La consciencia podría ser el resultado de procesos cuánticos en el cerebro

 Cristiane de Morais Smith (*).

Una de las cuestiones abiertas más importantes de la ciencia es cómo se establece nuestra consciencia. 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 anestesiólogo Stuart Hameroff para proponer una respuesta ambiciosa.

Afirmaron que el sistema neuronal del cerebro forma una red intrincada y que la conciencia que esto produce debería obedecer las reglas de la mecánica cuántica, la teoría que determina cómo se mueven las partículas diminutas como los electrones. Esto, argumentan, podría explicar la misteriosa complejidad de la consciencia humana.

Penrose y Hameroff fueron recibidos con incredulidad. Las leyes de la mecánica cuántica generalmente solo se aplican a temperaturas muy bajas. Los ordenadores cuánticos, por ejemplo, en la actualidad funcionan a alrededor de -272 °C . A temperaturas más altas, la mecánica clásica se hace cargo.

Dado que nuestro cuerpo funciona a temperatura ambiente, es de esperar que se rija por las leyes de la física clásica. Por esta razón, la teoría de la consciencia cuántica ha sido descartada por muchos científicos, aunque otros son partidarios persuadidos.

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

En nuestro nuevo artículo, hemos investigado cómo las partículas cuánticas podrían moverse en una estructura compleja como el cerebro, pero en un entorno de laboratorio. Si nuestros hallazgos se pueden comparar algún día con la actividad medida en el cerebro, podemos acercarnos un paso más a validar o descartar la controvertida teoría de Penrose y Hameroff.

Cerebros y fractales

Nuestros cerebros están compuestos de células llamadas neuronas, y se cree que su actividad combinada genera consciencia.

Cada neurona contiene microtúbulos, que transportan sustancias a diferentes partes de la célula. La teoría de Penrose-Hameroff de la consciencia cuántica sostiene que los microtúbulos están estructurados en un patrón fractal que permitiría que ocurrieran procesos cuánticos.

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

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Esto puede parecer imposible de visualizar, pero los fractales ocurren con frecuencia en la naturaleza. Si observa de cerca las flores de una coliflor o las ramas de un helecho, verá que ambas están compuestas 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 sucede si miras dentro de tu propio cuerpo: la estructura de tus pulmones, por ejemplo, es fractal, al igual que los vasos sanguíneos en tu sistema circulatorio. Los fractales también aparecen en las encantadoras obras de arte repetidas de MC Escher y Jackson Pollock , y se han utilizado durante décadas en tecnología, como en el diseño de antenas. Todos estos son ejemplos de fractales clásicos: fractales que se rigen por las leyes de la física clásica en lugar de la física cuántica.

Esta extensión del Círculo Límite III de Escher muestra su naturaleza fractal y repetitiva. Vladimir-Bulatov / Deviantart , CC BY-NC-SA

Es fácil ver por qué se han utilizado los fractales para explicar la complejidad de la conciencia humana. Debido a que son infinitamente intrincados, lo que permite que la complejidad emerja de patrones simples repetidos, podrían ser las estructuras que sustentan las misteriosas profundidades de nuestras mentes.

Pero si este es el caso, solo podría estar sucediendo a nivel cuántico, con partículas diminutas que se mueven en patrones fractales dentro de las neuronas del cerebro. Por eso la propuesta de Penrose y Hameroff se denomina teoría de la “consciencia cuántica”.

Consciencia cuántica

Todavía no podemos medir el comportamiento de los fractales cuánticos en el cerebro, si es que existen. Pero la tecnología avanzada significa que ahora podemos medir fractales cuánticos en el laboratorio.

En una investigación reciente que involucró un microscopio de efecto túnel (STM), mis colegas en Utrecht y yo dispusimos cuidadosamente los electrones en un patrón fractal, creando un fractal cuántico.

Cuando luego medimos la función de onda de los electrones, que describe su estado cuántico, descubrimos que ellos también vivían en la dimensión fractal dictada por el patrón físico que habíamos creado. En este caso, el patrón que usamos en la escala cuántica fue el triángulo de Sierpiński, que es una forma que se encuentra en algún lugar entre unidimensional y bidimensional.

Este fue un hallazgo emocionante, pero las técnicas STM no pueden sondear cómo se mueven las partículas cuánticas, lo que nos diría más sobre cómo pueden ocurrir los procesos cuánticos en el cerebro.

Entonces, en nuestra última investigación, mis colegas de la Universidad Jiaotong de Shanghai 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.

Logramos esto inyectando fotones (partículas de luz) en un chip artificial que fue diseñado minuciosamente en un diminuto triángulo de Sierpiński.

Inyectamos fotones en la punta del triángulo y observamos cómo se extendían por su estructura fractal en un proceso llamado transporte cuántico.

Luego 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.

También realizamos experimentos en un fractal de forma cuadrada llamado alfombra de Sierpiński. Johannes Rössel / wikimedia

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

Este nuevo conocimiento de los fractales cuánticos podría proporcionar las bases para que los científicos prueben experimentalmente la teoría de la consciencia cuántica.

Si las mediciones cuánticas se toman un día del cerebro humano, podrían compararse con nuestros resultados para decidir definitivamente si la consciencia es un fenómeno clásico o cuántico.

Nuestro trabajo también podría tener profundas implicaciones en todos los campos científicos.

Al investigar el transporte cuántico en nuestras estructuras fractales diseñadas artificialmente, es posible 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.

(*) Cristiane de Morais Smith es profesora de Física Teórica en la Universidad de Utrecht. Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Se publica con autorización.

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