آیا علوم اعصاب می‌تواند به بزرگترین سوالات فیزیک پاسخ دهد؟ (قسمت دوم)

در قسمت اول این مقاله، ماسر با آغاز از نظریه اطلاعات یکپارچه، به بررسی دقیق دو سطح بالا و پایین مقیاس سیستم‌ها پرداخت و نشان داد سطح بالاتر چگونه می‌تواند به نحو معجزه‌واری منجر به توصیف بهتری از سیستم شود. در این قسمت، او درباره‌ی کاربرد نظریه اطلاعات یکپارچه برای توضیح برخی از بزرگترین سوالات فیزیک مانند مسئله اندازه گیری و برهم نهی و فروریزش بحث می‌کند. با دیپ لوک همراه باشید…

خط فکری مبتنی بر نظریه اطلاعات یکپارچه ممکن است به مسائل ذهن و بدن که الهام‌بخش آن بودند نیز بازگردد. فیزیک و روانشناسی از زمان اتمیست‌های یونان باستان با هم در تضاد بوده‌اند. در جهانی که توسط قوانین فیزیکی اداره می‌شود، به نظر می‌رسد که فضای کمی برای اختیار انسان وجود دارد. اگر برای خوردن یک کلوچه تقلا می‌کنید، در حالی که بین خوش طعم بودن آن و آخرین گزارش کلسترول خود درگیر هستید، روانشناسی از تمایلات متضاد صحبت می‌کند، اما فیزیک تصمیم شما را زنجیره‌ای از حرکات و برخوردهای اتمی توصیف می‌کند. هول استدلال می‌کند که کنش واقعی در سطح روانی رخ می‌دهد. اگرچه شما می‌توانید پیشایندهای اتمی همه رفتارهای خود را ردیابی کنید، اما یک توضیح صرفاً اتمی دقیقاً چنین خواهد بود: توضیحی درباره آنچه اتم‌ها انجام می‌دهند. توضیحی که در مورد مغز یا ذهن چیزی نمی‌گوید. توصیف اتمی، به شکلی بسیار درهم مغز را در درون خود دارد، اما برای یافتن آن، باید فعالیت های اضافی را از بین ببرید و این امر نیاز به درک بیشتری دارد که توصیف اتمی فاقد آن است. اتم‌ها می‌توانند در داخل و خارج سلول‌های مغز شما جریان پیدا کنند، روابط علت و معلولی آنها شکل می‌گیرد و از هم می‌پاشد، اما ذهن دوام می‌آورد و باقی می‌ماند و روابط علّی آن، سیستم را به حرکت در می آورد.

برآمدگی، تنها موضوع پیچیده فیزیک نیست که نظریه اطلاعات یکپارچه ممکن است به حل آن کمک کند. مسئله‌ی دیگر، اندازه‌گیری کوانتومی است. نظریه کوانتومی می‌گوید که یک شی می‌تواند در برهم نهی از احتمالات وجود داشته باشد. یک ذره می‌تواند به طور همزمان، هم اینجا و هم آنجا باشد. با این حال، ما ذرات را فقط در اینجا یا آنجا می‌بینیم. اگر اطلاعات کافی نداشتید، ممکن بود فکر کنید که این نظریه جعلی است. چه چیزی کلمه «و» را به «یا» تبدیل می‌کند؟ توضیح کتاب‌درسی یا تفسیر کپنهاگی این است که وقتی به سراغ مشاهده ذره می‌رویم، برهم‌نهی فرو می‌ریزد. این تفسیر یک خط (به اصطلاح برش هایزنبرگ) بین سیستم‌هایی که از قوانین کوانتومی و ناظرانی که از فیزیک کلاسیک پیروی می‌کنند،می‌کشد که دومی از برهم نهی مصون است. در حقیقت در نگاه کردن به ذره‌ای که هم اینجا و هم آنجاست، ناظر آن را مجبور می‌کند بین اینجا یا آنجا یکی را انتخاب کند.

