Fisica, Logica, Mente Umana. La Fisica è la scienza che si occupa dell’analisi della Natura, particolarmente attraverso l’osservazione della materia e delle sue interazioni, studiandone l’evoluzione nello spazio e nel tempo. Come per ogni altra Scienza Naturale ciò sottintende una mente umana che esegua delle misure su un sistema. Una mente umana che concepisca equazioni in grado di collegare tra loro tali misure, prevedendo l’esito di ulteriori osservazioni. Previsioni da mettere poi alla prova tramite nuove misure, innescando così un circolo virtuoso che ha portato la mente umana a padroneggiare modelli precisi anche di sistemi naturali estremamente esotici. Come ogni altra Scienza Naturale però, la Fisica si trova davanti ad enormi difficoltà di metodo e di concetto quando il sistema da studiare sia la mente umana stessa. Per un buon motivo: si tratta del sistema più esotico che conosciamo, per quanto poco lo conosciamo. Per un motivo più che ottimo: la mente che studia la mente è un tipico esempio di ricorsività, il serpente che si morde la coda, il circolo vizioso in cui cade ogni ente che faccia asserzioni su se stesso. Per primo si trovò di fronte al problema Epimenide, nel VI secolo a.C., dopo aver affermato che “tutti i cretesi sono bugiardi”. Subito dopo pensò: essendo io nato a Creta cosa ho detto, una verità o una bugia? Il cosiddetto paradosso del mentitore, esemplificato dalla semplice sintesi: “questa frase è falsa”, è sempre stato una spina non indifferente nel fianco della nostra natura razionale. Una frase che asserisca qualcosa su se stessa può risultare auto-contraddittoria e quindi indecidibile. Questo è ciò che Douglas Hofstadter chiama “strano anello”. Kurt Gödel nel 1931 ha dimostrato che non solo il linguaggio comune, ma qualunque sistema logico contiene proposizioni indecidibili. Questo è il più strano di tutti gli anelli: qualunque sistema razionale non può avere pieno controllo su cosa sia razionale. Una mente umana non può descrivere completamente la mente umana. Il modello classico. L’approccio classico della Fisica è basato sul principio del riduzionismo. Un sistema complesso può essere suddiviso in sistemi più semplici, ed una volta conosciuto il comportamento dei costituenti primari della materia e delle loro interazioni, si può risalire alle caratteristiche del sistema di partenza semplicemente moltiplicando il numero dei calcoli necessari, estendendolo a tutte le particelle elementari coinvolte. Applicando questo principio non è possibile parlare di una mente astratta dal comportamento della sostanza fisica di cui è composto l’uomo, e tale sostanza fisica deve essere studiata dal basso, per esempio partendo dai comportamenti e dalle attività neuronali se non dalle caratteristiche di trasmissione dei segnali elettrici nel substrato chimico della struttura sinaptica. In tale quadro i concetti usati nella psicologia tradizionale sono inadatti, troppo vaghi ed inadatti al progresso di ogni scienza della coscienza. O se si vuole, conoscenza della conoscenza, così tornando agli strani anelli. Fino al 1925 le leggi fondamentali della Fisica erano: 1) I tre principi della meccanica di Newton, illustrati nella sua opera “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” del 1687. 2) Le quattro equazioni di Maxwell per i campi elettrici e magnetici, sintetizzate in “A Treatise on Electricity and Magnetism” nel 1873. 3) La Relatività ristretta, introdotta da Einstein nel 1905. 4) La Relatività generale, pubblicata da Einstein nel 1915. Tutte queste teorie sono però deterministiche. In linguaggio tecnico ciò vuol dire che date le condizioni iniziali, o condizioni al contorno, l’evoluzione di ogni sistema per quanto complesso è determinata, ed in linea di principio computabile. L’applicazione immediata di questa conseguenza è che il futuro viene completamente stabilito dal passato. Non esiste libertà di scelta, non esiste libero arbitrio, c’è solo un inevitabile meccanismo del quale presente siamo passive marionette, sul quale futuro non abbiamo incidenza. Se un ipotetico supercomputer avesse tutti i dati dell’oggi, potrebbe stamparci il New York Times del 30 Aprile 3682. La nuova Fisica, la nuova Logica. Per motivi totalmente indipendenti dallo studio delle facoltà mentali umane, due luminosi risultati delle facoltà mentali umane sono successivamente intervenuti, sia evidenziando quanto queste stesse