Personne ne comprend ce qu'est la conscience et comment elle fonctionne. Personne ne comprend non plus la mécanique quantique. Serait-ce plus qu'une simple coïncidence? "Je ne peux pas identifier le vrai problème, donc je soupçonne qu'il n'y a pas de vrai problème, mais je ne suis pas sûr qu'il n'y ait pas de vrai problème." Le physicien américain Richard Feynman a dit cela à propos des mystérieux paradoxes de la mécanique quantique. Aujourd'hui, les physiciens utilisent cette théorie pour décrire les plus petits objets de l'univers. Mais il pourrait dire la même chose du problème complexe de la conscience.
Certains scientifiques pensent que nous comprenons déjà la conscience ou que ce n'est qu'une illusion. Mais beaucoup d'autres pensent que nous ne nous sommes même pas rapprochés de l'essence de la conscience.
Un puzzle éternel appelé «conscience» a même conduit certains scientifiques à tenter de l'expliquer en utilisant la physique quantique. Mais leur zèle s'est heurté à un certain scepticisme, et ce n'est pas surprenant: il semble déraisonnable d'expliquer une énigme par une autre.
Mais de telles idées ne sont jamais absurdes et même pas du plafond.
D'une part, à la grande consternation des physiciens, l'esprit refuse d'abord de comprendre la théorie quantique primitive. De plus, les ordinateurs quantiques devraient être capables de choses que les ordinateurs conventionnels ne peuvent pas. Cela nous rappelle que nos cerveaux sont encore capables de prouesses hors de la portée de l'intelligence artificielle. La "conscience quantique" est largement ridiculisée comme un non-sens mystique, mais personne n'a été capable de la dissiper complètement.
La mécanique quantique est la meilleure théorie que nous ayons pour décrire le monde au niveau des atomes et des particules subatomiques. Le plus célèbre de ses mystères est peut-être le fait que le résultat d'une expérience quantique peut changer selon que nous décidons de mesurer les propriétés des particules impliquées ou non.
Lorsque les pionniers de la théorie quantique ont découvert pour la première fois cet «effet d'observateur», ils ont été sérieusement alarmés. Cela a semblé miner l'hypothèse sous-jacente à toute science: qu'il existe un monde objectif, indépendant de nous. Si le monde se comporte en fonction de comment - ou si - nous le regardons, que signifierait vraiment la «réalité»?
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Certains scientifiques ont été forcés de conclure que l'objectivité est une illusion et que la conscience doit jouer un rôle actif dans la théorie quantique. D'autres n'y voyaient tout simplement aucun sens commun. Par exemple, Albert Einstein était agacé: la lune n'existe-t-elle que lorsque vous la regardez?
Aujourd'hui, certains physiciens soupçonnent que ce n'est pas que la conscience affecte la mécanique quantique … mais qu'elle s'est même produite grâce à elle. Ils pensent que nous avons peut-être besoin de la théorie quantique pour comprendre le fonctionnement du cerveau. Se pourrait-il que tout comme les objets quantiques peuvent être à deux endroits en même temps, un cerveau quantique peut signifier simultanément deux choses qui s'excluent mutuellement?
Ces idées sont controversées. Il se peut que la physique quantique n'ait rien à voir avec le fonctionnement de la conscience. Mais au moins, ils démontrent que la théorie quantique étrange nous fait penser à des choses étranges.
Mieux encore, la mécanique quantique fait son chemin dans la conscience humaine grâce à une expérience à double fente. Imaginez un faisceau de lumière frappant un écran avec deux fentes parallèles étroitement espacées. Une partie de la lumière passe à travers les fentes et tombe sur un autre écran.
Vous pouvez considérer la lumière comme une onde. Lorsque les ondes traversent deux fentes, comme dans une expérience, elles se heurtent - interfèrent - les unes avec les autres. Si leurs pics correspondent, ils se renforcent mutuellement, résultant en une série de stries de lumière en noir et blanc sur un deuxième écran noir.
