Меню Рубрики

Сознание с точки зрения квантовой физики

Никто не понимает, что такое сознание и как оно работает. Никто не понимает и квантовую механику. Может ли это быть большим, чем просто совпадение? «Я не могу определить реальную проблему, поэтому подозреваю, что реальной проблемы нет, но я не уверен, что нет никакой реальной проблемы». Американский физик Ричард Фейнман сказал это о загадочных парадоксах квантовой механики. Сегодня эту теорию физики используют для описания мельчайших объектов во Вселенной. Но точно так же он мог сказать о запутанной проблеме сознания.

Некоторые ученые думают, что мы уже понимаем сознание или что это просто иллюзия. Но многим другим кажется, что мы вообще даже и близко не подобрались к сути сознания.

Многолетняя головоломка под названием «сознание» даже привела к тому, что некоторые ученые попытались объяснить ее при помощи квантовой физики. Но их усердие было встречено с изрядной долей скепсиса, и это не удивительно: кажется неразумным объяснять одну загадку при помощи другой.

Но такие идеи ни разу не абсурдны и даже не с потолка взялись.

С одной стороны, к великому неудовольствию физиков, разум поначалу отказывается постигать раннюю квантовую теорию. Более того, квантовые компьютеры, по прогнозам, будут способны на такие вещи, на какие не способны обычные компьютеры. Это напоминает нам, что наш мозг до сих пор способен на подвиги, недоступны для искусственного интеллекта. «Квантовое сознание» широко высмеивается как мистическая ерунда, но никто так и не смог ее окончательно развеять.

Квантовая механика — лучшая теория, которая у нас есть, способная описать мир на уровне атомов и субатомных частиц. Пожалуй, самой известной из ее загадок является тот факт, что результат квантового эксперимента может меняться в зависимости от того, решаем мы измерить свойства участвующих в нем частиц или нет.

Когда первопроходцы квантовой теории впервые обнаружили этот «эффект наблюдателя», они встревожились не на шутку. Казалось, он подрывает предположение, лежащее в основе всей науки: что где-то там существует объективный мир, независимый от нас. Если мир действительно ведет себя зависимо от того, как — или если — мы смотрим на него, что будет означать «реальность» на самом деле?

Некоторые ученые были вынуждены заключить, что объективность — это иллюзия, и что сознание должно играть активную роль в квантовой теории. Другие же просто не видели в этом никакого здравого смысла. Например, Альберт Эйнштейн был раздосадован: неужели Луна существует, только когда вы на нее смотрите?

Сегодня некоторые физики подозревают, что дело не в том, что сознание влияет на квантовую механику… а в том, что оно вообще появилось, благодаря ей. Они полагают, что квантовая теория может понадобиться нам, чтобы вообще понять, как работает мозг. Может ли быть такое, что как квантовые объекты могут находиться в двух местах одновременно, так и квантовый мозг может одновременно иметь в виду две взаимоисключающие вещи?

Эти идеи вызывают споры. Может оказаться так, что квантовая физика никак не связана с работой сознания. Но они хотя бы демонстрируют, что странная квантовая теория заставляет нас думать о странных вещах.

Лучше всего квантовая механика пробивается в сознание человека через эксперимент с двойной щелью. Представьте себе луч света, который падает на экран с двумя близко расположенными параллельными щелями. Часть света проходит через щели и падает на другой экран.

Можно представить свет в виде волны. Когда волны проходят через две щели, как в эксперименте, они сталкиваются — интерферируют — между собой. Если их пики совпадают, они усиливают друг друга, что выливается в серию черно-белых полос света на втором черном экране.

Этот эксперимент использовался, чтобы показать волновой характер света, больше 200 лет, пока не появилась квантовая теория. Тогда эксперимент с двойной щелью провели с квантовыми частицами — электронами. Это крошечные заряженные частицы, компоненты атома. Непонятным образом, но эти частицы могут вести себя как волны. То есть они подвергаются дифракции, когда поток частиц проходит через две щели, производя интерференционную картину.

Теперь предположим, что квантовые частицы проходят через щели одна за другой и их прибытие на экран тоже будет наблюдаться пошагово. Теперь нет ничего очевидного, что заставляло бы частицу интерферировать на ее пути. Но картина попадания частиц все равно будет демонстрировать интерференционные полосы.

Все указывает на то, что каждая частица одновременно проходит через обе щели и интерферирует сама с собой. Это сочетание двух путей известно как состояние суперпозиции.

Но вот что странно.

Если разместить детектор в одной из щелей или за ней, мы могли бы выяснить, проходит через нее частицы или нет. Но в таком случае интерференция исчезает. Простой факт наблюдения пути частицы — даже если это наблюдение не должно мешать движению частицы — меняет результат.

Физик Паскуаль Йордан, который работал с квантовым гуру Нильсом Бором в Копенгагене в 1920-х годах, сформулировал это так: «Наблюдения не только нарушают то, что должно быть измерено, они это определяют… Мы принуждаем квантовую частицу выбирать определенное положение». Другими словами, Йордан говорит, что «мы сами производим результаты измерений».

Если это так, объективная реальность можно просто выбросить в окно.

Но на этом странности не заканчиваются.

Если природа меняет свое поведение в зависимости от того, смотрим мы или нет, мы могли бы попытаться обвести ее вокруг пальца. Для этого мы могли бы измерить, какой путь выбрала частица, проходя через двойную щель, но только после того, как пройдет через нее. К тому времени она уже должна «определиться», пройти через один путь или через оба.

Провести такой эксперимент в 1970-х годах предложил американский физик Джон Уилер, и в следующие десять лет эксперимент с «отложенным выбором» провели. Он использует умные методы измерения путей квантовых частиц (как правило, частиц света — фотонов) после того, как они выбирают один путь или суперпозицию двух.

Оказалось, что, как и предсказывал Бор, нет никакой разницы, задерживаем мы измерения или нет. До тех пор, пока мы измеряем путь фотона до его попадания и регистрацию в детекторе, интерференции нет. Создается впечатление, что природа «знает» не только когда мы подглядываем, но и когда мы планируем подглядывать.

