فروپاشی نظریه پیشگامی که خودآگاهی کوانتومی را توضیح می‌دهد!

منشا خودآگاهی، یکی از بزرگترین اسرار علم است. یکی از راه حل‌های پیشنهادی که برای اولین بار توسط راجر پنروز (Roger Penrose)، برنده جایزه نوبل و ریاضیدان آکسفورد و استوارت هامروف (Stuart Hammeroff)، متخصص بیهوشی، در دانشگاه آریزونا پیشنهاد شد، خودآگاهی را به محاسبات کوانتومی در مغز نسبت می‌دهد و نوعی خودآگاهی کوانتومی ارائه می‌نماید. این امر به نوبه خود به این ایده بستگی دارد که گرانش می‌تواند در چگونگی ناپدید شدن یا «فروپاشی» اثرات کوانتومی نقش داشته باشد. اما مجموعه‌ای از آزمایش‌ها در آزمایشگاهی در اعماق کوه‌های گران ساسو در ایتالیا نتوانستند شواهدی در حمایت از یک مدل فروپاشی کوانتومی مرتبط با گرانش پیدا کنند که در نتیجه امکان‌ توضیح مذکور برای خودآگاهی را تضعیف می‌کند. نتیجه این پژوهش در مجله Physics of Life Reviews گزارش شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

خانم کاتالینا کورچانو (Catalina Curceanu)، یکی از اعضای اتاق فکر فیزیک در مؤسسه سؤالات بنیادی، FQXi و فیزیکدان اصلی آزمایشات در INFN در فراسکاتی ایتالیا می‌گوید:

اینکه خودآگاهی چگونه در مغز پدید می‌آید یک معمای بزرگ است. ایده های رقیب زیادی وجود دارند، اما تعداد بسیار کمی را می‌توان به صورت تجربی آزمایش کرد.

فیزیک کوانتومی به ما می‌گوید گربه‌ها (حداقل به لحاظ نظری) می‌توانند به طور همزمان زنده و مرده باشند. با این حال، در عمل ما هرگز گربه‌سانی را نمی‌بینیم که در چنین وضعیت برزخی تاسف‌باری مانده باشد. یک توضیح رایج برای اینکه چرا چنین چیزی نمی‌بینیم این است که «تابع موج» یک سیستم (یعنی یک مشخصه‌ی کوانتومی که به آن اجازه می‌دهد به طور همزمان در دو حالت متناقض قرار گیرد)، در صورت سنگین‌تر بودن سیستم، بیشتر احتمال دارد «فروپاشیده» یا نابود شود، و در نتیجه سیستم را در یک حالت معین، مثلاً مرده یا زنده (اما نه هر دو به طور همزمان) قرار دهد. این مدل فروپاشی که مربوط به اثر گرانش روی اجسام سنگین مانند گربه‌هاست، توسط پنروز و همروف هنگام توسعه یک مدل خودآگاهی کوانتومی به نام «نظریه تقلیل عینی موزون» (the Orchestrated Objective Reduction theory) یا به اختصار Orch-OR (بخوانید اُرک اُر) در دهه ۱۹۹۰ مورد استفاده قرار گرفت.

محاسبات کوانتومی در مغز

کورچانو اولین بار زمانی که چند سال پیش در کنفرانسی با پنروز آشنا شد، به نظریه Orch OR علاقه‌مند شد. خودآگاهی معمولاً با خواص کوانتومی همراه نیست، زیرا اثرات کوانتومی شکننده هستند و نگهداری آنها حتی در شرایط بسیار کنترل شده و دمای سرد در آزمایشگاه دشوار است. بنابراین مدت‌ها تصور می‌شد که محیط گرم و مرطوب مغز بیش از حد مخرب است و اجازه بقای اثرات کوانتومی را نمی‌دهد. اما پنروز توضیح داد که او و هامروف ساختارهای کوچکی به نام میکروتوبول‌ها (microtubules) را در سلول‌های عصبی در مغز شناسایی کرده‌اند که می‌توانند به طور بالقوه اثرات کوانتومی را در دوره‌های کوتاه (فقط به اندازه‌ای که برای انجام محاسبات کوانتومی کافی باشد) حفظ کنند. نظریه Orch OR خودآگاهی را به محاسبات کوانتومی موزون شده توسط نوسانات الکتریکی در این میکروتوبول‌ها نسبت می‌دهد. کورچانو می‌گوید:

چیزی که در مورد این نظریه دوست داشتم این بود که در اصل، قابل آزمایش است و تصمیم گرفتم شواهدی را جستجو کنم که ممکن است به تأیید یا رد آن کمک کند.

