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Un nuovo studio sui frattali potrebbe fornire le basi per testare sperimentalmente la teoria della coscienza quantistica
Come si stabilisce la nostra coscienza? Negli anni ’90 il fisico Roger Penrose ha collaborato con l’anestesista Stuart Hameroff per proporre una risposta a tale quesito. I due scienziati hanno sostenuto che il sistema neuronale del cervello forma una rete intricata e che la coscienza che questo produce dovrebbe obbedire alle regole della meccanica quantistica. Secondo loro, infatti, ciò potrebbe spiegare la misteriosa complessità della coscienza umana.
Oggi, un nuovo studio condotto da Cristiane de Morais Smith, professore di fisica teoretica presso l’Università di Utrecht, in collaborazione con i ricercatori dell’Università Jiaotong di Shanghai guidati dal professor Xian-Min Jin, ha testato alcuni dei principi alla base della teoria quantistica della coscienza. Gli scienziati hanno studiato come le particelle quantistiche potrebbero muoversi in una struttura complessa come il cervello, ma in un ambiente di laboratorio. I risultati potranno un giorno essere confrontati con l’attività misurata nel cervello e, magari, potrebbero avvicinarci alla convalida o al rigetto della controversa teoria di Penrose e Hameroff.
Frattali e coscienza quantistica
Il cervello umano è costituito da cellule chiamate neuroni e si pensa che la loro attività combinata generi la coscienza. Ogni neurone contiene microtubuli che trasportano sostanze a diverse parti della cellula. La teoria della coscienza quantistica di Penrose-Hameroff sostiene che i microtubuli sono strutturati in uno schema frattale che permetterebbe il verificarsi di processi quantistici.
Un frattale è una struttura geometrica dotata di omotetia interna, cioè si ripete nella sua forma allo stesso modo su scale diverse e ingrandendo una qualunque sua parte si ottiene una figura simile all’originale. I frattali non sono né bidimensionali né tridimensionali, ma sono invece valori frazionari intermedi. In matematica, i frattali emergono come schemi bellissimi che si ripetono all’infinito, generando qualcosa che sembrerebbe impossibile, cioè una struttura che ha un’area finita ma un perimetro infinito.
I frattali si verificano di frequente in natura, basti pensare alle cime di un cavolfiore o ai rami di una felce che sono costituiti dalla stessa forma di base che si ripete più e più volte. Anche la struttura dei polmoni è frattale, così come lo sono i vasi sanguigni nel sistema circolatorio. Un altro esempio è rappresentato dalle opere d’arte ripetute di MC Escher e Jackson Pollock.
È allora facilmente intuibile perché i frattali siano stati usati per spiegare la complessità della coscienza umana. Dato che sono infinitamente intricati, consentendo alla complessità di emergere da semplici schemi ripetuti, potrebbero essere le strutture che supportano le misteriose profondità della mente umana. E se questo fosse vero, ciò 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 appunto chiamata teoria della “coscienza quantistica”.
Gli esperimenti sui frattali quantistici in laboratorio
Ammesso che esistano, gli scienziati non sono ancora in grado di misurare il comportamento dei frattali quantistici nel cervello. Ma grazie agli sviluppi tecnologici odierni, è possibile misurare i frattali quantistici in laboratorio.
Nel recente studio, che ha coinvolto un microscopio a effetto tunnel (STM), i ricercatori dell’Università di Utrecht hanno disposto con cura gli elettroni in uno schema frattale, creando un frattale quantistico. Quando poi hanno misurato la funzione d’onda degli elettroni, che descrive il loro stato quantico, è stato scoperto che anche questi 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.
Si è trattato di una scoperta davvero interessante, ma le tecniche STM non possono sondare il modo in cui si muovono le particelle quantistiche, il che fornirebbe più informazioni su come potrebbero verificarsi i processi quantistici nel cervello. Nell’ultima ricerca effettuata in collaborazione con i colleghi dell’Università Jiaotong di Shanghai, invece, gli scienziati, utilizzando esperimenti di fotonica all’avanguardia, sono stati in grado di rivelare con dettagli senza precedenti il movimento quantistico che avviene all’interno dei frattali.
Nell’esperimento che ha consentito 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. Immettendo fotoni sulla punta del triangolo si è osservato come si diffondono nella sua struttura frattale, in un processo chiamato trasporto quantistico. Tale esperimento è stato poi ripetuto su due diverse strutture frattali, entrambe a forma di quadrato anziché di triangolo, e in ognuna di queste strutture sono stati eseguiti centinaia di esperimenti.
I risultati dello studio
Le osservazioni fatte grazie a queste sperimentazioni hanno rivelato che in realtà i frattali quantistici 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, quindi, potrebbe fornire le basi per gli scienziati per testare sperimentalmente la teoria della coscienza quantistica. In effetti, se un giorno le misurazioni quantistiche verranno prese dal cervello umano, potranno essere confrontate con i risultati di questo studio per decidere definitivamente se la coscienza è un fenomeno classico o quantistico.
Il lavoro svolto in questa innovativa ricerca potrebbe anche avere importanti implicazioni in tutti i campi della scienza. Grazie all’indagine sul trasporto quantistico nelle strutture frattali progettate artificialmente, infatti, gli scienziati potrebbero aver compiuto i primi piccoli passi verso l’unificazione di fisica, matematica e biologia, passi che potranno arricchire considerevolmente la comprensione sia del mondo materiale esteriore che di quello che esiste nelle nostre menti.