Всякий раз, когда в этих экспериментах мы открываем путь квантовой частицы, ее облако возможных маршрутов «сжимается» в единое четко определенное состояние. Более того, эксперимент с задержкой предполагает, что сам акт наблюдения, без какого-либо физического вмешательства, вызванного измерением, может стать причиной коллапса. Значит ли это, что истинный коллапс происходит только тогда, когда результат измерения достигает нашего сознания?

Такую возможность предложил в 1930-х годах венгерский физик Юджин Вигнер. «Из этого следует, что квантовое описание объектов находится под влиянием впечатлений, поступающих в мое сознание», писал он. «Солипсизм может быть логически согласованным с квантовой механикой».

Уилера даже забавляла мысль о том, что наличие живых существ, способных «наблюдать», преобразовала то, что ранее было множество возможных квантовых прошлых, в одну конкретную историю. В этом смысле, говорит Уилер, мы становимся участниками эволюции Вселенной с самого ее начала. По его словам, мы живем в «соучастной вселенной».

Физики до сих пор не могут выбрать лучшую интерпретацию этих квантовых экспериментов, и в некоторой степени право этого предоставляется и вам. Но, так или иначе, подтекст очевиден: сознание и квантовая механика каким-то образом связаны.

Начиная с 1980-х годов, английский физик Роджер Пенроуз предположил, что эта связь может работать в другом направлении. Он сказал, что независимо от того, влияет сознание на квантовую механику или нет, возможно, квантовая механика участвует в сознании.

Физик и математик Роджер Пенроуз

И еще Пенроуз спросил: что, если в нашем мозге существуют молекулярные структуры, способные менять свое состояние в ответ на одно квантовое событие? Могут ли эти структуры принимать состояние суперпозиции, подобно частицам в эксперименте с двойной щелью? Могут ли эти квантовые суперпозиции затем проявляться в том, как нейроны сообщаются посредством электрических сигналов?

Может быть, говорил Пенроуз, наша способность поддерживать, казалось бы, несовместимые психические состояния не причуда восприятия, а реальный квантовый эффект?

В конце концов, человеческий мозг, похоже, в состоянии обрабатывать когнитивные процессы, которые до сих пор по возможностям намного превосходят цифровые вычислительные машины. Возможно, мы даже способны выполнять вычислительные задачи, которые нельзя исполнить на обычные компьютерах, использующих классическую цифровую логику.

Пенроуз впервые предположил, что квантовые эффекты присутствуют в человеческом сознании, в книге 1989 года ‘The Emperor’s New Mind’. Главной его идеей стала «оркестрованная объективная редукция». Объективная редукция, по мнению Пенроуза, означает, что коллапс квантовой интерференции и суперпозиции является реальным физическим процессом, будто лопающийся пузырь.

Оркестрованная объективная редукция опирается на предположение Пенроуза о том, что гравитация, которая влияет на повседневные объекты, стулья или планеты, не демонстрирует квантовых эффектов. Пенроуз полагает, что квантовая суперпозиция становится невозможной для объектов больше атомов, потому что их гравитационное воздействие в таком случае привело бы к существованию двух несовместимых версий пространства-времени.

Дальше Пенроуз развивал эту идею с американским врачом Стюартом Хамероффом. В своей книге «Тени разума» (1994) он предположил, что структуры, участвующие в этом квантовом познании, могут быть белковыми нитями — микротрубочками. Они имеются в большинстве наших клеток, в том числе и нейронах мозга. Пенроуз и Хамерофф утверждали, что в процесс колебания микротрубочки могут принимать состояние квантовой суперпозиции.

Но нет ничего в поддержку того, что это вообще возможно.

Предполагали, что идею квантовых суперпозиций в микротрубочках поддержат эксперименты, предложенные в 2013 году, но на деле в этих исследованиях не упоминалось о квантовых эффектах. Кроме того, большинство исследователей считают, что идея оркестрованных объективных редукций была развенчана исследованием, опубликованным в 2000 году. Физик Макс Тегмарк рассчитал, что квантовые суперпозиции молекул, вовлеченных в нейронные сигналы, не смогут просуществовать даже мгновения времени, необходимого для передачи сигнала.

Квантовые эффекты, включая суперпозицию, очень хрупкие и разрушаются в процессе так называемой декогеренции. Это процесс обусловлен взаимодействиями квантового объекта с окружающей его средой, поскольку его «квантовость» утекает.

Декогеренция, как полагали, должна протекать чрезвычайно быстро в теплых и влажных средах, таких как живые клетки.

Нервные сигналы — это электрические импульсы, вызванные прохождением электрически заряженных атомов через стенки нервных клеток. Если один из таких атомов был в суперпозиции, а затем столкнулся с нейроном, Тегмарк показал, что суперпозиция должна распадаться менее чем за одну миллиардную миллиардной доли секунды. Чтобы нейрон выпустил сигнал, ему нужно в десять тысяч триллионов раз больше времени.

Именно поэтому идеи о квантовых эффектах в головном мозге не проходят проверку скептиков.

Но Пенроуз неумолимо настаивает на гипотезе ООР. И невзирая на предсказание сверхбыстрой декогеренции Тегмарка в клетках, другие ученые нашли проявления квантовых эффектов у живых существ. Некоторые утверждают, что квантовая механика используется перелетными птицами, которые используют магнитную навигацию, и зелеными растениями, когда они используют солнечный свет для производства сахара в процессе фотосинтеза.

При всем этом идея того, что мозг может использовать квантовые трюки, отказывается уходить насовсем. Потому что в ее пользу нашли другой аргумент.

Может ли фосфор поддерживать квантовое состояние?

В исследовании 2015 года физик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре утверждал, что мозг может содержать молекулы, способные выдерживать более мощные квантовые суперпозиции. В частности, он полагает, что ядра атомов фосфора могут иметь такую способность. Атомы фосфора имеются в живых клетках повсюду. Они часто принимают форму ионов фосфата, в которых один атом фосфора соединяется с четырьмя атомами кислорода.

