Nessuno capisce cos'è la coscienza e come funziona. Nessuno capisce nemmeno la meccanica quantistica. Potrebbe essere più di una semplice coincidenza? "Non riesco a identificare il vero problema, quindi sospetto che non ci sia un vero problema, ma non sono sicuro che non ci sia un vero problema". Il fisico americano Richard Feynman ha detto questo sui misteriosi paradossi della meccanica quantistica. Oggi i fisici usano questa teoria per descrivere gli oggetti più piccoli dell'universo. Ma potrebbe dire lo stesso dell'intricato problema della coscienza.
Alcuni scienziati pensano che comprendiamo già la coscienza o che sia solo un'illusione. Ma molti altri pensano che non ci siamo nemmeno avvicinati all'essenza della coscienza.
Un perenne puzzle chiamato "coscienza" ha persino portato alcuni scienziati a cercare di spiegarlo usando la fisica quantistica. Ma il loro zelo è stato accolto con un discreto scetticismo, e questo non è sorprendente: sembra irragionevole spiegare un enigma con l'altro.
Ma tali idee non sono mai assurde e nemmeno dal soffitto.
Da un lato, con grande sgomento dei fisici, la mente inizialmente rifiuta di comprendere la prima teoria quantistica. Inoltre, si prevede che i computer quantistici siano in grado di fare cose che i computer convenzionali non possono. Questo ci ricorda che il nostro cervello è ancora capace di imprese oltre la portata dell'intelligenza artificiale. La "coscienza quantistica" è ampiamente ridicolizzata come una sciocchezza mistica, ma nessuno è stato in grado di dissiparla completamente.
La meccanica quantistica è la migliore teoria che abbiamo per descrivere il mondo a livello di atomi e particelle subatomiche. Forse il più famoso dei suoi misteri è il fatto che il risultato di un esperimento quantistico può cambiare a seconda che si decida di misurare o meno le proprietà delle particelle che vi partecipano.
Quando i pionieri della teoria quantistica scoprirono per la prima volta questo "effetto osservatore", furono seriamente allarmati. Sembrava minare l'assunto alla base di tutta la scienza: che ci sia un mondo oggettivo là fuori, indipendente da noi. Se il mondo si comporta a seconda di come - o se - lo guardiamo, cosa significherebbe veramente "realtà"?
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Alcuni scienziati sono stati costretti a concludere che l'obiettività è un'illusione e che la coscienza deve svolgere un ruolo attivo nella teoria quantistica. Altri semplicemente non vedevano alcun buon senso in questo. Ad esempio, Albert Einstein era infastidito: la luna esiste solo quando la guardi?
Oggi, alcuni fisici sospettano che non sia che la coscienza influenzi la meccanica quantistica … ma che in realtà sia avvenuta a causa di essa. Credono che potremmo aver bisogno della teoria quantistica per capire come funziona il cervello. Potrebbe essere che proprio come gli oggetti quantistici possono trovarsi in due posti allo stesso tempo, così un cervello quantistico può significare simultaneamente due cose che si escludono a vicenda?
Queste idee sono controverse. Potrebbe risultare che la fisica quantistica non ha nulla a che fare con il funzionamento della coscienza. Ma almeno dimostrano che la strana teoria quantistica ci fa pensare cose strane.
Soprattutto, la meccanica quantistica si fa strada nella coscienza umana attraverso un esperimento a doppia fenditura. Immagina un raggio di luce che colpisce uno schermo con due fenditure parallele ravvicinate. Parte della luce passa attraverso le fessure e cade su un altro schermo.
Puoi pensare alla luce come a un'onda. Quando le onde passano attraverso due fenditure, come in un esperimento, si scontrano - interferiscono - l'una con l'altra. Se i loro picchi corrispondono, si rafforzano a vicenda, risultando in una serie di strisce di luce bianche e nere su un secondo schermo nero.
Questo esperimento è stato utilizzato per mostrare la natura ondulatoria della luce per oltre 200 anni prima che emergesse la teoria quantistica. Quindi l'esperimento con una doppia fenditura è stato condotto con particelle quantistiche: elettroni. Queste sono minuscole particelle cariche, componenti di un atomo. In un modo incomprensibile, ma queste particelle possono comportarsi come onde. Cioè, vengono diffratte quando un flusso di particelle passa attraverso due fenditure, producendo uno schema di interferenza.
