¿Puede explicarse el cerebro humano usando física cuántica?


Hay una extraña relación entre la teoría cuántica y la conciencia. Aunque incomode a algunos científicos.
"No puedo definir el problema real, por lo tanto sospecho que no hay un problema real, pero no estoy seguro de que no lo haya".
Un rostro de mujer con haces de luz
Estas son palabras del físico estadounidense Richard Feymann, en alusión a los enigmas y paradojas de la mecánica cuántica, la teoría usada para describir los objetos más pequeños en el Universo.
Pero bien podría haber estado hablando del problema, igualmente enredado, de la conciencia.
Algunos científicos piensan que ya la entendemos o que es una mera ilusión. Otros creen que no comprendemos de dónde viene.
El eterno acertijo de la consciencia incluso ha llevado a algunos investigadores a invocar a la física cuántica para explicarla.
La noción siempre ha provocado escepticismo, pues no suena sensato explicar un misterio con otro. Pero hay una relación entre la mente y la teoría cuántica desde casi el comienzo.




Una imagen de escáner de una cabezaDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image caption¿Qué es lo que pasa en nuestro cerebro?

Aunque muchos la ridiculizan viéndola como charlatanería mística, la "consciencia cuántica" se niega a desaparecer.

"Efecto observador"

La mecánica cuántica es la mejor teoría que tenemos para describir el mundo a nivel de átomos partículas subatómicas.
Quizás el más renombrado de sus misterios es el hecho de que el resultado de un experimento cuántico puede variar dependiendo de si decidimos medir una propiedad de las partículas empleadas u otra.




El físico y matemático Roger PenroseDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image caption¿Qué pasaría, preguntó Penrose, si hubiese estructuras moleculares en nuestros cerebros que puedan alterar su estado respondiendo a un evento cuántico?

Cuando ese "efecto observador" fue notado por los pioneros de la teoría cuántica, les generó una profundad inquietud.
Parecía minar el supuesto básico detrás de toda la ciencia: que hay un mundo objetivo, independiente de nosotros.
Si la forma de comportarse del mundo depende de cómo -o de si- lo miramos, ¿qué puede realmente significar "la realidad"?
Algunos de esos investigadores se sintieron obligados a concluir que la objetividad era una ilusión y que se le debería permitir a la consciencia un rol activo en la teoría cuántica.
Para otros, eso no tenía sentido. Como se quejara Albert Einstein una vez, la Luna no existe solo cuando la miramos.
Ahora hay físicos que sospechan que, independientemente de si la consciencia influye sobre la mecánica cuántica, esta parte de la física puede ser necesaria para entender completamente cómo funciona el cerebro.

Estado superpuesto

La más famosa intrusión de la mente en la mecánica cuántica ocurre en el "experimento de la doble rendija".
Imagínate que proyectas un rayo de luz en una pantalla que contiene dos rendijas paralelas, situadas a poca distancia. Parte de la luz las atraviesa y luego alcanza otra pantalla.




El famoso experimento de las rendijasDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image captionEl experimento de las rendijas puso de cabeza a la ciencia.

La luz puede considerarse como una especie de onda y cuando las ondas emergen de las dos rendijas pueden interferir entre sí.
Si sus picos coinciden, se refuerzan entre sí, mientras que si un pico y un punto mínimo coinciden, se anulan.
Esa interferencia de onda se llama difracción y produce una serie de franjas brillantes y oscuras en la pantalla del fondo, donde las ondas de luz se refuerzan o se cancelan.
Ese experimento también puede hacerse con partículas cuánticas como electrones.
Y, contrario a lo que intuitivamente se pensaba, esas partículas pueden comportarse como ondas. En este sentido, experimentan una difracción cuando atraviesan las dos rendijas, produciendo un patrón de interferencia.




Otra toma del experimento de las rendijasDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image caption¿Existe una realidad objetiva?

Supongamos que las partículas cuánticas se envían una por una, a través de las rendijas, y su llegada a la pantalla es también vista individualmente.
Aparentemente, no habría nada que interfiriera con sus trayectorias. Sin embargo, el patrón de impactos de partículas, acumuladas con el tiempo, revela bandas de interferencia.
Parece que cada partícula pasa simultáneamente a través de ambas rendijas e interfiere con sí misma.
A esa combinación de "dos trayectorias a la misma vez" se le conoce como un estado de superposición.
Pero ahora viene lo verdaderamente extraño.




Microtúbulos dentro de una célulaDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image captionLos microtúbulos son proteínas que se encuentran en las células.

Si se coloca un detector dentro o justo detrás de una de las rendijas, se puede saber si una determinada partícula la atravesó o no.
Al hacerlo, la interferencia desaparece.
Por la sencilla razón de que observamos la trayectoria de una partícula -sin que esa observación altere su movimiento- cambiamos el resultado.
El físico Pascual Jordan, quien trabajó con el gurú de la cuántica Niels Bohr en Copenhague en la década de 1920, lo explicó así: "Las observaciones no solo alteran las mediciones... también fuerzan (a las partículas cuánticas) a que asuman una posición definitiva".
En otras palabras Jordan dijo: "Nosotros mismos producimos los resultados de las mediciones".
Si eso es así, la noción de la realidad objetiva pareciera venirse abajo.

Naturaleza "espía"

Y todo se pone aun más extraño.




SinapsisDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image captionLas células nerviosas se comunican a través de la sinapsis.

