Τι σχέση έχει η θεωρία χορδών – η αμφιλεγόμενη φυσική «θεωρία των πάντων» – με την συνείδηση ​​και τον ανθρώπινο εγκέφαλο; (Μάλλον*) καμμία^. εκτός από το γεγονός ότι για την διατύπωση της θεωρίας των χορδών, οι φυσικοί χρησιμοποιούν συνειδητά τον εγκέφαλό τους. Όμως, μαθηματικά εργαλεία από τη θεωρία των χορδών προσφέρουν στους επιστήμονες έναν νέο τρόπο για να μελετήσουν την δικτύωση των νευρώνων του εγκεφάλου.

Η θεωρία χορδών υποθέτει ότι το θεμελιώδες υπόβαθρο της πραγματικότητας συνίσταται από απειροελάχιστες δονούμενες χορδές. Επιχειρεί να ενοποιήσει την κβαντομηχανική, που περιγράφει τον μικρόκοσμο, με την βαρύτητα που διαμορφώνει τον μακρόκοσμο. Όμως οι προτεινόμενες χορδές είναι τόσο αδιανόητα μικροσκοπικές και τα σχετικά μαθηματικά της τόσο δύσκολα, ώστε η θεωρία θεωρείται ευρέως πειραματικά μη επαληθεύσιμη. Η συνείδηση, από την άλλη μπορεί να είναι κάτι διαβόητα δυσπροσδιόριστο και ασαφές, αλλά γενικά φαίνεται να είναι μια αναδυόμενη ιδιότητα της βιολογίας, όπως τα σύνολα νευρώνων μέσα στον εγκέφαλό μας.

Μια νέα εργασία, που δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα στο Nature με τίτλο «Surface optimization governs the local design of physical networks«, υποστηρίζει ότι ορισμένα από τα πολύπλοκα μαθηματικά της θεωρίας των χορδών βοηθούν στην εξήγηση της «καλωδίωσης» των νευρώνων του εγκεφάλου – καθώς και της διακλάδωσης άλλων «φυσικών δικτύων», όπως τα κλαδιά των δέντρων, τα αιμοφόρα αγγεία και οι μυρμηγκοφωλιές. Σύμφωνα με ένα σχετικό δελτίο τύπου, «είναι η πρώτη φορά που η θεωρία των χορδών βρίσκει κάποια πρακτική εφαρμογή … περιγράφει με επιτυχία πραγματικές βιολογικές δομές».

Ο επικεφαλής συγγραφέας Albert-László Barabási, καθηγητής και επιστήμονας δικτύων στο Northeastern University, τονίζει ότι η εργασία δεν ισχυρίζεται κάποια βαθιά, άμεση σχέση ανάμεσα στη θεωρία των χορδών και τη νευροεπιστήμη. Αντίθετα, δείχνει πώς μαθηματικές τεχνικές που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της θεωρίας των χορδών μπορούν να αξιοποιηθούν για την καλύτερη περιγραφή του τρόπου με τον οποίο τα φυσικά δίκτυα αυτοοργανώνονται. Παρ’ όλα αυτά, η χρήση των μαθηματικών της θεωρίας των χορδών για την κατανόηση της νευρωνικής «καλωδίωσης» θα αποτελούσε ένα απροσδόκητα πρακτικό επίτευγμα, δεδομένου ότι η θεωρία έχει κατηγορηθεί πως δεν έχει σχέση με την φυσική πραγματικότητα, ώστε κάποιοι φυσικοί να την αποκαλούν «ούτε καν λάθος» (από τον περιφρονητικό χαρακτηρισμό που χρησιμοποιούσε ο Pauli για τις αμφιλεγόμενες επιστημονικές εργασίες: «not even wrong!»)

