Liệu vật lý có thực sự nói được gì về ý thức?

Thỉnh thoảng, các nhà khoa học lại chọn giải quyết một vấn đề quá sức.

Khi khoa học cố nuốt trọn điều vượt ngoài khả năng

Thỉnh thoảng, các nhà khoa học lại chọn giải quyết một vấn đề quá sức. Cũng giống như khi chúng ta dùng cụm từ cắn nhiều hơn miếng có thể nhai để chỉ việc gánh vác một nhiệm vụ vượt quá nguồn lực của mình, điều này cũng áp dụng cho nhiều bài toán khoa học.

Nếu như các định luật cơ bản, hạt và tương tác của Vũ trụ đã được biết rõ (ở một mức độ nhất định), thì hàng loạt cấu trúc phức tạp được tạo thành từ các khối xây dựng này lại có những tính chất mới nổi (emergent properties) mà không thể suy ra một cách hiển nhiên từ các phần tử cơ bản.

Trong một số trường hợp, bằng cách mô phỏng hệ nhiều hạt và áp đặt điều kiện biên, ta có thể suy ra những thuộc tính quan sát được ở quy mô vĩ mô từ các quy tắc cơ bản. Ví dụ: màu sắc của đèn natri, hay sự thành công của cáp đồng trục trong việc truyền tín hiệu vô tuyến.

Nhưng trong những trường hợp khác, các quy tắc trở nên phức tạp đến mức ta chỉ có thể khẳng định rằng một hiện tượng xảy ra (hoặc chắc chắn phải xảy ra) mà không hiểu đầy đủ cơ chế. Và trong nhóm bí ẩn này, có lẽ không gì huyền bí hơn bản chất của ý thức – thứ mà con người chắc chắn sở hữu, nhưng chỉ có thể mô tả chủ quan.

Ý thức là gì và đến từ đâu?

Ý thức thật sự có nghĩa là gì? Nó bắt nguồn từ đâu? Chỉ con người mới có ý thức, hay động vật, thực vật, thậm chí vật vô tri cũng có một dạng ý thức nào đó? Nhiều người đã đưa ra giả thuyết, nhưng đến nay nó vẫn là bí ẩn. Vậy vật lý – ngành khoa học nền tảng nhất – nói gì về ý thức?

Ở trung tâm của vấn đề là hai ý tưởng cơ bản:

1. Chúng ta sống trong một thực tại vật chất, và mọi thứ tồn tại trong thực tại này có thể được mô tả bằng các thành phần cấu tạo trong không gian và thời gian.

2. Mọi hiện tượng – bao gồm cả ý thức – đều có thể được định nghĩa nghiêm ngặt và đưa vào thử nghiệm, quan sát hoặc đo lường.

Với cách nghĩ của nhà vật lý, đây là điểm khởi đầu không thể thương lượng khi tìm hiểu bất kỳ hiện tượng nào trong Vũ trụ.

Vật lý đối diện với thuyết Toàn tâm (Panpsychism)

Tuy nhiên, khi bàn đến ý thức, nhiều người lại bỏ qua các nguyên tắc này. Ví dụ: có người cho rằng thay vì giả định thực tại vật chất, thì chính tâm trí, hay một dạng ý thức mơ hồ nào đó, mới là đặc tính cơ bản và phổ quát của thực tại. Đây là ý tưởng cổ xưa trong triết học, gọi là panpsychism (toàn tâm luận).

Nhưng panpsychism gặp phải hai vấn đề: không kiểm chứng được và không thể phản chứng. Mọi thử nghiệm của ta đều dựa trên các đối tượng có thể đo lường trong thực tại, nên toàn tâm luận mãi mãi nằm ngoài khả năng kiểm chứng khoa học. Vì thế, nó không có giá trị với các nhà vật lý theo đuổi thế giới quan dựa trên bằng chứng.

Thực tại vật chất và tính chất mới nổi

Quan điểm duy vật không chỉ nói rằng thực tại chỉ là tổng các phần của nó. Vật lý chỉ ra rằng ngay cả một tập hợp thành phần đơn giản, tuân theo một số ít quy tắc đơn giản, cũng có thể nhanh chóng tạo ra vô số kết quả phức tạp – nhiều trong số đó mang tính chất mới nổi, không hề hiển nhiên từ quy tắc gốc.

Ví dụ:

– Nếu chỉ lấy các quark trong Mô hình Chuẩn và nhốt chúng vào một không gian, chúng sẽ kết hợp thành vô số cấu trúc (baryon), rồi nhanh chóng phân rã thành những hạt nhẹ hơn. Sau khoảng một micro giây, chỉ còn proton và neutron tồn tại.