siano imprevedibilmente ampie, sia restituendoci la capacità di credere nella nostra possibilità di applicarle in modo creativo, come attori e non personaggi. Si tratta di una teoria fisica, la Meccanica Quantistica, indipendentemente formalizzata da Werner Heisenberg e da Erwin Schrödinger nel 1925-26, e dei teoremi matematici d’incompletezza dimostrati nel 1931 da Kurt Gödel. La nuova Fisica, la nuova Logica. Ognuno di questi due risultati può suggerire una via per aggirare i vincoli del determinismo e del riduzionismo per impostare una teoria fisica della mente che preveda la possibilità di poter dare un significato alla parola “Io”. Parliamo ora di tali suggerimenti, premettendo che in questo processo essi sono indizi e non prove certe. La Meccanica Quantistica. Cardine fondamentale di questa teoria è che ogni sistema fisico, per quanto complesso, è descritto da uno spazio di Hilbert ad infinite dimensioni, ed ogni stato del sistema è rappresentato da un vettore in questo spazio. Ogni stato può essere scomposto in somma di autostati delle quantità osservabili. Ogni misura delle quantità osservabili può produrre solo autovalori delle stesse, con probabilità calcolabili. Perdono completamente senso, per esempio, i concetti di posizione o velocità di qualunque oggetto, ma per quanto conta in questa sede la parola chiave è “probabilità”. La Meccanica Quantistica fornisce predizioni statistiche invece che deterministiche. Anche prendendo in considerazione esperimenti ideali, non è possibile predire il risultato della misura. Anche conoscendo lo stato di tutti gli atomi e di tutti gli elettroni di un cervello in un dato istante, si possono al massimo calcolare le varie probabilità delle configurazioni successive, ma esse sono tutte possibili. Questo non vuole ancora dire che la nostra mente possa esercitare un libero arbitrio, ma sicuramente il nostro futuro non è già scritto né inevitabile. La Meccanica Quantistica cancella il determinismo, e questo esplicitamente, ma pone oltretutto seri dubbi sul metodo riduzionista. Il fenomeno noto come entanglement quantistico, il cui approfondimento concettuale fu stimolato dal paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen, rivela che è possibile conoscere lo stato di un sistema senza che sia possibile determinare l’evoluzione delle sue singole parti. La teoria di Stuart Hameroff (anestesista statunitense) e Roger Penrose (fisico-matematico britannico) sulle proprietà quantistiche della propagazione dei segnali nei microtubuli neuronali utilizza la Meccanica Quantistica per giungere ad una giustificazione del libero arbitrio e, di conseguenza, della coscienza. Devo riconoscere che tale teoria, per quanto mi riguarda, risulta abbastanza oscura. Altre idee in proposito, come la teoria dei multiversi (sliding doors) o la teoria olonomica di Karl Pribram e David Bohm risultano più metafisiche che fisiche. Kurt Gödel. Tutte le Scienze Naturali sono basate sul concetto di misura, quindi sulla rilevanza essenziale dei dati numerici, così assumendo la matematica, e non il linguaggio comune, come grammatica e sintassi della scienza. I risultati pubblicati da Kurt Gödel nel 1931 hanno cambiato per sempre il nostro concetto di matematica e di conseguenza l’ultimo significato delle ricerche nelle Scienze Naturali. Il cosiddetto primo teorema di Gödel asserisce che: In ogni teoria matematica T sufficientemente espressiva da contenere l'aritmetica, esiste una formula F tale che, se T è coerente, allora né F né la sua negazione -F sono dimostrabili in T. Il secondo teorema di Gödel asserisce che: Sia T una teoria matematica sufficientemente espressiva da contenere l'aritmetica. Se T è coerente, non è possibile provare la coerenza di T all'interno di T. Concentriamoci sul primo: anche se si definiscono in modo perfettamente coerente i numeri naturali (1,2,3,…) e le operazioni su di essi, ciononostante è possibile costruire una equazione abbastanza complicata da non essere più possibile stabilire se essa sia vera o falsa. Trasliamo questo concetto in Fisica: anche se si conoscesse un modello perfetto per il comportamento di un protone o di un elettrone, esisteranno sicuramente sistemi di elettroni e protoni (cioè di materia) abbastanza complessi da rendere indecidibili, cioè né veri né falsi, i nostri calcoli sul sistema. E senza dubbio la mente umana è un sistema abbastanza complesso. Ciò porta alla