هل ينشأ من الظواهر الميكانيكية الكمومية؟
(مقال مترجم)
بقلم: هارتموت نيفين وكريستوف كوخ
تعريف بالكاتبين:
هارتموت نيفين: مؤسس ورئيس مختبر جوجل للذكاء الكمومي، وهو مختبر يهدف إلى بناء حاسوب كمي واسع النطاق ومصحح للأخطاء لحل المشكلات التي يصعب حلها باستخدام معالجات اليوم. يتبنى نيفين نهجًا متعدد التخصصات في الحوسبة الكمومية باعتباره رائد أعمال وفيزيائيًا وباحثًا في مجال الذكاء الاصطناعي وعالم أعصاب.
كريستوف كوش: عالم أعصاب في معهد ألين وفي مؤسسة تيني بلو دوت، والرئيس السابق لمعهد ألين لعلوم الدماغ، وأستاذ سابق في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. أحدث كتاب له هو “عندئذ أكون أنا العالم”. يكتب كوش بانتظام لمجموعة من وسائل الإعلام، بما في ذلك مجلة ساينتفك أميركان. ويعيش في شمال غرب المحيط الهادئ.
مقدمة:
إن الدماغ ليس أكثر من قطعة أثاث في اتساع الكون، يخضع لنفس القوانين الفيزيائية التي تخضع لها الكويكبات والإلكترونات والفوتونات. وعلى السطح، يبدو أن الأنسجة العصبية التي يبلغ وزنها ثلاثة أرطال لا علاقة لها بميكانيكا الكم ، وهي النظرية التي تستند إليها جميع الأنظمة الفيزيائية، لأن التأثيرات الكمومية تكون أكثر وضوحاً على المقاييس المجهرية. ومع ذلك، فإن التجارب المقترحة حديثاً تعد بسد هذه الفجوة بين الأنظمة المجهرية والأنظمة العيانية، مثل الدماغ، وتقديم إجابات على لغز الوعي.
***
تشرح ميكانيكا الكم مجموعة من الظواهر التي لا يمكن فهمها باستخدام الحدس الذي تشكله الخبرة اليومية. تذكر تجربة القط شرودنجر الفكرية ، حيث توجد القطة في تراكب من الحالات، سواء كانت ميتة أو حية. في حياتنا اليومية يبدو أنه لا يوجد مثل هذا الشك – القطة إما ميتة أو حية. لكن معادلات ميكانيكا الكم تخبرنا أنه في أي لحظة يتكون العالم من العديد من هذه الحالات المتعايشة، وهو التوتر الذي أزعج علماء الفيزياء لفترة طويلة
ام 1989، اقترح عالم الكونيات روجر بنروز اقتراحاً جذرياً مفاده أن لحظة الوعي تحدث كلما انهارت حالة كمية متراكبة. وكانت فكرة وجود ارتباط بين لغزين علميين أساسيين ــ أصل الوعي وانهيار ما يسمى بالدالة الموجية في ميكانيكا الكم ــ سبباً في إثارة قدر هائل من الإثارة.
يمكن أن تستند نظرية بينروز إلى تعقيدات الحوسبة الكمومية . لنفترض أن البت الكمومي، أو كيوبت، هو وحدة المعلومات في نظرية المعلومات الكمومية التي توجد في تراكب 0 منطقي مع 1 منطقي. وفقًا لبينروز، عندما ينهار هذا النظام إلى 0 أو 1، يتم إنشاء وميض من التجربة الواعية، والتي يتم وصفها بواسطة بت كلاسيكي واحد.
واقترح بينروز، بالاشتراك مع طبيب التخدير ستيوارت هامروف، أن مثل هذا الانهيار يحدث في الأنابيب الدقيقة ، وهي بروتينات هيكلية أنبوبية ممدودة تشكل جزءًا من الهيكل الخلوي للخلايا، مثل تلك التي يتكون منها الجهاز العصبي المركزي.
***
لم يتم تبني هذه الأفكار من قبل المجتمع العلميلأن الأدمغة رطبة ودافئة، وهو ما يعيق تكوين التراكبات، على الأقل مقارنة بأجهزة الكمبيوتر الكمومية الموجودة والتي تعمل في درجات حرارة أبرد من درجة حرارة الغرفة بعشرة آلاف مرة لتجنب تدمير حالات التراكب.
ولكن اقتراح بينروز يعاني من خلل عندما يطبق على اثنين أو أكثر من البتات الكمومية المتشابكة. فقياس أحد هذه البتات الكمومية المتشابكة يكشف على الفور عن حالة البت الآخر، بغض النظر عن مدى بعده عنه. وترتبط حالاتهما، ولكن الارتباط لا يعني السببية، ووفقاً لميكانيكا الكم القياسية، لا يمكن استخدام التشابك لتحقيق اتصالات أسرع من الضوء. ومع ذلك، وفقاً لاقتراح بينروز، فإن البتات الكمومية المشاركة في حالة متشابكة تتقاسم تجربة واعية. وعندما يتخذ أحدها حالة محددة، يمكننا استخدام هذا لإنشاء قناة اتصال قادرة على نقل المعلومات بسرعة أكبر من سرعة الضوء، وهو انتهاك للنسبية الخاصة.
في رأينا، فإن تشابك مئات البتات الكمومية، إن لم يكن الآلاف أو أكثر، أمر ضروري لوصف الثراء الهائل لأي تجربة ذاتية بشكل مناسب: الألوان، والحركات، والملمس، والروائح، والأصوات، والأحاسيس الجسدية، والعواطف، والأفكار، وشظايا الذكريات وما إلى ذلك التي تشكل الشعور بالحياة نفسها.
