Egyes tudósok azt feltételezik, hogy a tudatosság kvantumfolyamatok terméke lehet, amiről Cristiane de Morais Smith professzor – a hollandiai Utrechti Egyetem elméleti fizikusa – részletezi új kutatását.
A tudomány egyik legjelentősebb kérdése, hogy hogyan jön létre a tudatunk. Az 1990-es években, jóval azelőtt, hogy a 2020-as fizikai Nobel-díjat elnyerte volna a fekete lyukakra vonatkozó előrejelzéséért, Roger Penrose fizikus Stuart Hameroff aneszteziológussal összefogva elkezdte ennek a kérdésnek a kutatását.
A kutatók szerint az agy neuronrendszere egy bonyolult hálózatot alkot, és hogy az így létrejövő tudatosságnak a kvantummechanika szabályainak kell engedelmeskednie – annak az elméletnek, amely meghatározza, hogyan mozognak az olyan apró részecskék, mint az elektronok. Szerintük ez magyarázatot adhat az emberi tudat rejtélyes összetettségére.
Penrose-t és Hameroffot hitetlenkedés fogadta. A kvantummechanikai törvények általában csak nagyon alacsony hőmérsékleten érvényesülnek. A kvantumszámítógépek például jelenleg körülbelül -272C hőmérsékleten működnek. Magasabb hőmérsékleten a klasszikus mechanika veszi át a hatalmat. Mivel a testünk szobahőmérsékleten működik, azt várnánk, hogy a klasszikus fizikai törvények irányítsák. Emiatt a kvantumtudat elméletét sok tudós egyenesen elutasította – bár mások meggyőződéses támogatói.
A kutató szavai a következők:
Ahelyett, hogy belemennék ebbe a vitába, úgy döntöttem, hogy a Sanghaji Csiaotong Egyetem professzora, Xian-Min Jin vezetésével kínai kollégáimmal közösen teszteljük a tudatosság kvantumelméletének néhány alapelvét.
Új tanulmányunkban azt vizsgáltuk, hogyan mozoghatnak a kvantumrészecskék egy olyan összetett struktúrában, mint az agy – de laboratóriumi körülmények között. Ha eredményeinket egy napon össze lehet hasonlítani az agyban mért aktivitással, egy lépéssel közelebb kerülhetünk Penrose és Hameroff vitatott elméletének érvényesítéséhez vagy elvetéséhez.
Az agy és a fraktálok
Agyunk neuronoknak nevezett sejtekből áll, és úgy gondoljuk, hogy ezek együttes aktivitása hozza létre a tudatot. Minden neuron tartalmaz mikrotubulusokat, amelyek anyagokat szállítanak a sejt különböző részeibe. A kvantumtudat Penrose-Hameroff-féle elmélete szerint a mikrotubulusok fraktálmintázatú szerkezetűek, ami lehetővé teszi a kvantumfolyamatok lejátszódását.
A fraktálok olyan struktúrák, amelyek nem kétdimenziósak és nem is háromdimenziósak, hanem a kettő között valamilyen tört értéket képviselnek. A matematikában a fraktálok olyan gyönyörű mintázatokként jelennek meg, amelyek a végtelenségig ismétlődnek, létrehozva egy látszólag lehetetlennek tűnő dolgot: egy olyan struktúrát, amelynek véges a területe, de végtelen a kerülete.
Ez elképzelhetetlennek hangzik, de a természetben a fraktálok gyakran előfordulnak. Ha közelebbről megnézzük a karfiol virágait vagy a páfrányok ágait, láthatjuk, hogy mindkettő ugyanabból az alapformából áll, amely újra és újra megismétli önmagát, de egyre kisebb és kisebb léptékben. Ez a fraktálok egyik fő jellemzője.
Ugyanez történik, ha a saját testünk belsejébe nézünk: a tüdő szerkezete például fraktál, akárcsak a keringési rendszerünkben lévő erek. A fraktálok MC Escher és Jackson Pollock varázslatos, ismétlődő művészeti alkotásaiban is megjelennek, és évtizedek óta használják őket a technológiában, például az antennák tervezésénél. Ezek mind a klasszikus fraktálok példái – olyan fraktálok, amelyek nem a kvantumfizika, hanem a klasszikus fizika törvényei szerint működnek.