Читайте также:  Minecraft как варить зелье ночного зрения

Такие ионы являются основной единицей энергии в клетках. Большая часть энергии клетки хранится в молекулах АТФ, которые содержат последовательность из трех фосфатных групп, соединенных с органической молекулой. Когда один из фосфатов отрезается, высвобождается энергия, которая используется клеткой.

У клеток есть молекулярные машины для сборки ионов фосфата в группы и для их расщепления. Фишер предложил схему, в которой два фосфатных иона могут быть размещены в суперпозиции определенного вида: в запутанном состоянии.

У ядер фосфора есть квантовое свойство — спин — которое делает их похожими на маленькие магниты с полюсами, указывающими в определенных направлениях. В запутанном состоянии спин одного ядра фосфора зависит от другого. Иными словами, запутанные состояния — это состояния суперпозиции с участием более одной квантовой частицы.

Фишер говорит, что квантово-механическое поведение этих ядерных спинов может противостоять декогеренции. Он согласен с Тегмарком в том, что квантовые вибрации, о которых говорили Пенроуз и Хамерофф, будут сильно зависеть от их окружения и «декогерировать почти сразу же». Но спины ядер не так сильно взаимодействуют со своим окружением.

И все же квантовое поведение спинов ядер фосфора должно быть «защищено» от декогеренции.

У квантовых частиц может быть разный спин

Это может произойти, говорит Фишер, если атомы фосфора будут включены в более крупные объекты, которые названы «молекулами Познера». Они представляют собой кластеры из шести фосфатных ионов в сочетании с девятью ионами кальция. Существуют определенные указания на то, что такие молекулы могут быть в живых клетках, но пока они не очень убедительны.

В молекулах Познера, утверждает Фишер, спины фосфора могут противостоять декогеренции в течение дня или около того, даже в живых клетках. Следовательно, могут влиять и на работу мозга.

Идея в том, что молекулы Познера могут быть поглощены нейронами. Оказавшись внутри, молекулы будут активировать сигнал другому нейрону, распадаясь и выпуская ионы кальция. Из-за запутанности в молекулах Познера, два таких сигнала могут оказаться запутанными в свою очередь: в некотором роде, это будет квантовая суперпозиция «мысли». «Если квантовая обработка с ядерными спинами на самом деле присутствует в головном мозге, она была бы чрезвычайно распространенным явлением, происходящим постоянно», говорит Фишер.

Впервые эта идея пришла к нему в голову, когда он раздумывал о психической болезни.

Капсула карбоната лития

«Мое введение в биохимию мозга началось, когда я решил три-четыре года назад исследовать, как и почему ион лития оказывает такой радикальный эффект при лечении психических отклонений», говорит Фишер.

Литиевые препараты широко используются для лечения биполярного расстройства. Они работают, но никто на самом деле не знает почему.

«Я не искал квантовое объяснение, говорит Фишер. Но затем он наткнулся на работу, в которой описывалось, что препараты лития оказывали различное влияние на поведение крыс в зависимости от того, какая форма — или «изотоп» — лития использовалась.

Поначалу это озадачило ученых. С химической точки зрения, различные изотопы ведут себя почти одинаково, поэтому если литий работал как обычный препарат, изотопы должны были иметь один и тот же эффект.

Нервные клетки связаны с синапсами

Но Фишер понял, что ядра атомов различных изотопов лития могут иметь различные спины. Это квантовое свойство может влиять на то, как действуют препараты на основе лития. Например, если литий заменяет кальций в молекулах Познера, спины лития могут оказывать эффект на атомы фосфора и препятствовать их запутыванию.

Если это верно, то сможет и объяснить, почему литий может лечить биполярное расстройство.

На данный момент предположение Фишера является не более чем интригующей идеей. Но есть несколько способов ее проверить. Например, что спины фосфора в молекулах Познера могут сохранять квантовую когерентность в течение длительного времени. Это Фишер и планирует проверить дальше.

И все же он опасается быть связанным с более ранними представлениями о «квантовом сознании», которые считает в лучшем случае спекулятивными.

Сознание — глубокая тайна

Физики не очень любят оказываться внутри своих же теорий. Многие из них надеются, что сознание и мозг можно будет извлечь из квантовой теории, а может, и наоборот. Но ведь мы не знаем, что такое сознание, не говоря уж о том, что у нас нет теории, которая его описывает.

Более того, изредка звучат громкие возгласы, что квантовая механика позволит нам овладеть телепатией и телекинезом (и хотя где-то на глубине концепций это может быть так, люди понимают все слишком буквально). Поэтому физики вообще опасаются упоминать слова «квантовый» и «сознание» в одном предложении.

В 2016 году Эдриан Кент из Кембриджского университета в Великобритании, один из самых уважаемых «квантовых философов», предположил, что сознание может менять поведение квантовых систем тонким, но вполне обнаружимым образом. Кент очень осторожен в своих высказываниях. «Нет никаких убедительных оснований полагать, что квантовая теория — это подходящая теория, из которой можно извлечь теорию сознания, или что проблемы квантовой теории должны как-то пересекаться с проблемой сознания», признает он.

Но добавляет, что совершенно непонятно, как можно вывести описание сознание, основываясь исключительно на доквантовой физике, как описать все его свойства и черты.

Мы не понимаем, как работают мысли

Один особенно волнующий вопрос — как наш сознательный разум может испытывать уникальные ощущения вроде красного цвета или запаха жарки мяса. Если не считать людей с нарушениями зрения, все мы знаем, на что похож красный, но не можем передать это чувство, а в физике нет ничего, что могло бы нам рассказать, на что это похоже.

Чувства вроде этих называют «квалиа». Мы воспринимаем их как единые свойства внешнего мира, но на деле они являются продуктами нашего сознания — и это трудно объяснить. В 1995 году философ Дэвид Чалмерс назвал это «тяжелой проблемой» сознания.

«Любая мысленная цепочка о связи сознания с физикой приводит к серьезным проблемам», говорит Кент.

