Продолжение. См. № 2/07

Проф. М.Б.МЕНСКИЙ,
ФИАН 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 (продолжение)

5.2. Расширение концепции Эверетта: сознание – это разделение альтернатив

Мы видели, что в квантовом измерении можно выделить два аспекта, статус которых очень существенно различается. Первый аспект является общепризнанным и лежит в основе всех квантово-механических вычислений. Суть его в том, что даже при точно известном состоянии измеряемой системы квантовое измерение может иметь более одного исхода, каждый из которых характеризуется вероятностью этого исхода³. Для любых расчётов вполне достаточно такого описания измерения: в терминах множества альтернатив и распределения вероятностей на этом множестве. Поэтому многие физики считают, что этим описание квантового измерения исчерпывается.

Этот аспект квантового измерения хорошо понятен и не вызывает никаких вопросов. Измерение представляет собой взаимодействие измеряемой системы с измерительным прибором. При таком взаимодействии возникает квантовая корреляция (запутывание) измеряемой системы с прибором (или измеряющей средой)⁴. Важно, что при этом структура состояния не меняется: и до измерения, и после него состояние представляет собой суперпозицию, разные компоненты которой соответствуют различным результатам измерения. Если ограничиться лишь этим аспектом измерения, то при описании измерения в нём с начала и до конца присутствуют все альтернативные результаты измерения.

Однако наш опыт говорит о том, что в квантовом измерении имеется ещё и второй аспект – выбор одного из альтернативных результатов измерения. При общепринятом описании этого аспекта меняется структура состояния. Из суперпозиции, компоненты которой соответствуют различным результатам измерения, сохраняется лишь одна, остальные компоненты отбрасываются. Эта операция (отбрасывания всех компонент суперпозиции, кроме одной) называется редукцией состояния.

Вот этот второй аспект квантового измерения, редукция состояния, и вызывает концептуальные трудности, или парадоксы, квантовой механики. Причина в том, что редукцию состояния (отбрасывание всех компонент суперпозиции, всех альтернативных результатов измерения, кроме одного) невозможно вывести в рамках квантовой механики. Поскольку в квантовой механике эволюция линейна (описывается линейным оператором или линейным уравнением), все компоненты суперпозиции должны сохраниться, ни одна не может исчезнуть. Процедура редукции является чужеродной по отношению к квантовой механике, т.к. противоречит линейному характеру эволюции любой квантово-механической системы.

Тем не менее в квантовой теории измерений обычно принимается, что при измерении происходит именно такой переход, т.е. при измерении обычный в квантовой механике линейный закон эволюции перестаёт действовать. Это предположение составляет содержание постулата редукции. Постулат редукции принимается для того, чтобы описать то, что реально наблюдается при измерениях квантовых систем классическими приборами. Однако, по существу, такое описание эклектически соединяет квантовую теорию с классической.

Если считать квантовую теорию правильной и при этом быть последовательным, то нужно признать, что редукция вообще не может происходить, и следует исключить её из теории. Это и делается в концепции Эверетта. Однако это вызывает новую проблему. Требуется как-то объяснить, почему наблюдатель всегда видит лишь одну альтернативу, тогда как квантовая механика не разрешает переход, при котором из всех альтернатив остаётся лишь одна. Многие считают эту проблему не менее серьёзной, чем та «проблема измерения», которую призвана решить интерпретация Эверетта, и на этом основании отвергают эту интерпретацию. Мы, однако, попытаемся понять, почему наблюдатель видит лишь одну альтернативу, опираясь именно на концепцию Эверетта, т.е. настаивая на равноправном существовании всех альтернатив (всех компонент суперпозиции).

Будем рассуждать логично. Если объективно (т.е. в соответствии с законами квантовой механики) выбора одной альтернативы не происходит, а наблюдатель тем не менее всегда осознаёт лишь одну альтернативу, значит, выбор альтернативы происходит в сознании наблюдателя.

Эта мысль не является новой. И Эверетт, и многие его последователи в той или иной форме признают, что выбор альтернативы связан с сознанием. Однако в отличие от других авторов мы усилим это положение и будем предполагать, что не просто существует связь между двумя различными явлениями или понятиями, а эти явления, которые кажутся различными (хотя и связанными), на самом деле тождественны друг другу. Другими словами, мы предполагаем, что выбор альтернативы должен быть отождествлён с сознанием. Уточним это.

