Aquí hay un “mapa” de los dominios de la física que hice hace algunos años. Las teorías y los fenómenos físicos se “trazan” de acuerdo con su escala física (eje x) y velocidad (eje y). Ambas escalas son logarítmicas. No es un gráfico muy preciso, pero nos da una “vista de pájaro” decente de la física moderna.
Física, graficada en términos de escala física y velocidad.
Las cosas muy pequeñas (partículas) están a la izquierda del diagrama, y las cosas muy grandes (superclusters galácticos) están a la derecha del diagrama. Las cosas muy lentas están cerca de la parte inferior, y la velocidad de la luz proporciona el límite duro en la parte superior. Por lo que sabemos, la vida reside en una zona particular de este mapa: la parte inferior de la zona media. Suroriental de la tierra media. 🙂
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¡Aquí es donde están las cosas divertidas!
Las brechas dentadas (¿grietas de fatalidad?) En el mapa representan los agujeros que muchos físicos esperan llenar con alguna Teoría del Gran Unificado o la otra.
La vida reside en la “costa occidental” del continente, donde la mecánica clásica suele ser más que adecuada. Bueno, adecuado para describir fenómenos no vivos . El mundo donde residen los fenómenos biofísicos está “al este” del caótico y desconcertante océano cuántico: el ancho de una molécula de ADN es lo suficientemente pequeño como para que los efectos cuánticos sean posibles y potencialmente medibles. No hay evidencia de que los efectos cuánticos sean relevantes para nada en escalas más grandes, incluidos los fenómenos neuronales. (Lo que significa que las teorías cuánticas del cerebro son bastante inútiles. Si somos caritativos, podemos decir que las teorías cuánticas del cerebro todavía están esperando que se expliquen algunos fenómenos cuánticos).
La rama de la física que parece relacionarse con nuestro vecindario es la física de la materia condensada. La física de la materia condensada se puede dividir ampliamente en dos campos: duro y blando. La materia dura incluye semiconductores, cristales, cerámica y metales. La materia blanda incluye “líquidos, coloides, polímeros, espumas, geles, materiales granulares, cristales líquidos y varios materiales biológicos”. Por lo tanto, la materia condensada consiste en todo tipo de configuraciones macroscópicas de materia que posiblemente podamos encontrar o construir en un laboratorio. o fábrica (menos gases, plasmas y partículas “desnudas”). Es un campo fascinante, pero en la imaginación popular no tiene el “atractivo sexual” de la física de partículas o la astrofísica. Sin embargo, podría decirse que es el campo que más impacto ha tenido en nuestras vidas en las últimas tres décadas. La física de la materia condensada es donde nació gran parte de la física de los semiconductores. Así que tuvo un papel importante en la revolución de la computadora. La nanotecnología y los láseres también surgieron de la física de la materia condensada.
El tejido neural podría describirse como la forma más compleja de materia condensada en el universo conocido. Entonces, la biofísica del cerebro puede ser un lugar donde el diálogo entre físicos y neurocientíficos puede ser productivo. Y la física de la materia condensada puede ser el “lenguaje” apropiado para gran parte de este diálogo. La física de la materia condensada (con la ayuda de la ingeniería biomédica y la bioquímica) es también la rama de la física que tiene más probabilidades de crear nuevos materiales y nuevas herramientas con las que estudiar el cerebro. También puede llevar a dispositivos que pueden implementar técnicas de redes neuronales artificiales, como el célebre aprendizaje profundo. Este campo es conocido como ingeniería neuromórfica.
Tenga en cuenta que no he mencionado la conciencia * todavía. Nadie sabe realmente qué es la conciencia, por lo que no podemos ubicarla en nuestro mapa de física. En un sentido obvio, la conciencia tiene que residir en nuestro pequeño vecindario. Pero en otro sentido, la conciencia es un tipo de marco para todo el mapa de la física . Después de todo, fue la conciencia humana (como fenómeno social) la que creó el mapa de la física.
Quizás ese último bit fue un poco demasiado místico. Volvamos a asuntos más prácticos. Creo que además de aportar ideas teóricas y tecnología a la neurociencia (que puede o no tener algo útil que decir sobre la conciencia), el mundo más amplio de la física puede proporcionarnos metáforas y marcos conceptuales para filosofar sobre la conciencia. No estoy convencido de que ninguna de las especulaciones de este sillón tenga nada que ver con la ciencia comprobable, pero es divertido, así que, ¿por qué no disfrutar de ella?
La física de la materia condensada le ha dado al mundo algunas formas muy interesantes de entender la emergencia: el proceso mediante el cual surgen nuevas propiedades o fenómenos en un sistema cuando se cumplen ciertas condiciones. Uno de mis ejemplos favoritos es el concepto de cuasipartículas:
“En física, las cuasipartículas y las excitaciones colectivas (que están estrechamente relacionadas) son fenómenos emergentes que ocurren cuando un sistema microscópicamente complicado como un sólido se comporta como si contuviera diferentes partículas de interacción débil en el espacio libre. Por ejemplo, cuando un electrón viaja a través de un semiconductor, su movimiento se altera de manera compleja por sus interacciones con todos los otros electrones y núcleos; sin embargo, se comporta aproximadamente como un electrón con una masa diferente (masa efectiva) que viaja sin ser perturbada a través del espacio libre “. – Wikipedia
La conciencia, y otros fenómenos psicológicos menos desconcertantes, pueden llegar a ser emergentes. Quizás algún día un neurofísico mostrará que las percepciones y los pensamientos son “cuasipartículas” que surgen de la acción colectiva de las redes neuronales: podrían viajar en el cerebro “como si” estuvieran en algún tipo de “espacio libre” conceptual, chocando con entre sí como partículas en un acelerador, produciendo nuevas percepciones y pensamientos. Esto es tremendamente especulativo, pero es divertido pensar en **.
Otra persona que se divirtió mucho con la especulación es el físico Erwin Schrödinger. Escribió un libro brillante llamado Mente y materia , en el que relacionó su comprensión de la física y la biología con la conciencia. También recomiendo leer su libro ¿Qué es la vida? Inspiró a Watson y Crick a buscar la estructura de la molécula de ADN. La especulación puede no ser ciencia, pero ocasionalmente puede inspirar avances científicos reales.
Notas
* Una pregunta que me fusioné con esta involucró la conciencia.
** Aunque soy un neurocientífico con antecedentes en física, realmente no tengo la experiencia para convertir mi especulación en un marco matemático o computacional real. Si alguien con mejores habilidades en matemáticas / física que yo quiera compartir estas ideas, ¡adelante! Avísame si se te ocurre algo.
Otras lecturas
Estas respuestas de Quora se explican con más detalle respecto a la conciencia y su inaccesibilidad científica.
- ¿Puede un “alma” alguna vez adquirir una definición satisfactoria de la neurociencia, la teoría de la información o la informática? (“Alma” y “conciencia” son muy similares en cierto sentido).
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- ¿Cuál es la mejor respuesta científica actual a la pregunta psico-física (cuerpo-mente)?
Aquí hay más sobre el concepto de emergencia:
Complejidad: ¿Se pueden describir matemáticamente los fenómenos emergentes?
Y una respuesta sobre la física de la materia condensada:
¿Por qué hay tan pocos (si alguno) libros de ciencia popular sobre física de materia condensada en comparación con los libros de ciencia popular sobre mecánica cuántica y relatividad?
Además, aquí está el ensayo para el que hice el “mapa” de física:
Visión: La Metáfora Maestra.