Cette expérience a été utilisée pour montrer la nature ondulatoire de la lumière pendant plus de 200 ans avant l'émergence de la théorie quantique. Ensuite, l'expérience avec une double fente a été réalisée avec des particules quantiques - électrons. Ce sont de minuscules particules chargées, composants d'un atome. De manière incompréhensible, mais ces particules peuvent se comporter comme des ondes. Autrement dit, ils sont diffractés lorsqu'un flux de particules passe à travers deux fentes, produisant un motif d'interférence.
Supposons maintenant que les particules quantiques traversent les fentes une à une et que leur arrivée sur l'écran soit également observée pas à pas. Il n'y a maintenant rien d'évident qui ferait interférer la particule sur son chemin. Mais l'image des particules qui frappent montrera toujours des franges.
Tout indique que chaque particule passe simultanément par les deux fentes et interfère avec elle-même. Cette combinaison des deux chemins est appelée état de superposition.
Mais voici ce qui est étrange.
Si nous plaçons le détecteur dans l'une des fentes ou derrière, nous pourrions savoir si des particules le traversent ou non. Mais dans ce cas, l'interférence disparaît. Le simple fait d'observer le trajet d'une particule - même si cette observation ne doit pas interférer avec le mouvement de la particule - modifie le résultat.
Le physicien Pascual Jordan, qui a travaillé avec le gourou quantique Niels Bohr à Copenhague dans les années 1920, l'a exprimé ainsi: "Les observations ne violent pas seulement ce qui doit être mesuré, elles le déterminent … Nous forçons la particule quantique à choisir une certaine position." En d'autres termes, Jordan dit que "nous faisons nos propres mesures".
Si tel est le cas, la réalité objective peut simplement être jetée par la fenêtre.
Mais les bizarreries ne s'arrêtent pas là.
Si la nature change de comportement selon que nous regardons ou non, nous pourrions essayer de la tordre autour de nos doigts. Pour ce faire, nous avons pu mesurer le chemin emprunté par la particule lors du passage dans la double fente, mais seulement après l'avoir traversée. À ce moment-là, elle devrait déjà «décider» de suivre un chemin ou les deux.
Un physicien américain John Wheeler a proposé de mener une telle expérience dans les années 1970, et dans les dix années suivantes, une expérience de «choix retardé» a été menée. Il utilise des méthodes intelligentes pour mesurer les chemins des particules quantiques (généralement des particules légères - photons) après avoir choisi un chemin, ou une superposition de deux.
Il s'est avéré que, comme Bohr l'avait prédit, que nous retardions les mesures ou non ne fait aucune différence. Tant que nous mesurons le trajet du photon avant qu'il ne frappe et ne s'enregistre dans le détecteur, il n'y a pas d'interférence. Il semble que la nature «sait» non seulement quand nous voyons, mais aussi lorsque nous prévoyons de regarder.
Eugène Wigner
Chaque fois que, dans ces expériences, nous découvrons le chemin d'une particule quantique, son nuage de routes possibles «se rétrécit» dans un seul état bien défini. De plus, une expérience retardée suggère que l'acte même d'observation, sans aucune intervention physique provoquée par la mesure, peut provoquer un effondrement. Cela signifie-t-il qu'un véritable effondrement ne se produit que lorsque le résultat de la mesure atteint notre conscience?
Cette possibilité a été proposée dans les années 1930 par le physicien hongrois Eugène Wigner. «Il en découle que la description quantique des objets est influencée par les impressions entrant dans ma conscience», écrit-il. "Le solipsisme peut être logiquement cohérent avec la mécanique quantique."
Wheeler s'est même amusé à l'idée que la présence d'êtres vivants capables "d'observer" transforme ce qui était auparavant une multitude de possibles passés quantiques en une histoire concrète. En ce sens, dit Wheeler, nous devenons des participants à l'évolution de l'univers depuis le tout début. Selon lui, nous vivons dans un «univers complice».
Les physiciens ne peuvent toujours pas choisir la meilleure interprétation de ces expériences quantiques et, dans une certaine mesure, vous avez le droit de le faire. Mais d'une manière ou d'une autre, le sous-texte est évident: la conscience et la mécanique quantique sont en quelque sorte liées.
À partir des années 1980, le physicien anglais Roger Penrose a suggéré que cette connexion pourrait fonctionner dans une direction différente. Il a dit que si la conscience affecte la mécanique quantique ou non, peut-être que la mécanique quantique est impliquée dans la conscience.