Это побудило его предположить, что «мы могли бы добиться некоторого прогресса в понимании проблемы эволюции сознания, если бы допустили (хотя бы просто допустили), что сознание меняет квантовые вероятности».

Другими словами, мозг может действительно влиять на результаты измерений.

С этой точки зрения, он не определяет, «что является реальным». Но он может влиять на вероятность того, что каждая из возможных реальностей, навязанных квантовой механикой, будет наблюдаться. Этого не может предсказать даже сама квантовая теория. И Кент полагает, что мы могли бы поискать такие проявления экспериментально. Даже смело оценивает шансы найти их.

«Я бы предположил с 15-процентной уверенностью, что сознание вызывает отклонения от квантовой теории; и еще 3-процентной — что мы экспериментально подтвердим это в следующие 50 лет», говорит он.

Если это произойдет, мир уже не будет прежним. А ради такого стоит исследовать.

М.Б. Менский, профессор, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Что такое сознание, какую роль играет бессознательное, чем объясняются «внелогические» интуитивные прозрения, в том числе научные озарения, – это вопросы, на которые очевидных ответов пока нет. Как ни странно, помочь в ответах на эти труднейшие вопросы может квантовая механика. Причина в том, что, несмотря на математическую стройность квантовой механики и достоверность ее предсказаний, в ней есть странные и не вполне поддающиеся пониманию черты, которые указывают на особую роль сознания наблюдателя. Поэтому опыт, накопленный в рамках квантовой механики, помогает понять, что такое сознание, позволяет проникнуть в тайну этого феномена и даже более общо – в тайну феномена жизни. Возникающее таким образом сближение квантовой физики и теории психических феноменов продолжает и конкретизирует линию исследований, начатую еще в 1930-х гг. в рамках сотрудничества великого психолога Карла Юнга и великого физика Вольфганга Паули.

Концептуальные проблемы квантовой механики

Квантовая механика, которая, возникнув в начале XX в., потребовала радикального пересмотра философии науки, давно уже стала привычным рабочим инструментом не только для ученых, изучающих закономерности физических систем малых (микроскопических) размеров, но и для инженеров, конструирующих приборы, основанные на квантовых закономерностях. Никто уже давно не сомневается в том, что квантовая механика верна, ее справедливость многократно доказана. И тем не менее, в этой чрезвычайно успешной области науки до сих пор не устранены концептуальные проблемы, или парадоксы, существовавшие в ней с момента ее рождения.

Концептуальные проблемы квантовой механики рассматриваются в теории измерения квантовых систем, потому что всегда связаны с наблюдением этих систем. Причина этого в том, что наблюдение означает запись информации о микроскопической (квантовой) системе в форме, доступной для восприятия человеком. Значит, информация о микросистеме записывается путем изменения состояния макроскопической системы (например фотопленки). Вспомогательная система, в состоянии которой записывается информация о состоянии микросистемы, обычно называется измерительным прибором.

Носитель информации в измерительном приборе может быть реализован по-разному (фотопленка, стрелка прибора, кривая на самописце и т.д.). Однако запись информации в этой макроскопической системе всегда может быть представлена как выбор одного из возможных (альтернативных) состояний системы. Тогда человек может увидеть, какое из альтернативных состояний этой макросистемы реализовалось в качестве результата измерения, и тем самым судить о состоянии микросистемы.

Итак, измерение, или наблюдение, – это всегда контакт между микроскопической (квантовой) и макроскопической (классической) системами, при котором устанавливается корреляция состояний этих двух систем (состояние измерительного прибора зависит от состояния измеряемой системы).

Однако оказывается, что появление такой корреляции неизбежно приводит к противоречию из-за существенной разницы в том, как описываются, с одной стороны, состояния квантовой системы, а с другой – состояния классической системы. Все дело в том, что состояния квантовой системы образуют линейное пространство, то есть их можно складывать, как складываются векторы.

Если, например, одно из состояний классической точечной частицы описывается тем, что эта частица находится в точке A , а другое состояние описывается как нахождение (локализация) в точке B , то нет никакого смысла спрашивать, чему равна сумма таких состояний. А для квантовой частицы это имеет вполне определенный смысл. Если одно состояние квантовой частицы, ψA , соответствует ее локализации в точке A , а другое состояние, ψB , описывает локализацию (нахождение) этой частицы в точке B , то существует и состояние, описываемое суммарным вектором ψA + ψB , в котором эта частица не имеет определенной локализации.

В некотором смысле можно сказать, что частица в таком состоянии находится «одновременно в обеих точках», однако из этой формулировки не видно специфики квантовой ситуации. Правильно сказать, что состояние частицы представляет собой суперпозицию двух состояний, в которых она локализована в двух разных точках.

Вот это радикальное различие между квантовой механикой и классической физикой и приводит к концептуальным проблемам, или парадоксам, которые рассмотрим ниже.

Предположим, что мы сконструировали прибор, который различает описанные выше состояния элементарной частицы ψA и ψB . Если частица находится в состоянии ψA , то прибор после взаимодействия с такой частицей из начального состояния Φ0 переходит в состояние ΦA , а если частица находится в состоянии ψB , то прибор из того же начального состояния переходит в состояние ΦB . Опишем это как эволюцию полной системы, состоящей из квантовой частицы и прибора.

Если частица находится в состоянии ψA , то начальное состояние полной системы описывается, согласно правилам квантовой механики, вектором ψAΦ0 . После взаимодействия между прибором и частицей состояние частицы не меняется, а состояние прибора меняется так, как было описано выше, то есть превращается в ΦA . Значит, конечное состояние всей системы описывается вектором ψAΦA . Если же начальное состояние полной системы было ψBΦ0 , то после измерения (то есть после взаимодействия частицы с прибором) состояние станет ψBΦB .

Читайте также:  Витаминные комплексы для зрения для детей

Мы рассмотрели ситуации, когда все очевидно и в сущности не отличается от того, чего можно было бы ожидать в классической физике. Но теперь рассмотрим случай, когда начальное состояние частицы описывается вектором ψA + ψB , то есть является суперпозицией двух состояний, локализованных в разных точках. Тогда начальное состояние полной системы представляется вектором (ψA + ψB) Φ0 = ψAΦ0 + ψBΦ0 . Каким же будет конечное состояние полной системы?

