Продолжение. См. № 24/06

Проф. М.Б.МЕНСКИЙ,
ФИРАН им. П.Н.Лебедева, г. Москва

mensky@lebedev.ru

Странности квантового мира и тайна сознания

(Печатается выборочно и в сокращении по книге М.Б.Менского «Человек и квантовый мир (странности квантового мира и тайна сознания)» (Фрязино: Век2, 2005; vek-2@mail.ru).)

ГЛАВА 5. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА И СОЗНАНИЕ

Мы уже говорили (см., например, раздел 3.3) о том, что для разрешения концептуальных трудностей квантовой механики («проблемы измерения») необходимо явным образом включить в неё сознание наблюдателя. В разделе 4.3 мы проследили, как физики пытались разрешить эти трудности в разные периоды развития квантовой механики. В последний период, который продолжается и сейчас, надежды возлагались и возлагаются прежде всего на интерпретацию Эверетта, которую ещё называют многомировой интерпретацией квантовой механики.

В этой главе мы познакомимся с этой интерпретацией и попытаемся с её помощью прояснить вопрос о роли сознания в квантовой теории измерений. Расширяя концепцию Эверетта, мы примем предположение о том, что сознание как психический феномен на самом деле тождественно квантово-механическому понятию выбора альтернативы. Это предположение позволит в ином ракурсе взглянуть на проблему измерения и на понятие реальности (в главе 6 из этого анализа будут сделаны весьма далеко идущие выводы). В свете этого предположения сознание оказывается общим элементом квантовой физики и психологии и тем самым объединяет сферы естественнонаучного и гуманитарного знания¹.

5.1. Концепция Эверетта: квантовая физика без коллапса

Концепция Эверетта была предложена еще в 50-е гг. Сам Эверетт называл её интерпретацией квантовой механики, основанной на понятии относительного состояния (relative state interpretation), однако позднее, после работ Уилера и ДеВитта, она стала называться многомировой интерпретацией (many-worlds interpretation). Это название связано с тем, что концепция Эверетта допускает существование многих (а фактически – бесконечного числа) классических реальностей, которые можно наглядно представлять себе как множество классических миров.

Многомировая интерпретация, или интерпретация Эверетта, ранее считавшаяся слишком фантастической, в последние два десятилетия очень активно обсуждается, и в настоящее время её признают гораздо больше специалистов, чем раньше. Были тщательно изучены многие её аспекты и предложены различные варианты развития. Мы не будем пытаться анализировать все точки зрения на интерпретацию Эверетта, а проследим лишь одну возможную логически полную линию рассуждений, опирающуюся на эту интерпретацию и ведущую, на наш взгляд, к интересным новым перспективам (и не только в физике).

Прежде всего поясним интерпретацию (концепцию) Эверетта, продолжая логику рассуждений, начатую в предыдущей главе. Мы привели там аргументы, свидетельствующие о том, что постулат редукции фон Неймана чужд квантовой механике. Он принят в ней, ценой эклектичности всей теории, лишь для того, чтобы обойти концептуальные проблемы, не решая их по существу, и построить схему, пригодную для практических расчётов. При редукции фон Неймана от исходной суперпозиции (в использованном ранее примере = c₁₁ + c₂₂ остаётся лишь одна компонента, скажем, _1, или, наоборот, ₂). Но в противоречие с этой картиной линейность квантовой механики требует, чтобы все компоненты суперпозиции сохранились. При измерении происходит лишь запутывание измеряемой системы с измерительным прибором, т.е. суперпозиция принимает вид c₁₁Ф₁ + c₂₂Ф₂ (где Ф₁, Ф₂ – состояния прибора, соответствующие альтернативным результатам измерений). Концепцию Эверетта можно трактовать как попытку принять этот аргумент всерьёз и учесть его последовательно.

Если быть последовательным, то не следует «портить» квантовую механику чуждым ей постулатом редукции, а, напротив, следует опираться на присущую ей линейность. Тогда приходится сделать вывод, что после взаимодействия, которое мы называем измерением, состояние системы и прибора примет вид c₁₁Ф₁ + c₂₂Ф₂. Нельзя выбросить ни одной компоненты из этой суперпозиции (которая в общем случае может включать много или даже бесконечное число компонент, в зависимости от типа измерения). Но если не выбрасывать, то все компоненты суперпозиции нужно интерпретировать. Это и сделал Эверетт.

