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Salvador Dalì, L’ Apparizione del volto e del piatto di frutta sulla spiaggia, olio su tela (114,5×148,8 cm), 1938, Wadsworth Atheneum, Hartford (Connecticut).

Una tra le principali questioni che dividono scienziati ed epistemologi è se la coscienza sia un semplice sottoprodotto dei processi di elaborazione dell’informazione, e quindi in linea di principio riproducibile anche su un computer o su altri supporti non biologici, o se invece derivi da caratteristiche specifiche del cervello. Tra i propugnatori della seconda tesi c’è l’insigne matematico Roger Penrose, che nel suo libro del 1989 sosteneva la tesi secondo cui la coscienza sarebbe il prodotto di effetti di tipo quantistico (e quindi di tipo probabilistico e non interamente determinato). La tesi di Penrose è stata criticata da varie parti, dal punto di vista filosofico, ma anche da quello scientifico, dato che il cervello era ritenuto inadatto al verificarsi di effetti quantistici. Quest’ultima critica, tuttavia, è stata superata dalla scoperta che vari meccanismi, dal senso dell’olfatto alla fotosintesi, sono influenzati dalla meccanica quantistica. Quando scrisse il suo primo libro sulla coscienza, La mente nuova dell’imperatore (1989),  Penrose non disponeva di una proposta dettagliata su come funzionassero i processi quantistici nel cervello. Successivamente, Hameroff suggerì a Penrose che certe strutture all’interno delle cellule cerebrali potrevano essere candidati idonei alla trasformazione quantistica e di conseguenza al fenomeno della coscienza. La teoria della Riduzione Oggettiva Orchestrata (Orch-OR) nacque dalla collaborazione di questi due scienziati ed é stata esposta nel volume Ombre della Mente (1994). Hameroff ha contributo alla teoria tramite i suoi studi sulle cellule cerebrali, focalizzati sul citoscheletro, che fornisce la struttura interna di sostegno per i neuroni, e in particolare sui microtubuli, che sono la componente più importante del citoscheletro. Oltre a fornire una struttura di supporto per la cellula, le funzioni note dei microtubuli comprendono il trasporto delle molecole, tra le quali anche le molecole dei neurotrasmettitori legati dalle sinapsi, il controllo dei movimenti della cellula, la sua crescita e la sua  forma. Hameroff ha proposto come i microtubuli siano i candidati idonei a supportare l’elaborazione quantistica. Penrose e Hameroff sostengono che la coscienza sarebbe basata su vibrazioni quantistiche nei microtubuli all’interno dei neuroni cerebrali. Tali vibrazioni non sono più solo un’ipotesi, ma sono state effettivamente osservate nel cervello. Le vibrazioni quantistiche dei microtubuli possono essere messe in relazione con determinati ritmi elettroencefalografici finora non spiegati, a dimostrazione della loro influenza sui processi cerebrali. La teoria può essere in accordo sia con coloro che ritengono che la conoscenza sia un prodotto dell’evoluzione, sia con chi pensa invece che la coscienza sia una proprietà dell’Universo e preesista alla coscienza umana. Quest’ultimo modo di vedere riapre la strada al dualismo, alla separazione di anima e corpo e all’individuazione di un universo spirituale che la scienza aveva finora pensato di potere espungere dall’indagine della natura. La fisica delle particelle e la teoria dei quanti postulano per spiegare determinati fenomeni il concetto di coscienza. Nella teoria quantistica, le unità fondamentali, i quanti, sono per certi versi molto diversi dagli oggetti che si incontrano in fisica classica. Quando sono sufficientemente isolati dall’ambiente essi possono essere considerati come onde. Tuttavia tali onde non sono  onde materiali (come, ad  esempio, le onde marine). Le onde della meccanica quantistica sono essenzialmente onde di probabilità: la probabilità di trovare una particella in qualche posizione specifica. (Queste probabilità si applicano anche ad altri stati di particella, come la quantità di moto, ma per semplicità si farà riferimento alla sola probabilità di occupare una certa posizione). Il picco dell’onda indica la posizione nella quale si ha la massima probabilità di trovare una particella. Le diverse posizioni possibili per la particella sono indicate come sovrapposizioni quantistiche o semplicemente sovrapposizioni. Questo vale per la forma isolata dei quanti. Quando i quanti sono oggetto