Η νευροεπιστήμη βαραίνει τα μεγαλύτερα ερωτήματα της Φυσικής

Για μια εμπειρική επιστήμη, η φυσική μπορεί αξιοσημείωτα να απορρίπτει μερικές από τις πιο βασικές παρατηρήσεις μας. Βλέπουμε αντικείμενα να υπάρχουν σε συγκεκριμένες τοποθεσίες, αλλά η κυματική φύση της ύλης το ξεπλένει. Αντιλαμβανόμαστε τον χρόνο να κυλά, αλλά πώς θα μπορούσε, αλήθεια; Νιώθουμε ότι είμαστε ελεύθεροι πράκτορες, και αυτό είναι απλά περίεργο. Στους φυσικούς δεν αρέσει τίποτα περισσότερο από το να εκθέτουμε την άποψή μας για το σύμπαν ως τοπικό. Το οποίο είναι υπέροχο. Αλλά όταν ρωτήθηκαν γιατί οι εντυπώσεις μας είναι τόσο χαμηλές, μουρμουρίζουν κάποια δικαιολογία και ξεφεύγουν από την πλαϊνή πόρτα του πάρτι.

Οι φυσικοί, με άλλα λόγια, αντιμετωπίζουν το ίδιο σκληρό πρόβλημα συνείδησης με τους νευροεπιστήμονες:το πρόβλημα της γεφύρωσης της αντικειμενικής περιγραφής και της υποκειμενικής εμπειρίας. Για να συσχετίσουν τη θεμελιώδη θεωρία με αυτό που πραγματικά παρατηρούμε στον κόσμο, πρέπει να εξηγήσουν τι σημαίνει «παρατηρούμε»—να έχουμε συνείδηση. Και τείνουν να είναι ριψοκίνδυνοι για αυτό. Χωρίζουν τον κόσμο σε «σύστημα» και «παρατηρητή», μελετούν εντατικά τον πρώτο και θεωρούν τον δεύτερο ως δεδομένο—ή, χειρότερα, για ανόητο.

Στις φιλοδοξίες τους να δημιουργήσουν μια πλήρη νατουραλιστική εξήγηση του κόσμου, οι φυσικοί έχουν κάποιες ενδείξεις, όπως τα παράδοξα των μαύρων οπών και την αυθαιρεσία του Καθιερωμένου Μοντέλου των σωματιδίων. Αυτές είναι η εκδοχή της εποχής μας για τα παράδοξα των ατόμων και του φωτός που οδήγησαν τον Αϊνστάιν και άλλους να αναπτύξουν την κβαντική μηχανική και τη θεωρία της σχετικότητας. Τα μυστήρια του μυαλού σπάνια ανακαλύπτονται. Και θα έπρεπε. Η κατανόηση του νου είναι δύσκολη και μπορεί να είναι εντελώς αδύνατη στο τρέχον επιστημονικό μας πλαίσιο. Όπως είπε ο φιλόσοφος Ντέιβιντ Τσάλμερς σε συνέδριο του Ινστιτούτου Θεμελιωδών Ερωτήσεων το περασμένο καλοκαίρι, «Δεν θα έχουμε μια θεωρία για τα πάντα χωρίς μια θεωρία της συνείδησης». Έχοντας ραγίσει ανοιχτά πρωτόνια και σαρώνοντας τους ουρανούς για πράγματα που οι τρέχουσες θεωρίες δεν μπορούν να εξηγήσουν, οι φυσικοί ταπεινωμένοι μαθαίνουν ότι η μεγαλύτερη εξαίρεση από όλες μπορεί να βρίσκεται στο κρανίο μας.

Η επίλυση αυτών των βαθιών προβλημάτων θα είναι ένα έργο πολλών γενεών, αλλά βλέπουμε τα πρώτα στάδια μιας σύγκλισης. Έχει γίνει θέμα για τους θεωρητικούς φυσικούς να βαραίνουν τη συνείδηση ​​και, ανταποδίδοντας τη χάρη, για τους νευροεπιστήμονες να σταθμίζουν τη φυσική. Οι νευροεπιστήμονες έχουν αναπτύξει θεωρίες που είναι περιεκτικές σε εύρος, βασισμένες σε βασικές αρχές, ανοιχτές σε πειραματικές δοκιμές και μαθηματικά σαρκώδεις—με μια λέξη, φυσική.

Η κύρια μεταξύ αυτών των θεωριών είναι η Ολοκληρωμένη Θεωρία Πληροφοριών, που αναπτύχθηκε από τον νευροεπιστήμονα Giulio Tononi στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison. Μοντελοποιεί ένα συνειδητό σύστημα, είτε πρόκειται για εγκέφαλο, bot ή Borg, ως ένα δίκτυο νευρώνων ή ισοδύναμων συστατικών. Η θεωρία λέει ότι το σύστημα είναι συνειδητό στο βαθμό που τα μέρη του ενεργούν μαζί σε αρμονία. Η υποκείμενη υπόθεση είναι ότι η συνειδητή εμπειρία είναι ψυχολογικά ενοποιημένη—αισθανόμαστε τον εαυτό μας αδιαίρετο και οι αισθήσεις μας σχηματίζουν ένα απρόσκοπτο σύνολο—έτσι και η εγκεφαλική λειτουργία που τη δημιουργεί πρέπει να είναι ενοποιημένη.

