Mối liên hệ lạ thường giữa trí não và vật lý lượng tử

Nhiều nhà khoa học cảm thấy chúng ta vẫn chưa hề nắm bắt được nguồn gốc xuất xứ của ý thức. Nguồn: Sciepro/Science Photo Library.

Tôi không thể định nghĩa vấn đề thực sự ở đây là gì, bởi vậy tôi ngờ rằng chẳng có vấn đề gì cả, nhưng tôi không chắc có đúng là không có vấn đề hay không.”

Nhà vật lý người Mỹ Richard Feynmann đã nói như vậy về các vấn đề hóc búa và những nghịch lý nổi tiếng trong cơ học lượng tử, lý thuyết mà các nhà vật lý đã sử dụng để mô tả các vật thể nhỏ bé nhất trong Vũ trụ. Nhưng cũng có thể đó là ông đang nói về ý thức, một vấn đề không kém phần nan giải.

Một số nhà khoa học tin rằng chúng ta đã hiểu được ý thức là gì, hoặc cũng có người cho rằng ý thức đơn thuần là một ảo tưởng. Nhưng rất nhiều nhà khoa học cảm thấy chúng ta vẫn chưa hề nắm bắt được nguồn gốc xuất xứ của ý thức.

Vấn đề nan giải bất tử về ý thức thậm chí đã khiến một số nhà nghiên cứu dùng đến vật lý lượng tử để giải thích nó. Điều này hiển nhiên luôn vấp phải hoài nghi: thật không khôn ngoan khi dùng bí ẩn này để lý giải một bí ẩn khác. Tuy nhiên, những ý tưởng như vậy không hẳn là kỳ quặc, và cũng không hề tùy hứng.

Các nhà vật lý vẫn thường cảm thấy khó chịu trước thực tế là yếu tố ý thức xuất hiện trong lý thuyết lượng tử ngay từ thời kỳ đầu. Hơn nữa, các máy tính lượng tử được dự đoán là có khả năng hoàn thành những việc máy tính thông thường không thể, tương tự như cách trí não có thể làm được những điều vượt xa khả năng của trí tuệ nhân tạo. “Ý thức lượng tử” thường bị chế nhạo như một lời tán tỉnh huyễn hoặc, nhưng người ta vẫn không thể bác bỏ nó.

Cơ học lượng tử là lý thuyết tốt nhất mà con người có khi mô tả thế giới ở cấp độ cơ bản của nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử. Điều đặc biệt bí ẩn nổi tiếng nhất của nó là thực tế rằng kết quả của một thí nghiệm lượng tử có thể thay đổi tùy thuộc vào việc chúng ta có đo đạc tính chất nào đó của các hạt tham gia thí nghiệm hay không.

Hiện tượng này có tên gọi là “hiệu ứng người quan sát”, từng khiến các nhà lý thuyết lượng tử tiên phong vô cùng bối rối. Có vẻ như nó phá hoại giả định cơ sở ẩn sau tất cả các ngành khoa học: rằng có một thế giới khách quan ngoài kia, không phụ thuộc vào chúng ta. Nếu sự vận hành của thế giới tùy thuộc vào cách chúng ta quan sát nó, thì khái niệm “hiện thực” thật ra đâu còn ý nghĩa gì?

Một số nhà nghiên cứu cảm thấy bị ép buộc phải kết luận rằng tính khách quan thực ra chỉ là một ảo ảnh, rằng ý thức phải được coi như một tác nhân tham gia chủ động trong lý thuyết lượng tử. Với số khác, điều này chẳng có ý nghĩa gì cả. Chắc chắn, Albert Einstein đã từng phàn nàn rằng, Mặt trăng đâu chỉ tồn tại khi chúng ta nhìn nó!

Ngày nay, một số nhà vật lý nghi ngờ rằng, dù yếu tố ý thức có ảnh hưởng lên cơ học lượng tử hay không, có lẽ thực tế là ý thức tồn tại chính nhờ cơ học lượng tử. Họ tin rằng lý thuyết lượng tử là điều không thể thiếu để giải thích đầy đủ sự vận hành của trí não.