– Nếu chỉ lấy proton và neutron ghép lại, ta sẽ có hàng trăm cấu hình bền vững hoặc gần bền (ổn định trong hàng tỷ năm): chính là các nguyên tố và đồng vị trong bảng tuần hoàn. Từ đây, toàn bộ hóa học và sinh học hình thành, tất cả đều xuất phát từ vài quy tắc và thành phần cơ bản.

Con người và nền tảng vật chất

Con người cũng không ngoại lệ. Về mặt nguyên tử, mỗi người chứa khoảng 10^28 nguyên tử, chủ yếu là oxy, carbon, hydro, cộng thêm nitơ, canxi, phốt pho và một lượng nhỏ kali, lưu huỳnh, natri, clo, magie. Một số nguyên tố hiếm hơn như sắt, kẽm, đồng, liti, vanadi… cũng đóng vai trò sinh học quan trọng, dù chỉ với vài nanogram.

Những nguyên tử này hợp thành phân tử, phân tử tạo nên tế bào, tế bào hợp thành cơ quan – mỗi cơ quan có cấu trúc và chức năng riêng – và tất cả hợp lại thành một cơ thể hoàn chỉnh.

Đối với ý thức, phần liên quan nhất là hệ thần kinh, đặc biệt là bộ não. Đa số chúng ta mặc nhiên cho rằng ý thức nảy sinh từ não bộ. Điều này đồng nghĩa, nếu muốn nghiên cứu ý thức con người, ta phải nghiên cứu não bộ.

Cấu trúc của não và vai trò của neuron

Não người gồm hai loại tế bào chính:

– Neuron: truyền tín hiệu điện và hóa học.

– Tế bào thần kinh đệm (glial cells): không tạo xung điện, mà chủ yếu đóng vai trò nền tảng hỗ trợ neuron.

Hầu hết thảo luận về ý thức tập trung vào neuron và bỏ qua glial. Điều này có vẻ hợp lý: điểm khác biệt giữa một con người sống (có ý thức) và một thi thể (không còn ý thức) chính là các xung điện trong mạng lưới neuron. Khi dòng điện đó biến mất, ý thức cũng ngừng tồn tại.

Tế bào thần kinh đệm có thể đóng vai trò thiết yếu, dù vẫn còn chưa được hiểu rõ, trong sự hiện diện của ý thức. Các tế bào đệm được chia thành bốn loại: tế bào ependymal, tế bào hình sao (astrocytes), tế bào vi thần kinh đệm (microglia) và tế bào ít gai (oligodendrocytes).

– Tế bào ependymal: sản xuất dịch não tủy và hỗ trợ tái tạo thần kinh.

– Tế bào hình sao: kiểm soát hàng rào máu–não về mặt sinh hóa và cung cấp chất dinh dưỡng cho neuron.

– Tế bào vi thần kinh đệm: thực hiện chức năng miễn dịch và duy trì các hoạt động bình thường của não.

– Tế bào ít gai: hỗ trợ và cách điện sợi trục của neuron.

Ngoài ra, não còn chứa mạch máu, các ion muối, sự phân hóa giữa chất xám và chất trắng, và được bao bọc bởi ba lớp màng não: dura mater, arachnoid và pia mater.

Thông thường, khi bàn về ý thức, người ta giả định rằng:

1. Nó phát sinh từ não.

2. Nó được điều khiển bởi hoạt động neuron, còn các tế bào khác chỉ là hỗ trợ.

3. Nó chỉ xuất hiện rõ ràng ở con người (chưa chắc ở sinh vật khác).

4. Nó gắn với tư duy trừu tượng bậc cao.

Dựa trên khuôn khổ này, nghiên cứu ý thức thường dựa vào các thí nghiệm MRI ở nhiều trạng thái khác nhau: tỉnh táo, say rượu, bình tĩnh, hưng phấn, tỉnh, ngủ, REM và non-REM, có hoặc không hình thành ký ức dài hạn… để đo lường hoạt động não và liên hệ nó với các trạng thái chủ quan của con người.

Nhưng các nghiên cứu này, dù quan trọng, đều giả định ý thức chỉ bắt nguồn từ hoạt động điện cổ điển của neuron. Đó là một khả năng, nhưng chưa chắc là duy nhất.

Liệu ý thức có tính lượng tử?