decostruzione del riduzionismo, che unita alla natura probabilistica della Meccanica Quantistica elimina le difficoltà di concepire la coscienza umana tenendo presente le attuali conoscenze della Fisica fondamentale. Conclusioni. La complessità della mente umana non deve essere sottovalutata. Il sistema nervoso umano è costituito da circa 100 miliardi di neuroni, quante sono le galassie nell’universo. Ogni neurone è formato da più di 1000 miliardi di molecole, cioè più delle stelle in una galassia. Un cervello contiene molti più atomi di quante siano le stelle nell’universo. Per sistemi di questa portata, anche in presenza di leggi di base deterministiche, la computabilità dell’evoluzione temporale è impossibile. Non tecnicamente, ma di principio. Un calcolatore in grado di svolgere tutti i calcoli teoricamente necessari per predire l’evoluzione dell’universo sarebbe più grande (e più lento) dell’universo stesso. Un altro strano anello. L’impossibilità della computazione mina lo stesso concetto di sistema deterministico, seppure determinato fosse il comportamento degli elementi di base e completa la teoria. Quanto alle nostre attuali conoscenze di Fisica, esse sono tutt’altro che complete, basti pensare che l’80% della materia dell’universo la chiamiamo materia oscura, e non ne sappiamo praticamente niente. Le leggi della Fisica moderna, per quanto le abbiamo esplorate, non impediscono l’insorgere della coscienza dalla materia inanimata. La Meccanica Quantistica e la Fisica dei sistemi complessi offrono possibilità interpretative impossibili 100 anni fa. La Computer Science e lo studio della Intelligenza Artificiale costituiscono una palestra innovativa e forse essenziale per i futuri sviluppi. Detto questo, si è ancora ben lontani dall’avere un modello fondamentale della mente e della conoscenza basato sulle leggi della Fisica. Nonostante che, o forse proprio perché, le leggi della Fisica sono un frutto della nostra mente e della nostra conoscenza.

Le Basi Fisiche della Coscienza

TRIGGIANI, GIUSEPPE
2011-01-01

Abstract

Fisica, Logica, Mente Umana. La Fisica è la scienza che si occupa dell’analisi della Natura, particolarmente attraverso l’osservazione della materia e delle sue interazioni, studiandone l’evoluzione nello spazio e nel tempo. Come per ogni altra Scienza Naturale ciò sottintende una mente umana che esegua delle misure su un sistema. Una mente umana che concepisca equazioni in grado di collegare tra loro tali misure, prevedendo l’esito di ulteriori osservazioni. Previsioni da mettere poi alla prova tramite nuove misure, innescando così un circolo virtuoso che ha portato la mente umana a padroneggiare modelli precisi anche di sistemi naturali estremamente esotici. Come ogni altra Scienza Naturale però, la Fisica si trova davanti ad enormi difficoltà di metodo e di concetto quando il sistema da studiare sia la mente umana stessa. Per un buon motivo: si tratta del sistema più esotico che conosciamo, per quanto poco lo conosciamo. Per un motivo più che ottimo: la mente che studia la mente è un tipico esempio di ricorsività, il serpente che si morde la coda, il circolo vizioso in cui cade ogni ente che faccia asserzioni su se stesso. Per primo si trovò di fronte al problema Epimenide, nel VI secolo a.C., dopo aver affermato che “tutti i cretesi sono bugiardi”. Subito dopo pensò: essendo io nato a Creta cosa ho detto, una verità o una bugia? Il cosiddetto paradosso del mentitore, esemplificato dalla semplice sintesi: “questa frase è falsa”, è sempre stato una spina non indifferente nel fianco della nostra natura razionale. Una frase che asserisca qualcosa su se stessa può risultare auto-contraddittoria e quindi indecidibile. Questo è ciò che Douglas Hofstadter chiama “strano anello”. Kurt Gödel nel 1931 ha dimostrato che non solo il linguaggio comune, ma qualunque sistema logico contiene proposizioni indecidibili. Questo è il più strano di tutti gli anelli: qualunque sistema razionale non può avere pieno controllo su cosa sia razionale. Una mente umana non può descrivere completamente la mente umana. Il modello classico. L’approccio classico della Fisica è basato sul principio del riduzionismo. Un sistema complesso può essere suddiviso in sistemi più semplici, ed una volta conosciuto il comportamento dei costituenti primari della materia e delle loro interazioni, si può risalire alle caratteristiche del sistema di partenza