Có lẽ, cũng như các đối tượng lượng tử có thể đồng thời hiện hữu ở hai vị trí, một trí não lượng tử cũng có thể giữ hai ý tưởng loại trừ lẫn nhau tại cùng một thời điểm?

Sự xâm nhập nổi tiếng nhất của trí não vào cơ học lượng tử đến từ “thí nghiệm hai khe hẹp”. Tưởng tượng rằng ta chiếu một tia sáng trước một màn chứa hai khe hẹp song song. Một phần ánh sáng đi qua các khe, và được hứng bởi một màn chắn phía sau.

Ánh sáng có thể được coi như một dạng sóng và khi các sóng hiện ra sau hai khe chúng có thể giao thoa với nhau. Nếu các đỉnh sóng trùng nhau, chúng sẽ cộng hưởng, còn nếu một đỉnh và một hõm trùng nhau thì chúng sẽ triệt tiêu nhau. Sự giao thoa các sóng này được gọi là hiện tượng nhiễu xạ, nó tạo ra một dãy luân phiên các dải sáng tối trên màn chắn sau khi các sóng ánh sáng cộng hưởng và triệt tiêu nhau.

Thí nghiệm này được hiểu như một đặc tính của các sóng trong suốt 200 năm, trước khi lý thuyết lượng tử xuất hiện.

Thí nghiệm hai khe cũng có thể thực hiện được với các hạt lượng tử như electron, loại hạt vi mô mang điện cấu thành nên nguyên tử. Những hạt này cũng có thể hành xử như sóng, nghĩa là chúng cũng có thể trải qua sự nhiễu xạ khi một dòng các hạt electron đi qua hai khe hẹp tạo ra giao thoa.

Giả sử các hạt lượng tử được gửi qua các khe lần lượt mỗi hạt một lần, rồi lần lượt đập vào màn chắn phía sau. Giờ đây rõ ràng chẳng có gì trên đường đi của mỗi hạt để nó có thể giao thoa – nhưng quy luật các điểm va chạm của mỗi hạt theo thời gian đều là các dải giao thoa.

Có vẻ như thí nghiệm này ngụ ý rằng mỗi hạt đều đồng thời đi qua cả hai khe và tự giao thoa với chính nó. Sự kết hợp của việc “đi qua cả hai đường ở cùng một thời điểm” này được gọi là một trạng thái chồng chập.

Nhưng điều tiếp theo sau đây mới thực sự kỳ dị.

Bằng cách đặt một máy dò bên trong hoặc ngay sau một khe, ta có thể phát hiện ra hạt vi mô có đi qua nó hay không. Tuy nhiên, trong trường hợp này, sự giao thoa biến mất. Đơn giản chỉ với việc quan sát đường đi của hạt – ngay cả khi sự quan sát này không làm nhiễu chuyển động của hạt – mà chúng ta đã thay đổi kết quả thí nghiệm.

Nhà vật lý Pascual Jordan, người đã làm việc cùng với bậc thầy lượng tử Niels Bohr ở Copenhagen vào những năm 1920, đã kết luận rằng “sự quan sát không chỉ làm nhiễu cái cần được đo, chúng còn định dạng ra nó nữa… Chúng ta đã ép [một hạt lượng tử] phải mang một vị trí xác định.” Nói cách khác, Jordan nói, “chính chúng ta đã định đoạt kết quả thí nghiệm.”

Nếu như vậy, hiện thực khách quan có vẻ như là điều không tồn tại.

Và thậm chí nó còn trở nên kỳ lạ hơn.

Thí nghiệm hai khe hẹp nổi tiếng. Nguồn: Victor de Schwanberg/Science Photo Library.

Nếu tự nhiên có vẻ như đang thay đổi hành vi của nó tùy thuộc vào việc chúng ta có “quan sát” nó hay không, ta có thể lừa nó tiết lộ mục đích của mình. Để làm vậy, ta có thể đo xem hạt đi qua khe nào trong hai khe, nhưng chỉ khi nó đã đi qua hai khe ấy. Từ đó, nó hẳn đã phải “quyết định” sẽ đi một hoặc cả hai đường.

