Fisica quantistica e processi mentali

copertinadi Piero Di Giorgi

Tutto ciò che le cose viventi fanno si può comprendere in termini di movimenti e oscillazioni di atomi (Richard Feynman)

La cultura scientifica, nel nostro Paese, non gode della stessa attenzione e dello stesso interesse che hanno le discipline umanistiche e sociali. Inoltre, una volta la filosofia si occupava di tutta la totalità del sapere, essendo la realtà unitaria. Da quando si è pervenuti alla specializzazione dei saperi, le singole discipline sono rimaste, per lungo tempo, come monadi incomunicabili. Si deve a Wilhem Dilthey la distinzione tra scienze della natura (naturwissenschaften) e scienze dello spirito (geisteswissenschften), distinzione respinta da Wilhelm Windelband, che preferì una classificazione basata, piuttosto che sull’oggetto, sul metodo, distinguendo le discipline in scienze nomotetiche (che formulano leggi) e scienze idiografiche (che riguardano gli individui). Negli ultimi anni, fortunatamente, la situazione sta cambiando. Non si può non essere d’accordo con Edgar Morin allorché scrive che «la conoscenza è un fenomeno multidimensionale ed occorre che interagiscano fisica, chimica, biologia, storia, psicologia e antropologia». Servono, cioè approcci interdisciplinari, quel che Serge Moscovici ha chiamato “politeismo metodologico”, collaborazioni costanti tra le diverse discipline tra loro e in particolare tra scienze umane e sociali e scienze della natura.

La fisica quantistica, ad esempio, è alla base della nostra vita quotidiana: dallo smartphone alla televisione, dalla fotocellula del cancello elettrico al computer, dal tablet al laser, ai microscopi elettronici e alla risonanza magnetica. Grazie a essa, tutti questi oggetti sono stati possibili e, nel secolo XXI probabilmente, trasformerà la nostra vita in modo inimmaginabile e ci darà un’energia infinita.

Questa rivoluzione è cominciata proprio nel 1900 grazie all’intuizione di Max Planck, secondo cui l’energia non era un fenomeno continuo, come si credeva, ma era formata da piccolissime quantità di materia, invisibili, chiamate “quanti”. Per una casuale coincidenza, nello stesso anno avveniva un’altra rivoluzione nel campo della mente, per opera di Sigmund Freud, che mise in risalto il ruolo fondamentale dell’Inconscio per comprendere le funzioni mentali. Nel 1905, l’ipotesi di Planck venne confermata da Albert Einstein con l’esperimento chiamato “effetto fotoelettrico”, secondo cui tutte le radiazioni elettromagnetiche, compresa la luce, sono quantizzate, sono cioè costituite da particelle, chiamate fotoni, e per la quale scoperta ebbe il premio Nobel.

Altra bizzarria della fisica quantistica è che due particelle che si sono trovate in interazione reciproca, rimangono entangled, restano collegate non localmente, cioè rimangono in comunicazione per sempre. Se una delle due, per qualsiasi causa, cambia direzione, anche l’altra cambia istantaneamente, nel senso che quello che accade ad una di esse, si ripercuote istantaneamente anche sull’altra, indipendentemente dalla distanza che le separa. Esse sono in correlazione quantistica. Questo fenomeno si definisce “entanglement quantistico”. Inoltre, le particelle si possono trovare in più luoghi contemporaneamente.

Questa azione a distanza, anche nei lati opposti dell’universo, ha fatto fantasticare molti, facendo collegamenti coi fenomeni di telepatia. Einstein, che pure aveva confermato l’ipotesi quantistica di Planck, rimase sempre perplesso, perché pensava che particelle distanti non potessero comunicare tra loro, in quanto ciò sembrava violare la sua teoria della relatività, in particolare la regola secondo cui nessun segnale può viaggiare più veloce della luce. E però questa volta Einstein aveva torto. Infatti, Alain Aspect ha dimostrato sperimentalmente, che una coppia di fotoni con direzioni diverse ma in correlazione quantistica, non appena veniva modificata la direzione di uno, anche l’altro seguiva la stessa direzione del primo contemporaneamente. In modo simile, con l’esperimento della doppia fenditura, la funzione d’onda di un atomo che passa attraverso le due fenditure assegna la probabilità di trovarlo in ogni punto dell’apparato in ogni istante. In sostanza, le particelle si possono trovare in due stati diversi nello stesso tempo, passare attraverso i muri (effetto tunnel), avere collegamenti a distanza, ma solo finché nessuno le guarda. Una volta osservate o misurate, perdono le loro stravaganze e si comportano come gli oggetti classici che ci circondano. La misurazione e l’osservazione stanno proprio a margine tra il mondo classico e quello quantistico, dove probabilmente sta la vita stessa.