Supponiamo ora che le particelle quantistiche passino attraverso le fenditure una ad una e che anche il loro arrivo sullo schermo venga osservato passo dopo passo. Ora non c'è nulla di ovvio che potrebbe causare l'interferenza della particella sul suo percorso. Ma l'immagine delle particelle che colpiscono mostrerà ancora le frange.
Tutto indica che ogni particella passa simultaneamente attraverso entrambe le fenditure e interferisce con se stessa. Questa combinazione dei due percorsi è nota come stato di sovrapposizione.
Ma ecco cosa c'è di strano.
Se posizioniamo il rilevatore in una delle fessure o dietro di essa, potremmo scoprire se le particelle lo attraversano o meno. Ma in questo caso l'interferenza scompare. Il semplice fatto di osservare il percorso di una particella - anche se tale osservazione non dovrebbe interferire con il movimento della particella - cambia il risultato.
Il fisico Pascual Jordan, che ha lavorato con il guru quantistico Niels Bohr a Copenaghen negli anni '20, ha detto così: "Le osservazioni non solo violano ciò che dovrebbe essere misurato, ma lo determinano … Forziamo la particella quantistica a scegliere una certa posizione". In altre parole, Jordan dice che "facciamo le nostre misurazioni".
Se è così, la realtà oggettiva può essere semplicemente gettata dalla finestra.
Ma le stranezze non finiscono qui.
Se la natura cambia il suo comportamento a seconda che stiamo guardando o meno, potremmo provare a girarlo intorno alle nostre dita. Per fare ciò, potremmo misurare quale percorso ha preso la particella passando attraverso la doppia fenditura, ma solo dopo averla attraversata. A quel punto, dovrebbe già "decidere" se percorrere un percorso o entrambi.
Un fisico americano John Wheeler ha proposto un simile esperimento negli anni '70 e nei dieci anni successivi è stato condotto un esperimento con la "scelta ritardata". Utilizza metodi intelligenti per misurare i percorsi delle particelle quantistiche (solitamente particelle di luce - fotoni) dopo aver scelto un percorso o una sovrapposizione di due.
Si è scoperto che, come aveva predetto Bohr, non fa differenza se ritardiamo o meno le misurazioni. Finché misuriamo il percorso del fotone prima che colpisca e ci registriamo nel rilevatore, non c'è interferenza. Sembra che la natura "sappia" non solo quando stiamo facendo capolino, ma anche quando abbiamo intenzione di sbirciare.
Eugene Wigner
Ogni volta che in questi esperimenti scopriamo il percorso di una particella quantistica, la sua nuvola di possibili percorsi "si restringe" in un unico stato ben definito. Inoltre, un esperimento ritardato suggerisce che l'atto stesso di osservare, senza alcun intervento fisico causato dalla misurazione, può causare il collasso. Questo significa che il vero collasso si verifica solo quando il risultato della misurazione raggiunge la nostra coscienza?
Questa possibilità fu proposta negli anni '30 dal fisico ungherese Eugene Wigner. "Ne consegue che la descrizione quantistica degli oggetti è influenzata dalle impressioni che entrano nella mia coscienza", ha scritto. "Il solipsismo può essere logicamente coerente con la meccanica quantistica".
Wheeler era persino divertito dall'idea che la presenza di esseri viventi capaci di "osservare" trasformasse quella che prima era una moltitudine di possibile passato quantistico in una storia concreta. In questo senso, dice Wheeler, diventiamo partecipanti all'evoluzione dell'universo fin dall'inizio. Secondo lui, viviamo in un "universo complice".
I fisici non possono ancora scegliere la migliore interpretazione di questi esperimenti quantistici e, in una certa misura, tu hai il diritto di farlo. Ma in un modo o nell'altro, il sottotesto è ovvio: la coscienza e la meccanica quantistica sono in qualche modo connesse.
A partire dagli anni '80, il fisico inglese Roger Penrose ha suggerito che questa connessione potrebbe funzionare in una direzione diversa. Ha detto che se la coscienza influenza o meno la meccanica quantistica, forse la meccanica quantistica è coinvolta nella coscienza.