بزرگترین معمای مکانیک کوانتومی این است که چرا همه تا به حال تفسیر کپنهاگی را جدی گرفته‌اند. طرفداران آن هرگز توضیح ندادند که یک «مشاهده» دقیقاً چیست یا چگونه «عمل مشاهده» باعث می‌شود یک ذره بتواند از بین گزینه های متعدد، یکی را انتخاب کند. این ناکامی‌ها باعث شد که فیزیکدانان و فیلسوفان دیگر به دنبال تفسیرهای جایگزینی باشند که فروپاشی را کنار بگذارد، مانند چندجهانی کوانتومی. اما بیایید سنگ تمام بگذاریم و فرض کنیم تفسیر کپنهاگی اساساً درست است و فقط نیاز به اصلاح دارد. در طول سال‌ها، مردم سعی کرده‌اند در مورد برش هایزنبرگ صریح‌تر برخورد کنند.

شاید اندازه، برش هایزنبرگ را مشخص می‌کند. سیستم هایی که به اندازه کافی بزرگ یعنی حاوی ذرات کافی یا انرژی گرانشی کافی هستند، می‌توانند کوانتومی نباشند. از آنجا که یک قطعه از دستگاه اندازه گیری همه این معیارها را برآورده می‌کند، تمام برهم نهی‌ها را از بین خواهد برد. اینکه چگونه این اتفاق می‌افتد هنوز نسبتاً مرموز است، اما حداقل این ایده به اندازه کافی خاص است که بتواند آزمایش شود. آزمایش‌گران به دنبال چنین آستانه‌ای بوده‌اند و تاکنون هیچ‌یک از آن‌ها چنین چیزی را پیدا نکرده‌اند، اما این فرضیه کاملاً رد هم نشده است.

اما با مطالعه درست‌تر تفسیر کپنهاگی می‌توان دریافت که خودآگاهی عامل تعیین‌کننده است، ایده‌ای که توسط فیزیکدانان فریتز لندن و ادموند بائر (Edmond Bauer) در دهه ۱۹۳۰ و یوجین ویگنر (Eugene Wigner) در دهه ۶۰ اتخاذ شد. از آنجایی که تجربه خوداگاه، در ذات خود و از لحاظ درونی منسجم است (شما همیشه خود را در یک وضعیت معین تصور می کنید)، به نظر می‌رسد ذهن قادر به وارد شدن به یک برهم‌نهی نیست. بنابراین هر آنچه را که تشخیص دهد، فرو می‌ریزد. این حدس خیلی دور از ذهن نبود، زیرا هیچ کس نمی‌دانست چگونه ذهن را از نظر کمی بررسی کند، اما نظریه اطلاعات یکپارچه اکنون راهی را ارائه می‌دهد. در سال ۲۰۱۵، کوبی کرمنیزر (Kobi Kremnizer) ، ریاضیدان آکسفورد، و آندره رانچین (André Ranchin)، که دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد در کالج سلطنتی لندن بود، در مقاله‌ای کوتاه به بررسی این امکان پرداختند. چالمرز از دانشگاه نیویورک و کلوین مک کوئین، فیلسوف فیزیک در دانشگاه چپمن نیز به این موضوع پرداخته‌اند.

این محققان با روی آوردن به نظریه خودآگاهی برای درک کوانتوم، رویکرد اتخاذ شده توسط فیزیکدانانی مانند راجر پنروز را که برای درک خودآگاهی به نظریه کوانتومی نگاه می‌کنند، معکوس می‌نمایند. پیشنهاد آنها این است که یک شبکه مغزی یا مغزمانند می‌تواند وارد یک برهم نهی شود (حالتی از تفکر دوگانه که در آن شما یک ذره را هم اینجا و هم آنجا درک می‌کنید)، اما فقط به طور موقت. هر چه شبکه بیشتر به هم متصل باشد، سریع‌تر فرو می‌ریزد. آزمایشگران می‌توانند این ایده را با تطبیق جستجوهای موجود خود برای یک آستانه اندازه آزمایش کنند. به عنوان مثال، آنها ممکن است دو جسم با اندازه و جرم یکسان، اما با درجات مختلفی از ارتباط درونی را با هم مقایسه کنند، مثلاً یک ذره غبار و یک باکتری. اگر یکپارچگی اطلاعات عامل کلیدی باشد، اولی را می‌توان در یک برهم نهی قرار داد، اما دومی مقاومت خواهد کرد. مک‌کوئین می‌گوید:

در حالت ایده‌آل، آزمایش روی نانوکامپیوترهایی که بتوانیم با مقادیر بسیار زیادی اطلاعات یکپارچه برنامه‌نویسی کنیم، خوب خواهد بود.

یک باکتری یا همتای سایبورگ (یک موجود با هر دو اجزای ارگانیک و مکانیکی)  آن ممکن است ذهن چندانی نداشته باشد، اما می‌تواند به اندازه کافی به عنوان ناظری که خارج از قلمرو کوانتومی است، واجد شرایط باشد.

نظریه اطلاعات یکپارچه همچنین ممکن است مشکل آزاردهنده دیگری را با مفهوم فروپاشی حل کند. این که به شما بگوییم یک برهم‌نهی فرو می‌ریزد یک چیز است، و اینکه بگوییم به چه چیزی فرو می‌ریزد یک چیز دیگر است. منوی گزینه‌هایی که یک ذره از بین آنها انتخاب می‌کند چیست؟ آیا اینجا و آنجا ، آهسته و سریع ، بیشتر اینجا اما کمی آنجا و بیشتر آنجا اما کمی اینجا است یا چه؟ نظریه کوانتومی چیزی نمی‌گوید و با تمام دسته‌بندی‌های ممکن بطور یکسان رفتار می‌کند.

تفسیر کپنهاگی معتقد است که منو با انتخاب شما برای دستگاه اندازه‌گیری تنظیم می‌شود. اگر موقعیت را اندازه‌گیری کنید، ذره در موقعیتی فرو می‌ریزد: اینجا یا آنجا. اگر تکانه را اندازه‌گیری کنید، به یک تکانه فرو می‌ریزد: آهسته یا سریع. اگر کمیتی که اسمش ناشناخته است را اندازه‌گیری کنید، ذره ملزم به انتخاب مقادیر آن خواهد شد. نظریه‌های فروپاشی به دنبال توضیح چگونگی کارکرد این امر هستند. همه ابزارهای اندازه‌گیری از یک نوع ذره ساخته شده‌اند و فقط نحوه مونتاژ آنها متفاوت است. بنابراین، در سطح ذرات زیراتمی، فرآیند فروپاشی باید برای همه یکسان باشد (منو در این سطح، ثابت است). نظریه‌ها معمولاً این منوی اساسی را یکی از موقعیت‌ها فرض می‌کنند. اندازه‌گیری تکانه و سایر کمیت‌ها در نهایت به اندازه‌گیری یک موقعیت تبدیل می‌شوند، مانند جایی که یک سوزن روی صفحه نشان می‌دهد. دلیل عمیقی وجود ندارد که موقعیت این نقش ممتاز را ایفا کند. نظریه‌ها فقط برای اطمینان از بازتولید مشاهدات ما از دنیایی که متشکل از اشیای جایگزیده است، چنین فرضی می‌کنند.

اما شاید برخی فرآیندها به طور فعالانه منو را تنظیم کنند. به عنوان مثال، اگر فروپاشی توسط میدان گرانشی هدایت شود، آنگاه به موقعیت جرم‌ها بستگی خواهد داشت، که تمایل دارند موقعیت را به عنوان متغیر موردنظر مشخص کنند. به همین ترتیب، اگر فروپاشی ناشی از آگاهی باشد، ماهیت ذهن ممکن است منو را تعیین کند. کیهان شناس، مکس تگمارک (Max Tegmark)، از موسسه فناوری ماساچوست، حدس زده که دسته‌بندی‌ها می‌توانند توسط ساختار ذهن تعیین شوند. جهان ممکن است از بخش‌های مجزا، اما برهمکنش‌کننده ساخته شده باشد، زیرا ذهن ما طبق نظریه اطلاعات یکپارچه، به همین شیوه ساخته شده است.