Αυτά τα εξαρτήματα είναι συσκευές ενεργοποίησης-απενεργοποίησης συνδεδεμένες μεταξύ τους και διέπονται από ένα κύριο ρολόι. Όταν χτυπά το ρολόι, κάθε συσκευή ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται ανάλογα με την κατάσταση των συσκευών στις οποίες είναι συνδεδεμένη. Το σύστημα θα μπορούσε να είναι τόσο απλό όσο δύο εξαρτήματα και ένας κανόνας για το πώς το καθένα επηρεάζει το άλλο—ένας διακόπτης φώτων και ένας λαμπτήρας, ας πούμε. Ανά πάσα στιγμή, αυτό το σύστημα θα μπορούσε να βρίσκεται σε μία από τις τέσσερις καταστάσεις, και στιγμή προς στιγμή, θα πετάει από τη μια κατάσταση στην άλλη. Αυτές οι μεταβάσεις θα μπορούσαν να είναι πιθανολογικές:Μια κατάσταση μπορεί να οδηγήσει σε μια από πολλές νέες καταστάσεις, η καθεμία με κάποιες πιθανότητες.

Για να ποσοτικοποιήσει τη συνοχή ενός συστήματος και τον ισχυρισμό του ότι είναι συνειδητό, η θεωρία καθορίζει μια διαδικασία για τον υπολογισμό του όγκου των συλλογικών πληροφοριών στο σύστημα - πληροφορίες που αλείφονται σε ολόκληρο το δίκτυο αντί να εντοπίζονται σε οποιοδήποτε μεμονωμένο κομμάτι. Οι σκεπτικιστές εγείρουν διάφορες αντιρρήσεις, κυρίως ότι η συνείδηση ​​δεν θα μπορούσε ποτέ να περιοριστεί σε έναν μόνο αριθμό, πόσο μάλλον στο μέτρο που προτείνει ο Tononi. Αλλά δεν χρειάζεται να αγοράσετε τη θεωρία ως μια πλήρη περιγραφή της συνείδησης για να τη βρείτε ως χρήσιμο εργαλείο.

Για αρχή, η θεωρία θα μπορούσε να βοηθήσει με τα παζλ της εμφάνισης που προκύπτουν στη φυσική. Ένα από τα πιο εντυπωσιακά χαρακτηριστικά του κόσμου είναι η ιεραρχική του δομή, ο τρόπος με τον οποίο τεράστιοι αριθμοί μορίων υπακούουν σε απλούς κανόνες όπως ο νόμος των ιδανικών αερίων ή οι εξισώσεις της ροής του ρευστού ή ότι φαίνεται η φωλιά ενός τρελού hornet από κουάρκ και γκλουόνια. το εξωτερικό σαν ένα ήρεμο πρωτόνιο. Ολόκληροι κλάδοι της φυσικής, όπως η στατιστική μηχανική και η θεωρία επανακανονικοποίησης, είναι αφιερωμένοι στη συσχέτιση διαδικασιών σε διαφορετικές κλίμακες. Αλλά όσο χρήσιμες μπορεί να είναι οι περιγραφές υψηλότερου επιπέδου, οι φυσικοί υποθέτουν συμβατικά ότι είναι απλές προσεγγίσεις. Όλη η πραγματική δράση του κόσμου συμβαίνει στο κάτω επίπεδο.

Για πολλούς, όμως, αυτό είναι περίεργο. Εάν μόνο η μικροσκοπική κλίμακα είναι πραγματική, γιατί ο κόσμος παραδέχεται μια περιγραφή υψηλότερου επιπέδου; Γιατί δεν είναι απλώς μια αδιαφοροποίητη μάζα σωματιδίων, όπως ήταν πράγματι κάποτε; Και γιατί οι περιγραφές υψηλότερου επιπέδου τείνουν να είναι ανεξάρτητες από λεπτομέρειες χαμηλότερου επιπέδου - αυτό δεν υποδηλώνει ότι τα υψηλότερα επίπεδα δεν είναι απλώς παρασιτικά; Η επιτυχία αυτών των περιγραφών θα ήταν θαύμα αν δεν υπήρχε πραγματική δράση σε υψηλότερα επίπεδα. Και έτσι μαίνεται η συζήτηση μεταξύ εκείνων που πιστεύουν ότι τα υψηλότερα επίπεδα είναι απλώς μια επανασυσκευασία της υποατομικής φυσικής που τυχαίνει να βρίσκουμε βολική εμείς οι άνθρωποι, και εκείνων που πιστεύουν ότι αντιπροσωπεύουν κάτι πραγματικά νέο.

Ο Tononi και οι συνάδελφοί του έπρεπε να παλέψουν με τα ίδια ζητήματα για τη δημιουργία της Ολοκληρωμένης Θεωρίας Πληροφοριών. «Το Scale είναι μια άμεση απάντηση στο IIT», λέει ο Erik Hoel, πρώην μαθητής του Tononi και τώρα μεταδιδάκτορας στο Πανεπιστήμιο Columbia. «Λέτε ότι οι πληροφορίες είναι μεταξύ αλληλεπιδρώντων στοιχείων, αλλά εγώ αποτελούμαι από άτομα, οπότε δεν θα έπρεπε οι πληροφορίες να είναι πάνω από αυτά; … Δεν μπορείτε απλώς να πείτε αυθαίρετα, «Εγώ επιλέγω νευρώνες».