في مقال نُشر في مجلة Entropy المفتوحة المصدر ، قلبنا نحن وزملاؤنا فرضية بينروز رأسًا على عقب، حيث اقترحنا أن التجربة تنشأ كلما دخل النظام في تراكب كمي وليس عندما ينهار. ووفقًا لاقتراحنا، فإن أي نظام يدخل حالة بها بت كمي واحد أو أكثر متشابكة متراكبة سوف يشهد لحظة من الوعي.
***
أنت، أيها القارئ الفطن، لابد وأنك تقول لنفسك الآن: ولكن انتظر لحظة هنا ـ فأنا لا أختبر على نحو واعي تراكب الحالات. فكل تجربة لها صفة محددة؛ فهي شيء واحد وليس شيئا آخر. فأنا أرى ظلا معينا من اللون الأحمر، وأشعر بألم في أسناني. ولا أختبر اللون الأحمر وغير الأحمر في نفس الوقت، ولا الألم وغير الألم.
تنشأ نهائية أي تجربة واعية بشكل طبيعي داخلتفسير العوالم المتعددة لميكانيكا الكم . وهو موقف ميتافيزيقي طرحه لأول مرة الفيزيائي هيو إيفرت في عام 1957، وهو وجهة نظر العوالم المتعددة، حيث يفترض تطور الزمن كشجرة متفرعة للغاية، مع كل نتيجة ممكنة لحدث كمي تنقسم إلى عالمها الخاص. يؤدي دخول كيوبت واحد إلى تراكب إلى ولادة عالمين، في أحدهما تكون حالة الكيوبت 0 بينما في الكون التوأم يكون كل شيء متطابقًا باستثناء أن حالة الكيوبت هي 1.
إن التشابك يقدم لعلماء الدماغ شيئاً آخر من خلال توفير حل طبيعي لما يسمى بمشكلة الربط، أو الوحدة الذاتية لكل تجربة والتي شكلت منذ فترة طويلة تحدياً رئيسياً لدراسة الوعي. تخيلوا رؤية تمثال الحرية: وجهه، والتاج على رأسه، والمشعل في يده اليمنى المرفوعة، وما إلى ذلك. كل هذه التمييزات والعلاقات مرتبطة معاً في إدراك واحد قد يكون أساسه العديد من البتات الكمومية، وكلها متشابكة مع بعضها البعض.
ولكي نجعل هذه الأفكار الباطنية ملموسة، نقترح ثلاث تجارب من شأنها أن تشكل بشكل متزايد تفكيرنا في هذه المسائل. وتسعى التجربة الأولى، التي تتقدم الآن بفضل التمويل من مؤسسة “تايني بلو دوت” ومقرها سانتا مونيكا، إلى تقديم أدلة على أهمية ميكانيكا الكم لعلم الأعصاب في اثنين من منصات الاختبار المتاحة للغاية: ذباب الفاكهة الصغيرة والعضيات الدماغية، والأخيرة عبارة عن مجموعات بحجم العدس من آلاف الخلايا العصبية المزروعة من الخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة من قبل الإنسان. ومن المعروف أن غاز الزينون الخامل يمكن أن يعمل كمخدر للحيوانات والبشر. ومن اللافت للنظر أن تجربة سابقة زعمت أن قوته التخديرية، التي تقاس بتركيز الغاز الذي يسبب عدم الحركة، تعتمد على نظائر الزينون المحددة. يحتوي نظيران لعنصر واحد على نفس العدد من البروتونات المشحونة إيجابيا ولكنهما يحتويان على أعداد مختلفة من النيوترونات غير المشحونة في نواتهما. الخصائص الكيميائية للنظائر – أي ما تتفاعل معه – متشابهة إلى حد كبير، على الرغم من أن كتلها وخصائصها المغناطيسية تختلف قليلاً.
إذا كان من الممكن استخدام ذباب الفاكهة والعضيات للكشف عن نظائر الزينون المختلفة، فسوف يستمر البحث عن الآليات الدقيقة التي من خلالها يتمكن الغاز الخامل والذي يظل بعيدًا عن الارتباط بالبروتينات أو الجزيئات الأخرى من تحقيق ذلك. هل هو الاختلاف الضئيل في كتلة هذه النظائر (131 مقابل 132 نوكليون) الذي يصنع الفارق؟ أم أنه دورانها النووي، وهو خاصية ميكانيكية كمية للنواة؟ تختلف نظائر الزينون هذه بشكل كبير في دورانها النووي؛ بعضها له دوران صفري والبعض الآخر له دوران1/2 أو 3/2 .
***
وسوف تساعد تجارب الزينون هذه في إعداد تجربة ثانية لاحقة سنحاول فيها ربط البتات الكمومية بعضويات الدماغ بطريقة تسمح بانتشار التشابك بين البتات الكمومية البيولوجية والتقنية. وتهدف التجربة النهائية، التي لا تزال في هذه المرحلة مجرد تجربة مفاهيمية، إلى تعزيز الوعي من خلال ربط الحالات الكمومية الهندسية بدماغ الإنسان بطريقة متشابكة. وقد يختبر الشخص بعد ذلك حالة موسعة من الوعي مثل تلك التي يتم الوصول إليها تحت تأثير الأياهواسكا أو السيلوسيبين.
إن الهندسة الكمومية وتصميم واجهات الدماغ والآلة تتقدمان بسرعة. وربما لا يكون من المستحيل على الإبداع البشري أن يستكشف عقلنا الواعي ويوسعه بشكل مباشر من خلال الاستفادة من العلوم والتكنولوجيا الكمومية.