Một thí nghiệm như vậy do nhà vật lý Mỹ John Wheeler đề xuất vào những năm 1970, được gọi là “sự lựa chọn bị trì hoãn”, và được thực hiện trong thập kỷ tiếp theo. Nó sử dụng các kỹ thuật thông minh để thực hiện những phép đo trên quỹ đạo của các hạt lượng tử (thường là các hạt lượng tử ánh sáng, còn gọi là photon) sau khi chúng đã chọn đi một đường hay là một chồng chập của cả hai đường.

Thực tế hóa ra, cũng như Bohr đã tự tin tiên đoán, không có gì khác biệt trong chuyện chúng ta có trì hoãn phép đo hay không. Cứ khi nào chúng ta đo đường đi của photon trước khi nó chạm đến máy dò là tất cả hiện tượng giao thoa biến mất.

Cứ như thể tự nhiên không chỉ “biết” khi bị chúng ta quan sát, mà còn ngay từ khi chúng ta dự định quan sát nữa.

Trong những thí nghiệm này, bất cứ khi nào thấy đường đi của một hạt lượng tử, đám mây những đường đi của nó “chập lại” thành một trạng thái đơn lẻ được xác định cụ thể. Hơn thế, thí nghiệm sự lựa chọn bị trì hoãn ngụ ý rằng, chỉ riêng hành động quan sát, chứ không tính đến bất kỳ sự gây nhiễu cụ thể nào gây ra bởi phép đo, có thể gây ra sự chập lại. Nhưng phải chăng điều này có nghĩa rằng sự chập lại thực sự chỉ xảy ra khi kết quả của một phép đo chạm vào nhận thức của chúng ta?

Khả năng này được nhà vật lý người Hungary Eugene Wigner thừa nhận vào những năm 1930. “Nó có nghĩa là những ấn tượng đi vào nhận thức của tôi sẽ ảnh hưởng tới việc mô tả lượng tử các đối tượng,” ông viết. “Thuyết duy ngã có thể nhất quán một cách lôgic với cơ học lượng tử hiện tại.”

Wheeler thậm chí còn hình dung rằng sự hiện hữu sinh vật, vốn có khả năng “nhận biết”, đã biến thứ trước đó là một chồng chập những quá khứ lượng tử thành một lịch sử cụ thể. Theo nghĩa này, Wheeler nói, chúng ta đã trở thành thành viên trong chu trình tiến hóa của Vũ trụ ngay từ khởi đầu của nó. Nói như ông, chúng ta đang sống trong một “vũ trụ cho phép sự tham gia của cá nhân”.

Ngày nay, các nhà vật lý vẫn chưa đồng thuận xem đâu là cách tốt nhất để giải thích các thí nghiệm lượng tử này, và ở một mức độ nào đó tự bản thân bạn (ở thời điểm hiện tại) có thể tùy chọn cho mình ý nghĩa của chúng. Nhưng dù là cách này hay cách khác, thật khó để lờ đi ngụ ý rằng ý thức và cơ học lượng tử có liên quan với nhau theo một cách nào đó.

Đến đầu những năm 1980, nhà vật lý người Anh Roger Penrose đã đề xuất rằng mối liên quan này có thể theo một hướng khác. Dù nhận thức có ảnh hưởng lên cơ học lượng tử hay không, ông nói, có lẽ cơ học lượng tử vẫn luôn có vai trò trong ý thức.

Nếu, Penrose hỏi, có những cấu trúc kiểu phân tử trong trí não của chúng ta, có khả năng thay đổi trạng thái của chúng để đáp lại một sự kiện lượng tử đơn lẻ thì sao? Liệu những cấu trúc này có thể gắn với một trạng thái chồng chập, cũng như các hạt trong thí nghiệm hai khe hẹp không? Và liệu có thể rằng các trạng thái chồng chập lượng tử ấy cũng xuất hiện trong những phương thức kích hoạt các nơron thông tin cho nhau qua các tín hiệu điện hay không?

Có lẽ, Penrose nói, khả năng duy trì những trạng thái tinh thần có vẻ như không tương thích của chúng ta, không phải là điều dị thường của ý thức, mà là một hiệu ứng lượng tử thực sự.

