La meccanica quantistica spiega la consapevolezza di sé e il libero arbitrio?
Se stai leggendo questo adesso, o sei un essere cosciente o un bot di internet. Questo è abbastanza ovvio, ma quello che non è ovvio è cosa ti rende cosciente. La coscienza è definita come la conoscenza e la comprensione che qualcosa sta accadendo o esiste. Ci permette di essere consapevoli di ciò che ci circonda e del nostro stato mentale, fisico ed emotivo. Nonostante il fatto che sperimentiamo la coscienza ogni giorno, non la comprendiamo appieno. Gli scienziati non sono ancora sicuri di dove abbia origine la coscienza. È nel cervello? Le piante, i funghi o i batteri possono essere coscienti? E l’IA? Penso che il dilemma che circonda la coscienza sia riassunto bene da questa citazione da Scientific American:
“In definitiva ciò di cui abbiamo bisogno è una soddisfacente teoria scientifica della coscienza che predica in quali condizioni un particolare sistema fisico – che sia un complesso circuito di neuroni o transistor di silicio – abbia esperienze. Inoltre, perché la qualità di queste esperienze è diversa? Perché un cielo blu chiaro è così diverso dallo stridore di un violino mal accordato? Queste differenze di sensazioni hanno una funzione, e se sì, qual è? Una tale teoria ci permetterà di dedurre quali sistemi sperimenteranno qualcosa. In assenza di una teoria con previsioni verificabili, qualsiasi speculazione sulla coscienza delle macchine si basa solo sulla nostra intuizione, che la storia della scienza ha dimostrato non essere una guida affidabile.”
Una grande quantità di ricerca è andata nella mappatura delle interazioni dei neuroni nel cervello per capire come, come dice l’articolo che ho citato sopra, “un organo di tre libbre con la consistenza del tofu emana la sensazione di vita”. Due teorie principali sono lo spazio di lavoro neuronale globale (GNW) e la teoria dell’informazione integrata (IIT). La GNW afferma che la coscienza emerge quando un intero sistema fisico ha accesso alle informazioni e le elabora in un modo particolare. In GNW, l’esperienza cosciente dipende esclusivamente dal modo in cui l’informazione viene elaborata. Secondo questa logica, un programma per computer potrebbe diventare cosciente pur non avendo un corpo tangibile. L’IIT va contro questa idea, affermando che la coscienza deriva da esperienze coscienti e relazioni di causa-effetto. Sostiene che gli eventi nel mondo ci fanno avere esperienze coscienti. Secondo l’IIT, la coscienza richiede strutture fisiche specializzate che interagiscono con il mondo. Pertanto, la coscienza non può essere calcolata. Pensatela come una simulazione di un buco nero che non è in grado di creare una reale attrazione gravitazionale. Entrambe queste teorie hanno alcune prove sperimentali a sostegno, ma nessuna è stata confermata. È possibile che la risposta all’origine della coscienza sia una via di mezzo tra le due o qualcosa di completamente diverso. Ed è importante per il futuro della psichiatria e dell’intelligenza artificiale imparare il più possibile sulla coscienza.
Se stiamo cercando di conoscere i fondamenti della coscienza, forse dovremmo guardare alle leggi fondamentali che governano il nostro universo: la fisica quantistica. Alcune teorie suggeriscono che la coscienza emerge come risultato della meccanica quantistica, ma per valutare correttamente questa idea, dobbiamo elencare ciò che già sappiamo sulla coscienza.
La coscienza è diversa dall’intelligenza, ma le due cose sembrano essere correlate ed entrambe sembrano essere esclusive degli esseri viventi. Alcuni panpsichisti credono che oggetti inanimati come le rocce siano coscienti, ma poiché una roccia non mostra alcun segno di consapevolezza verso l’esterno, non possiamo né provare né confutare che la possiedano. Se la coscienza è esclusiva degli organismi, probabilmente l’hanno evoluta per sopravvivere. La consapevolezza è utile per molte cose, tra cui, ma non solo: trovare i nutrienti, localizzare i compagni, monitorare il proprio stato interno, reagire alle minacce e comunicare e socializzare con altri organismi. Se combinati con l’intelligenza, gli organismi coscienti possono pensare a nuove strategie di sopravvivenza e persino sviluppare tratti come la creatività e l’immaginazione. C’è un bel video di Kurzgesagt sull’evoluzione della coscienza.
