Certains scientifiques pensent que la conscience est générée par des processus quantiques, mais la théorie n’a pas encore été testée empiriquement.
L’une des questions ouvertes les plus importantes en science est de savoir comment notre conscience est établie. Dans les années 1990, bien avant de gagner Prix Nobel de physique 2020 pour sa prédiction des trous noirs, le physicien Roger Penrose s’est associé à l’anesthésiste Stuart Hameroff pour proposer une réponse ambitieuse.
ils prétendaient que le système neuronal du cerveau forme un réseau complexe et que la conscience qu’il produit doit obéir aux règles de mécanique quantique – la théorie qui détermine comment de minuscules particules comme les électrons se déplacent. Ceci, soutiennent-ils, pourrait expliquer la mystérieuse complexité de la conscience humaine.
Penrose et Hameroff ont été accueillis avec incrédulité. Les lois de la mécanique quantique ne s’appliquent généralement qu’à températures très basses. Les ordinateurs quantiques, par exemple, fonctionnent actuellement à environ -272°C. A des températures plus élevées, la mécanique classique prend le relais. Puisque notre corps fonctionne à température ambiante, on s’attendrait à ce qu’il soit régi par les lois classiques de la physique. Pour cette raison, la théorie de la conscience quantique a été licencié purement et simplement par de nombreux scientifiques – bien que d’autres soient partisans convaincus.
Au lieu d’entrer dans ce débat, j’ai décidé de m’associer à des collègues chinois, dirigés par le professeur Xian-Min Jin de l’Université Jiaotong de Shanghai, pour tester certains des principes qui sous-tendent la théorie quantique de la conscience.
Dans notre nouveau papier, nous avons étudié comment les particules quantiques pouvaient se déplacer dans une structure complexe comme le cerveau, mais dans un environnement de laboratoire. Si nos découvertes peuvent un jour être comparées à l’activité mesurée dans le cerveau, nous pourrions faire un pas de plus vers la validation ou le rejet de l’analyse de Penrose et Hameroff. théorie controversée.
Cerveaux et fractales
Notre cerveau est composé de cellules appelées neurones, et leur activité combinée est censée générer la conscience. Chaque neurone contient microtubules, qui transportent des substances vers différentes parties de la cellule. La théorie de Penrose-Hameroff de la conscience quantique soutient que les microtubules sont structurés dans un motif fractal qui permettrait aux processus quantiques de se produire.
Les fractales sont des structures qui ne sont ni bidimensionnelles ni tridimensionnelles, mais sont plutôt une valeur fractionnaire entre les deux. En mathématiques, les fractales apparaissent comme beaux motifs qui se répètent à l’infini, générant ce qui est apparemment impossible : une structure qui a une aire finie, mais un périmètre infini.
Cela peut sembler impossible à visualiser, mais les fractales se produisent en fait fréquemment dans la nature. Si vous regardez attentivement les fleurons d’un chou-fleur ou les branches d’une fougère, vous verrez qu’ils sont tous deux constitués de la même forme de base qui se répète encore et encore, mais à des échelles de plus en plus petites. C’est une caractéristique clé des fractales.
La même chose se produit si vous regardez à l’intérieur de votre propre corps : la structure de tes poumons, par exemple, est fractale, comme le sont les vaisseaux sanguins dans votre système circulatoire. Les fractales figurent également dans les œuvres d’art répétitives enchanteresses de MC Escher et Jackson Pollock, et ils ont été utilisés pendant des décennies dans la technologie, comme dans le conception d’antennes. Ce sont tous des exemples de fractales classiques – des fractales qui respectent les lois de la physique classique plutôt que la physique quantique.
Cette extension du cercle limite III d’Escher montre sa nature fractale et répétitive. Crédit : Vladimir-Bulatov/Deviantart, CC BY-NC-SA
Il est facile de comprendre pourquoi les fractales ont été utilisées pour expliquer la complexité de la conscience humaine. Parce qu’ils sont infiniment complexes, permettant à la complexité d’émerger de simples motifs répétés, ils pourraient être les structures qui soutiennent les profondeurs mystérieuses de nos esprits.
Mais si tel est le cas, cela ne pourrait se produire qu’au niveau quantique, avec de minuscules particules se déplaçant selon des schémas fractals dans les neurones du cerveau. C’est pourquoi la proposition de Penrose et Hameroff est appelée théorie de la « conscience quantique ».
Conscience quantique
Nous ne sommes pas encore en mesure de mesurer le comportement des fractales quantiques dans le cerveau, si elles existent. Mais la technologie de pointe signifie que nous pouvons désormais mesurer les fractales quantiques en laboratoire. Dans recherche récente impliquant un microscope à effet tunnel (STM), mes collègues d’Utrecht et moi avons soigneusement arrangé les électrons dans un motif fractal, créant une fractale quantique.
Lorsque nous avons ensuite mesuré la fonction d’onde des électrons, qui décrit leur état quantique, nous avons constaté qu’eux aussi vivaient à la dimension fractale dictée par le modèle physique que nous avions créé. Dans ce cas, le modèle que nous avons utilisé sur l’échelle quantique était le Triangle de Sierpinski, qui est une forme qui se situe quelque part entre unidimensionnel et bidimensionnel.
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C’était une découverte passionnante, mais les techniques STM ne peuvent pas sonder comment les particules quantiques se déplacent – ce qui nous en dirait plus sur la façon dont les processus quantiques pourraient se produire dans le cerveau. Donc dans nos dernières recherches, mes collègues de l’Université Jiaotong de Shanghai et moi sommes allés encore plus loin. À l’aide d’expériences photoniques de pointe, nous avons pu révéler le mouvement quantique qui se déroule dans les fractales avec des détails sans précédent.
Nous y sommes parvenus en injection de photons (particules de lumière) en une puce artificielle qui a été minutieusement conçue dans un minuscule triangle de Sierpiński. Nous avons injecté des photons à la pointe du triangle et observé leur propagation dans toute sa structure fractale au cours d’un processus appelé transport quantique. Nous avons ensuite répété cette expérience sur deux structures fractales différentes, toutes deux en forme de carrés plutôt que de triangles. Et dans chacune de ces structures, nous avons mené des centaines d’expériences.
Nous avons également mené des expériences sur une fractale de forme carrée appelée tapis de Sierpiński. Crédit : Johannes Rössel/wikimedia
Nos observations issues de ces expériences révèlent que les fractales quantiques se comportent en réalité différemment des fractales classiques. Plus précisément, nous avons constaté que la propagation de la lumière à travers une fractale est régie par des lois différentes dans le cas quantique par rapport au cas classique.
Cette nouvelle connaissance des fractales quantiques pourrait fournir les bases aux scientifiques pour tester expérimentalement la théorie de la conscience quantique. Si des mesures quantiques sont un jour prises dans le cerveau humain, elles pourraient être comparées à nos résultats pour décider définitivement si la conscience est un phénomène classique ou quantique.
Nos travaux pourraient également avoir des implications profondes dans tous les domaines scientifiques. En étudiant le transport quantique dans nos structures fractales conçues artificiellement, nous avons peut-être fait les premiers petits pas vers l’unification de la physique, des mathématiques et de la biologie, ce qui pourrait considérablement enrichir notre compréhension du monde qui nous entoure ainsi que du monde qui existe dans nos têtes. .
Écrit par Cristiane de Morais Smith, professeur de physique théorique, Université d’Utrecht.
Publié à l’origine le La conversation.