Ответ следует из того, что в квантовой механике эволюция системы (при любых взаимодействиях ее составных частей) описывается линейным законом: эволюция суммы двух векторов равна сумме векторов, представляющих эволюцию каждого из слагаемых. Значит, начальное состояние полной системы (ψA + ψB) Φ0 = ψAΦ0 + ψBΦ0 после измерения перейдет в состояние ψAΦA + ψBΦB . И вот это уже удивительный вывод. Ведь мы получаем, что состояние системы (частица + прибор), то есть системы макроскопической, должно быть суперпозицией таких двух состояний (ψAΦA и ψBΦB) , которые различаются чрезвычайно существенно: состояния прибора в этих состояниях различны.

Если, скажем, в состоянии ΦA стрелка прибора указывает вверх, а в состоянии ΦB – вниз, то мы должны заключить, что система (частица + прибор) находится в состоянии суперпозиции, которое классически не описывается. Стрелка прибора не направлена ни вверх, ни вниз, а как бы «одновременно и вверх, и вниз». Разумеется, никакой наблюдатель никогда не видел такого состояния, то есть вывод, который мы получили, следуя хорошо установленным правилам квантовой механики, парадоксален.

Можно возразить против этой цепочки рассуждений, указав на то, что прибор – система макроскопическая и, следовательно, ее нужно описывать по правилам классической физики. Однако это возражение представляется несостоятельным, потому что прибор, как и всякая система, состоит из атомов, то есть микроскопических (а значит квантовых) систем, и потому правила квантовой механики применимы и к прибору. Другое дело, что в большинстве ситуаций квантовые эффекты, возникающие в поведении прибора, будут столь малы, что ими можно пренебречь. Но мы рассмотрели как раз такую ситуацию, в которой квантовые свойства прибора существенны.

Итак, концептуальные проблемы возникают из-за линейности квантовой механики. Как мы видели, линейность ведет к странному выводу, что после измерения состояние измеряемой системы и прибора представляет собой суперпозицию всех возможных альтернативных результатов измерения. Это, казалось бы, противоречит нашему опыту, согласно которому после измерения остается лишь одна из этих альтернатив, тогда как остальные исчезают.

В 30-х гг. ХХ в., когда заканчивалось создание квантовой механики, ее создатели во главе с Нильсом Бором приняли концепцию, которая соответствовала здравому смыслу и каждодневному опыту. Был принят постулат фон Неймана, согласно которому при измерении, то есть при взаимодействии измеряемой системы и прибора, происходит редукция состояния (или коллапс волновой функции), при котором из всех альтернатив, которые входят в состояние системы в качестве компонент суперпозиции, остается лишь одна 1 . Эта концепция была названа копенгагенской интерпретацией квантовой механики.

1 В использованном выше примере начальное состояние частицы и прибора после измерения должно перейти либо в ψAΦA , либо в ψBΦB , но не в сумму этих векторов.

Фактически копенгагенская интерпретация, или постулат редукции, означает, что при измерении состояние системы меняется не так, как требует квантовая механика, нарушается обычная для квантовой механики линейность эволюции. Это ничем не обоснованное предположение делает копенгагенскую интерпретацию эклектичной, логически незамкнутой. Однако с точки зрения практических целей, для расчетов конкретных систем, эта интерпретация вполне пригодна и даже очень удобна, так как соответствует наивному (по существу классическому, неквантовому) представлению о том, что происходит при измерении.

Квантовая реальность и роль сознания

По этой причине внутренняя противоречивость квантовой механики (в копенгагенской интерпретации) нисколько не беспокоила тех физиков, которые были заинтересованы в расчетах реальных систем. Однако попытки сделать квантовую механику логически замкнутой, разрешить ее внутренние противоречия, не прекратились и продолжаются до сих пор, а в последние десятилетия резко активизировались.

Эти попытки привели к многочисленным интерпретациям квантовой механики, которые имеют дело с одним и тем же математическим аппаратом и одними и теми же, достоверно установленными вычислительными процедурами, но отличаются тем, как осмысливаются наблюдаемые в квантовом мире события. По сути, различные интерпретации отличаются философским осмыслением того, что предсказывается теорией и наблюдается в эксперименте. Ни одна из интерпретаций не стала до сих пор общепризнанной, и полного понимания квантовой механики нет до сих пор.

Эта работа, продолжающаяся уже много десятилетий, фактически показала, что разрешить противоречия квантовой механики не удается в рамках привычного для классической физики объективного описания физических систем. Природа квантовой механики требует такого полного описания физической системы, чтобы кроме самой измеряемой системы и прибора включать также ту картину, которая возникает в сознании человека, наблюдающего за эволюцией системы. Так с появлением квантовой механики в физику проникает в качестве необходимого элемента сознание наблюдателя.

Начиная со знаменитой работы Эйнштейна-Подольского-Розена [1] началось постепенное понимание того, что концептуальные трудности квантовой механики имеют принципиальный характер и связаны с тем, что квантовая механика предполагает иное понимание реальности, чем в классической физике. Постепенно формируется и углубляется понятие квантовой реальности, в котором непосредственно фигурирует сознание наблюдателя.

Понятие квантовой реальности связано с кругом явлений, объединяемых под названием квантовой нелокальности. В 1964 г. Джон Белл сформулировал теорему [2; 3], которая дает простой экспериментально проверяемый критерий квантовой нелокальности: нарушение так называемых неравенств Белла. В 1981 г. группой американских экспериментаторов под руководством А. Аспека было показано [4], что неравенства Белла нарушаются.

Это означает экспериментальное доказательство существования квантовой нелокальности, то есть квантовый характер реальности в нашем мире. Возникла даже новая сфера приложений квантовой механики, которая целиком основана на квантовой нелокальности, то есть на квантовом характере реальности. Это широко известные квантовые компьютеры, а также квантовая телепортация и квантовая криптография.