semplicemente moltiplicando il numero dei calcoli necessari, estendendolo a tutte le particelle elementari coinvolte. Applicando questo principio non è possibile parlare di una mente astratta dal comportamento della sostanza fisica di cui è composto l’uomo, e tale sostanza fisica deve essere studiata dal basso, per esempio partendo dai comportamenti e dalle attività neuronali se non dalle caratteristiche di trasmissione dei segnali elettrici nel substrato chimico della struttura sinaptica. In tale quadro i concetti usati nella psicologia tradizionale sono inadatti, troppo vaghi ed inadatti al progresso di ogni scienza della coscienza. O se si vuole, conoscenza della conoscenza, così tornando agli strani anelli. Fino al 1925 le leggi fondamentali della Fisica erano: 1) I tre principi della meccanica di Newton, illustrati nella sua opera “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” del 1687. 2) Le quattro equazioni di Maxwell per i campi elettrici e magnetici, sintetizzate in “A Treatise on Electricity and Magnetism” nel 1873. 3) La Relatività ristretta, introdotta da Einstein nel 1905. 4) La Relatività generale, pubblicata da Einstein nel 1915. Tutte queste teorie sono però deterministiche. In linguaggio tecnico ciò vuol dire che date le condizioni iniziali, o condizioni al contorno, l’evoluzione di ogni sistema per quanto complesso è determinata, ed in linea di principio computabile. L’applicazione immediata di questa conseguenza è che il futuro viene completamente stabilito dal passato. Non esiste libertà di scelta, non esiste libero arbitrio, c’è solo un inevitabile meccanismo del quale presente siamo passive marionette, sul quale futuro non abbiamo incidenza. Se un ipotetico supercomputer avesse tutti i dati dell’oggi, potrebbe stamparci il New York Times del 30 Aprile 3682. La nuova Fisica, la nuova Logica. Per motivi totalmente indipendenti dallo studio delle facoltà mentali umane, due luminosi risultati delle facoltà mentali umane sono successivamente intervenuti, sia evidenziando quanto queste stesse siano imprevedibilmente ampie, sia restituendoci la capacità di credere nella nostra possibilità di applicarle in modo creativo, come attori e non personaggi. Si tratta di una teoria fisica, la Meccanica Quantistica, indipendentemente formalizzata da Werner Heisenberg e da Erwin Schrödinger nel 1925-26, e dei teoremi matematici d’incompletezza dimostrati nel 1931 da Kurt Gödel. La nuova Fisica, la nuova Logica. Ognuno di questi due risultati può suggerire una via per aggirare i vincoli del determinismo e del riduzionismo per impostare una teoria fisica della mente che preveda la possibilità di poter dare un significato alla parola “Io”. Parliamo ora di tali suggerimenti, premettendo che in questo processo essi sono indizi e non prove certe. La Meccanica Quantistica. Cardine fondamentale di questa teoria è che ogni sistema fisico, per quanto complesso, è descritto da uno spazio di Hilbert ad infinite dimensioni, ed ogni stato del sistema è rappresentato da un vettore in questo spazio. Ogni stato può essere scomposto in somma di autostati delle quantità osservabili. Ogni misura delle quantità osservabili può produrre solo autovalori delle stesse, con probabilità calcolabili. Perdono completamente senso, per esempio, i concetti di posizione o velocità di qualunque oggetto, ma per quanto conta in questa sede la parola chiave è “probabilità”. La Meccanica Quantistica fornisce predizioni statistiche invece che deterministiche. Anche prendendo in considerazione esperimenti ideali, non è possibile predire il risultato della misura. Anche conoscendo lo stato di tutti gli atomi e di tutti gli elettroni di un cervello in un dato istante, si possono al massimo calcolare le varie probabilità delle configurazioni successive, ma esse sono tutte possibili. Questo non vuole ancora dire che la nostra mente possa esercitare un libero arbitrio, ma sicuramente il nostro futuro non è già scritto né inevitabile. La Meccanica Quantistica cancella il determinismo, e questo esplicitamente, ma pone oltretutto seri dubbi sul metodo riduzionista. Il fenomeno noto come entanglement quantistico, il cui approfondimento concettuale fu stimolato dal paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen, rivela che è possibile conoscere lo stato di un sistema senza che sia possibile determinare l’evoluzione delle sue singole parti. La teoria di