Οποιοδήποτε δίκτυο είναι μια ιεραρχία υποδικτύων, υποδικτύων, μέχρι τα μεμονωμένα στοιχεία. Ποιο από αυτά τα ένθετα δίκτυα είναι συνειδητό; Το νευρικό μας σύστημα εκτείνεται από το κεφάλι μέχρι τα νύχια και οι νευρώνες και άλλα συστατικά του είναι πολύπλοκα μικρά πλάσματα από μόνα τους. Ωστόσο, οι συνειδητές μας εμπειρίες προκύπτουν σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφαλικού φλοιού. Αυτά είναι τα μέρη που φωτίζονται σε μια σάρωση εγκεφάλου όταν εκτελείτε εργασίες που γνωρίζετε ότι εκτελείτε. Θα μπορούσατε να χάσετε μεγάλο μέρος του υπόλοιπου εγκεφάλου, και παρόλο που μπορεί να μην είστε χαρούμενοι για αυτό, τουλάχιστον θα ξέρετε ότι δεν ήσασταν ευχαριστημένοι με αυτό. Πριν από τρία χρόνια, μια 24χρονη γυναίκα μπήκε σε ένα κινεζικό νοσοκομείο παραπονούμενη για ζάλη και ναυτία. Οι γιατροί έκαναν αξονική τομογραφία και βρήκαν μια μεγάλη τρύπα στον εγκέφαλό της εκεί που έπρεπε να βρίσκεται η παρεγκεφαλίδα. Αν και στερήθηκε τα τρία τέταρτα των νευρώνων της, έδειξε όλα τα σημάδια ότι είναι τόσο συνειδητή όσο όλοι μας.

Τι το ιδιαίτερο έχει ο φλοιός; Γιατί δεν έχει το χέρι σου συνειδητό, σαν χταπόδι; Γιατί δεν είμαστε τεράστιες κοινωνίες εκούσιων νευρώνων, ή ενζύμων μέσα στους νευρώνες, ή ατόμων και υποατομικών σωματιδίων; Για να εξηγήσουν γιατί η συνείδηση ​​βρίσκεται εκεί που βρίσκεται, οι Tononi, Hoel και οι συνεργάτες Larissa Albantakis και William Marshall έπρεπε να βρουν έναν τρόπο ανάλυσης ιεραρχικών συστημάτων:να εξετάσουν τη δραστηριότητα σε όλες τις κλίμακες, από ολόκληρο τον οργανισμό μέχρι τα μικρότερα δομικά στοιχεία του. και προβλέψτε πού πρέπει να κατοικεί το μυαλό. Αποδίδουν τη συνείδηση ​​στην κλίμακα όπου οι συλλογικές πληροφορίες μεγιστοποιούνται, με την υπόθεση ότι η δυναμική αυτής της κλίμακας θα προλάβει τις άλλες.

Αν και είναι εμπνευσμένη από το νευρικό σύστημα, η ολοκληρωμένη θεωρία πληροφοριών δεν περιορίζεται σε αυτό. Το δίκτυο θα μπορούσε να είναι οποιοδήποτε από τα πολυεπίπεδα συστήματα που μελετούν οι φυσικοί. Μπορείτε να αφήσετε κατά μέρος το ζήτημα του πού βρίσκεται η συνείδηση ​​και να μελετήσετε πώς λειτουργεί η ιεραρχία γενικότερα. Ο Hoel έχει βάλει σκοπό να αναπτύξει μια αυτόνομη θεωρία της ιεραρχικής αιτιότητας, την οποία συζήτησε πρόσφατα σε μια καταχώριση για τον φετινό διαγωνισμό δοκιμίων του Ινστιτούτου Θεμελιωδών Ερωτήσεων και σε μια εργασία την περασμένη εβδομάδα στο περιοδικό Entropy .

Μια προσέγγιση που βασίζεται στην Ολοκληρωμένη Θεωρία Πληροφοριών επιτρέπει την πιθανότητα η αιτιότητα να συμβαίνει σε περισσότερα από ένα επίπεδα. Χρησιμοποιώντας ένα ποσοτικό μέτρο της αιτιότητας, οι ερευνητές μπορούν να υπολογίσουν πόσο συμβάλλει κάθε επίπεδο στη λειτουργία ενός συστήματος, αντί να υποθέσουν μια απάντηση εξαρχής. "Εάν δεν έχετε ένα καλό μέτρο ή έννοια της αιτιότητας", λέει ο Hoel, "τότε πώς είστε σίγουροι για τους ισχυρισμούς σας ότι η μικροκλίμακα κάνει απαραίτητα όλη την αιτιακή εργασία;"

Ως φυσικός, ο στόχος σας είναι να δημιουργήσετε τη μέγιστη ενημερωτική περιγραφή για οτιδήποτε μελετάτε και οι αρχικές προδιαγραφές του συστήματος δεν είναι πάντα βέλτιστες. Εάν περιέχει λανθάνουσα δομή, θα τα καταφέρετε καλύτερα συγκεντρώνοντας τα δομικά στοιχεία μαζί και τροποποιώντας τους δεσμούς τους για να δημιουργήσετε μια περιγραφή υψηλότερου επιπέδου. Για παράδειγμα, εάν τα εξαρτήματα στο σύστημα δύο συστατικών αλλάζουν πάντα κατά το κλείδωμα, μπορείτε επίσης να τα αντιμετωπίζετε ως μια ενιαία μονάδα. Δεν κερδίζετε τίποτα αν τους παρακολουθείτε ανεξάρτητα και, ακόμη χειρότερα, δεν θα καταφέρετε να καταγράψετε κάτι σημαντικό σχετικά με το σύστημα.

