هل الوعي مقيد بفيزياء الكم؟ نحن نقترب من معرفة ذلك
its-harder-than-you-think-to-stop-using-fossil-fuels/
Dan Eberhart
Aug 3,2020
كريستيان دي موريس سميث، المحادثة
أحد أهم الأسئلة المفتوحة في العلم هو كيف يتم تأسيس وعينا. في التسعينيات، قبل فترة طويلة من فوزه بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020 لتقديره للثقوب السوداء، تعاون الفيزيائي روجر بنروز مع طبيب التخدير ستيوارت هامروف لاقتراح إجابة طموحة.
لقد زعموا أن النظام العصبي للدماغ يشكل شبكة معقدة وأن الوعي الناتج عن ذلك يجب أن يخضع لقواعد ميكانيكا الكم - النظرية التي تحدد كيفية تحرك الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات. وهم يجادلون بأن هذا يمكن أن يفسر التعقيد الغامض للوعي البشري.
قوبل بنروز وهامروف بارتياب. عادة ما يتم العثور على قوانين ميكانيكا الكم فقط لتطبيقها في درجات حرارة منخفضة للغاية. أجهزة الكمبيوتر الكمومية، على سبيل المثال، تعمل حاليًا عند درجة حرارة -272 درجة مئوية تقريبًا. في درجات حرارة أعلى، تتولى الميكانيكا الكلاسيكية زمام الأمور.
نظرًا لأن أجسامنا تعمل في درجة حرارة الغرفة، فمن المتوقع أن تحكمها القوانين الكلاسيكية للفيزياء. لهذا السبب، تم رفض نظرية الوعي الكمومي تمامًا من قبل العديد من العلماء - على الرغم من أن آخرين مؤيدون مقتنعون.
بدلاً من الدخول في هذا النقاش، قررت الانضمام إلى زملائي من الصين، بقيادة البروفيسور Xian-Min Jin في جامعة Shanghai Jiaotong، لاختبار بعض المبادئ التي تقوم عليها نظرية الكم للوعي.
في ورقتنا البحثية الجديدة، درسنا كيف يمكن للجسيمات الكمومية أن تتحرك في بنية معقدة مثل الدماغ - ولكن في بيئة معملية. إذا كان من الممكن مقارنة النتائج التي توصلنا إليها يومًا ما بالنشاط الذي تم قياسه في الدماغ، فقد نقترب خطوة واحدة من التحقق من صحة نظرية بنروز وهاميروف المثيرة للجدل أو رفضها.
العقول والفركتلات
تتكون أدمغتنا من خلايا تسمى الخلايا العصبية، ويعتقد أن نشاطها المشترك يولد الوعي. يحتوي كل خلية عصبية على أنابيب دقيقة، والتي تنقل المواد إلى أجزاء مختلفة من الخلية. تجادل نظرية بنروز - هاميروف للوعي الكمومي بأن الأنابيب الدقيقة مبنية في نمط كسوري والذي سيمكن العمليات الكمومية من الحدوث.
الفركتلات هي هياكل ليست ثنائية الأبعاد ولا ثلاثية الأبعاد، ولكنها بدلاً من ذلك بعض القيم الكسرية بينهما. في الرياضيات، تظهر الفركتلات كأنماط جميلة تكرر نفسها بلا حدود، وتولد ما يبدو مستحيلًا: بنية لها مساحة محدودة، لكن محيطها غير محدود.
قد يبدو هذا مستحيلًا للتخيل، لكن الفركتلات تحدث بشكل متكرر في الطبيعة. إذا نظرت عن كثب إلى زهيرات القرنبيط أو فروع السرخس، فسترى أنهما مكونان من نفس الشكل الأساسي يكرر نفسه مرارًا وتكرارًا، ولكن بمقاييس أصغر وأصغر. هذه سمة أساسية للفركتلات.
يحدث الشيء نفسه إذا نظرت داخل جسمك: بنية رئتيك، على سبيل المثال، كسورية، وكذلك الأوعية الدموية في نظام الدورة الدموية. تظهر الفركتلات أيضًا في الأعمال الفنية المتكررة الساحرة لـ MC Escher وJackson Pollock، وقد تم استخدامها لعقود في التكنولوجيا، مثل تصميم الهوائيات.