di misurazioni o d’interazioni con l’ambiente, la caratteristica rappresentazione ad onda di probabilità viene persa e le particelle finiscono per occupare una specifica posizione nello spazio, e il cambiamento è indicato come collasso della funzione d’onda. In tal caso, la scelta della posizione per la particella è casuale. Questa è una singolare condizione che mette in crisi  i canoni della fisica classica. Non vi è alcun processo di causa-effetto e nessun sistema di algoritmi che possono prevedere la posizione assunta  per le particelle. Penrose ha ipotizzato  che le idee esistenti sul collasso della funzione d’onda potrebbero applicarsi solo a situazioni in cui i quanti sono oggetto di misurazione o d’interazione con l’ambiente. Considerando il caso in cui i quanti non sono oggetto di misurazioni o interazioni e  restano isolati dall’ambiente, egli ha proposto che essi possano essere soggetti a una diversa forma di collasso della funzione d’onda. A queste particolari condizioni locali, Penrose ha applicato la  teoria generale della relatività di Einstein e  relative sue nozioni sulla struttura dello spazio-tempo. La relatività generale afferma che lo spazio-tempo viene curvato da oggetti dotati di massa. Penrose nel cercare di conciliare la relatività e la teoria quantistica ha suggerito che su scala molto piccola questo spazio-tempo curvo non è continuo ma discreto e disposto in modo da formare una rete, e ogni sovrapposizione quantistica ha una sua area specifica di curvatura dello spazio-tempo. Queste zone diversificate di curvatura dello spazio-tempo sono separate le une dalle altre e costituiscono delle forme di bolla nello spazio-tempo. Penrose propone un limite alla dimensione di questa bolla spazio-temporale, dell’ordine della scala di Planck, la scala di riferimento che definisce il limite di applicazione delle leggi fisiche attuali (meccanica quantistica e relatività). Oltre questo limite, Penrose suggerisce che lo spazio-tempo può essere visto come continuo e che la gravità inizia a esercitare la sua forza sulla bolla spazio-tempo. Da qui nasce un’instabilità al di sopra della scala di Planck, e il collasso si forma in modo da scegliere solo una delle possibili posizioni per particella. Questo evento è la riduzione oggettiva(OR), dove riduzione è un’altro termine utilizzato per il collasso della funzione d’onda. Dal punto di vista della teoria della coscienza, una caratteristica essenziale della riduzione oggettiva di Penrose è che la scelta degli stati in cui si verifica la riduzione oggettiva avviene in modo casuale, ovvero gli stati sarebbero selezionati da una ‘non-computabile’ influenza fondamentalmente legata alla geometria dello spazio-tempo su livelli di grandezza di ordine superiore alla scala di Planck. La teoria Orch-R combina l’ipotesi quantistica della coscienza di Penrose  con l’ipotesi Hameroff  riguardo ai microtubuli. Insieme, Penrose e Hameroff hanno proposto che, quando si determinano condensazioni nel cervello sottoposto ad un riduzione oggettiva della funzione d’onda, il collasso é connesso a decisioni di carattere non  computazionale incorporate nella geometria dello spazio-tempo. La teoria propone inoltre che i microtubuli si influenzino mutuamente e siano influenzati dalle attività tradizionali delle sinapsi dei neuroni. L’entanglement quantistico è uno stato in cui le particelle possono alterare l’un l’altro le proprietà  istantaneamente e a distanza, in un modo che non sarebbe possibile se fossero oggetti estesi su larga scala i quali obbedirebbero alle leggi della meccanica classica e non della fisica quantistica. L’Orch, del termine Orch-OR, sta per “orchestrato” dando così vita al nome completo della teoria “Riduzione Oggettiva Orchestrata”. L’Orchestrazione si riferisce al processo mediante il quale le proteine di un ipotetico connettivo, noto come microtubuli delle proteine associate (MAP),  influenzano o orchestrano la trasformazione quantistica dei microtubuli. Gli elettroni di una proteina dei nuclei dei microtubuli dei neuroni cerebrali, la tubulina, si comporterebbero come un tutto integrato, quasi come i neuroni costituissereo un sincizio. Nel caso degli elettroni Hameroff ha suggerito che, nella subunità di tubulina dei microtubuli,  un gran numero di questi elettroni possono essere coinvolti in uno stato conosciuto come una condensa di Bose-Einstein.