Fisico e matematico Roger Penrose
E Penrose ha anche chiesto: e se ci fossero strutture molecolari nel nostro cervello che possono cambiare il loro stato in risposta a un evento quantistico? Queste strutture possono assumere uno stato di sovrapposizione, come le particelle nell'esperimento della doppia fenditura? Queste sovrapposizioni quantistiche potrebbero quindi manifestarsi nel modo in cui i neuroni comunicano attraverso segnali elettrici?
Forse, ha detto Penrose, la nostra capacità di mantenere stati mentali apparentemente incompatibili non è una stranezza percettiva, ma un vero effetto quantistico?
Dopotutto, il cervello umano sembra essere in grado di elaborare processi cognitivi che sono ancora di gran lunga superiori ai computer digitali in termini di capacità. Potremmo anche essere in grado di eseguire compiti computazionali che non possono essere eseguiti su computer ordinari utilizzando la logica digitale classica.
Penrose ha suggerito per la prima volta che gli effetti quantistici sono presenti nella mente umana nel suo libro del 1989 The Emperor's New Mind. La sua idea principale era "riduzione oggettiva orchestrata". La riduzione oggettiva, secondo Penrose, significa che il collasso dell'interferenza quantistica e della sovrapposizione è un vero processo fisico, come una bolla che esplode.
La riduzione oggettiva orchestrata si basa sull'ipotesi di Penrose che la gravità che colpisce oggetti, sedie o pianeti di tutti i giorni non mostra effetti quantistici. Penrose ritiene che la sovrapposizione quantistica diventi impossibile per oggetti più grandi degli atomi, perché la loro influenza gravitazionale porterebbe quindi all'esistenza di due versioni incompatibili dello spaziotempo.
Poi Penrose ha sviluppato questa idea con il medico americano Stuart Hameroff. Nel suo libro Shadows of the Mind (1994), ha suggerito che le strutture coinvolte in questa cognizione quantistica potrebbero essere filamenti di proteine - microtubuli. Si trovano nella maggior parte delle nostre cellule, inclusi i neuroni del cervello. Penrose e Hameroff hanno sostenuto che durante il processo di oscillazione, i microtubuli possono assumere uno stato di sovrapposizione quantistica.
Ma non c'è nulla che suggerisca che ciò sia possibile.
Si presumeva che l'idea delle sovrapposizioni quantistiche nei microtubuli sarebbe stata supportata dagli esperimenti proposti nel 2013, ma in realtà questi studi non hanno menzionato gli effetti quantistici. Inoltre, la maggior parte dei ricercatori ritiene che l'idea di riduzioni oggettive orchestrate sia stata smentita da uno studio pubblicato nel 2000. Il fisico Max Tegmark ha calcolato che le sovrapposizioni quantistiche di molecole coinvolte nei segnali neurali non sarebbero in grado di esistere nemmeno per il momento richiesto per la trasmissione del segnale.
Gli effetti quantistici, inclusa la sovrapposizione, sono molto fragili e vengono distrutti in un processo chiamato decoerenza. Questo processo è dovuto alle interazioni di un oggetto quantistico con il suo ambiente, poiché il suo "quanto" sta perdendo.
Si credeva che la decoerenza fosse estremamente veloce in ambienti caldi e umidi come le cellule viventi.
I segnali nervosi sono impulsi elettrici causati dal passaggio di atomi caricati elettricamente attraverso le pareti delle cellule nervose. Se uno di questi atomi era in sovrapposizione e poi si è scontrato con un neurone, Tegmark ha mostrato che la sovrapposizione dovrebbe decadere in meno di un miliardesimo di miliardesimo di secondo. Un neurone impiega diecimila trilioni di volte più a lungo per emettere un segnale.
Questo è il motivo per cui le idee sugli effetti quantistici nel cervello non vengono testate dagli scettici.
Ma Penrose insiste incessantemente sull'ipotesi OER. E nonostante la previsione della decoerenza ultraveloce di Tegmark nelle cellule, altri scienziati hanno trovato manifestazioni di effetti quantistici negli esseri viventi. Alcuni sostengono che la meccanica quantistica sia utilizzata dagli uccelli migratori, che usano la navigazione magnetica, e dalle piante verdi, quando usano la luce solare per produrre zucchero attraverso la fotosintesi.