Sau cùng, trí não con người có vẻ như có khả năng xử lý các quá trình ý thức vượt xa khả năng của các máy tính kỹ thuật số. Có lẽ thậm chí chúng ta có thể thực hiện những nhiệm vụ tính toán bất khả với các máy tính thông thường, vốn sử dụng lôgic kỹ thuật số cổ điển.

Penrose đề xuất quan điểm về hiệu ứng lượng tử trong ý thức của con người trong cuốn sách in năm 1989 của ông, The Emperor’s New Mind (Trí não mới của Hoàng đế). Ý tưởng này được gọi là Orch-OR, viết tắt của “orchestrated objective reduction” (sự giản lược khách quan hài hòa).

Orch-OR đã gợi đến đề xuất của Penrose rằng lực hấp dẫn là nguyên nhân dẫn tới thực tế rằng các vật thể đời thường, như những chiếc ghế hay các hành tinh, không thể hiện hiệu ứng lượng tử. Penrose tin rằng sự chồng chập lượng tử trở nên bất khả với các đối tượng vô cùng lớn so với nguyên tử, bởi hiệu ứng hấp dẫn của chúng sẽ ép buộc hai phiên bản không tương thích của không-thời gian đồng thời tồn tại.

Penrose đã phát triển ý tưởng này xa hơn cùng với bác sĩ người Mỹ Stuart Hameroff. Trong cuốn sách in năm 1994 Shadows of the Mind (Những cái bóng của trí não), ông đề xuất rằng những cấu trúc tham gia vào nhận thức lượng tử này có thể là các dải protein gọi là microtubule. Chúng xuất hiện ở hầu khắp các tế bào của chúng ta, bao gồm cả các nơron trong não bộ. Penrose và Hameroff lập luận rằng những rung động của microtubule có thể gắn với một trạng thái chồng chập lượng tử.

Nhưng không có bằng chứng nào cho một niềm tin mơ hồ như vậy.

Người ta từng nghĩ rằng ý tưởng chồng chập lượng tử trong các microtubule được ủng hộ bởi một số thí nghiệm thực hiện năm 2013, nhưng thực tế những nghiên cứu này không hề đề cập đến các hiệu ứng lượng tử.

Bên cạnh đó, đa số các nhà nghiên cứu nghĩ rằng ý tưởng Orch-OR đã bị một nghiên cứu công bố năm 2000 loại bỏ. Nhà vật lý Max Tegmark đã tính toán rằng các trạng thái chồng chập lượng tử của những phân tử xuất hiện trong tín hiệu nơron không thể tồn tại trong thậm chí một phần nhỏ của thời gian cần thiết để tín hiệu ấy có thể được truyền đi.

Các hiệu ứng lượng tử như sự chồng chập rất dễ bị phá hủy bởi một quá trình gọi là sự phân rã, có nguồn gốc từ những tương tác của một đối tượng lượng tử với môi trường xung quanh nó, qua đó “tính lượng tử” mất đi.

Sự phân rã được coi là vô cùng nhanh trong môi trường nóng ẩm như các tế bào sống.

Tín hiệu thần kinh là những xung điện, do các nguyên tử mang điện đi qua vách tế bào thần kinh tạo ra. Nếu một trong những nguyên tử này đang ở trong một trạng thái chồng chập và sau đó va chạm với một nơron, Tegmark đã chỉ ra rằng sự chồng chập này có thể phân rã trong không tới một phần tỉ tỉ của một giây. Cần có ít nhất mười nghìn tỉ lần thời gian như vậy để một nơron phóng ra một tín hiệu.

Do đó, người ta hết sức hoài nghi các ý tưởng về những hiệu ứng lượng tử trong não.

Tuy nhiên, Penrose không bị những lập luận này lay chuyển và không thay đổi giả thuyết Orch-OR. Và mặc cho dự đoán của Tegmark về sự phân rã vô cùng nhanh trong các tế bào, các nhà nghiên cứu khác đã tìm thấy bằng chứng cho những hiệu ứng lượng tử trong sinh vật. Một số người chỉ ra rằng cơ học lượng tử chính là cơ chế giúp những con chim di cư sử dụng hệ thống dẫn đường bằng từ, và giúp những cây xanh sử dụng ánh sáng để tạo ra đường từ sự quang hợp.

