Một trong những câu hỏi mở quan trọng nhất trong khoa học là ý thức của chúng ta được thiết lập như thế nào. Vào những năm 1990, rất lâu trước khi đoạt giải Nobel Vật lý năm 2020 cho dự đoán về lỗ đen, nhà vật lý học Roger Penrose đã hợp tác với nhà gây mê Stuart Hameroff để đưa ra một câu trả lời đầy tham vọng.
Họ tuyên bố rằng hệ thống tế bào thần kinh của não tạo thành một mạng lưới phức tạp và ý thức mà hệ thống này tạo ra phải tuân theo các quy tắc của cơ học lượng tử - lý thuyết xác định cách mà các hạt nhỏ như electron chuyển động như thế nào. Họ cho rằng điều này có thể giải thích sự phức tạp bí ẩn của ý thức con người.
Penrose và Hameroff đã vấp phải khá nhiều những hoài nghi. Các định luật cơ lượng tử thường chỉ được áp dụng ở nhiệt độ rất thấp. Ví dụ, máy tính lượng tử hiện đang hoạt động ở khoảng -272 ° C. Ở nhiệt độ cao hơn, mọi chuyển động lại tuân theo cơ học cổ điển. Vì cơ thể của chúng ta hoạt động ở nhiệt độ môi trường thông thường, nên mọi chuyển động sẽ được điều chỉnh bởi các định luật vật lý cổ điển. Vì lý do này, lý thuyết ý thức lượng tử đã bị nhiều nhà khoa học bác bỏ hoàn toàn - tuy nhiên vẫn có những nhà khoa học khác ủng hộ.
Thay vì tham gia vào cuộc tranh luận này, Giáo sư, Vật lý lý thuyết Cristiane de Morais Smith, Đại học Utrecht, Hà Lan đã quyết định hợp tác với các đồng nghiệp từ Trung Quốc, dẫn đầu bởi Giáo sư Xian-Min Jin tại Đại học Giao thông Thượng Hải, để kiểm tra một số nguyên tắc làm nền tảng cho lý thuyết lượng tử của ý thức.
Trong bài báo mới của mình, các nhà khoa học đã nghiên cứu cách các hạt lượng tử có thể di chuyển trong một cấu trúc phức tạp như não - nhưng trong môi trường phòng thí nghiệm. Nếu một ngày nào đó, phát hiện này có thể được so sánh với hoạt động đo được trong não, các nhà khoa học có thể tiến một bước gần hơn đến việc xác thực hoặc bác bỏ lý thuyết gây tranh cãi của Penrose và Hameroff.
Não bộ và Hình học phân dạng (Fractals)
Bộ não của chúng ta bao gồm các tế bào được gọi là tế bào thần kinh, và hoạt động kết hợp của chúng được cho là tạo ra ý thức. Mỗi tế bào thần kinh chứa các vi ống, có chức năng vận chuyển các chất đến các phần khác nhau của tế bào. Lý thuyết Penrose-Hameroff về ý thức lượng tử lập luận rằng các vi ống được cấu trúc theo mô hình fractal có thể cho phép các quá trình lượng tử xảy ra.
Fractal (phân dạng) là một vật thể hình học thường có hình dạng gấp khúc trên mọi tỷ lệ phóng đại, và có thể được tách ra thành từng phần: mỗi phần trông giống như hình tổng thể, nhưng ở tỷ lệ phóng đại nhỏ hơn. Fractal là cấu trúc không phải là hai chiều hay ba chiều, mà thay vào đó là một số giá trị phân số ở giữa. Trong toán học, các điểm gãy nổi lên như những hình mẫu đẹp tự lặp lại vô hạn, tạo ra điều dường như không thể: một cấu trúc có diện tích hữu hạn, nhưng chu vi vô hạn.
Điều này nghe có vẻ khó hình dung, nhưng thực tế hiện tượng fractal xảy ra thường xuyên trong tự nhiên. Nếu bạn quan sát kỹ các chùm hoa của một bông súp lơ hoặc các nhánh của cây dương xỉ, bạn sẽ thấy rằng cả hai đều được tạo thành từ cùng một hình dạng cơ bản lặp đi lặp lại, nhưng ở quy mô ngày càng nhỏ hơn. Đó là đặc điểm chính của Fractal.
Điều tương tự cũng xảy ra nếu bạn nhìn vào bên trong cơ thể của chính mình: ví dụ, cấu trúc của phổi là dạng fractal, cũng như các mạch máu trong hệ tuần hoàn của bạn. Fractal cũng xuất hiện trong các tác phẩm nghệ thuật lặp lại đầy mê hoặc của MC Escher và Jackson Pollock, và chúng đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong công nghệ, chẳng hạn như trong thiết kế ăng-ten. Đây là tất cả các ví dụ về Fractal cổ điển - Fractal tuân theo các định luật vật lý cổ điển hơn là vật lý lượng tử.