Все это доказывает, что в квантовом мире сознание наблюдателя неотделимо от явлений, происходящих в материальном мире. Поэтому глубокое понимание квантовых закономерностей может пролить свет на сам феномен сознания, который тоже в самых глубоких своих проявлениях остается таинственным и не поддается объяснению.

Многомировая интерпретация квантовой механики

В 1957 г. молодой американский физик Хью Эверетт III предложил новую интерпретацию квантовой механики [5], которая радикально отличалась от всех интерпретаций, предложенных ранее, начиная с наиболее популярной копенгагенской интерпретации, разработанной Нильсом Бором и его коллегами еще в 1927 г. и исправно служившая в практической работе физиков. Новая интерпретация, предложенная Эвереттом, была активно поддержана и несколько развита такими выдающимися физиками ХХ в., как Джон Арчибальд Уилер и Брайс Де Витт [6] и была названа многомировой интерпретацией.

Интерпретация Эверетта основана на безусловном признании линейности квантовой механики во всех ситуациях, в том числе в процессе измерения квантовой системы. Следовательно, в интерпретации Эверетта признается, что после измерения возникает состояние, в котором (в качестве компонент суперпозиции) представлены все альтернативные результаты измерения. Все эти «классические альтернативы» признаются одинаково реальными.

Таким образом, концептуальные проблемы квантовой механики, ее парадоксальность, преодолеваются за счет того, что вместо обычного классического понимания реальности признают квантовую реальность. Это означает, в частности, что состояние нашего мира, поскольку этот мир является квантовым, адекватно описывается лишь как семейство классических состояний, которые согласно обычному (классическому) взгляду исключают друг друга (альтернативны по отношению друг к другу). Несмотря на эту «классическую несовместность», все «классические альтернативы» с объективной точки зрения признаются равноправными, «одинаково реальными».

Сознание наблюдателя как бы параллельно живет во всех этих альтернативных классических реальностях (эвереттовских мирах). Однако наблюдатель воспринимает каждую из этих классических реальностей изолированно от остальных. Поэтому субъективно он видит вокруг себя картину лишь одной реальности (одного из эвереттовских миров). Таким образом, «альтернативные классические проекции» квантового мира одинаково реальны, но сознание разделяет эти альтернативы 2 . Наша интуиция с трудом может принять такой странный вывод, однако именно он диктуется логикой квантовой механики (подтвержденной огромным количеством экспериментов).

2 Строго говоря, в работе самого Эверетта такой развернутой интерпретации, явно включающей сознание наблюдателя, не было. Она появилась позднее, в работах его последователей (см., например, [7]). Иногда такого рода развернутым формулировкам дают специальное название интерпретации многих сознаний, или разумов (many-minds interpretation). Для простоты мы не будем вдаваться в эти тонкости терминологии, относя положение о разделении альтернатив сознанием к интерпретации Эверетта, или многомировой интерпретации (понимая ее, следовательно, в широком смысле).

Расширенная концепция Эверетта (РКЭ)

Расширенная концепция Эверетта (РКЭ), предложенная автором в 2000 г. и развитая впоследствии в ряде статей [8-12] и в книге «Человек и квантовый мир» [13], представляет собой усовершенствованный вариант интерпретации Эверетта, который на самом деле выходит за рамки собственно квантовой механики.

Самое важное отличие РКЭ от многомировой интерпретации квантовой механики состоит в том, что она позволяет использовать специфические черты квантовой механики для того, чтобы понять, что есть сознание и объяснить наблюдаемые на практике необычные возможности сознания.

Связь между квантовой механикой и сознанием предполагалась многими исследователями, начиная с отцов-основателей квантовой механики (Гейзенберг, Бор, Паули). В далекие времена становления квантовой механики наиболее радикальные идеи, касающиеся ее связи с сознанием, были высказаны физиком Вольфгангом Паули и психологом Карлом Густавом Юнгом в результате их сотрудничества. В наше время роль сознания в квантовой механике активно обсуждается многими авторами. Меньше внимания уделяется развитию самой теории сознания на основе идей, почерпнутых из квантовой механики. Именно это является предметом исследования в РКЭ.

РКЭ отталкивается от упомянутого выше положения многомировой интерпретации о том, что объективно сосуществующие (в форме суперпозиции) альтернативные классические картины квантового мира разделяются в сознании, так что субъективно каждая из этих альтернатив воспринимается так, как если бы остальных альтернатив не существовало.

Краткая формулировка этого положения состоит в том, что сознание разделяет альтернативы.

Ключевым шагом при построении РКЭ является более сильное предположение, что сознание – это и есть разделение альтернатив. Такое отождествление упрощает логическую структуру теории, так как вместо двух первичных (неопределимых) понятий («сознание» и «разделение альтернатив») остается лишь одно. Более того, это единственное первичное понятие становится интуитивно яснее, так как теперь оно опирается на опыт как психологии, так и квантовой механики. Еще важнее, что из этого предположения сразу следуют чрезвычайно интересные выводы относительно сознания.

Первый, и, видимо, самый важный вывод, состоит в том, что в состоянии сна, транса или медитации, когда явное (чувственное) сознание почти полностью отключается, на оставшемся глубоком уровне сознания возникает доступ ко всем классическим альтернативам (то есть ко всем возможным классическим картинам объективно существующего квантового мира). Рассуждение, ведущее к этому выводу, очевидно. Если (явное) сознание – это разделение альтернатив, то выключение явного сознания означает, что исчезает разделение альтернатив.

Включенное явное сознание воспринимает каждую альтернативу изолированно от остальных, как если бы остальных альтернатив вообще не существовало. При выключении явного сознания все альтернативы становятся одновременно доступны.