فروپاشی به خودی خود فقط یک مشکل عمده حل نشده نیست، بلکه یک پنجره احتمالی به سطحی از واقعیت است که زیربنای نظریه کوانتومی است. فیزیکدانان پیشنهاد کرده‌اند که یک آستانه اندازه می‌تواند از افت و خیزهای مواد اولیه‌ای که فضا و زمان از آن ظهور می‌کنند، ایجاد شود. به همین ترتیب، اگر یکپارچه سازی اطلاعات، مقصر باشد، احتمالاً چیزی عمیق را آشکار می‌کند: ممکن است فروپاشی را به همان اصول گمشده‌ای که دانشمندان برای درک خودآگاهی به آن نیاز دارند، مرتبط کند. مک‌کوئین می‌گوید:

هدف فوری، توصیف خودسازگار است، اما روند دستیابی به چنین هدفی اغلب می‌تواند به طور غیرمنتظره ای به انواع جدیدی از توضیح منجر شود.

فیزیکدانان و فیلسوفانی که از آنها خواستم درباره فروپاشی ناشی از یکپارچگی اطلاعات نظر بدهند، به طور گسترده ای همدل هستند، البته فقط به این دلیل که گزینه های دیگر برای توضیح فروپاشی، نارسایی‌های خاص خود را دارند. اما آنها نگران هستند که نظریه اطلاعات یکپارچه برای این کار مناسب نباشد. آنجلو باسی (Basi)، فیزیکدان دانشگاه تریست که مبانی مکانیک کوانتومی را مطالعه می‌کند، می‌گوید که یکپارچگی اطلاعات، یک مفهوم بسیار انتزاعی است. مکانیک کوانتومی به جزئیات دقیقی مانند اینکه ذرات کجا هستند و با چه سرعتی حرکت می‌کنند، می‌پردازند. ارتباط این دو سخت‌تر از آن چیزی است که فکر می‌کنید. باسی می‌گوید که راچین (Ranchin) و کرمینزر (Kremnizer) از فرمولی استفاده می‌کنند که انتشار آنی سیگنال‌ها را پیش‌بینی می‌کند. او می‌گوید:

من می‌توانم فروپاشی را به خودآگاهی مرتبط کنم، اما فکر می‌‌کنم برای انجام آن به روشی قانع‌کننده، فرد به تعریفی از خودآگاهی نیاز دارد که به پیکربندی‌های ذرات در مغز خلاصه می‌شود.

در آن صورت، فروپاشی نه توسط خودآگاهی یا یکپارچگی اطلاعات به خودی خود، بلکه توسط دینامیک‌های ابتدایی‌تر که سیستم‌های یکپارچه به نوعی نسبت به آن حساس‌تر هستند، آغاز می‌شود.

چیزی که ما را به برآمدگی و بزرگترین مشکل آن بازمی‌گرداند این است که چگونه کمیت ذرات، کیفیت ذهن را ایجاد می‌کند. نظریه اطلاعات یکپارچه ممکن است آن را حل نکند؛ مطالعات علمی درباره خودآگاهی هنوز خام است و اگر دانشمندان علوم اعصاب به این زودی به پاسخ درست دست یابند، تعجب‌آور خواهد بود. خودآگاهی آنقدر مسئله‌ی عمیق و فراگیری است که باعث می‌شود علوم عجیب فیزیک و اعصاب درکنار هم قرار بگیرند. حتی اگر پاسخ در به هم پیوستگی شبکه‌ها نباشد، مطمئناً مستلزم به هم پیوستگی این زمینه‌های علمی است.