התודעה במציאות הקוונטית

 

בשנות העשרים של המאה הקודמת נתגלתה תורת הפיזיקה הקוונטית. תורה זו שינתה לחלוטין את עולם הפיזיקה ואת מה שהמדענים קיבלו כהסבר הגיוני על העולם הפיזיקלי.

תורת הקוונטים מתבססת על רעיונות שנשמעים מוזרים. למשל, העובדה שחלקיק יכול להיות בשני מקומות בו־זמנית. למרות מוזרותה, תורת הקוונטים אוששה באלפי ניסויים, ומדענים סבורים כי היא התורה שמתארת במדויק את העולם הפיזיקלי.

הפיזיקה הקלסית נכונה בתיאור תופעות פיזיקליות בסדר גודל התואם את המערכת התפיסתית של האדם. אבל כשמדובר בעולם המיקרוסקופי, הפיזיקה הקלסית נעשית פחות ופחות מדויקת, ואילו פיזיקת הקוונטים מתארת בדיוק את מה שקורה.

איך שינתה תורת הקוונטים את תפיסת המציאות?

בתיאוריה הפיזיקלית הקלסית, הרעיון המרכזי הוא שהטבע דטרמיניסטי. יש בו סיבתיות, כלומר מחזוריות של סיבות ותוצאות. בעולם דטרמיניסטי, אם אנחנו יודעים את כל מה שצריך וניתן לדעת, אפשר לנבא בוודאות מה יקרה לכל גורם פיזיקלי. ואילו המהפכה הקוונטית הראתה, שבניגוד למה שחשבו והאמינו פיזיקאים, העולם המיקרוסקופי הוא לא דטרמיניסטי. הוא לא מתנהג בדרך שהפיזיקה הקלסית חשבה שהוא אמור להתנהג. יש בו רמה גבוהה של אי־ודאות מובנית.

הפיזיקה הקוונטית מגלה מציאות מפתיעה, משוללת היגיון מדעי. עקרונות הפיזיקה הקוונטית חושפים מציאות חמקמקה, סובייקטיבית, דואלית, חסרת ודאות וא־לוקאלית, כלומר מתקיימת בו־זמנית בכל מקום.

מהי המציאות הקוונטית?

איך מתנהגים חלקיקים בגודל מיקרוסקופי בהשוואה לעצמים מהגודל המוכר לנו? על־פי הפיזיקה הקלסית, לכל עצם פיזיקלי חייב להיות תיאור "נכון" אחד ויחיד. התיאור הנכון של החומר הוא במונחי המושג הפיזיקלי חלקיק, והתיאור הנכון של האור הוא במונחי המושג הפיזיקלי גל. החומר עשוי מחלקיקים כמו אטומים ואלקטרונים, והאור הוא גל אלקטרומגנטי המתפשט במרחב. לעומת זאת, הפיזיקה הקוונטית מציגה מציאות שונה, מציאות דואלית. הן האור והן החומר מגלים זהות כפולה. ישות האור כמו גם ישות החומר, מדגימות שני מופעים, של גל וחלקיק.

שימוש במכשיר מדידה מחולל הפיכה מגל לחלקיק. תצפית בהתנהגותו של חלקיק מחוללת בו שינוי מפתיע. כל עוד לא מתבצעת מדידה, החלקיק מתנהג כגל לכל דבר, ומהיותו גל, אין לו מיקום מוגדר אלא נוכחות מתפשטת, בדומה לגלי הקול והאור. פעולת המדידה או התצפית בהתנהגות האלקטרון גורמת לקריסת הגל ולהופעת האלקטרון כחלקיק.

ניסויים שונים של מדידה ותצפית חושפים את מאפייניה של המציאות הקוונטית והעקרונות המוזרים שהיא מציגה.

העיקרון הראשון והחשוב של המציאות הקוונטית הוא עקרון הסופרפוזיציה. עיקרון זה קובע כי כל חלקיק קוונטי יכול להימצא בו־זמנית בכמה מקומות או בכמה מצבים או בכמה מהירויות. הוא יכול להיות גם כאן וגם שם, גם דולק וגם כבוי.

