Ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι η συνείδηση δημιουργείται από κβαντικές διαδικασίες, αλλά η θεωρία δεν έχει ακόμη δοκιμαστεί εμπειρικά.
Ένα από τα πιο σημαντικά ανοιχτά ερωτήματα στην επιστήμη είναι πώς λειτουργεί η συνείδησή μας. Στη δεκαετία του 1990, πολύ πριν κερδίσει το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2020 για την πρόβλεψή του για τις μαύρες τρύπες, ο φυσικός Roger Penrose συνεργάστηκε με τον αναισθησιολόγο Stuart Hameroff για να προτείνει μια φιλόδοξη απάντηση.
Ισχυρίστηκαν ότι το νευρωνικό σύστημα του εγκεφάλου σχηματίζει ένα περίπλοκο δίκτυο και ότι η συνείδηση που παράγει θα πρέπει να υπακούει στους κανόνες της κβαντικής μηχανικής - τη θεωρία που καθορίζει πώς κινούνται μικροσκοπικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια. Αυτό, υποστηρίζουν, θα μπορούσε να εξηγήσει τη μυστηριώδη πολυπλοκότητα της ανθρώπινης συνείδησης.
Οι κβαντικοί μηχανικοί νόμοι συνήθως ισχύουν μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Οι κβαντικοί υπολογιστές, για παράδειγμα, λειτουργούν σήμερα στους -272 ° C περίπου . Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, αναλαμβάνει η κλασική μηχανική. Δεδομένου ότι το σώμα μας λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, θα περίμενε κανείς να διέπεται από τους κλασικούς νόμους της φυσικής. Για αυτό το λόγο, η θεωρία της κβαντικής συνείδησης έχει απορριφθεί από πολλούς επιστήμονες - αν και άλλοι είναι πεισμένοι υποστηρικτές.
Αντί να συμμετάσχω σε αυτήν τη συζήτηση, αποφάσισα να ενώσω τις δυνάμεις μου με συναδέλφους από την Κίνα, με επικεφαλής τον καθηγητή Xian-Min Jin στο πανεπιστήμιο Jiaotong της Σαγκάης, για να δοκιμάσω μερικές από τις αρχές που στηρίζουν την κβαντική θεωρία της συνείδησης.
Στο νέο μας έγγραφο, έχουμε διερευνήσει πώς τα κβαντικά σωματίδια θα μπορούσαν να κινούνται σε μια σύνθετη δομή όπως ο εγκέφαλος - αλλά σε εργαστηριακό περιβάλλον. Αν τα ευρήματά μας μπορούν κάποια μέρα να συγκριθούν με τη δραστηριότητα που μετριέται στον εγκέφαλο, μπορεί να έρθουμε ένα βήμα πιο κοντά στην επικύρωση ή την απόρριψη της αμφιλεγόμενης θεωρίας των Penrose και Hameroff .
Εγκέφαλοι και φράκταλ
Οι εγκέφαλοί μας αποτελούνται από κύτταρα που ονομάζονται νευρώνες και η συνδυασμένη τους δραστηριότητα πιστεύεται ότι δημιουργεί συνείδηση. Κάθε νευρώνας περιέχει μικροσωληνίσκους , οι οποίοι μεταφέρουν ουσίες σε διαφορετικά μέρη του κυττάρου. Η θεωρία Penrose-Hameroff της κβαντικής συνείδησης υποστηρίζει ότι οι μικροσωληνίσκοι είναι δομημένοι σε ένα κλασματικό μοτίβο που θα επέτρεπε την εμφάνιση κβαντικών διεργασιών.
Τα φράκταλ είναι δομές που δεν είναι ούτε δισδιάστατες ούτε τρισδιάστατες, αλλά αντίθετα έχουν κάποια κλασματική τιμή μεταξύ τους. Στα μαθηματικά, τα φράκταλ αναδύονται ως όμορφα μοτίβα που επαναλαμβάνονται άπειρα, δημιουργώντας ό, τι φαίνεται φαινομενικά αδύνατο: μια δομή που έχει μια πεπερασμένη περιοχή, αλλά μια άπειρη περίμετρο.
Αυτό μπορεί να ακούγεται αδύνατο να οπτικοποιηθεί, αλλά τα fractals εμφανίζονται συχνά στη φύση. Αν κοιτάξετε προσεκτικά τα λουλούδια του κουνουπιδιού ή τα κλαδιά μιας φτέρης , θα δείτε ότι και οι δύο αποτελούνται από το ίδιο βασικό σχήμα που επαναλαμβάνεται ξανά και ξανά, αλλά σε μικρότερες και μικρότερες κλίμακες. Αυτό είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό των fractals.
Το ίδιο συμβαίνει εάν κοιτάξετε μέσα στο σώμα σας: η δομή των πνευμόνων σας , για παράδειγμα, είναι φράκταλ, όπως και τα αιμοφόρα αγγεία στο κυκλοφορικό σας σύστημα. Τα φράκταλ εμφανίζονται επίσης στα γοητευτικά επαναλαμβανόμενα έργα τέχνης των MC Escher και Jackson Pollock, και χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες στην τεχνολογία, όπως στο σχεδιασμό κεραιών . Αυτά είναι όλα παραδείγματα κλασικών fractals - fractals που συμμορφώνονται με τους νόμους της κλασικής φυσικής και όχι της κβαντικής φυσικής.