В концепции Эверетта имеются два различных аспекта сознания (см. раздел 5.1). Сознание в целом разделяется между альтернативами, а «компонента» сознания живёт в одной классической альтернативе. В психологии сознанием называется, конечно, лишь то, что воспринимается субъективно, т.е., в нашей терминологии, лишь «классическая компонента» сознания. Значит, чтобы произвести отождествление понятия «сознание» с некоторым понятием из квантовой теории измерений, мы должны понимать сознание расширительно, как нечто, способное охватить весь квантовый мир, а не только одну его классическую проекцию. Таким образом, мы приходим к следующей гипотезе отождествления.

Способность человека (и любого живого существа), называемая сознанием, – это то же самое явление, которое в квантовой теории измерений фигурирует как редукция состояния или выбор альтернативы, а в концепции Эверетта – как разделение единого квантового мира на классические альтернативы.

Гипотеза отождествления, о которой мы сейчас говорим, тесно связана с такими вариантами интерпретации Эверетта, в которых фигурирует понятие «многих разумов» (many minds). Иногда этим вариантам интерпретации Эверетта присваивают отдельное название «интерпретация многих разумов» (many-minds interpretation). Но предлагаемая гипотеза, по нашему мнению, легче для понимания и более плодотворна. Хотя эта оценка, конечно, вполне субъективна, всё же последующее изложение в какой-то мере подтвердит, что эта гипотеза действительно порождает нечто новое: она естественным образом ведёт к объяснению целого класса явлений в области сознания, явлений удивительных и до сих пор не объяснённых.

На первый взгляд, шаг, который делается, если мы принимаем гипотезу отождествления, невелик. Однако на самом деле он позволяет совсем по-новому посмотреть на соотношение между квантовым измерением и сознанием наблюдателя. Что же именно меняется, если мы отождествляем разделение альтернатив и сознание?

В рамках интерпретации Эверетта всегда предполагалось, что эти явления, принадлежащие качественно различным сферам, тем не менее связаны друг с другом. Теперь, принимая гипотезу отождествления и тем самым расширяя концепцию Эверетта, мы считаем, что это просто одно и то же явление. Значит, раньше две сферы, квантовая механика и психология, не имели никаких общих элементов (хотя между ними и существовала некая функциональная связь), а теперь у них есть общий элемент – сознание. Сознание оказывается общей частью квантовой физики и психологии, а тем самым – общей частью естественнонаучной и гуманитарной сфер познания.

Несколько уточним это утверждение. Общую часть квантовой физики и психологии, которую в контексте квантовой физики можно назвать разделением альтернатив, следует отождествить лишь с самым глубоким (или самым примитивным) пластом сознания. Этот пласт сознания лежит как бы «на границе сознания» и тесно связан с явлением осознавания, т.е. с переходом от состояния, когда нечто не осознано, к состоянию, когда оно осознано. Для упрощения терминологии мы будем называть эту общую часть квантовой физики и психологии просто сознанием. Лишь иногда, когда это необходимо, мы будем пояснять, что речь идёт не о всём многообразии явлений, которое обычно охватывается термином «сознание», а лишь о том неуловимом, что отличает состояние, в котором субъект осознаёт происходящее, от состояния, в котором он его не осознаёт.

Мы много и с различных точек зрения говорили о том, что в квантовой механике редукция состояния при измерении не поддаётся пониманию, вызывает концептуальные проблемы, которые уже много лет не удаётся решить. Точно так же, несмотря на ещё более долгое тщательное изучение, остаётся непонятным феномен сознания. Различные проявления сознания (такие, как распознавание образов, обработка зрительной информации и т.д.) очень хорошо изучены. Однако сама суть сознания, то, что отличает состояние сознающего субъекта от состояния мёртвой материи, остаётся тайной, одной из величайших тайн. Таким образом, сейчас идёт речь об отождествлении двух понятий, или явлений, каждое из которых не поддаётся пониманию, несмотря на интенсивные исследования уже в течение многих десятилетий. Возможно, что при отождествлении этих явлений они станут более прозрачными, «объяснят друг друга».

Если принять отождествление сознания и разделения альтернатив, т.е. двух явлений из качественно различных сфер, то становится правдоподобным, что при обычном подходе, без отождествления, эти явления и не могли быть поняты. Понимание в этом случае не достигается потому, что анализ каждого из этих явлений производится в рамках лишь одной из этих двух сфер, и тем самым упускается важный аспект изучаемого явления, лежащий в другой сфере.

Это особенно очевидно относительно явления редукции в квантовой физике. Если считать, что редукция (а точнее – разделение альтернатив) есть не что иное как сознание наблюдателя, то перестаёшь удивляться, что оно не поддаётся объяснению в рамках физики. Ведь из физики, согласно принятой в ней методологии, принципиально изгоняется всё субъективное, в том числе само понятие сознания. Явление редукции упорно пытались объяснить как нечто, происходящее с материальными системами и не имеющее прямого отношения к наблюдателю, тем более к сознанию наблюдателя. Если на самом деле редукция – это и есть само сознание, то что же удивительного, что её не удаётся понять, когда сознание исключается из рассмотрения? Можно ли в физике действовать иначе – об этом мы поговорим в разделе 6.4.2.

В дальнейшем мы будем неоднократно опираться на понятие сознания как общей части физики и психологии, что расширяет возможности концепции Эверетта. Но прежде уточним понятие измерения и альтернативных результатов измерения, перейдя от мгновенных измерений к непрерывным.

5.3. Представление альтернатив коридорами путей

До сих пор, говоря об измерении, мы для простоты имели в виду мгновенные измерения, поэтому в качестве альтернатив выступали векторы состояния, которые представляли компоненты суперпозиции (в простейшем примере это были векторы ₁₁ и ₂₂). На самом деле при более общем и более реалистическом описании измерения следует учитывать его длительность, т.е. рассматривать измерение как непрерывное. В случае непрерывного измерения можно представлять результат измерения как коридор путей, описывающих эволюцию системы и её окружения. Коридор путей, представляющий результат непрерывного измерения, мы будем обозначать буквой . Множество всех альтернативных результатов непрерывного измерения представляется тогда как множество {} различных коридоров путей.

Переход к непрерывным измерениям важен в том смысле, что альтернативой является в этом случае не состояние системы и прибора в определённый момент времени, а эволюция системы и её окружения в течение интервала времени (возможно, очень длительного). В остальном же все высказанные до сих пор соображения остаются справедливыми.

На самом деле мгновенных измерений вообще не существует, каждое измерение имеет конечную продолжительность. В некоторых случаях длительность измерения пренебрежимо мала, так что его можно считать мгновенным. Мгновенные измерения хороши для того, чтобы проанализировать некоторые черты квантовых измерений, не усложняя этот анализ техническими деталями. Так мы и поступали до сих пор. Однако в действительности чаще всего следует учитывать продолжительность и говорить о непрерывном измерении. В некоторых случаях продолжительность непрерывного измерения очень велика, особенно когда «квантовое измерение» не организуется специально экспериментатором, а возникает спонтанно в результате неконтролируемых взаимодействий квантовой системы с её окружением.

Непрерывное измерение можно представить как последовательность большого количества мгновенных измерений, происходящих достаточно часто. Можно описать его и при помощи пучков так называемых фейнмановских путей. Каждый из пучков для наглядности можно представлять себе как коридор, по которому прокладываются пути и из которого они не выходят. Если мы говорим, что нам известен результат непрерывного измерения, это значит, что нам известно, в каком коридоре лежал фейнмановский путь измеряемой системы и её окружения. Нам сейчас техника фейнмановских путей, по существу, не потребуется. Достаточно будет очень простого наглядного образа – частицы, движущейся вдоль коридора путей.

Для большей наглядности можно представлять себе эволюцию квантовой системы как движение квантовой частицы. Это на самом деле вполне адекватный образ, потому что сколь угодно сложная система представляется значениями своих координат, т.е. точкой в многомерном пространстве. Изменение состояния этой системы с течением времени выглядит тогда как движение этой точки.

