چگونه می‌توان آگاهی را با فیزیک کوانتوم توصیف کرد؟

یکی از پرسش‌های مهم بی‌پاسخ در علم این است که آگاهی چگونه به‌وجود می‌آید؟ راجر پنروز فیزیک‌دان سال ۲۰۲۰ به‌دلیل پیش‌بینی‌هایش درباره سیاهچاله‌ها برنده جایزه نوبل فیزیک شد. وی مدت‌ها قبل در دهه ۱۹۹۰ با همکاری استوارت هامروف، متخصص بیهوشی، به‌دنبال ارائه پاسخی بلند‌پروازانه به پرسش مذکور بود.

طبق ادعای پنروز و هامروف، سیستم عصبی مغز انسان شبکه‌ای بسیار پیچیده را تشکیل می‌دهد و گاهی حاصل از این سیستم باید تابع قوانین مکانیک کوانتوم باشد. مکانیک کوانتوم نظریه‌ای برای توصیف حرکت ذرات کوچکی مثل الکترون‌ها است. آن‌ها معتقدند این مکانیزم می‌تواند توجیهی برای پیچیدگی اسرارآمیز آگاهی انسان باشد.

پنروز و هامروف در ابتدا به این نظریه شک زیادی داشتند. قوانین مکانیک کوانتوم معمولا در دماهای بسیار کم اعمال می‌شوند. برای مثال، کامپیوترهای کوانتومی در دمای نزدیک به منفی ۲۷۲ درجه سانتی‌گراد عمل می‌کنند؛ اما در دماهای بیشتر مکانیک کلاسیک تسلط بیشتری پیدا می‌کند. ازآنجاکه بدن انسان در دمای اتاق فعال است، تحت‌تأثیر قوانین کلاسیک فیزیک است. به‌همین‌دلیل، بسیاری از دانشمندان نظریه آگاهی کوانتومی را رد می‌کنند؛ درحالی‌که برخی دیگر از مدافعان این نظریه هستند.

کریستین دی‌مورایس اسمیت، استاد فیزیک تئوری دانشگاه اوترخت، با گروهی از چین به‌رهبری پروفسور زیان مین جین در دانشگاه ژائوتونگ شانگهای برخی اصول نظریه آگاهی کوانتومی را آزمودند. آن‌ها در مقاله جدیدشان چگونگی حرکت ذرات کوانتومی در ساختاری مثل مغز را در آزمایشگاه بررسی کردند. دکتر اسمیت می‌گوید:

اگر روزی بتوانیم یافته‌هایمان را با فعالیت‌های مغز مقایسه کنیم، یک گام به اثبات یا رد نظریه جنجالی پنروز و هامروف نزدیک می‌شویم.

مغز انسان ترکیبی از سلول‌هایی به نام نورون است و فعالیت ترکیبی این سلول‌ها به ایجاد آگاهی منجر می‌شود. هر نورون شامل اجزایی به نام ریزلوله است که مواد را به بخش‌های مختلف سلول منتقل می‌کنند. بر‌‌‌‌اساس نظریه پنروز‌هامروف درباره آگاهی کوانتومی، ریزلوله‌ها بر‌‌‌‌‌اساس الگویی فراکتالی سازمان‌دهی شده‌اند که امکان ایجاد فرایندهای کوانتومی را به آن‌ها می‌دهند.

فراکتال‌ها ساختارهایی هستند که نه دوبُعدی‌اند نه سه‌بُعدی؛ اما ارزشی فراکتالی دارند. در ریاضیات، فراکتال‌ها به الگوهای زیبا منجر می‌شوند که به‌صورت نامنتاهی خود را تکرار می‌کنند و آنچه تولید می‌کنند، غیرممکن به‌نظر می‌رسد: ساختاری با مساحت محدود و محیط نامحدود.

شاید تصور تعریف مذکور در نگاه اول ناممکن به‌نظر برسد؛ اما فراکتال‌ها به‌وفور در طبیعت دیده می‌شوند. اگر به گل‌های کوچک گل کلم یا شاخه‌های سرخس دقیق نگاه کنید، می‌بینید هر دو از شکل‌های ساده‌ای تشکیل شده‌اند که بارها در مقیاس‌های کوچک تکرار شده‌اند. این تکرار ویژگی اصلی فراکتال‌ها است.

همین الگو را می‌توان در بدن انسان هم پیدا کرد. برای مثال، ساختار ریه‌ها یا رگ‌های خونی در سیستم گردش خون فراکتالی هستند. فراکتال‌ها در آثار هنری تکرارشونده و جذاب موریس اشر و جکسون پولاک هم دیده می‌شوند. افزون‌براین، فراکتال‌ها به‌وفور در فناوری از‌جمله برای طراحی آنتن‌ها به‌کار رفتند. این‌ها نمونه‌هایی از فراکتال‌های کلاسیک هستند؛ فراکتال‌هایی که از قوانین فیزیک کلاسیک پیروی می‌کنند، نه فیزیک کوانتومی.

