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. Le leggi della meccanica quantistica di solito 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 classiche leggi della fisica. Per questo motivo, la teoria della coscienza quantistica è stata completamente respinta da molti scienziati, sebbene altri siano convinti sostenitori.
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 a 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 cime 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 ovvero frattali che rispettano le leggi della fisica classica piuttosto che della fisica quantistica.
È facile capire perché i frattali sono 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 con la tecnologia avanzata ora possiamo misurare i frattali quantistici in laboratorio.
In una recente ricerca che ha coinvolto un microscopio a effetto tunnel (STM), sono stati disposti con cura gli elettroni in uno schema frattale, creando un frattale quantistico.
Quando poi è stata misurata la funzione d’onda degli elettroni, che descrive il loro stato quantico, è stato scoperto che anche loro vivevano alla dimensione frattale dettata dal modello fisico che era stato creato. In questo caso, lo schema 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, nell’ultima ricerca effettuata dalla Shanghai Jiaotong University, è stato fatto un ulteriore passo avanti. Utilizzando esperimenti di fotonica all’avanguardia, i ricercatori sono stati in grado di rivelare il movimento quantistico che avviene all’interno dei frattali con dettagli senza precedenti.
Nell’esperimento che ha permesso di raggiungere questo obiettivo, sono stati iniettanti fotoni (particelle di luce), in un chip artificiale che è stato accuratamente progettato in un minuscolo triangolo di Sierpiński.
Iniettando fotoni sulla punta del triangolo si è osservato come si diffondano nella sua struttura frattale in un processo chiamato trasporto quantistico. E’ stato poi ripetuto questo esperimento su due diverse strutture frattali, entrambe a forma di quadrato anziché di triangolo. E in ognuna di queste strutture sono stati condotti centinaia di esperimenti.
Le osservazioni fatte da questi esperimenti rivelano che i frattali quantistici in realtà si comportano in modo diverso da quelli classici. Nello specifico, è stato 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 verranno prese dal cervello umano, potranno essere confrontate con i risultati per decidere definitivamente se la coscienza è un fenomeno classico o quantistico.
Il lavoro effettuato potrebbe anche avere profonde implicazioni in tutti i campi scientifici.
Indagando sul trasporto quantistico nelle nostre strutture frattali progettate artificialmente, si potrà dire di aver compiuto i primi piccoli passi verso l’unificazione di fisica, matematica e biologia, che potranno arricchire notevolmente la nostra comprensione del mondo che ci circonda e del mondo che esiste nelle nostre teste.
