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L'émergence de la conscience
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Le principe d'incertitude de Heisenberg, aussi appelé «principe d'indétermination» ou «inégalités de Heisenberg» fut énoncé au printemps 1927 par le physicien allemand Werner Karl Heisenberg. Ce principe affirme qu'il est impossible de mesurer à la fois la position d'une particule en même temps que sa vitesse de façon exacte. Plus l'on détermine avec précision l'un, moins on saura de chose sur l'autre. En d'autres termes, soit on peut connaître précisément la position contre une grande incertitude sur la valeur de sa vitesse ou soit l'inverse, mais jamais les deux avec précision.

On peut tenter d'expliquer ce phénomène paradoxal en posant que l'on ne peut observer quelque chose qu'en l'éclairant avec de la lumière, autrement dit par des photons qui sont réfléchis par cette chose. Or à l'échelle de l'infiniment petit, le moindre photon qui percute une particule élémentaire comme un électron va modifier la trajectoire initiale de ce dernier ou le faire changer d'orbitale. A cette échelle, le photon devient un véritable projectile qui permet peut-être de déterminer la position de l'électron, mais qui aura en même temps modifié sa vitesse et sa trajectoire, lesquelles ne pourront donc pas être connues en même temps que la position (mais voir les liens ci-bas pour une mise à jour de ces explications).

Lien : Inégalités de Heisenberg Lien : Inégalités de Heisenberg Lien : Uncertainty principle

Pour la plus grande partie, la mécanique quantique décrit des systèmes physiques en terme de fonctions d'onde qui évoluent de manière déterministe, en accord avec l'équation de Schrödinger. Conçue par le physicien Erwin Schrödinger en 1925, cette équation fondamentale de la physique quantique décrit l'évolution dans le temps d'une particule élémentaire.

En ce sens, elle permet la même chose que la dynamique en mécanique classique : prédire la position et la vitesse de n'importe quel système de particules qui évoluent de manière déterministe dans le temps. La différence, c'est que ce que l'on appelle «l'onde quantique» ne spécifie pas la position et la vitesse en tant que telle, mais la probabilité que des particules aient telle position et telle vitesse quand on fait une «mesure». Et le mot mesure est entre guillemets parce que la véritable étrangeté de la mécanique quantique, c'est de ne pas offrir de véritable explication de ce qui se passe lors d'une telle mesure (voir l'encadré précédent).

On parle de «l'effondrement» (ou de la décohérence) de la fonction d’onde quantique pour tenter de décrire ce qui se passe alors. Car la mesure amène on ne sait trop comment l'onde quantique (qui en général admet plusieurs positions et vitesses) à s'effondrer de manière indéterminée vers des valeurs définitives.

C'est un peu comme si on joue à pile ou face dans l’obscurité. La probabilité est la même pour que la pièce de monnaie tombe sur pile ou sur face, mais tant que la lumière n'est pas allumée, on pourrait dire que la pièce qui s'est pourtant immobilisée dans notre main est dans une superposition d'état tant que la lumière reste fermée. Quand on ouvre la lumière et donc qu'on effectue une «mesure», on fait s'effondrer la superposition d'état en un seul, pile ou face.

Bien qu'on puisse se le représenter ainsi assez bien, le mécanisme de cet effondrement n'est pas décrit par l'équation de Schrödinger et est sujet à de nombreuses controverses.

Lien : Physique quantique : Superposition quantique Lien : Quantum entanglement Lien : Du monde quantique au monde macroscopique : la décohérence prise sur le fait
DES EFFETS QUANTIQUES À LA BASE DE LA CONSCIENCE?

Les approches cherchant à relier la conscience à des phénomènes moléculaires sont multiples. On y retrouve par exemple la proposition de Flohr et de l'implication possible des récepteurs NMDA dans nos processus conscients. Mais il existe une autre grande famille de théories explicatives de la conscience à partir de l'infiniment petit: celles qui s'inspirent des principes de la physique quantique.

