Is er een link tussen kwantummechanica en de werking van het menselijk brein?

"Ik kan het echte probleem niet te definiëren, dus ik vermoed dat er geen echt probleem is, maar ik ben niet zeker dat er geen probleem is."

De Amerikaanse fysicus Richard Feynman zei dit over de beruchte puzzels en paradoxen van de kwantummechanica, de theorie die natuurkundigen gebruiken om de kleinste objecten in het heelal te beschrijven. Maar hij kan net zo goed zijn uitspraak gedaan hebben over de onontwarbare knoop die ons bewustzijn genoemd wordt.Sommige wetenschappers denken dat we al begrijpen wat bewustzijn is, of dat het een illusie is. Maar vele anderen hebben het gevoel dat we nog lang niet weten waar het menselijk bewustzijn nu juist vandaan komt.

menselijk brein
Hoe werkt ons brein? (Credit: Mehau Kulyk/Science Photo Library)

De eeuwige raadsel van het bewustzijn heeft zelfs geleid sommige onderzoekers in de kwantumfysica de oplossing proberen te vinden. Dit is altijd op een hoop scepsis gestoten, wat ook niet verwonderlijk is: het klinkt immers niet verstandig om het ene mysterie met het andere uit te leggen. Het mag dan wel absurd klinken, maar misschien is dit toch niet onmogelijk.

Er zijn immers vele zaken die verwant zijn met zowel de kwantummechanica als met het bewustzijn. De kwantumcomputers van de toekomst zullen dingen kunnen verwezelijken die onmogelijk zijn met de computers die we nu kennen, net zoals ons brein nu nog vele stappen voorloopt op de huidige stand van artificiële intelligentie.

Kwantummechanica is de beste theorie die we tot nu toe hebben voor het beschrijven van de wereld op het niveau van atomen en subatomaire deeltjes. Misschien wel het meest bekende van zijn geheimen is het feit dat de uitkomst van een kwantumexperiment afhankelijk is van het feit of we ervoor kiezen om enkele eigenschappen van de betrokken deeltjes te meten. Afhankelijk van welke eigenschap we proberen te meten zal het experiment dus anders aflopen.

Wanneer dit "waarnemerseffect" werd voor het eerst werd opgemerkt door de vroege pioniers van de kwantumtheorie, werden ze diep ontroerd. Het leek het uitgangspunt achter de wetenschap te ondermijnen: dat er een objectieve wereld is, waarin alles is vastgelegd on onfeilbare natuurwettten. Als de manier waarop de wereld zich gedraagt ​​afhangt van hoe (of als) we ernaar kijken, wat stelt de realiteit dan eigenlijk voor?

Sommige van die onderzoekers voelden zich gedwongen om te concluderen dat de objectiviteit een illusie was, en dat het bewustzijn een actieve rol heeft in de kwantumtheorie. Voor anderen was dit onzin. Zo, zei Albert Einstein eens, bestaat de maan niet alleen wanneer we ernaar kijken.

Vandaag de dag stellen een aantal natuurkundigen of het bewustzijn nu al dan niet een invloed heeft op de kwantummechanica, het in feite kan ontstaan als een gevolg ervan. Ze denken de kwantumtheorie nodig te hebben om volledig te begrijpen hoe de hersenen werken. Het tweespletenexperiment is een voorbeeld van hoe men als observator in één experiment verschillende uitkomsten kan bekomen.

tweespletenexperiment
Het beroemde tweespletenexperiment (Credit: Victor de Schwanberg/Science Photo Library)

In het experiment wordt met een coherente lichtbundel, bijvoorbeeld een laser, op een plaat met daarin twee smalle spleten geschenen. Hierdoor wordt op een achter de spleten gelegen scherm een interferentiepatroon van lichte en donkere plekken zichtbaar dat verklaard kan worden als men het licht beschouwt als een golf dat diffractie ondervindt bij de spleten. Als men het experiment echter uitvoert bij een zeer lage lichtintensiteit dan wordt duidelijk dat het licht als afzonderlijke punten op het scherm arriveert. Dit kan men verklaren door het licht te beschouwen als deeltjes (fotonen) die een voor een op het scherm arriveren. Het interferentiepatroon wordt pas na verloop van tijd zichtbaar doordat de fotonen het scherm niet overal even vaak treffen.

Het bijzondere aan het experiment is dat dat interferentiepatroon nog steeds zichtbaar wordt als men de intensiteit van de bundel dusdanig verlaagt dat de fotonen een voor een door de spleten gaan en er dus geen ander foton aanwezig is waarmee het foton zou kunnen interferen. Het lijkt dus alsof 1 foton door beide spleten tegelijk gaat en met zichzelf interfereert. Wanneer men echter een detector plaats bij de spleten om te kijken door welke spleet het foton gaat, blijkt dat het foton altijd maar door een enkele spleet gaat en niet door twee tegelijkertijd. Het plaatsen van een detector bij de spleten heeft echter ook tot gevolg dat er geen interferentiepatroon meer ontstaat op het erachter gelegen scherm. Dit wil zeggen dat enkel het observeren van de baan van de deeltjes, ook al beïnvloedt dit de deeltjes niet, toch een andere uitkomst geeft aan het experiment.