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Salvador Dalì, I cigni che riflettono gli elefanti, olio su tela, 51 x 77 cm., collezione privata

Questa condizione si verifica quando un gran numero di particelle quantiche sono bloccate in fase e possono essere viste  come un oggetto quantistico unico. Queste sono caratteristiche quantistiche su scala macroscopica, e Hameroff suggerisce che attraverso una caratteristica di questo tipo di attività quantistica, che avviene di solito su scala molto piccola, che potrebbe essere messa in funzione un’influenza su larga scala nel cervello. Hameroff ha proposto che i microtubuli  condensati in un unico neurone possano essere  collegati  con condensati di microtubuli in altri neuroni e cellule gliali via giunzioni gap. In aggiunta alle connessioni sinaptiche tra le cellule cerebrali, le giunzioni gap sono una categoria diversa di connessioni, dove il divario tra le cellule è sufficientemente piccolo da rendere possibile ad oggetti quantici l’attraversarlo per mezzo di un processo noto come tunnel quantico. Hameroff propone che tale tunnel consenta ad un oggetto quantistico, come la condensa di Bose-Einstein di cui sopra, di passare in  altri neuroni, e quindi di propagarsi su una vasta area del cervello generando un oggetto quantistico unico. Questa caratteristica quantistica su larga scala sarebbe la fonte delle onde gamma di sincronizzazione osservate nel cervello, e talvolta considerate come correlate al fenomeno della coscienza. A sostegno della teoria vi è che le giunzioni gap sono legate alle onde elettroencefalografiche gamma, come dimostrato da una serie di studi.   La solidarietà deigli elettroni della tubulina dei microtubuli cerebrali spiega il costituirsi dell’effetto Bose, mentre la reciproca influenza tra  gli elettroni del sincizio dei microtubuli e le attività tradizionali delle sinapsi dei neuroni è dovuta a una proprietà delle perticelle elementari chiamata entanglement. Secondo la meccanica quantistica è possibile realizzare un insieme costituito da due particelle tale che, qualunque sia il valore di una certa proprietà osservabile assunto da una delle due, questo influenzi istantaneamente il corrispondente valore assunto dall’altra, che risulterà invariabilmente uguale e opposto al primo, nonostante la teoria postuli l’impossibilità di predire con certezza il risultato di una misura. Ciò rimane vero anche nel caso le due particelle si trovino distanziate, senza alcun limite spaziale. Si possono ottenere in pratica due particelle che, secondo la teoria, dovrebbero possedere tale caratteristica, facendole interagire opportunamente o acquisendole da un processo naturale che le origini nel medesimo istante (ad esempio un singolo decadimento radioattivo), in modo che siano descritte dallo stesso stato quantico globale, che manterrebbe carattere indefinito fino all’esecuzione di una misura su una delle due particelle della coppia. Entanglement sta per “intreccio” e rappresenta il paradosso più difficile da accettare della teoria dei quanti, poiché implica un’azione “fantasmatica” a distanza, cioè senza nessuna intermediazione, violando anche il principio per cui nessuna informazione può superare la velocità della luce. Fu proprio Einstein a usare quelle irridenti parole – “azione fantasmatica a distanza” – ormai entrate nella storia per definire l’entanglement. Ma negli anni ’80 il fenomeno fu per la prima volta dimostrato sperimentalmente e pochi giorni fa Anton Zeilinger, il guru del teletrasporto quantistico, ne ha data una nuova inoppugnabile dimostrazione. Nel 1935, prima sulla rivista “Physical Review” e poi con un articolo sul “New York Times” destinato al grande pubblico, venne annunciato il cosiddetto paradosso EPR. Le tre lettere erano le iniziali di Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen, due fisici più giovani del padre della relatività che iniziarono a collaborare con lui per dimostrare l’infondatezza della teoria dei quanti così come fino ad allora formalizzata. Il paradosso proposto era il seguente esperimento mentale. Se due particelle, poniamo due fotoni, chiamati A e B, dopo aver interagito per un istante si allontanano in direzioni opposte, ciascuna conserverà una parte del moto totale delle due particelle. La quantità di moto, secondo le leggi della fisica, viene cioè “divisa” tra i due fotoni. Ora, se lo sperimentatore osserva il fotone A e calcola la sua quantità di moto, riuscirà a ricostruire facilmente la quantità di moto di B. L’esempio classico è quello per cui usciamo di casa con un solo guanto e notiamo che è quello destro, per cui sappiamo automaticamente che abbiamo lasciato a casa il sinistro. Ma nel mondo dei quanti le cose non sono così semplici. Il guanto sinistro è sempre quello, sia che lo portiate con voi sia che resti a casa lontano dai vostri occhi. Viceversa, le particelle quantistiche non hanno una loro identità finché non si compie una loro osservazione. Applicando il concetto al mondo macroscopico, quello che sperimentiamo tutti i giorni, è come se il guanto sinistro lasciato a casa restasse in uno stato di indeterminazione sulla sua effettiva identità – guanto destro o guanto sinistro? – finché voi non osservate che quello che avete in tasca è il guanto destro, e quindi quello che è rimasto nel cassetto non può che essere il sinistro. Per di più, la meccanica quantistica non impedisce che questo fenomeno tecnicamente definito “collasso della funzione d’onda” (il momento in cui il vostro guanto “diventa” sinistro perché voi avete quello destro) avvenga istantaneamente a velocità superluminali. Se lo sperimentatore misura la quantità di moto del fotone A, istantaneamente da qualsiasi altra parte dell’universo si trovi il fotone B – anche lontano molti anni-luce – la sua funzione d’onda collassa e assume la quantità di moto prevista, mentre prima dell’osservazione del fotone A si trovava in uno stato di totale indeterminazione. Così Einstein aveva trovato una crepa nella teoria dei quanti. Il paradosso EPR viola uno di questi tre principi: principio di realtà, principio di località e completezza della meccanica quantistica. Se si accetta la teoria dei quanti, si deve accettare il paradosso EPR e quindi anche un principio di non-località, ossia il fatto incontrovertibile che l’entanglement, la “relazione” tra le particelle quantistiche, si mantiene a prescindere dalla distanza nello spazio e al di là della limitazione relativistica della velocità della luce. Successivamente, stimolato dalle ricerche teoriche di John Bell negli anni ’60 sulla coerenza del fenomeno dell’entanglement, il fisico sperimentalista francese Alain Aspect nel 1982 riuscì per la prima volta a realizzare quello che per Einstein era un semplice esperimento mentale. Si dimostrò incontrovertibilmente che l’entanglement era reale, e che per quanto paradossale fosse il fenomeno esso era pur tuttavia concreto.

