Natuurkundigen leggen uit hoe de hersenen zich kunnen verhouden tot de kwantumwereld

Een van de meest belangrijke De open vragen in de wetenschap zijn hoe ons bewustzijn tot stand komt. in de jaren 1990, Lang voordat je wint De Nobelprijs voor Natuurkunde 2020 voor zijn tegenhanger Zwarte gaten voorspellenNatuurkundige Roger Penrose werkte samen met anesthesist Stuart Hammeroff om een ​​ambitieus antwoord voor te stellen.

zij beweerden dat brein neuraal Het systeem vormt een complex netwerk en het daaruit voortvloeiende bewustzijn moet aan regels worden onderworpen Kwantummechanica De theorie die bepaalt hoe kleine deeltjes zoals elektronen bewegen. Ze beweren dat dit de mysterieuze complexiteit van het menselijk bewustzijn zou kunnen verklaren.

Penrose en Hammeroff werden met scepsis ontvangen. De wetten van de kwantummechanica worden meestal alleen toegepast in Extreem lage temperaturen. Quantumcomputers werken er bijvoorbeeld momenteel omheen -272°C. Bij hogere temperaturen neemt de klassieke mechanica het over.

Aangezien ons lichaam bij kamertemperatuur werkt, wordt verwacht dat het wordt beheerst door de klassieke wetten van de fysica. Om deze reden was de theorie van kwantumbewustzijn: uitdrukkelijke uitzetting Door veel geleerden – hoewel er anderen zijn overtuigde supporters.

In plaats van me in dit debat te mengen, besloot ik samen met mijn collega’s uit China, onder leiding van professor Xian-Min Jin aan de Shanghai Jiaotong University, enkele van de principes te testen die ten grondslag liggen aan de kwantumtheorie van bewustzijn.

in een Onze nieuwe krantWe hebben onderzocht hoe kwantumdeeltjes kunnen bewegen in een complexe structuur zoals de hersenen – maar in een laboratoriumomgeving. Als onze bevindingen ooit kunnen worden vergeleken met activiteit gemeten in de hersenen, zijn we misschien een stap dichter bij het valideren of afwijzen van Penrose en Hameroff. controversiële theorie.

READ  Het mediterrane dieet is echt goed voor je. Dit is waarom.

Hersenen en fractals

Onze hersenen bestaan ​​uit cellen die neuronen worden genoemd, en er wordt aangenomen dat hun gecombineerde activiteit bewustzijn genereert. Elk neuron bevat microscopisch kleine buisjes, die stoffen naar verschillende delen van de cel transporteren. De Penrose-Hammeroff-theorie van kwantumbewustzijn stelt dat microtubuli worden gebouwd in de vorm van: fractaal patroon dat zou kwantumoperaties mogelijk maken.

Fractals zijn structuren die noch 2D noch 3D zijn, maar in plaats daarvan enkele breukwaarden daartussenin. In de wiskunde verschijnen fractals als . mooie patronen die zichzelf oneindig herhaalt en het schijnbaar onmogelijke genereert: een structuur met een eindige oppervlakte, maar de omtrek ervan is oneindig.

Dit lijkt misschien onmogelijk voor te stellen, maar fractals komen vaak voor in de natuur. Als je goed naar de bloemen kijkt van bloemkool of takken van varen, zult u merken dat ze zijn samengesteld uit dezelfde basisvorm die zich steeds weer herhaalt, maar op steeds kleinere schalen. Dit is een essentieel kenmerk van fractals.

Hetzelfde gebeurt als je in je lichaam kijkt: een structuur je longen, bijvoorbeeld een fractal, zoals Aderen in de bloedsomloop. Fractals komen ook voor in de terugkerende charmante kunstwerken van MC Escher En Jackson Pollock, en wordt al tientallen jaren gebruikt in de technologie, zoals in antenne ontwerp.

Dit zijn allemaal voorbeelden van klassieke fractals – fractals die zich houden aan de wetten van de klassieke fysica in plaats van de kwantumfysica.