עקרון הסופרפוזיציה קובע כי בעולם המיקרוסקופי המציאות חמקמקה, קיים בה חוסר ודאות מובנה. פוטון (יחידת היסוד של האור), אלקטרון, או כל חלקיק קוונטי אחר, יכול להימצא בה בעת במצבים ובמקומות שונים. כלומר, מצב זה לא אומר שבו־זמנית החלקיק נמצא כאן ושם. המערכת נמצאת במעין צירוף של כל המצבים.

הסופרפוזיציה מנוגדת לאינטואיציה הבסיסית שלנו התואמת את עולם החוקים הפיזיקליים המוכר לנו, בו כל עצם נמצא או פה או שם, ואף פעם לא גם פה וגם שם.

אולם גם החוקים המוכרים לנו, כמו חוק המשיכה של גופים, אין להם הסבר הגיוני. אם היה להם הסבר הגיוני הם לא היו חוקים אלא מסקנות לוגיות. אנחנו התרגלנו לחוקים הקיימים כי אנחנו פוגשים בהם במציאות היומיומית שלנו. לא התרגלנו לחוק הסופרפוזיציה מפני שהחוק שולט בעולם המיקרוסקופי, והוא לא מורגש במציאות שבה פועלים בני אדם בדרך כלל.

אל עיקרון הסופרפוזיציה מתלווה מציאות של אי־ודאות. נניח את קיומו של אלקטרון באחת משתי קופסאות המונחות לפנינו. על־פי הפיזיקה הקלסית קיימות שתי אפשרויות: או שהאלקטרון נמצא בקופסה האחת או בקופסה השנייה. גם בתורת הקוונטים שתי אפשרויות אלה קיימות, אולם הביטוי שלהן מוצג בפונקציית גל. פונקציית הגל של האלקטרון נמצאת חצייה בקופסה הראשונה וחצייה בקופסה השנייה. בתיאור הקוונטי פונקציית הגל נמצאת בשתי הקופסאות בו־זמנית.

למרות התיאור של פונקציית הגל, בפועל לא נוכל למצוא את האלקטרון בשתי הקופסאות במקביל. אם נפתח את הקופסה הראשונה, והאלקטרון יימצא בה, מי שיפתח את הקופסה השנייה ימצא אותה ריקה. כל עוד אין פותחים את הקופסאות, פונקציית הגל נשמרת ומשמעותה שהאלקטרון נמצא בשתי הקופסאות בו־זמנית. אך כאשר מישהו פותח את אחת הקופסאות, פונקציית הגל קורסת באופן פתאומי, תוך שהיא בוחרת באפשרות אחת של הסופרפוזיציה.

העיקרון השני החשוב הוא עקרון המדידה. המדידה, המוכתבת על ידי הצופה, היא זו המגדירה את המציאות הנצפית. במציאות הקוונטית מיקומו המדויק של האלקטרון אינו קיים למעשה לפני שהוא נמדד. הבעיה היא לא מחסור בנתונים הדרושים כדי לקבוע את מיקומו של האלקטרון, אלא שהוא נמצא בה בעת במקומות שונים. רק כאשר מתבצעת מדידה, פונקציית הגל קורסת ומיקומו של האלקטרון נקבע.

המסקנה המוזרה העולה מניסוי זה ודומיו היא, שמציאות האלקטרון תלויה בתודעה של האדם המבצע את המדידה. המדע שואף לתאר מציאות אובייקטיבית, כפי שהיא מתקיימת באמת, ובאופן שאינו תלוי בקיום האדם ובפעולותיו. תורת הקוונטים לא מאפשרת תיאור אובייקטיבי כזה. המציאות היא סובייקטיבית.

איינשטיין התקומם כנגד המציאות הקוונטית המערערת על התכונות המדעיות הקלסיות של אובייקטיביות. הוא לא היה מוכן לקבל שהתכונות הפיזיקליות של העולם תלויות בצופה האנושי המתבונן בו. וכפי שביטא זאת במשפטו המפורסם, "אינני יכול להאמין באל המשחק בקובייה".

