¿Puede explicarse la conciencia con física cuántica?
Foto: Jose A.Thompson| Unsplash

Futuro

¿Puede explicarse la conciencia con física cuántica?

La teoría Penrose-Hameroff de la conciencia cuántica sostiene que los microtúbulos están estructurados en un patrón fractal que permitiría que se produjeran procesos cuánticos

por Cristiane de Morais Smith

Una de las cuestiones abiertas más importantes de la ciencia es cómo se establece nuestra conciencia. En la década de 1990, mucho antes de ganar el Premio Nobel de Física 2020 por su predicción de los agujeros negros, el físico Roger Penrose se asoció con el anestesista Stuart Hameroff para proponer una respuesta ambiciosa.

Ambos afirmaron que el sistema neuronal del cerebro forma una intrincada red y que la conciencia que produce debería obedecer a las reglas de la mecánica cuántica, la teoría que determina cómo se mueven partículas diminutas como los electrones. Según estos investigadores, esto podría explicar la misteriosa complejidad de la conciencia humana.

La tesis de Penrose y Hameroff fue acogida con incredulidad. Las leyes de la mecánica cuántica solo suelen aplicarse a temperaturas muy bajas. Los ordenadores cuánticos, por ejemplo, funcionan actualmente a unos -272 °C. A temperaturas más altas, la mecánica clásica se impone. Como nuestro cuerpo funciona a temperatura ambiente, es de esperar que se rija por las leyes clásicas de la física. Por esta razón, la teoría de la conciencia cuántica ha sido descartada de plano por muchos científicos, aunque otros son partidarios convencidos.

En lugar de entrar en este debate, decidí unir fuerzas con colegas de China, encabezados por el profesor Xian-Min Jin, de la Universidad Jiaotong de Shanghai, para poner a prueba algunos de los principios que sustentan la teoría cuántica de la conciencia.

En nuestro nuevo artículo, hemos investigado cómo podrían moverse las partículas cuánticas en una estructura compleja como el cerebro, pero en un entorno de laboratorio.

Si nuestros hallazgos pueden compararse algún día con la actividad medida en el cerebro, podríamos estar un paso más cerca de validar o descartar la controvertida teoría de Penrose y Hameroff.

Cerebro y fractales

Nuestros cerebros están compuestos por células llamadas neuronas, y se cree que su actividad combinada genera la conciencia. Cada neurona contiene microtúbulos, que transportan sustancias a diferentes partes de la célula. La teoría Penrose-Hameroff de la conciencia cuántica sostiene que los microtúbulos están estructurados en un patrón fractal que permitiría que se produjeran procesos cuánticos.

Los fractales son estructuras que no son ni bidimensionales ni tridimensionales, sino que tienen algún valor fraccionario intermedio. En matemáticas, los fractales surgen como patrones hermosos que se repiten infinitamente, generando lo que es aparentemente imposible: una estructura que tiene un área finita, pero un perímetro infinito.

Esto puede parecer imposible de visualizar, pero en realidad los fractales se dan con frecuencia en la naturaleza. Si observamos con atención los ramilletes de una coliflor o las ramas de un helecho, veremos que ambos están formados por la misma forma básica que se repite una y otra vez, pero a escalas cada vez más pequeñas. Esa es una característica clave de los fractales.

Lo mismo ocurre si miramos dentro de nuestro propio cuerpo: la estructura de los pulmones, por ejemplo, es fractal, al igual que los vasos sanguíneos del sistema circulatorio. Los fractales también aparecen en las encantadoras obras de arte repetitivas de MC Escher y Jackson Pollock, y se han utilizado durante décadas en la tecnología, como en el diseño de antenas. Todos ellos son ejemplos de fractales clásicos, es decir, fractales que se rigen por las leyes de la física clásica y no de la física cuántica.

Una obra de arte fractal de Escher

Esta extensión del Círculo Límite III de Escher muestra su naturaleza fractal y repetitiva. | Foto: Vladimir-Bulatov, Deviantart

Es fácil ver por qué los fractales se han utilizado para explicar la complejidad de la conciencia humana. Dado que son infinitamente intrincados y permiten que la complejidad surja de patrones simples repetidos, podrían ser las estructuras que sustentan las misteriosas profundidades de nuestras mentes.

Pero si este es el caso, sólo podría estar ocurriendo a nivel cuántico, con diminutas partículas moviéndose en patrones fractales dentro de las neuronas del cerebro. Por eso la propuesta de Penrose y Hameroff se llama teoría de la «conciencia cuántica».

La conciencia cuántica

Todavía no podemos medir el comportamiento de los fractales cuánticos en el cerebro, si es que existen. Pero la tecnología avanzada nos permite medir los fractales cuánticos en el laboratorio. En una investigación reciente en la que se utilizó un microscopio de túnel de barrido (STM), mis colegas de Utrecht y yo dispusimos cuidadosamente los electrones en un patrón fractal, creando un fractal cuántico.

Cuando medimos la función de onda de los electrones, que describe su estado cuántico, descubrimos que también vivían en la dimensión fractal dictada por el patrón físico que habíamos creado. En este caso, el patrón que utilizamos en la escala cuántica fue el triángulo de Sierpiński, que es una forma que está entre la unidimensionalidad y la bidimensionalidad.

Este fue un hallazgo emocionante, pero las técnicas de STM no pueden sondear cómo se mueven las partículas cuánticas, lo que nos diría más sobre cómo podrían ocurrir los procesos cuánticos en el cerebro. Así que en nuestra última investigación, mis colegas de la Universidad Jiaotong de Shanghái y yo fuimos un paso más allá. Utilizando experimentos fotónicos de última generación, pudimos revelar el movimiento cuántico que tiene lugar dentro de los fractales con un detalle sin precedentes.

Lo conseguimos inyectando fotones (partículas de luz) en un chip artificial diseñado minuciosamente para formar un diminuto triángulo de Sierpiński. Inyectamos fotones en la punta del triángulo y observamos cómo se propagaban por su estructura fractal en un proceso denominado transporte cuántico. A continuación, repetimos este experimento en dos estructuras fractales diferentes, ambas con forma de cuadrados en lugar de triángulos. Y en cada una de estas estructuras realizamos cientos de experimentos.

Un fractal cuadrado que se repite

También realizamos experimentos en un fractal de forma cuadrada llamado alfombra de Sierpiński. | Foto: Johannes Rössel, Wikimedia

Nuestras observaciones a partir de estos experimentos revelan que los fractales cuánticos se comportan en realidad de forma diferente a los clásicos. En concreto, descubrimos que la propagación de la luz a través de un fractal se rige por leyes diferentes en el caso cuántico en comparación con el caso clásico.

Este nuevo conocimiento de los fractales cuánticos podría sentar las bases para que los científicos comprueben experimentalmente la teoría de la conciencia cuántica. Si algún día se realizan mediciones cuánticas del cerebro humano, podrían compararse con nuestros resultados para decidir definitivamente si la conciencia es un fenómeno clásico o cuántico.

Nuestro trabajo también podría tener profundas implicaciones en otros campos científicos. Al investigar el transporte cuántico en nuestras estructuras fractales diseñadas artificialmente, puede que hayamos dado los primeros pequeños pasos hacia la unificación de la física, las matemáticas y la biología, lo que podría enriquecer enormemente nuestra comprensión del mundo que nos rodea, así como del mundo que existe en nuestras cabezas.

 


Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

The Conversation

Cristiane de Morais Smith

Profesora y Física Teórica en la Universidad de Utrech. Trabaja en física de la materia condensada.