Certaines ne sont que spéculatives et ne font allusion aux étranges propriétés quantiques que de manière métaphorique. Bien qu'elles puissent inspirer de nouvelles pistes susceptibles d'être par la suite testées expérimentalement, elle ne représentent pas de réels progrès scientifiques tant qu'elles demeurent de vagues analogies.

Mais d'autres approches utilisent la théorie quantique actuelle pour modéliser concrètement des mécanismes physiologiques et psychologiques associés à la conscience. Par exemple, Beck et Eccles ont suggéré dans les années 1990 que le caractère probabiliste de la relâche des vésicules de neurotransmetteurs dans la fente synaptique serait d'origine quantique. Pour eux, la taille extrêmement petite des sites où se fait l'exocytose des vésicules synaptiques contenant les neurotransmetteurs permettrait à l'incertitude quantique d’y jouer un rôle.

Eccles décrit des structures appelées « dendrons » formées de groupes d'une centaine de dendrites de neurones pyramidaux du cortex. La conscience agirait en liant réciproquement chaque dendron à l'unité d'expérience mentale, ou « psychon », qui lui est associé. Et c'est l'action du psychon sur les dendrons qui provoquerait l’augmentation de la probabilité de relâche des vésicules synaptiques dans les synapses excitatrices de ces dendrites.

Comme on peut le constater, il s'agit d'une hypothèse dualiste en ce qu'elle suppose deux mondes distincts. La physique quantique au niveau des vésicules synaptiques joue ici un peu le rôle de la glande pinéale de Descartes, c'est-à-dire le lieu d'interaction entre les deux mondes. Il n'est pas inintéressant de rappeler que, bien qu'il ait reçu le prix Nobel de médecine en 1963 pour ses importantes découvertes sur les mécanismes synaptiques, Eccles était un catholique pratiquant qui n'a jamais caché sa foi en une âme humaine d'origine divine.

 

De toutes les théories sur la conscience faisant appel à la physique quantique, celle qui a la plus longue histoire fut proposée par John von Neumann dans les années 1930, puis reprise par Eugene Wigner dans les années 1960, et perfectionnée encore un peu plus par Henry Stapp à partir des années 1980.

Dans sa monographie de 1955 sur les bases mathématiques de la physique quantique, von Neumann abordait la difficile question de la mesure dans le cadre de la théorie quantique, le fameux principe d'incertitude de Heisenberg (voir l'encadré). En effet, à mesure que l'on va vers l'infiniment petit, plus on se rend compte que ce que l’on appelle la réalité tend vers un état plus potentiel que réel, suggérant que la seul fixité qu'il puisse exister à ce niveau provient de l'acte même d'observation qui détermine en quelque sorte un état particulier au détriment des autres.

D’où l'idée de Von Neumann qui veut que ce qu’on appelle « l'observateur » d'une mesure puisse être considéré aussi bien comme l'instrument de mesure que comme le cerveau humain qui constate cette mesure. D'autres vont aller plus loin en affirmant que c’est la conscience humaine qui complète véritablement la mesure quantique, donnant à cette dernière un rôle crucial dans l'établissement de cette mesure quantique.

 

Inspiré par ces prédécesseurs, Stapp développe sa propre interprétation de cette approche. Sa proposition se base sur le principe d'incertitude appliqué aux canaux ioniques dans les neurones, canaux dont l'ouverture va aboutir à la relâche de neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Et comme ce sont ces synapses qui déterminent nos pensées par le jeu des assemblées de neurones, Stapp pense que des effets quantiques au niveau de ces canaux ioniques pourraient influencer nos pensées conscientes.

 



(cliquez ici pour d'autres représentations
schématiques de ce récepteur)

Pour appuyer son hypothèse, il rappelle que pour un canal ionique de 1 nanomètre de diamètre (soit 10-9 mètre), l'incertitude sur la vitesse est de l'ordre de 1 mètre par seconde selon le principe de Heisenberg. Pour Stapp ces effets sont suffisants pour donner lieu à une superposition d'états quantiques (voir l'encadré) que la conscience serait capable de réduire à un seul état classique macroscopique.