FOTO 1 Max Planck

Max Planck

Nonostante le stranezze quantistiche quali il dualismo onda-particella, l’effetto-tunnel, la sovrapposizione quantistica, senza l’organizzazione quantistica della materia, noi non esisteremmo. Infatti, dopo il big-bang esisteva soltanto l’idrogeno, il più semplice degli atomi, il cui nucleo è composto da un protone positivo e da un neutrone (neutro), intorno a cui ruota un elettrone negativo. In base al dualismo onda-particella, i nuclei hanno la capacità di attraversare, sotto forma di onda, barriere impenetrabili mediante il c.d. “effetto-tunnel” purché mantengano l’aspetto ondulatorio di tutte le loro particelle sincronizzate.  Da queste capacità di sovrapposizione quantistica, cioè di trovarsi contemporaneamente in due stati, si è potuto formare il deutone (nucleo di un atomo di deuterio). Dopo, altre reazioni nucleari hanno creato nuclei più complessi con più protoni e più neutroni, dall’elio al carbonio, all’azoto, all’ossigeno ecc. Senza queste caratteristiche quantistiche, l’universo sarebbe rimasto uno spazio abitato da particelle d’idrogeno.

Il libro di Jim Al-Khalili e Johnjoe Mc Fadden, La fisica della vita, (Bollati-Boringhieri, Torino 2015), evidenzia che questi fenomeni quantistici esistono anche in biologia, la quale, d’altronde, è una sorta di chimica applicata e la chimica è una sorta di fisica applicata. Le biomolecole come il DNA o gli enzimi sono costituite da particelle fondamentali come protoni ed elettroni, le cui interazioni sono governate dalla fisica quantistica. E perché non dovremmo potere pensare che anche il nostro pensiero, la nostra coscienza possano dipendere in ultima istanza da leggi quantistiche? In sostanza, a livello fondamentale, il mondo opera secondo regole diverse da quelle che appaiono. Certo, noi non possiamo stare in due posti diversi nello stesso tempo, o attraversare muri, ma le particelle al nostro interno fanno queste cose. In anni recenti, fenomeni quantistici come la sovrapposizione di stati e l’effetto tunnel sono stati rilevati in molti processi biologici. Si può ormai parlare di una biologia quantistica, e – aggiungo – perché no anche di una psicologia quantistica?

La capacità di calcolo del nostro cervello, maggiore di qualsiasi computer esistente, la capacità di vivere emozioni, di pensare, di concepire e creare grandi opere artistiche e ancora la più straordinaria di tutte, la capacità di avere coscienza di sé, è possibile e dipende dagli stessi atomi e particelle di cui è costituita tutta la materia. Ma, perché gli atomi e le molecole si comportano in un modo così diverso quando si tratta di una creatura vivente rispetto a quanto avviene in una pietra o in una roccia? È questa la domanda fondamentale che si pongono e ci pongono gli autori, i quali s’interrogano se la fisica quantistica possa aiutarci a comprendere come funziona la nostra mente.

Una domanda, in verità, antica a cui cercarono di dare risposta i filosofi greci. La risposta che Platone mette in bocca a Socrate è che sia l’anima che rende diverse le creature viventi, condivisa anche da Aristotele e poi incorporata in tutte le maggiori religioni. La vita stessa, si credeva che venisse mossa da un’anima spirituale. Nel XVII secolo, Cartesio, sebbene avesse avanzato un’ipotesi rivoluzionaria per l’epoca, secondo cui le piante, gli animali e anche gli esseri umani, come gli orologi o i giocattoli meccanici, fossero delle macchine elaborate come pompe, ruote dentate, soggetti alle stesse forze che governano il moto della materia inanimata, tuttavia sottrasse la mente umana alla spiegazione meccanicistica, confermando l’ipotesi socratica che essa fosse governata da un’anima immortale.

Successivamente, quando vennero studiate le cellule attraverso potenti microscopi, si ebbe l’impressione che esse fossero delle piccole fabbriche in miniatura e si pensava che fossero animate da forze vitali. Per tutto il XIX secolo, prevalse la teoria del vitalismo. In seguito, gli scienziati compresero che la materia vivente fosse fatta degli stessi composti chimici che costituivano la materia non vivente e che quindi, probabilmente, era governata dalle stesse leggi chimiche. Il vitalismo lasciò il campo al meccanicismo. Nel XX secolo, dopo il lavoro di Mendel sui piselli, con la scoperta dei geni come fattori ereditabili da una generazione all’altra e la successiva scoperta che i geni si trovavano nei cromosomi, si capì che era il DNA dei cromosomi a trasformare le informazioni vitali. Il quadro divenne chiaro con la scoperta, nel 1953, da parte di James Watson e Francis Crick, della struttura a doppia elica del DNA, riconosciuto come un codice, cioè una sequenza di informazioni che fornisce le istruzioni per l’ereditarietà e su come viene copiata l’informazione genetica.