Come la vita stessa, coscienza e intelligenza sembrano essere proprietà emergenti. Le proprietà emergenti sono qualità possedute da un gruppo di cose, ma non da ogni cosa individualmente. La vita è una proprietà emergente. Un singolo atomo non è vivo, ma molti atomi insieme possono esserlo. Allo stesso modo, una singola cellula cerebrale non sembra intelligente o autocosciente, ma molte di esse che lavorano insieme possono sicuramente esserlo. L’intelligenza e l’autocoscienza sono fenomeni complessi che nascono da processi più semplici, come lo sparo dei neuroni. Quindi la domanda “La coscienza è un fenomeno quantistico?” potrebbe avere due risposte. Abbiamo bisogno del nostro cervello per essere coscienti, e il cervello è composto da innumerevoli particelle subatomiche che operano tutte secondo la teoria dei campi quantistici. Pertanto, si potrebbe sostenere che la coscienza deve nascere dalla meccanica quantistica. Ma questo è un collegamento indiretto tra la coscienza e la meccanica quantistica. Quello che vogliamo sapere è se la coscienza stessa esibisce proprietà quantistiche. Per fare questo, abbiamo bisogno di vedere come appare la meccanica quantistica quando emerge sulla scala dei neuroni e dei cervelli.
La cosa più nota della fisica quantistica è che le particelle non esistono in un solo posto alla volta. La probabilità che una particella sia osservata in un luogo specifico è determinata dalla sua funzione d’onda. Le funzioni d’onda sono strumenti matematici usati per descrivere particelle individuali e gruppi di particelle. Quando una particella o un gruppo di particelle viene osservato, la sua funzione d’onda collassa in un singolo punto. Un malinteso comune è che la coscienza permette a qualcuno di far collassare questa funzione d’onda con la propria mente. Ciò che effettivamente fa collassare le funzioni d’onda ha a che fare con ciò che intendiamo quando diciamo che una particella viene osservata. Osservare una particella significa davvero misurare le sue proprietà in qualche modo, il che richiede un’interazione fisica tra la particella e il dispositivo di misurazione. Quando questo accade, lo stato quantico della particella diventa entangled con gli stati quantici delle particelle che compongono o sono emesse dal dispositivo di misurazione. Man mano che più particelle vengono aggrovigliate insieme, avviene un processo chiamato decoerenza. C’è una grande serie di video in tre parti sulla decoerenza da PBS Spacetime.
La decoerenza è responsabile del collasso della funzione d’onda, ed è governata dalle interazioni fisiche tra le particelle. L’unico modo conosciuto per un essere cosciente di far collassare una funzione d’onda è di interagire fisicamente con essa in qualche modo. Quindi puoi far collassare una funzione d’onda con la tua mente, ma è lo stesso che muovere oggetti con la tua mente. Quando prendo il mio telefono, la mia mente dice alla mia mano di afferrarlo. Quando un osservatore fa collassare intenzionalmente la funzione d’onda di una particella, la sua mente dice al suo corpo di interagire con essa in qualche modo. Questo potrebbe essere semplice come toccare la particella o preciso come far funzionare un rilevatore di particelle. Le particelle interagiscono costantemente l’una con l’altra, quindi l’intero universo ha la sua funzione d’onda incredibilmente complicata. Ecco perché quando guardiamo un grande gruppo di particelle come una persona, non vediamo un ronzio quantico di incertezza. I grandi sistemi di particelle decoherizzano, quindi non mostrano le stesse proprietà quantistiche delle particelle che li compongono. Ma ci sono alcuni fenomeni quantistici speciali che si verificano su scale relativamente grandi, comprese le scale degli esseri viventi.
Ho parlato di alcuni di questi fenomeni in post precedenti. Uno che è molto popolare è il quantum computing, dove l’incertezza negli stati delle particelle è usata per elaborare più informazioni in una volta rispetto ai transistor. In teoria, si può creare un’intelligenza artificiale usando un computer quantistico. Se un’intelligenza artificiale che gira su un computer quantistico diventasse consapevole di sé, la sua coscienza dipenderebbe dagli effetti quantistici. Questo si adatta alla teoria dell’informazione integrata che la coscienza dipende dalla natura fisica di un sistema. Tuttavia, una IA quantistica autocosciente non proverebbe che la coscienza richiede effetti quantistici macroscopici per verificarsi. Secondo la teoria dello spazio di lavoro neuronale globale, una IA potrebbe diventare autocosciente anche se fosse in esecuzione su computer classici. Quello che ci interessa è la prova che la coscienza è intrinsecamente quantistica. Per questo, guardiamo dove sappiamo che la coscienza nasce: il nostro cervello.