בטרם מתבצעת המדידה מצוי החלקיק במצב מוזר שבו הוא צירוף של מצבים שונים. כאשר המדידה מכוונת לאיתור החלקיק, הפונקציה שהכילה את כל המצבים, הסופרפוזיציה, קורסת לאחת מן האפשרויות הגלומות בו. רק משבוצעה מדידה מתקבלת הכרעה לגבי אופיו של החלקיק על־פי התנהגותו.

המסקנה התמוהה המתבקשת מניסויים אלה היא, שמציאות האלקטרון תלויה בתודעה של האדם הבוחרת את המדידה. התודעה האנושית היא זו שגורמת לקריסה. ההכרה האנושית היא זו שמחוללת את השינוי הכרוך במדידה.

העיקרון הקוונטי השלישי, המעצים את המסתורין שבתופעת המדידה, מתבטא בתכונה של אי־לוקליות קוונטית, שמשמעותה − "הכול קשור בכול". תכונה מפתיעה זו מתבטאת בהשפעה ובתיאום המתקיימים בין חלקיקים, גם כשאין כל קשר פיזי ביניהם, לא קשר מכני ולא קשר של שדה כוח, וגם כשהם נמצאים במרחק עצום זה מזה.

כל הניסויים שנעשו הציגו הוכחה ברורה כי בין שני חלקיקים הרחוקים זה מזה, כל מרחק שהוא, מתקיים קשר בו־זמני, ומהירות העברת המידע לא "מתחשבת" בגבול העליון של מהירות האור שאותה הציבה תורת היחסות.

תופעה מוזרה זו מכונה "שזירה קוונטית", והיא אומתה על ידי הפיזיקאי ג'ון בל (Bell ) בשנת 1964. מאז חוקרים רבים ניסו להטיל ספק בתופעה, אולם בשנת 2015 נמצאה הוכחה שלא הותירה ספק: שני חלקיקים שומרים על קשר "רפאים" אפילו כשהם רחוקים זה מזה מרחק שנות אור. העדות החותכת היא העובדה שרבות מהטכנולוגיות הקוונטיות שהפיזיקאים ממציאים היום, מבוססות על התופעה הזו.

הממצאים מאלצים את הפיזיקאים להודות כי היקום הקוונטי הוא לא לוקלי. כל דבר ביקום מחובר ומרושת כך או אחרת בסבך הקוסמי. ההשלכות הפילוסופיות הנלוות לרעיון של מציאות אי־לוקלית הן מרחיקות לכת. ביקום שבו כל הדברים מקושרים ביניהם, גם תודעות מקושרות ומאוחדות לתודעה אוניברסלית אחת, תודעת־על.

איך מסבירים פיזיקאים את תופעת הקריסה? אחת הגישות המקובלות יותר מדגישה את מרכזיותו של גורם התודעה בתהליך הקריסה. הגורם החשוב בתהליך הצפייה הוא התודעה. נדרש צופה בעל תודעה אשר יצפה במציאות ויגדיר אותה.

 

מהן התופעות הקוונטיות היכולות לרמוז על מקור התודעה האנושית?  התודעה האנושית מתגלה בתופעות קוונטיות המתרחשות בתאי המוח. כך מעריך הפיזיקאי והמתמטיקאי רוג'ר פנרוז (Penros), בעל שם עולמי במחקר האסטרופיזיקה והקוסמולוגיה, מומחה במדעי המחשב ותורת הקוונטים. למסקנה זו הגיע פנרוז לאחר שנים של חקר מקורותיה של התודעה.

אחת מהשאלות שהעסיקו אותו הייתה, האם ניתן לתכנת מחשב באופן שידמה בפעולתו למופעי התודעה האנושית? העובדה כי קיימים תהליכים במוח שלא ניתנים להסבר המבוסס על מודל חישובי לעיבוד מידע, ידועה היטב למדעני המחשב. למרות זאת, מקובל על מדענים כי כל התהליכים המתרחשים במוח הם תהליכים פיזיקליים, וכל חוקי הפיזיקה הם חישוביים.

מסתירה זו הגיע פנרוז למסקנה כי במוח מתרחש תהליך פיזיקלי שלא מתיישב עם חוקי הפיזיקה הקלסית המוכרים, וכי מקור התודעה הוא בעולם הקוונטי.

