Studimi i ri përpiqet të shpjegojë vetëdijen me fizikë kuantike

Një nga pyetjet më të rëndësishme të hapura në shkencë është se si vendoset vetëdija jonë. Në vitet 1990, shumë para se të fitonte çmimin Nobel në Fizikë në vitin 2020 për parashikimin e vrimave të zeza, fizikanti Roger Penrose u bashkua me anesteziologun Stuart Hameroff për të propozuar një përgjigje ambicioze.

Ata pretenduan se sistemi neuronal i trurit formon një rrjet të ndërlikuar dhe se vetëdija që prodhon duhet t’u bindet rregullave të mekanikës kuantike – teoria që përcakton se si grimcat e vogla si elektronët lëvizin përreth. Kjo, argumentojnë ata, mund të shpjegojë kompleksitetin misterioz të ndërgjegjes njerëzore.

Penrose dhe Hameroff u pritën me mosbesim. Ligjet mekanike kuantike zakonisht zbulohen se zbatohen vetëm në temperatura shumë të ulëta. Kompjuterët kuantikë, për shembull, aktualisht veprojnë në rreth -272 ° C. Në temperatura më të larta, mekanika klasike merr përsipër. Meqenëse trupi ynë punon në temperaturë dhome, ju do të prisnit që ai të drejtohet nga ligjet klasike të fizikës. Për këtë arsye, teoria e vetëdijes kuantike është hedhur poshtë drejtpërdrejt nga shumë shkencëtarë – megjithëse të tjerët janë mbështetës të bindur.

Në vend që të hyja në këtë debat, vendosa të bashkoj forcat me kolegët nga Kina, të udhëhequr nga Profesor Xian-Min Jin në Universitetin Jiaotong të Shangait, për të provuar disa nga parimet që mbështesin teorinë kuantike të vetëdijes.

Në punimin tonë të ri, ne kemi hetuar se si grimcat kuantike mund të lëvizin në një strukturë komplekse si truri – por në një mjedis laboratorik. Nëse gjetjet tona mund të krahasohen një ditë me aktivitetin e matur në tru, ne mund të vijmë një hap më pranë vlerësimit ose hedhjes poshtë të teorisë së diskutueshme të Penrose dhe Hameroff.

Truri ynë përbëhet nga qeliza të quajtura neurone dhe aktiviteti i tyre i kombinuar besohet se gjeneron vetëdije. Çdo neuron përmban mikrotubula, të cilat transportojnë substanca në pjesë të ndryshme të qelizës. Teoria e Penrose-Hameroff e vetëdijes kuantike argumenton që mikrotubulat janë strukturuar në një model fraktal i cili do të mundësonte që të ndodhin proceset kuantike.

Fraktalet janë struktura që nuk janë as dy-dimensionale, as tre-dimensionale, por janë në vend të një vlere të pjesshme në mes. Në matematikë, fraktalet shfaqen si modele të bukura që përsëriten pafundësisht, duke gjeneruar atë që në dukje është e pamundur: një strukturë që ka një zonë të fundme, por një perimetër të pafund.

Kjo mund të tingëllojë e pamundur të vizualizohet, por fraktalet ndodhin shpesh në natyrë. Nëse shikoni me vëmendje lulet e një lulelakër ose degët e një fieri, do të shihni se ato janë të dyja të përbëra nga e njëjta formë bazë që përsëritet vazhdimisht, por në shkallë më të vogla dhe të vogla. Kjo është një karakteristikë kryesore e fraktaleve.

E njëjta gjë ndodh nëse shikoni brenda trupit tuaj: struktura e mushkërive tuaja, për shembull, është fraktale, ashtu si enët e gjakut në sistemin tuaj të qarkullimit të gjakut. Fraktalet gjithashtu shfaqen në veprat artistike magjepsëse përsëritëse të MC Escher dhe Jackson Pollock dhe ato janë përdorur për dekada në teknologji, të tilla si në hartimin e antenave. Të gjithë këta janë shembuj të fraktaleve klasike – fraktalet që u përmbahen ligjeve të fizikës klasike sesa fizikës kuantike.

Easyshtë e lehtë për të parë pse fraktalet janë përdorur për të shpjeguar kompleksitetin e vetëdijes njerëzore. Meqenëse ato janë pafundësisht të ndërlikuara, duke lejuar që kompleksiteti të dalë nga modelet e thjeshta të përsëritura, ato mund të jenë strukturat që mbështesin thellësitë misterioze të mendjeve tona.

Por nëse është kështu, mund të ndodhë vetëm në nivelin kuantik, me grimca të vogla që lëvizin në modele fraktale brenda neuroneve të trurit. Kjo është arsyeja pse propozimi i Penrose dhe Hameroff quhet një teori e “ndërgjegjes kuantike”.

Ne ende nuk jemi në gjendje të matim sjelljen e fraktaleve kuantike në tru – nëse ato ekzistojnë fare. Por teknologjia e përparuar do të thotë që tani mund të masim fraktalet kuantike në laborator. Në kërkimet e fundit që përfshijnë një mikroskop skanues të tunelimit (STM), kolegët e mi në Utrecht dhe unë rregulluam me kujdes elektronet në një model fraktal, duke krijuar një fraktal kuantik.

Kur matëm funksionin e valës së elektroneve, i cili përshkruan gjendjen e tyre kuantike, zbuluam se edhe ata jetonin në dimensionin fraktal të diktuar nga modeli fizik që ne do të bënim. Në këtë rast, modeli që ne përdorëm në shkallën kuantike ishte trekëndëshi Sierpiński, i cili është një formë që është diku midis njëdimensionale dhe dy-dimensionale.

Ky ishte një zbulim emocionues, por teknikat STM nuk mund të zbulojnë sesi lëvizin grimcat kuantike – gjë që do të na tregonte më shumë se si proceset kuantike mund të ndodhin në tru. Kështu, në hulumtimin tonë të fundit, kolegët e mi në Universitetin Shanghai Jiaotong dhe unë shkuam një hap më tej. Duke përdorur eksperimentet më të fundit të fotonikës, ne ishim në gjendje të zbulonim lëvizjen kuantike që zhvillohet brenda fraktaleve në detaje të papara.

Ne e arritëm këtë duke injektuar fotone (grimca drite) në një çip artificial, i cili me kujdes u ndërtua në një trekëndësh të vogël Sierpiński. Ne injektojmë fotone në majë të trianit