مقدمه
مغز اندامی در بدن انسان‌ها (و جانوارن دیگر) است که وظایف ویژه‌ای بر عهده دارد. بسیاری از فرآیندهای زیستی در بدن، توسط مغز مدیریت می‌شود. به‌علاوه بسیاری از وظایف شناختیِ ذهن انسان مانند آگاهی، حافظه، احساسات و تصمیم‌گیری با مغز در ارتباط است. مطالعات بر روی ساختار مغز و نحوۀ ارتباط ذهن با مغز، سال‌هاست که در دانشگاه‌ها و مؤسسات علمی گوناگونی انجام شده است.
مدل پذیرفته‌شدۀ کنونی برای مغز این است که مغز اندامی است که از چند نوع سلول و به‌ویژه سلول‌های عصبی (نورون) تشکیل شده است و این سلول‌های شبکههای عصبی پیچیده‌ای ساخته‌اند و وظایف گوناگونی را در مغز انجام می‌دهند. عدۀ بسیار زیادی از متخصصان علوم اعصاب و علوم شناختی معتقدند که ویژگی‌های شناختی مغز و تمامی آنچه به‌عنوان ذهن شناخته می‌شود، با تکیه بر این مدل زیستی و در چارچوب نظریۀ مکانیک کلاسیک قابل توصیف است. درمقابل، عده‌ای از فیزیکدانان وجود دارند که علی‌رغم پذیرفتن مدل زیستی کنونی، چارچوب نظریۀ کلاسیک را برای توصیف مغز کافی نمی‌دانند. این گروه اعتقاد دارند که مکانیک کوانتومی نقش بسیار مهمی در مغز دارد و باید برای مطالعۀ آن استفاده شود.
نظریۀ کوانتومی ویژگی‌های خاصی دارد که آن را برای استفاده در فرآیندهای مغز مناسب می‌کند. در مکانیک کوانتومی، ذرات با یک بستۀ موج توصیف می‌شوند. در مکانیک کوانتومی، ذرات دارای خاصیت موجی هستند، به این معنا که در کل فضا اطلاعاتی از آن‌ها وجود دارد. همین موضوع باعث می‌شود که تمامی ویژگی‌هایی که در دینامیک امواج با آن‌ها مواجه هستیم درمورد ذرات خود را نشان دهند. برای مثال، پدیده‌ای در دینامیک امواج وجود دارد که به آن همدوسی[۱] گفته می‌شود. تعدادی بستۀ موجِ فرستاده‌شده از یک منبع همدوس هستند اگر فاز آن‌ها با یکدیگر در ارتباط باشد. همدوسی باعث می‌شود که ویژگی اجزا تقویت شود. معروف است که مکانیک کوانتومی در پدیده‌های کوچک‌مقیاس خود را نشان می‌دهد. اما اگر یک سیستم مکانیک کوانتومی، از تعداد بسیار زیادی اجزا تشکیل شده باشد که با همدیگر همدوسی داشته باشند، در این صورت می‌توان اثرات کوانتومی را در سطح بزرگ‌مقیاس مشاهده کرد. نور لیزر یا کریستال نمونه‌ای از پدیده‌های کوانتومی ماکروسکوپیک هستند. مشابه این نوع پدیده‌های کوانتومی در مغز نیز می‌تواند وجود داشته باشد.
مغز کوانتومی یا آگاهی کوانتومی مدل‌هایی برای توصیف پدیده‌های شناختی داخل مغز هستند که از مکانیک کوانتومی به‌جای مکانیک کلاسیک استفاده می‌کنند. استفاده از مکانیک کوانتومی در مغز، موافقان و مخالفان بسیاری دارد که هرکدام استدلال‌هایی برای ادعای خود دارند. در این مقاله، نظریه‌های مغز کوانتومی را به زبان ساده معرفی خواهیم کرد، اما قبل از واردشدن به این نظریه‌ها لازم است به این مطلب پرداخته شود که آیا اصولاً مکانیک کوانتومی می‌تواند در مغز نقش ایفا کند یا خیر.
