Effondrement d’une théorie de premier plan sur l’origine quantique de la conscience

L’origine de la conscience est l’un des plus grands mystères de la science. Une solution proposée, suggérée pour la première fois par le lauréat du prix Nobel et mathématicien d’Oxford Roger Penrose et l’anesthésiste Stuart Hammeroff, de l’Arizona State University, à Tucson, attribue la conscience aux calculs quantiques dans le cerveau. Cela repose à son tour sur la notion que la gravité pourrait jouer un rôle dans la façon dont les effets quantiques disparaissent, ou « s’effondrent ». Mais une série d’expériences dans un laboratoire au plus profond des montagnes du Gran Sasso, en Italie, n’a pas permis de trouver de preuves à l’appui d’un modèle d’effondrement quantique lié à la gravité, ce qui compromet la faisabilité de cette explication de la conscience. Le résultat est rapporté dans le journal Avis sur la physique de la vie.

« La façon dont la conscience apparaît dans le cerveau est un énorme casse-tête », déclare Catalina Curceanu, membre du groupe de réflexion sur la physique, le Foundational Questions Institute, FQXi, et physicienne en chef des expériences à l’INFN à Frascati, en Italie. « Il existe de nombreuses idées concurrentes, mais très peu peuvent être testées expérimentalement. »

La physique quantique nous dit que les chats peuvent être vivants et morts en même temps, du moins en théorie. Pourtant, dans la pratique, nous ne voyons jamais de félins enfermés dans un état de limbes aussi malheureux. Une explication populaire pour pourquoi pas est que la « fonction d’onde » d’un système – son caractère quantique lui permettant d’être simultanément dans deux états contradictoires – est plus susceptible de « s’effondrer » ou d’être détruite si elle est plus massive, le laissant dans un état défini. état, soit mort ou vivants, disons, mais pas les deux à la fois. Ce modèle d’effondrement, lié à la gravité agissant sur des objets lourds comme les chats, a été invoqué par Penrose et Hammeroff lors du développement de leur modèle de conscience, ‘Théorie Orch OU‘ (théorie de la réduction objective orchestrée), dans les années 1990.

Calculs quantiques dans le cerveau

Curceanu s’est d’abord intéressée à la théorie Orch OR lorsqu’elle a rencontré Penrose, également membre de FQXi, lors d’une conférence il y a quelques années. La conscience n’est généralement pas associée aux propriétés quantiques car les effets quantiques sont fragiles et difficiles à maintenir même dans des conditions hautement contrôlées et à des températures froides en laboratoire. On a donc longtemps supposé que l’environnement chaud et humide du cerveau serait trop perturbateur pour permettre aux effets quantiques de survivre. Mais Penrose a expliqué que lui et Hammeroff ont identifié de minuscules structures appelées microtubules dans les neurones du cerveau qui pourraient potentiellement maintenir des effets quantiques pendant de courtes périodes, juste assez longtemps pour effectuer des calculs quantiques. La théorie Orch OR attribue la conscience à des calculs quantiques orchestrés (« Orch ») par des oscillations électriques dans ces microtubules. « Ce que j’ai aimé dans cette théorie, c’est qu’elle est en principe testable et j’ai décidé de rechercher des preuves qui pourraient aider à la confirmer ou à l’infirmer », explique Curceanu.

« Ce que j’ai aimé dans cette théorie, c’est qu’elle est en principe testable et j’ai décidé de rechercher des preuves qui pourraient aider à la confirmer ou à l’infirmer. »

Au cœur de la théorie se trouve l’idée que la gravité est liée à l’effondrement de la fonction d’onde quantique et que cet effondrement est plus rapide dans les systèmes avec plus de masse. Ce concept a été développé dans un certain nombre de modèles par divers physiciens dans les années 1980. L’un d’entre eux était Lajos Diósi, du Centre de recherche Wigner pour la physique et de l’Université Eötvös Loránd de Budapest, en Hongrie, qui a co-écrit le nouvel article avec Curceanu, Maaneli Derakhshani de l’Université Rutgers au Nouveau-Brunswick, New Jersey, Matthias Laubenstein également à l’INFN, et Kristian Piscicchia du CREF et de l’INFN. Penrose a abordé cette idée de manière indépendante quelques années plus tard et elle est devenue le cœur de sa théorie de la conscience avec Hammeroff.

