Một trong những câu hỏi mở quan trọng nhất trong khoa học là ý thức của chúng ta được hình thành như thế nào. Vào những năm 1990, rất lâu trước khi đoạt giải Nobel Vật lý 2020 cho dự đoán về lỗ đen, nhà vật lý học Roger Penrose đã hợp tác với nhà gây mê Stuart Hameroff để đưa ra 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 hệ thống này 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. Họ cho rằng điều này có thể giải thích sự phức tạp bí ẩn của ý thức con người.
Penrose và Hameroff vô cùng ngờ vực. Các định luật cơ lượng tử thường chỉ được áp dụng ở nhiệt độ rất thấp . Máy tính lượng tử, ví dụ, hiện đang hoạt động ở xung quanh -272 ° C . Ở nhiệt độ cao hơn, cơ học cổ điển tiếp quản. Vì cơ thể của chúng ta hoạt động ở nhiệt độ phòng, bạn sẽ mong đợi nó được điều chỉnh 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 được 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 là 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 mình , chúng tôi đã nghiên cứu cách 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 tôi một ngày nào đó có thể được so sánh với hoạt động đo được trong não, chúng tôi có thể tiến một bước gần hơn đến việc xác thực hoặc bác bỏ lý thuyết gây tranh cãi của Penrose và Hameroff .
Bộ não và Fractals
Bộ não của chúng ta bao gồm các tế bào được 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 , có chức năng 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 có thể cho phép các quá trình lượng tử xảy ra.
Fractal là cấu trúc không phải là hai chiều hoặc ba chiều, mà thay vào đó là một số giá trị phân số ở giữa. Trong toán học, các phân giác nổi lên như những mẫu đẹp tự lặp lại vô hạn, tạo ra điều dường như không thể: một cấu trúc có diện tích hữu hạn, nhưng chu vi vô hạn.
Điều này nghe có vẻ khó hình dung, nhưng thực tế hiện tượng fractal xảy ra thường xuyên trong tự nhiên . Nếu bạn quan sát kỹ các chùm hoa của một bông súp lơ hoặc các nhánh của cây 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 ngày càng nhỏ hơn. Đó là một đặc điểm chính của Fractal.
Điều tương tự cũng xảy ra nếu bạn nhìn vào bên trong cơ thể của chính mình: ví dụ, cấu trúc của phổi là dạng fractal, cũng như các mạch máu trong hệ tuần hoàn của bạn. Fractal cũng xuất hiện trong các tác phẩm nghệ thuật 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.
Phần mở rộng này của Escher’s Circle Limit III cho thấy bản chất đứt gãy, lặp lại của nó. Vladimir-Bulatov / Deviantart , CC BY-NC-SA
Thật dễ dàng để hiểu 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 mô hình đơn giản lặp đi lặp lại, chúng có thể là cấu trúc hỗ trợ chiều sâu bí ẩn trong tâm trí của chúng ta.
Nhưng nếu đúng như vậy, nó chỉ có thể xảy ra ở cấp độ lượng tử, với các hạt nhỏ chuyển động theo kiểu fractal trong 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 tôi vẫn chưa thể đo hành vi của các Fractal lượng tử trong não – nếu chúng tồn tại. Nhưng công nghệ tiên tiến có nghĩa là giờ đây chúng ta có thể đo các 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 điện tử theo kiểu fractal, tạo ra fractal lượng tử.
Sau đó, khi chúng tôi đo hàm sóng của các electron, mô tả trạng thái lượng tử của chúng, chúng tôi nhận thấy rằng chúng cũng sống ở chiều Fractal do mô hình vật lý mà chúng tôi tạo ra. Trong trường hợp này, mô hình mà chúng tôi sử dụng trên thang lượng tử là tam giác Sierpiński , là hình dạng nằm 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 có thể tiết lộ chuyển động lượng tử diễn ra trong các fractal một cách chi tiết chưa từng có.
Chúng tôi đạt được điều này bằng cách đưa các photon (hạt ánh sáng) vào một con chip nhân tạo được chế tạo một cách tỉ mỉ thành một hình tam giác Sierpiński nhỏ bé. Chúng tôi đã tiêm các photon vào đầu của tam giác và theo dõi cách chúng lan truyền khắp cấu trúc fractal của nó trong một quá trình được 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 dạng hình vuông chứ không phải hình tam giác. Và trong mỗi cấu trúc này, chúng tôi đã tiến hành hàng trăm thí nghiệm.
Những quan sát của chúng tôi từ những thí nghiệm này cho thấy rằng các Fractal lượng tử thực sự hoạt động theo một cách khác với những gì cổ điển. Cụ thể, chúng tôi phát hiện ra rằng sự lan truyền của ánh sáng qua một Fractal bị chi phối bởi các định luật khác nhau trong trường hợp lượng tử so với trường hợp cổ điển.
Chúng tôi cũng đã tiến hành các thí nghiệm trên một loại Fractal hình vuông được gọi là thảm Sierpiński. Johannes Rössel / wikimedia
Kiến thức mới này về Fractal lượng tử có thể cung cấp nền tảng cho các nhà khoa học để kiểm tra thực nghiệm lý thuyết về ý thức lượng tử. Nếu một ngày nào đó các phép đo lượng tử được lấy từ não người, chúng có thể được so sánh với kết quả của chúng ta để quyết định chắc chắn xem 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 điều tra sự vận chuyển lượng tử trong các cấu trúc fractal được thiết kế nhân tạo của mình, chúng ta có thể đã thực hiện những bước nhỏ đầu tiên hướng tới sự hợp 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 .
Theo: Theconversation.