Ο Hoel εστιάζει σε τρεις τρόπους με τους οποίους το υψηλότερο επίπεδο μπορεί να βελτιωθεί στο χαμηλότερο επίπεδο. Πρώτον, μπορεί να κρύψει την τυχαιότητα. Τα μόρια του αέρα αναδιοργανώνονται ατελείωτα χωρίς μόνιμο αποτέλεσμα. Οι μυριάδες ρυθμίσεις τους είναι βασικά οι ίδιες - μια διαφορά που δεν κάνει τη διαφορά. Δεύτερον, το υψηλότερο επίπεδο μπορεί να εξαλείψει τα spoilers. Μερικές φορές ο μόνος ρόλος ενός στοιχείου είναι να κολλήσει τους άλλους συνδέσμους στο σύστημα και μπορεί επίσης να αφαιρεθεί. Η επίδρασή του μπορεί να αποτυπωθεί πιο απλά εισάγοντας κάποια τυχαιότητα στη συμπεριφορά των υπόλοιπων στοιχείων. Τρίτον, το υψηλότερο επίπεδο μπορεί να περιορίσει τον πλεονασμό. Με την πάροδο του χρόνου, το σύστημα μπορεί να εγκατασταθεί μόνο σε μία από τις λίγες καταστάσεις. Τα άλλα είναι άσχετα και τα υψηλότερα επίπεδα αποκτούν επεξηγηματική αξία με την απόρριψή τους. Αυτό το είδος δυναμικής ελκυστήρα είναι συνηθισμένο στα φυσικά συστήματα. «Η υψηλότερη κλίμακα δεν είναι απλώς μια συμπιεσμένη περιγραφή», λέει ο Hoel. «Μάλλον, είναι ότι με την απαλλαγή από τον θόρυβο, είτε στην περίπτωση του αυξανόμενου ντετερμινισμού είτε με τη μείωση του πλεονασμού, έχετε μια πιο κατατοπιστική περιγραφή». Δεδομένης της νέας περιγραφής, μπορείτε να επαναλάβετε τη διαδικασία, αναζητώντας πρόσθετη δομή και μεταβαίνοντας σε ακόμη υψηλότερη κλίμακα.

Πώς να αναζητήσετε τη δομή - λοιπόν, αυτό είναι κάτι σαν τέχνη. Η σύνδεση μεταξύ των επιπέδων μπορεί να είναι εξαιρετικά μη προφανής. Οι φυσικοί συνήθως κατασκευάζουν ένα υψηλότερο επίπεδο παίρνοντας έναν μέσο όρο, αλλά η Θεωρία Ολοκληρωμένης Πληροφορίας τους ενθαρρύνει να το προσεγγίσουν περισσότερο σαν βιολόγος ή μηχανικός λογισμικού:τεμαχίζοντας στοιχεία σε ομάδες που εκτελούν κάποια συγκεκριμένη λειτουργία, όπως ένα όργανο του σώματος ή μια υπορουτίνα υπολογιστή. Τέτοιες λειτουργικές σχέσεις μπορεί να χαθούν αν το μόνο που κάνετε είναι να πάρετε τον μέσο όρο. «Τα μόρια στο εσωτερικό των νευρώνων έχουν τις ιδιαίτερες λειτουργίες τους και απλώς ο μέσος όρος πάνω τους δεν θα αυξήσει γενικά την ισχύ αιτίου-αποτελέσματος, αλλά μάλλον θα δημιουργήσει ένα χάος», λέει ο Αλμπαντάκης.

Εάν το βασικό επίπεδο είναι ντετερμινιστικό και χωρίς πλεονασμό, παρέχει ήδη μια βέλτιστη περιγραφή σύμφωνα με τα πρότυπα που ορίζει ο Hoel και δεν υπάρχει καμία εμφάνιση. Τότε ισχύει η συνήθης διαίσθηση των φυσικών - ότι οποιοδήποτε υψηλότερο επίπεδο είναι καλό μόνο ως προσέγγιση - ισχύει. Αναμφισβήτητα, η ίδια η έννοια της αιτιότητας καταρρέει για ένα τέτοιο σύστημα, επειδή το σύστημα είναι πλήρως αναστρέψιμο. δεν υπάρχει τρόπος να πούμε ότι αυτό προκαλεί αυτό, γιατί αυτό θα μπορούσε κάλλιστα να το προκαλέσει. Αντίθετα, το βασικό επίπεδο θα μπορούσε να είναι εντελώς μη ενημερωτικό, ενώ τα υψηλότερα επίπεδα παρουσιάζουν ισχυρές κανονικότητες. Αυτό υπενθυμίζει εικασίες στη θεμελιώδη φυσική, οι οποίες προέρχονται από τον μαθηματικό Henri Poincaré και τον φυσικό John Wheeler, ότι το ριζικό επίπεδο της φύσης είναι εντελώς άνομο και όλοι οι νόμοι της φύσης εμφανίζονται μόνο στο σύνολό τους.

Το υψηλότερο επίπεδο χάνει κάτι. εξ ορισμού, δεν αποτυπώνει το σύστημα με κάθε λεπτομέρεια. Αλλά η ανταλλαγή συνήθως αξίζει τον κόπο. Η απόδειξη, λέει ο Hoel, βρίσκεται σε θεωρήματα από τη θεωρία της επικοινωνίας. Μπορείτε να σκεφτείτε την τρέχουσα κατάσταση του συστήματος ως πομπό, την επακόλουθη κατάσταση ως δέκτη και τη σχέση μεταξύ των δύο ως ένα καλώδιο. «Κάθε κατάσταση είναι ένα μήνυμα που στέλνει η αιτιακή δομή στο μέλλον», λέει. Η τυχαιότητα και ο πλεονασμός είναι σαν τον θόρυβο στη γραμμή:Διαφθείρουν το μήνυμα.