Pour le dire plus simplement, Stapp pense que les ondes quantiques s'effondrent quand des cerveaux intelligents sélectionnent parmi les alternatives quantiques certaines d'entre elles pour décider de leur comportement futur.

 


Cette interprétation de la mécanique quantique est donc également une théorie de la conscience dans la mesure où ce sont les parties du cerveau impliquées dans l'effondrement de l'onde quantique (voir l'encadré) qui seraient celles qui participent à la conscience. La conscience humaine aurait ainsi la capacité singulière de pouvoir faire s'effondrer l’onde quantique. Autrement dit, pas seulement la capacité de décrire la réalité physique, mais aussi de l'influencer. Et donc d'influencer, en particulier, l'activité du cerveau lui-même.

Stapp n'essaie donc pas tant d'expliquer en terme quantique comment peut se constituer la conscience mais la prend plutôt comme quelque chose qui est donné au départ et qui peut influencer un phénomène quantique comme l'effondrement de la fonction d’onde. Et pour lui, cette façon de voir permettrait d’expliquer deux choses essentielles. D'abord la fonction adaptative de la conscience humaine qui serait d'éliminer les réalités alternatives pour nous permettre de mieux orienter nos actions. Et ensuite le libre arbitre si cher aux êtres humains.

On peut dire qu'il s’agit là d'une version plutôt radicale de ce que les neurobiologistes qui travaillent sur l'attention appellent les mécanismes « top down ». Une version en tout cas trop poussée pour les matérialistes réductionnistes qui la rejettent. Tout au plus peut-on y discerner, disent certains commentateurs, des points de convergence vers l'approche matérialiste de la « théorie du double aspect ».

D’autres théories postulant des effets quantiques à la base de la conscience trouvent la théorie quantique actuelle incomplète et misent sur des développements futurs de celle-ci pour rendre compte de leurs intuitions. C’est le cas, par exemple, du modèle de Penrose et Hameroff.

 

 

La théorie de la décohérence essaie de résoudre la difficile question de savoir pourquoi le monde macroscopique n'est pas quantique.

La fameuse expérience de pensée du «chat de Schrödinger» permet de saisir l’ampleur de la difficulté. Un chat est dans une boîte opaque fermée avec une capsule de gaz mortel. La capsule n'émettra le poison que si un électron tiré d'un canon situé un peu plus loin frappe la moitié supérieure d'un détecteur (et non sa moitié inférieure).

Or l'onde quantique de ce système donne autant de chance à l'électron de frapper la partie du haut que la partie du bas du détecteur. Le destin du chat n'est donc pas décidé tant que la fonction d'onde ne s'est pas effondrée (voir l'encadré ci-contre) et que l'on ne sait pas si l'électron a atteint la partie du haut ou la partie du bas du détecteur.

Mais quand cela se produit-il ? Quand les choses deviennent-elles déterminées, définitives ? Quand la capsule se brise ? Quand le chat respire le poison ? Ou seulement quand il meurt ou survit ? Et c'est là que cela devient pour le moins étrange car si l'on se fie seulement à l'équation de Schrödinger, cela ne nous aide en rien puisqu'elle considère le chat comme une superposition des deux états, mort et vivant ! Exactement comme elle voit l'électron comme une superposition de deux trajectoires, vers le haut ou vers le bas du détecteur.

La physique seule ne semble donc pas pouvoir nous dire quand les choses deviennent définitives. D'où l’idée, dont Stapp se fait le défenseur, que la fonction d'onde pourrait s'effondrer seulement au moment où elle interagit avec la conscience. Rien ne pourrait donc avoir besoin d'être défini jusqu’à ce qu'il soit consciemment perçu par un observateur. Si cela était vrai, alors le chat de Schrödinger ne serait ni mort ni vivant jusqu’à ce qu'un observateur ouvre la boîte et regarde à l'intérieur.

Lien : Le chat de Schrödinger Lien : Un chat à la rescousse des informaticiens Lien : La décohérence
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