Σύμφωνα με τον Barabási, αυτή η πιθανή σύνδεση προκύπτει από το γεγονός ότι «τα φυσικά δίκτυα έχουν φυσικό κόστος και επομένως προσπαθούν να βελτιστοποιηθούν», ακόμη κι αν δεν γνωρίζουμε ακόμη τι ακριβώς είναι αυτό που βελτιστοποιούν. Η απλούστερη προσέγγιση θα ήταν ένα «διάγραμμα καλωδίωσης» που ακολουθεί τις συντομότερες διαδρομές ανάμεσα σε οποιουσδήποτε δύο κόμβους, ώστε να ελαχιστοποιείται το μήκος. Όμως λεπτομερείς τρισδιάστατες σαρώσεις και χαρτογραφήσεις φυσικών δικτύων έχουν αποκαλύψει πιο σύνθετες γεωμετρίες διακλάδωσης και συνδέσεις, οι οποίες δείχνουν ότι λαμβάνει χώρα κάποια διαφορετική μορφή βελτιστοποίησης. Ο Barabási και η ομάδα του επιχείρησαν να εξηγήσουν πώς η δομή των φυσικών δικτύων βελτιστοποιείται ως προς την ελάχιστη επιφάνεια, αντί για άλλους παράγοντες όπως το μήκος ή ο όγκος.

Για πολλά από αυτά τα δίκτυα, όπως το αγγειακό σύστημα που μεταφέρει το αίμα ή οι νευρώνες που χρησιμοποιούν ιοντικά κανάλια για να εκκρίνουν νευροδιαβιβαστές, στην ουσία μιλάμε για έναν σωλήνα και το μεγαλύτερο κόστος είναι η κατασκευή της επιφάνειας. Όμως η μοντελοποίηση της ελαχιστοποίησης της επιφάνειας είναι ένα τρομερά δύσκολο μαθηματικό πρόβλημα, επειδή πρέπει να δημιουργήσεις τοπικά λείες επιφάνειες που να συνδέονται μεταξύ τους με συνεχή τρόπο».

Ο πρώην μεταδιδακτορικός συνεργάτης του Barabási και πρώτος συγγραφέας της μελέτης, ο Xiangyi Meng, επίκουρος καθηγητής στο Rensselaer Polytechnic Institute – συνειδητοποίησε ότι ο φαινομενικά δυσεπίλυτος αυτός υπολογισμός ήταν στην ουσία ταυτόσημος με έναν άλλο, για τον οποίο οι θεωρητικοί των χορδών είχαν ήδη αναπτύξει εξελιγμένα εργαλεία.

Σύμφωνα με τον Meng: «Παρότι τα μαθηματικά των ελάχιστων επιφανειών έχουν βαθιές ιστορικές ρίζες, η εργασία μας βασίζεται σε μια συγκεκριμένη πρόοδο που η κλασική γεωμετρία δεν προσφέρει, – συγκεκριμένα σε έναν τομέα της θεωρίας των χορδών που ονομάζεται «συναλλοίωτη θεωρία πεδίου κλειστών χορδών», η οποία αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1980 από τον φυσικό του MIT Barton Zwiebach και άλλους.

Η θεωρία αυτή επιτρέπει στους φυσικούς να υπολογίζουν τις πιο λείες και αποδοτικές αλληλεπιδράσεις – ανάλογες με ελάχιστες επιφάνειες – μεταξύ ορισμένων τύπων χορδών, αντιμετωπίζοντάς τες ως κορυφές (γωνίες) και ακμές· αυτή η προσέγγιση είναι σημαντική για τις προσπάθειες ενοποίησης της βαρύτητας με την κβαντομηχανική στο πλαίσιο της θεωρίας των χορδών. Στην περίπτωση των φυσικών δικτύων προσφέρει έναν τρόπο να αναπαρασταθεί η ανάπτυξή τους ως μια ακολουθία επιφανειών σε μορφή «μανικιού», που ράβονται ομαλά μεταξύ τους. Το κρίσιμο σημείο είναι ότι η κλασική ελαχιστοποίηση τείνει να καταρρέει αυτές τις επιφάνειες-μανίκια σε τετριμμένα σύρματα. Αυτό αποτρέπεται από την επινόηση του Zwiebach, διατηρώντας πεπερασμένο πάχος για κάθε σύνδεσμο. Μια θεμελιώδης ιδέα που μας επιτρέπει να μοντελοποιήσουμε την τρισδιάστατη πραγματικότητα των φυσικών δικτύων, όπως των νευρώνων ή των φλεβών, τα οποία πρέπει να διατηρούν όγκο για να λειτουργούν.