James Watson e Francis Crick

James Watson e Francis Crick

La capacità dell’informazione genetica (i geni scritti nel DNA) a replicare fedelmente se stessa da una generazione all’altra (eredità genetica) è fondamentale per la vita di ogni organismo. La percentuale di errori di copiatura nella replicazione del DNA  e cioè quel che chiamiamo “mutazione” è meno di uno su un miliardo. E ciò è fondamentale per la vita, perché ogni minimo errore può risultare fatale in termini di malattie genetiche, di cancro e di sopravvivenza. L’accoppiamento delle basi nucleiche A-T e C-G, mediato dai protoni, è il codice genetico replicato e trasmesso da una generazione alla successiva. Tuttavia, nonostante l’importanza e la perfezione della replicazione e trasmissione, la vita non si sarebbe potuta evolvere nel nostro pianeta se non ci fosse stato qualche errore. Con le tante catastrofi che hanno colpito la terra, la vita si sarebbe estinta se non si fosse adattata alle nuove condizioni attraverso gli errori di copiatura e cioè le mutazioni sono state anche il motore che ha trasformato semplici microrganismi nella diversificata biosfera odierna.

La mutazione viene ora considerata la causa primaria delle variazioni genetiche ereditabili che, se spesso sono dannose, occasionalmente rendono i mutanti più adatti all’ambiente. Proprio questa precisione degli organismi viventi di replicare e trasmettere il proprio genoma da una generazione alla successiva convinse il fisico Erwin Schrödinger che i geni erano entità quantistiche e ipotizzò che essi fossero più simili ai singoli atomi o alle singole molecole, soggetti cioè a regole non classiche e propose l’idea che l’ereditarietà fosse basata sul nuovo principio quantistico “ordine dall’ordine”. Nel suo scritto Che cos’è la vita?, aveva ipotizzato che le mutazioni sarebbero state determinate da un salto quantistico nel gene. Sono ormai diversi i ricercatori, compresi gli autori di questo libro, che hanno supposto che, nell’origine della vita, abbiano avuto qualche ruolo eventi quantistici. Allo stato attuale, non si può escludere la possibilità che l’effetto-tunnel quantistico possa essere implicato nelle mutazioni adattive, ma non si possono escludere altre spiegazioni. Come annotano gli autori, scoprire il meccanismo delle mutazioni potrebbe gettare luce anche sull’insorgere delle malattie genetiche e delle cellule cancerogene.

Tutte le entità quantistiche, siano esse particelle fondamentali o atomi e molecole composti di queste particelle, manifestano un comportamento ondulatorio coerente e riescono a interferire con se stesse. In questo stato si trovano in più posti contemporaneamente, girano in due direzioni contemporaneamente, passano attraverso tunnel che superano barriere impenetrabili e mantengono collegamenti inquietanti con particelle lontane. Per semplificare questi concetti, gli autori suggeriscono di usare un unico termine, quello di “coerenza” quantistica. Invece la “decoerenza” è il processo fisico per cui si perde la coerenza e il mondo quantistico diviene classico, come avviene negli oggetti macroscopici.

 Richard Axel

Richard Axel

Negli anni ’80, Richard Axel si chiedeva se la biologia molecolare potesse aiutare a risolvere il mistero del funzionamento del cervello umano e come esso generi percezioni. La correlazione quantistica, per cui una particella riesce a influenzare istantaneamente l’altra particella anche a grandissima distanza, insieme all’altra stranezza quantistica della sovrap- posizione di due o più stati diversi nello stesso momento, compreso lo spin degli elettroni, che permette a essi di potere girare contemporaneamente in senso orario ed antiorario, sono caratteristiche che possono  essere applicate anche alla biologia. Sembra che le misteriose azioni a distanza, che tanto inquietavano Einstein, abbiano aiutato le creature viventi a trovare la strada e che le bussole quantistiche, dovute al campo magnetico terrestre, fornivano il senso di orientamento a rettili e dinosauri, come lo forniscono adesso a squali, uccelli, salmoni e tartarughe.

L’unica certezza al momento è che gli eventi quantistici sono fondamentali per l’ereditarietà, perché il codice genetico è scritto con particelle quantistiche. I geni quantistici codificano le strutture classiche e le funzioni di ogni organismo vivente. Sul resto, compreso il funzionamento della nostra mente e la coscienza, possiamo fare soltanto delle ipotesi. Gli autori affermano giustamente che non esistono equazioni matematiche che includano la coscienza e che ogni ipotesi sulla coscienza rimane di natura speculativa.