Fysicus Pascual Jordan, die in de jaren 1920 met kwantumgoeroe Niels Bohr in Kopenhagen werkte zei het volgende: "observaties verstoren niet alleen hetgene wat gemeten moet worden, ze produceren ook de resultaten. We nemen aan dat een kwantumdeeltje een vaste positie moet hebben, als dit in de werkelijkheid niet zo is, produceren we dus zelfs de resulaten van onze metingen."

Als dit werkelijk zo is, kunnen we het begrip objectieve realiteit in de vuilbak smijten.

Als de natuur zijn gedrag lijkt te veranderen , afhankelijk van de vraag of we meekijken of niet, kunnen we dan proberen haar te verleiden om haar ware aard te tonen? Om dit te doen, kunnen we meten welke weg een deeltje nam door de dubbele spleten, maar pas nadat het door de spleten is gepasseerd. Tegen die tijd moet het immers "besloten" hebben om één pad te nemen, of beide.

2 staten
Deeltjes kunnen zich in 2 posities tegelijkertijd bevinden (Credit: Victor de Schwanberg/Science Photo Library)

Een experiment hiervoor werd in 1970 voorgesteld door de Amerikaanse natuurkundige John Wheeler en zijn "vertraagde keuze" experiment werd in de volgende decennia uitgevoerd. Het maakt gebruik van slimme technieken om metingen te verrichten op de paden van kwantumdeeltjes (in dit geval de zogenaamde fotonen), nadat ze hadden moeten kiezen of ze één pad namen, of toch beide samen. Deze metingen brachten aan het licht dat, net zoals Niels Bohr voorspelde, het eigenlijk niet uitmaakt of de metingen worden uitgesteld of niet. Van zodra we de fotonen proberen te volgen verdwijnt het interferentiepatroon. De natuur lijkt dus te weten dat we meekijken, en breekt dan haar goocheltruuk af om haar mysteries niet te verraden.

Zo komen we dan op het punt waar de link tussen kwantummechanica en ons brein duidelijk wordt. Heeft het feit dat we willen begrijpen hoe de lichtdeeltjes zich bewegen invloed op het experiment? Deze mogelijkheid werd geopperd door de Hongaarse natuurkundige Eugene Wigner.

Eugene Wigner
Eugene Wigner (Credit: Emilio Segre Visual Archives/American Institute of Physics/Science Photo Library)

"Blijkbaar wordt de kwantumomschrijving van objecten beïnvloed door indrukken van mijn bewustzijn," schreef hij. Winger merkt op dat de aanwezigheid van levende wezens die in staat zijn doelbewuste observaties uit te voeren bepaald heeft hoe de "verschillende kwantummogelijkheden uit het verleden" zich hebben samengebald in die ene tijdslijn die wij geschiedenis noemen. In deze zin wordt de mens een actieve deelnemer aan de evolutie van het heelal, en dat sinds het prille begin. We leven als het ware in een "participatief universum".

In de jaren 1980, kwam de britse natuurkundige Roger Penrose met een andere benadering. Wat als het bewustzijn geen invloed heeft op kwantummechanica, maar dat deze mechanica nu juist deel uitmaakt van het bewustzijn?

Stel dat er moleculaire structuren in onze hersenen zijn die hun toestand kunnen wijzigen als reactie op een enkelvoudige kwantum evenement. Kunnen die structuren dan niet kiezen voor een superpositie, net als de deeltjes in het tweespletenexperiment? En zouden die kwantumsuperposities kunnen laten zien hoe neuronen worden geactiveerd om te communiceren via elektrische signalen? Misschien, zegt Penrose, is ons vermogen om schijnbaar onverenigbare mentale toestanden in stand te houden geen gril van de waarneming, maar een echt kwantumeffect. Het menselijk brein is immers moeiteloos in staat om cognitieve processen uit te voeren die nog verre van mogelijk zijn met de huidige supercomputers, die gebruik maken van een digitale logica. (Zo heeft IBM's supercomputer Deep Blue dan wel schaakkampioen Garri Kasparov verslaan in het schaakspel, maar Garri is wel oneindig malen beter in het kaartlezen, veters knopen, autorijden... enz, ook al is hij geen kampioen in deze disciplines)

Roger Penrose
Roger Penrose (Credit: Max Alexander/Science Photo Library)

Penrose stelde zijn bevindingen voor in 1989. Zijn idee werd Orch-OR genoemd, een afkorting voor "orchestrated objective reduction". Deze theorie wil zeggen dat het verdijnen van het interferentiepatroon en de superpositie van fotonen een echt fysisch proces is, zoals het uiteenspatten van een zeepbel.