Στη συνέχεια, η ερευνητική ομάδα δοκίμασε την προσέγγισή της συγκρίνοντάς την με τρισδιάστατες σαρώσεις υψηλής ανάλυσης φυσικών δικτύων, συμπεριλαμβανομένων νευρώνων, αιμοφόρων αγγείων, κλαδιών δέντρων και κοραλλιών. Σε κάθε περίπτωση, διαπίστωσαν ότι το μοντέλο της θεωρίας των χορδών παρήγαγε την πιο κοντινή αντιστοιχία σε σχέση με απλούστερες κλασικές προβλέψεις. Ειδικότερα, το μοντέλο της ομάδας αναπαρήγαγε με μεγαλύτερη ακρίβεια τους παρατηρούμενους αριθμούς και τους προσανατολισμούς των διακλαδώσεων. Σύμφωνα με τον Barabási: «Αυτό που βλέπαμε, λοιπόν, ήταν μια συμπεριφορά που δεν είναι ειδική για τον εγκέφαλο, αλλά καθολική σε όλα τα φυσικά δίκτυα. Είναι, νομίζω, ένα πολύ σημαντικό βήμα για την κατανόηση των μηχανισμών με τους οποίους ο εγκέφαλος και άλλα φυσικά δίκτυα “καλωδιώνονται” και του γιατί είναι τόσο ιδιαίτερα».

Όσον αφορά το αν η κατανόηση της δικτύωσης του εγκεφάλου απαιτεί πράγματι τεχνικές από την θεωρητική φυσική, τα ερωτήματα παραμένουν. Οι γνήσιοι ειδικοί και στους δύο τομείς είναι ελάχιστοι. Ένας από αυτούς, ο Vijay Balasubramanian, θεωρητικός των χορδών και βιοφυσικός με εστίαση στον εγκέφαλο στο Πανεπιστήμιο της Pennsylvania, είναι επιφυλακτικός:

«Δεν είμαι βέβαιος ότι αυτή η μελέτη σηματοδοτεί μια κρίσιμη τομή στην κατανόησή μας των φυσικών δικτύων, και πολλοί ειδικοί μπορεί να βρουν τη διαφημιζόμενη σχέση με την θεωρία χορδών μη πειστική. Επομένως, κάθε ισχυρισμός περί επαναστατικής σημασίας φαίνεται πρόωρος. Παρ’ όλα αυτά, αυτή η προσπάθεια εφαρμογής φυσικών αρχών στην κατανόηση των βιολογικών δικτύων αποτελεί μια ευπρόσδεκτη προσθήκη στη βιβλιογραφία της βιοφυσικής ή της νευροεπιστήμης και ελπίζουμε ότι θα εμπνεύσει περαιτέρω έρευνες».

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρεις:
Does String Theory Explain the Wiring of the Brain? – https://www.scientificamerican.com/article/does-string-theory-solve-the-mystery-of-the-brain/ και Finally a Use for String Theory – https://backreaction.blogspot.com/2026/01/finally-use-for-string-theory.html

(*) Μια δημοσίευση του Δημήτρη Νανόπουλου του 1995, σχετική με την λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου την Κβαντομηχανική και την Θεωρία των Χορδών: ‘Theory of Brain Function, Quantum Mechanics and Superstrings‘ (διαβάστε σχετικά και ΕΔΩ)

Κατηγορίες:ΒΙΟΛΟΓΙΑ, ΒΙΟΦΥΣΙΚΗ, ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ, ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑ

Ετικέτες: ΘΕΩΡΙΑ ΧΟΡΔΩΝ, PHYSICS