Если система классическая, то её эволюция представляется движением точки (частицы) по вполне определённой траектории, или пути. Путь, который выбирает классическая система, называется классической траекторией. Он находится по известным законам, в простейшем случае – с помощью известного из школьного курса закона Ньютона. Квантовая система движется иначе: «одновременно» по всем возможным путям (это соответствует фейнмановскому интегралу по путям).

Случай квантовой системы, подвергающейся непрерывному измерению, является промежуточным между классической и квантовой картинами. Если система подвергается непрерывному измерению, то её путь частично становится известным. Это значит, что из всех возможных путей, по которым могла бы двигаться система, выделяется пучок, или коридор, путей. Таким образом, коридор путей представляет результат измерения. Множество альтернативных результатов измерения представляется множеством коридоров {}. Так же, как в случае мгновенного измерения, для каждого коридора (т.е. для каждого результата непрерывного измерения) можно найти соответствующую ему вероятность.

5.4. Иллюзия классической реальности

Если принять точку зрения, которая развивалась в разделе 5.2, то взаимоотношение между квантовым и классическим мирами выглядит совершенно иначе, чем обычно. Обычная интерпретация взаимоотношений этих миров иллюстрируется следующей схемой:

Классический мир – это то, что мы наблюдаем, поэтому он интерпретируется как реальность. Квантовый же мир (вектор состояния, или волновая функция) существует лишь как некоторый математический образ, позволяющий предсказать классическую реальность, да и то лишь вероятностным образом. Во всяком случае при таком подходе кажется неправильным интерпретировать квантовый мир как объективно существующий.

Если же принять интерпретацию Эверетта, дополнив её вдобавок гипотезой, что разделение квантового мира на альтернативные «классические реальности» – это то, что мы воспринимаем как сознание, тогда возникает совершенно другая схема взаимоотношений квантового и классического миров:

В этой схеме квантовый мир объективен, потому что он не зависит от сознания. Он существует в форме параллельных классических миров, каждый из которых не менее и не более реален, чем все остальные⁵. По существу, каждый из «классических миров» представляет собой лишь одну из альтернативных «классических проекций» квантового мира (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Классическая реальность возникает в сознании как выбор одного из альтернативных результатов измерения и представляет собой взгляд на квантовый мир с одной из возможных точек зрения. В квантовом мире все альтернативы объективно существуют. В сознании тоже все они сосуществуют, но разделены

«Реальность» одного классического мира, каким-то образом выбранного из всего множества альтернативных эвереттовских миров, оказывается вполне иллюзорной: ведь этот мир является лишь образом, возникающим в сознании. Если сознание видит один из эвереттовских миров, то остальные миры при этом вовсе не перестают существовать, а оказываются другими образами, также существующими в сознании как другие «классические компоненты» этого сознания. Представление о том, что лишь один, выбранный сознанием, мир реален, – это лишь иллюзия, возникающая в сознании наблюдателя. Эта иллюзия вполне подобна другой, широко известной иллюзии – что Солнце вращается вокруг Земли.

На рис. 5.2 квантовый мир символически изображён как некоторая сложная объёмная фигура, а то, что мы называем классической реальностью, соответствует лишь одной из проекций этой фигуры. Работа сознания состоит в том, чтобы отделить каждую из возможных проекций от всех остальных, однако одна проекция ни в какой мере не отображает всей сложности объективно существующего квантового мира.

5.5. Сознание – мост между «двумя культурами»

Предположим, что разделение альтернатив (необходимый элемент описания квантового измерения) отождествляется, как это сделано в разделе 5.2, с актом «осознавания», т.е. с глубинным пластом феномена сознания. В этом случае сознание оказывается одновременно элементом физики и психологии, т.е. становится границей и даже общим элементом естественнонаучной и гуманитарной культур. Это приводит к качественно новому пониманию того, как соотносятся друг с другом эти две сферы человеческого знания.

_______________________

³Если состояние измеряемой системы перед измерением имеет вид , где _i – состояние, соответствующее i-му результату измерения, то вероятность i-го результата равна |c_i|².

⁴Это значит, что состояние измеряемой системы и прибора меняется как

⁵Вектор, описывающий состояние квантового мира, можно представить в виде суперпозиции векторов, каждый из которых соответствует определённой классической реальности. Однако это разложение требуется лишь для интерпретации состояния. На самом деле состояние описывается всей суперпозицией в целом.

Продолжение в № 6