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Salvador Dalì, Galatea delle sfere, olio su tela,  65 x 54, 1952, Fundacion Gala-Salvador-Dali, Figueras, Spagna.

Sarebbe possibile utilizzare l’entanglement per comunicare a distanze enormi superando il limite della velocità della luce? Successivi esperimenti e analisi teoriche hanno portato a rispondere negativamente alla domanda, poiché non sembra possibile poter controllare il processo di entanglement: lo sperimentatore può solo osservare e misurare una grandezza di una particella, ma i limiti della meccanica quantistica impediscono che la possa manipolare per modificare l’esito del collasso della funzione d’onda nella particella entangled. È possibile utilizzare l’entanglement per “copiare” alcune proprietà di un fotone A – come il suo spin – e trasferirle a un fotone B distante nello spazio. È da qui che il gruppo di ricerca dell’austriaco Anton Zeilinger ha mosso i primi passi in un settore del tutto nuovo, confermato da continui esperimenti di frontiera, l’ultimo pochi giorni fa, che secondo lo scienziato potrebbe aprire la strada all’applicazione del fenomeno dell’entanglement anche a sistemi macroscopici, ossia a oggetti del mondo quotidiano. Il fenomeno dell’entanglement quantistico connette due particelle sub-atomiche (tipicamente due elettroni appartenenti allo strato più esterno di un atomo o di una molecola) in modo da mantenere sempre i loro spin in direzione opposta. La connessione si applica al “sistema” composto dalle due particelle e non alle singole particelle, e comporta una reazione “a tempo zero” indipendentemente dalla dislocazione spaziale delle due particelle. La particella “entangled” rifletterà lo stato della sua gemella immediatamente, violando tutte le regole previste da Einstein sulla massima velocità di trasmissione di un’informazione, che fino ad oggi è considerata pari alla velocità di propagazione della luce. Se due particelle entangled venissero separate (non importa se di pochi micron o di anni luce) il tempo di reazione per mantenere in opposizione lo spin della particella entangled sarebbe sempre zero e quindi la velocità di trasferimento dell’informazione (cioè lo spazio percorso diviso il tempo necessario a percorrerlo) sarebbe infinita. Tale implicazione potrebbe creare dei paradossi spazio-temporali, ma dato che tali paradossi non sono ancora stati osservati, significa che il principio di causalità rimane intatto. Questo fatto è difficile da comprendere con la logica comune. Noi siamo fortemente condizionati nel pensare che un qualsiasi effetto possa essere osservato solo dopo l’evento che lo causa, quindi il concetto di “tempo che passa” gioca un ruolo fondamentale nel concepire il collegamento causa-effetto, mentre nella teoria quantistica è possibile osservare un effetto prima o contemporaneamente alla sua causa, pur mantenendo intatto tale collegamento. Il fenomeno dell’entanglement viene correlato a concetti di non località. Si potrebbe giungere alla conclusione che in meccanica quantistica le particelle non possiedono una ben definita coppia posizione-momento angolare in quanto non sono in realtà posizionate nello spazio-tempo. Questo fenomeno sembra fortemente correlato al concetto di antinomia, se non addirittura alla dimostrazione di un “assurdo fisico” che è la migliore rappresentazione della libertà intrinseca del nostro Universo. Tale libertà intrinseca non può che scaturire da una situazione iniziale antinomica che, pur confermando la causalità, non limita la libertà di interpretazione della verità dando così origine a quel loop perpetuo di causa-effetto che chiamiamo scorrere del tempo. Se indichiamo uno stato quantico con A e il suo entangled (non-A) con B, risulta