Detto questo, l'idea che il cervello possa usare trucchi quantistici rifiuta di sparire. Perché hanno trovato un altro argomento a suo favore.
Il fosforo può mantenere uno stato quantico?
In uno studio del 2015, il fisico Matthew Fisher dell'Università della California, Santa Barbara, ha affermato che il cervello può contenere molecole in grado di resistere a sovrapposizioni quantistiche più potenti. In particolare, ritiene che i nuclei degli atomi di fosforo possano avere questa capacità. Gli atomi di fosforo si trovano ovunque nelle cellule viventi. Spesso assumono la forma di ioni fosfato, in cui un atomo di fosforo si combina con quattro atomi di ossigeno.
Tali ioni sono l'unità principale di energia nelle cellule. La maggior parte dell'energia della cellula è immagazzinata in molecole di ATP, che contengono una sequenza di tre gruppi fosfato attaccati a una molecola organica. Quando uno dei fosfati viene tagliato, viene rilasciata energia che viene utilizzata dalla cellula.
Le cellule hanno macchine molecolari per assemblare ioni fosfato in cluster e scomporli. Fisher ha proposto uno schema in cui due ioni fosfato possono essere posti in una sovrapposizione di un certo tipo: in uno stato entangled.
I nuclei di fosforo hanno una proprietà quantistica - spin - che li fa sembrare piccoli magneti con i poli che puntano in determinate direzioni. In uno stato entangled, la rotazione di un nucleo di fosforo dipende dall'altro. In altre parole, gli stati entangled sono stati di sovrapposizione che coinvolgono più di una particella quantistica.
Fisher dice che il comportamento quantistico di questi spin nucleari può contrastare la decoerenza. È d'accordo con Tegmark sul fatto che le vibrazioni quantistiche di cui hanno parlato Penrose e Hameroff dipenderanno in larga misura dal loro ambiente e "svaniranno quasi immediatamente". Ma gli spin dei nuclei non interagiscono così fortemente con il loro ambiente.
Eppure, il comportamento quantistico degli spin dei nuclei di fosforo deve essere "protetto" dalla decoerenza.
Le particelle quantistiche possono avere spin diversi
Questo potrebbe accadere, dice Fischer, se gli atomi di fosforo fossero incorporati in oggetti più grandi chiamati "molecole di Posner". Sono gruppi di sei ioni fosfato combinati con nove ioni calcio. Ci sono alcune indicazioni che tali molecole possano trovarsi in cellule viventi, ma finora non sono molto convincenti.
Nelle molecole di Posner, sostiene Fischer, gli spin del fosforo possono resistere alla decoerenza per circa un giorno, anche nelle cellule viventi. Pertanto, possono anche influenzare il funzionamento del cervello.
L'idea è che le molecole di Posner possano essere assorbite dai neuroni. Una volta all'interno, le molecole attiveranno un segnale a un altro neurone, decadendo e rilasciando ioni di calcio. A causa dell'entanglement nelle molecole di Posner, due di questi segnali possono diventare entanglement a loro volta: in qualche modo, sarà una sovrapposizione quantistica di "pensiero". "Se l'elaborazione quantistica con spin nucleari fosse effettivamente presente nel cervello, sarebbe estremamente comune e accadesse continuamente", afferma Fisher.
Questa idea gli è venuta per la prima volta quando pensava alla malattia mentale.
Capsula di carbonato di litio
"La mia introduzione alla biochimica del cervello è iniziata quando ho deciso tre o quattro anni fa di indagare su come e perché gli ioni di litio hanno un effetto così radicale nel trattamento dei problemi di salute mentale", afferma Fisher.
I farmaci al litio sono ampiamente usati per trattare il disturbo bipolare. Funzionano, ma nessuno sa davvero perché.
"Non stavo cercando una spiegazione quantistica", dice Fisher. Ma poi si è imbattuto in un articolo che descriveva come i preparati di litio avessero effetti diversi sul comportamento dei ratti a seconda di quale forma - o "isotopo" - del litio veniva utilizzata.
Questo all'inizio ha lasciato perplessi gli scienziati. Chimicamente, isotopi diversi si comportano più o meno allo stesso modo, quindi se il litio ha funzionato come un comune farmaco, gli isotopi devono aver avuto lo stesso effetto.