Όταν μια γραμμή επικοινωνίας είναι θορυβώδης, μπορείτε συχνά να μεταφέρετε δεδομένα γρηγορότερα χρησιμοποιώντας έναν κωδικό διόρθωσης σφαλμάτων. Για παράδειγμα, μπορείτε να μεταδώσετε εις τριπλούν, διασκορπίζοντας τα αντίγραφα ώστε να είναι πιο πιθανό να περάσουν. Εκ πρώτης όψεως, αυτό μειώνει τον ρυθμό δεδομένων στο ένα τρίτο, αλλά αν σας επιτρέπει να διορθώσετε σφάλματα, μπορείτε να βγείτε μπροστά. Με μια ακριβή μαθηματική έννοια, μια περιγραφή υψηλότερου επιπέδου είναι ισοδύναμη με έναν τέτοιο κώδικα. Καταπνίγει τον θόρυβο που πνίγει την ουσιαστική δυναμική του συστήματος. Ακόμα κι αν χάσετε λεπτομέρεια, έχετε ένα καθαρό κέρδος στην επεξηγηματική έλξη. "Οι υψηλότερες κλίμακες προσφέρουν διόρθωση σφαλμάτων ενεργώντας με παρόμοιο τρόπο με τους κωδικούς, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει χώρος για τις υψηλότερες κλίμακες να κάνουν επιπλέον δουλειά και να είναι πιο ενημερωτικοί", λέει ο Hoel.

Για παράδειγμα, στο σύστημα δύο συστατικών, τεσσάρων καταστάσεων, ας υποθέσουμε ότι μία από τις καταστάσεις δημιουργεί πάντα τον εαυτό της, ενώ οι άλλες τρεις κυκλώνουν μεταξύ τους τυχαία. Γνωρίζοντας σε ποια κατάσταση βρίσκεται το σύστημα, σας δίνει, κατά μέσο όρο, 0,8 bit πληροφορίες για το τι ακολουθεί. Αλλά ας υποθέσουμε ότι συγκεντρώνετε αυτές τις τρεις καταστάσεις και τις χρησιμοποιείτε για να αποθηκεύσετε μια κατάσταση εις τριπλούν. Το σύστημα είναι πλέον μικρότερο, μόνο δύο καταστάσεις, αλλά πλήρως ντετερμινιστικό. Η γνώση της τρέχουσας κατάστασής του σάς δίνει 1 bit πληροφορίες για τον διάδοχο. Το επιπλέον 0,2 bit αντικατοπτρίζει τη δομή που έκρυβε η αρχική περιγραφή. Θα μπορούσατε να πείτε ότι το 80 τοις εκατό της αιτιώδους ώθησης του συστήματος βρίσκεται στο βασικό του επίπεδο και το 20 τοις εκατό στο υψηλότερο επίπεδο.

Ο Joseph Halpern, ένας επιστήμονας υπολογιστών στο Cornell που μελετά την αιτιότητα, πιστεύει ότι ο Hoel κάνει κάτι. «Η εργασία έχει μερικές ενδιαφέρουσες παρατηρήσεις σχετικά με το πώς η εξέταση των πραγμάτων σε μακροεπίπεδο μπορεί να δώσει περισσότερες πληροφορίες από την εξέταση τους σε μικροεπίπεδο», λέει. Αλλά ανησυχεί ότι το μέτρο πληροφοριών του Hoel δεν κάνει διάκριση μεταξύ αιτιότητας και συσχέτισης. όπως θα σου πει οποιοσδήποτε στατιστικός, το ένα δεν είναι το άλλο. Τα τελευταία χρόνια, η επιστήμονας υπολογιστών Judea Pearl από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Λος Άντζελες, έχει αναπτύξει ένα ολόκληρο μαθηματικό πλαίσιο για να συλλάβει την αιτιότητα. Ο Hoel ενσωματώνει μέρος αυτής της δουλειάς, αλλά ο Halpern λέει ότι θα ήταν ενδιαφέρον να εφαρμόσουμε τις ιδέες του Pearl πιο διεξοδικά.

Αυτό που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον για την αναλογία των επικοινωνιών είναι ότι μια παρόμοια αναλογία εμφανίζεται στις θεωρίες κβαντικής βαρύτητας για την προέλευση του διαστήματος. Οι κωδικοί διόρθωσης σφαλμάτων παρέχουν κάποια πλευρική σκέψη σε μια ιδέα γνωστή ως ολογραφική αρχή. Σε ένα απλό παράδειγμα, ο τρισδιάστατος χώρος μας μπορεί να δημιουργηθεί από ένα σύστημα 2-D (το «φιλμ» του ολογράμματος). Τα περιεχόμενα του τρισδιάστατου χώρου κηλιδώνονται πάνω από το σύστημα 2-Δ, καθώς ένα κομμάτι δεδομένων μπορεί να αποθηκευτεί εις τριπλούν και να διασκορπιστεί. Αναζητώντας τα μοτίβα στο σύστημα 2-D, μπορείτε να κατασκευάσετε μια τρίτη διάσταση του χώρου. Με απλά λόγια, θα μπορούσατε να ξεκινήσετε από τη θεμελιώδη περιγραφή ενός συστήματος, να αναζητήσετε δομή και να αντλήσετε μια έννοια κλίμακας και απόστασης, χωρίς να το υποθέσετε εξαρχής.

Η γραμμή σκέψης που βασίζεται στην Ολοκληρωμένη Θεωρία Πληροφοριών θα μπορούσε επίσης να επανέλθει στα προβλήματα νου-σώματος που την ενέπνευσαν. Η φυσική και η ψυχολογία βρίσκονται σε αντίθεση από την εποχή των αρχαίων Ελλήνων Ατομιστών. Σε έναν κόσμο που διέπεται από φυσικό νόμο, φαίνεται να υπάρχει ελάχιστος χώρος για την ανθρώπινη δράση. Αν παλεύετε με το αν θα φάτε ένα μπισκότο, διχασμένοι ανάμεσα στη νοστιμιά του και την τελευταία σας αναφορά για τη χοληστερόλη, η ψυχολογία μιλά για αντικρουόμενες επιθυμίες, ενώ η φυσική εξηγεί την απόφασή σας ως αλυσίδα ατομικών κινήσεων και συγκρούσεων. Ο Hoel υποστηρίζει ότι η πραγματική δράση εμφανίζεται σε ψυχολογικό επίπεδο. Αν και θα μπορούσατε να εντοπίσετε τα ατομικά προηγούμενα όλης της συμπεριφοράς σας, μια καθαρά ατομική εξήγηση θα ήταν ακριβώς αυτή:μια εξήγηση του τι κάνουν τα άτομα. Δεν θα έλεγε τίποτα για εγκεφάλους, πολύ λιγότερο για μυαλά. Η ατομική περιγραφή έχει τον εγκέφαλο μέσα της, σε κάποια πολύ ανακατεμένη μορφή, αλλά για να τον βρεις, πρέπει να αφαιρέσεις την εξωτερική δραστηριότητα, και αυτό απαιτεί κάποια πρόσθετη κατανόηση ότι η ατομική περιγραφή στερείται. Τα άτομα μπορεί να ρέουν μέσα και έξω από τα εγκεφαλικά σας κύτταρα, οι αιτιώδεις σχέσεις τους να σχηματίζονται και να σπάνε, ωστόσο το μυαλό αντέχει. Οι αιτιώδεις σχέσεις του οδηγούν το σύστημα.

Η ανάδυση δεν είναι το μοναδικό θέμα της φυσικής που η Ολοκληρωμένη Θεωρία Πληροφοριών μπορεί να βοηθήσει να ξεμπερδέψει. Ένα άλλο είναι η κβαντική μέτρηση. Η κβαντική θεωρία λέει ότι ένα αντικείμενο μπορεί να υπάρχει σε μια υπέρθεση πιθανοτήτων. Ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται και εδώ και εκεί ταυτόχρονα. Ωστόσο, βλέπουμε μόνο σωματίδια είτε εδώ είτε εκεί. Αν δεν ήξερες καλύτερα, μπορεί να νομίζεις ότι η θεωρία είχε παραποιηθεί. Τι μετατρέπει τη λέξη «και» σε «ή»; Η εξήγηση του σχολικού βιβλίου, ή η ερμηνεία της Κοπεγχάγης, είναι ότι η υπέρθεση «καταρρέει» όταν πάμε να παρατηρήσουμε το σωματίδιο. Η ερμηνεία χαράσσει μια γραμμή - το λεγόμενο κόψιμο του Heisenberg - μεταξύ συστημάτων που υπακούουν στους κβαντικούς νόμους και παρατηρητών που ακολουθούν την κλασική φυσική. Τα τελευταία έχουν ανοσία στην υπέρθεση. Κοιτάζοντας ένα σωματίδιο που είναι τόσο εδώ όσο και εκεί, ένας παρατηρητής το αναγκάζει να επιλέξει μεταξύ εδώ ή εκεί.

Το μεγαλύτερο μυστήριο της κβαντικής μηχανικής είναι γιατί κάποιος πήρε ποτέ στα σοβαρά την Κοπεγχάγη. Οι υποστηρικτές του δεν εξήγησαν ποτέ τι ακριβώς είναι μια παρατήρηση ή πώς η πράξη της παρατήρησης θα έκανε ένα σωματίδιο να επιλέξει μεταξύ των πολλαπλών επιλογών που του ήταν ανοιχτές. Αυτές οι αποτυχίες οδήγησαν άλλους φυσικούς και φιλοσόφους να αναζητήσουν εναλλακτικές ερμηνείες που εξαλείφουν την κατάρρευση, όπως το κβαντικό πολυσύμπαν. Αλλά για να μην αφήσουμε κανένα πέτρωμα, ας υποθέσουμε ότι η Κοπεγχάγη έχει βασικά δίκιο και πρέπει απλώς να διορθωθεί. Με τα χρόνια, οι άνθρωποι προσπάθησαν να είναι πιο σαφείς σχετικά με την περικοπή του Heisenberg.

Ίσως το μέγεθος καθορίζει το κόψιμο. Τα συστήματα που είναι αρκετά μεγάλα, περιέχουν αρκετά σωματίδια ή έχουν αρκετή βαρυτική ενέργεια μπορεί να πάψουν να είναι κβαντικά. Επειδή ένα κομμάτι της συσκευής μέτρησης ικανοποιεί όλα αυτά τα κριτήρια, θα καταρρεύσει κάθε υπέρθεση στην οποία το δείξετε. Το πώς θα συμβεί αυτό εξακολουθεί να είναι μάλλον μυστηριώδες, αλλά τουλάχιστον η ιδέα είναι αρκετά συγκεκριμένη για να δοκιμαστεί. Οι πειραματιστές έψαξαν για ένα τέτοιο όριο και δεν βρήκαν κανένα μέχρι στιγμής, αλλά δεν το έχουν αποκλείσει εντελώς.