che la coppia (A,B) mantiene costantemente la sua neutralità pur separando i due oggetti che continuano a possedere i relativi stati quantici liberi e indeterminati fino al collasso di una successiva osservazione. Lo stato quantico è probabilistico, cioè lo stato quantico A è perennemente instabile e indeterminato finché non interviene un osservatore che, proprio perché lo osserva, lo costringe a collassare in uno stato ben definito. Come conseguenza, possiamo avere la certezza matematica che lo stato quantico entangled è collassato istantaneamente nello stato opposto osservato in A. Ma cosa succederebbe se due osservatori distinti, sincronizzati con un orologio atomico, osservassero contemporaneamente i due stati quantici di due particelle in entanglement fra loro? Chi farebbe collassare per primo lo stato quantico che poi costringerebbe il suo entangled a disporre il proprio spin esattamente all’opposto? Probabilmente qui entrerebbe in gioco la coscienza. Cioè l’osservatore con maggiore coscienza avrebbe il primato sul collasso dello stato quantico da lui osservato, mentre lo stato quantico entangled sarebbe obbligato a collassare come conseguenza del primo. Se l’intero Universo provenisse da un unico punto prima del Big Bang, allora tutti i punti dell’Universo sarebbero pervasi da un iniziale entanglement, al quale si sarebbero aggiunti altri fenomeni di entanglement dovuti alle interazioni di causa-effetto intervenute istantaneamente nello stesso Big Bang. Dal principio stesso della causalità, cioè dalla salvaguardia della successione logica di causa-effetto potrebbero essersi sviluppati tutti quei processi che sono chiamati spazio-tempo. Dato che la stessa concezione di causa effetto risiede nella coscienza si potrebbe ipotizzare che il tempo stesso e la sua misura siano una conseguenza del processo di evoluzione della coscienza piuttosto che un fattore indipendente. Dato che negli esseri coscienti sono posizionati gli osservatori più qualificati che fanno collassare gli stati quantici, si  dovrebbe dedurre che il comportamento cosciente degli esseri senzienti induce il collasso non solo degli stati quantici osservati, ma anche di tutti gli stati quantici dell’Universo in entanglement con quelli. Questo potrebbe spiegare come mai l’essere cosciente può non solo osservare e quindi “far collassare” lo stato quantico ma in alcuni casi può letteralmente “cambiare la realtà”. Il pensiero dell’osservatore cosciente non è sicuramente la realtà, però se la coscienza dell’osservatore raggiunge un livello opportuno di consapevolezza allora possiamo parlare di un particolare tipo di osservatore, l’osservatore cosciente, il cui pensiero,  pur essendo molto distante dalla realtà, rappresenta un’ottima “virtualizzazione della realtà”, in grado a sua volta di innescare modifiche della realtà tramite il collasso degli stati quantici connessi con la coscienza. La coscienza, o almeno una forma di proto-coscienza è teorizzata essere una proprietà fondamentale dell’universo, presente anche nel primo momento della comparsa dell’Universo, durante il Big Bang. L’esperienza proto-cosciente è una proprietà fondamentale della realtà fisica, accessibile tramite un processo quantistico associato all’attività cerebrale. Le nostre coscienze sono infatti costruite con il tessuto stesso dell’universo e possono essere esistite fin dall’inizio dei tempi. I nostri cervelli sono solo ricevitori e amplificatori della proto-coscienza che è intrinseca nel tessuto dello spazio-tempo.

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Salvador Dalì, Il Torero allucinogeno, olio su tela, 1968-1970, Museo Salvador Dali, St. Petersburg, Florida, USA.

 

 

 

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