Les deux théories sont souvent désignées par le terme générique, la «théorie de Diósi-Penrose». Mais derrière le nom commun, il y a une différence importante, note Curceanu. L’approche de Diósi prédit que l’effondrement s’accompagnerait de l’émission spontanée d’une petite quantité de rayonnement, juste assez grande pour être détectée par des expériences de pointe.

Aller sous terre

Le laboratoire souterrain de Curceanu est installé dans le Laboratoire national du Gran Sasso, à 1,4 km sous les montagnes italiennes du Gran Sasso. Le laboratoire se trouve d’un côté du tunnel routier de 10 km de long qui traverse le massif du Gran Sasso, reliant L’Aquila et Teramo. « L’emplacement a été choisi car il est fondamentalement exempt de sources de rayonnement cosmique au-dessus du sol, qui pourraient interférer avec l’expérience », explique Curceanu. L’expérience utilise un détecteur cylindrique extrêmement sensible, pas beaucoup plus gros qu’une tasse, fabriqué à partir de germanium très pur. Il est entouré d’un blindage, constitué de couches de plomb et de cuivre ultra-purs, pour le mettre à l’abri de tout rayonnement de fond provenant des roches. Après avoir mené l’expérience pendant deux mois, l’équipe n’a pas mesuré les signaux de rayonnement spontanés, limitant la faisabilité de l’effondrement lié à la gravité. En 2020, l’équipe rapporté dans Physique naturelle que leur résultat négatif les avait aidés à éliminer la version la plus simple du modèle Diósi-Penrose.

Dans leur nouvel article, ils ont explicitement examiné les répercussions de leur découverte sur la théorie de la conscience Orch OR de Penrose et Hammeroff. Après avoir réanalysé les scénarios les plus plausibles énoncés par Hammeroff et Penrose, à la lumière de leurs récentes contraintes expérimentales sur l’effondrement quantique, ils ont été amenés à conclure que presque aucun des scénarios n’est plausible. « Il s’agit de la première enquête expérimentale sur le pilier d’effondrement quantique lié à la gravité du modèle de conscience Orch OR, qui, nous l’espérons, sera suivi par de nombreux autres », déclare Curceanu. « Je suis très fier de notre réussite. »

Caractéristiques interdisciplinaires

Les expériences et l’analyse sont partiellement financées par une subvention du Foundational Questions Institute, FQXi. « Sans cela, il n’aurait pas été possible d’atteindre ce résultat », déclare Curceanu. « Il est difficile d’obtenir autrement un financement pour des projets comme celui-ci, en raison de ses caractéristiques interdisciplinaires. »

« C’est vraiment excitant de relier ce que vous pouvez faire en laboratoire à peut-être le plus grand mystère de l’univers : la conscience. »

Mais tout n’est pas perdu pour Orch Or, ajoute Curceanu. « En fait, le vrai travail n’en est qu’au début. » elle dit. En fait, le modèle d’effondrement original de Penrose, contrairement à celui de Diósi, n’a pas prédit le rayonnement spontané, il n’a donc pas été exclu. Le nouvel article explique également brièvement comment un modèle d’effondrement lié à la gravité pourrait être modifié de manière réaliste. « Un tel modèle révisé, sur lequel nous travaillons dans le cadre du projet financé par FQXi, pourrait laisser la porte ouverte à la théorie Orch OR », déclare Curceanu.

Pendant ce temps, l’équipe se prépare à tester ces nouveaux modèles d’effondrement raffinés, afin d’étudier plus avant leurs implications pour le modèle Orch OR. « C’est vraiment excitant de relier ce que vous pouvez faire en laboratoire à peut-être le plus grand mystère de l’univers – la conscience », déclare Curceanu.

Fourni par l’Institut des questions fondamentales