Είναι εύκολο να καταλάβουμε γιατί τα fractals έχουν χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσουν την πολυπλοκότητα της ανθρώπινης συνείδησης. Επειδή είναι απεριόριστα περίπλοκα, επιτρέποντας την εμφάνιση πολυπλοκότητας από απλά επαναλαμβανόμενα μοτίβα, θα μπορούσαν να είναι οι δομές που υποστηρίζουν τα μυστηριώδη βάθη του μυαλού μας.
Αλλά εάν συμβαίνει αυτό, θα μπορούσε να συμβαίνει μόνο στο κβαντικό επίπεδο, με μικροσκοπικά σωματίδια να κινούνται σε κλασματικά σχήματα εντός των νευρώνων του εγκεφάλου. Γι 'αυτό η πρόταση του Penrose και του Hameroff ονομάζεται θεωρία της «κβαντικής συνείδησης».
Κβαντική συνείδηση
Δεν είμαστε ακόμη σε θέση να μετρήσουμε τη συμπεριφορά των κβαντικών fractals στον εγκέφαλο - εάν υπάρχουν καθόλου. Αλλά με την προηγμένη τεχνολογία σημαίνει ότι μπορούμε τώρα να μετρήσουμε τα κβαντικά fractals στο εργαστήριο. Σε πρόσφατη έρευνα που περιλαμβάνει σάρωση μικροσκόπιο σήραγγας (STM), οι συνάδελφοί μου στην Ουτρέχτη και εγώ τακτοποιήσαμε προσεκτικά τα ηλεκτρόνια σε μοτίβο φράκταλ, δημιουργώντας ένα κβαντικό φράκταλ.
Όταν μετρήσαμε τότε τη λειτουργία κύματος των ηλεκτρονίων, η οποία περιγράφει την κβαντική τους κατάσταση, διαπιστώσαμε ότι και αυτοί ζούσαν στη διάσταση του φράκταλ που υπαγορεύεται από το φυσικό σχέδιο που είχαμε κάνει. Σε αυτή την περίπτωση, το μοτίβο που χρησιμοποιήσαμε στην κβαντική κλίμακα ήταν το τρίγωνο Sierpiński , το οποίο είναι ένα σχήμα που βρίσκεται κάπου μεταξύ μονοδιάστατου και δισδιάστατου.
Αυτό ήταν ένα συναρπαστικό εύρημα, αλλά οι τεχνικές STM δεν μπορούν να διερευνήσουν πώς κινούνται τα κβαντικά σωματίδια - κάτι που θα μας έλεγε περισσότερα για το πώς μπορεί να συμβούν κβαντικές διαδικασίες στον εγκέφαλο. Έτσι, στην τελευταία μας έρευνα οι συνάδελφοί μου στο Πανεπιστήμιο Σαγκάη Jiaotong και εγώ προχωρήσαμε ένα βήμα πιο πέρα. Χρησιμοποιώντας υπερσύγχρονα πειράματα φωτονικής, καταφέραμε να αποκαλύψουμε την κβαντική κίνηση που λαμβάνει χώρα σε fractals με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια.
Αυτό το επιτύχαμε με την έγχυση φωτονίων (σωματίδια φωτός) σε ένα τεχνητό τσιπ που σχεδιάστηκε προσεκτικά σε ένα μικροσκοπικό τρίγωνο Sierpiński. Εγχύσαμε φωτόνια στην άκρη του τριγώνου και παρακολουθήσαμε πώς εξαπλώθηκαν σε όλη τη δομή του φράκταλ σε μια διαδικασία που ονομάζεται κβαντική μεταφορά. Στη συνέχεια επαναλάβαμε αυτό το πείραμα σε δύο διαφορετικές δομές φράκταλ, αμφότερες σε σχήμα ως τετράγωνα και όχι τρίγωνα. Και σε καθεμία από αυτές τις δομές πραγματοποιήσαμε εκατοντάδες πειράματα.
Οι παρατηρήσεις μας από αυτά τα πειράματα αποκαλύπτουν ότι τα κβαντικά fractals συμπεριφέρονται πραγματικά με διαφορετικό τρόπο από τα κλασικά. Συγκεκριμένα, διαπιστώσαμε ότι η διάδοση του φωτός σε ένα φράκταλ διέπεται από διαφορετικούς νόμους στην κβαντική περίπτωση σε σύγκριση με την κλασική περίπτωση.
Αυτή η νέα γνώση των κβαντικών fractals θα μπορούσε να παρέχει τα θεμέλια για τους επιστήμονες να δοκιμάσουν πειραματικά τη θεωρία της κβαντικής συνείδησης. Εάν οι κβαντικές μετρήσεις λαμβάνονται μια μέρα από τον ανθρώπινο εγκέφαλο, θα μπορούσαν να συγκριθούν με τα αποτελέσματά μας για να αποφασίσουμε αν η συνείδηση είναι κλασική ή κβαντική.
Το έργο μας θα μπορούσε επίσης να έχει βαθιές επιπτώσεις σε επιστημονικούς τομείς. Ερευνώντας την κβαντική μεταφορά στις τεχνητά σχεδιασμένες δομές φράκταλ μας, ίσως κάναμε τα πρώτα μικρά βήματα προς την ενοποίηση της φυσικής, των μαθηματικών και της βιολογίας, τα οποία θα μπορούσαν να εμπλουτίσουν σε μεγάλο βαθμό την κατανόηση του κόσμου γύρω μας, καθώς και του κόσμου που υπάρχει στα μυαλά μας .
Cristiane de Morais Smith , Καθηγητής, Θεωρητική Φυσική, Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης