Rappresentazione del cervello umano
  • Categoria dell'articolo:Scienza
  • Ultima modifica dell'articolo:19 Novembre 2022

Una delle questioni aperte più importanti nella scienza è come si stabilisce la nostra coscienza. Negli anni ’90, molto prima di vincere il premio Nobel per la fisica 2020 per la sua previsione dei buchi neri, il fisico Roger Penrose ha collaborato con l’anestesista Stuart Hameroff per proporre una risposta ambiziosa.

Hanno affermato che il sistema neuronale del cervello forma una rete intricata e che la coscienza che questo produce dovrebbe obbedire alle regole della meccanica quantistica, la teoria che determina come si muovono le minuscole particelle come gli elettroni. Questo, sostengono, potrebbe spiegare la misteriosa complessità della coscienza umana.

Penrose e Hameroff furono accolti con incredulità. Di solito si trova che le leggi della meccanica quantistica si applicano solo a temperature molto basse. I computer quantistici, ad esempio, attualmente operano a circa -272°C. A temperature più elevate subentra la meccanica classica. Dal momento che il nostro corpo lavora a temperatura ambiente, ti aspetteresti che sia governato dalle leggi classiche della fisica. Per questo motivo, la teoria della coscienza quantistica è stata completamente respinta da molti scienziati, sebbene altri siano convinti sostenitori.

Invece di entrare in questo dibattito, ho deciso di unire le forze con i colleghi cinesi, guidati dal professor Xian-Min Jin dell’Università Jiaotong di Shanghai, per testare alcuni dei principi alla base della teoria quantistica della coscienza.

Nel nostro nuovo articolo, abbiamo studiato come le particelle quantistiche potrebbero muoversi in una struttura complessa come il cervello, ma in un ambiente di laboratorio. Se i nostri risultati potranno un giorno essere confrontati con l’attività misurata nel cervello, potremmo avvicinarci di un passo alla convalida o al rigetto della controversa teoria di Penrose e Hameroff.

Cervelli e frattali

Il nostro cervello è composto da cellule chiamate neuroni e si ritiene che la loro attività combinata generi la coscienza. Ogni neurone contiene microtubuli, che trasportano sostanze in diverse parti della cellula. La teoria di Penrose-Hameroff della coscienza quantistica sostiene che i microtubuli sono strutturati in uno schema frattale che consentirebbe il verificarsi di processi quantistici.

I frattali sono strutture che non sono né bidimensionali né tridimensionali, ma sono invece valori frazionari intermedi. In matematica, i frattali emergono come bellissimi schemi che si ripetono all’infinito, generando ciò che è apparentemente impossibile: una struttura che ha un’area finita, ma un perimetro infinito.

Questo potrebbe sembrare impossibile da visualizzare, ma in realtà i frattali si verificano frequentemente in natura. Se osservi attentamente le cimette di un cavolfiore o i rami di una felce, vedrai che sono entrambi costituiti dalla stessa forma di base che si ripete più e più volte, ma a scale sempre più piccole. Questa è una caratteristica chiave dei frattali.

Lo stesso accade se guardi all’interno del tuo stesso corpo: la struttura dei tuoi polmoni, ad esempio, è frattale, così come lo sono i vasi sanguigni nel tuo sistema circolatorio. I frattali sono presenti anche nelle incantevoli opere d’arte ripetute di MC Escher e Jackson Pollock, e sono stati usati per decenni nella tecnologia, come nella progettazione di antenne. Questi sono tutti esempi di frattali classici – frattali che rispettano le leggi della fisica classica piuttosto che della fisica quantistica.

Un'opera d'arte frattale di Escher
Questa estensione del Circle Limit III di Escher mostra la sua natura frattale e ripetitiva. Vladimir Bulatov/Deviantart, CC BY-NC-SA

È facile capire perché i frattali siano stati usati per spiegare la complessità della coscienza umana. Poiché sono infinitamente intricati, consentendo alla complessità di emergere da semplici schemi ripetuti, potrebbero essere le strutture che supportano le misteriose profondità delle nostre menti.

Ma se questo è il caso, potrebbe accadere solo a livello quantistico, con minuscole particelle che si muovono secondo schemi frattali all’interno dei neuroni del cervello. Ecco perché la proposta di Penrose e Hameroff è chiamata teoria della “coscienza quantistica”.

Coscienza quantistica

Non siamo ancora in grado di misurare il comportamento dei frattali quantistici nel cervello, ammesso che esistano. Ma la tecnologia avanzata ci da la possibilità di misurare i frattali quantistici in laboratorio. In una recente ricerca che ha coinvolto un microscopio a effetto tunnel (STM), i miei colleghi di Utrecht e io abbiamo disposto con cura gli elettroni in uno schema frattale, creando un frattale quantistico.

Quando poi abbiamo misurato la funzione d’onda degli elettroni, che descrive il loro stato quantico, abbiamo scoperto che anche loro vivevano alla dimensione frattale dettata dal modello fisico che avevamo creato. In questo caso, lo schema che abbiamo usato sulla scala quantistica era il triangolo di Sierpiński, che è una forma a metà tra unidimensionale e bidimensionale.

Questa è stata una scoperta entusiasmante, ma le tecniche STM non possono sondare il modo in cui si muovono le particelle quantistiche, il che ci direbbe di più su come potrebbero verificarsi i processi quantistici nel cervello. Quindi, nella nostra ultima ricerca, io e i miei colleghi della Shanghai Jiaotong University abbiamo fatto un ulteriore passo avanti. Utilizzando esperimenti di fotonica all’avanguardia, siamo stati in grado di rivelare il movimento quantistico che avviene all’interno dei frattali con dettagli senza precedenti.

L’obiettivo è stato raggiunto iniettando fotoni (particelle di luce) in un chip artificiale accuratamente progettato in un minuscolo triangolo di Sierpiński. Abbiamo iniettato fotoni sulla punta del triangolo e osservato come si diffondono nella sua struttura frattale in un processo chiamato trasporto quantistico. Abbiamo ripetuto questo esperimento su due diverse strutture frattali, entrambe a forma di quadrato anziché di triangolo. E in ognuna di queste strutture abbiamo condotto centinaia di esperimenti.

Un frattale quadrato ripetuto
Abbiamo anche condotto esperimenti su un frattale di forma quadrata chiamato tappeto di Sierpiński. Johannes Rössel/wikimedia

Le nostre osservazioni da questi esperimenti rivelano che i frattali quantistici in realtà si comportano in modo diverso da quelli classici. Nello specifico, abbiamo scoperto che la diffusione della luce attraverso un frattale è governata da leggi diverse nel caso quantistico rispetto al caso classico.

Questa nuova conoscenza dei frattali quantistici potrebbe fornire le basi per gli scienziati per testare sperimentalmente la teoria della coscienza quantistica. Se un giorno le misurazioni quantistiche vengono prese dal cervello umano, potrebbero essere confrontate con i nostri risultati per decidere definitivamente se la coscienza è un fenomeno classico o quantistico.

Il nostro lavoro potrebbe anche avere profonde implicazioni in tutti i campi scientifici. Indagando il trasporto quantistico nelle nostre strutture frattali progettate artificialmente, potremmo aver compiuto i primi piccoli passi verso l’unificazione di fisica, matematica e biologia, che potrebbero arricchire notevolmente la nostra comprensione del mondo che ci circonda e del mondo che esiste nelle nostre teste.

Autore

Cristiane de Morais Smith, Professor, Theoretical Physics, Utrecht University