방사 고유 모드의 출현을 발견한다. ... 우리의 연구는 트립토판의 메가 네트워크에서 집단적이고 협력적인 자외선 여기가 단백질 응집체에서 강력한 양자 상태를 지원하며, 열적 평형 조건에서도 관찰된 결과를 보여준다"라고 명시하고 있다.[40]

4. 1. 마취와 미세소관

마취제가 미세소관에 작용하여 의식을 잃게 하는 방식에 대한 연구가 진행되었다. 1990년대 중반 스튜어트 해메로프와 로저 펜로즈는 의식이 뇌 신경세포 내 튜불린/미세소관의 양자 진동에 기반한다는 가설을 제시했다. 이들은 마취 가스 분자가 튜불린의 비극성 π전자 아미노산 방향족 고리에 결합하여, 튜불린 내 π전자 공명 고리 간의 집단 양자 쌍극자 진동에 영향을 미친다고 보았다. 컴퓨터 모델링 결과, 8가지 마취 가스는 613 THz 피크를 제거했지만, 2가지 비마취 가스는 영향을 주지 않아, 미세소관의 이 613 THz 피크가 의식 및 마취 작용과 관련이 있을 수 있다는 추측이 나왔다.[119]

그러나 '마취 작용에 대한 미세소관 양자 진동 이론'은 Orch OR의 전제의 결정적 결함들과 이론을 뒷받침하는 데 사용된 데이터의 위조로 인해 논란이 되고 있다.[120]

앨버타 대학교의 잭 투진스키가 참여한 연구에서는 마취제가 미세소관과 튜불린이 갇힌 빛을 재방출하는 지연 발광 시간을 촉진한다는 사실이 밝혀졌다. 투진스키는 이 현상이 양자 기원을 가질 것으로 추정하며, 초방사를 하나의 가능성으로 보고 있다. 2024년 연구에서는 초방사가 미세소관에서 발견되는 트립토판 네트워크에서 발생한다는 것이 확인되었다.[39][40]

2024년 8월 발표된 연구에서는 에포틸론 B를 투여한 쥐가 마취 가스에 노출되었을 때 의식을 잃는 데 더 오랜 시간이 걸린다는 사실이 발견되었다.[53]

4. 2. 지연 발광 및 초방사

앨버타 대학교의 잭 투진스키 연구팀은 마취제가 미세소관의 지연 발광 시간을 단축시킨다는 것을 발견했다.[109] 프린스턴 대학교의 그레고리 D. 스콜스 연구팀은 튜불린 내 분자의 여기가 마취 하에서 다르게 확산된다는 것을 발견했다.[109][110] 최근 연구에서는 트립토판 네트워크에서 초방사 현상이 확인되어,[39][40] 생물학적 시스템에서의 양자 효과 가능성을 시사한다.[39]

5. 비판 및 논쟁

괴델은 1931년에 기본적인 산술을 증명할 수 있는 효과적으로 생성된 이론은 일관성과 완전성을 동시에 가질 수 없음을 증명했다. 즉, 수학적으로 건전한 이론은 스스로를 증명할 수단이 부족하다는 것이다.[88] 이와 유사한 논리로 인간이 기계와 같은 한계를 가진다는 주장이 제기되었으나, 로저 펜로즈는 저서 ''황제의 새마음(The Emperor's New Mind)''(1989)에서 괴델이 증명 불가능하다고 한 결과를 인간 수학자는 증명할 수 있다고 주장했다.[89] 그는 이러한 차이가 인간 수학자가 형식 증명 시스템으로 기술될 수 없고, 따라서 계산 불가능한 알고리즘을 실행하고 있음을 의미한다고 보았다.

펜로즈-루카스 논증은 계산 불가능한 행동의 물리적 기반에 대한 질문을 제기한다. 펜로즈는 파동 함수 붕괴가 계산 불가능한 과정의 주요 후보라고 보았다. 양자역학에서 입자는 슈뢰딩거 방정식에 따라 진화하는 파동 함수로 설명되며, 이는 중첩 원리에 따라 여러 고유상태의 선형 결합으로 나타난다. 양자 시스템이 고전 시스템과 상호작용할 때, 시스템은 고전적 관점에서 관찰 대상의 임의 고유 상태로 붕괴하는 것처럼 보인다.

펜로즈는 붕괴가 무작위적이라면 그 결과를 예측할 수 없다는 점에 주목하여, 이를 뇌에서 계산 불가능한 과정의 물리적 기반으로 보았다. 그러나 그는 무작위성이 수학적 이해의 기초가 되기 어렵다고 생각하여, 환경 유도 붕괴 대신 객관적 환원(OR)이라는 새로운 형태의 파동 함수 붕괴를 제안했다.[78]

펜로즈는 일반 상대성 이론과 양자 이론을 통합하기 위해 시공간 구조에 대한 아이디어를 사용했다.[89][90] 그는 플랑크 척도에서 시공간이 이산적이며, 분리된 양자 중첩이 각각 시공간 곡률 조각(물집)을 가진다고 가정했다. 펜로즈는 중력이 이러한 시공간 물집에 힘을 가하여 플랑크 척도 이상에서 불안정해지고 가능한 상태 중 하나로 붕괴된다고 제안했다.

