Một trong những câu hỏi mở quan trọng nhất trong khoa học là ý thức của chúng ta được thiết lập như thế nào. Vào những năm 1990, rất lâu trước khi giành giải Nobel Vật lý năm 2020 cho dự đoán về lỗ đen, nhà vật lý Roger Penrose đã hợp tác với bác sĩ gây mê Stuart Hameroff để đề xuất một câu trả lời đầy tham vọng: Vật lý lượng tử có thể giải thích ý thức không?
Vào những năm 1990, rất lâu trước khi giành giải Nobel Vật lý năm 2020 cho dự đoán về lỗ đen, nhà vật lý Roger Penrose đã hợp tác với bác sĩ gây mê Stuart Hameroff để đề xuất một câu trả lời đầy tham vọng.
Họ tuyên bố rằng hệ thống tế bào thần kinh của não tạo thành một mạng lưới phức tạp và ý thức mà nó tạo ra phải tuân theo các quy tắc của cơ học lượng tử – lý thuyết xác định cách các hạt nhỏ như electron di chuyển xung quanh. Điều này, họ lập luận, có thể giải thích sự phức tạp bí ẩn của ý thức con người.
Penrose và Hameroff đã gặp phải sự hoài nghi. Các định luật cơ học lượng tử thường chỉ được tìm thấy để áp dụng ở nhiệt độ rất thấp. Ví dụ, máy tính lượng tử hiện đang hoạt động ở khoảng – 272 ° C. Ở nhiệt độ cao hơn, cơ học cổ điển tiếp quản. Vì cơ thể chúng ta hoạt động ở nhiệt độ phòng, bạn sẽ mong đợi nó bị chi phối bởi các định luật vật lý cổ điển. Vì lý do này, lý thuyết ý thức lượng tử đã bị nhiều nhà khoa học bác bỏ hoàn toàn – mặc dù những người khác bị thuyết phục ủng hộ.
Thay vì tham gia vào cuộc tranh luận này, tôi quyết định hợp tác với các đồng nghiệp từ Trung Quốc, dẫn đầu bởi Giáo sư Xian – Min Jin tại Đại học Giao thông Thượng Hải, để kiểm tra một số nguyên tắc làm nền tảng cho lý thuyết lượng tử của ý thức.
Trong bài báo mới của chúng tôi, chúng tôi đã điều tra làm thế nào các hạt lượng tử có thể di chuyển trong một cấu trúc phức tạp như não – nhưng trong môi trường phòng thí nghiệm. Nếu những phát hiện của chúng ta một ngày nào đó có thể được so sánh với hoạt động được đo trong não, chúng ta có thể tiến gần hơn một bước đến việc xác nhận hoặc bác bỏ lý thuyết gây tranh cãi của Penrose và Hameroff.
Bộ não của chúng ta bao gồm các tế bào gọi là tế bào thần kinh, và hoạt động kết hợp của chúng được cho là tạo ra ý thức. Mỗi tế bào thần kinh chứa các vi ống, vận chuyển các chất đến các phần khác nhau của tế bào. Lý thuyết Penrose – Hameroff về ý thức lượng tử lập luận rằng các vi ống được cấu trúc theo mô hình fractal cho phép các quá trình lượng tử xảy ra.
Fractals là các cấu trúc không phải là hai chiều cũng không phải ba chiều, mà thay vào đó là một số giá trị phân số ở giữa. Trong toán học, fractal nổi lên như những mô hình đẹp lặp lại vô hạn, tạo ra những gì dường như không thể: một cấu trúc có diện tích hữu hạn, nhưng chu vi vô hạn.
Điều này nghe có vẻ không thể hình dung được, nhưng fractals thực sự xảy ra thường xuyên trong tự nhiên. Nếu bạn nhìn kỹ vào những bông hoa của súp lơ hoặc cành dương xỉ, bạn sẽ thấy rằng cả hai đều được tạo thành từ cùng một hình dạng cơ bản lặp đi lặp lại nhiều lần, nhưng ở quy mô nhỏ hơn và nhỏ hơn. Đó là một đặc điểm chính của fractals.
Điều tương tự cũng xảy ra nếu bạn nhìn vào bên trong cơ thể của chính mình: cấu trúc phổi của bạn, ví dụ, là fractal, cũng như các mạch máu trong hệ thống tuần hoàn của bạn. Fractals cũng xuất hiện trong các tác phẩm nghệ thuật lặp đi lặp lại đầy mê hoặc của MC Escher và Jackson Pollock, và chúng đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong công nghệ, chẳng hạn như trong thiết kế ăng – ten. Đây là tất cả các ví dụ về fractal cổ điển – fractal tuân theo các định luật vật lý cổ điển hơn là vật lý lượng tử.