Physicien et mathématicien Roger Penrose
Et Penrose a également demandé: et s'il y avait des structures moléculaires dans notre cerveau qui peuvent changer leur état en réponse à un événement quantique? Ces structures peuvent-elles prendre un état de superposition, comme les particules dans l'expérience de la double fente? Ces superpositions quantiques pourraient-elles alors se manifester dans la manière dont les neurones communiquent à travers les signaux électriques?
Peut-être, a déclaré Penrose, notre capacité à maintenir des états mentaux apparemment incompatibles n'est pas une bizarrerie perceptive, mais un véritable effet quantique?
Après tout, le cerveau humain semble être capable de traiter des processus cognitifs qui sont encore bien supérieurs aux ordinateurs numériques en termes de capacités. Nous pouvons même être en mesure d'effectuer des tâches de calcul qui ne peuvent pas être effectuées sur des ordinateurs ordinaires en utilisant la logique numérique classique.
Penrose a d'abord suggéré que les effets quantiques sont présents dans l'esprit humain dans son livre de 1989 The Emperor's New Mind. Son idée principale était «la réduction objective orchestrée». La réduction objective, selon Penrose, signifie que l'effondrement des interférences quantiques et de la superposition est un véritable processus physique, comme une bulle qui éclate.
La réduction d'objectifs orchestrée repose sur l'hypothèse de Penrose selon laquelle la gravité qui affecte les objets quotidiens, les chaises ou les planètes ne présente pas d'effets quantiques. Penrose pense que la superposition quantique devient impossible pour les objets plus grands que les atomes, car leur influence gravitationnelle conduirait alors à l'existence de deux versions incompatibles de l'espace-temps.
Puis Penrose a développé cette idée avec le médecin américain Stuart Hameroff. Dans son livre Shadows of the Mind (1994), il a suggéré que les structures impliquées dans cette cognition quantique pourraient être des filaments de protéines - des microtubules. On les trouve dans la plupart de nos cellules, y compris les neurones du cerveau. Penrose et Hameroff ont fait valoir que pendant le processus d'oscillation, les microtubules peuvent prendre un état de superposition quantique.
Mais rien n'indique que cela soit possible du tout.
On a supposé que l'idée de superpositions quantiques dans les microtubules serait soutenue par des expériences proposées en 2013, mais en fait, ces études ne mentionnaient pas d'effets quantiques. De plus, la plupart des chercheurs pensent que l'idée de réductions objectives orchestrées a été démystifiée par une étude publiée en 2000. Le physicien Max Tegmark a calculé que les superpositions quantiques de molécules impliquées dans les signaux neuronaux ne pourraient pas exister même pour le moment nécessaire à la transmission du signal.
Les effets quantiques, y compris la superposition, sont très fragiles et sont détruits dans un processus appelé décohérence. Ce processus est dû aux interactions d'un objet quantique avec son environnement, puisque son «quantum» s'échappe.
La décohérence était considérée comme extrêmement rapide dans les environnements chauds et humides tels que les cellules vivantes.
Les signaux nerveux sont des impulsions électriques provoquées par le passage d'atomes chargés électriquement à travers les parois des cellules nerveuses. Si l'un de ces atomes était en superposition puis entre en collision avec un neurone, Tegmark a montré que la superposition devait se désintégrer en moins d'un milliardième de milliardième de seconde. Il faut dix mille milliards de fois plus de temps à un neurone pour émettre un signal.
C'est pourquoi les idées sur les effets quantiques dans le cerveau ne sont pas testées par les sceptiques.
Mais Penrose insiste sans relâche sur l'hypothèse OER. Et malgré la prédiction de la décohérence ultra-rapide de Tegmark dans les cellules, d'autres scientifiques ont trouvé des manifestations d'effets quantiques chez les êtres vivants. Certains affirment que la mécanique quantique est utilisée par les oiseaux migrateurs, qui utilisent la navigation magnétique, et les plantes vertes, lorsqu'ils utilisent la lumière du soleil pour fabriquer du sucre par photosynthèse.
Cela dit, l'idée que le cerveau peut utiliser des astuces quantiques refuse de disparaître. Parce qu'ils ont trouvé un autre argument en sa faveur.