לעומת מגבלותיו של המודל החישובי בהסבר התודעה, מאפייניה של המציאות הקוונטית − יש בהם כדי להאיר את מקורותיה של התודעה האנושית. העולם הקוונטי מגלה מציאות שבה חלקיקים תת־אטומיים, הנמצאים בסביבה מבודדת מהשפעות של חלקיקים וכוחות אחרים, מתקיימים בו־זמנית במיקומים שונים ובמצבים שונים. חלקיק יכול להיות בעת ובעונה אחת גם כאן וגם שם, לנוע גם באיטיות וגם במהירות.

מצב זה של סופרפוזיציה נמשך עד לרגע שבו החלקיק פוגש בתודעה האנושית המתערבת בתנועתו. האדם המבקש לבחון את טיבו של החלקיק, גורם לקריסת הגל הנושא את שלל אפיוניו האפשריים, והחלקיק "מגדיר" את זהותו.

פנרוז מצביע על התכונות המקבילות המתקיימות בשתי התופעות המורכבות והקשות להסבר − המציאות הקוונטית והתודעה האנושית. תורת הקוונטים, כמו התודעה האנושית, מתירות קיום מקביל של מצבים סותרים, חופש בחירה, ושינוי באופן שלא ניתן להסבר פיזיקלי.

ההבנה כי קיים דמיון בין תכונותיה של התודעה האנושית והמציאות הקוונטית, הדריכה את פנרוז בחיפושיו אחר מקורות התודעה בתופעות קוונטיות המתרחשות בתאי המוח. היכן במוח מתקיימים תנאים לאפשרות קיומה של תופעה קוונטית?

פעילות המוח, ועיבוד המידע המתקיים בו, מבוססים על תקשורת אלקטרו־כימית המתקיימת בין תאיו. האם האותות האלקטרו־כימיים מקורם ברובד הקוונטי של המציאות? הפעילות המוחית רוחשת כל הזמן ומתוכה בוקעת מפעם לפעם מחשבה או תחושה, המזדקרות מעל הרחש הקבוע, ודוחקות את עצמן אל מרחב המודעות.

האם שדות האנרגיה, המכילים ערב רב של מצבים קוונטיים, הם המקור לאינספור תבניות המחשבה המתקיימות בתודעה? והאם תופעת הקריסה יכולה להסביר את התממשותה של תבנית מחשבה אחת ההופכת למודעת? היה ברור לפנרוז כי האות העצבי לא יכול להיחשב כאירוע קוונטי, מאחר והמערכת העצבית השוקקת פעילות אלקטרו־כימית לא מאפשרת קיומם של תופעות קוונטיות.

איפה, אם כך, מתרחש האירוע הקוונטי?

פגישתו של פנרוז עם חוקר המוח סטיוארט המרוף (Hameroff) נוירולוג ומומחה לחקר תהליכי החלוקה של התא והתנהגותם הקוונטית של המיקרוטובלים, הניבה הצעה לפתרון התעלומה. שני החוקרים, פנרוז והמרוף, הבינו כי הידע המדעי המצוי בידי כל אחד מהם − יש בו כדי להיות חוליית ידע קריטית עבור שאלות המחקר של האחר, ושיתוף פעולה מחקרי יכול להניב התפתחות מדעית.

פנרוז אחז בתיאוריה על אודות קיומה של תודעה קוונטית, אך חסר היה במבנה ביולוגי מתאים, ואילו המרוף גילה מבנה קוונטי הנמצא במוח, אולם חסר היה בתיאוריה מתאימה על אודות טיבה של התודעה.

המפגש בין שני החוקרים הוליד את ההכרזה על המיקרוטובול כמועמד האפשרי למקור התודעה: המפתח לתודעה מונח באירועים קוונטיים המתחוללים במבנים חלבוניים זעירים בתוככי תאי המוח − הם המיקרוטובולים.

מהם המיקרוטובולים?  צרורות של צינוריות חלבון דקיקות, ארוכות וחלולות, בקוטר מיליונית המילימטר. צינוריות אלו יוצרות מקלעת לאורכו ולרוחבו של כל אחד מתאי הגוף, כולל תאי העצב, המקנה לתא את היציבות והגמישות של מבנה התא ואת התנועה המווסתת אותו.