1- فرآیندهای کوانتومی در مغز
مکانیک کلاسیک تقریبی از مکانیک کوانتومی است، بنابراین پدیده‌هایی در مکانیک کوانتومی وجود دارند که در مکانیک کلاسیک از آن‌ها صرف‌نظر شده است. این نوع پدیده‌ها را فرآیندهای کوانتومی می‌نامند؛ به این معنا که این اثرات به‌خاطر ماهیت کوانتومی پدیده‌ها بروز می‌کنند و در فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیستند.
در سیستم‌های بزرگ‌مقیاس، معمولاً رفتار سیستم کلاسیکی است. این نکته نیاز به تأمل دارد. فرض کنید گازی داریم که شامل اتم‌های هیدروژن است. توزیع سرعت‌های ذرات این گاز با استفاده از مکانیک کلاسیک معمولاً محاسبه می‌شود و پیش‌بینی‌های سازگاری با تجربه دارد. اما زمانی که گاز را سردتر و سردتر کنیم تا به دماهای نزدیک به صفر کلوین برسد، چه اتفاقی می‌افتد؟ در این حالت دیگر نمی‌توان با استفاده از مکانیک کلاسیک به توصیف سیستم پرداخت. در دمای صفر کلوین نظریۀ کلاسیک پیشبینی می‌کند که تمام ذرات در حالت سکون باشند درحالی‌که در مکانیک کوانتومی به‌خاطر اصل عدم قطعیت یک ذره داخل یک محفظه با حجم متناهی هیچ‌وقت نمی‌تواند در سکون کامل باشد. مثال بیان‌شده از یک معیار کلی برای مشاهدۀ اثرات کوانتومی سخن می‌گوید. اثرات کوانتومی زمانی خود را ظاهر می‌کنند که دمای سیستم یا چگالی ذرات داخل سیستم بسیار کم باشد. در دماهای بالا یا سیستم‌هایی که چگالی ذرات تشکیل‌دهندۀ آن زیاد است، اثرات کوانتومی ناچیز هستند و سیستم را می‌توان کلاسیکی توصیف نمود.
مدل پذیرفته‌شدۀ کنونی برای مغز این است که مغز اندامی است که از چند نوع سلول و به‌ویژه سلول‌های عصبی (نورون) تشکیل شده است و این سلول‌های شبکههای عصبی پیچیده‌ای ساخته‌اند و وظایف گوناگونی را در مغز انجام می‌دهند. عدۀ بسیار زیادی از متخصصان علوم اعصاب و علوم شناختی معتقدند که ویژگی‌های شناختی مغز و تمامی آنچه به‌عنوان ذهن شناخته می‌شود، با تکیه بر این مدل زیستی و در چارچوب نظریۀ مکانیک کلاسیک قابل توصیف است.
با توجه به آنچه گفته شد، آیا می‌توان اثرات کوانتومی را در مغز مشاهده کرد؟ دمای بدن انسان تقریبا 310 درجۀ کلوین است. در فیزیک می‌توان دمای مشخصه‌ای به پدیده‌های مختلف نسبت داد. برای مثال، اگر ارسال پالس‌های الکتریکی از نورون را در نظر بگیریم، میانگین فرکانس این پدیده 100 هرتز است (هر ثانیه 100 بار نورون پالس شلیک می‌کند). دمای پدیدۀ شلیک نورونی با رابطۀ بالا برابر با یک نانوکلوین می‌شود.
زمانی که دمای مشخصۀ یک پدیده از دمای محیط گرمایی که با آن در تعادل است بسیار کمتر باشد، محیط گرمایی بسیار داغ است و اثرات کوانتومی را از بین می‌برد. اگر دمای محیط گرمایی خیلی کمتر از دمای مشخصۀ پدیده باشد، اثرات کوانتومی پدیده به‌علت سردبودن کافی محیط گرمایی، محفوظ می‌مانند. در مثال شلیک پالس‌های نورونی، دمای مشخصۀ پدیده، یک نانوکلوین، بسیار کمتر از دمای محیط گرمایی (بدن)، 310 کلوین است. بنابراین انتظار داریم که اثرات کوانتومی پدیده‌های مربوط به نورون‌ها در دمای بدن از بین بروند. بنابراین به نظر می‌رسد که بدن گرمتر از آن است که اجازه دهد اثرات کوانتومی خود را نشان دهند.
