Kan bewustzijn verklaard worden door de kwantumfysica?

Gepubliceerd: 19 juli 2021

Cristiane de Morais Smith, Universiteit Utrecht

Sommige wetenschappers geloven dat bewustzijn wordt gegenereerd door kwantumprocessen, maar de theorie moet nog empirisch worden getest.

Een van de belangrijkste open vragen in de wetenschap is hoe ons bewustzijn tot stand komt. In de jaren negentig, lang voordat hij de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2020 won voor zijn voorspelling van zwarte gaten, werkte natuurkundige Roger Penrose samen met anesthesioloog Stuart Hameroff om een ​​ambitieus antwoord voor te stellen.

Ze beweerden dat het neuronale systeem van de hersenen een ingewikkeld netwerk vormt en dat het bewustzijn dat dit produceert moet gehoorzamen aan de regels van de kwantummechanica – de theorie die bepaalt hoe kleine deeltjes zoals elektronen zich verplaatsen. Dit zou volgens hen de mysterieuze complexiteit van het menselijk bewustzijn kunnen verklaren.

Penrose en Hameroff werden met ongeloof ontvangen. Kwantummechanische wetten blijken doorgaans alleen van toepassing bij zeer lage temperaturen. Kwantumcomputers werken momenteel bijvoorbeeld bij ongeveer -272°C. Bij hogere temperaturen neemt de klassieke mechanica het over. Omdat ons lichaam op kamertemperatuur werkt, zou je verwachten dat het wordt beheerst door de klassieke natuurwetten. Om deze reden is de kwantumbewustzijnstheorie door veel wetenschappers regelrecht verworpen – hoewel anderen overtuigde voorstanders zijn.

In plaats van dit debat aan te gaan, besloot ik de krachten te bundelen met collega's uit China, onder leiding van professor Xian-Min Jin aan de Shanghai Jiaotong Universiteit, om enkele principes te testen die ten grondslag liggen aan de kwantumtheorie van bewustzijn.

In ons nieuwe artikel hebben we onderzocht hoe kwantumdeeltjes kunnen bewegen in een complexe structuur zoals de hersenen, maar dan in een laboratoriumomgeving. Als onze bevindingen op een dag kunnen worden vergeleken met de gemeten activiteit in de hersenen, komen we misschien een stap dichter bij het valideren of verwerpen van de controversiële theorie van Penrose en Hameroff.

Hersenen en fractals

Onze hersenen zijn samengesteld uit cellen die neuronen worden genoemd, en er wordt aangenomen dat hun gecombineerde activiteit bewustzijn genereert. Elk neuron bevat microtubuli, die stoffen naar verschillende delen van de cel transporteren. De Penrose-Hameroff-theorie van het kwantumbewustzijn stelt dat microtubuli gestructureerd zijn in een fractaal patroon waardoor kwantumprocessen kunnen optreden. Fractals zijn structuren die noch tweedimensionaal, noch driedimensionaal zijn, maar in plaats daarvan een fractionele waarde daartussenin hebben. In de wiskunde komen fractals naar voren als prachtige patronen die zichzelf oneindig herhalen en genereren wat schijnbaar onmogelijk is: een structuur met een eindige oppervlakte, maar een oneindige omtrek.

Lees meer uitleg: wat zijn fractals?

Dit klinkt misschien onmogelijk om te visualiseren, maar fractals komen in de natuur vaak voor. Als je goed naar de roosjes van een bloemkool of de takken van een varen kijkt, zul je zien dat ze allebei uit dezelfde basisvorm bestaan ​​die zich keer op keer herhaalt, maar op steeds kleinere schaal. Dat is een belangrijk kenmerk van fractals.

Hetzelfde gebeurt als je in je eigen lichaam kijkt: de structuur van je longen is bijvoorbeeld fractaal, net als de bloedvaten in je bloedsomloop. Fractals komen ook voor in de betoverende herhalende kunstwerken van MC Escher en Jackson Pollock, en worden al tientallen jaren gebruikt in de technologie, zoals bij het ontwerp van antennes. Dit zijn allemaal voorbeelden van klassieke fractals – fractals die zich houden aan de wetten van de klassieke natuurkunde in plaats van aan de kwantumfysica. 