In post precedenti, ho anche discusso della biologia quantistica, l’emergere della fisica quantistica nei processi essenziali per gli esseri viventi. I cloroplasti delle piante possono utilizzare le proprietà ondulatorie delle particelle per ottimizzare la fotosintesi. Gli uccelli possono avere proteine specializzate nei loro occhi che permettono loro di percepire il campo magnetico terrestre tramite entanglement quantistico. E il tunneling quantistico potrebbe giocare un ruolo importante nell’evoluzione, poiché potrebbe essere ciò che permette alle mutazioni di verificarsi nel DNA. Tutto questo per dire che sempre più ricerche dimostrano che effetti quantistici specializzati possono verificarsi nel caldo e disordinato mondo delle cellule e delle proteine. E nei neuroni?
Se troviamo effetti quantici macroscopici essenziali per l’attività neurale, sarebbe un indicatore che la teoria dell’informazione integrata è corretta e la meccanica quantistica è una delle caratteristiche essenziali che un sistema fisico deve utilizzare per diventare cosciente. In breve, suggerirebbe che la meccanica quantistica su larga scala è essenziale per lo sviluppo della coscienza. E cosa troviamo? Beh, la ricerca ha scoperto tre effetti quantistici piuttosto interessanti che potrebbero essere essenziali per il funzionamento del cervello.
Per far viaggiare le informazioni nel cervello, sostanze chimiche chiamate neurotrasmettitori devono muoversi tra i neuroni. Questi neurotrasmettitori si muovono attraverso la sinapsi tra i neuroni ogni volta che un segnale scatta nel cervello. Affinché i neurotrasmettitori vengano inviati, gli ioni di calcio devono muoversi tra i neuroni. Ogni neurone ha dei canali ionici che permettono il passaggio degli ioni di calcio. Questi canali sono molto piccoli, circa la dimensione di un atomo di calcio. La piccola dimensione crea un’incertezza quantistica sul fatto che uno ione calcio possa entrare in un neurone. In teoria, questa incertezza quantistica che si verifica in trilioni di neuroni contemporaneamente crea una miscela quantistica di stati in tutto il cervello. Questo miscuglio di stati quantici potrebbe essere la caratteristica necessaria che un sistema fisico richiede per sperimentare la coscienza.
2) Calcolo quantistico nei microtubuli
I neuroni del cervello oscillano in attività in un modello coerente durante specifici processi di pensiero. Questa oscillazione sincrona può essere ciò che permette la comunicazione tra diverse regioni del cervello e stabilisce la memoria. Diverse oscillazioni di frequenza si verificano nelle stesse posizioni nel cervello per evitare il traffico di informazioni quando si comunica ad altre regioni del cervello. La meccanica quantistica può spiegare come tanti diversi sottoinsiemi di connessioni oscillanti nel cervello possano essere generati contemporaneamente.
Un modo in cui queste oscillazioni possono verificarsi è se i microtubuli all’interno dei neuroni sono costruiti come computer quantistici. I microtubuli sono come il cervello di una cellula cerebrale. Sono molecole strutturali in rapido cambiamento che rispondono istantaneamente agli eventi mentali riconfigurando la struttura dei dendriti e degli assoni, i rami di ingresso e di uscita del neurone. L’array di microtubuli nel cervello può esibire un effetto quantico simile a quelli dei computer quantistici. In particolare, le molecole di tubulina nei microtubuli possono essere in una sovrapposizione di stati quantici che possono essere utilizzati per operazioni di calcolo quantico. I critici sostengono che questa sovrapposizione di stati quantici dovrebbe collassare in meno di 1/10¹² secondi a causa della decoerenza, che è molto più breve dei millisecondi necessari per i processi microtubulari per verificarsi nel neurone. Il fisico Robert Penrose ha proposto un ipotetico processo gravitazionale quantistico che potrebbe estendere la durata di vita di queste superposizioni fino a 10-100 millisecondi. Queste superposizioni prolungate durerebbero abbastanza a lungo da influenzare significativamente le funzioni dei microtubuli e permettere al calcolo quantistico di verificarsi nei neuroni. Uno studio di un laboratorio giapponese ha trovato prove che se i microtubuli si comportano come computer quantistici, dovremmo aspettarci di vedere le stesse risonanze vibrazionali e caratteristiche di conducibilità che osserviamo nei neuroni. La ricerca ha anche dimostrato che gli stati di spin entangled possono essere mantenuti nell’ambiente caldo e rumoroso del cervello. Altre ricerche hanno collegato la capacità degli anestetici di inibire la coscienza con l’interruzione chimica dei processi quantistici.
