Текст книги "Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего"

Об этом-то и говорил Эверетт: мы никогда не видели ни зомбокотов, ни полувыстреливших пистолетов потому, что в миг, когда мы смотрим на эти объекты, мы и сами расщепляемся и разбегаемся по множеству временных линий, в каждой из которых одна наша копия видит свой, однако совершенно определенный результат.

Пока что я говорил о двух группах кет-скобок (в одной кот жив, а в другой мертв) как о «сюжетах», «историях» или «временных линиях», однако их можно назвать и другим словом – «вселенные». Ведь обе временные линии, и «живая», и «мертвая», дальше будут резко меняться.

Скажем, экспериментатор, увидевший мертвого кота, настолько огорчится, что уволится с работы и никогда не изобретет важнейшую технологию, которой в будущем пользовались бы миллионы людей. И эта громадная разница между «живой» и «мертвой» вселенными вызвана всего-навсего вращением одного крошечного электрона.

В соответствии с этой идеей, поскольку вокруг нас электроны и другие частицы ведут параллельные жизни, наша мультивселенная постоянно расщепляется и порождает новые временные линии, или вселенные, где реализуются все возможные результаты взаимодействий.

Нечего и говорить, что картина, которую предложил Эверетт, была чудовищно далека от привычных представлений о природе вещей. Но ведь и волшебный квантовый коллапс Бора, и надежно скрытые переменные Эйнштейна на самом деле не менее диковинны. В сущности, вся эта борьба идей о квантовых сюжетах вынудила физиков признать, что независимо от того, кто в итоге окажется прав, вселенная – место куда более странное, чем рисовало ее даже самое смелое воображение.

А как вы, должно быть, и сами понимаете, перерисовывание всей картины вселенной в соответствии с представлениями Бора, Эйнштейна или Эверетта имеет важные последствия для самого главного объекта в вашем личном уголке этой вселенной – для вас самих.

Что квантовая механика делает с мозгами

Любая интерпретация квантовой механики требует от нас радикального пересмотра представлений о себе с начала и до конца, причем каждый раз по-своему.

Картина Бора вынуждает нас задаться вопросом, обладают ли люди и животные какими-то особыми свойствами, которые заставляют квантовые системы избавиться от своих множественных личностей и коллапсировать, стоит нам на них взглянуть. Неужели в сознании и наблюдении есть нечто поистине магическое? Или у коллапса есть менее странное объяснение?

Скрытые переменные Эйнштейна вынуждают задуматься о другом: если вся хореография будущего предопределяется скрытыми переменными, разве это не превращает меня в зазнавшегося робота? Разве из этого не следует, что у меня нет свободы воли? А если нет, то зачем нужно сознание? И вообще – что это за скрытые переменные такие?

Параллельные вселенные Эверетта ставят под сомнение саму идею, что вообще можно говорить о «вас». Если всего через долю секунды «вам» суждено расщепиться на миллиарды версий, которая из них «вы»? А может, все они? Как это сказывается на важных решениях в вашей жизни и на чувстве ответственности за свои действия?

Эти вопросы – лишь верхушка огромного, жуткого и непонятного айсберга. И ответы на них породят дикое множество дальнейших вопросов, многие из которых когда-то считались не относящимися к физике. Одиноки ли мы во вселенной? Создавалась ли она с учетом того, что в ней будет существовать человечество? Есть ли жизнь после смерти? А вдруг анимизм – все-таки правда? Обладают ли сознанием атомы? Почему натуральное арахисовое масло коварно расслаивается в банке – и потом поди размешай его до однородности?

Когда квантовый ящик Пандоры открылся, это застало всех врасплох. Веками научный прогресс означал, что чем дальше, тем увереннее мы судим о фундаментальной природе вселенной, тем яснее наша картина мироздания. И тут вдруг квантовая механика распахнула двери, которые мы считали навеки замурованными, и пригрозила вновь привнести двусмысленность и неопределенность в наше понимание физики.

На этих страницах мы заново откроем мир, глядя на него сквозь призму разных интерпретаций квантовой механики. Мы посмотрим, насколько разные истории они рассказывают о вселенной, о жизни, о людях и нашем месте в мироздании. И увидим, как сильно эти идеи влияют на то, что вроде бы вообще не имеет отношения к физике, – например, на общество и законодательство. В каком-то смысле мы исследуем с вами физику добра и зла.