Het is gemakkelijk in te zien waarom fractals worden gebruikt om de complexiteit van het menselijk bewustzijn te verklaren. Omdat ze oneindig complex zijn, waardoor complexiteit kan ontstaan ​​uit eenvoudige, zich herhalende patronen, kunnen ze de structuren zijn die de mysterieuze diepten van onze geest ondersteunen.

READ  In het Internationale Ruimtestation zijn bacteriën aangetroffen die nog nooit eerder op aarde zijn gezien

Maar als dit het geval is, kan het alleen op kwantitatief niveau gebeuren, omdat kleine moleculen in fractale patronen in neuronen in de hersenen bewegen. Dit is de reden waarom het voorstel van Penrose en Hammeroff de ‘kwantumbewustzijn’-theorie wordt genoemd.

kwantumbewustzijn

We hebben het gedrag van kwantumfractalen in de hersenen nog niet – of helemaal niet – kunnen meten. Maar dankzij geavanceerde technologie kunnen we nu kwantumfractalen in het lab meten. in een Recent onderzoek erbij betrekken scanning tunneling microscoop (STM), en mijn collega’s in Utrecht en ik rangschikten de elektronen zorgvuldig in een fractaal patroon, wat resulteerde in de vorming van een kwantumfractal.

Toen we vervolgens de golffunctie van de elektronen maten, die hun kwantumtoestand beschrijven, ontdekten we dat ook zij in de fractale dimensie leven die wordt bepaald door het fysieke patroon dat we hebben gemaakt. In dit geval was het patroon dat we op de kwantitatieve schaal gebruikten: serpinski driehoek, een vorm die ergens tussen één en twee dimensies ligt.

Dit was een opwindende ontdekking, maar STM-technieken kunnen niet onderzoeken hoe kwantumdeeltjes bewegen – wat ons meer zal vertellen over hoe kwantumprocessen in de hersenen plaatsvinden. zelfs in Ons laatste onderzoekEn mijn collega’s van de Shanghai Jiaotong University zijn nog verder gegaan. Met behulp van de nieuwste optische experimenten konden we de kwantumbeweging die plaatsvindt in fractals in ongekend detail onthullen.

Dit hebben we bereikt door Fotonen injectie (lichte deeltjes) in een kunstmatige chip die nauwgezet is ontworpen tot een kleine Sierpiński-driehoek. We injecteerden fotonen aan de punt van de driehoek en keken hoe ze zich door de fractale structuur voortplanten in een proces dat Quantum transport النقل. Vervolgens herhaalden we dit experiment met twee verschillende fractale structuren, beide in de vorm van vierkanten in plaats van driehoeken. En in elk van deze structuren hebben we honderden experimenten uitgevoerd.

Onze waarnemingen van deze experimenten laten zien dat kwantumfractalen zich in feite anders gedragen dan klassieke fractals. In het bijzonder vonden we dat de voortplanting van licht door de fractal wordt beheerst door andere wetten in het kwantumgeval dan in het klassieke geval.

READ  Je zoetekauw kan vast in je DNA zitten

Deze nieuwe kennis van kwantumfractalen zou een basis kunnen bieden voor wetenschappers om de theorie van kwantumbewustzijn empirisch te testen. Als er ooit kwantummetingen uit het menselijk brein zouden zijn gedaan, zouden ze kunnen worden vergeleken met onze resultaten om te bepalen of bewustzijn een klassiek of een kwantumfenomeen is.

Ons werk kan ook ingrijpende implicaties hebben op alle wetenschappelijke gebieden. Door kwantumtransport in onze kunstmatig ontworpen fractale structuren te onderzoeken, hebben we misschien de eerste kleine stappen gezet in de richting van het verenigen van natuurkunde, wiskunde en biologie, wat ons begrip van de wereld om ons heen en de wereld in onze eigen wereld enorm zou kunnen verrijken. hoofden.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd Gesprek door Christian de Moraes Smith in een Universiteit Utrecht. Lees de Het originele artikel staat hier.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *