L’étrange lien entre l’esprit humain et la physique quantique

l'esprit humain et la physique quantique

“Je ne peux pas définir le vrai problème, donc je soupçonne qu’il n’y a pas de problème réel, mais je ne suis pas sûr qu’il n’y a pas de problème réel.”

Le physicien américain Richard Feynman a dit cela sur les puzzles et paradoxes notoires de la mécanique quantique, la théorie que les physiciens utilisent pour décrire les plus petits objets de l’Univers. Mais il aurait pu parler du problème tout aussi noueux de la conscience.

Certains scientifiques pensent que nous comprenons déjà ce qu’est la conscience, ou qu’il s’agit d’une simple illusion. Mais beaucoup d’autres pensent que nous n’avons pas saisi d’où vient la conscience.

Le puzzle perpétuel de la conscience a même conduit certains chercheurs à invoquer la physique quantique pour l’expliquer. Cette notion a toujours été remplie de scepticisme, ce qui n’est pas surprenant : il ne semble pas judicieux d’expliquer un mystère par un autre. Mais ces idées ne sont pas évidemment absurdes, et elles ne sont pas non plus arbitraires.

D’une part, l’esprit semblait, à la grande gêne des physiciens, se forcer dans la première théorie quantique. De plus, on prédit que les ordinateurs quantiques sont capables d’accomplir des choses que les ordinateurs ordinaires ne peuvent pas, ce qui nous rappelle comment notre cerveau peut réaliser des choses qui sont encore au-delà de l’intelligence artificielle. “La conscience quantique” est largement ridiculisée comme mystique, mais elle ne va pas disparaître.

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Qu’est-ce qui se passe dans notre cerveau ? (Crédit : Mehau Kulyk / Science Photo Library)

La mécanique quantique est la meilleure théorie que nous ayons pour décrire le monde au niveau des atomes et des particules subatomiques. Le plus célèbre de ses mystères est peut-être le fait que le résultat d’une expérience quantique peut changer selon que nous choisissons ou non de mesurer une certaine propriété des particules impliquées.

Lorsque cet «effet observateur» a été remarqué pour la première fois par les premiers pionniers de la théorie quantique, ils étaient profondément troublés. Cela semblait saper l’hypothèse fondamentale derrière toute science : qu’il y a un monde objectif, indépendamment de nous. Si la façon dont le monde se comporte dépend de comment (ou si) nous le regardons, qu’est-ce que la «réalité» peut vraiment dire ?

“L’intrusion la plus célèbre de l’esprit en mécanique quantique vient dans ‘l’expérience à double-fente’.”

Certains de ces chercheurs se sont sentis contraints de conclure que l’objectivité était une illusion et que la conscience doit avoir un rôle actif dans la théorie quantique. Pour d’autres, cela n’a pas de sens. Albert Einstein s’est plaint une fois que la Lune n’existe seulement quand on le regarde !

Aujourd’hui, certains physiciens soupçonnent que si la conscience influence ou non la mécanique quantique, elle pourrait en fait surgir à cause de cela. Ils pensent que la théorie quantique pourrait être nécessaire pour comprendre pleinement comment fonctionne le cerveau.

Peut-être que, tout comme les objets quantiques peuvent apparemment être à deux endroits à la fois, alors un cerveau quantique peut-il tenir deux idées mutuellement exclusives en même temps ?

Ces idées sont spéculatives, et il se peut que la physique quantique ne joue aucun rôle fondamental ni pour ni dans le fonctionnement de l’esprit. Mais si il n’y a rien d’autre, ces possibilités montrent que la théorie quantique nous force à penser de façon étrange.

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La fameuse expérience à double fente (Crédit : Victor de Schwanberg / Science Photo Library)

L’intrusion la plus célèbre de l’esprit en mécanique quantique vient dans «l’expérience à double fente». Imaginez un faisceau de lumière brillant sur une plaque qui contient deux fentes parallèles étroitement espacées. Une partie de la lumière passe à travers les fentes, après quoi elle frappe une autre plaque.