Se il calcolo quantico è una parte essenziale della funzione neurale, potrebbe essere un requisito fondamentale di qualsiasi sistema cosciente e confermare la teoria dell’informazione integrata. Ergo, una IA su un computer quantistico potrebbe diventare autocosciente, ma una IA su un computer classico no.
3) Sincronizzazione neurale e blocco di fase
Un’altra spiegazione delle oscillazioni sincrone nel cervello è il blocco di fase neurale. Il blocco di fase è quando le sinapsi si accendono allo stesso tempo. Questo può accadere come risultato della coerenza quantistica tra i neuroni. La coerenza quantistica è quando c’è una relazione conoscibile tra la fase delle funzioni d’onda di particelle diverse. La relazione di fase tipicamente diventa sempre meno conoscibile man mano che sempre più particelle si aggrovigliano tra loro, quindi è difficile da mantenere sulla scala di un cervello. La coerenza sarebbe necessaria anche nei microtubuli per farli agire come computer quantistici. Come abbiamo discusso, sempre più ricerche suggeriscono che la coerenza è realizzabile per i sistemi biologici, quindi non è il più grande salto di logica pensare che il cervello potrebbe conservarla.
Ora che conosciamo diversi modi in cui la coscienza nel cervello potrebbe dipendere dai fenomeni quantistici, quali sono le implicazioni? Oltre all’autocoscienza, la meccanica quantistica potrebbe essere ciò che dà agli esseri coscienti il libero arbitrio. Per molto tempo, la nostra comprensione della fisica è stata deterministica. Determinismo significa che tutto ciò che riguarda un sistema è predeterminato dallo stato del sistema nel passato. Se si sa tutto di un sistema in un punto nel tempo, allora si può dedurre il suo esatto stato in tutti gli altri punti nel tempo, passati o futuri. Tuttavia, la scoperta della meccanica quantistica ha rivelato che il comportamento delle particelle subatomiche è fondamentalmente casuale. Certi eventi hanno più probabilità di accadere di altri, ma nessun evento è mai garantito al 100%. Se la nostra esperienza cosciente risulta da questi processi fondamentalmente casuali, significa che non si può prevedere con perfetta certezza cosa farà un essere cosciente. In questo modo, la fisica quantistica può fornire alla nostra mente una certa indipendenza dal mondo che ci circonda. Il filosofo Platone immaginava un mondo di idee e concetti separato da quello fisico. Questo mondo platonico potrebbe presto avere un fondamento reale nella fisica fondamentale.
Puoi saperne di più sulla natura del determinismo contro la casualità e cosa ci dice sull’esistenza del libero arbitrio qui:
In conclusione, ci aspettiamo che la coscienza si sia evoluta come un modo per gli organismi di sostenersi meglio. Le teorie non sono d’accordo se la coscienza dipende solo da come una mente elabora le informazioni o se ci sono attributi fisici di cui un sistema ha bisogno per diventare consapevole di sé. Gli effetti quantistici macroscopici sono stati proposti come un possibile requisito per i sistemi coscienti, e ci sono molteplici modi in cui potrebbero verificarsi tra i neuroni nel cervello. Non solo la biologia quantistica potrebbe spiegare l’autocoscienza, ma potrebbe anche spiegare perché sperimentiamo il libero arbitrio. Poiché si tratta di un argomento molto profondo e affascinante, vi consiglio di fare qualche ulteriore lettura in merito:
Nei miei prossimi tre post, mi immergerò in altri concetti che circondano la meccanica quantistica e la mente. Discuterò se una macchina per il teletrasporto sarebbe fatale da usare, se la coscienza può esistere senza un corpo fatto di atomi e cellule, e se l’immortalità quantistica potrebbe salvare un universo simulato dall’essere scollegato. Ci vediamo lì!
Lavori citati
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