یکی از مهمترین سوالاتی که در علم باید به آن پاسخ دهیم این است که خوآگاهی چگونه ایجاد می‌شود؟ در دهه ۹۰، مدت‌ها قبل از اینکه فیزیکدان “راجر پنروز” جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۰ را برای پیش‌بینی سیاهچاله‌ها برنده شود، با همکاری “استوارت هامروف” یک پاسخ بلندپروازانه به این سوال داد.
به گزارش بیگ بنگ، آنها ادعا کردند که سیستم عصبی مغز یک شبکه‌ی پیچیده تشکیل می‌دهد و خودآگاهی که این شبکه تولید می‌کند باید از قوانین مکانیک کوانتوم پیروی کند – نظریه‌ای که تعیین می‌کند ذرات کوچکی مثل الکترون‌ها چگونه به این طرف و آن طرف حرکت می‌کنند. آنها استدلال کردند که این ادعا می‌تواند پیچیدگی اسرارآمیز خودآگاهی انسان را توضیح دهد.
پنروز و هامروف دچار شک و تردید شدند. قوانین مکانیک کوانتوم معمولاً فقط در دماهای بسیار پایین اعمال می‌شوند. مثلاً کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر در دمای حدود ۲۷۲- درجه سانتیگراد کار می‌کنند. در دماهای بالاتر، مکانیک کلاسیک کنترل را به دست می‌گیرد.
از آنجایی که بدن ما در دمای اتاق کار می‌کند، انتظار دارید که با قوانین کلاسیک فیزیک کنترل شود. به همین دلیل، بسیاری از دانشمندان نظریه خودآگاهی کوانتومی را به طور کامل رد کردند – اگرچه بقیه حامیان این نظریه هستند. “کریستیان د موریس اسمیت” فیزیکدان نظری گفت: بجای ورود به این بحث، تصمیم گرفتم با همکارانم از چین، به سرپرستی پروفسور ژیان-مین جین در دانشگاه جیاوتونگ شانگهای، برخی از اصول نظریه کوانتومی خودآگاهی را آزمایش کنیم.
در مقاله‌ی جدیدمان، بررسی کردیم که ذرات کوانتومی چگونه در یک ساختار پیچیده مثل مغز – اما در محیط آزمایشگاه – حرکت می‌کنند. اگر یافته‌های ما روزی با فعالیتِ اندازه‌گیری شده در مغز مقایسه شود، می‌توانیم یک قدم به تأیید یا رد نظریه‌ی بحث‌برانگیز پنروز و هامیروف نزدیک شویم.
مغز و فراکتال
مغز ما متشکل از سلول‌هایی به نام نورون‌ها است و معتقدیم که فعالیت ترکیبی آنها می‌تواند خودآگاهی را تولید کند. هر نورون شامل میکروتوبول‌هایی است که مواد را به بخش‌های مختلف سلول منتقل می‌کنند. نظریه خودآگاهی کوانتومی پنروز-هامروف استدلال می‌کند میکروتوبول‌ها در یک الگوی فراکتال ساختاربندی شده‌اند که فرآیندهای کوانتومی را امکانپذیر می‌کند.
فراکتال‌ها ساختارهایی هستند که نه دو بعدی‌اند و نه سه بعدی، بلکه در عوض یک مقدار کسریِ بینابینی دارند. در ریاضیات، فراکتال‌ها به صورت الگوهایی زیبا ظاهر می‌شوند که به طور بی‌نهایت خودشان را تکرار می‌کنند و چیزی به ظاهر غیرممکن را تولید می‌کنند: ساختاری که یک مساحت محدود اما یک محیط نامحدود دارد.
تجسم این امر غیرممکن به نظر می‌رسد اما فراکتال‌ها در واقع به طور مکرر در طبیعت رخ می‌دهند. اگر از نزدیک به گلچه‌های گل کلم یا شاخه‌های سرخس نگاه کنید، مشاهده می‌کنید که هر دو از شکل یکسانی برخوردارند و بارها و بارها خودشان را تکرار می‌کنند اما در مقیاس‌های کوچکتر و کوچکتر. این ویژگی کلیدی فراکتال‌ها است.
اگر به درون بدنتان نیز نگاه کنید همین اتفاق می‌افتد: مثلاً ساختار ریه‌های شما فراکتال است، همانند رگ‌های خونی در سیستم گردش خون شما. همچنین فراکتال‌ها در آثار هنری تکراری دل‌انگیزِ اِشر و جکسون پولوک نیز حضور دارند و برای چندین دهه در تکنولوژی بکار می‌رفتند، مثلاً در طراحی آنتن‌ها.