Stuart Hameroff (anestesista statunitense) e Roger Penrose (fisico-matematico britannico) sulle proprietà quantistiche della propagazione dei segnali nei microtubuli neuronali utilizza la Meccanica Quantistica per giungere ad una giustificazione del libero arbitrio e, di conseguenza, della coscienza. Devo riconoscere che tale teoria, per quanto mi riguarda, risulta abbastanza oscura. Altre idee in proposito, come la teoria dei multiversi (sliding doors) o la teoria olonomica di Karl Pribram e David Bohm risultano più metafisiche che fisiche. Kurt Gödel. Tutte le Scienze Naturali sono basate sul concetto di misura, quindi sulla rilevanza essenziale dei dati numerici, così assumendo la matematica, e non il linguaggio comune, come grammatica e sintassi della scienza. I risultati pubblicati da Kurt Gödel nel 1931 hanno cambiato per sempre il nostro concetto di matematica e di conseguenza l’ultimo significato delle ricerche nelle Scienze Naturali. Il cosiddetto primo teorema di Gödel asserisce che: In ogni teoria matematica T sufficientemente espressiva da contenere l'aritmetica, esiste una formula F tale che, se T è coerente, allora né F né la sua negazione -F sono dimostrabili in T. Il secondo teorema di Gödel asserisce che: Sia T una teoria matematica sufficientemente espressiva da contenere l'aritmetica. Se T è coerente, non è possibile provare la coerenza di T all'interno di T. Concentriamoci sul primo: anche se si definiscono in modo perfettamente coerente i numeri naturali (1,2,3,…) e le operazioni su di essi, ciononostante è possibile costruire una equazione abbastanza complicata da non essere più possibile stabilire se essa sia vera o falsa. Trasliamo questo concetto in Fisica: anche se si conoscesse un modello perfetto per il comportamento di un protone o di un elettrone, esisteranno sicuramente sistemi di elettroni e protoni (cioè di materia) abbastanza complessi da rendere indecidibili, cioè né veri né falsi, i nostri calcoli sul sistema. E senza dubbio la mente umana è un sistema abbastanza complesso. Ciò porta alla decostruzione del riduzionismo, che unita alla natura probabilistica della Meccanica Quantistica elimina le difficoltà di concepire la coscienza umana tenendo presente le attuali conoscenze della Fisica fondamentale. Conclusioni. La complessità della mente umana non deve essere sottovalutata. Il sistema nervoso umano è costituito da circa 100 miliardi di neuroni, quante sono le galassie nell’universo. Ogni neurone è formato da più di 1000 miliardi di molecole, cioè più delle stelle in una galassia. Un cervello contiene molti più atomi di quante siano le stelle nell’universo. Per sistemi di questa portata, anche in presenza di leggi di base deterministiche, la computabilità dell’evoluzione temporale è impossibile. Non tecnicamente, ma di principio. Un calcolatore in grado di svolgere tutti i calcoli teoricamente necessari per predire l’evoluzione dell’universo sarebbe più grande (e più lento) dell’universo stesso. Un altro strano anello. L’impossibilità della computazione mina lo stesso concetto di sistema deterministico, seppure determinato fosse il comportamento degli elementi di base e completa la teoria. Quanto alle nostre attuali conoscenze di Fisica, esse sono tutt’altro che complete, basti pensare che l’80% della materia dell’universo la chiamiamo materia oscura, e non ne sappiamo praticamente niente. Le leggi della Fisica moderna, per quanto le abbiamo esplorate, non impediscono l’insorgere della coscienza dalla materia inanimata. La Meccanica Quantistica e la Fisica dei sistemi complessi offrono possibilità interpretative impossibili 100 anni fa. La Computer Science e lo studio della Intelligenza Artificiale costituiscono una palestra innovativa e forse essenziale per i futuri sviluppi. Detto questo, si è ancora ben lontani dall’avere un modello fondamentale della mente e della conoscenza basato sulle leggi della Fisica. Nonostante che, o forse proprio perché, le leggi della Fisica sono un frutto della nostra mente e della nostra conoscenza.
File in questo prodotto:
Non ci sono file associati a questo prodotto.

I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11568/149312
 Attenzione

Attenzione! I dati visualizzati non sono stati sottoposti a validazione da parte dell'ateneo

Citazioni
  • ???jsp.display-item.citation.pmc??? ND
  • Scopus ND
  • ???jsp.display-item.citation.isi??? ND
social impact