Bên cạnh đó, một nghiên cứu công bố năm 2015, nhà vật lý Matthew Fisher của Đại học California ở Santa Barbara lập luận rằng não bộ có thể chứa những phân tử có khả năng duy trì những trạng thái chồng chập lượng tử mạnh hơn. Ông tin rằng những hạt nhân nguyên tử phốt pho có thể có khả năng này.

Các nguyên tử phốt pho tồn tại ở khắp mọi nơi trong tế bào sống. Chúng thường ở dạng các ion phốt pho, trong đó một nguyên tử phốt pho kết hợp với bốn nguyên tử ôxy.

Những ion như vậy, là đơn vị cơ bản của năng lượng trong tế bào. Hầu hết năng lượng của tế bào đặt trong các phân tử gọi là ATP, vốn chứa một dây ba nhóm phốt phát kết hợp thành một phân tử hữu cơ. Khi một trong ba gốc phốt phát tách ra tự do, năng lượng được giải phóng để tế bào sử dụng.

Các tế bào có cơ cấu phân tử để tập hợp các ion phốt phát thành nhóm và tách chúng trở lại. Fisher đề xuất một lược đồ trong đó hai ion phốt phát có thể được đặt trong một trạng thái chồng chập đặc biệt gọi là một “trạng thái rối”.

Các hạt nhân phốt phát có một tính chất lượng tử gọi là spin, khiến chúng giống như những nam châm với các cực chỉ theo những hướng cụ thể. Trong một trạng thái rối, spin của một hạt nhân phốt pho phụ thuộc vào spin của hạt nhân còn lại.

Nói cách khác, các trạng thái rối thực ra chính là những trạng thái chồng chập với nhiều hơn một hạt lượng tử.

Fisher nói rằng động thái mang tính cơ-lượng tử của những spin của các hạt nhân này có thể cản trở tương đối hiệu quả sự phân rã theo thang thời gian của con người. Ông đồng ý với Tegmark rằng những rung động lượng tử, như những gì đã được Penrose và Hameroff đặt làm tiên đề, sẽ có thể bị ảnh hưởng mạnh bởi môi trường xung quanh “và sẽ phân rã gần như ngay lập tức”. Nhưng các spin của hạt nhân sẽ không tương tác đủ mạnh với môi trường xung quanh chúng, và động thái lượng tử trong spin của hạt nhân phốt pho sẽ phải được “bảo vệ” khỏi sự phân rã.

Điều này có thể xảy ra, Fisher nói, nếu các nguyên tử phốt pho kết hợp chặt chẽ thành một đối tượng gọi là “các phân tử Posner”. Chúng là một cụm sáu ion phốt phát, kết hợp với chín ion canxi. Có vài nguyên nhân cho thấy, chúng có thể tồn tại trong các tế bào sống, mặc dù còn xa ta mới có thể kết luận từ đây.

Trong các phân tử Posner, Fisher lập luận, spin của phốt pho có thể ngăn trở sự phân rã trong một ngày hoặc hơn, thậm chí là trong các tế bào sống. Điều này có nghĩa là chúng có thể ảnh hưởng lên cách thức hoạt động của não bộ.

Ý tưởng ở đây là các phân tử Posner có thể bị các nơron nuốt mất. Một khi đã vào bên trong, các phân tử Posner có thể kích hoạt việc bắn một tín hiệu sang nơron khác, bằng cách rời ra và giải phóng các ion canxi của chúng.

Do trạng thái rối lượng tử trong các phân tử Posner, hai tín hiệu như vậy vướng vào nhau: chúng ta có thể coi đó như một dạng chồng chập lượng tử của một “suy nghĩ”. “Nếu việc xử lý lượng tử với spin của các hạt nhân thực tế cũng hiện hữu trong não bộ, nó sẽ là một hiện tượng cực kỳ phổ biến, xảy ra hầu hết mọi lúc,” Fisher nói.

Ý tưởng này xuất hiện lần đầu tiên khi ông bắt đầu nghĩ về bệnh tâm thần.

“Đường vào ngành hóa sinh não bộ của tôi bắt đầu khi ba hay bốn năm trước tôi quyết định khám phá xem làm thế nào mà các ion liti trên Trái đất có thể có hiệu ứng kinh ngạc đến vậy trong việc điều trị các bệnh thần kinh,” Fisher nói.