А заодно мы увидим, насколько научный процесс грязен, сколько в нем политики и черного юмора и как академические структуры в конечном счете играют с нашим пониманием реальности в собственных корыстных целях.

Глава 2
Коллапс, вызываемый сознанием, и физика души

Древние египтяне, когда у них болели зубы, ловили мышь, растирали в пасту и мазали этой пастой из дохлой мыши больной зуб.

Если вы в последнее время видели рекламу какой-нибудь зубной пасты, вы наверняка знаете, что девять из десяти стоматологов можно заставить согласиться приблизительно с чем угодно. Но, сдается мне, даже они сказали бы решительное «нет» пасте с добавлением дохлых мышей, в какие бы красивые тюбики производитель ее ни заталкивал.

Это я вот к чему: если нужно решить важную задачу, первое, что приходит нам в голову, обычно так себе вариант, и прежде чем мы изобретем зубную щетку, придется миновать этап пасты из мышатины. Это справедливо и для стоматологии, и для квантовой механики.

Когда была сформулирована проблема зомбокотов, все решили, что это загадка без решения. Насколько все могли судить, квантовая механика предсказывала, что наша вселенная полным-полна одновременно и живых, и мертвых котов и бейсбольных мячей, способных лететь во все стороны сразу. Однако простой житейский опыт этому противоречил.

Физики столетиями убеждали себя, будто могут объяснить практически любое явление во вселенной, поэтому их корежило от одной мысли, что их новенькая блестящая теория так плохо описывает очевидную реальность. Именно поэтому они рады были любому решению, любой, даже самой сырой гипотезе, лишь бы она давала ответ на загадку зомбокотов.

И этим решением – пастой из мышатины применительно к квантовой теории – стала интерпретация квантовой механики по Бору, идея коллапса. Как мы уже знаем, по мысли Бора, мы не видим зомбокотов (а также другие крупные объекты, которые делают много всего одновременно) потому, что акт наблюдения заставляет эти нечеткие системы коллапсировать только в одно какое-то состояние, которое мы и воспринимаем.

Но тогда возникает следующий больной вопрос: что считать наблюдением?

Вернемся к эксперименту с зомбокотом. У нас есть серый электрон, его сканирует датчик, этот датчик заставляет (или не заставляет) пистолет выстрелить, и это определяет судьбу кота, о коей затем узнает экспериментатор. Когда же происходит «наблюдение», вызывающее коллапс зомбокота, – в момент, когда экспериментатор открывает коробку и заглядывает внутрь? Или когда кот слышит выстрел? Или когда пистолет получает сигнал от датчика? Или, если уж на то пошло, когда датчик только сканирует электрон?

Похоже, «наблюдением» можно считать любой из этих этапов. Однако всякая неоднозначность физикам не по душе, и очень скоро главной задачей Бора стало объяснить, когда именно должен происходить этот его волшебный коллапс.

Ответ Бора состоял в том, что объекты во вселенной делятся на два типа: «маленькие» вроде атомов и электронов, которые могут существовать в нескольких местах одновременно (или делать сразу много всего), и «большие», которые умеют вызывать коллапс этих «маленьких» объектов в одно из множества их состояний, когда бы крупные объекты ни использовались для «наблюдения» мелких.

Поэтому, согласно Бору, только «большие» объекты способны вызывать коллапс маленьких, и это вызвано… хм… полагаю, их большими размерами. Подробнее Бор не объяснил. С другой стороны, «маленькие» объекты, например наш электрон, могут существовать в нескольких местах сразу или делать много всего одновременно, зато начисто лишены способности вызывать коллапс.

Бор утверждал, что к «большим» объектам применимы иные правила – иные законы физики, – чем к «маленьким». Вселенная, говорил он, ведет двойную бухгалтерию.

Чем же это большие объекты так отличаются от маленьких, спросите вы? Как вселенная решает, какие объекты могут вызывать коллапс других?

Ответа на этот вопрос у Бора не было. И вместо того чтобы работать над поиском ответа, он тратил время на придумывание броских афоризмов, лишь бы от него отстали с вопросами про его тяп-ляп-теорию. Одним из его любимых высказываний стало вот это: «Все, что мы называем реальным, создано из того, что реальным считать нельзя». Понимай как хочешь.

Несмотря на явные огрехи в логике Бора, физики так отчаянно хотели решить проблему зомбокота, что большинство просто согласилось с теорией коллапса, не задавая лишних вопросов, и довольно долго нелепая идея поделить вселенную на «все большое» и «все маленькое» была позицией по умолчанию у многих ведущих специалистов по квантовой механике в мире. Как определить «большое» и «маленькое», никто толком не понимал, но почти всем было наплевать. «Молчи и вычисляй!» – гласил неписаный закон.