هرچند بدن به‌ظاهر گرمتر از آن است که به اثرات کوانتومی اجازه دهد خود را نشان دهند، اما استدلال می‌توان کرد که ظهور اثرات کوانتومی در مغز امکانپذیر است. نکته اینجاست که استدلال گفته شد با شرط تعادل گرمایی برقرار است. اگر پدیده‌های داخل بدن باشند که با محیط بدن در تعادل گرمایی نباشند و با آن مبادلۀ انرژی نکنند، اثرات کوانتومی این نوع پدیده‌ها همچنان در بدن می‌تواند ظهور پیدا کند. این ایده‌ای است که فیزیکدان آمریکایی، متیو فیشر[۲] را به سمت استفاده از اسپین هسته‌های اتم‌ها برای مطالعۀ پدیده‌های کوانتومی در مغز هدایت کرد.
2- آگاهی کوانتومی
مسئلۀ رابطۀ ذهن و مغز، از مسائل جذابی است که گمانه‌زنی‌های متنوعی درمورد آن ارائه شده است. کسانی که به ماتریالیسم معتقد هستند، تمامی فعالیت‌های ذهنی را ناشی از مغز می‌دانند و آن را نتیجۀ فعل و انفعالات مغزی می‌دانند. کسانی که به دوگانگی معتقد هستند، ذهن یا حداقل بخشی از فعالیت‌های ذهنی را قابل توصیف به ماده نمی‌دانند. معتقدان به دوگانگی، به‌خصوص درمورد آگاهی اعتقاد دارند که آگاهی نمی‌تواند با ماتریالیسم توضیح داده شود. آگاهی یک وضعیت ذهنی است که در آن انسان نسبت به آنچه آن را تجربه، حس و درک می‌کند، خودآگاهی دارد و یک تجربۀ ذهنی را دریافت می‌کند.
امروزه تصویری که علم از پیدایش جهان در اختیار گذاشته است، مادّه را بر آگاهی مقدّم می‌داند. در ابتدای یک حجم بسیار کوچک از انرژی بسیار بزرگ در نقطه‌ای بوده است که با یک انفجار بزرگ منبسط می‌شود و کیهان اولیه را به وجود می‌آورد. با انبساط بیشتر کیهان، به‌تدریج دمای جهان کاهش پیدا می‌کند، تا اینکه دمای مناسب برای به وجود آمدن اتم‌های خنثی هیدروژن فراهم می‌شود. پس از آن برای مدت‌های طولانی جهان وارد عصر تاریکی می‌شود. تجمع مادّۀ تاریک در جاهایی نیروی گرانش را افزایش می‌دهد و به‌تدریج اتم‌ها در دام میدان‌های گرانشی می‌افتند و ستارگان و کهکشان‌ها به وجود می‌آیند. ستاره‌ها منفجر می‌شوند و مواد اولیۀ نسل بعدی ستارگان و سیارات را در کیهان پخش می‌کنند. سپس ستاره‌های دیگر و سیاراتی در اطراف آن‌ها به وجود می‌آید. در برخی از این سیارات که در دمای مناسبی هستند، واکنش‌های شیمیایی مناسبی رخ می‌دهد و مولکول‌های بزرگ تشکیل می‌دهند. این مولکول‌های بزرگ کم‌کم امکان پیدایش اولین موجودات زنده را فراهم می‌کنند. موجودات زنده تکامل پیدا می‌کنند و درنهایت موجودی به هوشمندی انسان پدید می‌آید. موجودی که از مادّه تشکیل شده است اما آگاهی دارد و جهانی را که او را به وجود آورده است، درک می‌کند. در این تصویر ابتدا مادّه در عالم وجود داشته است و سپس آگاهی به وجود می‌آید.