המיקרוטובולים מעורבים בתהליכים החיוניים ביותר של התא: בתהליכי חלוקת התא ויצירת תאים חדשים, בבניית גופו של העובר ואיבריו, בהתנהלות חיי התא וקיומו, בבניית הרשתות העצביות ובהתנהלותה של התקשורת העצבית.

עדות מעניינת לתפקיד המיקרוטובולים בהזרמת התודעה הוצגה במחקר שעקב אחר השינויים המתרחשים בעקבות הרדמה כללית. מצב התודעה בהרדמה כללית מעורר שאלה לגבי הגורם ל"כיבויה".

ידוע כי הרדמה כללית יכולה להתבצע באמצעות שימוש בחומרים כימיים שונים, שאין ביניהם כל קשר (למשל, אתר, כלורום וכיוצא באלה). עובדה זו מצביעה על האפשרות שאין זה הגורם הכימי האחראי על ההרדמה הכללית, אלא מדובר בגורם פיזי המופעל כתוצאה מהשימוש בחומר הכימי.

על־פי ממצאי המחקרים, השלד התאי הוא זה המושפע ישירות בהרדמה כללית. עדות לכך ניתן למצוא בעובדה, כי לא רק בעלי חיים מפותחים, כמו יונקים וציפורים, הופכים חסרי תנועה בהשפעת חומרים אלה, אלא גם הסנדלית (יצור חד־תאי) ואמבה מושפעים בצורה דומה מאותם החומרים המרדימים.

מאחר והמערכת העצבית המרכזית של יצורים חד־תאים היא שלד תאי, הרי שמדובר כנראה באיזה שהוא מרכיב של השלד אשר מופעל בהשפעת חומרי הרדמה כימיים אלה. אין זאת אומרת כי אותם יצורים חד־תאיים הם בעלי מודעות, אך מה שנראה הוא, שמצבי התודעה קשורים עם תפקודו של השלד התאי. כאשר מערכת ההפעלה של השלד התאי משותקת, זרימת התודעה מופסקת.

המרוף גילה כי החלבון שממנו מורכב המיקרוטובול הוא בעל מבנה מרחבי דמוי כיס, המאפשר לאלקטרון בודד לנוע לאורכו הלוך ושוב ללא הפרעה. המיקום של האלקטרון במרחב ה"כיס" קובע את תצורת החלבון, את מבנה המיקרוטובול ואת תפקודו. המרוף העריך כי חומרי ההרדמה מקבעים את האלקטרון, ובכך נועלים את החלבון ועימו את המיקרוטובול.

המבנה הייחודי של המיקרוטובול, יחד עם תכונות תקשורת המצטיינות בהולכת אותות, הובילו את החוקרים למסקנה שהמיקרוטובולים מנהלים רשת של עיבוד נתונים. וכך למסקנה מתבקשת נוספת − המוח מתנהל בשתי מערכות של עיבוד מידע: מערכת המיקרוטובולים המתקשרים בתנודות, ומערכת הנוירונים המתקשרים באותות אלקטרו־כימיים.

אולם, מהו המנגנון המשלב בין שתי מערכות עיבוד אלה? אפשרות אחת היא, שהמיקרוטובולים מעבדים את הבעיה ברמותיה הבסיסיות והתוצאה מתגלה בפליטת אות של נוירון. אפשרות אחרת היא, ששני התהליכים פועלים במקביל ומעבירים מידע דו־כיווני, וייתכן אף שהמיקרוטובולים אחראים על כוונון האותות ליצירת משוב מעגלי.

על־פי המודל של פנרוז והמרוף, סופרפוזיציה מתפתחת במבני המיקרוטובולים שבתאי העצב והגלייה במוח. כאשר הסופרפוזיציה מגיעה לסף כבידה קוונטית, מתרחשת קריסה. כל אירוע של קריסה תואם לאירוע תודעה. רצפים של אירועי קריסה יוצרים את תחושת הזמן ואת זרם התודעה.