La lumière peut être considérée comme une sorte d’onde, et quand les ondes émergent de deux fentes comme celles-ci, elles peuvent interférer les unes avec les autres. Si leurs pics coïncident, elles se renforcent l’une l’autre, alors que si un pic et un creux coïncident, elles s’annulent. Cette interférence vague est appelée diffraction, et elle produit une série de rayures lumineuses et sombres alternées sur la plaque arrière, où les ondes lumineuses sont soit renforcées ou annulées.

“L’implication semble être que chaque particule passe simultanément à travers les deux fentes.”

Cette expérience a été comprise comme étant une caractéristique du comportement des vagues il y a plus de 200 ans, bien avant la théorie quantique.

L’expérience à double fente peut également être effectuée avec des particules quantiques comme des électrons ; de minuscules particules chargées qui sont des composants des atomes. Dans une torsion contre-intuitive, ces particules peuvent se comporter comme des vagues. Cela signifie qu’elles peuvent subir une diffraction quand un flux traverse les deux fentes, produisant un motif d’interférence.

Maintenant supposons que les particules quantiques sont envoyées par les fentes une par une, et leur arrivée à la plaque est également vue une par une. Il n’y a apparemment rien pour interférer chaque particule le long de son itinéraire ; pourtant, le modèle des impacts de particule s’accumulent au cours du temps révèle des bandes d’interférence.

L’implication semble être que chaque particule passe simultanément à travers les deux fentes et interfère avec elle-même. Cette combinaison de “deux chemins à la fois” est connue comme un état de superposition.

Mais voici la chose vraiment étrange.

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L’expérience à double fente (Crédit : GIPhotoStock / Science Photo Library)

Si nous plaçons un détecteur à l’intérieur ou juste derrière une fente, nous pouvons déterminer si une particule donnée la traverse ou non. Dans ce cas, cependant, l’ingérence disparaît. Simplement en observant le chemin d’une particule (même si cette observation ne doit pas perturber le mouvement de la particule) nous modifions le résultat.

Le physicien Pascual Jordan, qui a travaillé avec le gourou quantique Niels Bohr à Copenhague dans les années 1920, le dit ainsi : «Les observations ne dérangent pas seulement ce qui doit être mesuré, elles le produisent. Nous obligeons [une particule quantique] à prendre une position définie.” En d’autres termes, Jordan a dit : “Nous produisons nous-mêmes les résultats des mesures.”

Si tel est le cas, la réalité objective semble sortir de la fenêtre.

Et ça devient encore plus étrange.

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Les particules peuvent être dans deux états (Crédit : Victor de Schwanberg / Science Photo Library)

Si la nature semble changer son comportement selon si nous «regardons» ou non, nous pourrions essayer de la tromper en montrant sa main. Pour ce faire, nous pourrions mesurer le chemin parcouru par une particule à travers les fentes doubles, mais seulement après qu’elles les a traversées. À ce moment-là, elle aurait dû “décider” s’il fallait prendre un chemin ou les deux.

Le simple fait de remarquer, plutôt que toute perturbation physique causée par la mesure, peut provoquer l’effondrement

Une expérience pour ce faire a été proposée dans les années 1970 par le physicien américain John Wheeler, et cette expérience de «choix différés» a été réalisée dans la décennie suivante. Elle utilise des techniques astucieuses pour effectuer des mesures sur les chemins des particules quantiques (en général, des particules de lumière, appelées photons) après avoir choisi de prendre un chemin ou une superposition de deux.

Il s’avère que, tout comme Bohr l’a prédit avec confiance, il ne fait aucune différence si nous retardons la mesure ou non. Tant que nous mesurons le chemin du photon avant son arrivée à un détecteur, il est finalement enregistré, nous perdons toutes les interférences.

C’est comme si la nature “savait” non seulement si nous regardons, mais si nous avons l’intention de regarder.

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Eugene Wigner (Crédit : Emilio Segre Archives visuelles / Institut américain de physique / Science Photo Library)

Chaque fois que, dans ces expériences, nous découvrons le chemin d’une particule quantique, son nuage d’itinéraires possibles “s’effondre” en un seul état bien défini. Qui plus est, l’expérience à choix différé implique que le simple fait de remarquer, plutôt que toute perturbation physique causée par la mesure, peut provoquer l’effondrement. Mais cela signifie-t-il qu’un véritable effondrement ne s’est produit que lorsque le résultat d’une mesure a frappé notre conscience ?