Можно спросить: доступны чему оказываются альтернативы, если (явное) сознание выключено. Ответ звучит непривычно, но лишь в силу неразвитости терминологии. Все альтернативы оказываются доступны тому глубокому слою сознания, который, тем не менее, остается, когда выключается явное (чувственное) сознание. Этот глубокий слой сознания существует и в том состоянии, которое принято называть бессознательным. Этому самому глубокому слою сознания можно сопоставить отдельный термин, назвав его сверхсознанием. Таким образом, при включенном явном сознании субъективно воспринимается лишь одна классическая картина мира (другие объективно существующие альтернативы отделены). При выключении явного сознания остается сверхсознание, которому доступны все альтернативы. Доступны они, разумеется, не в обычной форме чувственных образов, а в какой-то другой, по сути непредставимой для нас форме.

Читайте также:  Распечатать таблицу для проверки зрения у детей в формате

Таким образом, при выключении чувственного сознания, то есть при погружении в сон, медитацию или транс, человеку становится недоступной обычная информация о том классическом мире, который он до этого воспринимал, но зато оказывается доступной информация обо всех возможных (альтернативных) классических картинах мира. Сверхсознание может сравнивать все альтернативы друг с другом, выбирать из них наиболее благоприятные и способствовать тому, чтобы субъективно воспринимать в будущем одну из тех альтернатив, которые представляются наилучшими.

Нетрудно видеть, что этот вывод, логически следующий из предположения, что сознание – это разделение альтернатив, вполне согласуется и с опытом восточных психологических школ (скажем, йогов), и с опытом, полученным в рамках самых разных религий и философско-мистических учений. Простота сделанного логического шага и явное совпадение выводов с широким кругом практически наблюдаемых психологических явлений делает правдоподобным основное направление, принятое в РКЭ. Разумеется, за этим должны следовать дальнейшие шаги по развитию всей концепции. Эти шаги могут сопровождаться совершенствованием терминологии и даже соответствующим развитием математического аппарата квантовой механики с тем, чтобы он мог охватить закономерности эволюции живой материи. Пример более адекватного математического формализма, названного посткоррекцией, предложен в статье [12].

Вероятностные чудеса

Упомянем только один, но очевидный, следующий шаг. Сверхсознание, возникающее при выключении явного сознания, предоставляет человеку чрезвычайно ценную информацию о том, каким в принципе может быть состояние окружающего его мира. Это своего рода предвидение или ясновидение. Имея эту информацию, человек может предпринять определенные действия для того, чтобы оказаться в будущем именно в той альтернативной картине мира, которая кажется ему благоприятной (в наилучшем из всех эвереттовских миров). В некоторых случаях это окажется для него возможным. Однако может ли человек повлиять на выбор альтернативы, если этот выбор зависит от действий других людей, от случайного стечения обстоятельств и пр.?

В ходе эволюции живой природы всегда оказывается, что если на некоторой ступени эволюции появляется доступ к какому-то виду информации, то появляется (развивается) и средство использовать эту информацию для улучшения качества жизни. Если отнести это к тому феномену, который мы называем сознанием (в широком смысле этого слова), то можно предположить, что сверхсознание может не только оценивать различные альтернативы, но и влиять на их выбор.

Субъективно человек ощущает вокруг себя «классическую реальность» (которая на самом деле является лишь одной из альтернативных классических проекций квантового мира). В какой классической реальности он окажется в следующий момент? В основных чертах это определяется закономерностями эволюции, в частности, классическими законами физики, химии и прочих естественных наук. Однако всегда остается неопределенность, так что в следующий момент (а тем более через значительный промежуток времени) человек может увидеть вокруг себя одну из множества альтернативных классических картин. Вероятность, с которой он увидит одну определенную альтернативу из всех возможных, назовем субъективной вероятностью выбора альтернативы.

Предположение, которое представляется вполне правдоподобным в рамках РКЭ, состоит в том, что сверхсознание может влиять на субъективную вероятность выбора альтернативы, чтобы благоприятные альтернативы были более вероятными. Если принять это предположение, то оказывается, что человек может влиять на реальность, управлять ею, по своей воле, даже в том случае, когда эта реальность, казалось бы, не зависит от него. В некотором смысле это означает, что человек может творить чудеса.

Возникает вопрос, не противоречит ли это объективно существующим законам природы, хорошо установленным в рамках различных естественных наук. В частности, не противоречит ли это законам квантовой механики, из которой мы исходили в своих рассуждениях? Оказывается, противоречия нет в силу того, что все вообще законы природы (за исключением сильно идеализированных) носят вероятностный характер. В квантовой механике это особенно очевидно, потому что там вероятностный характер предсказаний является фундаментальным положением. Даже если точно известно состояние некоторой квантовой системы, результат ее наблюдения не определен однозначно, его можно предсказать лишь вероятностным образом.

Сформулированное предположение о возможности «выбирать реальность» говорит о том, что сверхсознание может влиять лишь на субъективные вероятности альтернатив, увеличивая вероятности некоторых альтернатив и уменьшая другие. Если это предположение верно, то в своем субъективном опыте человек увидит, что осуществилось благоприятное для него событие, которое по объективным законам является маловероятным. Если объективная вероятность события очень мала, то его осуществление выглядит как чудо. Однако это то, что можно назвать «вероятностным чудом». Произошедшее событие не запрещено объективными событиями. Оно может произойти, даже если никакое сверхсознание не вмешивается. Оно может произойти с малой вероятностью, но важно, что оно не запрещено абсолютно.

Субъективный опыт обнаружит, что иногда происходят маловероятные события. Однако по самому определению вероятности это вполне возможно. Что действительно противоречило бы вероятностному закону, так это то, что появилась бы бесконечная серия событий, происходящих так часто, что это противоречит вероятностному предсказанию. Никакая конечная серия не противоречит вероятностному закону. Например, если при бросании монеты сто раз подряд выпадет орел, это не будет противоречить тому, что вероятность выпадения орла равна ½.

Итак, вероятностные чудеса не противоречат вероятностным объективным законам. А если проанализировать те примеры «чудес», которые имеются в различных религиях, мистических течениях и психологических практиках, то оказывается, что большинство из них можно отнести к числу вероятностных, то есть эти «чудеса» могли бы произойти и естественным путем, но с малой вероятностью.

