Квантовый мир и сознание [1]

Как и почему в одной из интерпретаций квантовой механики возникает представление о параллельных мирах? Может ли сознание человека влиять на то, в каком из миров он окажется? О роли сознания в квантовой механике и о том, можно ли перебросить мост между естественными науками и гуманитарной культурой, – физик Михаил Менский.

Участник:

Менский Михаил Борисович – доктор физико-математический наук, профессор, ведущий научный сотрудник Физического института РАН.

1. Парадоксальность квантового измерения.

В квантовой механике измерение обладает контр-интуитивными, парадоксальными чертами. В частности, свойства квантовой системы, обнаруженные при измерении (например, локализация частицы, то есть свойство быть в определенном месте) могут не существовать до измерения. Такого рода парадоксальные черты квантовой механики доказаны экспериментально и даже используются для создания технических устройств, обладающих неожиданными новыми возможностями. Так, быстро развивающаяся прикладная наука, квантовая криптография, предлагает способы передавать секретный код с гарантией от его перехвата. Точнее, любая попытка перехвата пересылаемого кода, пересылаемого по «квантовому» каналу, неизбежно оставит след, который будет обнаружен принимающим и даст знать, что этим кодом пользоваться нельзя – он рассекречен. Гарантию обнаружения дают законы квантовой механики: невозможно подслушать передаваемое, не оставив следа, так как невозможно получить информацию о квантовой системе, не изменив ее состояния. В свою очередь это положение следует из знаменитого принципа неопределенности.

2. Редукция состояния (селекция альтернативы) при измерении.

«Появление» при измерении квантовой системы таких ее свойств, которые не существовали до измерения, описывается как явление редукции состояния системы (его называют также коллапсом волновой функции). С формальной точки зрения редукция состоит в следующем. Начальное состояние системы (начальный «вектор состояния») является суммой (суперпозицией) некоторого числа векторов, которые соответствуют всем возможным результатам измерения. Состояние, которое возникает после измерения (редуцированное) – это один из таких векторов-слагаемых, а именно тот, который соответствует результату, полученному в данном измерении. Все остальные слагаемые исчезают, и именно в этом состоит редукция. Редукция состояния перестраивает это состояние таким образом, чтобы оно полностью соответствовало результату измерения. Заметим, что до измерения состояние не соответствует ни одному из возможных альтернативных результатов измерения. Именно это имеется в виду, когда говорят, что свойство, обнаруженное при измерении, может не существовать до измерения. В классической физике такого, разумеется, не может быть. Редукцию можно описать также как селекцию альтернативы – фиксацию одного из всех возможных альтернативных результатов измерения. Например, если до измерения волновая функция частицы отлична от нуля в широкой области, то после измерения положения частицы ее волновая функция отлична от нуля лишь в узкой области, соответствующей полученному результату измерения. Это значит, что произошла редукция состояния частицы, в данном случае нелокализованная частица стала локализованной.

3. Редукция – корректный метод расчета.

Предположение о редукции, происходящей в момент измерения, было введено в квантовую механику ее основателями, прежде всего Нильсом Бором и Иоганном фон Нейманом, чтобы описать то, что происходит при взаимодействии квантовой системы с измерительным прибором, с помощью которого наблюдатель получает информацию об этой системы. Редукция квантовой системы при измерении позволяет правильно рассчитывать результаты измерений, и в этом смысле корректность этого понятия не подлежит сомнению. С практической точки зрения никакой проблемы нет: понятие редукции позволяет правильно выполнить любой расчет, все предсказания, полученные на основании таких расчетов, подтверждаются. С точки зрения стандартных требований, предъявляемых к физической теории, квантовая механика, дополненная постулатом о редукции состояния при измерении, полна и не требует никакой существенной переработки. В то же время с момента возникновения квантовой механики активно обсуждались возникающие в ней концептуальные проблемы, большая часть которых связана с процедурой измерения и понятием редукции. Эти обсуждения не только не закончились в наше время, но даже активизировались в последние два десятилетия.

4. В квантовой механике редукция – чужеродное понятие.