-
- Một tác phẩm nghệ thuật Fractal Escher. Phần mở rộng này của Escher’s Circle Limit III cho thấy bản chất đứt gãy, lặp lại của nó. (Ảnh: Vladimir-Bulatov / Deviantart, CC BY-NC-SA)
Dễ dàng hiểu tại sao Fractal lại được sử dụng để giải thích sự phức tạp của ý thức con người. Bởi vì chúng vô cùng phức tạp, cho phép sự phức tạp xuất hiện từ các mẫu đơn giản lặp đi lặp lại, chúng có thể là cấu trúc hỗ trợ chiều sâu bí ẩn trong tâm trí của chúng ta.
Nhưng nếu trường hợp này xảy ra, nó chỉ có thể xảy ra ở cấp độ lượng tử, với các hạt nhỏ di chuyển theo mô hình fractal trong tế bào thần kinh của não. Đó là lý do tại sao đề xuất của Penrose và Hameroff được gọi là lý thuyết về “ý thức lượng tử”.
Ý thức lượng tử
Chúng tôi vẫn chưa thể đo lường hành vi của các Fractal lượng tử trong não - nếu chúng tồn tại. Nhưng giờ đây, những thiết bị công nghệ tiên tiến cho phép chúng ta có thể đo các Fractal lượng tử trong phòng thí nghiệm. Trong nghiên cứu gần đây với kính hiển vi quét đường hầm (STM), các nhà khoa học tại Đại học Utrecht đã cẩn thận sắp xếp các điện tử theo kiểu fractal, tạo ra fractal lượng tử.
Sau đó, khi các nhà khoa học đo hàm sóng của các electron, mô tả trạng thái lượng tử của chúng, họ nhận thấy rằng các hạt electron cũng sống ở chiều Fractal do mô hình vật lý mà họ tạo ra. Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã sử dụng mô hình trên thang lượng tử là tam giác Sierpiński, là hình dạng nằm ở đâu đó giữa một chiều và hai chiều.
Đây là một phát hiện thú vị, nhưng kỹ thuật STM không thể thăm dò cách các hạt lượng tử di chuyển - điều mà sẽ cho chúng ta biết thêm về cách các quá trình lượng tử có thể xảy ra trong não. Vì vậy, trong nghiên cứu mới nhất của các nhà khoa học tại Đại học Giao thông Thượng Hải và Đại học Utrecht đã tiến thêm một bước nữa. Sử dụng các thí nghiệm quang tử hiện đại, các nhà khoa học đã có thể nhận biết chuyển động lượng tử diễn ra trong các fractal một cách chi tiết chưa từng có.
Các nhà khoa học đạt được điều này bằng cách bắn các photon (hạt ánh sáng) vào một con chip nhân tạo được chế tạo một cách tỉ mỉ thành một hình tam giác Sierpiński nhỏ bé. Các nhà khoa học đã tiêm các photon vào đầu của tam giác và theo dõi cách chúng lan truyền khắp cấu trúc fractal của nó trong một quá trình được gọi là vận tải lượng tử. Sau đó, họ lặp lại thí nghiệm này trên hai cấu trúc fractal khác nhau, cả hai đều có dạng hình vuông chứ không phải hình tam giác. Và trong mỗi cấu trúc này, các nhà khoa học đã tiến hành hàng trăm thí nghiệm.
-
- Các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm trên một loại Fractal hình vuông được gọi là thảm Sierpiński. (Ảnh: Johannes Rössel / wikimedia)
Các quan sát của các nhà khoa học từ các thí nghiệm này cho thấy rằng các Fractal lượng tử thực sự hoạt động theo một cách khác với các Fractal cổ điển. Cụ thể, họ nhận thấy rằng sự lan truyền của ánh sáng qua một Fractal bị chi phối bởi các định luật khác nhau trong trường hợp lượng tử so với trường hợp cổ điển.
Kiến thức mới này về Fractal lượng tử có thể cung cấp nền tảng cho các nhà khoa học để kiểm tra thực nghiệm lý thuyết về ý thức lượng tử. Nếu một ngày nào đó các phép đo lượng tử được lấy từ não người, chúng có thể được so sánh với kết quả này của các nhà khoa học để quyết định chắc chắn xem ý thức là một hiện tượng cổ điển hay lượng tử.
Công việc của các nhà khoa học này cũng có thể có ý nghĩa sâu sắc trên nhiều lĩnh vực khoa học khác. Bằng cách nghiên cứu sự vận tải lượng tử trong các cấu trúc fractal được thiết kế nhân tạo của mình, các nhà khoa học có thể đã thực hiện những bước nhỏ đầu tiên hướng tới sự hợp nhất của vật lý, toán học và sinh học, điều này có thể làm phong phú thêm hiểu biết của chúng ta về thế giới xung quanh cũng như thế giới tồn tại trong bộ não ở bên trong đầu của chúng ta.
Theo The Conversation