هذه كلها أمثلة على الفركتلات الكلاسيكية - الفركتلات التي تلتزم بقوانين الفيزياء الكلاسيكية بدلاً من فيزياء الكم.
يُظهر امتداد حد الدائرة III من Escher طبيعته الكسورية المتكررة. «Vladimir-Bulatov / Deviantart، CC BY-NC-SA»
من السهل معرفة سبب استخدام الفركتلات لشرح تعقيد الوعي البشري. نظرًا لأنها معقدة بشكل غير محدود، مما يسمح بالتعقيد بالظهور من أنماط بسيطة متكررة، فقد تكون الهياكل التي تدعم الأعماق الغامضة لعقولنا.
ولكن إذا كانت هذه هي الحالة، فيمكن أن يحدث ذلك فقط على المستوى الكمي، حيث تتحرك جزيئات صغيرة في أنماط كسورية داخل الخلايا العصبية في الدماغ. هذا هو سبب تسمية اقتراح بنروز وهامروف بنظرية ”الوعي الكمي“.
الوعي الكمي
لم نتمكن بعد من قياس سلوك الفركتلات الكمومية في الدماغ - إن وجدت أصلاً. لكن التكنولوجيا المتقدمة تعني أنه يمكننا الآن قياس الفركتلات الكمومية في المختبر. في الأبحاث الحديثة التي تضمنت مجهر المسح النفقي «STM»، قمت أنا وزملائي في أوترخت بترتيب الإلكترونات بعناية في نمط كسوري، مما أدى إلى تكوين كسورية كمومية.
عندما قمنا بعد ذلك بقياس الدالة الموجية للإلكترونات، والتي تصف حالتها الكمومية، وجدنا أنها أيضًا تعيش في البعد الكسري الذي يمليه النمط المادي الذي صنعناه. في هذه الحالة، كان النمط الذي استخدمناه على المقياس الكمي هو مثلث Sierpiski، وهو شكل يقع في مكان ما بين بعد واحد وثنائي الأبعاد.
كان هذا اكتشافًا مثيرًا، لكن تقنيات STM لا يمكنها التحقيق في كيفية تحرك الجسيمات الكمومية - وهو ما سيخبرنا المزيد عن كيفية حدوث العمليات الكمومية في الدماغ. لذا في بحثنا الأخير، ذهبت أنا وزملائي في جامعة شنغهاي جياوتونغ خطوة إلى الأمام. باستخدام أحدث التجارب الضوئية، تمكنا من الكشف عن الحركة الكمومية التي تحدث داخل الفركتلات بتفاصيل غير مسبوقة.
حققنا ذلك عن طريق حقن الفوتونات «جسيمات الضوء» في شريحة اصطناعية تم هندستها بشق الأنفس في مثلث صغير من Sierpiński.
قمنا بحقن فوتونات في طرف المثلث وشاهدنا كيف تنتشر في جميع أنحاء هيكله الكسري في عملية تسمى النقل الكمي. ثم كررنا هذه التجربة على بنيتين كسوريتين مختلفتين، كلاهما على شكل مربعات بدلاً من مثلثات. وفي كل من هذه الهياكل أجرينا مئات التجارب.
تكشف ملاحظاتنا من هذه التجارب أن الفركتلات الكمومية تتصرف في الواقع بطريقة مختلفة عن الفركتلات الكلاسيكية. على وجه التحديد، وجدنا أن انتشار الضوء عبر الفراكتل تحكمه قوانين مختلفة في حالة الكم مقارنة بالحالة الكلاسيكية.
يمكن أن توفر هذه المعرفة الجديدة بالفركتلات الكمومية أسسًا للعلماء لاختبار نظرية الوعي الكمي بشكل تجريبي. إذا تم أخذ القياسات الكمومية يومًا ما من الدماغ البشري، فيمكن مقارنتها بنتائجنا لتحديد ما إذا كان الوعي ظاهرة كلاسيكية أم ظاهرة كمومية.
يمكن أن يكون لعملنا أيضًا آثار عميقة عبر المجالات العلمية. من خلال التحقيق في النقل الكمي في هياكلنا الكسورية المصممة صناعياً، ربما اتخذنا أولى الخطوات الصغيرة نحو توحيد الفيزياء والرياضيات والبيولوجيا، والتي يمكن أن تثري بشكل كبير فهمنا للعالم من حولنا وكذلك العالم الموجود في رؤوسنا.
