آیا فیزیک کوانتوم می‌تواند معمای «آگاهی» را حل کند؟

نظریه‌ی آگاهی کوانتومی فرکتالی، می‌تواند وحدت بین فیزیک، ریاضیات و زیست‌شناسی را فراهم آورد. پروفسور Cristiane de Morais Smith فیزیکدان برزیلی از دانشگاه اوترخت دستاورد جدید خود به همراه همکارانش را که ما را یک گام به فهم معمای آگاهی نزدیکتر کرده است برای ما شرح می‌دهد.

یکی از مهم‌ترین سؤالات بی‌پاسخ در علم این است که آگاهی ما چطور بوجود آمده است؟ در دهه ۱۹۹۰ ، راجر پنروز فیزیکدان مشهور بسیار پیش از دریافت جایزه نوبل در سال ۲۰۲۰،  با همکاری متخصص هوش‌بری استورات هامروف  پاسخی برای معمای آگاهی پیشنهاد دادند.آن‌ها مدعی شدند که دستگاه عصبی مغز یک شبکه‌ی پیچیده را می‌سازد و آگاهی‌ای که این شبکه پیچیده در مغز می‌سازد از قوانین مکانیک کوانتومی تبعیت می‌کند، یعنی نظریه‌ای که حرکت ذرات ریز نظیر الکترون‌ها را پیش‌بینی می‌کند. آن‌ها استدلال می‌کنند، که این ایده می‌تواند پیچیدگی اسرارآمیز خودآگاهی انسان را توضیح دهد.

پنروز و هامروف با عدم قبول ایده و بی‌اعتمادی دیگر دانشمندان مواجه شدند. قوانین مکانیک کوانتومی معمولا در دماهای بسیار پایین به کار می‌روند. بطور مثال کامپیوترهای کوانتومی، در دمایی حدود ۲۷۲- درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند. در دماهای بالاتر، مکانیک کلاسیک غالب می‌شود. از آن‌جا که بدن ما در دمای اتاق قرار دارد، انتظار دارید که قوانین حاکم بر جسم ما از فیزیک کلاسیک تبعیت کنند. به همین دلیل، نظریه آگاهی کوانتومی  بطور کامل توسط برخی دانشمندان رد شده است، اگرچه برخی حامیان دیگر متقاعد شده‌اند.

به جای وارد شدن به این منازعه، من تصمیم گرفتم که همه را با همکارانی از چین به رهبری پروفسور جیان-مین جین از دانشگاه شانگهای متحد کنم تا برخی از اصول زیربنایی نظریه آگاهی کوانتومی را مورد آزمون قرار دهم.

در مقاله جدید ما که در نشریه Nature به چاپ رسید، این را بررسی کردیم که چطور ذرات کوانتومی می‌توانند در یک ساختار پیچیده نظیر مغز حرکت کنند- البته در مقیاس آزمایشگاهی. اگر یافته‌های ما بتواند روزی با فعالیت اندازه‌گیری شده در مغز مقایسه شود، ممکن است یک گام به راستی آزمایی یا ابطال نظریه بحث برانگیز پنروز و هامروف نزدیک‌تر شویم.

مغزها و فرکتال‌ها

مغز ما از سلول‌هایی به نام نورون تشکیل یافته، و تصور می‌شود که فعالیت ترکیبی این سلول‌ها آگاهی را تولید می‌کند. هر نورون شامل ریز لوله‌هایی است، که مواد را به بخش‌های مختلف سلول منتقل می‌کنند. نظریه پنروز-هامروف برای آگاهی کوانتومی استدلال می‌کند که این ریز لوله‌ها به صورت «الگوی فرکتالی » ساختار یافته‌اند که امکان رخ دادن فرآیندهای کوانتومی را پدید می‌آورد.

فرکتال‌ها ساختارهایی هستند که نه دو-بعدی و نه سه-بعدی هستند، بلکه بعدی کسری مابین این‌ها دارند. در ریاضیات، فرکتال‌ها به صورت الگوهای زیبایی پدیدار می‌شوند که خودشان را تا بی‌نهایت تکرار می‌کنند، و چیزی ظاهرا غیر ممکن را تولید می‌کنند: یک ساختار که مساحتی محدود اما محیطی بی‌نهایت دارد.

تصویر کردن این پدیده ممکن است غیر ممکن به نظر برسد، اما فرکتال‌ها در واقع به وفور در طبیعت رخ می‌دهند. اگر با دقت به  گل‌کلم یا شاخه‌های سرخس نگاه کنید، خواهید دید که هر دو از تکرار بارها و بارهای شکل‌های ساده‌ای در مقیاس‌های کوچک پدید آمده‌اند. این یک مشخصه اساسی فرکتال‌ها است.