Orch-OR zegt dat de zwaartekracht verantwoordelijk is voor het feit dat alledaagse objecten als stoelen of tafels geen kwantumeffecten vertonen. Penrose stelt dat kwantumsuperposities onmogelijk worden voor objecten die groter zijn dan atomen, omdat hun massa het niet toelaat om twee versies van zichzelf in stand te houden in het ruimte-tijd universum. Penrose werkte dit idee verder uit met de Amerikaanse arts Stuart Hameroff. In zijn boek Shadows of the Mind uit 1994 stelde hij voor dat de kwantumgestuurde cognitie misschien wel plaatsvond in eiwitstrengen genaamd microtubes. Deze worden gevonden in de meeste van onze cellen, met inbegrip van de neuronen in onze hersenen. Penrose en Hameroff beweren dat trillingen van microtubes een kwantumsuperpositie kunnen aannemen.

Microtubes
Microtubes in een cel (Credit: Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library)

Deze bevindingen werden echter al gauw tegengesproken door andere geleerden. kwantumeffecten zoals superpositie kunnen gemakkelijk vernietigd door een ander proces genaamd decoherentie. Dit wordt veroorzaakt door de interactie van een kwantumobject met zijn omgeving, waardoor het effect weglekt. Deze decoherentie gaat zeer snel in een warme en vochtige omgevingen zoals deze van levende cellen.

Zenuwsignalen zijn elektrische pulsen veroorzaakt door de passage van elektrisch geladen atomen in de wanden van zenuwcellen. Als een van deze atomen in superpositie is, en vervolgens botst met een neuron, vervalt de superpositie in minder dan een miljard miljardste van een seconde. Het duurt echter minstens tienduizend biljoen keer zo lang eer een neuron zijn signaal kan ontladen. Orch-OR werd terug naar de prullenbak verwezen.

20 jaar lang werd er nog weinig gehoord over kwantumhersenen, tot Matthew Fisher van de University of California met een nieuwe doorbraak kwam in 2015. In de paper die hij toen publiceerde toonde hij aan dat langdurende kwantumsuperposities in levende cellen wel mogelijk zijn, met name in de kernen van fosforatomen. Fosforatomen zijn overal in levende cellen. Ze hebben vaak de vorm van fosfaationen, waarbij één fosforatoom verbindt met vier zuurstofatomen.

Fosfor
Is fosfor de oplossing? (Credit: Phil Degginger/Science Photo Library)

Fisher stelde een schema voor waarin twee fosfaationen in een speciaal soort superpositie kunnen geplaatst worden, de "verstrengelde toestand". De fosforkernen hebben een kwantumeigenschap genaamd spin waardoor ze net als kleine magneten wijzen in het bepaalde richtingen. In verstrengelde toestand zorgt dit ervoor dat de rotatie van een fosforkern afhankelijk is van die van de andere. Anders gesteld zorgen deze verstrengelde toestanden voor echte superposities waarbij meer dan een kwantumdeeltje betrokken is. In verstrengelde toestand reageren de kernen ook nauwelijks op hun omgeving. Ze beschermen zichzelf tegen decoherentie, zelfs in levende cellen. Ze kunnen dus ook een invloed hebben op de werking van ons brein.

Het gekke is dat Fisher helemaal geen onderzoek deed naar kwantumtheorie, maar naar een geneesmiddel tegen bipolaire stoornissen. Geneesmiddelen met lithium worden immers gebruikt om deze stoornis te behandelen, alleen weet er niemand waarom lithium nu juist aanslaat.

Fisher ontdekte dat lithium geneesmiddelen verschillende effecten hadden op het gedrag van ratten, afhankelijk van welke vorm, of "isotoop", er gebruikt werd. Op het eerste gezicht was dat zeer verwarrend. In chemische termen moeten verschillende isotopen zich bijna identiek gedragen, dus als lithium werkte als conventioneel geneesmiddel, moeten de isotopen allemaal hetzelfde effect gehad hebben. Dit was niet het geval.

Fisher realiseerde zich toen dat de atoomkernen van verschillende lithiumisotopen verschillende rotaties kunnen hebben. Deze kwantumeigenschap kan invloed hebben op de manier waarop de medicijnen werken handelen. Als dit waar is, verklaart het niet alleen waarom lithiummedicatie werkt, maar ook dat ons brein in feite een kwantumcomputer is.

menselijk bewustzijn
Bewustzijn blijft een mysterie (Credit: Sciepro/Science Photo Library)

Natuurkundigen zijn zelf nog niet tevreden over hun theorieën. De meeste hopen dat het bewustzijn en de hersenen niets met de kwantumtheorie te maken hebben, en vice versa. We weten immers nog niet wat bewustzijn is, laat staan dat we een theorie hebben om het te beschrijven.

We weten allemaal wat rood is, maar we hebben geen enkele manier om het te beschrijven.