Le cellule nervose sono collegate alle sinapsi
Ma Fischer si rese conto che i nuclei di atomi di diversi isotopi di litio possono avere spin diversi. Questa proprietà quantistica può influenzare il funzionamento dei farmaci a base di litio. Ad esempio, se il litio sostituisce il calcio nelle molecole di Posner, gli spin del litio possono avere un effetto sugli atomi di fosforo e impedire loro di aggrovigliarsi.
Se questo è vero, potrebbe anche spiegare perché il litio può trattare il disturbo bipolare.
A questo punto, l'ipotesi di Fischer non è altro che un'idea intrigante. Ma ci sono diversi modi per verificarlo. Ad esempio, che gli spin del fosforo nelle molecole di Posner possono mantenere la coerenza quantistica per lungo tempo. Questo è Fisher e prevede di controllare ulteriormente.
Eppure diffida di essere associato a concetti precedenti di "coscienza quantistica", che considera nella migliore delle ipotesi speculativi.
La coscienza è un mistero profondo
I fisici non amano molto essere all'interno delle proprie teorie. Molti di loro sperano che la coscienza e il cervello possano essere estratti dalla teoria quantistica, e forse viceversa. Ma non sappiamo cosa sia la coscienza, per non parlare del fatto che non abbiamo una teoria che la descriva.
Inoltre, occasionalmente ci sono forti esclamazioni che la meccanica quantistica ci permetterà di padroneggiare la telepatia e la telecinesi (e sebbene da qualche parte nella profondità dei concetti possa essere così, le persone prendono tutto troppo alla lettera). Pertanto, i fisici hanno generalmente paura di menzionare le parole "quantum" e "coscienza" in una frase.
Nel 2016, Adrian Kent dell'Università di Cambridge nel Regno Unito, uno dei "filosofi quantistici" più rispettati, ha suggerito che la coscienza può cambiare il comportamento dei sistemi quantistici in modo sottile ma rilevabile. Kent è molto attento nelle sue dichiarazioni. "Non vi è alcun motivo valido per credere che la teoria quantistica sia una teoria adatta da cui trarre una teoria della coscienza, o che i problemi della teoria quantistica debbano in qualche modo sovrapporsi al problema della coscienza", ammette.
Ma aggiunge che è del tutto incomprensibile come si possa dedurre una descrizione della coscienza, basata esclusivamente sulla fisica pre-quantistica, come descriverne tutte le proprietà e le caratteristiche.
Non capiamo come funzionano i pensieri
Una domanda particolarmente preoccupante è come la nostra mente cosciente possa provare sensazioni uniche come il rosso o l'odore della carne arrosto. A parte le persone con disabilità visive, sappiamo tutti che aspetto ha il rosso, ma non possiamo trasmettere questa sensazione e in fisica non c'è nulla che possa dirci che aspetto ha.
Sentimenti come questi sono chiamati qualia. Li percepiamo come proprietà uniformi del mondo esterno, ma in realtà sono prodotti della nostra coscienza - e questo è difficile da spiegare. Nel 1995, il filosofo David Chalmers lo definì il "problema difficile" della coscienza.
"Qualsiasi catena di pensiero sulla connessione tra coscienza e fisica porta a seri problemi", afferma Kent.
Ciò lo spinse a suggerire che "potremmo fare qualche progresso nella comprensione del problema dell'evoluzione della coscienza, se ammettessimo (almeno ammettessimo appena) che la coscienza cambia le probabilità quantistiche".
In altre parole, il cervello può effettivamente influenzare i risultati della misurazione.
Da questo punto di vista, non definisce "ciò che è reale". Ma può influenzare la probabilità che ciascuna delle possibili realtà imposte dalla meccanica quantistica venga osservata. Anche la teoria quantistica stessa non può prevederlo. E Kent pensa che potremmo cercare tali manifestazioni sperimentalmente. Valuta anche con coraggio le possibilità di trovarli.
“Presumo con una certezza del 15% che la coscienza causi deviazioni dalla teoria quantistica; e un altro 3 per cento che confermeremo sperimentalmente nei prossimi 50 anni , dice.
Se questo accade, il mondo non sarà più lo stesso. Vale la pena esplorare per questo.
ILYA KHEL