Кстати, такой подход – молчи и вычисляй – практиковался не только в квантовой механике. Есть много ученых и философов, которые вообще не считают, что наука должна ставить себе цель «понять мироустройство». По их мнению, единственное, чем стоит заниматься науке, – это делать хорошие прогнозы. Тогда можно не ввязываться в ожесточенные споры о том, что такое атом, «реальна» ли энергия и так далее, а деньги налогоплательщиков пускать на более «интересные» задачи, например на вычисление отношения заряда электрона к его массе с точностью до десятого знака после запятой или чего-то в этом роде.

По правде говоря, мне кажется, это довольно дурацкая точка зрения, которая к тому же тормозит научный прогресс. Самые крупные достижения в естественных науках, а особенно в физике, обычно начинаются с предположения, что в реальном мире существует какой-то новый тип предметов или явлений, а затем ученые, опираясь на это предположение, делают прогнозы, которые можно проверить. Например, чтобы открыть атомы, кто-то должен был сначала предположить, что атомы существуют, и на основании этого предположения сделать прогноз, как должна вести себя жидкость, если атомы действительно существуют, а затем этот прогноз проверить. Этот процесс приносит результаты только при условии, что ученые осмеливаются утверждать что-то об устройстве мира, а не тешатся со своими формулами тайком от всех, помалкивая насчет природы вещей.

Между тем описания реальности делают науку сильнее, однако не все они полезны, что возвращает нас к Бору и его нелепой теории. Если вы, как и я, считаете, что задача физики – не просто делать хорошие предсказания, а еще и объяснять, что на самом деле происходит во вселенной, вам наверняка кажется весьма глупой и обидной сама мысль, будто законы физики проводят некую загадочную грань между «большими» и «маленькими» объектами, а нам нельзя даже интересоваться, что это за грань и откуда она взялась.

К счастью, последнее слово осталось не за Бором: многие физики продолжали требовать, чтобы им четко сказали, где и почему проходит грань между большим и маленьким. Оказывается, стремление это объяснить возымело очень серьезные и совершенно неожиданные последствия.

Впервые в истории ученым пришлось включить в уравнение сознание.

Важен ли разум?

Джон фон Нейман овладел высшей математикой к восьми годам, а к девятнадцати успел опубликовать две научные статьи, и все были уверены, что он вот-вот получит национальную венгерскую премию по математике. Вероятно, он самый умный из всех, о ком вы никогда не слышали. Но если вам станет от этого легче, упомяну, что пел он паршиво, да и готовил наверняка так себе.

Фон Нейман указал на главный пробел в картине Бора: так называемые «большие» объекты, обладающие способностью вызывать коллапс, целиком и полностью состоят из «маленьких», которые этого не умеют. Микроскопы и измерительные приборы, без которых Бор не мог объяснить, почему атомы и электроны коллапсируют, сами состоят из атомов и электронов!

Если каждый атом, входящий в состав микроскопа, может жить субатомной двойной жизнью, почему и сам микроскоп не может существовать во многих состояниях одновременно? А если так, почему то же не относится и к человеку, который смотрит в этот микроскоп?

В сущности, фон Нейман показал, что нет никаких причин проводить границу между большим и маленьким в каком-то конкретном месте. Если атом коллапсирует, когда его наблюдают в микроскоп, то утверждать, что коллапс вызван микроскопом, не осмысленнее, чем говорить, что коллапс вызван человеком, который смотрел в микроскоп. Каждый шаг в этой «измерительной цепочке» – всего лишь взаимодействие одного скопления атомов с другим скоплением атомов. Конечно, у некоторых скоплений есть собственные названия – «микроскоп», «пистолет», «кот», – но трудно понять, как могут влиять на что-то в этой ситуации совершенно произвольные различия, проводимые между разными скоплениями атомов людьми.

А значит, нет причин полагать, будто возможно указать на какую-то конкретную часть цепочки, которая и вызывает коллапс. Более того, фон Нейман не видел причин, почему тело экспериментатора, состоящее из атомов, как и все остальное, не должно расщепиться точно так же, как электрон или любые другие объекты вдоль измерительной цепочки. В каком-то смысле фон Нейман двигался в направлении той же многомировой интерпретации с параллельными вселенными, о которой мы говорили в предыдущей главе, – за несколько десятилетий до того, как ее предложили!