Các chất gây nghiện chứa liti được sử dụng rộng rãi để điều trị chứng rối loạn lưỡng cực, nhưng không ai biết tác dụng của chúng đến từ đâu.

“Khi đó tôi chưa tìm kiếm một giải thích mang tính lượng tử,” Fisher nói. Nhưng rồi ông lướt qua một báo cáo rằng các chất gây nghiện chứa liti có những ảnh hưởng khác nhau lên hành vi của chuột, tùy thuộc vào dạng – hay “đồng vị” – liti được sử dụng.

Đây thực sự là một vấn đề vô cùng nan giải, ngay từ nghĩa đen. Trong ngôn ngữ hóa học, các đồng vị khác nhau có hoạt tính gần như đồng nhất, vậy nên nếu liti có tác dụng như một chất gây nghiện nhân tạo thì tất cả các đồng vị của nó cũng phải tạo hiệu ứng tương tự.

Nhưng Fisher nhận ra rằng hạt nhân của các nguyên tử với những đồng vị khác nhau của liti có thể có spin khác nhau. Tính chất lượng tử này có thể ảnh hưởng đến cách tác động của chất gây nghiện chứa liti. Chẳng hạn, nếu liti thay thế cho canxi trong các phân tử Posner, spin của liti có thể “cảm thấy” và ảnh hưởng lên những nguyên tử phốt pho, do đó giao thoa với trạng thái rối của chúng.

Nhưng nếu đúng thì điều này sẽ giúp giải thích tại sao liti có thể điều trị chứng rối loạn lưỡng cực.

Ở điểm này, đề xuất của Fisher chỉ là một ý tưởng hấp dẫn. Nhưng có một vài phương pháp mà tính chính xác của chúng có thể được kiểm định, bắt đầu với ý tưởng spin của phốt pho trong các phân tử Posner có thể giữ được sự gắn kết lượng tử trong quãng thời gian dài. Đó chính là điều tiếp theo mà Fisher hướng tới.

Cũng như vậy, ông thận trọng với việc liên kết những ý tưởng ban đầu về “ý thức lượng tử”, mà với ông thì cùng lắm chúng cũng chỉ mang tính ức đoán.

Đa số các nhà vật lý không cảm thấy thực sự thoải mái với mối quan hệ có thể có giữa lý thuyết lượng tử và ý thức, đa số hi vọng rằng hai lĩnh vực tồn tại độc lập với nhau. Sau cùng, chúng ta còn chưa thực sự biết ý thức là gì, càng chưa thể có một lý thuyết để mô tả nó. Mọi chuyện càng trở nên huyền hoặc khi hiện nay mới có một nhóm nghiên cứu quy mô nhỏ, tập trung vào khái niệm “ý thức lượng tử”, khẳng định rằng cơ học lượng tử đưa ra cơ sở khả dĩ cho việc tìm hiểu những hiện tượng như thần giao cách cảm và cách không di vật. Hệ quả là, các nhà vật lý thường cảm thấy ngại ngùng khi đề cập đến quan hệ giữa “lượng tử” và “ý thức”.

Nhưng gạt những chuyện ấy qua một bên, thì ý tưởng về mối quan hệ này đã có một lịch sử lâu dài, và một số nhà nghiên cứu tin rằng sẽ chẳng bao giờ có thể bác bỏ nó.

Năm 2016, Adrian Kent ở Đại học Cambridge, Anh, một trong những “triết gia lượng tử” đáng kính nhất, đã dự đoán rằng ý thức có thể ảnh hưởng đến động thái của các hệ thống lượng tử theo những cách thức vi tế nhưng có thể đo được.

Kent rất thận trọng với ý tưởng này. “Không có lý do bắt buộc nào về mặt nguyên lý để tin rằng lý thuyết lượng tử là lựa chọn đúng đắn để thử tạo lập một lý thuyết cho ý thức, hay có sự liên quan giữa các vấn đề lượng tử với vấn đề về ý thức,” ông thừa nhận.

Duy Khánh dịch
Nguồn: http://www.bbc.com/earth/story/20170215-the-strange-link-between-the-human-mind-and-quantum-physics