Có nhiều quá trình trong sinh vật sống (bao gồm cả trong não) không chỉ dựa vào tín hiệu điện–hóa học cổ điển, mà còn gợi ý hoặc thậm chí đòi hỏi tương tác lượng tử. Ví dụ:

– Một số loài động vật định hướng bằng từ trường Trái Đất nhờ quá trình lượng tử gọi là từ cảm (magnetoreception).

– Đã chứng minh được sự tương đương toán học giữa phản ứng não theo vật lý cổ điển và phương trình sóng xác suất của cơ học lượng tử.

– Cơ học lượng tử đóng vai trò trong quang hợp.

– Mạng lưới tryptophan trong neuron thể hiện hiện tượng siêu bức xạ lượng tử (quantum superradiance).

Một giả thuyết cho rằng ý thức không đến từ xung điện–hóa học, mà từ sự vướng lượng tử trong vi ống (microtubules) bên trong neuron. Các vi ống này kiểm soát chuyển động, tăng trưởng, hình dạng tế bào, nên có thể là nơi diễn ra xử lý lượng tử nền tảng cho ý thức.

Một thí nghiệm từng cho thấy kích thích laser lan truyền trong vi ống ở bệnh nhân tỉnh, nhưng biến mất khi gây mê. Tuy nhiên, vì ý thức không đơn giản là không bất tỉnh, giả thuyết này vẫn nằm ngoài lề.

Khó khăn trong định nghĩa ý thức

Vậy ý thức là gì? Nhiều người định nghĩa kiểu Potter Stewart (thẩm phán Tối cao Hoa Kỳ khi nói về nội dung khiêu dâm): Tôi biết nó khi tôi thấy nó. Nhưng đây là định nghĩa tùy tiện, thiếu sự đồng thuận khoa học.

– Liệu tất cả con người đều có ý thức? Trẻ sơ sinh thì sao? Người đang ngủ say thì sao? Thai nhi trong bụng mẹ thì sao?

– Động vật ngoài con người có ý thức không? Chó, mèo, ngựa, chim đều có hành vi cá thể rõ rệt, giống như tính cách, và nghiên cứu khoa học đã xác nhận điều đó. Liệu chỉ cần có não là đủ?

– Sinh vật không có não có ý thức không? Một số nhà nghiên cứu cho rằng chỉ cần có nhận thức chủ quan đơn giản – khả năng hành động như một thể thống nhất để tự bảo vệ, phản ứng với kích thích – đã là một dạng ý thức.

Ví dụ, siphonophore – sinh vật biển hình chuỗi – là tập hợp nhiều động vật nhỏ kết hợp thành một cơ thể tập đoàn, phản ứng thống nhất trước môi trường. Vậy có thể coi nó có ý thức tập thể không?

Ý thức – khoa học sơ khai

Vấn đề lớn là: chưa có định nghĩa vững chắc về ý thức, nên chưa thể coi nó đã bước vào giai đoạn khoa học trưởng thành. Nó giống như hóa học 400 năm trước, vật lý 1000 năm trước hay thiên văn học 5000 năm trước: mới ở giai đoạn sơ khai, pha trộn giữa giả thuyết và triết học.

Triết gia Daniel Dennett từng đưa ra định nghĩa thuyết phục: ý thức là khả năng hiểu Tôi là tôi, hay có khái niệm nội tại về cái tôi. Con người chắc chắn vượt ngưỡng này. Chó cũng vậy – khi gọi tên, con chó được gọi phản ứng khác hẳn con kia. Ý thức có thể không đặc biệt riêng cho con người, mà là đặc tính vật lý nổi lên từ sự sống nói chung.

Điều rút ra

Khi nghe một giả thuyết giải thích ý thức, cần tự hỏi ba điều:

1. Định nghĩa: Họ định nghĩa ý thức thế nào? Có thể kiểm chứng, dù chỉ định tính, không?

2. Tiên đoán kiểm chứng: Thuyết đó có tạo ra dự đoán có thể kiểm chứng và phản chứng được không?

3. Cơ sở vật lý: Nó giải thích ý thức như một hiện tượng vật lý nổi lên từ thực tại, hay viện dẫn yếu tố huyền bí ngoài khoa học?

Nếu không trả lời được, đó không phải lý thuyết khoa học, chỉ là ý tưởng còn non. Có nhiều giả thuyết phi vật chất về ý thức, nhưng chúng không phải lý thuyết theo nghĩa khoa học.

Ý thức là một câu đố cực khó: khó định nghĩa, khó giải. Nhưng nó chắc chắn là một phần của thực tại vật lý, giống như mọi hiện tượng khác. Mọi cách tiếp cận phủ nhận điều này đều mắc sai lầm ngay từ đầu – vì chúng đã rời bỏ khoa học.