اثر هنری فراکتالی اشر

به‌راحتی می‌توان حدس زد که چرا از فراکتال‌ها برای توصیف پیچیدگی آگاهی انسان استفاده می‌شود؛ زیرا این ساختارها بسیار پیچیده هستند و امکان تولید پیچیدگی را از ساختارهای تکراری ساده می‌دهند؛ در‌نتیجه می‌توانند در حل رازهای اعماق ذهن انسان راهگشا باشند؛ اما این اتفاق، تنها در سطح کوانتومی رخ خواهد داد؛ چرا‌که این ساختار اجازه می‌دهد ذرات کوچک در الگوهای فراکتالی در نورون‌های مغز انسان حرکت کنند. به‌همین‌دلیل، به طرح پیشنهادی پنروز و هامروف نظریه «آگاهی کوانتومی» می‌گویند.

ما نمی‌توانیم رفتار فراکتال‌های کوانتومی را در مغز اندازه بگیریم؛ اما فناوری پیشرفته بدین‌معنی است که می‌توانیم فراکتال‌های کوانتومی را در آزمایشگاه اندازه‌گیری کنیم. اسمیت می‌گوید:

در پژوهش جدیدمان، از میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) استفاده کردیم و با دقت آرایش الکترون‌ها را در الگوی فراکتالی تنظیم و فراکتالی کوانتومی ایجاد کردیم. سپس، تابع موج الکترون‌ها را اندازه‌گیری کردیم که وضعیت کوانتومی آن‌ها را توصیف می‌کند. متوجه شدیم الکترون‌ها در بعدی فراکتالی قرار دارند که الگوی فیزیکی ما آن‌ها را ایجاد کرده‌اند. در این آزمایش، از الگوی مثلث سیرپینسکی در مقیاس کوانتومی استفاده کردیم که شکل آن بین دو‌بُعدی و سه‌بُعدی است.

یافته به‌دست‌آمده بسیار هیجان‌انگیز بود؛ ولی روش‌های STM نمی‌توانند چگونگی حرکت ذرات کوانتومی را ثابت کنند و تنها با پی‌بردن به حرکت این ذرات، می‌توانیم بگوییم فرایندهای کوانتومی چگونه در مغز رخ می‌دهند. در‌نتیجه اسمیت و همکارانش در دانشگاه ژائوتونگ شانگهای در آخرین پژوهش خود گام را فراتر گذاشتند. آن‌ها با اجرای جدیدترین آزمایش‌های فوتونیکی، توانستند حرکت‌های کوانتومی فراکتال‌ها را با جزئیاتی بی‌سابقه آشکار کنند.

آن‌ها ازطریق تزریق فوتون (ذرات نور) به تراشه‌ای مصنوعی که در مثلث سیرپینسکی تعبیه شده بود، به این نتیجه رسیدند. پژوهشگرها فوتون‌ها را در نوک مثلث قرار دادند و گسترش آن‌ها در کل ساختار فراکتالی را در فرایندی به نام انتقال کوانتومی بررسی کردند. سپس این آزمایش را در دو ساختار فراکتالی متفاوت تکرار کردند که هر دو به شکل مربع بودند و در هرکدام از این ساختارها صدها آزمایش را انجام دادند.

دانش جدید فراکتال‌های کوانتومی می‌تواند بنیانی برای آزمایش تجربی نظریه آگاهی کوانتومی دراختیار دانشمندان قرار دهد.

اگر انسان روزی در اندازه‌گیری کوانتومی مغز موفق شود، می‌تواند این اندازه‌گیری‌ها را برای پاسخ به این پرسش به‌کار ببرد: «آیا آگاهی پدیده‌ای کوانتومی است یا کلاسیک؟» پروژه اسمیت و همکارانش نیز مفاهیم برجسته‌ای برای حوزه‌های مختلف علمی به‌دنبال دارد. با بررسی انتقال کوانتومی در ساختارهای فراکتالی طراحی‌شده، می‌توان اولین گام‌های کوچک را برای یکپارچه‌سازی فیزیک، ریاضیات و زیست‌شناسی برداشت. این یکپارچه‌سازی به درک ما از جهان اطراف و علت وجودی جهان کمک می‌کند.

شما کاربران زومیت فکر می‌کنید بشر تا چه اندازه با پی‌بردن به اسرار مغز و آگاهی فاصله دارد؟ لطفا دیدگاه‌های خود را با ما و دیگر کاربران در میان بگذارید.