“Il est difficile d’éviter l’implication que la conscience et la mécanique quantique sont en quelque sorte liées.”

Cette possibilité a été admise dans les années 1930 par le physicien hongrois Eugène Wigner. «Il s’ensuit que la description quantique des objets est influencée par les impressions qui pénètrent ma conscience», écrivait-il. “Le solipsisme peut être logiquement cohérent avec la mécanique quantique actuelle.”

Wheeler a même entretenu la pensée que la présence des êtres vivants, capables de «remarquer», a transformé ce qui était auparavant une multitude de passés quantiques possibles en une histoire concrète. Dans ce sens, dit Wheeler, nous devenons des participants à l’évolution de l’Univers depuis ses débuts. Dans ses paroles, nous vivons dans un «univers participatif».

À ce jour, les physiciens ne sont pas d’accord sur la meilleure façon d’interpréter ces expériences quantiques, et dans une certaine mesure ce que vous en faites est (en ce moment). Mais d’une façon ou d’une autre, il est difficile d’éviter l’implication que la conscience et la mécanique quantique sont en quelque sorte liées.

À partir des années 1980, le physicien britannique Roger Penrose a suggéré que le lien pourrait fonctionner dans l’autre sens. Si la conscience peut affecter ou non la mécanique quantique, peut-être que la mécanique quantique est impliquée dans la conscience.

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Physicien et mathématicien Roger Penrose (Crédit : Max Alexander / Science Photo Library)

Que se passe-t-il, a demandé Penrose, s’il y a des structures moléculaires dans notre cerveau qui sont capables de modifier leur état en réponse à un seul événement quantique. Ces structures n’adopteraient-elles pas alors un état de superposition, tout comme les particules dans l’expérience à double fente ? Et ces superpositions quantiques peuvent-elles apparaître dans la manière dont les neurones sont déclenchés pour communiquer via des signaux électriques ?

Peut-être, dit Penrose, que notre capacité à maintenir des états mentaux apparemment incompatibles n’est pas un caprice de la perception, mais un véritable effet quantique.

“Peut-être que la mécanique quantique est-elle impliquée dans la conscience.”

Après tout, le cerveau humain semble capable de gérer des processus cognitifs qui dépassent encore largement les capacités des ordinateurs numériques. Peut-être pouvons-nous même effectuer des tâches de calcul qui sont impossibles sur les ordinateurs ordinaires, qui utilisent la logique numérique classique.

Penrose a d’abord proposé que les effets quantiques caractérisent la cognition humaine dans son livre de 1989 “L’esprit nouveau de l’empereur”. L’idée est appelée Orch-OR, qui est le terme de “réduction objectif orchestrée”. L’expression «réduction objective» signifie que, comme le croit Penrose, l’effondrement de l’interférence quantique et de la superposition est un processus physique réel, comme l’éclatement d’une bulle.

Orch-OR s’appuie sur la suggestion de Penrose selon laquelle la gravité est responsable du fait que les objets du quotidien, comme les chaises et les planètes, ne présentent pas d’effets quantiques. Penrose croit que les superpositions quantiques deviennent impossibles pour les objets beaucoup plus grands que les atomes, parce que leurs effets gravitationnels forceront alors deux versions incompatibles de l’espace-temps à coexister.

Penrose a développé davantage cette idée avec le médecin américain Stuart Hameroff. Dans son livre de 1994 “Shadows of the Mind”, il a suggéré que les structures impliquées dans cette cognition quantique pourraient être des brins protéiques appelés microtubules. Ceux-ci se trouvent dans la plupart de nos cellules, y compris les neurones dans notre cerveau. Penrose et Hameroff soutiennent que les vibrations des microtubules peuvent adopter une superposition quantique.

Mais rien ne prouve qu’une telle chose soit réalisable à distance.

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Microtubules à l’intérieur d’une cellule (Crédit : Dennis Kunkel Microscopie / Science Photo Library)

Il a été suggéré que l’idée de superpositions quantique dans les microtubules est soutenue par des expériences décrites en 2013, mais en fait, ces études n’ont pas fait mention d’effets quantiques.