В концепции Эверетта (а точнее, в эквивалентной ей многомировой интерпретации) предполагается, что различные компоненты суперпозиции соответствуют различным классическим реальностям, или классическим мирам. Принимается, что эти реальности, или миры, совершенно равноправны, т.е. ни одна (ни один) из них не более реальна (реален), чем остальные. В результате мы получаем картину многих миров в смысле Эверетта—Уилера—ДеВитта.

А как же быть с сознанием? Ведь каждый наблюдатель видит лишь один результат измерения, в его сознании, казалось бы, неизбежно происходит редукция, выбор одной компоненты суперпозиции из двух (или из многих). Не противоречит ли это концепции многих миров? Кажущееся противоречие разрешается очень просто: сознание наблюдателя как бы расщепляется (разделяется), так что в каждом из классических миров этот наблюдатель видит то, что в этом мире происходит. Покажем это.

Обозначим вектором ₀ начальное состояние наблюдателя, когда он ещё не осознал результаты измерения (быть может, оно ещё не закончилось, а быть может, он ещё не посмотрел на приборы). Тогда состояние тройной системы (измеряемая система + прибор + наблюдатель) перед измерением описывается как (c₁₁ + c₂₂)Ф₀₀.

Обозначим через ₁ (соответственно ₂) состояние наблюдателя в момент, когда он уже видит (осознаёт), что измерение дало результат 1 (соответственно 2). В этих обозначениях полная система (измеряемая система + прибор + наблюдатель) после измерения, но до осознания результата измерения, находится в состоянии (c₁₁Ф₁ + c₂₂Ф₂)₀, а после осознания – в состоянии c₁₁Ф₁₁ + c₂₂Ф₂₂.

В «эвереттовской» интерпретации этого выражения каждое слагаемое (компонента суперпозиции) соответствует своей классической реальности, или своему миру. В каждом из этих миров наблюдатель видит (осознаёт) то, что произошло именно в этом мире. В мире, обозначенном номером 1, наблюдатель находится в состоянии ₁. Это значит, что он осознал, что измерение дало результат 1, т.е., что измеряемая система и прибор находятся в состоянии ₁Ф₁. Аналогично в мире с номером 2 тот же наблюдатель находится в состоянии ₂, т.е. в его сознании картина происходящего соответствует состоянию ₂Ф₂ измеряемой системы и прибора (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Разделение альтернатив. Компоненты суперпозиции соответствуют различным эвереттовским мирам, или классическим реальностям. Сознание наблюдателя «разделяется» между этими классическими реальностями. Каждая «компонента» сознания воспринимает лишь «свой» мир

Таким образом, сознание наблюдателя расслаивается, разделяется, в соответствии с тем, как квантовый мир расслаивается на множество альтернативных классических миров. В нашем примере альтернатив всего две, в общем случае альтернативных классических миров после измерения оказывается столько, сколько альтернативных результатов может дать измерение. Заметим, впрочем, что классических миров на самом деле может быть сколько угодно, даже бесконечное количество, и после измерения они лишь распадаются на классы (в этом случае тоже бесконечные), соответствующие альтернативным результатам измерения.

В обычной (копенгагенской) картине измерения происходит редукция состояния, или, что то же, выбор одного альтернативного результата измерения из всех возможных. Это можно назвать выбором альтернативы. Все альтернативы, кроме выбранной, после редукции исчезают. Переходя к эвереттовской интерпретации, мы видим, что редукции или выбора одной альтернативы (с отбрасыванием остальных) не происходит. Вместо этого происходит расслоение, или разделение, состояния квантового мира на альтернативные классические «реальности», или миры.