Тем не менее фон Нейман все же полагал, что коллапс должен где-то происходить. Он не был готов согласиться с тем, что экспериментаторы носятся по лабораториям планеты, видя и не видя одновременно и живых, и мертвых котов.

Это поставило его в неловкое положение. Все вещество состоит из атомов, а атомы не могут по отдельности вызывать коллапс, поскольку относятся к «маленьким» объектам, а маленькие объекты лишены такой способности. Поэтому, если коллапс и произойдет, его должна вызвать некая сущность, которая ведет себя так, будто вообще не состоит из атомов, нечто такое, что играет по иным правилам, чем все остальное во вселенной!

Чем бы эта сущность ни была, фон Нейман заключил, что она не может состоять из обычного вещества, это должно быть нечто нематериальное, даже нефизическое. По всему выходило, что во вселенной должна быть некая сущность, которая:

1. совершенно нематериальна (не состоит из атомов),

2. обладает способностью волшебным образом вызывать коллапс материальных объектов и

3. отслеживает все, на что падает взгляд человека, чтобы вызвать коллапс этих объектов, прежде чем мы успеем заметить, что они находятся во многих местах одновременно или делают много всего сразу.

Фон Нейману эта странная сущность начала подозрительно напоминать что-то вроде души или сознания. Он даже дал ей название «абстрактное эго».

Взглянем на нашего зомбокота и проанализируем его с позиции фон Неймана. Сначала все происходит более или менее так же, как в прошлой главе: электрон вращается в двух направлениях одновременно…

Не забывайте: законы квантовой механики применимы и к телу экспериментатора, поэтому и он должен был бы расщепиться на две копии – если бы не гипотетическое присутствие сознания, вызывающего коллапс, по мысли фон Неймана.

Согласно фон Нейману, это нематериальное сознание каким-то образом отслеживает, что наблюдает экспериментатор, и мгновенно вызывает коллапс всего, на чем сосредоточено наше внимание, так что мы всегда видим только один определенный результат:

Дальше фон Нейман свою аргументацию не продумывал. Он никогда не пытался объяснить, как это сознание следит, на что мы обращаем внимание, чтобы знать, когда запускать процесс коллапса. Не претендовал он и на понимание того, какую роль оно играет в формировании нашего мировосприятия. Поэтому вы, вероятно, считаете этот ход сомнительным: зачем объяснять одну загадку другой?

И все же то была доблестная попытка восполнить самые зияющие пробелы в картине коллапса по Бору, причем в законах физики впервые явным образом уделялось место сознанию (или чему-то похожему). Это был поистине примечательный момент в истории самопознания человека, и он заслуживает того, чтобы рассмотреть его в широком контексте.

Не забывайте, что до фон Неймана с его спекулятивной концепцией коллапса каждый последующий шаг в погоне человечества за научными знаниями, по сути, вытеснял понятия сознания и духа все дальше и дальше на периферию. И вдруг ни с того ни с сего появился весомый аргумент, предполагающий, что природа вовсе не исключает идеи эфемерного, нематериального компонента человеческого разума. В сущности, если следовать логике фон Неймана, природа этого прямо-таки требует!

Предложение фон Неймана у многих вызвало раздражение, и неспроста. Его доводы радикальны, они вызывают тревогу и заставляют задаться фундаментальными вопросами о природе человека.

И хотя сам я не согласен с идеей сознания, вызывающего коллапс, я вынужден признать, что аргументация фон Неймана – не единственная ниточка, ведущая в этом направлении.

Разумна ли материя?

«Сознание» – одно из тех занятных слов, которые легко употреблять, но трудно определить.

К сожалению, если не можешь дать чему-то определение, в науке этому не место, а следовательно, если хочешь вывести разговор о сознании из кабинетов философов с трубками в зубах на территорию лабораторных халатов и лазерных установок, для начала нужно понять, что же, собственно, означает слово «сознание».

А сие непросто. Философы размышляют над этим тысячи лет, но только и могут промямлить, что нечто обладает сознанием, если как-то относится к своему бытию. Не знаю как вы, а я ожидал бы большего от проверки домашнего задания по философии через несколько тысяч лет после того, как его задали. Тут нам с вами ловить нечего.