در قلب این نظریه این ایده وجود دارد که گرانش با فروپاشی تابع موج کوانتومی مرتبط است و این فروپاشی در سیستم‌هایی با جرم بیشتر، سریع‌تر است. این مفهوم در چندین مدل توسط فیزیکدانان مختلف در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافت. یکی از این افراد لاخوس دیوسی (Lajos Diósi)، در مرکز تحقیقاتی فیزیک ویگنر و در دانشگاه اوتووش لوراند (Eötvös Loránd University) در بوداپست مجارستان بود که مقاله جدید را به همراه کورچانو و مانلی درخشانی از دانشگاه راتگرز در نیوجرسی و چند همکار دیگر نوشته است. پنروز چند سال بعد به طور مستقل به این ایده نزدیک شد و این نظریه، هسته اصلی نظریه خودآگاهی او و همروف شد.

این دو نظریه اغلب به اصطلاح «نظریه دیوسی-پنروز» نامیده می‌شوند. کورچانو خاطرنشان می‌کند:

اما پشت این نام مشترک، یک تفاوت مهم وجود دارد. رویکرد دیوسی پیش‌بینی می‌کند که فروپاشی با انتشار خودبه‌خودی مقدار کمی تشعشع همراه خواهد بود، به اندازه‌ای بزرگ که با آزمایش‌های پیشرفته قابل تشخیص باشد.

رفتن به زیر زمین

آزمایشگاه زیرزمینی کورچانو در آزمایشگاه ملی گرن ساسو (Gran Sasso)، در ۱.۴ کیلومتری زیر کوه‌های گرن ساسوی ایتالیا قرار دارد. کورچانو می‌گوید:

این مکان به این دلیل انتخاب شد که اساساً عاری از منابع تابش پرتوهای کیهانی بالای زمین که منجر به اختلال در آزمایش می‌شوند، است.

این آزمایش از یک آشکارساز استوانه‌ای بسیار حساس استفاده می‌کند که خیلی بزرگتر از یک لیوان نیست و از ژرمانیوم بسیار خالص ساخته شده است. اطراف آن را محافظی متشکل از لایه‌های سرب و مس فوق‌العاده خالص فراگرفته تا آن را از هرگونه تشعشعات پس‌زمینه‌ای ناشی از سنگ‌ها محافظت کند. محققان پس از اجرای آزمایش به مدت دو ماه، سیگنال‌های تابش خود به خودی را اندازه‌گیری نکردند که این امر امکان‌پذیری فروپاشی مرتبط با گرانش را محدود می‌ساخت. آن‌ها در سال ۲۰۲۰ در مجله‌ی Nature Physics  گزارش کردند نتیجه منفی آزمایش آنها باعث شده تا ساده‌ترین نسخه مدل دیوسی-پنروز را رد کنند.

آنها در مقاله جدیدشان، پیامدهای یافته خود را به صراحت برای نظریه خودآگاهی پنروز و همروف Orch OR بررسی کرده‌اند و پس از تحلیل مجدد محتمل ترین سناریوهای ارائه شده توسط هامروف و پنروز، و با توجه به محدودیت‌های تجربی اخیر آنها در مورد فروپاشی کوانتومی، به این نتیجه رسیدند که تقریباً هیچ یک از سناریوها قابل قبول نیستند. کورچانو می‌گوید:

این اولین تحقیق تجربی در مورد فروپاشی کوانتومی مرتبط با گرانش مدل خودآگاهی Orch OR است. من به موفقیت خود بسیار افتخار می‌کنم.

ویژگی های بین رشته ای

هزینه‌ آزمایش‌ها و تجزیه و تحلیل‌ها تا حدی با کمک مالی موسسه پرسش‌های بنیادی، FQXi تامین می‌شود. کورچانو می‌گوید:

بدون این بودجه، دستیابی به این نتیجه ممکن نبود. دریافت بودجه برای پروژه‌هایی مانند این که دارای ویژگی‌های میان رشته‌ای هستند، دشوار است. اما همه چیز برای Orch Or تمام نمی‌شود، در واقع، ما هنوز در ابتدای راه هستیم.

در واقع، مدل فروپاشی اولیه پنروز، بر خلاف مدل دیوسی، تابش خود به خودی را پیش‌بینی نمی‌کرد، بنابراین نفی نمی‌شود. مقاله جدید همچنین به طور خلاصه بحث می‌کند که چگونه یک مدل فروپاشی مرتبط با گرانش ممکن است به طور واقعی اصلاح شود. کورچانو می‌گوید:

چنین مدل تجدیدنظر شده‌ای که ما در پروژه‌ای با تأمین مالی FQXi روی آن کار می‌کنیم، می‌تواند درها را برای نظریه Orch OR باز بگذارد.

در همین حال، محققان در حال آماده شدن برای آزمایش این مدل‌های فروپاشی جدید و بررسی بیشتر پیامدهای آن‌ها برای مدل Orch OR هستند. کورچانو می‌گوید:

این واقعاً هیجان‌انگیز است کاری را که می‌توانید در آزمایشگاه انجام دهید به بزرگترین راز جهان، یعنی خودآگاهی متصل کنید.

• دانلود مقاله اصلی به صورت PDF
• منبع: phys.org