Κβαντική φυσική και ο εγκέφαλος

Πηγή: Nature , Απρίλιος 2006

Η σχέση μεταξύ της κβαντομηχανικής και των υψηλότερων λειτουργιών του εγκεφάλου, συμπεριλαμβανομένης και της συνείδησης, συζητείται συχνά, αλλά φαίνεται ότι είναι ακόμα μακριά η κατανόηση της.

Οι φυσικοί, ανίδεοι της σύγχρονης νευροβιολογίας, μπαίνουν στον πειρασμό να υποθέσουν μια συμβατική ή ακόμα και δυϊστική άποψη του προβλήματος της νου του εγκεφάλου. Εν τω μεταξύ, οι γνωστικοί επιστήμονες της νευρολογίας και οι νευροβιολόγοι θεωρούν τον κβαντικό κόσμο άσχετο με τις ανησυχίες τους και επομένως δεν προσπαθούν να καταλάβουν τις έννοιές του.

Αλλά τι μπορούμε να δηλώσουμε με βεβαιότητα για την τρέχουσα σχέση μεταξύ αυτών των δύο τομέων της επιστημονικής έρευνας;

Όλοι οι βιολογικοί οργανισμοί πρέπει να υπακούουν στους νόμους της φυσικής, κλασσικής και κβαντικής. Σε αντίθεση με την κλασσική φυσική, η κβαντομηχανική είναι πλήρως μη προσδιορίσιμη (μη ντερτεμινιστική). Εξηγεί μια σειρά φαινομένων που δεν μπορούν να γίνουν κατανοητά μέσα σε ένα κλασσικό πλαίσιο, για παράδειγμα:

  • το γεγονός ότι το φως ή οποιοδήποτε μικρό σωματίδιο μπορεί να συμπεριφερθεί είτε σαν κύμα είτε σαν σωματίδιο ανάλογα με την πειραματική οργάνωση (δυϊσμός σωματιδίου και κύματος). 

  • η ανικανότητα να καθοριστεί ταυτόχρονα, με τέλεια ακρίβεια, και η θέση και η ορμή ενός αντικειμένου (αρχή αβεβαιότητας Heisenberg)

  • και το γεγονός ότι οι κβαντικές καταστάσεις πολλαπλών αντικειμένων, όπως δύο συνδεδεμένα ηλεκτρόνια, μπορούν να συσχετιστούν ακόμα κι αν τα αντικείμενα είναι σε απομακρυσμένους χώρους, κάτι που παραβιάζει κατά συνέπεια τις διαισθήσεις μας για την τοπικότητα (διεμπλοκή).

Είναι δε γνωστό ότι σημαντικά φιλοσοφικά και εννοιολογικά προβλήματα περιβάλλουν τη διαδικασία των μετρήσεων στην κβαντομηχανική. Για να διαφωτίσει την παράδοξη φύση της υπέρθεσης -- δηλαδή το γεγονός ότι τα σωματίδια ή τα κβαντικά bits (qubits) επιτρέπονται να υπάρχουν σε μια υπέρθεση δύο καταστάσεων -- ο Schröedinger πρότεινε ένα διάσημο νοητικό πείραμα: ένα καλά σφραγισμένο κιβώτιο περιέχει την κβαντική υπέρθεση μιας νεκρής και μιας ζωντανής γάτας. Όταν όμως ένας παρατηρητής κοιτάξει μέσα στο κιβώτιο, μετρώντας το περιεχόμενό της, η κυματοσυνάρτηση, που περιγράφει την πιθανότητα το σύστημα να βρεθεί σε κάποια ιδιαίτερη κατάσταση, καταρρέει και το σύστημα θα βρεθεί στη μία ή στην άλλη κατάσταση με γνωστή πιθανότητα.

Ο ρόλος της συνειδήσεως του παρατηρητή σε αυτήν την διαδικασία μέτρησης έχει γίνει καυτό θέμα συζήτησης από τις πρώτες ημέρες της κβαντομηχανικής. Είναι σωστό να πούμε, εντούτοις, ότι η συνείδηση κατέχει μόνο μια θέση σε μια αλυσίδα μαθηματικών τύπων, χωρίς πολλή σχετικότητα στη μελέτη των νευρικών κυκλωμάτων στους ανέπαφους οργανισμούς.

Οι περισσότεροι κβαντικοί φυσικοί βλέπουν τον εγκέφαλο ως ένα κλασσικό όργανο. Ένα όμως νοητικό πείραμα που περιλαμβάνει έναν παρατηρητή που παρατηρεί ένα κβαντικό σύστημα σε υπέρθεση με το ένα μάτι, και μια διαδοχή προσώπων με το άλλο, δίνει λαβή στην άποψη ότι απαιτείται ένα κβαντικό πλαίσιο για να εξηγήσει τη συνείδηση.

Το κρίσιμο ερώτημα όμως είναι το εξής: εάν οποιαδήποτε συστατικά του νευρικού συστήματος -- ένας ιστός που βρίσκεται σε μια θερμοκρασία 300 Kelvin, που συνδέεται έντονα με το περιβάλλον του -- μπορεί να εμφανίζουν μακροσκοπικές κβαντικές συμπεριφορές, όπως είναι η κβαντική διεμπλοκή, που να είναι βασικές στη λειτουργία του εγκεφάλου.

Συγγραφείς C. Koch και K. Hepp