В частности, всегда были физики, которые чувствовали, что редукция является «чужеродным» элементом, что это понятие искусственно привнесено в квантовую физику, чтобы совместить ее с классическими законами, которым, казалось бы, должны подчиняться макроскопический прибор и тем более наблюдатель. Почему понятие редукции кажется искусственным? Дело в том, что измерительный прибор, используемый при измерении, а также глаз, нервы и мозг наблюдателя, фиксирующие результат измерения, состоят из квантовых атомов и значит сами являются квантовыми системами. Следовательно, они подчиняются законам квантовой механики, тогда как классическое описание их поведения является приближенным. Согласно законам квантовой механики (уравнению Шредингера) никакие взаимодействия системы, в том числе с прибором и наблюдателем, не могут привести к редукции (то есть к устранению всех слагаемых суперпозиции, кроме одной, см. описание редукции, данное выше). Таким образом, если рассуждать строго логически, редукция невозможна. Вместо этого состояние всего комплекса, состоящего из измеряемой системы, прибора и наблюдателя, должно описываться как суперпозиция (сумма) состояний, соответствующих различным альтернативным результатам измерения.

5. В сознании наблюдателя редукция (селекция) неизбежна.

Итак, рассматривая и измеряемую систему, и измерительный прибор, и наблюдателя как квантовые системы, мы приходим к выводу, что полная система (включающая все эти части) остается в состоянии, в котором отражены все возможные альтернативные результаты измерения. Редукция, то есть выбор одной альтернативы, произойти не может. В то же время выбор одной альтернативы заведомо имеет место, когда наблюдатель осознает, какой результат дало измерение. Эта парадоксальная ситуация, выявляемая известными парадоксами «кота Шредингера» и «друга Вигнера», явно указывает на то, что вводимое в квантовой механике понятие редукции (селекции) имеет непосредственное отношение к сознанию наблюдателя.

6. «Проблема измерения» в квантовой механике. Попытки снять это противоречие, решить парадоксы квантовой механики, никогда не прекращались и до сих пор не привели к общепринятому решению. Стоящая при этом проблема носит название проблемы измерения. В поисках ее решения предлагались различные интерпретации квантовой механики. Еще раз оговоримся, что эта проблема возникает не из-за того, что теория неудовлетворительно описывает эксперимент, а из-за желания некоторых физиков сделать эту теорию логически более последовательной. Поэтому другие физики склонны считать проблему измерения надуманной, схоластической. Однако среди тех, кто активно искал решение этой проблемы, были практически все великие отцы-основатели квантовой механики, а в наше время вопросы, связанные с проблемой измерения, вызывают чрезвычайно большой интерес у гораздо более широкого круга физиков. Среди них такие выдающиеся исследователи, как Джон Арчибальд Уилер, Роджер Пенроуз, Дитер Цее, Давид Дойч. По-видимому, активизация интереса к этому кругу вопросов связана с появлением новых приложений квантовой механики, известных под именем квантовой информатики. Одним из направлений квантовой информатики является квантовая криптография, о которой говорилось выше, другим – теория квантовых компьютеров, которые, если будут реализованы, могут привести к невиданным скоростям вычислений в некоторых важных вычислительных задачах.

7. Много-мировая интерпретация обходится без редукции.

Обычно о различных подходах к решению концептуальных проблем квантовой механики и прежде всего проблемы измерения говорят как о различных интерпретациях квантовой механики. Самый радикальный (но и наиболее критикуемый) подход – это так называемая много-мировая интерпретация, предложенная в 1957 году Эвереттом. В ней все возможные результаты измерения квантовой системы рассматриваются на равной ноге. Отвергается обычное представление, будто лишь один из возможных результатов реализуется, а остальные являются потенциальными возможностями, которые остаются нереализованными. Эта интерпретация предполагает, что редукция вообще не происходит (в сумме векторов, о которой говорилось выше, сохраняются все слагаемые). То явление, которое описывается как редукция вектора состояния, является лишь кажущимся, то есть связана с сознанием наблюдателя. С точки зрения интерпретации Эверетта различные (классически несовместимые) картины мира сосуществуют в квантовом мире, и лишь в сознании наблюдателя появляется единственная классическая картина мира. Для наглядности говорят о том, что существуют различные классические миры (эвереттовские параллельные миры), из которых сознание индивидуального наблюдателя воспринимает лишь один. Впрочем, такая формулировка иногда может вводить в заблуждение, и ее нужно поверять формулировкой в терминах суперпозиции и составляющих ее слагаемых.

8. Квантовая суперпозиция и индивидуальное сознание.

Интерпретация Эверетта исходит из того, что при любых взаимодействиях квантовой системы с ее окружением (в том числе с измерительными приборами и через них – с наблюдателем) система и окружение остаются в состоянии суперпозиции, включающей все возможные альтернативные результаты измерения в качестве слагаемых (компонент суперпозиции). Селекция одной альтернативы, или редукция, то есть отбрасывание всех слагаемых, кроме одного, не может произойти, поскольку все системы эволюционируют по законам квантовой механики (в соответствии с уравнением Шредингера). Однако в сознании каждого индивидуального наблюдателя всегда имеется лишь одно из этих слагаемых, то есть в сознании селекция происходит. Но как это совместить с наличием различных классических миров, в равной степени реальных, что предполагается в интерпретации Эверетта? Ответ в том, что мозг как квантовая система тоже находится в состоянии суперпозиции, различные слагаемые которой соответствуют тому, что наблюдатель видит различные альтернативные результаты измерения, различные классические миры. Таким образом, селекция, происходящая в сознании, состоит не в отбрасывании всех классических картин, кроме одной, а в их разделении, в изоляции их друг от друга. Возникает «квантовое расщепление» сознания. Оно не противоречит тому, что любой индивидуальный наблюдатель видит лишь одну классическую картину из всех картин, содержащихся в суперпозиции. Для наглядности можно считать, что каждый наблюдатель «расщепляется» на множество наблюдателей, по одному для каждого из эвереттовских миров. Каждый из них видит ту картину, которая имеется в том мире, в котором он оказался. Это самый трудный для понимания, но и самый важный пункт в интерпретации Эверетта.

9. Вероятности альтернатив (эвереттовских миров).

Каждый индивидуальный наблюдатель может задать вопрос: в каком мире окажусь я, то есть какой результат измерения я увижу, когда измерение закончится? Ответ дает распределение вероятностей по различным результатам измерения, которое рассчитывается по законам квантовой механики. Для наглядности можно считать, что имеется много миров одного и того же типа (то есть соответствующих одному результату измерения), и чем больше миров данного типа, тем больше вероятность для наблюдателя оказаться именно в нем.

10. Отождествление селекции альтернатив с «осознаванием».

На наш взгляд, концепция, вытекающая из интерпретации Эверетта, становится более четкой и последовательной, если не просто признать, что селекция связана с сознанием, но отождествить селекцию альтернатив с работой сознания. Говоря точнее, селекция альтернатив отождествляется с актом осознавания, перехода от состояния, когда результат измерения еще не осознан наблюдателем, к состоянию, в котором результат измерения осознан (М. Б. Менский, УФН, т. 170, No. 6, стр. 631 (2000)). Таким образом, осознавание (элементарный акт сознания, его «начало») отождествляется с тем, что в квантовой физике описывается как редукция – фиксация альтернативы, «коллапс» состояния. После такого отождествления становится понятно, почему редукция оказывается чужеродной в квантовой механике: потому, что редукция – это уже не просто физика, а нечто качественно новое, – работа сознания, которая физикой, разумеется, полностью не определяется. При таком подходе феномен сознания описывается как бы с двух сторон – со стороны психологии и со стороны квантовой физики (как последний этап в описании измерения квантовой системы). Сознание оказывается границей между физикой и психологией, имеющей прямое отношение к обеим этим сферам. Описание сознания лишь в рамках одной из этих сфер является неполным.

11. Сознание – место встречи двух культур.

Таким образом, концептуальный анализ квантовой механики приводит к необходимости ввести в эту теорию сознание наблюдателя как необходимый элемент. Это, в свою очередь, открывает путь к непосредственному контакту между естественными науками с одной стороны и различными способами изучения духовного мира человека – с другой. Эти две сферы интеллектуальной деятельности людей («две культуры», в популярной в свое время терминологии Чарльза Сноу), которые обычно считаются взаимно исключающими, встречаются при изучении феномена сознания. Каждая из них подходит к этому феномену со своими специфическими методами, но достигает при этом лишь одностороннего знания о нем. Познание самых интересных аспектов феномена сознания возможно лишь при взгляде на него одновременно с двух сторон: естественнонаучной и гуманитарной. Только таким образом можно построить теорию сознания, включающую его самые глубинные слои («осознавание», корень сознания, обозначаемый в восточной философии как «дзен» или «чень»).

12. Сознание – граница между материализмом и идеализмом.

С точки зрения западной философии отношение к сознанию (вторично оно или первично по отношению к материи) характеризует различие между материализмом и идеализмом. Многие физики, в том числе Паули и Вигнер, приходили к выводу, что квантовая механика, которая вынуждена включить в рассмотрение сознание наблюдателя, несовместима с материализмом. С точки зрения развиваемой нами концепции сознание (а именно, глубинные слои его, корень сознания) лежит на границе между материализмом и идеализмом и связывает эти два философских направления, вопреки общепринятому убеждению об их несовместимости. Материя первична, а сознание вторично в том смысле, что объективно существует квантовый мир, а сознание воспринимает лишь одну из возможных его «проекций», которая интерпретируется сознанием как классическая реальность. Сознание первично, а материя вторична в том смысле, что классическая реальность (которую принято считать единственной реальностью) возникает лишь в сознании и в результате его деятельности, а в квантовом мире существует лишь как одна из огромного множества компонент (проекций), которые характеризуют этот гораздо более богатый мир.