Sin da quando l’uomo ha preso coscienza di sé, si è posto domande fondamentali sul funzionamento della mente e su cosa sia la coscienza, su come percepiamo idee e concetti. È noto che tutto ciò che arriva dai nostri sensi (olfatto, vista, udito) mette in azione impulsi elettrici che vanno dall’organo sensoriale a una regione del cervello. Nei cento miliardi di neuroni che costituiscono il nostro cervello non c’è un luogo specifico in cui tutto questo flusso di impulsi sensoriali si unifichino per darci la percezione di un oggetto, un volto, un’idea, un odore, un suono o altro. Si sa che i neuroni sono collegati tra loro attraverso delle giunture chiamate sinapsi e che rilasciano neurotrasmettitori nello spazio tra queste giunture. Sulla base dei segnali in entrata da tutti i sensi e da quelli accumulati nella memoria, viene presa una decisione di movimento, si ha una percezione visiva, uditiva ecc. Quel che sfugge è come si forma esattamente la coscienza e come e se possano avere un ruolo le straordinarie stranezze quantistiche, o meglio se la coscienza sia un fenomeno quantistico. Sono state fatte diverse ipotesi, di cui forse la più rinomata è quella del fisico Rogers Penrose, la cui idea è che il cervello sia un computer quantistico e che i microtubuli dei neuroni si comportino come oggetti quantistici, esistenza in sovrapposizione di stati. Non solo, ma sembra anche che la proteina dei microtubuli, chiamata “tubulina” sia in correlazione quantistica con quella di molti altri neuroni. Ipotesi che viene considerata inverosimile da parte degli autori di La fisica della vita. Un’altra ipotesi è che i fenomeni quantistici nel cervello possano avvenire nei canali ionici della membrana cellulare dei neuroni, che mediano il potenziale d’azione (i segnali nervosi), che trasmette l’informazione e che hanno quindi un ruolo fondamentale nell’elaborazione dell’informazione.

Roger-Penrose

Roger Penrose

Sono tutte ipotesi e tuttavia, affermano gli autori, l’intero volume del cervello è immerso nel suo proprio campo elettromagnetico, generato dall’attività elettrica di tutti i suoi nervi e che muove particelle come gli ioni nei canali ionici dei nervi, sincronizzando neuroni diversi simultaneamente, possano generare la coscienza. È un’ipotesi quella elettro- magnetica e dell’entanglement quantistico che, con molta cautela, avevo avanzato in un mio recente lavoro, senza avere le competenze fisiochimiche degli autori del libro, ma partendo da competenze psicoanalitiche. La mia ipotesi si fonda sulla premessa che la coscienza abbia un prius nell’inconscio e che l’inconscio funzioni come un campo quantistico, dove regna la forza elettromagnetica, caratterizzato da fluttuazioni e da una coerenza quantistica. L’inconscio, in sostanza si trova in una sovrapposizione di stati. Anche tutte le informazioni depositate nella memoria sono entangled, cioè costituiscono un’unica onda quantistica. La memoria ha una base quantistica e gli eventi quantistici hanno un carattere olistico. La memoria, cioè, deriverebbe da un processo di entanglement quantistico. Ogni frammento d’informazione è collegato a tutti gli altri simultaneamente. Se la memoria è olografica e costituisce un unico campo quantistico, tutte le informazioni e gli eventi si mantengono in inconscia sovrapposizione di stati con uguale probabilità, fino a quando arriva una nuova informazione, che interagisce con la memoria inconscia e con l’insieme dei ricordi diffusi olograficamente e fa scattare la decoerenza, le sovrapposizioni di stati diversi collassano in un solo stato, dandoci le percezioni macroscopiche classiche (quel volto, quell’oggetto, quell’idea). La sovrapposizione di stati, corrispondenti a tante configurazioni classiche, una per ogni fluttuazione, si riduce a quell’unico atto di coscienza. La coscienza è il punto critico in cui le sovrapposizioni di stato collassano in stati classici. Ovviamente, ricorrendo all’inconscio si sottolinea il ruolo che svolgono le emozioni e la vita affettiva sia sulla memoria sia sulla coscienza, cose di cui non tengono conto alcuno gli autori del libro.

Dialoghi Mediterranei, n.20, luglio 2016

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Piero Di Giorgi, già docente presso la Facoltà di Psicologia di Roma “La Sapienza” e di Palermo, psicologo e avvocato, già redattore del Manifesto, fondatore dell’Agenzia di stampa Adista, ha diretto diverse riviste e scritto molti saggi. Tra i più recenti: Persona, globalizzazione e democrazia partecipativa (F. Angeli, Milano 2004); Dalle oligarchie alla democrazia partecipata (Sellerio, Palermo 2009); Il ’68 dei cristiani: Il Vaticano II e le due Chiese (Luiss University, Roma 2008), Il codice del cosmo e la sfinge della mente (2014).

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