Una dintre cele mai importante întrebări deschise din știință este modul cum se formează conștiința.

În anii 1990, înainte de a câștiga Premiul Nobel pentru fizică din anul 2020 pentru predicția găurilor negre, fizicianul Roger Penrose, împreună cu anestezistul Stuart Hameroff, a propus un răspuns ambițios.

Cei doi au susținut că sistemul neuronal al creierului formează o rețea complicată și că conștiința pe care aceasta o produce ar trebui să respecte regulile mecanicii cuantice, teoria care determină modul cum particulele minuscule, precum electronii, se mișcă. Acest lucru, au susținut ei, ar putea explica complexitatea misterioasă a conștiinței umane.

Ideea lui Penrose și Hameroff a fost întâmpinată cu neîncredere. Legile mecanicii cuantice se aplică de obicei numai la temperaturi foarte scăzute. Calculatoarelor cuantice, de exemplu, funcţionează în prezent la aproximativ -272 °C.

La temperaturi mai ridicate, mecanica clasică preia controlul. Deoarece corpul nostru funcționează la temperatura camerei, v-ați aștepta ca acesta să fie guvernat de legile clasice ale fizicii. Din acest motiv, teoria conștiinței cuantice a fost respinsă de-a dreptul de mulți oameni de știință, deși alții sunt susținători convinși.

În loc să intru în această dezbatere, am decis să-mi unesc forțele cu colegii din China, conduși de profesorul Xian-Min Jin de la Universitatea Shanghai Jiaotong, pentru a testa câteva dintre principiile care stau la baza teoriei cuantice a conștiinței.

În noua noastră lucrare am investigat modul în care particulele cuantice s-ar putea mișca într-o structură complexă precum creierul. Dacă descoperirile noastre pot fi comparate într-o bună zi cu activitatea cerebrală am putea face un pas mai aproape de validarea sau respingerea controversatei teorii a lui Penrose și Hameroff.

Creierul și fractalii

Creierul este compus din celule numite neuroni și se crede că activitatea lor combinată generează conștiința. Fiecare neuron conține microtubuli, care transportă substanțe în diferite părți ale celulei. Teoria Penrose-Hameroff a conștiinței cuantice susține că microtubulii sunt structurați într-un model fractal care ar permite apariţia proceselor cuantice.

Fractalii sunt structuri care nu sunt nici bidimensionale, nici tridimensionale, dar sunt, în schimb, o valoare fracțională între ele. În matematică, fractalii apar ca modele frumoase care se repetă la infinit, generând ceea ce pare imposibil: o structură cu o arie finită, dar un perimetru infinit.

Acest lucru ar putea părea imposibil de vizualizat, dar fractalii apar frecvent în natură. Dacă priviţi atent ramurile unei ferigi, veţi vedea că sunt formate din aceeași formă de bază care se repetă mereu, dar la scări mai mici și mai mici. Aceasta este o caracteristică cheie a fractalilor.

Constatăm acelaşi lucru dacă ne privim propriul corp: structura plămânilor, de exemplu, este fractală, la fel ca și vasele de sânge din sistemul circulator.

Fractalii apar și în lucrările de artă încântătoare ale lui MC Escher și Jackson Pollock și au fost folosite de zeci de ani în tehnologie, cum ar fi la proiectarea antenelor. Toate acestea sunt exemple de fractali clasici, fractali care respectă legile fizicii clasice mai degrabă decât fizica cuantică.

Lucrarea fractală Circle Limit III a lui Escher.

Lucrarea fractală Circle Limit III a lui Escher. Credit: Vladimir-Bulatov/Deviantart, CC BY-NC-SA

Este ușor de înţeles de ce fractalii au fost folosiţi pentru a explica complexitatea conștiinței umane. Deoarece sunt infinit de complicaţi prin modele simple care se repetă, fractalii ar putea fi structurile pe care se bazează adâncurile misterioase ale minții noastre.

Dacă acest lucru este adevărat, atunci el s-ar putea întâmpla doar la nivel cuantic unde mici particule se mișcă în modele sub formă de fractali în neuronii creierului. De aceea, propunerea lui Penrose și Hameroff se numește teoria „conștiinței cuantice”.

Conștiința cuantică

Deocamdată nu avem posibilitatea să măsurăm comportamentul fractalilor cuantici din creier, dacă există.

Tehnologia avansată ne permite însă să măsurăm fractalii cuantici în laborator. În cercetări recente care au implicat un microscop de scanare cu efect tunel, împreună cu colegii mei din Utrecht am aranjat cu atenție electroni într-un model fractal, creând practic un fractal cuantic.

Atunci când am măsurat funcția de undă a electronilor, care descrie starea lor cuantică, am constatat că aceştia existau la dimensiunea fractală dictată de modelul fizic pe care îl făcusem. În acest caz, modelul pe care l-am folosit la scara cuantică a fost triunghiul Sierpiński.

Aceasta a fost o constatare interesantă, dar tehnicile de scanare cu efect tunel nu pot testa modul cum se mișcă particulele cuantice, ceea ce ne-ar spune mai multe despre cum procesele cuantice ar putea apărea în creier.

Așadar, în ultimele noastre cercetări, împreună cu colegii mei de la Universitatea Shanghai Jiaotong, am efectuat o serie de experimente fotonice, de ultimă generație, prin care am putut dezvălui detalii fără precedent privind mișcarea cuantică care are loc în interiorul fractalilor.

Am realizat acest lucru injectând fotoni (particule de lumină) într-un cip artificial care a fost integrat într-un mic triunghi Sierpiński. Am injectat fotoni la vârful triunghiului și am urmărit cum se răspândesc în structura sa fractală printr-un proces numit transport cuantic. Apoi am repetat acest experiment pe două structuri fractale diferite, ambele in formă de pătrat. Pe fiecare dintre aceste structuri am efectuat sute de experimente.

Un fractal de formă pătrat numit covorul Sierpinski

Am efectuat experimente pe un fractal de formă pătrată numit covorul Sierpiński. Credit: Johannes Rössel/wikimedia

Observațiile noastre din aceste experimente arată că fractalii cuantici se comportă într-un mod diferit față de cei clasici. Mai exact, am constatat că răspândirea luminii pe un fractal este guvernată de legi diferite în cazul cuantic în comparație cu cazul clasic.

Aceste cunoştinţe privind  fractalii cuantici ar putea oferi fundamentele necesare oamenilor de știință pentru a testa experimental teoria conștiinței cuantice. Dacă măsurătorile cuantice vor fi obţinute într-o zi din creierul uman, atunci acestea ar putea fi comparate cu rezultatele noastre pentru a decide, cu siguranță, dacă conștiința este un fenomen clasic sau cuantic.

Studiul nostru ar putea avea, de asemenea, implicații profunde în domeniile ştiinţei. Cercetând transportul cuantic în structurile noastre fractale, proiectate artificial, este posibil să fi făcut primii pași minusculi spre unificarea fizicii, matematicii și biologiei, ceea ce ar putea completa înțelegerea lumii din jurul nostru, precum și a celei din capul nostru.

Traducere după Can consciousness be explained by quantum physics? My research takes us a step closer to finding out