Sự xung đột của những bí ẩn của tâm trí và lượng tử

Vài năm trước, tôi đã đến Agra, Ấn Độ, nơi tôi dành một tuần tham dự hội nghị về nền tảng của vật lý lượng tử và mối quan hệ tiềm năng của nó với hoạt động của tâm trí.

Trọng tâm chính của hội nghị là: Liệu vật lý lượng tử có đóng vai trò nào trong cách hoạt động của não bộ không? Hay nói một cách sâu sắc hơn, liệu tâm trí – được xem như tập hợp các trạng thái có thể của não – có được duy trì bởi các hiệu ứng lượng tử không? Hay chúng ta có thể xem xét nó dưới góc độ vật lý nhân quả cổ điển, với các công tắc bật-tắt và dòng điện chịu tác động của các lực điện? Nhiệm vụ của tôi là thực hiện bài diễn thuyết khai mạc, tóm tắt lịch sử của chủ đề và những quan điểm khác nhau.

Không gì tốt hơn việc kết hợp hai bí ẩn lớn để tạo ra một bí ẩn lớn hơn.

Sự thật là, dù vật lý lượng tử đã đạt nhiều thành công to lớn trong các ứng dụng của nó – bao gồm tất cả công nghệ số và hạt nhân của chúng ta – nhưng việc giải thích nó vẫn còn là điều chưa chắc chắn, là đề tài tranh cãi gay gắt giữa các nhà vật lý (ít nhất là những người quan tâm đến các câu hỏi nền tảng sâu xa hơn, mà chắc chắn không phải đa số). Đối với hoạt động của não bộ, đặc biệt là cách nó tạo ra tâm trí và ý thức của chúng ta, chúng ta vẫn biết rất ít – mặc dù tiến bộ trong kỹ thuật hình ảnh đã cho thấy các cụm tế bào thần kinh, thường ở các khu vực khác nhau của não, bật và tắt dưới tác động của các kích thích khác nhau, giống như đèn trên cây Giáng sinh.

Từ triết gia Hy Lạp đến Descartes

Bỏ qua các triết gia Hy Lạp, mọi thứ bắt đầu khi Descartes, vào thế kỷ 17, đề xuất sự tách biệt giữa tâm trí và vật chất: trong khi vật chất có sự mở rộng không gian (thực tế là lấp đầy không gian hoàn toàn, theo Descartes), thì tâm trí không như vậy, tồn tại dưới hình thức nào đó của khí chất mà không chiếm không gian. Tâm trí không phải là vật chất, nhưng, theo cách mà chính Descartes cũng không thể lý giải, nó có thể ảnh hưởng đến vật chất.

Descartes cũng khẳng định rằng tâm trí có trước vật chất, là tinh thần của châm ngôn nổi tiếng Tôi tư duy, nên tôi tồn tại của ông. Chủ nghĩa nhị nguyên về thân – tâm này đã và vẫn gây ra nhiều sự nhầm lẫn, đặc biệt là với những người sử dụng nó để bảo vệ sự tồn tại của một dạng linh hồn hay tinh thần nào đó độc lập với vật chất và có thể tồn tại sau sự phân rã tất yếu của nó. (Đây là phần giới thiệu rất dễ đọc và ngắn gọn của Susan Blackmore).

Mặt khác, phần lớn các nhà khoa học và triết gia bảo vệ quan điểm rằng chỉ có vật chất tồn tại. Thực tế là hoạt động của não bộ vẫn còn bí ẩn không phải vì một thực thể phi vật chất nào đó, mà vì chính những thách thức trong việc hiểu sự phức tạp của nó. Có những người cho rằng để hiểu được não bộ, chúng ta phải bắt đầu từ dưới lên, từ các tế bào thần kinh riêng lẻ đến các liên kết khớp thần kinh giữa chúng rồi đến các cụm tế bào thần kinh và cứ thế tiếp tục. Và có những người – đặc biệt là các triết gia Thomas Nagel, Colin McGinn và David Chalmers, đôi khi được biết đến với tên gọi Những người bí ẩn – cho rằng chúng ta nhận thức kém (hoặc như McGinn nói, nhận thức bị đóng kín) trong việc hiểu ý thức – sự nhận thức về sự tồn tại của một người và/hoặc trải nghiệm chủ quan của cảm giác.

Nhiều suy đoán

Hành vi kỳ lạ của các hệ thống lượng tử tạo điều kiện cho các ý tưởng suy đoán về cách chúng có thể đóng vai trò trong hoạt động của não bộ. Suy cho cùng, nếu chúng ta đi từ dưới lên, não bộ được cấu tạo từ các tế bào thần kinh, và các tế bào thần kinh, như bất kỳ tế bào nào khác, cần protein và một loạt các phân tử sinh học để hoạt động. Nếu các hiệu ứng lượng tử xảy ra ở cấp độ phân tử, có thể chúng sẽ có vai trò quan trọng.