Сознание наблюдателя воспринимает различные классические миры независимо друг от друга. Условно можно сказать, что сознание разделяется на компоненты, каждая из которых воспринимает лишь один классический мир. Субъективно наблюдатель воспринимает происходящее так, будто существует лишь один классический мир, именно тот, который он видит вокруг себя. Однако, согласно концепции Эверетта, на самом деле во всех альтернативных мирах имеются как бы «двойники» этого наблюдателя, ощущения которых дают каждому из них картину того мира, в котором «живёт» именно он.

В интерпретации Эверетта возникает некоторая двойственность, довольно трудная для осмысления. Все альтернативы реализуются, и сознание наблюдателя разделяется между всеми альтернативами. В то же время индивидуальное сознание наблюдателя субъективно воспринимает происходящее так, будто существует лишь одна альтернатива, в которой он живёт. Другими словами, сознание в целом разделяется между альтернативами, но индивидуальное сознание субъективно воспринимает лишь одну альтернативу. Каждая «компонента» сознания не знает, что существуют другие компоненты, и интерпретирует воспринимаемую ею картину как единственную реальность. На самом же деле существует множество «реальностей», и ни одна из них не более (и не менее) реальна, чем остальные.

Очень важно понимать, что в любом эвереттовском мире все наблюдатели видят одно и то же, их наблюдения идеально согласованы друг с другом (если, конечно, не говорить о возможных чисто человеческих ошибках, а иметь в виду идеальных наблюдателей).

Чтобы показать это, обобщим предыдущие формулы так, чтобы в них фигурировали состояния двух наблюдателей. Пусть первоначальное состояние измеряемой системы, прибора и двух наблюдателей имеет вид: (c₁₁ + с₂₂)Ф₀.

Тогда в силу линейности квантово-механической эволюции после измерения это состояние перейдёт в состояние c₁₁Ф₁+ c₂₂Ф₂.

Корреляция, описываемая этим вектором, такова, что либо оба наблюдателя находятся в состоянии, обозначенном номером 1 (т.е. видят первый результат измерения), либо оба находятся в состоянии с номером 2 (т.е. видят второй результат). Вектор состояния после измерения не может включать факторы , которые означали бы, что один наблюдатель видит результат наблюдения 1, а второй видит результат 2. Таким образом, несогласованность наблюдений различных наблюдателей в одном и том же эвереттовском мире появиться никак не может.

Такова вкратце концепция Эверетта. На первый взгляд, она кажется и фантастической, и слишком сложной. Это, однако, не совсем так.

Во-первых, концепция Эверетта логически вытекает из единственного и, казалось бы, вполне естественного предположения, что линейность квантовой механики не нарушается в процессе взаимодействия измеряемой системы с прибором и последующего воздействия прибора на наблюдателя. Во-вторых, вся картина кажется более фантастической, чем она есть на самом деле, когда, стремясь выражаться наглядно, говорят о многих классических мирах. На самом деле картина многих миров может вводить в заблуждение (и, действительно, нередко вводит в заблуждение) тех, кто знакомится с ней, не имея ещё достаточного опыта в этом вопросе.

Стоит напомнить, что никаких «многих классических миров» на самом деле нет. Есть только один мир, этот мир квантовый, и он находится в состоянии суперпозиции. Лишь каждая из компонент суперпозиции по отдельности соответствует тому, что наше сознание воспринимает как картину классического мира, и разным компонентам суперпозиции соответствуют разные картины. Каждый классический мир представляет собой лишь одну «классическую проекцию» квантового мира. Эти различные проекции возникают в сознании наблюдателя, которое «разделяет» квантовый мир на эти проекции. Сам квантовый мир существует как единое целое независимо от какого бы то ни было наблюдателя.

Если говорить «различные компоненты суперпозиции» вместо «различные классические миры», то исчезают многие недоразумения, бытующие в популярной литературе и в дискуссиях по данному вопросу. Например, картина многих миров создаёт иллюзию, что в момент измерения один классический мир превращается в несколько (или даже бесконечное количество) миров. При этом иногда даже говорят о чудовищном несохранении энергии при таком «размножении миров». На самом деле, разумеется, никакого размножения миров в интерпретации Эверетта нет². И до измерения, и после него существует один-единственный вектор состояния, описывающий состояние квантового мира.