Si la naturaleza parece cambiar su comportamiento cuando la "miramos", podríamos intentar engañarla para que muestre sus cartas.
Podríamos medir cuál fue la trayectoria tomada por una partícula a través de las dobles rendijas, pero solo después de su paso.
Para entonces debería haber "decidido" si toma una o dos trayectorias.
En la década de 1970, el físico estadounidense John Wheeler efectuó un experimento para hacer mediciones sobre las trayectorias de partículas cuánticas (generalmente luminosas, llamadas fotones) después de que hubieran escogido un recorrido o la superposición de dos.
Y, tal como pronosticó Bohr, aunque atrasemos la medición, siempre que midamos la trayectoria del fotón, antes de registrarse su llegada a un detector, perdemos toda interferencia.
Es como si la naturaleza "supiese" no solo que estamos observando, sino que estamos planeando hacerlo.
Cuando descubrimos la trayectoria de una partícula cuántica, su nube de posibles rutas "colapsa" a un estado sencillo bien definido. Más aún, el mero hecho de notarlo, más que cualquier alteración física provocada por la medición, puede causar el colapso.




Una ilustración de un cerebro con unos engranajesDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image captionTodavía no entendemos cómo funcionan los pensamientos.

¿Quiere eso decir que el verdadero colapso solo sucede cuando somos conscientes del resultado de la medición?
Esa posibilidad fue reconocida en la década de 1930 por el físico húngaro Eugene Wigner. "De ahí se deduce que la descripción cuántica de objetos es influenciada por las impresiones que entran en mi consciencia", escribió.
Hasta el día de hoy los físicos no concuerdan en la mejor forma de interpretar esos experimentos.
Pero es difícil no inferir que la consciencia y la mecánica cuántica están, de alguna forma, vinculadas.

"Reducción objetiva"

En la década de 1980, el físico británico Roger Penrose sugirió que, independientemente de si la consciencia afecta o no a la mecánica cuántica, esta última quizás incide en la consciencia.
¿Qué pasaría, preguntó Penrose, si hubiese estructuras moleculares en nuestros cerebros que puedan alterar su estado, en respuesta a un evento cuántico?
¿No podrían esas estructuras adoptar un estado de superposición, como las partículas en el experimento de la doble rendija?




Una imagen de un cráneoDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image captionLa conciencia es un misterio profundo.

¿Y podrían esas superposiciones cuánticas manifestarse en la manera en la que se activan las neuronas para comunicarse por vía de señales eléctricas?
Quizás, dice Penrose, nuestra capacidad de mantener estados mentales aparentemente incompatibles no es una particularidad de la percepción, sino un efecto cuántico.
La idea es llamada "reducción objetiva orquestada" (en inglés, Orch-Or).
Y "reducción objetiva" significa, tal como cree Penrose, el colapso de la interferencia cuántica y la superposición es un proceso físico real, como el estallido de una burbuja.
Orch-OR se basa en su sugerencia de que la gravedad es responsable de que objetos cotidianos, como sillas y planetas, no muestren efectos cuánticos.
Penrose cree que las superposiciones cuánticas se vuelven imposibles para objetos más grandes que átomos porque sus efectos gravitacionales forzarían la coexistencia de dos versiones incompatibles de espacio-tiempo.
El físico estadounidense Stuart Hameroff desarrolló más esta teoría.
En su libro de 1994 Shadow of the Mind ("La Sombra de la Mente") sugirió que las estructuras participantes en esta cognición cuántica podrían ser versiones de proteínas llamadas microtúbulos, encontradas en la mayoría de nuestras células, incluyendo en las neuronas.
Penrose y Hameroff argumentan que las vibraciones de los microtúbulos pueden adoptar una superposición cuántica aunque no hay evidencias de que tal cosa sea remotamente posible.

Teorías incómodas

Otros estudios han insinuado que el cerebro puede contener moléculas capaces de sostener superposiciones cuánticas más sólidas.
Pero a los físicos les incomoda este tipo de teorías.




Partículas cuánticasDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image captionLas partículas cuánticas rotan de forma muy diferente.

La mayoría espera que la consciencia y el cerebro puedan mantenerse fuera de la teoría cuántica y, quizás, viceversa.
Después de todo, ni siquiera sabemos qué es la consciencia, mucho menos tenemos una teoría para describirla.
Una pregunta que causa especial perplejidad es cómo nuestras mentes conscientes pueden experimentar sensaciones únicas, tales como el color rojo o el olor de la tocineta frita.
Con la excepción de las personas con impedimentos visuales, todos sabemos a qué se parece el rojo, pero no tenemos formas de comunicar esa sensación y no hay nada en la física que nos diga cómo debería ser.
Sensaciones como esa son llamadas "qualia". Las percibimos como propiedades unificadas del mundo exterior pero, de hecho, son productos de nuestra consciencia, complicados de explicar.
En 1995, el filósofo David Chalmers, lo llamó el "problema difícil" de la consciencia.
Y Adrian Kent, uno de los más respetados "filósofos cuánticos", señaló que "toda línea de pensamiento sobre la relación de la consciencia a la física choca con un profundo problema".
Kent sugirió que "podríamos hacer avances en comprender el problema de la evolución de la consciencia, si suponemos que la consciencia altera (aunque quizás muy ligera y sutilmente) las probabilidades cuánticas".
En otras palabras, la mente podría verdaderamente afectar los resultados de las medidas.
Desde este punto de vista no determina exactamente "lo que es real".




Eugene WignerDerechos de autor de la imagenSCIENCE PHOTO LIBRARY
Image caption"La descripción cuántica de objetos es influenciada por las impresiones que entran en mi consciencia”, escribió Wigner en los años 30.

Pero podría afectar las probabilidades de que cada una de las posibles realidades permitidas por la mecánica cuántica es la que, de hecho, observamos de una forma en que la propia teoría cuántica no puede predecir.
Kent dice que podríamos buscar esos efectos de manera experimental.
Si eso sucede, transformaría nuestras ideas, tanto sobre la física como la mente.
Y eso parece una posibilidad que vale la pena explorar.
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