Có hai hiệu ứng lượng tử chính đáng chú ý ở đây: Đầu tiên là chồng chập, thực tế rằng từ cấp độ hạ nguyên tử đến phân tử, các hệ thống có thể tồn tại trong nhiều trạng thái cùng một lúc. Ví dụ, trước khi một electron được phát hiện, nó có thể tồn tại ở nhiều vị trí khác nhau cùng lúc; ít nhất đó là cách chúng ta diễn giải dữ liệu. Cơ chế toán học của cơ học lượng tử cho phép chúng ta tính toán xác suất rằng electron sẽ được tìm thấy ở vị trí này hay vị trí kia. Dữ liệu thực chất là các phép đo vị trí của nó trong độ chính xác của thiết bị đo.

Liệu các suy nghĩ có thể tồn tại trong một dạng chồng chập lượng tử ở mức độ vô thức và chỉ trở nên có ý thức khi có một sự lựa chọn cụ thể tương tự như phép đo vị trí của electron không?

Đây là điều mà nhà vật lý Roger Penrose và bác sĩ gây mê Stuart Hameroff, cả hai đều có mặt tại hội nghị, đã đề xuất. Thực thể hoạt động để thúc đẩy sự lựa chọn là một loại protein gọi là tubulin, tương tác với các ống vi quản cung cấp hỗ trợ cấu trúc cho tế bào thần kinh. Theo một cách nào đó, các ống vi quản là một dạng mạng lưới lượng tử hỗ trợ chồng chập và các trạng thái rối của tubulin dọc theo các tế bào thần kinh. Chúng được cho là hoạt động như một máy tính lượng tử để tối ưu hiệu suất tế bào thần kinh và liên tế bào thần kinh. (Để có một cách tiếp cận khác về cách các hiệu ứng lượng tử liên quan đến sự xuất hiện của suy nghĩ, xem tiểu luận của Bernardo Kastrup).

Sự rối lượng tử

Rối là đặc tính lượng tử kỳ lạ thứ hai được đưa vào đây, khả năng của hai hay nhiều hệ thống lượng tử thiết lập các liên kết giữa chúng được duy trì trên khoảng cách không gian lớn. Trạng thái rối hiệu quả hoạt động như một thực thể duy nhất, mất đi các bản sắc cá nhân của chúng. Ý tưởng ở đây là sử dụng phạm vi không gian của các trạng thái rối để phân tán các hiệu ứng lượng tử với một dấu ấn nhất định trên khoảng cách dài trong các mạng lưới tế bào thần kinh mở rộng khắp não bộ.

Các ý tưởng của Penrose–Hameroff đã vấp phải nhiều chỉ trích từ cả các lập luận thực nghiệm và lý thuyết. Lập luận lý thuyết, chẳng hạn như được trình bày bởi nhà vật lý MIT Max Tegmark, cho rằng não bộ là một môi trường quá bận rộn và ấm áp để duy trì các trạng thái lượng tử đồng bộ. Điểm đáng chú ý là các trạng thái lượng tử đồng bộ rất mong manh: các ảnh hưởng từ môi trường xung quanh (ví dụ, các phân tử va chạm, dao động nhiệt) có thể dễ dàng phá hủy chồng chập lượng tử của các trạng thái, chỉ còn lại một trong số chúng. Thực tế, môi trường có thể biến lượng tử thành cổ điển. Trong trường hợp này, vật lý lượng tử sẽ không đóng vai trò nào trong cách não bộ hoạt động hoặc tạo ra tâm trí.

Giải thích cổ điển có khả năng

Thật khó để tránh cảm giác bối rối khi nghĩ về tác động của vật lý lượng tử đối với sự hiểu biết của chúng ta về thực tại vật lý. Cũng chắc chắn rằng, ít nhất ở mức độ khớp thần kinh, nơi một loạt các chất dẫn truyền thần kinh chảy từ một tế bào thần kinh sang tế bào khác thông qua các cổng chấp nhận hẹp, các hiệu ứng lượng tử có thể đóng vai trò nào đó. Tuy nhiên, ý kiến đa số nghiêng về một giải thích cổ điển hơn cho hoạt động của não bộ, thông qua vô số các cụm tế bào thần kinh liên kết và sự kích hoạt liên tục của chúng.

Với bản chất phức tạp của kết nối giữa các tế bào thần kinh, có rất nhiều không gian để khám phá và suy đoán. Như thường thấy, giải pháp có thể không chỉ là một trong hai mà là cả hai: có thể có sự hợp tác giữa các hiệu ứng lượng tử và cổ điển cùng quyết định chức năng của não ở các cấp độ khác nhau.

Dù kết quả có như thế nào, chúng ta vẫn chưa biết cách tránh các lập luận của Những người bí ẩn. Bản chất của ý thức có thể thực sự là một trong những điều không thể biết được, phơi bày giới hạn của cách tiếp cận khoa học thuần túy đối với một vấn đề nhiều mặt.