De plus, la plupart des chercheurs pensent que l’idée d’Orch-OR a été écartée par une étude publiée en 2000. Le physicien Max Tegmark a calculé que les superpositions quantiques des molécules impliquées dans la signalisation neurale ne pourraient survivre même pendant une fraction du temps nécessaire à un tel signal pour aller n’importe où.

“D’autres chercheurs ont trouvé des preuves des effets quantiques chez les êtres vivants.”

Les effets quantiques tels que la superposition sont facilement détruits, à cause d’un processus appelé décohérence. Ceci est causé par les interactions d’un objet quantique avec son environnement environnant.

La décohérence devrait être extrêmement rapide dans les environnements chauds et humides comme les cellules vivantes.

Les signaux nerveux sont des impulsions électriques, causées par le passage d’atomes chargés électriquement à travers les parois des cellules nerveuses. Si l’un de ces atomes se trouvait en superposition et se heurtait alors à un neurone, Tegmark a montré que la superposition devait décroître en moins d’un milliard de milliardième de seconde. Il faut au moins 10 000 trillions de fois autant de temps pour qu’un neurone décharge un signal.

En conséquence, les idées sur les effets quantiques dans le cerveau sont considérées avec un grand scepticisme.

Cependant, Penrose n’est pas ému par ces arguments et se tient par l’hypothèse d’Orch-OR. Et malgré la prédiction de Tegmark de la décohérence ultra-rapide dans les cellules, d’autres chercheurs ont trouvé des preuves des effets quantiques chez les êtres vivants. Certains affirment que la mécanique quantique est exploitée par les oiseaux migrateurs qui utilisent la navigation magnétique, et par les plantes vertes quand ils utilisent la lumière du soleil pour faire des sucres dans la photosynthèse.

En outre, l’idée que le cerveau pourrait employer des astuces quantiques ne montre aucun signe de disparition. Car il y a maintenant un autre argument bien différent.

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Le phosphore pourrait-il maintenir un état quantique ? (Crédit : Phil Degginger / Science Photo Library)

Dans une étude publiée en 2015, le physicien Matthew Fisher de l’université de Californie à Santa Barbara a soutenu que le cerveau pourrait contenir des molécules capables de soutenir des superpositions quantiques plus robustes. Plus précisément, il pense que les noyaux d’atomes de phosphore peuvent avoir cette capacité.

Les atomes de phosphore sont partout dans les cellules vivantes. Ils prennent souvent la forme d’ions phosphate, dans lequel un atome de phosphore se joint à quatre atomes d’oxygène.

Ces ions sont l’unité de base de l’énergie dans les cellules. Une grande partie de l’énergie de la cellule est stockée dans des molécules appelées ATP, qui contiennent une chaîne de trois groupes phosphate liés à une molécule organique. Lorsque l’un des phosphates est coupé, l’énergie est libérée pour que la cellule l’utilise.

Les cellules ont une machinerie moléculaire pour assembler les ions phosphate en groupes et les couper à nouveau. Fisher a suggéré un schéma dans lequel deux ions phosphate pourraient être placés dans une sorte spéciale de superposition appelée «état enchevêtré».

“Les spins de phosphore pourraient résister à la décohérence pendant un jour environ, même dans les cellules vivantes.”

Les noyaux de phosphore ont une propriété quantique appelée spin, ce qui les rend plutôt comme des petits aimants avec des pôles pointant dans des directions particulières. Dans un état enchevêtré, le spin d’un noyau de phosphore dépend de celui de l’autre.

Autrement dit, les états entremêlés sont vraiment des états de superposition impliquant plus d’une particule quantique.

Fisher dit que le comportement mécanique quantique de ces spins nucléaires pourrait plausible résister à la décohérence sur les échelles humaines. Il est d’accord avec Tegmark que les vibrations quantiques, comme celles postulées par Penrose et Hameroff, seront fortement affectées par leur environnement “et décohéreront presque immédiatement”. Mais les spins nucléaires n’interagissent pas très fortement avec leur environnement.

Tout de même, le comportement quantique dans les spins nucléaires du phosphore devrait être “protégé” de la décohérence.