Αλλά μια πιο άμεση ανάγνωση της Κοπεγχάγης είναι ότι η συνείδηση ​​είναι ο αποφασιστικός παράγοντας, μια ιδέα που υιοθετήθηκε από τους φυσικούς Fritz London και Edmond Bauer τη δεκαετία του 1930 και τον Eugene Wigner στη δεκαετία του 1960. Επειδή η συνειδητή εμπειρία, από την ίδια της τη φύση, είναι εσωτερικά συνεπής - πάντα αντιλαμβάνεστε τον εαυτό σας σε κάποια συγκεκριμένη κατάσταση - το μυαλό δεν φαίνεται ικανό να εισέλθει σε μια υπέρθεση. Θα καταρρεύσει λοιπόν ό,τι συλλάβει. Αυτή η εικασία δεν έφτασε πολύ μακριά γιατί κανείς δεν ήξερε πώς να ποσοτικοποιήσει το μυαλό, αλλά η ολοκληρωμένη θεωρία πληροφοριών παρέχει τώρα έναν τρόπο. Το 2015 ο Kobi Kremnizer, μαθηματικός στην Οξφόρδη, και ο André Ranchin, ο οποίος ήταν φοιτητής στο Imperial College του Λονδίνου και έκτοτε εγκατέλειψε τον ακαδημαϊκό χώρο, διερεύνησαν αυτή την πιθανότητα σε μια σύντομη εργασία. Ο Τσάλμερς, στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, και ο Κέλβιν Μακ Κουίν, φιλόσοφος της φυσικής στο Πανεπιστήμιο Τσάπμαν, έχουν επίσης ασχοληθεί με αυτό.

Στρέφοντας στη θεωρία της συνείδησης για να κατανοήσουν το κβαντικό, αυτοί οι μελετητές αντιστρέφουν την προσέγγιση που ακολουθούν φυσικοί όπως ο Roger Penrose που κοιτάζουν στην κβαντική θεωρία για να κατανοήσουν τη συνείδηση. Η πρότασή τους είναι ότι ένας εγκέφαλος ή ένα δίκτυο που μοιάζει με εγκέφαλο μπορεί να εισέλθει σε μια υπέρθεση - μια κατάσταση διπλής σκέψης στην οποία αντιλαμβάνεστε το ίδιο σωματίδιο και εδώ και εκεί - αλλά μόνο προσωρινά. Όσο πιο διασυνδεδεμένο είναι το δίκτυο, τόσο πιο γρήγορα θα καταρρεύσει. Οι πειραματιστές θα μπορούσαν να δοκιμάσουν αυτήν την ιδέα προσαρμόζοντας τις υπάρχουσες αναζητήσεις τους για ένα όριο μεγέθους. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να συγκρίνουν δύο αντικείμενα του ίδιου μεγέθους και μάζας, αλλά διαφορετικών βαθμών εσωτερικής διασύνδεσης - ας πούμε, ένα κομμάτι σκόνης και ένα βακτήριο. Εάν η ενοποίηση πληροφοριών είναι ο βασικός παράγοντας, το πρώτο μπορεί να τεθεί σε μια υπέρθεση, αλλά το δεύτερο θα αντισταθεί. «Ιδανικά, θα ήταν ωραίο να πειραματιστούμε σε νανοϋπολογιστές που θα μπορούσαμε να προγραμματίσουμε με πολύ μεγάλες ποσότητες» ολοκληρωμένων πληροφοριών, λέει ο McQueen. Ένα βακτήριο ή το αντίστοιχο του cyborg μπορεί να μην έχει πολύ μυαλό, αλλά μπορεί να έχει αρκετό για να χαρακτηριστεί ως παρατηρητής που βρίσκεται έξω από το κβαντικό βασίλειο.

Η ολοκληρωμένη θεωρία πληροφοριών μπορεί επίσης να διορθώσει ένα άλλο ενοχλητικό πρόβλημα με την έννοια της κατάρρευσης. Άλλο είναι να σου λέμε ότι μια υπέρθεση θα καταρρεύσει και άλλο να πεις σε τι καταρρέει. Ποιο είναι το μενού επιλογών από τις οποίες θα επιλέξει ένα σωματίδιο; Είναι «εδώ» και «εκεί», «αργά» και «γρήγορα», «κυρίως εδώ αλλά λίγο εκεί» και «κυρίως εκεί αλλά λίγο εδώ» ή τι; Η κβαντική θεωρία δεν λέει. Αντιμετωπίζει όλες τις πιθανές κατηγορίες σε ίση βάση.

Η ερμηνεία της Κοπεγχάγης υποστηρίζει ότι το μενού ρυθμίζεται από τη συσκευή μέτρησης της επιλογής σας. Εάν μετρήσετε τη θέση, το σωματίδιο θα καταρρεύσει σε κάποια θέση:εδώ ή εκεί. Εάν μετρήσετε την ορμή, θα καταρρεύσει σε κάποια ορμή:αργή ή γρήγορη. Εάν μετρήσετε κάποια ποσότητα πολύ περίεργα για να έχετε ένα όνομα, το σωματίδιο θα υποχρεώσει. Οι θεωρίες κατάρρευσης προσπαθούν να εξηγήσουν πώς μπορεί να λειτουργήσει αυτό. Όλα τα όργανα μέτρησης είναι κατασκευασμένα από τους ίδιους τύπους σωματιδίων, που διαφέρουν μόνο στον τρόπο συναρμολόγησής τους. Έτσι, σε επίπεδο σωματιδίων, η διαδικασία κατάρρευσης πρέπει να είναι η ίδια για όλους—το μενού είναι σταθερό σε αυτό το επίπεδο. Οι θεωρίες συνήθως υποθέτουν ότι αυτό το θεμελιώδες μενού είναι μία από τις θέσεις. Οι μετρήσεις της ορμής και άλλων μεγεθών μεταφράζονται τελικά σε μια μέτρηση μιας θέσης, όπως το σημείο όπου μια βελόνα δείχνει σε ένα καντράν. Δεν υπάρχει βαθύς λόγος που η θέση παίζει αυτόν τον προνομιακό ρόλο. Οι θεωρίες το υποθέτουν απλώς για να διασφαλίσουν ότι αναπαράγουν τις παρατηρήσεις μας για έναν κόσμο που αποτελείται από χωρικά εντοπισμένα αντικείμενα.