بطور مشابه همین اتفاق برای بدن شما نیز رخ می‌دهد اگر از نزدیک نگاه کنید: بطور مثال، ساختار ریه‌های شما، فرکتالی است، همین‌طور ساختار رگ‌های خونی در  دستگاه گردش خون. همچنین فرکتال‌ها در آثار هنری دلربای تکرار شونده‌ی اشر (MC Escher) و جکسون پولاک (Jackson Pollock)  نیز به کار رفته‌اند، و همین‌طور دهه‌هاست که در فناوری‌هایی نظیر طراحی آنتن‌ها نیز به کار می‌روند. این‌ها همگی مثال‌هایی از فرکتال‌های کلاسیک هستند، فرکتال‌هایی که وفادار به قوانین فیزیک کلاسیک به جای قوانین فیزیک کوانتوم هستند.

فهمیدن این‌که چرا فرکتال‌ها برای توضیح پیچیدگی آگاهی انسان مطرح شده‌اند، ساده است. زیرا آن‌ها بی‌نهایت پیچیده هستند، و امکان پدید آمدن پیچیدگی از دل الگوهای ساده‌ی تکرار شونده را می‌دهند، آن‌ها می‌توانند ساختارهایی باشند که اعماق اسرارآمیز ذهن‌های ما را می‌سازد.

اما اگر این‌طور باشد، این تنها در سطوح کوانتومی با ذرات ریزی که در الگوهای فرکتالی درون نورون‌های مغزی حرکت می‌کنند می‌تواند پدید آید. به همین دلیل است که پیشنهاد پنروز و هامروف، به عنوان نظریه‌ی «آگاهی کوانتومی» شناخته می‌شود.

آگاهی کوانتومی

ما تا به حال نتوانسته‌ایم رفتار فرکتال‌های کوانتومی در مغز -اگر اصلا وجود داشته باشند- را اندازه بگیریم. اما با پیشرفت فناوری اکنون می‌توانیم فرکتال‌های کوانتومی را در آزمایشگاه اندازه بگیریم. در پژوهش اخیر که با میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) انجام شد، همکارانم در اوترخت و من الکترون‌ها را با دقت زیاد در یک الگوی فرکتالی چیدیم و یک فرکتال کوانتومی درست کردیم.

وقتی تابع موج الکترون‌ها را اندازه گرفتیم، یعنی حالت کوانتومی توصیف کننده‌ی آن‌ها را سنجیدیم، دریافتیم که آن‌ها همچنین در بعد فرکتالی زندگی می‌کنند که توسط الگوی فیزیکی که ما ایجاد کردیم دیکته شده است. در این حالت خاص، الگویی که ما در مقیاس کوانتومی برای ایجاد فرکتال استفاده کردیم، مثلث سرپینسکی است، که شکلی است که بین یک-بعدی و دو-بعدی قرار می‌گیرد.

این یک یافته‌ی هیجان‌انگیز بود، اما روش‌های مبتنی بر میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی نمی‌توانند چگونگی حرکت ذرات کوانتومی -که می‌تواند بیانگر چگونگی رخ دادن فرآیندهای کوانتومی در مغز باشد- را آشکار کنند. بنابراین در مطالعه‌ی اخیرمان، همکارانم در دانشگاه شانگهای و من یک گام جلوتر رفتیم. با استفاده از جدیدترین آزمایش‌های فوتونیک، ما توانستیم حرکت کوانتومی که درون ساختارهای فرکتالی رخ می‌دهد را با جزئیات غیرقابل باوری آشکار کنیم.

ما این مهم را با استفاده از فوتون‌‌های تزریقی (ذرات سازنده نور) به درون  یک تراشه مصنوعی  که با زحمت زیادی به صورت مثلث سرپینسکی مهندسی شده بود بدست آوردیم. ما فوتون‌ها را در نوک مثلث تزریق کردیم و به تماشای این نشستیم که فوتون‌ها چطور در سرتاسر ساختار فرکتالی به صورت فرآیندی به نام انتقال کوانتومی  (quantum transport) پخش می‌شود.

مشاهدات ما از این آزمایش‌ها نشان دادند که فرکتال‌های کوانتومی در واقع به شکلی متفاوت از نوع کلاسیک خود رفتار می‌کنند. به ویژه، ما این را یافتیم که انتشار نور در سرتاسر یک فرکتال در حالت کوانتومی با قوانینی متفاوتی نسبت به حالت کلاسیک انجام می‌شود.

این دانش جدید از فرکتال‌های کوانتومی می‌تواند مبنایی برای آزمون‌های آزمایشگاهی نظریه آگاهی کوانتومی برای دانشمندان فراهم آورد. اگر اندازه‌گیری‌های کوانتومی بر روی مغز انسان روزی انجام شوند، آن‌ها را می‌توان با نتایج ما مقایسه کرد تا بتوان بطور دقیق تعیین کرد که آیا آگاهی انسان یک پدیده‌ی کوانتومی است یا کلاسیک.

پژوهش ما همچنین می‌تواند پیامدهای ژرفی بر کل حوزه‌های علمی داشته باشد. با کنکاش در انتقال کوانتومی در ساختارهای فرکتالی طراحی شده به صورت مصنوعی توسط ما، ممکن است ما اولین گام‌های کوچک به سوی وحدت فیزیک، ریاضیات و زیست‌شناسی را برداشته باشیم، که می‌تواند ادراک ما از جهان پیرامون و جهانی که در سر ما وجود دارد را بسیار غنی‌تر سازد.