مسئلۀ رابطۀ ذهن و مغز، از مسائل جذابی است که گمانه‌زنی‌های متنوعی درمورد آن ارائه شده است. کسانی که به ماتریالیسم معتقد هستند، تمامی فعالیت‌های ذهنی را ناشی از مغز می‌دانند و آن را نتیجۀ فعل و انفعالات مغزی می‌دانند.
دیدگاه تقدّم مادّه بر شعور، تقریباً پذیرفته شده است و با مکانیک کلاسیک سازگار است. اما این دیدگاه در مکانیک کوانتومی با چالش روبه‌رو می‌شود. برای فهم این مطلب، باید به تفاوت‌های اساسی در فرمول‌بندی مکانیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی اشاره کرد. در مکانیک کلاسیک با دانستن شرایط اولیۀ سیستم، وضعیت سیستم را در تمامی زمان‌های گذشته و آینه می‌توان تعیین کرد. در مکانیک کوانتومی تنها می‌توان درمورد احتمال رخدادهای ممکن در آینده صحبت کرد، اما اینکه دقیقاً چه اتفاقی خواهد افتاد، قابل تعیین نیست. در مکانیک کوانتومی این عمل اندازه‌گیری است که باعث می‌شود سیستم از بین تمامی حالات ممکن، یک حالت مشخص را اختیار کند. در مکانیک کوانتومی، ناظر نقش فعال در نتایج مشاهدات دارد و بر تحولات سیستم تأثیر می‌گذارد، درحالی‌که در مکانیک کوانتومی ناظر نقش منفعل دارد و دینامیک سیستم مستقل از موجودی است که سیستم را مشاهده می‌کند.
جان فون‌نویمان دو نوع فرآیند را در مکانیک کوانتومی از هم متمایز می‌کند. فرآیند نوع «الف» و فرآیند نوع «ب» نام‌هایی هستند که در اینجا به فرآیندهای فون‌نویمان داده شده است. فرآیند نوع «ب» سیستم را با قوانین معادلۀ شرودینگر هدایت می‌کند درحالی‌که فرآیند «الف» سبب فروکاست تابع موج می‌شود. عامل فرآیند «الف» در برخی نظریه‌های آگاهی کوانتومی، همان آگاهی یا شعور موجود ذی‌شعور مانند انسان است.
3- نتیجه‌گیری
نظریۀ رایج درمورد مغز این است که بسیاری از عملکردها و وظایف خاص در نورون‌ها نهفته است و بقیۀ قسمت‌های مغز نقش حمایتی از نورون‌ها دارند. این دید از مغز، تمامی عملکردهای شناختی مغز را ناشی از شبکههای عصبی می‌داند که تشکیل‌دهندۀ مغز هستند و خروجی‌های هر لایه از نورون‌ها به‌عنوان ورودی به لایۀ بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دید از مغز، الهام‌بخش حوزه‌ای در هوش مصنوعی به نام شبکههای عصبی مصنوعی بوده است که در سال‌های اخیر موفقیت‌های چشم‌گیری در انجام وظایف مختلف مسابقات یادگیری ماشین داشته است. توضیح دادیم که این ایده با مخالفان جدی روبه‌رو است و دانشمندان بسیاری وجود دارند که توصیف مغز تنها به‌عنوان یک شبکۀ عصبی را کامل نمی‌دانند. برای نمونه، حافظه‌های کوتاه‌مدت و بلندمدت از مسائل حل‌نشده در علوم اعصاب هستند که مدل شبکههای عصبی توضیح مناسبی درمورد آن‌ها نمی‌دهد.
ازآنجایی‌که مکانیک کوانتومی بنیادی‌ترین نظریۀ طبیعت است، بنابراین استفاده از مکانیک کوانتومی به‌جای مکانیک کلاسیک در مطالعات مغز، اهمیت دارد. فیزیکدانان بسیاری با تکیه بر این ایده، مدل‌های مختلف مغز و آگاهی کوانتومی ارائه کرده‌اند که به مهم‌ترین آن‌ها اشاره کردیم.