Αλλά ίσως κάποια διαδικασία ρυθμίζει ενεργά το μενού. Για παράδειγμα, εάν η κατάρρευση οδηγείται από το βαρυτικό πεδίο, τότε θα εξαρτηθεί από τις θέσεις των μαζών, οι οποίες θα τείνουν να ξεχωρίζουν τη θέση ως σχετική μεταβλητή. Ομοίως, εάν η κατάρρευση οδηγείται από τη συνείδηση, η φύση του μυαλού μπορεί να υπαγορεύσει το μενού. Ο κοσμολόγος Max Tegmark του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης έχει υποθέσει ότι οι κατηγορίες μπορεί να καθορίζονται από τη δομή της σκέψης. Ο κόσμος μπορεί να αποτελείται από ξεχωριστά αλλά αλληλεπιδρώντα μέρη, επειδή το μυαλό μας, σύμφωνα με την ολοκληρωμένη θεωρία πληροφοριών, είναι φτιαγμένο με τον ίδιο τρόπο.

Η κατάρρευση δεν είναι απλώς ένα μείζον άλυτο πρόβλημα από μόνο του, αλλά ένα πιθανό παράθυρο σε ένα επίπεδο πραγματικότητας στο οποίο βασίζεται η κβαντική θεωρία. Οι φυσικοί έχουν προτείνει ότι ένα όριο μεγέθους θα μπορούσε να προκύψει από τις διακυμάνσεις των πρωτόγονων συστατικών από τα οποία αναδύεται ο χώρος και ο χρόνος. Ομοίως, εάν η ενοποίηση πληροφοριών είναι ο ένοχος, αυτό θα αποκάλυπτε πιθανώς κάτι βαθύ. Μπορεί να συνδέσει την κατάρρευση με τις ίδιες ελλείπουσες αρχές που χρειάζονται οι επιστήμονες για να κατανοήσουν τη συνείδηση. «Ο άμεσος στόχος είναι η αυτοσυνεπής περιγραφή», λέει ο McQueen. "Αλλά η διαδικασία επίτευξης ενός τέτοιου στόχου μπορεί συχνά να οδηγήσει απροσδόκητα σε νέα είδη εξηγήσεων."

Οι φυσικοί και οι φιλόσοφοι που ζήτησα να σχολιάσουν την κατάρρευση που οφείλεται στην ενσωμάτωση πληροφοριών είναι σε γενικές γραμμές συμπαθείς, έστω και μόνο επειδή οι άλλες επιλογές για την εξήγηση (ή την εξήγηση) της κατάρρευσης έχουν τις δικές τους αδυναμίες. Αλλά ανησυχούν ότι η Ολοκληρωμένη Θεωρία Πληροφοριών δεν είναι κατάλληλη για το έργο. Ο Angelo Bassi, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Τεργέστης που μελετά τα θεμέλια της κβαντικής μηχανικής, λέει ότι η ολοκλήρωση πληροφοριών είναι μια πολύ αφηρημένη έννοια. Η κβαντομηχανική ασχολείται με τις ακατέργαστες λεπτομέρειες σχετικά με το πού βρίσκονται τα σωματίδια και το πόσο γρήγορα κινούνται. Η συσχέτιση των δύο είναι πιο δύσκολη από ό,τι φαντάζεστε. Ο Bassi λέει ότι ο Ranchin και ο Kremnizer χρησιμοποιούν μια φόρμουλα που προβλέπει παραλογισμούς όπως η στιγμιαία διάδοση των σημάτων. «Βρίσκω εφικτό να συνδέσω την κατάρρευση… με τη συνείδηση, αλλά για να γίνει με πειστικό τρόπο, νομίζω ότι χρειάζεται ένας ορισμός της συνείδησης που συνοψίζεται σε διαμορφώσεις σωματιδίων στον εγκέφαλο», λέει. Σε αυτήν την περίπτωση, η κατάρρευση δεν θα πυροδοτηθεί από τη συνείδηση ​​ή την ενοποίηση πληροφοριών καθεαυτή, αλλά από πιο πρωτόγονες δυναμικές στις οποίες τα ολοκληρωμένα συστήματα είναι κατά κάποιο τρόπο πιο ευαίσθητα.

Αυτό μας επαναφέρει στην ανάδυση και στο μεγαλύτερο πρόβλημα εμφάνισης όλων:πώς η ποσότητα των σωματιδίων κάνει την ποιότητα του νου. Η Ολοκληρωμένη Θεωρία Πληροφοριών μπορεί να μην το λύσει—η επιστημονική μελέτη της συνείδησης είναι νέα και θα ήταν περίεργο αν οι νευροεπιστήμονες είχαν βρει τη σωστή απάντηση τόσο σύντομα. Η συνείδηση ​​είναι ένα τόσο βαθύ και διάχυτο πρόβλημα που κάνει μια περίεργη νευροεπιστήμη και φυσική. Ακόμα κι αν η απάντηση δεν βρίσκεται στη διασύνδεση των δικτύων, σίγουρα απαιτεί τη διασύνδεση των κλάδων.

Ο George Musser είναι συγγραφέας της φυσικής και της κοσμολογίας και συγγραφέας του Απόκοσμη δράση σε απόσταση και The Complete Idiot's Guide to String Theory. Είναι συντάκτης στο Nautilus, και ήταν προηγουμένως ανώτερος συντάκτης στο Scientific American για 14 χρόνια. Έχει κερδίσει το Βραβείο Συγγραφής Επιστημών του Αμερικανικού Ινστιτούτου Φυσικής, μεταξύ άλλων.

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο διαδίκτυο στο τεύχος "Συνειδητότητα" τον Μάιο του 2017.