Le phosphore peut-il maintenir un état quantique?
Dans une étude de 2015, le physicien Matthew Fisher de l'Université de Californie à Santa Barbara a fait valoir que le cerveau peut contenir des molécules capables de résister à des superpositions quantiques plus puissantes. En particulier, il pense que les noyaux des atomes de phosphore peuvent avoir cette capacité. Les atomes de phosphore se trouvent partout dans les cellules vivantes. Ils prennent souvent la forme d'ions phosphate, dans lesquels un atome de phosphore se combine avec quatre atomes d'oxygène.
Ces ions sont la principale unité d'énergie des cellules. La plupart de l'énergie de la cellule est stockée dans des molécules d'ATP, qui contiennent une séquence de trois groupes phosphate attachés à une molécule organique. Lorsque l'un des phosphates est coupé, de l'énergie est libérée qui est utilisée par la cellule.
Les cellules ont des machines moléculaires pour assembler les ions phosphate en grappes et les décomposer. Fisher a proposé un schéma dans lequel deux ions phosphate peuvent être placés dans une superposition d'un certain type: dans un état intriqué.
Les noyaux de phosphore ont une propriété quantique - le spin - qui les fait ressembler à de petits aimants avec des pôles pointant dans certaines directions. Dans un état intriqué, le spin d'un noyau de phosphore dépend de l'autre. En d'autres termes, les états intriqués sont des états de superposition impliquant plus d'une particule quantique.
Fisher dit que le comportement mécanique quantique de ces spins nucléaires peut contrer la décohérence. Il est d'accord avec Tegmark sur le fait que les vibrations quantiques dont parlaient Penrose et Hameroff seront fortement dépendantes de leur environnement et "décohérent presque immédiatement". Mais les spins des noyaux n'interagissent pas si fortement avec leur environnement.
Et pourtant, le comportement quantique des spins des noyaux phosphoreux doit être "protégé" de la décohérence.
Les particules quantiques peuvent avoir un spin différent
Cela pourrait arriver, dit Fischer, si les atomes de phosphore sont incorporés dans des objets plus grands appelés «molécules de Posner». Ce sont des grappes de six ions phosphate combinés à neuf ions calcium. Il y a des indications que de telles molécules peuvent être dans des cellules vivantes, mais jusqu'à présent elles ne sont pas très convaincantes.
Dans les molécules Posner, soutient Fischer, les spins du phosphore peuvent résister à la décohérence pendant environ un jour, même dans les cellules vivantes. Par conséquent, ils peuvent également affecter le fonctionnement du cerveau.
L'idée est que les molécules de Posner peuvent être absorbées par les neurones. Une fois à l'intérieur, les molécules activeront un signal vers un autre neurone, se décomposant et libérant des ions calcium. En raison de l'intrication dans les molécules de Posner, deux de ces signaux peuvent s'entremêler à leur tour: d'une certaine manière, ce sera une superposition quantique de «pensée». «Si le traitement quantique avec spins nucléaires est réellement présent dans le cerveau, il serait extrêmement courant, se produisant tout le temps», dit Fisher.
Cette idée lui est venue pour la première fois lorsqu'il pensait à la maladie mentale.
Capsule de carbonate de lithium
«Mon introduction à la biochimie du cerveau a commencé lorsque j'ai décidé il y a trois ou quatre ans d'étudier comment et pourquoi le lithium ionique avait un effet si radical dans le traitement des problèmes de santé mentale», explique Fischer.
Les médicaments au lithium sont largement utilisés pour traiter le trouble bipolaire. Ils fonctionnent, mais personne ne sait vraiment pourquoi.
«Je ne cherchais pas une explication quantique», dit Fisher. Mais il est ensuite tombé sur un article décrivant comment les préparations de lithium avaient des effets différents sur le comportement des rats en fonction de la forme - ou «isotope» - du lithium utilisée.
Cela a déconcerté les scientifiques au début. Chimiquement, différents isotopes se comportent à peu près de la même manière, donc si le lithium a fonctionné comme un médicament commun, les isotopes doivent avoir eu le même effet.
