Quantum Physics with Jim Al-Khalili


Jim Al-Khalili is a theoretical physicist, author and broadcaster, Professor of Theoretical Physics and Chair in the Public Engagement in Science at the University of Surrey. He has hosted several BBC productions about science and is a frequent commentator about science in other British media.

I asked him some questions about Life and Quantum Physics.

 

Francesco Albanese: For years it has been said that the Newtonian and Quantum worlds are held to be irreducibly separate. Is it really true?

Jim Al-Khalili: Well, we know how to go between them. That is, mathematically we know how the quantum rule tend towards Newtonian (classical) mechanics in the limit when objects become large or complex. But what we don’t know is exactly where the dividing line is. That is, we still don’t properly understand where the Newtonian world ends and the quantum world begins.

F.A.: Your last book is titled: “Life on the Edge. The Coming Age of Quantum Biology.” What has Biology to do with Quantum Physics? And what is Quantum Biology?

J.A.K.: This is a new field of science. Physicists and chemists are familiar with quantum mechanics, but so far biologists have not had to worry too much about the strange behaviour of subatomic particles. But quantum biology is all about uncovering and understanding those mechanisms, processes and phenomena inside living cells that only work thanks to the quantum mechanics. Examples include enzymes using quantum tunnelling of particles to speed up reactions, or in photosynthesis where it seems the efficient transfer of energy from sunlight within cells is thanks to quantum coherence (things travelling along multiple pathways at the same time).

F.A.: What is life? And what makes something alive?

J.A.K.: This is a question science has yet to really answer. There are many definitions, such the ability of something to replicate itself, or to metabolise, or simply to maintain a special highly organised state (what physicists call a state of low entropy). We are not saying that quantum mechanics is the answer, but are proposing that it might be that life can uniquely reach down to the quantum domain and make use of its tricks in a way that we do not see in inanimate matter.

F.A.: Nobody really knows what consciousness is and where it comes from. Has Quantum Physics something to do with consciousness?

J.A.K.: It’s possible. But we are still along way from being able to know for sure.

F.A.: Roger Penrose said that consciousness needs to be based on a non-computable process of a quantum computer brain to manifest. Which is your opinion on it?

J.A.K.: Penrose’s idea is interesting, but I think it is too ambitious. Quantum biology doesn’t go that far. Rather, it demands careful experimental testing of ideas in the laboratory. That’s how science progresses. The link between quantum mechanics and consciousness is too speculative at the moment.

F.A.: Does the electromagnetic field of the brain play a role in the creation of consciousness?

J.A.K.: Ah, now this is possible. Indeed, my co-author, Johnjoe McFadden has some very interesting proposals on this topic.

F.A.: Will we ever be able to build self-aware quantum computers? Which is your opinion on it?

J.A.K.: If you mean do I subscribe to the idea of strong AI, then yes, I see no reason why a computer couldn’t be scaled up in complexity in the future to the extent that it becomes self-aware or conscious. This of course would be something Penrose would not agree with because of his insistence on non-computability of the processes of consciousness.


Life is the most extraordinary phenomenon in the known universe; but how does it work? Even in this age of cloning and synthetic biology, the remarkable truth remains: nobody has ever made anything living entirely out of dead material. Life remains the only way to make life. Are we missing a vital ingredient in its creation? Like Richard Dawkins’ The Selfish Gene, which provided a new perspective on evolution, Life on the Edge alters our understanding of life’s dynamics as Jim Al-Khalili and Johnjoe Macfadden reveal the hitherto missing ingredient to be quantum mechanics. Drawing on recent ground-breaking experiments around the world, they show how photosynthesis relies on subatomic particles existing in many places at once, while inside enzymes, those workhorses of life that make every molecule within our cells, particles vanish from one point in space and instantly materialize in another. Each chapter in Life on the Edge opens with an engaging example that illustrates one of life’s puzzles – How do migrating birds know where to go? How do we really smell the scent of a rose? How do our genes manage to copy themselves with such precision? – and then reveals how quantum mechanics delivers its answer. Guiding the reader through the maze of rapidly unfolding discovery, Al-Khalili and McFadden communicate vividly the excitement of this explosive new field of quantum biology, with its potentially revolutionary applications, and also offer insights into the biggest puzzle of all: what is life?

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Francesco Albanese

Psicologo Clinico, Psicoterapeuta, Giornalista, Autore. Ho collaborato per oltre dieci anni alla ricerca in campo di Attaccamento col Dipartimento di Medicina Clinica e Sperimentale dell’Università di Pisa, e sono stato cultore della materia al corso di Psicologia Sociale presso l’Università degli Studi di Firenze, Scuola di Psicologia, dove tuttora tengo seminari sulla Psicologia del Traffico. Da quasi quindici anni mi occupo di divulgazione su carta stampata e online. Sono co-fondatore della rivista PsicoLAB.net e attualmente dirigo le riviste Neuroscienze.net e QuanticaMente.net. Da sempre interessato agli aspetti psicologici legati alla dimensione spirituale dell’essere umano, sono alla continua ricerca dei punti di incontro tra scienza e spiritualità. Divulgo il mio pensiero attraverso convegni e seminari, articoli e libri di saggistica e narrativa, contribuendo a porre le basi concettuali per una visione olistica dell’uomo e del mondo. Tra le mie ultime pubblicazioni: “Perché mi Capita? Alla ricerca del senso nascosto della vita” (in stampa), “Racconti per l’Anima. Bervi storie per piccoli adulti e grandi bambini”, Edizioni Meteora (2014) e “Psicologia e Alchimia della Coppia. Trasformare se stessi attraverso le relazioni”, Editoriale Programma (2013).

Comments

  1. Sinceramente ,vista la mia scarsa istruzione scolastica,quello che riesco a capire della meccanica quantistica è solo l’esistenza di più livelli di ionizzazione nei vari elementi della tavola periodica.
    Ma sicuramente ho capito che molti studiosi hanno cercato di nascondere la loro impotenza nell’affrontare il problema legato alla vita, dietro il paravento della necessità che le molecole base per crearla debbano avere un’origine estraterrestre.Vista l’enorme attività chimica che ha avuto la terra nel primo miliardo di anni,e la composizione di alcune rocce argillose il cui spazio interno ricorda quello di una cellula primitiva,forse con po’ di fantasia e ottimismo qualche ispirato poteva anche immaginare che ,la selezione e la relativa incubazione di alcune particolari molecole solo in apparenza complesse,durante un processo di alcune centinaia di migliaia di anni,poteva originare una cellula in grado di rendersi autonoma e autoreplicarsi.
    Il passo successivo di questo curioso temerario sarebbe stato quello di domandarsi come questo sarebbe potuto accadere,ma qua la chimica ufficiale lo avrebbe spinto in un labirinto senza vie d’uscita, facendogli perdere ogni entusiasmo per questo tipo di studio.
    Forse la linea di demarcazione tra il mondo newtoniano e il mondo quantistico non riusciamo a vederla,a causa di una confusa interpretazione della distribuzione nello spazio dell’energia legata all’elettrone.
    Per affrontare seriamente il problema di come sia nata la vita ,cioè in pratica come funzioni il DNA, bisogna prima dare una risposta a un bel po’ di domande,la principale delle quali è;come fa la molecola dell’acqua nel citoplasma a essere contemporaneamente:un conduttore di energia libera (tralasciando la corrente elettrica dato che l’acqua distillata non la conduce),un accumulatore sempre di energia libera,e un resistore variabile,visto che la molecola dovrebbe modulare anche la conduzione di questo tipo di energia in funzione dell’influenza che esercitano le proteine presenti nello spazio circostante?
    Poi bisogna domandarsi cos’è questo particolare tipo di energia libera,e quindi capire con precisione come e perchè avvengono i due fenomeni che stanno alla base della sua manipolazione,cioè la combustione controllata nella glicolisi,e il fenomeno opposto,complementare,della fotosintesi.
    Bisogna anche capire il significato preciso dei gruppi funzionali che conferiscono le specifiche proprietà alle molecole,e il ruolo e il livello energetico ,quando presente,di ogni aminoacido,nella fase di costruzione delle proteine.
    Anche la struttura e gli organelli della cellula dovrebbero essere inquadrati meglio nelle loro funzioni,a partire dai microtubuli,fino ad arrivare ai centrosomi che … facendo un parallelo con il corpo umano,per la cellula dovrebbero rappresentare l’equivalente di cuore e fegato messi assieme.
    Quindi per qualche curioso che ha voglia di divertirsi non c’è che l’imbarazzo della scelta.
    Nel tentare di dare una definizione di vita,si potrebbe dire che sia,”la capacità della cellula di mantenere uno stato di basa entropia delle sue proteine,all’interno di una fascia energetica specifica e molto limitata“,quando questo non è più possibile la cellula è costretta a replicarsi.
    La ricerca di equilibrio dovrebbe guidare,a partire dalla loro nascita,anche l’organizzazione dei 10 miliardi di neuroni che compongono il sistema nervoso di un individuo,e che gli permettono di percepire la propria coscienza.
    In teoria si potrebbe dare a un computer la percezione di quest’ultima,cioè la coscienza che si intende normalmente basata sul pensiero umano,ma si dovrebbe,a partire da ogni singolo neurone,simulare il funzionamento dell’intero sistema nervoso umano,sempre ammesso di conoscerne l‘organizzazione.Un qualcosa di inimmaginabile,come la potenza di calcolo necessaria.

    Fiorenzo Masotti

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