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Les particules quantiques peuvent avoir des spins différents (Crédit : Richard Kail / Science Photo Library)

Cela pourrait arriver, dit Fisher, si les atomes de phosphore sont incorporés dans des objets plus grands appelés «molécules Posner». Ce sont des grappes de six ions phosphate, combinés avec neuf ions calcium. Il existe des preuves qu’ils peuvent exister dans des cellules vivantes, bien que cela soit loin d’être concluant.

“J’ai décidé d’explorer comment sur le lithium sur Terre pourrait avoir un tel effet dramatique dans le traitement des troubles mentaux.”

Dans les molécules de Posner, Fisher fait valoir, les spins de phosphore pourraient résister à la décohérence pendant un jour ou deux, même dans les cellules vivantes. Cela signifie qu’ils pourraient influencer le fonctionnement du cerveau.

L’idée est que les molécules de Posner peuvent être englouties par les neurones. Une fois à l’intérieur, les molécules de Posner pourraient réaliser le déclenchement d’un signal à un autre neurone, en tombant en morceaux et en libérant leurs ions calcium.

En raison de l’enchevêtrement dans les molécules de Posner, deux de ces signaux pourraient ainsi à leur tour s’emmêler : une sorte de superposition quantique d’une «pensée». “Si le traitement quantique avec des spins nucléaires est en fait présent dans le cerveau, ce serait un phénomène très fréquent, qui se passe à peu près tout le temps“, dit Fisher.

Il a d’abord eu cette idée quand il a commencé à penser à la maladie mentale.

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Une capsule de carbonate de lithium (Crédit : Custom Medical Photo / Science Photo Library)

«Mon entrée dans la biochimie du cerveau a commencé quand j’ai décidé il y a trois ou quatre ans d’explorer comment le lithium ion sur Terre pourrait avoir un tel effet dramatique dans le traitement des conditions mentales», dit Fisher.

“À ce stade, la proposition de Fisher n’est rien de plus qu’une idée intrigante.”

Les médicaments au lithium sont largement utilisés pour traiter le trouble bipolaire. Ils fonctionnent, mais personne ne sait vraiment comment.

«Je ne cherchais pas une explication quantique», dit Fisher. Mais il est tombé sur un article rapportant que les médicaments au lithium avaient des effets différents sur le comportement des rats, en fonction de la forme (ou “isotope”) de lithium utilisé.

À première vue, c’était extrêmement déroutant. En termes chimiques, différents isotopes se comportent presque identiquement, donc si le lithium fonctionnait comme un médicament conventionnel, les isotopes auraient tous eu le même effet.

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Les cellules nerveuses sont liées aux synapses (Crédit : Sebastian Kaulitzki / Science Photo Library)

Mais Fisher a réalisé que les noyaux des atomes des différents isotopes de lithium peuvent avoir des spins différents. Cette propriété quantique pourrait affecter la façon dont les médicaments au lithium agissent. Par exemple, si le lithium se substitue au calcium dans les molécules de Posner, les spins de lithium pourraient «sentir» et influencer ceux des atomes de phosphore et interférer ainsi avec leur enchevêtrement.

“Nous ne savons même pas ce qu’est la conscience.”

Si cela est vrai, cela aiderait à expliquer pourquoi le lithium peut traiter le trouble bipolaire.

À ce stade, la proposition de Fisher n’est qu’une idée intrigante. Mais il y a plusieurs façons dont sa plausibilité peut être testée, en commençant par l’idée que le phosphore tourne dans les molécules Posner peut garder leur cohérence quantique pour de longues périodes. C’est ce que Fisher veut faire ensuite.

Néanmoins, il se méfie d’être associé aux idées antérieures sur la «conscience quantique», qu’il considère comme hautement spéculatives au mieux.

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La Conscience est un profond mystère (Crédit : Sciepro / Science Photo Library)

Les physiciens ne sont pas très à l’aise pour se retrouver dans leurs théories. La plupart espèrent que la conscience et le cerveau peuvent être tenus à l’écart de la théorie quantique, et peut-être vice versa. Après tout, nous ne savons même pas ce qu’est la conscience, et encore moins une théorie pour la décrire.