Het gekleurde plaatje toont de uitbreiding van Eschers' Circle Limit III toont het fractale, herhalende karakter ervan. 

Het is gemakkelijk in te zien waarom fractals zijn gebruikt om de complexiteit van het menselijk bewustzijn te verklaren. Omdat ze oneindig ingewikkeld zijn, waardoor complexiteit kan voortkomen uit eenvoudige herhaalde patronen, kunnen het de structuren zijn die de mysterieuze diepten van onze geest ondersteunen. Maar als dit het geval is, zou dit alleen op kwantumniveau kunnen gebeuren, met kleine deeltjes die in fractale patronen binnen de neuronen van de hersenen bewegen. Daarom wordt het voorstel van Penrose en Hameroff een theorie van ‘kwantumbewustzijn’ genoemd. 

Kwantumbewustzijn

We zijn nog niet in staat het gedrag van kwantumfractalen in de hersenen te meten – als ze al bestaan. Maar dankzij geavanceerde technologie kunnen we nu kwantumfractalen in het laboratorium meten. In recent onderzoek met een Scanning Tunneling Microscoop (STM) hebben mijn collega's in Utrecht en ik de elektronen zorgvuldig in een fractaal patroon gerangschikt, waardoor een kwantumfractal ontstond. 

Toen we vervolgens de golffunctie van de elektronen maten, die hun kwantumtoestand beschrijft, ontdekten we dat ook zij leefden in de fractale dimensie die werd gedicteerd door het fysieke patroon dat we hadden gemaakt. In dit geval was het patroon dat we op kwantumschaal gebruikten de Sierpiński-driehoek, een vorm die ergens tussen eendimensionaal en tweedimensionaal ligt.

Dit was een opwindende bevinding, maar STM-technieken kunnen niet onderzoeken hoe kwantumdeeltjes bewegen – wat ons meer zou vertellen over hoe kwantumprocessen in de hersenen zouden kunnen plaatsvinden. Dus in ons laatste onderzoek gingen mijn collega's van de Shanghai Jiaotong Universiteit en ik nog een stap verder. Met behulp van de modernste fotonica-experimenten konden we de kwantumbeweging die plaatsvindt in fractals tot in ongekend detail onthullen. 

We hebben dit bereikt door fotonen (lichtdeeltjes) te injecteren in een kunstmatige chip die met veel moeite in een kleine Sierpiński-driehoek is geconstrueerd.

We injecteerden fotonen aan de punt van de driehoek en keken hoe ze zich door de fractale structuur verspreidden in een proces dat kwantumtransport wordt genoemd. Vervolgens herhaalden we dit experiment op 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.

Op het tweede zwart-wit plaatje zie je hoe we ook experimenten hebben uitgevoerd op een vierkante fractal, het Sierpiński-tapijt. Johannes Rössel/Wikimedia

Onze observaties uit deze experimenten laten zien dat kwantumfractalen zich feitelijk op een andere manier gedragen dan klassieke fractals. Concreet ontdekten we dat de verspreiding van licht over een fractal in het kwantumgeval door andere wetten wordt beheerst dan in het klassieke geval.

Deze nieuwe kennis van kwantumfractalen zou de basis kunnen vormen voor wetenschappers om de theorie van kwantumbewustzijn experimenteel te testen. Als er ooit kwantummetingen van het menselijk brein worden gedaan, kunnen ze worden vergeleken met onze resultaten om definitief te beslissen of bewustzijn een klassiek of een kwantumfenomeen is. Ons werk zou ook diepgaande implicaties kunnen hebben op wetenschappelijke terreinen.

Door kwantumtransport in onze kunstmatig ontworpen fractale structuren te onderzoeken, hebben we misschien de eerste kleine stappen gezet naar de eenwording van natuurkunde, wiskunde en biologie, wat ons begrip van de wereld om ons heen en de wereld die in ons hoofd bestaat enorm zou kunnen verrijken.

Dit artikel komt uit het boek: De Hilarische Historie van een Herrenhaus