Les cellules nerveuses sont connectées aux synapses
Mais Fischer s'est rendu compte que les noyaux d'atomes de différents isotopes de lithium peuvent avoir des spins différents. Cette propriété quantique peut influencer le fonctionnement des médicaments à base de lithium. Par exemple, si le lithium remplace le calcium dans les molécules de Posner, les spins du lithium peuvent avoir un effet sur les atomes de phosphore et les empêcher de s'emmêler.
Si cela est vrai, cela pourrait également expliquer pourquoi le lithium peut traiter le trouble bipolaire.
À ce stade, la supposition de Fischer n'est rien de plus qu'une idée intrigante. Mais il existe plusieurs façons de le vérifier. Par exemple, que les spins du phosphore dans les molécules de Posner peuvent maintenir une cohérence quantique pendant longtemps. C'est Fisher et prévoit de vérifier plus loin.
Pourtant, il se méfie d'être associé à des concepts antérieurs de «conscience quantique», qu'il considère au mieux comme spéculatifs.
La conscience est un mystère profond
Les physiciens n'aiment pas beaucoup être à l'intérieur de leurs propres théories. Beaucoup d'entre eux espèrent que la conscience et le cerveau pourront être extraits de la théorie quantique, et peut-être vice versa. Mais nous ne savons pas ce qu'est la conscience, encore moins le fait que nous n'avons pas de théorie qui la décrit.
De plus, il y a parfois de fortes exclamations selon lesquelles la mécanique quantique nous permettra de maîtriser la télépathie et la télékinésie (et bien que quelque part dans la profondeur des concepts, cela puisse être le cas, les gens prennent tout trop à la lettre). Par conséquent, les physiciens ont généralement peur de mentionner les mots «quantique» et «conscience» dans une phrase.
En 2016, Adrian Kent de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, l'un des «philosophes quantiques» les plus respectés, a suggéré que la conscience peut changer le comportement des systèmes quantiques d'une manière subtile mais détectable. Kent est très prudent dans ses déclarations. «Il n'y a aucune raison impérieuse de croire que la théorie quantique est une théorie appropriée à partir de laquelle tirer une théorie de la conscience, ou que les problèmes de la théorie quantique doivent en quelque sorte chevaucher le problème de la conscience», admet-il.
Mais il ajoute qu'il est totalement incompréhensible de savoir comment on peut déduire une description de la conscience, basée uniquement sur la physique pré-quantique, comment décrire toutes ses propriétés et caractéristiques.
Nous ne comprenons pas comment fonctionnent les pensées
Une question particulièrement troublante est de savoir comment notre esprit conscient peut ressentir des sensations uniques telles que le rouge ou l'odeur de la viande rôtie. Hormis les personnes ayant une déficience visuelle, nous savons tous à quoi ressemble le rouge, mais nous ne pouvons pas transmettre ce sentiment, et en physique, rien ne peut nous dire à quoi il ressemble.
Des sentiments comme ceux-ci sont appelés qualia. Nous les percevons comme des propriétés uniformes du monde extérieur, mais en réalité ce sont des produits de notre conscience - et cela est difficile à expliquer. En 1995, le philosophe David Chalmers a appelé cela le «problème difficile» de la conscience.
«Toute chaîne de pensée sur le lien entre la conscience et la physique conduit à de graves problèmes», dit Kent.
Cela l'a incité à suggérer que «nous pourrions faire des progrès dans la compréhension du problème de l'évolution de la conscience, si nous admettions (du moins juste admis) que la conscience change les probabilités quantiques».
En d'autres termes, le cerveau peut réellement influencer les résultats des mesures.
De ce point de vue, il ne définit pas «ce qui est réel». Mais cela peut affecter la probabilité que chacune des réalités possibles imposées par la mécanique quantique soit observée. Même la théorie quantique elle-même ne peut pas prédire cela. Et Kent pense que nous pourrions rechercher de telles manifestations expérimentalement. Évalue même hardiment les chances de les trouver.
«Je suppose avec 15% de certitude que la conscience provoque des écarts par rapport à la théorie quantique; et 3 pour cent supplémentaires que nous confirmerons expérimentalement dans les 50 prochaines années », dit-il.
Si cela se produit, le monde ne sera plus le même. Cela vaut la peine d'être exploré pour cela.
ILYA KHEL