Приведу один пример. Общеизвестно, что согласно библии при бегстве евреев из Египта воды моря отхлынули и открыли перед ними дорогу, а после них вновь сомкнулись, не пропустив войско фараона. Однажды мне попалось сообщение об одном исследовании, в котором доказывалось, что такое явление вовсе не было чудом. Автор утверждал, что в тех местах, в которых происходили описанные в библии события, иногда дует ветер, который выдувает воду из прибрежной полосы, обнажая дно. Таким образом, автор заключал, что при исходе из Египта никакого чуда не было. Но так ли это?

Почему ветер нужной силы и направления подул именно в тот момент, когда евреям нужно было спасаться от нагонявшего их врага? Почему ветер прекратился именно в тот момент, когда евреи благополучно прошли по оголенному дну, а на их место вступили египтяне? Разве эти совпадения – не чудо? Вполне возможно, что это было чудо, но вероятностное чудо. Произошло то, что могло произойти естественным образом, без нарушения законов природы. Однако вероятность того, что данное природное явление произойдет в нужный момент, крайне мала. А оно произошло в точности в этот момент, не раньше и не позже.

Между прочим этот пример хорошо иллюстрирует не только суть понятия «вероятностное чудо», но и тот факт, что чудесный характер такого рода событий в принципе не может быть доказан обычными для естественных наук методами. Для скептика всегда остается возможность сказать, что речь идет о простом совпадении. И действительно, в каждом таком случае происходит не что иное, как совпадение. Оценка совпадения как «вероятностного чуда» является полностью субъективной. Однако в определенных обстоятельствах (когда человек испытывает величайшую нужду в совпадении, и оно действительно происходит) возникает настолько сильное субъективное ощущение чуда, что не остается никаких сомнений в чудесной природе происходящего.

Это очень интересная сторона той теории сознания, которая возникает в РКЭ. Те или иные феномены могут быть отнесены к объективным законам природы или к законам сознания до известной степени произвольно. Изучать, какие феномены возможны, и в каких условиях, важнее, чем давать им оценку. Это еще раз, на другом уровне, напоминает нам об известном положении, что нельзя строго ни доказать, ни опровергнуть существование Бога. Это вопрос субъективного выбора каждого человека, вопрос о том, каким образом ему легче осмыслить свой субъективный опыт.

Таким образом, Расширенная концепция Эверетта устанавливает очень необычные отношения между естественными науками и «внелогическими» формами познания. С одной стороны, решение внутренних проблем квантовой механики приводит к выводу о существовании черт сознания, граничащих с мистикой. С другой стороны, это заключение в принципе нельзя понимать как сведение одного к другому. Каждая из названых двух сфер человеческого познания сохраняет относительную самостоятельность и требует собственной методологии (в одном случае объективистской, в другом – в большой мере опирающейся на субъективные оценки).

Кроме объяснения возможности вероятностных чудес, в рамках РКЭ можно получить целый ряд других выводов, которые позволяют объяснить хорошо известные, но иначе необъяснимые феномены. Среди них механизм выживания живых существ и жизненная необходимость сна для человека и высших животных; свобода воли; внелогические прозрения, в том числе научные озарения, и многое другое.

Бросается в глаза, что РКЭ позволяет на основе квантовой механики (ее глубоких, по сути, философских положений) объяснить то, что принято относить не только к сфере гуманитарных наук, но к сфере, которая с философской точки зрения оценивается как идеализм. Это и не удивительно, потому что логика квантовой механики заставляет включить в рассмотрение феномен сознания, то есть то, что не вписывается в рамки объективистской науки и что является первичным для идеализма. Однако структура РКЭ такова, что отнести ее к идеалистическим построениям никак нельзя.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Einstein A., Podolsky B., Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? // Phys. Rev. – 1935. – 47. – Р. 777-780.
  2. Bell J.S. On the Einstein-Podolsky-Rosen paradox // Physics. – 1964. – 1. – Р. 195-200. Reprinted in: Bell J.S. Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics. – Cambridge: Cambridge University Press, 1987.
  3. Bell J.S. Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics. – Cambridge: Cambridge University Press, 1987.
  4. Aspect Alain, Grangier Philippe, Roger G?rard. Experimental tests of realistic local theories via Bell’s theorem // Phys. Rev. Lett. – 1981. – 47. – Р. 460-463.
  5. Hew Everett III. `Relative state’ formulation of quantum mechanics // Rev. Mod. Phys. – 1957. – 29. – Р. 454-462. Reprinted in: J.A. Wheeler, W.H. Zurek (Eds). Quantum Theory and Measurement. – Princeton: Princeton University Press, 1983.
  6. The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics / еd. by B.S. DeWitt, N. Graham. – Princeton University Press, 1973.
  7. Zeh H.D. The problem of conscious observation in quantum mechanical description // Found. Phys. Lett. – 2000. – 13. – Р. 221.
  8. Менский М.Б. Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новые формулировки старых вопросов // УФН. – 2000. – 170. – С. 631-648.
  9. Менский М.Б. Квантовая механика, сознание и мост между двумя культурами // Вопросы философии. – 2004. – № 6. – С. 64-74.
  10. Менский М.Б. Понятие сознания в контексте квантовой механики // УФН. – 2005. – 175. – С. 413-435.
  11. Менский М.Б. Квантовые измерения, феномен жизни и стрела времени: связи между «тремя великими проблемами» (по терминологии Гинзбурга) // Успехи физических наук. – 2007. – 177. – С. 415-425.
  12. Mensky M.B. Postcorrection and mathematical model of life in Extended Everett’s Concept, NeuroQuantology. – 2007. – Vol 5. – No 4. – Р. 363-376. URL: http://www.neuroquantology.com/arxiv:physics.gen-ph/0712.3609.
  13. Менский М.Б. Человек и квантовый мир: (Странности квантового мира и тайна сознания). – Фрязино: Век 21, 2005.

Источник: журнал «Метафизика», 2012, № 1 (3)

Источники:
  • http://nowimir.ru/DATA/070901.htm