13. Можно ли проверить много-мировую интерпретацию?

В своей оригинальной версии много-мировая интерпретация не может быть проверена экспериментально, так как она оставляет справедливыми обычные предсказания квантовой механики. Между параллельными мирами Эверетта не может быть никакого контакта, каждый наблюдатель видит лишь один из них, и нет никой возможности доказать или опровергнуть существование других. Вероятность оказаться в данном мире (то есть получить данный результат измерения) рассчитывается по обычным квантово-механическим правилам. Отсутствие возможности проверить интерпретацию Эверетта при том, что ее предположения (реальность всех альтернатив) чрезвычайно радикальны, – главное возражение против этой интерпретации. Поэтому предлагались варианты много-мировой интерпретации, в которых между различными мирами имеется взаимодействие. Однако такие предложения кажутся искусственными.

14. Сознание выбирает мир, в котором живет?

Но если отождествить селекцию альтернатив с работой сознания (как говорилось выше), то можно предположить, что вероятности альтернатив определяются уже не только законами физики, но в какой-то мере зависят от работы сознания. При этом достаточно правдоподобной представляется гипотеза о том, что сознание человека при некоторых условиях (находясь в особом, «активном» состоянии) не просто пассивно фиксирует одну из альтернатив, но во-первых может сравнивать альтернативы, то есть воспринимать одновременно разные миры, а во-вторых способно влиять на вероятность каждой из альтернатив, то есть на то, какую из альтернатив увидит данный индивидуальный наблюдатель (в каком из миров он окажется). Предварительный анализ показывает, что эта гипотеза не является внутренне противоречивой (М. Б. Менский, УФН, т. 170, No. 6, стр. 631 (2000)). Если принять ее, то много-мировую интерпретацию можно проверять, однако не в обычных экспериментах, а в экспериментах с индивидуальным сознанием, то есть при наблюдении того, что происходит в индивидуальном сознании.

15. Подтверждения этой гипотезы уже имеются?

Есть основания думать, что многие необычные явления, связанные с человеческой психикой, как раз и являются подтверждением эвереттовской интерпретации и гипотезы об активном сознании. Активное состояние сознания, в котором оно может влиять на выбор альтернативы, а значит, и анализировать различные альтернативы, различные эвереттовские миры, – естественно отождествить с состоянием «сверхсознания», которое получило множество подтверждений в исследованиях по психологии, в частности, по психологии творчества. Следует отдавать себе отчет в том, что при таком подходе меняется методология: в качестве доказательства принимаются не только результаты экспериментов, которые можно многократно повторять, но и наблюдение над индивидуальным сознанием, которое заведомо уникально. Впрочем, в наше время даже в естественных науках все больше распространяется методика доказательства, основанная на наблюдении уникальных явлений. В таких областях науки, как космология, для такой методики нет альтернативы.

Ряд теорий, которые претендуют на более высокий уровень фундаментальности, чем обычная квантовая теория – это:

– квантовая механика Давида Бома,

– теория совместных квантовых историй,

– многомировая интерпретация квантовой механики.

Наиболее радикальным вариантом углубления теории является мпогомировая интерпретация квантовой механики, предложенная Эвереттом иразвитая Уилером. Иногда она называется интерпретацией Эверетта-Уилера. В этом подходе рассматривается замкнутая система, включающая и измеряемую подсистему, и прибор, и наблюдателя (словом, всю Вселенную, весь мир). Соответственно, декогеренции не происходит и нет никакой причины для того, чтобы суперпозиция альтернативных чистых состояний превратилась в смесь. Согласно интерпретации Эверетта, каждая из компонент суперпозиции описывает целый мир, и ни одна из них не имеет преимущества перед другой. Имеется столько миров, сколько альтернативных результатов имеет рассматриваемое измерение. В каждом из этих миров имеется и измеряемая система, и прибор, и наблюдатель. И состояние системы, и состояние прибора, и сознание наблюдателя в каждом из этих миров соответствует лишь одному результату измерения, но в разных мирах результаты измерения различны.