펜로즈는 객관적 환원에서 상태 선택이 무작위적이거나 알고리즘적이지 않고, 시공간 기하학의 플랑크 척도에 포함된 "계산할 수 없는" 영향에 의해 선택된다고 주장했다. 그는 이러한 정보가 플라톤주의적이며, 순수 수학적 진리를 나타낸다고 보았다.

펜로즈-루카스 논증은 수학자,[91][92][93] 컴퓨터 과학자,[83] 철학자[80][81][82][94][95]들로부터 비판을 받았으며, 해당 분야 전문가들은 이 논증이 실패했다고 평가한다.[96][97][98] 민스키는 인간이 거짓을 사실로 믿을 수 있으므로 인간의 수학적 이해가 일관될 필요가 없다고 주장했다.[100] 페퍼만은 수학자들이 기계적인 탐색이 아닌 시행착오, 통찰력, 영감으로 발전한다고 주장했다.[92]

조화 객관 환원 이론(Orch-OR)은 물리학자들과[85][133][134][135][121] 신경과학자들[122][123][124]로부터 뇌 생리학의 부적절한 모델이라는 비판을 받았다. 또한, 철학자 퍼트리샤 처칠랜드는 "시냅스내의 픽시 먼지는 미세소관의 양자 결맞음만큼 설명적으로 강력하다"고 비판하며 설명력이 부족하다고 지적했다.[125]

데이비드 차머스는 양자 의식에 반대하며, 양자역학이 이원론적 의식과 어떻게 관련될 수 있는지 논의한다.[126] 그는 새로운 물리학이 의식의 어려운 문제를 해결할 수 있다는 데 회의적이며,[127][128][129] 양자 의식 이론이 기존 이론과 같은 약점을 가진다고 주장한다.[130]

5. 1. 결어긋남 문제

맥스 테그마크는 2000년에 뇌의 모든 양자 결맞음 시스템이 신경 과정에 영향을 미치기 훨씬 전에 환경적 상호작용으로 인해 효과적인 파동 함수 붕괴를 겪을 것이라고 주장했다. 그는 뇌 온도에서 미세소관 얽힘의 결어긋남 시간이 펨토초(10-15초) 단위로 너무 짧아 신경 처리에 영향을 줄 수 없다고 보았다.[85] 크리스토프 코흐와 클라우스 헵도 양자 결맞음이 신경 생리학에서 중요한 역할을 하지 않는다는 데 동의했다.[86][87]

이에 대해 해머로프와 펜로즈는 테그마크의 계산이 Orch OR 모델에 적용되지 않으며, 자신들이 만든 모델을 대상으로 한 것이라고 반박했다. 이들은 반대 이온의 디바이(Debye) 층이 열 변동을 차단하고, 주변의 액틴 겔이 물의 정렬을 향상시켜 소음을 더 차단할 수 있다고 제안했다. 또한, 일관성 없는 대사 에너지가 물을 더 정렬할 수 있고, 미세소관 격자의 구성이 양자 오류 수정에 적합하여 양자 결맞음에 저항할 수 있다고 주장했다.[131][132]

5. 2. 신경과학적 비판

조화 객관 환원 이론(Orch OR)은 뇌 생리학의 부적절한 모델이라는 이유로 물리학자들과 신경과학자들로부터 비판을 받아왔다.[85][133][134][135][121][122][123][124] 철학자 퍼트리샤 처칠랜드는 "시냅스 속 요정의 먼지는 미세소관 속 양자 일관성만큼 설명력이 없다"라고 비판했다.[125]

생물학 기반의 비판으로는 시냅스 전 축삭 종말에서 신경전달물질의 확률적 방출에 대한 설명 부족,[69][70][71] 피질 신경세포당 튜불린 이합체의 계산된 수의 오류[72] 등이 지적되었다.

2014년, 펜로즈와 해머로프는 이러한 비판에 대한 답변과 함께 이론의 일부 가정을 수정하여 발표했다.[2][6]

5. 3. 설명력 부족

철학자 퍼트리샤 처칠랜드는 조화 객관 환원 이론(Orch OR)이 의식의 어려운 문제를 해결하는 데 충분한 설명력을 제공하지 못한다고 비판했다.[60] 그녀는 "시냅스 속 요정의 먼지는 미세소관 속 양자 일관성만큼 설명력이 없다"라고 썼다.[60]

데이비드 차머스는 양자역학이 이원론적 의식과 어떻게 관련될 수 있는지에 대해 논의하지만, Orch OR 이론에 대해서는 회의적인 입장을 보였다.[61] 그는 새로운 물리학이 의식의 어려운 문제를 해결할 수 있다는 데 회의적이며,[62][63][64] 양자 의식 이론이 기존의 이론과 동일한 약점을 가지고 있다고 주장한다. 그는 뇌의 특정 거시적 물리적 특징이 의식을 일으켜야 할 특별한 이유가 없는 것처럼, 뇌의 전자기장과 같은 특정 양자 특징이 의식을 일으켜야 할 특별한 이유도 없다고 생각한다.[64]

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