Thật dễ dàng để thấy tại sao fractal đã được sử dụng để giải thích sự phức tạp của ý thức con người. Bởi vì chúng vô cùng phức tạp, cho phép sự phức tạp xuất hiện từ các mẫu lặp đi lặp lại đơn giản, chúng có thể là những cấu trúc hỗ trợ chiều sâu bí ẩn của tâm trí chúng ta.
Nhưng nếu đây là trường hợp, nó chỉ có thể xảy ra ở cấp độ lượng tử, với các hạt nhỏ di chuyển theo mô hình fractal trong các tế bào thần kinh của não. Đó là lý do tại sao đề xuất của Penrose và Hameroff được gọi là lý thuyết về ý thức lượng tử.
Ý thức lượng tử
Chúng ta vẫn chưa thể đo lường hành vi của các fractal lượng tử trong não – nếu chúng tồn tại. Nhưng công nghệ tiên tiến có nghĩa là bây giờ chúng ta có thể đo fractal lượng tử trong phòng thí nghiệm. Trong nghiên cứu gần đây liên quan đến kính hiển vi quét đường hầm (STM), các đồng nghiệp của tôi tại Utrecht và tôi đã cẩn thận sắp xếp các electron theo mô hình fractal, tạo ra một fractal lượng tử.
Sau đó, khi chúng tôi đo hàm sóng của các electron, mô tả trạng thái lượng tử của chúng, chúng tôi thấy rằng chúng cũng sống ở chiều fractal được quyết định bởi mô hình vật lý mà chúng tôi đã tạo ra. Trong trường hợp này, mô hình chúng tôi sử dụng trên thang lượng tử là tam giác Sierpiński, là một hình dạng ở đâu đó giữa một chiều và hai chiều.
Đây là một phát hiện thú vị, nhưng các kỹ thuật STM không thể thăm dò cách các hạt lượng tử di chuyển – điều này sẽ cho chúng ta biết thêm về cách các quá trình lượng tử có thể xảy ra trong não. Vì vậy, trong nghiên cứu mới nhất của chúng tôi, các đồng nghiệp của tôi tại Đại học Giao thông Thượng Hải và tôi đã tiến thêm một bước nữa. Sử dụng các thí nghiệm quang tử hiện đại, chúng tôi đã có thể tiết lộ chuyển động lượng tử diễn ra trong các fractal với chi tiết chưa từng có.
Chúng tôi đã đạt được điều này bằng cách tiêm các photon (hạt ánh sáng) vào một con chip nhân tạo được thiết kế cẩn thận thành một tam giác Sierpiński nhỏ. Chúng tôi đã tiêm các photon vào đầu tam giác và quan sát cách chúng lan rộng khắp cấu trúc fractal của nó trong một quá trình gọi là vận chuyển lượng tử. Sau đó, chúng tôi lặp lại thí nghiệm này trên hai cấu trúc fractal khác nhau, cả hai đều có hình vuông chứ không phải hình tam giác. Và trong mỗi cấu trúc này, chúng tôi đã tiến hành hàng trăm thí nghiệm.
Các quan sát của chúng tôi từ các thí nghiệm này cho thấy các fractal lượng tử thực sự hoạt động theo một cách khác với các fractal cổ điển. Cụ thể, chúng tôi thấy rằng sự lan truyền ánh sáng trên một fractal bị chi phối bởi các định luật khác nhau trong trường hợp lượng tử so với trường hợp cổ điển.
Kiến thức mới này về fractal lượng tử có thể cung cấp nền tảng cho các nhà khoa học kiểm tra thực nghiệm lý thuyết về ý thức lượng tử. Nếu các phép đo lượng tử một ngày nào đó được lấy từ bộ não con người, chúng có thể được so sánh với kết quả của chúng ta để quyết định chắc chắn liệu ý thức là một hiện tượng cổ điển hay lượng tử.
Công việc của chúng tôi cũng có thể có ý nghĩa sâu sắc trên các lĩnh vực khoa học. Bằng cách nghiên cứu vận chuyển lượng tử trong các cấu trúc fractal được thiết kế nhân tạo của chúng ta, chúng ta có thể đã thực hiện những bước nhỏ đầu tiên hướng tới sự thống nhất của vật lý, toán học và sinh học, điều này có thể làm phong phú thêm sự hiểu biết của chúng ta về thế giới xung quanh cũng như thế giới tồn tại trong đầu chúng ta.