“Nous savons tous ce que le rouge est, mais nous n’avons aucun moyen de communiquer la sensation.”

Cela n’aide pas qu’il y ait maintenant une industrie artisanale du New Age consacrée aux notions de «conscience quantique», affirmant que la mécanique quantique offre des justifications plausibles pour des choses telles que la télépathie et la télékinésie.

En conséquence, les physiciens sont souvent embarrassés de simplement mentionner les mots «quantique» et «conscience» dans la même phrase.

Mais cela mis à part, l’idée a une longue histoire. Depuis que l’effet «observateur» et l’esprit ont d’abord été insinués dans la théorie quantique les premiers jours, il a été diablement difficile de les expulser. Quelques chercheurs pensent que nous pourrions ne jamais réussir à le faire.

En 2016, Adrian Kent de l’université de Cambridge au Royaume-Uni, l’un des «philosophes quantiques» les plus respectés, a spéculé que la conscience pourrait modifier le comportement des systèmes quantiques de manière subtile mais détectable.

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Nous ne comprenons pas comment fonctionnent les pensées (Crédit : Andrzej Wojcicki / Science Photo Library)

Kent est très prudent sur cette idée. «Il n’y a pas de raison impérieuse de principe pour croire que la théorie quantique est la bonne théorie pour essayer de formuler une théorie de la conscience, ou que les problèmes de la théorie quantique doivent avoir quelque chose à voir avec le problème de la conscience», admet-il.

“Chaque ligne de pensée sur le rapport de la conscience à la physique court dans le problème profond.”

Mais il dit qu’il est difficile de voir comment une description de la conscience basée purement sur la physique pré-quantique peut expliquer toutes les caractéristiques qu’elle semble avoir.

Une question particulièrement déroutante est de savoir comment nos esprits conscients peuvent éprouver des sensations uniques, comme la couleur rouge ou l’odeur de bacon frit. À l’exception des personnes ayant une déficience visuelle, nous savons tous ce que le rouge est comme ça, mais nous n’avons aucun moyen de communiquer la sensation et il n’y a rien en physique qui nous dit ce que ça devrait être.

Des sensations comme celle-ci sont appelées «qualia». Nous les percevons comme des propriétés unifiées du monde extérieur, mais elles sont en fait des produits de notre conscience ; et cela est difficile à expliquer. En effet, en 1995, le philosophe David Chalmers l’a surnommé «le problème dur» de la conscience.

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Comment fonctionne notre conscience ? (Crédit : Victor Habbick Visions / Science Photo Library)

«Chaque ligne de pensée sur la relation de la conscience à la physique se heurte à de graves problèmes», dit Kent.

Cela l’a poussé à suggérer que «nous pourrions faire quelques progrès sur la compréhension du problème de l’évolution de la conscience si nous supposions que les consciences altèrent (quoique peut-être légèrement et subtilement) les probabilités quantiques».

“‘La conscience quantique’ est largement ridiculisée comme mystique, mais elle ne va pas disparaître.”

En d’autres termes, l’esprit pourrait véritablement affecter les résultats des mesures.

Il n’est pas question, dans cette vue, de déterminer exactement «ce qui est réel». Mais cela pourrait affecter la chance que chacune des réalités possibles permises par la mécanique quantique soit celle que nous observons effectivement, d’une manière que la théorie quantique elle-même ne peut pas prédire. Kent dit que nous pourrions chercher ces effets expérimentalement.

Il estime même avec courage les chances de les trouver. «Je dirais que peut-être 15% de quelque chose qui a spécifiquement à voir avec la conscience provoque des déviations de la théorie quantique, avec peut-être 3% de crédibilité que cela sera détectable expérimentalement dans les 50 prochaines années», dit-il.

Si cela se produisait, ça transformerait nos idées sur la physique et l’esprit. C’est une chance à explorer.

Source : BBC

1 Commentaire

  1. Luxorion

    Il est faut de prétendre comme vous le faite qu’il existe un lien entre la conscience et la physique quantique. C’est n’est qu’une théorie spéculative qui n’a jamais été validée depuis plus 2 siècles. Copier des articles est une chose, les critiquer est autre chose.

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