И в том-то и беда: как ни крути, наука попросту не способна потрогать сознание непосредственно. Она относится к миру так, словно он состоит из неодушевленных предметов, однако сознание – штука субъективная, я не могу показать вам свое сознание, а вы мне ваше. А если мы не можем показать друг другу свое сознание или потыкать в него палочкой, как прикажете его изучать?

На самом деле единственная причина, по которой я считаю, что вы обладаете сознанием, состоит в том, что вы вроде бы ведете себя очень похоже на меня почти во всех доступных мне проявлениях. Поэтому я просто предполагаю, что и внутри вас звучит такой же внутренний монолог и идет тот же фильм, что и у меня, со всеми запахами, звуками и «эффектами присутствия», которые к этому прилагаются. Но сказать наверняка я не могу!

Сколько бы зануд ни ломали себе над этим голову, сколько бы денег мы в это ни вбухивали, у науки попросту нет нужного словаря, чтобы исследовать сознание непосредственно. И тем не менее мы знаем, что сознание существует, поскольку у всех нас оно есть. Так как же подобраться к сознанию строго по-научному?

Не так давно ответить на этот вопрос вызвался один патлатый исполнитель блюза и по совместительству философ Дэвид Чалмерс.

По мысли Чалмерса (полагаю, товарищи по группе с ним согласны), если базового словаря, который наука использует для описания мира (куда входят слова вроде «масса», «заряд», «магнитное поле» и прочие), недостаточно, чтобы объяснить феномен сознания, значит, список терминов, вероятно, надо расширить. Возможно, нам надо считать сознание как таковое фундаментальным кирпичиком природы!

По мнению Чалмерса и его единомышленников, если мы хотим разработать научную теорию сознания, нам придется прежде всего предположить, что сознание – это фундаментально новое явление во вселенной. И тогда можно будет уже искать, где и как оно встраивается в нашу физику.

Трудно сказать, рассуждал ли фон Нейман подобным образом, когда за много лет до этого выдвигал гипотезу о коллапсе, вызываемом сознанием, однако она, безусловно, прекрасно согласуется со стратегией, которую, как полагают философы вроде Дэвида Чалмерса, придется так или иначе принять, если мы хотим когда-нибудь разрешить сложную проблему сознания.

Так что в каком-то смысле идеи фон Неймана убили двух зайцев сразу: наконец подарили нам физическую картину сознания, с которой можно работать и которую можно в явном виде присовокупить к нашим физическим теориям, и одновременно приблизили нас к решению проблемы зомбокота. Кроме того, они открывают перед нами любопытные перспективы. Если сознание – источник осведомленности человека о себе – и правда существует в какой-то отделенной от человеческого тела форме, не может ли быть такого, что мы продолжим осознавать самих себя после того, как у нашего физического тела истечет срок годности? Не играем ли мы сейчас с тем, что с полным правом можно назвать душой?

Не хочу портить всем праздник, но при всей соблазнительности этих идей думать о них несколько преждевременно. Дело в том, что модель фон Неймана оставляет по себе ужасно много открытых и неприятных вопросов.

Прежде всего, она никак не объясняет, когда именно это загадочное сознание запускает процесс коллапса. В конце концов, когда что-то наблюдаешь, «наблюдение» не происходит мгновенно, оно требует ряда шагов. Сначала свет попадает в глаза, затем зрительный нерв возбуждается и посылает сигнал в мозг. Так когда же происходит коллапс – до того, как свет от зомбокота достигает нашего глаза? Или до того, как глаз передает сигнал о результате эксперимента зрительному нерву? Или до того, как зрительный нерв оповещает мозг о том, что наблюдалось? Или в какой-то момент, когда наблюдение уже внутри мозга «регистрируется» и обрабатывается?

Поэтому можно утверждать, что предложение фон Неймана особой пользы не принесло. Если разбить процесс наблюдения на этапы, остается неясным, когда нематериальное сознание экспериментатора поймет, что пора вмешаться и вызвать коллапс того, на что тот смотрит.

Фон Нейману пришлось попотеть, когда от него потребовали объяснений, откуда сознание узнает, в какой момент и у чего надо вызвать коллапс, а также где именно в физической вселенной прячется эта бестелесная сущность. Его идеи были многообещающими, однако в каком-то смысле лишь замели вопрос коллапса под ковер.

И тем не менее его недописанная картина вселенной, полной бессознательного квантового материала и нематериального сознания, послужила отправной точкой для следующего поколения мыслителей, бьющихся над вопросом о роли наблюдателя и сознания в квантовой теории.

Настал звездный час квантового мистицизма.