Что же происходит в момент измерения, а точнее, в период, когда происходит взаимодействие измеряемой системы с прибором? В этот период происходят специфические изменения в состоянии взаимодействующих физических систем, что отражается в изменении вектора состояния полной системы. Возникает квантовая корреляция, или запутывание, между измеряемой системой и измеряющей средой, включая наблюдателя. Для формального описания этого изменения, чтобы наглядно представить возникающие корреляции, мы уже первоначальный вектор состояния представляем в виде суперпозиции нескольких компонент, а потом показываем, как меняется при измерении (под влиянием взаимодействия) каждая из этих компонент.

Этот анализ подробно обсуждался в предыдущих разделах. Согласно ему, первоначальное состояние c₁₁Ф₀₀+ c₂₂Ф₀₀ под действием взаимодействия переходит в c₁₁Ф₁₁+ c₂₂Ф₂₂. Этот переход вовсе не означает удвоения материальных систем. После перехода остаются те же самые системы, что существовали перед измерением (измеряемая система, прибор, наблюдатель...). Меняются лишь состояния этих систем. Изменения состояний участвующих во взаимодействии систем происходят согласованно, так что после взаимодействия имеет место квантовая корреляция этих систем, которой до взаимодействия не было.

Излишне упрощённым является не только представление о «ветвлении» мира, но и о том, что измерение происходит в определённый момент времени сразу во всех точках конечной области (в которой отлична от нуля волновая функция измеряемой системы). Такое представление несовместимо, например, со специальной теорией относительности, в которой одновременность событий в различных точках вообще нельзя определить. Все эти трудности возникают из-за идеализации, содержащейся в понятии мгновенного измерения. Они исчезают, если учесть, что реально взаимодействия, которые мы называем измерениями, происходят непрерывно. Позднее (в разделе 5.3) мы перейдём к этой более общей картине измерения как происходящего непрерывно во времени, и в связи с этим введём другой способ описания альтернатив, при помощи коридоров путей. При использовании коридоров путей вопрос о «размножении» классических миров вообще не возникает.

Имеется одно возражение против концепции Эверетта, которое выглядит действительно серьёзным. Оно состоит в том, что эту концепцию невозможно проверить, по крайней мере так кажется на первый взгляд. Поскольку все формулы в ней те же самые, что и в обычной квантовой механике, то и предсказания, которые получаются в рамках этой концепции, не отличаются от тех, что вытекают из обычных квантово-механических расчётов, проведённых в рамках копенгагенской интерпретации. Именно поэтому концепция Эверетта – это лишь иная интерпретация квантовой механики, но не иная квантовая механика. Но действительно ли эту интерпретацию нельзя проверить? Позднее мы поговорим об этом подробнее, но несколько слов скажем уже сейчас.

На первый взгляд, кажется, что многомировую интерпретацию действительно невозможно подтвердить или опровергнуть экспериментом, и в некотором смысле это действительно так. Обвинение это серьёзное, ибо конструирование довольно сложной (в концептуальном плане) интерпретации, которую нельзя проверить, кажется слишком дорогой ценой за то, что теория становится более последовательной в чисто логическом плане.

По этой причине некоторые последователи Эверетта предлагали модифицировать его концепцию таким образом, чтобы она стала проверяемой. Мы считаем, однако, что даже без всякой модификации концепцию Эверетта можно проверить экспериментами или, скорее, наблюдениями особого рода: наблюдениями над индивидуальным сознанием. Мы обсудим это в разделах 6.3 и 6.4.2, а пока уточним, как следует понимать сознание в рамках концепции Эверетта.

__________________

¹Материал этой главы и главы 6 основан на работах М.Б.Менского в журналах: УФН, 2000, т. 170, с. 631; УФН, 2001, т. 171, с. 459; Вопросы философии, 2004, № 6, с. 64; УФН, 2005, т. 175, с. 413.

²Макс Тегмарк выразил эту мысль в такой яркой форме: «Чего Эверетт НЕ постулирует: в определённые волшебные моменты мир испытывает какое-то метафизическое “расщепление” на две ветви, впоследствии никогда не взаимодействующие».

Продолжение в № 4