اینها همگی مثال‌هایی از فراکتال‌های کلاسیک هستند – فراکتال‌هایی که قوانین فیزیک کلاسیک را رعایت می‌کنند، نه فیزیک کوانتومی. به آسانی می‌توان فهمید که چرا فراکتال‌ها برای توضیح پیچیدگی خودآگاهی انسان استفاده شده‌اند. از آنجایی که آنها بی‌نهایت پیچیده هستند و اجازه می‌دهند پیچیدگی از الگوهای تکراریِ ساده ظاهر شود، می‌توانند ساختارهایی باشند که از اعماق مرموز ذهن ما پشتیبانی می‌کنند.
اما اگر این امر درست باشد، فقط می‌تواند در سطح کوانتومی رخ دهد که در آن، ذرات کوچک در الگوهای فراکتال درون نورون‌های مغز حرکت می‌کنند. به همین دلیل است که پیشنهاد پنروز و هامروف نظریه‌ی «خودآگاهی کوانتومی» نامیده می‌شود.
خودآگاهی کوانتومی
ما هنوز نتوانسته‌ایم رفتار فراکتال‌های کوانتومی در مغز را اندازه بگیریم – اگر اصلاً وجود داشته باشند. اما فناوری پیشرفته به این معناست که اکنون می‌توانیم فراکتال‌های کوانتومی را در آزمایشگاه اندازه‌گیری کنیم. در تحقیقات اخیر با استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM)، من و همکارانم با دقت الکترون‌ها را در یک الگوی فراکتال مرتب کردیم و یک فراکتال کوانتومی را ایجاد کردیم.
سپس وقتی تابع موج الکترون‌ها را اندازه‌گیری کردیم که حالت کوانتومی آنها را توصیف می‌کند، دریافتیم آنها نیز در بُعد فراکتالی زندگی می‌کردند که ما آن را با الگوی فیزیکی که ساخته بودیم کنترل می‌کردیم. در این حالت، الگویی که در مقیاس کوانتومی استفاده کردیم مثلث سرپینسکی بود که شکلی بین تک بعدی و دو بُعدی است.
این یافته بسیار هیجان‌انگیز بود اما تکنیک‌های STM نمی‌توانند نحوۀ حرکت ذرات کوانتومی را جستجو کنند – این یعنی نمی‌توانیم اطلاعات بیشتری در مورد فرآیندهای کوانتومی که در مغز اتفاق می‌افتند، بدست آوریم. بنابراین در جدیدترین تحقیقمان، در دانشگاه جیائو تونگ شانگهای یک قدم به جلو برداشتیم. با استفاده از جدیدترین آزمایشات فوتونیک توانستیم حرکت کوانتومی که درون فراکتال‌ها رخ می‌دهد را با جزئیات بی‌سابقه‌ای بررسی نماییم.
با تزریق فوتون‌ها (ذرات نور) به درون یک تراشه‌ی مصنوعی که با زحمت به درون یک مثلث سرپینسکی کوچک مهندسی شده بود، به این امر دست یافتیم. ما فوتون‌ها را به نوک مثلث تزریق کردیم و نحوۀ انتشار آنها در ساختار فراکتال را در فرآیندی به نام «انتقال کوانتومی» تماشا کردیم. سپس این آزمایش را در دو ساختار فراکتال مختلف که هر دو به شکل کُره بودند نه مثلث، تکرار کردیم. و در هر یک از این ساختارها، صدها آزمایش را انجام دادیم.
مشاهدات ما از این آزمایشات نشان می‌دهد که فراکتال‌های کوانتومی در واقع متفاوت با فراکتال‌های کلاسیک رفتار می‌کنند. به ویژه دریافتیم که جریان نور در سرتاسر یک فراکتال، اگر در نمونه‌ی کوانتومی باشد با قوانین متفاوتی نسبت به نمونه‌ی کلاسیک کنترل می‌شود.
این دانش جدید در مورد فراکتال‌های کوانتومی می‌تواند مبانیِ آزمایش تجربیِ نظریه‌ی خودآگاهی کوانتومی را برای دانشمندان فراهم کند. اگر روزی اندازه‌گیری‌های کوانتومی از مغز انسان انجام شوند، می‌توان آنها را با نتایج ما مقایسه کرد تا به طور قاطعانه تصمیم‌گیری شود که آیا خودآگاهی یک پدیدۀ کلاسیک است یا کوانتومی.
تحقیق ما می‌تواند دلالت‌های عمیقی دربارۀ رشته‌های علمی داشته باشد. با بررسی انتقال کوانتومی در ساختارهای فراکتالی که به طور مصنوعی طراحی شده‌اند، ممکن است اولین قدم‌ها را به سمت متحد کردنِ فیزیک، ریاضیات و زیست‌شناسی برداشته باشیم که عمیقاً درک ما از دنیای پیرامونمان و همچنین دنیای موجود در مغزمان را بیشتر خواهد کرد.
منبع: سایت علمی بیگ بنگ