Könnyű belátni, hogy miért használták a fraktálokat az emberi tudat összetettségének magyarázatára. Mivel végtelenül bonyolultak, és lehetővé teszik, hogy egyszerű, ismétlődő mintákból összetettség alakuljon ki, ezek lehetnek azok a struktúrák, amelyek elménk titokzatos mélységeit támogatják.
De ha ez így van, akkor ez csak kvantumszinten történhet, az agy neuronjaiban fraktálmintázatokban mozgó apró részecskékkel. Ezért nevezik Penrose és Hameroff javaslatát a “kvantumtudat” elméletének.
Kvantumtudat
A kvantumfraktálok viselkedését az agyban még nem tudjuk mérni – ha egyáltalán léteznek. A fejlett technológia azonban azt jelenti, hogy ma már laboratóriumban is meg tudjuk mérni a kvantumfraktálokat. Egy nemrégiben végzett kutatás során, amelyben pásztázó alagútmikroszkópot (STM) használtunk, utrechti kollégáimmal együtt gondosan fraktálmintázatba rendeztük az elektronokat, és így létrehoztunk egy kvantumfraktált.
Amikor ezután megmértük az elektronok hullámfüggvényét, amely leírja kvantumállapotukat, azt találtuk, hogy azok is az általunk készített fizikai minta által diktált fraktáldimenzióban élnek. Ebben az esetben az általunk használt kvantummintázat a Sierpinski-háromszög volt, amely egy olyan alakzat, amely valahol az egydimenziós és a kétdimenziós között helyezkedik el.
Ez izgalmas eredmény volt, de az STM-technikák nem tudják megvizsgálni, hogyan mozognak a kvantumrészecskék – ami többet mondana arról, hogyan zajlanak a kvantumfolyamatok az agyban. Legújabb kutatásunkban tehát a Sanghaji Jiaotong Egyetemen dolgozó kollégáimmal egy lépéssel tovább mentünk. A legmodernebb fotonikai kísérletek segítségével eddig nem látott részletességgel tudtuk feltárni a fraktálokban zajló kvantummozgást.
Ezt úgy értük el, hogy fotonokat (fényrészecskéket) juttattunk egy mesterséges chipbe, amelyet aprólékos munkával egy apró Sierpinski-háromszöggé alakítottunk. A fotonokat a háromszög csúcsára fecskendeztük, és megfigyeltük, hogyan terjednek szét a fraktálszerkezetben a kvantumtranszportnak nevezett folyamat során. Ezt a kísérletet aztán megismételtük két különböző fraktálszerkezeten, mindkettő nem háromszög, hanem négyzet alakú volt. És mind a két struktúrán több száz kísérletet végeztünk.
E kísérletekből származó megfigyeléseink azt mutatják, hogy a kvantumfraktálok valójában másképp viselkednek, mint a klasszikusak. Konkrétan azt találtuk, hogy a fény terjedését egy fraktálon keresztül más törvények szabályozzák a kvantumos esetben, mint a klasszikus esetben.
A kvantumfraktálokról szerzett új ismeretek megalapozhatják a tudósok számára a kvantumtudat elméletének kísérleti tesztelését. Ha egy napon kvantumméréseket végeznek az emberi agyból, ezeket össze lehetne hasonlítani az eredményeinkkel, hogy véglegesen eldönthessük, hogy a tudat klasszikus vagy kvantumjelenség.
Munkánknak mélyreható következményei lehetnek a tudományterületeken túlmutatóan is. Azzal, hogy a kvantumtranszportot vizsgáljuk a mesterségesen megtervezett fraktálszerkezeteinkben, talán megtettük az első apró lépéseket a fizika, a matematika és a biológia egyesítése felé, ami nagyban gazdagíthatja a minket körülvevő világ, valamint a fejünkben létező világ megértését.
Fotó: Gerd Altmann / Pixabay